DE102015211238A1

DE102015211238A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Filtern eines Winkelsignals

Info

Publication number: DE102015211238A1
Application number: DE102015211238.1A
Authority: DE
Inventors: Michael UNGERMANN; Benjamin Lechner; Daniel Zirkel; Daniel Raichle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-06-18
Filing date: 2015-06-18
Publication date: 2016-12-22
Also published as: WO2016202634A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filterung eines Winkelsignals. Hierzu wird das Winkelsignal mittels eines Zustandsvariablenfilters gefiltert. Die Übertragungsfunktion des Filters weist dabei in Zähler- und Nennerpolynom gleiche Koeffizienten auf. Hierdurch ist es möglich, in einigen Betriebsmodi einen Phasenverzug durch die Filterung tzu vermeiden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Filtern eines Winkelsignals. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Filterung von Winkelsignalen ohne Phasenverzug.
Stand der Technik
Elektro- und Hybridfahrzeuge gewinnen zunehmend an Bedeutung. Zur Regelung von permanenterregten Synchronmaschinen (PSM) und elektrisch erregten Synchronmaschinen (ESM), wie sie in solchen Fahrzeugen eingesetzt werden, ist die Kenntnis des Rotorlagewinkels derartiger Maschinen erforderlich. Weiterhin ist zur Regelung von Asynchronmaschinen (ASM) die Kenntnisse der elektrischen Frequenz des Antriebs notwendig. Zur Ermittlung des Rotorlagewinkels bzw. der elektrischen Frequenz können verschiedene Sensorarten eingesetzt werden. Zum Beispiel sind Sensoren auf Basis des Wirbelstrom-Effekts, Resolver oder digitale Winkelgebersignale möglich.
Ein Resolver wird dabei beispielsweise mit einem vorzugsweise sinusförmigen Trägersignal angeregt. Als Empfängersignale des Resolvers erhält man dabei in der Regel gestörte, amplitudenmodellierte Spannungen, aus deren Einhüllende die Information über die Rotorlage gewonnen werden kann.
Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2011 078 583 A1 offenbart beispielsweise eine Auswertung von Resolver-Sensorsignalen in einem Fahrzeug. Ein Resolver-Sensor nimmt hierzu eine Drehbewegung eines Rotors auf, und ein Prozessorelement verarbeitet die sinus- bzw. kosinusförmigen Ausgangssignale des Resolver-Sensors.
Zur Signalverarbeitung von Winkelsignalen sowie zur Regelung eines Systems basierend auf Winkelsignalen erfolgt in vielen Fällen zunächst eine Filterung des Winkelsignals, welches zuvor von einem beliebigen Sensortyp durch einen entsprechenden Algorithmus ermittelt wurde. Dabei besteht ein Bedarf nach einer zuverlässigen, effizienten und phasenstabilen Filterung der Winkelsignale.
Offenbarung der Erfindung
Hierzu schafft die vorliegende Erfindung gemäß einem ersten Aspekt eine Vorrichtung zum Filtern eines Winkelsignals mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Filtern eines Winkelsignals, das ein Übertragungsglied n-ter Ordnung umfasst. Das Übertragungsglied umfasst dabei eine Filterung n-ter Ordnung. Ferner weist das Übertragungsglied eine Übertragungsfunktion G(s) auf, mit:
wobei c_i die Filterkoeffizienten sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Filtern eines Winkelsignals mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 9.
Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Filtern eines Winkelsignals mit den Schritten des Empfangens eines Winkelsignals und des Filtern des Winkelsignals. Der Schritt zum Filtern des Winkelsignals filtert das Winkelsignal mit einem Übertragungsgliedn-ter Ordnung, wobei das Übertragungsgliedeine Übertragungsfunktion G(s) aufweist, mit:
wobei c_i die Filterkoeffizienten sind.
