DE102016100062A1 - Electrical device for unambiguous determination of a rotor position - Google Patents
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Abstract
Elektrische Vorrichtung (10), umfassend einen Stator (20) und einen relativ zum Stator (20) bewegbaren Rotor (30), mindestens ein induktives elektrisches Bauelement (21), mindestens eine Auswertevorrichtung (70) zur Bestimmung eines Auswertungsergebnisses durch eine Auswertung des elektrischen Bauelements (21), wobei eine Lage des Rotors (30) relativ zum Stator (20) anhand des Auswertungsergebnisses bestimmbar ist. Hierbei ist vorgesehen, dass mindestens eine Markierung (40) zur Bestimmung der Lage des Rotors (30) vorgesehen ist, wobei die Markierung (40) durch eine Erfassungseinheit (60) rotorlageabhängig zur Bestimmung einer Markierungsinformation detektierbar ist, wobei anhand einer Kombination des Auswertungsergebnisses mit der Markierungsinformation die Lage des Rotors (30) eindeutig bestimmbar ist.Electric device (10) comprising a stator (20) and a rotor (30) movable relative to the stator (20), at least one inductive electrical component (21), at least one evaluation device (70) for determining an evaluation result by an evaluation of the electrical Component (21), wherein a position of the rotor (30) relative to the stator (20) on the basis of the evaluation result can be determined. In this case, it is provided that at least one marking (40) is provided for determining the position of the rotor (30), wherein the marking (40) can be detected by a detection unit (60) as a function of the rotor position for determining a marking information, with a combination of the evaluation result with the marking information, the position of the rotor (30) is uniquely determined.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Vorrichtung gemäß der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher definierten Art. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.The present invention relates to an electrical device according to the type defined in greater detail in the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method according to the preamble of claim 8.
Bei elektrischen Vorrichtungen, wie zum Beispiel rotierenden elektrischen Maschinen, wird eine Bewegung eines Rotors relativ zu einem Stator dadurch bewirkt, dass induktive elektrische Bauelemente wie Statorwicklungen elektrisch angesteuert werden. Dabei ist es aus dem Stand der Technik bekannt, dass die Lage des Rotors durch eine elektrische Auswertung dieser Bauelemente bestimmt werden kann. In electrical devices, such as rotating electrical machines, movement of a rotor relative to a stator is effected by electrically driving inductive electrical components such as stator windings. It is known from the prior art that the position of the rotor can be determined by an electrical evaluation of these components.
Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist, dass die Lage des Rotors durch die Auswertung der Bauelemente oft nur zweideutig oder mehrdeutig erfasst werden kann. So kann die Lage beispielsweise nur auf 180° genau bestimmt werden, sodass z. B. eine 0°-Position des Rotors nicht von einer 180°-Position des Rotors unterschieden werden kann. Zur verbesserten eindeutigen Bestimmung der Lage können beispielsweise Rotorlagegeber genutzt werden, welche allerdings komplex und aufwendig in der Herstellung und damit auch kostenintensiv sind. A disadvantage of the known solutions is that the position of the rotor can often be detected only ambiguously or ambiguously by the evaluation of the components. For example, the location can only be determined to 180 °, so z. B. a 0 ° position of the rotor can not be distinguished from a 180 ° position of the rotor. For improved unambiguous determination of the position, for example, rotor position sensors can be used, which, however, are complex and costly to manufacture and therefore also expensive.
Aus der
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine eindeutige Bestimmung der Rotorlage zuverlässig und kostengünstig durchzuführen. It is therefore an object of the present invention to at least partially overcome the disadvantages described above. In particular, it is an object of the present invention to perform a clear determination of the rotor position reliably and inexpensively.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elektrischen Vorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.The above object is achieved by an electrical device having the features of claim 1 and by a method having the features of claim 8. Further features and details of the invention will become apparent from the respective dependent claims, the description and the drawings. In this case, features and details that are described in connection with the electrical device according to the invention apply, of course, also in connection with the inventive method, and in each case vice versa, so with respect to the disclosure of the individual aspects of the invention is always reciprocal reference or can be.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst durch eine elektrische Vorrichtung, welche einen Stator und einen relativ zum Stator bewegbaren, insbesondere drehbaren, Rotor umfasst. Weiter ist mindestens ein induktives elektrisches Bauelement, vorzugsweise am Stator, angeordnet. Zudem umfasst die elektrische Vorrichtung mindestens eine Auswertevorrichtung zur Bestimmung eines Auswertungsergebnisses durch eine Auswertung des elektrischen Bauelements, insbesondere derart, dass eine Lage des Rotors relativ zum Stator anhand des Auswertungsergebnisses, insbesondere mehrdeutig, bestimmbar (erfassbar) ist. Es ist weiter denkbar, dass mindestens eine Markierung, insbesondere am Rotor und/oder am Stator, zur vorzugsweise eindeutigen Bestimmung (Erfassung) der Lage des Rotors, bevorzugt fest und/oder drehfest am Rotor beziehungsweise Stator, vorgesehen und/oder befestigt ist. