EP2467930A1 - Elektronisch kommutierter elektromotor mit einer rotorpositions-prädiktion und einer interpolation und verfahren - Google Patents

Elektronisch kommutierter elektromotor mit einer rotorpositions-prädiktion und einer interpolation und verfahren

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EP2467930A1
EP2467930A1 EP10734757A EP10734757A EP2467930A1 EP 2467930 A1 EP2467930 A1 EP 2467930A1 EP 10734757 A EP10734757 A EP 10734757A EP 10734757 A EP10734757 A EP 10734757A EP 2467930 A1 EP2467930 A1 EP 2467930A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor position
position signal
rotor
digital
electric motor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10734757A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Siegbert Steinlechner
Jo Pletinckx
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2467930A1 publication Critical patent/EP2467930A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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

Definitions

  • the invention relates to an electronically commutated
  • the electronically commutated electric motor has a stator and a particular permanent magnetic rotor formed.
  • the electric motor also has a control unit which is operatively connected to the stator and configured to generate control signals for commutating the stator such that the stator can generate a magnetic rotating field for rotating the rotor.
  • the electric motor also has at least one rotor position sensor which is designed to have a rotor position, in particular a rotor position
  • Rotor position signal representing rotor position to produce The control unit is designed, the
  • Rotor position detection has. For fast rotating electronically commutated
  • Electric motors is the problem that during a
  • the rotor position detection must be performed with a high detection frequency, if a frequent change of a Kommut ists should occur during a rotor revolution.
  • the control unit of the electric motor then has to a correspondingly high Have computing capacity.
  • control unit of the electronically commutated electric motor of the type mentioned above the control unit of the electronically commutated electric motor of the type mentioned above
  • the digital rotor position signal forms a temporal data stream corresponding to the sampled and
  • control unit comprises an interpolator, which
  • sampling and quantizing analog-to-digital converter advantageously be smaller than without the interpolator. This can be a computing power of the control unit, which
  • control unit is configured to generate the digital rotor position signal as a digital prediction rotor position signal, wherein the digital
  • Prediction rotor position signal in particular the temporal data stream, at least one or a plurality of
  • the interpolator is preferably designed to generate the intermediate value between two future rotor position values.
  • the rotor position can advantageously be available for a current rotor position or for future rotor positions for commutating the electric motor. Further advantageously, the so predicted rotor position for commutating the electric motor are available before the rotor position sensor, in particular an angle sensor, after conversion of a
  • Rotor position signal for further signal processing can provide.
  • the rotor position sensor is preferably an angle sensor.
  • the angle sensor is, for example, a giant magnetoresistive sensor (GMR sensor) or an anisotropic sensor.
  • the electric motor for example, a plurality of Hall sensors, which are each designed to generate a particular analog rotor position signal.
  • the angle sensor in particular the GMR sensor or AMR sensor is formed, a
  • control unit is embodied, in particular the digital prediction rotor position signal as a function of further rotor positions detected by means of the rotor position sensor
  • the prediction rotor position signal can be formed, for example, by a predetermined number of rotor position values, wherein the rotor position values are recorded with each new angle detected by the angle sensor, more preferably additionally by an analogue sensor. Converted digital converter - Rotor position value according to the principle FIFO be updated. This can advantageously be done with non-stationary motion patterns, the commutation of the electric motor. For example, the
  • Control unit act on the stator during a rotor rotation a variety of mutually different Kommutêtsmuster.
  • control unit is designed to use the digital prediction rotor position signal by means of an approximation function as a function of
  • Rotor position signal to generate as an output function to be approximated. This can advantageously by means of
  • Rotor position sensor generated rotor position signal for future rotor positions can be estimated advantageous.
  • the approximation function is a polynomial, in particular at least second degree or exactly second or third degree. Further advantageous
  • Embodiments of an approximation function are a spline function or an exponential function.
  • the control unit has in an advantageous
  • Embodiment a timer, and is configured to generate the prediction rotor position signal in response to a time signal generated by the timer, wherein a clock frequency of the timer is greater than a repetition frequency of successive rotor position values of the digital
  • Rotor position signal and to commutate the stator in response to the prediction rotor position signal.
  • the stator can be advantageous depending on
  • the control unit may preferably be designed to change the commutation time to a preferably future one
  • the invention also relates to a method for operating an electronically commutated electric motor, in particular of the electric motor described above.
  • a rotor position is detected by means of a rotor position sensor and a rotor position corresponding to the rotor position
  • Rotor position signal generated. Further, in the method, preferably the rotor position signal is sampled and
  • the prediction rotor position signal represents the sampled and quantized rotor position signal and includes at least one or a plurality of future timers extending beyond the rotor position signal
  • the digital prediction rotor position signal is dependent on further, detected by means of the rotor position sensor
  • the digital prediction rotor position signal is generated by forming an approximation function as a function of
  • the starting function is the function to be approximated, which can form support points for generating the approximation function. This allows the prediction
  • Rotor position signal also through one of the nodes be extrapolated - formed for example by means of the rotor position signal, or generated from this - area.
  • the approximation function is preferably a polynomial function of the second or third degree.
  • a commutation of the stator takes place as a function of the prediction rotor position signal after a time interval has elapsed, the sequence corresponding to a predetermined commutation time.
  • the commutation takes place by means of
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • ASIC Application Specific Integrated Circuit
  • control program for example, controlled by a control program, which is stored on a disk and forms a computer program product together with the disk.
  • the invention also relates to a control unit according to the above-described type for an electric motor
  • the control unit then has no rotor and no stator and is designed to be connected to a stator of an electric motor.
  • Figure 1 shows an embodiment of an electronically ko ⁇ tmut faced electric motor with the inventive
  • FIG. 2 shows a method for operating the electric motor shown in FIG. 1
  • Figure 3 shows a diagram which illustrates the operation of the electric motor shown in Figure 1 and the method shown in Figure 2.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of an electronically commutated electric motor 1.
  • the electric motor 1 has a stator 10 with three stator coils, namely a stator coil 12, a stator coil 14 and a stator coil 16.
  • the stator 10 also has an angle sensor which is a
  • the angle sensor 18 is designed to detect a rotor position of a rotor 11 of the electric motor 1.
  • control unit 30 has an analog-to-digital converter 27, which on the input side with the connection 50 and thus with the angle sensor 18th
  • An angle resolution of the angle sensor is in Case of analogue, in particular time-continuous
  • the analog-to-digital converter 27 is connected on the output side via a connecting line 54 to a polynomial generator 29.
  • the analog-to-digital converter 27 is configured to
  • the analog-to-digital converter 27 has an output side via a
  • the polynomial generator 29 is formed, depending on the received via the connecting line 54, -
  • the polynomial generator is preferably formed, the
  • the approximation function is preferably a polynomial
  • the polynomial generator 29 is designed to determine polynomial coefficients of the previously determined approximation function, in particular of the polynomial, and these are output on a coefficient line memory 32 via a connecting line 56 output.
  • the polynomial generator 29 has, for example, an FIR filter for each polynomial coefficient, in this exemplary embodiment three exemplary FIR filters 36, 38 and 39.
  • the coefficient memory 32 is designed to keep the polynomial coefficients generated by the polynomial generator 29 in stock.
  • the coefficient memory 32 is connected on the output side via a connecting line 58 to a predictor 34.
  • the predictor 34 is
  • the data stream comprises temporally successive future ones
  • Rotor position values - shown dotted in this embodiment - which each have a future, of the
  • Angle sensor 18 not yet detected rotor position - especially with a higher angular resolution than the digital-generated by the analog-to-digital converter
  • Rotor position signal - represent.
