DE102016220188A1

DE102016220188A1 - Verfahren zur Korrektur von Messabweichungen eines Sinus-Cosinus-Rotationssensors

Info

Publication number: DE102016220188A1
Application number: DE102016220188.3A
Authority: DE
Inventors: Marco Richter; Jochen Reith
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-10-17
Filing date: 2016-10-17
Publication date: 2018-04-19
Also published as: DE112017005234A5; WO2018072778A1

Abstract

Verfahren (120) zur Korrektur von Messabweichungen eines Sinus-Cosinus-Rotationssensors (100) zur Ermittlung einer Drehzahl und/oder einer Winkelposition eines um eine Drehachse drehenden Bauteils (106), wobei statische Messabweichungen des Sinus-Cosinus-Rotationssensors (100) durch eine statische Korrektur (124) kompensiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine dynamische Korrektur (122) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur von Messabweichungen eines Sinus-Cosinus-Rotationssensors zur Ermittlung einer Drehzahl und/oder einer Winkelposition eines um eine Drehachse drehenden Bauteils, wobei statische Messabweichungen des Sinus-Cosinus-Rotationssensors durch eine statische Korrektur kompensiert werden.

Aus der DE 10 2013 205 905 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Ansteuerung einer Position eines Elektromotors, insbesondere in einem Kupplungsbetätigungssystem eines Kraftfahrzeuges, bekannt, bei welchem die Position eines Rotors des Elektromotors von einer, außerhalb einer Drehachse des Elektromotors an einem Stator des Elektromotors angeordneten Sensorik abgenommen wird, wobei das von der Sensorik abgenommene Positionssignal von einer Auswerteeinheit ausgewertet wird, wobei das während einer Sinusansteuerung des Elektromotors von der Sensorik abgegebene Positionssignal mittels mindestens eines, während einer Blockansteuerung des Elektromotors erfassten Positionssignals plausibilisiert wird.
Aus der DE 10 2013 208 986 A1 ist ein Magnetgeberring einer Rotorlagesensorik eines elektrisch kommutierten Motors bekannt, welcher drehfest mit einem Rotor des elektrisch kommutierten Motors verbunden ist und welcher eine vorgegebene Anzahl von Magnetpolen mit einer alternierenden Magnetisierungsrichtung aufweist, wobei jedes Magnetpolpaar mindestens eine Einbuchtung aufweist.
Aus der DE 10 2013 211 041 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Elektromotors, insbesondere in einem Kupplungsbetätigungssystem eines Kraftfahrzeuges, bekannt, bei welchem ein Positionssignal eines Rotors des Elektromotors von einer, außerhalb einer Drehachse des Elektromotors an einem Stator des Elektromotors angeordneten Sensorik abgenommen wird und von einer Auswerteeinheit hinsichtlich der Position des Elektromotors ausgewertet wird, wobei nach einer Erkennung einer Änderung des Positionssignals eine Kommutierung einer Ansteuerung des Elektromotors ausgelöst wird, wobei nach der Erkennung der Änderung des Positionssignals eine Bestimmung der aktuellen Position des Rotors ausgeführt wird, wobei die Kommutierung des Elektromotors in Abhängigkeit von der detektierten aktuellen Position des Rotors ausgelöst wird.
Aus der DE 10 2013 213 948 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Elektromotors, insbesondere in einem Kupplungsbetätigungssystem eines Kraftfahrzeuges, bekannt, bei welchem ein Positionssignal eines Rotors des Elektromotors von einem, außerhalb einer Drehachse des Elektromotors an einem Stator des Elektromotors angeordneten Sensor abgenommen wird, welches von einer Auswerteeinheit hinsichtlich der Position des Elektromotors ausgewertet wird, wobei im Stillstand des Rotors dieser mit einer Spannung beaufschlagt wird und eine der Position des Rotors entsprechende Antwortreaktion einer Kommutierung des Elektromotors zugeordnet wird.
