DE102005045323A1

DE102005045323A1 - Positionssensorstörungstolerante Steuerung für Kraftfahrzeugvortriebssystem

Info

Publication number: DE102005045323A1
Application number: DE102005045323A
Authority: DE
Inventors: Steven E. Torrance Schulz; Sean E. Indianapolis Gleason; Nitinkumar R. Cypress Patel; James M. Cerritos Nagashima; Yu-Seck Jeong; Seung Ki Sul; Michael San Pedro Milani
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-09-23
Filing date: 2005-09-22
Publication date: 2006-04-13
Also published as: CN100446403C; CN1767353A; US7002318B1

Abstract

Ein Steuersystem für einen Motor, der einen Rotor enthält, umfasst ein sensorloses Sensormodul, das ein ausprägungsgestütztes Schätzmodul, das ein erstes Rotorpositionssignal erzeugt, das auf der Ausprägung beruht, und ein Gegenspannungs-Schätzmodul (Gegen-EMK-Schätzmodul), das ein zweites Rotorpositionssignal erzeugt, das auf der Gegen-EMK beruht, enthält. Eine Auswahleinrichtung wählt für Rotordrehzahlen unter einer ersten Rotordrehzahl das erste Rotorpositionssignal und für Rotordrehzahlen über der ersten Rotordrehzahl das zweite Rotorpositionssignal aus. Ein Rotorpositionssensor erfasst eine Position des Rotors und erzeugt ein drittes Rotorpositionssignal. Ein Störungsdetektionsmodul detektiert Störungen in dem Rotorpositionssensor und gibt das dritte Rotorpositionssignal aus, wenn kein Fehler detektiert wird, während es das erste oder zweite Rotorpositionssignal ausgibt, wenn die Störung detektiert wird. Ein indirektes feldorientiertes Steuersystem (IFOC-System) steuert den Motor anhand eines ausgewählten unter dem ersten, zweiten und dritten Rotorpositionssignal.

Description

Die Erfindung betrifft Motoren und insbesondere die Steuerung von Motoren unter Verwendung sensorgestützter und sensorloser Vorgehensweisen.
Elektromotorantriebe verbreiten sich in Kraftfahrzeugsystemen von Jahr zu Jahr weiter. Da Hybrid- und Elektrofahrzeuge beliebter werden, wächst die Menge der Kraftfahrzeug-Wechselstrom-Antriebssysteme im Gebiet schnell. Sie können entweder in Elektro- oder in Hybridfahrzeugen als Teil des Vortriebssystems verwendet werden. In einer typischen Anwendung erfordert der Motorantrieb eine Positions- oder Drehzahlsensorvorrichtung, um den Motor richtig zu steuern. Störungstoleranz und Robustheit sind wichtige Merkmale, um den problemlosen Betrieb des Fahrzeugs sicherzustellen. Die Störung des Positions/Drehzahl-Sensors veranlasst in einem typischen Antriebssystem eine Störung mit Verlust des Vortriebs. Dies würde den Fahrer ohne Mittel, das Fahrzeug zu bewegen, seinem Schicksal überlassen.
Die meisten Störungsdetektions- und Störungstoleranz-Vorgehensweisen konzentrieren sich auf Störungen von Leistungshalbleitern in einem Wechselrichter und von Motorwicklungen. In einer Vorgehensweise werden Sensorstörungen eines Induktionsmotor-Antriebssystems identifiziert, wobei das Steuersystem gemäß der spezifischen Störung des Sensors rekonfiguriert wird. Das Steuersystem toleriert die Störungen, indem es den Steueralgorithmus von einer indirekten Hochleistungs-Vektorsteuerung zu einer einfachen Volt/Herz-Steuerung (V/Hz-Steuerung) ändert. Im Ergeb nis liefert das Traktionssystem des Fahrzeugs gemäß den Störungen eine kontrolliert verringerte Leistung.

