CN120934412A - 用于操控电动马达的方法 - Google Patents

用于操控电动马达的方法

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Abstract

一种用于运行电机(10)的方法，其中，所述电机(10)用调制信号进行操控，所述调制信号由调制度M来表征，在所述电机(10)运行过程中，检测至少一个影响参数，并且根据所述至少一个影响参数来确定所述调制度M。

Description

用于操控电动马达的方法
技术领域
本发明涉及一种用于操控电动马达的方法，特别是用于操控机动车电气系统中的电动马达的方法，以及一种用于实施该方法的装置。
背景技术
在汽车应用领域中，为48V电气系统设计的马达(Motoren)所占比例日益增加。与传统的12V电气系统电压相比，这些马达在电气安全方面的风险有所增加。为此，标准ISO6469-3:2021对确保汽车环境中电气安全的措施进行了标准化。
据此，电压水平被分为三个等级，即A级、B1级和B2级，它们对电气安全措施提出了不同严格程度的要求。这些级别之间的区别在于其基础的电压水平。
对于机电执行器，如果包含功率电子元件的控制单元没有直接安装在马达上，这种情况也被称为分离式ECU(electronic controlunit，电子控制单元)，那么用于驱动马达的电流就必须通过所谓的相电缆的电缆来引导。此时提供的相电流或相电压是交流参量(AC)。
从文献DE102010031435A1中已知一种用于获知多相电机实际扭矩的方法，在该方法中，电机用脉宽调制信号进行操控。
文献DE102021214517A1描述了一种用于运行电动马达(Elektromotor，又叫电机)并确定电动马达部件温度的方法。
文献DE102008042978A1描述了一种用于确定连接到逆变器的多相电机(elektrische Maschine)相电流的方法。在该方法中，获知电机的温度。
发明内容
在此背景下，提出了一种具有权利要求1的特征的方法以及一种根据权利要求12所述的装置。实施方式由从属权利要求和说明书得出。
所提出的方法用于运行电机，其中，电机用调制信号进行操控。该调制信号在此由调制度(Modulationsgrad，也叫调制率或调制深度)M来表征。这意味着，调制度是尤其在很大程度上描述调制信号的参量。在电机运行过程中，检测至少一个影响参数。然后，根据至少一个检测到的参数来确定调制度M。这尤其意味着，调制度会被限制，然后电机用由该调制度表征的调制信号进行操控。在此，“影响”意味着该参数或参量会影响电机的运行。
至少一个影响参数可以从以下一组参数中选择：供电电压、温度、电阻以及MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)参数的估计值。这意味着，上述参量中的一个或这些参量的任意组合，甚至所有这些参量都可以作为影响参数使用。
这些参数用于使实际的调节对象，也就是遵循控制单元逻辑的实体或物理部件，即控制单元中的部件、电缆、马达，具有尽可能好的模型。在此基础上，调制度可以在不违反控制单元输出端电压等级(或者说voltage class)限制的前提下，尽可能优化地进行调节。为此例如：电缆的电阻、控制单元中马达部件(MOSFET)的电阻。这些电阻与温度相关，因此相应的、特别是估计的温度也很重要。
所提出的装置用于执行该方法，并且为此配备有相应配置的评估单元。
因此，在设计中规定，用合适的装置测量供电电压，并根据测量结果通过限制调制度将相电压限制在A级的有效值或rms水平(rms：root means quare，均方根)。
在一种特殊的实施方式中，对运行情况进行监控，以便检测或探测可能出现的故障。
如果电机是冗余系统的一部分，例如在冗余设计的转向系统的情况下，并且另一个系统中的故障使冗余层级无法正常工作，那么可以取消相关限制。
如果检测到故障，则在设计中取消对调制度可能已进行的限制，并利用可用的功率储备。
本发明的其他优点和设计方案可从说明书和所附附图中得出。
应当理解，上述提及的以及下面还将阐述的特征不仅可以按所给出的组合使用，还可以以其他组合或单独使用，而不脱离本发明的范围。
附图说明
图1以示意图的形式展示了带有控制单元的他励式电机。
图2以两种图示展示了他励式侧倾稳定器(Wankstabilisator，也叫摆动稳定器)。
图3以图表的形式展示了正弦形相电压的变化过程。
图4以图表的形式展示了正弦形目标信号的变化过程和由此产生的PWM(脉宽调制)信号的变化过程。
图5以电路图的形式展示了采用星形连接的三相永磁同步电机。
图6以图表的形式展示了用于说明正弦-三角调制的信号变化过程。
图7以图表的形式展示了不同调制度M下的正弦变化过程。
具体实施方式
本发明通过附图中的实施方式进行了示意性展示，接下来将结合附图进行详细描述。
图1展示了他励式电动马达，整体用附图标记10表示。该图示还展示了控制单元12和壳体14。
如图1所示，在这种情况下，马达10并不直接连接在控制单元12上，而是通过电缆18与控制单元相连。这种原理在诸如制动器和转向装置等对安全至关重要的部件中也是可行的。
