DE102015218945A1 - Signal transmitter with improved detection of the angle signal - Google Patents
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Abstract
Ein Signalgeber (2) weist ein Drehelement (9) auf, das um eine Rotationsachse (7) drehbar ist. Der Signalgeber (2) weist weiterhin eine Anzahl von Sensoren (10) auf, die jeweils ein Sinussignal (y) und ein Cosinussignal (x) ausgeben. Das Sinussignal (y) und das Cosinussignal (x) des jeweiligen Sensors (10) sind, bezogen auf eine jeweilige Referenzrichtung (11), charakteristisch für den Sinus und den Cosinus der Drehstellung (α) des Drehelements (9). Die Referenzrichtungen (11) sind orthogonal zur Rotationsachse (7) orientiert. Der Signalgeber (2) weist eine Recheneinheit (14) auf, der die Sinussignale (y) und die Cosinussignale (x) zugeführt werden. Die Recheneinheit (14) ermittelt durch arithmetische Verknüpfung der Sinussignale (y) und der Cosinussignale (x) der Sensoren (10) ein resultierendes Sinussignal (yR) und ein resultierendes Cosinussignal (xR). Die Recheneinheit (14) stellt das resultierende Sinussignal (yR) und das resultierende Cosinussignal (xR) zur weitergehenden Verarbeitung bereit. Alternativ oder zusätzlich ermittelt die Recheneinheit (14) durch trigonometrische Auswertung des resultierenden Sinussignals (yR) und des resultierenden Cosinussignals (xR) ein resultierendes Winkelsignal (αR) und stellt das resultierende Winkelsignal (αR) zur weitergehenden Verarbeitung bereit.A signal generator (2) has a rotary element (9) which is rotatable about a rotation axis (7). The signal generator (2) also has a number of sensors (10), which each output a sinusoidal signal (y) and a cosine signal (x). The sine signal (y) and the cosine signal (x) of the respective sensor (10) are, with respect to a respective reference direction (11), characteristic of the sine and cosine of the rotational position (α) of the rotary member (9). The reference directions (11) are oriented orthogonally to the axis of rotation (7). The signal generator (2) has a computing unit (14) to which the sinewave signals (y) and the cosine signals (x) are supplied. The arithmetic unit (14) determines by arithmetic combination of the sine signals (y) and the cosine signals (x) of the sensors (10) a resulting sine signal (yR) and a resulting cosine signal (xR). The arithmetic unit (14) provides the resulting sine signal (yR) and the resulting cosine signal (xR) for further processing. Alternatively or additionally, the arithmetic unit (14) determines by trigonometric evaluation of the resulting sine signal (yR) and the resulting cosine signal (xR) a resulting angle signal (αR) and provides the resulting angle signal (αR) for further processing.
Description
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Signalgeber,
- – wobei der Signalgeber ein Drehelement aufweist, das um eine Rotationsachse drehbar ist,
- – wobei der Signalgeber eine Anzahl von Sensoren aufweist,
- – wobei die Sensoren jeweils ein Sinussignal und ein Cosinussignal ausgeben,
- – wobei das Sinussignal und das Cosinussignal des jeweiligen Sensors, bezogen auf eine jeweilige Referenzrichtung, charakteristisch für den Sinus und den Cosinus der Drehstellung des Drehelements sind,
- – wobei die Referenzrichtungen orthogonal zur Rotationsachse orientiert sind,
- – wobei der Signalgeber eine Recheneinheit aufweist, der die Sinussignale und die Cosinussignale zugeführt werden.
- Wherein the signal transmitter has a rotary element which is rotatable about an axis of rotation,
- Wherein the signal generator has a number of sensors,
- Wherein the sensors each output a sine signal and a cosine signal,
- Wherein the sine signal and the cosine signal of the respective sensor, with respect to a respective reference direction, are characteristic of the sine and the cosine of the rotational position of the rotary element,
- Wherein the reference directions are oriented orthogonal to the axis of rotation,
- - Wherein the signal generator has a computing unit to which the sine signals and the cosine signals are supplied.
Die vorliegende Erfindung geht weiterhin aus von einer elektrischen Maschine,
- – wobei die elektrische Maschine einen Rotor und einen Stator aufweist,
- – wobei der Rotor auf einer Rotorwelle angeordnet ist und eine Anzahl von Polpaaren aufweist,
- – wobei bezüglich des Stators ortsfest eine Anzahl von Sensoren eines Signalgebers angeordnet ist und
- – wobei an der Rotorwelle ein mit den Sensoren zusammenwirkendes drehbares Drehelement des Signalgebers angeordnet ist.
