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Die Erfindung betrifft einen Rotorlagebeobachter. Es sei erwähnt, dass derartige Rotorlagebeobachter auch unter dem englischsprachigen Begriff „Angle Tracking Observer (ATO)“ bekannt sind. Derartige Rotorlagebeobachter werden insbesondere zur Überwachung von Elektromotoren eingesetzt.
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Elektromotoren werden für unterschiedlichste Aufgaben verwendet, beispielsweise in Kraftfahrzeugen. Zugeordnete Motorregelungssysteme messen beispielsweise eine Winkelinformation einer Motorwelle mithilfe von Winkelsensoren. Hierbei kommen verschiedene Typen von Sensoren zum Einsatz. Beispielsweise können Quadraturencoder verwendet werden, welche eine Flankenzählung an einer Rasterkreisscheibe durchführen. Ferner kann eine Winkelinformation auch mittels eines magnetoresistiven Sensors aufgenommen werden. Ein solcher magnetoresistiver Sensor liefert eine Winkelinformation typischerweise als Sinus und Kosinus des Winkels, wobei derartige Werte in einem Prozessor eingelesen werden können, welcher somit eine vektorielle absolute Winkelinformation erhält.
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Mittels einer solchen Information kann über den Arkustangens aus einem Quotienten, dessen Dividend der Sinuswert ist und dessen Divisor der Kosinuswert ist, der Winkel berechnet werden. Häufig wird jedoch nicht nur der Winkel, sondern auch eine zugehörige Drehzahl benötigt. Diese kann grundsätzlich über eine Ableitung des Winkels nach der Zeit berechnet werden. Wenn jedoch Rauschen oder Unstetigkeiten aufgrund von Abtastungen das Winkelsignal überlagern, kann eine derart ermittelte Ableitung unbrauchbar werden. Um diesen Effekt zu minimieren, werden typischerweise Filter verwendet, um hohe Frequenzen aus dem Drehzahlsignal zu filtern. Bei starker Filterung führt jedoch dieses Vorgehen zu Signalinkonsistenzen im Drehzahlsignal verglichen zum Winkel. Um die eben beschriebenen Probleme zu lösen und eine Konsistenz des Signals zu verbessern, kommen Rotorlagebeobachter zum Einsatz. Grundprinzip eines solchen Rotorlagebeobachters ist das Additionstheorem, welches unter der Annahme gilt, dass ein Winkel nahe null dem Wert des Sinus dieses Winkels entspricht. Somit entspricht eine Winkeldifferenz nahe null dem Wert des Sinus der Winkeldifferenz. Formelmäßig wird das Additionstheorem folgendermaßen dargestellt:
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Dabei bezeichnet ϕerror einen Fehlerwert bzw. eine Winkeldifferenz zwischen den beiden Winkeln ϕ und ϕ̃.
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Eine solche Winkeldifferenz wird einer nachgelagerten Übertragungsfunktion zugeführt, die dann Winkel und Drehzahlinformationen signalkonsistent zur Verfügung stellt. Hierzu sind Ausführungen im Stand der Technik bekannt.
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Problematisch ist, dass bekannte Ausführungen instabil werden, wenn die Winkelbeschleunigung ansteigt und die nachgelagerte Übertragungsfunktion die Winkeldifferenz nicht frühzeitig ausregelt. Dies wurde durch Simulationen und Erfahrungen aus der Praxis erkannt.
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Eine mögliche Lösung hierzu wäre, eine Bandbreite des gesamten Rotorlagebeobachters zu erhöhen. Dieses Vorgehen ist jedoch in abgetasteten Systemen aufgrund von numerischen Grenzen nicht beliebig möglich. Ferner bewirkt eine Erhöhung der Bandbreite zwangsläufig einen kleineren Signal-Rausch-Abstand im Drehzahlsignal, da der rauschbehaftete Fehler mit einem hohen Faktor multipliziert wird und somit die Drehzahl direkt beeinflusst.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, einen im Vergleich zum Stand der Technik alternativen, beispielsweise besseren Rotorlagebeobachter vorzuschlagen.
