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Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1, eine Auswerteschaltung gemäß Anspruch 6 und einen Elektromotor gemäß Anspruch 7.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Arten von Winkelsensierungsprinzipien bekannt, die eine ausreichend hohe Winkelauflösung für komplexe Ansteuerverfahren elektrischer Maschinen ermöglichen. Allerdings sind derartige Systeme relativ teuer oder lassen sich aufgrund der mechanischen Gegebenheiten nicht auf einfache Weise in jedes Antriebssystem integrieren. Als Alternativen gibt es hierzu auch kostengünstige und leicht integrierbare Lösungen für die Drehwinkelerfassung eines Rotors eines Elektromotors. Beispielsweise werden bei Elektrorollern drei Hall-Schalter innerhalb des Elektromotors verbaut, um die Kommutierung des Elektromotors zu realisieren. Die Auflösung eines derartigen Winkelsystems ist auf die Anzahl der Signalflanken der Hall-Sensoren begrenzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltung und ein Verfahren zur Korrektur eines Drehwinkels bereitzustellen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1, die Auswerteschaltung gemäß Anspruch 6 und den Elektromotor gemäß Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass die Erkennung des Drehwinkels verbessert wird. Dies wird dadurch erreicht, dass wenigstens ein Korrekturwert für die Winkelposition abgelegt ist und bei der Kommutierung des Elektromotors berücksichtigt wird. Durch die Berücksichtigung des Korrekturwertes können fehlerhafte Winkelpositionen, die aufgrund eines fehlerbehafteten Sensorsignals ermittelt werden, ausgeglichen werden.
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In einer Ausführungsform ist wenigstens ein Teil des Korrekturwertes als konstanter Korrekturwert abgelegt. Der konstante Korrekturwert kann beispielsweise von einer Fehlpositionierung des Sensors in Bezug auf eine vorbestimmte Position abhängen. Bei der Montage werden beispielsweise die Sensoren, insbesondere die Hall-Sensoren, nicht präzise an der vorgegebenen Position, sondern leicht versetzt um einen Fehlwinkel in Bezug auf eine festgelegte Winkelposition zum Rotor montiert. Diese Fehlpositionierung relativ zum Rotor kann nach der Montage mithilfe entsprechender Testverfahren ermittelt und ein entsprechender Korrekturwert für den Sensor abgespeichert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform besteht wenigstens ein Teil des Korrekturwertes aus einem Fehler, der von der Drehzahl und/oder von dem Drehmoment des Motors abhängt. Dieser Fehler kann experimentell in Abhängigkeit von verschiedenen Drehzahl- und Drehmomentzuständen ermittelt und entsprechend abgespeichert werden. Somit können Fehler bei der Drehwinkelerfassung des Rotors abhängig von unterschiedlichen Drehzahlen und/oder Drehmomenten bei der Auswertung der Sensorsignale bei der Drehwinkelerfassung berücksichtigt werden. Auch dadurch wird eine weitere Präzisierung der Erfassung des Drehwinkels des Rotors ermöglicht.
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Das beschriebene Verfahren ermöglicht, Fehler bei der Erfassung des Drehwinkels des Rotors zu kompensieren und ein korrigiertes Winkelsignal bereitzustellen. Somit wird trotz eines kostengünstigen Winkelerfassungssystems wie zum Beispiel mithilfe von drei Hall-Sensoren eine präzisere Winkelinformation für die Position des Rotors zur Verfügung gestellt. Damit kann die Kommutierung des Motors präziser berechnet und durchgeführt werden. Somit wird die Effizienz elektrischer Antriebe erhöht und das abgegebene Drehmoment weist weniger Ungleichheiten auf.
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In einer Ausführungsform wird der Korrekturwert abhängig von einem Betriebszustand des Elektromotors ermittelt, wobei insbesondere die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Elektromotors berücksichtigt werden. Auf diese Weise kann der Korrekturwert präzise festgelegt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird der Korrekturwert berechnet. Dazu sind entsprechende Berechnungsverfahren und Formeln abgespeichert, mit denen anhand der Drehzahl und/oder des Drehmomentes der Korrekturwert ermittelt werden kann.
