DE102018117891A1

DE102018117891A1 - Beseitigung von grundlegenden harmonischen Positionsmessfehlern in einem vektorbasierten Positionserfassungssystem

Info

Publication number: DE102018117891A1
Application number: DE102018117891.3A
Authority: DE
Inventors: Caleb W. Secrest; David S. Ochs
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-07-25
Filing date: 2018-07-24
Publication date: 2019-01-31
Also published as: US20190031046A1; CN109302112B; CN109302112A; US10668822B2

Abstract

Ein Drehsystem beinhaltet einen Rotor, einen vektorbasierten Positionssensor, eine Steuerung, die ein Verfahren ausführt, um den grundlegenden harmonischen Positionsmessfehler zu beseitigen. Der Sensor misst die Winkelstellung des Rotors und gibt die rohen Sinus- und Kosinussignale aus, welche die Winkelstellung darstellen. Die rohen Signale weisen einen grundlegenden harmonischen Positionsmessfehler bei der Frequenz der Sensorsignale auf. Die Steuerung empfängt die rohen Signale, addiert oder subtrahiert Sensorsignal-Offsets adaptiv zu oder von den rohen Signalen, um die Offset-Sinus- und Kosinussignale zu erzeugen, berechnet eine korrigierte Position des Rotors unter Verwendung der Offset-Sinus- und Kosinussignale, wodurch der grundlegende Fehler beseitigt wird, und steuert einen Vorgang oder einen Zustand des Drehsystems unter Verwendung der korrigierten Position. Der Rotor kann Teil einer elektrischen Maschine, wie der in einem Fahrzeug, sein.

Description

EINLEITUNG
Drehbare Vorrichtungen in der Form von Rädern, Naben, Zahnradelementen und Motor oder Motorwellen werden in einer Vielzahl von Systemen verwendet. Eine präzise Kenntnis der Winkelstellung derartiger drehbarer Vorrichtungen ist bei der Gesamtsteuerung und Überwachung des Systems von Nutzen. Ein Winkelgeber ist ein herkömmlicher „vektorbasierter“ Positionssensor, der insbesondere konfiguriert ist, die Winkelstellung unter Verwendung eines drehbaren Transformatorpaares zu messen. Ein Spannungsausgang aus einer Primärwicklung des Transformatorpaares ist in Sekundärwicklungen gekoppelt, die auch als Sinus- und Kosinuswindungen bezeichnet werden, die wiederum um 90 Grad voneinander versetzt sind. Die Amplitude der Ausgangsspannung des Transformatorpaares variiert mit der Änderung der Winkelstellung und wird jeweils als rohe Sinus- und Kosinussignale erfasst. Andere Arten von vektorbasierten Positionssensoren sind magnetoresistive Sensoren und bestimmte Encoder und verschiedene „sensorlose“ Technologien.
Idealerweise sind die rohen Sinus- und Kosinussignale vom vektorbasierten Positionssensor aus orthogonal zueinander angeordnet und weisen die gleiche Amplitude auf. Jedoch können Unregelmäßigkeiten in der Sensor- und Signalübertragungshardware zu Signalverzögerungen, Rauschen und anderen Anomalien führen. Darüber hinaus erzeugt die mechanische Fehlausrichtung des Sensors oft periodische Positionsmessfehler, insbesondere bei der grundlegenden Frequenz des Sensors. Derartige Fehler beeinflussen die Gesamtsteuergenauigkeit des Systems, was sich möglicherweise als unerwünschte Stromwelligkeit und Drehmomentwelligkeit manifestiert, wenn die drehbare Vorrichtung als ein Rotor einer elektrischen Maschine verkörpert ist.
KURZDARSTELLUNG
Vektorbasierte Positionsmesssysteme und verwandte Verfahren zur Korrektur von Positionsfehlern werden hierin offenbart. Die Systeme und Verfahren, die beim Steuern einer drehbaren Vorrichtung/eines Rotors verwendet werden, sollen dabei helfen, die Arten der vorstehend erwähnten grundlegenden harmonischen Positionsmessfehler, zu eliminieren. Eine derartige Fehlereliminierung wird mittels einer Steuerung durch das gezielte Einführen gleicher und entgegengesetzter Positionsmessungsfehler innerhalb eines integralen Regelkreises, das einen Bewegungszustandsfilter aufweist, erreicht. Die eingeführten Fehlersignale stellen den grundlegenden harmonischen Positionsmessfehler auf null ein, wodurch der Steuerung erlaubt wird, ein korrigiertes Positionssignal für den Einsatz im Steuersystem abzuleiten.
