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Dokumentenidentifikation DE19531930C2 27.11.1997
Titel Winkelcodiervorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Absolutposition eines Rotors
Anmelder Ford Motor Co., Dearborn, Mich., US
Erfinder Weber, Charles Francis, South Lyon, Mich., US;
Oo, Kah Seng, Farmington Hills, Mich., US;
Palma, Rodolfo, Canton, Mich., US
Vertreter Bonsmann, M., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 41063 Mönchengladbach
DE-Anmeldedatum 16.08.1995
DE-Aktenzeichen 19531930
Offenlegungstag 28.03.1996
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.11.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.11.1997
IPC-Hauptklasse H03M 1/22
IPC-Nebenklasse G01B 7/30   G01D 5/249   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine hochauflösende Positionscodierung, insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Rotorposition aus einer sich ändernden Reluktanz eines Induktivitätssensors. Die Erfindung ist insbesondere für den Einsatz in einem Motor mit variabler Reluktanz (VR-Motor) geeignet, um beispielsweise in einem elektronischen Drosselklappen-Steuerungssystem Feineinstellungen vorzunehmen.

Ein Motor mit variabler Reluktanz wird beispielsweise in der DE 42 20 209 A1 beschrieben. Dieser vorbekannte Motor weist einen Stator mit einer Mehrzahl von einwärts gerichteten Polen sowie einen Rotor mit einer Mehrzahl von auswärts gerichteten Polen auf. Zur Erzielung einer hohen Wicklungsdichte ist um jeden der Stator-Pole eine Wicklung aus Flachdraht angeordnet, wobei mittels einer Steuerschaltung durch diese Wicklungen ein elektrischer Strom selektiv hindurchgeleitet wird, um den Rotor gegenüber dem Stator in Drehung zu versetzen.

Um leichtere und effektiver arbeitende Automobile herzustellen, werden Motoren mit kleinerem Hubraum angestrebt, ohne aber die Leistung merklich einzuschränken. Üblicherweise wird zur Lösung dieses Zielkonfliktes ein großes Drosselklappengehäuse eingesetzt, bei dem ein erhöhtes Luftvolumen durch den Motor geleitet und damit die Leistungsabgabe entsprechend gesteigert wird.

Das bei diesem Verfahren auftretende Problem besteht jedoch darin, daß es ausnehmend schwierig ist, den Leerlauf bei Motoren mit kleinem Hubraum zu steuern, welche sehr empfindlich auf die Drosselklappenstellung reagieren. Zur Lösung dieses Problems ist der Einsatz von Bypassventilen bekannt, die als zur Feinabstimmung eingesetzte, gesonderte Hardwareteile ausgebildet sind. Das Bypassventil bildet im wörtlichen Sinne einen Bypass zu der Drosselklappe, um eine leichtere Steuerung des Motors im Leerlauf zu ermöglichen. Wie ohne weiteres ersichtlich, bedingt dieses herkömmliche Verfahren eine neue Komponente, welche zu höheren Herstellungskosten des Fahrzeuges führt.

Demzufolge besteht ein Bedarf für eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ausführung von Feineinstellungen an einem Automobilmotor - insbesondere im Leerlaufbereich - ohne die Einführung zusätzlicher Hardware. Eine Vorrichtung und ein Verfahren dieser Art sollte insbesondere zum Messen der Drosselklappenstellung für ein elektronisches Drosselklappen-Steuerungssystem geeignet sein, um so Luft, Kraftstoff, Zündung usw. zu steuern. Eine derartige Vorrichtung sollte keinen Einsatz zusätzlicher Hardware oder Kontaktelemente erfordern, welche zusätzlichen Aufwand und/oder Verschleißgefahr mit sich bringen.

Aus der AT 397 882 B ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Signalauswertung bekannt, bei denen induktive Meßwertaufnehmer zur Drehpositionsmarkierung an einer Brennkraftmaschine verwendet werden. Von einer Auswerteeinheit werden die Nulldurchgänge im Aufnehmersignal bestimmt, wobei nach logarithmischer Transformation des Aufnehmersignals die signifikanten Nulldurchgänge freigegeben werden.

