DE102021113633A1 - Method for determining the angle of rotation and speed of one or more rotors - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Bestimmen von Drehwinkel (cp) und Drehzahl (ω) eines oder mehrerer Rotoren (2, 3), die jeweils durch einen Antrieb (15) um eine Rotorachse (6) relativ zu einem Stator (10) gedreht werden, wobei eine Referenzdrehlage (φref) jedes Rotors (2, 3) durch wenigstens einen Sensor (9) erkannt und der Zeitpunkt dieses Erkennens als Erkennungszeitpunkt des jeweiligen Rotors (2, 3) erfasst wird, ein auf einem systemtheoretischen Modell (Σd) eines jeden Antrieb (15) und jeden Rotor (2, 3) umfassenden Systems (13) basierender Schätzer (14) bereitgestellt wird, dem der Erkennungszeitpunkt jedes Rotor (2, 3) oder eine davon abgeleitete Größe als Messgröße (y) des jeweiligen Rotors zur Verfügung gestellt wird, der Schätzer (14) ein- oder mehrmals ausgeführt wird und bei jeder Ausführung des Schätzers (14) Schätzwerte für den Drehwinkel (φ) und die Drehzahl (ω) jedes Rotors (2, 3) prädiziert werden.Method for determining the angle of rotation (cp) and speed (ω) of one or more rotors (2, 3), each of which is rotated by a drive (15) about a rotor axis (6) relative to a stator (10), with a reference rotational position (φref) of each rotor (2, 3) is detected by at least one sensor (9) and the time of this detection is recorded as the detection time of the respective rotor (2, 3), a system-theoretical model (Σd) of each drive (15) and each rotor (2, 3) comprehensive system (13) based estimator (14) is provided, to which the detection time of each rotor (2, 3) or a variable derived therefrom is made available as a measured variable (y) of the respective rotor Estimator (14) is executed one or more times and with each execution of the estimator (14) estimated values for the angle of rotation (φ) and the speed (ω) of each rotor (2, 3) are predicted.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Drehwinkel und Drehzahl eines oder mehrerer Rotoren, die jeweils durch einen Antrieb um eine Rotorachse relativ zu einem Stator gedreht werden, wobei eine Referenzdrehlage jedes Rotors durch wenigstens einen Sensor erkannt und der Zeitpunkt dieses Erkennens als Erkennungszeitpunkt des jeweiligen Rotors erfasst wird.The invention relates to a method for determining the angle of rotation and speed of one or more rotors, which are each rotated by a drive about a rotor axis relative to a stator, with a reference rotational position of each rotor being detected by at least one sensor and the time of this detection as the detection time of the respective Rotor is detected.
In Maschinen werden Unwuchterreger eingesetzt, um Vibrationen zu erzeugen und/oder um störende Vibrationen, beispielsweise mittels destruktiver Interferenz, zu eliminieren oder zumindest zu reduzieren. Zum Steuern oder Regeln eines Unwuchterregers ist es in der Regel erforderlich, den Drehwinkel und die Drehzahl der rotierenden Unwucht zu kennen. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Drehwinkel und Drehzahl von rotierenden Teilen mittels Resolver, Absolutwertgeber oder Inkrementalgeber zu messen, welche z.B. Geberräder umfassen. Die bekannten Möglichkeiten sind jedoch kostenintensiv, was eine Verwendung in der Automobilindustrie erschwert.Imbalance exciters are used in machines in order to generate vibrations and/or to eliminate or at least reduce disturbing vibrations, for example by means of destructive interference. In order to control or regulate an imbalance exciter, it is usually necessary to know the angle of rotation and the speed of the rotating imbalance. It is known from the prior art to measure the angle of rotation and speed of rotating parts by means of resolvers, absolute encoders or incremental encoders, which include encoder wheels, for example. However, the known options are expensive, which makes their use in the automotive industry difficult.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Möglichkeit zur Bestimmung von aktuellen Werten für die Drehzahl und den Drehwinkel eines Rotors zu schaffen.Proceeding from this, the object of the invention is in particular to create a cost-effective possibility for determining current values for the speed and the angle of rotation of a rotor.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen in der nachfolgenden Beschreibung gegeben.According to the invention, this object is achieved by a method according to
Ein Verfahren zum Bestimmen von Drehwinkel und Drehzahl eines oder mehrerer Rotoren, die jeweils durch einen Antrieb um eine Rotorachse relativ zu einem Stator gedreht werden, wobei
- - eine Referenzdrehlage jedes Rotors durch wenigstens einen Sensor erkannt und der Zeitpunkt dieses Erkennens als Erkennungszeitpunkt des jeweiligen Rotors erfasst wird,
- - ein auf einem systemtheoretischen Modell eines jeden Antrieb und jeden Rotor umfassenden Systems basierender Schätzer bereitgestellt wird, dem der Erkennungszeitpunkt jedes Rotors und/oder eine davon abgeleitete Größe als Messgröße des jeweiligen Rotors zur Verfügung gestellt wird,
- - der Schätzer ein- oder mehrmals ausgeführt wird,
- - bei jeder Ausführung des Schätzers Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl jedes Rotors prädiziert werden.
- - a reference rotational position of each rotor is detected by at least one sensor and the time of this detection is recorded as the detection time of the respective rotor,
- - an estimator based on a system-theoretical model of each drive and each rotor-encompassing system is provided, to which the detection time of each rotor and/or a variable derived therefrom is made available as a measured variable of the respective rotor,
- - the estimator is executed one or more times,
- - With each execution of the estimator, estimated values for the angle of rotation and the speed of each rotor are predicted.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es ausreichend, lediglich einen Messwert je Umdrehung jedes Rotors zu erfassen. Somit kann ein einfacher und daher kostengünstiger Sensor zur Erfassung der Rotordrehbewegung eingesetzt werden.With the method according to the invention, it is sufficient to record only one measured value per revolution of each rotor. A simple and therefore cost-effective sensor can thus be used to detect the rotational movement of the rotor.
Bevorzugt werden bei jeder Ausführung des Schätzers die Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl jedes Rotors durch den Schätzer prädiziert. Vorzugsweise handelt es sich bei den Schätzwerten für den Drehwinkel und die Drehzahl jedes Rotors um Schätzwerte für den aktuellen Drehwinkel und die aktuelle Drehzahl des jeweiligen oder jedes Rotors. Der Ausdruck „wenigstens ein“ umfasst insbesondere auch die Bedeutung von „ein“ oder „genau ein“.In each execution of the estimator, the estimated values for the angle of rotation and the rotational speed of each rotor are preferably predicted by the estimator. Preferably, the estimated values for the angle of rotation and the speed of each rotor are estimates for the current angle of rotation and the current speed of the respective or each rotor. The expression "at least one" includes in particular the meaning of "one" or "exactly one".
Bevorzugt werden die Rotoren um dieselbe Rotorachse gedreht. Die Rotorachse bildet insbesondere eine gemeinsame Rotorachse. Vorzugsweise werden die Rotoren relativ zu dem demselben Stator gedreht. Der Stator bildet insbesondere einen gemeinsamen Stator. Die Referenzdrehlage jedes Rotors wird z.B. durch wenigstens einen Sensor je Rotor erkannt. Bevorzugt wird die Referenzdrehlage jedes Rotors aber durch maximal einen Sensor je Rotor erkannt. Vorzugsweise werden die Referenzdrehlagen der Rotoren durch den oder denselben wenigstens einen Sensor erkannt. Der wenigstens eine Sensor bildet insbesondere einen Sensor und/oder einen gemeinsamen Sensor. Bevorzugt ist der wenigstens eine Sensor relativ zu dem Stator ortsfest. Insbesondere ist der wenigstens eine Sensor fest und/oder starr mit dem Stator verbunden. Vorzugsweise ist jeder Rotor, insbesondere um die Rotorachse, drehbar an dem Stator gelagert.The rotors are preferably rotated about the same rotor axis. In particular, the rotor axis forms a common rotor axis. Preferably the rotors are rotated relative to the same stator. In particular, the stator forms a common stator. The reference rotational position of each rotor is detected, for example, by at least one sensor per rotor. However, the reference rotational position of each rotor is preferably detected by a maximum of one sensor per rotor. Preferably, the reference rotational positions of the rotors are detected by the same at least one sensor. The at least one sensor forms in particular a sensor and/or a common sensor. The at least one sensor is preferably stationary relative to the stator. In particular, the at least one sensor is firmly and/or rigidly connected to the stator. Each rotor is preferably mounted on the stator so that it can rotate, in particular about the rotor axis.
Bevorzugt ist der Stator, insbesondere durch ein oder mehrere Koppelelemente, die z.B. wenigstens ein Befestigungsmittel und/oder wenigstens eine Feder und/oder wenigstens einen Dämpfer umfassen, mit einem Träger gekoppelt. Die wenigstens eine Feder und/oder der wenigstens eine Dämpfer müssen dabei aber nicht explizit als Bauelemente vorliegen, sondern können sich z.B. auch durch die Art und Weise der Kopplung des Stators mit dem Träger und/oder durch die Art des einen oder der mehreren Koppelelemente ergeben. Beispielsweise umfasst das wenigstens eine Befestigungsmittel die wenigstens eine Feder und/oder den wenigstens einen Dämpfer. Der Stator und/oder der Träger und/oder das eine oder die mehreren Koppelelemente wird oder werden insbesondere als Tragsystem bezeichnet.The stator is preferably coupled to a carrier, in particular by one or more coupling elements which, for example, comprise at least one fastening means and/or at least one spring and/or at least one damper. The at least one spring and/or the at least one damper must be but are not explicitly present as components, but can also result, for example, from the manner in which the stator is coupled to the carrier and/or from the nature of the one or more coupling elements. For example, the at least one fastener includes the at least one spring and/or the at least one damper. The stator and/or the support and/or the one or more coupling elements is or are referred to in particular as a support system.
Bevorzugt umfasst das System, insbesondere zusätzlich, den Stator und/oder den wenigstens einen Sensor. Vorzugsweise umfasst das System, insbesondere zusätzlich, den Träger und/oder das eine oder die mehreren Koppelelemente und/oder das Tragsystem. Vorteilhaft wird das systemtheoretische Modell des Antriebs, insbesondere vor seiner Bereitstellung, erstellt.The system preferably includes, in particular additionally, the stator and/or the at least one sensor. The system preferably comprises, in particular additionally, the carrier and/or the one or more coupling elements and/or the carrying system. The system-theoretical model of the drive is advantageously created, in particular before it is made available.
Bevorzugt ist oder wird jedem Rotor die oder eine Referenzdrehlage zugeordnet. Vorzugsweise ist oder wird jedem Rotor, insbesondere dabei, lediglich eine einzige Referenzdrehlage zugeordnet. Vorteilhaft erfolgt das Erkennen der Referenzdrehlage jedes Rotors durch den wenigstens einen Sensor nach diesem Zuordnen. Durch das Erkennen der Referenzdrehlage jedes Rotors wird bevorzugt eine Umdrehung des jeweiligen Rotors erkannt. Das Erkennen der Referenzdrehlage jedes Rotors entspricht somit insbesondere dem oder einem Erkennen einer Umdrehung des jeweiligen Rotors. Eine Umdrehung jedes Rotors wird bevorzugt dadurch erkannt, dass die Referenzdrehlage des jeweiligen Rotors erkannt wird.Preferably, each rotor is or will be assigned the or a reference rotational position. Each rotor is or will preferably be assigned only a single reference rotational position, in particular in this case. Advantageously, the reference rotational position of each rotor is recognized by the at least one sensor after this assignment. By detecting the reference rotational position of each rotor, one revolution of the respective rotor is preferably detected. The detection of the reference rotational position of each rotor thus corresponds in particular to the detection or detection of a revolution of the respective rotor. A revolution of each rotor is preferably detected by detecting the reference rotational position of the respective rotor.
