WO2015154942A1 - Verfahren und vorrichtung zur lagebestimmung eines maschinenteils, regelverfahren zum regeln eines betriebs einer elektrischen maschine und elektrische maschine - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur lagebestimmung eines maschinenteils, regelverfahren zum regeln eines betriebs einer elektrischen maschine und elektrische maschine Download PDF

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WO2015154942A1
WO2015154942A1 PCT/EP2015/055155 EP2015055155W WO2015154942A1 WO 2015154942 A1 WO2015154942 A1 WO 2015154942A1 EP 2015055155 W EP2015055155 W EP 2015055155W WO 2015154942 A1 WO2015154942 A1 WO 2015154942A1
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rotor
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Igor Jantzen
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • F02D2200/10—Parameters related to the engine output, e.g. engine torque or engine speed
    • F02D2200/101—Engine speed

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for determining the position of a machine part, for example a rotor of an electric machine, to a control method for regulating an operation of an electrical machine and to an electric machine.
  • Hall sensors are often used to detect the situation. These solve, for example, six positions per electrical revolution. The electrical angle is therefore roughly quantized. It is desirable to have a position survey with a higher number of positions.
  • DE 10 2004 015 037 A1 deals with a method for determining the angular position of rotation of a shaft.
  • the present invention provides an improved method and an apparatus for determining the position of a machine part, for example a rotor of an electric machine, an improved control method for controlling an operation of an electric machine and an improved electric machine according to the main claims.
  • a position determination of a machine part can be based on an assumed distance of a current position of the machine part to a detected and thus known position of the machine part.
  • the assumed distance can be determined using a suitable determination rule, which can be based for example on an extrapolation method.
  • the approach described allows a precise position determination as would be possible with an incremental encoder sensor and a sine / cosine sensor, but can be realized much cheaper.
  • the approach described enables a more accurate and more reliable attitude determination compared to a known combination of Hall sensors and software algorithm based interpolation or a software algorithm based observer.
  • a method for determining the position of a machine part using a plurality of sensor elements arranged along a movement path of the machine part comprises the following steps:
  • Reading in a speed value the speed value representing an assumed speed of the machine part
  • the machine part may, for example, be a part of an electric, hydraulic or pneumatic machine or else a transmitter element, for example a magnet, for the sensor elements.
  • the movement path can represent a circular path or a straight line.
  • the machine part may be a part that performs a rotary movement or a linear movement.
  • the speed of the machine part may be an angular velocity or a linear velocity act.
  • the machine part can be designed to emit a signal detectable by the sensor elements, for example a magnetic field.
  • the sensor elements can be arranged so that the sensor elements in a movement of the machine part along the movement path in turn can detect the signal emitted by the machine part signal.
  • each sensor element can be assigned a position of the machine part, which can be represented by a position value assigned to the respective sensor element.
  • a time value can represent a time at which a position of the machine part is detected by a sensor element, that is, for example, the signal emitted by the machine part is detected by a sensor element.
  • the speed of the machine part may be predetermined or determined, for example, from a series of preceding time values detected.
  • a current time value can be used to determine the assumed distance. From the knowledge of the assumed AbStands and for example a last using the sensor elements detected position of the machine part can be concluded that the current position of the machine part and thus a position determination of the machine part are performed.
  • the maximum distance value can be used to limit the assumed distance to plausible values for the distance. As a result, malfunctions can be avoided, for example, if the position determination of the machine part carried out, for example, is used to control a machine comprising the machine part.
  • the method may comprise a step of reading in the detected attitude value and a step of determining an assumed attitude value using the detected attitude value and the assumed distance value.
  • the assumed position value can represent an assumed current position of the machine part. If the machine part represents a rotor of an electric machine, the current position can represent, for example, an angular position of the rotor. Due to the use of the maximum distance value in determining the assumed distance, critical values for the distance, in particular, too large distance values, can be excluded.
  • a provisional value may be determined using the time value and the speed value. In this case, the assumed distance value may be determined as the provisional value if the provisional value is smaller than the maximum distance value.
  • the assumed distance value may be determined as the maximum distance value if the tentative value is greater than the maximum distance value.
  • the provisional value may be determined, for example, by using a determination rule, and the obtained provisional value may be assigned to the assumed distance value until the tentative value reaches the maximum distance value.
  • tentative values greater than the maximum distance value may be considered implausible.
  • the provisional value may be determined by using an extrapolation method or an interpolation method.
  • the provisional value and thus also the assumed distance value can be determined very quickly and accurately.
  • the movement path may be circular. This is true, for example, when the machine part is mounted to rotate about an axis.
  • the approach described can be advantageously used for a position determination of a rotor.
  • the distance value may represent an angle.
  • the maximum distance value may be specified as a value less than or equal to 90 °.
  • the maximum distance value lends itself, for example, in an electrical machine, in which a deviation of more than 90 ° between the assumed current position and the actual position of the machine part can lead to malfunction in the control of the operation of the electric machine. Even if the machine part comes to a standstill immediately after detecting the position of the machine part by a sensor element, the assumed mene distance due to the predetermined maximum distance value of 90 ° does not rise above this value, so that even in such a case, a malfunction in the control of the operation of the electric machine can be avoided.
  • the maximum distance value may be predetermined as a value corresponding to a distance between two adjacent sensor elements of the plurality of sensor elements.
  • the determination of the assumed distance value may each be restarted in response to the reading of a new time value.
  • it may be considered implausible if the assumed distance value had a value greater than the distance between two adjacent sensor elements. Setting the assumed distance value to such an implausible value can be avoided by the appropriate choice of the maximum distance value.
  • the method may include a step of reading in a previous time value.
  • the preceding time value can be assigned to a previously recorded position value.
  • the preceding detected position value may represent a preceding position of the machine part detected by a further sensor element of the plurality of sensor elements.
  • the method may further include a step of determining the speed value using the time value and the previous time value. In this way, after providing two consecutive time values, a current speed value can be determined by two adjacent sensor elements and used to determine the assumed distance value.
  • the machine part may be a rotor of an electrical machine.
  • the plurality of sensor elements may be magnetic field sensors.
  • a magnetic field sensor may be, for example, a Hall sensor.
  • Such sensors are already used for determining the position of rotors. In this way, the described approach can be used to improve existing systems.
  • An operation of such an electric machine can be controlled by a suitable control method.
  • a control method for controlling an operation of an electric machine comprises a step of determining a position of the rotor of the electric machine by performing a method.
  • a very accurate determination of the position of the rotor can be available for controlling the operation of the electric machine. This is advantageous, for example, if the rule is based on a field-oriented control (FOS).
  • FOS field-oriented control
  • a device for determining the position of a machine part using a plurality of sensor elements arranged along a movement path of the machine part has the following features:
  • a device may be an electrical device that processes electrical signals, such as sensor signals, and outputs control signals in response thereto.
  • the device may have one or more suitable interfaces, which may be formed in hardware and / or software.
  • the interfaces may be part of an integrated circuit in which functions of the device are implemented.
  • the interfaces may also be their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the Interfaces software modules that are available for example on a microcontroller in addition to other software modules.
  • the device can advantageously be used in conjunction with an electrical machine.
  • an electric machine may comprise a rotor and a stator having a plurality of sensor elements arranged along a movement path of the rotor and also a device for determining a position of the rotor.
  • the approach described can be advantageously used as a supplement to a known electrical machine.
  • a computer program product with program code which can be stored on a machine-readable carrier such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and is used to carry out the method according to one of the embodiments described above if the program is installed on a computer or a device is also of advantage is performed.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an electrical machine with a device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic representation of a device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart of a method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic representation of a rotor according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 7 is a graphical representation for determining the position of a machine part, according to an embodiment of the present invention.
  • the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similarly acting, wherein a repeated description of these elements is omitted.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electrical machine 100 with a device 102 according to an embodiment of the present invention.
  • the electric machine 100 has a rotor 1 10 and a stator 1 12.
  • Six sensor elements 121, 122, 123, 124, 125, 126 are arranged on the stator 1 12 by way of example.
  • the rotor 1 10 is rotatably mounted about a rotor axis.
  • the rotor 1 10 has at least one magnet, depending on the embodiment, at least one electromagnet or a permanent magnet on.
  • the at least one magnet represents a donor element for the sensor elements 121, 122, 123, 124, 125, 126.
  • the sensor elements 121, 122, 123, 124, 125, 126 are arranged around the rotor 110 and designed to be one of To sense the rotor 1 10 generated magnetic field.
  • the sensor elements 121, 122, 123, 124, 125, 126 are exposed in turn to the magnetic field of the rotor 1 10.
  • the sensor elements 121, 122, 123, 124, 125, 126 are each designed to output a sensor signal which is generated by a respective sensor element 121, 122, 123,
  • the device 102 has an interface for receiving the sensor signals of the sensor elements 121, 122, 123, 124, 125, 126.
  • the device 102 is designed to perform a position determination with respect to a position, in this case an angular position, of the rotor 110, using the sensor signals.
  • the device 102 is designed to determine, based on the sensor signals, points in time at which the rotor 1 10 had in each case assumed a position which was determined by one of the sensor elements 121,
  • the device 102 is further designed to determine a rotational speed of the rotor 110 based on two successive points in time and a known distance between two adjacent sensor elements 121, 122, 123, 124, 125, 126. Due to the rotational speed of the rotor 1 10 moves after he has taken a last detected position on, so that at a subsequent time, a distance between the last detected position and a current position of the rotor 1 10 is.
  • the device 102 is designed in response to a last detected by one of the sensor elements 121, 122, 123, 124, 125, 126 position of the rotor 1 10 using the last determined rotational speed of the rotor 1 10, the distance between one at a current time assumed current position of the rotor 1 10 and the last detected position of the rotor 1 10 to determine and provide, for example, as an assumed distance value 130.
