WO2011020681A1 - Elektronisch kommutierter elektromotor mit einer rotorpositions-prädiktion und verfahren - Google Patents

Elektronisch kommutierter elektromotor mit einer rotorpositions-prädiktion und verfahren Download PDF

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rotor position
position signal
rotor
electric motor
stator
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Siegbert Steinlechner
Jo Pletinckx
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/19—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path
    • G05B19/27—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path using an absolute digital measuring device
    • G05B19/31—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path using an absolute digital measuring device for continuous-path control

Definitions

  • the invention relates to an electronically commutated electric motor.
  • the electronically commutated electric motor has a stator and a particular permanent magnetic rotor formed.
  • the electric motor also has a control unit, which is operatively connected to the stator and designed,
  • the electric motor also has at least one rotor position sensor which is designed to detect a rotor position, in particular an angular position, of the rotor and to generate a rotor position signal representing the rotor position.
  • the control unit is designed to generate the control signals in dependence on the rotor position signal.
  • an electric motor in which a rotor position of a rotor is determined by means of a sensor and an oscillator synchronized to the output signal of the sensor.
  • the rotor position is derived between detection positions of the output signal by means of a vibration of the oscillator.
  • the problem with fast-rotating electronically commutated electric motors is that during operation of the electric motor the rotor position detection must be carried out with a high detection frequency if a frequent change of a commutation phase occurs during one rotor revolution. pattern.
  • the control unit of the electric motor then has to have a correspondingly high computing capacity.
  • the control unit of the electronically commutated electric motor of the aforementioned type is designed to sample and quantize the rotor position signal and to generate a digital prediction rotor position signal.
  • the digital prediction rotor position signal forms a temporal data stream which corresponds to the sampled and quantized rotor position signal and comprises at least one or a plurality of future rotor position values that lead beyond the rotor position signal in time.
  • the so predicted rotor position for commutation of the electric motor are available before the rotor position sensor, in particular an angle sensor, after conversion of an example analog rotor position signal in a digital rotor position signal, the rotor position signal so converted can provide for further signal processing available.
  • the rotor position sensor is preferably an angle sensor.
  • the angle sensor is, for example, a giant magneto-resistive sensor (GMR sensor) or an anisotropic magnetoresistive sensor (AMR sensor).
  • the electric motor has, for example, a plurality of Hall sensors, which are each designed to generate an analog rotor position signal.
  • the angle sensor in particular the GMR sensor or AMR sensor, is designed to generate a time-continuous, analog rotor position signal. An angular resolution of the angle sensor is then determined by a sampling rate of an analog-to-digital converter which converts the analog rotor position signal analog-to-digitally.
  • the prediction rotor position signal may be formed, for example, by a predetermined number of rotor position values, wherein the rotor position values are updated with each new rotor position value detected by the angle sensor and, more preferably, additionally converted by an analog-to-digital converter according to the FIFO principle. This can advantageously be done with non-stationary motion patterns, the commutation of the electric motor. For example, during a rotor revolution, the control unit may turn a variety of mutually different Kommut réellesmuster apply to the stator.
  • control unit is designed to generate the digital prediction rotor position signal by means of an approximation function as a function of the rotor position signal as the output function to be approximated.
  • the approximation function is a polynomial, in particular at least second degree or exactly second or third degree.
  • Further advantageous embodiments of an approximation function are a spline function or an exponential function.
  • control unit has a timer, and is designed to commutate the stator, in particular by means of the commutation pattern, as a function of a time signal generated by the timer and as a function of the prediction rotor position signal.
  • the stator can advantageously be commutated to a time determined according to the approximation function after a time signal generated by the timer, for example a time interval thus formed, has elapsed.
  • control unit may be designed to determine the commutation time by means of linear interpolation between two, in particular successive, preferably future, rotor position values of the prediction rotor position signal.
  • the invention also relates to a method for operating an electronically commutated electric motor, in particular of the electric motor described above.
  • a rotor position is detected by means of a rotor position sensor and a rotor position signal corresponding to the rotor position is generated.
  • the rotor position signal is preferably sampled and quantized, and a particularly digital prediction rotor position signal forming a temporal data stream is generated.
  • the prediction rotor position signal represents the sampled and quantized rotor position signal and includes at least one or a plurality of future rotor position values that extend beyond the rotor position signal.
  • the digital prediction rotor position signal is dependent on further detected by means of the rotor position sensor
  • the digital prediction rotor position signal is generated as an output function by forming an approximation function as a function of the rotor position signal.
  • the output function is the function to be approximated, which can form support points for generating the approximation function.
  • the prediction rotor position signal can also be transmitted via a signal transmitted through the interpolation points.
  • the prediction rotor position signal can also be transmitted via a signal transmitted through the interpolation points.
  • the approximation function is preferably a polynomial function of the second or third degree.
  • a commutation of the stator takes place as a function of the prediction rotor position signal after the passage of a time interval, wherein the
  • Expiry corresponds to a predetermined Kommut réelleszeittician.
  • the commutation preferably takes place by means of at least one, preferably predetermined, commutation pattern.
  • the commutation can advantageously already take place prior to the presence of a rotor position value generated by means of the rotor position sensor.
  • the sequence of the time interval is preferably determined by means of linear interpolation between two rotor position values of the prediction rotor position signal.
  • the control unit has only adders as arithmetic operators for the linear interpolation. It is also conceivable to determine the future rotor position value as a function of the approximation function. The multiplications necessary for this can advantageously be effected by a correspondingly fast arithmetic unit.