Als Teil des vorliegenden Ansatzes werden rohe Positionssignale von einem vektorbasierten Positionssensor, wie einem drehbaren Encoder oder einem Winkelgeber als Korrelationseingaben in den Regelkreis verwendet, d. h. die Sensorsignale werden, wie über den Bewegungszustandsfilter ermittelt, mit einem Winkelfehler korreliert. Die Steuerung kann die drehzahl-/phasenabhängige Auswahl der Korrelationseingaben verwenden, um die Konvergenzdynamik zu verbessern, oder mit anderen Worten, um der Steuerung zu erlauben, den Fehler bei einer sehr schnellen Rate auf null zu bringen, oder die Steuerung kann die drehzahlabhängige Verstärkungsplanung des Bewegungszustandsfilters verwenden, um eine einzelne Phasenzone aufrechtzuerhalten, wodurch die Notwendigkeit für eine derartige Auswahl eliminiert wird.
In einer exemplarischen Ausführungsform beinhaltet das drehbare System einen Rotor, der eine Drehachse, einen vektorbasierten Positionssensor und eine Steuerung aufweist. Der Sensor misst eine Winkelstellung des Rotors mit Bezug auf die Drehachse und gibt die gemessene Winkelstellung als rohe Sinus- und Kosinussignale aus. Die Signale weisen einen grundlegenden harmonischen Positionsmessfehler auf. Die Steuerung empfängt Ausgaben von dem vektorbasierten Positionssensor, die je nach Sensorart eine zusätzliche Signalverarbeitung erfordern kann oder auch nicht, um die rohen Sinus- und Kosinussignale jeweils entsprechend dem Sinus und dem Kosinus der Winkel stellung des Rotors zu extrahieren.
Die Steuerung führt dann einen Satz von Sensorsignal-Offsets ein. Die Offsets werden zu den rohen Sinus- und Kosinussignalen addiert oder davon subtrahiert, um Offset-Sinus- und Kosinussignale zu erzeugen. Die Offset-Signale können durch einen integralen Regelkreis der Steuerung und des vorstehend erwähnten Bewegungszustandsfilters ausgegeben werden. Danach berechnet die Steuerung ein korrigiertes Positionssignal unter Verwendung der Offset-Sinus- und Kosinussignale, die den grundlegenden harmonischen Positionsmessfehler eliminieren, und steuert einen Vorgang oder Zustand des Drehsystems unter Verwendung des korrigierten Positionssignals, wie etwa durch Regulieren des Bewegungszustands einer Abtriebswelle, durch Regulieren der Ausgabedrehzahl oder des Ausgabedrehmoments des Rotors oder durch das sonstige Ändern oder Aufrechterhalten eines externen oder internen Zustands des Betriebssystems.
Die Steuerung kann programmiert werden, um eine entsprechende Phasenzone eines geschätzten Positionsfehlers des Rotors zu ermitteln, und um Korrelationssignale basierend auf der entsprechenden Phasenzone auszuwählen, um dadurch die Offset-Sinus- und Kosinussignale zu erzeugen.
In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung die Korrelationssignale manipulieren oder den Bewegungszustandsfilter als eine Funktion einer Drehzahl des Rotors feinsteuern.
Das System kann eine elektrische Maschine beinhalten, die eine Motorabtriebswelle beinhaltet, wobei der vorstehend erwähnte Rotor die Motorabtriebswelle ist. Eine elektrische Maschine kann als Teil eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs das Antriebsräder aufweist integriert werden, wobei die Motorabtriebswelle konfiguriert ist, das Ausgangsdrehmoment zu den Antriebsrädern zu liefern.
Ein Verfahren zum Beseitigen eines grundlegenden harmonischen Positionsmessungsfehlers in einem Drehsystem, das einen Rotor mit einer Drehachse aufweist, wird ebenfalls offenbart. Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Messen einer Winkelstellung des Rotors mit Bezug auf die Drehachse unter Verwendung des vektorbasierten Positionssensors, und dann das Ausgeben der rohen Sinus- und Kosinussignale, welche die gemessene Winkelstellung darstellen, wobei die rohen Sinus- Kosinus Signale den grundlegenden harmonischen Positionsmessfehler beinhalten. Das Verfahren beinhaltet ferner das Erhalten der rohen Sinus- und Kosinussignale von dem Positionssensor über eine Steuerung, und dann das dementsprechende adaptierte Addieren oder Subtrahieren der Sensorsignale-Offsets zu oder von den rohen Sinus- und Kosinussignalen, um somit die Offset-Sinus- und Kosinussignale zu erzeugen. Darüber hinaus beinhaltet das Verfahren in dieser Ausführungsform das Berechnen einer korrigierten Position des Rotors unter Verwendung der erzeugten Offset-Sinus- und Kosinussignale und das Steuern der Handlung oder des Zustands des Drehsystems über die Steuerung unter Verwendung der korrigierten Position.