Die Referenzdrehlage jedes Rotors wird insbesondere erkannt, wenn ein Referenzort des jeweiligen Rotors zu einem, vorzugsweise gemeinsamen, Referenzort des Stators eine Referenzlage einnimmt, die z.B. dadurch gegeben ist, dass der Referenzort des jeweiligen Rotors zu dem Referenzort des Stators einen größten oder einen kleinsten Abstand aufweist. Der Referenzort des Stators ist bevorzugt durch den Ort des wenigstens einen Sensors definiert. Insbesondere entspricht der Referenzort des Stators dem Ort des wenigstens einen Sensors.The reference rotational position of each rotor is detected in particular when a reference location of the respective rotor assumes a reference position in relation to a, preferably common, reference location of the stator, which is given, for example, by the fact that the reference location of the respective rotor is at a maximum or a minimum distance from the reference location of the stator having. The reference location of the stator is preferably defined by the location of the at least one sensor. In particular, the reference location of the stator corresponds to the location of the at least one sensor.
Bevorzugt ist der Drehwinkel jedes Rotors, insbesondere definitionsgemäß, größer oder gleich 0 und kleiner als 360°. Somit lässt sich z.B. jede mögliche Drehlage jedes Rotors beschreiben. Bevorzugt ist der Drehwinkel jedes Rotors in der Referenzdrehlage gleich Null. Der Drehwinkel oder der Schätzwert für den Drehwinkel jedes Rotors wird z.B. durch, insbesondere numerische, Integration, vorzugsweise aus der Drehzahl oder dem Schätzwert für die Drehzahl des jeweiligen Rotors, bestimmt.The angle of rotation of each rotor is preferably greater than or equal to 0 and less than 360°, in particular by definition. Thus, e.g. every possible rotational position of each rotor can be described. The angle of rotation of each rotor in the reference rotational position is preferably equal to zero. The angle of rotation or the estimated value for the angle of rotation of each rotor is determined, for example, by integration, in particular numerical, preferably from the speed or the estimated value for the speed of the respective rotor.
Bevorzugt ist oder wird jedem Rotor ein Flag zugeordnet. Vorzugsweise wird das Flag jedes Rotors gesetzt, wenn die Referenzdrehlage des jeweiligen Rotors, insbesondere durch den wenigstens einen Sensor, erkannt wurde. Vorzugsweise ist jedes Flag zu Beginn des Verfahrens nicht gesetzt.A flag is preferably assigned to each rotor. The flag of each rotor is preferably set when the reference rotational position of the respective rotor has been detected, in particular by the at least one sensor. Each flag is preferably not set at the beginning of the method.
Der Schätzer wird bevorzugt periodisch ausgeführt. Vorzugsweise wird der Schätzer mit einer, insbesondere vorgegebenen, Ausführungsrate ausgeführt. Die Ausführungsrate des Schätzers beträgt z.B. 100 Hz. Die maximale Drehzahl jedes Rotors ist vorteilhaft kleiner oder gleich der Ausführungsrate. Bevorzugt wird der Schätzer je oder während einer oder jeder Umdrehung jedes Rotors und/oder zwischen zwei aufeinander folgenden Erkennungszeitpunkten jedes Rotors mehrmals ausgeführt. Somit ist es insbesondere möglich, während der oder einer oder jeder Umdrehung jedes Rotors mehrere Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl jedes oder des jeweiligen Rotors zu prädizieren. Bevorzugt wird während einer oder jeder Umdrehung jedes Rotors die Referenzdrehlage des jeweiligen Rotors, insbesondere durch den wenigstens einen Sensor, einmal oder genau einmal erkannt.The estimator is preferably executed periodically. The estimator is preferably executed with an execution rate, in particular a predetermined one. For example, the execution rate of the estimator is 100 Hz. The maximum speed of each rotor is advantageously less than or equal to the execution rate. The estimator is preferably executed several times for each or during one or each revolution of each rotor and/or between two consecutive detection times of each rotor. It is thus possible, in particular, to predict a plurality of estimated values for the angle of rotation and the rotational speed of each or the respective rotor during the or one or each revolution of each rotor. The reference rotational position of the respective rotor is preferably detected once or exactly once during one or each revolution of each rotor, in particular by the at least one sensor.
Bevorzugt wird vor oder bei oder zu jeder Ausführung des Schätzers der oder ein, insbesondere aktueller, Ausführungszeitpunkt des Schätzers erfasst. Vorteilhaft bildet oder umfasst die von dem Erkennungszeitpunkt jedes Rotors abgeleitete Größe einen, vorzugsweise linear, extrapolierten Wert für den Drehwinkel dieses oder des jeweiligen oder jedes Rotors. Der Ausdruck „eine davon abgeleitete Größe“ kann beispielsweise durch den Ausdruck „einen davon abgeleiteten extrapolierten Wert für den Drehwinkel“ ersetzt werden.Preferably, before or during or at each execution of the estimator, the or an, in particular current, execution time of the estimator is recorded. Advantageously, the variable derived from the detection time of each rotor forms or includes a value, preferably linear, extrapolated for the angle of rotation of this or the respective rotor or each rotor. For example, the expression "a quantity derived therefrom" can be replaced by the expression "an extrapolated value for the angle of rotation derived therefrom".
Bevorzugt wird vor oder bei oder zu jeder Ausführung des Schätzers für jeden Rotor geprüft, ob seit der letzten Ausführung des Schätzers die Referenzdrehlage des jeweiligen Rotors erkannt wurde.Before or during or for each execution of the estimator, it is preferably checked for each rotor whether the reference rotational position of the respective rotor has been recognized since the estimator was last executed.
Vorzugsweise wird, insbesondere wenn seit der letzten Ausführung des Schätzers die Referenzdrehlage des jeweiligen Rotors erkannt wurde, auf Basis des zuletzt prädizierten Schätzwerts für die Drehzahl des jeweiligen Rotors und einer Zeitdifferenz zwischen dem, insbesondere aktuellen, Ausführungszeitpunkt des Schätzers und dem Erkennungszeitpunkt des jeweiligen Rotors der oder ein, vorzugsweise linear, extrapolierter Wert für den Drehwinkel des jeweiligen Rotors bestimmt und bevorzugt dem Schätzer als, insbesondere die, Messgröße des jeweiligen Rotors zur Verfügung gestellt. Vorteilhaft bildet der extrapolierte Wert für den Drehwinkel des jeweiligen oder jedes Rotors die von dem Erkennungszeitpunkt des jeweiligen oder jedes Rotors abgeleitete Größe. Der extrapolierte Wert für den Drehwinkel des jeweiligen oder jedes Rotors ergibt sich insbesondere aus dem Produkt aus dem zuletzt prädizierten Schätzwert für die Drehzahl des jeweiligen Rotors und der Zeitdifferenz zwischen dem, insbesondere aktuellen, Ausführungszeitpunkt des Schätzers und dem Erkennungszeitpunkt des jeweiligen Rotors.Preferably, especially if the reference rotational position of the respective rotor has been detected since the estimator was last executed, based on the last predicted estimated value for the speed of the respective rotor and a time difference between the, in particular current, execution time of the estimator and the detection time of the respective rotor or a, preferably linear, extrapo calculated value for the angle of rotation of the respective rotor is determined and preferably made available to the estimator as, in particular, the measured variable of the respective rotor. The extrapolated value for the angle of rotation of the respective or each rotor advantageously forms the variable derived from the time of detection of the respective or each rotor. The extrapolated value for the angle of rotation of the respective rotor or each rotor results in particular from the product of the last predicted estimated value for the rotational speed of the respective rotor and the time difference between the, in particular current, execution time of the estimator and the detection time of the respective rotor.
Gemäß einer Ausgestaltung ist oder wird der Schätzer im Zustandsraum modelliert. Bevorzugt bilden der Drehwinkel und die Drehzahl jedes Rotors Zustandsgrößen des Schätzers. Vorzugsweise werden bei jeder Ausführung des Schätzers Werte für die Zustandsgrößen, vorzugsweise durch den Schätzer, prädiziert. Vorteilhaft umfassen oder bilden die Werte der oder für die Zustandsgrößen die, insbesondere prädizierten, Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl jedes Rotors. Beispielsweise bildet, insbesondere zusätzlich oder auch, eine Winkelbeschleunigung jedes Rotors eine Zustandsgröße des Schätzers.According to one embodiment, the estimator is or will be modeled in the state space. The angle of rotation and the rotational speed of each rotor preferably form state variables of the estimator. With each execution of the estimator, values for the state variables are preferably predicted, preferably by the estimator. Advantageously, the values of or for the state variables include or form the, in particular predicted, estimated values for the angle of rotation and the speed of each rotor. For example, an angular acceleration of each rotor forms, in particular additionally or also, a state variable of the estimator.
Wird, insbesondere zumindest näherungsweise, davon ausgegangen, dass mit dem systemtheoretischen Modell das dynamische Verhalten des Systems exakt beschrieben wird und der Sensor fehlerfrei misst, kann der Schätzer z.B. durch einen Beobachter gebildet sein. Beispielsweise umfasst oder bildet der Schätzer einen Beobachter. In diesem Fall wird anstelle von „prädizieren“ insbesondere auch von „rekonstruieren“ gesprochen. Bevorzugt umfasst die Bedeutung des Worts prädizieren auch diese Bedeutung von rekonstruieren. Der Beobachter ist z.B. einen Luenberger-Beobachter.If it is assumed, in particular at least approximately, that the dynamic behavior of the system is described exactly with the system-theoretical model and the sensor measures correctly, the estimator can be formed by an observer, for example. For example, the estimator includes or forms an observer. In this case, instead of "predicate", the term "reconstruct" is used in particular. The meaning of the word predict preferably also includes this meaning of reconstruct. The observer is e.g. a Luenberger observer.
In der Realität treten jedoch regelmäßig nicht deterministisch beschreibbare, regellose Störungen des Systems auf. Beispielsweise berücksichtigt der Schätzer als Zustandsgrößen und/oder als Eingangsgrößen und/oder als Messgrößen, insbesondere lediglich, den Drehwinkel und/oder die Drehzahl und/oder die Erkennungszeitpunkte. In der Praxis können aber z.B. auch Beschleunigungen jedes Rotors auftreten. Ferner erfolgt das Erkennen der Referenzdrehlage jedes Rotors mittels des wenigstens einen Sensors in der Regel nicht fehlerfrei.In reality, however, random system disturbances that cannot be described deterministically occur regularly. For example, the estimator takes into account, in particular only, the angle of rotation and/or the speed and/or the detection times as state variables and/or as input variables and/or as measured variables. In practice, however, acceleration of each rotor can also occur, for example. Furthermore, the detection of the reference rotational position of each rotor by means of the at least one sensor is usually not error-free.