  • the control unit is controlled, for example, by a control program which is stored on a data carrier and inserted together with the data carrier
  • the invention also relates to a control unit according to the above-described type for an electric motor of the type described above.
  • the control unit then has no rotor and no stator and is designed to be connected to a stator of an electric motor.
  • Figure 1 shows an embodiment of an electronically commutated electric motor with the control unit according to the invention
  • FIG. 2 shows a method for operating the electric motor shown in FIG. 1;
  • FIG 3 shows a diagram which illustrates the operation of the electric motor shown in Figure 1 and the method shown in Figure 2.
  • FIG. 1 shows-schematically-an exemplary embodiment of an electronically commutated electric motor 1.
  • the electric motor 1 has a stator 10 with three stator coils, namely a stator. torspule 12, a stator coil 14 and a stator coil 16 on.
  • the stator 10 also has an angle sensor which can generate an example analog rotor position signal.
  • the angle sensor 18 is designed to detect a rotor position of a rotor 1 1 of the electric motor 1.
  • the angle sensor 18 is connected by means of a connection 50 to a control unit 30 of the electric motor 1.
  • the control unit 30 has an analog-to-digital converter 27 which is connected on the input side to the connection 50 and thus to the angle sensor 18.
  • An angular resolution of the angle sensor is determined by a sampling rate of the analog-to-digital converter in the case of the analog, in particular time-continuously formed rotor position signal.
  • the analog-to-digital converter 27 is connected on the output side via a connecting line 54 to a polynomial generator 29.
  • the analog-to-digital converter 27 is designed to sample the rotor position signal received on the input side via the connection 50 and to generate a temporal sequence of sampling values, which respectively represent an amplitude value of the rotor position signal.
  • the analog-to-digital converter 27 is connected on the output side via a connecting line 54 to a polynomial generator 29.
  • the polynomial generator 29 is designed to generate an approximation function, which at least approximately represents a curve represented locally by the sampled values, as a function of the sampled values received via the connecting line 54 -the rotor position of the rotor 11.
  • the polynomial generator is preferably designed to generate the approximation function by means of a method of least square error.
  • the approximation function is preferably a polynomial, in particular a polynomial of the second or third degree. It is also conceivable - especially as a function of the required computing time of the polynomial generator - a polynomial more than third degree.
  • the polynomial generator 29 is designed to determine polynomial coefficients of the previously determined approximation function, in particular of the polynomial, and to output these on the output side via a connecting line 56 to a coefficient memory 32.
  • the polynomial generator 29 has, for example, an FIR filter for each polynomial coefficient, in this exemplary embodiment three exemplary FIR filters 36, 38 and 39.
  • the coefficient memory 32 is designed to store the polynomial coefficients generated by the polynomial generator 29.
  • the coefficient memory 32 is connected on the output side via a connecting line 58 to a predictor 34.
  • the predictor 34 is designed to read out the coefficients stored in the coefficient memory 32 via the connecting line 58, and to generate a temporally successive data stream representing rotor position values and output this via the connecting line 60 to a control unit 42 on the output side.
  • the data stream comprises temporally successive future rotor position values-shown in dotted lines in this exemplary embodiment-which each represent a future rotor position not yet detected by the angle sensor 18. That one- tenstrom forms in this embodiment, the aforementioned prediction rotor position signal.
  • n sample, integer or number ⁇ 1;
  • T a sampling period
  • the control unit 42 is connected to a timer 40 and is designed to commutate the stator 10 at least in dependence on the prediction rotor position signal received via the connection line 60.
  • the control unit 42 is connected on the output side via a connection 53 to a power output stage 25 of the electric motor 1.
  • the control unit 42 is designed to control the power output stage 25 for generating a rotating magnetic field by means of the stator coils 12, 14 and 16.
  • the power output stage 25 is the output side via a connection 52 with the stator 10, and there connected to the stator coils 12, 14 and 16.
  • the control unit 42 is designed to precisely determine the commutation times for commutating the stator 10 as a function of the particular high-resolution time signal received by the timer 40.
  • the polynomial generator 29 can advantageously have a finite impulse response (FIR) filter for each polynomial coefficient of the polynomial coefficients held in the coefficient memory 32.
  • FIR finite impulse response
  • the control unit 42 is also connected on the input side via the connecting line 54 to the analog-to-digital converter 27 and can receive the digitized rotor position signal from the analog-to-digital converter.
  • the control unit 42 is configured to determine the rotor position values calculated by the predictor 34 by means of linear interpolation between two consecutive prediction values for commutation of the stator coils and to correspondingly control the power output stage 35 for commutating the stator coils.
  • the polynomial generator 29 and the predictor 34 are jointly formed by a plurality of FIR filters, wherein an FIR filter is formed for each, in particular future, rotor position value. As a result, for example, two FIR filters are available for two future rotor position values.
  • the coefficient memory 32 may be omitted in this embodiment.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a method for commutating an electronically commutated electric motor.
  • a rotor position of a rotor of the electronically commutated electric motor is detected in a step 70, in particular by means of an angle sensor, and a rotor position signal is generated which represents at least one rotor position of the rotor.
  • the rotor position signal is transmitted by means of an analogue
  • Digital converter digitized and generates a digitized rotor position signal.
  • a polynomial is generated which at least approximately approximates the digitized rotor position values.
  • polynomial coefficients which represent the previously formed polynomial are buffered.
