DE102015222202B3

DE102015222202B3 - Verfahren zum Bestimmen eines korrigierten Drehgeschwindigkeitssignals sowie Elektromotoranordnung

Info

Publication number: DE102015222202B3
Application number: DE102015222202.0A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Kaufner
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-11-11
Filing date: 2015-11-11
Publication date: 2016-11-24
Anticipated expiration: 2035-11-12
Also published as: WO2017080547A1; CN108139427A; CN108139427B; US10209268B2; US20180306833A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines korrigierten Drehgeschwindigkeitssignals und eine Elektromotoranordnung. In einem Schritt des Verfahrens wird ein periodisches Drehwinkelsignal ermittelt, welches einen drehwinkelabhängigen, periodischen Drehwinkelfehler aufweist. Das Drehwinkelsignal wird in ein digitales Roh-Drehgeschwindigkeitssignal (16) überführt, welches aufgrund des Drehwinkelfehlers eine Störwelligkeit aufweist, deren Periodendauer der Periodendauer des Drehwinkelfehlers entspricht. Das digitale Roh-Drehgeschwindigkeitssignal (16) umfasst eine Vielzahl an Abtastwerten (07), die durch eine Abtastperiodendauer zeitlich beabstandet sind. Die halbe Periodendauer der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals (16) wird ermittelt. Es erfolgt eine Mittelung zumindest eines Paares der Abtastwerte (07) des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals (16), deren zeitlicher Abstand die ermittelte halbe Periodendauer der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals (16) abgesehen von einem zeitlichen Diskretisierungsfehler beträgt. Durch die Mittelung wird ein Mittelwert erhalten. Es wird ein von der Abtastperiodendauer und von der Frequenz der Störwelligkeit abhängiger Korrekturwert zur Berücksichtigung des Diskretisierungsfehlers gebildet. Das korrigierte Drehgeschwindigkeitssignal wird aus einer Differenz zwischen dem Mittelwert und dem Korrekturwert gebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Bestimmen eines korrigierten Drehgeschwindigkeitssignals. Das Verfahren eignet sich insbesondere zum genauen Bestimmen einer Drehgeschwindigkeit eines rotatorischen Elektromotors. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Elektromotoranordnung, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt wird.
Ein genaues Geschwindigkeitssignal wird u. a. überall dort benötigt, wo Elektromotoren für einen Antrieb eingesetzt werden, deren Regelung genauer als mit einer üblichen Blockkommutierung erfolgen soll. Das Geschwindigkeitssignal kann über ein Winkelsignal ermittelt werden, welches mit einem Kommutierungssensor erfasst werden kann. Das Winkelsignal und damit auch das Geschwindigkeitssignal können jedoch Störungen aufweisen, welche eine präzise Regelung des Elektromotors behindern. Im Stand der Technik werden Lösungen aufgezeigt, mit denen die Störungen durch einen zuvor ermittelten Korrekturwert korrigiert werden sollen.
Die DE 102 60 862 A1 zeigt ein Verfahren zur Korrektur einer winkel- und/oder abstandsmessenden Sensoranordnung, bei der sinus- oder kosinusförmige Messsignale ausgewertet werden, welche durch Abtasten eines bewegten Messobjektes gewonnen werden. Die Korrektur der Winkel- oder Phasenfehler der Messsignale findet dadurch statt, dass aus einer Mehrzahl von Messsignalen Konstanten zur Abschätzung und Korrektur des Winkel- oder Phasenfehlers und/oder der Amplitude der Messsignale hergeleitet werden.
Die DE 101 33 524 A1 beschreibt ein Verfahren zur Korrektur eines Dynamikfehlers eines Sensors. Dieser Dynamikfehler überlagert das Sensorsignal beispielsweise in Form von periodischen Schwankungen, deren Frequenz und Amplitude sich laufend mit der Drehzahl des Motors ändern. Zur Korrektur des Dynamikfehlers wird das Sensor-Ausgangssignal einer Filterschaltung und einer Korrekturschaltung zugeführt. Die Korrekturschaltung erhält ein oder mehrere von der Filterschaltung abgegebene gefilterte Signale und erzeugt aus Informationen, welche sie durch einen Vergleich der gefilterten Signale mit dem ungefilterten Sensor-Ausgangssignal gewinnt, ein korrigiertes Sensorsignal.
Die DE 10 2011 105 502 A1 zeigt ein Verfahren zum Abgleich eines Phasenversatzes zwischen einem Rotorlagesensor und einer Rotorlage eines elektrisch kommutierten Motors. Dabei misst der Rotorlagesensor eine Position des Rotors des Motors, welcher während des Betriebs mit einer Blockkommutierung angesteuert wird. Die gemessene Position wird mit einer erwarteten Position verglichen. Aus dem Unterschied zwischen gemessener und erwarteter Position wird ein Phasenversatz gebildet, der zur Ansteuerung des elektrisch kommutierten Motors genutzt wird. Die Position des Rotors wird mit einem Absolutwert-Rotorlagesensor gemessen, welche mit einem Motorparameter ins Verhältnis gesetzt wird, der die erwartete Position des Rotors charakterisiert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, ein genaues Drehgeschwindigkeitssignal zur Verfügung stellen zu können, um insbesondere die Drehgeschwindigkeit von Elektromotoren genauer regeln zu können.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch Elektromotoranordnung gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für den Einsatz an Elektromotoren geeignet, bei welchen eine sehr genaue Regelung notwendig ist. Erfindungsgemäß wird ein korrigiertes Drehgeschwindigkeitssignal bestimmt, welches permanent, also insbesondere auch während einer Umdrehung eines Rotors des Elektromotors, exakt ermittelt werden kann.
