EP3278117A1 - Verfahren zur erzeugung eines geschwindigkeitssignals eines elektromotors - Google Patents

Verfahren zur erzeugung eines geschwindigkeitssignals eines elektromotors

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Publication number
EP3278117A1
EP3278117A1 EP16706968.1A EP16706968A EP3278117A1 EP 3278117 A1 EP3278117 A1 EP 3278117A1 EP 16706968 A EP16706968 A EP 16706968A EP 3278117 A1 EP3278117 A1 EP 3278117A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signal
speed signal
angle
period
samples
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16706968.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Benjamin Kaufner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of EP3278117A1 publication Critical patent/EP3278117A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G01P3/48—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage
    • G01P3/481—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals
    • G01P3/487—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals delivered by rotating magnets
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G01P3/48—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
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    • G01P3/481—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals
    • G01P3/489—Digital circuits therefor

Definitions

  • the invention relates to a method for generating a speed signal, which is used for improved speed determination of a rotary
  • Electric motor is suitable.
  • the improvement in the extraction of a signal representing the speed of the electric motor is achieved by taking into account the application-specific error form. This is a by a
  • Commutation sensor detected speed signal corrected by a sample averaging.
  • the speed of the electric motor may be an angular velocity or a rotational velocity.
  • the invention also relates to an electric motor assembly in which said method is used.
  • An accurate speed signal is needed wherever electric motors are used for a drive whose control is to be more accurate than with conventional block commutation.
  • the speed signal can be determined via an angle signal, which can be detected via a commutation sensor.
  • the angle signal and thus also the speed signal may have interference, which hinder a precise control of the electric motor.
  • solutions are shown to correct the interference by a previously determined correction value.
  • DE 102 60 862 A1 shows a method for correcting an angular and / or distance-measuring sensor arrangement, in which sinusoidal or cosinusoidal
  • Measuring signals are evaluated, which by scanning a moving
  • Measured object to be won The correction of the angular or phase errors of the measurement signals takes place in that of a plurality of measurement signals
  • Constants are derived for the estimation and correction of the angular or phase error and / or the amplitude of the measurement signals.
  • DE 101 33 524 A1 describes a method for correcting a dynamic error of a sensor.
  • This dynamic error superimposes the sensor signal, for example, in the form of periodic fluctuations whose frequency and amplitude are constantly changing change with the speed of the engine.
  • the sensor output signal is fed to a filter circuit and a correction circuit.
  • the correction circuit receives one or more filtered signals output from the filter circuit and generates a corrected sensor signal from information obtained by comparing the filtered signals with the unfiltered sensor output signal or corrected signals derived therefrom.
  • DE 10 201 1 105 502 A1 shows a method for adjusting a phase offset between a rotor position sensor and a rotor position of an electrically commutated motor.
  • the rotor position sensor measures a position of the rotor of the motor, which is controlled during operation with a block commutation. The measured position is compared with an expected position. From the
  • phase offset is formed, which is used to control the electrically commutated motor.
  • the position of the rotor is measured with an absolute rotor position sensor, which is set in relation to a motor parameter that characterizes the expected position of the rotor.
  • Speed of a high-speed motor wherein from the rotor speed of the motor or from a filtered speed of the motor, a rotor period is calculated and from this a number of points in a moving average value is calculated.
  • the object of the present invention is based on the prior art is a method for generating a speed signal of a
  • the inventive method is suitable for use on electric motors, in which a very accurate control is necessary. This is a
  • Polradgebers which determines an angular signal on the electric motor, from which the speed signal can be obtained.
  • the angle signal determined by the commutation sensor has interference components at least in the form of a noise component and an angle error.
  • the noise component of the angle signal of the commutation sensor occurs due to disturbances in the signal transmission.
  • the angle error is based on system or
  • the angle error is angle-dependent and consequently occurs periodically.
  • Period duration of the angle error depends on the type of
  • an angle signal of the electric motor is determined by means of a commutation sensor, which is preferably based on a magnetic Polradgeber.
  • the Polradgeber may for example be equipped with a plurality of Hall sensors, which are associated with poles on a fixedly connected to the rotor of the electric motor pole.
  • the angle signal measured by such a commutation sensor inevitably has spurious components in the form of a noise component and an angle error.
  • the angle error is angle dependent and repeats depending on the speed of the
  • the angle error is periodic.
  • the period of the angle error depends on the type of commutation sensor. Both the period of the angle signal, as well as the period of the angle error can be determined as soon as a plurality of revolutions of the electric motor has been executed.
  • the angle signal is converted by differentiation into a raw speed signal. Due to the derivation of the measured angle with time, the angular error which is still relatively small in the angle signal is amplified and causes an increased error of the raw velocity signal, which due to its periodicity is also referred to as "stator ripple".
  • the shape of the angular error of the angle signal and thus also the shape of the Storwellmaschine the raw velocity signal repeats itself periodically over an ideal value with each magnetic pole pair of the commutation sensor.
