DE102019115787B3

DE102019115787B3 - Verfahren zur Ermittlung des Winkels des Rotors eines Elektromotors, Steuergerät sowie Fahrzeug

Info

Publication number: DE102019115787B3
Application number: DE102019115787.0A
Authority: DE
Inventors: Jovan Knezevic; Roman Nestlinger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-06-11
Filing date: 2019-06-11
Publication date: 2020-10-15
Anticipated expiration: 2039-06-12
Also published as: WO2020249313A1; US20220140759A1; CN113412574A; US11689126B2

Abstract

Ein Verfahren zur Ermittlung des Winkels (Φ) des Rotors (18) eines Elektromotors (12) umfasst die folgenden Schritte:- Erhalten von zwei Rotorpositionssignalen (P1, P2) von einem Rotorpositionssensor (15) durch ein Steuergerät (14), wobei die Rotorpositionssignale (P1, P2) Grundsignale (G1, G2) und höhere Ordnungen enthalten,- Ermitteln der Winkelgeschwindigkeit (ω) des Elektromotors (12) zumindest anhand der zeitlichen Veränderung des ersten Rotorpositionssignals (P1) mittels eines Winkelgeschwindigkeitsmoduls (32) des Steuergerätes (14),- Ermitteln der Grundsignale (G1, G2) anhand der ermittelten Winkelgeschwindigkeit (ω) und der Rotorpositionssignale (P1, P2) mittels Filtermodulen (28, 30) des Steuergerätes (14), und- Ermitteln des Winkels (Φ) des Rotors (18) anhand der ermittelten Grundsignale (G1, G2) mittels eines Winkelmoduls (34) des Steuergerätes (14).Ferner sind ein Steuergerät (14) und ein Fahrzeug gezeigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Winkels des Rotors eines Elektromotors, ein Steuergerät sowie ein Fahrzeug.
Elektromotoren werden in Fahrzeugen als Antrieb verwendet, um elektrische Energie in Vortrieb umzuwandeln. Hierfür wird an dem Stator ein variierendes magnetisches Feld angelegt, sodass der magnetische Rotor im magnetischen Feld des Stators rotiert. Das Drehmoment und die Leistung des Motors sind dabei von der Drehzahl des Rotors abhängig und damit von dem am Stator angelegten magnetischen Feld.
Um einen effizienten Übertrag der elektrischen Energie in mechanischen Vortrieb zu gewährleisten, ist ein gewisser Winkel- bzw. Phasenversatz zwischen angelegtem magnetischem Feld und dem Rotor notwendig. Deshalb ist eine präzise Positionsbestimmung des Rotors des Elektromotors nötig, also eine präzise Ermittlung des Winkels des Rotors des Elektromotors.
Aus der US 2017 / 0 272 011 A1 ist es bekannt, das magnetische Feld von Permanentmagneten eines Elektromotors mittels Hallsensoren in zwei Richtungen zu messen. Aus den gemessenen Komponenten des magnetischen Felds wird dann mittels eines nichtlinearen Beobachters die Winkelgeschwindigkeit und der Winkel des Rotors des Elektromotors bestimmt.
Außerdem zeigt die US 2019/0 031 046 A1 ein System, um den Winkel eines Rotors eines Elektromotors zu bestimmen, und ein Verfahren zur Korrektur von Lagefehlern in der Winkelermittlung. Dabei wird zur Fehlerbeseitigung ein dem Lagefehler gegengleiches Signal in einem Regelkreis mit einem Bewegungszustandsfilter verwendet.
Ferner offenbart die JP 2017 - 153 338 A ein Verfahren zur Bestimmung des Winkels und der Winkelgeschwindigkeit eines Rotors eines Elektromotors durch die Anwendung eines Filters auf ein von einem Hallsensor gemessenen Signal. Der Filter kann ein Tiefpassfilter, ein Bandsperrfilter und/oder ein Notchfilter sein.
Weiterhin ist aus der US 2019 / 0 058 422 A1 ein Verfahren zur Korrektur eines Positionsfehlers eines Resolvers bekannt. Dabei wird eine Positionsfehler-Lerneinheit verwendet, die basierend auf einer Lageinformation des Rotors einen Positionsfehler bestimmt und an eine Fehlerkorrektureinheit übergibt. Die Fehlerkorrektureinheit korrigiert dann den Positionsfehler.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine präzise Ermittlung des Winkels des Rotors des Elektromotors zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Ermittlung des Winkels des Rotors eines Elektromotors gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, dass das Rotorpositionssignal in zwei Schritten ausgewertet wird. Das Rotorpositionssignal ist typischerweise eine Überlagerung aus einem sinusförmigen Beitrag, der aus der Rotationsbewegung des Rotors hervorgeht, und einem Fehlerterm unter dem alle Signalkomponenten, die nicht aus der Rotation des Rotors hervorgehen, zusammengefasst werden. Der Fehlerterm ist zudem meist abhängig von der Temperatur und dem Alter des Rotorpositionssensors, sodass dieser variabel ist und die Ermittlung des Rotorwinkels verfälschen kann. In einem ersten Schritt wird die Winkelgeschwindigkeit direkt aus dem Rotorpositionssignal abgeleitet und in einem zweiten Schritt wird ein Grundsignal aus dem Rotorpositionssignal herausgefiltert, wodurch der Winkel des Rotors ermittelt wird. Durch die Analyse des Rotorpositionssignals in zwei Schritten wird eine präzise aber ressourcensparende Ermittlung des Winkels des Rotors des Elektromotors ermöglicht. Zusätzlich ermöglicht die Verwendung eines Filters eine effiziente Bestimmung des Grundsignals.