  • the device 102 has a memory 135 for a maximum distance value 136 according to this exemplary embodiment.
  • Device 102 is configured in accordance with this embodiment to provide the assumed distance value 130 only with values that are less than or equal to maximum distance value 136 in one embodiment.
  • the maximum distance value 136 may, for example, correspond to an angle value which corresponds to an angle of 360 ° divided by the number of sensor elements 121, 122, 123, 124, 125, 126.
  • the maximum distance value 136 may be a distance between two adjacent sensor elements 121, 122,
  • the device 102 is designed to combine the assumed distance value 130 with the last detected position of the rotor 110, for example by summation, and thereby to determine an assumed position value representing an assumed current position of the rotor 110.
  • the device 102 may be configured to provide the assumed attitude value instead of or in addition to the assumed distance value 130.
  • a controller 137 is provided which is configured to perform a control method for controlling an operation of the electric machine 100.
  • the control device 137 is designed to receive the assumed distance value 130 or an assumed position value of the rotor 110 via an interface to the device 102. Further, the controller 137 is configured to receive one or more current values or voltage values 138 sensed at phases of the electric machine 100.
  • the control device 137 is designed to use the received values 130, 138 to determine a control signal 139 for setting at least one operating parameter of the electric machine 100 and to provide it to a control input of the electric machine 100.
  • the controller 137 may be configured to perform field-oriented control of the electric machine 100.
  • the device 102 may be considered part of the controller 137.
  • the device 102 may have an interface to an evaluation device on the input side and be designed to generate specific values, for example time values, position values and / or speed values, from the evaluation device based on the sensor signals of the sensor elements 121, 122, 123, 124, 125, 126 to recieve.
  • a time value may depict a time of detection of a position of the rotor 110 by one of the sensor elements 121, 122, 123, 124, 125, 126.
  • a position value can be a position of the rotor 1 10 detected by one of the sensor elements 121, 122, 123, 124, 125, 126.
  • a speed value can map a speed of the rotor 110.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a device 102 for determining the position of a machine part using a plurality of sensor elements arranged along a movement path of the machine part according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • This may be an embodiment of the device 102 shown in FIG.
  • the machine part may be a rotor and the sensor elements may be magnetic field sensors.
  • the device 102 has a read-in device 241 which is designed to receive a time value assigned to a detected position value.
  • the detected position value represents a position of the machine part detected by a sensor element of the plurality of sensor elements.
  • the position value can in particular represent a position of the machine part last detected by one of the sensor elements and thus assumed to be known.
  • About the time value is also known at what time the machine part had taken the recorded position.
  • the device 102 comprises another read-in device 243, which is designed to read in a speed value which represents an assumed speed of the machine part.
  • the device 102 In order to determine a distance between a current position of the machine part and the last detected position resulting from the assumed speed at a current time defined by the time value, the device 102 has a determination device 245 which is designed to have an assumed distance value 130 using the time value, the speed value and a maximum distance value. In this case, the determination means 245 may further use the current time or a time difference between the current time and the time value. In this case, the determination device 245 is designed to limit the assumed distance value 130 by the maximum distance value, so that the assumed distance value 130 can assume a maximum value predetermined by the maximum distance value.
  • FIG. 3 shows a flow chart of a method for determining the position of a machine part using a plurality of sensor elements arranged along a movement path of the machine part according to an embodiment.
  • steps of the method may be performed using devices of the device described with reference to FIG.
  • the method comprises a step 341 of reading in a time value, a step 343 of reading in a speed value and a step 345 of determining an assumed distance value 130 using the time value, the speed value and a maximum distance value.
  • the steps 341, 343, 345 can be executed repeatedly consecutively.
  • the assumed distance value 130 can be set to zero and increased in magnitude starting from zero until a further time value is read in by a renewed step 341, or until the assumed distance value 130 has been increased in amount, the assumed distance value 130 has reached the predetermined maximum distance value. If so, the assumed distance value 130 is not increased any further.
  • the method further comprises
  • the assumed position value represents the assumed current position of the machine part.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an electrical machine 100 according to an embodiment of the present invention. This may be, for example, the electric machine 100 described with reference to FIG. 1.
  • the first sensor element 121 also called Hall sensor A
  • the second sensor element 122 also called Hall sensor B
  • the third sensor element 123 also called Hall sensor C
  • the fourth sensor element 124 also called Hall sensor D
  • the fifth sensor element 125 also called Hall sensor E
  • the sixth sensor element 126 also called Hall sensor F
  • another suitable number of sensor elements 121, 122, 123, 124, 125, 126 may also be used.
  • the first sensor element 121 is arranged so that it can detect a position of 0 ° of the rotor element characterized by a first position value 221, i. using the first sensor element, the time can be detected at which the rotor has an angular position of 0 °.
  • the second sensor element 122 is arranged such that it can detect a position of 60 ° of the rotor element characterized by a second position value 222; the third sensor element 123 is arranged such that it detects a position of 120 ° of the rotor element characterized by a third position value 223
  • the fourth sensor element 124 is arranged such that it can detect a position of 180.degree.
  • the sensor elements 121, 122, 123, 124, 125, 126 may each be designed to output the position values 221, 222, 223, 224, 225, 226 representing the respective layers.
  • a downstream evaluation orientation can be designed in order to provide the corresponding position values 221, 222, 223, 224, 225, 226 by evaluating sensor signals of the sensor elements 121, 122, 123, 124, 125, 126.
  • Each position value 221, 222, 223, 224, 225, 226 can be assigned a time value by which a time of detection of the position of the rotor represented by the respective position value 221, 222, 223, 224, 225, 226 can be indicated.
  • a first sector 461 is located between the sen- sensor elements 121, 122 and a second sector 462 between the sensor elements 122, 123. Furthermore, further sectors 463, 464, 465, 466 are plotted.
  • An arrow indicates an actual current position 475 of the rotor, also referred to as (1),
  • the rotor could be last detected by the second sensor element 122, so that the second position value 222 Until the time at which the rotor can be detected by the third sensor element 123, an assumed current position of the rotor is determined over an assumed distance of the assumed current position from the last detected position of the rotor.
  • a speed of the rotor may have previously been determined, for example using time values at which two adjacent sensor elements 121, 122, 123, 124, 125, 126, here for example the sensor elements 121, 122, could each detect the position of the rotor.
  • FIG. 4 shows a view directly onto the machine.
  • Fig. 5 the timing of the Hall sensors in a left-handed machine is shown below.
  • the staircase function shown in Fig. 5 shows the last passed from the rotor Hall sensor.
  • a machine with Hall sensors has only these six position signals of the staircase function available.
  • FIG. 5 shows a graphical representation for determining the position of a machine part, for example an electric machine, as described with reference to FIG. 4.
  • the abscissa shows the time t and the ordinate the position of the rotor in degrees.
  • Time values 521, 522, 523, 524, 525, 526 are plotted on the ordinate, which correspond to times at which position values 221, 222, 223, 224, 225, 226 of the rotor were detected using the individual sensor elements.
  • the first time value 521 represents the time at which the first sensor element 121 detects that the rotor is in the first position represented by the first position value.
  • the first position value 221 is up the abscissa is plotted according to the position of the first sensor element 121 at 0 °.
  • the second time value 522 represents the time at which the second sensor element 122 detected that the rotor is in the second position represented by the second position value 222.
  • the second position value 222 is plotted on the abscissa corresponding to the position of the second sensor element 122 at 60 °.
  • the third time value 523 represents the time at which the third sensor element 123 detects that the rotor is in the third position represented by the third position value 223.
  • the third position value 223 is plotted on the abscissa corresponding to the position of the third sensor element 123 at 120 °.
  • the fourth time value 524 represents the time at which the fourth sensor element 124 sensed the rotor is in the fourth position represented by the fourth position value 224.
  • the fourth position value 224 is plotted on the abscissa corresponding to the position of the fourth sensor element 124 at 180 °.
  • the fifth time value 525 is the time at which the fifth sensor element 125 detects that the rotor is in the fifth position represented by the fifth position value 225.
  • the fifth position value 225 is plotted on the abscissa corresponding to the position of the fifth sensor element 125 at 240 °.
  • the sixth time value 526 represents the time at which the sixth sensor element 126 sensed the rotor is in the sixth position represented by the sixth position value 226.
  • the sixth attitude value 226 is plotted on the abscissa corresponding to the position of the sixth sensor element 126 at 300 °.
  • the further first time value 521 ' represents the time at which the rotor was again detected by the first sensor element 121 due to one complete revolution of the rotor in the first position represented by the first position value 221.
  • FIG. 6 shows a graphic representation of a speed change of a machine part, for example the rotor of the electric machine shown with reference to FIG. 4.
  • the abscissa shows the time t and the ordinate the speed ⁇ of the rotor. By a count 677 an actual speed of the machine is shown. The speed decreases from a value greater than ⁇ ⁇ is down to zero. The value ⁇ ⁇ was determined as the average rotational speed of the rotor when passing through the first sector 461.
  • the rotational speed ⁇ ⁇ is calculated between the first time value 521 and the second time value 522.
  • the rotational speed ⁇ ⁇ is the average rotational speed of the rotor in the sector 461.
  • the rotational speed ⁇ ⁇ is used for the extrapolation of the position in the subsequent second sector 462 between the second and the third Hall sensor.
  • Fig. 7 is a graphical representation for determining the position of a machine part, according to an embodiment of the present invention.
  • the course of the rotational speed of the machine shown in FIG. 6 is taken as the basis.
  • the representation corresponds to the illustration already described with reference to FIG.