In einem Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein periodisches Drehwinkelsignal ermittelt. Als Signalgeber für das Drehwinkelsignal wird bevorzugt ein Kommutierungssensor auf der Basis eines magnetischen Polradgebers verwendet. Der Polradgeber kann beispielsweise mit mehreren Hallsensoren ausgestattet sein, welche Polen auf einem mit dem Rotor des Elektromotors fest verbundenen Polrad zugeordnet sind. Das ermittelte Drehwinkelsignal weist regelmäßig Störkomponenten zumindest in Form eines Drehwinkelfehlers und ggf. einer Rauschkomponente auf. Der Drehwinkelfehler ist drehwinkelabhängig und tritt infolgedessen periodisch auf. Die Periodendauer des Drehwinkelfehlers ist beispielsweise abhängig von der Art des Kommutierungssensors, wovon auch die Periodendauer des Drehwinkelsignals abhängig ist. Die Periodendauer des Drehwinkelsignals und die Periodendauer des Drehwinkelfehlers stehen somit in einem direkten Verhältnis, nämlich in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander. Die ggf. vorhandene Rauschkomponente des Drehwinkelsignals tritt aufgrund von Störungen bei der Signalübertragung auf. Der Drehwinkelfehler basiert insbesondere auf system- bzw. applikationsspezifischen Fehlercharakteristiken des Kommutierungssensors.
Sowohl die Periodendauer des Drehwinkelsignals, als auch die Periodendauer des Drehwinkelfehlers können ermittelt werden, sobald eine Mehrzahl an Umdrehungen ausgeführt wurde.
In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Drehwinkelsignal in ein digitales Roh-Drehgeschwindigkeitssignal überführt. Das digitale Roh-Drehgeschwindigkeitssignal umfasst eine Vielzahl von Abtastwerten, die auch als Samples bezeichnet werden können. Die Abtastwerte werden durch Abtastung mit einer Abtastfrequenz bestimmt. Die Abtastwerte weisen somit einen zeitlichen Abstand zueinander auf, welcher durch eine Abtastperiodendauer gebildet ist. Die Abtastfrequenz ist der Kehrwert der Abtastperiodendauer.
Das Roh-Drehgeschwindigkeitssignal weist aufgrund des Drehwinkelfehlers eine Störwelligkeit auf, deren Periodendauer der Periodendauer des Drehwinkelfehlers entspricht und insbesondere gleicht. Das Drehwinkelsignal kann insbesondere durch eine Differenzierung in das Roh-Drehgeschwindigkeitssignal überführt werden. Durch die Ableitung des gemessenen Drehwinkels nach der Zeit wird der im Drehwinkelsignal vorhandene Drehwinkelfehler verstärkt, welcher aufgrund seiner Periodizität die genannte Störwelligkeit bewirkt. Der Drehwinkelfehler des Drehwinkelsignals und damit auch die Form der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals wiederholen sich periodisch gegenüber einem Idealwert immer wieder bedingt durch jedes magnetisches Polpaar des Kommutierungssensors. Die Form des Drehwinkelfehlers und die Form der Störwelligkeit sind zudem durch eine Punktsymmetrie gekennzeichnet, welche dadurch entsteht, dass das Drehwinkelsignal um den Idealwert schwankt; ähnlich einem sinusförmigen Störsignal auf dem Drehwinkelsignal. Die Periodendauer des durch die Störwelligkeit periodisierten Roh-Drehgeschwindigkeitssignals ist insbesondere abhängig von der Art des Kommutierungssensors und von dessen system- und applikationsspezifischen Fehlercharakteristiken.
Das digitale Roh-Drehgeschwindigkeitssignal weist bevorzugt die gleiche Abtastfrequenz und somit auch die gleiche Abtastperiodendauer wie das digitale Drehwinkelsignal auf.
In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die halbe Periodendauer der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals ermittelt. Dazu muss zumindest eine halbe Umdrehung erfolgt haben, da die halbe Periodendauer aus den Abtastwerten ermittelt wird und nicht vorbestimmt ist. Da sich die Abtastwerte und damit auch die halbe Periodendauer der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals durch Drehgeschwindigkeitsänderungen fortlaufend ändern können, wird die halbe Periodendauer vorzugsweise kontinuierlich ermittelt. Es ist vereinfacht aber auch möglich, die Periodendauer nur bei jedem Sprung des Drehwinkelsignals von +π nach –π zu bestimmen.
