WO2023274454A1 - Elektronische schaltungsanordnung zum bestimmen eines offsetwinkels für eine elektrische maschine mit erfassung von nulldurchgängen - Google Patents

Elektronische schaltungsanordnung zum bestimmen eines offsetwinkels für eine elektrische maschine mit erfassung von nulldurchgängen Download PDF

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WO2023274454A1
WO2023274454A1 PCT/DE2022/100478 DE2022100478W WO2023274454A1 WO 2023274454 A1 WO2023274454 A1 WO 2023274454A1 DE 2022100478 W DE2022100478 W DE 2022100478W WO 2023274454 A1 WO2023274454 A1 WO 2023274454A1
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signal
offset angle
circuit arrangement
designed
output
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PCT/DE2022/100478
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French (fr)
Inventor
Eduard Enderle
Vincent Leonhardt
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/182—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using back-emf in windings

Definitions

  • the present disclosure relates to an electronic circuit arrangement for determining an offset angle for an electrical machine which has a stator, a rotor and a shaft connected to the rotor. Furthermore, the present disclosure relates to a method for determining an offset angle (ergo the input parameter for determining the torque) of an electrical machine/for an electrical machine with a circuit arrangement.
  • EP2272 162 B1 is known from the prior art, in which a method for determining an offset angle of an electrical machine is described, which has a stator, a rotor and a shaft connected to the rotor.
  • the shaft is provided in a substantially no-load condition.
  • the rotor is placed at a field angle relative to the stator that corresponds to the orientation of a rotor magnetic field generated by the rotor to the orientation of a stator magnetic field generated by the stator.
  • a sensor angle is detected by a measurement with an angle sensor that is connected to the shaft, with the detected sensor angle being assigned to the field angle.
  • the offset angle is provided as a function of the difference between the field angle and the sensor angle.
  • US Pat. No. 9,190,948 B describes a method for determining an offset angle of an electrical machine, comprising a stator, a rotor and a shaft connected to the rotor.
  • the Wave is in one essential provided in an unloaded condition and the rotor is positioned with respect to the stator at a field angle corresponding to the orientation of a rotor magnetic field generated by the rotor relative to the orientation of a stator magnetic field generated by the stator.
  • a sensor angle is determined by measuring with an angle sensor connected to the shaft, with the detected sensor angle being assigned to the field angle.
  • the offset angle is provided depending on the difference between the field angle and the sensor angle.
  • a solution that is cost-optimized and easy to implement in hardware and software is to be provided.
  • the compensation of the offset angle should be made possible and simplified.
  • phase voltage measuring device is provided and designed to detect at least one zero crossing of the back EMF signal and the rotor position measuring device is provided and designed to to detect at least one zero crossing of the SIN position signal in order to use it to calculate the offset angle.
  • Back EMF stands for Back Electromotive Force.
  • the offset angle can be determined at the end-of-line, ie at the end of a production line.
  • the electrical machine is turned briefly for example every time the rotor position sensor or the electrical machine of an electric drive is mechanically replaced.
  • the induced voltage and the rotor position are measured.
  • the foregoing circuitry of this disclosure detects/detects the zero crossings of the induced voltage or back EMF signal and the zero crossings of a SIN (sine) position signal of the rotor position sensor.
  • the time between the zero crossings of the induced voltage or the back EMF signal and the SIN position signal of the rotor position sensor is measured, preferably using software or an algorithm.
  • the offset can be determined from the measured time and from this the offset angle can be calculated, as described in more detail below, which is stored as a parameter in the software or the algorithm of the power electronics:
  • Ooffset 1 t1 - tO * 360° el.* free if ß: 0 — 1
  • Ooffset 1 t1 - tO * 360 °el.* fei - 180 °el if ß: 1 — 0
  • Boffset stands for the offset angle and fei for the electrical frequency.
  • the first offset angle corresponds to the final offset angle, which is further used as a parameter. It is advantageous if the offset angle and/or a deviation can be determined (online) during operation of the electrical machine.
  • the rotor position measuring device is provided and designed to output a COS position signal in addition to the SIN position signal and to also detect at least one zero crossing of the COS position signal.
  • the additional detection of a zero crossing of the COS position signal has the advantage that the offset angle can be determined with greater accuracy.
  • an offset is determined as a function of a zero crossing of the back EMF signal and a zero crossing of the COS position signal, and a second offset angle is calculated as follows:
  • 0offset2 t2 - tO * 360 °el.* free - 90 °el. if C ⁇ 0 — 1
  • 0offset2 t2 - tO * 360 °el.* free - 270 °el. if C ⁇ 1 — 0
  • phase voltage measuring device is followed by a first comparator which is provided and designed to distinguish between a zero crossing of the back EMF signal from + to - and from - to + and to output a first output signal.
  • a comparator is an electronic circuit that compares two voltages. The output indicates in binary/digital form which of the two input voltages is higher. This is practically a 1-bit analog-to-digital converter.
  • the rotor position measuring device is followed by a second comparator which is provided and designed to distinguish between a zero crossing of the SIN position signal from + to - and from - to + and to output a second output signal.
  • the second comparator is provided and designed to additionally distinguish between a zero crossing of the COS position signal from + to - and from - to + and to output a third output signal.
  • the first comparator is followed by a digital isolator which is provided and designed to output an isolated first output signal.
  • the digital isolator serves as galvanic isolation between the high voltage range and the low voltage range.
  • the high voltage range comprises only the phase voltage measuring device, the back EMF signal, the first comparator and the first output signal which is received from the digital isolator.
