DE102011105502A1

DE102011105502A1 - Verfahren zum Abgleich eines Phasenversatzes zwischen einem Rotorlagesensor und der Rotorlage eines elektrisch kommutierten Motors

Info

Publication number: DE102011105502A1
Application number: DE102011105502A
Authority: DE
Inventors: Martin Rapp; Martin Zimmermann; Matthias Gramann; Julian Botiov
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2011-06-24
Publication date: 2012-01-12
Also published as: WO2012003825A2; WO2012003825A3; DE112011104077A5

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Abgleich eines Phasenversatzes zwischen einem Rotorlagesensor und einer Rotorlage eines elektrisch kommutierten Motors, bei welchem der Rotorlagesensor eine Position des Rotors des elektrisch kommutierten Motors misst, welche mit einer erwarteten Position verglichen wird, wobei aus dem Unterschied zwischen gemessener und erwarteter Position ein Phasenversatz gebildet wird, der zur Ansteuerung des elektrisch kommutierten Motors genutzt wird. Um einen Phasenversatz ohne großen technischen Aufwand und zeitoptimiert korrigieren zu können, wird die Position des Rotors mit einem Absolutwert-Rotorlagesensor gemessen, welche mit einem Motorparameter ins Verhältnis gesetzt wird, der die erwartete Position des Rotors charakterisiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abgleich eines Phasenversatzes zwischen einem Rotorlagesensor und einer Rotorlage eines elektrisch kommutierten Motors, bei welchem der Rotorlagesensor eine Position des Rotors des elektrisch kommutierten Motors misst, welche mit einer erwarteten Position verglichen wird, wobei aus dem Unterschied zwischen gemessener und erwarteter Position ein Phasenversatz gebildet wird, der zur Ansteuerung des elektrisch kommutierten Motors genutzt wird.
In modernen Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen, werden zunehmend automatisierte Kupplungen eingesetzt. Der Einsatz solcher Kupplungen hat den Vorteil des verbesserten Fahrkomforts und führt zu dem weiteren Vorteil, dass häufiger in Gängen mit langer Übersetzung gefahren werden kann. Die dabei verwendeten Kupplungen sind in hydraulischen Kupplungssystemen eingesetzt, bei welchen ein elektrohydraulischer Aktor, der von einem elektrisch kommutierten Motor angetrieben wird, über eine Hydraulikleitung mit der Kupplung verbunden ist.
Um den Fahrkomfort im Fahrzeug zu verbessern, muss die von einem Rotorlagesensor gemessene Position mit der tatsächlich von dem Rotor des Elektromotors eingenommenen Position abgeglichen werden. Dazu ist ein Verfahren bekannt, bei welchem der Elektromotor durch einen zweiten Elektromotor fremd angetrieben wird. Dabei werden gleichzeitig die Phasenspannung an den drei Phasen des Elektromotors und die Rotorlage des Elektromotors erfasst. Die Rotorlage wird anhand von drei versetzt zueinander geschalteten Hallsensoren erfasst. Die von den Hallsensoren gelieferten Flanken werden mit den Signalen der Phasenspannung der drei verschiedenen Phasen des Elektromotors abgeglichen. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Phasenspannungen eine annähernd sinusförmige Form aufweisen. Wird dabei festgestellt, dass das Maximum jeder Schwingung der Phasenspannung nicht genau zwischen zwei Flanken zweier Hallsensoren ausgebildet ist, werden die Hallsensoren per Hand nach justiert, so dass die genannte Bedingung erfüllt ist und der so aufgetretene Phasenversatz am Bandende zuverlässig korrigiert wird. Eine solche mechanische Einstellung erfordert jedoch sehr viel Zeit bei der Inbetriebnahme und bedarf eines mechanischen Vorhaltes.