WO2019057521A1 - Verfahren zur kompensation von störungen eines gemessenen winkelsignals eines magnetischen winkelsensors einer elektrischen maschine und ein entsprechend ausgebildeter mikrokontroller, eine elektrische maschine, sowie ein computerprogrammprodukt - Google Patents

Verfahren zur kompensation von störungen eines gemessenen winkelsignals eines magnetischen winkelsensors einer elektrischen maschine und ein entsprechend ausgebildeter mikrokontroller, eine elektrische maschine, sowie ein computerprogrammprodukt Download PDF

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angle
rotor
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estimated
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Moritz MÄRGNER
Aitor Cortabarria
Norbert FRÖHLICH
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Continental Automotive Gmbh
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Definitions

  • Microcontroller an electric machine, and a computer program product
  • the present invention relates to a method for compensating for disturbances of a measured angle signal of a magnetic angle sensor of an electric machine, a microcontroller for calculating disturbances of a measured angle signal of a magnetic angle sensor
  • Inductive angle sensors or reluctance resolvers are often used for this purpose. Inductive angle sensors and reluctant tank resolvers, however, are costly.
  • a magnetic angle sensor comprises a so-called integrated crosshair element.
  • This crosshair element generates an electrical parameter in relation to the flow direction of an applied external magnetic field.
  • By varying a magnetic field which acts on the cross Hall element for example at a rotation of a magnetic field of a permanent magnet around the central axis of the sensor element, two phase-shifted by 90 ° sine and cosine curves are generated by means of which the Rota ⁇ tion angle as absolute size can be detected.
  • An evaluation electronics integrated in the magnetic angle sensor converts these measured sine or cosine waveform signals into a linear voltage or current signal. Due to the absolute measuring principle, the correct rotation angle can be output even after power interruptions.
  • magnetic angle sensors are sensitive to magnetic interference fields, which occur for example by current-carrying conductors and / or by permanent magnets in electrical machines. When magnetic angle sensors are used in electrical machines, therefore, methods for compensating magnetic interference fields are required.
  • Interference fields is executable.
  • This object is achieved by a method for compensating for disturbances of a measured angle signal of a magnetic angle sensor of an electrical machine according to claim 1 and by a microcontroller for calculating disturbances of a measured angle signal of a magnetic angle sensor of an electrical machine according to claim 12. Further, this object is achieved by An electric machine having a magnetic angle sensor and such a microcontroller according to claim 13 and by a computer program product according to claim 14, which can perform the method. According to the present invention, therefore, a method is proposed for compensating for disturbances of a measured angle signal of a magnetic angle sensor of an electrical machine, the method comprising the following steps:
  • a changing magnetic field is measured by means of a magnetic angle sensor.
  • a rotation of a rotor in an electrical machine on which a permanent magnet is arranged for example, a time-varying magnetic field can be generated in the angle sensor or a direction-dependent changing magnetization can be detected in the angle sensor.
  • the magnetic angle sensor preferably has two Wheatstone bridges, in particular at an angle of 45 ° to one another, so that the angle sensor measures two voltage signals according to equations (1) and (2):
  • An angle sensor makes use of the so-called magnetoresistive effect, as occurs, for example, in the alloy Permalloy.
  • the resistance changes depending on the direction of the changing, induced magnetic field.
  • the measured sensor signal may have a current error and / or an offset error due to current disturbances or due to a non-exact arrangement of the permanent magnet at a rotor end.
  • the measured phase currents themselves are usually not faulty.
  • the magnetic field caused by the phase currents causes an error in the sensor, which is compensated by the proposed method.
  • the sensor signal may be disturbed by various errors, causing the amplitudes of the two-component sensor signal
  • Both signals can have, for example, an offset error 0 sin , O cos :
  • both signals can, for example, have an offset error ⁇ if the sensor is not centered on the rotor of the electrical machine:
  • the sensor signal which includes all possible errors, is then given by:
  • ⁇ 1 is an angle of the magnetic field which is disturbed by a phase current error.
  • a digital filter processes discrete-time and discrete-value signals, such as those detected by a magnetic angle sensor.
  • the proposed method is preferably the error of the rotor angular position at a speed of, for example, up to 18000 rpm less than or equal to 1 ° degree.
  • an angular velocity of the rotor can be determined. For example, during constant acceleration or deceleration up to 30000 rpm, the angular velocity error may be less than or equal to 10 rpm.
  • a measurement error can be compensated by up to 20%, so that an actual, expected rotor angle can be determined with the proposed method.
  • the measurement errors may also be an offset error.
  • an offset error which comes about by a radial misalignment of up to 1 mm and an axial misalignment of up to 5 mm of the permanent magnet on the rotor, can be compensated.
  • a current error of up to 400A can be compensated.
  • the proposed method can be carried out quickly, in particular with a measurement time of 100 ys per measurement.
  • the measured angle signal which is at least contains two components, passed to a stored in a microcontroller calculation program.
  • the computation program is a software which has equation systems, i. Matrices, can solve.
  • One aim of the method described is to estimate or calculate the rotor position angle by evaluating the measured angle sensor signal.
  • preference is given to making no assumptions about a mass, in particular of an author or drive train of a car, or an influence of a current on the movement of the rotor. Instead, it is assumed that the rotor has an angular acceleration, a
  • ⁇ is the state of the system and A is the associated state matrix.
  • ⁇ denotes the unknown change in the angular acceleration.
  • Angle signal can be assigned. A difference between an estimated angle and a measured angle signal
  • the difference can through the di conference be expressed, so that the sensor signal system by
  • the calculation program comprises a model to which a value detected by means of the received angle signal rotor condition comprising an angle and an angular velocity and an angular ⁇ acceleration in consideration of various errors of the angle signal comprising an amplitude error and / or an offset error and / or Offset error and / or the current error is mapped to a current actual rotor state.
  • the correction preferably includes adding or subtracting an estimate from a measured value. It may further comprise multiplying or dividing or executing a concatenation of the basic calculation rules.
  • the use of a model with respect to the current error and / or the offset error is applied. In the present case it has been shown that a consideration of a current error and / or an offset error in the model for calculating an expected rotor angle leads to appropriate values of the rotor angle.
  • An offset error is defined herein as a radial offset and / or an axial offset of the permanent magnet relative to an axial axis of the rotor of the electric machine.
  • Such a radial offset can for example be up to 2 mm radially.
  • an axial offset can be up to 5mm.
  • Such radial and / or axial offset errors can be taken into account with the proposed method.
  • a current error is due to the usual uncertainties or momentary power interruptions in an electrical system.
  • a current error up to 400A can be considered with the proposed method.
  • the estimated current error and / or the estimated offset error is used to estimate a rotor angle error by determining a difference from a measured rotor angle minus an estimated rotor angle.
  • the current error and / or the estimated offset error may be taken into account by subtracting an estimated rotor angle from the measured rotor angle. It is therefore assumed that the measured rotor angle is too large due to the measured current error and / or the offset error. It is also conceivable that an addition of the values is carried out instead of a subtraction.
  • the estimation of a current error can be estimated, for example, by the following equation. Assuming that the errors in the components Xj and) 7 by the phase currents and simply add up, the
  • the angle is an angle between the point
  • T is a matrix to weight the influence of the individual currents on the sensor signals.
  • an offset error can be estimated, for example, by the following assumptions.
  • An offset error is generated by misalignment between the permanent magnet and the sensor.
  • the sensor model taking into account only one offset error ⁇ can thus be written as:
  • the offset error ⁇ can also be modulated by:
  • the actual rotor angle and / or the actual win ⁇ kel sciences and / or the actual Winkelbeschleu ⁇ nist is / are preferably derived from the estimated rotor angular error.