- Wherein the electric machine has a rotor and a stator,
- Wherein the rotor is arranged on a rotor shaft and has a number of pole pairs,
- - With respect to the stator stationary a number of sensors of a signal generator is arranged and
- - Wherein on the rotor shaft cooperating with the sensors rotatable rotary member of the signal generator is arranged.
Bei der feldorientierten Regelung von elektrischen Maschinen ist die Kenntnis der Lage und/oder der Drehzahl der Magnetflussachse (= elektrischer Winkel) der elektrischen Maschine erforderlich. Die Ausrichtung des Magnetflusses ist eng mit der Drehstellung des Rotors der elektrischen Maschine gekoppelt. Die Drehstellung des Rotors korrespondiert mit dem mechanischen Winkel des Rotors. Im Falle einer zweipoligen elektrischen Maschine ist die Drehstellung des Rotors mit dem für die feldorientierte Regelung relevanten elektrischen Winkel identisch. Wenn jedoch die Anzahl an Magnetpolpaaren des Rotors größer als 1 ist, gilt stattdessen die Beziehung
Hierbei bezeichnet φel den elektrischen Winkel, φmech den mechanischen Winkel und n die Anzahl an Magnetpolpaaren des Rotors. Here, φ el denotes the electrical angle, φ mech the mechanical angle and n the number of magnetic pole pairs of the rotor.
Im Stand der Technik existiert eine Vielzahl von Signalgebern der eingangs genannten Art, wobei das von der Recheneinheit des Signalgebers bereitgestellte Winkelsignal mit dem mechanischen Winkel korrespondiert. Die Anzahl an Sensoren beträgt 1. Beispiele derartiger Signalgeber sind auf magnetoresistiven Technologien basierende Signalgeber. In the prior art, there are a large number of signal generators of the aforementioned type, wherein the angle signal provided by the arithmetic unit of the signal generator corresponds to the mechanical angle. The number of sensors is 1. Examples of such signal transmitters are based on magnetoresistive technology signal generator.
Für viele Anforderungen arbeiten die bekannten Signalgeber bereits recht gut. In manchen Fällen ist jedoch eine erhöhte Genauigkeit des von der Recheneinheit ermittelten Winkelsignals erforderlich. Die erhöhte Genauigkeit kann insbesondere für eine gute Regelung von elektrischen Maschinen erforderlich sein, deren Rotor eine Anzahl von Magnetpolpaaren aufweist, die größer als 1 ist. For many requirements, the known signalers are already working quite well. In some cases, however, an increased accuracy of the angle signal determined by the arithmetic unit is required. The increased accuracy may be required, in particular, for a good control of electrical machines whose rotor has a number of magnetic pole pairs that is greater than one.
Bei magnetoresistiven Signalgebern wurde versucht, Drehelemente zu verwenden, welche nicht als magnetische Dipole, sondern als magnetische Quadrupole oder höhere Pole ausgebildet sind. Das vom Signalgeber erfasste Signal spiegelt in diesem Fall jedoch die höhere Polzahl des magnetischen Drehelements nicht wider. In der Praxis wird daher auf andere, oftmals erheblich komplexere Ansätze zurückgegriffen. In magnetoresistive signalers, it has been attempted to use rotary elements which are not formed as magnetic dipoles but as magnetic quadrupoles or higher poles. However, the signal detected by the signal generator in this case does not reflect the higher number of poles of the magnetic rotary element. In practice, therefore, other, often considerably more complex approaches are used.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einfach realisierbare Möglichkeiten zu schaffen, mittels derer das Winkelsignal mit verbesserter Genauigkeit ermittelt werden kann. The object of the present invention is to provide easily realizable possibilities by means of which the angle signal can be determined with improved accuracy.
Die Aufgabe wird durch einen Signalgeber mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Signalgebers sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 9. The object is achieved by a signal generator with the features of
Erfindungsgemäß wird ein Signalgeber der eingangs genannten Art dadurch ausgestaltet,
- – dass die Recheneinheit durch arithmetische Verknüpfung der Sinussignale und der Cosinussignale der Sensoren ein resultierendes Sinussignal und ein resultierendes Cosinussignal ermittelt und
- – dass die Recheneinheit das resultierende Sinussignal und das resultierende Cosinussignal zur weitergehenden Verarbeitung bereitstellt und/oder durch trigonometrische Auswertung des resultierenden Sinussignals und des resultierenden Cosinussignals ein resultierendes Winkelsignal ermittelt und das resultierende Winkelsignal zur weitergehenden Verarbeitung bereitstellt.