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei welchem der Phasenversatz zwischen einem Rotorlagesensor und der Rotorlage eines elektrisch kommutierten Motors zeitoptimiert sowohl bei der Inbetriebnahme als auch während des Betriebes des Elektromotors korrigiert werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Position des Rotors mit einem Absolutwert-Rotorlagesensor gemessen wird, welche mit einem Motorparameter in Verhältnis gesetzt wird, der die erwartete Position des Rotors charakterisiert. Dies hat den Vorteil, dass durch den Einsatz eines solchen Absolutwert-Rotorlagesensors der Versatz, der im Zusammenbau des Motors mit dem Rotorlagesensor auftritt, automatisch während des Betriebes korrigiert werden kann. Ein solcher automatischer Abgleich zwischen der, von dem Absolutwert-Rotorlagesensor gelieferten Position des Rotors und der erwarteten Rotorposition ist somit sowohl während des Betriebes als auch bei der Inbetriebnahme des Elektromotors zuverlässig durchführbar. Ein mechanischer Vorhalt für die Bandendejustierung entfällt somit. Außerdem wird Zeit bei der Herstellung eingespart. Während der Justierung ist zu jedem Zeitpunkt das volle Moment des Elektromotors nutzbar.
Vorteilhafterweise wird der elektrisch kommutierte Motor zur Einstellung einer fest vorgegebenen, erwarteten Position entsprechend bestromt und anschließend die von dem Rotor tatsächlich eingenommene Position durch den Absolutwert-Rotorlagesensor ermittelt, wobei eine Differenz zwischen der fest vorgegebenen Position und der von dem Rotor tatsächlich eingenommenen und von dem Absolutwert-Rotorlagesensor ermittelten Position gebildet wird, welche den Phasenversatz darstellt. Dies ermöglicht eine adaptive Bestimmung der idealen Elektromotoransteuerung, um das optimale Motormoment des Elektromotors zu erzielen. Grundlage für die Adaption ist dabei eine sehr genaue Kenntnis der Rotorlage, welche durch die Verwendung des Absolutwert-Rotorlagesensors gewährleistet wird. Durch diese rein softwaremäßige Maßnahme kann auf eine mechanische Einstellung per Hand verzichtet werden.
In einer Ausgestaltung wird der Phasenversatz für mehrere vorgegebene Positionen des elektrisch kommutierten Motors ermittelt, wobei aus den, zu den mehreren vorgegebenen Positionen ermittelten Phasenversätzen ein Phasenversatzmittelwert bestimmt wird, welcher zur Ansteuerung des elektrisch kommutierten Motors genutzt wird. Die Ermittlung eines Phasenversatzmittelwertes bietet sich insbesondere bei solchen Elektromotoren an, welche mehrere Paare von Rotormagneten besitzen. Damit werden die Toleranzen der Phasen und der Rotormagnete beim elektrisch kommutierten Motor in die Bestimmung des Phasenversatzes mit einbezogen, wodurch alle Einflussmöglichkeiten auf den Phasenversatz berücksichtigt werden.
In einer Weiterbildung werden der Phasenversatz und/oder der Phasenversatzmittelwert im Betrieb des elektrisch kommutierten Motors von der vom Absolutwert-Rotorlagesensor gemessenen Position abgezogen. Mit dieser einfachen softwaremäßige Maßnahme kann der Abgleich des Phasenversatzes ohne weiteren großen Aufwand während des Betriebes des Elektromotors ausgeführt werden.
In einer Variante wird der elektrisch kommutierte Motor lastfrei betrieben. Dadurch, dass der elektrisch kommutierte Motor kein Moment abgibt, wird sichergestellt, dass zum Zeitpunkt der Ermittlung der tatsächlich vom Rotor eingenommenen Position durch den Absolutwert-Rotorlagesensor keine Verfälschungen auftreten.
Vorteilhafterweise wird der elektrisch kommutierte Motor in einem elektrohydraulischen Kupplungssystem verwendet, bei welchem ein elektrohydraulischer Aktor, insbesondere ein hydrostatischer Kupplungsaktor, über eine Hydraulikleitung eine Kupplung in deren Position verstellt. Bei dem Einsatz des Motors in einem solchen elektrohydraulischen Kupplungssystem lässt sich die Lastfreiheit besonders einfach einstellen, da sie immer dann gegeben ist, wenn der durch den Motor angetriebene Kolben sich in seiner Bewegung an einer Druckausgleichsöffnung (Schnüffelbohrung) befindet.