Ein der EP 0 401 084 A1 entnehmbarer induktiver Drehgeber weist mehrere in einer Rotationsstruktur angeordnete Schenkelpole auf. Dabei ist die Polanzahl in der Statorstruktur doppelt so hoch wie die Polanzahl in der Rotorstruktur. Zur Messung elektrischer Signale wird der den Drehgeber durchlaufende Magnetfluß gemessen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Drosselklappenposition in einem elektronischen Drosselklappen- Steuerungssystem zu schaffen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Winkelcodiervorrichtung und eines Verfahrens, welche bzw. welches für den Einsatz bei einem Motor mit variabler Reluktanz (VR-Motor) für die Bestimmung der Absolutposition des Rotors geeignet ist.

Zur Lösung der vorgenannten und weiterer Aufgaben ist eine Winkelcodiervorrichtung für die Bestimmung der Absolutposition des Rotors vorgesehen. Die Codiervorrichtung ist insbesondere für den Einsatz in einem Motor mit variabler Reluktanz (VR-Motor) bestimmt und enthält einen Induktivitätssensor, welcher zu dem VR-Motor kompatibel ist und dazu angepaßt ist, mehrere variable Induktivitätswerte zu liefern. Diese Werte entsprechen der Position des Rotors und können bei einem Kalibrierungsvorgang als phasengetrennte pseudosinusförmige Wellenformen aufgezeichnet werden. Das sich ergebende Induktivitäts/Positions-Profil weist nahezu lineare, d. h. sägezahnförmige Bereiche mit Flanken und Versätzen auf, welche bestimmt und in einem Speicher gespeichert werden können. Eine Erregerelektronik ist ferner mit dem Induktivitätssensor elektrisch verbunden, um die variablen Induktivitätswerte in entsprechende digitale Werte umzuwandeln, welche für eine Rechnerverarbeitung geeignet sind. Schließlich ist ein Mikrocomputer mit Speicher in elektrischer Verbindung mit der Erregerelektronik vorgesehen. Der Mikrocomputer ist dahingehend ausgelegt, zu ermitteln, welcher der digitalen Werte ein Mittenwert ist, und desweiteren den Mittelwert in hochaufgelöste Winkeleinheiten des Motorrotors umzuwandeln. Der Umwandlungsschritt wird in Übereinstimmung mit den im dem Mikrocomputer während des Kalibrierungsvorgangs gespeicherten Flanken und Versätzen ausgeführt.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Induktivitätssensor der Winkelcodiervorrichtung eine stationäre Anordnung stationärer Spulen auf, welche einen Stator bildet, und eine Rotationsstruktur magnetischer Schenkelpole, welche einen Rotor bildet und sich frei innerhalb oder außerhalb des Stators drehen kann. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Stator sechs Schenkelpole auf, wovon jeder eine Wicklung mit mehreren Windungen aufweist, welche elektrisch so verbunden und mit Energie versorgt sind, daß ein magnetischer Flußpfad sich über zwei nebeneinanderliegenden Statorpolen schließt. Der Rotor weist acht Schenkelpole auf. Ferner sind in der bevorzugten Ausführungsform die Statorpole in drei Phasenwicklungen - verteilt auf die vorstehend angeführten sechs Wicklungen mit zwei in Serie geschalteten Spulen in jeder Phase - angeordnet, um so drei phasengetrennte variable Induktivitätswerte für jede Rotorposition zu erzeugen.

Desweiteren weist die Erregerelektronik in der bevorzugten Ausführungsform eine entsprechende Anzahl mit Energie versorgter Codierspulen, sowie eine Anzahl von Schaltern auf. Alle Schalter sind mit einer elektrischen Verbindung untereinander und mit einer entsprechenden Codierspule versehen.

Eine Anzahl von Stromsensoren ist in gleicher Weise vorgesehen, wovon jeder in elektrischer Verbindung mit einem entsprechenden Schalter steht und ferner dazu angepaßt ist, Strom in Spannung umzuwandeln. Desweiteren ist ein freilaufender Oszillator/Taktgeber zusammen mit einem digitalen Zähler vorgesehen. Der digitale Zähler ist elektrisch mit dem Oszillator/Taktgeber und dem Mikrocomputer verbunden. Eine Anzahl von Komparatoren ist ebenfalls vorgesehen, wovon jeder ein erstes Eingangssignal von einem entsprechenden Stromsensor und ein zweites Eingangssignal von einer Referenzspannungsquelle erhält und ein Ausgangssignal aufweist. Schließlich sind eine Anzahl von Zwischenspeichern vorgesehen, wovon alle in elektrischer Verbindung untereinander, mit dem digitalen Zähler, dem Mikrocomputer und dem Ausgang eines entsprechenden Komparators stehen. Im Betrieb arbeiten die Zwischenspeicher so, daß sie den Zählerstand des digitalen Zählers speichern, wenn das Spannungseingangssignal aus einem entsprechenden Stromsensor die Referenzspannung an dem entsprechenden Komparator übersteigt.