  • the low voltage region includes the isolated first output signal output from the digital isolator, the rotor position sensing device, the SIN position signal and the optional COS position signal, the second comparator, the second output signal and the optional third output signal and the Microcontroller/ Microprocessor.
  • Galvanic isolation is the avoidance of electrical conduction between two circuits between which power or signals are to be exchanged. In the present disclosure, this galvanic isolation is provided by the digital isolator.
  • An advantageous embodiment is characterized in that the electronic circuit arrangement, in particular the digital isolator and the second comparator, is/are provided and designed to output the isolated first output signal and the second output signal and optionally the third output signal to a microcontroller.
  • the electronic circuit arrangement in particular the digital isolator and the second comparator, is/are provided and designed to output the isolated first output signal and the second output signal and optionally the third output signal to a microcontroller.
  • the output signals of the zero crossing detection are transmitted as a digital signal from the digital isolator and the second comparator to the microcontroller/microprocessor.
  • the microcontroller is provided and designed to calculate a first offset angle using a first offset based on the isolated first output signal and the second output signal, the first offset angle corresponding to the (final) offset angle.
  • the microcontroller is provided and designed to calculate a second offset angle using a second offset based on the isolated first output signal and the third output signal, the offset angle being calculable based on the first offset angle and the second offset angle.
  • the present disclosure relates to an electrical machine with an electrical circuit arrangement according to one of the above aspects.
  • the present disclosure also relates to a method for determining an offset angle of an electrical machine, which has a stator and a rotor, with a circuit arrangement according to one of the preceding claims, with the following steps:
  • the electrical machine is turned briefly for example whenever the rotor position sensor or the electrical machine of an electric drive is mechanically replaced.
  • the induced voltage and the rotor position are measured.
  • the above circuitry of this disclosure detects the zero crossings of the induced voltage or back EMF signal and the zero crossings of a SIN (sine) signal of the rotor position sensor.
  • the zero crossing detection output signals are transmitted digitally to a microprocessor.
  • the time between the zero crossings of the induced voltage or the back EMF signal and the SIN position signal of the rotor position sensor is measured by a medium, preferably software, output as an offset and converted into the offset angle.
  • the calculated offset angle is then stored as a parameter in a medium, preferably software or an algorithm, of the power electronics.
  • 1 is a diagram illustrating an electronic circuit arrangement according to the present disclosure
  • 2 shows a representation to illustrate an offset detection based on a back EMF signal, a SIN position signal and optionally a COS position signal.
  • the electronic circuit arrangement 1 is a diagram illustrating an electronic circuit arrangement 1 according to the present disclosure.
  • the electronic circuit arrangement 1 is provided for determining an offset angle 2 for an electrical machine.
  • the electronic circuit arrangement 1 has a phase voltage measuring device 3 which is designed to measure an induced voltage and to output a back EMF signal 4 .
  • the electronic circuit arrangement 1 has a rotor position measuring device 5 which is provided and designed to measure a rotor position and to output a SIN position signal 6 .
  • the phase voltage measuring device 3 is provided and configured to detect at least one zero crossing 7 of the back EMF signal 4, and the rotor position measuring device 5 is provided and configured to detect at least one zero crossing 8 of the SIN position signal 6 in order to use this to determine the Calculate offset angle 2.
  • the rotor position measuring device 5 is additionally and/or alternatively provided and designed to output a COS position signal 9 in addition to the SIN position signal 6 and to also detect at least one zero crossing 10 of the COS position signal 9 .
  • the phase voltage measuring device 3 is followed by a first comparator 11 which is provided and designed to distinguish between a zero crossing 7 of the back EMF signal 4 from + to - and from - to + and to output a first output signal 12 .
  • the first comparator 11 is followed by a digital isolator 16 which is provided and designed to output an isolated first output signal 17 .
  • the rotor position measuring device 5 is followed by a second comparator 13 which is provided and designed to distinguish between a zero crossing 8 of the SIN position signal 6 from + to - and from - to + and to output a second output signal 14 . Furthermore, the second comparator 13 is provided and designed to additionally distinguish between a zero crossing 10 of the COS position signal 9 from + to - and from - to + and to output a third output signal 15 .
  • the isolated first output signal 17 and the second output signal 14 and optionally/alternatively also the third output signal 15 are output to a microcontroller 18 .
  • the microcontroller 18 is connected downstream of the digital isolator 16 and the second comparator 13 .
  • the microcontroller has a first input to receive the isolated first output signal 17 and a second input to receive the second output signal 14 and optionally the third output signal 15 in addition.
  • Figure 1 shows an offset angle tutorial physical architecture.
  • Fig. 2 is a diagram illustrating an offset detection/determination based on the back EMF signal 4, the SIN position signal 6 and optionally the COS position signal 9.
  • the X-axis shows time and the Y-axis shows time axis in the upper half of Fig. 2 the voltage and in the lower half of Fig. 2 values "high” and "low” for each output signal.
  • the microcontroller 18 is provided and designed to calculate a first offset angle Q1 based on the isolated first output signal 17 and the second output signal 14 , the first offset angle Q1 corresponding to the offset angle 2 .
  • microcontroller 18 is provided and configured to calculate a second offset angle Q2 based on isolated first output signal 17 and third output signal 15, offset angle 2 being calculable based on first offset angle Q1 and second offset angle Q2.
  • a zero crossing 7 is detected, i.e. the back EMF signal 4 intersects/crosses with the comparison threshold value 19.
  • a logical "high" is output in an isolated first output signal 17 and a timer starts.
  • a zero crossing 8 is detected, i.e. an intersection/crossing of the SIN position signal 6 with the comparison threshold value 19.