  • the shape of the angle error depends on the type of commutation sensor. Both the period of the angle signal, as well as the period of the angle error can be determined as soon as a plurality of revolutions of the electric motor has been executed.
  • the angle signal is converted by
  • Angular error and the Storwellmaschine is further characterized by a point symmetry, which results from the fact that the angle signal oscillates around the ideal value, similar to a sinusoidal noise signal on the angle signal.
  • Period duration of the speed signal periodized by the current ripple depends on the type of commutation sensor and its system and application specific fault characteristics.
  • Electric motor determined. It is simplified but also possible to determine the period only at each jump of the angle signal from + ⁇ to - ⁇ . Other methods may also be used to determine the correct distance between the two sets of samples, for example, by returning the calculated speed signal.
  • a next step at least two samples of the raw velocity signal are averaged, which are exactly half a period apart. These samples represent the values sampled by the commutation sensor. To correct for the interference ripple of the speed signal, two or more samples must be selected, each having a distance of exactly half a period length of the speed signal.
  • a particular advantage of the method according to the invention is that a very good correction of the speed signal takes place, since the interference ripple is completely eliminated and initially only the noise component remains, which can be filtered out in further steps.
  • Another advantage arises from the fact that the speed-dependent averaging is not a full period of the
  • Electric motor is to deliver a continuous speed signal, the o.g. Procedural steps at each time, at which the
  • Commutation sensor delivers a sample, carried out continuously in succession as soon as the electric motor has made a first half turn.
  • a commutation sensor serves to determine the angle signal, which is used per whole Rotation of the electric motor detects one period of the angle signal and two periods of the angle error.
  • the commutation sensor detects an angle signal with an angle error whose period is twice as large as that of the angle signal.
  • the angle error has two full periods per revolution of the electric motor.
  • the determination of half the period duration of the raw velocity signal is carried out by determining the duration between two value range jumps of the angle signal.
  • the value range jumps preferably occur in each case after a complete revolution of the electric motor, particularly preferably when the angle signal jumps from + ⁇ to - ⁇ or vice versa.
  • This duration is the period of the angle signal and preferably the duration for one revolution of the electric motor, since between two
  • the period of the angle signal is preferably half as large as that of the angular error and thus the Störwellmaschine the raw velocity signal, the determined period of the angular signal must be quartered to obtain half the period of the raw velocity signal.
  • Speed signal is available, the previously determined and not yet corrected raw speed signal must be used in the first run of the method steps according to the invention to determine half the period. In all subsequent passes of the method steps, the corrected values of the speed signal are used to determine half the period of the raw speed signal.
  • the raw speed signal of the electric motor represents values in the form of numbers of revolutions. Thus, the half period be calculated from half of the reciprocal of the number of revolutions.
  • more than two samples of the raw velocity signal are averaged to correct the raw velocity signal.
  • two mean values are averaged over each n samples, which one
  • n> 1 Another possibility is to merge all the samples of n pairs in one step, with the respective samples of the pairs being exactly half the period of the raw velocity signal.
  • a particular advantage of this preferred embodiment is that not only the Storwellmaschine but also the noise component of the raw velocity signal can be corrected.
  • n> 5 pairs of samples are selected, more preferably 5 ⁇ n ⁇ 50 pairs, with the respective first samples of the pairs and the respectively second samples of the pairs immediately following each other.
  • each of the temporally younger samples of the pairs is the most recent of the provided samples.
  • an improved speed-controllable electric motor arrangement can be constructed, which can be used, for example, for the drive of electric vehicles.
  • Fig. 1 is a diagram depicting the ideal and the angle signal measured by the commutation sensor
  • FIG. 2 shows a diagram with the raw velocity signal course and the course of the angle error at the commutation sensor;
  • FIG. a diagram with the raw velocity waveform at
  • Fig. 4 is three diagrams showing a moving averaging according to the prior art in the waveform of the angle error
  • FIGS. 4 to 6 shows three diagrams with an average of two mean values;
  • FIG. 7 shows four diagrams with a comparison of that shown in FIGS. 4 to 6
  • FIG. 1 shows the profile of an angle signal 01 measured by the commutation sensor, which shows the magnetic field angle as a function of time and is shown as a continuous line.
  • the ideal angle signal 02 is shown as a dashed line.
  • Angle signal 01 is a full period.
  • the comparison of the ideal 02 with the measured angular waveform 01 shows that the commutation sensor has a slight
  • Angular error 03 absorbs, similar to a sinusoidal noise on the
  • this angle error 03 is shown as a magnetic field angle difference as a function of time, as well as the raw speed signal 04, which by
  • Electric motor occurs at the derived from the angle signal 01 of the commutation sensor raw velocity value an error of about ⁇ 10%.
  • the frequency of the Storwellmaschine of Roh-speed signal 04 depends on the speed and consequently the inventive determination of half Period of the raw speed signal 04 preferably should be performed continuously for each pass of the method steps in order to achieve an optimal error correction.
  • the three diagrams in FIG. 4 illustrate a method for correcting the raw velocity signal 04 over the moving average based on the course of the angle error 03, which is composed of a plurality of samples 07, as known from the prior art.
