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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Detektieren einer Drehlage eines drehbaren Bauelements, insbesondere eines Rotors einer elektrischen Maschine.
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Elektrische Maschinen für Traktionsantriebe, insbesondere von Kraftfahrzeugen, benötigen zur Steuerung eine fortlaufende Detektion einer Rotorlage, d.h. eines Drehwinkels bzw. einer Drehlage eines Rotors, gegenüber einem Stator der Maschine. Es wurde vorgeschlagen, dafür sogenannte, einen transformatorischen Effekt nutzende Resolver oder auf dem Wirbelstromprinzip beruhende Rotorlagegeber einzusetzen. Die vorgeschlagenen Anordnungen weisen jedoch den Nachteil hoher Komplexität ihres Aufbaus und hoher Herstellungskosten auf.
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Die Erfindung hat die Aufgabe, eine einfache und kostengünstige Vorrichtung zum Detektieren einer Drehlage eines drehbaren Bauelements, insbesondere einen einfachen und kostengünstigen Rotorlagegeber für einen Rotor einer elektrischen Maschine, und ein Verfahren zum Detektieren der Drehlage des drehbaren Bauelements zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Detektieren einer Drehlage eines drehbaren Bauelements, insbesondere eines Rotors einer elektrischen Maschine, nachfolgend auch kurz als Drehlagegeber bezeichnet, umfassend wenigstens einen zum Liefern wenigstens eines Messsignals eingerichteten, insbesondere mit einer Spule mit magnetisch leitendem Kern ausgebildeten, induktiven Messaufnehmer sowie wenigstens ein mit dem drehbaren Bauelement, insbesondere dem Rotor der elektrische Maschine, drehbares, insbesondere synchron drehbares, wenigstens im Bereich einer Umfangskontur seines Umfangs magnetisch leitendes Geberelement, wobei die Umfangskontur des Geberelements einen entlang des Umfangs des Geberelements periodisch variierenden Radius aufweist, wodurch zwischen dem wenigstens einen Messaufnehmer, insbesondere dem magnetisch leitenden Kern des wenigstens einen Messaufnehmers, und der Umfangskontur des wenigstens einen Geberelements ein mit einer Drehung des wenigstens einen Geberelements periodisch variierender Luftspalt gebildet ist. Bevorzugt ist dazu der wenigstens eine Messaufnehmer bezüglich des wenigstens einen Geberelements wenigstens im Wesentlichen in radialer Richtung positioniert. Durch den entlang des Umfangs des Geberelements periodisch variierenden Luftspalt wird bei einer Drehung des drehbaren Bauelements und damit des wenigstens einen Geberelements eine Induktivität des wenigstens einen Messaufnehmers periodisch verändert. Aus dieser mit der – räumlichen – Drehung des wenigsten einen Geberelements – zeitlich – periodisch variierenden Impedanz, insbesondere Induktivität bzw. Induktivitätsänderung, ist das – mit der Drehung ebenfalls räumlich und damit zeitlich periodisch variierende – Messsignal ableitbar, welches direkt ein Maß für die Drehlage des drehbaren Bauelements bildet, d.h. bei Drehung des wenigstens einen Geberelements liefert der wenigstens eine Messaufnehmer ein zeitlich periodisches Messsignal.
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An dieser Stelle sei erwähnt, dass aus der Druckschrift
DE 100 52 318 A1 ein Torquemotor mit einem Stator und einem Rotor bekannt ist, der eine Rotorachse hat, um die er sich dreht, und zumindest teilweise in dem Stator angeordnet ist. Der Torquemotor weist einen Luftspalt zwischen Stator und Rotor auf, der nicht konstant ist, wobei der Stator einen Hohlraum für den Rotor aufweist. Um auf einfache Art und Weise das Drehmoment des Torquemotors über einen großen Drehwinkelbereich gestalten zu können und den Torquemotor in einer Verstelleinrichtung, wie einer Drosselklappensteuerung einer Brennkraftmaschine oder als Schrittmotor einsetzen zu können, hat der Hohlraum eine Innengrundfläche, die symmetrisch zu einer Hohlraummittellinie ist, und weist der Rotor keinen kreiszylinderförmigen Radialquerschnitt auf und erzeugt so einen nicht konstanten Luftspalt zwischen dem Rotor und der Innengrundfläche. Diese Anordnung eines Torquemotors ist jedoch zur Rotorlagebestimmung weder eingerichtet noch geeignet.
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Im Gegensatz zu z.B. einem Resolver, bei dem ein transformatorischer Effekt zur Drehlagebestimmung genutzt wird, ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Information über die Drehlage des drehbaren Bauelements und damit des wenigstens einen Geberelements in der Impedanz, insbesondere Induktivität, des wenigstens einen Messaufnehmers enthalten. Daher werden anstelle von sechs Messleitungen, wie sie beim Resolver benötigt werden, für einen einzelnen Messaufnehmer lediglich zwei, für eine Zusammenschaltung zweier Messaufnehmer lediglich drei Messleitungen, auch als Signalleitungen bezeichnet, benötigt. Zudem ist jeder Messaufnehmer in bevorzugter Ausgestaltung lediglich mit einer sehr kompakten Messspule, d.h. Spule mit magnetisch leitendem Kern, aufgebaut, wodurch ebenfalls Konstruktionsaufwand und damit Platz und Kosten gespart werden. Außerdem lassen sich so Aufwand und Kosten für eine Wartung und Reparatur, insbesondere für einen Tausch der Messaufnehmer, wesentlich verringern. Als Vorteile der Erfindung sind im Einzelnen zu nennen:
- • Sehr einfacher Aufbau der Vorrichtung, wenige Bauteile, insbesondere im Vergleich zu Resolvern oder Gebern nach dem Wirbelstromprinzip. Daher ist eine Steigerung der Robustheit gegeben.