Der Rotorpositionssensor stellt im Allgemeinen ein analoges Rotorpositionssignal bereit, das mit einer gewissen Abtastzeit abgetastet wird. Dementsprechend ist das von dem Steuergerät erhaltene Rotorpositionssignal diskret. Die Abtastzeit ist beispielsweise durch den Rotorpositionssensor und/oder das Steuergerät vorgegeben.
Der Rotor kann magnetisch sein. Beispielsweise weist der Rotor zumindest einen Permanentmagneten auf. Permanenterregte Elektromotoren, also Elektromotoren deren Rotor immer magnetisch ist, gehören zu den effizientesten Elektromotoren.
Außerdem umfasst das Verfahren die folgenden weiteren Schritte:

- Erhalten eines zweiten Rotorpositionssignals von einem Rotorpositionssensor durch das Steuergerät, wobei das Rotorpositionssignal eine Projektion der Rotationsbewegung in die zweite der beiden Richtungen in der Rotationsebene des Rotors umfasst und wobei das zweite Rotorpositionssignal ein zweites Grundsignal und höhere Ordnungen enthält,
- Ermitteln eines zweiten Grundsignals anhand der ermittelten Winkelgeschwindigkeit und des zweiten Rotorpositionssignals mittels eines zweiten Filtermoduls des Steuergerätes, wobei das zweite Filtermodul einen Filter basierend auf einer Phasenregelschleife auf das zweite Rotorpositionssignal anwendet und dem Filter das zweite Grundsignal als Eingangssignal zugeführt wird, und
- Ermitteln des Winkels des Rotors zumindest anhand des ermittelten ersten Grundsignals und des ermittelten zweiten Grundsignals mittels eines Winkelmoduls des Steuergerätes, wobei das Filtermodul einen Filter basierend auf einer Phasenregelschleife auf das zweite Rotorpositionssignal anwendet.

Es werden somit beide Positionswerte des Rotorpositionssignals entlang beider Richtungen der Rotationsebene des Rotors verwendet, um den Winkel des Rotors zu bestimmen. Dies erhöht die Genauigkeit der Winkelbestimmung.
Die Rotorpositionssignale sind hochauflösend abgetastet, da die Abtastzeit des Rotorpositionssensors verglichen zur Periodendauer der Rotation des Rotors sehr gering ist. Somit können die Rotorpositionssignale als reelle trigonometrische Reihe beschrieben werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Winkelgeschwindigkeit anhand des ersten Rotorpositionssignals und des zweiten Rotorpositionssignals ermittelt. Somit wird die Winkelgeschwindigkeit genauer bestimmt.
Das erste Grundsignal und/oder das zweite Grundsignal kann bzw. können lediglich eine Grundschwingung aufweisen.
Beispielsweise sind die Grundschwingung des ersten Grundsignals und die Grundschwingung des zweiten Grundsignals phasenverschoben, insbesondere um 90° phasenverschoben.
Die Grundschwingungen können somit mit einfachen trigonometrischen Funktionen bestimmt werden, beispielsweise mit Sinus- und Kosinus-Funktionen, wodurch eine schnelle Ermittlung des Winkels des Rotors des Elektromotors ermöglicht wird.
Es ist denkbar, dass das Winkelmodul den Winkel mittels eines Arkustangens, insbesondere einer Arkustangensfunktion mit zwei Variablen bestimmt. Auf diese Weise kann der Winkel direkt aus dem ersten Grundsignal und dem zweiten Grundsignal bestimmt werden.
Beispielsweise wird der Winkel mittels einer atan2-Funktion bestimmt, die beispielsweise in MATLAB implementiert ist.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird bzw. werden das erste Rotorpositionssignal und/oder das zweite Rotorpositionssignal mittels eines Vorverarbeitungsmoduls vorverarbeitet, bevor sie dem jeweiligen Filtermodul und/oder dem Winkelgeschwindigkeitsmodul zugeführt werden. Das Vorverarbeitungsmodul fittet eine reelle trigonometrische Reihe an das jeweilige Rotorpositionssignal und übergibt die reelle trigonometrische Reihe als das jeweilige Rotorpositionssignal an das jeweilige Filtermodul und/oder das Winkelgeschwindigkeitsmodul. Dadurch ist die Eingabe des Filtermoduls und/oder des Winkelgeschwindigkeitsmoduls wohl definiert.
Der Elektromotor kann zumindest anhand des ermittelten Winkels vom Steuergerät angesteuert werden, insbesondere durch die folgenden Schritte:

- Bestimmen von zumindest einem Stromkorrekturwert für die zumindest eine Spule durch das Steuergerät zumindest anhand des ermittelten Winkels und/oder der Winkelgeschwindigkeit des Rotors, und
- Anpassen des Stromflusses durch die zumindest eine Spule anhand des zumindest einem Stromkorrekturwertes durch das Steuergerät.

Auf diese Weise wird der Elektromotor direkt durch den ermittelten Winkel und/oder die ermittelte Winkelgeschwindigkeit angesteuert, sodass eine schnelle und exakte Ansteuerung bereitgestellt wird.
Das erste Rotorpositionssignal und/oder das zweite Rotorpositionssignal kann bzw. können durch einen magnetoresistiven Rotorpositionssensor bereitgestellt werden. Magnetoresistive Sensoren sind robust, klein und sehr energiesparsam.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist genau ein magnetoresistiver Rotorpositionssensor vorgesehen, der das erste Rotorpositionssignal und das zweite Rotorpositionssignal bereitstellt. Genauer gesagt stellt der Rotorpositionssensor die Projektion der Rotationsbewegung des Rotors auf einem Einheitskreis entlang zweier orthogonaler Achsen bereit, also die Sinus- und Kosinuswerte der Rotationsbewegung des Rotors.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf magnetoresistive Rotorpositionssensoren beschränkt. Im Allgemeinen ist jeder Rotorpositionssensor denkbar, der die Projektion der Rotationsbewegung des Rotors entlang zumindest einer Richtung bereitstellt.