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Markierung durch eine Erfassungseinheit rotorlageabhängig zur Bestimmung einer Markierungsinformation detektierbar ist und/oder detektiert wird, wobei anhand einer Kombination des Auswertungsergebnisses mit der Markierungsinformation die Lage des Rotors, insbesondere in einem elektrischen Winkel, eindeutig bestimmbar ist. Mit anderen Worten wird das Auswertungsergebnis mit der Markierungsinformation, beispielsweise digital durch eine Verarbeitungsvorrichtung, kombiniert, um die Lage des Rotors eindeutig zu bestimmen. Die Verarbeitungsvorrichtung ist dazu beispielsweise mit der Erfassungseinheit und/oder mit der Auswertevorrichtung elektrisch verbunden und/oder Bestandteil der Auswertevorrichtung beziehungsweise der Erfassungseinheit. Die Detektion der Markierung erfolgt vorzugsweise rotorlageabhängig, das heißt insbesondere in Abhängigkeit von einer (Dreh-)Position des Rotors relativ zum Stator, sodass beispielsweise bei einer 0°-Position des Rotors eine andere Detektion erfolgt als bei einer 180°-Position des Rotors. Insbesondere kann die Auswertung der Lage des Rotors durch die Auswertevorrichtung als periodische Funktion aufgefasst werden, welche für unterschiedliche Lagen (Positionen) gleiche Auswertungsergebnisse liefert. Die Markierung kennzeichnet dabei vorzugsweise zumindest einen oder jeden Zyklus der Auswertung in Bezug auf diese Periodizität und durch die Detektion der Markierung werden bevorzugt die Zyklen der Auswertung voneinander abgegrenzt beziehungsweise unterschieden. Dies hat den Vorteil, dass die Lage des Rotors eindeutig, das heißt insbesondere auf 360° genau und/oder für sämtliche (Dreh-)Positionen des Rotors genau, bestimmt werden kann. Damit ist eine zuverlässige Bestimmung der Lage, das heißt insbesondere der Drehlage und/oder (Dreh-)Position und/oder Winkellage, des Rotors relativ zum Stator zuverlässig und einfach möglich.The object is achieved in particular by an electrical device which comprises a stator and a rotor which is movable relative to the stator and in particular rotatable. Further, at least one inductive electrical component, preferably arranged on the stator. In addition, the electrical device comprises at least one evaluation device for determining an evaluation result by an evaluation of the electrical component, in particular such that a position of the rotor relative to the stator based on the evaluation result, in particular ambiguous, determinable (detectable). It is further conceivable that at least one marking, in particular on the rotor and / or on the stator, for preferably unambiguous determination (detection) of the position of the rotor, preferably fixed and / or rotationally fixed on the rotor or stator, is provided and / or fixed. It can be provided that the marking is detectable by a detection unit rotorlageabhängig for determining a marker information and / or detected, based on a combination of the evaluation result with the marker information, the position of the rotor, in particular at an electrical angle, is uniquely determined. In other words, the evaluation result is combined with the marker information, for example digitally by a processing device, to uniquely determine the position of the rotor. The processing device is, for example, electrically connected to the detection unit and / or to the evaluation device and / or component of the evaluation device or the detection unit. The detection of the marking is preferably carried out depending on the rotor position, that is, in particular in dependence on a (rotational) position of the rotor relative to the stator, so that, for example, at a 0 ° position of the rotor, a different detection than at a 180 ° position of the rotor. In particular, the evaluation of the position of the rotor by the evaluation device can be considered as a periodic function, which provides the same evaluation results for different positions (positions). The marking preferably characterizes at least one or each cycle of the evaluation in relation to this periodicity, and the detection of the cycles preferably delimits or distinguishes the cycles of the evaluation from one another. This has the advantage that the position of the rotor can be determined unambiguously, that is to say in particular precisely at 360 ° and / or for all (rotational) positions of the rotor. For a reliable determination of the position, that is, in particular the rotational position and / or (rotational) position and / or angular position, the rotor relative to the stator reliably and easily possible.
Die elektrische Vorrichtung ist beispielsweise als eine elektrische Maschine, bevorzugt als ein Elektromotor, vorzugsweise für ein Fahrzeug ausgeführt. Das Fahrzeug ist beispielsweise ein Elektrofahrzeug und/oder ein Hybridfahrzeug und/oder ein Kraftfahrzeug und/oder ein Personenkraftfahrzeug. Die elektrische Vorrichtung ist bevorzugt rotorlagegeberfrei ausgebildet, sodass durch den Verzicht auf einen Rotorlagegeber eine kostengünstige und einfache Herstellung der elektrischen Vorrichtung möglich ist. Die elektrische Vorrichtung ist zum Beispiel als Synchronmaschine oder als Asynchronmaschine ausgeführt. Dabei ist bevorzugt der Rotor derart drehbar im Stator angeordnet, insbesondere gelagert, dass der Rotor mehrere Positionen (zum Beispiel Drehpositionen beziehungsweise Drehlagen) aufweisen kann. Insbesondere können diese Positionen durch die Auswertevorrichtung nur mehrdeutig, das heißt zumindest zweideutig, bestimmt werden. Erst durch eine Kombination des Auswertungsergebnisses der Auswertung der Auswertevorrichtung mit der Markierungsinformation kann die Mehrdeutigkeit aufgelöst werden. Die Kombination erfolgt dabei beispielweise durch eine elektrische und/oder digitale Verarbeitung, vorzugsweise (zumindest teilweise) analog und/oder numerisch, wobei die Werte des Auswertungsergebnisses mit der Markierungsinformation in Beziehung gesetzt und/oder verglichen werden. Somit ist zuverlässig eine Bestimmung der Rotorlage in eindeutiger Weise möglich. The electrical device is designed, for example, as an electric machine, preferably as an electric motor, preferably for a vehicle. The vehicle is for example an electric vehicle and / or a hybrid vehicle and / or a motor vehicle and / or a passenger car. The electrical device is preferably designed rotor position encoder free, so that by dispensing with a rotor position sensor, a cost-effective and simple production of the electrical device is possible. The electrical device is designed, for example, as a synchronous machine or as an asynchronous machine. In this case, the rotor is preferably rotatably arranged in the stator, in particular mounted, that the rotor may have a plurality of positions (for example, rotational positions or rotational positions). In particular, these positions can be determined by the evaluation only ambiguous, that is, at least ambiguous. Only by a combination of the evaluation result of the evaluation of the evaluation device with the marking information, the ambiguity can be resolved. The combination takes place, for example, by electrical and / or digital processing, preferably (at least in part) analogously and / or numerically, wherein the values of the evaluation result are related to the marking information and / or compared. Thus, a reliable determination of the rotor position is possible.