  • the data stream in this embodiment forms the previously mentioned prediction rotor position signal.
  • the control unit 42 is connected to a timer 40 and is designed to commutate the stator 10 at least in dependence on the prediction rotor position signal received via the connection line 60.
  • the control unit 42 is connected on the output side via a connection 53 to a power output stage 25 of the electric motor 1.
  • the control unit 42 is formed, the
  • the power output stage 25 is the output side via a connection 52 with the stator 10, and there connected to the stator coils 12, 14 and 16.
  • the control unit 42 is designed to precisely determine the commutation times for commutating the stator 10 as a function of the particular high-resolution time signal received by the timer 40.
  • the control unit 42 is connected on the input side via a bidirectional connection 61 to a memory 62. In the memory 62 to each other different Bestromungsmuster are kept in stock, one of which
  • Energizing pattern 62 is exemplified.
  • control unit 42 depending on the prediction rotor position signal to select a Bestromungsmuster the stock held in the memory and the stator 10 according to the Bestromungsmuster for generating the
  • the polynomial generator 29 may advantageously be available for each polynomial coefficient in the coefficient memory 32 held polynomial coefficients have a FIR (Finite Impulse Response) filter.
  • FIR Finite Impulse Response
  • the control unit 42 is also on the input side via the
  • the control unit 42 is embodied, the power output stage 35 for commutating the stator coils in dependence on the rotor position values calculated by the predictor 34
  • Rotor position signal is greater than the repetition frequency of the digital-generated by the analog-to-digital converter
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a method for commutating an electronically commutated electric motor.
  • a rotor position of a rotor of the electronically commutated electric motor is detected, in particular by means of an angle sensor, and a rotor position signal is generated which comprises at least one
  • Rotor position of the rotor represents.
  • the rotor position signal is digitized by means of an analog-to-digital converter and a digitized
  • Rotor position signal generated.
  • a polynomial is generated in dependence on the digitized rotor position signal, which digitizes the
  • Polynomial generates a data stream, which includes rotor position values in a time range in which the of the
  • Angle sensor detected rotor position values, and in addition to future rotor position values, which have not yet been detected by the angle sensor and / or are not yet represented by the signal generated by the analog-to-digital converter 24.
  • the data stream comprises rotor position values generated by interpolation, such that a time clock rate of the successive rotor position values of the data stream is greater than a sampling rate during analog-to-digital conversion.
  • a commutation pattern is selected as a function of the data stream, and in a step 82 the stator is supplied with the commutation pattern.
  • FIG. 3 shows a diagram 90.
  • the diagram 90 has a time axis 91 and an amplitude axis 92.
  • Diagram 90 shows a curve 95 which combines samples 101, 102, 104, 106, 108, 110, and 112 together.
  • the curve 95 corresponds to a polynomial which has been generated, for example, by means of the polynomial generator 29 shown in FIG. 1, and which represents a rotor position profile.
  • the polynomial 95 is in this
  • Embodiment a third degree polynomial. Rotor position values 101, 103, 105, 107, 109, 111 and 113 are also shown.
  • the rotor position value 101 has been detected by the angle sensor, for example by the angle sensor 18 shown in FIG. Shown are also a time interval 96 and a time interval 98.
  • the time interval 96 represents a sampling period of an analog-to-digital converter, for example the analog-to-digital converter 27 shown in FIG. 1.
  • the rotor position values 100, 102, 104, 106, 108 and 110 112 are respectively to preceding and following
  • the rotor position value 101 follows the rotor position value 100 after the time interval 98.
  • the rotor position value 103 follows the rotor position value 102 after the time interval 98.
  • the time interval 98 represents one
  • the control unit - for example, the control unit 30 in
  • Commutation time 115 is spaced from rotor position value 102 by time interval 99.
  • the time interval 99 is shorter than the time interval 98, so that the
  • Angle sensor have not yet been detected, can advantageously be a sampling frequency for detecting a rotor position of the rotor lower than without the prediction by means of the predictor polynomial. Further advantageous is the low sampling frequency of the sampling of the rotor position signal by generating the intermediate values by means of interpolation
  • the control unit compares the rotor position values 108, 110 and 112 generated by the predictor with those rotor position values 109, 111 and 113 detected by the angle sensor and for forming a further Polynomverlaufs of the predictor polynomial.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a predictor 120 which, for example, can be a component of the electric motor 1 instead of the predictor 34 shown in FIG.
  • the predictor 120 has an input 124 and an output 129.
  • the input 124 is already with that in FIG. 4
  • timer 40 connected.
  • the input 124 is connected via a connecting line 121 to a multiplier 126 and a multiplier 128.
  • the multiplier 126 is also connected to an adder 123 on the input side.
  • the adder 123 has an input 131 with a connection 131 and connected via connection 131 to an input 132.
  • the adder 123 may receive a polynomial coefficient via the input 132, in this embodiment a polynomial coefficient a 2 of a second degree polynomial.
  • the multiplier 146 has its output connected to an adder 125.
  • the adder 125 is the input side with the multiplier 126, and also the input side with the
  • the adder 125 can receive a polynomial coefficient via the multi-channel connection 131 and thus from the input 132, in this embodiment a polynomial coefficient ai of the second-degree polynomial.
  • the adder 125 is connected to the multiplier 128 on the output side.
  • the multiplier 128 has its output connected to an adder 127.
  • the adder 147 has an input side with the multiplier 128 and also with the input 132 via the input side
  • Connection 131 and can receive over the connection 131 a polynomial coefficient, in this embodiment, a polynomial coefficient a 0 of the second degree polynomial.
  • the adder 127 has an output side with the
  • the predictor 120 may receive a particular ramped clock signal 43, the clock frequency of which is a multiple of a sampling frequency used by the analog-to-digital converter 27 during analog-to-digital conversion.
  • the timing signal is formed, for example, ramped and has a predetermined number of ramp stages for each clock of the sampling period of the analog-to-digital conversion.
  • Multiplier 126 is a received from the adder 123 Output signal with the timing signal and outputs on the output side a multiplication result to the adder 125.
  • the adder 121 adds that from the multiplier 126
  • the multiplier 128 multiplies the addition result received from the adder 125 by the clock signal which is also supplied to the multiplier 126 by the multiplier 126
  • Input 124 has received.
  • the multiplier 128 generates a corresponding multiplication result and outputs this to an adder 127 on the output side.
  • the adder 127 adds the one generated by the multiplier 128
  • the adder 127 has received from the input 132 via the connection 131.
  • the adder 127 can then do the
  • the adder 123 can input side - shown dotted - in the case of
  • the input 132 is, for example, with the one shown in FIG.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a predictor 130.
  • the predictor 130 can replace the predictor 34 in FIG. 1, for example.
  • the predictor 130 has no multipliers and can therefore be provided in a cost-effective manner, for example by means of an ASIC.
  • the predictor 130 has an input 135 and an output 165 and is connected to a timer 134.
  • the predictor 130 has a plurality of integrators, in particular together forming a cascade.
  • the integrators each have an adder and a memory.
  • the memory 133 is on the output side via a
  • Connection line 154 is connected to a further adder 136.
  • the memory 133 is also connected on the output side via a feedback connection line 150 to the adder 132.
  • the adder 132 forms an integrator together with the memory 133.
  • the memory 133 is on the output side via a
  • Connection line 154 is connected to the adder 136.
  • the adder 136 is connected on the output side via a connecting line 156 to a memory 137.