Aus der DE 10 2013 222 366 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Ansteuerung einer Position eines Elektromotors, insbesondere in einem Kupplungsbetätigungssystem eines Kraftfahrzeuges, bekannt, bei welchem die Position eines Rotors des Elektromotors von einer, außerhalb einer Drehachse des Elektromotors an einem Stator des Elektromotors angeordneten Sensorik abgenommen wird, wobei das von der Sensorik abgenommene Positionssignal von einer Auswerteeinheit ausgewertet wird, wobei das Positionssignal in Abhängigkeit von einer Übertragungsentfernung zwischen Sensorik und Auswerteeinheit bei kurzen Übertragungsentfernungen mittels eines SPI-Protokoll-Signals und/oder bei längeren Übertragungsentfernungen mittels eines PWM-Signals übertragen wird.
Aus der DE 10 2012 220 629 A1 ist eine Rotorträgervorrichtung für eine einen Rotor und einen Stator aufweisende elektrische Maschine bekannt, mit einem auf einer Rotorwelle drehfest befestigbaren Rotorträgerelement, insbesondere drehfest befestigten Rotorträgerelement, an dessen Außenumfang der Rotor anordenbar ist, wobei ein axial am Rotorträgerelement angeordneter Blechring radial über den Außenumfang des Rotorträgerelements hinausragt und zu seiner dem Rotorträgerelement abgewandten Seite hin einen Kragen zur Aufnahme eines Resolvers der elektrischen Maschine ausbildet.
Aus der DE 10 2012 205 024 A1 ist eine dynamoelektrische Maschine bekannt, aufweisend einen Stator, einem im Stator angeordneten und über einen Luftspalt von diesem beanstandeten Rotor, einem Resolver zur Bestimmung der Rotorlage und einem umformtechnisch hergestellten Resolverhalter zur Halterung eines Resolverstators des Resolvers, wobei der Resolver innerhalb des vom Rotor in axialer und radialer Richtung eingenommen Bauraums angeordnet ist.

Durch die Auslegung und Fertigungsstreuungen von aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren sowie durch Bauteilstreuungen in der Signalaufbereitung und Analog-Digital-Wandlung entstehen winkelabhängige und statische Abweichungen in den Signalen. Bei variierenden mechanischen Fehlstellungen von Sensor-Stator zu Sensor-Rotor sowie bei Umgebungs- und Alterungseinflüssen auf die Elektronik entstehen außerdem dynamische Signalabweichungen im Betrieb. Hierdurch ergeben sich Messabweichungen bei der Winkel-, Drehzahl- und Beschleunigungsbestimmung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren zur Korrektur von Messabweichungen eines Sinus-Cosinus-Rotationssensors zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zur Korrektur von Messabweichungen eines Sinus-Cosinus-Rotationssensors mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dadurch, dass zusätzlich zu der statischen Korrektur eine dynamische Korrektur erfolgt, lässt sich die Korrektur von Messabweichungen gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren weiter verbessern.
Die dynamische Korrektur kann zeitlich vor der statischen Korrektur erfolgen. Vorzugsweise wird die dynamische Korrektur bei der sich anschließenden statischen Korrektur berücksichtigt. Die dynamische Korrektur kann mit der statischen Korrektur verrechnet werden. Die dynamische Korrektur kann von der statischen Korrektur abgezogen werden.
Zur statischen Korrektur kann eine Look-Up-Tabelle verwendet werden. Die Look-Up-Tabelle kann vor dem Beginn des Verfahrens erstellt werden. Die Look-Up-Tabelle kann anhand einer Typen- und/oder einer Stückprüfung im Vergleich mit einem hochgenauen Referenzsensor erstellt werden.
Während des Verfahrens kann genau ein Wert der Look-Up-Tabelle verändert werden. Während des Verfahrens können mehrere Werte der Look-Up-Tabelle verändert werden. Während des Verfahrens können sämtliche Werte der Look-Up-Tabelle verändert werden. Messabweichungen, die bereits durch die dynamische Korrektur kompensiert wurden, können mit den Werten der Look-Up-Tabelle verrechnet werden. Messabweichungen, die bereits durch die dynamische Korrektur kompensiert wurden, können aus der Look-Up-Tabelle abgezogen werden. Um die Messabweichungen aus der Look-Up-Tabelle herauszunehmen, kann eine Least-Squares-Schätzung durchgeführt werden.
Das um die Drehachse drehende Bauteil, dessen Drehzahl und/oder Winkelposition durch den Sinus-Cosinus-Rotationssensor ermittelt wird, kann ein Rotor sein. Der Rotor kann ein Rotor einer dynamoelektrischen Maschine sein. Der Rotor kann ein Rotor eines Elektromotors sein. Der Rotor kann ein Rotor eines kommutierten Elektromotors sein. Der Rotor kann ein Rotor eines Elektromotors in einem Kupplungsbetätigungssystem eines Kraftfahrzeugs sein.