- • Reduzierte Anzahl an Signalleitungen, daher resultiert ebenfalls eine Steigerung der Robustheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und eine Kostensenkung für eine Signalführung, d.h. Weiterleitung der Messsignale. Dies ergibt sich aus entsprechenden Vereinfachungen insbesondere bei zugehörigen Leitungen bzw. Kabeln bzw. Kabelbäumen, Kontaktierungen und Steckern.
- • Messspulen können sehr platzsparend, d.h. nur sehr wenig Bauraum beanspruchend, angeordnet werden, z.B. an einer elektrischen Maschine.
- • Die Tauschbarkeit der Bauteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist erleichtert, da z.B. kein umlaufendes Statorbauteil benötigt wird. Die Reparaturkosten verringern sich dadurch.
- • Trotzdem ist es möglich, bisher für den Bau von Resolvern standardmäßig verwendete Materiaien einzusetzen. Die Entwicklung, Beschaffung und Vorhaltung gesonderter Werkstoffe wird somit vermieden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Zwar kann der periodisch variierende Radius des wenigstens einen Geberelements gemäß der Erfindung unterschiedliche Konturen aufweisen, d.h. nach unterschiedlichen Funktionen einer Umfangskoordinate des wenigstens einen Geberelements variieren, z.B. auch gemäß einer Rechteckfunktion eine periodische Kontur in der Art einer sogenannten Chopperscheibe aufweisen. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist jedoch das wenigstens eine Geberelement einen entlang seines Umfangs sinusförmig variierenden Radius auf, wodurch zwischen dem wenigstens einen Messaufnehmer, insbesondere dem magnetisch leitenden Kern des wenigstens einen Messaufnehmers, und der Umfangskontur des wenigstens einen Geberelements ein mit einer Drehung des wenigstens einen Geberelements sinusförmig variierender Luftspalt gebildet ist. Bei einer Drehung des wenigstens einen Geberelements liefert der wenigstens eine Messaufnehmer dann ein zeitlich sinusförmiges Messsignal, welches sich auf besonders einfache Weise sehr genau auswerten lässt, so dass mit einfachen Mitteln eine hohe Messgenauigkeit erzielt wird.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das wenigstens eine Geberelement entlang seines Umfangs einen in wenigstens zwei Perioden variierenden, insbesondere in wenigstens zwei Perioden sinusförmig variierenden, Radius auf, wodurch zwischen dem wenigstens einen Messaufnehmer, insbesondere dem magnetisch leitenden Kern des wenigstens einen Messaufnehmers, und der Umfangskontur des wenigstens einen Geberelements ein mit einer vollständigen Umdrehung des wenigstens einen Geberelements in wenigstens zwei Perioden variierender, insbesondere in wenigstens zwei Perioden sinusförmig variierender, Luftspalt gebildet ist. Ein mit zwei oder mehreren Perioden entlang des kompletten Umfangs variierender Radius und damit Luftspalt bzw. damit variierende Impedanz des wenigstens einen Messaufnehmers ermöglicht eine weitere Steigerung der Messgenauigkeit. Ist das Geberelement insbesondere mit dem Rotor einer elektrischen Maschine verbunden, wird bevorzugt die Anzahl der Perioden des variierenden Radius entsprechend, bevorzugt gleich, einer Anzahl von Polpaaren der elektrischen Maschine gewählt.
