EP-4738689-A1 - LINEARIZING AN ANGULAR POSITION

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren (M10) zum Betreiben einer mobilen Werkzeugmaschine (100), wobei die Werkzeugmaschine (100) eine Sensorschaltung (113) hat, welche zum abgestuften Erfassen einer Winkelposition (W a ) eines Rotors (104) eines Elektromotors (102) konfiguriert ist, enthaltend die Schritte: Erfassen (S11) einer abgestuften Winkelposition (W a ) des Rotors (104) mittels der Sensorschaltung (113); Bestimmen (S15) einer linearisierten Winkelposition (W l ) des Rotors (104) in Abhängigkeit der abgestuften Winkelposition (W a ) mittels einer Reihenschaltung enthaltend ein Schleifenfilter (119) und ein nachgeschaltetes Integratorglied (123); und Beaufschlagen (S18) zumindest einer Wicklung (W1, W2, W3) des Elektromotors (102) mit elektrischem Strom (I w ) in Abhängigkeit der linearisierten Winkelposition (W l ).

Inventors

• Hurka, Florian
• Freischle, Justus

Assignees

• Hilti Aktiengesellschaft

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20241105

Claims (15)

1. Verfahren (M10) zum Betreiben einer mobilen Werkzeugmaschine (100), wobei die Werkzeugmaschine (100) eine Sensorschaltung (113) hat, welche zum abgestuften Erfassen einer Winkelposition (W a ) eines Rotors (104) eines Elektromotors (102) konfiguriert ist, enthaltend die Schritte: Erfassen (S11) einer abgestuften Winkelposition (W a ) des Rotors (104) mittels der Sensorschaltung (113); Bestimmen (S15) einer linearisierten Winkelposition (W l ) des Rotors (104) in Abhängigkeit der abgestuften Winkelposition (W a ) mittels einer Reihenschaltung enthaltend ein Schleifenfilter (119) und ein nachgeschaltetes Integratorglied (123); und Beaufschlagen (S18) zumindest einer Wicklung (W1, W2, W3) des Elektromotors (102) mit elektrischem Strom (I w ) in Abhängigkeit der linearisierten Winkelposition (W l ).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schleifenfilter (119) ein PI-Regler (120, 121, 122) oder ein PID-Regler enthält oder ist.
3. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Sensorschaltung (113) eine Hall-Sensorschaltung ist.
4. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, die erfasste abgestufte Winkelposition (W a ) eine von bis zu 12 Winkelpositionen, bevorzugt bis zu 6 Winkelpositionen ist.
5. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die linearisierte Winkelposition (W l ) durch einen diskreten Wert beschrieben wird, wobei eine Auflösung der abgestuften Winkelposition (W a ) zumindest eine Größenordnung und bevorzugt zumindest zwei Größenordnungen grober als eine Auflösung der linearisierten Winkelposition (W l ) ist.
6. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei enthaltend: Ermitteln (S14) zumindest eines Parameters des Schleifenfilters (119) in Abhängigkeit einer Winkelgeschwindigkeit (W o ) des Rotors (104).
7. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, enthaltend: Empfangen (S12) jeweils eines Sensorsignals (115) von mehreren Sensoren (H1, H2, H3) der Sensorschaltung (113) und Erzeugen (S13) der abgestuften Winkelposition (W a ) entsprechend den mehreren Sensorsignalen (115).
8. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die zumindest eine beaufschlagte Wicklung (W1, W2, W3) eine Statorwicklung ist.
9. Computerprogrammprodukt, welches Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer, nämlich insbesondere ein Steuergerät (111) für eine mobile Werkzeugmaschine (100), diesen veranlassen, das Verfahren (M10) zum Betreiben der mobilen Werkzeugmaschine (100) nach einem der vorigen Ansprüche auszuführen
10. Steuergerät (111) für eine mobile Werkzeugmaschine (100), enthaltend eine Schaltung, die zum Ausführen des Verfahrens (M10) zum Betreiben der mobilen Werkzeugmaschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingerichtet ist.
11. Steuergerät nach Anspruch 10, wobei die Schaltung einen digitalen Regler, insbesondere einen Prozessor, enthält.
12. Steuergerät nach einem der Ansprüche 10 bis 11, enthaltend die Sensorschaltung (113) zum abgestuften Erfassen der Winkelposition, welche einen Teil der Schaltung bildet.
13. Mobile Werkzeugmaschine (100), enthaltend einen Elektromotor (102), der einen Stator (103) und einen Rotor (104) zum Antreiben eines Werkzeugs (108) hat, eine Sensorschaltung (113), welche zum abgestuften Erfassen einer Winkelposition (W a ) des Rotors (104) konfiguriert ist, und ein Steuergerät (111) nach einem der Ansprüche 10 bis 12.
14. Mobile Werkzeugmaschine nach Anspruch 13, wobei die Sensorschaltung (113) Teil des Steuergeräts (111) ist, und das Steuergerät (111) benachbart zu dem Rotor (104) angeordnet ist.