  • a second output signal 14 a logical "high” is output and the timer, which was started based on the isolated first output signal 17, is stopped.
  • the period of time between starting the timer based on the isolated first output signal 17 and stopping the timer based on the second output signal 14 results in the first offset 20.
  • the first offset angle Q1 is calculated using the first offset 20. This first offset angle Q1 corresponds to the final offset angle 2.
  • the COS position signal 9 (dashed line) according to FIG. 2 can be considered as an additional value.
  • a zero crossing 10 is also detected here, as an intersection/crossing of the COS position signal 9 with the comparison threshold value 19. As soon as such a zero crossing 10 has been detected, a logical "high" is output in a third output signal 15 and the timer, which is based on started with the isolated first output signal 17 is stopped.
  • Second offset angle Q2 is calculated using second offset 21.
  • the final offset angle 2 can be calculated based on the first offset angle Q1 and the second offset angle Q2.
  • the first offset 20 according to FIG. 2 results from the time difference between the first logical "high” of the back EMF signal 4 and a further logical change, in the case of the subsequent logical "high” of the SIN position signal 6.
  • the second offset 21 also results from the time difference between the first logical "high” of the back EMF signal 4 and a further logical change, in the case of the subsequent logical "low” of the COS position signal 9.
  • 0offset2 t2 - tO * 360 °el.* free - 270 °el. if C ⁇ 1 — » 0
  • Ooffset ( Ooffset 1 + 0offset2)l 2

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine elektronische Schaltungsanordnung (1) zum Bestimmen eines Offsetwinkels (2) für eine elektrische Maschine, welche einen Stator, einen Rotor und eine mit dem Rotor verbundene Welle aufweist, mit einer Phasenspannungsmessvorrichtung (3), die dazu ausgebildet ist eine induzierte Spannung zu messen und ein Back-EMF-Signal (4) auszugeben; und einer Rotorlagemessvorrichtung (5), die dazu vorgesehen und ausgebildet ist, eine Rotorlage zu messen und ein SIN-Positionssignal (6) auszugeben, wobei die Phasenspannungsmessvorrichtung (3) dazu vorgesehen und ausgebildet ist, um zumindest einen Nulldurchgang (7) des Back-EMF-Signals (4) zu erfassen und wobei die Rotorlagemessvorrichtung (5) dazu vorgesehen und ausgebildet ist, um zumindest einen Nulldurchgang (8) des SIN-Positionssignals (6) zu erfassen, um damit den Offsetwinkel (2) zu berechnen. Ferner betrifft die vorliegende Offenbarung eine elektrische Maschine mit einer Schaltungsanordnung (1) und ein Verfahren zur Bestimmung eines Offsetwinkels für eine elektrische Maschine.

Description

Elektronische Schaltungsanordnung zum Bestimmen eines Offsetwinkels für eine elektrische Maschine mit Erfassung von Nulldurchgängen
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine elektronische Schaltungsanordnung zum Bestimmen eines Offsetwinkels für eine elektrische Maschine, welche einen Stator, einen Rotor und eine mit dem Rotor verbundene Welle aufweist. Ferner betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Bestimmung eines Offsetwinkels (ergo des Input-Parameters für die Drehmomentbestimmung) einer elektrischen Maschine / für eine elektrische Maschine mit einer Schaltungsanordnung.
In elektrischen Antriebe- bzw. E-Antriebe-Anwendungen ist es aus Sicherheit- und Komfortgründen notwendig, das Drehmoment sehr präzise zu bestimmen. Dafür ist es nötig, einen Rotorlagegeber zu implementieren, um eine Rotorposition zu messen, da die Rotorposition einen wesentlichen Einfluss auf die in einer Leistungselektronik berechnete Drehmomentgenauigkeit hat. Vor dem Hintergrund werden der Rotorlagegeber und der Motor separat voneinander entwickelt und gefertigt. Des bedingt jedoch, die Montagetoleranzen der beiden Komponenten auf eine Art und Weise zu kompensieren.
Aus dem Stand der Technik ist die EP2272 162 B1 bekannt, in welcher ein Verfahren zur Bestimmung eines Offsetwinkels einer elektrischen Maschine beschrieben ist, die einen Stator, einen Rotor und eine mit dem Rotor verbundene Welle aufweist. Die Welle wird in einem im Wesentlichen lastfreien Zustand vorgesehen. Der Rotor wird zu dem Stator in einem Feldwinkel angeordnet, der der Ausrichtung eines vom Rotor erzeugten Rotormagnetfelds zu der Ausrichtung eines vom Stator erzeugten Statormagnetfelds entspricht. Ein Sensorwinkel wird durch eine Messung mit einem Winkelgeber, der mit der Welle verbunden ist, erfasst, wobei der erfasste Sensorwinkel dem Feldwinkel zugeordnet ist. Der Offsetwinkel wird als Funktion der Differenz zwischen dem Feldwinkel und dem Sensorwinkel vorgesehen.
Aus der US 9 190948 B ist ein Verfahren zum Bestimmen eines Versatzwinkels einer elektrischen Maschine, umfassend einen Stator, einen Rotor und eine mit dem Rotor verbundene Welle beschrieben. Die Welle ist in einem im Wesentlichen unbelasteten Zustand bereitgestellt und der Rotor ist in Bezug auf den Stator unter einem Feldwinkel positioniert, der der Ausrichtung eines vom Rotor erzeugten Rotormagnetfelds relativ zur Ausrichtung eines erzeugten Statormagnetfelds durch den Stator entspricht. Durch die Messung mit einem mit der Welle verbundenen Winkelsensor wird ein Sensorwinkel bestimmt, wobei der erfasste Sensorwinkel dem Feldwinkel zugeordnet wird. Der Versatzwinkel wird in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Feldwinkel und dem Sensorwinkel bereitgestellt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine elektrische Schaltung bzw. Schaltungsanordnung bereitzustellen, um die Nachteile, welche noch bei den Lösungen aus dem Stand der Technik existieren, zu beseitigen oder wenigstens zu mildern. Insbesondere soll eine kostenoptimierte und einfach in Hardware als auch Software implementierende Lösung bereitgestellt werden. Darüber hinaus soll die Kompensation des Offsetwinkels ermöglicht und vereinfacht werden.