- - That the arithmetic unit determined by arithmetic combination of the sine signals and the cosine signals of the sensors, a resulting sine signal and a resulting cosine signal and
- - That the arithmetic unit provides the resulting sine signal and the resulting cosine signal for further processing and / or determined by trigonometric evaluation of the resulting sine signal and the resulting cosine signal, a resulting angle signal and provides the resulting angle signal for further processing.
Es werden also Additionen, Subtraktionen und eventuell auch Multiplikationen der von den Sensoren ausgegebenen Sinussignale und Cosinussignale durchgeführt. Divisionen sind im Regelfall nicht erforderlich. Die genannten Rechenoperationen sind – in Verbindung mit der Auslegung der Sensoren – derart aufeinander abgestimmt, dass das resultierende Sinussignal und das resultierende Cosinussignal und gegebenenfalls auch das ermittelte resultierende Winkelsignal eine verbesserte Genauigkeit aufweisen. Aufgrund des Umstands, dass lediglich einfache arithmetische Operationen durchgeführt werden müssen, sind die Anforderungen an die Rechenleistung relativ gering. Thus, additions, subtractions and possibly also multiplications of the sine signals and cosine signals output by the sensors are carried out. Divisions are usually not required. The said arithmetic operations are - in conjunction with the design of the sensors - coordinated so that the resulting sine signal and the resulting cosine signal and possibly also the determined resulting angle signal have improved accuracy. Due to the fact that only simple arithmetic operations are performed need, the demands on the computing power are relatively low.
In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Anzahl an Sensoren größer als 1 ist und dass die Referenzrichtungen der Sensoren paarweise jeweils einen Winkel bilden, der sowohl von 0° als auch von 180° verschieden ist. Die Winkelangaben 0° und 180° sind – selbstverständlich – auf geometrisch-mechanische Winkel bezogen. Dies gilt auch für weitere Winkelangaben, soweit nachfolgend nicht ausdrücklich darauf hingewiesen wird, dass es sich um elektrische Winkel handelt. In a first preferred embodiment, it is provided that the number of sensors is greater than 1 and that the reference directions of the sensors in pairs each form an angle which is different both from 0 ° and from 180 °. The angles 0 ° and 180 ° are - of course - related to geometric-mechanical angle. This also applies to other angles, unless it is expressly stated below that they are electrical angles.
Durch diese Ausgestaltung ist es – je nach Anzahl an Sensoren – insbesondere möglich, mit hoher Genauigkeit ein Winkelsignal zu ermitteln, das pro (mechanische) Umdrehung des Drehelements um die Rotationsachse mehrere Perioden aufweist, beispielsweise 2, 3, 4, ... Perioden. Depending on the number of sensors, this configuration makes it possible in particular to determine with high accuracy an angle signal which has several periods per (mechanical) rotation of the rotary element about the axis of rotation, for example 2, 3, 4,.
Es ist möglich, dass die Anzahl an Sensoren gerade ist. In diesem Fall bilden die Referenzrichtungen der Sensoren vorzugsweise ein Raster mit einem Winkelabstand von 180°/n, wobei n die Anzahl an Sensoren ist. It is possible that the number of sensors is even. In this case, the reference directions of the sensors preferably form a grid with an angular spacing of 180 ° / n, where n is the number of sensors.