Ferner wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der absoluten Rotorposition offenbart, welches ebenfalls insbesondere für den Einsatz bei einem Motor mit variabler Reluktanz (VR-Motor) geeignet ist. Das Verfahren umfaßt die Schritte des Bereitstellens eines Mikrocomputers mit Speicher sowie das Bereitstellen eines zu dem VR-Motor kompatiblen Induktivitätssensors. Der Induktivitätssensor ist dazu ausgelegt, mehrere der Position des Rotors entsprechende variable Induktivitätswerte zu liefern. Durch Aufzeichnen eines Induktivitäts/Positions- Profils der variablen Induktivitätswerte können mehrere phasengetrennte pseudo-sinusförmige Wellenformen erhalten werden, wovon jede nahezu lineare Bereiche mit bestimmbaren Flanken und Versätzen aufweist. Die Flanken und Versätze können an dem nahezu linearen Bereich, d. h., an den Sägezahnbereichen mit den im Mikrocomputerspeicher gespeicherten Werten bestimmt werden. Danach werden die variablen Induktivitätswerte in entsprechende zur Rechnerverarbeitung geeignete digitale Werte umgewandelt. Schließlich wird der Mittenwert der digitalen Werte ermittelt und in hochaufgelöste Winkeleinheiten des Motorrotors in Übereinstimmung mit den gespeicherten Flanken und Versätzen umgewandelt.

In der bevorzugten Ausführungsform wird der Schritt der Umwandlung der digitalen Werte in hochaufgelöste Motorrotoreinheiten nach der Formel ausgeführt:

Pr = mi * Lm + ci,

wobei:

mi = die Flanke;

ci = der Versatz;

Lm = der Mittenwert der aufgezeichneten Induktivitätswerte;

P = die Rotorgesamtposition = Ph + Pr;

Ph = Positionswerte höherer Ordnung; und

Pr = Positionswerte niedrigerer Ordnung sind.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendeten Induktivitätssensors;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Induktivitätssensors von Fig. 1, welche die Flußlinien der bevorzugten Anordnung unter normalen Betriebsbedingungen zeigt;

Fig. 3 eine schematische Darstellung, welche ein optimales Phasen-Induktivitätsprofil als Funktion der Rotorposition darstellt;

Fig. 4 ein schematisches Schaltbild der Erregerschaltung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines mit der vorliegenden Erfindung erzielten repräsentativen Induktivitäts/Positions-Profils;

Fig. 6 ein Logikdiagramm des Verfahrens der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 7 ein verallgemeinertes Blockdiagramm der Verfahrensschritte der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines erfindungsgemäß ausgebildeten und als Ganzes mit dem Bezugszeichen 10 bezeichneten Induktivitätssensors. Der Sensor 10 weist in einer Rotationsstruktur angeordnete magnetische Schenkelpole auf, d. h. einen Rotor 12, welcher sich frei innerhalb oder außerhalb einer Anordnung stationärer Spulen, die den Stator 14 bilden, drehen kann. Wie ersichtlich, entspricht die Polanzahl in der Rotorstruktur 12 nicht der Polanzahl in der Statorstruktur 14. Demzufolge erzeugt die Kombination einen Feinverschiebungseffekt (Vernier-Effekt).

Typische Rotor/Stator-Polkombinationen sind 8-6, 4-6, 8-12 usw. Der Sensor 10 ist insbesondere für die Verwendung in einem Motor mit variabler Reluktanz (VR-Motor) geeignet und kann auf der Rückseite des VR-Motors angeordnet sein und dieselbe Rotorwelle mitbenutzen.

Um die magnetische Detektion der Position zu verbessern und um die Detektionsströme zu reduzieren, können die Statorspulen um eine Schenkelpol-Magnetstruktur, d. h. um den dargestellten Statorkern gewickelt sein. In einer in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform befindet sich der magnetische Rotor 12 innerhalb des Stators 14 und der Stator weist sechs Schenkelpole 14a bis 14f und der Rotor acht Schenkelpole 12a bis 12h auf. Sowohl der magnetische Rotor 12 als auch der Stator 14 sind aus Elektrostahl hergestellt, um Wirbelströme zu minimieren, die die Positionsdetektion nachteilig beeinflussen könnten. Typische Mittel, um dieses zu erreichen, sind die Verwendung dünner Stahl-Laminate, d. h. von Nickel-Stahl-Legierungen oder anderer Mittel, um den elektrischen Widerstand des magnetischen Materials zu erhöhen und um die Hystereseverluste zu reduzieren.

