DE10100565B4

DE10100565B4 - Verfahren zum Bestimmen eines von einem Asynchronelektromotor aufgebrachten Drehmoments

Info

Publication number: DE10100565B4
Application number: DE2001100565
Authority: DE
Inventors: Herbert Lohner; Peter Dominke; Chi-Thuan Dr. Cao; Wolfgang Pfeiffer; Klaus-Dieter Dr. Leimbach; Bernd Dr. Müller; Werner Harter; Peter Prof. Blessing; Juergen Dr. Schuele
Original assignee: Robert Bosch GmbH; ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2001-01-09
Filing date: 2001-01-09
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2021-01-10
Also published as: DE10100565A1

Abstract

Verfahren zum Bestimmen eines von einem Asynchronelektromotor (6) aufgebrachten und an einer Antriebswelle des Asynchronelektromotors (6) anliegenden Drehmoments (M_ist), wobei das Drehmoment (Mist) anhand der Drehzahl (ω) der Antriebswelle und mindestens einer elektrischen Größe des Asynchronmotors (6) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment (M_ist) nach zwei unterschiedlichen Berechnungsverfahren (9, 10) berechnet wird und das ermittelte Drehmoment (M_ist) in Abhängigkeit von den Ergebnissen (M₁, M₂) der beiden Berechnungsverfahren (9, 10) ausgegeben wird, wobei die Ergebnisse (M₁, M₂) der beiden Berechnungsverfahren (9, 10) miteinander verglichen werden und das Ergebnis (M₁; M₂) mindestens eines der Berechnungsverfahren (9, 10) als das ermittelte Drehmoment (M_ist) ausgegeben wird, falls der Betrag der Differenz der Ergebnisse (M₁, M₂) der beiden Berechnungsverfahren (9, 10) unterhalb eines ersten vorgebbaren Schwellenwerts liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines von einem Asynchronelektromotor aufgebrachten und an einer Antriebswelle des Asynchronelektromotors anliegenden Drehmoments. Das Drehmoment wird anhand der Drehzahl der Antriebswelle und mindestens einer elektrischen Größe des Asynchronmotors ermittelt.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Elektrolenkung für ein Kraftfahrzeug, wobei die Elektrolenkung einen als Asynchronelektromotor ausgebildeten elektrischen Lenkaktuator zum Verstellen des Lenkwinkels von gelenkten Rädern des Kraftfahrzeugs aufweist.

Elektrolenkungen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik unter der Bezeichnung Steer-by-Wire-Lenkungen bekannt. Diesbezüglich wird insbesondere auf die DE 100 32 340 A1 verwiesen, wo der Aufbau und die Funktionsweise einer Steer-by-Wire-Lenkung ausführlich beschrieben und erläutert ist. Auf diese Druckschrift wird ausdrücklich Bezug genommen. Ein wesentliches Merkmal einer Steer-by-Wire-Lenkung eines Kraftfahrzeugs ist es, dass zwischen einer Lenkhandhabe und gelenkten Rädern des Kraftfahrzeugs keine mechanische Verbindung besteht. Vielmehr werden Betätigungsbewegungen der Lenkhandhabe von einem Sensor aufgenommen und auf elektrischem Wege an einen elektrischen Lenkaktuator für die gelenkten Räder geleitet. Als Lenkaktuator wird in der Regel ein Asynchronelektromotor eingesetzt.

Der Sicherheitsaspekt ist bei Steer-by-Wire-Lenkungen von großer Bedeutung. Für einen Ausfall einer Komponente der elektronischen Lenkung muss mindestens eine Rückfallebene vorgesehen sein, sodass stets zumindest ein Notbetrieb der Lenkung möglich ist. Der Aufbau und die Funktionsweise einer Steer-by-Wire-Lenkung mit einer solchen Rückfallebene ist bspw. in der DE 100 38 167 A1 ausführlich beschrieben und erläutert, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird.