In "Fault Tolerant Operation of Induction Motor Drives With Automatic Controller Reconfiguration", Sepe, R.B., Jr., Fahimi, B., Morrison, C., und Miller, J.M., Electric Machines and Drives Conference, 2001, IEMDC 2001, IEEE International, 2001, S. 156-162, ist ein störungstolerantes Antriebssystem für asynchrone Induktionsmaschinen in Kraftfahrzeuganwendungen beschrieben. Zur Schaffung der Störungstoleranz wird ein rekonfigurierbares Steuersystem verwendet. Die Steuerung kann in einer von 3 Betriebsarten arbeiten: sensorgestützte indirekte feldorientierte Steuerungen (IFOC); rotorflussschätzungsgestützte (sensorlose) IFOC und eine skalare V/Hz-Betriebsart.

Der Betrieb der Positions/Drehzahl-Abtastvorrichtung wird überwacht. Positions/Drehzahl-Sensoren verursachen allgemein hohe Kosten und haben eine geringe Zuverlässigkeit. Der Positionssensor zeigt eine Einzelpunktstörung, die einen Vortriebsverlust veranlassen kann. Im Fall einer Sensorstörung schaltet das Steuersystem auf eine rotorflussschätzungsgestützte (sensorlose) IFOC um. Die rotorflussschätzungsgestützte IFOC besitzt bei niedrigen Drehzahlen Beschränkungen. Somit schaltet das Steuersystem bei niedrigen Drehzahlen zur minderwertigen skalaren V/Hz-Steuerung um. Im Vergleich zu IFOC-Steuerungen leidet die Steuerketten-V/Hz-Steuerung an schlechter Leistung.

Ein Steuersystem für einen Motor, der einen Rotor enthält, umfasst ein sensorloses Sensormodul, das ein erstes Schätzmodul, das anhand einer ersten sensorlosen Vorgehensweise ein erstes Rotorpositionssignal erzeugt, und ein zweites Schätzmodul, das anhand einer zweiten sensorlosen Vorgehensweise ein zweites Rotorpositionssignal erzeugt, enthält. Eine Auswahleinrichtung wählt für Rotordrehzahlen unter einer ersten Rotordrehzahl das erste Rotorpositionssignal aus, während sie für Rotordrehzahlen über der ersten Rotordrehzahl das zweite Rotorpositionssignal auswählt. Ein Rotorpositionssensor erfasst eine Position des Rotors und erzeugt ein drittes Rotorpositionssignal. Ein Störungsdetektionsmodul erfasst Störungen in dem Rotorpositionssensor und gibt das dritte Rotorpositionssignal aus, wenn keine Störung detektiert wird, während es das erste oder zweite Rotorpositionssignal ausgibt, wenn die Störung detektiert wird.

In weiteren Merkmalen steuert ein indirektes feldorientiertes Steuersystem (IFOC-System) den Motor anhand eines ausgewählten unter dem ersten, zweiten und dritten Rotorpositionssignal.

In weiteren Merkmalen vergleicht das Störungsdetektionsmodul das dritte Rotorpositionssignal mit dem ersten oder zweiten Rotorpositionssignal und erfasst anhand des Vergleichs die Störung. Das Störungsdetektionsmodul erzeugt eine Differenz zwischen dem dritten Rotorpositionssignal und dem ersten oder zweiten Rotorpositionssignal, vergleicht die Differenz mit einem Schwellenwert und erzeugt die Störungsangabe, falls die Differenz größer als ein erster Schwellenwert ist.

