WO2015036198A2 - Positionsbestimmung eines elektromotors durch auswertung der bewegungsrichtung - Google Patents

Positionsbestimmung eines elektromotors durch auswertung der bewegungsrichtung Download PDF

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

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining the position of a rotor of an electric machine, a steering system for a vehicle with a
  • Control unit a computer program and a computer program product.
  • the current position of rotors / rotors of electric machines can be determined by means of Hall sensors.
  • Hall sensors There are embodiments in which there is no clear correlation between the results of the Hall sensors and the position of the rotor / rotor.
  • the starting position is determined and stored in a non-volatile memory, whereby an always accurate position determination can be made due to the known starting position of the rotor.
  • the starting position stored in the memory can be deleted. In this case, no definite position determination may be possible anymore. It is therefore an object to provide a method for re-determining the exact position after clearing the starting position of the rotor.
  • a method of determining the position of a rotor of an electric machine comprising the steps of: determining the potentially possible positions of the rotor, determining a target position, applying a commutation to reach the target position, and determining the direction of rotation of the rotor.
  • a steering system for a vehicle is provided with a control unit, wherein the control unit a
  • Storage means having a computer program stored thereon, wherein the computer program for carrying out a method according to one of claims 1 to 5 is configured.
  • a computer program for carrying out a method according to one of claims 1 to 5 is configured.
  • a computer program product comprising program code means, which on a
  • a method further comprising the step of: determining the position based on the direction of rotation.
  • n-times specification target position n-times corresponding commutation
  • n-times determining the direction of rotation n-times specification target position, n-times corresponding commutation and n-times determining the direction of rotation.
  • n 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 or any natural value and / or being the same by the commutations
  • Rotation directions or different directions of rotation are generated and / or wherein the different directions of rotation in each case have alternating directions.
  • a method is provided wherein an equal waiting time or different waiting times are inserted between individual PWMs.
  • FIG. 1 a magnetic motor ring and a first magnetic sensor ring
  • FIG. 2 a magnetic motor ring and a second magnetic sensor ring
  • FIG. 1 Hall sensor values of three Hall sensors in a magnetic sensor ring according to FIG. 1
  • FIG. 4 Hall sensor values of three Hall sensors in a magnetic sensor ring according to FIG. 2
  • FIG. 1 Hall sensor values of three Hall sensors in a magnetic sensor ring according to FIG. 1
  • FIG. 4 Hall sensor values of three Hall sensors in a magnetic sensor ring according to FIG. 2
  • FIG. 6 shows an increase of the PWM control (for example based on 0%, over 2%, 4% and 6% up to 8%)
  • FIG. 7 Hall sensor values and associated motor poles and a schematic procedure according to the invention
  • 8 is an illustration of an alternative method according to the invention
  • FIG. 9 shows a representation of a further alternative method according to the invention
  • FIG. 10 shows a representation of a further alternative method according to the invention
  • FIG. 11 shows a method according to the invention as a flow chart.
  • Fig. 1 shows a magnetic motor ring 1, which is a part of the rotor of the drive motor, and a magnetic sensor ring 5, which is also arranged on the drive motor and synchronously runs with the magnetic motor ring 1. Based on the magnetic sensor ring 5, a position of the rotor of the drive motor can be uniquely determined by the arrangement of Hall sensors 2, 3, 4.
  • Fig. 2 shows the magnetic motor ring 1 of the drive motor and another synchronously co-rotating magnetic sensor ring 6, wherein the magnetic sensor ring 6 in comparison to the magnetic sensor ring 5 of Figure 1 has a double resolution.
  • the associated motor pole can be unambiguously determined. For example, starting from the Hall sensor value
  • Hall sensor value "5" determined that at the corresponding position, a north pole N of the rotor / rotor is present.
  • FIG. 5 shows the possible effects if a wrong position 8 is assumed. Starting situation is that a position between the
  • Hall sensor values 2 and 6 to be approached. This could in principle be position 10 or position 11.
  • a commutation would be made, which would lead from the correct position 9 to a movement to the left (with respect to drawing plane), which would be opposite to the actual direction of rotation of the electric motor and therefore never should.
  • the electric motor is switched off immediately by the control unit and an error message is generated. If the correct position 9 had been selected as the assumed position, a movement to the right (with regard to the plane of the drawing) would actually have resulted, ie in the direction of the actual direction of rotation.
  • the task is therefore, in an electric motor with ambiguous assignment of Hall sensor values and
  • Rotor position to provide a method that allows initialization and avoids that the rotor is moved counter to the actual direction of rotation.
  • the problem should be solved in particular without an extension of the sensors. (Thus, for example, no arrangement of an additional Hall sensor is required.)
  • FIG. 6 shows a slow or stepwise increase of the pulse width modulation in order to overcome external forces slowly.
  • Fig. 7 shows an inventive method to determine the correct position of the rotor can.
  • the electric motor could be a servomotor of a steering assistance of a vehicle. If, for example, the relevant steering wheel is held in place, an external force acts and a force acts
  • FIG. 8 shows a particular embodiment of a method in which PWM phases 17, 18 alternately lead to the generation of Hall sensor values 19, 20.
  • PWM phases 17, 18 are to be generated pulsating Hall sensor values 19, 20.
  • alternating Hall sensor values 19, 20 result, it can be assumed that no (relevant) external forces act and therefore the measurement result is correct.
  • the PWM phases 17, 18 are formed as rising and falling stairs, respectively, to form a successively increasing force. This can be used to overcome existing external forces gradually, without resulting in an initial "overreacting".
  • FIG. 9 shows a further variant of a method according to the invention in which a larger force (higher PWM) is used to start from the outset
  • FIG. 10 shows a further variant in the case of between individual PWM phases
  • FIG. 11 shows a method according to the invention as a flow chart.