Um einem Fahrer des Kraftfahrzeugs ein Gefühl für die Fahrbahnbeschaffenheit und den Fahrzustand des Kraftfahrzeugs zu geben, werden bei Steer-by-Wire-Lenkungen die von der Fahrbahn auf die gelenkten Räder ausgeübten Kräfte erfasst, an einen weiteren Aktuator geleitet und von diesem auf die Lenkhandhabe übertragen. Die auf die Räder einwirkenden Kräfte werden nach dem Stand der Technik bspw. mit Dehnmessstreifen direkt gemessen oder über ein mit einer geeigneten Drehmomentmesseinrichtung erfasstes Drehmoment des Asynchronelektromotors berechnet. Das erfordert jedoch zusätzliche Mittel zur Kraft- oder Drehmomenterfassung.

Aus der DE 197 56 955 A1 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt. Dabei wird das Drehmoment des Asynchronmotors durch eine modellgestützte Berechnung mit Hilfe des Statorstroms, der Statorspannung und der mechanischen Drehzahl ermittelt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein von einem Asynchronelektromotor aufgebrachtes Drehmoment ohne den Einsatz zusätzlicher Mittel zur Kraft- oder Drehmomenterfassung erfassen zu können.

Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Art vor, dass das Drehmoment nach zwei unterschiedlichen Berechnungsverfahren berechnet wird und das ermittelte Drehmoment in Abhängigkeit von den Ergebnissen der beiden Berechnungsverfahren ausgegeben wird, wobei die Ergebnisse der beiden Berechnungsverfahren miteinander verglichen werden und das Ergebnis mindestens eines der Berechnungsverfahren als das ermittelte Drehmoment ausgegeben wird, falls der Betrag der Differenz der Ergebnisse der beiden Berechnungsverfahren unterhalb eines ersten vorgebbaren Schwellenwerts liegt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren kann nicht nur bei elektrischen Steer-by-Wire-Lenkungen eingesetzt werden. Vielmehr ist das Verfahren ganz allgemein zur Emittlung des Drehmoments von beliebig einsetzbaren Asynchronelektromotoren geeignet. Das ermittelte Drehmoment des Asynchronmotors kann bspw. einer übergeordneten Regelung zur Verfügung gestellt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine sichere und zuverlässige Ermittlung des Drehmoments eines Asynchronmotors. Das Drehmoment kann anhand der Drehzahl der Antriebswelle und der elektrischen Größen des Asynchronmotors auf unterschiedliche Weise ermittelt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können ohne großen Aufwand und ohne den Einsatz zusätzlicher Komponenten Sicherheitsmechanismen installiert werden, die zu einer besonders hohen Sicherheit bei der Ermittlung des Drehmoments führen. Die Sicherheitsmechanismen sind bspw. als eine redundante Ermittlung des Drehmoments ausgebildet. Außerdem können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Rückfallebenen zur Ermittlung des Drehmoments geschaffen werden, die beim Ausfall einer Hauptebene aktiv werden. Die Rückfallebenen können ohne großen Aufwand und ohne den Einsatz zusätzlicher Komponenten realisiert werden.

Dadurch dass das Drehmoment nach zwei unterschiedlichen Berechnungsverfahren berechnet wird, und das ermittelte Drehmoment in Abhängigkeit von den Ergebnissen der beiden Berechnungsverfahren ausgegeben wird, können Fehler bei der Ermittlung des Drehmoments detektiert und geeignete Abhilfemaßnahmen, bspw. die Aktivierung einer Rückfallebene, getroffen werden.

Als ein erster Sicherheitsmechanismus wird vorgeschlagen, dass die Ergebnisse der beiden Berechnungsverfahren miteinander verglichen werden und das Ergebnis mindestens eines der Berechnungsverfahren als das ermittelte Drehmoment ausgegeben wird, falls der Betrag der Differenz der Ergebnisse der beiden Berechnungsverfahren unterhalb eines ersten vorgebbaren Schwellenwerts liegt. Der erste Schwellenwert wird in der Regel sehr klein gewählt und soll lediglich Rundungsfehler und andere kleinere, vernachlässigbare Fehler, die bei der Berechnung des Drehmoments nach den beiden Berechnungsverfahren auftreten können, berücksichtigen. Das Ergebnis mindestens eines der beiden Berechnungsverfahren wird also nur dann ausgegeben und weiterverarbeitet, falls die beiden Berechnungsverfahren zu demselben Ergebnis kommen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass als elektrische Größen eine an dem Asynchronmotor anliegende Leiterspannung und/oder Strangströme des Asynchronmotors herangezogen werden. Um nicht alle drei Strangströme des Asynchronmotors erfassen zu müssen wird vorgeschlagen, dass zwei Strangströme gemessen werden und der dritte Strangstrom aus den anderen beiden Strangströmen berechnet wird. Dies ist wegen der Kirchhoff'schen Knotenregel ohne weiteres möglich.