Vorteilhaft ist es zudem, wenn die Markierung derart, insbesondere fest am Rotor, angeordnet ist, dass eine erste Lage (Position) des Rotors von einer zweiten Lage des Rotors anhand der Markierungsinformation unterscheidbar ist, wobei ein erstes Auswertungsergebnis für die erste Lage identisch mit einem zweiten Auswertungsergebnis für die zweite Lage des Rotors ist. Die erste und zweite Lage des Rotors sind dabei vorzugsweise unterschiedliche Drehpositionen des Rotors relativ zum Stator (zum Beispiel ist die erste Lage die 0°-Position und die zweite Lage die 180°-Position). Bevorzugt wird das erste Auswertungsergebnis durch eine erste Auswertung des induktiven elektrischen Bauelements bestimmt, wobei die erste Auswertung in der ersten Lage durchgeführt wird. Besonders bevorzugt wird das zweite Auswertungsergebnis durch eine zweite Auswertung des induktiven elektrischen Bauelements bestimmt, wobei die zweite Auswertung in der zweiten Lage durchgeführt wird. Die Markierung ist dabei beispielsweise drehfest am Rotor angeordnet, um zuverlässig die Drehlage des Rotors zu indizieren. Dabei ist insbesondere aufgrund der Mehrdeutigkeit das erste Auswertungsergebnis identisch mit dem zweiten Auswertungsergebnis. Vorzugweise wird durch die Kombination des Auswertungsergebnisses mit der Markierungsinformation diese Mehrdeutigkeit aufgelöst, sodass anhand der Markierungsinformation die erste Lage von der zweiten Lage unterschieden werden kann. In addition, it is advantageous if the marking is arranged in such a way, in particular firmly on the rotor, that a first position of the rotor can be distinguished from a second position of the rotor on the basis of the marking information, wherein a first evaluation result for the first position is identical to one second evaluation result for the second position of the rotor. The first and second position of the rotor are preferably different rotational positions of the rotor relative to the stator (for example, the first position is the 0 ° position and the second position, the 180 ° position). Preferably, the first evaluation result is determined by a first evaluation of the inductive electrical component, wherein the first evaluation is performed in the first position. Particularly preferably, the second evaluation result is determined by a second evaluation of the inductive electrical component, wherein the second evaluation is performed in the second position. The marking is, for example, rotatably mounted on the rotor to reliably index the rotational position of the rotor. In particular, due to the ambiguity, the first evaluation result is identical to the second evaluation result. Preferably, this ambiguity is resolved by the combination of the evaluation result with the marking information, so that the first position can be distinguished from the second position based on the marking information.
Weiter ist im Rahmen der Erfindung denkbar, dass wenigstens eine erste Markierung und eine daran räumlich, insbesondere am Rotor, angrenzende zweite Markierung vorgesehen sind, welche jeweils einen unterschiedlichen, insbesondere vollständigen, eindeutigen Lagebereich des Rotors markieren. Es ist beispielsweise vorgesehen, dass für den einzelnen eindeutigen Lagebereich für unterschiedliche Lagen des Rotors immer unterschiedliche Auswertungsergebnisse bestimmt werden, und insbesondere für unterschiedliche eindeutige Lagebereiche für unterschiedliche Lagen des Rotors gleiche Auswertungsergebnisse bestimmt werden. Mit anderen Worten ist die eindeutige Bestimmung der Lage des Rotors ausschließlich anhand des Auswertungsergebnisses nur für die Lagen möglich, welche einem einzelnen eindeutigen Lagebereich zugeordnet sind. Dies ermöglicht insbesondere eine einfache Auswertung durch ein rotorlagegeberloses Verfahren. Vorzugsweise umfasst dabei der vollständige Lagebereich den (zusammenhängenden) Lagebereich des Rotors, in welchem noch die Lage des Rotors relativ zum Stator durch die Auswertung des Bauelements (durch die Auswertevorrichtung) anhand des Auswertungsergebnisses eindeutig bestimmt werden kann. Im eindeutigen Lagebereich sind vorzugsweise die Werte des Auswertungsergebnisses kontinuierlich und/oder proportional zur Lage des Rotors. Die vollständigen eindeutigen Lagebereiche sind damit bevorzugt die Lagebereiche oder Positionen des Rotors relativ zum Stator, welche jeweils als Zyklus der Auswertung der Lage durch die Auswertevorrichtung eindeutig bestimmbar sind. Ein darüber hinausgehender Lagebereich hätte dabei insbesondere eine mehrdeutige (uneindeutige) Auswertung (anhand des Auswertungsergebnisses) zur Folge, da an den Übergängen der aneinander angrenzenden eindeutigen Lagebereiche ein Sprung der Werte des Auswertungsergebnisses für diese Lagen am Übergang erfolgt (zum Beispiel von 180° auf 0°). Die Markierung der vollständigen Lagebereiche hat daher den Vorteil, dass eine zuverlässige und eindeutige Auswertung der Lage möglich ist. It is also conceivable within the scope of the invention that at least one first mark and a second mark adjacent thereto, in particular on the rotor, are provided, each marking a different, in particular complete, unambiguous position range of the rotor. It is provided, for example, that different evaluation results are always determined for the individual, unambiguous position range for different positions of the rotor, and in particular the same evaluation results are determined for different unambiguous position ranges for different positions of the rotor. In other words, the unambiguous determination of the position of the rotor is possible only on the basis of the evaluation result only for the positions which are assigned to a single, unambiguous positional range. This allows, in particular, a simple evaluation by a rotor position sensorless method. In this case, the complete positional area preferably comprises the (contiguous) positional area of the rotor in which the position of the rotor relative to the stator can be determined unambiguously by the evaluation of the component (by the evaluation device) on the basis of the evaluation result. In the unique position range, the values of the evaluation result are preferably continuous and / or proportional to the position of the rotor. The complete unambiguous position ranges are thus preferably the position ranges or positions of the rotor relative to the stator, which can be unambiguously determined in each case as a cycle of evaluation of the position by the evaluation device. An additional position range would result in particular in an ambiguous (ambiguous) evaluation (based on the evaluation result), because at the transitions of the adjoining unambiguous position ranges, the values of the evaluation result for these positions jump at the transition (for example from 180 ° to 0 °). The marking of the complete position ranges therefore has the advantage that a reliable and unambiguous evaluation of the position is possible.