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Dies wird erfindungsgemäß durch einen Rotorlagebeobachter nach Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen können beispielsweise den Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Die Erfindung betrifft einen Rotorlagebeobachter. Der Rotorlagebeobachter weist eine erste Stufe und eine der ersten Stufe nachgelagerte zweite Stufe auf. Die erste Stufe ist dazu konfiguriert, aus einem Eingangswinkel über eine erste Verarbeitungsstrecke einen Zwischenwinkel zu erzeugen, welcher in die erste Verarbeitungsstrecke rückgekoppelt wird und an die zweite Stufe weitergeleitet wird. Die erste Verarbeitungsstrecke weist zumindest eine erste Verstärkungsstufe mit einer Verstärkung auf. Die zweite Stufe ist dazu konfiguriert, aus dem Zwischenwinkel über eine zweite Verarbeitungsstrecke einen Ausgangswinkel zu erzeugen, welcher in die zweite Verarbeitungsstrecke rückgekoppelt wird. Die zweite Verarbeitungsstrecke weist zumindest eine zweite Verstärkungsstufe mit einer zweiten Verstärkung auf.
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Durch die Ausführung mit zwei Stufen wird es ermöglicht, Verstärkungsfaktoren und damit Bandbreiten für die erste und die zweite Stufe unabhängig voneinander einzustellen. Durch die Wahl geeigneter Parameter kann erheblich besser als bei aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen, welche eine solche Unterteilung in zwei Stufen nicht haben, eine Instabilität des Rotorlagebeobachters verhindert werden. Insbesondere kann die erste Stufe einen Fehler aus dem Additionstheorem in einem stabilen Bereich halten. Die zweite Stufe kann eine definierte Dynamik an nachfolgende Regelsysteme liefern. Dynamik von Winkel und Drehzahl können unabhängig von der Stabilität des Additionstheorems angepasst werden.
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Gemäß einer Ausführung ist die erste Stufe dazu konfiguriert, den Eingangswinkel basierend auf einem gemessenen Winkel zu erhalten. Dies erlaubt die unmittelbare Beobachtung und Weiterverarbeitung des gemessenen Winkels bzw. des zugrunde liegenden technischen oder physikalischen Sachverhalts. Bevorzugt ist die erste Stufe dazu konfiguriert, den Eingangswinkel als Sinus und Kosinus eines gemessenen Winkels zu erhalten. Dies kann insbesondere bei der weiter oben beschriebenen Ausführung eines Sensors von Vorteil sein, welcher den Winkel bereits als Sinus und Kosinus liefert. Es kann jedoch auch eine andere Art von Sensor verwendet werden, welcher beispielsweise eine andere Art von Winkelsignal liefert, wobei Sinus und Kosinus des Winkels dann bevorzugt berechnet werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist die erste Verarbeitungsstrecke dazu konfiguriert, aus dem Eingangswinkel und dem rückgekoppelten Zwischenwinkel einen ersten Fehlerwert zu erzeugen. Dieser wird beispielsweise in der ersten Verarbeitungsstrecke weiterverarbeitet, wie dies beispielhaft weiter unten beschrieben werden wird.
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Bevorzugt wird der erste Fehlerwert folgendermaßen berechnet: Sinus des Eingangswinkels multipliziert mit Kosinus des Zwischenwinkels, abzüglich Kosinus des Eingangswinkels multipliziert mit Sinus des Zwischenwinkels. Dies entspricht dem bereits weiter oben erwähnten Additionstheorem.
Es sei erwähnt, dass bei derartigen Angaben zur Berechnung in dieser Anmeldung grundsätzlich die Punkt-vor-Strich-Regel zu beachten ist. Es sei außerdem erwähnt, dass derartige Berechnungen grundsätzlich äquivalent dazu sind, dass sie mit vertauschten Vorzeichen vor den jeweiligen Summanden durchgeführt werden. Es wird also als äquivalent betrachtet, anstelle der eben angegebenen Berechnung den Fehlerwert als Kosinus des Eingangswinkels multipliziert mit Sinus des Zwischenwinkels abzüglich Sinus des Eingangswinkels multipliziert mit Kosinus des Zwischenwinkels zu berechnen.
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Der Fehlerwert wird bevorzugt der ersten Verstärkungsstufe zugeleitet. In dieser Verstärkungsstufe wird der Fehlerwert insbesondere mit der ersten Verstärkung verstärkt.
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Bevorzugt weist die erste Verarbeitungsstrecke einen ersten Integrator auf. Bevorzugt ist die erste Verstärkungsstufe ausgangsseitig mit dem ersten Integrator verbunden, wobei der erste Integrator weiter bevorzugt den Zwischenwinkel erzeugt. Dadurch kann eine Integration des verstärkten Fehlerwerts erfolgen. Diese kann insbesondere über eine vorgegebene Zeitdauer stattfinden und dann von Neuem beginnen.