Die vorstehende Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Schaltungsanordnung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, also dadurch, dass die Phasenspannungsmessvorrichtung dazu vorgesehen und ausgebildet ist, um zumindest einen Nulldurchgang des Back-EMF-Signals zu erfassen und wobei die Rotorlagemessvorrichtung dazu vorgesehen und ausgebildet ist, um zumindest einen Nulldurchgang des SIN-Positionssignals zu erfassen, um damit den Offsetwinkel zu berechnen.
Back EMF steht für „Back Electromotive Force“. Mit einfachen Worten bedeutet das, dass Back EMF eine elektromotorische Kraft ist, die auftritt, wenn sich der bürstenlose Motor dreht. Das heißt, Back-EMF ist ein System in der Spule einer elektrischen Maschine, das dem durch die Spule fließenden Strom bei Rotation entgegenwirkt. Dies ist als Signal, gemäß dem vorstehenden Back-EMF-Signal, ausgebbar.
Dies hat den Vorteil, dass der Offsetwinkel im End-of-line, also am Ende einer Fertigungslinie, bestimmbar ist. In anderen Worten wird beispielsweise bei jedem mechanischen Austausch des Rotorlagegebers oder der elektrischen Maschine eines E-Antriebs die elektrische Maschine kurzzeitig gedreht. Die induzierte Spannung und die Rotorlage werden gemessen. Die vorstehende Schaltungsanordnung dieser Offenbarung erkennt/erfasst die Nulldurchgänge der induzierten Spannung bzw. des Back-EMF-Signals und die Nulldurchgänge eines SIN- (Sinus-) Positionssignals des Rotorlagegebers.
Hierbei wird die Zeit zwischen den Nulldurchgängen der induzierten Spannung bzw. des Back-EMF-Signals und des SIN-Positionssignals des Rotorlagegebers, vorzugsweise per Software bzw. Algorithmus, gemessen. Aus der gemessenen Zeit ist der Offsetbestimmbar und daraus der Offsetwinkel, wie nachfolgend näher beschrieben, berechenbar, welcher als Parameter in der Software bzw. dem Algorithmus der Leistungselektronik gespeichert wird:
Ooffset 1 = t1 - tO * 360° el.* fei falls ß: 0 — 1
Ooffset 1 = t1 - tO * 360 °el.* fei - 180 °el falls ß: 1 — 0
Ooffset = Ooffset
Hierbei steht Boffset für den Offsetwinkel und fei für die elektrische Frequenz.
Die elektrische Frequenz ergibt sich aus fei = (p * ri)/ 60 , wobei n die Rotordrehzahl und p die Polpaaranzahl ist. Ferner ist t = tO in dem Moment, wenn das Back-EMF- Signal ein logisches „high“ wird. Das bedeutet, dass das Back-EMF-Signal von - nach + einen Vergleichsschwellenwert kreuzt/ schneidet, somit ein Nulldurchgang erkennbar ist. Ab diesem Moment wird ein Timer gestartet. Sobald auch für das SIN- Positionssignal eine logische Änderung vorliegt, insbesondere das SIN-Positionssignal zu einem logischen „high“ wird, stoppt der Timer zum Zeitpunkt t = 11 . Basierend auf der Zeitspanne von 10 bis t1 wird dann der erste Offset bestimmt und gemäß der vorstehenden Formel der erste Offsetwinkel berechnet. Diese Berechnung ist auch möglich, wenn ein Nulldurchgang des Back-EMF-Signals von - nach + und des SIN- Positionssignals von + nach - (falls ß: 1 — » 0) erkannt wird. In dem Fall ist ein Faktor von - 180°eZ. zu berücksichtigen. Hierbei entspricht der erste Offsetwinkel dem endgültigen Offsetwinkel, welcher als Parameter weiterverwendet wird. Es ist von Vorteil, wenn die Bestimmung des Offsetwinkels und/oder einer Abweichung während des Betriebs der elektrischen Maschine (online) einsetzbar ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
Es ist bevorzugt, wenn die Rotorlagemessvorrichtung dazu vorgesehen und ausgebildet ist, um zusätzlich zu dem SIN-Positionssignal ein COS-Positionssignal auszugeben und um zusätzlich zumindest einen Nulldurchgang des COS- Positionssignals zu erfassen. Die zusätzliche Erfassung eines Nulldurchgangs des COS-Positionssignals hat den Vorteil, dass der Offsetwinkel mit einer höheren Genauigkeit bestimmbar ist. In dem Fall wird ein Offset in Abhängigkeit eines Nulldurchgangs des Back-EMF-Signals und eines Nulldurchgangs des COS- Positionssignals bestimmt und ein zweiter Offsetwinkel wie folgt berechnet:
0offset2 = t2 - tO * 360 °el.* fei - 90 °el. falls C\ 0 — 1
0offset2 = t2 - tO * 360 °el.* fei - 270 °el. falls C\ 1 — 0