  • a polynomial is formed by means of a predictor as a function of the previously generated polynomial coefficients and a data stream is generated depending on the polynomial, which includes rotor position values in a time range in which the rotor position values detected by the angle sensor lie, and in addition future rotor position values which have not yet been detected by the angle sensor and / or are not yet represented by the signal generated by the analog-to-digital converter 24.
  • a commutation pattern is selected, for example from a plurality of commutation patterns held in stock, and in a step 82 the stator is supplied with the commutation pattern.
  • FIG. 3 shows a diagram 90.
  • the diagram 90 has a time axis 91 and an amplitude axis 92.
  • Diagram 90 shows a curve 95 which connects samples 101, 102, 104, 106, 108, 110 and 112 together.
  • the curve 95 corresponds to a polynomial which has been generated, for example, by means of the polynomial generator 29 shown in FIG. 1, and which represents a rotor position profile.
  • the polynomial 95 is a third degree polynomial in this embodiment.
  • the rotor position value 101 has been detected by the angle sensor, for example by the angle sensor 18 shown in FIG.
  • the time interval 96 represents a sampling period of an analog-to-digital converter, for example of the analog-to-digital converter 27 illustrated in FIG.
  • the rotor position values 100, 102, 104, 106, 108 1, 10 and 1 12 are spaced from the preceding and subsequent rotor position values by the time interval 96, respectively.
  • the rotor position value 101 follows the rotor position value 100 after the time interval 98.
  • the rotor position value 103 follows the rotor position value 102 after the time interval 98.
  • the time interval 98 represents a computing time that the analog-to-digital converter requires to digitize the rotor position signals transmitted by the angle sensor perform.
  • the control unit for further signal processing and for controlling the commutation times, the control unit-for example, the control unit 30 in FIG. 1 -is available in digitized form later-delayed in this example by the time interval 98-as it is from the Angle sensor have been detected. Shown are the commutation times 1 15 and 1 17. The commutation 1 15 is spaced from the rotor position value 102 by the time interval 99. The time interval 99 is shorter than the time interval 98, so that the commutation time 15 takes place after the presence of the digital rotor position value 103 - which corresponds to the rotor position of the rotor position value 102.
  • a sampling frequency for detecting a rotor position of the rotor may be lower than without prediction using the predictor polynomial.
  • the rotor position values 100, 102, 104, and 106 have been detected by the angle sensor, the rotor position value 108, the rotor position value 110, and the rotor position value 112 may have been generated using the predictor polynomial.
  • the control unit for example, the control unit 42 in Figure 1, the rotor position values generated by the predictor 108, 1 10 and 1 12 with those detected by the angle sensor rotor position values 109, 1 1 1 and 1 13th compare and use to form another polynomial curve of the predictor polynomial.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten Elektromotor. Der elektronisch kommutierte Elektromotor weist einen Stator und einen insbesondere permanentmagnetisch ausgebildeten Rotor auf. Der Elektromotor weist auch eine Steuereinheit auf, welche mit dem Stator wirkverbunden und ausgebildet ist, Steuersignale zum Kommutieren des Stators derart zu erzeugen, dass der Stator ein magnetisches Drehfeld zum Drehbewegen des Rotors erzeugen kann. Der Elektromotor weist auch wenigstens einen Rotorpositionssensor auf, welcher ausgebildet ist, eine Rotorposition, insbesondere eine Winkelposition, des Rotors zu erfassen und ein die Rotorposition repräsentierendes Rotorpositionssignal zu erzeugen. Die Steuereinheit ist ausgebildet, die Steuersignale in Abhängigkeit von dem Rotorpositionssignal zu erzeugen. Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit ausgebildet, das Rotorpositionssignal abzutasten und zu quantisieren, und ein digitales Prädiktions-Rotorpositionssignal zu erzeugen. Das digitale Prädiktions-Rotorpositionssignal bildet einen zeitlichen Datenstrom, welcher dem abgetasteten und quantisierten Rotorpositionssignal entspricht und wenigstens einen oder eine Mehrzahl von zukünftigen, über das Rotorpositionssignal zeitlich hinausführende Rotorpositionswerte umfasst.

Description

Beschreibung
Titel
Elektronisch kommutierter Elektromotor mit einer Rotorpositions-Prädiktion und Verfahren
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten Elektromotor. Der elektronisch kommutierte Elektromotor weist einen Stator und einen insbesondere permanentmagnetisch ausgebildeten Rotor auf. Der Elektromotor weist auch eine Steuereinheit auf, welche mit dem Stator wirkverbunden und ausgebildet ist,
Steuersignale zum Kommutieren des Stators derart zu erzeugen, dass der Stator ein magnetisches Drehfeld zum Drehbewegen des Rotors erzeugen kann. Der Elektromotor weist auch wenigstens einen Rotorpositionssensor auf, welcher ausgebildet ist, eine Rotorposition, insbesondere eine Winkelposition, des Rotors zu erfassen und ein die Rotorposition repräsentierendes Rotorpositionssignal zu erzeugen. Die Steuereinheit ist ausgebildet, die Steuersignale in Abhängigkeit von dem Rotorpositionssignal zu erzeugen.
Aus der DE 103 57 504 A1 ist ein Elektromotor bekannt, bei dem eine Rotorlage eines Rotors mittels eines Sensors und eines auf das Ausgangssignal des Sen- sors synchronisierten Oszillators bestimmt wird. Dabei wird die Rotorlage zwischen Erfassungspositionen des Ausgangssignals mittels einer Schwingung des Oszillators abgeleitet.