Es kann ferner möglich sein, dass der Stator das induktive elektrische Bauelement in Form einer Statorwicklung aufweist und/oder das elektrische Bauelement, insbesondere die Statorwicklung, zur Erzeugung eines Magnetfeldes und/oder zur Bewirkung einer Bewegung des Rotors elektrisch ansteuerbar ist. Insbesondere ist das (induktive elektrische) Bauelement elektrisch mit der Auswertevorrichtung derart verbunden ist, dass das Bauelement durch die Auswertevorrichtung zur mehrdeutigen, insbesondere zweideutigen, Bestimmung der Lage des Rotors elektrisch auswertbar ist. Es ist dabei selbstverständlich, dass das elektrische Bauelement in Form einer Wicklung auch am Rotor angeordnet sein kann, um eine Bewegung des Rotors zu ermöglichen. Die Wicklung (zum Beispiel die Statorwicklung und/oder eine Rotorwicklung) ist dabei fest am Stator beziehungsweise Rotor angeordnet beziehungsweise damit verbunden. Die Wicklung kann durch die Auswertevorrichtung insbesondere derart (mehrdeutig) ausgewertet werden, dass ein elektrischer Parameter, vorzugsweise eine Induktivität, der Wicklung auswertbar ist und als Auswertungsergebnis bereitgestellt werden kann. Bei dem elektrischen Bauelement und/oder der Wicklung handelt es sich bevorzugt nicht um einen dedizierten Lagesensor beziehungsweise einen Rotorlagegeber. Insbeosndere dient stattdessen das elektrische Bauelement beziehungsweise die Wicklung (hauptsächlich) zur Bewegung des Rotors, sodass das elektrische Bauelement ein funktionswesentliches Bauteil ist. Es wird somit ein zur Gewährleistung der Funktionsfähigkeit bereits vorhandenes Bauteil zur Auswertung und Erfassung der Lage des Rotors genutzt, sodass eine deutliche Kostenersparnis und Vereinfachung des Aufbaus der elektrischen Vorrichtung erzielt werden kann. It may also be possible that the stator has the inductive electrical component in the form of a stator winding and / or the electrical component, in particular the stator winding, for generating a magnetic field and / or for effecting movement of the rotor is electrically controllable. In particular, the (inductive electrical) component is electrically connected to the evaluation device in such a way that the component can be evaluated electrically by the evaluation device for the ambiguous, in particular ambiguous, determination of the position of the rotor. It is self-evident that the electrical component in the form of a winding can also be arranged on the rotor in order to allow movement of the rotor. The winding (for example, the stator winding and / or a rotor winding) is fixedly arranged on the stator or rotor or associated with it. The winding can be evaluated by the evaluation device in particular in such a way (ambiguous) that an electrical parameter, preferably an inductance, of the winding can be evaluated and can be provided as an evaluation result. The electrical component and / or the winding is preferably not a dedicated position sensor or a rotor position sensor. Insbeosndere instead serves the electrical component or the winding (mainly) for movement of the rotor, so that the electrical component is a functionally essential component. It is thus used to ensure the functionality already existing component for evaluation and detection of the position of the rotor, so that a significant cost savings and simplification of the structure of the electrical device can be achieved.
Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn im Rahmen der Erfindung ein oder mehrere, insbesondere zumindest zwei oder drei oder vier, Markierungen vorgesehen sind, und der Rotor und/oder Stator mehrere, vorzugsweise zumindest zwei oder drei oder vier, insbesondere magnetische, Elemente, vorzugsweise Permanentmagneten, aufweist, wobei die Anzahl der Markierungen von der Anzahl dieser Elemente abhängig ist. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass mindestens ein oder mehrere Markierungspaare, welche jeweils insbesondere zwei (komplementäre und/oder unterschiedliche) Markierungen umfassen, vorgesehen sind. Vorzugsweise ist die Anzahl der Markierungen von der Anzahl der sogenannten Polpaarzahl der elektrischen Vorrichtung abhängig. Die Polpaarzahl beschreibt dabei vorzugsweise die Anzahl der Paare von magnetischen Polen der elektrischen Vorrichtung. Dabei bilden beispielsweise die (magnetischen) Elemente jeweils die Pole bzw. Polpaare und/oder es ist die Anzahl der Pole und/oder der Polpaare von den Elementen abhängig. Insbesondere stehen dabei der elektrische Winkel (a) und der mechanische Winkel (b) über die Polpaarzahl (P) in Zusammenhang. Vorzugsweise ist der elektrische Winkel (a) proportional zum mechanischen Winkel (b) und/oder es entspricht der elektrische Winkel (a) dem mechanischen Winkel (b) multipliziert mit der Polpaarzahl (P):
Bevorzugt ist über den vollständigen Umfang des elektrischen Winkels (also z. B. über die elektrischen 360°) mindestens oder genau ein Markierungspaar vorgesehen. Entsprechend ist es denkbar, dass bei einer Polpaarzahl von P mindestens oder genau P (also mindestens oder genau eine der Polpaarzahl entsprechende Anzahl) Markierungspaare notwendig sind. Ein Markierungspaar umfasst insbesondere eine erste Markierung und eine zweite Markierung, welche sich voneinander unterscheiden und/oder von der Erfassungseinheit als unterschiedliche Markierungen eines Markierungspaars unterscheidbar / zuordenbar sind. Zum Beispiel bildet die erste Markierung eine helle (Ober-)Fläche und die zweite Markierung eine dunkle (Ober-)Fläche. Mit anderen Worten sind die Markierungen eines Markierungspaars komplementär zueinander ausgebildet. Somit kann in einfacher Weise eine eindeutige Bestimmung der Lage erfolgen.At least or exactly one marking pair is preferably provided over the entire circumference of the electrical angle (that is to say, for example, via the electrical 360 °). Accordingly, it is conceivable that with a pole pair number of P at least or exactly P (ie at least or exactly one of the number of pole pairs corresponding number) marker pairs are necessary. A marking pair comprises in particular a first marking and a second marking, which differ from one another and / or can be differentiated / assigned by the registration unit as different markings of a marking pair. For example, the first mark forms a bright (top) surface and the second mark forms a dark (top) face. In other words, the markings of a pair of markers are complementary to each other. Thus, a clear determination of the situation can be done in a simple manner.