Das Erzeugen der Offset-Sinus- und Kosinussignale kann das Verwenden des integralen Regelkreises und eines Bewegungszustandsfilters der Steuerung beinhalten. Das Messen der Winkelstellung beinhaltet in einigen Ausführungsformen das Verwenden eines drehbaren Encoders.
Die Steuerung kann programmiert werden, um eine entsprechende Phasenzone eines abgeschätzten Positionsfehlers des Motors zu ermitteln. In einer derartigen Ausführungsform kann das Verfahren das Auswählen von Korrelationssignalen basierend auf der entsprechenden Phasenzone und dann das Erzeugen der Offset-Sinus- und Kosinussignale unter Verwendung der Korrelationssignale beinhalten.
Das Drehsystem kann eine Motorabtriebswelle einer elektrischen Maschine beinhalten. Als Teil des Verfahrens kann die Steuerung einen Bewegungszustand der elektrischen Maschine regulieren, z. B., eine Ausgangsdrehzahl oder ein Ausgangsdrehmoment der Motorabtriebswelle durch Regulieren eines d-Achsen- oder q-Achsen-Stroms der elektrischen Maschine aufrechterhalten oder ändern.
Die vorstehend genannten sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bestmöglichen Weisen zur Umsetzung der Offenbarung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen leicht erkennbar.
Figurenliste

1 ist eine schematische Veranschaulichung eines exemplarischen Drehsystems, das einen Motor, einen vektorbasierten Positionssensor, und eine Steuerung aufweist, die konfiguriert sind, den grundlegenden harmonischen Positionsmessfehler in rohen Positionssignalen von einem derartigen Sensor zu beseitigen.
2 ist eine schematische Veranschaulichung eines Fahrzeugs, das mit einem Rotor in Form eines Rotors der elektrischen Maschine oder der Abtriebswelle ausgestattet ist und der Steuerung aus 1.
3 ist ein Diagramm eines Positionsfehlers von rohen Sensorausgaben und dem Fehler, die, wie hierin dargelegt, durch das Addieren von Offsets zu den rohen Sinus- und Kosinussignalen induziert wird, wobei der Positionsfehler auf der vertikalen Achse in Grad und die Ruheposition auf der horizontalen Achse in Grad dargestellt sind.
4 ist ein schematisches Steuerungsblockdiagramm für eine exemplarische Ausführungsform einer integralen Steuerlogik, die durch die Steuerung aus den 1 und 2 ausführbar ist.
5 ist ein Größen- und Phasendiagramm des Positionsfehlersignals über dem Eingangspositionssignal, der den Dynamiken des Bewegungszustandsfilters, der in 4 dargestellt wird, entspricht.
6 ist ein schematisches Steuerungsblockdiagramm für die alternative Ausführungsform der in 4 dargestellten integralen Steuerlogik.
7 ist eine Nachschlagetabelle, die in bestimmten Ausführungsformen verwendet werden kann, um die phasenbasierten Korrelationseingaben zu dem in 6 gezeigten Steuerblockdiagramm zu ermitteln.
8 und 9 sind alternative schematische Steuerungsblockdiagramme der in 4 dargestellten integralen Steuerlogik.

Für die vorliegende Offenbarung können verschiedene Modifikationen und alternative Formen zur Anwendung kommen und einige exemplarische Ausführungsformen werden hierin anhand der Zeichnungen in Form von Detailbeispielen dargestellt. Neuartige Aspekte dieser Offenbarung sind nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten besonderen Formen beschränkt. Vielmehr zielt die Offenbarung darauf ab, Änderungen, Äquivalente, Kombinationen und Alternativen abzudecken, die dem Erfindungsgedanken oder dem Umfang der Offenbarung entsprechen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bezugnehmend auf die Zeichnungen, worin sich gleiche Referenznummern auf gleiche oder ähnliche Komponenten in den verschiedenen Ansichten beziehen, und beginnend mit 1 ist ein exemplarisches System 10 dargestellt, das eine Drehvorrichtung 12, einen vektorbasierten Positionssensor 14 und eine Steuerung (C) 16 beinhaltet. Die Steuerung 16 befindet sich in Kommunikation mit dem vektorbasierten Positionssensor 14, wie etwa über ein Controller Area Network oder Niederspannungsübertragungsleitern, und ist konfiguriert, rohe Sinus- und Kosinussignale (Pfeil 11) von dem Sensor 14 zu erhalten, wobei die Signale (Pfeil 11) zur Übersichtlichkeit in 1 auch mit SIN und COS gekennzeichnet sind.