In einer anderen Ausgestaltung wird während des Betriebes des elektrisch kommutierten Motors eine Phasenspannung an einer stromfrei geführten Phase des elektrisch kommutierten Motors gemessen und der Nulldurchgang der Phasenspannung mit der, von dem Absolutwert-Rotorlagesensor gemessenen Position abgeglichen, wobei die Phasenspannung der gemessenen Position des Rotors zugeordnet wird, welche mit der beim Nulldurchgang der Phasenspannung erwarteten Position verglichen wird, wobei aus der erwarteten Position und der gemessenen Position der Phasenversatz gebildet wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es gleichsam bei einem sich drehenden Motor durchgeführt werden kann.
In einer Variante wird der elektrisch kommutierte Motor mit einer Blockkommutierung beaufschlagt. Da die Blockkommutierung die übliche Ansteuermöglichkeit eines elektrisch kommutierten Motors darstellt, ist das Abgleichverfahren jederzeit im Betrieb des Elektromotors ausführbar.
Vorteilhafterweise werden die drei Phasen des elektrisch kommutierten Motors mit jeweils einem pulsweitenmodulierten Signal angesteuert. Die Ansteuerung mittels eines pulsweitenmodulierten Signales erlaubt eine genaue Einstellung der Phasenbeziehungen untereinander, so dass beispielsweise eine Blockkommutierung sicher ausgeführt werden kann.
In einer Ausgestaltung wird der Phasenversatz während des deaktivierten PWM-Signals ermittelt.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigt:
1: Prinzipdarstellung eines elektrohydraulischen Kupplungssystems.
2: Beispiel für die Bestromung eines Elektromotors, welcher ein Polpaar aufweist.
3: Darstellung eines Phasendiagramms bei der Blockkommutierung eines elektrisch kommutierten Motors.
Gleiche Merkmale werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In 1 ist ein elektrohydraulisches Kupplungssystem dargestellt, wie es heute in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommt. Dieses Kupplungssystem weist einen elektrohydraulischen Aktor 1 auf, welcher ein Aktorgehäuse 2 umfasst, in dem ein Kolben 3 beweglich angeordnet ist. Der Kolben 3 wird dabei von einem elektrisch kommutierten Elektromotor 4 angetrieben, der von einem Steuergerät 5 angesteuert wird. Über eine Hydraulikleitung 6 ist der elektrohydraulische Aktor 1 mit einer Kupplung 7 verbunden, welche aufgrund der Bewegung des Kolbens 3 im elektrohydraulischen Aktor 1 in ihrer Position verstellt wird. Der elektrohydraulische Aktor 1 und die Kupplung 7 sind dabei räumlich getrennt im Kraftfahrzeug angeordnet.
Das Steuergerät 5 steuert den Elektromotor 4 mittels einer Blockkommutierung an. Das bedeutet, dass der Elektromotor 4, welcher über drei Phasen U, V, W verfügt, so angesteuert wird, dass immer eine Phase U, V, W stromlos ist, während die anderen Phasen U, V, W bestromt werden.
In 2 ist eine Prinzipdarstellung zu sehen, in welcher in einem räumlichen Koordinatensystem die drei Phasen U, V, W vorgegeben sind. Beim vorgegebenen Beispiel wird davon ausgegangen, dass der Elektromotor 4 nur mit einem Polpaar ausgebildet ist. Bei einer festen Kommutierung wird die Phase U mit 100%i PWM-Signal (pulsweitenmoduliertes Signal) beaufschlagt, während die Phasen V und W jeweils nur mit 50% PWM-Signal angesteuert werden. Bei dieser Ansteuerung stellt sich ein Rotor-Feld-Vektor ein, der die Position des Rotors in dem von dem Elektromotor 4 erzeugten elektromagnetischen Feld anzeigt, wie er aus der 2 ersichtlich ist. Der Pfeil U1 charakterisiert den sich an der angesteuerten Phase U einstellenden Vektor, während der Pfeil W1 bzw. der Pfeil V1 die Vektoren der Phasen V und W darstellen. Die Vektoren U1, V1 und W1 bestimmen dabei die Ausrichtung des elektromagnetischen Feldes, welches sich in dem elektrisch kommutierten Motor aufbaut. Aus diesem resultierenden Feld ergibt sich ein Strom I_Res, der durch die Phase U fließt und die Ausrichtung des Rotors beeinflusst.