Das (magnetische) Element ist bevorzugt als Permanentmagnet, und/oder als magnetisches und/oder zumindest teilweise induktives Element, welches vorzugsweise ein magnetisches Material umfasst, und/oder als permanentmagnetisches Element, und/oder als (magnetisch und/oder induktiv wirkende) Materialaussparung am Stator und/oder Rotor, und/oder als induktives elektrisches Bauelement, und/oder als magnetisch oder induktiv wirkendes Material, und/oder dergleichen ausgeführt, und/oder weist mindestens eines dieser Elemente auf. Insbesondere wird daher im Rahmen der Erfindung begrifflich zwischen den (induktiven) Bauelementen, beispielsweise als Statorwicklungen, und den (magnetischen) Elementen, wie Permanentmagnete am Rotor, unterschieden. Die induktiven Bauelemente und/oder die (magnetischen und/oder induktiven) Elemente können bevorzugt ein ausgeprägtes induktives Verhalten aufweisen, also insbesondere eine hohe Induktivität aufweisen. Insbesondere ändert sich die Permeabilität (zum Beispiel der Elemente) als Materialeigenschaft entlang des elektrischen Winkels bzw. Umfangs des Rotors. Somit kann sich auch die (Rotor-)Induktivität (Längs- und Querinduktivität) verändern und/oder beeinflusst werden. Bevorzugt sind die (magnetischen) Elemente und/oder die Materialien des Rotors und/oder Stators untereinander verschieden, insbesondere in Bezug auf deren Permeabilität. Der Rotor und/oder Stator kann somit vorzugsweise magnetisch anisotrop ausgeführt sein, bevorzugt aufgrund der Anordnung der Elemente und/oder der Konstruktion der elektrischen Vorrichtung. So ist es auch denkbar, dass die Elemente als Materialaussparungen am Rotor und/oder Stator vorgesehen sind, um insbesondere eine entsprechende magnetische Anisotropie zu bewirken.The (magnetic) element is preferably as a permanent magnet, and / or as a magnetic and / or at least partially inductive element, which preferably comprises a magnetic material, and / or as a permanent magnetic element, and / or as (magnetically and / or inductively acting) material recess on the stator and / or rotor, and / or as an inductive electrical component, and / or designed as a magnetically or inductively acting material, and / or the like, and / or has at least one of these elements. In particular, therefore, in the context of the invention, a distinction is made between the (inductive) components, for example as stator windings, and the (magnetic) elements, such as permanent magnets on the rotor. The inductive components and / or the (magnetic and / or inductive) elements may preferably have a pronounced inductive behavior, that is to say in particular have a high inductance. In particular, the permeability (for example, of the elements) changes as a material property along the electrical angle or circumference of the rotor. Thus, the (rotor) inductance (longitudinal and transverse inductance) can also be changed and / or influenced. Preferably, the (magnetic) elements and / or the materials of the rotor and / or stator are different from each other, in particular with respect to their permeability. The rotor and / or stator can thus be preferably made magnetically anisotropic, preferably due to the arrangement of the elements and / or the construction of the electrical device. Thus, it is also conceivable that the elements are provided as material recesses on the rotor and / or stator, in particular to effect a corresponding magnetic anisotropy.
Vorzugsweise beeinflussen die Elemente in Abhängigkeit von der Rotorlage die Induktivität im Stator derart, dass anhand des Induktivitätsverlaufs über dem Umfang des Rotors die Rotorlage (mehrdeutig) identifiziert werden kann. Die Anordnung und/oder Anzahl der magnetischen Elemente bestimmt vorzugsweise den Zyklus der Auswertung und/oder den eindeutigen Lagebereich. Bevorzugt erfolgt dabei die Anordnung der Markierungen in Abhängigkeit von der Anordnung der (magnetischen) Elemente. Insbesondere werden die Markierung derart angeordnet, dass die Uneindeutigkeiten des Auswertungsergebnisses anhand der Markierungsinformation aufgelöst (das heißt zum Beispiel eliminiert) werden können. Die Anzahl der Markierungen ist dabei vorzugsweise derart von der Anzahl der magnetischen Elemente abhängig, dass für jedes dieser Elemente (und/oder jeden vollständigen eindeutigen Lagebereich) mindestens eine Markierung vorgesehen ist. Somit kann in einfacher Weise eine eindeutige Bestimmung der Lage erfolgen. The elements preferably influence the inductance in the stator as a function of the rotor position in such a way that the rotor position (ambiguous) can be identified on the basis of the inductance curve over the circumference of the rotor. The arrangement and / or number of magnetic elements preferably determines the cycle of the evaluation and / or the unique position range. The arrangement of the markings preferably takes place in dependence on the arrangement of the (magnetic) elements. In particular, the markers are arranged such that the ambiguities of the evaluation result on the basis of Marking information can be resolved (ie eliminated, for example). The number of markings is preferably dependent on the number of magnetic elements such that at least one mark is provided for each of these elements (and / or every complete, unambiguous positional area). Thus, a clear determination of the situation can be done in a simple manner.