Beispielsweise ist der Rotorpositionssensor ein Hall-Sensor, ein Wirbelstromsensor, ein optischer Inkrementalgeber, ein Resolver und/oder ein Hardware-Demodulator.
Beispielsweise hat der Filter die Wirkung eines Tiefpassfilters, um das jeweilige Grundsignal zu bestimmen.
Es ist denkbar, dass das Filtermodul das Grundsignal mittels einer Kostenfunktion und die Parameter des Grundsignals mittel des Gradientenverfahrens ermittelt, wonach das Filtermodul auf einer verbesserten Phasenregelschleife basiert.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Filter durch die folgenden Gleichungen beschrieben: $\frac{d A_{i} (t)}{d t} = μ_{1 i} \cdot e_{i} (t) \cdot s i n (ϕ_{i} (t)),$
$\frac{d ω_{i} (t)}{d t} = μ_{2 i} \cdot e_{i} (t) \cdot c o s (ϕ_{i} (t)),$
$\frac{d ϕ_{i} (t)}{d t} = μ_{2 i} \cdot μ_{3 i} \cdot e_{i} (t) \cdot c o s (ϕ_{i} (t)) + ω_{0 i,}$
$G_{i} (t) = A_{i} (t) \cdot s i n (ϕ_{i} (t)),$
$e_{i} (t) = P (t) - G_{i} (t), u n d$
$ϕ_{i} (t) = ω_{0 i} \cdot t + δ_{i} .$
In den obigen Gleichungen ist i die Ordnung der Schwingung mit der Grundfrequenz ω₀, µ_1i, µ_2i und µ_3i sind Verstärkungsfaktoren, A_i die Amplituden der Schwingungen, δ_i ist ein Phasenversatz, Φ_i(t) der zeitabhängige Winkel des Rotors, (ω_i(t) die zeitabhängige Winkelgeschwindigkeit, e_i(t) die Fehlerfunktion, P(t) das Rotorpositionssignal und G_i(t) die Grundschwingung und die Oberschwingungen des Grundsignals $G r u n d s c h w i n g u n g u n d d i e O b e r s c h w i n g u n g e n des G r u n d s i g n a l s G (t) = \sum_{i = 1}^{n} G_{i} (t),$
insbesondere ist das Grundsignal G(t) = A₁(t)·sin (Φ₁(t)).
Dabei sind die Parameter des Filters gegeben durch i, µ_1i, µ_2i, µ_3i, A_i und δ_i. Da sowohl das Grundsignal als auch ungewollte Signale durch die obigen Parameter beschrieben sind, ermöglicht der Filter eine Bestimmung des Grundsignals auch noch in Situationen, in denen sich die Eigenschaften des Rotorpositionssensors geändert haben.
Die Parameter des Filters können einen Offset, einen Phasenversatz, einen Verstärkungsfehler und/oder Oberschwingungsamplituden beschreiben und somit ungewollte Beiträge aufzeigen.
Beispielsweise werden Ordnungen mit i > 3, insbesondere i > 1, unterdrückt. Dies ermöglicht eine schnelle Filterung des Grundsignals.
Mit anderen Worten werden die Ordnungen mit i > 3, insbesondere i > 1, also vernachlässigt.
Um die Gesamtparameteranzahl des Filters zu reduzieren und damit die Schnelligkeit des Filters zu erhöhen, kann bei der Anwendung des Filters angenommen werden, dass die Amplitude A₁ der Grundschwingung des ersten Rotorpositionssignals und/oder des zweiten Rotorpositionssignals gleich 1 ist, und/oder dass der Filter die ermittelte Winkelgeschwindigkeit als Parameter erhält.
Im Allgemeinen ist auch denkbar, dass die Amplitude A₁ der Grundschwingung des ersten Rotorpositionssignals und/oder des zweiten Rotorpositionssignals bereits bekannt ist, beispielsweise aus einer anderen Messung.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Filter als Übertragungsfunktion im ersten Filtermodul und/oder im zweiten Filtermodul hinterlegt. Dies ermöglicht eine effiziente Verarbeitung des Rotorpositionssignals.
Um Zustandsinformationen zu erhalten, kann das Steuergerät ein Diagnosemodul aufweisen, wobei das Diagnosemodul wenigstens einen Parameter des Filters vom ersten Filtermodul und/oder vom zweiten Filtermodul erhält. Der wenigstens eine Parameter wird zur Diagnose des Elektromotors, des Rotorpositionssensors und/oder des Filters herangezogen durch einen Vergleich des wenigstens einen Parameters mit einem vorbestimmten Schwellwert.
Beispielsweise wird die Über- oder Unterschreitung des Schwellwerts als Fehler registriert und durch eine Fehlermeldung des Steuergeräts eine Fehlfunktion des Elektromotors, des Filters und/oder des Rotorpositionssensors angezeigt.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch ein Steuergerät für ein Fahrzeug gelöst, wobei das Steuergerät dazu ausgebildet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Hinsichtlich der Vorteile und Merkmale wird auf die obigen Erläuterungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen, die gleichermaßen für das Steuergerät gelten.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen, auf die im Folgenden Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

- 1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Steuergerät,
- 2 ein schematisches Blockschaltbild des Elektromotors und des erfindungsgemäßen Steuergeräts in einer ersten Ausführungsform,
- 3 ein detailliertes Blockschaltbild des Elektromotors und des erfindungsgemäßen Steuergeräts aus 2,
- 4 ein Blockschaltbild eines Filtermoduls des erfindungsgemäßen Steuergeräts aus 3, und
- 5 ein schematisches Blockschaltbild des Elektromotors und eines erfindungsgemäßen Steuergeräts in einer zweiten Ausführungsform.