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Eine nach einer bevorzugten Fortbildung ausgestaltete, erfindungsgemäße Vorrichtung ist gekennzeichnet durch wenigstens zwei Messaufnehmer, die entlang des Umfangs des wenigstens einen Geberelements um eine Vierteldrehung des wenigstens einen Geberelements, geteilt durch eine Gesamtanzahl Perioden des entlang des Umfangs des wenigstens einen Geberelements periodisch variierenden Radius, gegeneinander versetzt angeordnet sind. Die Gesamtanzahl dieser Perioden wird dabei auch als Polpaarzahl ZP des wenigstens einen Geberelements bezeichnet. Insbesondere bei einem sinusförmig variierenden Radius des wenigstens einen Geberelements liefert von zwei Messaufnehmern, die entlang des Umfangs des wenigstens einen Geberelements um 90°/ZP gegeneinander versetzt angeordnet sind, ein erster ein sinusförmiges Messsignal und ein zweiter ein cosinusförmiges Messsignal. Daraus ist besonders einfach und genau die Drehlage des drehbaren Bauelements bestimmbar.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist gekennzeichnet durch wenigstens einen Kompensationsaufnehmer, insbesondere wenigstens einen mit einer Spule mit magnetisch leitendem Kern ausgebildeten Kompensationsaufnehmer, der derart dimensioniert und entlang des Umfangs des wenigstens einen Geberelements derart, insbesondere dem wenigstens einen Messaufnehmer am Umfang des wenigstens einen Geberelements bezüglich einer Drehachse des wenigstens einen Geberelements gegenüberliegend, positioniert, ferner insbesondere mit dem wenigstens einen Messaufnehmer derart gekoppelt, besonders bevorzugt elektrisch in Reihenschaltung angeordnet, ist, dass ein Einfluss einer Ungenauigkeit einer Lage des wenigstens einen Geberelements gegenüber der Drehachse auf das von dem wenigstens einen Messaufnehmer gelieferte wenigstens eine Messsignal, nachfolgend auch als Unwuchtfehler oder Exzentrizität bezeichnet, wenigstens nahezu vollständig aufgehoben ist. Insbesondere durch eine gegenüberliegende Anordnung je eines des wenigstens einen Messaufnehmers und des wenigstens einen Kompensationsaufnehmers zueinander lassen sich derartige Unwuchtfehler sehr einfach kompensieren. Da eine durch einen derartigen Unwuchtfehler verursachte Abweichung bzw. Änderung der Impedanz des betreffenden Messaufnehmers stets zugleich mit einer entsprechend gegensinnigen Abweichung bzw. Änderung der Impedanz des zugehörigen Kompensationsaufnehmers auftritt und insbesondere bei übereinstimmender Dimensionierung von Messaufnehmer und Kompensationsaufnehmer auch gegensinnig gleich ist bzw. betragsmäßig gleich, aber mit unterschiedlichem Vorzeichen auftritt, ist in diesem besonders bevorzugten Dimensionierungsfall die Summe beider Impedanzen von den genannten Änderungen unabhängig, d.h. der Unwuchtfehler hebt sich auf. Es kann dann unmittelbar ein korrektes Messsignal geliefert werden. Dazu ist insbesondere der Radius des wenigstens einen Geberelements mit einer geraden Anzahl Perioden entlang es kompletten Umfangs zu variieren. Bei einer Variation mit einer geraden Anzahl Perioden entlang des kompletten Umfangs sind Messaufnehmer und Kompensationsaufnehmer einander entlang des Umfangs vorteilhaft exakt gegenüber angeordnet. Ist dagegen der Radius des wenigstens einen Geberelements mit einer ungeraden Anzahl Perioden entlang es kompletten Umfangs variiert, ist die Anordnung von Messaufnehmer und Kompensationsaufnehmer zueinander entlang des Umfangs entsprechend versetzt. Je größer die Anzahl der Perioden gewählt ist, desto geringer wirkt sich diese Abweichung auf die Kompensation des Unwuchtfehlers bzw. der Exzentrizität aus.
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Nach einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist wenigstens eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten des wenigstens einen Messsignals und zum daraus Gewinnen eines die Drehlage des drehbaren Bauelements darstellenden Signals vorgesehen. Insbesondere bei einem sinusförmig variierenden Radius des wenigstens einen Geberelements und daraus resultierender sinusförmiger Variation des wenigstens einen Messsignals dient die Auswerteeinrichtung zum Bestimmen der Drehlage des drehbaren Bauelements aus den Winkelfunktionen, insbesondere Sinus und/oder Cosinus, gemäß denen das Messsignal bzw. die Messsignale bei Drehung des Bauelements zeitlich variieren.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die wenigstens eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten des wenigstens einen Messsignals derart eingerichtet, dass ein Einfluss einer Ungenauigkeit einer Lage des wenigstens einen Geberelements gegenüber seiner Drehachse auf das die Drehlage des drehbaren Bauelements darstellende Signal wenigstens nahezu vollständig aufgehoben ist, insbesondere anhand eines Vergleichs einer Anzahl von Schwankungen des wenigstens einen Messsignals je Umdrehung des wenigstens einen Geberelements mit einer Gesamtanzahl Perioden des entlang des Umfangs des wenigstens einen Geberelements periodisch variierenden Radius. Ein Ausgleichen der Unwuchtfehler gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung somit auch durch die Auswerteeinrichtung möglich, insbesondere, wenn Kompensationsaufnehmer nicht vorgesehen sind