  • the proposed method includes the consideration of implicit functions, ie implicit constraints, so that applicable values regarding
  • the estimated rotor angle error from an earlier method step or from the same method step is preferably used to calculate the expected rotor angle from the received angle signal, taking into account the estimated current error and / or the offset error.
  • the proposed method which is carried out in particular during operation of the electrical machine, preferably comprising at least one loop in which an already sauce ⁇ underestimated rotor angle for continuous estimation of the expected rotor angle as a value, in particular as a starting value, is used.
  • the estimated rotor angular error from a previous step is used to calculate the expected rotor angle from the newly received signal angle.
  • an amplitude error and / or an offset error is / are preferably taken into consideration for calculating an expected rotor angle, in particular transmitted to the calculation program.
  • the estimation of an amplitude error and an offset error can be estimated, for example, by the following assumption.
  • a deviation of the parameters influences the difference between the estimated and the measured sensor signals in the following way:
  • At least one observer is preferably used which reconstructs variables which can not be measured from known input variables, in particular disturbance variables, and output variables, in particular measured variables, of an observed system.
  • the term observer is understood to mean a system which does not consist of known input variables, such as manipulated variables or measurable disturbance variables, and output variables, such as, for example, measured variables such as the angular sensor signal of an observed reference system measurable quantities determined.
  • the observer models the observed reference system as a model and uses a controller to trace the measurable, and therefore comparable with the reference system, measured quantities. This can avoid that a model, especially in reference systems with integrating behavior, generates a growing error over time.
  • An observer can be structured or set up, in particular, if the reference system can be observed via the existing measured variables. Therefore, the determination of observability on the basis of criteria is a necessary condition for the use of an observer. Observers in measurement technology are used as a substitute for technically not possible measurements such as in electrical machines.
  • a Luenber ⁇ ger observer or a Kalman filter is used as an observer.
  • the Kalman filter is a closely related alternative to the Luenberger observer.
  • the Luenberger observer constantly amplifies the error, ie the difference between the estimated and measured sensor values.
  • the theory behind a Luenberger observer is based on a parallel connection of the observer to a controlled system model. In this case, the difference between the sensor measured value of the route, ie the received angle measured value, and a
  • the Kalman filter calculates a new gain in each step based on assumptions about the noise of the sensors. This calculation also includes a mat rix inversion. Thus, the Kalman filter needs more knowledge about the system, especially about the noise sizes, and tends to require more processing power for the matrix inversion.
  • the advantage of using the Kalman filter may be that the estimate converts faster to the true value.
  • an error from each of three current phases of the electrical machine is taken into account for estimating the current error.
  • a difference is preferably calculated from the received received angle signals with the error of current. Such a calculation may be performed with the equations already described herein.
  • an electric machine with a magnetic angle sensor and with a microcontroller described herein is proposed, wherein the electric machine has a rotor and a magnet arranged on the rotor.
  • the magnet arranged on the rotor induces a measurable magnetic field in the angle sensor due to the movement of the rotor.
  • the angle sensor preferably has a permalloy alloy or the like, in which case in any case a resistance as a function of a changing induced magnetic field can be measured.
  • a permanent magnet is further arranged, which induces the magnetic field in the angle sensor upon movement of the rotor.
  • a computer program product that, when executed on a processor, causes the processor to perform a method as described herein.
  • the invention described herein is particularly applicable to electric machines of all kinds in which a position measurement of the rotor takes place taking into account generated magnetic fields.
  • the angular conditioning as well as the compensation of typical errors such as offset error and / or amplitude error of the sine and cosine signals and misalignments between the sensor and magnet and the compensation of the interference caused by the currents interference by observers, in particular by a Luenberger observer or by a caiman Filter, realized.
  • the method or the various embodiments of the method require no parametrization effort. Furthermore, there is no need for magnetic shielding, which is usually expensive. The method described is thus simpler and less expensive.
  • the proposed method is self-learning, ie in the course of application of the method by the Method faster and faster estimated error values of different types estimated.
  • FIG. 1 shows an arrangement of a sensor and a permanent magnet ⁇ on a rotor of an electrical machine
  • Figure 2 is a schematic representation of the magnetoresistive
  • FIG. 4 a schematic representation of a typical current error
  • FIG. 5 Schematic of an offset and amplitude observer
  • FIG. 6 Measurement results of the offset error using an embodiment of the proposed method
  • FIG. 7 Schematic of an offset error observer
  • FIG. 8 Schematic of a current error observer
  • FIG. 9 shows a schematic representation of the structure of the proposed method according to a preferred embodiment, FIG.
  • FIG. 10 shows measurement results which are consistent with one of the prior art
  • FIG. 1 shows an arrangement of a magnetic angle sensor 12 and a permanent magnet 14, which is arranged on a rotor 16 of an electric machine 10.
  • the sensor 12 relative to the permanent magnet 14 is provided in Figure 1 is as ⁇ disposed on a substrate 17th
  • the substrate 17 is formed as a PCB plate or a ceramic plate.
  • the sensor 12 is arranged opposite to the permanent magnet 14 along an axial axis 18 which extends along an extension of the rotor 16. A position of the rotor 16, on which the permanent magnet 14 is arranged, is measurable by means of the magnetic angle sensor 12.
  • the magnetic angle sensor 12 may comprise, for example, a permalloy alloy in which the resistance varies with the direction of the magnetic field.
  • a movement 20 of the rotor 16 is indicated in Figure 1, for example by the arrow 20.
  • the movement 20 of the rotor 16 can consequently be detected by the angle sensor 12.
  • the angle sensor 12 detects, for example, the rotor position angle, the rotor angular velocity and / or the Rotorwinkelbe ⁇
  • the magnetic angle sensor 12 preferably has an alloy in which the measurable resistance in the form of a magnetization M changes as a function of a direction of a magnetic field H.
  • This effect is known as a magnetoresistive effect.
  • Such an alloy may, for example, a Permalloy alloy.
  • a permalloy alloy preferably has up to 80% by weight nickel and up to 20% Ge ⁇ weight proportion of iron.
  • Figure 2 shows a schematic Dar ⁇ position of the magnetoresistive effect.
  • I indicates a current measurable in the alloy 20, which is measurable between a voltage difference 22, 24. It is also conceivable that an alloy other than permalloy is used as long as the alloy used has the magnetoresistive effect.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the structure of an observer.
  • the sensor 12 acquires the values (sin ( ⁇ ), cos ( ⁇ )) and transfers them to a calculation model.
  • A is the system matrix and C is the output matrix of the system (A, C).
  • a and C can be determined whether the system is observable.
  • the system is observable if, for example, the criterion of Kalman or another criterion is met. If this is the case, a state ⁇ of the system can be determined, the estimation error is amplified with the matrix L to correct the estimate for the state ⁇ of the system. If the matrix (A-LC) has only eigenvalues with a negative real part, the observer is stable.
  • the equation system is then solved by integration, whereby the system state ⁇ is determined.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a typical current error X in vectorial form.
  • the measured phases of the current itself are usually not faulty. However, the magnetic field caused by the phase currents causes a fault in the sensor.
  • the measured angle ⁇ I does not correspond to the actual angle, so that the measured angle I is according to Corridor by subtracting ⁇ yaw.
  • Figure 5 shows a schematic of an offset and / or Amplitu ⁇ the observer.
  • the variable AU is the difference between the measured sensor value (sin ( ⁇ ), cos ( ⁇ )) and the estimate.
