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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Elektromotoren zur Verwendung in automotiven Anwendungen, wie Fensterheber, Schiebedach, Sitz- oder Lenksäulenverstellung. Die Erfindung betrifft weiterhin Maßnahmen zum Gewährleisten einer akkuraten Drehzahleinstellung, insbesondere mithilfe einer Drehzahlregelung.
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Technischer Hintergrund
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Für Komfortapplikationen in technischen Systemen in Fahrzeugen, wie beispielsweise die Fensterhebereinstellung, die Schiebedachverstellung, eine Sitzeinstellung, eine Lenksäulenverstellung und dergleichen, werden üblicherweise bürstenkommutierte Elektromotoren verwendet. Diese werden in der Regel einfach ausgelegt und weisen lediglich einen einfachen Positionsgeber auf, der beispielsweise in jeder mechanischen Umdrehung eine Anzahl von Schaltsignalen ausgibt. Solche Positionsgeber können mithilfe von Magnetfeldsensoren, wie beispielsweise einem Hall-Sensor, ausgelegt sein.
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Soll ein solcher Elektromotor drehzahlgeregelt verwendet werden, ist eine genaue Angabe über die tatsächliche momentane Drehgeschwindigkeit notwendig. Die Drehgeschwindigkeit wird in der Regel über die Messung der Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schaltsignalen ermittelt, wenn die Geberpositionen des Positionsgebers um einen Winkelbereich, an denen jeweils Schaltsignale generiert werden, bekannt sind. Da der Positionsgeber wie jede Komponente im technischen System auch toleranzbehaftet ist, werden zur Drehzahlmessung typischerweise lediglich Schaltsignale herangezogen, die zu gleichen mechanischen Geberposition, d. h. zu dem gleichen mechanischen Drehwinkel des Elektromotors, gehören. Damit werden durch Toleranzen hervorgerufene unbekannte Positionsunterschiede zwischen zwei aufeinanderfolgenden Geberpositionen vermieden und deren Einfluss auf die Genauigkeit der Bestimmung der Drehzahl ausgeschlossen.
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Jedoch weist dadurch die Drehzahlinformation eine drehzahlabhängige Verzögerung auf, da diese nur nach jeder vollständigen Drehung aktualisiert wird. Somit ist es bei geringen Drehzahlen nicht möglich, einfache Drehzahlregelungsketten aufzubauen. Einfache PID-Regler, die auf der aktuellen Ist-Drehzahl basieren, können insbesondere schwer bei geringen Drehzahlen stabil auf eine Soll-Drehzahl einregeln, so dass das Regelverhalten erheblich von der vorgegebenen Soll-Drehzahl abhängt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Bereitstellung einer Ist-Drehzahl eines bürstenkommutierten Elektromotors mit einem Positionsgeber bereitzustellen, die insbesondere eine Drehzahlangabe auch bei geringen Ist-Drehzahlen ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Bereitstellen einer Drehzahlangabe eines bürstenkommutierten Elektromotors, insbesondere zur Verwendung in einer Drehzahlregelung, gemäß Anspruch 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung und ein Antriebssystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems mit einer elektrischen Maschine mit einem an einen Läufer gekoppelten Positionsgeber, der bei bestimmten Geberpositionen jeweils ein Positionssignal bereitstellt, abhängig von einer aktuellen Drehzahlangabe, mit folgenden Schritten:
- - Zuordnen der Geberpositionen zu mechanischen Positionen des Läufers der elektrischen Maschine;
- - Messen von Zeitpunkten von aufeinanderfolgenden Positionssignalen, die beim Erreichen der zugeordneten Geberpositionen generiert werden;
- - Erstellen einer parametrischen Positionsfunktion, die einen zeitlichen Verlauf der mechanischen Position des Läufers angibt, aus den gemessenen Zeitpunkten und den den Zeitpunkten zugeordneten Geberpositionen, wobei die Positionsfunktion an die Punkte aus mechanischer Position des Läufers und den jeweiligen Zeitpunkten angefittet wird,
- - Bestimmen einer zeitlichen Ableitung der erstellten Positionsfunktion für einen aktuellen Zeitpunkt, um die aktuelle Drehzahlangabe zu erhalten;
- - Betreiben der elektrischen Maschine abhängig von der aktuellen Drehzahlangabe.