Vorteilhafterweise wird ein Fehler diagnostiziert, falls der Betrag der Differenz der Ergebnisse der beiden Berechnungsverfahren oberhalb des ersten Schwellenwerts liegt. Falls also die Abweichungen der Ergebnisse der beiden Berechnungsverfahren übliche, vernachlässigbare Rundungs- oder andere kleinere Fehler überschreitet, wird davon ausgegangen, dass ein Fehler in dem Asynchronmotor vorliegt und eine Fehlermeldung ausgegeben.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird als ein zweiter Sicherheitsmechanismus vorgeschlagen, dass die Strangströme des Asynchronmotors gemessen werden und ein Fehler diagnostiziert wird, falls die Summe der Strangströme einen zweiten vorgebbaren Schwellenwert übersteigt. Auf diese Weise kann die Strommessung verifiziert werden. Die Summe aller Strangströme muss wegen der Kirchhoff'schen Knotenregel gleich Null sein. Wird diese Bedingung verletzt, liegt ein Fehler vor, bspw. ein Kurzschluss zwischen einer Wicklung in einem Gehäuse des Asynchronelektromotors.

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird als ein dritter Sicherheitsmechanismus vorgeschlagen, dass die Impedanz an den Anschlüssen des Asynchronmotors überwacht und ein Fehler diagnostiziert wird, falls die Anschlussimpedanz einen dritten vorgebbaren Schwellenwert übersteigt. Diese Ausführungsform bietet sich als eine zusätzliche Fehlererkennung an. Es wird der Zusammenhang zwischen den Raumzeigern der Spannung und des Stroms des Asynchronmotors und damit die Klemmenimpedanz überwacht. Bei einer geeigneten Wahl des dritten Schwellenwerts kann so ein Wicklungsfehler erkannt werden.

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird als ein vierter Sicherheitsmechanismus vorgeschlagen, dass das von dem Asynchronmotor aufgebrachte Drehmoment auf ein Soll-Drehmoment des Asynchronmotors geregelt wird, wobei das ermittelte Drehmoment und das Soll-Drehmoment miteinander verglichen werden und ein Fehler diagnostiziert wird, falls der Betrag der Differenz des ermittelten Drehmoments und des Soll-Drehmoments einen vierten vorgebbaren Schwellenwert übersteigt. Bei einer elektrischen Lenkanlage eines Kraftfahrzeugs regelt bspw. eine Positionsregelung mit Hilfe einer unterlagerten Stromregelung den Lenkwinkel von gelenkten Rädern des Kraftfahrzeugs. Der Positionsregelung wird als Sollwert ein Soll-Lenkwinkeleinschlag der gelenkten Räder zugeführt. Der Stromregelung wird als Sollwert ein von der Positionsregelung ermitteltes Soll-Drehmoment zugeführt. Die Stromregelung ermittelt einen entsprechenden Strom für den Asynchronmotor. Dieser Strom und die Spannung und die Drehzahl des Asynchronmotors werden zur Ermittlung des Drehmoments herangezogen. Das ermittelte Drehmoment wird mit dem Soll-Drehmoment verglichen. Unzulässig hohe Abweichungen deuten auf eine Veränderung innerhalb der Strecke hin, bspw. einen Defekt in der Ansteuerelektronik.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise bei einer Elektrolenkung ohne mechanische Verbindung zwischen Lenkhandhabe und gelenkten Rädern eines Kraftfahrzeugs eingesetzt, wobei der Asynchronelektromotor als ein elektrischer Lenkaktuator für die gelenkten Räder ausgebildet ist. Eine solche Elektrolenkung wird auch als Steer-by-Wire-Lenkung bezeichnet. Insbesondere bei einer Steer-by-Wire-Lenkung kommen die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zum tragen.