Bevorzugt berücksichtigt der Schätzer nicht deterministisch beschreibbare, regellose Störungen des Systems in Form eines Systemrauschens. Vorzugsweise berücksichtigt der Schätzer Beschleunigungen des Rotors als, insbesondere additive, Störung in Form des oder eines Systemrauschens. Bei dem Systemrauschen handelt es sich vorteilhaft um ein mittelwertfreies und/oder additives und/oder weißes und/oder gaußsches Rauschen.The estimator preferably takes into account random system disturbances that cannot be described deterministically in the form of system noise. The estimator preferably takes into account accelerations of the rotor as, in particular additive, disturbances in the form of the system noise or noise. The system noise is advantageously zero-mean and/or additive and/or white and/or Gaussian noise.
Bevorzugt berücksichtigt der Schätzer eine Messungenauigkeit des Sensors als, insbesondere additive, Störung in Form eines Messrauschens. Bei dem Messrauschen handelt es sich vorzugsweise um ein mittelwertfreies und/oder additives und/oder weißes und/oder gaußsches Rauschen. Die Varianz des Messrauschens wird vorteilhaft auf Basis einer, insbesondere gegebenen und/oder ermittelten, Winkel-Messungenauigkeit des Sensors ermittelt und/oder abgeschätzt und/oder bestimmt, beispielsweise unter Zuhilfenahme der Drei-Sigma-Regel. Der Betrag der Winkelmessungenauigkeit des Sensors wird z.B. mit dem dreifachen Wert der Standardabweichung des Messrauschens gleichgesetzt.The estimator preferably takes into account a measurement inaccuracy of the sensor as, in particular additive, interference in the form of measurement noise. The measurement noise is preferably a mean value-free and/or additive and/or white and/or Gaussian noise. The variance of the measurement noise is advantageously determined and/or estimated and/or determined on the basis of an in particular given and/or determined angle measurement inaccuracy of the sensor, for example with the aid of the three sigma rule. For example, the amount of angular measurement uncertainty of the sensor is set equal to three times the standard deviation of the measurement noise.
Die Rauschprozesse, d.h. insbesondere das Systemrauschen und das Messrauschen, sind vorzugsweise unkorreliert.The noise processes, i.e. in particular the system noise and the measurement noise, are preferably uncorrelated.
Bevorzugt werden das Systemrauschen und/oder das Messrauschen als Zufallsprozesse modelliert. Damit werden in der Regel aber auch die Zustandsgrößen und/oder Ausgangsgrößen des Schätzers zu Zufallsprozessen. Ein Schätzer, mit dem solche Zufallsprozesse handhabbar sind, ist z.B. das Kalman-Filter. Vorzugsweise umfasst oder bildet der Schätzer ein Kalman-Filter. Mit einem Kalman-Filter als Schätzer wurden in Versuchen gute Ergebnisse erzielt.The system noise and/or the measurement noise are preferably modeled as random processes. As a rule, however, the state variables and/or output variables of the estimator also become random processes. An estimator with which such random processes can be handled is e.g. the Kalman filter. The estimator preferably comprises or forms a Kalman filter. Good results have been obtained in experiments using a Kalman filter as an estimator.
Gemäß einer Weiterbildung führt der Schätzer bei jeder Ausführung für jeden Rotor einen Prädiktionsschritt aus, in dem insbesondere die Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl jedes oder des jeweiligen Rotors prädiziert werden.According to a development, the estimator carries out a prediction step for each rotor in each execution, in which in particular the estimated values for the angle of rotation and the rotational speed of each or the respective rotor are predicted.
Bevorzugt werden, beispielsweise bei jeder Ausführung des Schätzers, vorzugsweise wenn seit der letzten Ausführung des Schätzers die Referenzdrehlage des jeweiligen Rotors nicht erkannt wurde, insbesondere in dem oder einem Prädiktionsschritt, die Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl des jeweiligen Rotors, insbesondere auf Basis zuletzt prädizierter oder der zuletzt prädizierten Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl des jeweiligen Rotors, vorzugsweise durch den Schätzer, prädiziert.For example, whenever the estimator is executed, preferably if the reference rotational position of the respective rotor has not been detected since the estimator was last executed, in particular in the or a prediction step, the estimated values for the angle of rotation and the speed of the respective rotor, in particular on the basis of the last predicted or the last predicted estimated values for the angle of rotation and the speed of the respective rotor, preferably by the estimator.
Vorteilhaft werden, beispielsweise bei jeder Ausführung des Schätzers, insbesondere wenn seit der letzten Ausführung des Schätzers die Referenzdrehlage des jeweiligen Rotors erkannt wurde, vorzugsweise vor dem oder einem Prädiktionsschritt, insbesondere in einem Korrekturschritt, zuletzt prädizierte oder die zuletzt prädizierten Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl des jeweiligen Rotors, insbesondere auf Basis des Erkennungszeitpunkts des jeweiligen Rotors oder der davon abgeleiteten Größe und/oder auf Basis der Messgröße des jeweiligen Rotors, vorzugsweise durch den Schätzer, korrigiert, wonach, insbesondere in dem oder einem Prädiktionsschritt, die Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl des jeweiligen Rotors auf Basis der korrigierten Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl des jeweiligen Rotors, vorzugsweise durch den Schätzer, prädiziert werden. Vorzugsweise wird, beispielsweise bei jeder Ausführung des Schätzers, wenn seit der letzten Ausführung des Schätzers die Referenzdrehlage des jeweiligen Rotors erkannt wurde, insbesondere zusätzlich, das Flag des jeweiligen Rotors gelöscht oder zurückgesetzt. Vorteilhaft wird, beispielsweise bei jeder Ausführung des Schätzers, das Flag jedes Rotors gelöscht oder zurückgesetzt, wenn seit der letzten Ausführung des Schätzers für den jeweiligen Rotor die Referenzdrehlage erkannt und/oder ein Korrekturschritt durchgeführt wurde.Advantageously, for example each time the estimator is executed, particularly if the reference rotational position of the respective rotor has been recognized since the estimator was last executed, preferably before the prediction step or a prediction step, particularly in a correction step, the last predicted or the last predicted estimated values for the angle of rotation and the The rotational speed of the respective rotor is corrected, in particular on the basis of the detection time of the respective rotor or the variable derived therefrom and/or on the basis of the measured variable of the respective rotor, preferably by the estimator, after which, in particular in the or a prediction step, the estimated values for the angle of rotation and the speed of the respective rotor is predicted based on the corrected estimated values for the angle of rotation and the speed of the respective rotor, preferably by the estimator. Preferably, for example each time the estimator is executed, if the reference rotational position of the respective rotor has been detected since the estimator was last executed, the flag of the respective rotor is preferably additionally deleted or reset. Advantageously, for example each time the estimator is executed, the flag of each rotor is deleted or reset if the reference rotational position has been recognized and/or a correction step has been carried out for the respective rotor since the estimator was last executed.
Bevorzugt erfolgt, beispielsweise bei jeder Ausführung des Schätzers, die Prüfung, ob seit der letzten Ausführung des Schätzers die Referenzdrehlage des jeweiligen Rotors erkannt wurde, dadurch, dass das Flag des jeweiligen Rotors geprüft wird. Ist das Flag gesetzt, wurde z.B. seit der letzten Ausführung des Schätzers die Referenzdrehlage des jeweiligen Rotors erkannt. Ist das Flag nicht gesetzt, wurde z.B. seit der letzten Ausführung des Schätzers die Referenzdrehlage des jeweiligen Rotors nicht erkannt.Preferably, for example each time the estimator is executed, the check is carried out as to whether the reference rotational position of the respective rotor has been recognized since the estimator was last executed, by checking the flag of the respective rotor. If the flag is set, e.g. the reference rotational position of the respective rotor has been recognized since the estimator was last executed. If the flag is not set, the reference rotational position of the respective rotor has not been recognized since the estimator was last run.
Bevorzugt werden, beispielsweise bei jeder Ausführung des Schätzers, vorzugsweise wenn seit der letzten Ausführung des Schätzers die Referenzdrehlage des jeweiligen Rotors nicht erkannt wurde, insbesondere vor dem oder einem Prädiktionsschritt, die den jeweiligen Rotor betreffenden Elemente der oder einer Kalman-Verstärkung und/oder Rückführungsmatrix, vorzugsweise vor oder in dem oder einem Korrekturschritt, gleich Null gesetzt. Dies gilt insbesondere, wenn der Schätzer ein Kalman-Filter umfasst oder bildet. Somit kann z.B. sichergestellt werden, dass die Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl des jeweiligen Rotors, auf Basis der zuletzt prädizierten Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl des jeweiligen Rotors prädiziert werden.Preferably, for example with each execution of the estimator, preferably if the reference rotational position of the respective rotor has not been recognized since the last execution of the estimator, in particular before the or a prediction step, the elements of the Kalman amplification and/or feedback matrix relevant to the respective rotor , preferably set to zero before or in the or a correction step. This applies in particular if the estimator comprises or forms a Kalman filter. It can thus be ensured, for example, that the estimated values for the angle of rotation and the speed of the respective rotor are predicted on the basis of the last predicted estimated values for the angle of rotation and the speed of the respective rotor.
Bevorzugt werden, beispielsweise bei jeder Ausführung des Schätzers, vorteilhaft im Prädiktionsschritt, die Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl jedes oder des jeweiligen Rotors, insbesondere zusätzlich oder auch, auf Basis und/oder unter Berücksichtigung des oder eines Systemrauschens prädiziert.Preferably, for example in each execution of the estimator, advantageously in the prediction step, the estimated values for the angle of rotation and the speed of each or the respective rotor are predicted, in particular additionally or also, on the basis and/or taking into account the or a system noise.
Vorzugsweise werden, beispielsweise bei jeder Ausführung des Schätzers, insbesondere wenn seit der letzten Ausführung des Schätzers die Referenzdrehlage des jeweiligen Rotors erkannt wurde, vorteilhaft im Korrekturschritt, die zuletzt prädizierten Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl des jeweiligen Rotors, insbesondere zusätzlich oder auch, auf Basis und/oder unter Berücksichtigung des oder eines Messrauschens korrigiert.Preferably, for example each time the estimator is executed, in particular if the reference rotational position of the respective rotor has been detected since the last execution of the estimator, advantageously in the correction step, the last predicted estimated values for the angle of rotation and the speed of the respective rotor are, in particular additionally or also, on Corrected on the basis and/or taking into account the or a measurement noise.