In Fig. 2 ist jeder der Statorschenkelpole 14a bis 14f mit einer Mehrfachwindungs-Wicklung dargestellt. Erfindungsgemäß sind die Wicklungen elektrisch verbunden und in einer solchen Weise mit Energie versorgt, daß sich der magnetische Flußpfad 16 über zwei nebeneinanderliegenden Statorpolen schließt.

Der Induktivitätssensor 10 der vorliegenden Erfindung könnte in der Ansteuerung eine starke Ähnlichkeit zu der Struktur eines Motors mit variabler Reluktanz oder eines Schrittmotors aufweisen. Eine solche Ähnlichkeit ist jedoch nicht erforderlich. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Wicklungsverbindungsanordnung eine auf sechs Wicklungen verteilte dreiphasige Wicklungsanordnung, wobei zwei Spulen in jeder Phase in Serie geschaltet sind. Die Selbstinduktivität jeder Spule steht in Beziehung zur Rotorposition. Die Phasen-Selbstinduktivität verändert sich zwischen einem bei 18 in Fig. 3 dargestellten maximalen Scheitelpunkt, wenn ein Rotorschenkelpol zu den Statorspulen ausgerichtet ist, und einem minimalen Tal 20, das durchlaufen wird, wenn sich der Rotorschenkelpol nicht unterhalb der jeweiligen Phase der Statorspule befindet. Die wechselseitige Induktivität hängt außerdem von der Rotorposition ab.

Hochpermeable magnetische Materialien des Rotors und des Stators führen zu höheren Induktivitätswerten. Die Breite der Täler 20 und der Scheitel 18 in dem Induktivitäts/Rotorpositions-Profil kann daher durch Anpassung der Breite und Form der Schenkelpole in dem Rotor 12 und dem Stator 14 gesteuert werden. Die optimale Breitenkombination der Schenkelpole liefert gemäß Darstellung in Fig. 3 die maximale Induktivitätsänderung zwischen den Scheiteln 18 und den Tälern 20. Das Optimum erzeugt auch Scheitel und Täler mit einer Breite nahe an Null in einer linearen Veränderung des Induktivitätsprofils L über der Rotorposition in dem Bereich, in dem die Selbstinduktivität zweier nebeneinanderliegender Phasen denselben Wert aufweist.

Um die Abhängigkeit und die Auswirkungen wechselseitiger Induktivitäten zwischen Phasen zu reduzieren und um den Statormagnetisierungsstrom zu reduzieren, werden alle Wicklungen in allen Phasen gleichzeitig mit Energie versorgt, so daß die Auswirkungen der wechselseitigen Kopplung zwischen den Phasen ausgeglichen werden. Auf diese Weise ist der magnetische Flußlinienweg gemäß Darstellung in Fig. 2 auch der kürzeste - bei gegebenen kleinsten Statorströmen.

Erfindungsgemäß ist es wünschenswert, den größtmöglichen Wert der variablen Induktivität zu erzielen. Dieses kann durch Erhöhung der Anzahl der Windungen in den Statorspulen oder durch die Verwendung hochpermeabler Materialien oder ferner durch Vergrößerung der Polquerschnittfläche oder auch durch Kombination der vorgenannten Maßnahmen im Rahmen der maximal möglichen Baugröße und eines vertretbaren Herstellungsaufwandes erreicht werden.

Wenn die Rotorpolteilung als die Breite eines Rotorschenkelpols zuzüglich des Polzwischenraums definiert ist, liegt gemäß der vorliegenden Erfindung die optimale Rotorpolbreite in dem Bereich von 0,42 bis 0,52 der Rotorpolteilung. Die optimale Statorpolteilung ist das 0,96- bis 1,04-fache der Rotorpolbreite.