Für eine Steer-by-Wire-Lenkung wird gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als ein fünfter Sicherheitsmechanismus vorgeschlagen, dass ein Ausgangssignal eines Drehwinkelgebers der Antriebswelle des Asynchronmotors mit einem Ausgangssignal eines Lenkwinkelgebers der gelenkten Räder verglichen und ein Fehler diagnostiziert wird, falls der Betrag der Differenz des Ausgangssignals des Drehwinkelgebers und des Ausgangssignals des Lenkwinkelgebers einen fünften vorgebbaren Schwellenwert übersteigt. Diese Ausführungsform dient zur Plausibilisierung eines zur Drehzahlmessung der Antriebswelle eingesetzten Drehwinkelsensors durch Vergleich mit den von einem Lenkwinkelgeber gelieferten Werten. Der Drehwinkelsensor ist bspw. als ein Inkrementalgeber ausgebildet.

Gemäß noch einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass nach dem ersten Berechnungsverfahren das Drehmoment aus einer Gleichung

ermittelt wird, wobei

m_M: das innere Moment und
J: das Rotorträgheitsmoment ist, und das innere Moment m_M anhand Gleichung

ermittelt wird, wobei

L_m: die Koppelinduktivität,
L_r: die Rotorinduktivität,
T_r: die Rotorzeitkonstante L_r/R_r,
i_sd: die Stromkomponente in flußbildender Richtung und
i_sq: die Stromkomponente in momentenbildender Richtung ist.

Das Rotorträgheitsmoment ist einer der Maschinenparameter des Asynchronmotors. Es kann hinreichend genau berechnet werden und ändert sich auch während des Betriebs des Asynchronmotors kaum. Die Rotorzeitkonstante und die Koppelinduktivität sind ebenfalls Maschinenparameter. Der Rotorwiderstand ist jedoch wegen der im Betrieb der Asynchronmaschine auftretenden Erwärmung des Rotors großen Schwankungen unterworfen. Die in der Berechnung verwendeten Induktivitäten sind wegen Sättigungserscheinungen des magnetischen Kreises bei hochausgenutzten Asynchronmotoren von dem Betriebszustand abhängig. Ein Nachführen dieser Paramter ist deshalb für die sichere Momentenbestimmung notwendig. Die Quotienten mit der Koppelinduktivität zu Beginn der Klammerausdrücke ergeben sich aus den Maschinengleichungen für Asynchronmotoren. Die Stromkomponenten in der flußbildenden und in der momentenbildenden Richtung werden durch Projektion des Stromvektors i auf einen Rotorflussvektor ψ_r ermittelt.

Gemäß noch einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass nach dem zweiten Berechnungsverfahren das Drehmoment aus einer Gleichung

ermittelt wird, wobei

z_P: die Polpaarzahl des Asynchronmotors,
ψ_r: der Raumzeiger des Rotorflusses und
i_r: der Raumzeiger des auf die Statorseite transformierten Rotorstroms ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Raumzeiger des auf die Statorseite transformierten Rotorstromes anhand einer Gleichung

ermittelt wird, wobei

L_m: die Koppelinduktivität,
L_s: die Statorinduktivität,
L_r: die Rotorinduktivität,
σ: eine Streuziffer,
ω: die Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle und
i_m: der Querstromzeiger ist.

Vorteilhafterweise wird der Querstromzeiger anhand einer Integration einer Gleichung

ermittelt, wobei
R_s der Statorwiderstand und

und

die aus den Strangspannungen u_su, u_sv, u_sw und Strangströmen i_su, i_sv, i_sw gebildeten Raumzeiger sind.

Vorzugsweise wird der Raumzeiger ψ_r des Rotorflusses anhand einer Gleichung

ermittelt.

Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von der Elektrolenkung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass die Elektrolenkung Mittel zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens während des Betriebs der Elektrolenkung aufweist.