Das um die Drehachse drehende Bauteil, dessen Drehzahl und/oder Winkelposition durch den Sinus-Cosinus-Rotationssensor ermittelt wird, kann Bestandteil einer elektrischen Maschine sein. Die elektrische Maschine kann eine Synchronmaschine sein. Die elektrische Maschine kann eine bürstenlose Gleichstrommaschine sein. Die elektrische Maschine kann wenigstens eine Phase aufweisen. Die elektrische Maschine kann insbesondere drei Phasen aufweisen. Die elektrische Maschine kann wenigstens zwei Polpaare aufweisen. Die elektrische Maschine kann insbesondere vier bis vierzehn Polpaare, insbesondere fünf Polpaare oder elf Polpaare aufweisen. Die Drehstromwicklungen können zeitlich versetzt ansteuerbar sein, um ein bewegtes Antriebsfeld zu bilden, welches an einem permanenterregten Läufer ein Antriebsmoment bewirkt. Der Läufer kann sich in einem Betrieb zu einer Wechselspannung synchron bewegen. Die elektrische Maschine kann abhängig von einer Bewegungslage des Läufers, einer Bewegungsgeschwindigkeit des Läufers und/oder einem Bewegungsmoment kommutierbar sein. Eine Frequenz und/oder eine Amplitude kann abhängig von einer Bewegungslage des Läufers, einer Bewegungsgeschwindigkeit des Läufers und/oder einem Bewegungsmoment veränderbar sein. Die elektrische Maschine kann als Motor und/oder als Generator betreibbar sein. Die elektrische Maschine kann zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug dienen. Die elektrische Maschine kann zum Fahrantrieb eines Kraftfahrzeugs dienen. Die elektrische Maschine kann zum Betätigen einer Reibungskupplungsvorrichtung dienen. Die elektrische Maschine kann zum Betätigen einer Hybridtrennkupplung dienen. Die Hybridtrennkupplung kann zum Verbinden einer elektrischen Maschine mit bzw. zum Trennen einer elektrischen Maschine von einem Hybridantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs dienen. Die elektrische Maschine kann zum Betätigen eines hydrostatischen Kupplungsaktuators dienen. Die elektrische Maschine kann zum Betätigen eines Geberzylinders eines hydrostatischen Kupplungsaktuators dienen. Die elektrische Maschine kann zum Betätigen einer Getriebevorrichtung dienen. Die elektrische Maschine kann eine Rotationsmaschine sein, bei der der Läufer als Rotor ausgeführt ist und bei einem Betrieb eine Drehbewegung ausführt. Der Rotor kann hohlwellenartig ausgeführt sein. Die elektrische Maschine kann eine Linearmaschine sein, bei der der Läufer bei einem Betrieb eine Linearbewegung ausführt. Die elektrische Maschine kann blockkommutiert sein. Die elektrische Maschine kann eine baulich integrierte elektrische Steuereinrichtung aufweisen. Die elektrische Maschine kann mithilfe einer baulich gesonderten elektrischen Steuereinrichtung kontrollierbar sein. Die elektrische Maschine kann wenigstens eine elektrische Leistungsschnittstelle aufweisen. Die elektrische Maschine kann wenigstens eine elektrische Signalschnittstelle aufweisen. Die elektrische Maschine kann auch als Aktuator oder Aktor bezeichnet werden.
Zur Parameterschätzung kann eine hohe Signal-Abtastrate verwendet werden. Zur Parameterschätzung kann ein Newton-Verfahren verwendet werden. Eine Schätzung der Signalabweichungen kann mittels Kalman-Filtern erfolgen. Eine Schätzung der Signalabweichungen kann mittels neuronaler Netze erfolgen.
