DE102017111895B3 - Verfahren zur Bestimmung einer Winkelposition eines sich drehenden Bauteiles, insbesondere eines Elektromotors für ein Kupplungsbetätigungssystem eines Fahrzeuges - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Winkelposition eines sich drehenden Bauteiles, insbesondere eines Elektromotors für ein Kupplungsbetätigungssystem eines Fahrzeuges, bei welchem die Winkelposition (Θ) des sich drehenden Bauteiles (2) von einer radial beabstandet zur Drehachse (7) des sich drehenden Bauteiles positionierten Sensorik (6) abgenommen wird, wobei ein fest und konzentrisch an dem sich drehenden Bauteil (2) angeordneter Magnetring (4) ein sich gegenüber der Sensorik (6) änderndes Magnetfeld aufbaut, das von der Sensorik (6) detektiert wird, wobei ein von der Sensorik (6) abgenommenes Signal hinsichtlich der Winkelposition ausgewertet wird. Bei einem Verfahren, bei welchem Fehler bei der Messung der Winkelposition einfach korrigiert werden können, wird das von der Sensorik (6) abgenommene Signal hinsichtlich einer Amplitudeninformation des Magnetfeldes ausgewertet, wobei aus der Amplitudeninformation ein Korrekturparameter (β) ermittelt wird, mittels welchem ein Winkelfehler (γ) der aus dem Signal der Sensorik (6) abgenommenen Winkelposition (Θ) bestimmt wird, wobei der Winkelfehler (γ) zur Korrektur der aus dem von der Sensorik (6) abgegebenen Signal ermittelten Winkelposition (Θ) verwendet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Winkelposition eines sich drehenden Bauteiles, insbesondere eines Elektromotors für ein Kupplungsbetätigungssystem eines Fahrzeuges, bei welchem die Winkelposition des sich drehenden Bauteiles von einer radial beabstandet zur Drehachse des sich drehenden Bauteiles positionierten Sensorik abgenommen wird, wobei ein fest und konzentrisch an dem sich drehenden Bauteil angeordneter Magnetring ein sich gegenüber der Sensorik änderndes Magnetfeld aufbaut, das von der Sensorik detektiert wird, wobei ein von der Sensorik abgenommenes Signal hinsichtlich der Winkelposition ausgewertet wird.
• Die DE 10 2006 033 525 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung einer Winkelposition eines sich drehenden Bauteils.
• Die DE 10 2010 032 061 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Messung eines Drehwinkels und/oder eines Drehmoments.
• Die DE 10 2015 105 854 A1 offenbart eine Sensoranordnung zum Bestimmen einer Winkelposition eines Rotors relativ zu einem Stator.
• Die EP 0 986 162 A1 offenbart eine Sensoranordnung zur Bestimmung der Richtung einer Rotormagnetisierung und/oder der axialen Position des Rotors.
• Die DE 10 2012 202 404 A1 offenbart einen Drehwinkelsensor zur absoluten Drehwinkelbestimmung auch mehrfacher Umdrehungen.
• Aus der WO 2017/036476 A1 ist eine Winkelmesseinrichtung für einen rotatorisch angetriebenen Linearaktor bekannt, bei welchem eine Off-Axis-Bauweise verwendet wird, d.h. die Sensorik ist parallel und beabstandet zur Zentralachse des Rotors eines Elektromotors angeordnet. An dem Rotor ist konzentrisch ein Magnetring angeordnet, welcher ein Magnetfeld aufspannt, welches von der Sensorik überwacht wird und aus welchem eine Winkelposition des Rotors bestimmt wird.
• Die DE 10 2013 222 366 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Elektromotors, bei welchem die Sensoren außerhalb der Drehachse des Elektromotors angeordnet sind. Die Auswerteeinheit, welche die an der Sensorik abgenommenen Sensorsignale auswertet, ist dabei räumlich getrennt zur Sensorik positioniert.
• Darüber hinaus ist bekannt, dass aus den von der Sensorik abgegebenen Werten ein Sinussignal berechnet wird und die Richtung eines Magnetfeldes anhand eines Nulldurchganges dieses Sinussignales bestimmt wird. Aus den Magnetfeldkomponenten wird dann die Winkelinformation ermittelt. Allerdings treten bei Off-Axis-Anwendungen Fehler bei der Bestimmung der Winkelposition auf, der mehr als 20° betragen können. Außerdem können die dynamischen Toleranzen, welche durch das Taumeln des diametralen am Rotor des Elektromotors angeordneten Magnetrings auftreten, sehr groß sein.
• Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung einer Winkelposition eines Elektromotors anzugeben, bei welchem die Fehlermöglichkeiten weitgehend eingeschränkt sind.
• Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass das von der Sensorik abgenommene Signal hinsichtlich einer Amplitudeninformation des Magnetfeldes ausgewertet wird, wobei aus der Amplitudeninformation ein Korrekturparameter ermittelt wird, mittels welchem ein Winkelfehler der aus dem Signal der Sensorik abgenommenen Winkelposition bestimmt wird, und der Winkelfehler zur Korrektur der aus dem von der Sensorik abgegebenen Signal ermittelten Winkelposition verwendet wird. Der Verwendung der Amplitudeninformation liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Amplituden eines Magnetfeldvektors in unterschiedliche Raumrichtungen bei auftretenden Fehlern meistens ungleich sind. Daher kommt es in einer Lissajousfigur zu einer Ellipse, deren Hauptachse bzw. Nebenachse den Amplituden des Magnetfeldes entsprechen. Somit lässt sich aus diesen Amplituden einfach ein Korrekturparameter ermitteln, mittels welchem eine konkrete Winkelposition des sich drehenden Bauteiles bestimmt werden kann. Aufgrund eines solchen einfachen mathematischen Verfahrens können Formänderungen der Magneten, die sehr konstruktions- und kostenaufwändig sind, unterbleiben, wodurch ein sehr kostengünstiges Verfahren ermöglicht wird.
• Vorteilhafterweise wird zur Ermittlung des Korrekturparameters aus der Amplitudeninformation eine Amplitude einer tangentialen Magnetfeldrichtung und eine Amplitude einer radialen Magnetfeldrichtung eines magnetischen Flusses bestimmt, die ins Verhältnis zueinander gesetzt den Korrekturparameter ergeben. Die Verwendung der tangentialen und der radialen Magnetfeldrichtung entsprechen einer x-y-Ausdehnung des Magnetfeldes, in welcher sich der Magnetring, welcher an dem sich drehenden Bauteil befestigt ist, ausdehnt und welche von der Sensorik abgetastet wird.
• In einer Ausgestaltung wird der Korrekturparameter am Montageende der Sensorik-Bauteil-Baueinheit ermittelt. Ein so ermittelter Korrekturparameter kann der Bestimmung der Winkelposition jederzeit zugrunde gelegt werden.
• Um statische Fehler bei der Bestimmung der Winkelposition zu korrigieren, wird der Korrekturparameter als konstant verwendet.
• In einer Ausführungsform wird der Korrekturparameter während eines Messvorganges der Winkelposition des sich drehenden Bauteiles adaptiert, wobei insbesondere der am Montageende bestimmte Korrekturparameter als Initialkorrekturparameter beim Start des Messvorganges verwendet wird. Durch die Adaption des Korrekturparameters werden auch dynamische Fehler, wie beispielsweise ein Taumeln des Magnetringes, gut korrigiert.
• In einer Variante wird zur Auswertung des von der Sensorik abgenommenen Signales hinsichtlich einer Amplitude des Magnetfeldes und der Winkelposition des sich drehenden Bauteiles eine in der Sensorik enthaltene Auswerteelektronik verwendet. Dabei können Maßnahmen zur korrekten Übertragung des von der Sensorik abgegebenen Signales an die Auswerteelektronik entfallen.
• In einer Weiterbildung wird das von der Auswerteelektronik ausgegebene die Winkelposition des sich drehenden Bauteiles kennzeichnende Signal hochfrequent abgetastet. Somit können bei schnelldrehenden Bauteilen verschiedene Winkelinformationen zuverlässig bestimmt werden, die in kurzen Zeiträumen nacheinander eingenommen werden.
• Vorteilhafterweise wird das von der Auswerteelektronik ausgegebene die Amplitude des Magnetfeldes kennzeichnende Signal niederfrequent abgetastet. Da aus dem die Amplituden kennzeichnenden Signal der Korrekturparameter bestimmt wird, muss dieser nur in vorgegebenen Zeitabständen korrigiert werden, was für eine genaue Bestimmung der Winkelposition ausreicht.
• In einer weiteren Ausführungsform wird das von der Auswerteelektronik ausgegebene die Amplitude des Magnetfeldes kennzeichnende Signal mindestens zweimal pro Umdrehung des sich drehenden Bauteiles abgetastet. Diese Auswertemethode genügt, um einen ausreichend genauen Korrekturparameter zum Ausgleich von dynamischen Fehlern bei der Bestimmung der Winkelposition des sich drehenden Bauteiles einzustellen.
• Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
• Es zeigen:
• 1 einen Aktor mit einer Sensorik in einer Seitenansicht im Schnitt,
• 2 eine Prinzipdarstellung einer eine Auswerteeinrichtung enthaltenden Sensorik,
• 3 eine Prinzipdarstellung eines Bearbeitungssignales innerhalb der Sensorik,
• 4 eine Prinzipdarstellung der Magnetrichtungen eines magnetischen Flusses des von dem Magnetring hervorgerufenen Magnetfeldes anhand einer Lissajous-Figur,
• 5 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
• 6 eine Darstellung des Winkelfehlers in Abhängigkeit des von der Sensorik ausgegebenen Signals.
• In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Aktors 1 mit einer Sensorik in einer Seitenansicht dargestellt, bei welchem der Aktor 1 einen Elektromotor aufweist, welcher einen Rotor 2 und einen den Rotor 2 umschließenden feststehenden Stator 3 aufweist. An der Stirnseite des Rotors 2 ist ein Magnetring 4 angeordnet, welcher eine diametrale Magnetisierung aufweist. Auf einer Platine 5 ist die Sensorik 6 in Form einer Mess- und Auswerteeinheit positioniert, wobei diese Sensorik 6 radial beabstandet zur Drehachse 7 des Elektromotors 2, 3 angeordnet ist.
• Die Sensorik 6 ist in 2 in einer Prinzipdarstellung wiedergegeben. Um eine zentrale Achse ist eine Vielzahl von kreisförmig angeordneten Hall-Sensoren 8 positioniert, die das Magnetfeld des Magnetringes 4 detektieren. Die Hall-Sensoren 8 geben ein sinusförmiges Ausgangssignal aus, wie es in 3 gezeigt ist. In 3 ist das Magnetfeld des Magnetringes 4 über den Winkel des sich drehenden Magnetfeldes dargestellt. Jeder Punkt 10 des sinusförmigen Signals gibt dabei die Information je eines der Hall-Sensoren 8 wieder. Diese Hall-Sensoren 8 bilden somit einen Single turn-Sensor für einen Messbereich von 360 Winkelgrad.
• Bei einer Messung werden dabei alle Werte, die von den Hall-Sensoren 8 ausgegeben werden, gleichzeitig aufgenommen und das in 3 gezeigte Sinussignal berechnet. Anschließend wird die Richtung des vom Magnetring 4 erzeugten Magnetfeldes anhand des Nulldurchganges 9 bestimmt. Die Amplitude des Ausgangssignals der Sensorik 6 entspricht dabei dem Betrag des Magnetfeldes. Das Magnetfeld des Magnetringes 4 weist einen magnetischen Fluss B auf, der an jeder Position im Magnetfeld durch einen Vektor darstellbar ist. Dieser Vektor hat eine tangentiale Magnetfeldrichtung B_y, eine radiale Magnetfeldrichtung B_x und eine normale Magnetfeldrichtung B_z. Die tangentiale Magnetfeldrichtung B_y ist dabei parallel zur x-y-Ebene ausgerichtet und verläuft parallel zu einer Ausrichtung der Pole des Magnetringes 4. Die radiale Magnetfeldrichtung Bx ist parallel zur x-y-Ebene ausgebildet und verläuft quer zur Ausrichtung der Magnetpole. Die nicht weiter zu betrachtende normale Magnetfeldrichtung B_z verläuft quer zur tangentialen und zur radialen Magnetfeldrichtung.
• Die tangentiale und die radiale Magnetfeldrichtung sind mithilfe einer Lissajous-Figur in 4 dargestellt. Dabei stellt der Kreis A die radiale Magnetfeldrichtung und die Ellipse B die tangentiale Magnetfeldrichtung während einer Umdrehung des Magnetringes 4 dar. Der Kreis A stellt dabei die angestrebte ideale Form dar. Der Kreis A weist eine Hauptachse a auf, während die Ellipse B eine Hauptachse b aufweist. Darüber hinaus sind in der 4 die tatsächlich vom Signal der Sensorik 6 abgenommene Winkelposition θ und eine erwartete Winkelposition φ wiedergegeben. Die tatsächlich vom Signal der Sensorik 6 abgenommene Winkelposition θ weicht von der erwarteten Winkelposition φ um den Winkelfehler y ab.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist in 5 dargestellt. Im Block 100 wird unter Berücksichtigung der langen Hauptachse b der Ellipse B und der kurzen Hauptachse a der Ellipse A des aus den tangentialen und den radialen Magnetfeldrichtungen bestimmten magnetischen Flusses ein Korrekturparameter β bestimmt. $$\mathrm{\beta =}\text{b/a}\text{.}$$