  • the averaging here provides a noise-free signal 08, which is represented by a continuous black line, while the Störwell ig speed is maintained, however.
  • the three diagrams in FIG. 5 show the profile of the angular error 03, which according to the present invention is averaged over two samples 09 and 10, ie a sample pair, which are exactly half the period of the angular error 03 apart. This is shown by a dark line
  • FIG. 6 shows, in contrast to FIG. 5, a preferred embodiment of the invention, in which not two individual samples are averaged, but to
  • the comparison of the four diagrams in FIG. 7 illustrates the difference between the results of the methods shown in FIGS. 4 to 6 on the basis of real, metrologically detected speed signals.
  • the moving-average method with the sliding-average signal 08 solves only the noise component of the raw velocity signal 04
  • averaging over two individual samples with the noise-free signal 12 corrects the noise ripple of the raw velocity signal 04
  • the averaging n pairs of samples with the Smoothed signal 13 removes both the noise component and the noise of the raw velocity signal.
  • Fig. 7 shows that the time delay in averaging over n pairs of samples 09 and 10 ( ⁇ / 2 + ⁇ ) is slightly longer than in averaging over two individual samples 09 and 10 (T / 2) and significantly is longer than in the case of pure averaging (n), at least for the averaging values n selected in FIG. 7. If, however, a comparatively good signal were sought with a method according to the prior art, then the temporal filter delay would have to be a multiple of that
  • the speed-dependent averaging proposed by the invention is two
  • FIG. 8 shows a diagram with an angular signal profile 01 according to the invention from - ⁇ to + ⁇ , wherein the magnetic field angle is shown as a function of time.
  • the value range jumps 14 from + ⁇ to - ⁇ are indicated by dots and mark the time at which the electric motor starts a new revolution. Consequently, the distance between two value range jumps 14 represents the period of the angle signal 01 again.
  • the speed and thus the period can be redetermined in order to determine therefrom the correct distance of the samples to be used for averaging 09 and 10. From the curve can also be seen that from the angle signal 01 the

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur verbesserten Geschwindigkeitsermittlung von Elektromotoren unter Berücksichtigung von Winkelfehlern eines Winkelpositionssensors. Genutzt wird ein Kommutierungssensor auf Basis eines magnetischen Polradgebers, dessen Winkelsignal (01) einen winkelabhängigen und damit periodischen Winkelfehler (03) aufweist. Durch Differenzierung wird dieses fehlerbehaftete Winkelsignal (01) in ein Roh-Geschwindigkeitssignal (04) umgewandelt, welches zwei Störkomponenten aufweist. Eine Störkomponente folgt aus dem Winkelfehler (03) und stellt die Störwelligkeit dar, welche ebenso wie der Winkelfehler (03) periodisch ist. Die zweite Störkomponente wird durch eine das Roh-Geschwindigkeitssignal (04) überlagernde Rauschkomponente gebildet. Zur Korrektur des fehlerbehafteten Roh-Geschwindigkeitssignals (04) muss die halbe Periodendauer des Roh-Geschwindigkeitssignals (04) ermittelt werden. Ist diese halbe Periodendauer ermittelt, werden zwei Samples (09, 10) des Roh-Geschwindigkeitssignals (04) gemittelt, welche exakt eine halbe Periodendauer des Roh-Geschwindigkeitssignals (04) auseinanderliegen. Aus diesen Verfahrensschritten ergibt sich ein Geschwindigkeitssignal, welches keine Störwelligkeit, sondern nur noch die Rauschkomponente aufweist.

Description

Verfahren zur Erzeugung eines Geschwindigkeitssignals eines Elektromotors
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Geschwindigkeitssignals, welches sich zur verbesserten Geschwindigkeitsermittlung eines rotatorischen
Elektromotors eignet. Die Verbesserung bei der Extraktion eines die Geschwindigkeit des Elektromotors repräsentierenden Signals wird dabei durch Berücksichtigung der anwendungsspezifischen Fehlerform erreicht. Dabei wird ein durch einen
Kommutierungssensor ermitteltes Geschwindigkeitssignal durch eine Sample- Mittelung korrigiert. Bei der Geschwindigkeit des Elektromotors kann es sich um eine Winkelgeschwindigkeit oder eine Drehgeschwindigkeit handeln. Die Erfindung betrifft außerdem eine Elektromotorenanordnung, in welcher das genannte Verfahren eingesetzt wird.
Ein genaues Geschwindigkeitssignal wird überall dort benötigt, wo Elektromotoren für einen Antrieb eingesetzt werden, deren Regelung genauer erfolgen soll, als mit einer üblichen Blockkommutierung. Das Geschwindigkeitssignal kann über ein Winkelsignal ermittelt werden, welches über einen Kommutierungssensor erfasst werden kann. Das Winkelsignal und damit auch das Geschwindigkeitssignal können jedoch Störungen aufweisen, welche eine präzise Regelung des Elektromotors behindern. Im Stand der Technik werden beispielsweise Lösungen aufgezeigt, um die Störungen durch einen zuvor ermittelten Korrekturwert zu korrigieren.