oder durch ein von ihnen geliefertes Signal, auch als Kompensationssignal bezeichnet, eine Kompensation der Unwuchtfehler nicht unmittelbar erfolgen kann, weil z.B. Messsignal und Kompensationssignal in Amplitude und/oder Phase voneinander abweichen. Besonders bevorzugt kann eine Kompensation der Unwuchtfehler auch ohne Kompensationsaufnehmer dadurch ermöglicht sein, dass das Messsignal mit einer höheren Anzahl von Perioden je Umdrehung des wenigstens einen Geberelements auftritt als der Unwuchtfehler. Mit anderen Worten: Der Unwuchtfehler weist z.B. eine Periode je Umdrehung auf, die periodische Variation des Radius des wenigstens einen Geberelements jedoch z.B. zwei, vier, usw. Perioden je Umdrehung. Die Auswerteeinrichtung ist dann zum Herausfiltern der niederfrequenten Variationen des Messsignals ausgestaltet und somit in der Lage, die Auswirkungen des Unwuchtfehlers zu kompensieren bzw. zu unterdrücken. Auf diese Weise kann bevorzugt auf einen Einsatz von Kompensationsaufnehmern verzichtet und so eine sehr einfache und kostengünstige und trotzdem präzise Messsignale liefernde Vorrichtung erhalten werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der wenigstens eine Messaufnehmer und/oder der wenigstens eine Kompensationsaufnehmer mit einer Wechselspannung beaufschlagbar und ist das wenigstens eine Messsignal aus wenigstens einer Messung wenigstens eines den wenigstens einen Messaufnehmer und/oder den wenigstens einen Kompensationsaufnehmer durchfließenden Stroms, insbesondere durch Demodulation dieses Stroms, gewinnbar. Auf diese Weise ist die variierende Impedanz des wenigstens einen Messaufnehmers einfach und genau messbar. Bevorzugt ist bei einem Einsatz in einer wechselrichtergesteuerten elektrischen Maschine die Speisung mit einer Wechselspannung vornehmbar, die in einem ganzzahligen Verhältnis zu einer Abtastrate der Wechselrichtersteuerung steht und zeitsynchron zu dieser Abtastung ist. Als das wenigstens eine Messsignal ergibt sich dann eine gemäß der Variation der Impedanz des wenigstens einen Messaufnehmers modulierte, vorteilhaft amplitudenmodulierte, Wechselspannung bzw. ein dementsprechender Wechselstrom, aus deren durch Demodulation gewonnener Hüllkurve die Drehlage des drehbaren Bauelements bestimmbar ist. Entsprechend ist dazu eine Demodulationseinrichtung, insbesondere eine Amplituden-Demodulationseinrichtung, vorgesehen, die bevorzugt von der Auswerteeinrichtung umfasst ist. Besonders vorteilhaft sind Wechselrichtersteuerung und Auswerteeinrichtung bzw. Demodulationseinrichtung in einer gemeinsamen Steuereinheit zusammengefasst, z.B. in einer mit einem Mikroprozessor aufgebauten Steuereinheit. Besonders vorteilhaft ist eine derartige Steuereinheit mit wenigstens einem Eingangsanschluss für eine Strommessung ausgestaltet, oder es ist ein Eingangsanschluss für eine Spannungsmessung vorgesehen, der dann mit einem Messwiderstand überbrückt ist.
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Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Detektieren einer Drehlage eines drehbaren Bauelements, insbesondere eines Rotors einer elektrischen Maschine, mit Hilfe wenigstens eines zum Liefern wenigstens eines Messsignals eingerichteten, insbesondere mit einer Spule mit magnetisch leitendem Kern ausgebildeten, induktiven Messaufnehmers sowie wenigstens eines mit dem drehbaren Bauelement, insbesondere dem Rotor der elektrische Maschine, drehbaren, insbesondere synchron drehbaren, wenigstens im Bereich einer Umfangskontur seines Umfangs magnetisch leitenden Geberelements, wobei die Umfangskontur des Geberelements einen entlang des Umfangs des Geberelements periodisch variierenden Radius aufweist, wodurch zwischen dem wenigstens einen Messaufnehmer, insbesondere dem magnetisch leitenden Kern des wenigstens einen Messaufnehmers, und der Umfangskontur des wenigstens einen Geberelements ein mit einer Drehung des wenigstens einen Geberelements periodisch variierender Luftspalt gebildet ist, umfassend die Schritte:
- • Beaufschlagen des wenigstens einen Messaufnehmers mit wenigstens einer elektrischen Spannung, insbesondere wenigstens einer Wechselspannung, besonders bevorzugt wenigstens einer Wechselspannung mit einer Frequenz, die größer als eine, vorzugsweise groß gegenüber einer, Frequenz ist, mit der der Luftspalt periodisch variiert;
- • Messen wenigstens eines durch die wenigstens eine elektrische Spannung in dem wenigstens einen Messaufnehmer hervorgerufenen Stroms, insbesondere Messen wenigstens eines hervorgerufenen Wechselstroms, besonders bevorzugt Messen wenigstens eines eine Frequenz, die größer als eine, vorzugsweise groß gegenüber einer, Frequenz ist, mit der der Luftspalt periodisch variiert, aufweisenden Wechselstroms, und dadurch Gewinnen dieses Stroms, insbesondere Wechselstroms, als das wenigstens eine Messsignal;
- • wahlweise Demodulieren des wenigstens einen Messsignals zum Gewinnen wenigstens eines Hüllkurvensignals aus dem wenigstens einen Messsignal;
- • Normieren des wenigstens einen Messsignals und/oder Hüllkurvensignals auf eine einheitliche Amplitude;
- • Auswerten des wenigstens einen Messsignals und/oder Hüllkurvensignals und daraus Gewinnen eines die Drehlage des drehbaren Bauelements darstellenden Signals.
