CN108575112A - 用于控制电机的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于控制电机（1）的设备（10）及方法。该方法包括以下步骤：提供（S01）针对待由电机（1）施加的扭矩的额定扭矩值（54）；获取（S02）故障信号（51），故障信号显示电机（1）的故障状态；获取（S03）电机（1）的实际的转子角度值（56）；基于提供的额定扭矩值（54）、获取的故障信号（51）以及获取的实际的转子角度值（56）确定（S04）故障状态运行点（62；62'）；以及将电机（1）运行的运行点从正常状态运行点（61）推移或移动（S05）到确定的故障状态运行点（62；62'）。

Description

用于控制电机的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制电机的设备以及一种用于控制电机的方法。电机可以特别是在马达运行中的电机。

背景技术

在逆变器馈送的电机、例如驱动器的功率电子件中的故障会导致如下后果，即，电机不能再正常运行或仅能够受限地正常运行。可能的困难在于，电压计仅还能够受限地通过电机的功率电子件来应用。对此例如可造成半导体或操控电子件失效。

在DE102008042931A1中描述了一种用于场定向地调节电机的方法和设备。

发明内容

本发明公开了一种具有权利要求1的特征的设备以及一种具有权利要求8的特征的方法。

相应地，设置有用于控制电机的设备，该设备具有：提供装置，其设计用于提供、即给定针对待由电机施加的扭矩的额定扭矩值，该额定扭矩值是待由电机施加的扭矩应有的值；监测装置，其设计用于获取故障信号，故障信号显示了电机、特别是电机的功率电子件的故障状态；获取装置，其设计用于获取电机的实际转子角度值；计算装置，其设计用于，基于提供的额定扭矩值、获取的故障信号以及获取的实际的转子角度值来确定至少一个故障状态运行点，优选是确定故障状态运行点轨迹；以及控制装置，其设计用于将电机运行所处的运行点从正常状态运行点推移到确定的故障状态运行点，特别是沿着故障状态运行点轨迹推移。故障状态运行点可有利地具有额定扭矩值。

特别地，电机理解为具有转子的电机，转子相对于电机的定子旋转，由此要么产生电流（发电机运行）要么产生扭矩（马达运行）。额定扭矩值可以例如基于用户输入（例如基于车辆的驾驶员下压踏板，电机用作驱动器）。故障状态运行点轨迹理解为在故障状态中不断地被电机的运行点通过相应的控制而驶过的轨迹。故障状态运行点轨迹可包括所有确定的故障状态运行点以及正常状态运行点。

此外，方法设置有以下步骤：提供针对待由电机施加的扭矩的额定扭矩值；获取故障信号，故障信号显示了电机、特别是电机的功率电子件的故障状态；获取电机的实际的转子角度值；基于提供的额定扭矩值、获取的故障信号以及获取的实际的转子角度值来确定至少一个故障状态运行点、优选是确定故障状态运行点轨迹；以及将电机运行所处的运行点从正常状态运行点推移（Verschieben）或移动（Versetzen）到确定的故障状态运行点，优选是沿着确定的故障状态运行点轨迹推移或移动。

本发明实现了电机运行范围的动态扩展。特别是在功率电子件中的故障的影响可以在其对机器的扭矩的影响中得到补偿，即减小甚至消除。根据本发明的设备无需对现存的同步电机进行结构改造或仅需特别微小的改造，因此特别通用。

根据本发明的设备或根据本发明的方法特别适用于同步电机，特别是适用于带有磁阻分量的各向异性同步电机。其中主要包括永磁同步电机（PSM）、电励磁同步电机（ESM）、同步磁阻电机（SynRM）以及横向和轴向磁通电机（TFM和AFM）。此外也可针对异步电机应用或匹配所述变型和改型。

根据本发明的设备特别可以是用于电动或混合动力车辆的牵引驱动器、电伺服驱动器和/或工业驱动器的一部分。

有利的实施方式和扩展方案由从属权利要求以及说明书中参考附图得出。

根据一种优选扩展方案，正常状态运行点布置在电流比率函数的第一支线上，第一支线例如通过竖直的渐近线与电流比率函数的第二支线分开。电流比率函数表示的是电机在q方向上的电流iq与电机在d方向上的电流id的比率。q方向和d方向表示相对于电机的转子或电机的磁转子磁链固定地布置的坐标方向。概念d方向和q方向是所谓的d / q变换范畴中的常用概念，其也被称为dq变换、dq0变换或Park变换，并且其用于，将例如在具有轴a、b、c的交流电机中的三相参量转换到具有轴d和轴q的两轴坐标系中。