In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zumindest zwei der Abtastwerte des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals gemittelt, deren zeitlicher Abstand die ermittelte halbe Periodendauer der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals beträgt, wobei dieser zeitliche Abstand wegen der zeitlichen Diskretisierung des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals zumeist nicht exakt die halbe Periodendauer betragen kann, sondern ein zeitlicher Diskretisierungsfehler verbleibt. Somit beträgt der zeitliche Abstand zwischen den beiden Abtastwerten die halbe Periodendauer der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals zuzüglich des zeitlichen Diskretisierungsfehlers, welcher bevorzugt zwischen der negativen halben Abtastperiodendauer und der positiven halben Abtastperiodendauer groß ist.
Bevorzugt handelt es sich bei dem zeitlich jüngeren der mindestens zwei ausgewählten Abtastwerte um den zeitlich jüngsten der bereitgestellten Abtastwerte.
Zur Bereinigung der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals müssten zwei oder mehr Abtastwerte ausgewählt werden, welche eine zeitliche Distanz von exakt einer halben Periodenlänge des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals aufweisen. Diese sind aber wegen des Diskretisierungsfehlers im allgemeinen Fall nicht verfügbar.
Durch die Periodizität und die Punktsymmetrie der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals reichen die jeweils zwei Abtastwerte zur Mittelung des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals grundsätzlich aus. Durch die Mittelung wird ein Mittelwert erhalten. Die Mittelung der Abtastwerte erfolgt bevorzugt auf übliche Weise durch Addition der beiden Abtastwerte und Division durch die Anzahl der addierten Abtastwerte. Durch die Bildung des Mittelwertes wird die Störwelligkeit im Roh-Drehgeschwindigkeitssignal weitgehend eliminiert, wobei jedoch wegen des Diskretisierungsfehlers ein geringerer Fehler verbleibt.
Erfindungsgemäß wird ein von der Abtastperiodendauer und von der Frequenz der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals abhängiger Korrekturwert ermittelt, durch welchen der Diskretisierungsfehlers berücksichtigt wird. Mit dem Korrekturwert soll der oben beschriebene verbleibende Fehler des Mittelwertes ausgeglichen werden, der daraus resultiert, dass das ausgewählte Paar der Abtastwerte nicht exakt die halbe Periodendauer der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals zeitlich beabstandet ist. Der Korrekturwert kann positiv, negativ oder gleich Null sein.
Erfindungsgemäß wird ein korrigiertes Drehgeschwindigkeitssignal aus einer Differenz zwischen dem Mittelwert und dem Korrekturwert gebildet. Das korrigierte Drehgeschwindigkeitssignal ist also der Mittelwert minus dem Korrekturwert. Die genannte Differenz kann auch durch eine Summe gebildet sein, wenn der Korrekturwert invertiert ist.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die anwendungsspezifische Fehlerform des die Drehgeschwindigkeit eines Elektromotors repräsentierenden Signals berücksichtigt wird. Das Verfahren erlaubt eine Korrektur des durch einen Kommutierungssensor ermittelten Roh-Drehgeschwindigkeitssignals durch eine Abtastmittelung und durch eine Berücksichtigung des Diskretisierungsfehlers.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Korrekturwert zumindest ein Mal ermittelt. Im Regelfall wird der Korrekturwert laufend ermittelt, um beispielsweise die Drehgeschwindigkeit eines Motors zu regeln. Ändert sich die Drehgeschwindigkeit, so ändern sich auch die Frequenz der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals und der Korrekturfaktor. Der Korrekturfaktor ist bezogen auf die Frequenz der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals bevorzugt periodisch. Der Korrekturwert besitzt bezogen auf die Frequenz der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals bevorzugt einen sägezahnförmigen Graphen. In diesem Graphen steigt die Maximalamplitude der Perioden des Korrekturwertes mit der Frequenz der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals bevorzugt linear an.
Der Korrekturwert weist bevorzugt einen minimalen Betrag auf, wenn die Frequenz der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals einem ganzen Bruchteil der Abtastfrequenz gleicht. Der Korrekturwert ist bevorzugt gleich Null, wenn die Frequenz der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals einem ganzen Bruchteil der Abtastfrequenz gleicht. Bei dem Bruchteil handelt es sich bevorzugt um ein Viertel oder um ganze Bruchteile eines Viertels.
Der Korrekturwert ist bevorzugt durch ein Produkt gebildet, wobei einer der Faktoren des Produktes durch den nichtganzzahligen Anteil eines Kehrwertes eines Produktes aus der Frequenz der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals und der Abtastperiodendauer gebildet ist. Das Produkt aus der Frequenz der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals und der Abtastperiodendauer umfasst bevorzugt einen weiteren Faktor 4.
Das den Korrekturwert bildende Produkt umfasst als weitere Faktoren bevorzugt die Frequenz der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals, die Abtastperiodendauer oder die Konstante π. Das den Korrekturwert bildende Produkt umfasst als weitere Faktoren bevorzugt die Frequenz der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals, die Abtastperiodendauer und die Konstante π.
Der Korrekturwert wird bevorzugt nach folgender Formel bestimmt:
In dieser Formel steht c(f) für den Korrekturwert. Die Variable f steht für die Frequenz der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals. Die Variable T_sample steht für die Abtastperiodendauer. Die eckigen Klammern [...] stehen für die Ganzzahl-Funktion, welche auch als Integer-Funktion bezeichnet wird.