需要考虑的是，对于车辆中用48V或更高电气系统电压进行供电的系统来说，电动马达与分立式或自主运行的控制单元(ECU)之间的连接装置，即相电缆、插头以及其他方面如标识，至少应根据ISO6469-3:2021中B1级所定义的措施进行保护。与A级措施相比，这在车辆层面上会带来相当大的工作量和成本。
现在，所提出的方法降低了相关电压水平，使得由自主运行的控制单元、马达及其连接装置所组成的系统符合A级的要求范围，从而实现了成本节约。在此，关键是三个相中的两个相之间的电压，即所谓的相电压，其有效值或rms值(rms：root means quare，均方根)高于单个相的电压的rms值。
图2展示了壳体中48V电压水平的他励式电机的一个示例，用附图标记50表示。除了控制单元52外，还可以看到电缆54，它是电气安全措施的一部分。
通过将供电电压水平的规格从48V降低到约42V，也可以规避B1级电压。
在设计上，相电压的操控是通过对功率电子元件进行脉宽调制(PWM)来实现的。此时，在相电缆上施加周期性的、通常近似为正弦形的电压。请参考图3。
图3展示了一个图表100，其横坐标102为时间，纵坐标104为归一化电压，图中展示了正弦形相电压的变化过程110、112、114。所示的三个正弦信号以均匀的相位差进行了图示。
图4展示了一个图表150，其横坐标152为时间，纵坐标154为归一化电压，图中展示了正弦形目标信号的变化过程160和由此产生的PWM信号的变化过程164。
根据供电电压和所需功率，在一个周期内得到相应的交流电压的rms值。
现在，根据所提出的方法测量供电电压，并根据测量结果通过限制调制度将相电压限制在A级的rms水平。
以下的阐述是基于以下假设进行的，后续将对扩展情况进行说明：
这是一个采用星形连接的三相永磁同步电机；
在理想情况下，各相由相位差为120°的正弦形电压激励；
作为PWM的调制方法，使用正弦-三角调制；
电压水平为48V。
图5展示了一台电机，整体用附图标记200表示，它构造为采用星形连接的三相永磁同步电机，包括相A 202、相B 204和相C 206。该图示还进一步展示了变流器210、由电机200给出的负载212以及接地导体N214。
箭头标记如下：箭头220UA0、箭头222UB0、箭头224UC0、箭头226UN0、箭头228UA、箭头230UB、箭头232UC0、箭头234UAB、箭头236UBC、箭头238UCA、箭头240US1、箭头242US2、箭头244US3、箭头250IA、箭头252IB、箭头254IC、箭头256IS1、箭头258IS2和箭头260IS3。
现在将结合前面所示的附图更详细地描述所提出的方法。
图1展示了采用星形连接的三相永磁同步电机的电气电路。
相应的归一化正弦形目标相电压已在图3中进行了说明。
其中一个相电压的交流分量的rms值根据以下公式确定：
而两相之间差值的rms值则相应地在积分项中使用两相的差值电压来确定。两相之间的rms电压在此大于一相的rms电压，因此对于电气安全措施而言是关键的。在实际应用中，电压的rms值会受到目标电压的脉宽调制的影响。
在此，对于交流分量，假设u(t)的平均值为零。
图6展示了一个图表300，其横坐标302为时间，纵坐标304为电压，图中展示了目标信号310和三角调制信号312，用于说明正弦-三角调制。当三角信号312大于目标信号310时，得到的PWM信号为1。
类似于上述公式，可以确定一个周期内得到的相间电压的rms值。与理想的目标信号相比，该值会有所增加。现在，执行器上提供的功率可以通过调制度M来影响。调制度在此根据以下公式确定正弦信号的幅值：
图7展示了一个图表350，其横坐标352为时间，纵坐标354为电压，图中展示了不同调制度M下的正弦变化过程，即调制度M为0％时的第一变化过程360、调制度M为25％时的第二变化过程362、调制度M为50％时的第三变化过程364以及调制度M为100％时的第四变化过程366。
在48V电压水平下，相间电压的rms值为35.64V，这使得该系统符合ISO6469-3:2021中的B1级标准。为了在正常运行条件下降低电压水平并达到A级标准(这又会显著减少电气安全方面的措施)，采用了以下方法：
监控影响参数：
供电电压；
温度和电阻；
MOSFET参数的估计值。
动态限制调制度，以确保在每个周期循环中，相电缆中电压的相应极限值保持在关键电压水平以下。
由此得到的最大调制度由以下关系确定：
或者使用前面概述的调制方案：
并相应地根据调制度M求解该方程。其中：
UEff,max是相应电压等级(此处为30V)的最大电压；
Unom是供电电压。
由于温度、电阻和MOSFET参数仍会对实际行为产生影响，并且实际提供的有效电压与理想公式中的不同，因此可以进一步利用这些因素，使调制度更好地适应当前状态。
其他实施方式涉及：
不同于纯正弦形的其他替代理想控制信号(例如，在dq坐标系(派克变换)中操控时，电流分量i_d不为0→例如弱磁运行)；
其他替代相位差；
其他替代调制方法；
其他替代电压等级；
不同于上述星形连接的其他替代电机连接方式；
-更多替代电机相数；
-其他替代电机类型；