  • the size L is a freely selectable error amplification.
  • T is the weighting of the error, which is given by a partial derivative of the sensor signal after the error sources amplitude and offset. The amplitude and offset estimates are adapted by integrating the sensor error weighted
  • the influence of the offset error is usually the same, while the influence of the amplitude error changes with the angle. This makes it possible to distinguish between the error which comprises the offset and the error which comprises the amplitude error.
  • FIG. 6 shows measurement results of the offset error against the rotor angular position using one embodiment of the proposed method.
  • FIG. 6a shows measured sensor ⁇ signals, which were measured by the sensor 12, and ideal cosine and sine curves without a model for the offset error for comparison.
  • FIG. 6b shows a resulting angle error AgErr resulting from the offset error superimposed with a modeled angle error AgErrMdl.
  • FIG. 6c shows the difference between the angle error AgErr minus the modeled angle error AgErrMdl. In particular, FIG. 6c shows a constant value which has a magnitude fluctuation of less than 1 ° degrees.
  • FIG. 7 shows a schematic of an offset observer, wherein the offset error is estimated as a difference between the measured angle and the estimated angle. Otherwise, the calculation runs parallel to the described calculation to FIG. 5, to which reference is hereby made.
  • FIG. 8 shows a schematic of a current error observer. This differs further in that every phase of the current I is a
  • Error is assigned so that the current error components and yi can be written as a sum as described herein.
  • the parameters of the matrix are freely selectable
  • FIG. 9 shows a schematic representation of the structure of the proposed method according to a preferred embodiment.
  • the compensation of disturbances of a measured angle signal of a magnetic angle sensor of an electrical machine takes place.
  • the method comprises the steps of: receiving a measured angle signal, estimating a current error and / or a Versat zconss the measured angle signal, and calculating an expected rotor angle from the measured angle signal taking into account the estimated current error and / or the estimated Versat zcons, especially during the operation of the electric machine.
  • FIG. 9 shows an overview of the signal flow of the proposed method.
  • the idea of the method or the algorithm is to determine non-measurable quantities by matching expected sensor signals (sine, cosine signals) with actually measured sensor signals.
  • step 30 'Rotor Angle Error Calculation'.
  • sensor signals measured by the angle sensor 12 in step 29 are transferred to the described algorithm.
  • the estimate for the rotor state (angle, angular velocity, angular acceleration) is ver ⁇ repaired.
  • step 32 'Rotor Shaft State Observer'.
  • ideal values for the amplitude and offset of the sensor can be used to calculate the expected sensor values.
  • step 34 'Sensor Model'. If the sensor behavior deviates from the ideal, this has an effect on the estimation of the rotor condition.
  • a loop 36 the calculated sensor values can be transferred again to the calculation method for interference field compensation, as long as no or only a small deviation from the ideal can be determined.
  • the detected sensor signals are transferred directly to the sensor model 34 in a step 31, so that the sensor model can determine the parameters for the sensor model from the measured and the estimated values.
  • Figure 10 shows model results obtained by a method known in the art.
  • the estimation according to the method known from the prior art leads to strongly scattering values between 14800 and 15100 rpm, ie values which scatter over a range of 300 rpm.
  • Figure 11 shows model results, obtained with the beaten before ⁇ method according to a preferred embodiment.
  • values are achieved which constantly scatter in a small range of up to 20 rpm.
  • the curves 40 in FIGS. 10 and 11 respectively show measured curves and results and the curves 42 respectively calculate the curves.
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Störungen eines gemessenen Winkelsignals eines magnetischen Winkelsensors einer elektrischen Maschine, wobei das Verfahren aufweist: Empfangen eines gemessenen Winkelsignals, Abschätzen eines Stromfehlers und/oder eines Versatzfehlers des gemessenen Winkelsignals, Berechnen eines zu erwartenden Rotorwinkels aus dem gemessenen Winkelsignal unter Berücksichtigung des abgeschätzten Stromfehlers und/oder des abgeschätzten Versatzfehlers, insbesondere während des Betriebes der elektrischen Maschine. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Mikrokontroller zur Berechnung von Störungen eines gemessenen Winkelsignals eines magnetischen Winkelsensors einer elektrischen Maschine, eine elektrische Maschine mit einem magnetischen Winkelsensor und einem Mikrocontroller und ein Computerprogrammprodukt.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Kompensation von Störungen eines gemessenen Winkelsignals eines magnetischen Winkelsensors einer
elektrischen Maschine und ein entsprechend ausgebildeter
Mikrokontroller, eine elektrische Maschine, sowie ein Compu- terprogrammprodukt
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Störungen eines gemessenen Winkelsignals eines magnetischen Winkelsensors einer elektrischen Maschine, einen Mikrokontroller zur Berechnung von Störungen eines gemessenen Winkelsignals eines magnetischen Winkelsensors einer
elektrischen Maschine sowie eine entsprechende ausgebildete elektrische Maschine.
Zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine ist die Kenntnis der Rotorwinkelposition notwendig. Hierzu werden oftmals induktive Winkelsensoren oder Reluktanz-Resolver verwendet. Induktive Winkelsensoren und Reluktankz-Resolver sind jedoch kostenintensiv .
Die Verwendung magnetischer Winkelsensoren hingegen ist kos- tengünstig und zudem genau. Ein magnetischer Winkelsensor umfasst ein sogenanntes integriertes Kreuzhall-Element. Dieses Kreuzhall-Element generiert eine elektrische Kenngröße in Relation zur Flussrichtung eines angelegten äußeren Magnetfeldes. Durch Veränderung eines Magnetfeldes, welches auf das Kreuzhall-Element wirkt, wie beispielsweise bei einer Rotation eines Magnetfeldes eines Permanentmagneten um die Mittelachse des Sensor-Elementes, werden zwei um 90° phasenverschobene Sinus- bzw. Cosinuskurven generiert, anhand derer der Rota¬ tionswinkel als absolute Größe detektiert werden kann. Eine in dem magnetischen Winkelsensor integrierte Auswerteelektronik wandelt diese gemessenen Sinus- bzw. Cosinuskurvensignale in ein lineares Spannungs- oder Stromsignal um. Durch das absolute Messprinzip kann auch nach Stromunterbrüchen der richtige Drehwinkel ausgegeben werden. Allerdings sind magnetische Winkelsensoren empfindlich gegenüber magnetischen Störfeldern, welche beispielsweise durch stromführende Leiter und/oder durch Permanentmagnete in elektrischen Maschinen auftreten. Bei Verwendung magnetischer Winkelsensoren in elektrischen Maschinen bedarf es daher Verfahren zur Kompensation magnetischer Störfelder.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Kompensation von Störfeldern bereitzustellen sowie einen entsprechend ausgebildeten Mikrokontroller und eine entsprechend ausgebildete elektrische Maschine bereitzustellen, mit dem bzw. mit der das Verfahren zur Kompensation von
Störfeldern ausführbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Kompensation von Störungen eines gemessenen Winkelsignals eines magnetischen Winkelsensors einer elektrischen Maschine nach Anspruch 1 und durch einen Mikrokontroller zur Berechnung von Störungen eines gemessenen Winkelsignals eines magnetischen Winkelsensors einer elektrischen Maschine nach Anspruch 12. Ferner wird diese Aufgabe gelöst durch eine elektrische Maschine mit einem magnetischen Winkelsensor und einem solchen Mikrokontroller nach Anspruch 13 und durch ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 14, welches das Verfahren ausführen kann. Gemäß der vorliegenden Erfindung wir folglich ein Verfahren zur Kompensation von Störungen eines gemessenen Winkelsignals eines magnetischen Winkelsensors einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Empfangen eines gemessenen Winkelsignals, Abschätzen eines Stromfehlers und/oder eines Ver- satzfehlers des gemessenen Winkelsignals,
Berechnen eines zu erwartenden Rotorwinkels aus dem gemessenen Winkelsignal unter Berücksichtigung des abgeschätzten Stromfehlers und/oder des abgeschätzten
Versatzfehlers , insbesondere während des Betriebes der elektrischen Maschine.