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Zur Durchführung einer Drehzahlregelung von bürstenkommutierten elektrischen Maschinen ist eine Positionserfassung der elektrischen Maschine erforderlich. Die Positionserfassung erfolgt mit einem Positionsgeber, der ein Positionssignal bereitstellt, sobald der Läufer der elektrischen Maschine eine Geberposition von in der Regel mehreren Geberpositionen durchläuft. Aufgrund von Fertigungstoleranzen sind die Geberpositionen jedoch nicht exakt mit einer bestimmten Winkelposition des Läufers der elektrischen Maschine verknüpft, so die Positionssignale nicht nach exakt dem vorgegeben Winkelabstand generiert werden.
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Vielmehr werden durch einen realen Positionsgeber Positionssignale jeweils nach Durchlaufen von Winkelbereichen generiert, die zueinander leicht unterschiedlich sein können. Beispielsweise können bei einem Positionsgeber, der in 20 Winkelbereiche unterteilt ist, Positionssignale nach dem Durchlaufen von idealerweise einem Winkel von 18° generiert werden. Jedoch kann dieser Winkel jeweils um einen Toleranzbetrag von 18° abweichen. Da diese Winkelbereiche nicht vorbekannt sind, würde eine Drehzahlbestimmung basierend auf einer gemessenen Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Positionssignalen zu einem Fehler bei der Drehzahlbestimmung führen. Daher wird üblicherweise vorgesehen, das Drehzahlsignal basierend auf der Zeitdauer zwischen zwei Positionssignalen zu bestimmen, die der gleichen Geberposition bzw. Winkelposition der elektrischen Maschine zugeordnet sind, d. h. insbesondere nach dem Durchlaufen eines mechanischen Winkelbereichs von 360°.
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Eine Drehzahlregelung erfordert jedoch die Angabe einer Drehzahl mit einer höheren Genauigkeit, d. h. unter Berücksichtigung von Drehzahländerungen innerhalb des Winkelbereichs von 360°.
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Das Zuordnen der Geberpositionen zu mechanischen Positionen des Läufers kann bei konstanter Drehzahl durchgeführt werden, wobei die konstante Drehzahl erkannt wird, indem festgestellt wird, dass die Zeitdauern des Durchlaufens von identischen Winkelbereichen der mechanischen Position des Läufers identisch sind.
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Insbesondere kann die konstante Drehzahl durch Auswerten der Zeitdauer zwischen aufeinanderfolgenden Positionssignalen für eine bestimmte Geberposition bestimmt werden, wobei über die Zeitdauern zwischen Positionssignalen zwischen zwei benachbarten Geberpositionen die Größe der Winkelbereiche zwischen den benachbarten Geberpositionen bestimmt werden, so dass die Geberpositionen den mechanischen Positionen zuordbar sind.
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Mit anderen Worten, um die Drehzahl nun genauer zu bestimmen, schlägt obiges Verfahren vor, zunächst die Geberpositionen des Positionsgebers in einer Phase konstanter Drehzahl genau zu bestimmen, um Positionsabweichungen, insbesondere aufgrund von Fertigungstoleranzen, zu berücksichtigen. Dies erfolgt, indem z.B. unmittelbar nach dem Start des Betriebs der elektrischen Maschine für aufeinanderfolgende Umdrehungen die Zeitdauern zwischen aufeinanderfolgenden Positionssignalen beim Durchlaufen der Winkelbereiche gemessen werden, bis sich für einander bezüglich ihrer mechanischen Position entsprechende Winkelbereiche gleiche Zeitdauern ergeben. Dies bedeutet, dass eine konstante Drehzahl für zwei Umdrehungen vorliegt.
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Dabei ergeben sich für die Winkelbereiche identische gemessene Zeitdauern. Diese Zeitdauer kann in Verbindung mit der bestimmbaren konstanten Drehzahl, die sich aus der Zeitdauer zwischen zwei Positionssignalen, die derselben Geberposition (d.h. einer Geberposition, die einer identischen mechanischen Position des Läufers zugeordnet ist) entspricht, in den Winkelbereich umgerechnet werden, der die baulichen Toleranzen berücksichtigt. Mit anderen Worten, ist die konstante Drehzahl erkannt, so kann anhand des zeitlichen Anteils des Durchlaufens eines Winkelbereichs bezogen auf die Summe der Zeit des Durchlaufens aller Winkelbereiche für eine Umdrehung die Größe des Winkelbereichs durch Dreisatz genau bestimmt werden.
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Es ergibt sich somit eine Zuordnung der Geberpositionen, die zum Generieren eines Positionssignals führen, wenn der Läufer der elektrischen Maschine diese durchläuft, zu den entsprechenden mechanischen Positionen des Läufers.