Vorteile der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, eine allgemeine Übertragungsfunktion eines Filters derart anzupassen, dass ein Phasenverzug durch das Filter in bestimmten Übertragungsbereichen vermieden werden kann. Hierzu wird eine allgemeine Übertragungsfunktion ohne Durchgriff derart modifiziert, dass die Zählerkoeffizienten und die Nennerkoeffizienten identisch gewählt werden. Werden für Zähler und Nenner identische Filterkoeffizienten gewählt, so ergibt sich hieraus die Übertragungsfunktion G(s) zu:
Basierend auf einer derartigen Übertragungsfunktion wird ein Phasenverzug in dem Winkelsignal teilweise vermieden. Je nach Ordnung des Filters kann dabei ein Phasenverzug bei konstanter Drehzahl, konstanter Beschleunigung oder gegebenenfalls sogar bei konstantem Ruck, konstanter Änderung des Rucks, etc. vermieden werden. Auf diese Weise ergibt sich als Ausgangssignal des Filters ein besonders verlässliches gefiltertes Winkelsignal.
Die Filterkoeffizienten c_i können dabei beispielsweise durch alleinige Betrachtung des Nennerpolynoms der Übertragungsfunktion G(s) bestimmt werden. Hierzu eignen sich beliebige bekannte oder neu zu entwickelnde Methoden der Regelungstechnik. Beispielsweise können die Koeffizienten mittels Polvorgabe ermittelt werden. Somit können die erforderlichen Koeffizienten für die Konfiguration des Filters besonders einfach bestimmt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Ordnung der Filtereinrichtung größer oder gleich 2. Bei einer Filtereinrichtung der Ordnung 2 kann dabei beispielsweise ein Phasenverzug in dem Winkelsignal bei konstanter Drehzahl vermieden werden. Ist die Ordnung der Filtereinrichtung mindestens 3, so kann weiterhin ein Phasenverzug bei konstanter Beschleunigung vermieden werden. Ist die Ordnung der Filtereinrichtung mindestens 4, so kann auch ein Phasenverzug bei einem konstanten Ruck vermieden werden. Bei einer weiteren Erhöhung der Ordnung der Filtereinrichtung kann auch ein Phasenverzug bei einer konstanten Änderung des Rucks, etc. vermieden werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Filtereinrichtung dazu ausgelegt, die Ausgabe eines Filterelements mit einem vorbestimmten Grenzwert zu vergleichen. Die Filtereinrichtung kann darauf das entsprechende Filterelement zurücksetzen, wenn eine Ausgabe des Filterelements, insbesondere der Betrag dieser Ausgabe, größer ist als dieser Grenzwert. Auf diese Weise können ungewollte innere Zustände der Filtereinrichtung erkannt und eliminiert werden. Hierdurch kann die Zuverlässigkeit des ausgegebenen gefilterten Filtersignals erhöht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die erste Zustandsvariable dynamisch angepasst werden. Beispielsweise kann die erste Zustandsvariable basierend auf einer gemessenen oder berechnenden Frequenz des Winkelsignals angepasst werden. Hierdurch kann die Limitierung der Filterelemente in der Filtereinrichtung basierend auf dem aktuellen Betriebszustand der Signalquelle für das Winkelsignal angepasst werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Filtereinrichtung dazu ausgelegt, die Ausgabe eines Filterelements auf einen vorbestimmten Maximalwert und/oder einen vorbestimmten Minimalwert zu begrenzen. Gegebenenfalls kann der vorbestimmte Maximalwert oder Minimalwert dynamisch angepasst werden. Insbesondere kann der vorbestimmte Maximalwert basierend auf einer Größe berechnet werden, die sich aus dem ungefilterten Winkelsignal oder einer weiteren Betriebsgröße ergibt. Auf diese Weise kann die Stabilität des Filters verbessert werden. Ferner können gegebenenfalls auftretende ungewollte Filterzustände eliminiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zum Filtern eines Winkelsignals ferner eine Modulo-Einrichtung. Die Modulo-Einrichtung ist dazu ausgelegt, einen Wertebereich des Winkelsignals auf einen vorbestimmten Wertebereich zu begrenzen. Insbesondere kann die Modulo-Vorrichtung dazu ausgelegt sein, den Wert des Filtersignals um 360 