Da das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt für die Regelung der Drehgeschwindigkeit eines Elektromotors genutzt wird, wird das Drehwinkelsignal bevorzugt kontinuierlich ermittelt. Auch die weiteren Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bevorzugt kontinuierlich wiederholt, sobald der Elektromotor eine erste halbe Umdrehung vollführt hat.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dient ein Kommutierungssensor zur Ermittlung des Drehwinkelsignals, welcher pro ganzer Umdrehung des Elektromotors eine Periode des Drehwinkelsignals und somit zwei Perioden des Drehwinkelfehlers erfasst.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Periodendauer des Drehwinkelfehlers doppelt so groß wie die Periodendauer des Drehwinkelsignals. Der Drehwinkelfehler weist infolgedessen zwei Vollperioden pro Umdrehung auf.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Ermittlung der halben Periodendauer der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals durch die Ermittlung der Dauer zwischen zwei Wertebereichssprüngen des Drehwinkelsignals. Die Wertebereichssprünge treten bevorzugt jeweils nach einer vollständigen Umdrehung auf, besonders bevorzugt, wenn das Drehwinkelsignal von +π nach –π oder umgekehrt springt. Diese Dauer ist die Periodendauer des Drehwinkelsignals und bevorzugt die Dauer für eine Umdrehung, da zwischen zwei Sprüngen von +π nach –π genau 2π, also eine Umdrehung liegt. Da die Periodendauer des Drehwinkelsignals bevorzugt halb so groß wie die des Drehwinkelfehlers und damit der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals ist, muss die ermittelte Periodendauer des Drehwinkelsignals geviertelt werden, um die halbe Periodendauer der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals zu erhalten.
Bei einer alternativ bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Ermittlung der halben Periodendauer der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals durch die Rückführung des ermittelten und korrigierten Drehgeschwindigkeitssignals. Da am Anfang der Durchführung des Verfahrens noch kein korrigiertes Drehgeschwindigkeitssignal zur Verfügung steht, muss bei dem ersten Durchlauf der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte das bisher ermittelte und noch nicht korrigierte Roh-Drehgeschwindigkeitssignal genutzt werden, um die halbe Periodendauer zu ermitteln. In allen darauf folgenden Durchlaufen der Verfahrensschritte werden die korrigierten Werte des Drehgeschwindigkeitssignals genutzt, um die halbe Periodendauer der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals zu ermitteln. Das Roh-Drehgeschwindigkeitssignal gibt Werte in Form von Umdrehungszahlen wieder. Somit kann die halbe Periodendauer aus der Hälfte des Reziproken der Umdrehungszahl berechnet werden.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mehr als zwei der Abtastwerte des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals gemittelt. Dabei werden mehrmals zwei der Abtastwerte gemittelt, wobei die jeweils ausgewählten beiden Abtastwerte einen zeitlichen Abstand von der halben Periodendauer der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals abgesehen von dem jeweiligen Wert des Diskretisierungsfehlers aufweisen. Eine andere Möglichkeit ist es, alle Abtastwerte der mehreren Paare der Abtastwerte in einem Schritt zu mitteln, wobei die jeweiligen Abtastwerte der einzelnen Paare einen zeitlichen Abstand von der halben Periodendauer der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals abgesehen von dem jeweiligen Wert des Diskretisierungsfehlers aufweisen. Ein besonderer Vorteil dieser bevorzugten Ausführungsform ist, dass damit nicht nur die Störwelligkeit, sondern auch die Rauschkomponente des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals korrigiert werden kann. Dazu werden bevorzugt mehr als fünf Paare der Abtastwerte gewählt, aber bevorzugt weniger als 50, wobei die jeweils ersten Abtastwerte der Paare bevorzugt unmittelbar aufeinanderfolgen, und die jeweils zweiten Abtastwerte der Paare bevorzugt unmittelbar aufeinanderfolgen. Bevorzugt handelt es sich bei den jeweils zeitlich jüngeren Abtastwerten der Paare um die zeitlich jüngsten der bereitgestellten Abtastwerte.
Die erfindungsgemäße drehgeschwindigkeitsregelbare Elektromotoranordnung umfasst einen rotatorischen Elektromotor und eine Regeleinheit. Durch die Regeleinheit ist ein korrigiertes Drehgeschwindigkeitssignal des Elektromotors bereitstellbar. Die Regeleinheit ist dazu konfiguriert, das korrigierte Drehgeschwindigkeitssignal durch Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erzeugen. Die Regeleinheit ist bevorzugt zur Ausführung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert. Im Übrigen weist die Elektromotoranordnung bevorzugt auch die Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren angegeben sind.