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Zu Bestimmung einer genauen Drehzahl werden im Folgenden für jedes Positionssignal, das einer bestimmten Geberposition zugeordnet ist, mindestens zwei Zeitdauern erfasst, daraus Zeitpunkte des Durchlaufens der Geberpositionen ermittelt und diese an eine parametrische Positionsfunktion, wie z.B. eine Polynomialfunktion, angefittet, um diese zu parametrisieren. Die parametrische Positionsfunktion bildet eine Position des Läufers über einem zeitlichen Verlauf ab. Man erhält einen Verlauf der Position über der Zeit.
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Eine solche parametrische Positionsfunktion ist extrapolierbar, so dass nach dem zuletzt erfassten Positionssignal, diesem eine Geberposition zugeordnet werden kann und davon ausgehend der Positionsverlauf weiter extrapolierbar ist. Die Ableitung der Positionsfunktion zu einem aktuellen Zeitpunkt entspricht dann der aktuellen Drehzahl, die die Grundlage für eine nachgelagerte Steuerungsfunktion der elektrischen Maschine sein kann.
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Die parametrische Positionsfunktion kann beispielsweise einer Polynomialfunktion, insbesondere einer Parabelfunktion, oder einer anderen ableitbaren Funktion entsprechen.
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Es kann vorgesehen sein, dass abhängig von der aktuellen Drehzahlangabe eine Drehzahlregelung der elektrischen Maschine durchgeführt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit einer elektrischen Maschine mit einem an einen Läufer gekoppelten Positionsgeber, der bei Erreichen einer bestimmten Geberposition jeweils ein Positionssignal bereitstellt, und mit einem Steuergerät, wobei das Steuergerät ausgebildet ist zum
- - Zuordnen der Geberpositionen zu mechanischen Positionen des Läufers der elektrischen Maschine;
- - Messen von Zeitpunkten von aufeinanderfolgenden Positionssignalen, die beim Erreichen der zugeordneten Geberpositionen generiert werden;
- - Erstellen einer parametrischen Positionsfunktion, die einen zeitlichen Verlauf der mechanischen Position des Läufers angibt, aus den gemessenen Zeitpunkten und den den Zeitpunkten zugeordneten Geberpositionen, wobei die Positionsfunktion an die Punkte aus mechanischer Position des Läufers und den jeweiligen Zeitpunkten angefittet wird,
- - Bestimmen einer zeitlichen Ableitung der erstellten Positionsfunktion für einen aktuellen Zeitpunkt, um die aktuelle Drehzahlangabe zu erhalten;
- - Betreiben der elektrischen Maschine abhängig von der aktuellen Drehzahlangabe.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einer bürstenkommutierten elektrischen Maschine;
- 2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur genauen Bestimmung einer Drehzahl; und
- 3 eine beispielhafte Positionsfunktion, gefittet durch Messpunkte der letzten Positionssignale.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt schematisch ein Motorsystem 1 mit einer bürstenkommutierten elektrischen Maschine 2. Die elektrische Maschine 2 wird über einen Leistungstreiber 3 mit elektrischer Energie versorgt. Der Leistungstreiber 3 kann von einem Steuergerät 4 angesteuert werden, indem pulsweitenmodulierte Signale bereitgestellt werden. Ein Tastverhältnis der pulsweitenmodulierten Signale entspricht einer bereitzustellenden Betriebsspannung, über die ein Motorstrom vorgegeben wird. Der Motorstrom steht in festgelegter Beziehung zu einem Drehmoment, was von der elektrischen Maschine bereitgestellt wird. Das Steuergerät 4 kann weiterhin eine Drehzahlregelung realisieren.
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Die elektrische Maschine 2 kann dazu mit einem Positionsgeber 5 versehen sein, der zu bestimmten mechanischen Läuferlagen des Läufers ein Positionssignal abgibt. Die bestimmten mechanischen Läuferlagen entsprechen Geberpositionen. Das Positionssignal ist somit einer Geberposition eindeutig zuordenbar. Die Geberpositionen des Positionsgebers 5 können jedoch Fertigungstoleranzen unterliegen, so dass eine Kalibrierung notwendig ist. Der Positionsgeber 5 kann so ausgebildet sein, dass zumindest eine der Geberpositionen eindeutig einer Winkelposition des Läufers der elektrischen Maschine zuordenbar ist.
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Die Steuereinheit 4 kann eine Drehzahlregelung realisieren, die auf einer mithilfe des Positionsgebers 5 ermittelten Ist-Drehzahl basiert. Die Drehzahlregelung führt zur Ausgabe einer Stellgröße in Form der Betriebsspannung als Stellgröße S, die über den Leistungstreiber 3 gestellt und an die elektrische Maschine 2 angelegt werden kann.