Der Sinus-Cosinus-Rotationssensor kann als ein Resolver ausgebildet sein. Als Resolver wird ein elektromagnetischer Messumformer zur Wandlung der Winkellage eines Rotors in eine elektrische Größe bezeichnet. Der Sinus-Cosinus-Rotationssensor kann auf Basis des AMR-Effekts (Anisotroper magnetoresistiver Effekt) arbeiten. Der Sinus-Cosinus-Rotationssensor kann auf Basis des GMR-Effekts (Riesenmagnetowiderstand) arbeiten. Der Sinus-Cosinus-Rotationssensor kann auf Basis des TMR-Effekts (Magnetischer Tunnelwiderstand) arbeiten. Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung unter anderem ein Verfahren zur Erhöhung der Messgenauigkeit von Sinus-Cosinus-Rotationssensoren, insbesondere Resolvern. In der Regel treten bei Sinus-Cosinus-Rotationssensoren statische und dynamische Signalabweichungen gemeinsam auf. Werden nur die einen oder die anderen kompensiert, verbleibt immer eine nicht kompensierte Messabweichung. Dies ist beispielsweise bei einem aus der Veröffentlichung „Q. Lin, T. Li, Z. Zhou: Error Analysis and Compensation of the Orthogonal Magnetic Encoder, 2011 International Conference on Instrumentation, Measurement, Computer, Communication and Control" bekannten Verfahren der Fall, da die Signalabweichungen lediglich einmalig bestimmt werden, und statisch im Betrieb korrigiert werden, wobei dynamische Signalabweichungen bei dieser Lösung weiterhin zu Messabweichungen führen.
Erfindungsgemäß wird zur Erhöhung der Messgenauigkeit von Sinus-Cosinus-Rotationssensoren eine Kombination von offline- und online-basierter Korrektur vorgeschlagen. Hiermit können gleichzeitig sowohl statische als auch dynamische Messabweichungen kompensiert werden. Als offline-basierte Kompensation wird eine einfache Look-Up-Tabelle vorgeschlagen, welche anhand einer Typen- oder einer Stückprüfung im Vergleich mit einem hochgenauen Referenzsensor beschrieben wird. Bei dieser offline-basierten Kompensation ist es wichtig, dass die Anteile der dynamischen Kompensation aus der Look-Up-Tabelle herausgenommen werden. Dies beruht auf der Idee, dass diese dynamischen Anteile online kompensiert werden. In der Software werden eine Schätzung der Signalabweichungen und deren Kompensation vor diese Offline-Look-Up-Tabelle geschaltet. Hiermit können dynamischen Veränderungen im Betrieb kompensiert werden. Um bei zeitlich schnellen Variationen folgen zu können, wird eine hohe Signal-Abtastrate und das Newton-Verfahren zur Parameterschätzung vorgeschlagen. Durch alternative Verfahren zur Schätzung der Signalabweichungen könnten vergleichbar schnelle Parameter-Konvergenzen erreicht werden, beispielsweise mittels Kalman-Filtern oder neuronalen Netzen.
Die Erfindung kann bei allen Winkel- Drehzahl- und Beschleunigungsmessungen mit hohen Genauigkeitsanforderungen eingesetzt werden. Ein Einsatz des beschriebenen Justierungsverfahrens ist im Bereich der elektrischen Antriebe denkbar. Hierdurch ergeben sich Vorteile bei den Sensorkosten sowie beim Wirkungsgrad und der Regelgüte.
Mit der Erfindung wird ein Verfahren zur Korrektur von Messabweichungen von Sinus-Cosinus-Rotationssensoren zur Verfügung gestellt, das eine Kompensation von statischen und dynamischen Signalabweichungen zur Erhöhung der Messgenauigkeit ermöglicht. Insbesondere ist ein kombiniertes Justierungsverfahren von Sinus-Cosinus-Rotationssensoren zur Verfügung gestellt.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben. Aus dieser Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile. Konkrete Merkmale dieses Ausführungsbeispiels können allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen. Mit anderen Merkmalen verbundene Merkmale dieses Ausführungsbeispiels können auch einzelne Merkmale der Erfindung darstellen.
Es zeigen schematisch und beispielhaft:

1 eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Resolvers,
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Korrektur von Messabweichungen eines Resolvers, und
3 Winkelabweichungen unterschiedlich korrigierter Messabweichungen des Resolvers.

1 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Sinus-Cosinus-Rotationssensor, auch Quadratur-Sensor genannt, der vorliegend als ein Resolver 100 ausgeführt ist. Ein solcher Resolver 100 ist beispielsweise aus dem Datenblatt „AD2S1210, Variable Resolution, 10-Bit to 16-Bit R/D Converter with Reference Oscillator“ aus dem Jahr 2010 bekannt.