In nochmals weiteren Merkmalen ist die erste sensorlose Vorgehensweise eine ausprägungsgestützte Vorgehensweise, während die zweite sensorlose Vorgehensweise eine Gegenspannungs-Vorgehensweise (Gegen-EMK-Vorgehensweise) ist.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigt:
1 ein Prinzipschaltbild eines beispielhaften IPMM-Antriebssystems und beispielhafter IPMM-Sensoren;
2 einen Steuerblockschaltplan eines IPMM-Antriebs;
3 eine graphische Darstellung eines positionssensorlosen Neustarts des IPMM im Fall einer Codierer/ Drehmelder-Störung, während die Maschine läuft;
4 einen Stromlaufplan einer Wechselrichterschaltung und von IPMM-Wicklungen;
5 eine Ersatzschaltung für den Betrieb bei blockierter c-Phase;
6 graphische Darstellungen des gemessenen Stroms für den Betrieb bei blockierter c-Phase;
7A-7C Testschaltungen für die Störungsdetektion von Stromsensoren für die Phasen a und b, b und c bzw. c und a;
8 eine Trajektorie eines Stromfehlers in dem synchronen Bezugssystem;
9 einen Steuerblockschaltplan für einen Regelkreis-Beobachter mit einer Sensorverstärkungsmatrix;
10A, 10B graphische Darstellungen des Stromschätzung und -regelung mit dem Beobachter im Fall von Sensorstörungen für eine Steuerkette ohne Stromsensor bzw. für einen Regelkreis mit einem einzigen Stromsensor;
11 einen Funktionsblockschaltplan eines Störungsdetektionsmoduls, das Sensorstörungen erfasst und auf ein sensorloses Positionsschätzmodul umschaltet;
12 einen Funktionsblockschaltplan des Störungsdetektionsmoduls gemäß einigen Ausführungsformen, und
13 einen Funktionsblockschaltplan eines sensorlosen Positionsschätzmoduls gemäß einigen Ausführungsformen.
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen in keiner Weise einschränken. Aus Klarheitsgründen werden in den Zeichnungen zur Identifizierung ähnlicher Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet. Der Begriff Modul und/oder Vorrichtung wird hier so verwendet, dass er sich auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), auf eine elektronische Schaltung, auf einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und auf einen Speicher, die eines oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführen, auf eine kombinatorische Logikschaltung oder auf andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen, bezieht.
Die Erfindung schaltet bei Detektion eines Positions/Drehzahl-Sensorfehlers auf einen sensorlosen Motorsteueralgorithmus um, um wenigstens einen Mindestbetrag an Vortriebsdrehmoment aufrechtzuerhalten. Ein sensorloses Positionsschätzmodul verwendet bei niedrigen Drehzahlen eine ausprägungsgestützte (saliency-based) Technik und bei hohen Drehzahlen eine Gegen-EMK-gestützte Technik. Mit dieser Kombination ist die sensorlose Positionsschätzeinrichtung bei allen Motordrehzahlen einschließlich der Statorfrequenz null gültig.
In 1 ist nun ein Antriebssystem 10 gezeigt, das einen Motor 14 und Sensoren enthält. Die Rotorposition wird durch einen Absolutcodierer oder durch einen Drehmelder 18 gemessen, während die Statorströme (a-Phase und b-Phase) durch zwei Hall-Effekt-Sensoren 22 gemessen werden. Die Gleichstromzwischenkreisspannung wird durch einen isolierten Wandler 26 gemessen. Es wird angenommen, dass das Antriebssystem 10 mit einer positionssensorgestützten Steuerung mit maximalem Drehmoment pro Ampere in Betrieb ist.
In 2 ist nun ein Steuerblockschaltplan gezeigt, in dem für die Stromregelung in dem synchron rotierenden Bezugssystem eine Proportional-Integral-Steuereinheit (PI-Steuereinheit) mit Gegen-EMK-Entkopplungstermen verwendet wird. Wegen der Entkopplungsstörung der d- und der q-Achsen-Stromsteuereinheit können die Störungen eines Rotorpositionssensors unter der Schwerlast- oder Hochgeschwindigkeits-Betriebsbedingung zu einer sofortigen Überstromauslösung des Antriebssystems 10 führen. Unter einer Niederlast- und Niederdrehzahlbedingung wird die Linearität des Drehmoments nicht aufrechterhalten, wobei die Störungen schließlich zu einer Überstromauslösung führen.