Grad zu verkleinern, wenn der Wert des Filtersignals größer ist als ein vorbestimmter erster Wert (zum Beispiel 180 oder 360 Grad). Ferner kann die Modulo-Einrichtung den Wert des Filtersignals um 360 Grad vergrößern, wenn der Wert des Filtersignals kleiner ist als ein vorbestimmter zweiter Wert (zum Beispiel 0 Grad oder –180 Grad). Durch die Begrenzung des Winkelsignals auf einen vorbestimmten Wertebereich ist es möglich, die Filterung der Winkelsignale auch in einem digitalen Rechensystem mit einem begrenzten Zahlenraum auszuführen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Filtern eines Winkelsignals einen Schritt zum Anpassen des Winkelsignals unter Verwendung mindestens einer Zustandsvariable. Durch die Verwendung eines Zustandsvariablenfilters ist eine einfache Auslegung des Filters möglich. Ferner ermöglicht ein derartiges Zustandsvariablenfilter eine besonders stabile Verarbeitung und Filterung der Winkelsignale. Durch den Einsatz einer Zustandslimitierung können inkorrekte stabile Ruhelagen aufgrund eines zeitdiskreten Rechnerrasters oder einer Modulo-Operation verhindert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Antriebssystem mit einer elektrischen Maschine, einem Drehwinkelgeber und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Filtern eines Winkelsignals. Die elektrische Maschine ist dabei mit einer Antriebsachse gekoppelt. Der Drehwinkelgeber ist ebenfalls mit der Antriebsachse gekoppelt. Ferner ist der Drehwinkelgeber dazu ausgelegt, ein Winkelsignal auszugeben, das zu der Winkellage der Antriebsachse korrespondiert. Insbesondere kann der Drehwinkelgeber zum Beispiel ein Resolver sein.
Weitere Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform;
2: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Filtern eines Winkelsignals gemäß einer Ausführungsform; und
3: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform. Eine elektrische Maschine 3 wird von einer elektrischen Energiequelle 5 über einen Stromrichter 4 gespeist. Beispielsweise kann sich bei der elektrischen Energiequelle 5 um eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs handeln. Bei der elektrischen Maschine 3 kann es sich beispielsweise um eine permanent erregte Synchronmaschine, eine elektrische erregte Synchronmaschine oder aber auch um eine Asynchronmaschine handeln. Grundsätzlich sind darüber hinaus auch andere elektrische Maschinen möglich. Die hier dargestellte Ausführungsform einer dreiphasigen elektrischen Maschine 3 stellte dabei nur eine beispielhafte Ausführungsform dar. Darüber hinaus sind auch elektrische Maschinen mit einer von drei abweichenden Anzahl von Phasen möglich. Der Stromrichter 4 konvertiert die von der elektrischen Energiequelle 5 bereitgestellte elektrische Energie und stellt die konvertierte elektrische Energie zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 3 bereit. Die Ansteuerung der elektrischen Maschine 3 kann dabei basierend auf Vorgaben bzw. Steuersignalen von der Steuervorrichtung 1 erfolgen. Darüber hinaus kann beim Abbremsen der elektrischen Maschine 3 auch kinetische Energie durch die elektrische Maschine 3 in elektrische Energie umgewandelt werden und diese elektrische Energie über den Stromrichter 4 in einen elektrischen Energiespeicher der Energiequelle 5 eingespeist werden.
Für die Regelung einer permanent- oder elektrisch erregten Synchronmaschine ist dabei die Kenntnis über die Lage des Rotors in dieser Maschine erforderlich. Ferner ist für die Regelung von Asynchronmaschinen die Kenntnis der elektrischen Frequenz einer solchen Maschine notwendig. Hierzu kann die elektrische Maschine 3 mit einem Drehwinkelgeber 2 gekoppelt werden.
Beispielsweise kann der Drehwinkelgeber 2 mit der Antriebsachse der elektrischen Maschine 3 gekoppelt werden. Beispielsweise sind zur Bestimmung der Rotorlage und/oder der elektrischen Frequenz der Maschine 3 Sensoren auf Basis des Wirbelstrom-Effekts, digitale Winkelgebersignale oder sogenannte und Resolver möglich.