Eine erste Statorwicklung 102 wird mit einer sinusförmigen ersten Wechselspannung 104 beaufschlagt. Die erste Wechselspannung 104 errechnet sich in Abhängigkeit der Zeit t zu $E_{0} \cdot s i n (ω t)$
mit E₀: Anregungsamplitude, ω: Anregungsfrequenz.
Ein Rotor 106 weist gegenüber einer Referenzwinkellage 108 einen Drehwinkel 110 (Drehwinkel α) auf.
Eine zweite Statorwicklung 112 liegt auf einer der ersten Statorwicklung 102 gegenüberliegenden Seite des Rotors 106. Eine dritte Statorwicklung 114 ist gegenüber der zweiten Statorwicklung 112 um 90 Grad gedreht angeordnet.
Die erste Wechselspannung 104 erregt in der zweiten Statorwicklung 112 eine zweite Wechselspannung 116. Die zweite Wechselspannung 116 errechnet sich in Abhängigkeit der Zeit t und des Drehwinkels 110 (Drehwinkel α) zu: $E_{0} \cdot T \cdot s i n (ω t) \cdot c o s (α)$
mit E₀: Anregungsamplitude, ω: Anregungsfrequenz, T: Transformationsverhältnis.
Die zweite Wechselspannung 116 wird vom Cosinus des Drehwinkels 110 (Drehwinkel α) moduliert.
Die erste Wechselspannung 104 erregt in der dritten Statorwicklung 114 eine dritte Wechselspannung 118. Die dritte Wechselspannung 118 errechnet sich in Abhängigkeit der Zeit t und des Drehwinkels 110 (Drehwinkel α) zu: $E_{0} \cdot T \cdot s i n (ω t) \cdot s i n (α)$
mit E₀: Anregungsamplitude, ω: Anregungsfrequenz, T: Transformationsverhältnis.
Die dritte Wechselspannung 118 wird vom Sinus des Drehwinkels 110 (Drehwinkel α) moduliert.
Die Amplituden der zweiten Wechselspannung 116 und der dritten Wechselspannung 118 sind somit abhängig von dem Drehwinkel 110 (Drehwinkel α) des Rotors 106. Ein zwischen dem Resolver 100 und einem System-Mikroprozessor angeordneter Resolver-Digital-Wandler (Analog-Digital-Wandler) nutzt die Sinus- und Cosinussignale der zweiten und dritten Wechselspannungen 116, 118 zum Dekodieren der Winkelposition und Drehzahl des Rotors 106.
Durch die Auslegung und die Fertigungsstreuungen von Sinus-Cosinus-Rotationssensoren, vorliegend des Resolvers 100, sowie durch Bauteilstreuungen in der Signalaufbereitung und die Analog-Digital-Wandlung entstehen winkelabhängige und statische Abweichungen in den Signalen. Bei variierenden mechanischen Fehlstellungen von Stator zu Rotor 106 sowie bei Umgebungs- und Alterungseinflüssen auf die Elektronik entstehen außerdem dynamische Signalabweichungen im Betrieb.
2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren 120 zur Korrektur von Messabweichungen eines Sinus-Cosinus-Rotationssensors am Beispiel des Resolvers 100. Der Resolver 100 liefert während des Verfahrens 120 als analoge Ausgangssignale die zweite Wechselspannung 116 und die dritte Wechselspannung 118.
In einem Verfahrensschritt 122 findet eine dynamische Korrektur der beiden Ausgangssignale zweite Wechselspannung 116 und dritte Wechselspannung 118 statt. Die dynamische Korrektur 122 bewirkt eine Kompensation von während des Verfahrens 120 online ermittelten oder online geschätzten Amplitudenabweichungen und/oder Offsetabweichungen der zweiten Wechselspannung 116 und der dritten Wechselspannung 118.
In einem der dynamischen Korrektur 122 nachgeschalteten Verfahrensschritt 124 findet eine statische Korrektur der beiden Ausgangssignale zweite Wechselspannung 116 und dritte Wechselspannung 118 statt. Dabei findet eine Kompensation von bereits vor dem Beginn des Verfahrens 120 ermittelten statischen Messabweichungen zu einem in den Figuren nicht dargestellten hochgenauen Referenzsensor statt. Die bereits zuvor erfolgte dynamische Korrektur 122 der Ausgangssignale wird in der statischen Korrektur 124 berücksichtigt, insbesondere abgezogen.