Bei schnell drehenden elektronisch kommutierten Elektromotoren besteht das Problem, dass während eines Betriebes des Elektromotors die Rotorpositionser- fassung mit einer hohen Erfassungsfrequenz durchgeführt werden muss, wenn während einer Rotorumdrehung ein häufiger Wechsel eines Kommutierungs- musters erfolgen soll. Die Steuereinheit des Elektromotors muss dann dazu eine entsprechend hohe Rechenkapazität aufweisen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit des elektronisch kommutierten Elektromotors der eingangsgenannten Art ausgebildet, das Rotorpositionssignal abzutasten und zu quantisieren, und ein digitales Prädiktions-Rotorpositionssignal zu erzeugen. Das digitale Prädiktions- Rotorpositionssignal bildet einen zeitlichen Datenstrom, welcher dem abgetasteten und quanti- sierten Rotorpositionssignal entspricht und wenigstens einen oder eine Mehrzahl von zukünfti- gen, über das Rotorpositionssignal zeitlich hinausführende Rotorpositionswerte umfasst. Durch das so gebildete Prädiktions-Rotorpositionssignal kann vorteilhaft die Rotorposition für eine aktuelle Rotorposition, oder für zukünftige Rotorpositionen zum Kommutieren des Elektromotors zur Verfügung stehen. Weiter vorteilhaft kann die so vorausgesagte Rotorposition zum Kommutieren des Elektromotors zur Verfügung stehen, bevor der Rotorpositionssensor, insbesondere ein Winkelsensor, nach Wandlung eines beispielsweise analogen Rotorpositionssignals in ein digitales Rotorpositionssignal, das so gewandelte Rotorpositionssignal zur weiteren Signalverarbeitung zur Verfügung stellen kann.
Der Rotorpositionssensor ist bevorzugt einen Winkelsensor. Der Winkelsensor ist beispielsweise ein Giant-Magneto-Resistiver-Sensor (GMR-Sensor) oder ein Anisotroper-Magneto- Resistiver-Sensor (AMR-Sensor). In einer anderen Ausführungsform weist der Elektromotor beispielsweise eine Mehrzahl von Hall-Sensoren auf, welche jeweils ausgebildet sind, ein analoges Rotorpositionssignal zu erzeugen. Bevorzugt ist der Winkelsensor, insbesondere der GMR-Sensor oder AMR-Sensor, ausgebildet, ein zeitkontinuierliches, analoges Rotorpositionssignal zu erzeugen. Eine Winkelauflösung des Winkelsensors ist dann durch eine Abtastrate ei- nes das analoge Rotorpositionssignal analog-zu-digital wandelnden Analog-Digital-Wandlers bestimmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, das insbesondere digitale Prädiktions-Rotorpositionssignal in Abhängigkeit von weiteren, mittels des Rotorpositionssensors erfassten Rotorpositionen insbesondere gemäß einem Prinzip FIFO (FIFO = First-In- First-out) zu korrigieren. Dazu kann das Prädiktions-Rotorpositionssignal beispielsweise durch eine vorbestimmte Anzahl von Rotorpositionswerten gebildet sein, wobei die Rotorpositionswerte mit jedem neuen von dem Winkelsensor erfassten - weiter bevorzugt zusätzlich von einem Analog-Digitalwandler gewandelten - Rotorpositionswert nach dem Prinzip FIFO aktualisiert werden. Damit kann vorteilhaft die Kommutierung des Elektromotors auch mit nicht-stationären Bewegungsmustern erfolgen. Beispielsweise kann die Steuereinheit während einer Rotorum- drehung eine Vielzahl zueinander verschiedener Kommutierungsmuster auf den Stator beaufschlagen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, das digitale Prädikti- ons-Rotorpositionssignal mittels einer Approximationsfunktion in Abhängigkeit des Rotorpositi- onssignals als zu approximierende Ausgangsfunktion zu erzeugen. Dadurch kann vorteilhaft das mittels des Rotorpositionssensors erzeugte Rotorpositionssignal für zukünftige Rotorpositionen vorteilhaft geschätzt werden.
Bevorzugt ist die Approximationsfunktion ein Polynom, insbesondere wenigstens zweiten Grades oder genau zweiten oder dritten Grades. Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele für eine Approximationsfunktion sind eine Spline-Funktion oder eine Exponentialfunktion.
Die Steuereinheit weist in einer vorteilhaften Ausführungsform einen Zeitgeber auf, und ist ausgebildet, in Abhängigkeit eines von dem Zeitgeber erzeugten Zeitsignals und in Abhängigkeit des Prädiktions-Rotorpositionssignal den Stator, insbesondere mittels des Kommutierungsmusters, zu kommutieren. Dadurch kann der Stator vorteilhaft nach Ablauf eines von dem Zeit- geber erzeugten Zeitsignals, beispielsweise eines so gebildeten Zeitintervalls, zu einem gemäß der Approximationsfunktion ermittelten Zeitpunkt kommutiert werden.
