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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur fehlertoleranten
Steuerung einer mehrphasigen, geschalteten Reluktanzmaschine, insbesondere
eines als Antrieb einer elektrischen Lenkhilfe eines Kraftfahrzeuges
dienenden, mehrphasigen, geschalteten Reluktanzmotors, nach dem Oberbegriff
der Ansprüche
1 und 6. Eine derartige fehlertolerante, geschaltete Reluktanzmaschine
ist aus der
DE 40 08
606 A bekannt, wobei zur Erzielung eines fehlertoleranten
Betriebs Gebrauch gemacht wird von der charakteristischen Unabhängigkeit
der Phasenwicklungen von Reluktanzmaschinen. Auf Grund ihrer Bauform
besitzen diese Maschinen die Fähigkeit,
mit einem Minimum an Leistungsverschlechterung trotz Windungs- oder
Wechselrichterfehlern weiterhin zu arbeiten. Die beim Einsatz anderer
Elektromotoren für
sicherheitskritische Antriebe übliche
Maßnahme
der Verwendung von zwei gemeinsam auf eine Welle arbeitenden Maschinen kann
hierbei entfallen. Diese Druckschrift offenbart weiterhin einen
Reluktanzmotor, bei dem die Wicklungen eines Ständerpolpaares nicht in Reihe
geschaltet sind sondern einzeln durch je einen separaten unabhängigen Wechselrichterphasenzweig
erregt werden. Zur Erhöhung
der Betriebssicherheit kann dabei weiterhin vorgesehen werden, dass
jeder Wechselrichter durch eine separate Gleichstromquelle gespeist
wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur fehlertoleranten Steuerung einer mehrphasigen, geschalteten
Reluktanzmaschine anzugeben, welche durch eine gegenüber dem
Stand der Technik noch verbesserte Fehlertoleranz für Anwendungen
geeignet ist, bei denen ein Höchstmaß an Betriebssicherheit
gefordert wird, wie es beispielsweise bei der elektrischen Lenkhilfe
eines Kraftfahrzeuges der Fall ist. Diese Aufgabe wird gelöst mit den
kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 6. Durch die Verwendung
wenigstens zweier, unabhängig
voneinander arbeitender und sich gegenseitig überwachender Anordnungen für die Erfassung
der Rotorposition erreicht man, dass die Statorwicklungen auch bei
auftretenden Fehlern in einem Erfassungssystem weiterhin optimal
angesteuert werden, wodurch ein hohes Maß an Betriebssicherheit erreicht
wird. Hierbei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn wenigstens
eine der Anordnungen zur Erfassung der Rotorposition hardwaremäßig ausgeführt wird,
beispielsweise in der Form eines mechanischen, mit der Rotorwelle
gekoppelten Lagegebers. Im Zusammenwirken mit einem derartigen mechanischen
Lagegeber ist es dann zweckmäßig, wenigstens
eine weitere Anordnung zur Erfassung der Rotorposition sensorlos
als Software-Drehwinkelgeber
zu gestalten, welche die Rotorposition aus den Phasenströmen der
Statorwicklungen ermittelt. Bei Verwendung derart technisch unterschiedlicher
Vorrichtungen zur Erfassung der Rotorposition der Reluktanzmaschine
ist auch die Wahrscheinlichkeit verringert, dass beide Lagegeber gleichzeitig
ausfallen oder Fehlanzeigen liefern.
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Ein
besonders vorteilhaftes Verfahren und eine zugehörige vorteilhafte Vorrichtung
zur fehlertoleranten Steuerung einer mehrphasigen, geschalteten
Reluktanzmaschine erreicht man dadurch, dass zwei unabhängige Software-Drehwinkelgeber
und ein Hardware-Drehwinkelgeber im Sinne einer gegenseitigen Überwachung
auf korrekte Erfassung der Rotorposition miteinander gekoppelt werden,
wobei mittels der drei Anordnungen beim Ausfall eines Winkelsensors
immer noch eine Zwei-aus-drei- Entscheidung über die
korrekte Rotorposition getroffen werden kann, wodurch die Sicherheit
einer korrekten Messung weiter erhöht ist. Beim Auftreten unterschiedlicher
Messwerte in allen drei Drehwinkelgebern wird der in der Mitte liegende
Wert für
die Steuerung verwendet.
