WO2014019578A1 - Verfahren zur bestimmung einer position eines elektromotors, insbesondere in einem kupplungsbetätigungssystem eines kraftfahrzeuges - Google Patents

Verfahren zur bestimmung einer position eines elektromotors, insbesondere in einem kupplungsbetätigungssystem eines kraftfahrzeuges Download PDF

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    • H02P2203/03—Determination of the rotor position, e.g. initial rotor position, during standstill or low speed operation

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a position of an electric motor, in particular in a clutch actuation system of a motor vehicle, in which a position signal of a rotor of the electric motor is removed from a sensor arranged outside a rotation axis of the electric motor on a stator of the electric motor, which is measured by an evaluation unit the position of the electric motor is evaluated.
  • the electric motor has a sensor which detects the position of the electric motor during operation of the actuator.
  • the sensors are arranged outside the axis of rotation of the electric motor, a high position resolution is necessary.
  • the rotor of the electric motor has only a limited number of pole pairs, from which a predetermined number of edges can be used for position determination.
  • Various sensors can be used to determine the position, such as switch halls, linear sensors or incremental encoders.
  • a sensorless control of the electric motor is conceivable. However, all sensors have disadvantages.
  • the position of the rotor as measured by a sensor at the belt end of the production of the clutch actuation system must be adjusted.
  • the mechanical position of the sensor is matched to the rotor at the end of the tape.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method for determining a position of an electric motor, in which can be dispensed with an adjustment of the sensor to the rotor of the electric motor at the end of the tape.
  • the object is achieved in that at standstill of the rotor, this is acted upon by a voltage and a position of the rotor corresponding response response of a commutation of the electric motor is assigned. Due to this procedure, the system automatically adjusts itself after the voltage has been applied, so that this adjustment can also be carried out in systems which are already installed in the motor vehicle. A band end setting of the sensors to the rotor of the electric motor can thus be omitted.
  • test pulses are applied to all three phases of the electric motor and the evaluation unit evaluates the response to all three phases of the electric motor, from which it is concluded that the current position of the electric motor.
  • the position of the rotor at standstill is reliably determined.
  • a dynamic control of the rotor can be omitted.
  • high-resolution incremental encoders can also be used to detect the position of the electric motor. The necessary information for the later regulation of the electric motor is used after the assignment of a dimensional body of the Inkrementalinformati- on.
  • Electric motor evaluated. On the basis of this current curve, it can be determined in which commutation situation the electric motor is located. Starting from this detected Commutation information, the control of the electric motor is set with a commutation pattern.
  • the response of the electric motor is assigned to a zero position of the sensor.
  • the described start routine which assignment the electric motor has at the commutation times.
  • the start routine simultaneously ensures referencing of the sensor signal. In the subsequent measurement operation of the electric motor commutation and the displacement measurement are performed only on the sensor signal due to the determination of the zero point.
  • the position of the electric motor is characterized by a measuring body arranged on the rotor whose position change is evaluated as a response signal, as a Jerusalem Eigensko preferably a, the rotor enclosing magnetic encoder ring is used with a predetermined number of magnets with alternating magnetization direction. Since this magnetic encoder ring is fixedly secured to the rotor in the axial direction, the position of the rotor can be uniquely determined by evaluating the alternating magnetization directions of the magnets.
  • an alignment of the electric motor in a preferred direction is enforced by a maximum energization of at least one of the three phases of the electric motor at standstill of the electric motor.
  • a so-called “hard energizing" of the phases of the electric motor is carried out in particular when the accuracy in determining the position of the rotor for commutation should be very high.
  • the three phases of the electric motor are energized at standstill of the rotor with an arbitrary Bestromungsmuster, whereby the electric motor occupies the preferred position and in this preferred position of the electric motor is assigned to the zero, preferably trained as incremental encoder sensor.
  • the Bestromungsmuster By applying the Bestromungsmuster the electric motor moves in any direction and remains in the position corresponding to the Bestromungsmuster the underlying commutation. This position is then recognized as zero position. Since the Bestromungsmuster is known, the further commutation can be set meaningful.
  • a block commutation is used as Bestromungsmuster.
  • the use of Blockkommut réelle as Bestromungsmuster has the advantage that the subsequent commutation patterns are known for the further operation of the electric motor.
  • the resolution of the sensor is freely selectable.
  • the number of pulses counted by the sensor for path change of the electric motor can be easily adjusted.