  • the memory 137 is connected on the output side via a connecting line 158 to the adder 136 in a feedback manner.
  • the memory 147 is
  • the adder 138 On the output side also connected via a connecting line 160 to an adder 138.
  • the adder 138 is
  • the adder 138, the adder 136 and the adder 132 are each connected on the input side to an input 135 and can via the input 135 polynomial coefficients
  • the predictor 130 may be connected via the input 135 to, for example, the one shown in FIG.
  • Coefficient memory 32 and be connected by the
  • Coefficient memory 32 which receives polynomial coefficients.
  • the arithmetic unit formed by the predictor 130 may, for example, by a microprocessor, a
  • FPGA Field Programmable Gate Array FPGA
  • ASIC Application Specific Integrated Circuit
  • the predictor 130 may include, for example, other integrators connected to the adder 132 for computing a higher order polynomial.
  • the predictor 130 is also connected to a timer 134 on the input side.
  • the timer 134 is designed to generate a time signal which has an in particular L-fold higher clock rate than a sampling rate used by the analog-to-digital converter 27.
  • the integrators of the predictor 130 are each connected to the timer 134 and each carry one
  • the timer 134 is for example designed to generate the clock for clocking the integrators according to the following rule:
  • JTakt -L-- a with fTakt clock frequency of the clock for clocking the clock
  • T a sampling period, for example of the analog-to-digital converter 27 in FIG. 1
  • the factor L is chosen as a power to a base 2.
  • the division operations for generating the polynomial coefficients bo, bi and b2, more preferably b n can thus be advantageously produced by means of addition operations.
  • the predictor 130 can thus at the output 165 by means of the am
  • Input 135 received polynomial coefficients generated
  • Polynomial output - as a prediction rotor position signal.
  • the output 165 may, for example, be connected to the connecting line 60 shown in FIG. 1, so that the predictor 130 is connected on the output side to the control unit 42.
  • the control unit 42 may, for example, in
  • Dependency of the polynomial received from the predictor 130 ⁇ as a prediction rotor position signal - from the memory 65 select a Bestromungsmuster 62, and energize the stator 10 of the electric motor 1 by means of the power amplifier 25 according to the Bestromungsmuster.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten Elektromotor. Der elektronisch kommutierte Elektromotor weist einen Stator und einen insbesondere Permanentmagnetisch ausgebildeten Rotor auf. Der Elektromotor weist auch eine Steuereinheit auf, welche mit dem Stator wirkverbunden und ausgebildet ist, Steuersignale zum Kommutieren des Stators derart zu erzeugen, dass der Stator ein magnetisches Drehfeld zum Drehbewegen des Rotors erzeugen kann. Der Elektromotor weist auch wenigstens einen Rotorpositionssensor auf, welcher ausgebildet ist, eine Rotorposition, insbesondere eine Winkelposition, des Rotors zu erfassen und ein die Rotorposition repräsentierendes Rotorpositionssignal zu erzeugen. Die Steuereinheit ist ausgebildet, die Steuersignale in Abhängigkeit von dem Rotorpositionssignal zu erzeugen. Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit ausgebildet, das Rotorpositionssignal abzutasten, zu quantisieren und ein digitales Rotorpositionssignal zu erzeugen. Das digitale Rotorpositionssignal bildet einen zeitlichen Datenstrom, welcher dem abgetasteten und quantisierten Rotorpositionssignal entspricht, wobei die Steuereinheit einen Interpolator aufweist, welcher ausgebildet ist, wenigstens einen zwischen zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Rotorpositionswerten liegenden Zwischenwert in dem digitalen Rotorpositionssignal zu erzeugen.

Description

Elektronisch kommutierter Elektromotor mit einer Rotorpositions-Prädiktion und einer Interpolation und
Verfahren
Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten
Elektromotor. Der elektronisch kommutierte Elektromotor weist einen Stator und einen insbesondere permanentmagnetisch ausgebildeten Rotor auf. Der Elektromotor weist auch eine Steuereinheit auf, welche mit dem Stator wirkverbunden und ausgebildet ist, Steuersignale zum Kommutieren des Stators derart zu erzeugen, dass der Stator ein magnetisches Drehfeld zum Drehbewegen des Rotors erzeugen kann. Der Elektromotor weist auch wenigstens einen Rotorpositionssensor auf, welcher ausgebildet ist, eine Rotorposition, insbesondere eine
Winkelposition, des Rotors zu erfassen und ein die
Rotorposition repräsentierendes Rotorpositionssignal zu erzeugen. Die Steuereinheit ist ausgebildet, die
Steuersignale in Abhängigkeit von dem Rotorpositionssignal zu erzeugen.
Aus der DE 103 32 381 Al ist ein Elektromotor bekannt, bei dem eine Rotorlage eines Rotors sensorlos erfasst wird und ein Stromverlauf von Wicklungsströmen zum Drehbewegen des Rotors über eine Rotor-Drehung kontinuierlich ohne abrupte Sprünge verläuft und keine Stromlücken zur sensorlosen
Rotorlage-Erfassung aufweist. Bei schnell drehenden elektronisch kommutierten
Elektromotoren besteht das Problem, dass während eines
Betriebes des Elektromotors die Rotorpositionserfassung mit einer hohen Erfassungsfrequenz durchgeführt werden muss, wenn während einer Rotorumdrehung ein häufiger Wechsel eines Kommutierungsmusters erfolgen soll. Die Steuereinheit des Elektromotors muss dann dazu eine entsprechend hohe Rechenkapazität aufweisen.
Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit des elektronisch kommutierten Elektromotors der eingangsgenannten Art
ausgebildet, das Rotorpositionssignal abzutasten und zu quantisieren, und ein digitales Rotorpositionssignal zu erzeugen. Das digitale Rotorpositionssignal bildet einen zeitlichen Datenstrom, welcher dem abgetasteten und
quantisierten Rotorpositionssignal entspricht, wobei die Steuereinheit einen Interpolator aufweist, welcher
ausgebildet ist, wenigstens einen zwischen zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Rotorpositionswerten liegenden
Zwischenwert in dem digitalen Rotorpositionssignal zu
erzeugen. Durch den Interpolator kann eine Abtastfrequenz eines das insbesondere analoge Rotorpositionssignal
abtastenden und quantisierenden Analog-Digital-Wandlers vorteilhaft kleiner sein als ohne den Interpolator. dadurch kann eine Rechenleistung der Steuereinheit, welche
beispielsweise durch ein FPGA oder ein ASIC gebildet ist, vorteilhaft kleiner sein als ohne den Interpolator. Weiter bevorzugt ist die Steuereinheit ausgebildet, das digitale Rotorpositionssignal als digitales Prädiktions- Rotorpositionssignal zu erzeugen, wobei das digitale
Prädiktions-Rotorpositionssignal, insbesondere der zeitliche Datenstrom, wenigstens einen oder eine Mehrzahl von
zukünftigen, über das Rotorpositionssignal zeitlich
hinausführende Rotorpositionswerte umfasst. Bevorzugt ist der Interpolator ausgebildet, den Zwischenwert zwischen zwei zukünftigen Rotorpositionswerten zu erzeugen. Durch das so gebildete Prädiktions-Rotorpositionssignal kann vorteilhaft die Rotorposition für eine aktuelle Rotorposition, oder für zukünftige Rotorpositionen zum Kommutieren des Elektromotors zur Verfügung stehen. Weiter vorteilhaft kann die so vorausgesagte Rotorposition zum Kommutieren des Elektromotors zur Verfügung stehen, bevor der Rotorpositionssensor, insbesondere ein Winkelsensor, nach Wandlung eines
beispielsweise analogen Rotorpositionssignals in ein
digitales Rotorpositionssignal, das so gewandelte
Rotorpositionssignal zur weiteren Signalverarbeitung zur Verfügung stellen kann.