In dem Fall ist t = tO in dem Moment, wenn das Back-EMF-Signal ein logisches „high“ wird. Das bedeutet, dass das Back-EMF-Signal von - nach + einen Vergleichsschwellenwert kreuzt/ schneidet, somit ein Nulldurchgang erkennbar ist, und ab dem Moment wird ein Timer gestartet. Sobald auch für das COS-Positionssignal eine logische Änderung vorliegt, insbesondere das COS-Positionssignal zu einem logischen „high“ wird (falls C: 0 — 1 ), stoppt der Timer zum Zeitpunkt t = t2 Basierend auf der Zeitspanne von 10 bis t2 wird dann gemäß der vorstehenden Formel der zweite Offsetwinkel berechnet. Hierbei ist der - 90°-Versatz zu berücksichtigen. Die Berechnung ist auch möglich, wenn ein Nulldurchgang des Back-EMF-Signals von - nach + und des SIN-Positionssignals von + nach - (falls C: 1 — » 0) erkannt wird. Hierbei ist allerdings der 180°-Versatz zu berücksichtigen
Daraus ergibt sich zusammen mit dem ersten Offsetwinkel, welcher vorstehend basierend auf einem Nulldurchgang des Back-EMF-Signals und einem Nulldurchgang des SIN-Positionssignals berechnet wurde, wie folgt der endgültige Offsetwinkel, welcher als Parameter weiterverwendet wird: Ooffset = (Ooffset 1 + 0offset2)l 2
Es ist von Vorteil, wenn der Phasenspannungsmessvorrichtung ein erster Komparator nachgeschaltet ist, der dazu vorgesehen und ausgebildet ist, um zwischen einem Nulldurchgang des Back-EMF-Signals von + nach - und von - nach + zu unterscheiden und ein erstes Ausgangssignal auszugeben.
Ein Komparator ist eine elektronische Schaltung, die zwei Spannungen vergleicht. Der Ausgang zeigt in binärer/digitaler Form an, welche der beiden Eingangsspannungen höher ist. Damit handelt es sich praktisch um einen 1-Bit-Analog- Digital-Umsetzer.
Es ist bevorzugt, wenn der Rotorlagemessvorrichtung ein zweiter Komparator nachgeschaltet ist, der dazu vorgesehen und ausgebildet ist, um zwischen einem Nulldurchgang des SIN-Positionssignals von + nach - und von - nach + zu unterscheiden und ein zweites Ausgangssignal auszugeben.
Es ist zweckmäßig, wenn der zweite Komparator dazu vorgesehen und ausgebildet ist, um zusätzlich zwischen einem Nulldurchgang des COS-Positionssignals von + nach - und von - nach + zu unterscheiden und ein drittes Ausgangssignal auszugeben.
Es ist von Vorteil, wenn dem ersten Komparator ein digitaler Isolator nachgeschaltet ist, der dazu vorgesehen und ausgebildet ist, um ein isoliertes erstes Ausgangssignal auszugeben. In anderen Worten dient der digitale Isolator als galvanische Isolation/ Trennung zwischen dem hohen Spannungsbereich und dem niedrigen Spannungsbereich. Der hohe Spannungsbereich umfasst hierbei lediglich die Phasenspannungsmesseinrichtung, das Back-EMF-Signal, den ersten Komparator und das erste Ausgangssignal, welches von dem digitalen Isolator empfangen wird. Der niedrige Spannungsbereich umfasst das isolierte erste Ausgangssignal, welches von dem digitalen Isolator ausgegeben wird, die Rotorpositionsmessvorrichtung, das SIN- Positionssignal sowie das optionale COS-Positionssignal, den zweiten Komparator, das zweite Ausgangssignal sowie das optionale dritte Ausgangssignal und den Mikrocontroller/ Mikroprozessor. Unter einer galvanischen Trennung versteht man das Vermeiden der elektrischen Leitung zwischen zwei Stromkreisen, zwischen denen Leistung oder Signale ausgetauscht werden sollen. Diese galvanische Trennung erfolgt in der vorliegenden Offenbarung durch den digitalen Isolator.
Eine vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltungsanordnung, insbesondere der digitale Isolator und der zweite Komparator, dazu vorgesehen und ausgebildet ist / sind, um das isolierte erste Ausgangssignal und das zweite Ausgangssignal und optional das dritte Ausgangssignal an einen Mikrocontroller auszugeben. In anderen Worten bedeutet das, dass die Ausgangssignale der Nulldurchgangserkennung als digitales Signal von dem digitalen Isolator und dem zweiten Komparator an den Mikrocontroller/ Mikroprozessor übertragen werden.
Es ist vorteilhaft, wenn der Mikrocontroller dazu vorgesehen und ausgebildet ist, um mittels einem ersten Offset basierend auf dem isolierten ersten Ausgangssignal und dem zweiten Ausgangssignal einen ersten Offsetwinkel zu berechnen, wobei der erste Offsetwinkel dem (endgültigen) Offsetwinkel entspricht.
Es ist bevorzugt, wenn der Mikrocontroller dazu vorgesehen und ausgebildet ist, um mittels einem zweiten Offset basierend auf dem isolierten ersten Ausgangssignal und dem dritten Ausgangssignal einen zweiten Offsetwinkel zu berechnen, wobei der Offsetwinkel basierend auf dem ersten Offsetwinkel und dem zweiten Offsetwinkel berechenbar ist.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Offenbarung eine elektrische Maschine mit einer elektrischen Schaltungsanordnung gemäß einem der vorstehenden Aspekte.