Die Steuerung 16 ist ferner konfiguriert, die grundlegenden harmonischen Positionsmessfehler in den rohen Sinus- und Kosinussignalen (Pfeil 11), die sonst perfekt oder fehlerfrei sein können, zu beseitigen. Die Steuerung 16 fährt mit der Fehlerbeseitigung gemäß einem Verfahren fort, das durch Einstellen der Steuerlogik 100 verkörpert ist, wobei Variationen davon mit Bezug auf die 3-9 nachstehend detaillierter beschrieben werden wird. In einigen Ausführungsformen führt die Steuerung 16 ein Korrelationssignal (Pfeil COR) zur Steuerlogik 100 ein und führt danach eine Steuerungsmaßnahme mit Bezug auf den Rotor 12 und/oder andere Komponenten des Systems 10 über die Übertragung eines Satzes von Ausgabesignalen (Pfeil CCo), die basierend auf der korrigierten Position ermittelt werden, aus. Zum Beispiel kann die Steuerung 16 einen Zustand der elektrischen Maschine, wie das Aufrechterhalten oder Ändern eines Drehmoments oder einer Drehzahl des Rotors 12 aufrechterhalten oder ändern, z. B., eine Abtriebswelle 30 elektrischen Maschine 200 aus 2, oder einen d-Achsen- oder q-Achsenstrom der elektrischen Maschine 200. Infolgedessen kann die Steuerungsmaßnahme ein Steuern eines Zustands der elektrischen Maschine 200 beinhalten, um eine befohlene Drehzahl oder ein Ausgabemoment elektrischen Maschine 200 zu erreichen.
Idealerweise würden die rohen Sinus- und Kosinussignale (Pfeil 11), die durch den Sensor 14 in 1 bereitgestellt werden, dieselbe Amplitude, dasselbe Null-Offset aufweisen und wären orthogonal angeordnet, d. h. phasenverschoben durch genau 90 Grad in Relation zueinander. Die Fehlausrichtung des Sensors 14 und andere Faktoren können jedoch die Arten der hierin adressierten Positionsfehler erzeugen. Sofern derartige Fehler unkorrigiert gelassen werden, können sie schließlich zu einer Stromwelligkeit und einer Drehmomentwelligkeit führen, wodurch die Steuerungsfunktionalität innerhalb des Systems 10 beeinträchtigt wird. Zur Lösung dieses Problems ist die Steuerung 16 konfiguriert, Positionsfehler, die auf der grundlegenden Frequenz des Sensors 14 auftreten, zu beseitigen, d. h. bei derselben Frequenz wie die rohen Sinus- und Kosinussignale (Pfeil 11).
Der vektorbasierte Positionssensor 14 kann, wie in 1 schematisch gezeigt, als Teil eines elektrischen Systems 20 miteinbezogen und verschiedenartig als ein drehbarer Winkelgeber, Encoder, magnetoresistiver Sensor, oder eine andere Art von Sensor integriert werden, der zum Erzeugen der rohen Sinus- und Kosinussignale (Pfeil 11) mit Amplitude und Phaseninformationen betreibbar ist. Der Rotor 12 kann eine angetriebene oder drehbare Antriebskomponente eines Fahrzeugs oder Antriebsstrangs, wie ein Rotor einer elektrischen Maschine, eine Motorwelle oder ein Schwungrad oder eine andere Art von Rad, Welle, Getriebeelement oder eine andere drehbare Vorrichtung mit einer Drehzahl (Pfeil N), einer Drehachse (A), und einer bestimmbaren Winkel- oder Drehposition mit Bezug auf die Drehachse (A) sein. Der Rotor 12 kann an einer Welle 13 derart gekoppelt sein, dass das durch die Drehung des Rotors 12 erzeugte Drehmoment an eine angekoppelte Last geliefert werden kann.
Wie in 2 dargestellt, kann der Motor 12 aus 1 zum Beispiel optional als die elektrische Maschine 200 (M1) verkörpert werden, die als eine Drehmomentquelle innerhalb eines elektrischen Systems 20 des Kraftfahrzeugs 10A, eines Roboters oder einer anderen mobilen Plattform, oder alternativ eines Kraftwerks oder eines Apparats verwendet wird. Die elektrische Maschine 200 ist betreibbar, um Abtriebsdrehmoment (Pfeil To) zu erzeugen und an eine verbundene Last zu liefern, zum Beispiel vordere und/oder hintere Antriebsräder 15, entweder direkt oder über ein Getriebe (nicht dargestellt), oder alternativ, um Elektrizität zum Speichern in einem Batterie-Pack (B) 22 zu erzeugen.