Der Rotorpositionssensor ist bevorzugt ein Winkelsensor. Der Winkelsensor ist beispielsweise ein Giant-Magneto- Resisistiver-Sensor (GMR-Sensor) oder ein Anisotroper-
Magneto-Resisitiver-Sensor (AMR-Sensor) . In einer anderen Ausführungsform weist der Elektromotor beispielsweise eine Mehrzahl von Hall-Sensoren auf, welche jeweils ausgebildet sind, ein insbesondere analoges Rotorpositionssignal zu erzeugen. Bevorzugt ist der Winkelsensor, insbesondere der GMR-Sensor oder AMR-Sensor, ausgebildet, ein
zeitkontinuierliches, bevorzugt zeitkontinuierlich eine absolute Rotorposition repräsentierendes, insbesondere analoges Rotorpositionssignal zu erzeugen. Eine
Winkelauflösung des Winkelsensors ist dann durch eine
Abtastrate eines das analoge Rotorpositionssignal analog-zudigital wandelnden Analog-Digital-Wandlers bestimmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, das insbesondere digitale Prädiktions- Rotorpositionssignal in Abhängigkeit von weiteren, mittels des Rotorpositionssensors erfassten Rotorpositionen
insbesondere gemäß einem Prinzip FIFO (FIFO = First-In-First- out) zu korrigieren. Dazu kann das Prädiktions- Rotorpositionssignal beispielsweise durch eine vorbestimmte Anzahl von Rotorpositionswerten gebildet sein, wobei die Rotorpositionswerte mit jedem neuen von dem Winkelsensor erfassten - weiter bevorzugt zusätzlich von einem Analog- Digitalwandler gewandelten - Rotorpositionswert nach dem Prinzip FIFO aktualisiert werden. Damit kann vorteilhaft die Kommutierung des Elektromotors auch mit nicht-stationären Bewegungsmustern erfolgen. Beispielsweise kann die
Steuereinheit während einer Rotorumdrehung eine Vielzahl zueinander verschiedener Kommutierungsmuster auf den Stator beaufschlagen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, das digitale Prädiktions-Rotorpositionssignal mittels einer Approximationsfunktion in Abhängigkeit des
Rotorpositionssignals als zu approximierende Ausgangsfunktion zu erzeugen. Dadurch kann vorteilhaft das mittels des
Rotorpositionssensors erzeugte Rotorpositionssignal für zukünftige Rotorpositionen vorteilhaft geschätzt werden. Bevorzugt ist die Approximationsfunktion ein Polynom, insbesondere wenigstens zweiten Grades oder genau zweiten oder dritten Grades. Weitere vorteilhafte
Ausführungsbeispiele für eine Approximationsfunktion sind eine Spline-Funktion oder eine Exponentialfunktion. Die Steuereinheit weist in einer vorteilhaften
Ausführungsform einen Zeitgeber auf, und ist ausgebildet, in Abhängigkeit eines von dem Zeitgeber erzeugten Zeitsignals das Prädiktions-Rotorpositionssignal zu erzeugen, wobei eine Taktfrequenz des Zeitgebers größer ist als eine Folgefrequenz aufeinander folgender Rotorpositionswerte des digitalen
Rotorpositionssignals, und den Stator in Abhängigkeit des Prädiktions-Rotorpositionssignals zu kommutieren. Dadurch kann der Stator vorteilhaft in Abhängigkeit von
Interpolationswerten des Prädiktions-Rotorpositionssignals kommutiert werden. Bevorzugt kann die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, den Kommutierungszeitpunkt zu einem bevorzugt zukünftigen
Rotorpositionswert des Prädiktions-Rotorpositionssignals zu ermitteln, und weiter bevorzugt den Stator an einem
zukünftigen Rotorpositionswert zu kommutieren.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines elektronisch kommutierten Elektromotors, insbesondere des zuvor beschriebenen Elektromotors. Bei dem Verfahren wird mittels eines Rotorpositionssensors eine Rotorposition erfasst und ein der Rotorposition entsprechendes
Rotorpositionssignal erzeugt. Weiter wird bei dem Verfahren bevorzugt das Rotorpositionssignal abgetastet und
quantisiert, und ein insbesondere digitales, einen zeitlichen Datenstrom bildendes Prädiktions-Rotorpositionssignal
erzeugt. Das Pradiktions-Rotorpoεitionssignal repräsentiert das abgetastete und quantisierte Rotorpositionssignal und umfasst wenigstens einen, oder eine Mehrzahl von zukünftigen, über das Rotorpositionssignal zeitlich hinausreichende
Rotorpositionswerte . In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das digitale Prädiktions-Rotorpositionssignal in Abhängigkeit von weiteren, mittels des Rotorpositionssensors erfassten
Rotorpositionen korrigiert.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante des Verfahrens wird das digitale Prädiktions-Rotorpositionssignal durch Bilden einer Approximationsfunktion in Abhängigkeit des
Rotorpositionssignals als Ausgangsfunktion erzeugt. Die
Ausgangsfunktion ist dabei die zu approximierende Funktion, welche Stützstellen zum Erzeugen der Approximationsfunktion bilden kann. Dadurch kann das Prädiktions-
Rotorpositionssignal auch über einen durch die Stützstellen gebildeten - beispielsweise mittels des Rotorpositionssignals gebildeten, oder aus diesem erzeugten - Bereich hinaus extrapoliert sein. Die Approximationsfunktion ist bevorzugt eine Polynomfunktion zweiten oder dritten Grades. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt in Abhängigkeit des Prädiktions-Rotorpositionssignals nach Ablauf eines Zeitintervalls ein Kommutieren des Stators, wobei der Ablauf einem vorbestimmten Kommutierungszeitpunkt entspricht. Bevorzugt erfolgt das Kommutieren mittels
wenigstens eines, bevorzugt vorbestimmten,
Kommutierungsmusters. Dadurch kann das Kommutieren
vorteilhaft bereits vor einem Vorliegen eines mittels des Rotorpositionssensors erzeugten Rotorpositionswertes
erfolgen. Bei dem Verfahren erfolgt ein Ermitteln des zukünftigen
Rotorpositionswertes in Abhängigkeit der
Approximationsfunktion, beispielsweise des Polynoms, der
Splinefunktion oder einer anderen geeigneten
Approximationsfunktion. Die dazu notwendigen Multiplikationen können vorteilhaft durch eine entsprechend schnelle
Recheneinheit erfolgen.
Die Steuereinheit kann beispielsweise ein Mikroprozessor, ein Mikrocontroller oder ein FPGA (FPGA = Field-Programmable- Gate-Array) , oder ein ASIC (ASIC = Application-Specific- Integrated-Circuit) sein. Die Steuereinheit wird
beispielsweise durch ein Steuerprogramm gesteuert, welches auf einem Datenträger gespeichert ist und zusammen mit dem Datenträger ein Computer-Programmprodukt bildet.
Die Erfindung betrifft auch eine Steuereinheit gemäß der vorbeschriebenen Art für einen Elektromotor der vorbeschriebenen Art. Die Steuereinheit weist dann keinen Rotor und keinen Stator auf und ist ausgebildet, mit einem Stator eines Elektromotors verbunden zu werden.
Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben. Weitere
vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus den zuvor beschriebenen Merkmalen, sowie den in der Figurenbeschreibung angegebenen Merkmalen, und den in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen. Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen elektronisch koπtmutierten Elektromotor mit der erfindungsgemäßen
Steuereinheit;
Figur 2 zeigt ein Verfahren zum Betreiben des in Figur 1 dargestellten Elektromotors; Figur 3 zeigt ein Diagramm, welches die Arbeitsweise des in Figur 1 dargestellten Elektromotors sowie das in Figur 2 dargestellte Verfahren verdeutlicht.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen elektronisch kommutierten Elektromotor 1. Der Elektromotor 1 weist einen Stator 10 mit drei Ξtatorspulen, nämlich eine Statorspule 12, eine Statorspule 14 und eine Statorspule 16 auf. Der Stator 10 weist auch einen Winkelsensor auf, welcher ein
beispielsweise analoges Rotorpositionssignal erzeugen kann. Der Winkelsensor 18 ist ausgebildet, eine Rotorposition eines Rotors 11 des Elektromotors 1 zu erfassen. Der Winkelsensor
18 ist mittels einer Verbindung 50 mit einer Steuereinheit 30 des Elektromotors 1 verbunden. Die Steuereinheit 30 weist einen Analog-Digital-Wandler 27 auf, welcher eingangsseitig mit der Verbindung 50 und so mit dem Winkelsensor 18
verbunden ist. Eine Winkel-Auflösung des Winkelsensors ist im Falle des analogen, insbesondere zeitkontinuierlich
gebildeten Rotorpositionssignals durch eine Abtastrate des Analog-Digitalwandlers bestimmt. Der Analog-Digital-Wandler 27 ist ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 54 mit einem Polynomerzeuger 29 verbunden.
Der Änalog-Digitalwandler 27 ist ausgebildet, das
eingangsseitig über die Verbindung 50 empfangene
Rotorpositionssignal abzutasten und eine zeitliche Folge von Abtastwerten zu erzeugen, welche jeweils einen Amplitudenwert des Rotorpositionssignals repräsentieren. Der Analog- Digitalwandler 27 ist ausgangsseitig über eine
Verbindungsleitung 54 mit einem Polynomerzeuger 29 verbunden. Der Polynomerzeuger 29 ist ausgebildet, in Abhängigkeit von den über die Verbindungsleitung 54 empfangenen, - die
Rotorposition des Rotors 11 repräsentierenden - Abtastwerten eine Approximationsfunktion zu erzeugen, welche einen durch die Abtastwerte stellenweise repräsentierten Kurvenzug wenigstens näherungsweise repräsentiert.
Der Polynomerzeuger ist vorzugsweise ausgebildet, die
Approximationsfunktion mittels einer Methode des kleinsten Fehlerquadrats zu erzeugen.
Die Approximationsfunktion ist bevorzugt ein Polynom,
insbesondere ein Polynom zweiten oder dritten Grades. Denkbar ist auch - insbesondere in Abhängigkeit einer benötigten Rechenzeit des Polynomerzeugers - ein Polynom mehr als dritten Grades.
Der Polynomerzeuger 29 ist ausgebildet, Polynom-Koeffizienten der zuvor ermittelten Approximationsfunktion, insbesondere des Polynoms zu bestimmen und wird diese ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 56 an einen Koeffizientenspeicher 32 ausgeben. Dazu weist der Polynomerzeuger 29 beispielsweise für jeden Polynomkoeffizienten ein FIR-Filter auf, in diesem Ausführungsbeispiel drei beispielhaft dargestellte FIR-Filter 36, 38 und 39. Der Koeffizientenspeicher 32 ist ausgebildet, die von dem Polynomerzeuger 29 erzeugten Polynom- Koeffizienten vorrätig zu halten. Der Koeffizientenspeicher 32 ist ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 58 mit einem Prädiktor 34 verbunden. Der Prädiktor 34 ist
ausgebildet, die in dem Koeffizientenspeicher 32
gespeicherten Koeffizienten über die Verbindungsleitung 58 auszulesen, und einen zeitlich aufeinander folgenden,
Rotorpositionswerte repräsentierenden Datenstrom zu erzeugen und diesen ausgangsseitig über die Verbindungsleitung 60 an eine Steuereinheit 42 auszugeben. Der Datenstrom umfasst dabei zeitlich aufeinander folgende zukünftige
Rotorpositionswerte - in diesem Ausführungsbeispiel punktiert dargestellt -, welche jeweils eine zukünftige, von dem
Winkelsensor 18 noch nicht erfasste Rotorposition - insbesondere mit einer höheren Winkelauflösung als das von dem Analog-Digital-Wandler erzeugte digitale
Rotorpositionssignal - repräsentieren. Der Datenstrom bildet in diesem Ausführungsbeispiel das vorab erwähnte Prädiktions- Rotorpositionssignal .
Die Approximationsfunktion, insbesondere das Polynom, kann beispielsweise wie folgt gebildet sein: mit yβ,n(Δn) = Prädiktorpolynom als Approximationsfunktion; n = Abtastwert, ganze Zahl oder Zahl < 1; Ta = Abtastperiode; g = Grad des Polynoms; a = Polynomkoeffizient.
Die Steuereinheit 42 ist mit einem Zeitgeber 40 verbunden und ist ausgebildet, wenigstens in Abhängigkeit von dem über die Verbindungsleitung 60 empfangenen Prädiktions- Rotorpositionssignal den Stator 10 zu kommutieren.
Die Steuereinheit 42 ist ausgangsseitig über einen Verbindung 53 mit einer Leistungsendstufe 25 des Elektromotors 1 verbunden. Die Steuereinheit 42 ist ausgebildet, die
Leistungsendstufe 25 zum Erzeugen eines magnetischen
Drehfeldes mittels der Statorspulen 12, 14 und 16
anzusteuern. Die Leistungsendstufe 25 ist dazu ausgangsseitig über eine Verbindung 52 mit dem Stator 10, und dort mit den Statorspulen 12, 14 und 16 verbunden. Die Steuereinheit 42 ist ausgebildet, in Abhängigkeit des von dem Zeitgeber 40 empfangenen, insbesondere hochauflösenden Zeitsignals die Kommutierungszeitpunkte zum Kommutieren des Stators 10 genau zu bestimmen. Die Steuereinheit 42 ist eingangsseitig über eine bidirektionale Verbindung 61 mit einem Speicher 62 verbunden. In dem Speicher 62 sind zueinander verschiedene Bestromungsmuster vorrätig gehalten, von denen ein
Bestromungsmuster 62 beispielhaft bezeichnet ist.
Beispielsweise kann die Steuereinheit 42 in Abhängigkeit von dem Prädiktions-Rotorpositionssignal ein Bestromungsmuster der in dem Speicher vorrätig gehaltenen auszuwählen und den Stator 10 gemäß dem Bestromungsmuster zum Erzeugen des
Drehfeldes zu bestromen.
Der Polynomerzeuger 29 kann vorteilhaft für jeden Polynom- Koeffizienten der in dem Koeffizientenspeicher 32 vorrätig gehaltenen Polynom-Koeffizienten ein FIR-Filter (FIR= Finite- Impulse-Response) aufweisen.
Die Steuereinheit 42 ist auch eingangsseitig über die
Verbindungsleitung 54 mit dem Analog-Digitalwandler 27 verbunden und kann von dem Analog-Digitalwandler das
digitalisierte Rotorpositionssignal empfangen.