1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Fahrzeugs 10. Das Fahrzeug 10 hat einen Elektromotor 12 und ein Steuergerät 14.
Der Elektromotor 12 ist mit den Rädern des Fahrzeugs 10 verbunden und sorgt für den Vortrieb des Fahrzeugs 10.
Das Fahrzeug 10 kann ein Elektrofahrzeug sein, sodass der Elektromotor 12 der einzige Antriebsmotor ist.
Es ist auch denkbar, dass das Fahrzeug 10 ein Hybridelektrofahrzeug ist, wonach der Vortrieb des Fahrzeugs 10 durch den Elektromotor 12 und einer zusätzlichen Brennkraftmaschine realisiert ist.
Das Blockschaltbild der 2 zeigt den Elektromotor 12, das Steuergerät 14 und einen Rotorpositionssensor 15 im Detail.
Der Elektromotor 12 ist zum Beispiel eine bekannte Synchron-Drehstrommaschine und hat einen Stator 16 und einen Rotor 18.
Der Stator 16 umschließt den Rotor 18 und hat an seiner Innenseite, also an der Seite des Stators 16, die dem Rotor 18 gegenüberliegt, drei Elektromagnete 20. Denkbar ist selbstverständlich auch eine andere Anzahl an Elektromagneten 20.
Die drei Elektromagnete 20 sind in einem Winkel von 120° versetzt zueinander angeordnet und erzeugen jeweils ein magnetisches Feld, falls an den Elektromagneten 20 eine Spannung mit einem entsprechendem Spannungswert U angelegt wird. In diesem Fall fließt ein entsprechender Strom mit einem Stromwert I durch die Elektromagnete 20.
In der Ausführungsform der 2 sind die Elektromagnete 20 beispielsweise Spulen 21.
Der Rotor 18 ist drehbar um eine Rotationsachse 22 angeordnet und ist magnetisch. Hierfür weist der Rotor beispielsweise Permanentmagnete (nicht gezeigt) auf.
Falls die Elektromagnete 20 des Stators 16 ein entsprechendes magnetisches Feld erzeugen, rotiert der Rotor 18 um die Rotationsachse 22 mit einer Winkelgeschwindigkeit ω.
Der Rotorpositionssensor 15 ist ein magnetoresistiver Sensor, dessen Erfassungsoberfläche senkrecht zur Rotationsachse 22 angeordnet ist und der einen Abstand zum Rotor 18 aufweist.
Der Rotorpositionssensor 15 misst die Rotationsbewegung des Rotors 18 berührungslos.
Hierfür weist der Rotorpositionssensor 15 beispielsweise magnetoresistive Bereiche auf, deren Widerstände sich je nach Orientierung des magnetischen Rotors 18 ändern.
Genauer gesagt stellt der Rotorpositionssensor 15 zwei Rotorpositionssignale P₁ , P₂ bereit, die jeweils einen Positionswert entlang einer Richtung in der Rotationsebene 23 (3) des Rotors 18 aufweist. Dies ist in dem Blockschaltbild der 3 beispielhaft dargestellt.
Die magnetische Wirkung des Rotors 18 ist in 3 durch einen Nordpol N und einen Südpol S dargestellt. Die Rotation des Rotors 18 um die Rotationsachse 22 definiert eine Rotationsebene 23, die mittels zweier, orthogonal zueinanderstehenden Richtungen 24, 26 bestimmt ist.
In dem dargestellten Zeitpunkt der 3, weist der Rotor 18, genauer gesagt der Nordpol N und der Südpol S, einen Winkel ϕ gegenüber der ersten Richtung 24 auf.
Der Rotorpositionssensor 15 bestimmt die Projektion der Rotationsbewegung in die erste und zweite Richtung 24, 26, wonach der Rotorpositionssensor 15 einen Positionswert entlang der ersten Richtung 24 für das erste Rotorpositionssignal P₁ und einen Positionswert entlang der zweiten Richtung 24 für das zweite Rotorpositionssignal P₂ bereitstellt.
Die Rotation des Rotors 18 kann als ein sich um die Rotationsachse 22 drehender Vektor verstanden werden, sodass das erste Rotorpositionssignal P₁ der Kosinuswert der Position des Vektors ist und das zweite Rotorpositionssignal P₂ der Sinuswert der Position des Vektors.
Die Anordnung des Rotorpositionssensors 15 ist nur beispielhaft zu verstehen. Selbstverständlich kann der Rotorpositionssensors 15 auch in oder an einer Welle des Rotors 18 angeordnet sein.
Wie in 2 dargestellt, übergibt der Rotorpositionssensor 15 die Rotorpositionssignale P₁ , P₂ an das Steuergerät 14, das anschließend den Winkel ϕ und die Winkelgeschwindigkeit ω des Rotors 18 bestimmt. Basierend auf dem Winkel ϕ und der Winkelgeschwindigkeit ω des Rotors 18, bestimmt das Steuergerät 14 einen Stromkorrekturwert I' und einen entsprechenden Spannungskorrekturwert U' für die Elektromagnete 20, die anschließend, wie durch die Pfeile in 2 dargestellt, an den Elektromagneten 20 angelegt werden.
Im Allgemeinen ist es natürlich denkbar, dass das Steuergerät 14 unterschiedliche Stromkorrekturwerte I' und Spannungskorrekturwerte U' für die drei Spulen 21 bestimmt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist hier aber nur ein Stromkorrekturwert I' und ein Spannungskorrekturwert U' für alle Spulen 21 angenommen.
Beispielsweise nutzt das Steuergerät 14 eine feldorientierte Regelung, um Stromkorrekturwerte I' und/oder Spannungskorrekturwerte U' zu bestimmen.