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In einer weiteren Ausführung kann anhand einer Tabelle oder anhand eines Kennfeldes der Korrekturwert abhängig von der Drehzahl und/oder dem Drehmoment ermittelt werden. Die Tabellen und/oder Kennfelder sind beispielsweise experimentell ermittelt. Insbesondere kann für jeden Sensor, insbesondere für jede steigende oder fallende Flanke des Sensorsignals ein entsprechender Korrekturwert abgespeichert sein.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung eines Elektromotors mit einer Steuerschaltung,
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2 eine schematische Darstellung eines idealen Signalverlaufs von drei Sensoren,
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3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Schaltung, und
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4 einen realen Signalverlauf der Sensoren.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Anordnung mit einem Elektromotor 1, einer Steuerschaltung 2, einer Kommutatorschaltung 3, einer Sensoranordnung 4 und einer Auswerteschaltung 6. Der Elektromotor 1 kann beispielsweise bei einem Elektroroller als Antriebsmotor eingesetzt werden. Der elektrische Motor 1 ist z.B. als dreiphasiger bzw. dreisträngiger EC-Motor ausgebildet. Bei dem Elektromotor 1 ist nur ein Stator mit drei elektrisch um jeweils 120° versetzten Wicklungssträngen angedeutet. Ein zugehöriger permanentmagnetischer Rotor ist nicht dargestellt. Im dargestellten Beispiel sind die Wicklungsstränge in Sternschaltung geschaltet, wobei jedoch auch eine Dreiecksschaltung der Wicklungsstränge möglich ist. Die Wicklungsstränge sind über Stranganschlüsse mit einer als Halbleiterbrücke ausgebildeten Kommutatorschaltung 3 verbunden. Die Kommutatorschaltung 3 besteht aus sechs Leistungshalbleitern, die von der Steuerschaltung 2 mit Steuersignalen und zwar abhängig von der Drehposition, d. h. von dem mechanischen Drehwinkel des Rotors versorgt wird. Zudem wird der Steuerschaltung 2 ein Drehmomentsignal 7 zugeführt, das die Steuerschaltung 2 zur Beeinflussung des Motormomentes berücksichtigt.
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Zur Erzeugung eines magnetischen Statordrehfeldes werden von der Steuerschaltung 2 die Leistungshalbleiter der Kommutatorschaltung 3 in jeweils zyklisch wechselnden Kombinationen angesteuert, indem die Wicklungsanschlüsse entweder mit einem positiven oder einem negativen Anschluss einer Gleichspannungsquelle 8 verbunden oder hochohmig von der Gleichspannungsquelle 8 getrennt werden. Zur Ermittlung des Drehwinkels des Rotors ist die Sensoranordnung 4 vorgesehen. Die Sensoranordnung 4 weist einen ersten, zweiten und dritten Sensor 9, 10, 11 auf. Der erste, zweite und dritte Sensor 9, 10, 11 können beispielsweise in Form eines Hall-Sensors ausgebildet sein. Die drei Sensoren 9, 10, 11 sind versetzt um 120° um die elektrische Drehachse des Rotors angeordnet. Damit kann mithilfe der drei Sensoren 9, 10, 11 jeweils wenigstens ein festgelegter Drehwinkel des Rotors von 120°, 240° und 360° erfasst werden. Im Fall von Hall-Sensoren kann jeder Sensor wenigstens zwei Drehwinkel des Rotors, einen durch eine steigende Flanke und einen durch eine fallende Flanke festlegen.