电流比率函数的每一条支线的所有点都具有相同的扭矩值。优选地，电流比率函数的第一支线具有额定扭矩值。电流比率函数的第二支线具有与第一支线相同的扭矩值、例如同样是额定扭矩值。电流比率函数就可由此限定，即，其所有点具有相同的扭矩值。但电流比率函数的第二支线也可具有其他的扭矩值，优选是大于额定扭矩值的扭矩值。

电流比率函数的点具有扭矩值应理解为，在根据电流比率函数以电机在q方向上的电流iq和在d方向上的电流id操控电机时，电机提供具有相应的扭矩值的扭矩。有利的是，优选产生的并且在故障状态中被运行点驶过的故障状态运行点轨迹部分地布置在电流比率函数的第一支线上并且部分地布置在第二支线上。有利的是，确定的故障状态运行点具有负的iq值。有利的是，优选产生的并且被运行点驶过的故障状态运行点轨迹既具有正的iq值也具有负的iq值。由此可保证，针对每一个实际的转子角度值都有一个在故障状态运行点轨迹上可操控的运行点。

根据另一种优选扩展方案，计算装置设计用于，根据获取的故障信号和获取的转子角度值在电流比率函数的第一支线上确定故障状态运行点。换言之，电机的运行点可以根据所述参量沿着电流比率函数的第一支线推移，由此，由电机提供的扭矩保持不变。因此例如可避免，由于故障状态中的故障而无法提供额定扭矩，正常状态运行点由于该故障而不可操控。

根据另一种优选扩展方案，计算装置设计用于，根据获取的故障信号和获取的实际的转子角度值在电流比率函数的第二支线上确定故障状态运行点。那么因此当整个第一支线都由于故障状态而不可操控时，也可通过电机提供期望的扭矩。一个且同一个根据本发明的设备可设计用于，根据分别获取的故障信号在电流比率函数的第一或第二支线上确定故障状态运行点。

根据另一种优选扩展方案，控制装置设计用于，根据获取的故障信号匹配从d方向和q方向上的第一坐标值到a/b/c坐标中显示端参量（Klemmgrößen）的第二坐标值的变换。常在所谓的a/b/c坐标中给定端电压。因此可避免基于电机的故障状态弄错提供的端电压。

根据另一种优选扩展方案，计算装置设计用于如此确定故障状态运行点，使得该运行点具有不同于额定扭矩值的故障状态扭矩值。优选地，故障状态扭矩值大于额定扭矩值或者大于等于额定扭矩值。因此可减少或补偿通过电机在此期间提供的扭矩（即通过电机在此期间产生的实际扭矩）的可能出现的、通过故障状态引起的减少。

根据另一种优选扩展方案，根据本发明的设备包括待控制的电机。

根据一种根据本发明的方法的优选扩展方案，根据获取的故障信号和获取的实际的转子角度值在电流比率函数的第一支线和/或电流比率函数的第二支线上确定故障状态运行点，其中适用电流比率函数和电流比率函数的第一及第二支线的前述定义。

根据另一种优选扩展方案，确定故障状态运行点，使得该运行点具有不同于额定扭矩值的故障状态扭矩值，特别地，故障状态扭矩值大于额定扭矩值或者大于等于额定扭矩值。

附图说明

接下来根据在附图的示意图中示出的实施例进一步阐述本发明。其中：

图1示出了根据本发明的一种实施方式用于控制电机的设备的示意性框图；

图2、图3a至图3f、图4a和图4f示出了用于阐述图1中设备的作用方式的示意图表；以及

图5示出了用于阐述根据本发明的另一种实施方式来控制电机的方法的示意性流程图。

只要没有其他说明，所有图中相同的或功能相同的元件和设备都设有相同的附图标记。只要没有其他说明，方法步骤的标号有助于清晰性并且特别是不应表示确定的时间顺序。特别地，也可同时进行多个方法步骤。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一种实施方式用于控制电机1的设备10的示意性框图。在描述设备10时也请参见以下附图2、3a至3f、4a和4b。虽然常常示范性地描述以下情况，即，电机1布置在车辆中并且作为车辆的发电机和/马达起作用，也应理解，电机1也可在在车辆之外使用。设备10优选构造用于控制作为电机1的带有磁阻分量的同步电机，不过也可用于任何其他电机1。