  • only a change in the software but no hardware change is necessary.
  • the assignment of the position of the rotor is carried out to a commutation in a learning routine, which takes place during the initialization of the built-in motor vehicle electric motor. Because of this teach-in routine, the assignment of the position of the electric motor for commutation can take place each time the ignition of the motor vehicle is switched on, so that it is ensured that always a highly accurate position assignment and thus path measurement is possible.
  • Figure 1 a simplified representation of a clutch actuation system for
  • Figure 2 section of a rotor of an electric motor with a magnetic encoder ring
  • Figure 3 an embodiment of the assignment of an incremental signal to
  • FIG. 1 shows in simplified form a clutch actuation system 1 for an automated clutch.
  • the clutch actuation system 1 is assigned to a friction clutch 2 in a drive train of a motor vehicle and comprises a master cylinder 3, which is connected to a slave cylinder 5 via a hydraulic line 4, also referred to as a pressure line.
  • a slave piston 6 is movable back and forth over an actuator 7 and the interposition of a bearing 8, the friction clutch 2 is actuated.
  • the master cylinder 3 is connectable via a connection opening with a surge tank 9.
  • a master piston 10 is movable. From the master piston 10 is a piston rod 1 1, which is translationally movable in the longitudinal extension of the master cylinder 3 together with the master piston 10.
  • the piston rod 1 1 of the master cylinder 3 is coupled via a threaded spindle 12 with an electric motor actuator 13.
  • the electromotive actuator 13 includes a commutated DC electric motor 14 and an evaluation unit 15.
  • the threaded spindle 12 sets a rotational movement of the electric motor 14 in a longitudinal movement of the piston rod 1 1 and the master cylinder piston 10 to.
  • the friction clutch 2 is thus automatically actuated by the electric motor 14, the threaded spindle 12 and the master cylinder 3 and the slave cylinder 5.
  • a sensor 16 is integrated.
  • Figure 2 shows a section of a rotor 17 of the electric motor 14, which is surrounded at its periphery by a magnetic encoder ring 18.
  • the magnetic encoder ring 18 represents a measuring body and comprises a predetermined number of magnetic poles N and S, which are arranged distributed over 360 ° to each other. In the presence of, for example, 1 1 magnetic poles 22 Polüber Vietnamese are given, which lead to the generation of switching signals of the trained as an incremental sensor 16 sensor.
  • the magnetic encoder ring 18 is rotatably connected to the rotor 17, while the sensor 16, which senses the magnetic encoder ring 18, for example, is attached to a not shown stator of the electric motor 14.
  • a fast incremental encoder such as an AMR sensor such as the AS531 1
  • the output signal of the sensor 16 is preferably transmitted via an A B signal track, as shown in Figure 3a.
  • Two Hall sensors scan the magnetic field changing through the magnetic field 18 and thereby emit sensor signals, each forming a signal track A and B respectively.
  • the signal tracks A, B are 90 ° out of phase with each other, which corresponds to half a pulse.
  • the use of these two signal tracks A and B has the advantage that disturbances in the signal transmission path can be avoided or, if disturbances occur, a plausibility check of the output signal of the sensor 16 is possible. In addition, it is easy to detect the direction of movement of the rotor.
  • the output signals of the sensor 16 are read directly to the interrupt inputs of a microprocessor, which is positioned in the evaluation unit 15 and the edges of the sensor signals of each signal track A, B counts. Every xth interrupt triggers a block commutation, the number of interrupts being dependent on the number of pulses that the sensor 16 delivers per commutation step. For a sinusoidal commutation, the number of pulses is converted into electrical degrees and from this the sinusoidal control is calculated.
  • Such an off-axis sensor system operates with very high resolution or accuracy and can enable a fast and secure data transmission through the use of standard sensors 16.
  • an inexpensive magnetic material is used, which reduces the manufacturing cost of the electric motor 14.
  • FIG. 3b shows the standard block commutation BK.
  • the three phases U, V, W of the electric motor 14 are detected by three Hall sensors, wherein the Hall sensors within the sensor 16 are arranged side by side with a distance of a pole width N, S of the magnetic encoder ring 18.
  • the sensor 16 counts at a Blockkommut istsperiode a predetermined fixed integer number of signal edges of either the signal track A or the signal track B.
  • the electric motor 14 is driven so that always one phase U, V, W is de-energized, while the other two phases U, V, W are energized.