  • a position of the rotor extrapolated assuming a constant rotational speed ⁇ ⁇ is shown by a straight line 781.
  • a position of the rotor extrapolated using the rotational speed ⁇ ⁇ and limited by using a maximum distance value, which is 60 ° in this embodiment, is shown by a curve 350.
  • a first section of the profile 350 follows the position of the rotor which is extrapolated assuming a constant rotational speed ⁇ ⁇ , that is to say the straight line 781.
  • the curve 350 bends and extends horizontally toward the third position of the rotor of 120 °, which is detected by the third sensor element at the third time value 523.
  • assumed distance values represented by the curve 350 may not become larger than a distance between two adjacent sensor elements.
  • the orientation is based on a Hall sensor with limited extrapolation or limited interpolation.
  • the value of 60 ° is an example of the sector size.
  • a location detection of electrical machines 100 based on Hall sensors 121, 122, 123, 124, 125, 126 and limited extrapolation 350 is described.
  • six layers, hereinafter also called positions, of the rotor 1 10 are detected.
  • the detected six plies are represented by the attitude values 221, 222, 223, 224, 225, 226.
  • Hall's 121, 122, 123, 124, 125, 126 is referred to as a sector. There are accordingly six sectors 461, 462, 463, 464, 465, 466. Thus, each sector 461, 462, 463, 464, 465, 466 is 60 ° in size, as shown in FIG.
  • a Hall sensor 121, 122, 123, 124, 125, 126 happens with knowledge of the direction of rotation, in which sector 461, 462, 463, 464, 465, 466 the rotor 110 is located.
  • the positions of the Hall sensors 121, 122, 123, 124, 125, 126 corresponding to the detectable attitude values 221, 222, 223, 224, 225, 226 are used as a starting point. If the second Hall sensor 122 with a positive direction of rotation - passed counterclockwise - from the rotor 1 10, it is known that the rotor 1 10 in the second sector 462nd is as shown in Fig. 4. The extrapolation 781 would then be performed by 60 °, ie the second position value 222 detected by the second Hall sensor 122, starting with the last calculated speed ⁇ ⁇ and the time elapsed since the second position value 222 was detected or displayed by the second Hall sensor 122. For example, position 781 is calculated every millisecond. Where:
  • Phi_calculated (t) 60 ° + t * speed
  • t is the time that has elapsed since passing the last Hall sensor 122.
  • a limitation of the extrapolation 781 (t * rotational speed) to a maximum distance value 136 is performed.
  • the maximum distance value 136 is here given by the maximum possible sector size, in this case 60 °, as shown in Fig. 7 by the kink in the curve 350, which is a limited extrapolation.
  • the rotor 1 10 can not be further away from the last Hall sensor 122 than 60 °, otherwise the next Hall sensor 123 would be passed. This ensures that the maximum deviation of the position is always within the permissible range, with a maximum of 60 °.
  • the number of Hall sensors 121, 122, 123, 124, 125, 126 is chosen by way of example only. With the increase of the Hall signals per revolution of the rotor 1 10, the sector size of the sectors 461, 462, 463, 464, 465, 466 can be reduced. This would further reduce the maximum possible error.
  • the described approach can be applied to any quantized position signals. For example, this can improve the position determined by an incremental encoder.
  • the linear extrapolation of the layer is limited, but the method is also applicable with other extrapolation methods.
  • the limitation of the extrapolation can be considered as interpolation, so that interpolation methods can also be used.
  • signals of the Hall sensors 121, 122, 123, 124, 125, 126 and, secondly, signals 138 from current measurements to two phases of the electric machine 100 can be used.
  • the approach described is not limited to such machines, but can also on machines with a Linear movement exporting machine part, as is the case for example in a linear motor, are used.
  • the corresponding sensor elements may be arranged in a row.
  • an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, this can be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment, either only the first Feature or only the second feature.

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Abstract

Ein Verfahren zur Lagebestimmung eines Maschinenteils unter Verwendung einer Mehrzahl von entlang eines Bewegungspfads des Maschinenteils angeordneten Sensorelementen (121, 122, 123, 124, 125, 126) umfasst einen Schritt des Einlesens eines Zeitwertes, der einem erfassten Lagewert (222) zugeordnet ist, wobei der erfasste Lagewert (222) eine von einem Sensorelement (122) der Mehrzahl von Sensorelementen (121, 122, 123, 124, 125, 126) erfasste Lage des Maschinenteils (110) repräsentiert, einen Schritt des Einlesens eines Geschwindigkeitswertes, wobei der Geschwindigkeitswert eine angenommene Geschwindigkeit des Maschinenteils repräsentiert, und einen Schritt des Ermittelns eines angenommenen Abstandswerts unter Verwendung des Zeitwertes, des Geschwindigkeitswertes und eines maximalen Abstandswertes, wobei der angenommene Abstandswert durch den maximalen Abstandswert begrenzt ist und einen angenommenen Abstand zwischen einer angenommenen aktuellen Lage des Maschinenteils und der erfassten Lage des Maschinenteils repräsentiert.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Laqebestimmunq eines Maschinenteils, Reqelverfahren zum Regeln eines Betriebs einer elektrischen Maschine
und elektrische Maschine
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lagebestimmung eines Maschinenteils, beispielsweise eines Rotors einer elektrischen Maschine, auf ein Regelverfahren zum Regeln eines Betriebs einer elektrischen Maschine und auf eine elektrische Maschine.
Bei elektrischen Maschinen werden zur Erfassung der Lage oft Hall-Sensoren eingesetzt. Diese lösen beispielsweise sechs Positionen pro elektrische Umdrehung auf. Der elektrische Winkel ist also grob quantisiert. Wünschenswert ist eine Lageerfassung mit einer höheren Anzahl an Positionen.
Die DE 10 2004 015 037 A1 befasst sich mit einem Verfahren zur Bestimmung der Drehwinkelstellung einer Welle.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Lagebestimmung eines Maschinenteils, beispielsweise eines Rotors einer elektrischen Maschine, ein verbessertes Regelverfahren zum Regeln eines Betriebs einer elektrischen Maschine und eine verbesserte elektrische Maschine gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Eine Lagebestimmung eines Maschinenteils, beispielsweise eines Rotors einer elektrischen Maschine, kann auf einem angenommenen Abstand einer aktuellen Lage des Maschinenteils zu einer erfassten und damit bekannten Lage des Maschinenteils basieren. Der angenommene Abstand kann unter Verwendung einer geeigneten Ermittlungsvorschrift, die beispielsweise auf einem Extrapolationsverfahren basieren kann, ermittelt werden. Indem der angenommene Abstand auf einen maximalen Abstandswert begrenzt wird, können fehlerhafte Lagebestimmungen, d.h. Lagebestimmungen, bei denen eine Abweichung zwischen der angenommenen aktuel- len Lage und einer tatsächlichen aktuellen Lage des Maschinenteils zu groß ist, vermieden werden.
Vorteilhafterweise ermöglicht der beschriebene Ansatz eine präzise Lagebestimmung wie sie auch mit einem Inkrementalgeber-Sensor sowie einem Sinus/Cosinus-Sensor möglich wäre, kann dabei jedoch wesentlich kostengünstiger realisiert werden. Im Vergleich zu bekannten Verwendungen von Hall-Sensoren ermöglicht der beschriebene Ansatz eine präzisere und im Vergleich zu einer bekannten Kombination aus Hall-Sensoren und einer auf einem Software Algorithmus basierenden Interpolation oder einem auf einem Software Algorithmus basierenden Beobachter eine zuverlässigere Lagebestimmung.
Ein Verfahren zur Lagebestimmung eines Maschinenteils unter Verwendung einer Mehrzahl von entlang eines Bewegungspfads des Maschinenteils angeordneten Sensorelementen umfasst die folgenden Schritte:
Einlesen eines Zeitwertes, der einem erfassten Lagewert zugeordnet ist, wobei der erfasste Lagewert eine von einem Sensorelement der Mehrzahl von Sensorelementen erfasste Lage des Maschinenteils repräsentiert;
Einlesen eines Geschwindigkeitswertes, wobei der Geschwindigkeitswert eine angenommene Geschwindigkeit des Maschinenteils repräsentiert; und
Ermitteln eines angenommenen Abstandswerts unter Verwendung des Zeitwertes, des Geschwindigkeitswertes und eines maximalen Abstandswertes, wobei der angenommene Abstandswert durch den maximalen Abstandswert begrenzt ist und einen angenommenen Abstand zwischen einer angenommenen aktuellen Lage des Maschinenteils und der erfassten Lage des Maschinenteils repräsentiert.
