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Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors.
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In
DE 10 2016 207 643 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung einer Position eines Rotors eines Elektromotors bezüglich eines Stators des Elektromotors beschrieben, wobei der Rotor Permanentmagnete und einen Magnetgeber mit mehreren Magnetpolen aufweist, der Stator Drehstromwicklungen und wenigstens einen Magnetfeldaufnehmer aufweist und der Elektromotor elektronisch sensorgesteuert schrittweise kommutiert ist, wobei der Rotor relativ zu dem Stator bewegt wird, dabei in mehreren Kommutierungsschritten Signale des wenigstens einen Magnetfeldaufnehmers erfasst werden und eine Position des Rotors bezüglich des Stators unter Berücksichtigung der in den mehreren Kommutierungsschritten erfassten Signale des wenigstens einen Magnetfeldaufnehmers ermittelt wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, die Drehposition eines Rotors genauer zu erfassen. Der Elektromotor soll genauer angesteuert werden. Der Elektromotor soll effizienter betrieben werden und kostengünstiger aufgebaut sein.
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Wenigstens eine dieser Aufgaben wird durch ein Verfahren zur Ermittlung einer Drehposition mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Dadurch kann die Drehposition des Rotors im Betrieb des Elektromotors genau und zuverlässig erfasst werden. Der Elektromotor kann kostengünstiger ausgeführt werden.
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Der Elektromotor kann in einem Fahrzeug angeordnet sein. Das Fahrzeug kann ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug sein. Der Elektromotor kann in einem Antriebsstrang des Fahrzeugs angeordnet sein. Der Elektromotor kann ein Antriebsdrehmoment zur Fortbewegung des Fahrzeugs bereitstellen. Der Elektromotor kann eine Betätigung eines Betätigungselements, beispielsweise eines Getriebes und/oder einer Kupplung, bewirken.
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Der Elektromotor kann ein bürstenloser Gleichstrommotor sein. Der Elektromotor kann mit einer Wechselspannung angesteuert werden. Der Elektromotor kann mehrpolig aufgebaut sein.
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Der Drehsensor kann ein Rotorlagesensor sein. Der Drehsensor kann ein Messelement und ein Drehelement aufweisen. Das Drehelement kann mit dem Rotor verbunden und um die Drehachse drehbar sein. Das Drehelement kann stirnseitig an dem Rotor angeordnet sein. Das Drehelement kann mehrere umfangsseitig angeordnete Teilsegmente aufweisen. Das Drehelement kann umfangsseitig angeordnete Teilsegmente aufweisen. Das Teilsegment kann ein Kreissegment sein. Das einzelne Teilsegment kann als magnetisiertes Polpaar ausgeführt sein. Die Anzahl an Teilsegmenten kann gleich der Anzahl n an Polpaaren des Elektromotors sein. Das Messelement kann ein analoges Sensorsignal ausgeben. Das Sensorsignal kann ein sinusförmiges Sensorsignal oder ein kosinusförmiges Sensorsignal sein. Weisen die Teilsegmente Fehlstellungen auf, kann die Drehposition durch das vorgeschlagene Verfahren dennoch genau erfasst werden.
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Das Messelement kann als Hallsensor ausgeführt sein. Das Messelement kann dem Drehelement axial gegenüberliegen. Das Messelement kann gehäusefest angeordnet sein.
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Die Drehposition wird bevorzugt unabhängig von einer Drehgeschwindigkeit und/oder Drehbeschleunigung des Rotors ermittelt.