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In einer besonders bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der wenigstens eine Messaufnehmer mit einer Wechselspannung, bevorzugt einer hochfrequenten Wechselspannung, gespeist und dadurch im wenigstens einen Messaufnehmer ein bevorzugt hochfrequenter Wechselstrom hervorgerufen. Mehrere Messaufnehmer können in Parallelschaltung mit derselben Wechselspannung gespeist werden; die Wechselströme in den einzelnen Messaufnehmern werden getrennt gemessen. Bei einer Anwendung des Verfahrens auf eine wechselrichtergesteuerte elektrische Maschine wird der wenigstens eine Messaufnehmer vorteilhaft mit einer Wechselspannung gespeist, die in einem ganzzahligen Verhältnis zu einer Abtastrate der Wechselrichtersteuerung steht und zeitsynchron zu dieser Abtastung ist, so dass keine gesonderte Spannungserzeugung erforderlich ist. Der als das wenigstens eine Messsignal resultierende, gemäß der Variation der Impedanz des wenigstens einen Messaufnehmers modulierte, vorteilhaft amplitudenmodulierte, Wechselstrom wird zum Gewinnen seiner Hüllkurve, d.h. seines Hüllkurvensignals, demoduliert. Aus dem Hüllkurvensignal bzw. den Hüllkurvensignalen der Wechselströme in den Messaufnehmern wird durch Auswertung das die Drehlage des drehbaren Bauelements darstellende Signal gewonnen. Dabei entstehen vorteilhaft sinus- bzw. cosinusförmige Mess- und Hüllkurvensignale, die einfach zu demodulieren und mit Hilfe der Winkelfunktionen leicht und präzise zum Gewinnen des die Drehlage des drehbaren Bauelements darstellenden Signals ausgewertet werden können. In einem bevorzugten Beispiel mit zwei Messaufnehmern, die ein Sinus- bzw. ein Cosinussignal liefern, kann die Drehlage aus einer Quotientenbildung dieser Signale und nachfolgender Bestimmung des Arcustangens aus dem Quotienten schnell ermittelt werden. Die Normierung der Messsignale und/oder Hüllkurvensignale dient dabei zum Bereitstellen für eine präzise Auswertung notwendiger Signale und kann auch als Teil der Auswertung verstanden werden. In einer vorteilhaften Abwandlung kann eine präzise Auswertung der Drehlage auch mit einer Phasenregelschleife vorgesehen sein.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine Ausführung mit Hilfe wenigstens eines Kompensationsaufnehmers, insbesondere wenigstens eines mit einer Spule mit magnetisch leitendem Kern ausgebildeten Kompensationsaufnehmers, der entlang des Umfangs des wenigstens einen Geberelements, insbesondere dem wenigstens einen Messaufnehmer am Umfang des wenigstens einen Geberelements bezüglich einer Drehachse des wenigstens einen Geberelements gegenüberliegend, positioniert, ferner insbesondere mit dem wenigstens einen Messaufnehmer gekoppelt, besonders bevorzugt elektrisch in Reihenschaltung angeordnet, ist, umfassend die Schritte:
- • Gekoppeltes, bevorzugt in Reihenschaltung gekoppeltes, Beaufschlagen des wenigstens einen Messaufnehmers und des wenigstens einen Kompensationsaufnehmers mit der wenigstens einen elektrischen Spannung, insbesondere der wenigstens einen Wechselspannung, besonders bevorzugt der wenigstens einen Wechselspannung mit einer Frequenz, die größer als, vorzugsweise groß gegenüber einer Frequenz ist, mit der der Luftspalt periodisch variiert;
- • Messen wenigstens eines durch die wenigstens eine elektrische Spannung in dem wenigstens einen Messaufnehmer und dem damit gekoppelten, bevorzugt in Reihenschaltung gekoppelten, wenigstens einen Kompensationsaufnehmer hervorgerufenen Stroms, insbesondere Messen wenigstens eines hervorgerufenen Wechselstroms, besonders bevorzugt Messen wenigstens eines eine Frequenz, die größer als eine, vorzugsweise groß gegenüber einer, Frequenz ist, mit der der Luftspalt periodisch variiert, aufweisenden Wechselstroms, und dadurch Gewinnen dieses Stroms, insbesondere Wechselstroms, als das wenigstens eine Messsignal, wobei ein Einfluss einer Ungenauigkeit einer Lage des wenigstens einen Geberelements gegenüber der Drehachse auf das von dem wenigstens einen Messaufnehmer gelieferte wenigstens eine Messsignal wenigstens nahezu vollständig aufgehoben wird.
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Bei dieser Weiterbildung wird die Strommessung zum Gewinnen des wenigstens einen Messsignals an je einer Reihenschaltung aus einem Messaufnehmer und einem Kompensationsaufnehmer vorgenommen. Damit werden in besonders vorteilhafter Weise Unwuchtfehler bereits vor der Strommessung kompensiert, müssen also nicht erst nachträglich ausgeglichen werden, d.h. das gewonnene Messsignal ist bereits kompensiert. Damit wird eine präzise Auswertung besonders einfach.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben, wobei übereinstimmende Elemente in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sind und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. Es zeigen:
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1 ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit je zwei Messaufnehmern und Kompensationsaufnehmern sowie einem magnetisch leitenden Geberelement in einer grob schematischen Prinzipdarstellung,
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2 ein Beispiel für eine erfindungsgemäße elektrische Beschaltung der Vorrichtung gemäß 1,
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3 ein Beispiel für ein erstes Signaldiagramm zur Darstellung eines Beispiels für ein erfindungsgemäßes, mit einer Vorrichtung nach 1 und 2 durchzuführendes Verfahren und
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4 ein Beispiel für ein zweites Signaldiagramm zur Darstellung eines Beispiels für ein erfindungsgemäßes, mit einer Vorrichtung nach 1 und 2 durchzuführendes Verfahren.