  • a starting operation is used as a one-time rotor position detecting routine.
  • This training routine has no effect on the performance during normal operation of the motor vehicle, since during normal operation, only the sensor 16 is used, which evaluates the change of the magnetic field spanned by the magnetic encoder ring 18 as a result of the movement of the rotor.
  • the start routine is started at standstill of the rotor after switching on the power supply.
  • all three phases of the electric motor 13 are subjected to test voltage pulses.
  • the evaluation unit 15 the response functions in all three phases U, V, W of the electric motor 14 are evaluated.
  • the response function of the current waveform in the three phases U, V, W of the electric motor 14 detected.
  • a current measuring resistor in each phase U, V, W of the electric motor 14 is necessary. On the basis of the detected increase in current can thus be clearly determine which position the rotor 17 of the electric motor 14 has.
  • the position of the sensor 16 is set at this known position of the rotor 17 to start or provided with a calculated offset, so that an unambiguous assignment of the rotor position is ensured to the commutation. Thus, the ideal commutation point is found.
  • the distance in the flanks of the sensor signals to the next commutation step is physically predetermined by the construction described of the magnetic encoder ring 18 and the sensor 16. Thus, it can be determined on the basis of the described current measurement in which commutation phase is located and which position the electric motor 14 has, since, as shown in Figure 3b, the current flows between the different phases.
  • the accuracy with which the rotor position can be detected depends on various factors, such as the inductance of the motor phases, the accuracy of the test voltage pulse or their measurement.
  • a second method is used below.
  • the second method in which a so-called “hard energizing" of the phases U, V, W of the electric motor 14 is performed, it is necessary that the approximate position of the rotor 17 is known from the first method
  • hard energizing meaning that a maximum current is applied to at least one of the phases U, V, W, alignment of the rotor 17 of the electric motor 14 is enforced.
  • the three phases U, V, W are energized with an energization pattern, advantageously a block commutation.
  • one of the block commutation patterns is then arbitrarily applied and the reaction of the electric motor 14 is awaited.
  • the load-free electric motor 14 is thereby moved by small rotation angle in unknown direction. If there is a rotation of the electric motor 14 in an expected direction, the next block commutation pattern is applied and, in turn, it is assumed that the electric motor 14 is now in its preferred position. This preferred position is assigned in the sensor 16 as a zero position, whereby the ideal commutation point is known. If the expected direction of rotation does not occur, another block commutation pattern is applied until the expected direction sets.
  • the rotor 17 is covered with a first Kommut réellesmuster.
  • the phase U does not conduct electricity, while the phase V is supplied with a positive current and the phase W with a negative current. This means that the current flows from the phase V into the phase W.
  • the electric motor 14 is aligned in such a position at which the Hall sensors output a bit design 001 (FIG. 3b).
  • the commutation pattern is assigned to the rotor position reliable.
  • the resolution of the sensor via a magnetic pole N, S can be freely selected in certain steps, which is why the resolution of the sensor 16 can be adapted to the requirements of the existing application case without hardware changes being necessary. Due to the achieved high resolution and the rapid signal detection and transmission is in each operating state of the electric motor 14, both a sine and a block commutation possible.

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Description

Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Elektromotors, insbesondere in einem Kupplungsbetätigungssystem eines Kraftfahrzeuges
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Elektromotors, insbesondere in einem Kupplungsbetätigungssystem eines Kraftfahrzeuges, bei welchem ein Positionssignal eines Rotors des Elektromotors von einem, außerhalb einer Drehachse des Elektromotors an einem Stator des Elektromotors angeordneten Sensor abgenommen wird, welches von einer Auswerteeinheit hinsichtlich der Position des Elektromotors ausgewertet wird.
In modernen Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen, werden zunehmend automatisierte Kupplungen eingesetzt, wie sie in der DE 10 201 1 014 936 A1 beschrieben sind. Der Einsatz solcher Kupplungen hat den Vorteil des verbesserten Fahrkomforts und führt dazu, dass häufiger in Gängen mit langer Übersetzung gefahren werden kann. Die dabei verwendeten Kupplungen sind in hydraulischen Kupplungssystemen eingesetzt, bei welchen ein elektrohydraulischer Aktor, der von einem elektrisch kommutierten Elektromotor angetrieben wird, über eine Hydraulikleitung mit der Kupplung verbunden ist.