Bei dem Elektromotor handelt es sich bevorzugt um einen Antriebsmotor eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges. Bei dem Antriebsmotor handelt es sich bevorzugt um einen Radnabenmotor eines Automobils.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
1 ein Diagramm zur Darstellung eines idealen und eines von einem Kommutierungssensor gemessenen Drehwinkelsignals;
2 ein Diagramm zur Darstellung eines erfindungsgemäß ermittelten Roh-Drehgeschwindigkeitssignals und eines Verlaufes eines Drehwinkelfehlers am Kommutierungssensor;
3 ein Diagramm zur Darstellung des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals bei einer Geschwindigkeitsänderung;
4 drei Diagramme zur Darstellung einer gleitenden Mittelwertbildung gemäß dem Stand der Technik;
5 drei Diagramme mit einer erfindungsgemäßen Mittelung über zwei Abtastwerte des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals;
6 drei Diagramme zur Darstellung der erfindungsgemäßen Mittelung mehrerer Paare der Abtastwerte;
7 vier Diagramme zur vergleichenden Darstellung der in 4 bis 6 gezeigten Methoden;
8 ein Diagramm mit einem Drehwinkelsignalverlauf;
9 ein Diagramm zur Darstellung des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals bei einer hohen Abtastrate;
10 das in 9 gezeigte Roh-Drehgeschwindigkeitssignal bei einer geringeren Abtastrate;
11 das in 10 gezeigte Roh-Drehgeschwindigkeitssignal mit zwei Idealerweise benötigten Abtastwerten;
12 ein Diagramm zur Darstellung eines bei dem in 11 gezeigten Roh-Drehgeschwindigkeitssignal auftretenden Diskretisierungsfehlers;
13 ein Diagramm zur Darstellung eines zeitlichen Verlaufes des Mittelwertes bei einer ersten Frequenz;
14 ein Diagramm zur Darstellung eines zeitlichen Verlaufes des Mittelwertes bei einer zweiten Frequenz;
15 ein Diagramm zur Darstellung des Mittelwertes im Frequenzbereich;
16 ein Diagramm zur Darstellung eines zeitlichen Verlaufes eines korrigierten Drehgeschwindigkeitssignals bei der ersten Frequenz;
17 ein Diagramm zur Darstellung eines zeitlichen Verlaufes des korrigierten Drehgeschwindigkeitssignals bei der zweiten Frequenz; und
18 ein Diagramm zur Darstellung des korrigierten Drehgeschwindigkeitssignals im Frequenzbereich.
1 zeigt den Verlauf eines von einem Kommutierungssensor ausgegebenen Drehwinkelsignals 01, welches den Magnetfeldwinkel in Abhängigkeit von der Zeit zeigt und als durchgängige Linie dargestellt ist. Demgegenüber ist ein ideales Drehwinkelsignal 02 als gestrichelte Linie gezeigt. Pro Umdrehung von –π nach +π überstreicht das Drehwinkelsignal 01 eine Vollperiode. Ein Vergleich zwischen dem idealen Drehwinkelsignal 02 mit dem gemessenen Drehwinkelsignal 01 zeigt, dass der Kommutierungssensor einen kleinen Drehwinkelfehler 03 (dargestellt in 2) aufnimmt, der ähnlich einem sinusförmigen Störsignal auf dem Drehwinkelsignal 01 um das ideale Drehwinkelsignal 02 pendelt.
In 2 ist der Drehwinkelfehler 03 als eine Magnetfeldwinkeldifferenz in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Weiterhin ist ein Roh-Drehgeschwindigkeitssignal 04 dargestellt, welches erfindungsgemäß durch Differenzierung des Drehwinkelsignals 01 erhalten wird. Hier ist zu sehen, dass die bei dem Verlauf des Drehwinkelfehlers 03 zu erkennende Welligkeit durch die Differenzierung verstärkt im Roh-Drehgeschwindigkeitssignal 04 auftritt.
3 zeigt ein Diagramm zur Darstellung des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals 04 bei einer Drehgeschwindigkeitsänderung. Im Vergleich zu einer Ist-Drehgeschwindigkeit 06 des Elektromotors tritt bei dem aus dem Drehwinkelsignal 01 (gezeigt in 1) des Kommutierungssensors abgeleiteten Roh-Drehgeschwindigkeitssignal 04 ein Fehler von etwa ±10% auf. Auch ist zu sehen, dass die Frequenz der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals 04 von der Drehgeschwindigkeit abhängt.
Erfindungsgemäß wird eine halbe Periode des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals 04 ermittelt, was bevorzugt kontinuierlich erfolgt, um eine optimale Fehlerkorrektur zu erreichen.
4 zeigt drei Diagramme zur Darstellung einer gleitenden Mittelwertbildung gemäß dem Stand der Technik. Es erfolgt eine Korrektur des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals 04 (gezeigt in 2) über einen gleitenden Mittelwert einer Vielzahl von Abtastwerten 07. Die Mittelwertbildung sorgt hier für ein rauschfreies, gleitend gemitteltes Signal 08, während die Störwelligkeit allerdings erhalten bleibt.
5 zeigt drei Diagramme zur Darstellung einer erfindungsgemäßen Mittelwertbildung. Es werden ein erster Abtastwert 09 und ein zweiter Abtastwert 10 gemittelt, die so genau wie möglich eine halbe Periodendauer des Drehwinkelfehlers 03 auseinanderliegen. Diese Mittelung führt zu einem gemittelten Signal 12, bei welchem die Störwelligkeit kompensiert ist, während das Rauschen zunächst nahezu unverändert erhalten bleibt.