Um die Störung des Winkelsensors 18 zu detektieren, wird ein sensorloses Steuersystem für die Rotorwinkelschätzung verwendet. Falls die Differenz zwischen dem gemessenen und dem geschätzten Winkel größer als ein Schwellenwert ist, wird das Steuersystem auf die sensorlose Steuerung rekonfiguriert. Von der Positionssensor-Decodierungsschaltungsanordnung können zusätzliche Signale zur Bestimmung der Gültigkeit des gemessenen Positionssignals verfügbar sein. Diese zusätzlichen Signale können außerdem verwendet werden, um den Störungsstatus des Winkelsensors zu bestimmen.
Im Fall eines Niederdrehzahlbetriebs einschließlich des Anfahrens, wo die Gegen-EMK zu klein ist, um die genaue Rotorposition zu geben, kann das Hochfrequenz-Injektionsverfahren verwendet werden. Die Leistung eines sensorlosen IPMM-Antriebs ist wegen der inhärenten Rotorausprägung (rotor saliency) des IPMM der eines sensorgestützten vergleichbar. Bei richtigem Entwurf des Übergangsalgorithmus kann entweder im Niederdrehzahlbetrieb oder im Hochdrehzahlbetrieb des IPMM der nahtlose Übergang von der sensorgestützten Steuerung zur positionssensorlosen Steuerung erreicht werden.
Im Hochdrehzahlbetrieb mit großer Trägheit, wie er in einem Fahrzeugantrieb üblicherweise der Fall ist, kann ein nahtloser Übergang von der sensorgestützten Steuerung zur sensorlosen Gegen-EMK-gestützten Steuerung vorgenommen werden. Nachdem der Wechselrichter wegen Sensorstörungen ausgelöst wurde und der Phasenstrom null erreicht, kann der Strombefehl in dem synchronen Bezugssystem auf null eingestellt werden und die Gegen-EMK (die Ausgabe des PI-Reglers) geschätzt werden, falls das IPMM wegen der Systemträgheit weiterläuft. Ein sensorloser Steueralgorithmus kann anhand der geschätzten Gegen-EMK starten, ohne das IPMM anzuhalten.
Die Drehmomentänderung während der Anfangsstromregelzeitdauer hängt von der Bandbreite des Stromreglers und von der Motordrehzahl ab.
Das experimentelle Ergebnis ist in 3 gezeigt, wobei die IPMM-Parameter in Tabelle I gezeigt sind TABELLE I IPMM-PARAMETER
Die Störungen eines Gleichstromzwischenkreis-Spannungssensors können durch Vergleich der "gemessenen" Gleichstromzwischenkreisleistung anhand von (1) und der geschätzten Gleichung durch (2) detektiert werden.
wobei PP für Polpaare, T ^_e für das geschätzte Drehmoment durch die IPMM-Parameter und Leitungsströme,
für den geschätzten Eisenverlust, der eine Funktion der Rotordrehzahl und der Leitungsströme ist, und P ^_inverter für den geschätzten Wechselrichterverlust steht.
Bei niedriger Drehzahl und unter der Bedingung leichter Last ist die Detektion schwierig, da die Leistung selbst zu klein ist. Falls die Störung detektiert wird, können die Informationen von dem Sensor ignoriert werden, wobei der Wert der Gleichstromzwischenkreisspannung in den Stromsteuereinrichtungen als ein Nennwert eingestellt werden kann. Der Fehler in den Spannungsinformationen ergibt sich aus falsch abgestimmten Verstärkungen der Stromsteuereinheit. Somit ist es für einen erfolgreichen Betrieb ohne Spannungssensor wichtig, dass die Systemstabilität bei wenigstens ±50 % Änderung der Steuereinheitsverstärkungen und der Vorwärtsregelungsterme wegen Batteriespannungsänderung sichergestellt ist.
Plötzliche schwere Störungen eines Stromsensors führen zu einer Überstromfehlfunktion des Systems. Falls es in der Gate-Ansteuerschaltung kein richtiges Schutzschema gibt, führt es zu irreparablen Störungen von Leistungshalbleitern des Wechselrichters. Die kleinen Störungen wie etwa Verstärkungsdrift und Sensorversatz führen zu Drehmomentpulsationen, die mit der Wechselrichterausgangsfrequenz synchronisiert sind. Während der Versatz- und der Skalierungsfehler zunehmen, verschlechtert sich die Drehmomentregelung. Falls der Versatz und die Verstärkung schließlich über ein bestimmtes Niveau driften, führt dies zu einer Überstromauslösung bei hoher Drehzahl und unter Schwerlastbedingungen. Die Störungen einschließlich des Versatzes und der Verstärkungsdrift können leicht detektiert werden, wenn die Maschine nicht rotiert.