Zur Veranschaulichung kann der Elektromotor 200 als ein mehrphasiger elektrischer Fahrmotor mit Statorwicklungen 25 und Rotorwicklungen 27 ausgeführt werden. Wenn die Wicklungen 25 und 27 elektrisch bestromt werden, sorgt ein mit einer Motorabtriebswelle 30 verbundener Rotor 12A für das Abtriebsdrehmoment (Pfeil T_O ) an die Antriebsräder 15 oder eine andere Last, wie beispielsweise ein Riemenscheiben- und Rollensystem (nicht dargestellt). In dem veranschaulichten Beispiel ist ein Wechselrichtermodul (PIM) 24 über einen Hochspannungsbus 23 mit dem Batteriepack 22 elektrisch verbunden und zum Invertieren einer Gleichspannung (VDC) und des entsprechenden elektrischen Stroms aus dem Batteriepack 22 in eine Wechselspannung (VAC) und einen elektrischen Strom verwendbar, z. B. mit einer Reihe von Halbleiterschaltern, Dioden und anderen Halbleiterkomponenten (nicht dargestellt) und Pulsbreitenmodulation oder anderen geeigneten Schaltungstechniken. In anderen Ausführungsformen kann der Rotor 12 aus 1 als Motorwelle, Schwungrad oder andere Komponente (nicht dargestellt) mit einer messbaren Drehposition ausgeführt werden.
Um den Betrieb des Rotors 12 zu steuern, ist die Steuerung 16 mit einer integralen Steuerlogik 100 programmiert und ausgestattet, die, wie nachstehend mit Bezug auf die 3-9 beschrieben, verschiedene Integratorblöcke 51A, 51B, und 151 aufweist. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Integratorblock“, auf Abschnitte der Steuerlogik 100, die den integralen Begriff oder die Fehlerakkumulationsfunktion innerhalb der Steuerung 16 bereitstellen. Darüber hinaus beinhaltet die Steuerung 16, die in den 1 und 2 dargestellt ist, einen Bewegungszustandsfilter (MSF) 55, der mit den Integratorblöcken 51A, 51B, und 151 innerhalb der Steuerlogik 100 zusammenwirkt, um Positionsfehler zu beseitigen, die an der grundlegenden Frequenz des Sensors 14 auftreten.
Unter kurzer Bezugnahme auf 6 agiert die MSF 55 durch Modellieren der Bewegungsdynamik des Systems 10 aus 1 unter Verwendung zweier Integratoren 17A und 17B, die als $\frac{1}{s}$
bezeichnet werden, wobei das Integral der Geschwindigkeit die Beschleunigung und das Integral der Beschleunigung die abgeschätzte Position istθ̂. Der MSF 55 kann die PID-Steuerung verwenden, um die abgeschätzte Position θ̂ dazu zu zwingen, eine gemessene Position θ zu verfolgen. In einer Variation kann der Ableitungsbegriff einer derartigen PID-Steuerung den Integrator 17A umgehen, um zu vermeiden, dass ein derartiger Differenzierungsprozess durchgeführt wird. Bewegungszustandsfilter, wie der MSF 55, sind demnach zur Verfügung stehende PID-Steuerungen mit Tiefpasscharakteristiken, die in einigen Ausführungsformen, wie nachstehend beschrieben, als eine Funktion der Drehzahl des Rotors 12 feingesteuert werden können.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 kann die Steuerung 16 als eine oder mehrere Computervorrichtungen mit einem Speicher (M) und einem Prozessor (P) verkörpert werden. Der Speicher (M) kann nicht-flüchtige Speicher, z. B. Nur-Lese-Speicher, ob optisch, magnetisch, Flash- oder anderweitige beinhalten. Die Steuerung 16 beinhaltet auch ausreichende Mengen Direktzugriffsspeicher, einen elektrisch löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher und dergleichen sowie einen Hochgeschwindigkeitstakt, eine Analog-zu-Digital und eine Digital-zu-Analog-Schaltung und Eingabe-/Ausgabeschaltungen und Vorrichtungen sowie entsprechende Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen.
Die rohen Sinus- und Kosinussignale (Pfeil 11 aus den 1 und 2), die durch den Sensor 14 ausgegeben werden oder von den Ausgaben des Sensors 14 über das Verarbeiten des Signals extrahiert werden, können bei der grundlegenden Frequenz des Sensors 14 Positionsfehler umfassen. Genauer gesagt, enthält die Ausgabe des Betriebsblocks 52 aus 6 einen derartigen Fehler, oder die Positionsinformationen, die von den Sinus-Kosinussignalen erhalten werden, können mit anderen Worten im Gegensatz zu der physikalischen Position des Rotors 12 fehlerhaft sein.