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Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die Abfolge von Messwerten wenigstens zwei Messwerte aufweist, die zeitlich unmittelbar vor dem ersten Zeitpunkt liegen. Die Abfolge von Messwerten kann eine Anzahl an Messwerten aufweisen, die der Anzahl an Referenzwerten der Sensormesswertreferenz entspricht. Dadurch kann ein genauer Vergleich der Messwerte durchgeführt werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Drehsensor ein erstes Sensorelement und ein zweites Sensorelement aufweist und wenigstens einer der Messwerte einen ersten Teilmesswert des ersten Sensorelements und einen zweiten Teilmesswert des zweiten Sensorelements umfasst. Der erste Teilmesswert kann durch ein Sensorsignal des ersten Sensorelements und der zweite Teilmesswert kann durch ein Sensorsignal des zweiten Sensorelements berechnet werden. Das erste Sensorelement kann als erstes Messelement ausgeführt sein. Das zweite Sensorelement kann als zweites Messelement ausgeführt sein. Das erste und zweite Sensorelement können um 90° zueinander um die Drehachse versetzt angeordnet sein. Das erste und/oder zweite Messelement kann als Hall-Sensor ausgeführt sein.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist vorteilhaft, bei der jeder der Referenzwerte und/oder der Messwerte aus der Abfolge an Messwerten den ersten Teilmesswert und den zweiten Teilmesswert umfasst. Auch kann der Referenzwert und/oder der Messwert mehr als zwei Teilmesswerte umfassen.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Teilmesswert eine Amplitude eines sinusförmigen Sensorsignals des ersten Sensorelements ist. Auch kann der erste Teilmesswert eine Phase und/oder ein Offset des sinusförmigen Sensorsignals sein.
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Bei einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn der zweite Teilmesswert eine Amplitude eines kosinusförmigen Sensorsignals des zweiten Sensorelements ist. Auch kann der zweite Teilmesswert eine Phase und/oder ein Offset des kosinusförmigen Sensorsignals sein.
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Bei einer speziellen Ausführung der Erfindung ist es von Vorteil, wenn der Elektromotor n Polpaare und die Sensormesswertreferenz wenigstens n Referenzwerte aufweist. Die Anzahl an Referenzwerten kann gleich zu der Anzahl an Polpaaren des Elektromotors sein.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist vorteilhaft, bei der jeder einem jeweiligen Polpaar entsprechenden Drehposition wenigstens ein Referenzwert zugeordnet wird. Dadurch kann die zu ermittelnde Drehposition und die elektrische Periode des Elektromotors auf das zugeordnete Polpaar eingegrenzt werden.
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Weiterhin wird wenigstens eine der zuvor angegebenen Aufgaben durch ein Verfahren zur elektrischen Ansteuerung eines Elektromotors durch eine Kommutierung abhängig von einer elektrischen Winkelposition des Rotors gelöst, wobei ein Verlauf einer Winkelabweichung der elektrischen Winkelposition abhängig von der mit dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche ermittelten Drehposition berechnet und die elektrische Winkelposition abhängig von der Winkelabweichung berichtigt wird. Dadurch kann die elektrische Winkelposition zur Kommutierung genauer erfasst werden. Die elektrische Winkelposition kann unabhängiger von mechanischen Fehlern und Toleranzen ermittelt werden.
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Bevorzugt wird die Kommutierung abhängig von der berichtigten elektrischen Winkelposition eingestellt. Die berichtigte elektrische Winkelposition kann kostengünstiger ermittelt und dadurch die elektrische Ansteuerung des Elektromotors kostengünstiger durchgeführt werden. Der Elektromotor kann genauer elektrisch angesteuert werden. Die Winkelabweichung kann einen Korrekturwert für die auf Grundlage der elektrischen Winkelposition erfolgende Kommutierung bilden.
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Die elektrische Winkelposition kann aus einem Sensorsignal des Drehsensors, bevorzugt aus dem Sensorsignal des ersten Sensorelements und dem Sensorsignal des zweiten Sensorelements, bevorzugt über eine Arcustangens-Funktion, insbesondere atan2-Funktion, berechnet werden. Dadurch kann die elektrische Winkelposition genau und kostengünstig ermittelt werden. Dabei können das kosinusförmige und sinusförmige Sensorsignal als Eingabesignal zur Berechnung der elektrischen Winkelposition verwendet werden.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung und den Abbildungen.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Abbildungen ausführlich beschrieben. Es zeigen im Einzelnen:
- 1: Einen Ausschnitt einer räumlichen Ansicht eines Rotors zur Anwendung in einem Verfahren in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung.
- 2: Ein Verfahren zur Ermittlung einer Drehposition in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung.
- 3: Einen Verlauf einer Winkelabweichung der elektrischen Winkelposition von der Drehposition.
- 4: Eine Sensormesswertreferenz und eine Abfolge von Messwerten.