Um maximale Induktivitätswerte zu erhalten und um eine lineare Variation der Induktivität zwischen den Scheitel- und Talwerten sicherzustellen, muß eine magnetische Sättigung vermieden werden. Demzufolge sollte die Windungsanzahl in der Wicklung, die an sie angelegte Spannung und das Zeitintervall, während dessen sie erregt bleiben, so bemessen sein, daß die Ströme keinen Bereich der magnetischen Kerne des Rotors und Stators sättigen.

Der magnetische Sättigungspegel kann in einer ersten Näherung aus der Beziehung:

µ * N * I = g * B

bestimmt werden, wobei N die Anzahl der Windungen in jeder Spule; I der Strom durch sie; g die Luftspaltlänge, µ die magnetische Permeabilität des Vakuums; und B die magnetische Felddichte ist. Der Wert für B in der vorstehenden Beziehung sollte nicht größer als ein Drittel des Sättigungswertes für jedes der beteiligten Magnetmaterialen sein, wenn der Strom I maximal ist. Erfindungsgemäß steht der Strom durch die Wicklung auch mit der an sie angelegten Gleichspannung VDC über die Formel:

I * L = VDC* Δt

in Beziehung, wobei L die Phaseninduktivität und Δt das Zeitintervall ist, währenddessen Strom anliegt.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Phaseninduktivität der Wicklung für jede Rotorposition aus der vorstehenden Gleichung berechnet wird, wenn alle Phasen erregt sind. Dazu wird ein bekannter Wert einer Spannung VDE angelegt und deren Strom in jeder Phase beobachtet. Wenn der Phasenstrom "I" einen vorbestimmten Wert erreicht, wird das Zeitintervall Δt gemessen. An diesem Punkt ist die Phaseninduktivität proportional zu dem gemessenen Zeitintervall. Wenn die Phaseninduktivität und alle Phasen gemessen sind, wird die angelegte Spannung entfernt. Aufgrund der Kenntnis der Phaseninduktivitäten und der Beziehung zu den Rotorpositionen gemäß obiger Darstellung in Fig. 3 kann die Berechnung der Rotorposition innerhalb einer Rotorpolteilung erfolgen.

Anhand von Fig. 4 wird die zum Umwandeln der sich verändernden Codiererinduktivität in digitale, zur Rechnerverarbeitung geeignete Werte vorgesehene Erregerelektronik detaillierter beschrieben. Die Erregerelektronikteile sind als Ganzes mit dem Bezugszeichen 22 bezeichnet und enthalten mehrere mit Energie versorgte Codierspulen 24, 26 und 28, wovon jede einer unterschiedlichen Phase entspricht. Die Codierspulen 24, 26 und 28 sind jeweils elektrisch mit einem Schalter 30, 32, 34 verbunden, welcher in der bevorzugten Ausführungsform ein Leistungs-Mosfet ist. Die Schalter 30, 32, 34 sind ebenfalls elektrisch untereinander und mit einem Mikrocomputer 36, welcher einen Speicher enthält, verbunden.

Wie weiterhin dargestellt, ist ein freilaufender Oszillator/ Taktgeber 38 vorgesehen, welcher elektrisch mit einem digitalen Zähler 40 verbunden ist. Der Zähler 40 ist elektrisch mit mehreren Zwischenspeichern 42, 44 und 46 verbunden und ist ferner mit einer elektrischen Verbindung zu dem Mikrocomputer 36 (welcher einen Speicher enthält) über eine Steuerlogik 48 versehen. Mehrere Stromsensoren 50, 52 und 54, welche in der bevorzugten Ausführungsform einfache Widerstände sind, arbeiten so, daß sie den Schalterstrom der entsprechenden Codierspule in einen entsprechenden Spannungspegel umwandeln. Diese Spannung wird als Eingangssignal einem entsprechenden Komparator 56, 58, 60 zugeführt, während ein zweites Eingangssignal von einer vorbestimmten Referenzspannungsquelle kommt.

Gemäß einer weiter detaillierten Erläuterung arbeiten die Zwischenspeicher 42, 44 und 46 so, daß sie den Zählerstand des digitalen Zählers 40 zwischenspeichern, wenn die Spannungseingangssignale an den Komparatoren 56, 58 und 60 von ihren entsprechenden Stromsensoren 50, 52 und 54 die von der Referenzspannungsquelle 62 gelieferte Referenzspannung überschreiten. Einfacher ausgedrückt, signalisieren die Ausgangssignale aus den Komparatoren 56, 58 und 60 das Erreichen eines vorbestimmten Pegels des Stroms in den entsprechenden Spulen 24, 26 und 28 mit variabler Reluktanz, der von dem zweiten Eingangssignal (der Referenzspannungsquelle 62) an den Komparatoren bestimmt wild. Die Komparatorausgangssignale dienen dazu, den Zählerstand des digitalen Zählers 40 in entsprechenden Registern zu dem Zeitpunkt zwischenzuspeichern, in dem die individuell erfaßten Ströme in den Codierspulen 24, 26 und 28 mit variabler Reluktanz den vorbestimmten Wert erreichen.