3 ist ein veranschaulichendes Beispiel eines bereits bestehenden Positionsmessfehler vor dem Einführen der Steuerlogik 100. Ein derartiger Positionsfehler wird als ein Satz von Spuren 40 veranschaulicht, wobei die tatsächliche Position in Grad (P₁₄ [deg]) auf der horizontalen Achse abgebildet wird und der Positionsmessfehler in Grad (E[deg]) auf der vertikalen Achse abgebildet wird. Die Spur 42 stellt einen Positionsmessfehler dar, der über die integrale Steuerlogik 100 oder ihre Varianten 100A, 100B, oder 100C aus den 6, 8, und 9 absichtlich als Teil des vorliegenden Ansatzes eingeführt wird. Über die Steuerlogik 100 gleicht der absichtlich eingeführte Messfehler, d. h. Spur 42, in etwa dem rohen grundlegenden harmonischen Positionsfehlern (Spur 44), der bei der grundlegenden Frequenz des Sensors 14 auftritt, und ist diesem entgegengesetzt, sodass Fehler einander aufheben, um einen nettoreduzierten Positionsmessungsfehler der Spur 45 zu erzeugen. Der Betrieb der integralen Steuerlogik 100 soll einen derartigen grundlegenden harmonischen Positionsmessfehler (Spur 44) schnellstmöglich auf null antreiben.
Ein vereinfachter Ansatz, um den Fehleraufhebungseffekt, der in 3 schematisch gezeigt wird, zu erreichen, kann in dem Beispiel der integralen Steuerlogik 100 aus 4 gesehen werden. Hier wird die Steuerlogik 100 ohne das Erfordern von Kenntnis über die jeweilige Dynamik des MSF 55 betrieben. Stattdessen werden die entsprechenden rohen Sinus- und Kosinussignale (Pfeile S_SIG und C_SIG), die den Signalen 11 aus den 1 und 2 entsprechen, durch den MSF 55 und einem Paar von Integratorblöcken 151 und 51B betrieben. Die Anmerkungen $\frac{K_{i}}{s} und \frac{- K_{i}}{s}$
merken an, dass die Integratorblöcke 51B und 151 die stationäre Komponente oder den Durchschnittswert des grundlegenden harmonischen Positionsmessfehlers durch das jeweilige Manipulieren der Offsets der rohen Sinus- und Kosinussignale handhaben.
Die Ausgabe bei Knoten 57B des Integratorblocks 51B beschreibt einen anfänglichen Offset-Wert bei Knoten 57B, der zu dem Sinussignal (Pfeil C_SIG) addiert wird, um ein Offset-Kosinussignal (Pfeil C_OFS) herzustellen. Eine ähnliche Funktion wird bei Integratorblock 151 unter Verwendung des rohen Sinussignals (Pfeil S_SIG) durchgeführt, d. h. mit einem Offset-Sinussignal (Pfeil S_OFS), das letztendlich durch Addieren der Ausgabe des Integratorblocks bei Knoten 57A zum rohen Sinussignal (Pfeil S_SIG) erzeugt wird. Ein mathematischer Betreiberblock 52 wird als ein exemplarischer „atan2“ Block 52 gezeigt, um eine Arctangens-Funktion, die zwei Argumente aufweist, darzustellen. Ein korrigiertes Positionssignal (Pfeil θ) wird durch den Bedienerblock 52 ausgegeben und durch die Steuerung 16 verwendet, um einen Vorgang des Rotors 12, des Fahrzeugs 10A, oder eines anderen Systems 10 unter Verwendung des Rotors 12 zu steuern.
Der MSF 55 kann konfiguriert werden, vorgegebene Phaseneigenschaften mit Tiefpassqualitäten aufzuweisen und gibt, wie vorstehend mit kurzem Bezug auf 6 erläutert, eine abgeschätzte Position (Pfeil θ̂) aus. Die abgeschätzte Position (Pfeil θ̂) wird von der korrigierten Position (Pfeil θ) subtrahiert, um einen Fehlerbegriff (Pfeil θ̂_err ) zu erzeugen. Der Fehlerbegriff beinhaltet Positionsfehlerinformationen, welche die Steuerung 16 über den Betrieb der Steuerlogik 100 mit der grundlegenden Harmonie des Sensors 14 korreliert. Somit wird der Fehlerbegriff (Pfeil θ̂_err ) mit jeder aufeinanderfolgenden Schleife der Logik 100 mit dem Kosinussignal (Pfeil C_SIG) multipliziert (X) und in den Integratorblock 151 eingespeist, mit dem rohen Sinussignal (Pfeil S_SIG) multipliziert, und in den Integrator Block 51B eingespeist, um die grundlegende harmonische Komponente des Positionsmessfehlers danach, wie durch die Spur 45 aus 3 dargestellt, auf null anzutreiben.
5 veranschaulicht einen Satz von Spuren 60, ein Beispiel der Größenordnung und der Phasendynamik oder der drehzahlbasierten Variationen des MSF 55 aus 4 mit der Frequenz in Hertz (Hz), die auf der horizontalen Achse abgebildet wird. Die Größenordnung (Spur 62) und der Phasenvoreilung (Spur 64) werden auf den vertikalen Achsen abgebildet, wobei die Größenordnung als $| \frac{{\hat{θ}}_{e r r}}{θ} |$
in Radianten/Radianten dargestellt wird, und die Phasenvoreilung als $∠ \frac{{\hat{θ}}_{e r r}}{θ}$
in Grad dargestellt wird.