6 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher nicht lediglich zwei der Abtastwerte 07 gemittelt werden, sondern zur Mittelwertbildung jeweils m, bevorzugt m = 10, der paarigen Abtastwerte 09, 10 verwendet werden, wobei diese jeweils einen Abstand von der halben Periodendauer des Drehwinkelfehlers 03 so genau wie möglich aufweisen. Bei dieser Methode ergibt sich ein geglättetes, gemitteltes Signal 13, welches weder die Rauschkomponente, noch die Störwelligkeit aufweist.
Ein Vergleich der vier Diagramme in 7 veranschaulicht den Unterschied der Ergebnisse der in den 4 bis 6 gezeigten Methoden anhand realer, messtechnisch erfasster Drehgeschwindigkeitssignale. Während die Methode des gleitenden Mittelwerts mit dem störwelligkeitsfreien, gleitend gemittelten Signal 08 als Ergebnis lediglich die Rauschkomponente des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals 04 behebt, behebt die Mittelung über zwei der Abtastwerte mit dem rauschfreien gemittelten Signal 12 als Ergebnis die Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals 04. Die Mittelung über m Paare der Abtastwerte 09, 10 mit dem geglätteten gemittelten Signal 13 als Ergebnis entfernt sowohl die Rauschkomponente als auch die Störwelligkeit des Roh-Geschwindigkeitssignals 04.
Des Weiteren zeigt 7, dass die Zeitverzögerung bei der Mittelung über m Paare der Abtastwerte 09, 10 (gezeigt in 6) mit (T/2 + m) etwas länger ist als bei der Mittelung über ein einzelnes Paar der Abtastwerte 09, 10 (gezeigt in 5) mit (T/2) und deutlich länger ist als bei der reinen Mittelwertbildung. Würde man allerdings mit einem Verfahren nach dem Stand der Technik ein vergleichbar gutes Signal anstreben, so müsste die zeitliche Filterverzögerung dort ein Vielfaches der Periodendauer der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals 04 betragen. Ist die Verzögerungskonstante allerdings zu groß, kann das Roh-Drehgeschwindigkeitssignal 04 nicht mehr für dynamische Reaktionen genutzt werden. Somit ist die durch die Erfindung vorgeschlagene geschwindigkeitsabhängige Mittelung aus zwei Abtastwerten auch das verzögerungsoptimale Verfahren.
8 zeigt ein Diagramm mit dem erfindungsgemäßen Drehwinkelsignalverlauf 01 von –π nach +π, wobei der Magnetfeldwinkel in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt ist. Wertebereichssprünge 14 von +π nach –π sind durch Punkte gekennzeichnet und markieren jeweils den Zeitpunkt, an welchem der Elektromotor eine neue Umdrehung beginnt. Demzufolge gibt der Abstand zwischen zwei der Wertebereichssprünge 14 die Periodendauer des Drehwinkelsignals 01 wieder. An jedem der Wertebereichssprünge 14 kann die Drehzahl und damit die Periode neu bestimmt werden, um daraus den korrekten Abstand der zur Mittelung zu verwendenden Abtastwerte 09, 10 (gezeigt in 5) zu ermitteln. Aus dem Kurvenverlauf ist auch ersichtlich, dass aus dem Drehwinkelsignal 01 die Geschwindigkeitsänderung abgeleitet werden kann.
9 zeigt ein Diagramm zur Darstellung eines digitalisierten Roh-Drehgeschwindigkeitssignals 16, welches mit einer hohen Abtastrate abgetastet wurde, sodass eine Vielzahl der Abtastwerte 07 vorliegt. Die in 5 und 6 gezeigte Auswahl zweier Abtastwerte 09, 10, die eine halbe Periodendauer des Drehwinkelfehlers 03 zeitlich auseinanderliegen, ist weitgehend genau möglich. Wegen der zeitlichen Diskretisierung des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals 16 kommt es jedoch regelmäßig vor, dass die beiden auszuwählenden Abtastwerte 9, 10 nicht exakt die halbe Periodendauer des Drehwinkelfehlers 03 (gezeigt in 5) zeitlich auseinanderliegen.
In dieser Darstellung ist ebenso wie in den folgenden Figuren der Gleichanteil der veranschaulichten Signale nicht dargestellt.
10 zeigt das in 9 gezeigte Roh-Drehgeschwindigkeitssignal 16 bei einer geringeren Abtastrate. Es wird deutlich, dass die in 5 und 6 gezeigte Auswahl zweier Abtastwerte 09, 10, die eine halbe Periodendauer des Drehwinkelfehlers 03 (gezeigt in 5) bzw. der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals 16 (gezeigt in 5) zeitlich auseinanderliegen, nicht mehr ausreichend genau möglich ist. Wegen der zeitlichen Diskretisierung des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals 16 kommt es regelmäßig vor, dass die beiden auszuwählenden Abtastwerte 09, 10 die halbe Periodendauer des Drehwinkelfehlers 03 (gezeigt in 5) zuzüglich eines zeitlichen, nicht vernachlässigbaren Diskretisierungsfehlers auseinanderliegen.