Bevorzugt kann die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, den Kommutierungszeitpunkt mittels Linearinterpolation zwischen zwei insbesondere aufeinander folgenden, bevorzugt zukünftigen, Rotorpositionswerten des Prädiktions-Rotorpositionssignal zu ermitteln.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines elektronisch kommutierten Elektromotors, insbesondere des zuvor beschriebenen Elektromotors. Bei dem Verfahren wird mittels eines Rotorpositionssensors eine Rotorposition erfasst und ein der Rotorposition entsprechendes Rotorpositionssignal erzeugt. Weiter wird bei dem Verfahren bevorzugt das Rotorpositionssignal abgetastet und quantisiert, und ein insbesondere digitales, einen zeitlichen Daten- ström bildendes Prädiktions-Rotorpositionssignal erzeugt. Das Prädiktions-Rotorpositionssignal repräsentiert das abgetastete und quantisierte Rotorpositionssignal und umfasst wenigstens einen, oder eine Mehrzahl von zukünftigen, über das Rotorpositionssignal zeitlich hinausreichende Rotorpositionswerte.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das digitale Prädiktions- Rotorpositionssignal in Abhängigkeit von weiteren, mittels des Rotorpositionssensors erfassten
Rotorpositionen korrigiert.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante des Verfahrens wird das digitale Prädiktions- Rotorpositionssignal durch Bilden einer Approximationsfunktion in Abhängigkeit des Rotorpositionssignals als Ausgangsfunktion erzeugt. Die Ausgangsfunktion ist dabei die zu approximie- rende Funktion, welche Stützstellen zum Erzeugen der Approximationsfunktion bilden kann.
Dadurch kann das Prädiktions-Rotorpositionssignal auch über einen durch die Stützstellen, bei- spielsweise mittels des Rotorpositionssignals gebildeten - oder aus diesem erzeugten - Bereich hinaus extrapoliert sein. Die Approximationsfunktion ist bevorzugt eine Polynomfunktion zweiten oder dritten Grades.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt in Abhängigkeit des Prädiktions- Rotorpositionssignals nach Ablauf eines Zeitintervalls ein Kommutieren des Stators, wobei der
Ablauf einem vorbestimmten Kommutierungszeitpunkt entspricht. Bevorzugt erfolgt das Kommutieren mittels wenigstens eines, bevorzugt vorbestimmten, Kommutierungsmusters. Dadurch kann das Kommutieren vorteilhaft bereits vor einem Vorliegen eines mittels des Rotorpositionssensors erzeugten Rotorpositionswertes erfolgen.
Bei dem Verfahren wird bevorzugt der Ablauf des Zeitintervalls mittels Linearinterpolation zwischen zwei Rotorpositionswerten des Prädiktions-Rotorpositionssignals ermittelt. Dadurch kann der zukünftige Rotorpositionswert vorteilhaft schnell ermittelt werden. Die Steuereinheit weist in dieser Ausführungsform für die Linearinterpolation nur Addierer als Rechenoperatoren auf. Denkbar ist auch ein Ermitteln des zukünftigen Rotorpositionswertes in Abhängigkeit der Ap- proximationsfunktion. Die dazu notwendigen Multiplikationen können vorteilhaft durch eine entsprechend schnelle Recheneinheit erfolgen.
Die Steuereinheit kann beispielsweise ein Mikroprozessor, ein Mikrocontroller oder ein FPGA (FPGA = Field-Programmable-Gate-Array), oder ein ASIC (ASIC = Application-Specific- Integrated-Circuit) sein. Die Steuereinheit wird beispielsweise durch ein Steuerprogramm ge- steuert, welches auf einem Datenträger gespeichert ist und zusammen mit dem Datenträger ein
Computer-Programmprodukt bildet.
Die Erfindung betrifft auch eine Steuereinheit gemäß der vorbeschriebenen Art für einen Elektromotor der vorbeschriebenen Art. Die Steuereinheit weist dann keinen Rotor und keinen Stator auf und ist ausgebildet, mit einem Stator eines Elektromotors verbunden zu werden.
Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus den zuvor beschriebenen Merkmalen, sowie den in der Figurenbeschreibung angegebenen Merkmalen, und den in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen elektronisch kommutierten Elektromotor mit der erfindungsgemäßen Steuereinheit;
Figur 2 zeigt ein Verfahren zum Betreiben des in Figur 1 dargestellten Elektromotors;
Figur 3 zeigt ein Diagramm, welches die Arbeitsweise des in Figur 1 dargestellten Elektromotors sowie das in Figur 2 dargestellte Verfahren verdeutlicht.
Figur 1 zeigt - schematisch - ein Ausführungsbeispiel für einen elektronisch kommutierten E- lektromotor 1. Der Elektromotor 1 weist einen Stator 10 mit drei Statorspulen, nämlich eine Sta- torspule 12, eine Statorspule 14 und eine Statorspule 16 auf. Der Stator 10 weist auch einen Winkelsensor auf, welcher ein beispielsweise analoges Rotorpositionssignal erzeugen kann. Der Winkelsensor 18 ist ausgebildet, eine Rotorposition eines Rotors 1 1 des Elektromotors 1 zu erfassen. Der Winkelsensor 18, ist mittels einer Verbindung 50 mit einer Steuereinheit 30 des Elektromotors 1 verbunden. Die Steuereinheit 30 weist einen Analog-Digital-Wandler 27 auf, welcher eingangsseitig mit der Verbindung 50 und so mit dem Winkelsensor 18 verbunden ist. Eine Winkel-Auflösung des Winkelsensors ist im Falle des analogen, insbesondere zeitkontinuierlich gebildeten Rotorpositionssignals durch eine Abtastrate des Analog-Digitalwandlers bestimmt. Der Analog-Digital-Wandler 27 ist ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 54 mit einem Polynomerzeuger 29 verbunden.