Zur korrekten Kommutierung weist der Elektromotor einen Sensor auf, welcher die Position des Elektromotors während des Betriebes des Aktors detektiert. Insbesondere bei Elektromotoren, bei welchen die Sensoren außerhalb der Drehachse des Elektromotors angeordnet sind, ist eine hohe Positionsauflösung notwendig. Der Rotor des Elektromotors weist aber nur eine begrenzte Anzahl von Polpaaren auf, aus welchen eine vorgegebene Anzahl von Flanken zur Positionsbestimmung genutzt werden können. Zur Positionsbestimmung können verschiedene Sensoren genutzt werden, wie beispielsweise Switch Halls, Linearsensoren oder Inkrementalgeber. Auch eine sensorlose Ansteuerung des Elektromotors ist denkbar. Allerdings weisen alle Sensoren Nachteile auf.
So besteht bei Switch Halls der Nachteil, dass der Elektromotor nicht beliebig positioniert werden kann und eine Auflösung der Sensorsignale nur begrenzt ist. Bei Linearsensoren ist die Übertragung des Analogsignals sehr störempfindlich, wobei eine Signalübertragung mit einem Pegel bei hohen Drehzahlen zu langsam ist. Hochdynamischen Stellantriebe mit einer sensorlosen Ansteuerung benötigen für die Messung der Rotorposition zu viel Zeit. Hochauf- lösende Inkrementalgeber haben den Nachteil, dass es nach Einschalten der Versorgungsspannung keine Zuordnung der Inkremente zu den Kommutierungszeitpunkten des Elektromotors gibt.
Um den Fahrkomfort im Fahrzeug zu verbessern, muss die von einem Sensor gemessene Position des Rotors am Bandende der Herstellung des Kupplungsbetätigungssystems abgeglichen werden. Dabei wird insbesondere die mechanische Position des Sensors zum Rotor am Bandende abgeglichen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Elektromotors anzugeben, bei welchem auf eine Einstellung des Sensors zum Rotor des Elektromotors am Bandende verzichtet werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass im Stillstand des Rotors dieser mit einer Spannung beaufschlagt wird und eine der Position des Rotors entsprechende Antwortreaktion einer Kommutierung des Elektromotors zugeordnet wird. Aufgrund dieser Vorgehensweise gleicht sich das System nach dem Anlegen der Spannung selbstständig ab, so dass dieser Abgleich auch bei Systemen durchgeführt werden kann, welche bereits im Kraftfahrzeug verbaut sind. Eine Bandende-Einstellung der Sensoren zum Rotor des Elektromotors kann somit entfallen.
In einer Ausgestaltung werden alle drei Phasen des Elektromotors mit Testspannungsimpulsen beaufschlagt und die Auswerteeinheit wertet die Antwortreaktion auf allen drei Phasen des Elektromotors aus, woraus auf die aktuelle Position des Elektromotors geschlossen wird. Durch die Beaufschlagung des Elektromotors mit Testspannungsimpulsen wird die Position des Rotors im Stillstand zuverlässig ermittelt. Eine dynamische Ansteuerung des Rotors kann dabei entfallen. Somit können auch hochauflösende Inkrementalgeber zur Detektion der Position des Elektromotors eingesetzt werden. Die nötige Information für die spätere Regelung des Elektromotors wird nach der Zuordnung eines Maßkörpers von der Inkrementalinformati- on benutzt.
In einer Variante wird als Antwortreaktion ein Stromverlauf in den drei Phasen des
Elektromotors ausgewertet. Anhand dieses Stromverlaufes lässt sich feststellen, in welcher Kommutierungssituation sich der Elektromotor befindet. Ausgehend von dieser detektierten Kommutierungsinformation wird die Ansteuerung des Elektromotors mit einem Kommutierungsmuster festgelegt.
In einer Weiterbildung wird die Antwortreaktion des Elektromotors einer Nullposition des Sensors zugeordnet. Durch die beschriebene Startroutine ist bekannt, welche Zuordnung der Elektromotor zu den Kommutierungszeitpunkten hat. Durch die Startroutine wird gleichzeitig eine Referenzierung des Sensorsignals gewährleistet. Im anschließenden Messbetrieb des Elektromotors werden infolge der Festlegung des Nullpunktes die Kommutierung und die Wegmessung nur noch über das Sensorsignal durchgeführt.