Ein typischer Analog/Digital-Wandlungszyklus (A/D-Zyklus) läuft wie folgt ab:

t=0

Der Zählerstand ist aufgezeichnet oder vorbestimmt, wenn die Schalter eingeschaltet werden.

t > 0

Die Ströme in den Spulen mit variabler Reluktanz steigen an, und der Zählerstand des digitalen Zählers 40 steigt entsprechend dem Zeitbasisoszillator 38 an.

t = Speicherereignis

Die Ströme erreichen den vorgegebenen Pegel und veranlassen die Komparatoren dazu, zu signalisieren, daß die entsprechenden Spulenströme den Referenzwert überschritten haben. Die Komparatorsignale veranlassen die Steuerlogik 48, die Zählerstände in ihren entsprechenden Zwischenspeicherregistern zu sichern.

t > Speicherereignis

Die Schalter werden abgeschaltet, nachdem die Spulenströme den Referenzwert erreicht haben. Ferner wird zu diesem Zeitpunkt der Mikrocomputer unterbrochen, um den Abschluß der A/D-Wandlung zu signalisieren. Es wird eine zum Zurücksetzen der Komparatoren, für den Abfall der Spulenströme auf Null und das Entladen der Zwischenspeicherregister ausreichende Zeit durch den Mikrocomputer 36 zugelassen, bevor ein neuer Zyklus gestartet wird.

Durch wiederholtes Ausführen des vorstehenden Zyklus werden aufeinanderfolgende A/D-Wandlungen durchgeführt. Da die Stromänderungsrate von dem Wert der Phaseninduktivität mit variabler Reluktanz beeinflußt wird, ist somit offensichtlich die tatsächliche Induktivität der Phase proportional zu der Zeit, die zum Erreichen eines vorbestimmten Strompegels gebraucht wurde. Die Vorteile dieses A/D-Wandlungsverfahrens liegen darin, daß der Großteil der Schaltungen mit den offensichtlichen Ausnahmen der Stromsensoren und Komparatoren in einer preiswerten digitalen Schaltung implementiert werden kann.

Anhand der Fig. 5 und 6 wird der Umwandlungsschritt der von der Anregungselektronik erhaltenen digitalen Werte in hochaufgelöste Winkeleinheiten des Motorrotors detaillierter beschrieben. Gemäß Darstellung bestehen die Induktivitätswerte in Fig. 4 aus drei pseudo-sinusförmigen Wellenformen für von dem Induktivitätssensor 10 abgeleitete Phasen A, B und C. Um eine sehr hohe Auflösung zu erreichen und die Berechnungseffizienz zu steigern, werden nur die nahezu linearen, d. h., die Sägezahnbereiche verwendet. Somit werden Linienabschnitte A-B, B-C, usw. in Flanken (mi) und Versätze ci während eines Kalibrierungsvorgangs linearisiert und in Tabellen in dem Mikrocomputerspeicher eingespeichert. Die Winkeleinheiten des Motorrotors, Pr innerhalb eines Schrittes, werden berechnet als:

Pr = mi * Lm + ci,

wobei Lm der Mittenwert der drei Induktivitätswerte ist. Jeder Phase ist ein jeweils den Phasen A, B und C entsprechender Wert 0, 1 und 2 zugeordnet. Die von den Punkten A nach B nach C definierte Y-Achse wird als ein Schritt (i) betrachtet, welcher auch als der Tabellenindex verwendet wird. Bei dem dargestellten Sensor entsprechen 15° mechanischer Drehung einem Schritt. Somit werden, wenn sich der Rotor durch die Punkte A, B und C zu den Abschnitten C-D bewegt, der Schritt und der Positionswert höherer Ordnung Ph inkrementiert. In ähnlicher Weise werden der Schritt und der Positionswert höherer Ordnung Ph dekrementiert, wenn sich der Rotor in die andere Richtung bewegt. Die Rotorgesamtposition P wird aus dem Positionswert höherer Ordnung Ph und dem Positionswert niedrigerer Ordnung Pr gebildet. Fig. 6 zeigt in einem Flußdiagramm die erfindungsgemäße Implementierung der Positionscodierung. Fig. 7 zeigt in ähnlicher Form ein Blockschema der spezifischen Codierungsschritte des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.