Der Analog-Digitalwandler 27 ist ausgebildet, das eingangsseitig über die Verbindung 50 empfangene Rotorpositionssignal abzutasten und eine zeitliche Folge von Abtastwerten zu erzeugen, welche jeweils einen Amplitudenwert des Rotorpositionssignals repräsentieren. Der Analog-Digitalwandler 27 ist ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 54 mit einem Polynomer- zeuger 29 verbunden. Der Polynomerzeuger 29 ist ausgebildet, in Abhängigkeit von den über die Verbindungsleitung 54 empfangenen, - die Rotorposition des Rotors 1 1 repräsentierenden - Abtastwerten eine Approximationsfunktion zu erzeugen, welche einen durch die Abtastwerte stellenweise repräsentierten Kurvenzug wenigstens näherungsweise repräsentiert.
Der Polynomerzeuger ist vorzugsweise ausgebildet, die Approximationsfunktion mittels einer Methode des kleinsten Fehlerquadrats zu erzeugen.
Die Approximationsfunktion ist bevorzugt ein Polynom, insbesondere ein Polynom zweiten oder dritten Grades. Denkbar ist auch - insbesondere in Abhängigkeit der benötigten Rechenzeit des Polynomerzeugers - ein Polynom mehr als dritten Grades.
Der Polynomerzeuger 29 ist ausgebildet, Polynom-Koeffizienten der zuvor ermittelten Approxi- mationsfunktion, insbesondere des Polynoms zu bestimmen und diese ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 56 an einen Koeffizientenspeicher 32 auszugeben. Dazu weist der Polynomerzeuger 29 beispielsweise für jeden Polynomkoeffizienten ein FIR-Filter auf, in diesem Ausführungsbeispiel drei beispielhaft dargestellte FIR-Filter 36, 38 und 39. Der Koeffizientenspeicher 32 ist ausgebildet, die von dem Polynomerzeuger 29 erzeugten Polynom-Koeffizienten vorrätig zu halten. Der Koeffizientenspeicher 32 ist ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 58 mit einem Prädiktor 34 verbunden. Der Prädiktor 34 ist ausgebildet, die in dem Koeffizientenspeicher 32 gespeicherten Koeffizienten über die Verbindungsleitung 58 auszulesen, und einen zeitlich aufeinander folgenden, Rotorpositionswerte repräsentierenden Datenstrom zu erzeugen und diesen ausgangsseitig über die Verbindungsleitung 60 an eine Steuereinheit 42 auszugeben. Der Datenstrom umfasst dabei zeitlich aufeinander folgende zukünftige Rotorpositionswerte - in diesem Ausführungsbeispiel punktiert dargestellt -, welche jeweils eine zukünftige, von dem Winkelsensor 18 noch nicht erfasste Rotorposition repräsentieren. Der Da- tenstrom bildet in diesem Ausführungsbeispiel das vorab erwähnte Prädiktions- Rotorpositionssignal.
Die Approximationsfunktion, insbesondere das Polynom, kann beispielsweise wie folgt gebildet sein: ye,n M = ye {{n + An)■ Ta ) » £ a . - An1 ,
i=0
mit
ye n(An) = Prädiktorpolynom als Approximationsfunktion;
n = Abtastwert, ganze Zahl oder Zahl < 1 ;
Ta = Abtastperiode;
g = Grad des Polynoms ;
a = Polynom koeffizient.
Die Steuereinheit 42 ist mit einem Zeitgeber 40 verbunden und ist ausgebildet, wenigstens in Abhängigkeit von dem über die Verbindungsleitung 60 empfangenen Prädiktions- Rotorpositionssignal den Stator 10 zu kommutieren.
Die Steuereinheit 42 ist ausgangsseitig über eine Verbindung 53 mit einer Leistungsendstufe 25 des Elektromotors 1 verbunden. Die Steuereinheit 42 ist ausgebildet, die Leistungsendstufe 25 zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes mittels der Statorspulen 12, 14 und 16 anzusteuern. Die Leistungsendstufe 25 ist dazu ausgangsseitig über eine Verbindung 52 mit dem Stator 10, und dort mit den Statorspulen 12, 14 und 16 verbunden. Die Steuereinheit 42 ist aus- gebildet, in Abhängigkeit des von dem Zeitgeber 40 empfangenen, insbesondere hochauflösenden Zeitsignals die Kommutierungszeitpunkte zum Kommutieren des Stators 10 genau zu bestimmen.
Der Polynomerzeuger 29 kann vorteilhaft für jeden Polynom-Koeffizienten der in dem Koeffizientenspeicher 32 vorrätig gehaltenen Polynom-Koeffizienten ein FIR-Filter (FIR= Finite- Impulse-Response) aufweisen.
Die Steuereinheit 42 ist auch eingangsseitig über die Verbindungsleitung 54 mit dem Analog- Digitalwandler 27 verbunden und kann von dem Analog-Digitalwandler das digitalisierte Rotorpositionssignal empfangen.