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Die zweite Verarbeitungsstrecke ist bevorzugt dazu konfiguriert, aus dem Zwischenwinkel und dem rückgekoppelten Ausgangswinkel einen zweiten Fehlerwert zu erzeugen. Dieser kann beispielsweise auf die nachfolgend beschriebene Art und Weise weiterverarbeitet werden, wobei sich entsprechende Ausführungen bewährt haben.
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Es sei erwähnt, dass insbesondere bei der zweiten Stufe eine hohe Flexibilität bezüglich der detaillierten Ausgestaltung besteht. Es können also auch andere zweite Stufen verwendet werden. Typischerweise ist dabei die Dynamik der zweiten Stufe langsamer als diejenige der ersten Stufe. Die zweite Stufe kann im Rahmen der vorliegenden Anmeldung beispielsweise auch als eine Blackbox angesehen werden, deren Eingang ein Winkel ist und deren Ausgang ein Winkel oder ein Winkel-Drehzahl-Paar ist.
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Bevorzugt wird der zweite Fehlerwert als Differenz aus dem Zwischenwinkel und dem Ausgangswinkel berechnet. Auch dies kann äquivalent mit vertauschten Vorzeichen geschehen.
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Die zweite Verstärkungsstrecke weist bevorzugt eine Anzahl von Übertragungsstrecken auf. Jede der Übertragungsstrecken erhält dabei bevorzugt eingangsseitig den zweiten Fehlerwert und weiter bevorzugt werden Ausgänge aller Übertragungsstrecken zu einem Summenwert addiert. Dadurch können unterschiedliche Ordnungen der Verarbeitung in den jeweiligen Übertragungsstrecken realisiert werden.
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Bevorzugt weist die zweite Verarbeitungsstrecke zumindest eine Übertragungsstrecke mit einer linearen Verstärkung auf, wobei diese Übertragungsstrecke die zweite Verstärkungsstufe aufweist. In dieser findet die bereits weiter oben erwähnte zweite Verstärkung statt. Weiter bevorzugt weist die zweite Verarbeitungsstrecke zumindest eine Übertragungsstrecke mit einer linearen Verstärkung und einer dieser nachgelagerten Integration auf. Die lineare Verstärkung kann in diesem Fall auch entfallen oder beispielsweise auf einen Verstärkungsfaktor von eins gesetzt werden.
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Bevorzugt weist die zweite Verarbeitungsstrecke einen zweiten Integrator auf, welcher den Summenwert integriert und dadurch den Ausgangswinkel erzeugt. Dadurch können die Beiträge unterschiedlicher Ordnungen addiert werden.
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Bevorzugt ist die zweite Stufe ferner dazu konfiguriert, eine Winkelgeschwindigkeit auszugeben. Es hat sich gezeigt, dass bei der hierin beschriebenen Ausführung eine solche Winkelgeschwindigkeit besonders zuverlässig berechnet werden kann.
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Bevorzugt ist die zweite Verarbeitungsstrecke dazu konfiguriert, den Summenwert als Winkelgeschwindigkeit auszugeben. Es hat sich gezeigt, das der Summenwert typischerweise der Winkelgeschwindigkeit entspricht oder zumindest dazu proportional ist.
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Bevorzugt ist die erste Verarbeitungsstrecke dazu konfiguriert, den ersten Fehlerwert auf null auszuregeln. Dies kann ähnlich einem normalen Operationsverstärker ausgebildet sein. Durch das Nachregeln wird die gewünschte Beobachtungsfunktion realisiert. Entsprechend ist die zweite Verarbeitungsstrecke bevorzugt dazu konfiguriert, den zweiten Fehlerwert auf null auszuregeln. Die Ausführungen zur ersten Verarbeitungsstrecke gelten dabei entsprechend.
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Die erste Verstärkung ist bevorzugt größer als die zweite Verstärkung. Dadurch kann ein Fehler in der ersten Stufe ausgeregelt werden, noch bevor dieser die zweite Stufe erreicht und dort möglicherweise zu unerwünschten Effekten führt. Insbesondere hat es sich bewährt, die erste Verstärkung auf den acht- bis zwölffachen Wert und insbesondere bevorzugt auf den zehnfachen Wert der zweiten Verstärkung zu setzen.