Die DE 102 60 862 A1 zeigt ein Verfahren zur Korrektur einer winkel- und/oder abstandsmessenden Sensoranordnung, bei der sinus- oder kosinusförmige
Messsignale ausgewertet werden, welche durch Abtasten eines bewegten
Messobjektes gewonnen werden. Die Korrektur der Winkel- oder Phasenfehler der Messsignale findet dadurch statt, dass aus einer Mehrzahl von Messsignalen
Konstanten zur Abschätzung und Korrektur des Winkel- oder Phasenfehlers und/oder der Amplitude der Messsignale hergeleitet werden.
Die DE 101 33 524 A1 beschreibt ein Verfahren zur Korrektur eines Dynamikfehlers eines Sensors. Dieser Dynamikfehler überlagert das Sensorsignal beispielsweise in Form von periodischen Schwankungen, deren Frequenz und Amplitude sich laufend mit der Drehzahl des Motors ändern. Zur Korrektur des Dynamikfehlers wird das Sensor-Ausgangssignal einer Filterschaltung und einer Korrekturschaltung zugeführt. Die Korrekturschaltung erhält ein oder mehrere von der Filterschaltung abgegebene gefilterte Signale und erzeugt aus Informationen, welche sie durch einen Vergleich der gefilterten Signale mit dem ungefilterten Sensor-Ausgangssignal oder hieraus abgeleiteter korrigierter Signale gewinnt, ein korrigiertes Sensorsignal.
Die DE 10 201 1 105 502 A1 zeigt ein Verfahren zum Abgleich eines Phasenversatzes zwischen einem Rotorlagesensor und einer Rotorlage eines elektrisch kommutierten Motors. Dabei misst der Rotorlagesensor eine Position des Rotors des Motors, welcher während des Betriebs mit einer Blockkommutierung angesteuert wird. Die gemessene Position wird mit einer erwarteten Position verglichen. Aus dem
Unterschied zwischen gemessener und erwarteter Position wird ein Phasenversatz gebildet, der zur Ansteuerung des elektrisch kommutierten Motors genutzt wird. Die Position des Rotors wird mit einem Absolutwert-Rotorlagesensor gemessen, welche mit einem Motorparameter ins Verhältnis gesetzt wird, der die erwartete Position des Rotors charakterisiert.
Die US 2007/0043528 A1 zeigt ein Verfahren und System zum Messen einer
Drehzahl eines Hochgeschwindigkeitsmotors, wobei aus der Rotordrehzahl des Motors oder aus einer gefilterten Drehzahl des Motors eine Rotorperiode berechnet wird und aus dieser eine Anzahl von Punkten in einem gleitenden Mittelwert berechnet wird. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, ein Verfahren zur Erzeugung eines Geschwindigkeitssignals eines
Elektromotors zur Verfügung zu stellen, durch welches Signalstörungen bereinigt werden, so dass das erzeugte Geschwindigkeitssignal besser der Ist-Geschwindigkeit des Elektromotors entspricht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren ist für den Einsatz an Elektromotoren geeignet, bei welchen eine sehr genaue Regelung notwendig ist. Dabei wird ein
Geschwindigkeitssignal benötigt, welches permanent, also auch während einer Umdrehung des Rotors des Elektromotors, exakt ermittelt wird.
Als Signalgeber kann ein Kommutierungssensor auf Basis eines magnetischen
Polradgebers verwendet werden, welcher am Elektromotor ein Winkelsignal ermittelt, aus welchem das Geschwindigkeitssignal erhalten werden kann. Das durch den Kommutierungssensor ermittelte Winkelsignal weist Störkomponenten zumindest in Form einer Rauschkomponente und eines Winkelfehlers auf. Die Rauschkomponente des Winkelsignals des Kommutierungssensors tritt aufgrund von Störungen bei der Signalübertragung auf. Der Winkelfehler basiert auf System- bzw.
applikationsspezifischen Fehlercharakteristiken des Kommutierungssensors. Der Winkelfehler ist winkelabhängig und tritt infolgedessen periodisch auf. Die
Periodendauer des Winkelfehlers ist abhängig von der Art des
Kommutierungssensors, wovon auch die Periodendauer des Winkelsignals abhängig ist. Die Periodendauer des Winkelsignals und die Periodendauer des Winkelfehlers stehen somit in direktem Verhältnis zueinander. In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Winkelsignal des Elektromotors mittels eines Kommutierungssensors ermittelt, welcher vorzugsweise auf einem magnetischen Polradgeber basiert. Der Polradgeber kann beispielsweise mit mehreren Hallsensoren ausgestattet sein, welche Polen auf einem mit dem Rotor des Elektromotors fest verbundenen Polrad zugeordnet sind. Das durch einen solchen Kommutierungssensor gemessene Winkelsignal weist zwangsläufig Störkomponenten in Form einer Rauschkomponente und eines Winkelfehlers auf. Der Winkelfehler ist winkelabhängig und wiederholt sich abhängig von der Geschwindigkeit des
Elektromotors mit jeder Umdrehung in gleicher Form, da er auf System- bzw.