15. Mobile Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 14, wobei der Elektromotor (102) ein bürstenloser Gleichstrommotor ist, und/oder wobei das Steuergerät (111) zum Beaufschlagen einer Wicklung (W1, W2, W3) des Stators (103) mit elektrischem Strom (lw) eingerichtet und/oder verschaltet ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mobilen Werkzeugmaschine, welche eine zum abgestuften Erfassen einer Winkelposition eines Rotors eines Elektromotors konfigurierte Sensorschaltung hat. Außerdem betreffen weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung ein Computerprogrammprodukt, ein Steuergerät für eine mobile Werkzeugmaschine und schließlich eine mobile Werkzeugmaschine. Eine solche mobile Werkzeugmaschine hat einen Elektromotor, der einen Rotor und einen Stator hat. Zum effizienten Betreiben der Werkzeugmaschine ist es vorteilhaft, Wicklungen des Elektromotors passend zu einer tatsächlichen/aktuellen Winkelposition des Rotors mit elektrischem Strom zu beaufschlagen. Eine beispielhafte Anwendung ist ein feldorientiertes Beaufschlagen eines bürstenlosen Gleichstrommotors. Es gestaltet sich jedoch schwierig, diese tatsächliche Winkelposition mit hinreichender Genauigkeit zu erfassen. Die Winkelposition bezeichnet eine Ausrichtung des Rotors um dessen Längs- bzw. Rotationsachse. Man kann auch Rotationswinkelposition oder Rotationsposition sagen. Wenn der Rotor rotiert, ändert sich die Winkelposition, also die tatsächliche Ausrichtung des Rotors um dessen Rotationsachse, kontinuierlich. Unter einer abgestuften Winkelposition kann man eine Winkelposition verstehen, deren Amplitudenbereich (von 0 bis 360° bzw. von 0 bis 2π) in eine endliche Anzahl von Stufen (kleinere Teilbereiche des gesamten Amplitudenbereichs) unterteilt ist. Beispielsweise kann mit drei zueinander um 120° versetzten Hallsensoren die tatsächliche Winkelposition in sechs Winkelpositionsstufen auflösen. Vereinfacht kann man sagen, dass eine kontinuierliche Größe in einen Bereich eingeteilt wird, der aus relativ wenigen bzw. relativ grob aufgelösten Bereichen ausgewählt ist. Unter einem Linearisieren soll man vorzugsweise ein Annähern eines abgestuften Verlaufs an einen geraden oder gekrümmten Verlauf entsprechend einem Trend des abgestuften Verlaufs verstehen. Um die abgestufte Winkelposition zu linearisieren, kann man eine lineare Extrapolation einsetzen. Man könnte beispielsweise von der letzten bekannten Winkelposition (bspw. Zeitpunkt eines Wechsels zwischen zwei Winkelpositionsstufen) und einer bekannten Winkelgeschwindigkeit ausgehend eine linearisierte Winkelposition berechnen. Für den Betrieb mobiler Werkzeugmaschinen sind jedoch häufige raschen Drehzahländerungen (Beschleunigungen / Verzögerungen / Stöße) typisch. Übliche Anwendungsbeispiele sind Drehschlagschrauber, Meißel, Schrauber und dergleichen. In diesen Fällen entstehen hohe Extrapolationsfehler, sodass eine lineare Extrapolation ungeeignet ist. Es sind bisher Phasenregelschleifen bekannt. Diese dienen in der Nachrichtentechnik der Synchronisation mit getakteten Eingangssignalen. Eine beispielhafte Schaltung enthält in diesem Fall beispielsweise in dieser Reihenschaltung einen Phasendetektor, ein Schleifenfilter und einen Spannungs-gesteuerten Oszillator (fachsprachlich "Voltage Controlled Oscillator" oder VCO). Für Servomotoren ist bekannt, eine Winkelposition mittels einer Phasenregelschleife in Abhängigkeit von rückinduzierten Spannungen (fachsprachlich "back electromotive force" bzw. BEMF) zu bestimmen. Aus der Veröffentlichung "JARZEBOWICZ L., CISEK M., OPALINSKI A., Angle Tracking Observer for Filtering Rotor Position Estimates in Sensorless Electric Drives, Elektronika ir Elektrotechnika, ISSN 1392-1215, Vol. 22, No. 5, 2016" ist ein Verfahren zum sensorlosen Schätzen einer Rotorposition bekannt. Hierbei wird ein zweistufiger Ansatz verwendet, um aus einem Verlauf eines elektromagnetischen Drehmoments zwischen Stator und Rotor (d.h. aus einem Verlauf der BEMF) eine Winkelposition des Rotors zu schätzen. In einer ersten Stufe wird aus dem Drehmomentverlauf eine Winkelposition geschätzt, welche stark verrauscht ist. In einer zweiten Stufe wird das Rauschen durch einen geschlossenen Regelkreis geglättet, welcher eine Reihenschaltung zweier Integrator-Glieder enthält und deren Ausgaben summiert; man kann also sagen, dass die Rotorposition mittels eines Integrator-Filters 2. Ordnung geschätzt wird. Ferner wird beschrieben, wie mittels eines Simulationsmodells Kennfeld-basiert geeignete Filterkoeffizienten ausgewählt werden können. Dieses Verfahren geht somit von einem kontinuierlich erfassten elektromotorischen Drehmomentverlauf bzw. der rückinduzierten Spannung aus, und ist daher nicht auf eine abgestufte Winkelposition entsprechend der gewünschten Bauart der Werkzeugmaschine anwendbar. Die bekannten Verfahren zum Betreiben einer mobilen Werkzeugmaschine sind somit hinsichtlich der Genauigkeit beim Ermitteln einer Winkelposition mittels Sensoren sehr beschränkt. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer mobilen Werkzeugmaschine bzw. eine verbesserte mobile Werkzeugmaschine bereitzustellen, wobei insbesondere eine Rotorwinkelposition mit hoher Genauigkeit bestimmt w