Die Steuereinheit 42 ist ausgebildet, die Leistungsendstufe 35 zum Kommutieren der Statorspulen in Abhängigkeit von den von dem Prädiktor 34 errechneten Rotorpositionswerten
entsprechend anzusteuern. Eine zeitliche Folgefrequenz der Rotorpositionswerte des vom Prädiktor erzeugten
Rotorpositionssignals ist dabei größer als die Folgefrequenz des von dem Analog-Digital-Wandler erzeugten digitalen
Rotorpositionssignals. . Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Kommutieren eines elektronisch kommutierten Elektromotors. Bei dem Verfahren wird in einem Schritt 70 eine Rotorposition eines Rotors des elektronisch kommutierten Elektromotors insbesondere mittels eines Winkelsensors erfasst und ein Rotorpositionssignal erzeugt, welches wenigstens eine
Rotorposition des Rotors repräsentiert. In einem Schritt 72 wird das Rotorpositionssignal mittels eines Analog- Digitalwandlers digitalisiert und ein digitalisiertes
Rotorpositionssignal erzeugt. In einem Schritt 74 wird in Abhängigkeit des digitalisierten Rotorpositionssignals ein Polynom erzeugt, welches die digitalisierten
Rotorpositionswerte wenigstens näherungsweise approximiert. In einem Schritt 76 werden Polynom-Koeffizienten
zwischengespeichert, welche das zuvor gebildete Polynom repräsentieren. In einem Schritt 78 wird mittels eines
Prädiktors ein Polynom in Abhängigkeit der zuvor erzeugten Polynom-Koeffizienten gebildet und in Abhängigkeit des
Polynoms ein Datenstrom erzeugt, welcher Rotorpositionswerte in einem Zeitbereich umfasst, in welchem die von dem
Winkelsensor erfassten Rotorpositionswerte liegen, und zusätzlich dazu zukünftige Rotorpositionswerte aufweist, welche von dem Winkelsensor noch nicht erfasst worden sind und/oder durch das von dem Analog-Digitalwandler 24 erzeugte Signal noch nicht repräsentiert sind. Weiter umfasst der Datenstrom in diesem Ausführungsbeispiel durch Interpolieren erzeugte Rotorpositionswerte, so dass eine zeitliche Taktrate der aufeinander folgenden Rotorpositionswerte des Datenstroms größer ist als eine Abtastrate beim Analog-Digital-Wandeln. In einem Schritt 80 wird in Abhängigkeit von dem Datenstrom ein Kommutierungsmuster ausgewählt und in einem Schritt 82 der Stator mit dem Kommutuierungsmuster bestromt.
Figur 3 zeigt ein Diagramm 90. Das Diagramm 90 weist eine Zeitachse 91 und eine Amplitudenachse 92 auf.
Das Diagramm 90 zeigt eine Kurve 95, welche Abtastwerte 101, 102, 104, 106, 108, 110 und 112 miteinander verbindet. Die Kurve 95 entspricht einem Polynom, welches beispielsweise mittels des in Figur 1 dargestellten Polynomerzeugers 29 erzeugt worden ist, und welches einen Rotorpositionsverlauf repräsentiert. Das Polynom 95 ist in diesem
Ausführungsbeispiel ein Polynom dritten Grades. Dargestellt sind auch Rotorpositionswerte 101, 103, 105, 107, 109, 111 und 113.
Der Rotorpositionswert 101 ist von dem Winkelsensor, so beispielsweise von dem in Figur 1 dargestellten Winkelsensor 18 erfasst worden. Dargestellt sind auch ein Zeitintervall 96 und ein Zeitintervall 98. Das Zeitintervall 96 repräsentiert eine Abtastperiode eines Analog-Digital-Wandlers, beispielsweise des in Figur 1 dargestellten Analog-Digital-Wandlers 27. Die Rotorpositionswerte 100, 102, 104, 106, 108 110 und 112 sind jeweils zu vorangehenden und zu nachfolgenden
Rotorpositionswerten durch das Zeitintervall 96 beabstandet.
Der Rotorpositionswert 101 folgt nach dem Zeitintervall 98 auf den Rotorpositionswert 100. Der Rotorpositionswert 103 folgt nach dem Zeitintervall 98 auf den Rotorpositionswert 102. Das Zeitintervall 98 repräsentiert dabei eine
Rechenzeit, die der Analog-Digitalwandler benötigt, um die Digitalisierung der von dem Winkelsensor gesendeten
Rotorpositionssignale durchzuführen . Der Steuereinheit - beispielsweise der Steuereinheit 30 in
Figur 1 - steht somit zur weiteren Signalverarbeitung und zur Steuerung der Kommutierungszeitpunkte die von dem
Winkelsensor erfassten Rotorpositionssignale in
digitalisierter Form später - in diesem Beispiel um das Zeitintervall 98 verzögert - zur Verfügung, als diese von dem Winkelsensor erfasst worden sind. Dargestellt sind die
Kommutierungszeitpunkte 115 und 117. Der
Kommutierungszeitpunkt 115 ist von dem Rotorpositionswert 102 um das Zeitintervall 99 beabstandet. Das Zeitintervall 99 ist kürzer als das Zeitintervall 98, so dass der
KommutierungsZeitpunkt 115 nach dem Vorliegen des digitalen Rotorpositionswertes 103 - welcher der Rotorposition des Rotorpositionswertes 102 entspricht - erfolgt. Dargestellt sind auch jeweils eine Rotorposition repräsentierende
Zwischenwerte 118, 119 und 120, welche von dem Interpolator erzeugt worden sind. Durch das Erzeugen des Prädiktorpolynoms und das Vorhersagen der zukünftigen Rotorpositionswerte, welche von dem
Winkelsensor noch nicht erfasst worden sind, kann vorteilhaft eine Abtastfrequenz zum Erfassen einer Rotorposition des Rotors niedriger sein, als ohne die Vorhersage mittels des Prädiktor-Polynoms. Weiter vorteilhaft wird die niedrige Abtastfrequenz des Abtastens des Rotorpositionssignals durch das Erzeugen der Zwischenwerte mittels Interpolation
kompensiert oder verbessert. Wenn beispielsweise die Rotorpositionswerte 100, 102, 104 und 106 von dem Winkelsensor erfasst worden sind, so können der Rotorpositionswert 108, der Rotorpositionswert 110 und der Rotorpositionswert 112, sowie die Zwischenwerte 118, 119, 120 mittels des Prädiktor-Polynoms erzeugt worden sein. In einem weiteren Verlauf des Verfahrens zum Kommutieren des Elektromotors kann die Steuereinheit, beispielsweise die Steuereinheit 42 in Figur 1, die mittels des Prädiktors erzeugten Rotorpositionswerte 108, 110 und 112 mit denen von dem Winkelsensor erfassten Rotorpositionswerte 109, 111 beziehungsweise 113 vergleichen und zum Bilden eines weiteren Polynomverlaufs des Prädiktor-Polynoms heranziehen.