Auch betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Bestimmung eines Offsetwinkels einer elektrischen Maschine, die einen Stator und einen Rotor aufweist, mit einer Schaltungsanordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, mit den folgenden Schritten:
- Drehen der elektrischen Maschine; - Messen einer induzierten Spannung und Ausgeben eines Back-EMF-Signals durch eine Phasenspannungsmessvorrichtung;
- Messen einer Rotorlage und Ausgeben eines SIN-Positionssignals und optional eines COS-Positionssignals;
- Erfassen von zumindest einem Nulldurchgang des Back-EMF-Signals und von zumindest einem Nulldurchgang des SIN-Positionssignals;
- Berechnen eines Offsetwinkels; und
- Speichern des Offsetwinkels als Parameter in ein Medium, vorzugsweise einen Algorithmus bzw. eine Software.
In anderen Worten wird beispielsweise bei jedem mechanischen Austausch des Rotorlagegebers oder der elektrischen Maschine eines E-Antriebes die elektrische Maschine kurzzeitig gedreht. Die induzierte Spannung und die Rotorlage werden gemessen. Die vorstehende Schaltungsanordnung dieser Offenbarung erkennt die Nulldurchgänge der induzierten Spannung bzw. des Back-EMF-Signals und die Nulldurchgänge eines SIN- (Sinus-) Signals des Rotorlagegebers. Die Output-Signale der Nulldurchgangserkennnung werden digital an einen Mikroprozessor übertragen. Die Zeit zwischen den Nulldurchgängen der induzierten Spannung bzw. des Back-EMF- Signals und dem SIN-Positionssignal der Rotorlagegeber wird durch ein Medium, vorzugsweise eine Software, gemessen, als Offset ausgegeben und in den Offsetwinkel umgerechnet. Der berechnete Offsetwinkel wird dann als Parameter in einem Medium, vorzugsweise einer Software bzw. einen Algorithmus, der Leistungselektronik gespeichert.
Zusammenfassend ist es vorgesehen, dass die vorstehend beschriebene elektrische Schaltungsanordnung in alle Produkte mit einem elektrischen Antrieb integrierbar ist.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung zur Veranschaulichung einer elektronischen Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung; und Fig. 2 eine Darstellung zur Veranschaulichung einer Offseterkennung basierend auf einem Back-EMF-Signal, einem SIN-Positionssignal und optional einem COS- Positionssignal.
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch sind prinzipiell die verschiedenen Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele frei miteinander kombinierbar.
Fig. 1 ist eine Darstellung zur Veranschaulichung einer elektronischen Schaltungsanordnung 1 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die elektronische Schaltungsanordnung 1 ist zum Bestimmen eines Offsetwinkels 2 für eine elektrische Maschine vorgesehen. Die elektronische Schaltungsanordnung 1 weist eine Phasenspannungsmessvorrichtung 3 auf, die dazu ausgebildet ist eine induzierte Spannung zu messen und ein Back-EMF-Signal 4 auszugeben. Ferner weist die elektronische Schaltungsanordnung 1 eine Rotorlagemessvorrichtung 5 auf, die dazu vorgesehen und ausgebildet ist, eine Rotorlage zu messen und ein SIN-Positionssignal 6 auszugeben.
Die Phasenspannungsmessvorrichtung 3 ist dazu vorgesehen und ausgebildet, um zumindest einen Nulldurchgang 7 des Back-EMF-Signals 4 zu erfassen und wobei die Rotorlagemessvorrichtung 5 dazu vorgesehen und ausgebildet ist, um zumindest einen Nulldurchgang 8 des SIN-Positionssignals 6 zu erfassen, um damit den Offsetwinkel 2 zu berechnen.
Darüber hinaus ist die Rotorlagemessvorrichtung 5 zusätzlich und/oder alternativ dazu vorgesehen und ausgebildet ist, um zusätzlich zu dem SIN-Positionssignal 6 ein COS-Positionssignal 9 auszugeben und um zusätzlich zumindest einen Nulldurchgang 10 des COS-Positionssignals 9 zu erfassen.
Der Phasenspannungsmessvorrichtung 3 ist ein erster Komparator 11 nachgeschaltet, der dazu vorgesehen und ausgebildet ist, um zwischen einem Nulldurchgang 7 des Back-EMF-Signals 4 von + nach - und von - nach + zu unterscheiden und ein erstes Ausgangssignal 12 auszugeben. Dem ersten Komparator 11 ist ein digitaler Isolator 16 nachgeschaltet, der dazu vorgesehen und ausgebildet ist, um ein isoliertes erstes Ausgangssignal 17 auszugeben.
Der Rotorlagemessvorrichtung 5 ist ein zweiter Komparator 13 nachgeschaltet, der dazu vorgesehen und ausgebildet ist, um zwischen einem Nulldurchgang 8 des SIN-Positionssignals 6 von + nach - und von - nach + zu unterscheiden und ein zweites Ausgangssignal 14 auszugeben. Ferner ist der zweite Komparator 13 dazu vorgesehen und ausgebildet, um zusätzlich zwischen einem Nulldurchgang 10 des COS-Positionssignals 9 von + nach - und von - nach + zu unterscheiden und ein drittes Ausgangssignal 15 auszugeben.
Das isolierte erste Ausgangssignal 17 und das zweite Ausgangssignal 14 und optional/ alternativ zusätzlich das dritte Ausgangssignal 15 werden an einen Mikrocontroller 18 ausgegeben. Der Mikrocontroller 18 ist dem digitalen Isolator 16 und dem zweiten Komparator 13 nachgeschaltet. Der Mikrocontroller hat einen ersten Eingang, um das isolierte erste Ausgangssignal 17 zu empfangen, und einen zweiten Eingang um das zweite Ausgangssignal 14 und optional zusätzlich das dritte Ausgangssignal 15 zu empfangen.