Zunächst soll beschrieben werden, wie ein Phasenabgleich über eine definierte Bestromung der Phasen U, V, W des zunächst stillstehenden Elektromotors 4 erfolgt. In einem ersten Schritt wird festgelegt, welche Position der Rotor des Elektromotors 4 einnehmen soll. Anschließend werden die Phasen U, V, W entsprechend der im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Randbedingungen angesteuert, um die erwartete Position zu erreichen. Danach wird abgewartet, bis der Rotor des Elektromotors 4 wieder zur Ruhe gekommen ist. Nun wird die Position mittels eines Absolutwert-Rotorlagesensors, der die Rotorlage bestimmt, ausgelesen. Die Differenz der von dem Absolutwert-Rotorlagesensor ausgelesenen Position und der erwarteten Position abzüglich 90°/Polpaarzahl ergibt den Phasenversatz Δα. Δα = (αSensor – αVorgabe) – (90°/Polpaar)
Dieser Phasenversatz wird dann im Betrieb immer von dem Wert abgezogen, welchen der Absolutwert-Rotorlagesensor misst.
Bedingung für dieses Verfahren ist, dass der Elektromotor 4 lastfrei betrieben wird, was bedeutet, dass der Elektromotor 4 zum Zeitpunkt der Bestimmung des Phasenversatzes kein Drehmoment aufbringt. Dies Isst sich insbesondere bei einem elektrohydraulischen Aktor 1, wie er in 1 dargestellt ist, besonders einfach einstellen. Da immer dann, wenn der Kolben 3 an der Schnüffelbohrung 8 des Aktorgehäuses 2 vorbeibewegt wird, der lastfreie Zustand vorhanden ist.
Um die Toleranzen der Phasen U, W, V und der Rotormagnete des elektrisch kommutierten Motors 4 mit zu betrachten, kann die vorgegebene Winkelposition, z. B. in 90°-Schritten elektrisch, für 360°-Schritte mechanisch, zunächst in die positive Drehrichtung des Elektromotors 4 und anschließend in die negative Drehrichtung des Elektromotors 4 durchgeführt werden. Dabei ist sicherzustellen, dass die Schrittzahl < 180° elektrisch gewählt wird. Die Phasenversatzwinkel, die in den einzelnen Schritten ermittelt wurden, werden anschließend gemittelt und in das Steuergerät 5 Zur weiteren Ansteuerung des Elektromotors 4 während des Betriebs des Kupplungssystems eingegeben.
Neben dem soeben erläuterten Phasenabgleich über eine definierte Bestromung der Phasen U, V, W des Elektromotors 4 besteht weiterhin die Möglichkeit den Phasenabgleich bei einem sich drehenden Elektromotor 4 auszuführen. Während des Betriebs des Elektromotors 4, in welchem dieser mit einer Blockkommutierung angesteuert wird, bei welcher immer eine Phase stromfrei ist, wird die Phasenspannung an der stromfreien Phase gemessen. In 3 ist die Bestromung der Phasen U, V, W bei einer Blockkommutierung dargestellt. In dem oberen Teil der 3 ist der elektrische Winkel φ des Rotors zwischen 0 und 360° dargestellt. Darunter sind die Phasen U, V, W, die mittels eines PWM-Signals angesteuert werden, und die Amplituden der jeweiligen Phasenspannung während der einzelnen Ansteuerphasen dargestellt. Dabei ist ersichtlich, wie der Strom von einer Phase zur anderen Phase fließt. So fließt in dem Winkel φ zwischen 0 und 60° der Strom von der Phase V zur Phase W. Die Phase U ist dabei unbestromt. Bei dem sich anschließenden Winkel von 60 bis 120° fließt der Strom von der Phase U zu der Phase W, wobei die Phase V unbestromt bleibt.
Im unteren Teil der 3 ist ein Ausschnitt aus dem Winkelbereich 240 bis 300° elektrisch dargestellt. Diesem ist zu entnehmen, dass die Phase U keiner Bestromung unterliegt. Die Phase V ist dabei mit der halben Generatorspannung des Elektromotors 4 beaufschlagt, während die Phase W mit einer vollen Generatorspannung des Elektromotors 4 gespeist wird. Wie der 3 zu entnehmen ist, werden im Bereich A die Phase V und W von dem PWM-Signal angesteuert, während im Bereich B das PWM-Signal abgeschaltet ist.