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In 1 ist mit dem Bezugszeichen 100 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bezeichnet, die einen ersten und einen zweiten Messaufnehmer aufweist, wobei der erste Messaufnehmer 101 auch als Sinus-Messspule und der zweite Messaufnehmer 102 auch als Cosinus-Messspule bezeichnet ist. Jeder der Messaufnehmer 101, 102 ist als induktiver Messaufnehmer mit einer elektrisch leitenden Spule 103, d.h. Wicklung, insbesondere Drahtwicklung, mit magnetisch leitendem Kern 104 ausgebildet, wobei jeder magnetisch leitende Kern 104 zum Ausbilden eines definierten Luftspalts mit in diesem Beispiel zwei Polschuhen ausgestaltet ist, und zwar zum definierten Vorgeben eines Luftspalts 105 der Sinus-Messspule 101 bzw. eines Luftspalts 106 der Cosinus-Messspule 102 gegenüber einer Umfangskontur 107 entlang eines Umfangs eines magnetisch leitenden Geberelements 108. Bevorzugt ist das Geberelement 108 aus Elektroblech, besonders bevorzugt als Elektroblechpaket, gefertigt. Die Umfangskontur 107 des Geberelements 108 weist einen entlang des Umfangs des Geberelements 108 periodisch, hier insbesondere sinusförmig, variierenden Radius auf, wodurch sowohl der Luftspalt 105 zwischen der Sinus-Messspule 101, insbesondere deren magnetisch leitendem Kern 104, und der Umfangskontur 107 des Geberelements 108 als auch der Luftspalt 106 zwischen der Cosinus-Messspule 102, insbesondere deren magnetisch leitendem Kern 104, und der Umfangskontur 107 des Geberelements 108 bei einer Drehung des Geberelements 108 um eine Drehachse, z.B. einer Motorwelle 109 einer elektrischen Maschine, an der die Vorrichtung 100 verbaut ist, periodisch, insbesondere sinusförmig, variiert. Dabei sind die Messaufnehmer 101, 102 insbesondere radial zu der Drehachse der Motorwelle 109 außerhalb eines größten Radius 110 der Umfangskontur 107 des Geberelements 108 angeordnet, so dass zwischen der Umfangskontur 107 des Geberelements 108 an den Stellen dieses größten Radius 110 und den magnetisch leitenden Kernen 104 der Messaufnehmer 101, 102 ein Mindestabstand, d.h. ein Mindestwert für den Luftspalt 105, 106 verbleibt.
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Im Beispiel nach 1 weist das Geberelement 108 entlang seines Umfangs insgesamt zwei Perioden seiner sinusförmigen Umfangskontur 107 auf, d.h. eine Polpaarzahl von ZP=2. Entsprechend sind die Sinus-Messspule 101 und die Cosinus-Messspule 102 entlang des Umfangs des Geberelements 108 um einen Winkel von 90°/ZP = 45° bezüglich der Drehachse des Geberelements 108 entlang einer Drehrichtung 111 des Geberelements 108 gegeneinander versetzt angeordnet. Bei einem Einsatz in einer elektrischen Maschine sind die Messaufnehmer 101, 102 bevorzugt fest mit einem Stator der Maschine verbunden, und das Geberelement 108 ist mit einem Rotor der Maschine verbunden.
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Die Vorrichtung 100 nach 1 umfasst weiterhin einen ersten 112 und einen zweiten 113 Kompensationsaufnehmer, die insbesondere in der Art der Messaufnehmer 101, 102 mit je einer Spule mit magnetisch leitendem Kern ausgebildet sind. Die Kompensationsaufnehmer 112, 113 sind derart dimensioniert, vorzugsweise identisch den Messaufnehmern 101, 102, entlang des Umfangs des wenigstens einen Geberelements 108 derart positioniert und mit den Messaufnehmern 101, 102 derart gekoppelt, dass ein Einfluss einer ungenauen Lage des Geberelements 108 gegenüber der Drehachse auf die von den Messaufnehmern 101, 102 gelieferten Messsignale wenigstens nahezu vollständig aufgehoben ist. Dazu ist hier vorteilhaft je einer der Kompensationsaufnehmer 112, 113 je einem der Messaufnehmer 101 bzw. 102 am Umfang des Geberelements 108 bezüglich der Drehachse des Geberelements 108 gegenüberliegend positioniert. Dadurch vergrößert sich z.B. beim Auftreten einer Unwucht des Geberelements 108 der Luftspalt zwischen diesem und dem Kompensationsaufnehmer 112 bzw. 113 im gleichen Maße, wie sich durch die Unwucht der Luftspalt 105 bzw. 106 verkleinert. Dies führt zu gegenläufigen Impedanzänderungen im Messaufnehmer 101, 102 einerseits und im zugehörigen Kompensationsaufnehmer 112 bzw. 113 andererseits, so dass die Summe der Impedanzen wenigstens nahezu konstant bleibt. Bei einer besonders bevorzugten elektrischen Reihenschaltung je eines der Messaufnehmer 101, 102 mit dem zugehörigen Kompensationsaufnehmer 112 bzw. 113 und Messung der Summe der Impedanzen der Messaufnehmer 101, 102 und ihrer zugehörigen Kompensationsaufnehmer 112 bzw. 113 zum Gewinnen der Messsignale als Maß für die Drehlage sind somit die Messsignale wenigstens nahezu frei von Einflüssen durch die Unwucht des Geberelements 108.