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

Abstract

Die Beschreibung umfasst ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Rotors einer Elektromaschine, umfassend die Schritte: bestimmen der potentiell möglichen Positionen des Rotors 23, bestimmen einer Zielposition 24, anlegen einer Kommutierung zum Erreichen der Zielposition 25 und bestimmen der Drehrichtung des Rotors 26.

Description

Positionsbestimmung eines Elektromotors durch Auswertung der Bewegungsrichtung
BESCHREIBUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Rotors einer Elektromaschine, ein Lenksystem für ein Fahrzeug mit einer
Steuereinheit, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Im Stand der Technik sind Hallsensoren zur Positionsbestimmung eines Rotors einer Elektromaschine bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die aktuelle Position von Rotoren/Läufern von Elektromaschinen kann anhand von Hallsensoren bestimmt werden. Es gibt Ausführungsformen bei denen zwischen den Ergebnissen der Hallsensoren und der Position des Rotors/Läufers keine eindeutige Zuordnung besteht. In diesem Fall wird die Startposition bestimmt und in einem nichtflüchtigen Speicher abgelegt, wodurch eine stets genaue Positionsbestimmung aufgrund der bekannten Ausgangsposition des Rotors erfolgen kann. Findet jedoch beispielsweise ein Batteriewechsel statt, so kann die im Speicher abgespeicherte Ausgangsposition gelöscht werden. In diesem Fall kann eventuell keine eindeutige Positionsbestimmung mehr erfolgen. Eine Aufgabe ist daher, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, um nach einem Löschen der Ausgangsposition des Rotors die genaue Position wieder zu bestimmen.
Als erste Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Rotors einer Elektromaschine zur Verfügung gestellt, umfassend die Schritte: bestimmen der potentiell möglichen Positionen des Rotors, bestimmen einer Zielposition, anlegen einer Kommutierung zum Erreichen der Zielposition und bestimmen der Drehrichtung des Rotors. Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren kann ohne die Anordnung weiterer Sensoren auch bei nicht eindeutiger Zuordnung von Hallsensorwerten und Motorpolen eine genaue Bestimmung der Position des Rotors vorgenommen werden.
Als zweite Ausführungsform der Erfindung wird ein Lenksystem für ein Fahrzeug mit einer Steuereinheit zur Verfügung gestellt, wobei die Steuereinheit ein
Speichermittel mit einem darauf abgelegten Computerprogramm aufweist, wobei das Computerprogramm zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgestaltet ist. Als dritte Ausführungsform der Erfindung wird ein Computerprogramm zur
Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Verfügung gestellt.
Als vierte Ausführungsform der Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt zur Verfügung gestellt, umfassend Programmcode-Mittel, die auf einem
computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen, wenn die Programmcode-Mittel auf einem
Computer ausgeführt werden.
Beispielhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen
beschrieben. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, femer umfassend den Schritt: bestimmen der Position anhand der Drehrichtung. In einer weiteren erfindungs gemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur
Verfügung gestellt, femer umfassend die Schritte: n-malige Vorgabe Soll-Position, n- malige entsprechende Kommutierung und n-maliges Bestimmen der Drehrichtung.
Durch die mehrmalige Anwendung des Verfahrens kann eine höhere Sicherheit bei der Ermittlung der tatsächlichen Position des Rotors erreicht werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei n=2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder ein beliebiger natürlicher Wert ist und/oder wobei durch die Kommutierungen gleiche
Drehrichtungen oder unterschiedliche Drehrichtungen erzeugt werden und/oder wobei die unterschiedlichen Drehrichtungen jeweils abwechselnde Richtungen aufweisen.
Durch das Anlegen von Kommutierungen, die zu unterschiedlichen Drehrichtungen führen, kann sichergestellt werden, dass das Messergebnis nicht durch eine externe Kraft verfälscht wird.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei zwischen einzelnen PWMs eine gleiche Wartezeit oder unterschiedliche Wartezeiten eingefügt werden.
Durch das Einfügen von Wartezeiten wird der mechanischen Trägheit des
Elektromotors Rechnung getragen. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass die Auswirkungen von angelegten Kommutierungen festgestellt werden können.