11 zeigt das in 10 gezeigte Roh-Drehgeschwindigkeitssignal 16 mit zwei idealerweise benötigten Abtastwerten 17, die exakt eine halbe Periodendauer des Drehwinkelfehlers 03 (gezeigt in 5) bzw. der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals 16 (gezeigt in 5) zeitlich auseinanderliegen. Der Diskretisierungsfehler ist der zeitliche Abstand zwischen dem älteren der beiden idealerweise benötigten Abtastwerte 17 und dem davon zeitlich nächstliegenden der vorhandenen Abtastwerte 07.
12 verdeutlicht den in 11 veranschaulichten Diskretisierungsfehler im Detail.
13 zeigt zunächst wiederum das in 9 dargestellte Roh-Drehgeschwindigkeitssignal 16 im Falle einer ersten Frequenz, die beispielhaft 227 Hz beträgt und die zu messende Drehgeschwindigkeit repräsentiert. Weiterhin ist der zeitliche Verlauf des Mittelwertes 18 gezeigt, der gemäß der in 5 dargestellten Mittelwertbildung ermittelt wurde. Gäbe es den in 12 veranschaulichten Diskretisierungsfehler nicht, so wäre der Mittelwert 18 konstant gleich Null in dieser Darstellung, in welcher der Gleichanteil nicht berücksichtigt ist. Aufgrund des Diskretisierungsfehler ist der Mittelwert 18 aber ungleich Null und zeitlich veränderlich. Der Mittelwert schwankt im Falle der ersten Frequenz gleichmäßig um Null, sodass er keinen Offset besitzt.
14 entspricht der Darstellung in 13 im Falle einer zweiten Frequenz, die beispielhaft 239 Hz beträgt und die zu messende Drehgeschwindigkeit repräsentiert. Der Mittelwert 18 ist wie im Falle der ersten Frequenz (gezeigt in 13) ungleich Null und zeitlich veränderlich, jedoch weist er bei der zweiten Frequenz zusätzlich einen deutlichen Offset auf.
15 zeigt einen Verlaufes eines Offsets 19 des in den 13 und 14 dargestellten Mittelwertes 18 im Frequenzbereich. Die Frequenz repräsentiert die zu messende Drehgeschwindigkeit. Der Verlauf des Offsets 19 im Frequenzbereich ist sägezahnförmig, wobei die Maximalamplitude in den Perioden mit steigender Frequenz zunimmt.
Erfindungsgemäß wird der Offset 19 durch einen Korrekturwert eliminiert, welcher vom Mittelwert 18 (gezeigt in 13 und 14) abgezogen wird. Dieser Korrekturwert kann wie folgt hergeleitet werden:
Die in 5 dargestellte Mittelwertbildung führt dazu, dass Nullstellen des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals 16 (gezeigt in 10) einen zeitlichen Abstand von einem Viertel der Periodendauer haben: n·ΔT_sample = T / 4
Die Variable n ist eine natürliche Zahl ungleich Null. T_sample steht für die Abtastperiodendauer. T steht für die Periodendauer der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals 16 (gezeigt in 10).
Die Periodendauer T der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals 16 (gezeigt in 10) ist der Kehrwert der Frequenz f der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals 16 (gezeigt in 10), sodass sich obige Gleichung ergibt zu: n·ΔT_sample = 1 / 4·f
Nullstellen f_errmin des Offsets 19 im Frequenzbereich sind folglich:
Die Nummer der laufenden Nullstelle ist somit:
Große Werte für n sind nicht relevant, da sie zu kleinen Frequenzen führen, bei denen der resultierende Offset 19 vernachlässigbar ist. Gegebenenfalls sind auch kleine Werte für n nicht relevant, wenn die zugehörigen großen Drehgeschwindigkeiten außerhalb der Anwendung liegen.
Durch die obige Gleichung sind die Zentren der Intervalle bekannt. Der zugehörige Maximalfehler Δφ_max des Offsets 19 ergibt sich wie folgt:
Δφ_max = T_sample·f·π
Um den Korrekturwert zu ermitteln, muss ein Abstand f_abstand der Frequenz f von einer der Nullstellen bestimmt werden:
In dieser Gleichung stehen die eckigen Klammern für die Ganzzahl-Funktion.
Der Korrekturwert c(f) ergibt sich als Produkt aus dem Abstand f_abstand und dem jeweiligen Maximalfehler Δφ_max des Offsets 19:
Diese Formel lässt sich verkürzen zu:
16 zeigt das in 13 dargestellte Roh-Drehgeschwindigkeitssignal 16 im Falle der ersten Frequenz, die beispielhaft 227 Hz beträgt und die zu messende Drehgeschwindigkeit repräsentiert. Weiterhin ist der zeitliche Verlauf eines korrigierten Drehgeschwindigkeitssignals 21 dargestellt, bei welchem es sich um eine Differenz aus dem in 13 gezeigten Mittelwert 18 und dem oben erläuterten Korrekturwert c(f) handelt. In dem hier gezeigten Beispiel ist der Korrekturwert c(f) = 0, da der in 13 gezeigte Mittelwert 18 keinen Offset besitzt.