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Der Rotorlagebeobachter kann insbesondere in einer programmierbaren oder fest verdrahteten Vorrichtung implementiert sein, beispielsweisei ein einem Mikroprozessor, Mikrocontroller, anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis oder in einer speicherprogrammierbaren Steuerung. Die Erfindung betrifft auch eine elektronische Steuerungsvorrichtung, in welcher der erfindungsgemäße Rotorlagebeobachter implementiert ist. Dabei kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden.
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Es sei erwähnt, dass unter Verbindungen zwischen Komponenten im Rahmen dieser Anmeldung typischerweise direkte Verbindungen verstanden werden können.
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Grundsätzlich wird hierin vorgeschlagen, einen Rotorlagebeobachter in zwei Stufen aufzuteilen. Hierbei kann beispielsweise die erste Stufe den Fehler aus dem Additionstheorem in einem stabilen Bereich halten. Beispielsweise kann hierzu ein Parameter vor dem ersten Integrator eingestellt werden. Die zweite bzw. nachgelagerte Stufe bietet eine definierte Dynamik an folgende Regelsysteme. Ein Vorteil ist, dass Dynamik von Winkel und Drehzahl unabhängig von der Stabilität des Additionstheorems angepasst werden können, solange die erste Stufe eine deutlich höhere Bandbreite als die nachgeschaltete zweite Stufe hat. Um den Parametrisierungsaufwand gering zu halten, kann beispielsweise die Bandbreite der ersten Stufe als Zehnfaches der Bandbreite der zweiten Stufe gewählt werden.
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Im Falle einer zweiten Stufe zweiter Ordnung kann dieses beispielsweise über die Parameter Eckfrequenz und Dämpfung bestimmt werden. Der Parameter der ersten Stufe kann, wie beschrieben, beispielsweise verzehnfacht werden. Auf diese Weise bleibt der Parametrisierungsaufwand, insbesondere im Vergleich zu anderen Beobachtern zweiter Ordnung, gleich.
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Das Problem der Instabilität kann separat und unabhängig von der nachgelagerten Dynamik in der ersten Stufe betrachtet werden, insbesondere falls die erste Stufe eine höhere Bandbreite als die zweite Stufe aufweist.
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Weitere Merkmale und Vorteile wird der Fachmann dem nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiel entnehmen. Dabei zeigt:
- 1: einen Rotorlagebeobachter.
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1 zeigt einen Rotorlagebeobachter bzw. angle tracking observer 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Der Rotorlagebeobachter 10 weist eine erste Stufe 100 und eine zweite Stufe 200 auf. Wie gezeigt ist die zweite Stufe 200 der ersten Stufe 100 nachgeschaltet.
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Die erste Stufe 100 weist eine erste Verarbeitungsstrecke 105 auf, welche nachfolgend beschrieben wird.
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Eingangsseitig erhält die erste Stufe 100 einen Eingangswinkel ϕe, welcher von einem externen Sensor als Sinus und Kosinus bereitgestellt wird. Diese Werte stehen also bereits eingangsseitig zur Verfügung.
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Nachfolgend ist ein Additionstheorem 110 implementiert, welches mittels eines Subtrahierers 120 einen ersten Fehlerwert ϕerror,1 erzeugt. Hierbei gehen nicht nur der bereits erwähnte Eingangswinkel ϕe, sondern auch ein weiter unten zu beschreibender Zwischenwinkel ϕz ein.
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Der erste Fehlerwert ϕerror,1 wird einer ersten Verstärkungsstufe 130 zugeleitet, welche den ersten Fehlerwert ϕerror,1 mit einer vordefinierten ersten Verstärkung verstärkt. Der Ausgangswert wird an einen Integrator 140 geliefert, welcher eine Integration über einen vorbestimmten Zeitraum durchführt. Dabei jeweils erhaltene Ausgangswerte werden einem Ausgangsglied 150 zugeführt, welches den bereits erwähnten Zwischenwinkel ϕz erzeugt und für eine Verzögerung sowie eine initiale Wertfestlegung sorgt. Dies dient der Anpassung an bestimmte Typen von Integratoren, kann jedoch je nach verwendetem Integrator auch entfallen. Der Zwischenwinkel ϕz wird sowohl an das Additionstheorem 110 und somit an die erste Verarbeitungsstrecke 105 rückgekoppelt wie auch an die zweite Stufe 200 weitergeleitet.