Bei dem in 4 gezeigten System werden zunächst die Auftastsignale zu den c-Phase-Halbleiterschaltern, d. h. s + / c und s c / –, blockiert, wobei die Außenleiterspannung v_ab durch einen PWM-Wechselrichter wie folgt synthetisiert wird: νab = Vmsin(ωt + α) (3)wobei V_m für die Größe der Testspannung, ω für die Kreisfrequenz der Spannung und α für den Anfangsphasenwinkel der Spannung steht. Das System in 4 kann als eine wie in 5 gezeigte Ersatzschaltung ausgedrückt werden. Der im Ergebnis der Spannung (3) in dem Stromkreis fließende Strom kann wie folgt abgeleitet werden:
R_S steht in (4) für die Summe des Wicklungswiderstands des IPMM und des Leitungswiderstands des Leistungshalbleiters. L_ab bezeichnet die Induktivität zwischen einem a-Phase-Anschluss und einem b-Phase-Anschluss des Motors und ist eine Funktion der Rotorposition. Aus (4) ist zu sehen, dass der Einschwingterm durch Einstellen der Spannungsphase gemäß dem Leistungsfaktor der Schaltung unterdrückt werden kann. 6 zeigt die Aufzeichnungen des gemessenen a-Phase- und b-Phase-Stroms zusammen mit der angelegten Bezugsspannung.
Die Induktivität beträgt mehrere hundert μH und ändert sich mit der Rotorposition. Der Widerstand beträgt einschließlich des Widerstands des Leistungshalbleiters etwa 10 mΩ. Die Zeitkonstante der Schaltung beträgt mehrere 10 ms. Allerdings gibt es bei richtiger Einstellung des Anfangphasenwinkels der Bezugsspannung keinen Gleichstromeinschwingvorgang in der Stromkurve. Die Frequenz der Testspannung beträgt 200 Hz und die Dauer fünf Zyklen. Somit dauert der Test nur 25 ms. Falls die Wicklung, der Wechselrichter und die Stromsensoren kein Problem haben, sollten der gemessene a-Phase-Strom und b-Phase-Strom wie in 6 gezeigt die gleiche Größe und das entgegengesetzte Vorzeichen haben. Außerdem sollte der quadratische Mittelwert (RMS-Wert) des Stroms um den Wert des Terms für den stationären Zustand aus (4) liegen. Ferner sollte die Gesamtsumme der Messwerte jedes Phasenstroms wegen des gleich stromfreien Einschwingvorgangs etwa null sein, während es ansonsten im Fall von Stromsensorstörungen oder anderen Störungen in den Wechselrichterleistungsschaltungen oder IPMM-Wicklungen einen erheblichen Versatzfehler geben könnte.
Nachfolgend wird zwischen dem a-Phase-Anschluss und dem b-Phase-Anschluss des Motors eine weitere Testspannung des gleichen Typs wie (3) angelegt und der c-Phase-Anschluss wie in 7A gezeigt mit der b-Phase kurzgeschlossen. Der a-Phase-Strom und der b-Phase-Strom werden gemessen und in einer Speicherkomponente des digitalen Steuersystems gespeichert. Daraufhin wird wie in 7B gezeigt zwischen der b-Phase und der c-Phase und schließlich wie in 7C gezeigt die Spannung angelegt. Wenn der Wechselrichter und die Motorwicklungen gut in Phase sind, sollte die Summe des gespeicherten Phasenstroms zu jedem entsprechenden Zeitpunkt in 7 punktweise null sein.
Falls der gestörte Sensor auf diese Weise detektiert wird, kann der Messwert von ihm ignoriert werden. Falls keiner der Stromsensoren verfügbar ist, werden der d- und der q-Achsen-Strom in dem synchron rotierenden Bezugssystem anhand der geschätzten Ströme geregelt, die durch einen Steuerkettenbeobachter beobachtet werden. Das Statorspannungsmodell des IPMM kann in dem synchron rotierenden Bezugssystem wie folgt ausgedrückt werden.
Der geschätzte Strom des Steuerkettenbeobachters im stationären Zustand nimmt die folgende Form an:
wobei die Zustandsvariablen in Großbuchstaben Gleichstromwerte und die Parameter mit Zirkumflex Schätzwerte sind.
Es wird angemerkt, dass die Schätzfehler unter zwei besonderen Bedingungen stationärer Zustände ein Ergebnis zweier verschiedener Parameter sind. Der Fehler im Stillstand ist proportional zum Statorwiderstand. Der Fehler beim Strom null ist proportional zur Kraftlinienverkettung des Rotormagneten.
Falls einer der Stromsensoren verfügbar ist, kann ein Regelkreisbeobachter verwendet werden, um die Statorströme zu schätzen. Falls angenommen wird, dass die anderen Stromfehler das minus Einhalbfache des abgetasteten sind, kann der Stromfehlervektor mit Einphasenrückkopplung im stationären Bezugsystem wie folgt definiert werden.
wobei i_s der gemessene Strom, i ^_s der geschätzte Strom der entsprechenden Phase und n im Folgenden bei Erfassung der a-Phase null, bei Erfassung der b-Phase eins und bei Erfassung der c-Phase zwei ist. Dies liefert in dem synchron rotierenden Bezugssystem Folgendes.