设备10包括提供装置12，其设计用于提供针对待由电机1施加的扭矩的额定扭矩值54。提供装置12例如可以是接口，通过该接口能够接收外部预先给定的额定扭矩值52并且能够提供其作为针对电机1的额定扭矩值54。外部预先给定的额定扭矩值52例如可通过车辆的车辆控制部提供，电机1作为车辆的驱动器和/或发电机起作用。外部预先给定的额定扭矩值52例如可以是基于驾驶员的输入，例如是通过下压踏板或移动操纵杆。不过，提供装置12也可用来基于内部的、特别是车辆内部的和/或其他外部的、特别是车辆外部的信号计算额定扭矩值54，并且提供计算结果。

设备10还包括监测装置14，其设计用于获取故障信号51。故障信号51可通过监测装置14直接检测到。替代地或补充地，也可通过监测装置14根据其他测量值观察或估计故障信号51，即，间接通过例如诊断方法获取故障信号。

故障信号51显示电机1的故障状态，特别是电机1的功率电子件2的故障状态。故障信号51例如可包括关于功率电子件2的哪个开关不可用、例如短路的信息。故障信号51还可替代地或补充地包含以下信息，即电机1的控制参数的哪些参数值是基于故障信号51显示的故障状态不可操控的。特别地，故障信号51可包括关于以下内容的信息，即，考虑到电机1的故障状态，在电机1的iq-id平面中的正常状态运行点61是否可操控。故障信号51例如可通过电机1、通过电机的功率电子件2和/或通过布置有电机1的车辆的车辆控制部提供。

设备10还包括获取装置16，其设计用于获取电机1的转子的转子角度的实际的转子角度值56。转子角度值56可通过获取装置16明确测出。替代地或补充地，转子角度值56也可根据使用适当方法的其他测量参量间接地获取。特别是在通过d坐标和q坐标描述的电机1的控制时，哪些运行点可操控以及哪些不可操控与实际的转子角度值有关。

图2示出了用于阐述设备10的作用方式的示意图表。图2中的图表具有针对q方向上电流的电流值iq作为纵坐标以及d方向上的电流值id作为横坐标。在图表中绘出了电流比率函数71，其具有第一支线72和第二支线73，第一支线和第二支线通过竖直的渐近线74分开、即分离。第一支线72以及第二支线73都具有相同的恒定的扭矩、即相同的扭矩值。正常状态运行点61布置在第一支线72上。第一支线72仅具有正的iq值，而第二支线73仅具有负的iq值。接下来进一步阐述，当设备10运行时，优选驶向正常状态运行点61，因为这在电机1中通常导致特别小的损失。

设备10构造有计算装置18，其设计用于，基于提供的额定扭矩值54、获取的故障信号51以及获取的实际的转子角度值56来确定至少一个故障状态运行点62；62'，优选是在id-iq空间中的故障状态运行点轨迹62；62'。故障状态运行点62例如同样可以具有额定扭矩值54，即，在故障状态运行点62；62'运行的电机1优选同样提供具有额定扭矩54的扭矩。故障信号51可以通过获取装置14直接传递给计算装置18，或者可将基于故障信号51的信号传递给计算装置18。

设备10包括控制装置20，其设计用于，借由控制信号57调整电机1运行所处的运行点。此外，控制装置20设计用于，借由控制信号57将电机1的运行点从正常状态运行点61推移到确定的故障状态运行点62；62'，或优选沿着确定的故障状态运行点轨迹62；62'推移。