17 zeigt das in 14 dargestellte Roh-Drehgeschwindigkeitssignal 16 im Falle der zweiten Frequenz, die beispielhaft 239 Hz beträgt und die zu messende Drehgeschwindigkeit repräsentiert. Weiterhin ist der zeitliche Verlauf des korrigierten Drehgeschwindigkeitssignals 21 dargestellt, bei welchem es sich um die Differenz aus dem in 14 gezeigten Mittelwert 18 und dem oben erläuterten Korrekturwert c(f) handelt. In dem hier gezeigten Beispiel ist der Korrekturwert c(f) > 0, da der in 14 gezeigte Mittelwert 18 einen positiven Offset besitzt. Das korrigierte Drehgeschwindigkeitssignal 21 besitzt nur noch einen vernachlässigbaren Offset.
18 zeigt einen Verlauf eines Offsets 22 des in den 16 und 17 dargestellten korrigierten Drehgeschwindigkeitssignals 21 im Frequenzbereich. Aufgrund der erfindungsgemäßen Korrektur ist der Offset 22 nur noch verschwindend klein. Der in 15 gezeigte Offset 19, der infolge des beschriebenen Diskretisierungsfehlers auftritt, wurde somit erfindungsgemäß weitestgehend ausgeglichen.
Bezugszeichenliste

01: gemessenes Drehwinkelsignal
02: ideales Drehwinkelsignal
03: Drehwinkelfehler
04: Roh-Drehgeschwindigkeitssignal
05: -
06: Ist-Drehgeschwindigkeit
07: Abtastwerte
08: gleitend gemitteltes Signal
09: erster Abtastwert
10: zweiter Abtastwert
11: -
12: gemitteltes Signal
13: geglättetes Signal ohne Rauschkomponente
14: Wertebereichssprung
15: -
16: digitalisiertes Roh-Drehgeschwindigkeitssignal
17: idealerweise benötigte Abtastwerte
18: Mittelwert
19: Offset
20: -
21: korrigiertes Drehgeschwindigkeitssignal
22: Offset nach der Korrektur

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines korrigierten Drehgeschwindigkeitssignals (21), folgende Schritte umfassend: – Ermitteln eines periodischen Drehwinkelsignals (01), welches einen drehwinkelabhängigen, periodischen Drehwinkelfehler (03) aufweist; – Überführung des Drehwinkelsignals (01) in ein digitales Roh-Drehgeschwindigkeitssignal (16), welches aufgrund des Drehwinkelfehlers (03) eine Störwelligkeit aufweist, deren Periodendauer der Periodendauer des Drehwinkelfehlers (03) entspricht, wobei das digitale Roh-Drehgeschwindigkeitssignal (16) eine Vielzahl von Abtastwerten (07, 09, 10) umfasst, welche durch eine Abtastperiodendauer zeitlich beabstandet sind; – Ermittlung der halben Periodendauer der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals (16); – Mittelung zumindest eines Paares der Abtastwerte (09, 10) des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals (16), deren zeitlicher Abstand die ermittelte halbe Periodendauer der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals (16) abgesehen von einem zeitlichen Diskretisierungsfehler beträgt, wobei durch die Mittelung ein Mittelwert (18) erhalten wird; – Bildung eines von der Abtastperiodendauer und von der Frequenz der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals (16) abhängigen Korrekturwertes zur Berücksichtigung des Diskretisierungsfehlers; und – Bildung des korrigierten Drehgeschwindigkeitssignals (21) aus einer Differenz zwischen dem Mittelwert (18) und dem Korrekturwert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert periodisch bezogen auf die Frequenz der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals (16) ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximalamplitude der Perioden des Korrekturwertes mit der Frequenz der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals (16) linear ansteigt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert bezogen auf die Frequenz der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals (16) einen sägezahnförmigen Graphen besitzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert einen minimalen Betrag besitzt, wenn die Frequenz der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals (16) einem Viertel einer Abtastfrequenz gleicht, wobei die Abtastfrequenz der Kehrwert der Abtastperiodendauer des digitalen Roh-Drehgeschwindigkeitssignals (16) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert durch ein Produkt gebildet wird, wobei einer der Faktoren des Produktes durch den nichtganzzahligen Anteil des Kehrwertes eines Produktes aus der Frequenz der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals (16) und der Abtastperiodendauer gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Faktoren des den Korrekturwert bildenden Produktes durch die Frequenz der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals (16), durch die Abtastperiodendauer und durch die Konstante π gebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert nach folgender Formel bestimmt wird:
mit: c(f) Korrekturwert f Frequenz der Störwelligkeit des Roh-Drehgeschwindigkeitssignals (16) T_sample Abtastperiodendauer, und [...] Ganzzahl-Funktion.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem korrigierten Drehgeschwindigkeitssignal (21) um das korrigierte Drehgeschwindigkeitssignal (21) eines Elektromotors handelt, welcher einen Kommutierungssensor umfasst, wobei das Ermitteln des Drehwinkelsignals (01) des Elektromotors mithilfe des Kommutierungssensors erfolgt.
Drehgeschwindigkeitsregelbare Elektromotoranordnung mit einem rotatorischen Elektromotor und mit einer Regeleinheit, die dazu konfiguriert ist, ein korrigiertes Drehgeschwindigkeitssignal (21) durch Ausführung eines Verfahrens gemäß Anspruch 9 zu erzeugen.