Zur Kompensation der statischen Messabweichungen wird eine Look-Up-Tabelle in der Software hinterlegt. Die Look-Up-Tabelle enthält Informationen, die während des Verfahrens 120 zur Vermeidung aufwendiger Berechnungen benutzt werden. Die Look-Up-Tabelle wird vor dem Beginn des Verfahrens 120 anhand von individuellen End-of-Line-Vermessungen, das heißt Messungen im Montageendbereich des Resolvers 100, oder anhand von typischen Werten für die Sensorserie des Resolvers 100 bestimmt. Anhand der Look-Up-Tabelle kann mittels Interpolation für jeden Drehwinkel 110 (Drehwinkel α) die notwendige statische Korrektur berechnet werden.
Während der statischen Korrektur 124 werden in der Look-Up-Tabelle die Messabweichungen abgezogen, welche bereits zuvor durch die dynamische Korrektur 122 kompensiert wurden. Hierzu zählen insbesondere Amplituden- und Offset-Abweichungen in den Sinus- und Cosinus-Signalen der beiden Ausgangssignale zweite Wechselspannung 116 und dritte Wechselspannung 118. Durch die dynamische Korrektur 122 und die anschließende statische Korrektur 124 ergibt sich ein korrigiertes Messergebnis 126.
Während des Verfahrens 120 wird die beschriebene dynamische Kompensation durch das Newton-Verfahren und anschließend die statische Kompensation durchgeführt.
Zur Kompensation der Parameterschwankungen wird folgendes Modell der gegebenenfalls demodulierten Ausgangssignale angenommen. Die individuellen Signalamplituden von Cosinus und Sinus (zweite Wechselspannung 116, dritte Wechselspannung 118) werden durch die Koeffizienten a, die Offsets durch b beschrieben. Ein Zeitindex wird mit k gekennzeichnet. $y_{c, k} = a_{c} \cdot cos (α_{k}) + b_{c}$
$y_{s, k} = a_{s} \cdot sin (α_{k}) + b_{s}$
Um die durch Amplituden- und Offset-Abweichungen entstehenden Messabweichungen aus der statischen Look-Up-Tabelle herauszunehmen, kann eine Least-Squares-Schätzung dieser Parameter und damit von den dadurch bedingten Messabweichungen durchgeführt werden. Hierzu werden die beiden obigen Gleichungen quadriert und addiert: $1 = \frac{1}{a_{c}^{2}} \cdot y_{c, k}^{2} - \frac{b_{c}}{a_{c}^{2}} \cdot y_{c, k} + \frac{1}{a_{s}^{2}} \cdot y_{s, k}^{2} - \frac{b_{s}}{a_{s}^{2}} \cdot y_{s, k} + \frac{b_{s}^{2}}{a_{s}^{2}} + \frac{b_{c}^{2}}{a_{c}^{2}}$
Die dazugehörigen Mess- und Parametervektor sowie die vereinfachte Vektorgleichung lauten damit: $\begin{matrix} \underline{Y} = [y_{c, k}^{2} & y_{s, k}^{2} & y_{c, k} & y_{s, k}] \end{matrix}$
${\begin{matrix} \underline{θ} = [\frac{1}{a_{c}^{2}} & \frac{1}{a_{s}^{2}} & - \frac{b_{c}}{a_{c}^{2}} & - \frac{b_{s}}{a_{s}^{2}}] \end{matrix}}^{T}$
$\begin{matrix} \underline{1} = \underline{Y} \cdot \underline{θ} & | \frac{b_{s}^{2}}{a_{s}^{2}} + \end{matrix} \frac{b_{c}^{2}}{a_{c}^{2}} ≪ 1$
Die Signalabweichungsparameter können damit anhand einer Messreihe wie folgt bestimmt werden. $\hat{θ} = {(Y' \cdot Y)}^{- 1} \cdot Y' \cdot \underline{1}$
Diese Parameter erlauben die Bestimmung der damit verbundenen dynamischen winkelabhängigen Messabweichungen. Diese werden von den Messabweichungen zu einem hochgenauen Referenzsensor abgezogen und das Resultat in der statischen Look-Up-Tabelle abgelegt.