Das Maschinenteil kann beispielsweise ein Teil einer elektrischen, hydraulischen oder pneumatischen Maschine oder auch ein Geberelement, beispielsweise ein Magnet, für die Sensorelemente darstellen. Der Bewegungspfad kann eine Kreisbahn oder eine Gerade darstellen. Somit kann es sich bei dem Maschinenteil um ein eine Rotationsbewegung oder eine Linearbewegung ausführendes Teil handeln. Entsprechend kann es sich bei der Geschwindigkeit des Maschinenteils je nach Ausführungsform um eine Winkelgeschwindigkeit oder eine Lineargeschwindigkeit handeln. Das Maschinenteil kann ausgebildet sein, um ein von den Sensorelementen erfassbares Signal, beispielsweise ein Magnetfeld, aussenden. Die Sensorelemente können so angeordnet sein, dass die Sensorelemente bei einer Bewegung des Maschinenteils entlang des Bewegungspfads der Reihe nach das von dem Maschinenteil ausgesendete Signal erfassen können. Somit kann jedem Sensorelement eine Lage des Maschinenteils zugeordnet sein, die durch einen dem jeweiligen Sensorelement zugeordneten Lagewert dargestellt werden kann. Ein Zeitwert kann einen Zeitpunkt darstellen, zu dem eine Lage des Maschinenteils durch ein Sensorelement erfasst wird, also beispielsweise das von dem Maschinenteil ausgesendete Signal durch ein Sensorelement erfasst wird. Die Geschwindigkeit des Maschinenteils kann vorgeben oder ermittelt worden sein, beispielsweise aus einer Reihe vorangegangen erfasster Zeitwerte. Zur Ermittlung des angenommenen Abstands kann ferner ein aktueller Zeitwert verwendet werden. Aus der Kenntnis des angenommenen AbStands und beispielsweise einer unter Verwendung der Sensorelemente zuletzt erfassten Lage des Maschinenteils kann auf die aktuelle Lage des Maschinenteils geschlossen werden und somit eine Lagebestimmung des Maschinenteils durchgeführt werden. Durch den maximalen Abstandswert kann der angenommene Abstand auf plausible Werte für den Abstand eingeschränkt werden. Dadurch können beispielsweise Fehlfunktionen vermieden werden, wenn die durchgeführte Lagebestimmung des Maschinenteils beispielsweise zu einer Regelung einer das Maschinenteil umfassenden Maschine eingesetzt wird.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt des Einlesens des erfassten Lagewertes und einen Schritt des Ermitteins eines angenommenen Lagewertes unter Verwendung des erfassten Lagewertes und des angenommenen Abstandswerts umfassen. Dabei kann der angenommene Lagewert eine angenommene aktuelle Lage des Maschinenteils darstellen. Wenn das Maschinenteil einen Rotor einer elektrischen Maschine darstellt, kann die aktuelle Lage beispielsweise eine Winkelstellung des Rotors darstellen. Aufgrund der Verwendung des maximalen Abstandswertes bei der Ermittlung des angenommenen Abstand können kritische Werte für den Abstand, insbesondere zu große Abstandswerte, ausgeschlossen werden. Beispielsweise kann im Schritt des Ermitteins des angenommenen Abstandswertes ein vorläufiger Wert unter Verwendung des Zeitwertes und des Geschwindigkeitswertes bestimmt werden. In diesem Fall kann der angenommene Abstandswert als der vorläufige Wert ermittelt werden, wenn der vorläufige Wert kleiner als der maximale Abstandswert ist. Andererseits kann der angenommene Abstandswert als der maximale Abstandswert ermittelt werden, wenn der vorläufige Wert größer als der maximale Abstandswert ist. Auf diese Weise kann der vorläufige Wert beispielsweise unter Verwendung einer Ermittlungsvorschrift ermittelt werden und der ermittelte vorläufige Wert kann solange dem angenommenen Abstandswert zugewiesen werden, bis der vorläufige Wert den maximalen Abstandswert erreicht. Vorläufige Werte, die größer als der maximale Abstandswert sind, können beispielsweise als unplausibel angesehen werden. Durch die Verwendung des maximalen Abstandswertes kann verhindert werden, dass solche unplausiblen vorläufigen Werte dem angenommenen Abstandswert zugewiesen werden.
Dabei kann im Schritt des Ermitteins der vorläufige Wert unter Verwendung eines Extrapolationsverfahrens oder eines Interpolationsverfahrens bestimmt werden. Durch die Verwendung solcher Verfahren können der vorläufige Wert und somit auch der angenommene Abstandswert sehr schnell und genau bestimmt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Bewegungspfad kreisförmig sein. Dies trifft beispielsweise zu, wenn das Maschinenteil um eine Achse drehend gelagert ist. Somit kann der beschriebene Ansatz vorteilhaft für eine Lagebestimmung eines Rotors eingesetzt werden. In diesem Fall kann der Abstandswert einen Winkel darstellen.
Beispielsweise kann der maximale Abstandswert als ein Wert kleiner oder gleich 90° vorgegeben sein. Eine solche Wahl bietet sich beispielsweise bei einer elektrischen Maschine an, bei der eine Abweichung von mehr als 90° zwischen der angenommenen aktuellen Lage und der tatsächlichen Lage des Maschinenteils zu Fehlfunktionen bei der Regelung des Betriebs der elektrischen Maschine führen kann. Selbst wenn das Maschinenteil unmittelbar nach dem Erfassen der Lage des Maschinenteils durch ein Sensorelement zum Stillstand kommt, kann der angenom- mene Abstand aufgrund des vorgegebenen maximalen Abstandswertes von 90° nicht über diesen Wert ansteigen, sodass auch in einem solchen Fall eine Fehlfunktion bei der Regelung des Betriebs der elektrischen Maschine vermieden werden kann.
Auch kann der maximale Abstandswert als ein Wert vorgegeben sein, der einem Abstand zwischen zwei benachbarten Sensorelementen der Mehrzahl von Sensorelementen entspricht. Das Ermitteln des angenommenen Abstandswertes kann jeweils ansprechend auf das Einlesen eines neuen Zeitwertes neu begonnen werden. Somit kann es als unplausibel angesehen werden, wenn der angenommene Abstandswert einen Wert aufweisen würde, der größer als der Abstand zwischen zwei benachbarten Sensorelementen ist. Ein setzten des angenommenen Abstandswertes auf einen solchen unplausiblen Wert kann durch die geeignete Wahl des maximalen Abstandswertes vermieden werden.
Das Verfahren kann einen Schritt des Einlesens eines vorangegangen Zeitwertes umfassen. Der vorangegangene Zeitwert kann einem vorangegangen erfass- ten Lagewert zugeordnet sein. Der vorangegangen erfasste Lagewert kann einen von einem weiteren Sensorelement der Mehrzahl von Sensorelementen erfasste vorangegangene Lage des Maschinenteils repräsentieren. Das Verfahren kann ferner einen Schritt des Bestimmens des Geschwindigkeitswertes unter Verwendung des Zeitwertes und des vorangegangenen Zeitwertes umfassen. Auf diese Weise kann jeweils nach Bereitstellung von zwei aufeinanderfolgenden Zeitwerten durch zwei benachbart zueinander angeordnete Sensorelemente ein aktueller Geschwindigkeitswert bestimmt und zum Ermitteln des angenommenen Abstandswertes verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Maschinenteil ein Rotor einer elektrischen Maschine sein. Die Mehrzahl von Sensorelementen können Magnetfeldsensoren sein. Ein Magnetfeldsensor kann beispielsweise ein Hall-Sensor sein. Solche Sensoren werden bereits zur Lagebestimmung von Rotoren eingesetzt. Auf diese Weise kann der beschriebene Ansatz zur Verbesserung bestehender Systeme eingesetzt werden. Ein Betrieb einer solchen elektrischen Maschine kann durch ein geeignetes Regelverfahren geregelt werden. Ein Regelverfahren zum Regeln eines Betriebs einer elektrischen Maschine umfasst gemäß einer Ausführungsform einen Schritt des Bestimmens einer Lage des Rotors der elektrischen Maschine unter Durchführung eines genannten Verfahrens. Somit kann zur Regelung des Betriebs der elektrischen Maschine eine sehr genaue Bestimmung der Lage des Rotors zur Verfügung stehen. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn das Regel verf ah ren auf einer feldorientierten Regelung (FOS) basiert.
Eine Vorrichtung zur Lagebestimmung eines Maschinenteils unter Verwendung einer Mehrzahl von entlang eines Bewegungspfads des Maschinenteils angeordneten Sensorelementen weist die folgenden Merkmale auf:
eine Einrichtung zum Einlesen eines Zeitwertes, der einem erfassten Lagewert zugeordnet ist, wobei der erfasste Lagewert eine von einem Sensorelement der Mehrzahl von Sensorelementen erfasste Lage des Maschinenteils repräsentiert; eine Einrichtung zum Einlesen eines Geschwindigkeitswertes, wobei der Geschwindigkeitswert eine angenommene Geschwindigkeit des Maschinenteils repräsentiert; und
eine Einrichtung zum Ermitteln eines angenommenen Abstandswerts unter Verwendung des Zeitwertes, des Geschwindigkeitswertes und eines maximalen Abstandswertes, wobei der angenommene Abstandswert durch den maximalen Abstandswert begrenzt ist und einen angenommenen Abstand zwischen einer angenommenen aktuellen Lage des Maschinenteils und der erfassten Lage des Maschinenteils repräsentiert.
Eine Vorrichtung kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere geeignete Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem MikroController neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Die Vorrichtung kann vorteilhaft im Zusammenhang mit einer elektrischen Maschine eingesetzt werden. Eine solche elektrische Maschine kann einen Rotor und einen Stator mit einer Mehrzahl von entlang eines Bewegungspfads des Rotors angeordneten Sensorelementen und ferner eine genannte Vorrichtung zum Bestimmen einer Lage des Rotors aufweisen. Somit kann der beschriebene Ansatz vorteilhaft als Ergänzung einer bekannten elektrischen Maschine eingesetzt werden.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Rotors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine grafische Darstellung zur Lagebestimmung eines Maschinenteils;
Fig. 6 eine grafische Darstellung einer Geschwindigkeitsänderung eines Maschinenteils; und
Fig. 7 eine grafische Darstellung zur Lagebestimmung eines Maschinenteils, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine 100 mit einer Vorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die elektrische Maschine 100 weist einen Rotor 1 10 und einen Stator 1 12 auf. An dem Stator 1 12 sind beispielhaft sechs Sensorelemente 121 , 122, 123, 124, 125, 126 angeordnet.