Die Steuereinheit 42 ist ausgebildet, die von dem Prädiktor 34 errechneten Rotorpositionswerte mittels Linearinterpolation zwischen zwei aufeinander folgenden Prädiktionswerten einen Kommutierungszeitpunkt zum Kommutieren der Statorspulen zu ermitteln und die Leistungsendstufe 35 zum Kommutieren der Statorspulen entsprechend anzusteuern. In einer anderen Ausführungsform ist der Polynomerzeuger 29 und der Prädiktor 34 gemeinsam durch eine Mehrzahl von FIR-Filtern gebildet, wobei für jeden, insbesondere zukünftigen, Ro- torpositonswert ein FIR-Filter ausgebildet ist. Dadurch sind beispielsweise für zwei zukünftige Rotorpositionswerte zwei FIR-Filter vorhanden. Der Koeffizientenspeicher 32 kann in dieser Ausführungsform entfallen.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Kommutieren eines elektronisch kommutierten Elektromotors. Bei dem Verfahren wird in einem Schritt 70 eine Rotorposition eines Rotors des elektronisch kommutierten Elektromotors insbesondere mittels eines Winkelsensors erfasst und ein Rotorpositionssignal erzeugt, welches wenigstens eine Rotorposition des Rotors repräsentiert. In einem Schritt 72 wird das Rotorpositionssignal mittels eines Analog-
Digitalwandlers digitalisiert und ein digitalisiertes Rotorpositionssignal erzeugt. In einem Schritt 74 wird in Abhängigkeit des digitalisierten Rotorpositionssignals ein Polynom erzeugt, welches die digitalisierten Rotorpositionswerte wenigstens näherungsweise approximiert. In einem Schritt 76 werden Polynom-Koeffizienten zwischengespeichert, welche das zuvor gebildete Po- lynom repräsentieren. In einem Schritt 78 wird mittels eines Prädiktors ein Polynom in Abhängigkeit der zuvor erzeugten Polynom-Koeffizienten gebildet und in Abhängigkeit des Polynoms ein Datenstrom erzeugt, welcher Rotorpositionswerte in einem Zeitbereich umfasst, in welchem die von dem Winkelsensor erfassten Rotorpositionswerte liegen, und zusätzlich dazu zukünftige Rotorpositionswerte aufweist, welche von dem Winkelsensor noch nicht erfasst worden sind und/oder durch das von dem Analog-Digitalwandler 24 erzeugte Signal noch nicht repräsentiert sind. In einem Schritt 80 wird in Abhängigkeit von dem Datenstrom ein Kommutierungsmuster - beispielsweise aus einer Mehrzahl vorrätig gehaltener Kommutierungsmuster - ausgewählt und in einem Schritt 82 der Stator mit dem Kommutuierungsmuster bestromt.
Figur 3 zeigt ein Diagramm 90. Das Diagramm 90 weist eine Zeitachse 91 und eine Amplitu- denachse 92 auf.
Das Diagramm 90 zeigt eine Kurve 95, welche Abtastwerte 101 , 102, 104, 106, 108, 1 10 und 1 12 miteinander verbindet. Die Kurve 95 entspricht einem Polynom, welches beispielsweise mittels des in Figur 1 dargestellten Polynomerzeugers 29 erzeugt worden ist, und welches einen Rotorpositionsverlauf repräsentiert. Das Polynom 95 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Polynom dritten Grades.
Dargestellt sind auch Rotorpositionswerte 101 , 103, 105, 107, 109, 1 1 1 und 1 13.
Der Rotorpositionswert 101 ist von dem Winkelsensor, so beispielsweise von dem in Figur 1 dargestellten Winkelsensor 18 erfasst worden.
Dargestellt sind auch ein Zeitintervall 96 und ein Zeitintervall 98. Das Zeitintervall 96 repräsen- tiert eine Abtastperiode eines Analog-Digital-Wandlers, beispielsweise des in Figur 1 dargestellten Analog-Digital-Wandlers 27. Die Rotorpositionswerte 100, 102, 104, 106, 108 1 10 und 1 12 sind jeweils zu vorangehenden und zu nachfolgenden Rotorpositionswerten durch das Zeitintervall 96 beabstandet.
Der Rotorpositionswert 101 folgt nach dem Zeitintervall 98 auf den Rotorpositionswert 100. Der Rotorpositionswert 103 folgt nach dem Zeitintervall 98 auf den Rotorpositionswert 102. Das Zeitintervall 98 repräsentiert dabei eine Rechenzeit, die der Analog-Digitalwandler benötigt, um die Digitalisierung der von dem Winkelsensor gesendeten Rotorpositionssignale durchzuführen.
Der Steuereinheit - beispielsweise der Steuereinheit 30 in Figur 1 - stehen somit zur weiteren Signalverarbeitung und zur Steuerung der Kommutierungszeitpunkte die von dem Winkelsensor erfassten Rotorpositionssignale in digitalisierter Form später - in diesem Beispiel um das Zeitin- tervall 98 verzögert - zur Verfügung, als diese von dem Winkelsensor erfasst worden sind. Dargestellt sind die Kommutierungszeitpunkte 1 15 und 1 17. Der Kommutierungszeitpunkt 1 15 ist von dem Rotorpositionswert 102 um das Zeitintervall 99 beabstandet. Das Zeitintervall 99 ist kürzer als das Zeitintervall 98, so dass der Kommutierungszeitpunkt 1 15 nach dem Vorliegen des digitalen Rotorpositionswertes 103 - welcher der Rotorposition des Rotorpositionswertes 102 entspricht - erfolgt.
Durch das Erzeugen des Prädiktorpolynoms und das Vorhersagen von den zukünftigen Rotorpositionswerten, welche von dem Winkelsensor noch nicht erfasst worden sind, kann vorteilhaft eine Abtastfrequenz zum Erfassen einer Rotorposition des Rotors niedriger sein als ohne die Vorhersage mittels des Prädiktor-Polynoms.