Im vorliegenden Fall wird die Phasenspannung an der Phase gemessen, die stromfrei ist Gemäß 3 ist dies die Phase V. Die Messung erfolgt zu dem Zeitpunkt, wo das PWM-Signal angeschaltet ist, also im Bereich A. An der Stelle, wo der Nulldurchgang der Phasenspannung liegt, wird dies mit der Position, welche der Absolutwert-Rotorlagesensor misst, abgeglichen. Somit wird über die Phasenspannung eine Information über die Position des Rotors des Elektromotors 4 hergestellt. Um nun festzustellen, ob ein Phasenversatz vorhanden ist, wird die tatsächlich festgestellte Position mit einem erwarteten Wert der Rotorposition verglichen, wie er aus der nachfolgenden Tabelle zu entnehmen ist.

unbestromte Phase (Bestrommungsrichtung der bestromten Phasen)	Winkel elektrisch (beispielhaft)
U(V => W)	30°
V(U => W)	90°
W(U => V)	150°
U(W => V)	210°
V(W => U)	270°
W(V => U)	330°

Zu dem Zeitpunkt, wo ein Phasenspannungsnulldurchgang detektiert wird, soll der Absolutwert-Rotorlagesensor die erwartete Position des Rotors anzeigen. In der Tabelle ist daher die unbestromte Phase dargestellt, wobei in den Klammern die Bestromungsrichtung der bestromten Phasen dargestellt ist. Wird nun bei der tatsächlichen Messung mit dem Absolutwert-Rotorlagesensor festgestellt, dass der Rotor eine Winkelposition von 29° aufweist, laut Tabelle aber bei unbestromter Phase U und bei einer Bestromungsrichtung von der Phase V zur Phase W beim Nulldurchgang der Phasenspannung eine Winkelposition von 30° erwartet wird, so ist ein Phasenversatz von 1° elektrisch vorhanden. Auch dieser Phasenversatz wird softwaremäßig im Steuergerät 5 weiterverarbeitet und bei der Ansteuerung des Elektromotors 4 des elektrohydraulischen Aktors 1 verwertet. Bei den vorangegangenen Betrachtungen wird davon ausgegangen, dass es sich bei der als Position bezeichneten Rotorlage immer um einen Winkel handelt.
Das erläuterte Verfahren ermöglicht eine adaptive Bestimmung der idealen Motoransteuerung um das optimale Motormoment zu erzielen. Diese Adaption kann am Bandende und/oder im Betrieb erfolgen. Grundlage für die Adaption ist u. a. eine sehr genaue Kenntnis der Rotorlage, was durch einen Absolutwert-Rotorlagesensor ermöglicht wird. Durch die softwareseitige Maßnahme kann auf eine mechanische Einstellung bei der Inbetriebnahme verzichtet werden, wodurch Zeit eingespart wird. Außerdem entfällt der Bedarf eines mechanischen Vorhaltes.
Bezugszeichenliste

1: Aktor
2: Aktorgehäuse
3: Kolben
4: Elektromotor
5: Steuergerät
6: Hydraulikleitung
7: Kupplung
8: Schnüffelbohrung
U: Phase
V: Phase
W: Phase
A: Bereich
B: Bereich
φ: Winkel des Rotors
Δα: Phasenversatz

Claims

Verfahren zum Abgleich eines Phasenversatzes zwischen einem Rotorlagesensor und einer Rotorlage eines elektrisch kommutierten Motors, bei welchem der Rotorlagesensor eine Position des Rotors des elektrisch kommutierten Motors (4) misst, welche mit einer erwarteten Position verglichen wird, wobei aus dem Unterschied zwischen gemessener und erwarteter Position ein Phasenversatz gebildet wird, der zur Ansteuerung des elektrisch kommutierten Motors (4) genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Rotors mit einem Absolutwert-Rotorlagesensor gemessen wird, welche mit einem Motorparameter ins Verhältnis gesetzt wird, der die erwartete Position des Rotors charakterisiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch kommutierte Motor (4) zur Einstellung einer fest vorgegebenen, erwarteten Position entsprechend bestromt wird und anschließend die von dem Rotor tatsächlich eingenommene Position durch den Absolutwert-Rotorlagesensor ermittelt wird, wobei eine Differenz zwischen der fest vorgegebenen, erwarteten Position und der von dem Rotor tatsächlich eingenommenen und von dem Absolutwert-Rotorlagesensor ermittelten Position gebildet wird, welche den Phasenversatz dargestellt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenversatz für mehrere vorgegebene Positionen des elektrisch kommutierten Motors (4) ermittelt wird, wobei aus den zu den mehreren vorgegebenen Positionen ermittelten Phasenversätze ein Phasenversatzmittelwert bestimmt wird, welcher zur Ansteuerung des elektrisch kommutierten Motors (4) genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenversatz und/oder der Phasenversatzmittelwert im Betrieb des elektrisch kommutierten Motors (4) von der vom Absolutwert-Rotorlagesensor gemessenen Position abgezogen wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch kommutierte Motor (4) lastfrei betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch kommutierte Motor (4) in einem elektrohydraulischen Kupplungssystem verwendet wird, bei welchem ein elektrohydraulischer Aktor (1), insbesondere ein hydrostatischer Kupplungsaktor, über eine Hydraulikleitung (6) eine Kupplung (7) in deren Position verstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebes des elektrisch kommutierten Motors (4) eine Phasenspannung an einer stromfrei geführten Phase des elektrisch kommutierten Motors (4) gemessen wird und der Nulldurchgang der Phasenspannung mit dem von dem Absolutwert-Rotorlagesensor gemessenen Position abgeglichen wird, wobei die Phasenspannung der gemessenen Position des Rotors zugeordnet wird, welche mit einer beim Nulldurchgang der Phasenspannung der unbestromten erwarteten Position verglichen wird, wobei aus der erwarteten Position und der gemessenen Position der Phasenversatz gebildet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch kommutierte Motor (4) mit einer Blockkommutierung beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Phasen des elektrisch kommutierten Motors (4) mit einem pulsweitenmodulierten Signal angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenversatz während des deaktivierten pulsweitenmodulierten Signals ermittelt wird.