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Hinsichtlich
der Gestaltung der Reluktanzmaschine hat es sich weiterhin als zweckmäßig erwiesen,
wenn die Wicklungen zweier diametral gegenüberliegender Pole des Stators über getrennte Wechselrichter
bestrombar sind und vorteilhafterweise zusätzlich an getrennte Gleichstromquellen
angeschlossen sind. Hierdurch können
einerseits Fehler in einem einzelnen Wechselrichter und andererseits der
Ausfall einer einzelnen Gleichstromquelle keinen Totalausfall verursachen
und es bleibt zumindest ein eingeschränkter Betrieb der Reluktanzmaschine möglich. Die
Symmetrie der Bestromung der Statorwicklungen einer dreiphasigen
Maschine und deren Drehmomentverteilung kann beim Ausfall eines Wechselrichters
oder einer Gleichstromquelle vorteilhafterweise dadurch weitgehend
aufrechterhalten werden, dass eine Phase der Stator-Teilwicklungen gegenüber den
Anschlüssen
der benachbarten Phasen hinsichtlich ihres Wickelschemas und Anschlusses
an die Wechselrichter vertauscht wird.
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Weitere
Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus der Beschreibung des Ausführungsbeispiels sowie aus den Unteransprüchen.
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Die
Zeichnung zeigt eine dreiphasige, geschaltete Reluktanzmaschine
mit zwei Polpaaren im Rotor und drei Polpaaren im Stator, wobei
die Wicklungen der Statorpolpaare geteilt sind und über getrennte
Wechselrichter sowie über
getrennte Gleichstromquellen gespeist werden.
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In
der Figur ist ein dreiphasiger, geschalteter Reluktanzmotor mit 10 bezeichnet,
auf dessen Welle 12 ein Rotor 14 angeordnet ist.
Die Überwachung
der Rotorposition erfolgt einerseits durch einen mechanischen Drehwinkelgeber 15,
welcher in bekannter Weise den Drehwinkel der Rotorwelle 12 erfasst.
Die Gestaltung des Drehwinkelgebers ist nicht näher dargestellt. Im Wesentlichen
handelt es sich hierbei um eine mit der Rotorwelle 12 gekoppelte
Gebervorrichtung und eine ortsfeste Empfängervorrichtung, welche als
Einheit dargestellt und mit der Bezugsziffer 15 gekennzeichnet
sind.
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Der
Rotor 14 weist diskrete Polpaare aus jeweils diametral
gegenüberliegenden
Polen 18a und 18b sowie 20a und 20b auf,
welche keine Wicklungen oder Permanentmagnete tragen. Der Stator
des Motors ist mit 16 bezeichnet. Er besitzt drei Statorpolpaare,
bestehend aus den Polen 22a und 22b, 24a und 24b sowie 26a und 26b,
welche jeweils ebenfalls diametral gegenüberliegend mit gleichen Abständen über den
Umfang des Stators 16 verteilt sind. Dabei trägt jeder
Einzelpol des Stators eine getrennte Teilwicklung, und zwar der
Statorpol 22a die Wicklung 28a, der Statorpol 22b die
Wicklung 28b, der Statorpol 24a die Wicklung 30a,
der Statorpol 24b die Wicklung 30b, der Statorpol 26a die
Wicklung 32a und der Statorpol 26b die Wicklung 32b.
Die Teilwicklungen 28a,b; 30a,b und 32a,b
sind im linken Teil der Figur in der Darstellung der Steueranordnung
in gleicher Weise bezeichnet.
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Die
Stromversorgung des Motors erfolgt über zwei Gleichstromquellen 34 und 36,
wobei die Gleichstromquelle 34 eine Spannung von 42 V und die
Gleichstromquelle 36 eine Spannung von 14 V besitzt, jeweils
entsprechend den üblichen
Spannungswerten eines Zweispannungsnetzes in einem Kraftfahrzeug.