In einem Resolver sind in der Regel in einem Gehäuse zwei um 90° versetzte Sensorwicklungen angeordnet, die einen in dem Gehäuse gelagerten Rotor umschließen. Grundsätzlich sind verschiedene Alternativen zur Ermittlung der Winkellage möglich, von denen nachfolgend exemplarisch eine Möglichkeit beschrieben wird. Beispielsweise kann eine weitere Erregerwicklung des Resolvers mit einer sinusförmigen Wechselspannung angeregt werden. Die Amplituden der in den beiden Sensorwicklungen des Resolvers induzierten Spannungen sind dabei abhängig von der Winkellage des Rotors und entsprechen dem Sinus und dem Kosinus der Winkellage des Rotors. Somit kann die Winkellage des Rotors aus dem Arkustangens (arctan) der Signale der beiden Sensorwicklungen des Resolvers berechnet werden.
Darüber hinaus können Informationen über die Lage des Rotors auch von beliebigen anderen Winkellagegebern erfasst und bereitgestellt werden. Beispielsweise sind auch Sensoren auf Basis eines Wirbelstromeffekts oder digitale Winkelgebersignale möglich.
In rotatorischen Systemen können diese Winkelsignale, oder aber auch weitere Winkelsignale für die Regelung des rotatorischen Systems herangezogen werden. Für eine Regelung basierend auf den Winkelsignalen oder aber auch für eine Weiterverarbeitung der Winkelsignale kann dabei eine Filterung der Rohsignale erforderlich sein.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Filtern eines Winkelsignals. Die Vorrichtung zum Filtern eines Winkelsignals umfasst dabei zumindest eine Filtereinrichtung 10. Ferner kann die Vorrichtung zum Filtern eines Winkelsignals eine Differenz- und Modulo-Einrichtung 20 umfassen. Weiterhin kann die Vorrichtung zum Filtern eines Winkelsignals eine Steuereinrichtung 30 umfassen, die gegebenenfalls Vorgaben für die Zustandsvariablen der Filtereinrichtung 10 berechnet und an die Filtereinrichtung 10 weitergibt.
Obwohl in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Filtereinrichtung 3 als ein Zustandsvariablenfilter dritter Ordnung dargestellt ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf ein solches Zustandsvariablenfilter der dritten Ordnung beschränkt. Vielmehr dient diese Darstellung nur dem besseren Verständnis. Darüber hinaus kann die Vorrichtung zum Filtern eines Winkelsignals, und insbesondere die Filtereinrichtung 10 auch als ein Filter niedrigerer oder höherer Ordnung ausgeführt sein. Je nach Ordnung der Filtereinrichtung 10 kann dabei ein Phasenverzug bei konstanter Frequenz, konstanter Beschleunigung, etc. vermieden werden. Dies wird nachfolgend noch näher ausgeführt.
Die Differenz- und Modulo-Einrichtung 20 empfängt dabei ein gemessenes (Roh-)Winkelsignal φ_R. Dieses empfangene Winkelsignal φ_R kann dabei von einem beliebigen Winkellagegeber oder einem anderen Sensor bzw. einer weiteren Signalquelle stammen. Gegebenenfalls kann das Winkelsignal von der Signalquelle dabei bereits durch einen beliebigen konventionellen oder neuartigen Algorithmus berechnet worden sein. Die Differenz- und Modulo-Einrichtung 20 kann darüber hinaus auch das gefilterte Winkelsignal φ_F empfangen, das von der Filtereinrichtung 10 ausgegeben wird. Bei den Winkelsignalen handelt es sich dabei um digitale Winkelsignale. Beispielsweise können die digitalen Winkelsignale in einem vorbestimmten Zeitraster abgetastet werden.
Die Differenz- und Modulo-Einrichtung 20 kann eine Modulo-Einrichtung 21 umfassen. Diese Modulo-Einrichtung 21 kann den Wertebereich der Winkelsignale auf einen vorbestimmten Wertebereich begrenzen. Beispielsweise kann der Wertebereich der Winkelsignale zwischen 0 und 360 Grad bzw. –180 Grad und +180 Grad begrenzt werden. Überschreitet ein Winkelsignal diesen vorgegebenen Wertebereich, so kann von dem Winkelsignal solange 360 Grad subtrahiert werden, bis der Wert des Winkelsignals in dem vorgegebenen Wertebereich liegt. Auf gleiche Weise kann zu dem Wert eines Winkelsignals solange 360 Grad addiert werden bis der Wert des Winkelsignals in dem vorgegebenen Wertebereich liegt, wenn der Wert des Winkelsignals unterhalb des vorgegebenen Wertebereichs liegt. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass der Wert des digitalen Winkelsignals stets in einem Zahlenraum liegt, der von dem Rechensystem der Vorrichtung zum Filtern eines Winkelsignals beherrscht wird.