Zeichnungen
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Es zeigen:
1 vereinfachtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektrolenkung;
2 ein Ausführungsbeispiel eines Lenkmoduls der erfindungsgemäßen Elektrolenkung gemäß 1;
3 einen Block "sichere Momentberechnung" des Lenkmoduls aus 2;
4 ein erstes Berechnungsverfahren zum Ermitteln des von einem Asynchronelektromotor des Lenkmoduls aus 2 aufgebrachten Drehmoments; und
5 ein zweites Berechnungsverfahren zum Ermitteln des von dem Asynchronelektromotor aus 2 abgegebenen Drehmoments.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Im Folgenden wird ohne Einschränkung der Allgemeingültigkeit eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Elektrolenkungen ohne eine mechanische Verbindung zwischen einer Lenkhandhabe und gelenkten Rädern eines Kraftfahrzeugs beschrieben. Eine solche Elektrolenkung ist auch unter der Bezeichnung Steer-by-Wire-Lenkung bekannt. In 1 ist ein stark vereinfachtes Beispiel einer Elektrolenkung dargestellt. Ein Fahrer 1 gibt an einer als Lenkrad ausgebildeten Lenkhandhabe einen Lenkradwinkel δ_Lenkrad vor und erhält von einem Lenkradmodul 2 eine Rückmeldung in Form eines Drehmoments M_Lenkrad Das Lenkradmodul 2 berechnet mit Hilfe nicht näher beschriebener Algorithmen einen Sollwert δ_Rad,soll für den Lenkwinkel δ_Rad. Ein Lenkmodul 3 stellt den in Abhängigkeit von dem Sollwert δ_Rad,soll einen Lenkwinkel δ_Rad,ist ein und meldet das hierzu erforderliche Aktuatormoment M_ist an das Lenkradmodul 2 zurück.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Lenkmoduls 3 aus 1 ist in 2 dargestellt. Das Lenkmodul 3 umfasst eine Positionsregelung 4, die den Lenkwinkel δ_Rad,ist mit Hilfe einer unterlagerten Stromregelung 5 regelt. Ein Lenkaktuator wird von einem Asynchronelektromotor 6 angetrieben. In einem Block 7 wird eine "sichere Momentbestimmung" ausgeführt, wobei aus elektrischen Größen i,u des Asynchronmotors 6 sowie aus der Drehzahl ω einer Antriebswelle des Asynchronmotors 6 ein aktuell von dem Asynchronmotor 6 abgegebenes Drehmoment M_ist ermittelt wird. Falls während der Ermittlung des Drehmoments M_ist Fehler festgestellt werden oder falls das ermittelte Drehmoment M_ist nicht mit dem Sollmoment M_soll übereinstimmt, bzw. unzulässig hohe Abweichungen zwischen dem Drehmoment M_ist und dem Sollmoment M_soll auftreten, wird einem übergeordneten System ein Fehler gemeldet. Der Vergleich des ermittelten Drehmoments M_ist mit dem Sollmoment M_soll wird in einem Vergleicher 8 ausgeführt. Die Fehlermeldung erfolgt über ein Fehlersignal ERR, das an das übergeordnete System übermittelt wird. Das übergeordnete System leitet dann Gegenmaßnahmen ein, bspw. die Aktivierung einer Rückfallebene.
Im Folgenden wird der Block 7 "sichere Momentbestimmung" näher beschrieben. Der Block 7 umfasst, wie in 3 dargestellt, zwei unterschiedliche Berechnungsverfahren (Blöcke 9 und 10) nach denen das von dem Asynchronmotor 6 aufgebrachte Drehmoment M_ist berechnet wird. In einem Vergleicher 11 werden die Ergebnisse M₁, M₂ der beiden Berechnungsverfahren 9, 10 miteinander verglichen. Falls beide Berechnungsverfahren 9, 10 zu demselben Ergebnis M₁ = M₂ kommen, wird das ermittelte Moment M_ist = M₁ = M₂ als richtig betrachtet und an das Lenkradmodul 2 der Elektrolenkung übergeben. Anderenfalls wird dem übergeordneten System ein Fehler mitgeteilt.