接下来阐述针对设备10的作用方式可能的变型和示例。

图3a至3f示出了图2中的图表，其中电机1处于故障状态。示范性地，故障状态表现在，在每个时间点对于电机1都有iq-id平面中的一个区域63是不可操控的，即，电机1运行所处的运行点不能被放置或推移到相应的区域63中。因为d坐标和q坐标是相对于转子固定（rotorfest）的，所以不可操控的各区域随着实际的转子位置、即实际的转子角度值56变化。图3a至3f中分别绘出了针对电机1的运行点来说不可接近的区域63。图3a示出的转子角度值56（符号为φ，读音为“phi”）为φ=0°，图3b中φ=60°，图3c中φ=120°，图3d中φ=180°，图3e中φ=240°，图3f中φ=300°，其中图3a又相应于φ=360°。因此在所示例子中，正常状态运行点61对于φ=180°与φ=300°之间的转子角度值56来说是不可接近的。对于φ=300°与φ=180°之间的转子角度值56来说，例如φ=60°，正常状态运行点61是可接近的，即可操控的。

如果可能的话，根据本发明的设备10的计算装置18可有利地如此设计，即运行点一直保持在正常状态运行点61。因此在根据图3a至3f的示例中，计算装置18设计用于当获取的转子角度值56在φ=300°与φ=180°之间时，使运行点保持在正常状态运行点61。

对于那些不可接近正常状态运行点61的转子角度值56来说，运行点通过计算装置18被推移离开正常状态运行点61。有利的是，运行点通常会一直保持在第一支线72（正的iq值）上，当无法再保持的时候才会被推移到第二支线73（负的iq值）上。

不过替代地，计算装置18也可设计为，运行点自身在可接近正常状态运行点61的时间点被推移或移动到故障状态运行点62；62'，大约是在计算装置已确定故障状态运行点轨迹62；62'时，这根据故障状态运行点轨迹整体来看是有利的。

根据计算装置18基于提供的额定扭矩值54、获取的故障信号51和获取的实际的转子角度值56的计算，图4a和4b示出了电机1的运行点的可能的故障状态运行点轨迹62；62'。

图4a中示出了以下情况，其中，运行点根据实际的转子角度值56部分地沿着第一支线72推移，然后在正的iq半平面中的轨迹上向下运动至id轴（例如运动至渐近线74），并且从此处再次运动至第一支线72上，从而形成闭合的故障状态运行点轨迹62，穿越一次轨迹刚好相应于转子角度转动360°。

图4b示出了替代的闭合的故障状态运行点轨迹62'，运行点根据该轨迹从id轴、即从横坐标轴首先被推移到第二支线73上，沿着第二支线73推移，从此处再次（从负的iq半平面）往回推移至id轴，并且从此处再次推移至第一支线72上。正的iq半平面中的第一分轨迹与图4a中的故障状态运行点轨迹62构造相同，并且能够与负的iq半平面中的故障状态运行点轨迹62'的第二分轨迹在位于渐近线74上的点处连接。

因为在示例中仅第一和第二支线72、73具有额定扭矩值54，因此计算装置18设计用于如此确定第一和第二支线72、73之间的轨迹，使得在第一和第二两条支线72、73之间的区域被尽可能快地驶过，并且不会通过电机1施加负的扭矩。

为了控制电机1，通常使用场定向的调节（FOR），其通常以旋转坐标系中描述的变量计算，即以场定向的d/q坐标计算。通过根据角度的变换可以在场定向的d/q坐标、（电机1的定子的）相对于定子固定的α/β坐标和（电机1的端处的）端参量的a/b/c坐标之间换算。从d/q坐标u_d、u_q到α/β坐标u_α、u_β的变换为：

，其中，

并且其中符号φ再次表示实际的转子角度值56。

从端参量的a/b/c坐标u_a、u_b、u_c到α/β坐标u_α、u_β的变换为：

，其中

由此在无故障的情况中、即在（与故障状态相反的）正常状态中，可由通过场定向的调节预先给定的d/q坐标的电压直接计算出在电机1端处的a/b/c坐标的端电压。但是如果存在故障、即电机1处于故障状态，从d/q坐标到a/b/c坐标的变换可能会出错。

控制装置20设计用于考虑到故障状态、即使用获取的故障信号51匹配从d/q坐标到a/b/c坐标的变换。由此可减少或完全避免基于故障状态的变换出错。由此可保证，即便是在故障状态中也可将此后可实现的电压正确地换算并提供为端电压。