Vorschlagsgemäß wird mittels eines magnetischen Winkelsensors ein sich veränderndes Magnetfeld gemessen. Durch eine Rotation eines Rotors in einer elektrischen Maschine, an welchem ein Permanentmagnet angeordnet ist, kann beispielsweise ein sich zeitlich veränderndes Magnetfeld in dem Winkelsensor erzeugt bzw. eine richtungsabhängige sich verändernde Magnetisierung in dem Winkelsensor erfasst werden. Bevorzugt weist der magnetische Winkelsensor zwei Wheatstone-Brücken, insbesondere in einem Winkel von 45° Grad zueinander, auf, so dass der Winkelsensor zwei Spannungssignale gemäß den Gleichungen (1) und (2) misst:
Figure imgf000005_0001
Ein Winkelsensor macht sich den sogenannten magnetoresistiven Effekt, wie er beispielsweise in der Legierung Permalloy auftritt, zunutze. Bei diesem Effekt ändert sich der Widerstand in Abhängigkeit der Richtung des sich verändernden, induzierten Magnetfeldes. Das gemessene Sensorsignal kann jedoch aufgrund von Stromstörungen oder aufgrund einer nicht exakten Anordnung des Permanentmagneten an einem Rotorende einen Stromfehler und/oder einen Versatzfehler aufweisen. Bei einem Stromfehler sind die gemessenen Phasenströme selbst sind in der Regel nicht fehlerbehaftet. Jedoch verursacht das Magnetfeld, das durch die Phasenströme verursacht wird, einen Fehler im Sensor, welcher mit dem vorgeschlagenen Verfahren kompensiert wird. Generell kann das Sensorsignal durch verschiedene Fehler gestört sein, wodurch die Amplituden des zwei Komponenten-Sensorsignals
Figure imgf000006_0005
unterschiedlich sein können, nämlich:
Figure imgf000006_0001
Beide Signale können beispielsweise einen Offsetfehler 0sin, Ocos aufweisen :
Figure imgf000006_0002
Ferner können beide Signale beispielsweise einen Versatzfehler ε aufweisen, wenn der Sensor nicht zentriert an dem Rotor der elektrischen Maschine angeordnet ist:
Figure imgf000006_0003
Wenn elektrische Ströme im Rotor fließen, kann ferner das gemessene magnetische Feld, welches vom Sensor gemessen wird, gestört sein. Das Sensorsignal, welches alle möglichen Fehler umfasst, ist dann gegeben durch:
Figure imgf000006_0004
wobei α1 ein Winkel des magnetischen Feldes ist, welches durch einen Phasenstromfehler gestört ist. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, möglichst alle Fehler zu kompensieren. Vorschlagsgemäß werden neben anderen Fehlern vor Allem der
Stromfehler und/oder der Versatzfehler in dem vorgeschlagenen Verfahren berücksichtigt, indem eine Größe eines oder beider dieser Fehler abgeschätzt wird und das gemessene Winkelsignal um einen solchen Fehler korrigiert wird. Nach einer Korrektur des gemessenen Winkelsignals um einen solchen Fehler kann ein zu erwartender, tatsächlicher, Rotorwinkel aus dem gemessenen Winkelsignal berechnet werden. Eine solche Berechnung des zu erwartenden Winkelsignals unter Berücksichtigung des abge- schätzten Stromfehlers und/oder des abgeschätzten Versatz- fehlers kann während des Betriebes der elektrischen Maschine durchgeführt werden. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren, welches der Funktionsweise eines digitalen Filters entspricht, kann folglich eine tatsächliche Rotorwinkelposition ermittelt werden. Digitale Filter werden in der Regelungstechnik zur Manipulation eines Signales eingesetzt. Anders als für analoge Filter werden für einen digitalen Filter keine elektronischen Bauelemente sondern Logikbausteine eingesetzt. Zudem verar- beitet ein digitaler Filter zeit- und wertdiskrete Signale, wie diese beispielsweise von einem magnetischen Winkelsensor erfasst werden. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren ist dabei bevorzugt der Fehler der Rotorwinkelposition bei einer Geschwindigkeit von beispielsweise bis zu 18000 rpm kleiner oder gleich 1° Grad. Ferner kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren eine Winkelgeschwindigkeit des Rotors bestimmt werden. So kann beispielsweise während einer konstanten Beschleunigung oder Bremsung um bis zu 30000 rpm/s der Fehler der Winkelgeschwindigkeit kleiner oder gleich 10 rpm sein. In vorteilhafter Weise kann mit dem vor- geschlagenen Verfahren ein Messfehler um bis zu 20% kompensiert werden, so dass ein tatsächlicher, zu erwartender Rotorwinkel mit dem vorgeschlagenen Verfahren bestimmbar ist. Bei den Messfehlern kann es sich dabei neben den erwähnten Stromfehler und/oder Versatzfehler ferner um einen Offsetfehler handeln. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann beispielsweise ein Ver- satzfehler, welcher durch eine radiale Fehlausrichtung von bis zu 1 mm und einer axialen Fehlausrichtung von bis zu 5 mm des Permanentmagneten am Rotor zu Stande kommt, kompensiert werden. Ferner kann ein Stromfehler um bis zu 400A kompensiert werden. Zudem ist das vorgeschlagene Verfahren schnell durchführbar, insbesondere mit einer Meßzeit von 100 ys pro Messung.
Bevorzugt wird zum Abschätzen des Stromfehlers und/oder des Versatzfehlers das gemessene Winkelsignal, welches mindestens zwei Komponenten umfasst, an ein in einem MikroController hinterlegtes Berechnungsprogramm übergeben.