Wie vorstehend dargestellt, ist das Verfahren für die Verwendung bei einem Motor mit variabler Reluktanz ausgelegt und wird dazu verwendet, die absolute Rotorposition zu bestimmen. Das Verfahren umfaßt das Bereitstellen 64 eines Mikrocomputers zusammen mit dem Bereitstellen 66 eines Induktivitätssensors, der zu dem VR-Motor kompatibel ist, und welcher angepaßt ist, mehrere der Position des Rotors entsprechende variable Induktivitätswerte zu liefern. Das Verfahren umfaßt ferner das Aufzeichnen 68 des Induktivitäts/Positions-Profils der variablen Induktivitätswerte als phasengetrennte pseudo-sinusförmige Wellenformen mit nahezu linearen, d. h. sägezahnförmigen Bereichen mit bestimmbaren Flanken und Versätzen. Die Flanken und Versätze dieser nahezu linearen Bereiche werden danach bei 70 ermittelt und in dem Mikrocomputer bei 72 gespeichert. Danach werden die variablen Induktivitätswerte bei 74 in entsprechende für die Rechnerverarbeitung geeignete digitale Werte umgewandelt. Schließlich wird bei 76 bestimmt, welcher der digitalen Werte ein Mittenwert ist und somit auf den nahezu linearen Bereichen der pseudo-sinusförmigen Wellenformen liegt. Der Mittenwert wird danach in Übereinstimmung mit den bestimmten Flanken und Versätzen, die in dem Mikrocomputer gespeichert sind, in hochaufgelöste Winkeleinheiten des Motorrotors umgewandelt 78.

Unter Bezugnahme auf die sinusförmigen Wellenformen, das Flußdiagramm und das Blockschema der Verfahrensschritte der vorliegenden Erfindung, die in den Fig. 5, 6 bzw. 7 dargestellt sind, kann ein Satz von Induktivitätswerten (a, b, c) von dem Mikrocomputer eingelesen werden. Der Wert b stellt den Mittenwert des Satzes dar, wobei der Schrittindex i = 1 und der Positionswert höherer Ordnung Ph = 1 ist. Der Positionswert niedrigerer Ordnung wird somit zu Pr = m1 * b + c1, wobei m1 und c1 durch Bezugnahme auf die Tabelle in dem Mikrocomputer erhalten werden. Sobald diese Information berechnet ist, kann die mechanische Rotorgesamtposition bestimmt werden, welche gemäß Darstellung in Fig. 5 20° beträgt.


Anspruch[de]
  1. 1. Winkelcodiervorrichtung zum Bestimmen der Absolutposition eines Rotors für den Einsatz in einem Motor mit variabler Reluktanz (VR-Motor), mit:

    einem Induktivitätssensor (10), welcher zu dem VR- Motor kompatibel ist und dahingehend ausgebildet ist, mehrere variable Induktivitätswerte zu liefern, die der Position des Rotors entsprechen, wobei die Induktivitätswerte während einer Kalibrierung als phasengetrennte pseudo-sinusförmige Wellenformen mit einem sich ergebenden Induktivitäts/Positions-Profil mit nahezu linearen Bereichen mit bestimmbaren Flanken und Versätzen aufgezeichnet werden können;

    einer Erregerelektronik in elektrischer Verbindung mit dem Induktivitätssensor, um die variablen Induktivitätswerte in entsprechende für eine Rechnerverarbeitung geeignete digitale Werte umzuwandeln; und

    einem Mikrocomputer mit Speicher (36) in elektrischer Verbindung mit der Erregerelektronik, wobei der Mikrocomputer dahingehend ausgebildet ist, zu bestimmen, welcher der digitalen Werte ein Mittenwert ist, und den Mittenwert in hochaufgelöste Winkeleinheiten des Motorrotors in Übereinstimmung mit den während der Kalibrierung bestimmten Flanken und Versätzen umzuwandeln.
  2. 2. Winkelcodiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktivitätssensor (10) aufweist:

    eine Anordnung stationärer Spulen, welche einen Stator (14) bildet; und in einer Rotationsstruktur angeordnete magnetische Schenkelpole, welche einen Rotor (12) bilden.
  3. 3. Winkelcodiervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (14) sechs Schenkelpole (14a-14f) aufweist, wovon jeder Pol eine Wicklung mit mehreren Windungen um sich aufweist.
  4. 4. Winkelcodiervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) acht Schenkelpole (12a-12h) aufweist.
  5. 5. Winkelcodiervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (14) mehrere Schenkelpole aufweist, wovon jeder Schenkelpol elektrisch so verbunden und mit Energie versorgt ist, daß ein magnetischer Flußpfad sich über zwei nebeneinanderliegende Statorpole schließt.
  6. 6. Winkelcodiervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorpole in drei Phasenwicklungen, verteilt auf sechs Wicklungen mit zwei in Serie geschalteten Spulen in jeder Phase angeordnet sind.
  7. 7. Winkelcodiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktivitätssensor dahingehend ausgebildet ist, drei phasengetrennte variable Induktivitätswerte für jede Rotorposition zu liefern.
  8. 8. Winkelcodiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerelektronik aufweist:

    mehrere mit Energie versorgte Codierspulen (24, 26, 28);

    mehrere Schalter (30, 32, 34), wovon alle Schalter in elektrischer Verbindung miteinander und mit einer entsprechenden Codierspule stehen;

    mehrere Stromsensoren (50, 52, 54), wovon jeder in elektrischer Verbindung mit einem entsprechenden Schalter steht und dazu ausgebildet ist, Strom in Spannung umzuwandeln;

    einen freilaufenden Oszillator/Taktgeber (38);

    einen digitalen Zähler (40) in elektrischer Verbindung mit dem Oszillator/Taktgeber (38) und dem Mikrocomputer (36);

    mehrere Komparatoren (56, 58, 60), wovon jeder der Komparatoren ein erstes Eingangssignal von einem entsprechenden Stromsensor (50, 52, 54) und ein zweites Eingangssignal von einer Referenzspannungsquelle (62) erhält und ein Ausgangssignal aufweist; und

    mehrere Zwischenspeicher (42, 44, 46), wovon alle Zwischenspeicher in elektrischer Verbindung miteinander, mit dem digitalen Zähler (40), dem Mikrocomputer (36) und dem Ausgang eines entsprechenden Komparators stehen, wobei die Zwischenspeicher so arbeiten, daß sie den Zählerstand des digitalen Zählers zwischenspeichern, wenn das Spannungseingangssignal eines entsprechenden Stromsensors die Referenzspannung an dem entsprechenden Komparator übersteigt.
  9. 9. Verfahren zum Bestimmen der Absolutposition eines Rotors für den Einsatz in einem Motor mit variabler Reluktanz (VR-Motor), dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Schritte aufweist:

    Bereitstellen eines Mikrocomputers mit Speicher;

    Bereitstellen eines Induktivitätssensors, der zu dem VR-Motor kompatibel ist und dahingehend ausgebildet ist, mehrere der Position des Rotors entsprechende variable Induktivitätswerte zu liefern;

    Aufzeichnen eines Induktivitäts/Positions-Profils der variablen Induktivitätswerte als phasengetrennte pseudo-sinusförmige Wellenformen mit nahezu linearen Bereichen mit bestimmbaren Flanken und Versätzen;

    Bestimmen der Flanken und Versätze der nahezu linearen Bereiche und Speichern derselben in dem Mikrocomputerspeicher;

    Umwandeln der variablen Induktivitätswerte in entsprechende zur Rechnerverarbeitung geeignete digitale Werte; und

    Bestimmen, welcher der digitalen Werte der Mittenwert ist und Umwandeln des Mittenwertes in hochaufgelöste Winkeleinheiten des Motorrotors in Übereinstimmung mit den gespeicherten Flanken und Versätzen.
  10. 10. Verfahren zum Bestimmen der Absolutposition eines Rotors nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Umwandlung der digitalen Werte in hochaufgelöste Winkeleinheiten des Motorrotors nach der Formel ausgeführt wird:

    Pr = mi * Lm + ci,

    wobei:

    mi = die Flanke;

    ci = der Versatz;

    Lm = der Mittenwert der aufgezeichneten Induktivitätswerte;

    P = die Rotorgesamtposition = Ph + Pr;

    Ph = Positionswert höherer Ordnung; und

    Pr = Positionswert niedrigerer Ordnung sind.






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