Die Differenz- und Modulo-Einrichtung 20 kann ferner eine Subtraktions-Einrichtung 22 umfassen, die eine Differenz zwischen den ungefilterten Winkelsignal φ_R und dem am Ausgang der Vorrichtung zum Filtern bereitgestellten gefilterten Winkelsignal φ_F berechnet.
Das so durch die Differenz- und Modulo-Einrichtung 20 aufbereitete Winkelsignal wird anschließend der Filtereinrichtung 10 zugeführt. Die Filtereinrichtung 10 umfasst in dem hier dargestellten Fall für ein Filter dritter Ordnung drei Filterelemente 11, 12 und 13. Das erste Filterelement 11 umfasst einen ersten Integrierer 11-1 und einen ersten Multiplikator 11-2. Der erste Multiplikator 11-2 multipliziert das Ausgangssignal der Differenz- und Modulo-Einheit 20 mit einem ersten Filterkoeffizienten c₀ und gibt das Ergebnis an den ersten Integrierer 11-1 weiter. Der erste Integrierer 11-1 führt eine zeitbasierte Integration über einen vorbestimmten Integrationsbereich aus. Das Ergebnis des ersten Integrierers wird an das zweite Filterelement 12 weitergegeben. Das zweite Filterelement 12 umfasst einen zweiten Integrierer 12-1 und einen zweiten Multiplikator 12-2. Der zweite Multiplikator 12-2 multipliziert die Ausgabe der Differenz- und Modulo-Einheiten 20 mit einem zweiten Koeffizienten c₁ und addiert das Ergebnis mit dem ausgegebenen Signal des ersten Filterelements 11. Diese Summe wird dem zweiten Integrierer 12-2 zugeführt, der über einen vorgegebenen Integrationsbereich integriert. Das Ergebnis des zweiten Integrierers 12-2 wird an das dritte Filterelement 13 weitergegeben. Das dritte Filterelement 13 umfasst einen dritten Integrierer 13-1 und einen dritten Multiplikator 13-2. Der dritte Multiplikator 13-2 multipliziert die Ausgabe der Differenz- und Modulo-Einheit 20 mit einem dritten Filterkoeffizienten c₂ und addiert das Ergebnis zu der Ausgabe des zweiten Filterelements 12. Diese Summe wird von dem dritten Integrierer 13-1 über einen vorgegebenen Integrationsbereich integriert und anschließend als gefiltertes Winkelsignal φ_F von der Filtereinrichtung 10 ausgegeben.
Auf diese Weise kann durch die zuvor beschriebene Filtereinrichtung ein Filter 3. Ordnung zum Filtern des gemessenen Winkelsignals realisiert werden. Die Übertragungsfunktion des Filters ergibt sich dabei ausgehend von einer allgemeinen Übertragungsfunktion ohne Durchgriff und der Randbedingung für die Vermeidung eines Phasenverzugs zu folgender Formel:
Das besondere an dieser Übertragungsfunktion ist dabei, dass sowohl Zählerkoeffizienten als auch Nennerkoeffizienten identisch gewählt werden. Die Parameter c_i können dabei beispielsweise durch alleinige Betrachtung des Nennerpolynoms bestimmt werden. Hierzu sind beliebige bekannte oder neuartige Methoden der Regelungstechnik möglich. Beispielsweise können die Parameter c_i mittels Polvorgabe (pole-placement) ermittelt werden.
Durch die Begrenzung des Wertebereichs der Winkelsignale sowie die zeitdiskrete Verarbeitung in dem digitalen Rechensystem kann es vorkommen, dass aufgrund eines Aliasing-Effekts sich anstelle der tatsächlichen elektrischen Frequenz eine von der Abtastfrequenz abhängige Frequenz in der Filtereinrichtung einstellt. Beispielsweise ist es denkbar, dass sich anstelle eines Stillstands eine Frequenz gemäß der Abtastfrequenz einstellt. Zur Vermeidung solcher ungewollter stabiler Ruhelagen können die inneren Zustände des zuvor beschriebenen Filters mittels Zustandsvariablen limitiert werden.