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Prädiktor 120, welcher beispielsweise anstelle des in Figur 1 gezeigten Prädiktors 34 Bestandteil des Elektromotors 1 sein kann. Der Prädiktor 120 weist einen Eingang 124 und einen Ausgang 129 auf. Der Eingang 124 ist mit dem in Figur 1 bereits
dargestellten Zeitgeber 40 verbunden. Der Eingang 124 ist über eine Verbindungsleitung 121 mit einem Multiplizierer 126 und einem Multiplizierer 128 verbunden. Der Multiplizierer 126 ist eingangsseitig auch mit einem Addierer 123 verbunden. Der Addierer 123 ist eingangsseitig mit einer Verbindung 131 und über die Verbindung 131 mit einem Eingang 132 verbunden. Der Addierer 123 kann über den Eingang 132 einen Polynom- Koeffizienten empfangen, in diesem Ausführungsbeispiel einen Polynom-Koeffizienten a2 eines Polynoms zweiten Grades. Der Multiplizierer 146 ist ausgangsseitig mit einem Addierer 125 verbunden. Der Addierer 125 ist eingangsseitig mit dem Multiplizierer 126, und auch eingangsseitig mit der
mehrkanalig ausgebildeten Verbindung 131 verbunden. Der Addierer 125 kann über die mehrkanalige Verbindung 131 und so von dem Eingang 132 einen Polynom-Koeffizienten empfangen, in diesem Ausführungsbeispiel einen Polynom-Koeffizienten ai des Polynoms zweiten Grades. Der Addierer 125 ist ausgangsseitig mit dem Multiplizierer 128 verbunden. Der Multiplizierer 128 ist ausgangsseitig mit einem Addierer 127 verbunden. Der Addierer 147 ist eingangsseitig mit dem Multiplizierer 128 und auch eingangsseitig mit dem Eingang 132 über die
Verbindung 131 verbunden, und kann über die Verbindung 131 einen Polynom-Koeffizienten, in diesem Ausführungsbeispiel einen Polynom-Koeffizienten a0 des Polynoms zweiten Grades empfangen. Der Addierer 127 ist ausgangsseitig mit dem
Ausgang 129 verbunden. Der Prädiktor 120 kann beispielsweise bei einem Betrieb von dem Zeitgeber 41 über den Eingang 124 ein insbesondere rampenförmiges Zeittaktsignal 43 empfangen, dessen Taktfrequenz ein Vielfaches einer von dem Analog- Digital-Wandler 27 während des Analog-Digital-Wandelns verwendeten Abtastfrequenz beträgt. Das Zeittaktsignal ist beispielsweise rampenförmig ausgebildet und weist für jeden Takt der Abtastperiode des Analog-Digital-Wandelns eine vorbestimmte Zahl von Rampenstufen auf. Mit jeder an dem Eingang 124 empfangenen Zeittaktperiode, insbesondere
Rampenstufe, des Zeittaktsignals 43 multipliziert der
Multiplizierer 126 ein von dem Addierer 123 empfangenes Ausgangssignal mit dem Zeittaktsignal und gibt ausgangsseitig ein Multiplikationsergebnis an den Addierer 125 aus. Der Addierer 121 addiert das von dem Multiplizierer 126
empfangene Multiplikationsergebnis mit dem von dem Eingang 132 empfangenen Polynom-Koeffizienten ai und gibt
ausgangsseitig ein entsprechendes Additionsergebnis an den Multiplizierer 128 auf. Der Multiplizierer 128 multipliziert das vom dem Addierer 125 empfangene Additionsergebnis mit dem Taktsignal, welches auch der Multiplizierer 126 von dem
Eingang 124 empfangen hat. Der Multiplizierer 128 erzeugt ein entsprechendes Multiplikationsergebnis und gibt dieses ausgangsseitig an einen Addierer 127 aus. Der Addierer 127 addiert das von dem Multiplizierer 128 erzeugte
Multiplikationsergebnis mit einem Polynom-Koeffizienten ao, den der Addierer 127 von dem Eingang 132 über die Verbindung 131 empfangen hat. Der Addierer 127 kann dann das
Additionsergebnis an den Ausgang 129 - als Prädiktions- Rotorpositionssignal - ausgeben. Der Addierer 123 kann eingangsseitig - punktiert dargestellt - im Falle eines
Polynoms mehr als zweiten Grades mit wenigstens einem
weiteren Multiplizierer verbunden sein. Der Eingang 132 ist beispielsweise mit der in Figur 1 dargestellten
Verbindungsleitung 58 und so mit dem Koeffizientenspeicher 32 verbunden. Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Prädiktor 130. Der Prädiktor 130 kann beispielsweise den Prädiktor 34 in Figur 1 ersetzen. Der Prädiktor 130 weist - im Gegensatz zu dem Prädiktor 120 in Figur 4 - keine Multiplizierer auf und kann somit aufwandsgünstig - beispielsweise mittels eines ASIC - bereitgestellt werden.
Der Prädiktor 130 weist einen Eingang 135 und einen Ausgang 165 auf und ist mit einem Zeitgeber 134 verbunden. Der Prädiktor 130 weist eine Mehrzahl, insbesondere zusammen eine Kaskade bildende Integratoren auf. Die Integratoren weisen jeweils einen Addierer und einen Speicher auf.
Dargestellt ist ein Addierer 132, welche ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 152 mit einem Speicher 133 verbunden ist. Der Speicher 133 ist ausgangsseitig über eine
Verbindungsleitung 154 mit einem weiteren Addierer 136 verbunden. Der Speicher 133 ist auch ausgangsseitig über eine rückkoppelnde Verbindungsleitung 150 mit dem Addierer 132 verbunden. Der Addierer 132 bildet zusammen mit dem Speicher 133 einen Integrator.
Der Speicher 133 ist ausgangsseitig über eine
Verbindungsleitung 154 mit dem Addierer 136 verbunden. Der Addierer 136 ist ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 156 mit einem Speicher 137 verbunden. Der Speicher 137 ist ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 158 rückkoppelnd mit dem Addierer 136 verbunden. Der Speicher 147 ist
ausgangsseitig auch über eine Verbindungsleitung 160 mit einem Addierer 138 verbunden. Der Addierer 138 ist
ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 162 mit dem
Ausgang 165 verbunden.
Der Addierer 138, der Addierer 136 und der Addierer 132 sind jeweils eingangsseitig auch mit einem Eingang 135 verbunden und können über den Eingang 135 Polynom-Koeffizienten
empfangen. Der Prädiktor 130 kann über den Eingang 135 beispielsweise mit dem in Figur 1 dargestellten
Koeffizientenspeicher 32 verbunden sein und von dem
Koeffizientenspeicher 32 die Polynom-Koeffizienten empfangen.
Die Polynom-Koeffizienten können von dem Polynomerzeuger 29 beispielsweise wie folgt, insbesondere in Abhängigkeit der Abtastrate des Analog-Digitalwandlers 27 in Figur 1, erzeugt werden : t>o = ao mit bo, bι, b2, taktabhängige Polynomkoeffizienten L = Vielfaches der Abtastfrequenz Ta des Analog- Digitalwandlers 27 in Figur 1
Die mittels des Prädiktors 130 gebildete Recheneinheit kann beispielsweise durch einen Mikroprozessor, einen
Mikrocontroller oder ein FPGA (FPGA = Field-Programmable- Gate-Array) , oder ein ASIC (ASIC = Application-Specific- Integrated-Circuit) verwirklicht sein. Die Verbindung
zwischen dem Eingang 134 und dem Addierer 132 ist teilweise punktiert dargestellt. Dies bedeutet, dass der Prädiktor 130 beispielsweise zum Errechnen eines Polynoms höheren Grades weitere Integratoren aufweisen kann, welche mit dem Addierer 132 verbunden sind. Der Prädiktor 130 ist eingangsseitig auch mit einem Zeitgeber 134 verbunden. Der Zeitgeber 134 ist beispielsweise ausgebildet, ein Zeitsignal zu erzeugen, welches eine insbesondere L-fach höhere Taktrate aufweist als eine von dem Analog-Digital Wandler 27 verwendete Abtastrate.