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2 zeigt in einer schematischen Darstellung einen idealen ersten Signalverlauf 12 des ersten Sensors 9, einen idealen zweiten Signalverlauf 13 des zweiten Sensors 10 und einen idealen dritten Signalverlauf 14 des dritten Sensors 11. Die Signalverläufe 12, 13, 14 sind über den elektrischen Drehwinkel des Rotors aufgetragen. Bei einem Drehwinkel von 0° weist der erste Sensor 9 einen Übergang von einem hohen Pegel zu einem niedrigen Pegel, d.h. eine fallende Flanke auf. Der zweite Signalverlauf 13 des zweiten Sensors 10 ist auf einem hohen Pegel. Der dritte Signalverlauf 14 des dritten Sensors 11 ist auf einem niedrigen Pegel. Bei einem Winkel von 60° steigt der dritte Signalverlauf 14 von einem niedrigen Pegel auf einen hohen Pegel mit einer steigenden Flanke. Bei einem Drehwinkel von 120° sinkt der zweite Signalverlauf 13 von einem hohen Pegel auf einen niedrigen Pegel mit einer fallenden Flanke. Bei einem Winkel von 180° steigt der erste Signalverlauf 12 von einem niedrigen Pegel auf einen hohen Pegel mit einer steigenden Flanke. Bei einem Winkel von 240° fällt der dritte Signalverlauf 14 von einem hohen Pegel auf einen niedrigen Pegel mit einer fallenden Flanke. Bei einem Winkel von 300° steigt der zweite Signalverlauf 13 von einem niedrigen Pegel auf einen hohen Pegel mit einer steigenden Flanke. Bei 360°, die gleichzeitig 0° für eine neue elektrische Umdrehung des Rotors darstellt, sinkt der erste Signalverlauf 12 von einem hohen Pegel auf einen niedrigen Pegel mit einer fallenden Flanke. Somit können mithilfe der steigenden und der fallenden Flanken der Signalverläufe 12, 13, 14 sechs definierte Drehwinkelpositionen des Rotors erfasst werden.
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3 zeigt eine Ausführungsform für eine Schaltung mit der Auswerteschaltung 6 und der Steuerschaltung 2. Die Auswerteschaltung 6 weist eine Winkelerfassung 15 auf. Der Winkelerfassung 15 werden der erste, zweite und dritte Signalverlauf 12, 13, 14 des ersten, des zweiten und des dritten Sensors 9, 10, 11 zugeführt. Zudem weist die Auswerteschaltung 6 einen ersten und/oder einen zweiten Korrekturblock 16, 17 auf. Im ersten Korrekturblock 16 sind vorzugsweise für jeden, insbesondere für wenigstens einen der Sensoren 9, 10, 11 ein konstanter Korrekturwert für die Winkelposition wenigstens einer steigenden und/oder fallenden Flanke des Sensorsignals abgespeichert. Damit können beispielsweise Ungenauigkeiten bei der Positionierung des Sensors in Bezug auf eine vorgegebene Winkelposition relativ zum Rotor ausgeglichen werden. Diese Ungenauigkeiten können nach der Montage mithilfe von Testverfahren ermittelt und in einen entsprechenden Speicher eingeschrieben werden. Der konstante Korrekturwert sorgt dafür, dass der Signalflanke der tatsächliche Drehwinkel des Rotors zugeordnet ist.
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Zudem kann abhängig von der gewählten Ausführungsform zusätzlich oder anstatt des ersten Korrekturblockes 16 der zweite Korrekturblock 17 vorgesehen sein. Der zweite Korrekturblock 17 erhält ein Ansteuersignal 22 der Steuerschaltung 2. Abhängig vom Ansteuersignal 22 ermittelt der zweite Korrekturblock 17 für wenigstens einen der Sensoren 9, 10, 11 für wenigstens eine steigende und/oder fallende Flanke des Signals einen Korrekturwert, der vom Ansteuersignal 22, insbesondere von der Drehzahl und/oder dem Drehmoment des Elektromotors abhängt. Dazu sind entsprechende Korrekturtabellen oder Kennfelder abgelegt, die in Abhängigkeit von der Drehzahl und/oder vom Drehmoment einen Korrekturwert für eine steigende und/oder fallende Flanke des Signalverlaufs wenigstens für einen, insbesondere für alle drei Sensoren abgelegt sind. Zudem können entsprechende Berechnungsprogramme verwendet werden, mit denen der zweite Korrekturblock in Abhängigkeit von der Drehzahl und/oder vom Drehmoment, d.h. abhängig vom Ansteuersignal 22 einen Korrekturwert für eine steigende und/oder fallende Flanke des Signalverlaufs für wenigstens einen, insbesondere für alle drei Sensoren einen Korrekturwert berechnet.