Gemäß einer Ausgestaltung ist der Antrieb jedes Rotors ein drehzahlgeregelter Antrieb, mittels welchem insbesondere die Drehzahl des jeweiligen Rotors, vorzugsweise in Abhängigkeit von einem Sollwert für die Drehzahl des jeweiligen Rotors, geregelt wird. Der drehzahlgeregelte Antrieb jedes Rotors umfasst bevorzugt einen Drehzahlregler und einen Motor. Der Motor des drehzahlgeregelten Antriebs jedes Rotors umfasst vorzugsweise eine, beispielsweise als Hohlwelle ausgebildete, Motorwelle. Vorteilhaft ist die Motorwelle des Motors des drehzahlgeregelten Antriebs jedes Rotors, insbesondere drehstarr, mit dem jeweiligen Rotor verbunden. Ergänzend oder alternativ ist die Motorwelle des Motors des drehzahlgeregelten Antriebs jedes Rotors z.B. durch den jeweiligen Rotor gebildet und/oder integral mit diesem ausgebildet. Bevorzugt wird mittels des Drehzahlreglers des drehzahlgeregelten Antriebs jedes Rotors der Schätzwert für die Drehzahl des jeweiligen Rotors in Abhängigkeit von dem oder einem Sollwert für die Drehzahl des jeweiligen Rotors geregelt. Der Drehzahlregler des drehzahlgeregelten Antriebs jedes Rotors ist vorzugsweise ein PI-Regler. Vorteilhaft wird der Sollwert für die Drehzahl jedes Rotors dem Schätzer als Eingangsgröße, insbesondere für den jeweiligen Rotor, zur Verfügung gestellt.According to one embodiment, the drive of each rotor is a speed-controlled drive, by means of which in particular the speed of the respective rotor is controlled, preferably as a function of a target value for the speed of the respective rotor. The speed-controlled drive of each rotor preferably comprises a speed controller and a motor. The motor of the speed-controlled drive of each rotor preferably comprises a motor shaft, for example designed as a hollow shaft. The motor shaft of the motor of the speed-controlled drive of each rotor is advantageously connected to the respective rotor, in particular in a torsionally rigid manner. Additionally or alternatively, the motor shaft of the motor of the speed-controlled drive of each rotor is formed, for example, by the respective rotor and/or is formed integrally with it. The estimated value for the speed of the respective rotor is preferably controlled by means of the speed controller of the speed-controlled drive of each rotor as a function of the or a desired value for the speed of the respective rotor. The speed controller of the speed-controlled drive of each rotor is preferably a PI controller. The desired value for the rotational speed of each rotor is advantageously made available to the estimator as an input variable, in particular for the respective rotor.
Bevorzugt werden, beispielsweise bei jeder Ausführung des Schätzers, vorteilhaft im Prädiktionsschritt, die Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl jedes oder des jeweiligen Rotors, insbesondere zusätzlich oder auch, auf Basis und/oder unter Berücksichtigung der, insbesondere jeweiligen, Eingangsgröße und/oder des Sollwerts für die Drehzahl des jeweiligen Rotors prädiziert. Vorzugsweise werden, beispielsweise bei jeder Ausführung des Schätzers, insbesondere wenn seit der letzten Ausführung des Schätzers die Referenzdrehlage des jeweiligen Rotors erkannt wurde, vorteilhaft im Korrekturschritt, die zuletzt prädizierten Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl des jeweiligen Rotors, insbesondere zusätzlich oder auch, auf Basis und/oder unter Berücksichtigung der, insbesondere jeweiligen, Eingangsgröße und/oder des Sollwerts für die Drehzahl des jeweiligen Rotors korrigiert.For example, in each execution of the estimator, advantageously in the prediction step, the estimated values for the angle of rotation and the speed of each or the respective rotor are preferred, in particular additionally or also, on the basis and/or taking into account the, in particular respective, input size and/or the target value for the speed of the respective rotor. Preferably, for example each time the estimator is executed, in particular if the reference rotational position of the respective rotor has been detected since the last execution of the estimator, advantageously in the correction step, the last predicted estimated values for the angle of rotation and the speed of the respective rotor are, in particular additionally or also, on Corrected on the basis and/or taking into account the, in particular respective, input variable and/or the target value for the rotational speed of the respective rotor.
Bevorzugt wird der Sollwert für die Drehzahl jedes Rotors, insbesondere mittels einer Steuereinheit, vorgegeben und/oder bereitgestellt. Insbesondere werden die, vorzugsweise prädizierten und/oder korrigierten, Schätzwerte für den Drehwinkel und/oder die Drehzahl jedes oder des jeweiligen Rotors der Steuereinheit und/oder dem drehzahlgeregelten Antrieb des jeweiligen Rotors und/oder dem Drehzahlregler des drehzahlgeregelten Antriebs des jeweiligen Rotors zur Verfügung gestellt.The target value for the rotational speed of each rotor is preferably specified and/or provided, in particular by means of a control unit. In particular, the preferably predicted and/or corrected estimated values for the angle of rotation and/or the speed of each or the respective rotor are made available to the control unit and/or the speed-controlled drive of the respective rotor and/or the speed controller of the speed-controlled drive of the respective rotor .
Der Motor des drehzahlgeregelten Antriebs jedes Rotors ist bevorzugt ein Elektromotor, beispielsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor. Vorzugsweise umfasst der drehzahlgeregelte Antrieb jedes Rotors einen Stromregler. Vorteilhaft wird mittels des Stromreglers des drehzahlgeregelten Antriebs jedes Rotors wenigstens ein dem Elektromotor des drehzahlgeregelten Antriebs des jeweiligen Rotors zugeführter elektrischer Motorstrom, vorzugsweise in Abhängigkeit von wenigstens einem Sollwert für den Motorstrom des Elektromotors des drehzahlgeregelten Antriebs des jeweiligen Rotors, geregelt. Bevorzugt wird der wenigstens eine Sollwert für den wenigstens einen Motorstrom des Elektromotors des drehzahlgeregelten Antriebs jedes oder des jeweiligen Rotors, insbesondere von dem Drehzahlregler des drehzahlgeregelten Antriebs des jeweiligen Rotors, bereitgestellt oder zur Verfügung gestellt.The motor of the speed-controlled drive of each rotor is preferably an electric motor, for example a brushless DC motor. The speed-controlled drive of each rotor preferably includes a current controller. Advantageously, at least one electric motor current fed to the electric motor of the speed-controlled drive of the respective rotor is regulated by means of the current controller of the speed-controlled drive of each rotor, preferably as a function of at least one setpoint value for the motor current of the electric motor of the speed-controlled drive of the respective rotor. Preferably, the at least one setpoint for the at least one motor current of the electric motor of the speed-controlled drive of each or the respective rotor is provided or made available, in particular by the speed controller of the speed-controlled drive of the respective rotor.
Der Stromregler des drehzahlgeregelten Antriebs jedes Rotors ist bevorzugt dem Drehzahlregler des drehzahlgeregelten Antriebs des jeweiligen Rotors unterlagert und/oder zwischen den Drehzahlregler und den Elektromotor des drehzahlgeregelten Antriebs des jeweiligen Rotors geschaltet. Vorteilhaft handelt es sich bei der Drehzahlregelung des Elektromotors des drehzahlgeregelten Antriebs jedes Rotors und um eine Drehzahlregelung mit unterlagerter Stromregelung. Der Stromregler des drehzahlgeregelten Antriebs jedes Rotors ist vorzugsweise ein PI-Regler.The current controller of the speed-controlled drive of each rotor is preferably subordinate to the speed controller of the speed-controlled drive of the respective rotor and/or connected between the speed controller and the electric motor of the speed-controlled drive of the respective rotor. The speed control of the electric motor of the speed-controlled drive of each rotor and a speed control with subordinate current control are advantageously involved. The current controller of the speed-controlled drive of each rotor is preferably a PI controller.
Bevorzugt ist eine Steuervorrichtung vorgesehen, welche insbesondere den Schätzer und/oder den Beobachter und/oder das Kalman-Filter und/oder den Drehzahlregler des Antriebs jedes Rotors und/oder den Stromregler des Antriebs jedes Rotors und/oder die Steuereinheit umfasst. Vorzugsweise umfasst die Steuervorrichtung den wenigstens einen Sensor und/oder ist mit diesem verbunden. Vorteilhaft umfasst die Steuervorrichtung wenigstens einen Digitalrechner. Beispielsweise umfasst die Steuervorrichtung wenigstens einen digitalen Signalprozessor und/oder Mikrocontroller. Der Schätzer liegt bevorzugt in Form eines Programms vor, welches von der Steuervorrichtung und/oder von dem Digitalrechner und/oder von dem digitalen Signalprozessor und/oder von dem Mikrocontroller ausgeführt wird.A control device is preferably provided, which in particular includes the estimator and/or the observer and/or the Kalman filter and/or the speed controller of the drive of each rotor and/or the current controller of the drive of each rotor and/or the control unit. The control device preferably comprises the at least one sensor and/or is connected to it. The control device advantageously includes at least one digital computer. For example, the control device includes at least one digital signal processor and/or microcontroller. The estimator is preferably in the form of a program which is executed by the control device and/or by the digital computer and/or by the digital signal processor and/or by the microcontroller.
Bevorzugt wird der Sollwert für die Drehzahl jedes Rotors, insbesondere mittels der Steuervorrichtung, vorgegeben und/oder bereitgestellt. Insbesondere werden die, vorzugsweise prädizierten und/oder korrigierten, Schätzwerte für den Drehwinkel und/oder die Drehzahl jedes Rotors der Steuervorrichtung und/oder dem drehzahlgeregelten Antrieb des jeweiligen Rotors und/oder dem Drehzahlregler des drehzahlgeregelten Antriebs des jeweiligen Rotors zur Verfügung gestellt.The target value for the rotational speed of each rotor is preferably specified and/or provided, in particular by means of the control device. In particular, the preferably predicted and/or corrected estimated values for the angle of rotation and/or the speed of each rotor are made available to the control device and/or the speed-controlled drive of the respective rotor and/or the speed controller of the speed-controlled drive of the respective rotor.
Bevorzugt ist eine Zeiterfassungsvorrichtung vorgesehen. Die Erkennungszeitpunkte und/oder jeder Erkennungszeitpunkt wird vorzugsweise durch die oder eine Zeiterfassungsvorrichtung erfasst. Vorteilhaft umfasst die Steuervorrichtung die Zeiterfassungsvorrichtung.A time recording device is preferably provided. The recognition times and/or each recognition time is preferably recorded by the or a time recording device. The control device advantageously includes the time recording device.
Gemäß einer Weiterbildung weist jeder Rotor eine gegenüber der Rotorachse versetzt angeordnete Hauptträgheitsachse auf. Insbesondere ergibt sich somit durch Drehen jedes Rotors eine Unwucht. Bevorzugt bildet oder bilden das System und/oder jeder Antrieb und/oder jeder Rotor und/oder der Stator und/oder der wenigstens eine Sensor einen Unwuchterreger. Vorzugsweise überlagern sich die Unwuchten, insbesondere zu einer resultieren Unwucht. Bevorzugt weist jeder Rotor eine, insbesondere bezüglich der Rotorachse exzentrische, Unwuchtmasse auf, die vorzugsweise im, insbesondere radialen, Abstand zur Rotorachse angeordnet ist. Beispielsweise ist oder wird jede Unwuchtmasse an dem jeweiligen Rotor montiert. Vorzugsweise bildet jede Unwuchtmasse einen, insbesondere radialen, Vorsprung des jeweiligen Rotors. Bevorzugt erstrecken sich die Unwuchtmassen, insbesondere jeweils, in Richtung der Rotorachse. Vorteilhaft wird der Unwuchterreger zur Kompensation und/oder zur Reduzierung von, insbesondere störenden, Schwingungen eingesetzt. Beispielsweise wird der Unwuchterreger in einem Fahrzeug eingesetzt, welches insbesondere ein Kraftfahrzeug ist.According to a development, each rotor has a main axis of inertia that is offset relative to the rotor axis. In particular, the rotation of each rotor results in an imbalance. The system and/or each drive and/or each rotor and/or the stator and/or the at least one sensor preferably forms an imbalance exciter. The imbalances are preferably superimposed, in particular resulting in an imbalance. Each rotor preferably has an unbalanced mass, in particular eccentric with respect to the rotor axis, which is preferably arranged at a distance, in particular radial, from the rotor axis. For example, each imbalance mass is or will be mounted on the respective rotor. Each unbalanced mass preferably forms a projection, in particular a radial projection, of the respective rotor. The unbalanced masses preferably extend, in particular in each case, in the direction of the rotor axis. The imbalance exciter is advantageous for compensating for and/or reducing vibrations, in particular those that are disruptive deployed. For example, the imbalance exciter is used in a vehicle, which is in particular a motor vehicle.