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Das Verfahren zur Ermittlung der Drehzahl wird in dem Steuergerät 4 ausgeführt und kann dort als Software und/oder Hardware implementiert sein.
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In Schritt S1 werden zunächst bei herkömmlicher Ansteuerung der elektrischen Maschine 2 die Positionssignale des Positionsgebers 5 ausgewertet, sobald sich der Läufer bewegt. Die Ansteuerung kann in einem ungeregelten Betrieb mit konstanter Betriebsspannung erfolgen, so dass sich vorzugsweise eine konstante Drehzahl einstellt.
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In Schritt S2 werden die Zeitdauern zwischen den Positionssignalen gemessen und in Schritt S3 die Zeitdauern des Durchlaufens von identischen Winkelbereichen der Läuferlagen nach jeweils einer Umdrehung des Läufers miteinander verglichen.
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Wird in Schritt S3 festgestellt (Alternative: Ja), dass die Zeitdauern identisch sind, kann auf eine konstante Drehzahl geschlossen werden und das Verfahren wird mit Schritt S4 fortgesetzt. Andernfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.
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In Schritt S4 wird die konstante Drehzahl bestimmt, indem die Zeitdauer zwischen zwei Positionssignalen, die der identischen Geberposition zugeordnet sind, ermittelt wird und diese einem Winkel von 360° zugeordnet wird.
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Die konstante Drehzahl ermöglicht dann eine Auswertung der Zeitdauern zum Durchlaufen der Winkelbereiche, d. h. der einzelnen Winkelabschnitte einer vollen mechanischen Umdrehung von 360°. Die Winkelbereiche sind allgemein durch in Drehrichtung aufeinanderfolgend durchlaufene Geberpositionen definiert.
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Dies ermöglicht es in Schritt S5, die tatsächlichen durch die Geberpositionen des Positionsgebers vorgegebenen Winkelbereiche, die aufgrund von Fertigungstoleranzen oder dergleichen voneinander abweichen können, zu bestimmen. Weiterhin können die Geberpositionen den mechanischen Positionen des Läufers eindeutig zugordnet werden, da die gesamte Anzahl der Geberpositionen für einen Umlauf des Läufers bekannt ist. Ein Positionssignal an einer Geberposition kann somit einem Zeitpunkt zugeordnet werden, zu dem sich der Läufer an der mechanischen Position des Läufers befindet.
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In Schritt S6 werden im weiteren Verlauf des Betriebs der elektrischen Maschine 2 die jeweiligen Zeitpunkte der Positionssignale für eine vorbestimmte Anzahl von zuvor zu Läuferpositionen (mechanische Position des Läufers) zugeordnete Geberpositionen bestimmt. Somit kann ein zeitlicher Verlauf von ermittelten Läuferpositionen zu bestimmten Zeitpunkten bestimmt werden.
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Entsprechend wird in Schritt S7 entsprechend eine Positionsfunktion K parametrisiert, die in Form einer Polynomialfunktion ausgebildet sein kann, insbesondere als eine Parabelfunktion. Dies kann in an sich bekannter Weise insbesondere durch Anfitten basierend auf der Least-Square-Methode durchgeführt werden, so dass Funktionsparameter bestimmt werden.
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Wie in 3 gezeigt, kann die Positionsfunktion K beispielsweise als Polynomialfunktion basierend auf drei zurückliegenden Positionssignalen zu Zeitpunkten t1, t2, t3 bestimmt werden. Ist die Positionsfunktion K bestimmt, kann diese, wie ebenfalls in 3 gestrichelt dargestellt, beliebig extrapoliert werden, so dass nach dem Zeitpunkt des zuletzt erfassten Positionssignals t3 bis zum darauffolgenden Positionssignal t4 die Position extrapoliert werden kann.
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Die aktuelle Drehzahlangabe kann dann in Schritt S8 durch zeitliche Ableitung des entsprechenden Verlaufs der Positionsfunktion K zu einem gewünschten insbesondere aktuellen Zeitpunkt bestimmt werden.
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Basierend auf einer so erfassten Drehzahlangabe zu dem aktuellen Zeitpunkt kann in Schritt S9 eine Drehzahlregelung entsprechend ausgeführt werden. Die Drehzahlregelung kann eine P-Regelung, eine PI-Regelung oder eine PID-Regelung umfassen.
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Das Verfahren wird im Anschluss mit Schritt S6 fortgesetzt.