Nach einer weiteren Möglichkeit kann vorgesehen sein, dass die Erfassungseinheit als Ein-Bit Sensor und/oder als zumindest einer der folgenden Sensoren ausgeführt ist:
- – optischer Sensor, insbesondere als optischer Näherungsschalter oder Lichtschranke,
- – magnetischer Näherungsschalter,
- – elektrischer Näherungssensor,
- – Hallsensor.
- - optical sensor, in particular as an optical proximity switch or light barrier,
- - magnetic proximity switch,
- - electrical proximity sensor,
- - Hall sensor.
Der Ein-Bit Sensor ist dabei bevorzugt ein Ein-Bit-Absolutwert-Sensor, welcher bevorzugt (nur) eine Information liefert, welche aussagt, ob die Markierung positiv oder negativ detektiert wird. Beispielsweise ist die Erfassungseinheit derart ausgeführt, dass sie bei (positiver) Detektion der Markierung ein erstes Signal liefert und bei (negativer) Detektion (das heißt zum Beispiel bei Detektion einer negativen Markierung oder bei ausbleibender Detektion der Markierung) ein zweites Signal und/oder kein Signal liefert. Das zweite Signal kann dabei auch ein Ausbleiben eines Signals sein. Es ist bevorzugt vorgesehen, dass die elektrische Vorrichtung ausschließlich eine einzige Erfassungseinheit umfasst. Beispielsweise können die Hallsensoren die Richtung der magnetischen Flussdichte der vorhandenen Permanentmagnete erfassen und so die Markierungsinformation bereitstellen. Die Markierung kann zum Beispiel durch das magnetische Element der Rotoren beziehungsweise des Stators selbst gebildet sein oder zusätzlich dazu am Rotor und/oder Stator angebracht und/oder ausgebildet sein. So ist es beispielsweise denkbar, dass die Markierung als eine Beschichtung aufgebracht wird und/oder separat vom Rotor beziehungsweise Stator beziehungsweise den Elementen ausgebildet ist und vorzugsweise am Rotor und/oder Stator befestigt wird. Gegebenenfalls ist die Markierung monolithisch und/oder einstückig zum Element ausgebildet oder separat davon ausgebildet. The one-bit sensor is preferably a one-bit absolute value sensor, which preferably (only) provides information which states whether the marking is detected positively or negatively. For example, the detection unit is designed such that it provides a first signal when (positive) detection of the marker and (negative) detection (that is, for example, when detecting a negative marker or in the absence of detection of the marker), a second signal and / or no Signal supplies. The second signal can also be a failure of a signal. It is preferably provided that the electrical device comprises only a single detection unit. For example, the Hall sensors can detect the direction of the magnetic flux density of the existing permanent magnets and thus provide the marking information. The marking may be formed, for example, by the magnetic element of the rotors or of the stator itself or, in addition, may be attached to and / or formed on the rotor and / or stator. For example, it is conceivable that the marking is applied as a coating and / or is formed separately from the rotor or stator or the elements and is preferably fastened to the rotor and / or stator. Optionally, the marker is monolithic and / or integral with the element or separately formed therefrom.
Es ist optional denkbar, dass mindestens zwei Markierungen vorgesehen sind, wobei sich eine erste Markierung von einer zweiten Markierung zumindest dadurch unterscheidet, dass
- – eine Oberfläche der ersten Markierung heller als eine Oberfläche der zweiten Markierung ausgeführt ist, und/oder
- – eine Oberfläche der ersten Markierung reflektierender als eine Oberfläche der zweiten Markierung ausgeführt ist, und/oder
- – die erste Markierung eine magnetische Oberfläche und die zweite Markierung eine nicht magnetische Oberfläche aufweist, und/oder
- – ein räumlicher Abstand der ersten Markierung zur Erfassungseinheit geringer ist als ein räumlicher Abstand der zweiten Markierung zur Erfassungseinheit, und/oder
- – die erste Markierung materialunterschiedlich zur zweiten Markierung ausgeführt ist, wobei bevorzugt die erste Markierung ein Metall aufweist, und besonders bevorzugt die zweite Markierung ein anderes Metall oder Nichtmetall oder Halbmetall umfasst.
- A surface of the first marking is made lighter than a surface of the second marking, and / or
- A surface of the first marking is designed to be reflective as a surface of the second marking, and / or
- The first mark has a magnetic surface and the second mark has a non-magnetic surface, and / or
- - A spatial distance of the first mark to the detection unit is less than a spatial distance of the second mark to the detection unit, and / or
- - The first mark is carried out material different from the second mark, wherein preferably the first mark comprises a metal, and more preferably the second mark comprises another metal or non-metal or semimetal.