Bei dem Berechnungsprogram handelt es sich um eine Software, welche Gleichungssysteme, d.h. Matrizen, lösen kann. Ein Ziel des beschriebenen Verfahrens ist, den Rotorpositionswinkel durch Auswertung des gemessenen Winkelsensorsignals abzuschätzen bzw. zu berechnen. Bei dem verwendeten Berechnungsprogramm werden bevorzugt keine Annahmen zu einer Masse, insbesondere eines Autors oder eines Antriebstranges eines Autos, oder ein Einfluss eines Stromes auf die Bewegung des Rotors gemacht. Stattdessen wird angenommen, dass dem Rotor eine Winkelbeschleunigung, eine
Winkelgeschwindigkeit und einen Winkel, also ein Zustand
Figure imgf000008_0002
zuordenbar ist, welche/welcher durch folgendes Gleichungssystem darstellbar ist:
Figure imgf000008_0001
Hierbei ist ξ der Zustand des Systems und A die zugehörige Zustandsmatrix . Mit der Variablen τ wird die unbekannte Veränderung der Winkelbeschleunigung bezeichnet. Für einen Beobachter wir t =0 angenommen. Um eine Struktur des Beobachters zu erhalten, muss ein abgeschätzter Winkel einem gemessenen
Figure imgf000008_0004
Winkelsignal zugeordnet werden können. Ein Unterschied zwischen einem abgeschätzten Winkel und einem gemessenen Winkelsignal
Figure imgf000008_0003
α kann dann durch folgende Gleichungen beschrieben werden:
Figure imgf000009_0001
Die Di fferenz
Figure imgf000009_0002
kann durch die Di fferenz
Figure imgf000009_0003
ausgedrückt werden, so dass das Sensorsignalsystem durch
Figure imgf000009_0004
gegeben ist. Das System (A,C) ist beobachtbar und wird mit dem vorgeschlagenen Verfahren gelöst.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Berechnungsprogram ein Modell, mit welchem ein mittels des empfangenen Winkelsignals erfasster Rotorzustand umfassend einen Winkel und eine Winkelgeschwindigkeit und eine Winkel¬ beschleunigung unter Berücksichtigung verschiedener Fehler des Winkelsignals umfassend einen Amplitudenfehler und/oder einen Offsetfehler und/oder den Versatzfehler und/oder den Stromfehler auf einen aktuellen tatsächlichen Rotorzustand abgebildet wird.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren können somit unterschiedliche Fehler berücksichtigt werden, bzw. das gemessene Winkelsignal kann aufgrund unterschiedlicher Fehler korrigiert werden. Das Korrigieren beinhaltet bevorzugt addieren oder subtrahieren eines Schätzwertes von einem gemessenen Wert. Es kann ferner ein Multiplizieren oder Dividieren oder eine Ausführung einer Verkettung der Grundrechenregeln umfassen. Bevorzugt wird die Verwendung eines Modells in Bezug auf den Stromfehler und/oder den Versatzfehler angewendet. Vorliegend hat sich gezeigt, dass eine Berücksichtigung eines Stromfehlers und/oder eines Versatzfehlers in dem Modell zur Berechnung eines zu erwartenden Rotorwinkels zu zutreffenden Werten des Rotorwinkels führt. Ein Versatzfehler ist vorliegend definiert als ein radialer Versatz und/oder ein axialer Versatz des Permanentmagneten gegenüber eine Axialachse des Rotors der elektrischen Maschine. Ein solcher radialer Versatz kann beispielsweise radial bis zu 2mm betragen. Ein axialer Versatz kann beispielsweise bis zu 5mm betragen. Derartige radial und/oder axiale Versatzfehler können mit dem vorgeschlagenen Verfahren berücksichtiget werden. Ein Stromfehler ist gegeben durch die gewöhnlichen Unsicherheiten bzw. kurzzeitigen Stromunterbrechungen in einem elektrischen System. Ein Stromfehler bis zu 400A kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren berücksichtigt werden.
Bevorzugt wird/werden der abgeschätzte Stromfehler und/oder der abgeschätzte Versatzfehler zum Abschätzen eines Rotorwinkelfehlers durch Bestimmen einer Differenz aus einem gemessenen Rotorwinkel minus einem geschätzten Rotorwinkel verwendet.
Der Stromfehler und/oder der abgeschätzte Versatzfehler können berücksichtigt werden, indem von dem gemessenen Rotorwinkel ein geschätzter Rotorwinkel abgezogen wird. Es wird also angenommen, dass der gemessene Rotorwinkel zu groß ausfällt aufgrund des mitgemessenen Stromfehlers und/oder des Versatzfehlers . Es ist ferner denkbar, dass statt einer Subtraktion eine Addition der Werte durchgeführt wird. Die Abschätzung eines Stromfehlers kann beispielsweise durch folgende Gleichung abgeschätzt werden. Unter der Annahme, dass die Fehler in den Komponenten Xj und )7 durch die Phasenströme verursacht sind und sich einfach addieren, können die
Figure imgf000011_0006
Komponenten
Figure imgf000011_0012
und geschrieben werden als :
Figure imgf000011_0013
Figure imgf000011_0001
Der Winkel
Figure imgf000011_0011
ist ist ein Winkel zwischen dem Punkt
Figure imgf000011_0002
und der x-Achse:
Figure imgf000011_0003
Eine Verdopplung des Winkels αl kann geschrieben werden als
Figure imgf000011_0004
und
Figure imgf000011_0007
Der Einfluss der Fehler
Figure imgf000011_0009
und in Bezug auf die gemessenen
Figure imgf000011_0010
Sensorsignale kann in folgenden Bezug gesetzt
Figure imgf000011_0008
werden:
Figure imgf000011_0005
Figure imgf000012_0001
T ist dabei eine Matrix, um den Einfluss der einzelnen Ströme auf die Sensorsignale zu gewichten.
Die Abschätzung eines Versatzfehlers kann beispielsweise durch folgende Annahmen abgeschätzt werden. Ein Versatzfehler wird erzeugt durch eine Fehlausrichtung zwischen dem Permanentmagneten und dem Sensor. Das Sensor Model unter Berücksichtigung von nur einem Versatzfehler ε kann folglich geschrieben werden als :
Figure imgf000012_0002
Der Versatzfehler ε kann ferner moduliert werden durch:
Figure imgf000012_0003
Bevorzugt wird/werden aus dem abgeschätzten Rotorwinkelfehler der tatsächliche Rotorwinkel und/oder die tatsächliche Win¬ kelgeschwindigkeit und/oder die tatsächliche Winkelbeschleu¬ nigung abgeleitet.
Insbesondere durch Berücksichtigung eines geschätzten Rotorwinkelfehlers können der Rotorwinkel , die Winkelgeschwin¬ digkeit und die Winkelbeschleunigung zutreffend bestimmt
Figure imgf000012_0004
werden. Insbesondere umfasst das vorgeschlagene Verfahren die Berücksichtigung impliziter Funktionen, also impliziter Ab- hängigkeiten, so dass zutreffende Werte bezüglich
Figure imgf000013_0001
ermittelbar sind.
Bevorzugt wird der abgeschätzte Rotorwinkelfehler aus einem früheren Verfahrensschritt oder aus demselben Verfahrensschritt zum Berechnen des zu erwartenden Rotorwinkels aus dem empfangenen Winkelsignal unter Berücksichtigung des abgeschätzten Stromfehlers und/oder des Versatzfehlers verwendet. Das vorgeschlagene Verfahren, welches insbesondere während des Betriebes der elektrischen Maschine ausgeführt wird, umfasst bevorzugt mindestens eine Schleife, in der ein bereits abge¬ schätzter Rotorwinkel zur fortlaufenden Abschätzung des zu erwartenden Rotorwinkels als ein Wert, insbesondere als ein Startwert, verwendet wird. Insbesondere bei zyklischen Ab¬ hängigkeiten in dem vorgeschlagenen Verfahren, welches bevorzugt als ein Algorithmus ausgebildet ist, wird der abgeschätzte Rotorwinkelfehler aus einem früheren Verfahrensschritt verwendet, um den zu erwartenden Rotorwinkel aus dem neu empfangenen Winkelsignal zu berechnen. Das Zurückgreifen auf abgeschätzte Rotorwinkelfehler aus einem früheren Verfahrensschritt ist insbesondere von der Implementierung abhängig und führt zu einer schnelleren Konvergenz des vorgeschlagenen Verfahrens. Bevorzugt wird/werden zum Berechnen eines zu erwartenden Rotorwinkels ferner ein Amplitudenfehler und/oder ein Offsetfehler berücksichtigt, insbesondere dem Berechnungsprogramm übergeben .
Die Abschätzung eines Amplitudenfehlers und eines Offsetfehlers kann beispielsweise durch folgende Annahme abgeschätzt werden.