Als eine Idee der Erfindung kann angesehen werden, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das ohne zusätzliche Sensorik die Feststellung der tatsächlichen Position eines Rotors einer Elektromaschine ermöglicht, insbesondere falls die Zuordnung von Hallsensorwerten und Motorpolen nicht eindeutig ist.
Die einzelnen Merkmale können selbstverständlich auch untereinander kombiniert werden, wodurch sich zum Teil auch vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den
Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele deutlich. Es zeigen
Fig. 1 einen Magnetmotorring und einen ersten Magnetsensorring, Fig. 2 einen Magnetmotorring und einen zweiten Magnetsensorring,
Fig. 3 Hallsensorwerte von drei Hallsensoren bei einem Magnetsensorring nach Fig. 1, Fig. 4 Hallsensorwerte von drei Hallsensoren bei einem Magnetsensorring nach Fig. 2,
Fig. 5 Hallsensorwerte von drei Hallsensoren bei einem Magnetsensorring nach Fig. 2 mit der Darstellung der potentiell möglichen Positionen des Rotors der
Elektromaschine,
Fig. 6 ein Ansteigen der PWM-Ansteuerung (beispielsweise ausgehend von 0%, über 2%, 4% und 6% bis zu 8%), Fig. 7 Hallsensorwerte und zugehörige Motorpole sowie eine schematische erfindungsgemäße Vorgehensweise, Fig. 8 eine Darstellung eines alternativen erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 9 eine Darstellung eines weiteren alternativen erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 10 eine Darstellung eines weiteren alternativen erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 11 ein erfindungsgemäßes Verfahren als Flussdiagramm.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Fig. 1 zeigt einen Magnetmotorring 1, der einen Teil des Rotors des Antriebsmotors darstellt, sowie einen Magnetsensorring 5, der ebenfalls am Antriebsmotor angeordnet ist und mit dem Magnetmotorring 1 synchron mitläuft. Anhand des Magnetsensorrings 5 kann durch die Anordnung von Hallsensoren 2, 3, 4 eine Position des Rotors des Antriebsmotors eindeutig bestimmt werden.
Fig. 2 zeigt den Magnetmotorring 1 des Antriebsmotors und einen weiteren synchron mitlaufenden Magnetsensorring 6, wobei der Magnetsensorring 6 im Vergleich zum Magnetsensorring 5 der Figur 1 eine doppelte Auflösung aufweist.
Fig. 3 zeigt eine tabellarische Aufstellung der Hallsensorwerte und der jeweiligen zugehörigen Motorpole entsprechend der Situation der Figur 1. Es kann festgestellt werden, dass ausgehend von einem Hallsensorwert der dazugehörige Motorpol eindeutig bestimmt werden kann. Beispielsweise kann ausgehend vom
Hallsensorwert„5" bestimmt werden, dass an der entsprechenden Position ein Nordpol N des Läufers/Rotors vorliegt.
Fig. 4 zeigt eine weitere tabellarische Aufstellung der Hallsensorwerte und der jeweiligen zugehörigen Motorpole entsprechend der Situation der Figur 2. Aus einem gegebenen Hallsensorwert„5" kann jetzt nicht mehr die absolute Rotorposition bestimmt werden, da es tatsächlich möglich ist, dass an der betreffenden Position sowohl ein Nordpol N als auch ein Südpol S vorliegen kann.
Fig. 5 zeigt die möglichen Auswirkungen, falls von einer falschen Position 8 ausgegangen wird. Ausgangssituation ist, dass eine Position zwischen den
Hallsensorwerten 2 und 6 angefahren werden soll. Dies könnte prinzipiell die Position 10 oder die Position 11 sein. Bei der (falschen) Annahme, dass die Position 8 die tatsächliche Position des Rotors ist, würde eine Kommutierung vorgenommen werden, die aus der richtigen Position 9 zu einer Bewegung nach links (bezüglich Zeichenebene) führen würde, was entgegen der eigentlichen Drehrichtung des Elektromotors wäre und daher niemals erfolgen sollte. In diesem Fall wird der Elektromotor vom Steuergerät sofort abgeschaltet und eine Fehlermeldung wird generiert. Wäre als angenommene Position die richtige Position 9 gewählt worden, so hätte sich tatsächlich eine Bewegung nach rechts (bezüglich Zeichenebene) ergeben, also in Richtung der eigentlichen Drehrichtung. Die Aufgabe ist daher, bei einem Elektromotor mit nicht eindeutiger Zuordnung von Hallsensorwerten und
Rotorposition ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das eine Initialisierung ermöglicht und das vermeidet, dass der Rotor entgegen der eigentlichen Drehrichtung bewegt wird. Das Problem soll insbesondere ohne eine Erweiterung der Sensorik gelöst werden. (Es soll also beispielsweise keine Anordnung eines zusätzlichen Hallsensors erforderlich sein.)