Genauer gesagt verwendet das Steuergerät 14 ein Verfahren, um den Winkel ϕ und die Winkelgeschwindigkeit ω des Rotors 18 zu ermitteln.
Das Steuergerät 14 hat ein erstes Filtermodul 28, ein zweites Filtermodul 30 separat vom ersten Filtermodul 28, ein Winkelgeschwindigkeitsmodul 32, ein Winkelmodul 34 und ein Stromwertkorrekturmodul 36.
In einem ersten Schritt erhält das Steuergerät die Rotorpositionssignale P₁ und P₂ des Rotorpositionssensors 15. Die Rotorpositionssignale P₁ und P₂ weisen dabei mehrere Ordnungen der Rotationsgeschwindigkeit ω und Störterme der Messung durch den Rotorpositionssensors 15 auf.
Das erste Rotorpositionssignal P₁ wird an das erstes Filtermodul 28 und das Winkelgeschwindigkeitsmodul 32 übergeben und das zweite Rotorpositionssignal P₂ an das zweite Filtermodul 28 und das Winkelgeschwindigkeitsmodul 32.
Anschließend bestimmt das Winkelgeschwindigkeitsmodul 32 die Winkelgeschwindigkeit ω der Rotation des Rotors 18, beispielsweise anhand der zeitlichen Änderung eines oder beider Rotorpositionssignale P₁ , P₂ .
Die ermittelte Winkelgeschwindigkeit ω wird anschließend an das erste Filtermodul 28, das zweite Filtermodul 30 und das Winkelmodul 34 übergeben.
Das erste Filtermodul 28 filtert dabei ein erstes Grundsignal G₁ aus dem ersten Rotorpositionssignal P₁ heraus und das zweite Filtermodul 30 ein zweites Grundsignal G₂ aus dem zweiten Rotorpositionssignal P₂ .
Hierfür verwenden das erste Filtermodul 28 und das zweite Filtermodul 30 jeweils einen Filter 38, der auf einer Phasenregelschleife basiert. Der Filter 38 ist in dem Blockschaltbild der 4 dargestellt.
Der Filter 38 hat ein Vergleichsmodul 40, zwei Multiplikationsmodule 42, ein Verstärkungsmodul 44, ein Additionsmodul 46, ein Zählmodul 48 und zwei Trigonometriemodule 50.
Die Funktionsweise des Filters 38 wirdn im Folgenden anhand eines Beispiels erklärt. Hierfür wird angenommen, dass die Rotorpositionssignale P₁ , P₂ als zeitabhängige Rotorpositionssignal P(t) an das Filtermodul 28, 30 übergeben werden.
Das zeitabhängiges Rotorpositionssignal P(t) setzt sich dabei aus der Bewegung x₁(t) = A₁ sin(ω·t + δ₁) des Rotors 18, wobei δ₁ der Startwinkel des Rotors 18 zum Zeitpunkt t = 0 ist und der Rotorwinkel gegeben ist durch ϕ(t) = ω· t + δ₁, und einem Fehlerterm x_F(t) zusammen, d.h. $P (t) = x_{1} (t) + x_{F} (t) .$
Der Fehlerterm x_F(t) ist die Summe der unerwünschten Signale, wie Oberschwingungen, Offsets, Orthogonalitätsfehler, d.h. Phasenversätze zwischen den Rotorpositionssignalen P₁ , P₂ , und/oder Verstärkungsfehler.
Falls der Fehlerterm x_F(t) in der Analyse nicht berücksichtigt wird, können Ungenauigkeiten in der Ermittlung des Winkels des Rotors 18 des Elektromotors 12 entstehen, sodass der Elektromotor 12 unrund läuft und/oder Oberwelligkeiten aufweist.
Das Rotorpositionssignal P(t) lässt sich beispielsweise als reelle trigonometrische Reihe darstellen: $P (t) = C + x_{1} (t) + \sum_{i = 2}^{\infty} A_{i} s i n (i \cdot ω \cdot t + δ_{i}),$
mit Amplituden A_i und Phasenversätzen δ_i der Oberschwindungen i, und einem Offset C. Der Filter 38 filtert nun aus dem Rotorositionssinal P(t) das Grundsianal G(t) $G (t) = \sum_{i = 1}^{n} G i (t) + C = \sum_{i = 1}^{n} A_{i} (t) \cdot s i n (ϕ i (t)) + C, m i t ϕ_{i} (t) = ω_{i} \cdot t + δ_{i}$
heraus. Es ist zu beachten, dass das Grundsignal nur eine endliche Anzahl an Oberschwingungen hat.
Insbesondere werden die Oberschwingungen mit hohen i-Werten herausgefiltert, sodass der Filter 38 als Tiefpass wirkt.
Die Parameter Π des Grundsignals, also A_i, ϕ_i, δ_i, ω_i, C lassen sich durch die Bildung einer Kostenfunktion J(t, π) $J (t, Π) = \frac{1}{2} {[P (t) - G (t, Π)]}^{2}$
und die Minimierung der Kostenfunktion mittels des Gradientenverfahrens bestimmen, sodass die zeitlichen Ableitungen der Parameter Π gegeben ist durch $\frac{d Π (t)}{d t} = - μ \frac{\partial}{∂Π} J (t, Π),$
wobei µ die Verstärkungsfaktoren oder Schrittweiten des Gradientenverfahrens sind. Dementsprechend ergeben sich die folgenden Gleichungen für den Filter 38: $\frac{d A_{i} (t)}{d t} = μ_{1 i} \cdot e_{i} (t) \cdot s i n (ϕ_{i} (t)),$
$\frac{d ω_{i} (t)}{d t} = μ_{2 i} \cdot e_{i} (t) \cdot c o s (ϕ_{i} (t)),$
$\frac{d ϕ_{i} (t)}{d t} = μ_{2 i} \cdot μ_{3 i} \cdot e_{i} (t) \cdot c o s (ϕ_{i} (t)) + ω_{0 i},$
$G_{i} (t) = A_{i} (t) \cdot s i n (ϕ_{i} (t)),$
$e_{i} (t) = P (t) - G_{i} (t), u n d$
$ϕ_{i} (t) = ω_{i} \cdot t + δ_{i} .$
Erfindungsgemäß werden Oberschwingungen i > 3, insbesondere Oberschwingungen i > 1, unterdrückt und die Amplitude A₁(t) = 1 gesetzt.