Wenn beispielsweise die Rotorpositionswerte 100, 102, 104 und 106 von dem Winkelsensor erfasst worden sind, so können der Rotorpositionswert 108, der Rotorpositionswert 1 10 und der Rotorpositionswert 1 12 mittels des Prädiktor-Polynoms erzeugt worden sein.
In einem weiteren Verlauf des Verfahrens zum Kommutieren des Elektromotors kann die Steuereinheit, beispielsweise die Steuereinheit 42 in Figur 1 , die mittels des Prädiktors erzeugten Rotorpositionswerte 108, 1 10 und 1 12 mit denen von dem Winkelsensor erfassten Rotorpositionswerte 109, 1 1 1 beziehungsweise 1 13 vergleichen und zum Bilden eines weiteren Polynomverlaufs des Prädiktor-Polynoms heranziehen.

Claims

Ansprüche
1 . Elektronisch kommutierter Elektromotor (1 ), mit einem Stator (10) und einem insbesondere permanentmagnetisch ausgebildeten Rotor (1 1 ), und einer Steuereinheit (30), welche mit dem Stator wirkverbunden und ausgebildet ist, Steuersignale zum Kommutieren des Stators (10, 12, 14, 16) derart zu erzeugen, dass der Stator (10, 12, 14, 16) ein magnetisches Drehfeld zum Drehbewegen des Rotors (1 1 ) erzeugen kann, und der Elektromotor (1 ) wenigstens einen Rotorpositionssensor (18) aufweist, welcher ausgebildet ist, eine Rotorposition des Rotors (1 1 ) zu erfassen und ein die Rotorposition repräsentierendes Rotorpositionssignal zu erzeugen, und die Steuereinheit (30) ausgebildet ist, die Steuersignale in Abhängigkeit von dem Rotorpositionssignal zu erzeugen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinheit (30) ausgebildet ist, das Rotorpositionssignal abzutasten und zu quantisieren (27), und ein digitales Prädiktions-Rotorpositionssignal (95, 100, 102, 104, 106, 108, 1 10, 1 12) zu erzeugen, welches einen zeitlichen Datenstrom bildet, welcher dem abgetasteten und quantisierten Rotorpositionssignal entspricht und wenigstens einen oder eine Mehrzahl von zukünftigen, über das Rotorpositionssignal zeitlich hinausführende Rotorpositionswerte (108, 1 10, 1 12) umfasst.
2. Elektromotor (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinheit (30) ausgebildet ist,
das digitale Prädiktions-Rotorpositionssignal (95, 100, 102, 104, 106, 108, 1 10, 1 12) in Abhängigkeit von weiteren, mittels des Rotorpositionssensors (18) erfass- ten Rotorpositionen zu korrigieren.
3. Elektromotor (1 ) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) ausgebildet ist, das digitale Prädiktions-Rotorpositionssignal (95, 100, 102, 104, 106, 108, 1 10, 1 12) mittels einer Approximationsfunktion in Abhängigkeit des Rotorpositionssignals (100, 102, 104, 106) als Ausgangsfunktion zu erzeugen.
4. Elektromotor (1 ) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Approximationsfunktion ein Polynom insbesondere wenigstens zweiten Grades ist.
5. Elektromotor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinheit (30) einen Zeitgeber (40) aufweist, und ausgebildet ist, in Ab- hängigkeit eines von dem Zeitgeber (40) erzeugten Zeitsignals und in Abhängigkeit des Prädiktions-Rotorpositionssignals (95) den Stator zu kommutieren (1 15, 1 17).
6. Verfahren zum Betreiben eines elektronisch kommutierten Elektromotors mit einem Rotor, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem mittels eines Rotorpositionssensors (18) eine Rotorposition eines Rotors (1 1 ) erfasst wird und ein der Rotorposition entsprechendes Rotorpositionssignal erzeugt wird, und bei dem das Rotorpositionssignal abgetastet und quantisiert wird, und ein digitales, einen zeitlichen Datenstrom bildendes Prädiktions-Rotorpositionssignal (95, 100, 102, 104, 106, 108, 1 10, 1 12) erzeugt wird, welches das abgetastete und quantisierte Rotorpositionssignal repräsentiert und wenigstens einen oder eine Mehrzahl von zukünftigen, über das Rotorpositionssignal zeitlich hinausreichende Rotorpositionswerte umfasst.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das digitale Prädiktions- Rotorpositionssignal (95, 100, 102, 104, 106, 108, 1 10, 1 12) in Abhängigkeit von weiteren, mittels des Rotorpositionssensors erfassten Rotorpositionen gemäß einem Prinzip First-In-First-Out korrigiert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das digitale Prädiktions-Rotorpositionssignal durch Bilden einer Approximations- funktion in Abhängigkeit des Rotorpositionssignals als Ausgangsfunktion erzeugt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die Approximationsfunktion eine Polynomfunktion insbesondere wenigstens zweiten Grades ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Approximationsfunktion eine Spline-Funktion ist.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
in Abhängigkeit des Prädiktions-Rotorpositionssignals (95, 100, 102, 104, 106, 108, 1 10, 1 12) nach Ablauf eines Zeitintervalls, wobei der Ablauf einem vorbestimmten Kommutierungszeitpunkt entspricht, eine Kommutierung (1 15, 1 17) des Stators, bevorzugt mittels eines Kommutierungsmusters, erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ablauf des Zeitintervalls mittels Linearinterpolation zwischen zwei Rotorpositionswerten des Prädiktions-Rotorpositionssignals (95, 100, 102, 104, 106, 108, 1 10, 1 12) ermittelt wird.
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