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2 zeigt in einem Beispiel für eine erfindungsgemäße elektrische Beschaltung der Vorrichtung gemäß 1. Darin ist die Sinus-Messspule 101 mit dem ersten Kompensationsaufnehmer 112 und die Cosinus-Messspule 102 mit dem zweiten Kompensationsaufnehmer 113 in Reihenschaltung angeordnet. Jede dieser Reihenschaltungen ist ferner mit einer Strommesseinrichtung 114 bzw. 115 in Reihe geschaltet. Diese Reihenschaltungen aus Sinus-Messspule 101, erstem Kompensationsaufnehmer 112 und erster Strommesseinrichtung 114 einerseits sowie Cosinus-Messspule 102, zweitem Kompensationsaufnehmer 113 und zweiter Strommesseinrichtung 115 andererseits werden in Parallelschaltung zueinander angeordnet und gemeinsam aus einer Wechselspannungsquelle 116 gespeist, d.h. mit einer Wechselspannung beaufschlagt, deren Frequenz, nachfolgend als Hochfrequenz bezeichnet, größer ist als eine Drehzahl des Geberelements 108 bzw. eine nachfolgend als Niederfrequenz bezeichnete Frequenz der periodischen Änderungen der Impedanzen der Messaufnehmer 101, 102. Bevorzugt ist die Hochfrequenz der Wechselspannung groß gegenüber der Niederfrequenz der periodischen Änderungen der Impedanzen der Messaufnehmer 101, 102, besonders bevorzugt um wenigstens einen Faktor 10 größer. Durch diese Wechselspannung werden die Reihenschaltungen aus den Messaufnehmern 101, 102 und den Kompensationsaufnehmern 112 bzw. 113 durchfließende, hochfrequente Ströme hervorgerufen, die mit der ersten 114 bzw. der zweiten 115 Strommesseinrichtung gemessen werden. Auf diese Weise sind die mit einer Drehung des Geberelements 108 variierenden Impedanzen der Messaufnehmer 101, 102 einfach und genau messbar. Bevorzugt ist bei einem Einsatz in einer wechselrichtergesteuerten elektrischen Maschine die Speisung mit einer Wechselspannung vornehmbar, die in einem ganzzahligen Verhältnis zu einer Abtastrate der Wechselrichtersteuerung steht und zeitsynchron zu dieser Abtastung ist.
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Aus diesen Messungen ergeben sich als Messsignale zwei gemäß der niederfrequenten Variation der Impedanzen der Messaufnehmer 101, 102 mit der Drehung des Geberelements 108 amplitudenmodulierte hochfrequente Wechselströme, aus denen bzw. bevorzugt aus deren durch eine Amplitudendemodulation gewonnenen Hüllkurven eine Drehlage des Geberelements 108 und damit diejenige eines damit drehbaren Bauelements, insbesondere Rotors einer elektrischen Maschine, bestimmbar ist. Dazu sind die erste 114 und die zweite 115 Strommesseinrichtung mit einer von der in 2 dargestellten Schaltungsanordnung weiterhin umfassten Auswerteeinrichtung 117 zum Auswerten der hochfrequenten Wechselströme als Messsignale und zum daraus Gewinnen eines die Drehlage des Geberelements 108 und damit des drehbaren Bauelements darstellenden Signals verbunden. Bevorzugt enthält die Auswerteeinrichtung 117 eine Amplituden-Demodulationseinrichtung 118, umfassend je eine Demodulationsstufe 119 bzw. 120 für jedes der hochfrequenten Messsignale, zum Demodulieren der hochfrequenten Messsignale und dadurch Gewinnen der Hüllkurven als niederfrequente Messsignale. Es wird also je ein niederfrequentes Messsignal aus der Strommessung an der Sinus-Messspule 101 und an der Cosinus-Messspule 102 gewonnen. Die beiden Demodulationsstufen 119 bzw. 120 umfassen bevorzugt weiterhin je eine Normierungsstufe zum Normieren der niederfrequenten Messsignale, d.h. Hüllkurvensignale, auf übereinstimmende Amplituden. Zur weiteren Auswertung der normierten Hüllkurvensignale umfasst die Auswerteeinrichtung 117 eine Drehlage-Ermittlungsstufe 121, der die normierten Hüllkurvensignale zuführbar sind und in der daraus die Drehlage des Geberelements 108 ermittelbar ist.
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In einer Abwandlung der vorbeschriebenen Vorrichtung 100 gemäß 1 und 2 ist vorteilhaft auf die Kompensationsaufnehmer 112, 113 verzichtet. Stattdessen ist die Auswerteeinrichtung 118 zum Auswerten der Messsignale derart eingerichtet, dass der Einfluss einer Ungenauigkeit der Lage des Geberelements 108 gegenüber seiner Drehachse auf das die Drehlage des drehbaren Bauelements darstellende Signal wenigstens nahezu vollständig aufgehoben ist. An die Stelle der Kompensation durch die Kompensationsaufnehmer 112, 113 tritt somit eine Kompensation in der Signalverarbeitung durch die Auswerteeinrichtung 118. Dies ist bevorzugt anhand eines Vergleichs einer Anzahl von Schwankungen der Messsignale je Umdrehung des Geberelements 108 mit einer Gesamtanzahl Perioden des entlang des Umfangs des Geberelements 108 periodisch variierenden Radius vorgenommen. Vorteilhaft ist dazu die Polpaarzahl ZP des Geberelements 108 wenigstens gleich 2. Da ein durch die Unwucht des Geberelements 108 hervorgerufener Signalanteil der Hüllkurvensignale mit einer mit der Drehzahl des Geberelements 108 übereinstimmenden Frequenz auftritt, die Variationen der Impedanzen der Messaufnehmer 101, 102 dagegen wenigstens mit dem Doppelten, allgemein mit dem ZP-fachen, dieser Frequenz, kann der Einfluss der Unwucht auf das die Drehlage des Geberelements 108 und damit des drehbaren Bauelements darstellende Signal durch eine Filterung, vorzugsweise durch eine adaptive Filterung, des niederfrequentesten Signalanteils aufgehoben werden.