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Werden beide Korrekturblöcke 16, 17 verwendet, so sind entsprechende Addiereinheiten 19, 20, 21 vorgesehen, mit denen für jede Flanke eines Signalverlaufes eines Sensors eine Addition der Korrekturwerte erfolgen kann. Die Korrekturwerte können dimensionslos als Faktor oder beispielsweise bereits als Korrekturwinkel abgelegt bzw. in dem zweiten Korrekturblock 17 berechnet werden.
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Die Winkelerfassung 15 ermittelt in Abhängigkeit von den Signalverläufen 12, 13, 14, insbesondere von den Flanken der Signalverläufe 12, 13, 14 und den entsprechenden Korrekturwerten, die vom ersten und/oder vom zweiten Korrekturblock 16, 17 bereitgestellt werden, einen korrigierten Drehwinkel des Rotors. Der korrigierte Drehwinkel 23 wird an die Steuerschaltung 2 übergeben.
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3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsform für einen Winkelkorrekturalgorithmus. Die in der Figur dargestellten Blöcke können in Hardware oder Software realisiert sein. Wie erläutert, kann sich der Korrekturwinkel aus einem statischen und einem dynamischen Anteil zusammensetzen. Der statische Anteil wird im ersten Korrekturblock 16 bereitgehalten. Der dynamische Anteil wird dem zweiten Korrekturblock 17 in Abhängigkeit von den aktuellen Ansteuerdaten für die Kommutierung ermittelt.
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Das beschriebene Verfahren kann beispielsweise dazu führen, dass anstelle der von 2 erläuterten idealen Signalverläufe 12, 13, 14 ein realer Signalverlauf verwendet wird, wie in 4 dargestellt ist. Dabei ist beispielsweise die erste steigende Flanke des dritten Signalverlaufes 14 von dem theoretischen Winkel von 60° auf 65° verschoben. Zudem ist die erste fallende Flanke des zweiten Signalverlaufes 13 von dem Drehwinkel 120° zu dem korrigierten Drehwinkel 115° verschoben. Zudem ist die erste steigende Flanke des ersten Signalverlaufes 12 von dem theoretischen Drehwinkel 180° auf den tatsächlichen Drehwinkel 190° verschoben. In analoger Weise verschieben sich auch die fallenden bzw. steigenden Flanken der Signalverläufe 12, 13, 14. Dies bedeutet, dass die Auswerteschaltung 6 bei einer steigenden Flanke des dritten Signalverlaufes 14 des dritten Sensors 11 nicht den Winkel von 60°, sondern den Winkel von 65° an die Steuerschaltung 2 weitergibt. Ebenso wird bei Erkennen einer fallenden Flanke des zweiten Signalverlaufes 13 nicht ein Winkel von 120°, sondern ein Winkel von 110° an die Steuerschaltung 2 weitergegeben. Ebenso sind für die weiteren Flanken der Signalverläufe 12, 13, 14 entsprechend korrigierte Drehwinkel vorgegeben bzw. werden von der Auswerteschaltung 6 berechnet.
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Somit können beispielsweise bei drei Sensoren, insbesondere drei Hallsensoren insgesamt sechs Korrekturwerte in einer Korrekturtabelle abgelegt sein, wobei für jeden Sensor für eine steigende und eine fallende Signalflanke jeweils ein Korrekturwert abhängig von der Drehzahl und dem Drehmoment abgelegt ist.
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Das beschriebene Verfahren bzw. das beschriebene System kann bei jeder Art von Elektromotor, insbesondere bei Elektrorollern oder Radnabenmotoren, beispielsweise für Fahrräder, eingesetzt werden. Im Bereich der Elektroroller wäre beispielsweise der BSD-Motor als Anwendung zu nennen.