对此有利的是，在变换中考虑并补偿故障状态的影响。这可由此实现，即，在将电压从d/q坐标换算到a/b/c坐标时提供自由度，该自由度可用于部分地补偿由一定的故障引起的干扰。

特别地，控制装置20对此设计用于，从α/β坐标的期望的电压向量中减去修正向量，修正向量用于产生相对于定子固定的α/β坐标的有效电压向量：

。

修正向量特别是由此导出：

。

在此，f_i是故障向量，其基于获取的故障信号51通过控制装置20产生并且详细显示故障状态。在不限制一般性情况下，接下来示范性地观察电机1的功率电子件2的开关短路的情况，该开关是功率电子件2的B6-桥的一部分。根据B6-桥的六个开关中的失效开关的不同，故障向量f_i例如为：。

根据有效电压向量修正的电压接下来通过控制装置20换算为a/b/c坐标。对此可使用从α/β坐标到a/b/c坐标的匹配的变换。匹配的变换对此可设计用于，将待提供的有效电压向量分配到a/b/c坐标中依然保留的两个方向中。

如前所述，当存在故障状态时会出现以下情况，即，期望的额定扭矩值54仅在受限的区域中可调整。在此可能会出现，期间得出与额定扭矩值54相比减少的扭矩。这例如可由此得出，即电机1的运行点在各自具有额定扭矩值54的第一支线72与第二支线73之间的故障状态运行点轨迹62；62'上运动，其中第一支线72与第二支线73之间的故障状态运行点轨迹62；62'的一区段可具有减少的扭矩。

控制装置20可设计用于，基于获取的故障信号51和提供的额定扭矩值54如此推移电机1的运行点，即，该运行点具有至少部分地大于通过提供装置12提供的额定扭矩值54的扭矩值。由此可以保证，平均来看，期望的额定扭矩值54由电机1提供。

设备10还可具有抗饱和（Anti-Windup）结构。抗饱和算法减轻了控制变量限制对于调节回路的影响。例如PID调节器的传统变型在于，一旦控制变量限制被破坏时马上停止调节故障的积分。电机1的功率电子件2中的故障状态、例如短路的开关可以解释为控制变量限制，根据控制变量限制不能再调整出电机1或功率电子件2的端处的一定的电压。该控制变量限制可以要么如前所述明确地在电流调节中考虑，和/或通过适当的抗饱和附加作用减轻其影响。例如可使用所谓的模型参考抗饱和方法。

替代地或补充地，针对一定的调节方法的使用明确地参考前面限定的控制变量限制。有利的是，这通常能特别节约资源地实施。适当的调节方法例如是NIMC（Non-IinearInternal Model Control，非线性内模控制）或者模型预测控制器 （MPC，ModelPredictive Control)。

图5示出了用于阐述方法的示意性流程图，该方法用于根据本发明的另一种实施方式控制电机1。特别地，根据图5的方法可借由根据本发明的设备10执行，并且可根据所有与设备10相关描述的改型或扩展方案匹配，反之亦然。

在步骤S01中提供额定扭矩值54，该额定扭矩值针对待由电机1施加的扭矩，例如针对由设备10的提供装置12施加的扭矩。在步骤S02中获取故障信号51，该故障信号显示电机1的故障状态，例如通过设备10的监测装置14获取故障信号。特别地，故障信号51可以像前面与设备10相关描述的那样提供。

在步骤S03中获取电机1的实际的转子角度值56，例如借由设备10的获取装置16获取。在步骤S04中，基于提供的额定扭矩值54、获取的故障信号51以及获取的实际的转子角度值56确定故障状态运行点62；62', 优选是完整的故障状态运行点轨迹62；62'。在步骤S05中，将电机1运行所处的运行点从正常状态运行点61推移或移动到确定的故障状态运行点62；62'，优选是沿着确定的故障状态运行点轨迹62；62'推移或移动。

尽管前面是根据优选实施例描述本发明，但本发明并不限于此，而是能够以多种方式方法更改。特别地，本发明能够以多种多样的方式改变或更改，而不会偏离发明的核心。

例如可根据获取的故障信号61以及获取的实际的转子角度值56在电流比率函数71的第一支线72上和/或在电流比率函数71的第二支线73上确定故障状态运行点62；62'和/或故障状态运行点轨迹62；62'，其中可适用对电流比率函数71以及电流比率函数71的第一和第二支线72、73的上述限定。