Die Funktionsweise des Filters 38 wird nachfolgend für ein Grundsignal G(t) der Form G(t) = G₁ (t), mit A₁(t) = 1, d.h. G(t) = sin (ϕ₁(t)), beispielhaft erläutert.
Das Grundsignal G(t) weist also lediglich eine Grundschwingung auf.
Typischerweise sind die Grundsignale G(t) des ersten Rotorpositionssignals P₁ und des zweiten Rotorpositionssignals P₂ phasenverschoben.
Insbesondere sind die Grundschwingungen G₁ (t) um 90° phasenverschoben, sodass die Grundschwingung G₁ (t) des ersten Rotorpositionssignals P₁ gegeben ist durch G₁ (t) = sin (ϕ₁(t)) und die des zweiten Rotorpositionssignals P₂ durch G₁ (t) = cos (ϕ₁(t).
In dem Filter 38 der 4 werden sowohl das Rotorpositionssignal P(t) als auch das gefilterte Grundsignal G₁ (t) als Eingangssignal dem Vergleichsmodul 40 zugeführt.
Das Vergleichsmodul 40 bestimmt daraus die Fehlerfunktion e₁(t) = P(t) - G₁ (t) nach Gleichung (6) und übergibt diese an das Multiplikationsmodul 42, das die Fehlerfunktion e_i(t) mit cos (ϕ₁(t)) multipliziert.
Das Produkt aus der Fehlerfunktion e_i(t) und cos(ϕ₁(t)) wird anschließend in dem Verstärkungsmodul 44 mit dem Verstärkungsfaktor µ verstärkt. Nach Gleichung (3) gibt dies dann die zeitliche Ableitung der Winkelgeschwindigkeit $dann die zeitliche Ableitung der Winkelgeschwindigkeit \frac{d ω_{1} (t)}{d t}, d .h . die zeitliche \ddot{A} nderung der$
d.h. die zeitliche Änderung der Winkelgeschwindigkeit ω.
Der Filter 38 erhält zudem die aus dem Winkelgeschwindigkeitsmodul 32 bestimmte Winkelgeschwindigkeit ω, sodass die zeitliche Änderung der Winkelgeschwindigkeit $W i n k e l g e s c h w i n d i g k e i t ω, s o d a s s d i e z e i t l i c h e \ddot{A} n d e r u n g d e r W i n k e l g e s c h w i n d i g k e i t \frac{d ω_{1} (t)}{d t} z u$
zu der Winkelgeschwindigkeit ω addiert wird, um nach Gleichung (4) die zeitliche Änderung des Winkels $Winkels \frac{d ϕ_{1} (t)}{d t} zu erhalten .$
zu erhalten.
Im Allgemeinen ist es denkbar, dass das Signal $Im Allgemeinen ist es denkbar, dass das Signal \frac{d ω_{1} (t)}{d t} zus \ddot{a} tzlich um einen weiteren$
zusätzlich um einen weiteren Verstärkungsfaktor µ verstärkt wird.
Außerdem ist es möglich, die Winkelgeschwindigkeit ω aus der Integration der zeitlichen Ableitung $Ableitung \frac{d ω_{1} (t)}{d t} zu bestimmen . Der Filter 38 Figur vier ist allerdings auf Schnelligkeit$
zu bestimmen. Der Filter 38 der Figur vier ist allerdings auf Schnelligkeit ausgelegt, sodass möglichst wenig Rechenschritte vollzogen werden sollen. Dementsprechend wurde die Winkelgeschwindigkeit ω des Winkelgeschwindigkeitsmoduls 32 verwendet.
Im Anschluss wird die inkrementelle Änderung dϕ₁(t) des Winkels Φ₁(t) durch die Multiplikation der zeitliche Änderung des Winkels $Multiplikation der zeitliche \ddot{A} nderung des Winkels \frac{d ϕ_{1} (t)}{d t} {mit der Abtastzeit T}_{s} des$
mit der Abtastzeit Ts des Rotorpositionssensors 15 in dem zweiten Multiplikationsmodul 42 bestimmt.
Die inkrementelle Änderung dϕ₁(t) wird schließlich in dem Zählmodul 48 mit dem Winkel Φ₁(t) der vorherigen Iteration des Filters 38 addiert. Hierfür ist der Ausgang des Zählmoduls 48 mit einem seiner Eingänge verbunden.
Schließlich übergibt das Zählmodul 48 den Winkel Φ₁(t) an die beiden Trigonometriemodule 50.
Ein Trigonometriemodul 50 ist dabei ein Sinusmodul 52, das den Sinuswert des Winkels Φ₁(t) bildet und somit das Grundsignal G₁ (t) ermittelt. Das andere Trigonometriemodul 50 ist ein Kosinusmodul 54, das den Kosinuswert des Winkels Φ₁(t) bildet und an das erste Multiplikationsmodul 42 übergibt.
Die 4 zeigt also, wie der Filter 38 aus dem Rotorpositionssignal P(t) die Grundschwingung G₁ (t) herausfiltert. Dabei ist der Filter 38 als Übertragungsfunktion in dem Steuergerät 14 hinterlegt.
Beispielsweise umfasst das Steuergerät 14 einen MATLAB-Simulink-Implementation des Filters 38 analog zu dem Blockschaltbild der 4.