Die erste und/oder zweite Markierung kann dabei durch den Rotor und/oder Stator selbst ausgebildet sein und/oder als separates Teil daran angeordnet werden. Dies hat den Vorteil, dass in einfacher Weise und kostengünstig eine Uneindeutigkeit bei der Lageerfassung aufgelöst werden kann. Bevorzugt entsprichen dabei die Anzahl der Markierungen der Anzahl an Mehrdeutigkeiten innerhalb einer elektrischen Periode der elektrischen Vorrichtung.The first and / or second marking may be formed by the rotor and / or stator itself and / or arranged as a separate part thereto. This has the advantage that an ambiguity in the position detection can be resolved in a simple and cost-effective manner. In this case, the number of markings preferably corresponds to the number of ambiguities within one electrical period of the electrical device.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren für den Betrieb einer elektrischen Vorrichtung, vorzugsweise für den Betrieb eines Antriebselements, insbesondere für ein Fahrzeug, bevorzugt für einen elektrischen Motor. Bevorzugt ist dabei ein Stator und ein Rotor der elektrischen Vorrichtung vorgesehen, wobei der Rotor relativ zum Stator bewegt wird. Vorzugsweise ist mindestens ein induktives elektrisches Bauelement der elektrischen Vorrichtung vorgesehen, wobei durch mindestens eine Auswertevorrichtung (der elektrischen Vorrichtung) ein Auswertungsergebnis durch eine Auswertung des elektrischen Bauelements bestimmt wird, und eine Lage des Rotors (Rotorlage) relativ zum Stator anhand des Auswertungsergebnisses, insbesondere mehrdeutig, bestimmt wird. Dabei wird bevorzugt mindestens eine Markierung (insbesondere des Rotors und/oder Stators) zur, vorzugsweise eindeutigen, Bestimmung der Lage des Rotors, insbesondere fest beziehungsweise drehfest am Rotor und/oder Stator, vorgesehen, wobei die Markierung durch eine Erfassungseinheit rotorlageabhängig zur Bestimmung einer Markierungsinformation detektiert wird, wobei anhand einer Kombination des Auswertungsergebnisses mit der Markierungsinformation die Lage des Rotors eindeutig bestimmt wird. Damit bringt das erfindungsgemäße Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße elektrische Vorrichtung beschrieben worden sind. Zudem kann das erfindungsgemäße Verfahren für den Betrieb einer erfindungsgemäßen elektrischen Vorrichtung geeignet sein. Likewise provided by the invention is a method for the operation of an electrical device, preferably for the operation of a drive element, in particular for a vehicle, preferably for an electric motor. Preferably, a stator and a rotor of the electrical device is provided, wherein the rotor is moved relative to the stator. Preferably, at least one inductive electrical component of the electrical device is provided, wherein an evaluation result is determined by an evaluation of the electrical component by at least one evaluation device (the electrical device), and a position of the rotor (rotor position) relative to the stator based on the evaluation result, in particular ambiguous , is determined. In this case, at least one marking (in particular of the rotor and / or stator) is preferably provided for determination of the position of the rotor, in particular fixedly or non-rotatably on the rotor and / or stator, the marking being dependent on the rotor position by a detection unit for determining marking information is detected, based on a combination of the evaluation result with the marking information, the position of the rotor is uniquely determined. Thus, the method according to the invention brings about the same advantages as have been described in detail with reference to an electrical device according to the invention. In addition, the method according to the invention may be suitable for the operation of an electrical device according to the invention.
Durch die Detektion der mindestens einen Markierung durch die Erfassungseinheit wird somit insbesondere die Markierungsinformation bestimmt, wobei bevorzugt die Markierungsinformation eine Information über die Position beziehungsweise Lage der Markierung ist. Hierdurch ist es vorzugsweise möglich, dass das mehrdeutige Auswertungsergebnis derart mit der Markierungsinformation der Erfassungseinheit kombiniert wird, dass die Mehrdeutigkeit des Auswertungsergebnisses beseitigt wird. Insbesondere ist eine eindeutige Lagebestimmung über den gesamten Umfang des Rotors durchführbar, wobei vorzugsweise die Lagebestimmung rotorlagegeberlos erfolgt. Die Auswertevorrichtung dient dabei vorzugsweise zur Erfassung einer Änderung und/oder eines Induktivitätsverlaufs der Induktivität im und/oder am Stator. Die Auswertung des elektrischen Bauelements, insbesondere einer Statorinduktivität, erfolgt bevorzugt über den gesamten Statorumfang (zum Beispiel 360°). Die Lagebestimmung basiert dabei insbesondere auf einer Auswertung der unterschiedlichen Aktivitäten in Längs- und/oder Querachse. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit vorzugsweise ein rotorlagegeberloses Verfahren zur Rotorlageerfassung, und hat damit den Vorteil, dass eine zuverlässige und vereinfachte eindeutige Erfassung der Rotorlage möglich ist. The detection of the at least one marking by the detection unit thus determines in particular the marking information, wherein the marking information is preferably information about the position or position of the marking. As a result, it is preferably possible for the ambiguous evaluation result to be combined with the marking information of the detection unit in such a way that the ambiguity of the evaluation result is eliminated. In particular, an unambiguous position determination over the entire circumference of the rotor can be carried out, with the position determination preferably taking place without a rotor position. The evaluation device preferably serves to detect a change and / or an inductance curve of the inductance in and / or on the stator. The evaluation of the electrical component, in particular a stator inductance, preferably takes place over the entire stator circumference (for example 360 °). The orientation is based in particular on an evaluation of the different activities in the longitudinal and / or transverse axis. The method according to the invention is thus preferably a rotor position sensorless method for detecting the rotor position, and thus has the advantage that a reliable and simplified unambiguous detection of the rotor position is possible.