In anderen Worten zeigt Fig. 1 eine Offsetwinkel-Lernprogramm-physikalische- Architektur.
Fig. 2 ist eine Darstellung zur Veranschaulichung einer Offseterkennung/ - bestimmung basierend auf dem Back-EMF-Signal 4, dem SIN-Positionssignal 6 und optional dem COS-Positionssignal 9. Hierbei ist auf der X-Achse die Zeit aufgetragen und auf der Y-Achse in der oberen Hälfte von Fig. 2 die Spannung und in der unteren Hälfte von Fig. 2 Werte „high“ und „low“ je Ausgangssignal.
Der Mikrocontroller 18 ist dazu vorgesehen und ausgebildet, um einen ersten Offsetwinkel Q1 basierend auf dem isolierten ersten Ausgangssignal 17 und dem zweiten Ausgangssignal 14 zu berechnen, wobei der erste Offsetwinkel Q1 dem Offsetwinkel 2 entspricht. Darüber hinaus ist der Mikrocontroller 18 dazu vorgesehen und ausgebildet, um einen zweiten Offsetwinkel Q2 basierend auf dem isolierten ersten Ausgangssignal 17 und dem dritten Ausgangssignal 15 zu berechnen, wobei der Offsetwinkel 2 basierend auf dem ersten Offsetwinkel Q1 und dem zweiten Offsetwinkel Q2 berechenbar ist.
Genauer gesagt, wird bei Betrachtung des Back-EMF-Signals 4 (durchgezogene Linie) gemäß Fig. 2 ein Nulldurchgang 7 erfasst, also ein Schneiden/ Kreuzen des Back-EMF-Signals 4 mit dem Vergleichsschwellenwert 19. Sobald ein solcher Nulldurchgang 7 erfasst wurde, wird in einem isolierten ersten Ausgangssignal 17 ein logisches „high“ ausgegeben und ein Timer startet.
Bei Betrachtung des SIN-Positionssignals 6 (gepunktete Linie) gemäß Fig. 2 wird ein Nulldurchgang 8 erfasst, also ein Schneiden/ Kreuzen des SIN-Positionssignals 6 mit dem Vergleichsschwellenwert 19. Sobald ein solcher Nulldurchgang 8 erfasst wurde, wird in einem zweiten Ausgangssignal 14 ein logisches „high“ ausgegeben und der Timer, welcher basierend auf dem isolierten ersten Ausgangssignal 17 gestartet wurde, wird gestoppt.
Die Zeitspanne zwischen dem Starten des Timers basierend auf dem isolierten ersten Ausgangssignal 17 und dem Stoppen des Timers basierend auf dem zweiten Ausgangssignal 14 ergibt den ersten Offset 20. Mittels dem ersten Offset 20 wird der erste Offsetwinkel Q1 berechnet. Dieser erste Offsetwinkel Q1 entspricht dem endgültigen Offsetwinkel 2.
Optional kann als zusätzlicher Wert das COS-Positionssignal 9 (gestrichelte Linie) gemäß Fig. 2 betrachtet werden. Hierbei wird ebenfalls ein Nulldurchgang 10 erfasst, als ein Schneiden/ Kreuzen des COS-Positionssignals 9 mit dem Vergleichsschwellenwert 19. Sobald ein solcher Nulldurchgang 10 erfasst wurde, wird in einem dritten Ausgangssignal 15 ein logisches „high“ ausgegeben und der Timer, welcher basierend auf dem isolierten ersten Ausgangssignal 17 gestartet wurde, wird gestoppt.
Die Zeitspannen zwischen dem Starten des Timers basierend auf dem isolierten ersten Ausgangssignal 17 und dem Stoppen des Timers basierend auf dem dritten Ausgangssignal 15 ergibt einen zweiten Offset 21. Mittels dem zweiten Offset 21 wird der zweite Offsetwinkel Q2 berechnet. Basierend auf dem ersten Offsetwinkel Q1 und dem zweiten Offsetwinkel Q2 ist der endgültige Offsetwinkel 2 berechenbar.
In anderen Worten, ergibt sich der erste Offset 20 gemäß Fig. 2 aus der Zeitdifferenz des ersten logischen „high“ des Back-EMF-Signals 4 und einerweiteren logischen Änderung, in dem Falls des darauffolgenden logischen „high“ des SIN- Positionssignals 6. Der zweite Offset 21 ergibt sich ebenfalls aus der Zeitdifferenz des ersten logischen „high“ des Back-EMF-Signals 4 und einerweiteren logischen Änderung, in dem Fall des darauffolgenden logischen „low“ des COS-Positionssignals 9.