In einem Block 12 wird im Rahmen der "sicheren Momentbestimmung" die Summe aller Strangströme i_s gebildet. Wegen der Kirchoff'schen Knotenregel muss die Summe gleich Null sein. Wird diese Bedingung verletzt, liegt ein Fehler der Strommessung vor, bspw. ein Kurzschluss zwischen der Wicklung und dem Gehäuse des Asynchronmotors 6, und ein Fehlersignal ERR wird an das übergeordnete System ausgegeben.
In 4 ist ein Signalflussplan des ersten Berechnungsverfahrens dargestellt. Das erste Berechnungsverfahren verwendet als Eingangsgrößen den Stromvektor i und die Drehzahl ω der Antriebswelle des Asynchronmotors 6. Das erste Berechnungsverfahren basiert auf der Projektion des Stromvektors i auf einem Rotorflussvektor ψ_r. Hieraus erhält man das innere Moment m_m und nach Abzug eines zur Beschleunigung der drehenden Massen benötigten Moments das an der Antriebswelle des Asynchronmotors 6 anliegende Wellenmoment M_w. Alternativ zu der in 4 dargestellten Auswertung aller drei Strangströme i_su, i_sv, i_sw können wegen der Kirchoff'schen Knotenregel auch lediglich zwei Strangströme gemessen und der dritte berechnet werden.
Im Einzelnen wird in einem Block 13 aus den einzelnen Strangströmen i_su, i_sv, i_sw der Stromvektor i in vektorieller Weise dargestellt mit den beiden Stromkomponenten i_sα, i_sβ. Die Projektion des Stromvektors i auf den Rotorflussvektor ψ_r erfolgt in einem Block 14 und besteht im Wesentlichen aus einer weiteren Koordinatentransformation. Am Ausgang des Blocks 14 ist der Stromvektor i aufgeteilt in eine Stromkomponente i_sd in flussbildender Richtung und in eine Stromkomponente i_sq in momentenbildender Richtung. Die Stromkomponente i_sd und die Stromkomponente i_sq werden in Blöcken 15, 16 mit Gleichungen multipliziert, die sich aus den Maschinengleichungen für Asynchronmotoren ergeben. Die Multiplikation der beiden Faktoren in einem Block 17 ergibt das innere Moment m_m. In einem Block 18 wird das zur Beschleunigung der drehenden Massen benötigte Moment aus J dω/dt berechnet, wobei J das Rotorträgheitsmoment des Asynchronmotors 6 darstellt.
Das zweite Berechnungsverfahren 10, das in 5 dargestellt ist, beruht auf Spannungsgleichungen eines Asynchronmotors mit Käfigläufer, wie sie bspw. in Quang, Nguyen Phung; Dietrich, Jörg-Andreas: Praxis der feldorientierten Drehstromantriebsregelungen, Expert-Verlag, 1999, beschrieben sind. Diese Spannungsgleichungen sind in Block 19 und in Block 20 angegeben. Die Strangspannung u_s wird gemessen. Der Strangstrom i_s wird in einem Block 21 an Hand der gemessenen Strangströme i_su, i_sv, i_sw berechnet. Durch Integration der in Block 19 angegebenen Spannungsgleichung erhält man einen Raumzeiger für den Querstrom i_m. Die Integration selbst ist hier nicht näher beschrieben, erwähnt sei aber, dass ein Startwert für die Integration mit Hilfe bekannter Ersatzschaltbilder (vgl. bspw. Leonhard, Werner: Control of Electrical Drives, Springer-Verlag, 1997) für Asynchronmotoren im stationären Zustand gewonnnen werden kann.