也可如此确定故障状态运行点，使得该运行点具有不同于额定扭矩值54的故障状态扭矩值，特别地，故障状态扭矩值大于额定扭矩值54或者大于等于额定扭矩值54。特别地，可如此确定故障状态运行点轨迹62；62'，即，沿着故障状态运行点轨迹62；62'通过电机1提供的扭矩在此期间具有额定扭矩值54。

Claims (10)

1.用于控制电机（1）的设备（10），所述设备具有：

提供装置（12），其设计用于提供针对待由所述电机（1）施加的扭矩的额定扭矩值（54）；

监测装置（14），其设计用于获取故障信号（51），所述故障信号显示所述电机（1）的故障状态；

获取装置（16），其设计用于获取所述电机（1）的实际的转子角度值（56）；

计算装置（18），其设计用于，基于提供的额定扭矩值（54）、获取的故障信号（51）以及获取的实际的转子角度值（56）来确定至少一个故障状态运行点（62；62'）；以及

控制装置（20），其设计用于，将所述电机（1）运行所处的运行点从正常状态运行点（61）推移到确定的故障状态运行点（62；62'）。

2.根据权利要求1所述的设备（10），

其中，所述正常状态运行点（61）布置在电流比率函数（71）的第一支线（72）上，所述第一支线与所述电流比率函数（71）的第二支线（73）分开；

其中，所述电流比率函数（71）表示的是所述电机（1）在q方向上的电流iq与所述电机（1）在d方向上的电流id的比率；其中，所述q方向和所述d方向表示相对于所述电机（1）的转子固定地布置的坐标方向；

其中，所述电流比率函数（71）的每个支线（72、73）的所有点都具有一样的扭矩值。

3.根据权利要求2所述的设备（10），

其中，所述计算装置（18）设计用于，根据获取的故障信号（51）和获取的实际的转子角度值（56）在所述电流比率函数（71）的第一支线上确定所述故障状态运行点（62；62'）。

4.根据权利要求2或3所述的设备（10），

其中，所述计算装置（18；118）设计用于，根据获取的故障信号（51）和获取的实际的转子角度值（56）在所述电流比率函数（71）的第二支线（73）上确定所述故障状态运行点（62；62'）。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备（10），

其中，所述控制装置（20）设计用于，根据获取的故障信号（51）匹配从所述d方向和所述q方向上的第一坐标值到a/b/c坐标中显示端值的第二坐标值的变换。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备（10），

其中，所述计算装置（18）设计用于如此确定所述故障状态运行点（62；62'），即，所述故障状态运行点具有不同于所述额定扭矩值（54）的故障状态扭矩值。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备（10），

其中，所述设备（10）包括待控制的电机（1）。

8.用于控制电机（1）的方法，具有以下步骤：

提供（S01）针对待由所述电机（1）施加的扭矩的额定扭矩值（54）；

获取（S02）故障信号（51），所述故障信号显示所述电机（1）的故障状态；

获取（S03）所述电机（1）的实际的转子角度值（56）；

基于提供的额定扭矩值（54）、获取的故障信号（51）以及获取的实际的转子角度值（56），确定（S04）故障状态运行点（62；62'）；以及

将所述电机（1）运行所处的运行点从正常状态运行点（61）推移或移动（S05）到确定的故障状态运行点（62；62'）。

9.根据权利要求9所述的方法，

其中，所述正常状态运行点（61）布置在电流比率函数（71）的第一支线（72）上，所述第一支线与所述电流比率函数（71）的第二支线（73）分开；

其中，所述电流比率函数表示的是所述电机（1）在q方向上的电流iq与所述电机（1）在d方向上的电流id的比率；

其中，所述q方向和所述d方向表示相对于所述电机（1）的转子固定地布置的坐标方向；

其中，根据获取的故障信号（51）和获取的实际的转子角度值（56）在所述电流比率函数（71）的第一支线（72）和/或所述电流比率函数（71）的第二支线（73）上确定所述故障状态运行点（62）。

10.根据权利要求8或9所述的方法，

其中，如此确定所述故障状态运行点（62；62'），即，所述故障状态运行点（62）具有不同于所述额定扭矩值（54）的故障状态扭矩值。