Vorteilhafterweise wird die Position des Elektromotors durch einen am Rotor angeordneten Maßkörper charakterisiert, dessen Positionsänderung als Antwortsignal ausgewertet wird, wobei als Maßkörper vorzugsweise ein, den Rotor umschließender Magnetgeberring mit einer vorgegebenen Anzahl von Magneten mit alternierender Magnetisierungsrichtung verwendet wird. Da dieser Magnetgeberring fest am Rotor in axialer Richtung befestigt ist, kann durch Auswertung der alternierenden Magnetisierungsrichtungen der Magnete die Position des Rotors eindeutig bestimmt werden.
In einer Weiterbildung wird durch eine maximale Bestromung mindestens einer der drei Phasen des Elektromotors im Stillstand des Elektromotors eine Ausrichtung des Elektromotors in eine Vorzugsrichtung erzwungen. Ein solches sogenanntes„hartes Bestromen" der Phasen des Elektromotors wird insbesondere dann ausgeführt, wenn die Genauigkeit bei der Bestimmung der Position des Rotors zur Kommutierung sehr hoch sein soll.
Vorteilhafterweise werden die drei Phasen des Elektromotors im Stillstand des Rotors mit einem willkürlichen Bestromungsmuster bestromt, wodurch der Elektromotor die Vorzugsstellung einnimmt und in dieser Vorzugsstellung des Elektromotors dem, vorzugsweise als Inkre- mentalgeber ausgebildeten Sensor die Nullposition zugeordnet wird. Durch die Beaufschlagung mit dem Bestromungsmuster bewegt sich der Elektromotor in eine beliebige Richtung und verharrt in der Position, welcher der dem Bestromungsmuster zugrundeliegenden Kommutierung entspricht. Diese Position wird dann als Nullposition erkannt. Da das Bestromungsmuster bekannt ist, kann auch die weitere Kommutierung sinnvoll festgelegt werden. In einer Ausgestaltung wird als Bestromungsmuster eine Blockkommutierung verwendet. Die Verwendung der Blockkommutierung als Bestromungsmuster hat den Vorteil, dass für den weiteren Betrieb des Elektromotors die nachfolgenden Kommutierungsmuster bekannt sind.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Auflösung des Sensors frei wählbar. Somit können die Anzahl der Pulse, die von dem Sensor für eine Wegänderung des Elektromotors gezählt werden, einfach angepasst werden. Somit ist nur eine Änderung in der Software aber keine Hardwareänderung notwendig.
Vorteilhafterweise wird die Zuordnung der Position des Rotors zu einer Kommutierung in einer Einlernroutine durchgeführt, welche bei der Initialisierung des in dem Kraftfahrzeug verbauten Elektromotors erfolgt. Aufgrund dieser Einlernroutine kann die Zuordnung der Position des E- lektromotors zur Kommutierung bei jeder Einschaltung der Zündung des Kraftfahrzeuges erfolgen, so dass gewährleistet ist, dass immer eine hochgenaue Positionszuordnung und somit Wegmessung möglich ist.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigt:
Figur 1 : eine vereinfachte Darstellung eines Kupplungsbetätigungssystems zur
Betätigung einer automatisierten Reibungskupplung
Figur 2: Ausschnitt aus einem Rotor eines Elektromotors mit einem Magnetgeberring
Figur 3: ein Ausführungsbeispiel der Zuordnung eines Inkrementalsignals zur
Kommutierung.
In Figur 1 ist ein Kupplungsbetätigungssystem 1 für eine automatisierte Kupplung vereinfacht dargestellt. Das Kupplungsbetätigungssystem 1 ist in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges einer Reibungskupplung 2 zugeordnet und umfasst einen Geberzylinder 3, der über eine auch als Druckleitung bezeichnete Hydraulikleitung 4 mit einem Nehmerzylinder 5 verbunden ist. In dem Nehmerzylinder 5 ist ein Nehmerkolben 6 hin und her bewegbar, der über ein Betätigungsorgan 7 und unter Zwischenschaltung eines Lagers 8 die Reibungskupplung 2 betätigt.