Durch Einsetzen von i_m in die in Block 20 angegebene Gleichung kann ein Raumzeiger eines auf die Statorseite transformierten Rotorstroms i_r ermittelt werden. Für den Querstrom i_m gilt ein in Block 22 angegebener Zusammenhang. Durch Einsetzen von i_m und i_r in die in Block 22 angegebene Gleichung kann der Raumzeiger des Rotorflusses ψ_r ermittelt werden. In einem Block 23 wird ein konjugiert komplexer Wert i_r* des Unterstroms i_r berechnet.
In einem Block 2 wird dann der Imaginärteil des Produkts aus Rotorfluss ψ_r und konjugiert komplexem Rotorstrom i_r* ermittelt. Dieser Imaginärteil wird dann in Block 25 mit einem Faktor –3/2 und der Polpaarzahl z_P des Asynchronmotors 6 multipliziert und man erhält das innere Moment m_m des Asynchronmotors 6. Zum Ermitteln des von der Antriebswelle des Asynchronmotors 6 abgegebenen Drehmoments M₂ muss das Moment zur Beschleunigung der sich drehenden Massen abgezogen werden.
Auch zur Momentenbestimmung nach dem zweiten Berechnungsverfahren wäre die Verwendung nur eines Eingangsvektors, nämlich der Strangspannung u_s oder des Strangstroms i_s, ausreichend, da die oben angegebenen Gleichungen derart umgeformt werden können, dass entweder die Strangspannung u_s oder der Strangstrom i_s eliminiert werden. Die Redundanz bei dem zweiten Berechnungsverfahren hat aber den Vorteil, dass auch Wicklungsfehler des Asynchronmotors 6, bspw. ein Kurzschluss einzelner Windungen, erkannt werden können. Dies geschieht dadurch, dass in diesem Fall die Ströme im und i_r und damit das Drehmoment M₂ falsch berechnet werden. Es entsteht eine Diskrezpanz zwischen dem nach dem ersten Berechnungsverfahren ermittelten Drehmoment M₁ und dem nach dem zweiten Berechnungsverfahren ermittelten Drehmoment M₂, die zu einer Fehlererkennung führt.
Als zusätzliche Fehlererkennung bietet es sich an, den Zusammenhang zwischen den Raumzeigern der Strangspannung u_s und den Strangstroms i_s und damit die Klemmenimpedanz zu überwachen. Bei wahlgeeigneter Grenzen kann so ein Wicklungsfehler des Asynchronmotors erkannt werden.
Eine Plausibilisierung eines üblicherweise zur Drehzahlmessung der Antriebswelle eingesetzten Drehwinkelgebers, bspw. eines Inkrementalgebers, kann durch einen Vergleich mit dem von einem Lenkwinkelgeber der Elektrolenkung gelieferten Werten erfolgen.
Die beschriebenen Berechnungsverfahren zur Ermittlung des Drehmoments M_ist beruhen auf der Kenntnis der Parameter des Asynchronmotors 6, insbesondere des Rotorträgheitsmoments J, der Rotorzeitkonstante T_r = L_r/R_r und der Koppelinduktivität L_m. Während das Rotorträgheitsmoment J hinreichend genau berechnet werden kann und sich auch während des Betriebs des Asynchronmotors 6 nicht ändert, ist die Bestimmung der Rotorzeitkonstante T_r und der Koppelinduktivität L_m etwas aufwendiger. Zum einen ist der Rotorwiderstand R_r wegen der im Betrieb auftretenden Erwärmung des Rotors großen Schwankungen unterworfen. Zum anderen sind die in der Berechnung verwendeten Induktivitäten wegen Sättigungserscheinungen des magnetischen Kreises bei hoch ausgenutzten Asynchronmotoren vom Betriebszustand abhängig. Ein Nachführen dieser Parameter T_r und L_m ist deshalb für die sichere Momentenermittlung erforderlich.