-作为利用调制度来调节功率的替代方案，例如灵活提高目标信号；
-不同于48V的其他电压水平或其他电压等级。
所提出的方法在设计上能够在出现故障时提高系统的功率水平，以作为备用，并为电机操控提供功率储备。这对于转向操控尤其重要，在转向操控中通常使用由两个三相操控实现的六相电机。
出发点是上述借助于自适应方法在他励式情况下进行的PWM操控。
以下描述的实施方式针对的是故障情况，例如六相转向电机中的相短路。由于ISO6469-3:2021涉及的是正常运行条件，因此在这种情况下，其中描述的电气安全要求并不相关，并且在这种故障情况下，相间电压的有效值可以提高。
因此，可以省去控制单元中其他成本高昂的安全措施。
所描述的实施方式使用了一种机制，该机制：
探测到故障情况；
在此基础上改变上述机制，使得不是降低仍可控制的相电压，而是通过充分利用调制度来使用仍可用的功率储备，以确保车辆的必要转向能力。
以下将基于以下假设描述该实施方式：
这是一个采用星形连接的三相永磁同步电机；
在理想情况下，各相由相位差为120°的正弦形电压激励；
作为PWM的调制方法，使用正弦-三角调制；
电压水平为48V；
这是一个2x3相的转向电机；
所考虑的故障情况是六个相中的两个相短路。
在之前描述的操控策略中，相电压通过调制度M进行限制。调制度根据以下公式确定正弦信号的幅值：
请参考图7，其中展示了不同调制度M下的正弦变化过程。
在出现故障的情况下，现在将取消对调制度的限制，从而可以调用功率储备。
该实施方式可以总结如下：
1)如开头所述的标称行为
a.在运行过程中监控影响参数：
供电电压；
温度和电阻；
MOSFET参数的估计值。
b.动态调整调制度，以确保在每个周期循环中，相电缆中电压的相应极限值保持在关键电压水平以下。
c.最大可调节的调制度相应地通过根据调制度求解以下方程得到：
2)出现故障
a.检测到故障；
b.在取消调制度限制的同时估计并监控电机相温度，以便根据这些信息采取限制措施，避免引发退磁过程。在此可以规定减少通过电机的电流，以防止发生退磁过程。
c.取消1)c.中关于调制度的限制。
其他实施方式涉及：
-不同于纯正弦形的其他替代理想控制信号(例如，在dq坐标系(派克变换)中操控时，电流分量i_d不为0→例如弱磁运行)；
-其他替代相位差；
-其他替代调制方法；
-其他替代电压等级；
-其他替代连接方式；
-更多替代电机相数；
-其他替代电机类型；
-调制度的替代方式，例如灵活提高目标信号；
-不同于48V的其他电压水平或其他电压等级；
-线控转向的替代方案：用于齿条执行器和/或方向盘执行器；-转向电机中其他不同的故障场景。

Claims (12)

1.用于运行电机(10、50、200)的方法，其中：
所述电机(10、50、200)用调制信号(164、312)进行操控；
所述调制信号(164、312)由调制度M来表征；
在所述电机(10、50、200)运行过程中，检测至少一个影响参数；并且
根据所述至少一个影响参数来确定所述调制度M。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个影响参数是从以下一组参数中选择的：供电电压、温度、电阻以及MOSFET参数的估计值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法用于他励式电机(50)。
4.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法用于永磁同步电机(200)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，使用PWM调制信号(164)作为所述调制信号(164、312)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，使用正弦-三角调制来生成所述调制信号(312)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，附加地执行监控，以便识别故障。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，附加地对另一连接的子系统进行监控，或者使用在另一地方进行的这种监控的结果来识别故障。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，利用在另一系统或子系统中识别出的故障，以便通过提高所述调制度M来利用可用的功率储备。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，监控电机相温度。
11.根据权利要求10所述的方法，其中基于所监控的电机相温度来采取限制措施。
12.用于操控电机(10、50、200)的装置，所述装置具有评估单元，所述评估单元被配置为执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法。
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