  
• Im Block 200 wird der so ermittelte Korrekturparameter β zur Bestimmung des Winkelfehlers γ genutzt. $$\mathrm{\gamma =}\text{arctan}\left[\frac{\left(\beta -1\right)\text{tan}\left(\theta \right)}{\beta +ta{n}^2\left(\theta \right)}\right]$$

  
• Aus der tatsächlich gemessenen Winkelposition θ und dem Winkelfehler y wird dann die tatsächliche Winkelposition φ des Rotors 2 des Elektromotors bestimmt. $$\begin{array}{ccc}\mathrm{\gamma =\theta -\phi }& \to & \mathrm{\phi =\theta -\gamma }\end{array}$$

  
• Die Änderung des Winkelfehlers γ in Abhängigkeit von dem Korrekturparameter β und der aktuell bestimmten Winkelposition φ ist in 6 gezeigt
• Der Winkelfehler γ ist stark von dem Korrekturfaktor β abhängig. Für statische Anwendung ist β eine Konstante. Diese Konstante wird beispielsweise am Bandende des Aktorherstellung gelernt. Für dynamische Anwendungen ist β allerdings variabel, da ein Toleranzbereich gefunden werden muss.
• Während die Winkelpositionen hochfrequent überwacht werden, werden die lange und die kurze Hauptachse a, b mit einer wesentlich langsameren Abtastfrequenz ausgelesen. Ausreichend ist hier eine Überwachung zweimal pro Umdrehung des Elektromotors. Dadurch wird der Korrekturparameter β während der Umdrehung mehrfach angepasst.
• Die vorgeschlagene Lösung erlaubt unter Ausnutzung der Korrekturmethode der elliptischen Nichtlinearität, bei welcher in einer Lissajousfigur-Darstellung aus der Ellipse ein Kreis erzeugt wird, eine zuverlässige Ermittlung der tatsächlichen Winkelposition des Rotors 2 des Elektromotors.
• Bezugszeichenliste

1

Aktor

2

Rotor

3

Stator

4

Magnetring

5

Platine

6

Sensorik

7

Drehachse

8

Hall-Sensor

9

Nulldurchgang

10

Punkt auf sinusförmigen Ausgangssignal

Claims (9)

1. Verfahren zur Bestimmung einer Winkelposition eines sich drehenden Bauteiles, insbesondere eines Elektromotors für ein Kupplungsbetätigungssystem eines Fahrzeuges, bei welchem die Winkelposition (θ) des sich drehenden Bauteiles (2) von einer radial beabstandet zur Drehachse (7) des sich drehenden Bauteiles positionierten Sensorik (6) abgenommen wird, wobei ein fest und konzentrisch an dem sich drehenden Bauteil (2) angeordneter Magnetring (4) ein sich gegenüber der Sensorik (6) änderndes Magnetfeld aufbaut, das von der Sensorik (6) detektiert wird, wobei ein von der Sensorik (6) abgenommenes Signal hinsichtlich der Winkelposition ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Sensorik (6) abgenommene Signal hinsichtlich einer Amplitudeninformation des Magnetfeldes ausgewertet wird, wobei aus der Amplitudeninformation ein Korrekturparameter (β) ermittelt wird, mittels welchem ein Winkelfehler (γ) der aus dem Signal der Sensorik (6) abgenommenen Winkelposition (θ) bestimmt wird, wobei der Winkelfehler (γ) zur Korrektur der aus dem von der Sensorik (6) abgegebenen Signal ermittelten Winkelposition (θ) verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Korrekturparameters (β) aus der Amplitudeninformation eine Amplitude einer tangentialen Magnetfeldrichtung und eine Amplitude einer radialen Magnetfeldrichtung eines magnetischen Flusses bestimmt wird, die ins Verhältnis zueinander gesetzt den Korrekturparameter (β) ergeben.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturparameter (β) am Montageende der Sensorik-Bauteil-Baueinheit ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturparameter (β) eine Konstante ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturparameter (β) während eines Messvorganges der Winkelposition (θ) des sich drehenden Bauteiles (2) adaptiert wird, wobei insbesondere der am Montageende bestimmte Korrekturparameter (β) als Initialkorrekturparameter beim Start des Messvorganges verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung des von der Sensorik (6) abgenommenen Signals hinsichtlich der Amplituden des Magnetfeldes und der Winkelposition (θ) des sich drehenden Bauteiles (2) eine in der Sensorik (6) enthaltene Auswerteelektronik verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Auswerteelektronik ausgegebene die Winkelposition (θ) des sich drehenden Bauteiles (2) kennzeichnende Signal hochfrequent abgetastet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Auswerteelektronik ausgegebene die Amplitude des Magnetfeldes kennzeichnende Signal niederfrequent abgetastet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Auswerteelektronik ausgegebene die Amplitude des Magnetfeldes kennzeichnende Signal mindestens zweimal pro Umdrehung des sich drehenden Bauteiles (2) abgetastet wird.

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