Beispielsweise kann das von dem ersten Integrierer 11-1 ausgegebene Signal auf fest vorgegebene Grenzen limitiert werden. In dem hier dargestellten Beispiel eines Filters dritter Ordnung entspricht dies einer Begrenzung der Ableitung der minimalen bzw. maximalen Frequenz auf feste Minimal- bzw. Maximalwerte.
Weiterhin kann beispielsweise auch der Zustand des zweiten Integrierers 12-1 limitiert werden. Hierzu ist es beispielsweise möglich, den Zustand des zweiten Integrierers 12-1 (oder eines anderen Integrierers) in Abhängigkeit einer festen Vorgabe oder beispielsweise eines weiteren Signals zu limitieren. Wird dabei eine feste oder dynamische Grenze verletzt, so kann daraufhin ein Integrierer, beispielsweise der zweite Integrierer 12-2, zurückgesetzt werden. In dem hier dargestellten Beispiel gemäß 2 wird dazu das von dem zweiten Integrierer 12-2 ausgegebene Signal, das zu einer gefilterten elektrischen Frequenz korrespondiert, mit einer weiteren elektrischen Frequenz verglichen. Überschreitet die Differenz bzw. der Betrag dieser Differenz in dem Vergleich einen vorgegebenen Schwellwert, so wird der entsprechende Integrierer zurückgesetzt.
Darüber hinaus sind auch weitere Vorgaben für Grenzwerte in der Filtereinrichtung 10 möglich. Insbesondere kann durch feste oder dynamische Anpassung von derartigen Grenzwerte für Zustandsvariablen für die jeweiligen Filterelemente 11, 12 und 13 sichergestellt werden, dass sich innerhalb des Filters kein ungewollter bzw. fehlerhafter Zustand einstellt, der zu einer Verfälschung oder Störung in der Filterung des Winkelsignals führt.
Für eine dynamische Anpassung der Grenzwerte für das zuvor beschriebene Filter kann die Vorrichtung zum Filtern eines Winkelsignals beispielsweise eine Steuereinrichtung 30 umfassen, die basierend auf dem gewissen Winkelsignal, einer zu dem Winkelsignal korrespondierenden Frequenz oder weiteren Systemgrößen eine oder mehrere Grenzwerte dynamisch anpasst und an die Filtereinrichtung 10 weiterleitet. Alternativ kann die Steuervorrichtung 30 auch fest vorgegebene Größen als Grenzwerte der Zustandsvariablen an die Filtereinrichtung 10 weitergeben, die beispielsweise in der Steuereinrichtung 30 abgespeichert sind.
Wie zuvor bereits angeführt, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Filtern eines Winkelsignals nicht auf ein Filter dritter Ordnung beschränkt. Die Wahl des Grads für das Filter kann dabei entsprechend den Anforderungen und der Leistungsfähigkeit der Komponenten für die digitale Signalverarbeitung in der Vorrichtung zum Filtern des Winkelsignals angepasst werden. Ist beispielsweise ein gefiltertes Winkelsignal ausreichend, bei dem lediglich ein Phasenverzug bei konstanter Drehzahl vermieden werden soll, so ist hierzu ein Filter zweiter Ordnung ausreichend. Durch ein Filter dritter Ordnung kann darüber hinaus auch bei einer konstanten Beschleunigung ein Phasenverzug vermieden werden. Darüber hinaus sind auch Filter vierter Ordnung möglich, bei denen ein Phasenverzug selbst bei einem konstanten Ruck vermieden werden kann.