Alternativ ist es möglich, dass die Anzahl an Sensoren ungerade ist. Auch in diesem Fall können die Referenzrichtungen der Sensoren ein Raster mit einem Winkelabstand von 180°/n bilden, wobei n die Anzahl an Sensoren ist. In diesem Fall ist es alternativ jedoch ebenso möglich, dass die Referenzrichtungen der Sensoren ein Raster mit einem Winkelabstand von 360°/n bilden. Alternatively, it is possible that the number of sensors is odd. Also in this case, the reference directions of the sensors can form a grid with an angular separation of 180 ° / n, where n is the number of sensors. In this case, however, it is alternatively also possible for the reference directions of the sensors to form a grid with an angular spacing of 360 ° / n.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Recheneinheit das Sinussignal und das Cosinussignal eines der Sensoren zur weitergehenden Verarbeitung bereitstellt und/oder durch trigonometrische Auswertung des Sinussignals und des Cosinussignals eines der Sensoren ein weiteres Winkelsignal ermittelt und auch das weitere Winkelsignal zur weitergehenden Verarbeitung bereitstellt. Durch diese Ausgestaltung kann insbesondere erreicht werden, dass zusätzlich zur Bereitstellung des resultierenden Sinussignals und des resultierenden Cosinussignals und/oder des anhand des resultierenden Sinussignals und des resultierenden Cosinussignals ermittelten resultierenden Winkelsignals (d.h. im Ergebnis eines elektrischen Winkels) auch der mechanische Winkel bzw. die dem mechanischen Winkel zu Grunde liegenden Signale mit zur Verfügung gestellt werden. Dies kann im Rahmen einer Lageregelung von Vorteil sein. In a further embodiment, it is provided that the arithmetic unit provides the sine signal and the cosine signal of one of the sensors for further processing and / or determines a further angle signal by trigonometric evaluation of the sine signal and the cosine signal of one of the sensors and also provides the further angle signal for further processing. This refinement makes it possible, in particular, to achieve, in addition to the provision of the resulting sine signal and the resulting cosine signal and / or the resultant angle signal (ie, as a result of an electrical angle), also the mechanical angle or the angle determined using the resulting sine signal and the resulting cosine signal mechanical angle underlying signals are provided with. This can be advantageous in the context of a position control.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Sensoren auf einem einzigen Chip angeordnet sind. Durch diese Ausgestaltung kann insbesondere die Anordnung der Sensoren relativ zueinander besonders zuverlässig eingestellt werden. Auch ist dadurch eine Anordnung der einzelnen Sensoren nahe aneinander möglich. It is preferably provided that the sensors are arranged on a single chip. By this configuration, in particular the arrangement of the sensors relative to each other can be adjusted particularly reliable. This also makes an arrangement of the individual sensors close to one another possible.
Vorzugsweise ist auf dem Chip auch die Recheneinheit angeordnet. Dies bewirkt, dass das Ausgangssignal des Chips vom Ansatz her dasselbe ist wie bei einem Chip des Standes der Technik, wobei jedoch die Sinussignale und die Cosinussignale der Sensoren auf erfindungsgemäße Weise verarbeitet wurden. Preferably, the arithmetic unit is also arranged on the chip. This causes the output of the chip to be the same in design as a prior art chip, but with the sinusoidal and cosine signals of the sensors processed in accordance with the present invention.
Wie bereits erwähnt, ist es möglich, dass im Falle einer Änderung der Drehstellung des Drehelements eine Änderung des resultierenden Sinussignals und des resultierenden Cosinussignals mit einer Änderung eines ganzzahligen Vielfachen der Änderung der Drehstellung des Drehelements korrespondiert. Durch diese Ausgestaltung kann insbesondere direkt ein Winkelsignal ermittelt oder zur Verfügung gestellt werden, dessen Periodizität auf die Anzahl an Magnetpolpaaren des Rotors der elektrischen Maschine abgestimmt ist, deren elektrische Ansteuerung unter Verwendung des Winkelsignals durchgeführt wird. As already mentioned, it is possible that in the case of a change in the rotational position of the rotary element, a change of the resulting sine signal and the resulting cosine signal corresponds to a change of an integer multiple of the change in the rotational position of the rotary member. By this embodiment, in particular directly an angle signal can be determined or made available, the periodicity is matched to the number of magnetic pole pairs of the rotor of the electric machine, the electrical control is performed using the angle signal.
Die Technologie, auf der die Sensoren basieren, kann nach Bedarf sein. Derzeit ist bevorzugt, dass die Sensoren als magnetoresistive Sensoren ausgebildet sind. Beispielsweise können die Sensoren auf dem GMR-, dem AMR-, den TMR- oder einem anderen magnetoresistiven Effekt basieren. The technology on which the sensors are based can be on demand. At present, it is preferred that the sensors are designed as magnetoresistive sensors. For example, the sensors may be based on the GMR, AMR, TMR or other magnetoresistive effect.