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1 zeigt einen Ausschnitt einer räumlichen Ansicht eines Rotors zur Anwendung in einem Verfahren in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. Der Elektromotor 10 umfasst einen Rotor 12, der um eine Drehachse 14 drehbar ist und einen hier nicht dargestellten Stator. Der Stator ist bevorzugt radial innerhalb des Rotors 12 angeordnet und umfasst Drehstromwicklungen, die durch eine Kommutierung elektrisch angesteuert werden, um den Rotor 12 anzutreiben.
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Der Elektromotor 10 ist mehrpolig aufgebaut und weist eine Anzahl n an Polpaaren 16 auf. Die Polpaare 16 werden durch Permanentmagnete 18 gebildet, die an einem Innenumfang des Rotors 12 angeordnet sind. Die Permanentmagnete 18 dienen dazu, dem von den Drehstromwicklungen ausgehenden Magnetfeld zu folgen, damit sich der Rotor 12 um die Drehachse 14 dreht.
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An der Stirnseite des Rotors 12 ist ein ringförmig aufgebautes Drehelement 20 angeordnet. Das Drehelement 20 weist eine vorgegebene Anzahl von Teilsegmenten auf, die jeweils zumindest ein Polpaar 22 umfassen und umfangsseitig abwechselnd um die Drehachse 14 angeordnet sind. Die Permanentmagnete 18 weisen die gleiche Anzahl von Polpaaren 16 wie das Drehelement 20 auf. Ein Polpaar 22 des Drehelements 20 wird dabei von zwei gegensätzlich magnetisierten Magnetpolen N, S gebildet. Die Anzahl der Permanentmagnete 18 wird durch die Anzahl an Polpaaren 16 des Rotors 12 vorgegeben, wodurch bevorzugt auch die Anzahl der Magnetpole N, S auf dem Drehelement 20 vorgegeben wird.
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Ein Magnetfeld des Drehelements 20 ist durch Messelemente, insbesondere Hall-Sensoren, erfassbar. Die Messelemente können dem Drehelement 20 axial gegenüberliegen und bevorzugt fest mit dem Stator verbunden sein.
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2 zeigt ein Verfahren 100 zur Ermittlung einer Drehposition in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren 100 zur Ermittlung einer Drehposition eines Rotors kann im Betrieb des Elektromotors angewendet werden. Die Drehposition des Rotors wird abhängig von Messwerten eines Drehsensors ermittelt, indem zu einem ersten Zeitpunkt im Betrieb des Rotors in einem einleitenden Schritt 102 ein Messsignal 104 des Drehsensors erfasst und aufgenommen wird. Das Messsignal 104 ist bevorzugt ein analoges Signal und umfasst insbesondere ein sinusförmiges Sensorsignal 104.1 und ein kosinusförmiges Sensorsignal 104.2. Das sinusförmige Sensorsignal 104.1 kann von einem ersten Sensorelement des Drehsensors und das kosinusförmige Sensorsignal 104.2 kann von einem zweiten Sensorelement des Drehsensors bereitgestellt werden. Das Messsignal 104 wird in einem nächsten Schritt 106 aufbereitet und als aufbereitetes Messsignal 108 ausgegeben. Dabei kann eine Amplitude, Phase und/oder ein Offset des jeweiligen Sensorsignals 104.1, 104.2 ausgewertet werden und in einem weiteren Schritt 110 verarbeitet werden. Anschließend wird daraus in einem nachfolgenden Schritt 112 die elektrische Winkelposition φe des Rotors berechnet.
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Mit dem aufbereiteten Messsignal 108 und der elektrischen Winkelposition φe wird in einem anschließenden Schritt 114 die Drehposition φr des Rotors in Bezug auf die Drehachse berechnet. Dabei wird eine Sensormesswertreferenz 118 verwendet, die eine festgelegte Abfolge von Referenzwerten R, wie in 4 a) gezeigt, umfasst. Die Referenzwerte R sind bevorzugt Messwerte des Drehsensors, die einer tatsächlichen und überprüften Drehposition des Rotors zugeordnet sind. Die Referenzwerte R können beispielsweise vor einer Inbetriebnahme, insbesondere vor einer Erstinbetriebnahme, des Rotors aufgenommen und gespeichert werden und umfassen wie in 4 a) dargestellt am Beispiel eines 10-poligen Elektromotors zehn Referenzwerte R, die jeweils Messwerten entsprechen, die aus einem ersten Teilmesswert R1, der beispielsweise eine Amplitude eines sinusförmigen Sensorsignals des ersten Sensorelements ist und einem zweiten Teilmesswert R2, der eine Amplitude eines kosinusförmigen Sensorsignals des zweiten Sensorelements ist, aufgebaut und dem jeweiligen Polsegment k des Rotors zugeordnet sind. Die Referenzwerte R können alternativ während des Betriebs des Elektromotors, insbesondere während dem Schritt 106, ermittelt werden. Die Abfolge der Referenzwerte R kann durch ein Verfahren aus dem Bereich der geberlosen Regelung ermittelt werden.