Es ist optional vorgesehen, dass während des Betriebs der Vorrichtung anhand der Detektion der Markierung durch die Erfassungseinheit, vorzugsweise durch eine Detektion von zeitlichen Abständen von Markierungswechseln, eine Drehzahlinformation für die Rotordrehung bestimmt wird. Die Drehzahlinformation kann beispielsweise dazu genutzt werden, um ein lagegeberloses Verfahren im höheren Drehzahlbereich zu ergänzen. Damit kann eine verbesserte Redundanz und/oder Fehlerdiagnose ermöglicht werden.It is optionally provided that rotational speed information for the rotor rotation is determined during operation of the device on the basis of the detection of the marking by the detection unit, preferably by detection of time intervals of marking changes. The speed information can be used, for example, to supplement a positionless method in the higher speed range. This allows improved redundancy and / or fault diagnosis.
Des Weiteren ist es denkbar, dass die Auswertung des elektrischen Bauelements derart erfolgt, dass eine induzierte Spannung im Bauelement und/oder eine Induktivität des Bauelements und/oder ein Induktivitätsverlauf am Stator erfasst und/oder ausgewertet wird. Die Auswertung und/oder Bestimmung der Lage (Drehlage) des Rotors durch die Auswertevorrichtung basiert dabei insbesondere auf einer Auswertung der unterschiedlichen induktiven elektrischen Bauelemente, insbesondere Induktivitäten, am Stator (ausschließlich) in Längs- und/oder Querachse. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass auf einen separaten Sensor zur Erfassung der Rotorlage in Form eines Rotorlagegebers verzichtet werden kann. Zur Auswertung umfasst die Verarbeitungsvorrichtung und/oder die Auswertevorrichtung und/oder die Erfassungseinheit beispielsweise mindestens eine elektrische und/oder elektronische Komponente, wie einen Mikroprozessor, und führt bevorzugt eine digitale (Signal-)Verarbeitung eines am induktiven elektrischen Bauelement elektrisch erfassten Signals (insbesondere Strom- und/oder Spannungssignals) und/oder des Auswertungsergebnisses und/oder der Markierungsinformation durch. Das Auswertungsergebnis und/oder die Markierungsinformation werden bevorzugt als digitale Information und/oder als ein elektrisches Signal zur Verfügung gestellt.Furthermore, it is conceivable that the evaluation of the electrical component takes place in such a way that an induced voltage in the component and / or an inductance of the component and / or an inductance profile on the stator are detected and / or evaluated. The evaluation and / or determination of the position (rotational position) of the rotor by the evaluation device is based in particular on an evaluation of the different inductive electrical components, in particular inductors, on the stator (exclusively) in the longitudinal and / or transverse axis. As a result, the advantage is achieved that can be dispensed with a separate sensor for detecting the rotor position in the form of a rotor position sensor. For evaluation, the processing device and / or the evaluation device and / or the detection unit comprises, for example, at least one electrical and / or electronic component, such as a microprocessor, and preferably performs digital (signal) processing of a signal electrically detected at the inductive electrical component (in particular current - and / or voltage signal) and / or the evaluation result and / or the marking information. The evaluation result and / or the marker information are preferably provided as digital information and / or as an electrical signal.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen: Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description in which, with reference to the drawings, embodiments of the invention are described in detail. The features mentioned in the claims and in the description may each be essential to the invention individually or in any desired combination. Show it:
In den
Die Auswertung und insbesondere Bestimmung der Induktivität des Bauelements
Der zweite Induktivitätswert L1 unterscheidet sich vom ersten Induktivitätswert L0, da die magnetischen Elemente
Bei der dritten Messung gemäß
Der zweite gemessene Induktivitätswert L1 entspricht damit dem dritten gemessenen Induktivitätswert L2 und unterscheidet sich vom ersten gemessenen Induktivitätswert L0, wie auch der Darstellung in
Um dieses Problem zu lösen, wird gemäß
Die Markierungen
Gemäß
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. The above explanation of the embodiments describes the present invention solely by way of example. Of course, individual features of the embodiments, if technically feasible, can be combined freely with one another, without departing from the scope of the present invention.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Vorrichtung contraption
- 2020
- Stator stator
- 2121
- Bauelement, Statorwicklung Component, stator winding
- 21a21a
- erste Statorwicklung first stator winding
- 21b21b
- zweite Statorwicklung second stator winding
- 21c21c
- dritte Statorwicklung third stator winding
- 3030
- Rotor rotor
- 3535
- Elemente, Permanentmagnet Elements, permanent magnet
- 35a35a
- erstes Element first element
- 35b35b
- zweites Element second element
- 4040
- Markierung mark
- 4141
- erste Markierung first mark
- 4242
- zweite Markierung second mark
- 5050
- Lagebereich Location area
- 5151
- erster Lagebereich first location area
- 5252
- zweiten Lagebereich second position range
- 6060
- Erfassungseinheit acquisition unit
- 7070
- Auswertevorrichtung evaluation
- 8080
- Ansteuerungsvorrichtung driving device
- 100100
- Verfahren method
- 101101
- erster Verfahrensschritt first process step
- 102102
- zweiter Verfahrensschritt second process step
- 103103
- dritter Verfahrensschritt third process step
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 0332244 A1 [0004] EP 0332244 A1 [0004]
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---|---|---|---|
DE102016100062.0A DE102016100062A1 (en) | 2016-01-04 | 2016-01-04 | Electrical device for unambiguous determination of a rotor position |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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---|---|
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ID=59068887
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP0332244A1 (en) | 1988-02-22 | 1989-09-13 | Dynamics Research Corporation | Single track absolute encoder |
-
2016
- 2016-01-04 DE DE102016100062.0A patent/DE102016100062A1/en active Pending
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP0332244A1 (en) | 1988-02-22 | 1989-09-13 | Dynamics Research Corporation | Single track absolute encoder |
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Legal Events
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---|---|---|---|
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