Die Aufgabe wird weiterhin durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist Gegenstand des abhängigen Anspruchs 11. The object is further achieved by an electric machine with the features of
Erfindungsgemäß ist bei einer elektrischen Maschine der eingangs genannten Art der Signalgeber erfindungsgemäß ausgebildet. According to the invention, the signal generator is formed according to the invention in an electrical machine of the type mentioned.
Vorzugsweise ist der Signalgeber derart auf die elektrische Maschine abgestimmt, dass sich bei Drehung des Rotors mit einer Drehzahl im Falle einer Bereitstellung des resultierenden Sinussignals und des resultierenden Cosinussignals durch die Recheneinheit das resultierende Sinussignal und das resultierende Cosinussignal und im Falle einer Bereitstellung des resultierenden Winkelsignals durch die Recheneinheit das resultierende Winkelsignal mit einer Frequenz ändern und dass der Quotient der Frequenz der von der Recheneinheit bereitgestellten Signale mit der Drehzahl des Rotors gleich der Anzahl an Polpaaren des Rotors ist. Preferably, the signal generator is tuned to the electric machine such that upon rotation of the rotor at a speed in the case of providing the resulting sine signal and the resulting cosine signal by the computing unit, the resulting sine signal and the resulting cosine signal and in the case of providing the resulting angle signal the arithmetic unit changes the resulting angle signal at a frequency and that the quotient of the frequency of the signals provided by the arithmetic unit with the rotational speed of the rotor is equal to the number of pole pairs of the rotor.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen in schematischer Darstellung: The above-described characteristics, features and advantages of this invention as well as the manner in which they are achieved are clearer and more clearly understood in the context of the following description of the embodiments, which are explained in more detail in conjunction with the drawings. Here are shown in a schematic representation:
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit der in den
Gemäß den
Ein Sensorteil des Signalgebers
Insbesondere weist das Sensorteil des Signalgebers
Nachfolgend wird in Verbindung mit den
Der Sensor
Soweit nachfolgend nur die Signale x, y eines einzelnen Sensors
Prinzipiell können die Sensoren
Im Falle einer Ausgestaltung als magnetoresistive Sensoren
Der Signalgeber
Mittels der Arithmetikeinheit
Oftmals weist die Recheneinheit
In der Regel werden von der Recheneinheit
Nachfolgend wird in Verbindung mit der Minimalkonfiguration (ein einziger Sensor
Man nehme an, bei einer Drehung des Rotors
Aus den allgemein bekannten Additionstheoremen für Sinus und Cosinus ergibt sich demzufolge, dass in der Arithmetikeinheit
In der Minimalkonfiguration ist, wie soeben ausgeführt, ein einziger Sensor
Im Falle der Ausgestaltung gemäß
Im Falle der Ausgestaltung von
Analog zu der Vorgehensweise bei der Minimalkonfiguration korrespondiert somit bei einer Drehung des Rotors
Im Rahmen der Ausgestaltung gemäß
Zunächst ermittelt die Arithmetikeinheit
Sodann ermittelt die Arithmetikeinheit
Bei der Ausgestaltung gemäß
In analoger Weise können durch Verwendung entsprechend höherer Anzahlen von Sensoren
Für die Anordnung bzw. Orientierung der Sensoren
Wenn die Anzahl an Sensoren
Im Falle der Ausgestaltung gemäß
Der Faktor 4 kann prinzipiell vernachlässigt werden, da zur Ermittlung des Winkels αR lediglich die Vorzeichen der beiden resultierenden Größen xR, yR und deren Quotient erforderlich sind. The factor 4 can be neglected in principle, since only the signs of the two resulting quantities xR, yR and their quotient are required to determine the angle αR.
Bei der Ausgestaltung gemäß
Bei der Ausgestaltung gemäß
Die obenstehend in Verbindung mit den
Auch hier kann – analog zu den Gleichungen 16 und 17 – der Faktor 16 prinzipiell vernachlässigt werden. Here, too, the
In der Regel werden von der Recheneinheit
Die Sensoren
Wie obenstehend ausführlich dargelegt, können im Falle einer Änderung der Drehstellung α des Drehelements
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Signalgebers
Zusammengefasst betrifft die vorliegende Erfindung somit folgenden Sachverhalt:
Ein Signalgeber
A
Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Insbesondere kann sie platzsparend und kostengünstig realisiert werden und liefert gute Ergebnisse. The present invention has many advantages. In particular, it can be realized in a space-saving and cost-effective manner and delivers good results.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Although the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
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