Figure imgf000013_0002
wobei ein ideales Verhalten des Sensors angenommen wird, so dass
Figure imgf000014_0002
Eine Abweichung der Parameter beeinflusst die Differenz zwischen den abgeschätzten und den gemessenen Sensorsignalen in folgender Weise :
Figure imgf000014_0001
Bevorzugt wird zum Bestimmen des Rotorwinkelfehlers mindestens ein Beobachter verwendet, welcher aus bekannten Eingangsgrößen, insbesondere Störgrößen, und Ausgangsgrößen, insbesondere Messgrößen, eines beobachteten Systems nicht messbare Größen rekonstruiert .
Unter dem Begriff Beobachter ist in der Regelungstechnik ein System zu verstehen, welches aus bekannten Eingangsgrößen, wie beispielsweise Stellgrößen oder messbaren Störgrößen, und Ausgangsgrößen, wie beispielsweise Messgrößen wie dem Win- kelsensorsignal , eines beobachteten Referenzsystems nicht messbare Größen bestimmt. Hierbei bildet der Beobachter das beobachtete Referenzsystem als ein Modell nach und führt mit einem Regler die messbaren, und deshalb mit dem Referenzsystem vergleichbaren, Messgrößen nach. Hierdurch kann vermieden werden, dass ein Modell, insbesondere bei Referenzsystemen mit integrierendem Verhalten, einen über die Zeit wachsenden Fehler generiert. Ein Beobachter kann insbesondere dann strukturiert bzw. aufgestellt werden, wenn das Referenzsystem über die vorhandenen Messgrößen beobachtbar ist. Daher ist die Fest- Stellung der Beobachtbarkeit anhand von Kriterien notwendige Voraussetzung für die Anwendung eines Beobachters. Eingesetzt werden Beobachter in der Messtechnik als Ersatz für technisch nicht mögliche Messungen wie beispielsweise in elektrischen Maschinen .
Besonders bevorzugt wird als Beobachter ein Luenber¬ ger-Beobachter oder ein Kaiman-Filter verwendet.
Der Kaiman-Filter ist ein eng verwandte Alternative zu dem Luenberger-Beobachter. Der Luenberger- Beobachter verstärkt den Fehler konstant, also den Unterschied zwischen den geschätzten und gemessenen Sensorwerten. Die Theorie hinter einem Luenberger-Beobachter beruht auf einer Parallelschaltung des Beobachters zu einem Regelstreckenmodell . Dabei wird die Differenz zwischen dem Sensormesswert der Strecke, also dem empfangenen Winkelmesswert , und einem
"Messwert" des Beobachters, also einem Schätzwert des Winkels &, auf das Modell zurückgeführt. Damit kann der Beobachter auf Störungen beziehungsweise eigene Ungenauigkeiten reagieren. Ein Vorteil des Luenberger- Beobachters liegt darin, dass der Luenberger-Beobachter auf eigene Ungenauigkeiten reagieren kann. Der Kaiman-Filter berechnet in jedem Schritt eine neue Verstärkung auf Basis von Annahmen über das Rauschen der Sensoren. Diese Berechnung beinhaltet auch eine Mat- rix-Invertierung . Damit benötigt der Kaiman-Filter mehr Wissen über das System, insbesondere über die Rauschgrößen, und tendenziell mehr Rechenleistung für die Matrix-Invertierung. Der Vorteil bei Verwendung des Kaiman-Filters kann sein, dass der Schätzwert schneller gegen den wahren Wert konvertiert.
Bevorzugt wird zum Abschätzen des Stromfehlers ein Fehler aus jeder von drei Strom-Phasen der elektrischen Maschine berücksichtigt .
Ferner wird in einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens angenommen, dass sich die Fehler aus den drei Strom-Phasen zu einem Fehler aufsummieren . Hierdurch kann ein Stromfehler dem benutzten Beobachter übergeben werden.
Bevorzugt wird zum Abschätzen des Versatzfehlers eine Differenz aus den stromfehlerbehafteten empfangenen Winkelsignalen berechnet . Eine solche Berechnung kann mit den bereits hierin beschriebenen Gleichungen durchgeführt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Mikrokontroller zur Berechnung von Störungen eines gemessenen Winkelsignals eines magnetischen Winkelsensors einer
elektrischen Maschine vorgeschlagen, wobei der Mikrokontroller dazu ausgebildet ist, das gemessene Winkelsignal zu empfangen und ein Verfahren wie hierin beschrieben auszuführen. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Maschine mit einem magnetischen Winkelsensor und mit einem hierin beschriebenen MikroController vorgeschlagen, wobei die elektrische Maschine einen Rotor und einen an dem Rotor angeordneten Magneten aufweist. Hierbei, induziert der an dem Rotor angeordnete Magnet durch die Bewegung des Rotors ein messbares Magnetfeld in dem Winkelsensor . Der Winkelsensor weist bevorzugt eine Permalloy-Legierung oder dergleichen auf, in welcher jedenfalls ein Widerstand in Ab- hängigkeit eines sich verändernden induzierten Magnetfeldes messbar ist. An dem Rotor ist ferner ein Permanentmagnet angeordnet, welcher bei Bewegung des Rotors das Magnetfeld in dem Winkelsensor induziert. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, das, wenn es auf einem Prozessor ausgeführt wird, den Prozessor veranlasst, ein hierin beschriebenes Verfahren auszuführen. Die hierin beschriebene Erfindung ist vor Allem bei elektrischen Maschinen aller Art einsetzbar, bei denen eine Positionsmessung des Rotors unter Berücksichtigung erzeugter magnetischer Felder erfolgt. Wie hierin beschrieben wird die Winkelaufbereitung sowie die Kompensation typischer Fehler wie Offsetfehler und/oder Amplitudenfehler der Sinus- und Cosinussignale sowie Fehlstellungen zwischen Sensor und Magnet und die Kompensation der durch die Ströme hervorgerufene Störfelder durch Beobachter, insbesondere durch ein Luenberger-Beobachter oder durch ein Kaiman-Filter, realisiert.