Gemäß einer Ausgestaltung werden, vorzugsweise für jeden Rotor, mittels des wenigstens einen Sensors, insbesondere exzentrizitätsbedingte, Abstandsänderungen zwischen dem jeweiligen oder jedem Rotor und dem wenigstens einen Sensor erfasst. Bevorzugt wird, insbesondere dadurch, die Referenzdrehlage des jeweiligen oder jedes Rotors erkannt. Vorteilhaft wird, vorzugsweise für jeden Rotor, die Referenzdrehlage des jeweiligen oder jedes Rotors durch den wenigstens einen Sensor dadurch erkannt, dass, insbesondere exzentrizitätsbedingte, Abstandsänderungen zwischen dem wenigstens einen Sensor und dem jeweiligen oder jedem Rotor mittels des wenigstens einen Sensors erfasst werden. Vorzugsweise ist der wenigsten eine Sensor ein Näherungssensor. Beispielsweise ist oder wird, vorzugsweise für jeden oder den jeweiligen Rotor, die Referenzlage und/oder Referenzdrehlage durch einen minimalen oder durch einen maximalen Abstand zwischen dem jeweiligen oder jedem Rotor und dem wenigstens einen Sensor definiert. Die Referenzlage entspricht z.B. der Referenzdrehlage. Die Referenzdrehlage jedes Rotors wird insbesondere erkannt, wenn der Abstand zwischen dem Referenzort des jeweiligen Rotors und dem Referenzort des Stators ein Minimum oder ein Maximum annimmt.According to one embodiment, the at least one sensor is used, preferably for each rotor, to detect changes in distance between the respective rotor or each rotor and the at least one sensor, in particular changes caused by eccentricity. The reference rotational position of the respective or each rotor is preferably recognized, in particular as a result. Advantageously, preferably for each rotor, the reference rotational position of the respective or each rotor is recognized by the at least one sensor in that changes in distance, in particular those caused by eccentricity, between the at least one sensor and the respective or each rotor are detected by means of the at least one sensor. Preferably, the at least one sensor is a proximity sensor. For example, the reference position and/or reference rotational position is or will be defined, preferably for each or the respective rotor, by a minimum or by a maximum distance between the respective or each rotor and the at least one sensor. The reference position corresponds, for example, to the reference rotation position. The reference rotational position of each rotor is recognized in particular when the distance between the reference location of the respective rotor and the reference location of the stator assumes a minimum or a maximum.
Bevorzugt wird von dem wenigstens einen Sensor ein Sensorsignal zur Verfügung gestellt, welches insbesondere den oder einen Abstand zwischen dem Referenzort jedes Rotors und dem Referenzort des Stators charakterisiert. Beispielsweise charakterisiert das Sensorsignal den Abstand zwischen der Unwuchtmasse des jeweiligen oder jedes Rotors und dem Sensor. Vorzugsweise ist oder wird der Sensor mit einem Schwellenwertschalter kombiniert. Vorteilhaft wird, insbesondere somit, die Referenzdrehlage jedes Rotors dadurch erkannt, dass das oder ein von dem Sensor zur Verfügung gestelltes Sensorsignal einen, insbesondere vorgegebenen, Schwellenwert erreicht oder überschreitet oder unterschreitet.A sensor signal is preferably made available by the at least one sensor, which in particular characterizes the or a distance between the reference location of each rotor and the reference location of the stator. For example, the sensor signal characterizes the distance between the imbalance mass of the respective rotor or each rotor and the sensor. Preferably, the sensor is or will be combined with a threshold switch. The reference rotational position of each rotor is thus advantageously detected, in particular, in that the or a sensor signal made available by the sensor reaches or exceeds or falls below a threshold value, in particular a predetermined one.
Bevorzugt besteht jeder Rotor und/oder die Unwuchtmasse jedes Rotors, insbesondere zumindest teilweise, aus einem magnetischen Werkstoff, vorteilhaft aus einem ferromagnetischen Werkstoff. Vorzugsweise bildet oder umfasst der wenigstens eine Sensor einen oder wenigstens einen Magnetfeldsensor. Beispielsweise bildet oder umfasst der wenigstens eine Sensor einen oder wenigstens ein Hall-Sensor. Vorteilhaft ist zusammen mit dem wenigstens einen Sensor wenigstens ein Magnet vorgesehen, der vorzugsweise ein Mess-Magnetfeld erzeugt, dem der wenigstens eine Sensor ausgesetzt ist. Bevorzugt ist das Mess-Magnetfeld durch den Rotor und/oder durch die Unwuchtmasse beeinflussbar und/oder veränderbar, was insbesondere mittels des wenigstens einen Sensors erfassbar ist. Der wenigstens eine Magnet ist vorzugsweise ein Permanentmagnet.Each rotor and/or the unbalanced mass of each rotor preferably consists, in particular at least partially, of a magnetic material, advantageously of a ferromagnetic material. The at least one sensor preferably forms or comprises one or at least one magnetic field sensor. For example, the at least one sensor forms or includes one or at least one Hall sensor. At least one magnet is advantageously provided together with the at least one sensor, which magnet preferably generates a measuring magnetic field to which the at least one sensor is exposed. The measuring magnetic field can preferably be influenced and/or changed by the rotor and/or by the imbalance mass, which can be detected in particular by means of the at least one sensor. The at least one magnet is preferably a permanent magnet.
Bevorzugt drehen sich die Rotoren in dieselbe Richtung und/oder die Rotoren weisen insbesondere denselben Drehsinn auf. Beispielsweise sind die Rotoren mechanisch voneinander entkoppelt. In diesem Fall können die Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl der Rotoren z.B. unabhängig voneinander prädiziert werden. Insbesondere sind die Rotoren aber, beispielsweise über den Stator und/oder das Tragsystem, mechanisch miteinander gekoppelt.The rotors preferably rotate in the same direction and/or the rotors have in particular the same direction of rotation. For example, the rotors are mechanically decoupled from one another. In this case, the estimated values for the angle of rotation and the speed of the rotors can, for example, be predicted independently of one another. In particular, however, the rotors are mechanically coupled to one another, for example via the stator and/or the support system.
Gemäß einer Weiterbildung beträgt die Anzahl der Rotoren zwei. Beispielsweise bildet einer der Rotoren einen ersten Rotor und ein anderer der Rotoren einen zweiten Rotor. Die Rotoren sind bevorzugt identisch aufgebaut. Vorzugsweise steht die Unwuchtmasse des ersten Rotors in Richtung auf den zweiten Rotor vor und/oder die Unwuchtmasse des zweiten Rotors steht vorzugsweise in Richtung auf den ersten Rotor vor. Vorteilhaft schneidet eine mittig zwischen den Rotoren angeordnete und senkrecht zur Rotorachse verlaufende Ebene beide Unwuchtmassen.According to a development, the number of rotors is two. For example, one of the rotors forms a first rotor and another of the rotors forms a second rotor. The rotors are preferably constructed identically. The unbalanced mass of the first rotor preferably projects in the direction of the second rotor and/or the unbalanced mass of the second rotor preferably projects in the direction of the first rotor. Advantageously, a plane arranged centrally between the rotors and running perpendicularly to the rotor axis intersects both unbalanced masses.
Gemäß einer Weiterbildung wird je Rotor maximal ein Sensor verwendet, der die am Rotor montierte Unwuchtmasse erkennt. Mithilfe des einen Sensors ist es normalerweise nur möglich, die Drehzahl gemittelt über vollständige Rotationen zu bestimmen. Durch die Verwendung des systemtheoretischen Modells (Systemmodell), das insbesondere auf einem Steuermikrocontroller gerechnet wird, eröffnen sich jedoch neue Möglichkeiten zur Schätzung von Drehwinkel und Drehzahl. Somit können teurere Drehwinkelsensoren zur Bestimmung von Drehzahl und Drehwinkel der Rotoren eingespart werden. Ein üblicher Sensor zur Drehwinkelermittlung ist z.B. ein inkrementeller Winkelgeber, der beispielsweise ein Geberrad umfasst. Solche Geberräder verursachen durch die hohen Genauigkeitsanforderungen allerdings hohe Fertigungskosten und benötigen zudem eine hochfrequente Auswertung der Zahnflanken. Das Systemmodell wird insbesondere zur Verwendung mit drehzahlgeregelten Motoren vereinfacht. Ferner werden nur relevante Größen betrachtet. Somit werden als Eingangsgrößen bevorzugt die Sollwerte für die Drehzahlen der Rotoren und/oder Motoren verwendet. Als Ausgangsgrößen werden vorzugsweise die Schätzwerte für die Drehzahlen und Drehwinkel, insbesondere in einem halboffenen Intervall [0°,360°), ausgegeben. Vorteilhaft wird für das Subsystem eines Motors die Übertragungsfunktion der Regelstrecke mit der gewünschten Drehzahl als Eingangsgröße und der sich ergebenden Drehzahl als Ausgangsgröße gebildet. Eine daraus folgende Übertragungsfunktion zehnter Ordnung wird bevorzugt zu einem Verzögerungsglied erster Ordnung approximiert. Der Drehwinkel des Systems lässt sich insbesondere numerisch stabil mittels Integration bestimmen. Hierzu wird z.B. eine bekannte Startposition vorausgesetzt, die im Anwendungsfall nicht vorliegt. Zur Lösung dieses Problems wird das Modell im Betrieb vorzugsweise laufend korrigiert, wodurch sich der absolute Drehwinkel des Rotors und/oder Motors bestimmen lässt. Die fortlaufende Korrektur des Systemmodells erfolgt insbesondere mithilfe eines geeigneten Schätzers oder Filters (hier vorzugsweise Kalman-Filter). Dieses Filter ist in der Lage, Zustände des Systems zu schätzen, solange die erforderlichen Bedingungen für den Einsatz erfüllt sind. Vorteilhaft ist die gute Widerstandsfähigkeit des Filters bei schwankenden Messgrößen, die beispielsweise durch überlagertes Rauschen auftreten. Das Filter besitzt bevorzugt zwei, insbesondere wesentliche, Schritte, die bei Ausführung durchlaufen werden, nämlich die Korrektur und die Prädiktion. Im Korrekturschritt wird die Vorhersage (Prädiktion) des letzten Zyklus insbesondere mit der aktuellen Messung kombiniert, um den geschätzten Zustandsvektor des aktuellen Zyklus zu bestimmen. Hierzu wird insbesondere die prädizierte Ausgangsgröße des vorherigen Zyklus bestimmt und mit der aktuellen Messgröße verglichen. Bei guter Übereinstimmung wird sich eine lediglich geringe Differenz einstellen. Anhand der Kovarianz der Schätzfehler und der Kovarianz der Messgrößen wird insbesondere die Kalman-Verstärkung zur Korrektur bestimmt. Bevorzugt werden durch die Korrektur nicht nur die Zustände des Systems angepasst, sondern auch die Kovarianz der Schätzfehler reduziert. Im Prädiktionsschritt wird insbesondere mit dem erzeugten Systemmodell auf Basis der aktuellen Zustände und den bekannten Eingangsgrößen der Zustand für den nächsten Zyklus prädiziert. Da durch die Prädiktion die Unsicherheit des Zustandsvektors zunimmt, wird bevorzugt die Kovarianz der Schätzfehler erhöht.According to a development, a maximum of one sensor is used per rotor, which detects the imbalance mass mounted on the rotor. With the help of one sensor it is normally only possible to determine the speed averaged over complete rotations. However, the use of the system-theoretical model (system model), which is calculated on a control microcontroller in particular, opens up new possibilities for estimating the angle of rotation and speed. Thus, more expensive rotation angle sensors for determining the speed and rotation angle of the rotors can be saved. A typical sensor for determining the angle of rotation is, for example, an incremental angle sensor, which includes a sensor wheel, for example. However, due to the high accuracy requirements, such sensor wheels cause high production costs and also require a high-frequency evaluation of the tooth flanks. The system model is simplified especially for use with variable speed motors. Furthermore, only relevant variables are considered. The setpoint values for the speeds of the rotors and/or motors are therefore preferably used as input variables. The estimated values for the speeds and Angle of rotation, in particular in a half-open interval [0 °, 360 °) output. For the subsystem of a motor, the transfer function of the controlled system is advantageously formed with the desired speed as the input variable and the resulting speed as the output variable. A tenth-order transfer function resulting therefrom is preferably approximated to form a first-order delay element. In particular, the angle of rotation of the system can be determined numerically in a stable manner by means of integration. For this purpose, a known start position is assumed, which is not available in the application. To solve this problem, the model is preferably continuously corrected during operation, as a result of which the absolute angle of rotation of the rotor and/or motor can be determined. The continuous correction of the system model takes place in particular with the aid of a suitable estimator or filter (here preferably a Kalman filter). This filter is able to estimate states of the system as long as the necessary conditions for use are met. The good resilience of the filter in the case of fluctuating measured variables, which occur, for example, due to superimposed noise, is advantageous. The filter preferably has two, particularly essential, steps that are run through during execution, namely correction and prediction. In the correction step, the prediction of the last cycle is in particular combined with the current measurement in order to determine the estimated state vector of the current cycle. For this purpose, in particular the predicted output variable of the previous cycle is determined and compared with the current measured variable. If there is good agreement, there will only be a small difference. In particular, the Kalman gain for correction is determined on the basis of the covariance of the estimation errors and the covariance of the measured variables. The correction not only adjusts the states of the system, but also reduces the covariance of the estimation errors. In the prediction step, the state for the next cycle is predicted in particular with the generated system model on the basis of the current states and the known input variables. Since the uncertainty of the state vector increases as a result of the prediction, the covariance of the estimation errors is preferably increased.