Wie nun in 8 gezeigt ist, besitzt der Fehlervektor einen zusätzlichen Term, der die gleiche Größe hat, aber in der entgegengesetzten Richtung mit einer Drehzahl 2ω_r rotiert. Diese Erscheinung ist ein Ergebnis unzureichender Strominformationsrückkopplung wegen Einzelsensorstörung. Vom Standpunkt einer Zustandsraumdarstellung aus kann dieser Fehler als eine Zeitveränderungs- und Querkopplungswirkung der Beobachterverstärkungen interpretiert werden, die die folgende Form annimmt.
Somit kann der in 9 gezeigte Beobachter in der vereinheitlichten komplexen Vektorenform analysiert werden. Im Normalbetrieb werden beide Stromsensoren genutzt, wobei die Sensorverstärkungsmatrix die Einheitsmatrix ist. Falls einer der Sensoren gestört ist, wird sie durch die singuläre Matrix in (9) ersetzt. Ferner wird sie zur Nullmatrix, falls der andere versagt, was gleichwertig einem Steuerkettenbeobachter ist.
In 10A zeigt nun das experimentelle Ergebnis ohne Stromsensor die Stromregelung anhand des Steuerkettenbeobachters. Um die Durchführbarkeit des Steuerkettenbeobachters zu zeigen, sind die Beobachterparameter absichtlich falsch abgestimmt. Die Stromregelungsleistung ist schlecht, wobei das Antriebssystem wegen des beträchtlichen Fehlers aber im stationären Zustand mit der verringerten Fähigkeit betrieben werden kann.
In 10B ist nun das Ergebnis mit einem einzigen Stromsensor gezeigt, der auf dem Regelkreisbeobachter beruht, der eine P-Steuereinheit verwendet. Die dynamischen Eigenschaften sind mit der gleichen Größe an Parameterfehlabstimmung im Vergleich zu denen des Steuerkettenfalls verbessert. Allerdings besitzt der gemessene Strom wegen der Beschränkung der Strommessung eine gewisse Welligkeit. Die Welligkeitsfrequenz ist das Doppelte der Motordrehzahl. Falls der Beobachter anstelle der P-Steuereinheit eine PI-Steuereinheit nutzen würde, wäre der Fehler im stationären Zustand null.
Für jede potentielle Sensorstörung sind ein Störungsdetektionsalgorithmus und ein Schema für die Steuerung nach der Störung entwickelt worden. Wie zu sehen ist, ist der Übergang von der Störungsbetriebsart zur Betriebsart nach der Störung problemlos und kontrolliert. Der resultierende Antrieb liefert im Fall einiger Störungen (Gleichspannungssensor und Stromsensor) eine etwas verschlechterte Leistung, ermöglicht in diesen Fällen aber immer noch die wichtige Heimkriechfähigkeit. Zusätzliche Informationen hinsichtlich Stromsensorstörungen sind in der US-Anmeldung Nr. 10/452,817, eingereicht am 2. Juni 2003, zu finden.
Für den Fall einer Positionssensorstörung wird ein sensorloses Rotorpositionsschätzsystem verwendet, um eine Steuerung nach der Störung zu liefern. Um eine Rotorpositionsschätzung bei allen Betriebsdrehzahlen zu erhalten, wird eine Kombination aus ausprägungsgestützter und modellgestützter Positionsschätzung genutzt. Für den Fall einer Gleichstromzwischenkreis-Spannungssensor-Störung werden die geschätzte und die gemessene Gleichstrom-Eingangsleistung verglichen, um eine Sensorfehlfunktion zu detektieren. Es wird die Konstruktion der Stromregler zur Sicherstellung der Stabilität nach der Störung diskutiert. Schließlich wird im Fall einer Stromsensorstörung eine Folge einfacher Tests zur Detektion der Sensorstörung konstruiert. Fehlende Strominformationen werden unter Verwendung eines Zustandsbeobachters zur Schätzung der unbekannten Größen erhalten.
Nunmehr anhand der 11-13 schafft ein Rotorpositions- oder Rotordrehzahl-Sensormodul 100 eine primäre Motorsteuerungs-Rückkopplung. In einigen Ausführungsformen ist das Sensormodul 100 ein Drehmelder oder eine andere ähnliche Vorrichtung. Ein Störungsdetektionsmodul 104 überwacht die Ausgabe des Positions/Drehzahl-Sensormoduls 100 und eines sensorlosen Positionsschätzmoduls 108 und erzeugt wahlweise ein Fehlersignal. Zusätzlich zu oder anstelle dieser Vorgehensweise kann optional ein Störungssignal 109 von dem Positionssensormodul 100 verfügbar sein und durch das Störungsdetektionsmodul 104 genutzt werden. Falls ein Drehmelder verwendet wird, kann er z. B. ein Drehmelder zur digitalen Umsetzerschaltung sein. Der Drehmelder zur digitalen Umsetzerschaltung kann bestimmte Störungen detektieren und Störungssignale erzeugen. Im Fall einer Störung schaltet die Steuerung zu einer sensorlosen Betriebsart um. Das sensorlose Positionsschätzmodul 108 kann irgendeine Art einer sensorlosen Positionsschätzeinrichtung sein. Gleich, ob die Ausgabe des Sensormoduls 100 oder die Ausgabe der sensorlosen Positionsschätzeinrichtung verwendet wird, bleibt die Hauptbetriebsart die feldorientierte Steuerung (FOC).