Das Gleichungssystem in Matrixdarstellung zur dynamischen Online-Kompensation lautet: $[\begin{matrix} cos α_{k} \\ sin α_{k} \end{matrix}] = \underset{M_{k}}{\underset{︸}{[\begin{array}{r} \begin{matrix} y_{c, k} & 1 & 0 & 0 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 0 & 0 & y_{s, k} & 1 \end{matrix} \end{array}]}} \cdot \underset{\underline{θ}}{\underset{︸}{{[\begin{matrix} \frac{1}{a_{c}} & - \frac{b_{c}}{a_{c}} & \frac{1}{a_{s}} & - \frac{b_{s}}{a_{s}} \end{matrix}]}^{T}}}$
Auf Basis des Quadrats der L2-Norm wird die Gütefunktion J definiert: $\underline{1} = {‖ M \cdot \underline{θ} ‖}_{2}^{2}$
$J = \sum_{k = 0}^{N - 1} {({‖ M_{k} \cdot \underline{θ} ‖}_{2}^{2} - 1)}^{2}$
Die Ableitung der Gütefunktion J nach dem Parametervektor Theta ergibt sich zu: $\nabla J = \sum_{k = 0}^{N - 1} 4 \cdot M_{k}^{T} \cdot M_{k} \cdot \underline{θ} \cdot ({\underline{θ}}^{T} \cdot M_{k}^{T} \cdot M_{k} \cdot \underline{θ} - 1)$
Für das Newton-Verfahren wird außerdem die Hesse-Matrix H benötigt, also die zweite Ableitung der Gütefunktion J nach dem Parametervektor: $H = \sum_{k = 0}^{N - 1} 4 \cdot M_{k}^{T} \cdot M_{k} \cdot (I \cdot ({\underline{θ}}^{T} \cdot M_{k}^{T} \cdot M_{k} \cdot \underline{θ}) + 2 \cdot \underline{θ} \cdot {\underline{θ}}^{T} \cdot M_{k}^{T} \cdot M_{k})$
Der Gradient und die Hesse-Matrix werden dabei iterativ berechnet. Dazu wird das das Argument der Summenfunktion in jedem Zeitschritt bestimmt und auf den skalierten vorherigen Wert aufaddiert. Der Skalierungsfaktor wird dabei als Vergessens-Faktor bezeichnet.
Mit einer Schrittweite Gamma können die Signalparameter iterativ geschätzt werden. Die Schrittweite kann adaptiert werden, beispielsweise mittels sogenanntem Backtracking. Durch eine hohe Abtastrate der Sensorsignale kann eine schnelle Konvergenz dieser Parameterschätzung sichergestellt werden. $\underline{θ} \to \underline{θ} - γ \cdot H^{- 1} \cdot \nabla J$
In 3 sind die Ergebnisse der Korrektur in einem Diagramm beispielhaft für den Resolver 100 dargestellt. Dabei sind die Winkelabweichungen über einem elektrischen Winkel 126 dargestellt, der vorliegend dem Drehwinkel 110 des Rotors 106 entspricht. Der Wert einer nicht korrigierten Winkelabweichung 128 variiert über einen elektrischen Winkel 126 von 360°, der insbesondere einer Umdrehung des Rotors 106 entspricht, zwischen einer minimalen nicht korrigierten Winkelabweichung 130 und einer maximalen nicht korrigierten Winkelabweichung 132. Der Wert einer statisch korrigierten Winkelabweichung 134 variiert über den elektrischen Winkel 126 von 360° zwischen einer minimalen statisch korrigierten Winkelabweichung 136 und einer maximalen statisch korrigierten Winkelabweichung 138. Der Wert einer dynamisch korrigierten Winkelabweichung 140 variiert über den elektrischen Winkel 126 von 360° zwischen einer minimalen dynamisch korrigierten Winkelabweichung 142 und einer maximalen dynamisch korrigierten Winkelabweichung 144. Der Wert einer statisch und dynamisch korrigierten Winkelabweichung 146 variiert über den elektrischen Winkel von 360° zwischen einer minimalen statisch und dynamisch korrigierten Winkelabweichung 148 und einer maximalen statisch und dynamisch korrigierten Winkelabweichung 150.