Insbesondere ist es mit dem Zielsystem aber nicht möglich, zu jedem Iterationsschritt des Filters neue Messwerte aufzunehmen. Bevorzugt ändert sich somit der Ablauf des Filters, sodass immer nur dann eine Korrektur erfolgt, nachdem neue Messwerte vorliegen und nur diejenigen Zustände korrigiert werden, zu denen zusammenhängende Messwerte vorliegen. Ein veränderter Ablaufplan berücksichtigt somit vorzugsweise die Gegebenheit, dass nicht für jeden Filteraufruf neue Informationen zur Korrektur vorliegen. Da bedingt durch die bevorzugt feste Ausführungszeit des Filters die Messwerte für die Rotoren und/oder Motoren nicht zur gleichen Zeit wie die Ausführung auftreten, kann hierbei nur erkannt werden, ob zwischen zwei Aufrufen die Referenzdrehlagen für die Rotoren und/oder Motoren erfasst wurden. Es wird insbesondere zwischen den folgenden vier Möglichkeiten unterschieden.
- 1) Für keinen Rotor wurde die Referenzdrehlage erkannt: Es kann für keinen Rotor eine Korrektur ausgeführt werden. Das Filter führt lediglich einen zusätzlichen Prädiktionsschritt aus.
- 2) Es wird nur für den ersten Rotor die Referenzdrehlage erkannt: Anhand der vorliegenden Informationen lässt sich der Zustandsvektor des Modells nur für den ersten Rotor betreffende Größen korrigieren.
- 3) Es wird nur für den zweiten Rotor die Referenzdrehlage erkannt: Anhand der vorliegenden Informationen lässt sich der Zustandsvektor des Modells nur für den zweiten Rotor betreffende Größen korrigieren.
- 4) Es werden für beide Rotoren die Referenzdrehlagen erkannt: Es liegen alle benötigten Informationen vor, um den vollständigen Zustandsvektor zu korrigieren.
- 1) The reference rotational position was not recognized for any rotor: A correction cannot be carried out for any rotor. The filter only performs an additional prediction step.
- 2) The reference rotational position is only recognized for the first rotor: Based on the information available, the state vector of the model can only be corrected for variables relating to the first rotor.
- 3) The reference rotational position is only recognized for the second rotor: Based on the information available, the state vector of the model can only be corrected for variables relating to the second rotor.
- 4) The reference rotational positions are recognized for both rotors: all the information required to correct the complete state vector is available.
Zur sinnvollen Korrektur der Zustände ist es vorteilhaft, dass die Drehwinkel als Messgrößen zum Abgleich von Modell und Realität dienen. Mit dem wenigstens einen Sensor lassen sich die Drehwinkel aber insbesondere nicht messen, es können allerdings Zeiten erfasst werden.For meaningful correction of the states, it is advantageous that the angles of rotation serve as measured variables for comparing the model and reality. With the at least one sensor, however, the angles of rotation cannot in particular be measured, but times can be recorded.
Mit dem bekannten Ort des Sensors und/oder mit der bekannten Referenzdrehlage, den zuletzt prädizierten Drehzahlen und der vergangenen Zeit vom Erkennen der Referenzdrehlage bis zum Filteraufruf lassen sich die Werte für die Drehwinkel extrapolieren. Hierbei liegen gute Werte für die Drehwinkel vor, wenn die Drehzahlen mit guter Genauigkeit prädiziert werden. Die gemessene Zeit kann insbesondere nie größer sein als die Ausführungsrate des Filters. Mit den Ausgangsgrößen lässt sich das Systemmodell für das Kalman-Filter aufstellen. Da es sich hierbei bevorzugt um ein nicht sprungfähiges System handelt, entfällt insbesondere ein direkter Pfad mit Durchgangsmatrix.The values for the angles of rotation can be extrapolated with the known location of the sensor and/or with the known reference rotational position, the last predicted rotational speeds and the elapsed time from the detection of the reference rotational position to the filter call. There are good values for the angle of rotation if the speeds are predicted with good accuracy. In particular, the measured time can never be greater than the execution rate of the filter. The system model for the Kalman filter can be set up with the output variables. Since this is preferably a non-jumpable system, a direct path with a throughput matrix is not required.
Das Verfahren wurde an einem Unwuchterreger-Prototypen umgesetzt und zeigte gute Übereinstimmungen mit Referenzmessungen, die mit Geberrädern erfolgten. Die Abweichungen der prädizierten Drehwinkel waren dabei durchgehend kleiner als 2,5°. Ferner waren die Abweichungen der Drehzahl kleiner als 1 %, weitgehend sogar kleiner als 0,5%.The method was implemented on an imbalance exciter prototype and showed good agreement with reference measurements that were made with sensor wheels. The deviations of the predicted angles of rotation were consistently less than 2.5°. Furthermore, the deviations in the speed were less than 1%, largely even less than 0.5%.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht eines Unwuchterregers mit zwei Rotoren, -
2 eine Schnittansicht des Unwuchterregers entlang der in1 ersichtlichen Schnittlinie A-A, -
3 eine schematische Darstellung eines durch den Unwuchterreger gebildeten Systems und eines Schätzers, -
4 eine schematische Darstellung eines drehzahlgeregelten Antriebs des Unwuchterregers, -
5 ein Ersatzschaltbild für den Ankerkreis eines Elektromotors des drehzahlgeregelten Antriebs, -
6 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung von Korrektur und Prädiktion von Drehwinkel und Drehzahl für einen der Rotoren des Unwuchterregers und -
7 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung von Korrektur und Prädiktion von Drehwinkel und Drehzahl für beide Rotoren des Unwuchterregers.
-
1 a schematic view of an unbalance exciter with two rotors, -
2 a sectional view of the unbalance exciter along the in1 apparent cutting line AA, -
3 a schematic representation of a system formed by the imbalance exciter and an estimator, -
4 a schematic representation of a speed-controlled drive of the imbalance exciter, -
5 an equivalent circuit diagram for the armature circuit of an electric motor of the speed-controlled drive, -
6 a flowchart to illustrate the correction and prediction of the angle of rotation and speed for one of the rotors of the imbalance exciter and -
7 a flowchart to illustrate the correction and prediction of the angle of rotation and speed for both rotors of the unbalance exciter.