Die positionssensorlose Motorsteuerung erhält ein akzeptables Niveau an Steuerbarkeit des Motordrehmoments aufrecht. Dies ermöglicht, dass der Fahrer den Betrieb des Fahrzeugs mit verringerter Leistungsfähigkeit fortsetzt, bis es in einer Kundendienststation diagnostiziert werden kann. Diese Betriebsart wird als "sensorlose Heimkriechbetriebsart" bezeichnet. Während 11 mit einem Positionssensor veranschaulicht ist, der typisch für die synchrone Wechselspannungsmaschine verwendet wird, wird die Erfindung auch auf asynchrone Induktionsmaschinen angewendet, die Positionssensoren verwenden.
In 12 ist das Störungsdetektionsmodul 104 gemäß einigen Ausführungsformen gezeigt. θ_r von dem Positions/Drehzahl-Sensormodul 100 wird in einen nicht invertierenden Eingang eines Summierers 120 eingegeben. θ ^_r von dem sensorlosen Positionsschätzmodul 108 wird in einen invertierenden Eingang eingegeben. Eine Ausgabe des Summierers 120 wird in ein Absolutspannungsmodul (ABS-Modul) 124 eingegeben. Eine Ausgabe des Absolutwertmoduls 124 wird in einen invertierenden Eingang eines Komparators 128 eingegeben. In einen nicht invertierenden Eingang des Komparators 128 wird ein Schwellenwert θ_th eingegeben. Die Ausgabe des Komparators 128 wird tief, wenn der Absolutwert der Differenz den Schwellenwert θ_th überschreitet. Wie oben erwähnt wurde, kann zusätzlich zu und/oder anstelle der Vorgehensweise durch das Positionssensormodul das Störungssignal 109 geliefert werden und ebenfalls zum Einstellen des Signals θ_error verwendet werden.
In 13 ist das sensorlose Positionsschätzmodul 108 gemäß einigen Ausführungsformen gezeigt. Die sensorlose Positionsschätzeinrichtung 108 enthält eine ausprägungsgestützte Schätzeinrichtung 140 und eine gegen-EMK-gestützte Schätzeinrichtung 144. Ein Auswahlmodul 148 wählt anhand der Drehzahl eine Ausgabe einer der Schätzeinrichtungen 140 und 144 aus. Eine typische Drehzahl zum Umschalten kann 5-10 % der Nenndrehzahl betragen. Obgleich ausprägungsgestützte und Gegen-EMK-Verfahren gezeigt sind, können andere positionssensorlose Vorgehensweisen verwendet werden.
Die Erfindung schafft Störungstoleranz für Positions/Drehzahl-Sensorstörungen. In Abwesenheit irgendeiner Störung nutzt die Hauptmotorsteuerung die verfügbaren Positions/Drehzahl-Sensorinformationen, wobei die Leistung nicht verschlechtert ist. Unter Sensorstörungsbedingungen verwendet die Steuerung weiter die feldorientierte Steuerung, was gute dynamische Leistung und Drehmomentsteuerung schafft. Die Erfindung funktioniert bis zur Statorfrequenz null.
Zusammengefasst betrifft die Erfindung ein Steuersystem für einen Motor, der einen Rotor enthält, der ein sensorloses Sensormodul umfasst, das ein ausprägungsgestütztes Schätzmodul, das ein erstes Rotorpositionssignal erzeugt, das auf der Ausprägung beruht, und ein Gegenspannungs-Schätzmodul (Gegen-EMK-Schätzmodul), das ein zweites Rotorpositionssignal erzeugt, das auf der Gegen-EMK beruht, enthält. Eine Auswahleinrichtung wählt für Rotordrehzahlen unter einer ersten Rotordrehzahl das erste Rotorpositionssignal und für Rotordrehzahlen über der ersten Rotordrehzahl das zweite Rotorpositionssignal aus. Ein Rotorpositionssensor erfasst eine Position des Rotors und erzeugt ein drittes Rotorpositionssignal. Ein Störungsdetektionsmodul detektiert Störungen in dem Rotorpositionssensor und gibt das dritte Rotorpositionssignal aus, wenn keine Störung detektiert wird, während es das erste oder zweite Rotorpositionssignal ausgibt, wenn die Störung detektiert wird. Ein indirektes feldorientiertes Steuersystem (IFOC-System) steuert den Motor anhand eines ausgewählten unter dem ersten, zweiten und dritten Rotorpositionssignal.