Am Eingang der Zwischenkreise zu zwei Wechselrichtern 38 und 40 liegt
je eine Zwischenkreiskapazität 42 und 44,
welche die Zwischenkreise von der jeweiligen Netzinduktivität entkoppelt. Die
Eingangsspannung am Wechselrichter 38 ist mit Ua, die Eingangsspannung
am Wechselrichter 40 mit Ub bezeichnet. Die Wechselrichter 38 und 40 sind
in herkömmlicher
Weise aufgebaut mit Transistoren, vorzugsweise MOSFET-Transistoren,
und jeweils zwei Freilaufdioden für jede der Teilwicklungen 28 bis 32.
Die als Schalter der Wechselrichter 38 und 40 verwendeten
Transistoren und die zugehörigen
Feilaufdioden sind in der Figur nicht mit Bezugszeichen versehen,
weil es sich hierbei um eine gebräuchliche Schaltung handelt.
Die Ansteuerung der Schalter des Wechselrichters 38 erfolgt über einen
Mikrocontroller μC1,
die Ansteuerung des Wechselrichters 40 über einen Mikrocontroller μC2. Den Mikrocontrollern μC1 und μC2 ist jeweils
eine Messfunktion 46 beziehungsweise 48 zugeordnet.
Diese bilden zusammen mit den Mikrocontrollern je einen, von dem
mechanischen Drehwinkelgeber 15 unabhängig arbeitenden sensorlosen
Drehwinkelgeber 64, 66 für die Wechselrichter 38 und 40.
Hierbei werden dem Mikrocontroller μC1 zusätzlich die Eingangsspannung
Ua sowie die einzelnen Phasenströme
durch die Wicklungen 28a, 30a und 32a zugeführt, welche
von Stromwandlern 50, 52 und 54 erfasst
werden. Entsprechend steuert der Mikrocontroller μC2 die Schalter des
Wechselrichters 40 und erhält als Eingangsgrößen für die Ermittlung
der Rotorwinkellage die Eingangsspannung Ub sowie die Phasenströme durch die
Teilwicklungen 28b, 30b und 32b, welche
von Stromwandlern 56,58 und 60 erfasst
werden. Die Drehwinkelgeber 64 und 66 sind im
Folgenden auch als Software-Drehwinkelgeber bezeichnet, weil sie die
Verdrehwinkel des Rotors 14 aus den Wicklungsstromverläufen rechnerisch
ermitteln.
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Die
Ausgänge
der drei Drehwinkelgeber 15, 64 und 66 sind
auf einen Vergleicher 62 geführt, dessen Ausgang wiederum
zu den Mikrocontrollern μC1 und μC2 geführt ist.
Im Betrieb erfolgt in dem Vergleicher 62 eine Überprüfung der
einzelnen Drehwinkelgeber hinsichtlich der korrekten Erfassung der
Rotorposition, wobei aufgrund der drei Eingangsgrößen jeweils
eine Zwei-aus-drei-Entscheidung über
die korrekte Rotorposition getroffen werden kann, da bei einer Störung oder
einem Ausfall eines Drehwinkelgebers die Übereinstimmung der Messwerte
der beiden anderen Drehwinkelgeber die korrekte Position der Rotorwelle
wiedergibt. Bei der Erfassung von drei verschiedenen Werten wird
der mittlere Wert, nicht etwa ein gemittelter Wert, als korrekt
angenommen. Schließlich
sind zur Synchronisation der Ansteuerung der beiden Wechselrichter 38 und 40 die
Mikrocontroller μC1
und μC2
entsprechend der Linie 68 untereinander verbunden. Durch
in Klammer geschriebene Bezugszeichen 30a, 30b soll
dargestellt werden, dass diese beiden Teilwicklungen hinsichtlich
des Anschlusses an einen der beiden Wechselrichter 38 und 40 vertauscht
sind, um beim Ausfall eines Wechselrichters oder einer Gleichstromquelle
einen im Wesentlichen symmetrischen Betrieb auf reduziertem Leistungsniveau
aufrecht zu erhalten.