applikationsspezifischen Fehlercharakteristiken des Kommutierungssensors basiert. Somit ist der Winkelfehler periodisch. Die Periodendauer des Winkelfehlers ist abhängig von der Art des Kommutierungssensors. Sowohl die Periodendauer des Winkelsignals, als auch die Periodendauer des Winkelfehlers können ermittelt werden, sobald eine Mehrzahl an Umdrehungen des Elektromotors ausgeführt wurde. In einem nächsten Schritt wird das Winkelsignal durch Differenzierung in ein Roh- Geschwindigkeitssignal überführt. Durch die Ableitung des gemessenen Winkels nach der Zeit, verstärkt sich der im Winkelsignal noch relativ geringe Winkelfehler und bewirkt einen verstärkten Fehler des Roh-Geschwindigkeitssignals, welcher aufgrund seiner Periodizität auch als Storwelligkeit bezeichnet wird. Die Form des Winkelfehlers des Winkelsignals und damit auch die Form der Storwelligkeit des Roh-Geschwindigkeitssignals wiederholt sich periodisch gegenüber einem Idealwert immer wieder mit jedem magnetischen Polpaar des Kommutierungssensors. Die Form des
Winkelfehlers und der Storwelligkeit ist des Weiteren durch eine Punktsymmetrie gekennzeichnet, welche dadurch entsteht, dass das Winkelsignal um den Idealwert pendelt, ähnlich einem sinusförmigen Störsignal auf dem Winkelsignal. Die
Periodendauer des durch die Storwelligkeit periodisierten Geschwindigkeitssignals ist abhängig von der Art des Kommutierungssensors und von dessen System- und applikationsspezifischen Fehlercharakteristiken.
Je nach Art des verwendeten Kommutierungssensors erfasst dieser pro vollständiger Umdrehung des Elektromotors beispielsweise eine oder zwei Perioden des
Winkelsignals.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird die halbe Periodendauer des
Geschwindigkeitssignals ermittelt. Dazu muss der Motor zumindest eine halbe
Umdrehung ausgeführt haben, da die halbe Periodendauer aus den durch den Kommutierungssensor gemessenen Samples ermittelt wird und nicht vorbestimmt ist. Da sich die Samples und damit auch die halbe Periodendauer des Roh-Geschwindigkeitssignals durch Geschwindigkeitsänderungen fortlaufend ändern können, wird die halbe Periodendauer vorzugsweise kontinuierlich während des Betriebes des
Elektromotors ermittelt. Es ist vereinfacht aber auch möglich, die Periodendauer nur bei jedem Sprung des Winkelsignals von +π nach -π zu bestimmen. Es können auch andere Methoden genutzt werden, um die korrekte Distanz zwischen den beiden Samplemengen zu bestimmen, beispielsweise unter Rückführung des errechneten Geschwindigkeitssignals. In einem nächsten Schritt werden zumindest zwei Samples des Roh-Geschwindig- keitssignals gemittelt, welche exakt eine halbe Periodenlänge auseinanderliegen. Diese Samples stellen die Werte dar, welche durch den Kommutierungssensor abgetastet werden. Zur Bereinigung der Störwelligkeit des Geschwindigkeitssignals müssen zwei oder mehr Samples ausgewählt werden, welche jeweils eine Distanz von exakt einer halben Periodenlänge des Geschwindigkeitssignals aufweisen.
Bevorzugt handelt es sich bei dem zeitlich jüngsten der mindestens zwei
ausgewählten Samples um den zeitlich jüngsten der bereitgestellten Samples. Durch die Periodizität und die Punktsymmetrie der Störwelligkeit des Roh-Geschwindig- keitssignals reichen jeweils zwei Samples zur Mittelung des Roh-Geschwindig- keitssignals grundsätzlich aus, so dass das Signal nach der Mittelung keine
Störwelligkeit mehr aufweist, sondern lediglich noch die Rauschkomponente enthält. Dieser gebildete Mittelwert wird dann als Geschwindigkeitssignal des Motors bereitgestellt. Die Mittelung der Samples erfolgt z. B. auf übliche Weise durch Addition der beiden Geschwindigkeitswerte der Samples und Division durch die Anzahl der addierten Samples.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass eine sehr gute Korrektur des Geschwindigkeitssignals stattfindet, da die Störwelligkeit vollständig beseitigt wird und zunächst nur noch die Rauschkomponente verbleibt, die in weiteren Schritten herausgefiltert werden kann. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass die geschwindigkeitsabhängige Mittelung keine Vollperiode des
Störsignals benötigt. Da das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt für den gesamten Betrieb des
Elektromotors ein kontinuierliches Geschwindigkeitssignal liefern soll, werden auch die o.g. Verfahrensschritte zu jedem Zeitpunkt, an welchem der
Kommutierungssensor ein Sample liefert, kontinuierlich nacheinander durchgeführt, sobald der Elektromotor eine erste halbe Umdrehung vollführt hat.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dient ein Kommutierungssensor der Ermittlung des Winkelsignals, welcher pro ganzer Umdrehung des Elektromotors eine Periode des Winkelsignals und zwei Perioden des Winkelfehlers erfasst.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfasst der Kommutierungssensor ein Winkelsignal mit einem Winkelfehler, dessen Periodendauer doppelt so groß ist, wie die des Winkelsignals. Der Winkelfehler weist infolgedessen zwei Vollperioden pro Umdrehung des Elektromotors auf.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Ermittlung der halben Periodendauer des Roh-Geschwindigkeitssignals durch die Ermittlung der Dauer zwischen zwei Wertebereichssprüngen des Winkelsignals. Die Wertebereichssprünge treten bevorzugt jeweils nach einer vollständigen Umdrehung des Elektromotors auf, besonders bevorzugt wenn das Winkelsignal von +π nach -π oder umgekehrt springt. Diese Dauer ist die Periodendauer des Winkelsignals und bevorzugt die Dauer für eine Umdrehung des Elektromotors, da zwischen zwei
Sprüngen von +π nach -π genau 2π, also eine Umdrehung liegt. Da die Periodendauer des Winkelsignals bevorzugt halb so groß ist, wie die des Winkelfehlers und damit der Störwelligkeit des Roh-Geschwindigkeitssignals, muss die ermittelte Periodendauer des Winkelsignals geviertelt werden, um die halbe Periodendauer des Roh- Geschwindigkeitssignals zu erhalten.