Das bedeutet, dass bei Betrachtung des ersten Offsets 20 der Nulldurchgang 8 von - nach + {B: 0 — 1) berücksichtigt wurde und bei Betrachtung des zweiten Offsets 21 der Nulldurchgang 10 von + nach — (C: 0 — » 1 ) berücksichtigt wurde. Demnach ist bei der Berechnung des ersten Offsetwinkels Q1 die folgende bereits oben beschriebene Formel anzuwenden:
0o//set1 = t1 - tO * 360 °el.* fei falls B 0 — 1
Bei der Berechnung des zweiten Offsetwinkels Q2 ist die folgende bereits oben beschrieben Formel anzuwenden:
0offset2 = t2 - tO * 360 °el.* fei - 270 °el. falls C\ 1 — » 0
Durch Einsetzen der beiden Ergebnisse des ersten Offsetwinkels Q1 und des zweiten Offsetwinkels Q2 in die nachfolgende bereits oben beschriebene Formel ergibt sich der endgültige Offsetwinkel 2:
Ooffset = ( Ooffset 1 + 0offset2)l 2
Darüber hinaus ist sind auch die anderen Formeln mit den entsprechenden Nulldurchgängen beliebig anwendbar und kombinierbar. Bezugszeichen
Elektronische Schaltungsanordnung Offsetwinkel
Phasenspannungsmessvorrichtung
Back-EMF-Signal
Rotorlagemessvorrichtung
SIN-Positionssignal
Nulldurchgang des Back-EMF-Signals
Nulldurchgang des SIN-Positionssignals
COS-Positionssignal
Nulldurchgang des COS-Positionssignals erster Komparator erstes Ausgangssignal zweiter Komparator zweites Ausgangssignal drittes Ausgangssignal digitaler Isolator isoliertes erstes Ausgangssignal Mikrocontroller Vergleichsschwellenwert erster Offset zweiter Offset

Claims

Ansprüche
1. Elektronische Schaltungsanordnung (1) zum Bestimmen eines Offsetwinkels (2) für eine elektrische Maschine, welche einen Stator, einen Rotor und eine mit dem Rotor verbundene Welle aufweist, mit einer Phasenspannungsmessvorrichtung (3), die dazu ausgebildet ist eine induzierte Spannung zu messen und ein Back-EMF-Signal (4) auszugeben; und mit einer Rotorlagemessvorrichtung (5), die dazu vorgesehen und ausgebildet ist, eine Rotorlage zu messen und ein SIN-Positionssignal (6) auszugeben, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenspannungsmessvorrichtung (3) dazu vorgesehen und ausgebildet ist, um zumindest einen Nulldurchgang (7) des Back-EMF- Signals (4) zu erfassen und wobei die Rotorlagemessvorrichtung (5) dazu vorgesehen und ausgebildet ist, um zumindest einen Nulldurchgang (8) des SIN-Positionssignals (6) zu erfassen, um damit den Offsetwinkel (2) zu berechnen.
2. Elektronische Schaltungsanordnung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorlagemessvorrichtung (5) dazu vorgesehen und ausgebildet ist, um zusätzlich zu dem SIN-Positionssignal (6) ein COS-Positionssignal (9) auszugeben und um zusätzlich zumindest einen Nulldurchgang (10) des COS- Positionssignals (9) zu erfassen.
3. Elektronische Schaltungsanordnung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenspannungsmessvorrichtung (3) ein erster Komparator (11 ) nachgeschaltet ist, der dazu vorgesehen und ausgebildet ist, um zwischen einem Nulldurchgang (7) des Back-EMF-Signals (4) von + nach - und von - nach + zu unterscheiden und ein erstes Ausgangssignal (12) auszugeben.
4. Elektronische Schaltungsanordnung (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorlagemessvorrichtung (4) ein zweiter Komparator (13) nachgeschaltet ist, der dazu vorgesehen und ausgebildet ist, um zwischen einem Nulldurchgang (8) des SIN-Positionssignals (6) von + nach - und von - nach + zu unterscheiden und ein zweites Ausgangssignal (14) auszugeben.
5. Elektronische Schaltungsanordnung (1) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Komparator (13) dazu vorgesehen und ausgebildet ist, um zusätzlich zwischen einem Nulldurchgang (10) des COS-Positionssignals (9) von + nach - und von - nach + zu unterscheiden und ein drittes Ausgangssignal (15) auszugeben.
6. Elektronische Schaltungsanordnung (1) gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltungsanordnung (1) dazu vorgesehen und ausgebildet ist, um das isolierte erste Ausgangssignal (17) und das zweite Ausgangssignal (14) und optional das dritte Ausgangssignal (15) an einen Mikrocontroller (18) auszugeben.
7. Elektronische Schaltungsanordnung (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller (18) dazu vorgesehen und ausgebildet ist, um mittels einem ersten Offset (20) basierend auf dem isolierten ersten Ausgangssignal (17) und dem zweiten Ausgangssignal (14) einen ersten Offsetwinkel Q1 zu berechnen, wobei der erste Offsetwinkel Q1 dem Offsetwinkel (2) entspricht.
8. Elektronische Schaltungsanordnung (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller (18) dazu vorgesehen und ausgebildet ist, um mittels einem zweiten Offset (21) basierend auf dem isolierten ersten Ausgangssignal (17) und dem dritten Ausgangssignal (15) einen zweiten Offsetwinkel Q2 zu berechnen, wobei der Offsetwinkel (2) basierend auf dem ersten Offsetwinkel Q1 und dem zweiten Offsetwinkel Q2 berechenbar ist.
9. Elektrische Maschine mit einer Schaltungsanordnung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8.
10. Verfahren zur Bestimmung eines Offsetwinkels einer elektrischen Maschine, die einen Stator und einen Rotor aufweist, mit einer Schaltungsanordnung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8, mit den folgenden Schritten:
- Drehen der elektrischen Maschine;
- Messen einer induzierten Spannung und Ausgeben eines Back-EMF-Signals (4) durch eine Phasenspannungsmessvorrichtung (3); - Messen einer Rotorlage und Ausgeben eines SIN-Positionssignals (6) und optional eines COS-Positionssignals (9);
- Erfassen von zumindest einem Nulldurchgang (7) des Back-EMF-Signals (4) und von zumindest einem Nulldurchgang (8) des SIN-Positionssignals (6);
- Berechnen eines Offsetwinkels (2); und
- Speichern des Offsetwinkels (2) als Parameter in ein Medium.
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