Der Rotor 1 10 ist um eine Rotorachse drehbar gelagert. Der Rotor 1 10 weist zumindest einen Magneten, je nach Ausführungsform zumindest einen Elektromagnet oder einen Permanentmagnet, auf. Der zumindest eine Magnet stellt ein Geberelement für die Sensorelemente 121 , 122, 123, 124, 125, 126 dar. Die Sensorelemente 121 , 122, 123, 124, 125, 126 sind um den Rotor 1 10 herum angeordnet und ausgebildet, um ein von dem Rotor 1 10 erzeugtes Magnetfeld zu sensieren. Bei einer Rotation des Rotors 1 10 um die Rotorachse werden die Sensorelemente 121 ,
122, 123, 124, 125, 126 der Reihe nach dem Magnetfeld des Rotors 1 10 ausgesetzt. Die Sensorelemente 121 , 122, 123, 124, 125, 126 sind je ausgebildet, um ein Sensorsignal auszugeben, das das durch ein jeweiliges Sensorelement 121 , 122, 123,
124, 125, 126 erfasstes Magnetfeld und somit die Lage des Rotors 1 10 abbildet. Durch eine Auswertung eines Sensorsignals eines der Sensorelemente 121 , 122,
123, 124, 125, 126 kann bestimmt werden, zu welchem Zeitpunkt sich der Rotor 1 10 in der Lage befunden hat, die durch dieses der Sensorelemente 121 , 122, 123, 124,
125, 126 erfasst werden kann.
Die Vorrichtung 102 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Schnittstelle zum Empfangen der Sensorsignale der Sensorelemente 121 , 122, 123, 124, 125, 126 auf. Die Vorrichtung 102 ist ausgebildet, um unter Verwendung der Sensorsignale eine Lagebestimmung bezüglich einer Lage, hier einer Winkelstellung, des Rotors 1 10 durchzuführen. Zur Lagebestimmung des Rotors 1 10 ist die Vorrichtung 102 ausgebildet, um basierend auf den Sensorsignalen Zeitpunkte zu bestimmen, zu denen der Rotor 1 10 jeweils eine Lage eingenommen hatte, die durch eines der Sensorelemente 121 ,
122, 123, 124, 125, 126 erfasst wurde. Die Vorrichtung 102 ist ferner ausgebildet, um basierend auf zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten und einem bekannten Abstand zwischen zwei benachbarten Sensorelementen 121 , 122, 123, 124, 125, 126 eine Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 1 10 zu ermitteln. Aufgrund der Rotationsgeschwindigkeit bewegt sich der Rotor 1 10, nachdem er eine zuletzt erfasste Lage eingenommen hat, weiter, sodass zu einem nachfolgenden Zeitpunkt ein Abstand zwischen der zuletzt erfassten Lage und einer aktuellen Lage des Rotors 1 10 besteht. Die Vorrichtung 102 ist ausgebildet, um ansprechend auf eine durch eines der Sensorelemente 121 , 122, 123, 124, 125, 126 zuletzt erfasste Lage des Rotors 1 10 unter Verwendung der zuletzt ermittelten Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 1 10 den Abstand zwischen einer zu einem aktuellen Zeitpunkt angenommenen aktuellen Lage des Rotors 1 10 und der zuletzt erfassten Lage des Rotors 1 10 zu ermitteln und beispielsweise als einen angenommenen Abstandswert 130 bereitzustellen. Um zu verhindern, dass der angenommene Abstandswert 130 bei einem Stillstand des Rotors 1 10 zu späteren aktuellen Zeitpunkten keine unplausibel großen Werte annimmt, weist die Vorrichtung 102 gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen Speicher 135 für einen maximalen Abstandswert 136 auf. Die Vorrichtung 102 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um den angenommenen Abstandswert 130 nur mit Werten bereitzustellen, die kleiner oder gemäß einem Ausführungsbeispiel kleiner oder gleich dem maximalen Abstandswert 136 sind.
Der maximale Abstandswert 136 kann beispielsweise einem Winkelwert entsprechen, der einem Winkel von 360° geteilt durch die Anzahl der Sensorelemente 121 , 122, 123, 124, 125, 126 entspricht. Somit kann der maximale Abstandswert 136 einen Abstand zwischen zwei benachbarten Sensorelementen 121 , 122,
123, 124, 125, 126 entsprechen. Alternativ kann der maximale Abstand auch einen Wert aufweisen, der größer als der Abstand zwischen zwei benachbarten Sensorelementen 121 , 122, 123, 124, 125, 126 ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 102 ausgebildet, um den angenommenen Abstandswert 130 mit der zuletzt erfassten Lage des Rotors 1 10 zu kombinieren, beispielsweise durch eine Summenbildung, und dadurch einen angenommenen Lagewert zu ermitteln, der eine angenommene aktuelle Lage des Rotors 1 10 darstellt. Die Vorrichtung 102 kann entsprechend ausgebildet sein, um den angenommenen Lagewert anstelle oder zusätzlich zu dem angenommenen Abstandswert 130 bereitzustellen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine Regeleinrichtung 137 vorgesehen, die ausgebildet ist, um ein Regelverfahren zum Regeln eines Betriebs der elektrischen Maschine 100 durchzuführen. Die Regeleinrichtung 137 ist ausgebildet, um den angenommenen Abstandswert 130 oder einen angenommenen Lagewert des Rotors 1 10 über eine Schnittstelle zu der Vorrichtung 102 zu empfangen. Ferner ist die Regeleinrichtung 137 ausgebildet, um einen oder mehrere an Phasen der elektrischen Maschine 100 erfasste Stromwerte oder Spannungswerte 138 zu empfangen. Die Regeleinrichtung 137 ist ausgebildet, um unter Verwendung der empfangenen Werte 130, 138 ein Regelsignal 139 zum Einstellen zumindest eines Betriebsparameters der elektrischen Maschine 100 zu bestimmen und an einen Regeleingang der elektrischen Maschine 100 bereitzustellen. Beispielsweise kann die Regeleinrichtung 137 ausgebildet sein, um eine feldorientierte Regelung der elektrischen Maschine 100 durchzuführen. Gemäß einer Ausführungsform kann die Vorrichtung 102 als Teil der Regeleinrichtung 137 aufgefasst werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung 102 eingangseitig eine Schnittstelle zu einer Auswerteeinrichtung aufweisen und ausgebildet sein, um von der Auswerteeinrichtung basierend auf den Sensorsignalen der Sensorelemente 121 , 122, 123, 124, 125, 126 bestimmte Werte, beispielsweise Zeitwerte, Lagewerte und/oder Geschwindigkeitswerte zu empfangen. Ein Zeitwert kann einen Zeitpunkt des Erfassens einer Lage des Rotors 1 10 durch eines der Sensorelemente 121 , 122, 123, 124, 125, 126 abbilden. Ein Lagewert kann eine durch eines der Sensorelemente 121 , 122, 123, 124, 125, 126 erfasste Lage des Rotors 1 10 abbilden. Ein Geschwindigkeitswert kann eine Geschwindigkeit des Rotors 1 10 abbilden. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 102 zur Lagebestimmung eines Maschinenteils unter Verwendung einer Mehrzahl von entlang eines Bewegungspfads des Maschinenteils angeordneten Sensorelementen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich um eine Ausführungsform der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung 102 handeln. Somit kann es sich bei dem Maschinenteil um einen Rotor und bei den Sensorelementen um Magnetfeldsensoren handeln.
Die Vorrichtung 102 weist eine Einleseeinrichtung 241 auf, die ausgebildet ist, um einen einem erfassten Lagewert zugeordneten Zeitwert zu empfangen. Dabei stellt der erfasste Lagewert eine von einem Sensorelement der Mehrzahl von Sensorelementen erfasste Lage des Maschinenteils dar. Der Lagewert kann insbesondere eine zuletzt durch eines der Sensorelemente erfasste und somit als bekannt angenommene Lage des Maschinenteils darstellen. Über den Zeitwert ist zudem bekannt, zu welchem Zeitpunkt das Maschinenteil die erfasste Lage eingenommen hatte. Ferner umfasst die Vorrichtung 102 eine weitere Einleseeinrichtung 243, die ausgebildet ist, um einen Geschwindigkeitswert einzulesen, der eine angenommene Geschwindigkeit des Maschinenteils darstellt. Zum Ermitteln eines aufgrund der angenommenen Geschwindigkeit resultierenden Abstands zwischen einer aktuellen Lage des Maschinenteils und der zuletzt erfassten Lage, zu einem nach dem durch den Zeitwert definierten aktuellen Zeitpunkt, weist die Vorrichtung 102 eine Ermittlungseinrichtung 245 auf, die ausgebildet ist, um einen angenommenen Abstandswert 130 unter Verwendung des Zeitwertes, des Geschwindigkeitswertes und eines maximalen Abstandswertes zu ermitteln. Dabei kann die Ermittlungseinrichtung 245 ferner den aktuellen Zeitpunkt oder eine Zeitdifferenz zwischen dem aktuellen Zeitpunkt und dem Zeitwert verwenden. Dabei ist die Ermittlungseinrichtung 245 ausgebildet, um den angenommenen Abstandswert 130 durch den maximalen Abstandswert zu begrenzen, sodass der angenommene Abstandswert 130 maximal eine durch den maximalen Abstandswert vorgegebene Größe annehmen kann.
Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Lagebestimmung eines Maschinenteils unter Verwendung einer Mehrzahl von entlang eines Bewegungspfads des Maschinenteils angeordneten Sensorelementen gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Schritte des Verfahrens können beispielsweise unter Verwendung von Einrichtungen der anhand von Fig. 2 beschriebenen Vorrichtung ausgeführt werden.