Jeder Rotor weist eine Unwuchtmasse auf, die im radialen Abstand zur Rotorachse 6 angeordnet ist. Dabei weist der Rotor 2 die Unwuchtmasse 7 und der Rotor 3 die Unwuchtmasse 8 auf. Aufgrund der Unwuchtmassen 7 und 8 sind die Hauptträgheitsachsen der Rotoren 2 und 3 gegenüber der Rotorachse 6 versetzt, sodass sich durch das Drehen der Rotoren 2 und 3 um die Rotorachse 6 jeweils eine Unwucht ergibt. Dies ist in
Der Unwuchterreger 1 weist einen Stator 10 auf, mit welchem die Elektromotoren 4 und 5 sowie der Sensor 9 fest verbunden sind. Der Stator 10 ist lediglich schematisch dargestellt und beispielsweise durch wenigstens eine Halterung und/oder durch wenigstens ein Gehäuse gebildet. Die Elektromotoren 4 und 5 umfassen jeweils eine als Hohlwelle ausgebildete Motorwelle 11, mit welcher der jeweilige Rotor starr oder drehstarr verbunden ist. Ferner ist eine starr mit dem Stator 10 verbundene Achse 12 vorgesehen, auf welcher die Rotoren 2 und 4 um die Rotorachse 6 drehbar gelagert sind. Die Rotoren 2 und 3 sind somit zumindest mittelbar um die Rotorachse 6 drehbar an dem Stator 10 gelagert. Der Stator 10 ist z.B. durch ein oder mehrere Koppelelemente 21 mit einem Träger 22 gekoppelt, wobei der Träger 22 und die Koppelelemente 21 insbesondere ein Tragsystem bilden.The
Aus
Zum Regeln des Drehwinkels und der Drehzahl der Rotoren ist es wünschenswert, Werte für den Drehwinkel und die Drehzahl jedes Rotors möglichst kontinuierlich oder quasikontinuierlich messen zu können. Mit dem Sensor 9 ist für jeden Rotor aber nur ein einziger Drehwinkel pro Umdrehung messbar. Ferner ist mit dem Sensor 9 für jeden Rotor die Drehzahl nur über eine Umdrehung gemittelt messbar. Um die Auflösung für die Werte von Drehwinkel und die Drehzahl jedes Rotors zu erhöhen, wird ein Schätzer mit Kalman-Filter eingesetzt.In order to control the angle of rotation and the speed of the rotors, it is desirable to be able to measure values for the angle of rotation and the speed of each rotor as continuously or quasi-continuously as possible. With the
Aus
Die Größe x(t) ist der Zustandsvektor, die Größe ẋ(t) die zeitliche Ableitung des Zustandsvektors, die Größe u(t) der Eingangsvektor, die Größe y(t) der Ausgangsvektor, die Größe t die Zeit, die Größe A die Systemmatrix, die Größe B die Steuermatrix, die Größe C die Beobachtungsmatrix und die Größe D die Durchgangsmatrix. Da der Schätzer 14 bevorzugt in Form eines Programms vorliegt, welches auf einem Digitalrechner ausgeführt wird, ergibt sich für das systemtheoretische, zeitdiskrete Modell Σd im Zustandsraum:
Die diskrete Systemmatrix Ad und die diskrete Beobachtermatrix Bd ergeben sich mit der Abtastzeit Ts zu:
Mit Hilfe des systemtheoretischen, zeitdiskreten Modells Σd im Zustandsraum und der Kalman-Verstärkung K(k) ergibt sich das Kalman-Filter 14. Dabei repräsentiert der, insbesondere zeitdiskrete, Ausgangsvektor y(k) des Systems bevorzugt eine Messgröße für den Schätzer 14. Der Block z-1 beschreibt insbesondere ein Verzögerungsglied und/oder einen Speicher.The
Um das systemtheoretische, zeitkontinuierliche Modell Σ im Zustandsraum zu ermitteln, gelten folgende Voraussetzungen. Jeder Elektromotor ist Teil eines drehzahlgeregelten Antriebs 15, der zusätzlich zu dem jeweiligen Elektromotor einen Drehzahlregler 16 und einen Stromregler 17 umfasst. Der den Elektromotor 4 umfassende Antrieb 15 ist schematisch in
Gemäß einem Ersatzschaltbild, welches aus
Die Größe UA ist die an den Ankerkreis anliegende elektrische Spannung, die Größe IA ist der durch den Ankerkreis fließende elektrische Strom, der insbesondere den Motorstrom bildet, die Größe L ist die Anker-Induktivität, die Größe R ist der Anker-Widerstand, die Größe eA ist die induzierte Spannung, die Größe M ist das wirkende Drehmoment, die Größe J ist das Massenträgheitsmoment des Ankers, die Größe ω ist die Winkelgeschwindigkeit des Ankers und die Größen cE und cM sind Maschinenkonstanten des Elektromotors 4.Variable U A is the electrical voltage applied to the armature circuit, variable I A is the electrical current flowing through the armature circuit, which in particular forms the motor current, variable L is the armature inductance, variable R is the armature resistance, variable e A is the induced voltage, variable M is the effective torque, variable J is the moment of inertia of the armature, variable ω is the angular velocity of the armature and variables c E and c M are machine constants of the electric motor 4.
Somit ergibt sich für den Block 18 die Lapalce-Transformierte der Übertragungsfunktion GI zu:
Ferner ergibt sich für den Block 19 die Laplace-Transformierte der Übertragungsfunktion Gω zu:
Die Größe Jges ergibt sich dabei als resultierendes Massenträgheitsmoment von Anker und Rotor 2.The variable J tot results from the resulting mass moment of inertia of the armature and
Der den Elektromotor 5 umfassende Antrieb ist entsprechend ausgebildet, wobei dem Elektromotor 5 allerdings der Rotor 3 als mechanische Last zugeschlagen ist.The drive comprising the
Wie aus
Für das Gesamtsystem ergibt sich eine Übertragungsfunktion höherer Ordnung, insbesondere zehnter Ordnung. Diese Übertragungsfunktion wird zur Vereinfachung durch ein System erster Ordnung approximiert, sodass sich die folgende Differentialgleichung ergibt:
Zur Steigerung der Genauigkeit kann die Übertragungsfunktion für das Gesamtsystem auch durch ein System zweiter oder höherer Ordnung approximiert werden. Nachfolgend wird aber von dem System erster Ordnung ausgegangen, da mit diesem bereits gute Ergebnisse erzielt wurden.To increase the accuracy, the transfer function for the overall system can also be approximated by a system of the second or higher order. In the following, however, the first-order system is assumed, since good results have already been achieved with this.
Somit folgt das systemtheoretische, zeitkontinuierliche Modell Σ im Zustandsraum zu:
Die Größe φ1 ist der Drehwinkel des ersten Rotors 2, die Größe ω1 ist die Drehzahl des ersten Rotors 2, die Größe φ2 ist der Drehwinkel des zweiten Rotors 3, die Größe ω2 ist der Drehzahl des zweiten Rotors 3, die Größe u1 ist die erste Komponente des Eingangsvektors u(t), die Größe u2 ist die zweite Komponente des Eingangsvektors u(t), die Größe y1 ist die erste Komponente des Ausgangsvektors y(t), die Größe y2 ist die zweite Komponente des Ausgangsvektors y(t), die Größe z1 ist die erste Komponente eines Störungsvektors z(t) und die Größe z2 ist die zweite Komponente des Störungsvektors z(t). Durch den Störungsvektor z(t) wird insbesondere eine Beschleunigung der Massen des Unwuchterregers berücksichtigt. Eine solche Beschleunigung kann z.B. durch zusätzliche Vibrationen des Tragsystems auftreten. In einem System zweiter Ordnung können im Zustandsvektor z.B. noch die Winkelbeschleunigungen jedes Rotors berücksichtigt werden.The size φ 1 is the rotation angle of the
Die Drehzahlen ω1 und ω2 werden insbesondere in Umdrehungen pro Minute (1/min) angegeben. Ferner werden die Komponenten des die Eingangsgröße repräsentierenden Eingangsvektors u(t) bevorzugt durch die Sollwerte für die Drehzahlen gebildet, mit u1 = ω1,soll und u2 = ω2,soll.The speeds ω 1 and ω 2 are specified in particular in revolutions per minute (rpm). Furthermore, the components of the input vector u(t) representing the input variable are preferably formed by the desired values for the speeds, with u 1 =ω 1,soll and u 2 =ω 2,soll .
Die drei Größen d, q und v charakterisieren insbesondere die Reaktion des Systems. Beispielsweise bestimmt die Größe v die Systemdynamik. Im Speziellen wird z.B. die Reaktionsgeschwindigkeit auf Veränderungen der Eingangsgröße beschrieben. Vorzugsweise gilt: v = 1/TI. Die Größen d und q geben insbesondere an, inwieweit sich die Rotoren während des Betriebs gegenseitig beeinflussen. Je größer q im Vergleich zu d ist, desto größer ist z.B. der gegenseitige Einfluss. Dieser nimmt insbesondere mit zunehmender Masse des Tragsystems ab. Bevorzugt gilt, insbesondere für den Fall, dass keine stationäre Regelabweichung vorliegt, der Zusammenhang: d + q + v = 0. Damit sind zur vollständigen Beschreibung vorzugsweise nur zwei Größen erforderlich, da sich die Dritte aus dem vorgenannten Zusammenhang ergibt. Die drei Größen d, q und v sind insbesondere geeignet zu wählen.The three variables d, q and v particularly characterize the reaction of the system. For example, the variable v determines the system dynamics. In particular, for example, the reaction speed to changes in the input variable is described. Preferably: v=1/T I . In particular, the variables d and q indicate the extent to which the rotors influence each other during operation. The greater q is compared to d, the greater the mutual influence, for example. This decreases in particular with increasing mass of the support system. The relationship: d+q+v=0 preferably applies, particularly in the event that there is no steady-state control deviation. This means that only two variables are preferably required for a complete description, since the third one results from the aforementioned relationship. The three variables d, q and v are particularly suitable to choose.
Um das Kalman-Filter realisieren zu können, sind noch ein Messrauschen und ein Systemrauschen zu bestimmen. Die Varianz
Die Störung z(t) oder zeitdiskret z(k) wird bevorzugt als Systemrauschen berücksichtigt. Zur Bestimmung der Kovarianzmatrix des Systemrauschens Q ist insbesondere das zugehörige Leistungsdichtespektrum q(k) zu ermitteln, welches hier bevorzugt als konstant angenommen wird. Anhand mehrerer Kriterien lassen sich nun das Leistungsdichtespektrum ermitteln und die Kovarianzmatrix des Systemrauschens Q bestimmen. Eines dieser Kriterien besagt beispielsweise, dass die Varianz des Systemrauschens, insbesondere um einen bestimmten Faktor, größer als die Varianz des Messrauschens zu wählen sei. Ein anderes dieser Kriterien besagt z.B., dass ein Skalar als Leistungsdichtspektrum zu verwenden sei. Der Fachmann ist nun in der Lage, geeignete Werte für die Kovarianzmatrix des Systemrauschens Q zu bestimmen. Schließlich sind noch geeignete Startwerte für den Zustandsvektor und die Kovarianz des Schätzfehlers zu bestimmen.The disturbance z(t) or time-discrete z(k) is preferably taken into account as system noise. In order to determine the covariance matrix of the system noise Q, the associated power density spectrum q(k) is to be determined in particular, which is preferably assumed to be constant here. Using several criteria, the power density spectrum can now be determined and the covariance matrix of the system noise Q can be determined. One of these criteria states, for example, that the variance of the system noise should be selected to be greater than the variance of the measurement noise, in particular by a certain factor. Another of these criteria says, for example, that a scalar should be used as the power density spectrum. Those skilled in the art are now able to determine appropriate values for the system noise Q covariance matrix. Finally, suitable starting values for the state vector and the covariance of the estimation error still have to be determined.
Im Betrieb führt das Kalman-Filter insbesondere zwei Schritte aus, und zwar einen Prädiktionsschritt (Prädiktion) und einen Korrekturschritt (Korrektur).In operation, the Kalman filter specifically performs two steps, namely a prediction step (prediction) and a correction step (correction).
Prädiktion:
Korrektur:
Die Größe x̂(k) ist der prädizierte Zustandsvektor, die Größe x̃(k) ist der korrigierte Zustandsvektor, die Größe P(k) ist die prädizierte Kovarianzmatrix des Schätzfehlers, die Größe P̃(k) ist die korrigierte Kovarianzmatrix des Schätzfehlers, die Größe Gd ist eine Matrix für das Systemrauschen, die Größe Q(k) ist die Varianz des Systemrauschens z(k), die Größe R(k) ist die Varianz des Messrauschens und die Größe I ist die Einheitsmatrix. Der hochgestellte Buchstabe T bedeutet, dass es sich um die Transponierte der betreffenden Matrix handelt. Beispielsweise bezeichnet CT die Transponierte der Matrix C.The quantity x̂(k) is the predicted state vector, the quantity x̃(k) is the corrected state vector, the quantity P(k) is the predicted covariance matrix of the estimation error, the quantity P̃(k) is the corrected covariance matrix of the estimation error, the quantity G d is a matrix for the system noise, the quantity Q(k) is the variance of the system noise z(k), the quantity R(k) is the variance of the measurement noise and the quantity I is the identity matrix. The superscript T means it is the transpose of that matrix. For example, CT denotes the transpose of the matrix C.