Im Allgemeinen filtert der Filter 38 des ersten Filtermoduls 28 das erste Grundsignal G₁ aus dem ersten Rotorpositionssignal P₁ und der Filter 38 des zweiten Filtermoduls 30 das zweite Grundsignal G₂ aus dem zweiten Rotorpositionssignal P₂ .
Wie in 3 dargestellt, wird das erste Grundsignal G₁ und das zweite Grundsignal G₂ an das Winkelmodul 34 des Steuergeräts 14 übergeben, das aus dem ersten Grundsignal G₁ und dem zweiten Grundsignal G₂ den Winkel ϕ des Rotors 18 bestimmt.
Hierfür berechnet das Winkelmodul 34 beispielsweise den Arkustangens der Grundschwingungen G_1,1(t) des ersten Grundsignals G₁ und der Grundschwingungen G_1,2(t) des zweiten Grundsignals G₂: $ϕ (t) = {tan}^{- 1} (\frac{G_{1,1} (t)}{G_{1,2} (t)}) = {tan}^{- 1} (\frac{sin (ϕ_{1} (t))}{cos (ϕ_{1} (t))}) .$
Anschließend werden sowohl die Winkelgeschwindigkeit ω als auch der Winkel ϕ von dem Winkelmodul 34 an das Stromwertkorrekturmodul 36 übergeben.
Das Stromwertkorrekturmodul 36 bestimmt einen Stromkorrekturwert I' und einen entsprechenden Spannungskorrekturwert U' anhand der Winkelgeschwindigkeit ω und des Winkels ϕ.
Schließlich passt das Steuergerät 14 den Stromfluss durch zumindest einen Elektromagneten 20 des Elektromotors 12 (2) anhand des ermittelten Stromkorrekturwerts I' an.
Beispielsweise regelt das Steuergerät 14 den zumindest einen Elektromagneten 20 so, dass ein Strom mit dem Stromkorrekturwert I' durch den Elektromagneten 20 fließt.
In der 5 ist ein Blockschaltbild einer zweite Ausführungsform des Steuergeräts 14 gezeigt. Die zweite Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform, sodass im Folgenden lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird. Gleiche und funktionsgleiche Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Im Unterschied zur ersten Ausführungsform hat das Steuergerät 14 der 5 ein erstes Vorverarbeitungsmoduls 56, ein zweites Vorverarbeitungsmodul 58 und ein Diagnosemodul 60.
Außerdem wird die ermittelte Winkelgeschwindigkeit nicht an die Filtermodule 28, 30 sondern nur an das Winkelmodul 34 übergeben.
Das erste Vorverarbeitungsmodul 56 erzeugt aus dem ersten Rotorpositionssignal P₁ ein erstes vorverarbeitetes Rotorpositionssignal V₁.
Beispielsweise fittet das erste Vorverarbeitungsmodul 56 die reelle trigonometrische Reihe der Gleichung (1) an das erste Rotorpositionssignal P₁ .
Analog erzeugt das zweite Vorverarbeitungsmodul 58 aus dem zweiten Rotorpositionssignal P₂ ein zweites vorverarbeitetes Rotorpositionssignal V₂.
Die vorverarbeiteten Rotorpositionssignale V₁, V₂ werden dann, entsprechend zur ersten Ausführungsform, an das erste Filtermodul 28, das zweite Filtermodul 30 und das Winkelgeschwindigkeitsmodul 32 übergeben.
Das Diagnosemodul 60 erhält das erste Grundsignal G₁ des ersten Rotorpositionssignals P₁ und das zweite Grundsignal G₂ des zweiten Rotorpositionssignals P₂ und diagnostiziert den Elektromotor 12, den Rotorpositionssensor 15 und/oder den Filter 38 anhand der übermittelten Signale.
Genauer gesagt erhält das Diagnosemodul 60 die Parameter, beispielsweise die Oberschwingungsamplituden A_i, die Phasenversätze δ_i und/oder die Offsets C, von dem ersten und/oder zweiten Filtermodul 28, 30 und erzeugt eine Fehlermeldung F, falls einer der Parameter einen für diesen Parameter vorgegebenen Schwellwert über- oder unterschreiten.
Selbstverständlich lassen sich die verschiedenen Merkmale der beiden Ausführungsform beliebig miteinander kombinieren. Insbesondere sind die zur zweiten Ausführungsform als Unterschiede aufgezählten Merkmale unabhängig und können in verschiedener Weise auch in der ersten Ausführungsform vorhanden sein.