Wie dargestellt, kann die Phasenvoreilung des MSF 55 in vier designierte Zonen I, II, III, und IV aufgeteilt werden. Die Frequenz der grundlegenden harmonischen Komponente des Positionsmessfehlers hängt von der Drehzahl des Rotors 12 ab, und 5 veranschaulicht, dass die Phasenvoreilung der abgeschätzten Ausgabe des Positionsfehlers (θ̂_err ) von dem MSF 55 frequenzabhängig ist. Daher hängt die Phasenvoreilung der grundlegenden Komponente des abgeschätzten Positionsfehlers (θ̂_err ) von der Drehzahl des Rotors 12 ab. Ergänzend wird darauf hingewiesen, dass eine ideale Phase des abgeschätzten Positionsfehlers (θ̂_err ), aus der Perspektive der Konvergenzdynamik der integralen Steuerlogik 100 und ihrer Varianten, ein Vielfaches von 90°, d. h. 0°, 90°, 180°, und 270° wäre. Diese Kenntnis kann durch die Steuerung 16 verwendet werden, um den Fehler, der, wie vorstehend beschrieben, von Spur 44 aus 3 dargestellt wird, zu reduzieren.
Unter erneuter Bezugnahme auf 6 in Verbindung mit 7 wird ein alternativer Satz der integralen Logik 100A auf den der vereinfachten Ausführungsform aus 4 abgebildet. Anstatt nur durch Sinus- und Kosinussignale von dem Sensor 14 betreiben zu werden, verwendet die Ausführungsform aus 6 die vorgegebenen Korrelationssignale S_COR und C_COR als zusätzliche Eingaben in die Steuerlogik 100A. Die Steuerung 16 kann mit einer Nachschlagetabelle, wie der in 7 abgebildeten exemplarischen Tabelle, programmiert werden, wobei die Steuerung 16 die Korrelationssignale S_COR und C_COR, je nach einer bestimmten Phasenzone (Z) des Betriebs des MSF 55, extrahiert. Wie ebenfalls in 3 gezeigt, können die Zonen (Z) Folgendes beinhalten: eine erste Zone (I), in der die Phasenvoreilung, die als $∠ \frac{{\hat{θ}}_{e r r}}{θ}$
angegeben wird, sich in einem Bereich von 225-270 befindet, eine zweite Zone (II) die 135-225 Grad entspricht, eine dritte Zone (III), die 45-135 Grad entspricht, und eine vierte Zone (IV), die 0-45 Grad entspricht. Wie in 7 deutlich gemacht wird, unterscheiden sich die Zonen (I) und (III) voneinander im Zeichen der Korrelationssignale S_COR und C_COR, wobei zwischen den Zonen (II) und (IV) dieselbe Beziehung vorliegt.
Daher kann die Ausführungsform aus 6 Folgendes beinhalten: das Verwenden des Fehlersignals, θ̂_err , mit der korrigierten Position (θ) aus dem Betriebsblock 52 und das Ermitteln der entsprechenden Phasenzone I, II, III oder IV der grundlegenden harmonischen Komponente von θ̂_err . Da die tatsächliche Phase des Fehlers nicht bekannt sein kann, ermittelt die Steuerung 16 die Zone basierend auf der grundlegenden Frequenz, z. B. unter Verwendung von Block 17A oder der Drehzahl des Rotors 12. Nach der Bestimmung der Zone wählt die Steuerung 16 die Korrelationssignale S_COR und C_COR gemäß 7 aus und verwendet die ausgewählten Signale als Eingaben in die Steuerlogik 100A. Demnach stellt 6 eine mögliche Ausführungsform bereit, in der die Korrelationssignale oder sonstigen Eingaben in die Logik 100A in Reaktion auf die Dynamiken des MSF 55 manipuliert werden, d. h. die Eingaben ändern sich als eine Funktion der Drehzahl des Rotors 12 aus 1.
Wie durchschnittliche Fachleute auf dem Gebiet erkennen werden, können mögliche Variationen der Steuerlogik 100 und 100A ähnliche Ergebnisse erzielen, entweder hinsichtlich der Konvergenzrate oder der Einfachheit der Programmierung. Zwei weitere Beispiele werden in den 8 und 9 veranschaulicht. In beiden Figuren wird der zuvor beschriebene MSF 55 unter Verwendung eines Eingabebegriffs, |ω|, modifiziert, um ein drehzahlabhängiges Feinsteuern eines MSF 55A bereitzustellen. Das Ergebnis der Modifizierung in 8 besteht darin, dass 90 Grad der Phasenvoreilung des MSF 55A bei der grundlegenden Frequenz des Sensors 14 aufrechterhalten wird. Mit anderen Worten kann die Steuerung 16 einen Gewinn des Bewegungszustandsfilters derart einplanen, um in einer einzelnen entsprechenden Phasenzone zu bleiben oder diese aufrechtzuerhalten.