In dem in 3 dargestellten Beispiel betragen die maximalen Abweichungen des elektrischen Winkels 126 ohne Korrektur -1,29° bis 1,32°, mit statischer Korrektur -1,04° bis 1,09°, mit dynamischer Korrektur -0,608 bis 0,651° und mit statisch und dynamischer Korrektur -0,468° bis 0,447°. Die Messgenauigkeit lässt sich mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens 120 somit um nahezu einen Faktor drei verbessern.
Die beschriebene Erfindung ist ebenso für andere Sinus-Cosinus-Rotationssensoren anwendbar, die beispielsweise auf Basis des AMR-Effekts (Anisotroper magnetoresistiver Effekt) und/oder GMR-Effekts (Riesenmagnetowiderstand) und/oder TMR-Effekts (Magnetischer Tunnelwiderstand) arbeiten.
Bezugszeichenliste

100: Resolver
102: erste Statorwicklung
104: erste Wechselspannung
106: Rotor
108: Referenzwinkellage
110: Drehwinkel
112: zweite Statorwicklung
114: dritte Statorwicklung
116: zweite Wechselspannung
118: dritte Wechselspannung
120: Verfahren
122: Verfahrensschritt, dynamische Korrektur
124: Verfahrensschritt, statische Korrektur
126: elektrischer Winkel
128: nicht korrigierte Winkelabweichung
130: minimale nicht korrigierte Winkelabweichung
132: maximale nicht korrigierte Winkelabweichung
134: statisch korrigierte Winkelabweichung
136: minimale statisch korrigierte Winkelabweichung
138: maximale statisch korrigierte Winkelabweichung
140: dynamisch korrigierte Winkelabweichung
142: minimale dynamisch korrigierte Winkelabweichung
144: maximale dynamisch korrigierte Winkelabweichung
146: statisch und dynamisch korrigierte Winkelabweichung
148: minimale statisch und dynamisch korrigierte Winkelabweichung
150: maximale statisch und dynamisch korrigierte Winkelabweichung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013205905 A1 [0001]
DE 102013208986 A1 [0001]
DE 102013211041 A1 [0001]
DE 102013213948 A1 [0001]
DE 102013222366 A1 [0001]
DE 102012220629 A1 [0001]
DE 102012205024 A1 [0001]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Q. Lin, T. Li, Z. Zhou: Error Analysis and Compensation of the Orthogonal Magnetic Encoder, 2011 International Conference on Instrumentation, Measurement, Computer, Communication and Control“ [0011]

Claims

Verfahren (120) zur Korrektur von Messabweichungen eines Sinus-Cosinus-Rotationssensors (100) zur Ermittlung einer Drehzahl und/oder einer Winkelposition eines um eine Drehachse drehenden Bauteils (106), wobei statische Messabweichungen des Sinus-Cosinus-Rotationssensors (100) durch eine statische Korrektur (124) kompensiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine dynamische Korrektur (122) erfolgt.
Verfahren (120) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamische Korrektur (122) zeitlich vor der statischen Korrektur (124) erfolgt.
Verfahren (120) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamische Korrektur (122) bei der anschließenden statischen Korrektur (124) berücksichtigt wird, insbesondere von der statischen Korrektur (124) abgezogen wird.
Verfahren (120) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur statischen Korrektur (124) eine Look-Up-Tabelle verwendet wird, die insbesondere vor dem Beginn des Verfahrens (120) erstellt wurde.
Verfahren (120) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verfahrens (120) wenigstens ein Wert der Look-Up-Tabelle verändert wird, insbesondere Messabweichungen, die bereits durch die dynamische Korrektur (122) kompensiert wurden, aus der Look-Up-Tabelle abgezogen werden.
Verfahren (120) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Least-Squares-Schätzung durchgeführt wird, um Messabweichungen aus der Look-Up-Tabelle herauszunehmen.
Verfahren (120) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das um die Drehachse drehenden Bauteil ein Rotor (106) einer elektrischen Maschine, ist.
Verfahren (120) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine hohe Signal-Abtastrate und/oder ein Newton-Verfahren zur Parameterschätzung verwendet wird.
Verfahren (120) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schätzung der Signalabweichungen mittels Kalman-Filtern und/oder neuronalen Netzen erfolgt.
Verfahren (120) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinus-Cosinus-Rotationssensor als ein Resolver (100) ausgebildet ist.