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Der
im Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellte geschaltete Reluktanzmotor ist dreiphasig
aufgebaut mit drei Paaren diametral gegenüberliegender Statorpole. Die
Zahl der Rotorpole ist, wie üblich,
von der Anzahl der Statorpole verschieden, im Ausführungsbeispiel
weist der Rotor zwei unbewickelte Polpaare auf. Die jeweils mit
a und b bezeichneten Teilwicklungen eines Strangs, die üblicherweise
in Reihe geschaltet sind, werden beim Anmeldungsgegenstand über die
beiden Wechselrichter 38 und 40 getrennt, jedoch
synchron bestromt, so dass die Wirkungsweise dem ungestörten Betrieb
in der herkömmlichen
Wirkungsweise entspricht. Hierbei werden in bekannter Weise durch
die Ströme
in einem Strang an den gegenüberliegenden
Statorpolen Magnetfelder erzeugt, die so lange ein Anzugsmoment
auf die benachbarten Rotorpole ausüben, bis diese den bestromten
Statorpolen gegenüberstehen. Zur
Vermeidung eines Bremsmomentes wird in dieser Lage der Strom über die
Wechselrichter 38 und 40 abgeschaltet. Die Bestromung
der einzelnen Stränge
erfolgt in einer vorbestimmten Reihenfolge und in einer von der
gewünschten
Rotorgeschwindigkeit abhängigen
Stärke
und Dauer, um ein konstantes Drehmoment zu erzeugen. Beim Ausfall
einer Teilwicklung des Stators durch einen Fehler in der Wicklung
oder im zugehörigen
Wechselrichter kann noch ein mittleres Drehmoment in Höhe von etwa
5/6 des ursprünglichen Drehmoments
erzeugt werden, beim Ausfall einer der beiden Gleichstromquellen noch
die Hälfte
des Drehmoments, wobei durch das Vertauschen der Statorwicklungen 30a und 30b eine gleichmäßige Kräfteaufteilung
beibehalten wird. Bei Verwendung von Gleichstromquellen 34 und 36 mit unterschiedlichem
Spannungsniveau müssen
die jeweiligen Wicklungen entsprechend ausgelegt werden, um ein
gleichmäßiges Drehmoment
zu erzeugen.
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Die
zur Kommutierung notwendige Erfassung der Rotorposition erfolgt
mittels der Drehwinkelgeber 15, 64 und 66.
Hierbei werden Drehwinkelgeber unterschiedlicher Bauart kombiniert,
um die Sicherheit der Gesamtanordnung zu erhöhen. Im Ausführungsbeispiel
werden ein mechanischer Drehwinkelgeber 15 und zwei sensorlos
arbeitende Drehwinkelgeber 64 und 66 benützt, welche
in die Steuervorrichtung für
die Wechselrichter integriert sind. Somit ist jedem der beiden unabhängig betriebenen
Wechselrichter 38 und 40 auch jeweils ein eigener
Drehwinkelgeber 64, 66 zugeordnet, so dass bei
einem Fehler in einem elektrischen Pfad der andere elektrische Pfad
mit funktionsfähigem
Software- und mechanischem Lagegeber weiter zur Verfügung steht, so
dass auch in einem solchen Fehlerfall die korrekte Erfassung der
Rotorposition gesichert ist.
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Die
Wirkungsweise sensorloser Drehwinkelgeber für geschaltete Reluktanzmotoren
ist ebenfalls grundsätzlich
bekannt und basiert auf der Erfassung der auftretenden lokalen magnetischen
Sättigungserscheinungen
durch Messung der von der Rotorposition abhängigen Teilwicklungsinduktivitäten. Zur Messung
der Induktivitäten
wird während
einer festgelegten Zeit die Zwischenkreisspannung an die Teilwicklungen 28–30 angelegt.
Nach dieser Zeit wird durch Abschalten der High- und Low-Side-Transistoren der
Wechselrichter 38 und 40 über die Freilaufdioden der
Teilwicklungen 28–32 die
negative Zwischenkreisspannung wirksam. In den Teilwicklungen wird
dadurch ein Stromimpuls erzeugt, dessen Steilheit sowohl in der
ansteigenden wie auch in der abfallenden Flanke in erster Näherung umgekehrt
proportional zur Spuleninduktivität ist. Die Beziehung zwischen
Spuleninduktivität
und Rotorposition ergibt sich aus den geometrischen Eigenschaften
von Stator und Rotor.