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines von einem Asynchronelektromotor (6) aufgebrachten und an einer Antriebswelle des Asynchronelektromotors (6) anliegenden Drehmoments (M_ist), wobei das Drehmoment (Mist) anhand der Drehzahl (ω) der Antriebswelle und mindestens einer elektrischen Größe des Asynchronmotors (6) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment (M_ist) nach zwei unterschiedlichen Berechnungsverfahren (9, 10) berechnet wird und das ermittelte Drehmoment (M_ist) in Abhängigkeit von den Ergebnissen (M₁, M₂) der beiden Berechnungsverfahren (9, 10) ausgegeben wird, wobei die Ergebnisse (M₁, M₂) der beiden Berechnungsverfahren (9, 10) miteinander verglichen werden und das Ergebnis (M₁; M₂) mindestens eines der Berechnungsverfahren (9, 10) als das ermittelte Drehmoment (M_ist) ausgegeben wird, falls der Betrag der Differenz der Ergebnisse (M₁, M₂) der beiden Berechnungsverfahren (9, 10) unterhalb eines ersten vorgebbaren Schwellenwerts liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Größen eine an dem Asynchronmotor (6) anliegende Spannung (u_s) und/oder ein Strom (i_s) des Asynchronmotors (6) herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Stroms (i_s) zwei Strangströme (i_su, i_sv, i_sw) gemessen werden und der dritte Strangstrom (i_su, i_sv, i_sw) aus den anderen beiden Strangströmen (i_su, i_sv, i_sw) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fehler diagnostiziert wird, falls der Betrag der Differenz der Ergebnisse (M₁, M₂) der beiden Berechnungsverfahren (9, 10) oberhalb des ersten Schwellenwerts liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strangströme (i_su, i_sv, i_sw) des Asynchronmotors (6) gemessen werden und ein Fehler diagnostiziert wird, falls die Summe der Strangströme (i_su, i_sv, i_sw) einen zweiten vorgebbaren Schwellenwert übersteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz an den Anschlüssen des Asynchronmotors (6) überwacht und ein Fehler diagnostiziert wird, falls die Anschlussimpedanz einen dritten vorgebbaren Schwellenwert übersteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das das von dem Asynchronmotor (6) aufgebrachte Drehmoment (M) auf ein Soll-Drehmoment (M_soll) des Asynchronmotors (6) geregelt wird, wobei das ermittelte Drehmoment (M_ist) und das Soll-Drehmoment (M_soll) miteinander verglichen werden (8) und ein Fehler diagnostiziert wird, falls der Betrag der Differenz des ermittelten Drehmoments (M_ist) und des Soll-Drehmoments (M_soll) einen vierten vorgebbaren Schwellenwert übersteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einer Elektrolenkung ohne mechanische Verbindung zwischen Lenkhandhabe und gelenkten Rädern eines Kraftfahrzeugs eingesetzt wird, wobei der Asynchronelektromotor (6) als ein elektrischer Lenkaktuator für die gelenkten Räder ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangssignal eines Drehwinkelgebers der Antriebswelle des Asynchronmotors (6) mit einem Ausgangssignal eines Lenkwinkelgebers der gelenkten Räder verglichen und ein Fehler diagnostiziert wird, falls der Betrag der Differenz des Ausgangssignals des Drehwinkelgebers und des Ausgangssignals des Lenkwinkelgebers einen fünften vorgebbaren Schwellenwert übersteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem ersten Berechnungsverfahren (9) das Drehmoment (M_ist) aus einer Gleichung
ermittelt wird, wobei m_M das innere Moment und J das Rotorträgheitsmoment ist, und das innere Moment m_M anhand Gleichung
ermittelt wird, wobei L_m die Koppelinduktivität, L_r die Rotorinduktivität, T_r die Rotorzeitkonstante L_r/R_r, i_sd die Stromkomponente in flussbildender Richtung und i_sq die Stromkomponente in momentenbildender Richtung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem zweiten Berechnungsverfahren (10) das Drehmoment (M_ist) aus einer Gleichung
ermittelt wird, wobei m_M das innere Moment und J das Rotorträgheitsmoment ist, und das innere Moment m_M anhand Gleichung
ermittelt wird, wobei z_P die Polpaarzahl des Asynchronmotors (6), Ψ_r der Raumzeiger des Rotorflusses und i_r der Raumzeiger des auf die Statorseite transformierten Rotorstroms ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Raumzeiger des auf die Statorseite transformierten Rotorstromes (i_r) anhand einer Gleichung
ermittelt wird, wobei L_m die Koppelinduktivität, L_s die Statorinduktivität, L_r die Rotorinduktivität, σ eine Streuziffer, ω die Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle und im der Querstromzeiger ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Querstromzeiger im anhand einer Integration einer Gleichung
ermittelt wird, wobei R_s der Statorwiderstand und
und
die aus den Strangspannungen (i_su, i_sv, i_sw) und Strangströmen (i_su, i_sv, i_sw) gebildeten Raumzeiger sind.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Raumzeiger des Rotorflusses (Ψ_r) anhand einer Gleichung
ermittelt wird.
Elektrolenkung für ein Kraftfahrzeug, wobei die Elektrolenkung einen als Asynchronelektromotor (6) ausgebildeten elektrischen Lenkaktuator zum Verstellen des Lenkwinkels von gelenkten Rädern des Kraftfahrzeugs aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolenkung Mittel zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 während des Betriebs der Elektrolenkung aufweist.