Fig. 6 zeigt eine langsame bzw. schrittweise Steigerung der Pulsweitenmodulation, um externe Kräfte langsam überwinden zu können. Durch eine sukzessive Erhöhung der PWM kann weitgehend verhindert werden, dass der Rotor durch eine externe
Kraft in die falsche Richtung gedreht wird, wodurch sich eine falsche Initialisierung ergeben würde.
Fig. 7 zeigt ein erfindungsgemäßes Vorgehen, um die korrekte Position des Rotors feststellen zu können. Hierzu werden zunächst die beiden, aufgrund der vorliegenden Hallsensorwerte, möglichen Positionen 1, 2 des Rotors bestimmt. Es wird ein Sollwert 16 festgelegt, der zwischen diesen beiden Positionen 1, 2 liegt. Wird nun eine entsprechende Kommutierung angelegt, um diesen Sollwert 16 anzufahren, so ergibt sich eine Bewegungsrichtung 21 nach rechts (bezüglich der Zeichenebene), falls die erste Position 14 die tatsächliche Ausgangsposition des Rotors der
Elektromaschine war. War die tatsächliche Ausgangsposition die Position 15, so ergibt sich durch die angelegte Kommutierung eine Bewegung 22 nach links (bezüglich der Zeichenebene). Daraus ergibt sich, dass anhand dieser
Vorgehensweise je nach tatsächlicher Position des Rotors sich eine unterschiedliche Drehrichtung ergibt, was zur Bestimmung der tatsächlichen Rotorposition genutzt werden kann.
Es besteht grundsätzlich die Möglichkeit, dass externe Kräfte auf den Rotor der Elektromaschine wirken und daher ein Messergebnis, das durch ein oben genanntes Verfahren erhalten wurde, verfälschen. Beispielsweise könnte der Elektromotor ein Servomotor einer Lenkunterstützung eines Fahrzeugs sein. Wird beispielsweise das betreffende Lenkrad festgehalten, wirkt eine externe Kraft ausgeübt und eine
Kommutierung der Elektromaschine wird nicht zu einer entsprechenden Bewegung des Rotors führen.
Fig. 8 zeigt eine besondere Ausführungsform eines Verfahrens, bei dem abwechselnd PWM-Phasen 17, 18 zur Erzeugung von Hallsensorwerten 19, 20 führen. Durch die
PWM-Phasen 17, 18 sollen pulsierende Hallsensorwerte 19, 20 erzeugt werden.
Ergeben sich abwechselnde Hallsensorwerte 19, 20, so kann davon ausgegangen werden, dass keine (relevanten) externe Kräfte wirken und daher das Messergebnis korrekt ist. Die PWM-Phasen 17, 18 sind als steigende bzw. fallende Treppen ausgebildet, um eine sukzessiv zunehmende Kraft auszubilden. Hiermit können vorhandene externe Kräfte allmählich überwunden werden, ohne dass sich ein anfängliches„Überreagieren" ergibt.
Fig. 9 zeigt eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem mit einer größeren Kraft (höheren PWM) gestartet wird, um von vorneherein externe
Kräfte überwinden zu können (beispielsweise wird das Lenkrad festgehalten). Wurde beim Verfahren nach Fig. 8 mit einem PWM von 0%, 1%, 2%, 3% gestartet, so kann alternativ nach dem Verfahren nach Fig. 9 mit einem PWM von 5%, 6%, 7%, 8%, 9% begonnen werden.
Fig. 10 zeigt eine weitere Variante bei der zwischen einzelnen PWM-Phasen
Wartezeiten/Pausen eingefügt werden. Während der Wartezeit/Pause kann der Elektromotor weiterdrehen. Sobald eine neue PWM ausgegeben wird, wird der aktuelle Hallsensorwert abgespeichert (Start_Hall_Pattern). Nach der Änderung eines Hallsensorwerts wird nun der neue Hallsensorwert mit dem vor der Ausgabe aktuellen Wert verglichen. Dies ermöglicht es, dem Motor seine Eigenbewegung durch die Test-PWM weiter zu folgen.
Fig. 11 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren als Flussdiagramm.
Es sei angemerkt, dass der Begriff„umfassen" weitere Elemente oder
Verfahrensschritte nicht ausschließt, ebenso wie der Begriff„ein" und„eine" mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließt.
Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegeben wird.
LISTE DER BEZUGSZEICHEN
1 Polanordnung Rotor
2 erster Hallsensor
3 zweiter Hallsensor
4 dritter Hallsensor
5 Magnetsensorring
6 Magnetsensorring
7 Drehrichtung
8 angenommene, falsche, Position
9 richtige Position
10 falsche Kommutierung
11 richtige Kommutierung
12 in richtige Richtung zeigende Kraft
13 in falsche Richtung zeigende Kraft
14 erste Position
15 zweite Position
16 S ollvorgabe/Ziel
17 steigende Treppe PWM
18 fallende Treppe PWM
19 hoher Hallsensorwert
20 niedriger Hallsensorwert
21 erste Bewegungsrichtung
22 zweite Bewegungsrichtung
23 Bestimmen der potentiell möglichen Positionen des Rotors
24 Bestimmen einer Zielposition
25 Anlegen einer Kommutierung zum Erreichen der Zielposition
26 Bestimmen der Drehrichtung des Rotors
27 Bestimmen der tatsächlichen Position anhand der Drehrichtung