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Wieder mit Bezug auf 2, werden weiterhin zur Ermittlung der Drehposition φr des Rotors zu einem ersten Zeitpunkt die zeitlich vor dem ersten Zeitpunkt aufgezeichneten Messwerte als eine Abfolge 120 von Messwerten verwendet. Wie in 4 b) gezeigt, sind in der Abfolge 120 an Messwerten M eine gleiche Anzahl an Messwerten M wie in der Sensormesswertreferenz enthalten. Die an dem Rotor zu dem ersten Zeitpunkt X vorliegende Drehposition wird abhängig von einem Vergleich zwischen der Abfolge 120 von Messwerten X und X-1 bis X-9, die dem Zeitpunkt X vorausgehen und der Abfolge von Referenzwerten der Sensormesswertreferenz aus 4 a) berechnet. Der Vergleich der Abfolge 120 der Messwerte M zu der Abfolge der Referenzwerte R kann dabei über eine zyklische Faltung erfolgen. Der Vergleich kann im Betrieb des Elektromotors parallel zu der Ermittlung der Drehposition erstellt und aktualisiert werden, ohne den Betrieb des Elektromotors zu beeinträchtigen.
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Mit Bezug auf 2 können mit der ermittelten elektrischen Winkelposition φe und der Drehposition φr in einem nachfolgenden Schritt 122 vorab erfasste Winkelabweichungen Δφ berücksichtigt und berichtigt werden. Die Kommutierung des Elektromotors kann abhängig von der ermittelten Drehposition φr, der elektrischen Winkelposition φe und einem zuvor ermittelten Verlauf zwischen der Winkelabweichung Δφ der elektrischen Winkelposition φe abhängig von der Drehposition φr berechnet werden. Ein Verlauf der Winkelabweichung Δφ ist beispielhaft über die Drehposition φr in 3 abgebildet. In Kenntnis der Drehposition φr kann über den gespeicherten Verlauf der Winkelabweichung Δφ zu der ermittelten Drehposition φr die zu berücksichtigende Winkelabweichung Δφ berechnet werden. Beispielsweise besteht in 3 bei der Drehposition φr von 72° eine Winkelabweichung Δφ von 5°.
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Der Verlauf der Winkelabweichung Δφ kann wie bei der Aufnahme der Sensormesswertreferenz vorab, beispielsweise nach Fertigung des Elektromotors und einer Erstinbetriebnahme und/oder während des Betriebs des Elektromotors aufgezeichnet werden. Beispielsweise kann der Abweichungsverlauf funktional oder in einer Lookup-Tabelle hinterlegt sein. Bei der Ermittlung des Abweichungsverlaufs können mechanische Toleranzen berücksichtigt werden.
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Um die Referenzwerte R der Sensormesswertreferenz 118, wie in 4 a) angegeben und/oder die Abfolge 120 an Messwerten M, wie in 4 b) aufgeführt noch unterscheidbarer auszuführen, kann der Drehsensor geeignet verändert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Elektromotor
- 12
- Rotor
- 14
- Drehachse
- 16
- Polpaar
- 18
- Permanentmagnet
- 20
- Drehelement
- 22
- Polpaar
- 100
- Verfahren
- 102
- Schritt
- 104
- Messsignal
- 104.1
- Sensorsignal
- 104.2
- Sensorsignal
- 106
- Schritt
- 108
- aufbereitetes Messsignal
- 110
- Schritt
- 112
- Schritt
- 114
- Schritt
- 118
- Sensormesswertreferenz
- 120
- Abfolge
- 122
- Schritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016207643 A1 [0002]