Das Verfahren umfasst einen Schritt 341 des Einlesens eines Zeitwertes, einen Schritt 343 des Einlesens eines Geschwindigkeitswertes und einen Schritt 345 des Ermitteins eines angenommenen Abstandswerts 130 unter Verwendung des Zeitwertes, des Geschwindigkeitswertes und eines maximalen Abstandswertes. Die Schritte 341 , 343, 345 können fortlaufend wiederholt ausgeführt werden. Ansprechend auf das im Schritt 341 erfolgte Einlesen eines neuen Zeitwertes kann der angenommene Abstandswert 130 auf Null gesetzt und ausgehend von Null betragsmäßig erhöht werden, bis durch einen erneuten Schritt 341 ein weiterer Zeitwert eingelesen wird, oder bis der angenommene Abstandswert 130 betragsmäßig soweit erhöht wurde, dass der angenommene Abstandswert 130 den vorgegebenen maximalen Abstandswert erreicht hat. Wenn dies der Fall ist, wird der angenommene Abstandswert 130 nicht weiter erhöht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren ferner einen
Schritt 347 des Einlesens des erfassten Lagewertes und einen Schritt 349 des Ermitteins eines angenommenen Lagewertes 350 unter Verwendung des erfassten Lagewertes und des angenommenen Abstandswerts 130 auf. Dabei stellt der angenommene Lagewert die angenommene aktuelle Lage des Maschinenteils dar.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich beispielsweise um die anhand von Fig. 1 beschriebene elektrische Maschine 100 handeln.
Gezeigt sind Positionen von sechs Sensorelementen 121 , 122, 123, 124, 125, 126, die auf einer Kreisbahn parallel zu einem kreisförmigen Bewegungspfad des Rotors um die Rotorachse angeordnet sind. Das erste Sensorelement 121 , auch Hall-Sensor A genannt, ist bei 0° bzw. 360° angeordnet. Das zweite Sensorelement 122, auch Hall-Sensor B genannt, ist bei 60° angeordnet. Das dritte Sensor- element 123, auch Hall-Sensor C genannt, ist bei 120° angeordnet. Das vierte Sensorelement 124, auch Hall-Sensor D genannt, ist bei 180° angeordnet. Das fünfte Sensorelement 125, auch Hall-Sensor E genannt, ist bei 240° angeordnet. Das sechste Sensorelement 126, auch Hall-Sensor F genannt, ist bei 300° angeordnet. Anstelle von sechs Sensorelementen 121 , 122, 123, 124, 125, 126 kann auch eine andere geeignete Anzahl von Sensorelementen 121 , 122, 123, 124, 125, 126 verwendet werden.
Das erste Sensorelement 121 ist so angeordnet, dass es eine durch einen ersten Lagewert 221 gekennzeichnete Lage von 0° des Rotorelements erfassen kann, d.h. unter Verwendung des ersten Sensorelements kann der Zeitpunkt erfasst werden, zu dem der Rotor eine Winkelstellung von 0° aufweist. Das zweite Sensorelement 122 ist so angeordnet, dass es eine durch einen zweiten Lagewert 222 gekennzeichnete Lage von 60° des Rotorelements erfassen kann, das dritte Sensorelement 123 ist so angeordnet, dass es eine durch einen dritten Lagewert 223 gekennzeichnete Lage von 120° des Rotorelements erfassen kann, das vierte Sensorelement 124 ist so angeordnet, dass es eine durch einen vierten Lagewert 224 gekennzeichnete Lage von 180° des Rotorelements erfassen kann, das fünfte Sensorelement 125 ist so angeordnet, dass es eine durch einen fünften Lagewert 225 gekennzeichnete Lage von 240° des Rotorelements erfassen kann und das sechste Sensorelement 126 ist so angeordnet, dass es eine durch einen sechsten Lagewert 226 gekennzeichnete Lage von 300° des Rotorelements erfassen kann. Die Sensorelemente 121 , 122, 123, 124, 125, 126 können je ausgebildet sein, um die, die jeweiligen Lagen repräsentierenden Lagewerte 221 , 222, 223, 224, 225, 226 auszugeben. Alternativ kann eine nachgeschaltete Auswerteausrichtung ausgebildet sein, um durch Auswertung von Sensorsignalen der Sensorelemente 121 , 122, 123, 124, 125, 126 die entsprechenden Lagewerte 221 , 222, 223, 224, 225, 226 bereitzustellen. Jedem Lagewert 221 , 222, 223, 224, 225, 226 kann ein Zeitwert zugeordnet sein, durch den ein Zeitpunkt des Erfassens der durch den jeweiligen Lagewert 221 , 222, 223, 224, 225, 226 abgebildeten Lage Rotors angeben kann.
Zwischen zwei benachbarten Sensorelementen 121 , 122, 123, 124, 125, 126 befindet sich jeweils ein Sektor. In Fig. 4 ist ein erster Sektor 461 zwischen den Sen- sorelementen 121 , 122 und ein zweiter Sektor 462 zwischen den Sensorelementen 122, 123 gezeigt. Ferner sind weitere Sektoren 463, 464, 465, 466 aufgetragen.
Durch einen Pfeil ist eine tatsächliche aktuelle Lage 475 des Rotors, auch als ( ist bezeichnet, gezeigt. Für den Fall, dass sich der Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn bewegt, konnte der Rotor zuletzt durch das zweite Sensorelement 122 erfasst werden, sodass der zweite Lagewert 222 als zuletzt erfasster Lagewert zur Verfügung steht. Bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Rotor durch das dritte Sensorelement 123 erfasst werden kann, wird eine angenommene aktuelle Lage des Rotors über einen angenommenen Abstand der angenommenen aktuellen Lage von der zuletzt erfassten Lage des Rotors bestimmt. Dazu kann zuvor eine Geschwindigkeit des Rotors bestimmt worden sein, beispielsweise unter Verwendung von Zeitwerten, zu denen zwei benachbarte Sensorelemente 121 , 122, 123, 124, 125, 126, hier beispielsweise die Sensorelemente 121 , 122, je die Lage des Rotors erfassen konnten.
In der Fig. 4 ist ein Blick direkt auf die Maschine gezeigt. In Fig. 5 ist nachfolgend der zeitliche Ablauf der Hall-Sensoren bei einer linksdrehenden Maschine gezeigt. Die in Fig. 5 gezeigte Treppenfunktion zeigt den vom Rotor zuletzt passierten Hall-Sensor. Eine Maschine mit Hall-Sensoren hat nur diese sechs Lagesignale der Treppenfunktion zur Verfügung.
Fig. 5 zeigt eine grafische Darstellung zur Lagebestimmung eines Maschinenteils, beispielsweise einer elektrischen Maschine, wie sie anhand von Fig. 4 beschrieben ist.
Auf der Abszisse ist die Zeit t und auf der Ordinate die Lage des Rotors in Grad aufgetragen. Auf der Ordinate sind Zeitwerte 521 , 522, 523, 524, 525, 526 aufgetragen, die Zeitpunkten entsprechen, zu denen unter Verwendung der einzelnen Sensorelemente Lagewerte 221 , 222, 223, 224, 225, 226 des Rotors erfasst wurden.
Bezogen auf Fig. 4 stellt der erste Zeitwert 521 den Zeitpunkt dar, zu dem von dem ersten Sensorelement 121 erfasst wurde, das sich der Rotor in der durch den ersten Lagewert dargestellten ersten Lage befindet. Der erste Lagewert 221 ist auf der Abszisse entsprechend der Position des ersten Sensorelements 121 mit 0° aufgetragen. Der zweite Zeitwert 522 den Zeitpunkt dar, zu dem von dem zweiten Sensorelement 122 erfasst wurde, das sich der Rotor in der durch den zweiten Lagewert 222 dargestellten zweiten Lage befindet. Der zweite Lagewert 222 ist auf der Abszisse entsprechend der Position des zweiten Sensorelements 122 mit 60° aufgetragen. Der dritte Zeitwert 523 den Zeitpunkt dar, zu dem von dem dritten Sensorelement 123 erfasst wurde, das sich der Rotor in der durch den dritten Lagewert 223 dargestellten dritten Lage befindet. Der dritte Lagewert 223 ist auf der Abszisse entsprechend der Position des dritten Sensorelements 123 mit 120° aufgetragen. Der vierte Zeitwert 524 den Zeitpunkt dar, zu dem von dem vierten Sensorelement 124 erfasst wurde, das sich der Rotor in der durch den vierten Lagewert 224 dargestellten vierten Lage befindet. Der vierte Lagewert 224 ist auf der Abszisse entsprechend der Position des vierten Sensorelements 124 mit 180° aufgetragen. Der fünfte Zeitwert 525 den Zeitpunkt dar, zu dem von dem fünften Sensorelement 125 erfasst wurde, das sich der Rotor in der durch den fünften Lagewert 225 dargestellten fünften Lage befindet. Der fünfte Lagewert 225 ist auf der Abszisse entsprechend der Position des fünften Sensorelements 125 mit 240° aufgetragen. Der sechste Zeitwert 526 den Zeitpunkt dar, zu dem von dem sechsten Sensorelement 126 erfasst wurde, das sich der Rotor in der durch den sechsten Lagewert 226 dargestellten sechsten Lage befindet. Der sechste Lagewert 226 ist auf der Abszisse entsprechend der Position des sechsten Sensorelements 126 mit 300° aufgetragen. Der weitere erste Zeitwert 521 ' stellt den Zeitpunkt dar, zu dem von dem ersten Sensorelement 121 aufgrund einer vollen Umdrehung des Rotors erneut erfasst wurde, das sich der Rotor in der durch den ersten Lagewert 221 dargestellten ersten Lage befindet.