Der Geberzylinder 3 ist über eine Verbindungsöffnung mit einem Ausgleichsbehälter 9 verbindbar. In den Geberzylinder 3 ist ein Geberkolben 10 bewegbar. Von dem Geberkolben 10 geht eine Kolbenstange 1 1 aus, die in Längserstreckung des Geberzylinders 3 zusammen mit dem Geberkolben 10 translatorisch bewegbar ist. Die Kolbenstange 1 1 des Geberzylinders 3 ist über eine Gewindespindel 12 mit einem elektromotorischen Stellantrieb 13 gekoppelt. Der elektromotorische Stellantrieb 13 umfasst einen als kommutierten Gleichstrommotor ausgebildeten Elektromotor 14 und eine Auswerteeinheit 15. Die Gewindespindel 12 setzt eine Drehbewegung des Elektromotors 14 in eine Längsbewegung der Kolbenstange 1 1 bzw. des Geberzylinderkolbens 10 um. Die Reibungskupplung 2 wird somit durch den Elektromotor 14, die Gewindespindel 12 und den Geberzylinder 3 und den Nehmerzylinder 5 automatisiert betätigt. In dem elektromotorischen Stellantrieb 13 ist ein Sensor 16 integriert.
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Rotor 17 des Elektromotors 14, welcher an seinem Umfang von einem Magnetgeberring 18 umgeben ist. Der Magnetgeberring 18 stellt dabei einem Maßkörper dar und umfasst eine vorgegebene Anzahl von Magnetpolen N bzw. S, die über 360° verteilt aneinander gereiht sind. Beim Vorhandensein von beispielsweise 1 1 Magnetpolen sind 22 Polübergänge vorgegeben, die zur Erzeugung von Schaltsignalen des als Inkrementalgeber ausgebildeten Sensors 16 führen. Der Magnetgeberring 18 ist drehfest mit dem Rotor 17 verbunden, während der Sensor 16, der den Magnetgeberring 18 sensiert, beispielsweise an einem nicht weiter dargestellten Stator des Elektromotors 14 befestigt ist.
Im vorliegenden Beispiel wird ein schneller Inkrementalgeber, beispielsweise ein AMR- Sensor, wie der AS531 1 , für die Positionserfassung des Rotors genutzt. Das Ausgangssignal des Sensors 16 wird vorzugsweise über eine A B-Signalspur übertragen, wie es in Figur 3a dargestellt ist. Zwei Hall-Geber tasten das sich durch den Magnetgeberring 18 ändernde Magnetfeld ab und geben dabei Sensorsignale aus, die je eine Signalspur A bzw. B bilden. Die Signalspuren A, B sind um 90° elektrisch gegeneinander phasenverschoben, was einem halben Puls entspricht. Die Verwendung dieser beiden Signalspuren A und B hat den Vorteil, dass Störungen im Signalübertragungspfad vermieden werden bzw. bei auftretenden Störungen eine Plausibilisierung des Ausgangssignals des Sensors 16 möglich ist. Darüber hinaus lässt sich so die Bewegungsrichtung des Rotors einfach detektieren. Die Ausgangssignale des Sensors 16 werden dabei direkt an die Interrupt-Eingänge eines Mikroprozessors eingelesen, welcher in der Auswerteeinheit 15 positioniert ist und der die Flanken der Sensorsignale jeder Signalspur A, B zählt. Jeder x-te Interrupt löst eine Blockkommutierung aus, wobei die Anzahl der Interrupts abhängig von der Anzahl an Pulsen ist, die der Sensor 16 pro Kommutierungsschritt liefert. Bei einer Sinuskommutierung wird die Impulsanzahl in elektrische Winkelgrade umgerechnet und daraus die Sinusansteuerung berechnet.
Ein solches Off-Axis-Sensorsystem arbeitet mit sehr hoher Auflösung bzw. Genauigkeit und kann eine schnelle und sichere Datenübertragung durch den Einsatz von Standardsensoren 16 ermöglichen. Durch die Verwendung des Magnetgeberringes 18 wird ein kostengünstiges Magnetmaterial benutzt, was die Herstellungskosten des Elektromotors 14 reduziert.
In Figur 3b ist die Standard-Blockkommutierung BK dargestellt. Die drei Phasen U, V, W des Elektromotors 14 werden dabei von drei Hall-Sensoren detektiert, wobei die Hall-Sensoren innerhalb des Sensors 16 nebeneinander mit einem Abstand einer Polbreite N, S des Magnetgeberrings 18 angeordnet sind. Der Sensor 16 zählt bei einer Blockkommutierungsperiode eine vorgegebene feste ganzzahlige Anzahl von Signalflanken entweder der Signalspur A oder der Signalspur B. Bei der Blockkommutierung wird der Elektromotor 14 so angesteuert, dass immer eine Phase U, V, W stromlos ist, während die anderen beiden Phasen U, V, W bestromt werden.