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In den 3 und 4 ist anhand zweier Beispiele für Signalverläufe zur Auswertung der Messsignale ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Detektieren der Drehlage des Geberelements 108 erläutert. Durch die hochfrequente Wechselspannung der Wechselspannungsquelle 116 wird in der Sinus-Messspule 101 ein erster hochfrequenter Wechselstrom IH1 und in der Cosinus-Messspule 102 ein zweiter hochfrequenter Wechselstrom IH2 hervorgerufen. Aufgrund des Versatzes der Sinus-Messspule 101 gegenüber der Cosinus-Messspule 102 um den Winkel von 90°/ZP bildet der erste hochfrequente Wechselstrom IH1 in der Sinus-Messspule 101 ein hochfrequentes Messsignal mit einem niederfrequenten sinusförmigen ersten Hüllkurvensignal IN1, und der zweite hochfrequente Wechselstrom IH2 in der Cosinus-Messspule 102 bildet ein hochfrequentes Messsignal mit einem niederfrequenten, zum sinusförmigen Hüllkurvensignal IN1 passend cosinusförmigen zweiten Hüllkurvensignal IN2. Im Diagramm der 3 sind diese Signale als Wechselströme i in Ampere, abgekürzt A, auf der Ordinate über der auf der Abszisse abgetragenen Zeit t in Sekunden, abgekürzt s, in einem Zahlenbeispiel dargestellt. Das Diagramm der 4 zeigt die Hüllkurvensignale IN1, IN2 nach der Normierung ihrer Amplituden auf den Wert 1, wobei mit IN1n das aus dem ersten Hüllkurvensignal IN1 durch die Normierung gewonnene sinusförmige erste normierte Hüllkurvensignal und mit IN2n das aus dem zweiten Hüllkurvensignal IN2 durch die Normierung gewonnene cosinusförmige zweite normierte Hüllkurvensignal bezeichnet ist, wiederum aufgetragen über der Zeit t in Sekunden.
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Aus den beiden normierten Hüllkurvensignalen IN1n und IN2n wird nun in der Drehlage-Ermittlungsstufe 121 gemäß der Beziehung phi = arctan (IN1n/IN2n) die Drehlage phi des Geberelements 108 bestimmt. Eine gesonderte Kompensation einer Unwucht des Geberelements 108 ist dabei nicht erforderlich, da eine solche Unwucht bereits durch die Strommessung an der Reihenschaltung der Messaufnehmer und Kompensationsaufnehmer vor Aufnehmen der Messsignale, d.h. der hochfrequenten Wechselströme IH1, IH2 kompensiert ist. Der Vollständigkeit halber sei angemerkt, dass bei der Bestimmung der Drehlage phi aus der Arcustangensfunktion stets eine Quadranten-Unterscheidung vorzunehmen ist, da sich die Werte der Arcustangensfunktion innerhalb einer Periode ihres Arguments wiederholen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Vorrichtung
- 101
- Erster Messaufnehmer bzw. Sinus-Messspule
- 102
- Zweiter Messaufnehmer bzw. Cosinus-Messspule
- 103
- Elektrisch leitende Spule von 101, 102
- 104
- Magnetisch leitender Kern von 101, 102
- 105
- Luftspalt zwischen 101 und 107
- 106
- Luftspalt zwischen 102 und 107
- 107
- Umfangskontur von 108
- 108
- Geberelement
- 109
- Motorwelle mit Drehachse von 108
- 110
- Größter Radius von 107
- 111
- Drehrichtung von 108
- 112
- Erster Kompensationsaufnehmer
- 113
- Zweiter Kompensationsaufnehmer
- 114
- Erste Strommesseinrichtung für 101, 112
- 115
- Zweite Strommesseinrichtung für 102, 113
- 116
- Wechselspannungsquelle
- 117
- Auswerteeinrichtung
- 118
- Amplituden-Demodulationseinrichtung
- 119
- Erste Demodulationsstufe
- 120
- Zweite Demodulationsstufe
- 121
- Drehlage-Ermittlungsstufe
- IH1
- Erster hochfrequenter Wechselstrom
- IH2
- Zweiter hochfrequenter Wechselstrom
- IN1
- Erstes Hüllkurvensignal, sinusförmig
- IN2
- Zweites Hüllkurvensignal, cosinusförmig
- IN1n
- Erstes normiertes Hüllkurvensignal, sinusförmig
- IN2n
- Zweites normiertes Hüllkurvensignal, cosinusförmig
- phi
- Drehlage von 108
- ZP
- Polpaarzahl von 108
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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