In dem veranschaulichten Beispiel aus 8 bleibt die Steuerstrategie in Zone III, d. h. dass die Korrelationssignale S_COR und C_COR jeweils die Werte S_SIG*sign(ω) und C_SIG*sign(ω) sind. Der Ansatz aus 8 funktioniert jedoch mit den Eingaben, die den verbliebenen Zonen I, II, oder IV entsprechen. Auf ähnliche Weise wie der Betrieb der Logik 100B aus 8 stellt die Logik 100C aus 9 eine feststehende Phasenvoreilung des MSF 55A sicher, der bei der grundlegenden Frequenz des Sensors 14, in diesem Fall 180 Grad, aufrechterhalten wird.
Somit können grundlegende harmonische Positionsmessfehler unter Verwendung der offenbarten rechnerisch effizienten Ansätze in Systemen, die sich auf Messungen von vektorbasierten Positionssensoren, wie dem Sensor 14 aus 1, verlassen, weitgehend beseitigt werden. Die offenbarten Ansätze sind vollständig positionssensorgesteuert, und können über einen großen Geschwindigkeits- und Lastbereich mit gesamter verbesserter Konvergenzdynamik kompensieren. Diese und andere Vorteile können durch gewöhnliche Fachleute auf dem Gebiet angesichts der vorherigen Offenbarung leicht erkannt werden.
Während die besten Arten der Ausführung der Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, werden die mit der hier beschriebenen Technik vertrauten Fachleute diverse alternative Ausgestaltungen und Ausführungen erkennen, mit denen die Offenbarung im Rahmen der nachfolgend aufgeführten Patentansprüche ausgeführt werden kann.

Claims

Verfahren zum Beseitigen eines grundlegenden Positionsmessfehlers in einem Drehsystem, das einen Rotor mit einer Drehachse aufweist, das Verfahren umfassend: das Messen einer Winkelstellung des Rotors mit Bezug auf die Drehachse unter Verwendung eines vektorbasierten Positionssensors; das Ausgeben der rohen Sinus- und Kosinussignale, die die gemessene Winkelstellung darstellen, worin die rohen Sinus- und Kosinussignale den grundlegenden Positionsmessfehler beinhalten; das Erhalten der rohen Sinus- und Kosinussignale von dem Positionssensor über eine Steuerung; das adaptive Addieren oder Subtrahieren der jeweiligen Sensorsignal-Offsets zu oder von den rohen Sinus- und Kosinussignalen, um dadurch Offset-Sinus- und Kosinussignale zu erzeugen; das Berechnen einer korrigierten Position des Motors unter Verwendung der erzeugten Offset-Sinus- und Kosinussignale; und das Steuern eines Vorgangs oder eines Drehsystems über die Steuerung unter Verwendung der korrigierten Position.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Erzeugen der Offset-Sinus- und Kosinussignale das Verwenden eines integralen Regelkreises und eines Bewegungszustandsfilters der Steuerung beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Messen der Winkelstellung durch Verwenden eines Winkelgebers, eines drehbaren Encoders oder eines magnetoresistiven Sensors erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Steuerung programmiert wird, um eine entsprechende Phasenzone eines abgeschätzten Positionsfehlers des Rotors zu ermitteln, ferner umfassend: Auswählen der Korrelationssignale basierend auf der entsprechenden Phasenzone, und Erzeugen der Offset-Sinus- und Kosinussignale unter Verwendung der Korrelationssignale.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Steuerung programmiert ist, um eine entsprechende Phasenzone eines abgeschätzten Positionsfehlers des Rotors zu ermitteln, ferner umfassend: Einplanen einer Verstärkung des Bewegungszustandsfilters, um die Phasenzone aufrecht zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Drehsystem eine Motorabtriebswelle einer elektrischen Maschine beinhaltet, und das Steuern des Vorgangs oder des Zustands des Drehsystems ein Steuern eines Bewegungszustands der Motorabtriebswelle beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 6, worin das Steuern eines Bewegungszustands der Motorabtriebswelle das Regulieren eines d-Achsen oder q-Achsenstroms der elektrischen Maschine beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 6, worin die elektrische Maschine ein Teil des Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs ist, das Antriebsräder aufweist, die ferner das Liefern des Abtriebdrehmoments an die Antriebsräder umfasst.