Im Korrekturschritt wird der zuletzt prädizierte Zustandsvektor x̂(k) auf Basis einer Abweichung Δy(k) zwischen gemessenen Ausgangswerten y(k) und prädizierten Ausgangswerten ỹ(k) korrigiert, sodass sich ein korrigierter Zustandsvektor x̃(k) ergibt. Beispielsweise gilt: Δy(k) = y(k) - ỹ(k) oder Δy(k) = ŷ(k) - y(k). Ferner ergibt sich die korrigierte Kovarianzmatrix des Schätzfehlers P̂(k), die insbesondere gegenüber P̂(k) reduziert ist. Im Prädiktionsschritt wird auf Basis des korrigierten Zustandsvektors x̃(k) ein neuer Zustandsvektor x̂(k + 1) prädiziert. Ferner ergibt sich eine neu prädizierte Kovarianzmatrix des Schätzfehlers P(k + 1), die insbesondere gegenüber P(k) erhöht ist.In the correction step, the last predicted state vector x̂(k) is corrected on the basis of a deviation Δy(k) between measured output values y(k) and predicted output values ỹ(k), resulting in a corrected state vector x̃(k). For example: Δy(k) = y(k) - ỹ(k) or Δy(k) = ŷ(k) - y(k). Furthermore, the corrected covariance matrix of the estimation error P̂(k) results, which is reduced in particular compared to P̂(k). In the prediction step, a new state vector x-(k+1) is predicted on the basis of the corrected state vector x-(k). Furthermore, a newly predicted covariance matrix of the estimation error P(k+1) results, which is increased compared to P(k), in particular.
Bevorzugt umfasst der Zustandsvektor x̂(k) die zuletzt prädizierten Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl. Vorzugsweise umfasst der Zustandsvektor x̃(k) die korrigierten, zuletzt prädizierten Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl. Vorteilhaft umfasst der Zustandsvektor x̂(k + 1) die neu prädizierten Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl.The state vector x̂(k) preferably includes the last predicted estimated values for the angle of rotation and the speed. The state vector x̃(k) preferably includes the corrected, last predicted estimated values for the angle of rotation and the speed. The state vector x̂(k+1) advantageously includes the newly predicted estimated values for the angle of rotation and the speed.
Bei dem Unwuchterreger 1 wird jede Umdrehung jedes Rotors durch den Sensor 9 zu einem Erkennungszeitpunkt tM erkannt. Die Erkennungszeitpunkte werden erfasst und bilden Messwerte, die dem Korrekturschritt zugrunde zu legen sind. Ferner wird der Ausführungszeitpunkt tA des Schätzers 14 erfasst. Nun wird durch Multiplikation des zuletzt prädizierten Schätzwerts für die Drehzahl ω jedes Rotors mit der Zeitdifferenz Δt = tA - tM zwischen dem Ausführungszeitpunkt des Schätzers 14 und dem zuletzt erfassten Erkennungszeitpunkt des jeweiligen Rotors ein extrapolierter Wert für den Drehwinkel φe = Δt · ω des jeweiligen Rotors berechnet. Die extrapolierten Werte für den Drehwinkel jedes oder des jeweiligen Rotors werden dem Schätzer 14 insbesondere als Messwert y(k) des jeweiligen Rotors zur Verfügung gestellt. Wird für den ersten Rotor 2 eine Umdrehung zu einem Erkennungszeitpunkt t1,M und für den zweiten Rotor 3 eine Umdrehung zu einem Erkennungszeitpunkt t2,M erkannt, so ergeben sich die extrapolierten Werte für die Drehwinkel der Rotoren 2 und 3 insbesondere zu:
Dabei bezeichnet φ1e den extrapolierten Wert für den Drehwinkel des ersten Rotors 2 und φ2e den extrapolierten Wert für den Drehwinkel des zweiten Rotors 3.Here, φ 1e designates the extrapolated value for the angle of rotation of the
Üblicherweise erfolgt jede Prädiktion auf Basis korrigierter Größen. In diesem Fall könnte der Schätzer 14 pro Umdrehung jedes Rotors allerdings nur einmal ausgeführt werden. Bevorzugt wird der Schätzer 14 aber häufiger ausgeführt, sodass nicht bei jeder Ausführung des Schätzers 14 ein neuer Erkennungszeitpunkt tM und/oder ein neuer extrapolierter Wert für den Drehwinkel φe als Messwert zur Verfügung steht.Each prediction is usually made on the basis of corrected variables. In this case, however, the
Daher wird vor oder bei jeder Ausführung des Schätzers 14 für jeden Rotor geprüft, ob seit der letzten Ausführung des Schätzers 14 die Referenzdrehlage des jeweiligen Rotors erkannt wurde. Für jeden Rotor, für den beim Ausführen des Schätzers 14 seit der letzten Ausführung des Schätzers 14 die Referenzdrehlage nicht erkannt wurde, d.h. kein Messwert zur Verfügung steht, erfolgt keine Korrektur. Vielmehr erfolgt für jeden Rotor, für den beim Ausführen des Schätzers kein Messwert zur Verfügung steht, eine Prädiktion der Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl auf Basis der zuvor prädizierten Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl. Dies kann im Programm für den Schätzer 14 z.B. dadurch berücksichtigt werden, dass bei dem korrigierten Zustandsvektor den den jeweiligen Rotor betreffenden Schätzwerten für den Drehwinkel und die Drehzahl die zuvor prädizierten Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl zugewiesen werden und/oder dass die den jeweiligen Rotor betreffenden Elemente der Rückführungsmatrix oder Kalman-Verstärkung im Korrekturschritt gleich Null gesetzt werden. Somit kann im Prädiktionsschritt formell der korrigierte Zustandsvektor x̃(k) verwendet werden, allerdings umfasst dieser für den jeweiligen Rotor keine korrigierten, sondern die zuletzt prädizierten Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl. Für jeden Rotor, für den beim Ausführen des Schätzers 14 seit der letzten Ausführung des Schätzers 14 die Referenzdrehlage erkannt wurde, d.h. ein Messwert zur Verfügung steht, wird der extrapolierte Wert für den Drehwinkel φe bestimmt und dem Schätzer 14 als Messwert des jeweiligen Rotors zur Verfügung gestellt.Therefore, before or during each execution of the
Aus
In einem Prüfschritt 30 wird geprüft, ob seit der letzten Ausführung des Schätzers 14 für den ersten Rotor 2 eine Umdrehung erkannt wurde. Ist dies der Fall wird in einem Prüfschritt 31 geprüft, ob seit der letzten Ausführung des Schätzers 14 für den zweiten Rotor 3 eine Umdrehung erkannt wurde. Ist dies der Fall werden in einem Korrekturschritt 32 die zuletzt prädizierten Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl der Rotoren auf Basis der extrapolierten Werte für die Drehwinkel der Rotoren korrigiert, wonach in einem Prädiktionsschritt 33 die Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl der Rotoren auf Basis der korrigierten Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl der Rotoren prädiziert werden. In
Wird im Prüfschritt 31 für den zweiten Rotor 3 keine Umdrehung seit der letzten Ausführung des Schätzers 14 erkannt, werden in einem Korrekturschritt 34 nur die zuletzt prädizierten Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl des ersten Rotors 2 korrigiert, wonach im Prädiktionsschritt 33 die Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl des ersten Rotors 2 auf Basis der korrigierten Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl des ersten Rotors 2 prädiziert werden und die Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl des zweiten Rotors 3 auf Basis der zuvor prädizierten Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl des zweiten Rotors 3 prädiziert werden.If no revolution is detected for the
Wird im Prüfschritt 30 für den ersten Rotor 2 keine Umdrehung seit der letzten Ausführung des Schätzers 14 erkannt, wird in einem Prüfschritt 35 geprüft, ob seit der letzten Ausführung des Schätzers 14 für den zweiten Rotor 3 eine Umdrehung erkannt wurde. Ist dies der Fall werden in einem Korrekturschritt 36 nur die zuletzt prädizierten Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl des zweiten Rotors 3 korrigiert, wonach im Prädiktionsschritt 33 die Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl des zweiten Rotors 3 auf Basis der korrigierten Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl des zweiten Rotors 2 prädiziert werden und die Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl des ersten Rotors 2 auf Basis der zuvor prädizierten Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl des ersten Rotors 2 prädiziert werden.If no revolution has been recognized for the
Wird im Prüfschritt 35 für den zweiten Rotor 3 keine Umdrehung seit der letzten Ausführung des Schätzers 14 erkannt, werden im nachfolgenden Prädiktionsschritt 33 die Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl des ersten Rotors 2 auf Basis der zuvor prädizierten Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl des ersten Rotors 2 prädiziert und die Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl des zweiten Rotors 3 auf Basis der zuvor prädizierten Schätzwerte für den Drehwinkel und die Drehzahl des zweiten Rotors 3 prädiziert.If, in
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Unwuchterregerimbalance exciter
- 22
- erster Rotorfirst rotor
- 33
- zweiter Rotorsecond rotor
- 44
- erster Elektromotorfirst electric motor
- 55
- zweiter Elektromotorsecond electric motor
- 66
- Rotorachserotor axis
- 77
- Unwuchtmasse des ersten RotorsUnbalanced mass of the first rotor
- 88th
- Unwuchtmasse des zweiten RotorsUnbalanced mass of the second rotor
- 99
- Sensorsensor
- 1010
- Statorstator
- 1111
- Motorwellemotor shaft
- 1212
- Achseaxis
- 1313
- Systemsystem
- 1414
- Schätzer / Kalman-FilterEstimator / Kalman filter
- 1515
- Antriebdrive
- 1616
- Drehzahlreglerspeed controller
- 1717
- Stromreglercurrent regulator
- 1818
- elektrischer Block des Elektromotorselectric block of the electric motor
- 1919
- mechanischer Block des Elektromotorsmechanical block of the electric motor
- 2020
- Steuervorrichtungcontrol device
- 2121
- Koppelelementcoupling element
- 2222
- Trägercarrier
- 2323
- Hauptträgheitsachsemain axis of inertia
- 2424
- Prüfschritttest step
- 2525
- Extrapolationsschrittextrapolation step
- 2626
- Korrekturschrittcorrection step
- 2727
- optionaler Schrittoptional step
- 2828
- Prädiktionsschrittprediction step
- 2929
- Übernahmeschritttransfer step
- 3030
- Prüfschritttest step
- 3131
- Prüfschritttest step
- 3232
- Korrekturschrittcorrection step
- 3333
- Prädiktionsschrittprediction step
- 3434
- Korrekturschrittcorrection step
- 3535
- Prüfschritttest step
- 3636
- Korrekturschrittcorrection step
- 3737
- Magnetmagnet
- 3838
- elektrische Leitungelectrical line
- 3939
- elektrische Leitungelectrical line
- aa
- Versatzoffset
- di.e
- AbstandDistance
- φφ
- Drehwinkelangle of rotation
- ωω
- Drehzahlrotational speed
- φeφe
- extrapolierter Drehwinkelextrapolated angle of rotation
- φrefφref
- Referenzdrehlagereference rotation position
Claims (13)
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Citations (3)
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DE102007052365A1 (en) | 2007-11-02 | 2009-05-07 | Robert Bosch Gmbh | Method and device for detecting the position of the rotor shaft of a permanent-magnet synchronous machine |
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2021
- 2021-05-26 DE DE102021113633.4A patent/DE102021113633A1/en not_active Withdrawn
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Title |
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