Vor allem verwenden die erste und die zweite Ausführungsform jeweils beide Rotorpositionssignale P₁ , P₂

Claims

Verfahren zur Ermittlung des Winkels des Rotors eines Elektromotors (12), der einen Rotor (18) und einen Stator (16) mit zumindest einer Spule aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Erhalten eines ersten Rotorpositionssignals (P₁) von einem Rotorpositionssensor (15) durch ein Steuergerät (14), wobei das Rotorpositionssignal (P₁) eine Projektion der Rotationsbewegung in eine erste von zwei Richtungen (24, 26) in der Rotationsebene (23) des Rotors (18) umfasst, und wobei das erste Rotorpositionssignal (P₁) ein erstes Grundsignal (G₁) und höhere Ordnungen enthält, und Erhalten eines zweiten Rotorpositionssignals (P₂) von dem Rotorpositionssensor (15) durch das Steuergerät (14), wobei das Rotorpositionssignal (P₂) eine Projektion der Rotationsbewegung in die zweite der beiden Richtungen (24, 26) in der Rotationsebene (23) des Rotors (18) umfasst, und wobei das zweite Rotorpositionssignal (P₂) ein zweites Grundsignal (G₂) und höhere Ordnungen enthält, b) Ermitteln der Winkelgeschwindigkeit (ω) des Elektromotors (12) zumindest anhand der zeitlichen Veränderung des ersten Rotorpositionssignals (P₁) mittels eines Winkelgeschwindigkeitsmoduls (32) des Steuergerätes (14), c) Ermitteln des ersten Grundsignals (G₁) anhand der ermittelten Winkelgeschwindigkeit (ω) und des ersten Rotorpositionssignals (P₁) mittels eines ersten Filtermoduls (28) des Steuergerätes (14), wobei das erste Filtermodul (28) einen Filter (38) basierend auf einer Phasenregelschleife auf das erste Rotorpositionssignal (P₁) anwendet und dem Filter (38) das erste Grundsignal (G₁) als Eingangssignal zugeführt wird, und Ermitteln des zweiten Grundsignals (G₂) anhand der ermittelten Winkelgeschwindigkeit (ω) und des zweiten Rotorpositionssignals (P₂) mittels eines zweiten Filtermoduls (30) des Steuergerätes (14), wobei das zweite Filtermodul (30) den Filter (38) basierend auf einer Phasenregelschleife auf das zweite Rotorpositionssignal (P₂) anwendet und dem Filter (38) das zweite Grundsignal (G₂) als Eingangssignal zugeführt wird, d) Ermitteln des Winkels (Φ) des Rotors (18) anhand des ermittelten ersten Grundsignals (G₁) und des ermittelten zweiten Grundsignals (G₂) mittels eines Winkelmoduls (34) des Steuergerätes (14).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Grundsignal (G₁) und/oder das zweite Grundsignal (G₂) lediglich eine Grundschwingung (G₁(t)) aufweist, insbesondere wobei die Grundschwingung (G_1,1(t)) des ersten Grundsignals (G₁) und die Grundschwingung (G_1,2 (t)) des zweiten Grundsignals (G₂) phasenverschoben sind, insbesondere um 90° phasenverschoben.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Winkelmodul (34) den Winkel (Φ) mittels eines Arkustangens, insbesondere einer Arkustangensfunktion mit zwei Variablen, bestimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rotorpositionssignal (P₁) und/oder das zweite Rotorpositionssignal (P₂) mittels eines Vorverarbeitungsmoduls (56, 58) vorverarbeitet werden, bevor sie dem jeweiligen Filtermodul (28, 30) und/oder dem Winkelgeschwindigkeitsmodul (32) zugeführt werden, wobei das Vorverarbeitungsmodul (56, 58) eine reelle trigonometrische Reihe an das jeweilige Rotorpositionssignal (P₁, P₂) fittet und die reelle trigonometrische Reihe als das jeweilige Rotorpositionssignal (P₁, P₂) an das jeweilige Filtermodul (28, 30) und/oder das Winkelgeschwindigkeitsmodul (32) übergibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rotorpositionssignal (P₁) und/oder das zweite Rotorpositionssignal (P₂) durch einen magnetoresistiven Rotorpositionssensor (15) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (38) die Wirkung eines Tiefpassfilters hat, um das Grundsignal (G₁, G₂) zu erzeugen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (38) durch die folgenden Gleichungen beschrieben ist: $\frac{d A_{i} (t)}{d t} = μ_{1 i} \cdot e_{i} (t) \cdot s i n (ϕ_{i} (t)),$
$\frac{d ω_{i} (t)}{d t} = μ_{2 i} \cdot e_{i} (t) \cdot c o s (ϕ_{i} (t)),$
$\frac{d ϕ_{i} (t)}{d t} = μ_{2 i} \cdot μ_{3 i} \cdot e_{i} (t) \cdot c o s (ϕ_{i} (t)) + ω_{0 i},$
$G_{i} (t) = A_{i} (t) \cdot s i n (ϕ_{i} (t)),$
$e_{i} (t) = P (t) - G_{i} (t),$
$ϕ_{i} (t) = ω_{i} \cdot t + δ_{i,}$
wobei i die Ordnung einer Schwingung G_i(t) mit einer Grundfrequenz ω₀ ist, µ_1i, µ_2i und µ_3i sind Verstärkungsfaktoren, A_i sind Amplituden und δ_i Phasenversätze der Schwingungen G_i(t), ϕ_i(t) der zeitabhängige Winkel des Rotors (18), ω_i(t) die zeitabhängige Winkelgeschwindigkeit, e_i(t) eine Fehlerfunktion, P(t) das Rotorpositionssignal und G_i(t) die Grundschwingung und die Oberschwingungen des Grundsignals $Grundschwingung und die Oberschwingungen des Grundsignals G (t) = \sum_{i = 1}^{n} x_{i} (t) des$
des Filters (38).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Ordnungen i>3, insbesondere i > 1, unterdrückt werden und/oder vernachlässigt werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Anwendung des Filters angenommen wird, dass die Amplitude A₁ der Grundschwingung G₁(t) des ersten Rotorpositionssignals (P₁) und/oder des zweiten Rotorpositionssignals (P₂) bekannt ist bzw. sind, und/oder dass der Filter (38) die ermittelte Winkelgeschwindigkeit als Parameter erhält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (38) als Übertragungsfunktion im ersten Filtermodul (28) und/oder im zweiten Filtermodul (30) hinterlegt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (14) ein Diagnosemodul (60) aufweist, wobei das Diagnosemodul (60) wenigstens einen Parameter des Filters (38) vom ersten Filtermodul (28) und/oder vom zweiten Filtermodul (30) erhält, wobei der wenigstens eine Parameter zur Diagnose des Elektromotors (12), des Rotorpositionssensors (15) und/oder des Filters (38) herangezogen wird durch einen Vergleich des wenigstens einen Parameters mit einem vorbestimmten Schwellwert.
Steuergerät für ein Fahrzeug, wobei das Steuergerät (14) dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.