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Eine
Vorrichtung zur Bestimmung der Lage des Rotors eines geschalteten
Reluktanzmotors ist auch aus der
US-PS
45 20 302 bekannt. Dort wird von der Erkenntnis Gebrauch
gemacht, dass die Induktivität
einer Phasenwicklung von der Rotorposition abhängt und im Wesentlichen sinusförmig verläuft, wenn
sich der Rotor über
eine Polteilung bewegt. Die Induktivitätsänderung bewirkt dabei eine Änderung
des Phasenstromes, der überwacht
wird, um eine indirekte Anzeige der Rotorposition abzuleiten. Dabei
wird ein bekannter, beispielsweise minimaler Induktivitätswert auf
der Basis der gemessenen Phasenstromänderungen bestimmt und zum Ausschluss
von Unklarheiten hinsichtlich der abgetasteten Position zusätzlich berücksichtigt,
ob die überwachte
Stromflusscharakteristik mit der Veränderung der Rotorposition steigt
oder fällt.
Diese Art der Bestimmung der Rotorposition ist auch in der Veröffentlichung „Detection
of Rotor Position in Stepping and Switched Motors bei Monitoring
of Current Wave Forms",
in IEEE-Transactions on Industrial Electronics, Band IE-32, Nr.3, August
1985, auf den Seiten 215-222 offenbart.
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Aus
der
DE 38 36 240 C2 ist
eine weitere Einrichtung zur sensorlosen Bestimmung des momentanen
Rotorpositionswinkels in einem geschalteten Reluktanzmotor bekannt.
Hierbei sind in den drei Phasen des Reluktanzmotors Stromsensoren
angeordnet, deren Signale über
Analog/Digital-Wandler umgeformt und einer Steuerlogik zugeführt werden. Diese
erhält
außerdem
ebenfalls über
einen Analog/Digital-Wandler die Information über die Höhe der Zwischenkreis-Gleichspannung.
Aus diesen Messdaten wird dann unter Einbeziehung bekannter, in
der Logik abgelegter Funktionswerte über die errechneten Induktivitätswerte
der jeweilige Rotorwinkel ermittelt. Auch eine derartige bekannte
Anordnung könnte im
Rahmen der vorliegenden Erfindung zur rechnerischen Bestimmung des
Drehwinkels des Rotors eines Reluktanzmotors mittels der sensorlosen
Drehwinkelgeber
64 und
66 benutzt werden.
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Kern
der vorliegenden Erfindung ist die Erreichung einer hohen Betriebssicherheit
beim Einsatz elektrischer Motoren in sicherheitskritischen Anwendungen.
Statt hierbei jedoch zwei auf ein gemeinsames Getriebe wirkende
Elektromotoren zu verwenden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, nur einen
Motor vorzusehen, hierbei jedoch die Rotorpositionsbestimmung sowie
die Ansteuerung des Motors redundant auszulegen, um beim Ausfall
eines Systems auf ein anderes zurückgreifen zu können. Wegen
seines einfachen Aufbaus und wegen der Eigenschaft, im stromlosen
Zustand kein Bremsmoment aufzubringen, sollen hierbei geschaltete
Reluktanzmotoren eingesetzt werden, welche aufgrund der fehlenden
gegenseitigen Beeinflussung der Wicklungen in vorteilhafter Weise
fehlertolerant gestaltet werden können. Für die Erfassung der Rotorposition
wird dabei vorgeschlagen, einen herkömmlichen mechanischen Drehwinkelgeber 15 zu
verwenden und diesen mittels zweier sensorloser, softwaremäßig arbeitender
Drehwinkelgeber zu überwachen.
Eine derartige Schaltungsanordnung stellt logisch einen Verbund
zweier unabhängiger,
geschalteter Reluktanzmotoren dar, wobei die Regelung und die Momenterzeugung
des einen verwendeten Motors fehlertolerant unabhängig voneinander
stattfinden. Die beiden Systeme sind nur über den Rotor 14 der
Reluktanzmaschine 10 gekoppelt. Die Bestimmung der Rotorposition
findet dreifach redundant statt mit gegenseitiger Überwachung
des Ergebnisses, wodurch die Zuverlässigkeit des Antriebs weiter
erhöht
wird und im Fehlerfall ein Betrieb mit reduzierter Funktionalität aufrechterhalten
werden kann.