Bei einer alternativen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens erfolgt die Ermittlung der halben Periodendauer des Roh-Geschwindigkeitssignals durch die Rückführung des ermittelten und korrigierten
Geschwindigkeitssignals. Da am Anfang des Verfahrens noch kein korrigiertes
Geschwindigkeitssignal zur Verfügung steht, muss bei dem ersten Durchlauf der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte das bisher ermittelte und noch nicht korrigierte Roh-Geschwindigkeitssignal genutzt werden, um die halbe Periodendauer zu ermitteln. In allen darauf folgenden Durchläufen der Verfahrensschritte werden die korrigierten Werte des Geschwindigkeitssignals genutzt, um die halbe Periodendauer des Roh-Geschwindigkeitssignals zu ermitteln. Das Roh-Geschwindigkeitssignal des Elektromotors gibt Werte in Form von Umdrehungszahlen wieder. Somit kann die halbe Periodendauer aus der Hälfte des Reziproken der Umdrehungszahl berechnet werden.
Bei bevorzugten Ausführungsformen werden mehr als zwei Samples des Roh- Geschwindigkeitssignals gemittelt, um das Roh-Geschwindigkeitssignal zu korrigieren. Dabei werden zwei Mittelwerte über jeweils n Samples gemittelt, welche einen
Abstand von exakt der halben Periodendauer des Roh-Geschwindigkeitssignals aufweisen, wobei n>1 ist. Eine andere Möglichkeit ist es, alle Samples von n Paaren in einem Schritt zu mittein, wobei die jeweiligen Samples der Paare exakt eine halbe Periodendauer des Roh-Geschwindigkeitssignals auseinanderliegen. Ein besonderer Vorteil dieser bevorzugten Ausführungsform ist, dass damit nicht nur die Storwelligkeit sondern auch die Rauschkomponente des Roh-Geschwindigkeitssignals korrigiert werden kann. Dazu werden bevorzugt n>5 Paare an Samples gewählt, besonders bevorzugt 5<n<50 Paare, wobei die jeweils ersten Samples der Paare und die jeweils zweiten Samples der Paare unmittelbar aufeinanderfolgen. Bevorzugt handelt es sich bei den jeweils zeitlich jüngeren Samples der Paare um die zeitlich jüngsten der bereitgestellten Samples.
Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine verbesserte geschwindigkeitsregelbare Elektromotorenanordnung aufgebaut werden, die sich beispielsweise für den Antrieb von Elektrofahrzeugen nutzen lässt.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm, welches das ideale und das vom Kommutierungssensor gemessene Winkelsignal abbildet;
Fig. 2 ein Diagramm mit dem Roh-Geschwindigkeitssignalverlauf und dem Verlauf des Winkelfehlers am Kommutierungssensor; ein Diagramm mit dem Roh-Geschwindigkeitssignalverlauf bei
Geschwindigkeitsänderung; Fig. 4 drei Diagramme, welche eine gleitende Mittelwertbildung gemäß dem Stand der Technik beim Signalverlauf des Winkelfehlers zeigen;
Fig. 5 drei Diagramme mit einer Mittelung über zwei Samples des Winkelfehlers;
Fig. 6 drei Diagramme mit einer Mittelung zweier Mittelwerte; Fig. 7 vier Diagramme mit einem Vergleich der in Fig. 4 bis Fig. 6 gezeigten
Methoden;
Fig. 8 ein Diagramm mit einem Winkelsignalverlauf.