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Die zweite Stufe weist eine zweite Verarbeitungsstrecke
205 auf, welche als Ausgangsgrößen einen Ausgangswinkel ϕ
a sowie eine Winkelgeschwindigkeit
ausgibt. Der Ausgangswinkel ϕ
a wird wiederum rückgekoppelt.
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Zunächst wird in der zweiten Stufe 200 mittels eines eingangsseitigen Subtrahierers 207 ein zweiter Fehlerwert ϕerror,2 berechnet. Hierzu wird der Ausgangswinkel ϕa von dem Zwischenwinkel ϕz abgezogen. Der erhaltene zweite Fehlerwert ϕerror,2 wird einer ersten Übertragungsstrecke 210 sowie einer zweiten Übertragungsstrecke 220 zugeleitet. Die erste Übertragungsstrecke 210 ist als Übertragungsstrecke erster Ordnung ausgeführt und beinhaltet eine zweite Verstärkungsstufe 212. Diese verstärkt das erhaltene Signal mit einer zweiten Verstärkung. Die zweite Übertragungsstrecke 220 weist eine dritte Verstärkungsstufe 222 mit einer dritten Verstärkung auf und weist ferner einen nachgeschalteten Integrierer 224 auf. Die zweite Übertragungsstrecke 220 ist somit von zweiter Ordnung.
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In einem Addierer
230 werden die Ausgänge der ersten Übertragungsstrecke
210 und der zweiten Übertragungsstrecke
220 addiert. Das dadurch erhaltene Signal wird zum einen unmittelbar als Winkelgeschwindigkeit
ausgegeben und wird ferner einem zweiten Integrierer
240 zugeleitet. Dieser erzeugt ein Ausgangssignal, welches als Ausgangswinkel ϕ
a ausgegeben wird.
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In einer typischen und bevorzugten Ausführung ist die erste Verstärkung zehnmal so groß wie die zweite Verstärkung. Dadurch wird eine besonders hohe Stabilität des Systems erreicht. Die beiden Fehlerwerte ϕerror,1, ϕerror,2, werden dabei typischerweise auf Null ausgeregelt.
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Der beschriebene Rotorlagebeobachter kann insbesondere in einem Prozessor oder in einer Motorsteuerung implementiert sein. Er ermöglicht im Vergleich zu bekannten Ausführungen einen stabileren Betrieb, wie sich bei Tests und Simulationen gezeigt hat. Verantwortlich dafür ist insbesondere die Ausbildung der ersten Stufe 100.
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Die zur Anmeldung gehörigen Ansprüche stellen keinen Verzicht auf die Erzielung weitergehenden Schutzes dar.
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Sofern sich im Laufe des Verfahrens herausstellt, dass ein Merkmal oder eine Gruppe von Merkmalen nicht zwingend nötig ist, so wird anmelderseitig bereits jetzt eine Formulierung zumindest eines unabhängigen Anspruchs angestrebt, welcher das Merkmal oder die Gruppe von Merkmalen nicht mehr aufweist. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Unterkombination eines am Anmeldetag vorliegenden Anspruchs oder um eine durch weitere Merkmale eingeschränkte Unterkombination eines am Anmeldetag vorliegenden Anspruchs handeln. Derartige neu zu formulierende Ansprüche oder Merkmalskombinationen sind als von der Offenbarung dieser Anmeldung mit abgedeckt zu verstehen.
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Es sei ferner darauf hingewiesen, dass Ausgestaltungen, Merkmale und Varianten der Erfindung, welche in den verschiedenen Ausführungen oder Ausführungsbeispielen beschriebenen und/oder in den Figuren gezeigt sind, beliebig untereinander kombinierbar sind. Einzelne oder mehrere Merkmale sind beliebig gegeneinander austauschbar. Hieraus entstehende Merkmalskombinationen sind als von der Offenbarung dieser Anmeldung mit abgedeckt zu verstehen.
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Rückbezüge in abhängigen Ansprüchen sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Diese Merkmale können auch beliebig mit anderen Merkmalen kombiniert werden.
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Merkmale, die lediglich in der Beschreibung offenbart sind oder Merkmale, welche in der Beschreibung oder in einem Anspruch nur in Verbindung mit anderen Merkmalen offenbart sind, können grundsätzlich von eigenständiger erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Sie können deshalb auch einzeln zur Abgrenzung vom Stand der Technik in Ansprüche aufgenommen werden.