Aufgrund der begrenzten Anzahl von Sensorelementen kann die aktuelle Lage 475 des Rotors, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, nicht direkt erfasst, also durch die Sensorelemente gemessen werden. Unter der Annahme, dass die Rotationsgeschwindigkeit ω des Rotors konstant ist, kann eine angenommene Lage φ(ω = konstant) über eine Gerade ermittelt werden, die über die durch die zu den Zeitpunkten 521 , 522, 523, 524, 525, 526 erfassten Lagen 221 , 222, 223, 224, 225, 226 geführt ist. Die so ermittelbare Lage ist durch einen Pfeil 575 angedeutet. Fig. 6 zeigt eine grafische Darstellung einer Geschwindigkeitsänderung eines Maschinenteils, beispielsweise des Rotors der anhand von Fig. 4 gezeigten elektrischen Maschine. Auf der Abszisse ist die Zeit t und auf der Ordinate die Drehzahl ω des Rotors aufgetragen. Durch einen Graf 677 ist eine tatsächliche Drehzahl der Maschine gezeigt. Die Drehzahl nimmt ausgehend von einem Wert der größer als ωη ist bis auf Null ab. Der Wert ωη wurde als durchschnittliche Drehzahl des Rotors beim Durchlaufen des ersten Sektors 461 ermittelt.
Die Drehzahl ωη wird zwischen dem ersten Zeitwert 521 und dem zweiten Zeitwert 522 berechnet. Die Drehzahl ωη ist dabei die mittlere Drehzahl des Rotors in dem Sektor 461 . Die Drehzahl ωη wird für die Extrapolation der Lage im nachfolgenden zweiten Sektor 462 zwischen dem zweiten und dem dritten Hallsensor verwendet.
Fig. 7 eine grafische Darstellung zur Lagebestimmung eines Maschinenteils, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei wird der in Fig. 6 gezeigte Verlauf der Drehzahl der Maschine zugrunde gelegt. Die Darstellung entspricht der bereits anhand von Fig. 5 beschriebenen Darstellung.
Eine unter Annahme einer konstanten Drehzahl ωη extrapolierte Lage des Rotors ist durch eine Gerade 781 gezeigt. Eine unter Verwendung der Drehzahl ωη extrapolierte und unter Verwendung eines maximalen Abstandswertes, der gemäß diesem Ausführungsbeispiel bei 60° liegt, begrenzten Lage des Rotors ist durch einen Verlauf 350 gezeigt. Ein erster Abschnitt des Verlaufs 350 folgt der unter Annahme einer konstanten Drehzahl ωη extrapolierte Lage des Rotors, also der Geraden 781 . Bei Erreichen des vorgegebenen maximalen Abstandswertes knickt der Verlauf 350 ab und verläuft horizontal auf die zu dem dritten Zeitwert 523 durch das dritte Sensorelement erfasste dritte Lage des Rotors von 120° zu. Somit können durch den Verlauf 350 dargestellte angenommene Abstandswerte nicht größer als ein Abstand zwischen zwei benachbarten Sensorelementen werden.
Die Lagebestimmung basiert dabei auf einem Hall-Sensor mit begrenzter Extrapolation oder begrenzter Interpolation. Die berechnete Lage des Rotors ergibt sich dabei durch <p(t) = (Phall + ΔφΙι,η
Acplim = ωη (t-thaii), für Acplim <= 60°; und
Ac lim = 60°, für Ac lim > 60° dabei gilt:
( haii : Lage des zuletzt passierten Halls
thaii : Zeitpunkt beim Passieren des zuletzt passierten Halls
ωη: Drehzahl
Dabei steht hier der Wert von 60° beispielhaft für die Sektorgröße.
Zum Bestimmen eines angenommenen Lagewertes cp(t) des Rotors zu einem aktuellen Zeitpunkt, der in einem Zeitintervall zwischen einem Zeitpunkt des Passierens des letzten Halls und einem noch nicht erfolgten Passieren eines nächsten Halls liegt, wird somit die Summe über den von dem zuletzt passierten Hall-Sensor erfass- ten Lagewert (phan und dem angenommenen Abstandswert Acplim gebildet.
Anhand der vorangegangenen Figuren werden im folgenden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher beschrieben.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine Lageerfassung elektrischer Maschinen 100 basierend auf Hall-Sensoren 121 , 122, 123, 124, 125, 126 und begrenzter Extrapolation 350 beschrieben. Es wird eine elektrische Maschine 100 betrachtet, die mit Hall-Sensoren 121 , 122, 123, 124, 125, 126 ausgestattet ist. Bei einer Umdrehung des Rotors 1 10 werden sechs Lagen, im Folgenden auch Positionen genannt, des Rotors 1 10 erfasst. Die erfassten sechs Lagen werden durch die Lagewerte 221 , 222, 223, 224, 225, 226 repräsentiert. Der Bereich zwischen den
Halls 121 , 122, 123, 124, 125, 126 wird als Sektor bezeichnet. Es gibt demnach sechs Sektoren 461 , 462, 463, 464, 465, 466. Somit ist jeder Sektor 461 , 462, 463, 464, 465, 466 60° groß, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Sobald der Rotor 1 10 - die aktuelle Lage 475 des Rotors 1 10, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, wird mit Winkel (pist bezeichnet - einen Hall-Sensor 121 , 122, 123, 124, 125, 126 passiert, ist mit der Kenntnis der Drehrichtung bekannt, in welchem Sektor 461 , 462, 463, 464, 465, 466 sich der Rotor 1 10 befindet.
Für den Einsatz einer komplexen feldorientierten Regelung sind die sechs Hall-Signale der Sensoren 121 , 122, 123, 124, 125, 126 pro Umdrehung nicht ausreichend. Es wird versucht, die genaue Lage 475 des Rotors, mit der Kenntnis der Drehzahl 677 linear zu extrapolieren, um zwischen den Hall-Sensoren 121 , 122, 123, 124, 125, 126 die Lage berechnen zu können. Solange sich die Drehzahl 677 des Rotors 1 10 nicht ändert, entspricht die Extrapolation der tatsächlichen Lage 475. Sobald sich die Drehzahl 677 ändert, führt eine Extrapolation 781 der Lage zu Abweichungen von der tatsächlichen Lage, wie es in Fig. 7 zwischen (pist 475 und der interpolierten Lage 781 im Anfangsbereich nach dem zweiten Zeitwert 522 zu erkennen ist. Dies ergibt sich daraus, dass eine Drehzahländerung erst beim Passieren des nächsten Halls 123 festgestellt werden kann. Dies führt im Extremfall dazu, dass die Maschine 100 schon steht, dies aber noch nicht festgestellt werden konnte und nicht festgestellt werden kann, eben weil kein Hall-Sensor 121 , 122, 123, 124, 125, 126 mehr passiert wird. Die Extrapolation 781 der Lage wird mit einer Drehzahl ωη durchgeführt, die zwischen den beiden letzten Halls festgestellt wurde. Kritisch wird es, wenn die berechnete Lage mehr als 90° von der tatsächlichen Lage abweicht, angedeutet in der Fig. 7 zwischen (pist 475 und der interpolierten Lage 781 im Endbereich vor dem dritten Zeitwert 523. Eine solche Abweichung soll vermieden werden, da sie bei elektrischen Maschinen 100 zum unkontrollierbaren oder instabilen Verhalten führen kann.
Bei der Extrapolation der Lage vom Rotor 1 10 werden die Positionen der Hallsensoren 121 , 122, 123, 124, 125, 126, die den erfassbaren Lagewerten 221 , 222, 223, 224, 225, 226 entsprechen, als Ausgangspunkt verwendet. Wurde der zweite Hall-Sensor 122 mit einer positiven Drehrichtung - gegen Uhrzeigersinn - vom Rotor 1 10 passiert, so ist bekannt das sich der Rotor 1 10 in dem zweiten Sektor 462 befindet, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Die Extrapolation 781 würde dann von 60°, also dem vom zweiten Hallsensor 122 erfassten zweiten Lagewert 222, ausgehend mit der zuletzt berechneten Drehzahl ωη und der vergangenen Zeit seit dem Erfassen oder Anzeigen des zweiten Lagewerts 222 durch den zweiten Hall-Sensor 122 durchgeführt. Die Position 781 wird zum Beispiel jede Millisekunde berechnet. Dabei gilt:
Phi_berechnet(t) = 60° + t * Drehzahl
Dabei ist t die Zeit, die seit dem Passieren des letzten Hall-Sensors 122 vergangen ist.
Zur Veranschaulichung wird angenommen, dass die tatsächliche Drehzahl ω nach dem Passieren des zweiten Hall-Sensors 122 bis auf Null abgesunken ist. Die letzte bekannte Drehzahl ωη ist aber ungleich Null. Solange kein weiterer Hall- Sensor 123 von dem Rotor passiert wird, wird der Wert "t" für die vergangene Zeit nach dem erfassten Passieren des zweiten Hall-Sensors 122 durch den Rotor 1 10 in der obigen Gleichung steigen. Phi_berechnet wird die kritische Differenz von 90° zwischen Phijst, aktuelle Lage 475 des Rotors 1 10 und Phi_berechnet - berechnete Lage 781 des Rotors 1 10 - überschreiten. Eine Abweichung zwischen der berechneten Lage 781 und der tatsächlichen Lage 475 kann zu falschen Stellgrößen für die Maschine 100 und deswegen zu einem falschen Drehmoment der Maschine 100 führen. Solange die Abweichung unter 90° bleibt, kann dies abhängig vom Einsatzzweck der elektrischen Maschine 100 akzeptiert werden. Aktuell wird die feldorientierte Regelung mit deutlich teuereren Sensoren (Inkrementalgeber / Sinus / Cosinus) realisiert, die einer sehr hohe Auflösung der Lage ermöglichen, aber vergleichsweise teuer sind.