Fig. 1 zeigt den Verlauf eines vom Kommutierungssensor gemessenen Winkelsignals 01 , welches den Magnetfeldwinkel in Abhängigkeit von der Zeit zeigt und als durchgängige Linie dargestellt ist. Demgegenüber ist das ideale Winkelsignal 02 als gestrichelte Linie gezeigt. Pro Umdrehung von -π nach +π überstreicht das
Winkelsignal 01 eine Vollperiode. Der Vergleich des idealen 02 mit dem gemessenen Winkelsignalverlauf 01 zeigt, dass der Kommutierungssensor einen leichten
Winkelfehler 03 aufnimmt, der ähnlich einem sinusförmigen Störsignal auf dem
Winkelsignal um die ideale Signalkurve 02 pendelt.
In Fig. 2 ist dieser Winkelfehler 03 als Magnetfeldwinkeldifferenz in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt, sowie das Roh-Geschwindigkeitssignal 04, welches durch
Differenzierung des Winkelsignals 01 erhalten wird. Hier ist zu sehen, dass die bei dem Verlauf des Winkelfehlers 03 zu erkennende Welligkeit durch die Differenzierung verstärkt im Roh-Geschwindigkeitssignal 04 sichtbar wird, sodass sich der Fehler deutlicher auswirkt. In Fig. 3 wird deutlich, wie stark der Verstärkungseffekt des Fehlers im Roh- Geschwindigkeitssignal 04 ist. Im Vergleich zur Ist-Geschwindigkeit 06 des
Elektromotors tritt bei dem aus dem Winkelsignal 01 des Kommutierungssensors abgeleiteten Roh-Geschwindigkeitswert ein Fehler von etwa ±10% auf. Auch ist zu sehen, dass die Frequenz der Storwelligkeit des Roh-Geschwindigkeitssignals 04 von der Geschwindigkeit abhängt und folglich die erfindungsgemäße Ermittlung der halben Periode des Roh-Geschwindigkeitssignals 04 bevorzugt kontinuierlich für jeden Durchgang der Verfahrensschritte neu durchgeführt werden sollte, um eine optimale Fehlerkorrektur zu erreichen. Die drei Diagramme in Fig. 4 veranschaulichen eine Methode zur Korrektur des Roh- Geschwindigkeitssignals 04 über den gleitenden Mittelwert anhand des Verlaufs des Winkelfehlers 03, der sich aus einer Vielzahl an Samples 07 zusammensetzt, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Mittelwertbildung sorgt hier für ein rauschfreies Signal 08, welches durch eine durchgängige schwarze Linie dargestellt ist, während die Störwell ig keit allerdings erhalten bleibt.
Die drei Diagramme in Fig. 5 zeigen demgegenüber den Verlauf des Winkelfehlers 03, welcher gemäß der vorliegenden Erfindung jeweils über zwei Samples 09 und 10, also ein Samplepaar, gemittelt wird, die exakt eine halbe Periodendauer des Winkelfehlers 03 auseinanderliegen. Das hier anhand einer dunklen Linie dargestellte
Ergebnissignal 12 dieser Mittelung zeigt eine perfekte Kompensation der
Störwelligkeit, während das Rauschen zunächst nahezu unverändert erhalten bleibt.
Fig. 6 zeigt im Unterschied zu Fig. 5 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher nicht zwei einzelne Samples gemittelt werden, sondern zur
Mittelwertbildung zwei Mittelwerte über jeweils n, bevorzugt n=10, Samples 09 und 10 verwendet werden, wobei diese wiederum einen Abstand einer halben Periodendauer des Winkelfehlers 03 aufweisen. Bei dieser Methode ergibt sich, dargestellt durch die durchgängige schwarze Linie, ein sehr gut geglättetes Signal 13, welches weder die Rauschkomponente noch die Störwelligkeit aufweist.
Der Vergleich der vier Diagramme in Fig. 7 veranschaulicht den Unterschied der Ergebnisse der in den Fig. 4 bis 6 gezeigten Methoden anhand realer, messtechnisch erfasster Geschwindigkeitssignale. Während die Methode des gleitenden Mittelwerts mit dem gleitend gemittelten Signal 08 als Ergebnis lediglich die Rauschkomponente des Roh-Geschwindigkeitssignals 04 behebt, behebt die Mittelung über zwei einzelne Samples mit dem rauschfreien Signal 12 als Ergebnis die Störwelligkeit des Roh- Geschwindigkeitssignals 04, und die Mittelung über n Paare an Samples mit dem geglätteten Signal 13 als Ergebnis entfernt sowohl die Rauschkomponente als auch die Störwell igkeit des Roh-Geschwindigkeitssignals.