Um die Motorposition der idealen Kommutierungsposition zuzuordnen, wird nach dem Einbau des Elektromotors 14 in das Kraftfahrzeug ein Startvorgang als einmalige Routine zur Feststellung der Rotorposition benutzt. Diese Einlernroutine hat keinen Einfluss auf die Performance im Normalbetrieb des Kraftfahrzeuges, da während des Normalbetriebes nur noch der Sensor 16 benutzt wird, der die Änderung des durch den Magnetgeberring 18 aufgespannten Magnetfeldes infolge der Bewegung des Rotors auswertet.
Im Weiteren sollen zwei Verfahren zur Referenzierung der Rotorposition zum Kommutierungszeitpunkt dargestellt werden. Bei beiden Verfahren wird die Startroutine im Stillstand des Rotors nach Einschaltung der Spannungsversorgung gestartet. Im ersten Ausführungsbeispiel werden alle drei Phasen des Elektromotors 13 mit Testspannungsimpulsen beaufschlagt. Durch die Auswerteeinheit 15 werden die Antwortfunktionen in allen drei Phasen U, V, W des Elektromotors 14 ausgewertet. Insbesondere wird als Antwortfunktion der Stromverlauf in den drei Phasen U, V, W des Elektromotors 14 detektiert. Um den Stromverlauf in jeder Phase U, V, W messen zu können, ist ein Strommesswiderstand in jeder Phase U, V, W des Elektromotors 14 notwendig. Anhand des detektierten Stromanstieges lässt sich somit eindeutig feststellen, welche Position der Rotor 17 des Elektromotors 14 aufweist. Die Position des Sensors 16 wird an dieser bekannten Position des Rotors 17 auf Anfang gesetzt bzw. mit einem berechneten Offset versehen, so dass eine eindeutige Zuordnung der Rotorposition zu der Kommutierung gewährleistet ist. Somit ist der ideale Kommutierungspunkt gefunden. Der Abstand in den Flanken der Sensorsignale zu dem nächsten Kommutierungsschritt ist durch die beschriebene Konstruktion des Magnetgeberringes 18 sowie des Sensors 16 physikalisch vorgegeben. Somit kann anhand der erläuterten Strommessung festgestellt werden, in welcher Kommutierungsphase man sich befindet und welche Position der Elektromotor 14 aufweist, da, wie in Figur 3b dargestellt, der Strom zwischen den verschiedenen Phasen fließt.
Die Genauigkeit, mit der die Rotorposition erfasst werden kann, hängt von verschiedenen Faktoren, wie beispielsweise der Induktivität der Motorphasen, der Genauigkeit des Testspannungspulses bzw. deren Messung ab.
Sollte die Genauigkeit bei der Bestimmung der Rotorposition zur Kommutierung durch das erste Verfahren nicht ausreichen, wird nachfolgend ein zweites Verfahren angewendet. Im zweiten Verfahren, bei welchem ein sogenanntes„hartes Bestromen" der Phasen U, V, W des Elektromotors 14 durchgeführt wird, ist es notwendig, dass aus dem ersten Verfahren die ungefähre Position des Rotors 17 bekannt ist. Dabei reicht es aus, dass bekannt ist, in welchem Kommutierungsschritt man sich befindet. Durch das„harte Bestromen", was bedeutet, dass ein maximaler Strom an mindestens eine der Phasen U, V, W angelegt wird, wird ein Ausrichten des Rotors 17 des Elektromotors 14 erzwungen. Dazu werden die drei Phasen U, V, W mit einem Bestromungsmuster, vorteilhafterweise einer Blockkommutierung, bestromt. Bei der Blockkommutierung wird dann willkürlich eines der Blockkommutierungsmuster angelegt und die Reaktion des Elektromotors 14 abgewartet. Der lastfreie Elektromotor 14 wird dabei um kleine Drehwinkel in unbekannte Richtung bewegt. Kommt es zu einer Drehung des Elektromotors 14 in eine erwartete Richtung, wird das nächstfolgende Blockkommutierungsmuster angelegt und bei wiederum richtiger Drehung davon ausgegangen, dass der Elektromotor 14 nun in seiner Vorzugsstellung steht. Diese Vorzugsstellung wird in dem Sensor 16 als Nullposition zugeordnet, wodurch der ideale Kommutierungspunkt bekannt ist. Tritt die erwartete Drehrichtung nicht ein, wird ein anderes Blockkommutierungsmuster angelegt, bis sich die erwartete Richtung einstellt. Bei der Blockbestromung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird der Rotor 17 mit einem ersten Kommutierungsmuster belegt. Dabei führt die Phase U keinen Strom, während die Phase V mit einem positiven Strom und die Phase W mit einem negativen Strom beaufschlagt ist. Das bedeutet, dass der Strom von der Phase V in die Phase W fließt Anhand dieser Bestromung wird der Elektromotor 14 in eine solche Position ausgerichtet, bei welcher die Hallgeber ein Bitdesign 001 ausgeben (Figur 3b). Somit ist das Kommutierungsmuster der Rotorposition zuverlässig zugeordnet.