Um eine Abweichung über 90° zu vermeiden, wird eine Begrenzung der Extrapolation 781 (t * Drehzahl) auf einen maximalen Abstandswert 136 durchgeführt. Der maximale Abstandswert 136 wird hier durch die maximal mögliche Sektorgröße, in diesem Fall 60°, vorgegeben, wie es in Fig. 7 durch den Knick in dem Verlauf 350 gezeigt ist, der eine Extrapolation mit Begrenzung darstellt. Der Rotor 1 10 kann nicht weiter vom letzten Hall-Sensor 122 entfernt sein als 60°, da sonst der nächste Hall- Sensor 123 passiert werden würde. Somit ist sichergestellt das die maximale Abweichung der Lage immer im zulässigen Bereich, bei maximal 60°, liegt.
Mit der Begrenzung der Extrapolation 781 und damit der maximalen Abweichung von der tatsächlichen Lage ist der Einsatz einer feldorientierten Regelung möglich, ohne dass es zum kritischen Fall einer Abweichung über 90° kommen kann.
Die beschriebene Begrenzung der Extrapolation 781 führt dazu, dass das Verfahren als Interpolation bezeichnet werden kann.
Die Anzahl der Hall-Sensoren 121 , 122, 123, 124, 125, 126 ist lediglich beispielhaft gewählt. Mit der Erhöhung der Hall-Signale pro Umdrehung des Rotors 1 10 lässt sich die Sektorgröße der Sektoren 461 , 462, 463, 464, 465, 466 verkleinern. Dadurch würde der maximal mögliche Fehler nochmals reduziert.
Der beschriebene Ansatz lässt sich auf beliebige quantisierte Positionssignale anwenden. Zum Beispiel kann damit die Lage, die durch einen Inkrementalgeber ermittelt wird, verbessert werden.
Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die lineare Extrapolation der Lage begrenzt, das Verfahren ist jedoch auch mit anderen Extrapolationsverfahren anwendbar. Dabei kann die Begrenzung der Extrapolation als Interpolation betrachtet werden, damit können auch Interpolationsverfahren eingesetzt werden.
Zum Regeln des Betriebs der Maschine 100 können beispielsweise zum einen Signale der Hall-Sensoren 121 , 122, 123, 124, 125, 126 und zum anderen Signale 138 von Strommessungen an zwei Phasen der elektrischen Maschine 100 eingesetzt werden.
Auch wenn die vorangegangenen Ausführungsbeispiele auf eine Maschine mit einem rotierenden Maschinenteil bezogen sind, ist der beschriebene Ansatz nicht auf solche Maschinen beschränkt, sondern kann auch auf Maschinen mit einem eine Linearbewegung ausführenden Maschinenteil, wie es beispielsweise bei einem Linearmotor der Fall ist, eingesetzt werden. In diesem Fall können die entsprechenden Sensorelemente in einer Reihe angeordnet sein.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder" Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
Bezuqszeichen
100 elektrische Maschine
102 Vorrichtung
1 10 Stator
1 12 Rotor
121 erstes Sensorelement
122 zweites Sensorelement
123 drittes Sensorelement
124 viertes Sensorelement
125 fünftes Sensorelement
126 sechstes Sensorelement
130 angenommener Abstandswert
135 Speicher
136 maximaler Abstandswert
137 Regeleinrichtung
138 Strom-/Spannungswerte
139 Regelsignal
221 erste Lage
222 zweite Lage
223 dritte Lage
224 vierte Lage
225 fünfte Lage
226 sechste Lage
241 Einleseeinrichtung
243 Einleseeinrichtung
245 Ermittlungseinrichtung
341 Schritt des Einlesens
343 Schritt des Einlesens
345 Schritt des Ermitteins 461 erster Sektor
462 zweiter Sektor
463 dritter Sektor
464 vierter Sektor
465 fünfter Sektor
466 sechster Sektor
475 tatsächliche aktuelle Lage des Rotors
521 erster Zeitwert
522 zweiter Zeitwert
523 dritter Zeitwert
524 vierter Zeitwert
525 fünfter Zeitwert
526 sechster Zeitwert
521 ' weiterer erster Zeitwert
575 angenommene Lage
677 Drehzahl
781 extrapoliere Lage
783 angenommene Abstandswerte

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Lagebestimmung eines Maschinenteils (1 10) unter Verwendung einer Mehrzahl von entlang eines Bewegungspfads des Maschinenteils (1 10) angeordneten Sensorelementen (121 , 122, 123, 124, 125, 126), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Einlesen (341 ) eines Zeitwertes (522), der einem erfassten Lagewert (222) zugeordnet ist, wobei der erfasste Lagewert (222) eine von einem Sensorelement (122) der Mehrzahl von Sensorelementen (121 , 122, 123, 124, 125, 126) erfasste Lage des Maschinenteils (1 10) repräsentiert;
Einlesen (343) eines Geschwindigkeitswertes (ωη), wobei der Geschwindigkeitswert (ωη) eine angenommene Geschwindigkeit des Maschinenteils (1 1 0) repräsentiert; und
Ermitteln (345) eines angenommenen Abstandswerts (130) unter Verwendung des Zeitwertes (522), des Geschwindigkeitswertes (ωη) und eines maximalen Abstandswertes (136), wobei der angenommene Abstandswert (130) durch den maximalen Abstandswert (136) begrenzt ist und einen angenommenen Abstand zwischen einer angenommenen aktuellen Lage des Maschinenteils (1 10) und der erfassten Lage des Maschinenteils repräsentiert.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Schritt (345) des Einlesens des erfassten Lagewertes (222) und einen Schritt (349) des Ermitteins eines angenommenen Lagewertes (350) unter Verwendung des erfassten Lagewertes (222) und des angenommenen Abstandswerts (130) umfasst, wobei der angenommenen Lagewert (350) die angenommen aktuelle Lage des Maschinenteils (1 10) darstellt.
3. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (345) des Ermitteins des angenommenen Abstandswertes (130) ein vorläufiger Wert (781 ) unter Verwendung des Zeitwertes (522) und des Geschwindigkeitswertes bestimmt und der angenommene Abstandswert (130) als der vorläufige Wert (781 ) ermittelt wird, wenn der vorläufige Wert (781 ) kleiner als der maximale Abstandswert (136) ist, und der angenommene Abstandswert (130) als der maximale Abstandswert (136) ermittelt wird, wenn der vorläufige Wert (781 ) größer als der maximale Abstandswert (136) ist.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Ermitteins (345) der vorläufige Wert (781 ) unter Verwendung eines Extrapolationsverfahrens oder eines Interpolationsverfahrens bestimmt wird.
5. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungspfad kreisförmig ist und der maximale Abstandswert (136) als ein Wert kleiner oder gleich 90° vorgegeben ist.
6. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Abstandswert (136) als ein Wert vorgegeben ist, der einem Abstand zwischen zwei benachbarten Sensorelementen (121 , 122) der Mehrzahl von Sensorelementen (121 , 122, 123, 124, 125, 126) entspricht.
7. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Schritt des Einlesens eines vorangegangen Zeitwertes (521 ) umfasst, der einem vorangegangen erfassten Lagewert (221 ) zugeordnet ist, wobei der vorangegangen erfasste Lagewert (221 ) eine von einem weiteren Sensorelement (121 ) der Mehrzahl von Sensorelementen (121 , 122, 123, 124, 125, 126) erfasste vorangegangene Lage des Maschinenteils (1 10) repräsentiert, und einen Schritt des Bestimmens des Geschwindigkeitswertes (ωη) unter Verwendung des Zeitwertes (522) und des vorangegangenen Zeitwertes (521 ) umfasst.
8. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenteil (1 10) ein Rotor einer elektrischen Maschine (100) und die Mehrzahl von Sensorelementen (121 , 122, 123, 124, 125, 126) Magnetfeldsensoren sind.
9. Regelverfahren zum Regeln eines Betriebs einer elektrischen Maschine (100), dadurch gekennzeichnet, dass das Regelverfahren einen Schritt des Best- immens einer Lage des Rotors der elektrischen Maschine (100) unter Durchführung eines Verfahrens gemäß Anspruch 8 umfasst.
10. Vorrichtung (102) zur Lagebestimmung eines Maschinenteils (1 10) unter Verwendung einer Mehrzahl von entlang eines Bewegungspfads des Maschinenteils (1 10) angeordneten Sensorelementen (121 , 122, 123, 124, 125, 126), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:
eine Einrichtung (241 ) zum Einlesen eines Zeitwertes (522), der einem erfass- ten Lagewert (222) zugeordnet ist, wobei der erfasste Lagewert (222) eine von einem Sensorelement (122) der Mehrzahl von Sensorelementen (121 , 122, 123, 124, 125, 126) erfasste Lage des Maschinenteils (1 10) repräsentiert;
eine Einrichtung (243) zum Einlesen eines Geschwindigkeitswertes, wobei der Geschwindigkeitswert eine angenommene Geschwindigkeit des Maschinenteils (1 10) repräsentiert; und
eine Einrichtung (245) zum Ermitteln eines angenommenen Abstandswerts (130) unter Verwendung des Zeitwertes (522), des Geschwindigkeitswertes und eines maximalen Abstandswertes (136), wobei der angenommene Abstandswert 130) durch den maximalen Abstandswert (136) begrenzt ist und einen angenommenen Abstand zwischen einer angenommenen aktuellen Lage des Maschinenteils (1 10) und der erfassten Lage des Maschinenteils (1 10) repräsentiert.
1 1 . Elektrische Maschine (100) mit einem Rotor als Maschinenteil (1 10) und einem Stator (1 12) mit einer Mehrzahl von entlang eines Bewegungspfads des Rotors angeordneten Sensorelementen (121 , 122, 123, 124, 125, 126), dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (100) eine Vorrichtung (102) gemäß Anspruch 10 zum Bestimmen einer Lage des Rotors aufweist.
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