Die Integratoren des Prädiktors 130 sind jeweils mit dem Zeitgeber 134 verbunden und führen jeweils eine
Rechenoperation mit dem von dem Zeitgeber 134 vorgegebenen Zeittakt aus. Die Polynom-Koeffizienten bo, bi und b2 werden von dem Eingang 135 mit dem Zeittakt der Abtastfrequenz zur Verfügung gestellt. Der Zeitgeber 134 ist beispielsweise ausgebildet, den Zeittakt zum Takten der Integratoren gemäß der folgenden Vorschrift zu erzeugen:
JTakt -L-- a mit fTakt = Taktfrequenz des Zeittaktes zum Takten der
Integratoren,
Ta = Abtastperiode, beispielsweise des Analog- Digitalwandlers 27 in Figur 1
L = Faktor, vorteilhaft als Potenz L = 2n Vorteilhaft ist der Faktor L als Potenz zu einer Basis 2 gewählt. Die Divisionsoperationen zum Erzeugen der Polynom- Koeffizienten bo, bi und b2, weiter bevorzugt bn, lassen sich so vorteilhaft mittels Additionsoperationen erzeugen. Der Prädiktor 130 kann so am Ausgang 165 das mittels der am
Eingang 135 empfangenen Polynom-Koeffizienten erzeugte
Polynom - als Prädiktions-Rotorpositionssignal - ausgeben. Der Ausgang 165 kann beispielsweise mit der in Figur 1 dargestellten Verbindungsleitung 60 verbunden sein, so dass der Prädiktor 130 ausgangsseitig mit der Steuereinheit 42 verbunden ist. Die Steuereinheit 42 kann beispielsweise in
Abhängigkeit des von dem Prädiktor 130 empfangenen Polynoms ■ als Prädiktions-Rotorpositionssignal - aus dem Speicher 65 ein Bestromungsmuster 62 auswählen, und den Stator 10 des Elektromotors 1 mittels der Leistungsendstufe 25 gemäß dem Bestromungsmuster bestromen.

Claims

Patentansprüche
1. Elektronisch kommutierter Elektromotor (1), mit einem Stator (10) und einem insbesondere
permanentmagnetisch ausgebildeten Rotor (11), und einer
Steuereinheit (30), welche mit dem Stator wirkverbunden und ausgebildet ist, Steuersignale zum Kommutieren des Stators (10, 12, 14, 16) derart zu erzeugen, dass der Stator (10, 12, 14, 16) ein magnetisches Drehfeld zum Drehbewegen des Rotors (11) erzeugen kann, und der Elektromotor (1) wenigstens einen Rotorpositionssensor (18} aufweist, welcher ausgebildet ist, eine Rotorposition des Rotors (11) zu erfassen und ein die Rotorposition repräsentierendes Rotorpositionssignal zu erzeugen, und die Steuereinheit (30) ausgebildet ist, die Steuersignale in Abhängigkeit von dem Rotorpositionssignal zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) ausgebildet ist, das
Rotorpositionssignal abzutasten und zu quantisieren {21) , und ein digitales Rotorpositionssignal (95, 100, 102, 104, 106, 108, 110, 112} zu erzeugen, welches einen zeitlichen
Datenstrom bildet, welcher dem abgetasteten und quantisierten Rotorpositionssignal entspricht, wobei die Steuereinheit einen Interpolator aufweist, welcher ausgebildet ist,
wenigstens einen zwischen zwei zeitlich aufeinander folgenden Rotorpositionswerten liegenden Zwischenwert (118, 119, 120} in dem digitalen Rotorpositionssignal zu erzeugen.
2. Elektromotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, das digitale Rotorpositionssignal als digitales Prädiktions- Rotorpositionssignal zu erzeugen, welches wenigstens einen oder eine Mehrzahl von zukünftigen, über das
Rotorpositionssignal zeitlich hinausführende
Rotorpositionswerte (108, 110, 112) umfasst und der
Interpolator (34) ausgebildet ist, den Zwischenwert (118, 119, 120) zwischen zwei zukünftigen Rotorpositionswerten (108, 110, 112) zu erzeugen.
3. Elektromotor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30)
ausgebildet ist, das digitale Prädiktions-Rotorpositionssignal (95, 100, 102, 104, 106, 108, 110, 112) in Abhängigkeit von weiteren, mittels des Rotorpositionssensors (18) erfassten
Rotorpositionen zu korrigieren.
4. Elektromotor (1} nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30)
ausgebildet ist, das digitale Prädiktions-
Rotorpositionssignal (95, 100, 102, 104, 106, 108, 110, 112) mittels einer Approximationsfunktion in Abhängigkeit des Rotorpositionssignals (100, 102, 104, 106) als
Ausgangsfunktion zu erzeugen.
5. Elektromotor (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Approximationsfunktion ein Polynom insbesondere
wenigstens zweiten Grades ist.
6. Elektromotor {1} nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) einen Zeitgeber (134) aufweist, und ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines von dem Zeitgeber (134) erzeugten Zeitsignals das Prädiktions- Rotorpositionssignals (95} zu erzeugen, wobei eine
Taktfrequenz des Zeitgebers größer ist als eine Folgefrequenz aufeinanderfolgender Rotorpositionswerte des digitalen
Rotorpositionssignals, und den Stator in Abhängigkeit des Prädiktions-Rotorpositionssignals (95) zu kommutieren (115, 117).
7. Verfahren zum Betreiben eines elektronisch kommutierten Elektromotors mit einem Rotor, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem mittels eines
Rotorpositionssensors (18) eine Rotorposition eines Rotors (11) erfasst wird und ein der Rotorposition entsprechendes Rotorpositionssignal erzeugt wird, und bei dem das
Rotorpositionssignal abgetastet und quantisiert wird, und ein digitales, einen zeitlichen Datenstrom bildendes
Rotorpositionssignal (95, 100, 102, 104, 106, 108, 110, 112) erzeugt wird, welches das abgetastete und quantisierte
Rotorpositionssignal repräsentiert, wobei mittels
Interpolation wenigstens ein zwischen zwei zeitlich
aufeinanderfolgenden Rotorpositionswerten liegender
Zwischenwert (118, 119, 120) in dem digitalen
Rotorpositionssignal erzeugt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das digitale Rotorpositionssignal als digitales
Prädiktions-Rotorpositionssignal (95, 100, 102, 104, 106, 108, 110, 112) erzeugt wird, welches wenigstens einen oder eine Mehrzahl von zukünftigen, über das Rotorpositionssignal zeitlich hinausführende Rotorpositionswerte (108, 110, 112) umfasst und der Interpolator ausgebildet ist, den
Zwischenwert zwischen zwei zukünftigen Rotorpositionswerten zu erzeugen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das digitale
Prädiktions-Rotorpositionssignal (95, 100, 102, 104, 106, 108, 110, 112) in Abhängigkeit von weiteren, mittels des Rotorpositionssensors erfassten Rotorpositionen gemäß einem Prinzip First-In-First-Out korrigiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Prädiktions-Rotorpositionssignal durch Bilden einer Approximationsfunktion in Abhängigkeit des
Rotorpositionssignals als Ausgangsfunktion erzeugt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Äpproximationsfunktion eine Polynomfunktion insbesondere wenigstens zweiten Grades ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Äpproximationsfunktion eine Ξpline-Funktion ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des Prädiktions-Rotorpositionssignals (95, 100, 102, 104, 106, 108, 110, 112) eine Kommutierung (115, 117) des Stators, bevorzugt mittels eines Kommutierungsmusters, erfolgt.
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