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Bestimmung der Position eines Rotors einer Elektromaschine, umfassend die Schritte:
bestimmen der potentiell möglichen Positionen des Rotors (23),
bestimmen einer Zielposition (24),
anlegen einer Kommutierung zum Erreichen der Zielposition (25) und
bestimmen der Drehrichtung des Rotors (26).
2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt:
bestimmen der Position anhand der Drehrichtung (27).
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, ferner umfassend die Schritte n-malige Vorgabe Soll-Position,
n-malige entsprechende Kommutierung und
n-maliges Bestimmen der Drehrichtung.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei n=2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder ein beliebiger natürlicher Wert ist und/oder wobei durch die Kommutierungen gleiche
Drehrichtungen oder unterschiedliche Drehrichtungen erzeugt werden und/oder wobei die unterschiedlichen Drehrichtungen jeweils abwechselnde Richtungen aufweisen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen einzelnen PWMs eine gleiche Wartezeit oder unterschiedliche Wartezeiten eingefügt werden.
6. Lenksystem für ein Fahrzeug mit einer Steuereinheit, wobei die Steuereinheit ein Speichermittel mit einem darauf abgelegten Computerprogramm aufweist, wobei das Computerprogramm zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgestaltet ist.
7. Computerprogramm zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
8. Computerprogrammprodukt, umfassend Programmcode-Mittel, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen, wenn die Programmcode-Mittel auf einem Computer ausgeführt werden.
PCT/EP2014/067318 2013-09-10 2014-08-13 Positionsbestimmung eines elektromotors durch auswertung der bewegungsrichtung WO2015036198A2 (de)

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