Besonders von Vorteil bei den hierin beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens ist, dass das Verfahren bzw. die verschiedenen Ausführungsformen des Verfahrens keinen Para- metrisierungsaufwand bedürfen. Ferner bedarf es keiner mag- netischen Abschirmung, welche in der Regel teuer ist. Das beschriebene Verfahren ist somit einfacher und kostengünstiger. Insbesondere ist das vorgeschlagene Verfahren selbstlernend, d.h. im Laufe der Anwendung des Verfahrens werden durch das Verfahren immer schneller zutreffendere Fehlerwerte der verschiedenen Arten abgeschätzt.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es versteht sich, dass einzelne in den jeweiligen Figuren gezeigte Ausführungsformen Merkmale aufweisen können, die auch in anderen Ausführungsformen zum Einsatz gelangen können, auch wenn dies nicht explizit genannt ist, und sofern dies nicht aufgrund technischer Gegebenheiten oder explizit ausgeschlossen wurde. Es zeigen:
Die Figuren zeigen:
Figur 1 eine Anordnung eines Sensors und eines Permanent¬ magneten an einem Rotor einer elektrischen Maschine, Figur 2 eine schematische Darstellung des magnetoresistiven
Effekts in Permalloy,
Figur 3 schematische Darstellung der Struktur eines Beobachters,
Figur 4 schematische Darstellung eines typischen Stromfehlers,
Figur 5 Schema eines Offset- und Amplituden-Beobachters, Figur 6 Messergebnisse des Versatzfehlers unter Verwendung einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens, Figur 7 Schema eines Versatzfehler-Beobachters ,
Figur 8 Schema eines Stromfehler-Beobachters,
Figur 9 schematische Darstellung der Struktur des vorge- schlagenen Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform,
Figur 10 Messergebnisse, welche mit einem aus dem Stand der
Technik bekannten Verfahren erhalten wurden, und Figur 11 Messergebnisse, welche mit dem vorgeschlagenen
Verfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erhalten wurden Weitere Vorteile beliebter Ausführungsformen werden in Zusammenschau der nachfolgenden Figuren 1 bis 11 erläutert, insbesondere auch im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bereits bekannten und angewendeten Verfahren. Figur 1 zeigt eine Anordnung eines magnetischen Winkelsensors 12 und eines Permanentmagneten 14, welcher an einem Rotor 16 einer elektrischen Maschine 10 angeordnet ist. Wie in Figur 1 dar¬ gestellt ist der Sensor 12 gegenüber dem Permanentmagneten 14 an einem Substrat 17 angeordnet. Bevorzugt ist das Substrat 17 als eine PCB-Platte oder als Keramik-Platte ausgebildet. Der Sensor 12 ist gegenüber dem Permanentmagneten 14 entlang einer Axialachse 18, welche entlang einer Erstreckung des Rotors 16 verläuft, angeordnet. Eine Position des Rotors 16, an dem der Permanentmagnet 14 angeordnet ist, ist mittels des magnetischen Winkelsensors 12 messbar. Der magnetische Winkelsensor 12 kann beispielsweise eine Permalloy-Legierung umfassen, bei welcher sich der Widerstand mit der Richtung des Magnetfeldes ändert. Eine Bewegung 20 des Rotors 16 ist in Figur 1 beispielsweise durch den Pfeil 20 angedeutet. Die Bewegung 20 des Rotors 16 kann folglich von dem Winkelsensor 12 erfasst werden . Der Winkelsensor 12 erfasst beispielsweise den Rotorpositionswinkel , die Rotorwinkelgeschwindigkeit und/oder die Rotorwinkelbe¬
Figure imgf000019_0002
schleunigung
Figure imgf000019_0001
Der magnetische Winkelsensor 12 weist bevorzugt eine Legierung auf, in welcher sich der messbare Widerstand in Form einer Magnetisierung M in Abhängigkeit einer Richtung eines Magnetfeldes H verändert. Dieser Effekt ist als magnetoresistiver Effekt bekannt. Eine solche Legierung kann beispielsweise eine Permalloy-Legierung sein. Eine Permalloy-Legierung weist bevorzugt bis zu 80% Gewichtsanteil Nickel und bis zu 20% Ge¬ wichtsanteil Eisen auf. Figur 2 zeigt eine schematische Dar¬ stellung des magnetoresistiven Effekts. Hierbei gibt I einen in der Legierung 20 messbaren Strom an, welcher zwischen einer Spannungsdifferenz 22, 24 messbar ist. Es ist ferner denkbar, dass eine andere Legierung als Permalloy verwendet wird, solange die verwendete Legierung den magnetoresistiven Effekt aufweist. Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung der Struktur eines Beobachters . Der Sensor 12 erfasst die Werte (sin (θ) , cos (Θ) ) und übergibt diese einem Berechnungsmodell. A ist die Systemmatrix und C die Ausgangsmatrix des Systems (A, C) . Anhand der Größen A und C kann bestimmt werden, ob das System beobachtbar ist. Das System ist beobachtbar, wenn beispielsweise das Kriterium von Kaiman oder ein anderes Kriterium erfüllt ist. Ist dies der Fall, so kann ein Zustand ξ des Systems bestimmt werden, wobei der Schätz fehler
Figure imgf000020_0001
mit der Matrix L verstärkt wird, um den Schätzwert für den Zustand ξ des Systems zu korrigieren. Wenn die Matrix (A-LC) nur Eigenwerte mit negativem Realteil aufweist , ist der Beobachter stabil. Das Gleichungssystem wird dann durch Integration gelöst, wodurch der Systemzustand ξ bestimmt wird.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines typischen Stromfehlers X in vektorieller Form. Ein vom Winkelsensor 12 gemessener Strom I umfasst die Stromfehler-Komponenten X= ( xi , yi) , welche zu dem gemessenen Winkel αI führen. Die gemessenen Phasen des Stromes selbst sind in der Regel nicht fehlerbehaftet. Jedoch verursacht das Magnetfeld, das durch die Phasenströme verursacht wird, einen Fehler im Sensor. Der gemessene Winkel αI entspricht daher nicht dem tatsächlichen Winkel , sodass der gemessene Winkel I entsprechend durch Subtraktion zu korri¬ gieren ist. Figur 5 zeigt ein Schema eines Offset- und/oder Amplitu¬ den-Beobachters. Die Größe AU ist dabei die Differenz zwischen dem gemessenen Sensorwert (sin(θ), cos (θ) ) und der Schätzung . Die Größe L ist eine frei wählbare Fehlerverstärkung. T ist die Gewichtung des Fehlers, welche durch eine partielle Ableitung des Sensorsignals nach den Fehlerquellen Amplitude und Offset gegeben ist. Die Schätzwerte für Amplitude und Offset werden adaptiert, indem der Sensorfehler - mit L und T gewichtet - integriert wird.
Der Einfluss des Offsetfehlers ist in der Regel gleich, während der Einfluss des Amplitudenfehlers sich mit dem Winkel ändert. Hierdurch kann zwischen dem Fehler, welcher den Offset umfasst, und dem Fehler, welcher den Amplitudenfehler umfasst, unterschieden werden.
Figur 6 zeigt Messergebnisse des Versatzfehlers gegenüber der Rotorwinkelposition unter Verwendung einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens. Fig. 6a zeigt gemessene Sensor¬ signale, welche vom Sensor 12 gemessen wurden, und ideale cosinus- und sinus-Kurven ohne ein Model für den Versatzfehler zum Vergleich. Die Fig. 6b zeigt einen resultierenden Winkelfehler AgErr, welcher aus dem Versatzfehler resultiert, überlagert mit einem modellierten Winkelfehler AgErrMdl . Figur 6c zeigt die Differenz aus dem Winkelfehler AgErr minus dem modelierten Winkelfehler AgErrMdl. Insbesondere der Figur 6c ist ein konstanter Wert zu entnehmen, welche eine betragsmäßige Schwankung von weniger als 1° Grad aufweist.
Figur 7 zeigt ein Schema eines Versatz- Beobachters, wobei der Versatzfehler als eine Differenz aus dem gemessen Winkel und dem geschätzten Winkel abgeschätzt wird. Ansonsten verläuft die Berechnung parallel zu der beschrieben Berechnung zu Figur 5, worauf hiermit Bezug genommen ist. Im Unterschied zu den Figuren 5 und 7 zeigt Figur 8 ein Schema eines Stromfehler-Beobachters. Dieser unterscheidet sich weiterhin darin, dass jeder Phase des Stromes I ein
Figure imgf000022_0003
Fehler zugeordnet wird, so dass die Stromfehlerkomponenten und
Figure imgf000022_0005
yi als eine Summe geschrieben werden können, wie dies hierin beschrieben ist. Die Parameter der Matrix sind frei wählbar
Figure imgf000022_0004
und umfassen Verstärkungsfaktoren
Figure imgf000022_0001
Mit dem erfassten Strom jeder Phase können die Parameter
entsprechend adaptiert werden, wie dieses
Figure imgf000022_0002
schematisch in Figur 8 dargestellt ist.
Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung der Struktur des vorgeschlagenen Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. In diesem Verfahren der Figur 9 erfolgt unter anderem die Kompensation von Störungen eines gemessenen Winkelsignals eines magnetischen Winkelsensors einer elektrischen Maschine. Wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Empfangen eines gemessenen Winkelsignals, Abschätzen eines Stromfehlers und/oder eines Versat zfehlers des gemessenen Winkelsignals, und Berechnen eines zu erwartenden Rotorwinkels aus dem gemessenen Winkelsignal unter Berücksichtigung des abgeschätzten Stromfehlers und/oder des abgeschätzten Versat zfehlers , insbesondere während des Betriebes der elektrischen Maschine. Die Figur 9 zeigt einen Überblick über den Signalfluss des vorgeschlagenen Verfahrens. Die Idee des Verfahrens bzw. des Algorithmus ist es, nicht messbare Größen zu ermitteln, indem man erwartete Sensorsignale (Sinus-, Cosinus-Signale) mit tat¬ sächlich gemessenen Sensorsignalen abgleicht. Das passiert in dem Schritt 30 'Rotor Angle Error Calculation ' . Zuvor werden jedoch von dem Winkelsensor 12 in Schritt 29 gemessene Sensorsignale an den beschriebenen Algorithmus übergeben. Mittels des Winkelfehlers wird die Schätzung für den Rotorzustand (Winkel, Winkelgeschwindigkeit, Winkelbeschleunigung) ver¬ bessert. Dies passiert in Schritt 32 'Rotor Shaft State Ob- server' . Aus dem geschätzten Rotorwinkel kann mit idealen Werten für die Amplitude und den Offset des Sensors die erwarteten Sensorwerte berechnet werden. Dies passiert in Schritt 34 ' Sensor Model'. Wenn das Sensorverhalten vom Ideal abweicht, wirkt sich das auf die Schätzung des Rotorzustands aus. In einem Schritt 36, einer Schleife 36, können die berechneten Sensorwerte erneut dem Berechnungsverfahren zur Störfelderkompensation übergeben werden, solange bis keine oder nur eine geringe Abweichung vom Ideal feststellbar ist. Zeitgleich werden in einem Schritt 31 die erfassten Sensorsignale direkt an das Sensor-Model 34 übergeben, so dass das Sensor-Model die Parameter für das Sensormodell aus den gemessenen und den abgeschätzten Werten bestimmen kann.
Figur 10 zeigt Modelergebnisse, welche mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren erhalten wurden. Die Abschätzung gemäß dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren führt zu stark streuenden Werten zwischen 14800 und 15100 rpm, also zu Werten, welche über einen Bereich von 300 rpm streuen.
Figur 11 hingegen zeigt Modelergebnisse, welche mit dem vor¬ geschlagenen Verfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erhalten wurden. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren werden Werte erreicht, welche konstant in einem kleinen Bereich von bis zu 20 rpm streuen.
Die Kurven 40 zeigen in den Figuren 10 und 11 jeweils gemessene Kurven bzw. Ergebnisse und die Kurven 42 jeweils berechnete Kurven . Bezugs zeichenliste
Figure imgf000024_0001

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Kompensation von Störungen eines gemessenen Winkelsignals eines magnetischen Winkelsensors (12) einer elektrischen Maschine (10), wobei das Verfahren aufweist:
Empfangen eines gemessenen Winkelsignals, Abschätzen eines Stromfehlers und/oder eines Ver- satzfehlers des gemessenen Winkelsignals, - Berechnen eines zu erwartenden Rotorwinkels aus dem gemessenen Winkelsignal unter Berücksichtigung des abgeschätzten Stromfehlers und/oder des abgeschätzten Versatzfehlers , insbesondere während des Betriebes der elektrischen Maschine (10).
2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei zum Abschätzen des Stromfehlers und/oder des Versatzfehlers das gemessene Winkelsignal, welches mindestens zwei Komponenten umfasst, an ein in einem MikroController hinterlegtes Berechnungsprogramm übergeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
wobei das Berechnungsprogram ein Modell umfasst, mit welchem ein mittels des empfangenen Winkelsignals er- fasster Rotorzustand umfassend einen Winkel und eine Winkelgeschwindigkeit und eine Winkelbeschleunigung unter Berücksichtigung verschiedener Fehler des Winkelsignals umfassend einen Amplitudenfehler und/oder einen Offsetfehler und/oder den Versatzfehler und/oder den Stromfehler auf einen aktuellen tatsächlichen Rotorzustand abgebildet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3,
wobei der abgeschätzte Stromfehler und/oder der abgeschätzte Versatzfehler zum Abschätzen eines Rotorwinkelfehlers durch Bestimmen einer Differenz aus einem gemessenen Rotorwinkel minus einem geschätzten Rotorwinkel verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
wobei aus dem abgeschätzten Rotorwinkelfehler der tatsächliche Rotorwinkel und/oder die tatsächliche Winkelgeschwindigkeit und/oder die tatsächliche Win¬ kelbeschleunigung abgeleitet wird/werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5,
wobei der abgeschätzte Rotorwinkelfehler aus einem früheren Verfahrensschritt oder aus demselben Verfahrensschritt zum Berechnen des zu erwartenden Rotorwinkels aus dem empfangenen Winkelsignal unter Be¬ rücksichtigung des abgeschätzten Stromfehlers und/oder des Versatzfehlers verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-6,
wobei zum Berechnen eines zu erwartenden Rotorwinkels ferner ein Amplitudenfehler und/oder ein Offsetfehler berücksichtigt wird, insbesondere dem Berechnungspro¬ gramm übergeben wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-7,
wobei zum Bestimmen des Rotorwinkelfehlers mindestens ein Beobachter verwendet wird, welcher aus bekannten Eingangsgrößen, insbesondere Störgrößen, und Ausgangsgrößen, insbesondere Messgrößen, eines beobachteten Systems nicht messbare Größen rekonstruiert.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein Luenber- ger-Beobachter oder ein Kaiman-Filter verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9,
wobei zum Abschätzen des Stromfehlers ein Fehler aus jeder von drei Strom-Phasen der elektrischen Maschine (10) berücksichtigt wird, und
wobei in dem Verfahren angenommen wird, dass sich die Fehler aus den drei Strom-Phasen zu einem Fehler aufsummieren .
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10,
wobei zum Abschätzen des Versatzfehlers eine Differenz aus den stromfehlerbehafteten empfangenen Winkelsignalen berechnet wird.
12. Mikrokontroller zur Berechnung von Störungen eines gemessenen Winkelsignals eines magnetischen Winkelsensors (12) einer elektrischen Maschine (10), wobei der Mikrokontroller dazu ausgebildet ist, das gemessene Winkelsignal zu empfangen und ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11 auszuführen.
13. Elektrische Maschine mit einem magnetischen Win¬ kelsensor (12) und einem Mikrocontroller nach Anspruch 12,
wobei die elektrische Maschine (10) einen Rotor (16) und einen an dem Rotor (16) angeordneten Permanentmagneten (14) aufweist,
wobei der Permanentmagnet (14) durch eine Bewegung (20) des Rotors (16) ein messbares Magnetfeld in dem Win¬ kelsensor (12) induziert.
14. Computerprogrammprodukt, das, wenn es auf einem Prozessor ausgeführt wird, den Prozessor veranlasst, ei Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11 auszuführen.
PCT/EP2018/074143 2017-09-19 2018-09-07 Verfahren zur kompensation von störungen eines gemessenen winkelsignals eines magnetischen winkelsensors einer elektrischen maschine und ein entsprechend ausgebildeter mikrokontroller, eine elektrische maschine, sowie ein computerprogrammprodukt WO2019057521A1 (de)

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