Die Auflösung des Sensors über einen Magnetpol N, S kann in bestimmten Schritten frei gewählt werden, weshalb die Auflösung des Sensor 16 an die Anforderungen des bestehenden Anwendungsfalls jeweils angepasst werden kann, ohne dass Hardwareänderungen notwendig sind. Aufgrund der erreichten hohen Auflösung und der schnellen Signalerfassung und -Übertragung ist in jedem Betriebszustand des Elektromotors 14 sowohl eine Sinus- als auch eine Blockkommutierung möglich.
Bezugszeichenliste Kupplungsbetätigungssystem
Reibkupplung
Geberzylinder
Hydraulikleitung
Nehmerzylinder
Nehmerkolben
Betätigungsorgan
Lager
Ausgleichsbehälter
Geberkolben
Kolbenstange
Gewindespindel
Stellantrieb
Elektromotor
Auswerteeinheit
Sensor
Rotor
Magnetgeberring

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Elektromotors, insbesondere in einem Kupplungsbetätigungssystem eines Kraftfahrzeuges, bei welchem ein Positionssignal eines Rotors (17) des Elektromotors (14) von einem, außerhalb einer Drehachse des Elektromotors (14) an einem Stator des Elektromotors (14) angeordneten Sensor (16) abgenommen wird, welches von einer Auswerteeinheit (15) hinsichtlich der Position des Elektromotors (14) ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Stillstand des Rotors (17) dieser mit einer Spannung beaufschlagt wird und eine der Position des Rotors (17) entsprechende Antwortreaktion einer Kommutierung des Elektromotors (14) zugeordnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass alle drei Phasen (U, V, W) des Elektromotors (14) mit Testspannungsimpulsen beaufschlagt werden und die Auswerteeinheit (15) die Antwortreaktion auf den drei Phasen (U, V, W) des Elektromotors (14) auswertet, woraus auf die aktuelle Position des Elektromotors (14) geschlossen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Antwortreaktion ein
Stromverlauf in den drei Phasen (U, V, W) des Elektromotors (14) ausgewertet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Antwortreaktion eine Nullposition des Sensors (16) zugeordnet wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Elektromotors (14) durch einen am Rotor (17) angeordneten Maßkörper (18) charakterisiert wird, dessen Positionsänderung als Antwortsignal ausgewertet wird, wobei als Maßkörper (18) vorzugsweise ein, den Rotor (17) umschließender Magnetgeberring (18) mit einer vorgegebenen Anzahl von Magneten (N,S) mit alternierender Magnetisierungsrichtung verwendet wird.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine maximale Bestromung mindestens einer der drei Phasen (U, V, W) des Elektromotors (14) im Stillstand des Elektromotors (14) eine Ausrichtung des E- lektromotors (14) in eine Vorzugsrichtung erzwungen wird, welche anhand des Maßkörpers (18) definiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Phasen (U, V, W) des Elektromotors (14) im Stillstand mit einem willkürlichen Bestromungsmuster bestromt werden, wodurch der Elektromotor (14) die Vorzugsstellung einnimmt und in dieser Vorzugsstellung des Elektromotors (14) dem, vorzugsweise als Inkrementalgeber ausgebildeten Sensor (16) die Nullposition zugeordnet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Bestromungsmuster eine Blockkommutierung verwendet wird.
9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auflösung des Sensors (16) frei wählbar ist.
10. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung der Position des Rotors (17) zu einer Kommutierung in einer Einlernroutine erfolgt, welche bei der Initialisierung des in dem Kraftfahrzeug verbauten Elektromotors (14) durchgeführt wird.
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