Des Weiteren zeigt Fig. 7, dass die Zeitverzögerung bei der Mittelung über n Paare an Samples 09 und 10 (Τ/2+η) etwas länger ist, als bei der Mittelung über zwei einzelne Samples 09 und 10 (T/2) und deutlich länger ist, als bei der reinen Mittelwertbildung (n), zumindest bei den in Fig. 7 gewählten Mittelungswerten n. Würde man allerdings mit einem Verfahren nach dem Stand der Technik ein vergleichbar gutes Signal anstreben, so müsste die zeitliche Filterverzögerung dort ein Vielfaches der
Periodendauer des Roh-Geschwindigkeitssignals 04 betragen. Ist die
Verzögerungskonstante allerdings zu groß, kann das Roh-Geschwindigkeitssignal 04 nicht mehr für dynamische Reaktionen genutzt werden. Somit ist die durch die Erfindung vorgeschlagene geschwindigkeitsabhängige Mittelung aus zwei
Mittelwerten auch das verzögerungsoptimale Verfahren.
Fig. 8 zeigt ein Diagramm mit einem erfindungsgemäßen Winkelsignalverlauf 01 von -π nach +π, wobei der Magnetfeldwinkel in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt ist. Die Wertebereichssprünge 14 von +π nach -π sind durch Punkte gekennzeichnet und markieren den Zeitpunkt, an welchem der Elektromotor eine neue Umdrehung beginnt. Demzufolge gibt der Abstand zwischen zwei Wertebereichssprüngen 14 die Periodendauer des Winkelsignals 01 wieder. An jedem Wertebereichssprung 14 kann die Drehzahl und damit die Periode neu bestimmt werden, um daraus den korrekten Abstand der zur Mittelung zu verwendenden Samples 09 und 10 zu ermitteln. Aus dem Kurvenverlauf ist auch ersichtlich, dass aus dem Winkelsignal 01 die
Geschwindigkeitsänderung abgeleitet werden kann.
Bezugszeichen gemessenes Winkelsignal
ideales Winkelsignal
Winkelfehler
Roh-Geschwindigkeitssignal Ist-Geschwindigkeit
gemessene Samples
gleitend gemitteltes Signal erste Samples der Paare
zweite Samples der Paare rauschfreies Signal
geglättetes Signal
Wertebereichssprung

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Erzeugung eines Geschwindigkeitssignals eines Elektromotors, welcher einen Kommutierungssensor umfasst, folgende Schritte umfassend:
- Ermitteln eines periodischen Winkelsignals (01 ) des Elektromotors mittels des Kommutierungssensors, wobei das Winkelsignal (01 ) aus einer Vielzahl von Samples (07) besteht und einen winkelabhängigen, periodischen Winkelfehler (03) aufweist;
- Überführung des Winkelsignals (01 ) in ein Roh-Geschwindigkeitssignal (04), welches aufgrund des Winkelfehlers (03) eine Störwelligkeit aufweist, deren Periodendauer der Periodendauer des Winkelfehlers (03) entspricht;
- Ermittlung der halben Periodendauer des durch die Störwelligkeit
periodisierten Roh-Geschwindigkeitssignals (04);
- Mittelung zumindest eines Paares an Samples (09, 10) des Roh- Geschwindigkeitssignals (04), welche die ermittelte halbe Periodendauer des Roh-Geschwindigkeitssignals (04) auseinanderliegen, wodurch ein Mittelwert erhalten wird; und
- Bereitstellung des erhaltenen Mittelwertes als Geschwindigkeitssignal .
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Kommutierungssensor bei einer vollständigen Umdrehung des Elektromotors eine Periode des Winkelsignals (01 ) und zwei Perioden des Winkelfehlers (03) erfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der halben Periodendauer des Roh-Geschwindigkeitssignals (04) durch die Ermittlung der Dauer zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden
Wertbereichssprüngen (14) des Winkelsignals (01 ) erfolgt.
4. Verfahren nach einem auf den Anspruch 2 rückbezogenen Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Viertel der Dauer zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Wertbereichssprüngen (14) des Winkelsignals (01 ) verwendet wird, um die halbe Periodendauer des Roh-Geschwindigkeitssignals (04) zu erhalten.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der halben Periodendauer des Roh-Geschwindigkeitssignals (04) durch eine Rückführung des jeweils zuvor wiederholt bereitgestellten
Geschwindigkeitssignals erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass n>1 Paare an Samples (09, 10) gemittelt werden, wobei jeweils die Samples (09, 10) eines Paares exakt eine halbe Periodenlänge des Roh-Geschwindigkeitssignals (04) auseinanderliegen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass n>5 Paare an
Samples (09, 10) gemittelt werden, wobei jeweils die Samples (09, 10) eines Paares exakt eine halbe Periodenlänge des Roh-Geschwindigkeitssignals (04) auseinanderliegen.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils ersten Samples der Paare (09) und die jeweils zweiten Samples der Paare (10) unmittelbar aufeinanderfolgen.
9. Geschwindigkeitsregelbare Elektromotorenanordnung mit einem rotatorischen Elektromotor, welcher einen Kommutierungssensor umfasst, und einer
Regeleinheit, welche ein Geschwindigkeitssignal des Elektromotors bereitstellt und konfiguriert ist, um das Geschwindigkeitssignal durch Ausführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zu erzeugen.
EP16706968.1A 2015-03-31 2016-01-27 Verfahren zur erzeugung eines geschwindigkeitssignals eines elektromotors Withdrawn EP3278117A1 (de)

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