Ferner ist auch ein Filter fünfter Ordnung möglich, bei dem selbst bei einer konstanten Änderung des Rucks ein Phasenverzug vermieden werden kann. Bei einer weiteren Erhöhung des Filtergrads kann der Phasenverzug auch bei entsprechend komplexeren Änderungen vermieden werden. Zur Stabilisierung des gefilterten Filtersignals und zur Vermeidung von unerwünschten Systemzuständen kann dabei für jedes Filterelement durch die Steuervorrichtung 30 eine oder mehrere Grenzwerte vorgegeben werden. Diese Grenzwerte können entweder fest vorgegeben werden oder alternativ dynamisch aus den aktuellen Systemwerten berechnet werden.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zum Filtern eines Winkelsignals gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. In Schritt S1 wird zunächst ein Winkelsignal empfangen. Dieses Winkelsignal kann mittels eines beliebigen konventionellen oder neuartigen Algorithmus aus Sensorwerten eines beliebigen Sensors für ein Winkelsignal berechnet werden. Das Winkelsignal kann dabei insbesondere als Digitalsignal mit einer festen (oder gegebenenfalls auch variablen) Abtastrate bereitgestellt werden. Anschließend erfolgt in Schritt S2 eine Filterung des Winkelsignals mit einem Übertragungsglied n-ter Ordnung. Das Übertragungsglied weist dabei eine zuvor beschriebene Übertragungsfunktion G(s) auf:
Zur Stabilisierung des gefilterten Winkelsignals können bei der Filterung des Winkelsignals eine oder mehrere Grenzwerte der Zustandsvariablen berücksichtigt werden. Diese Grenzwerte der Zustandsvariablen können dabei fest vorgegeben werden. Alternativ ist es auch möglich, einen oder mehrere der Grenzwerte dynamisch an den Systemzustand des Systems anzupassen, von dem das ungefilterte Winkelsignal stammt.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung die Filterung eines Winkelsignals. Hierzu wird das Winkelsignal mittels eines Zustandsvariablenfilters gefiltert. Die Übertragungsfunktion des Filters weist dabei in Zähler- und Nennerpolynom gleiche Koeffizienten auf. Hierdurch kann in einigen Betriebsmodi ein Phasenverzug durch die Filterung vermieden werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011078583 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung zum Filtern eines Winkelsignals, mit: einer Filtereinrichtung (10), umfassend ein Übertragungsglied n-ter Ordnung, mit n Filterelementen (11, 12, 13), wobei das Übertragungsgleid eine Übertragungsfunktion G(s) aufweist mit:
wobei c_i die Filterkoeffizienten sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ordnung der Filtereinrichtung (10) größer oder gleich 2 ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Filtereinrichtung (10) dazu ausgelegt ist, die Ausgabe eines Filterelements (11, 12, 13) mit einem ersten Grenzwert zu vergleichen, und das Filterelement (11, 12, 13) zurückzusetzen, wenn die Ausgabe des Filterelements (11, 12, 13) größer ist als der erste Grenzwert.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der erste Grenzwert dynamisch angepasst wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Filtereinrichtung (10) dazu ausgelegt ist, die Ausgabe eines Filterelements (11, 12, 13) auf einen vorbestimmten Maximalwert und/oder Minimalwert zu begrenzen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Modulo-Einrichtung (21), die dazu ausgelegt ist, einen Wertebereich des Winkelsignals auf einen vorbestimmten Wertebereich zu begrenzen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Modulo-Einrichtung (21) ausgelegt ist, den Wert des Filtersignals um 360 Grad zu verkleinern, wenn der Wert des Filtersignals größer ist als 360 Grad, und den Wert des Filtersignals um 360 Grad zu vergrößern, wenn der Wert des Filtersignals kleiner ist als 0 Grad.
Antriebssystem, mit: einer elektrischen Maschine (3), die mit einer Antriebsachse gekoppelt ist; einem Drehwinkelgeber (2), der mit der Antriebsachse gekoppelt ist, und der dazu ausgelegt ist, ein Winkelsignal auszugeben, das zu einer Winkellage der Antriebsachse korrespondiert; und einer Vorrichtung zum Filtern eines Winkelsignals nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zum Filtern eines Winkelsignals, mit den Schritten: Empfangen (S1) eines Winkelsignals; Filtern (S2) des Winkelsignals mit einem Übertragungsglied n-ter Ordnung, wobei das Übertragungsglied eine Übertragungsfunktion G(s) aufweist mit:
wobei c_i die Filterkoeffizienten sind.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt (S2) zum Filtern des Winkelsignals einen Schritt zum Anpassen des Winkelsignals unter Verwendung mindestens einer Zustandsvariable umfasst.