Claims

Steuersystem für einen Motor, der einen Rotor enthält, wobei das Steuersystem umfasst: ein sensorloses Sensormodul, das enthält: ein erstes Schätzmodul, das unter Verwendung einer ersten sensorlosen Vorgehensweise ein erstes Rotorsignal erzeugt; ein zweites Schätzmodul, das unter Verwendung einer zweiten sensorlosen Vorgehensweise ein zweites Rotorsignal erzeugt; und eine Auswahleinrichtung, die für Rotordrehzahlen unter einer ersten Rotordrehzahl das erste Rotorsignal auswählt, während sie für Rotordrehzahlen über der ersten Rotordrehzahl das zweite Rotorsignal auswählt; einen Rotorsensor, der eine Position und/oder Drehzahl des Rotors erfasst und ein drittes Rotorsignal erzeugt; und ein Störungsdetektionsmodul, das Störungen in dem Rotorsensor erfasst und das dritte Rotorsignal ausgibt, wenn keine Störung detektiert wird, während es das erste oder zweite Rotorsignal ausgibt, wenn die Störung detektiert wird.
Steuersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein indirektes feldorientiertes Steuersystem (IFOC-System), das den Motor anhand eines ausgewählten Signals unter dem ersten, zweiten und dritten Rotorsignal steuert.
Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Störungsdetektionsmodul das dritte Rotorsignal mit dem ersten oder zweiten Rotorsignal vergleicht und anhand des Vergleichs die Störung erfasst.
Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Störungsdetektionsmodul eine Differenz zwischen dem dritten Rotorsignal und dem ersten oder zweiten Rotorsignal erzeugt, die Differenz mit einem ersten Schwellenwert vergleicht und die Störungsangabe erzeugt, falls die Differenz größer als ein erster Schwellenwert ist.
Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schätzmodul eine ausprägungsgestützte Vorgehensweise verwendet, um das erste Rotorsignal zu erzeugen, während das zweite Schätzmodul eine Gegenspannungs-Vorgehensweise (Gegen-EMK-Vorgehensweise) verwendet, um das zweite Rotorsignal zu erzeugen.
Steuersystem für einen Motor, der einen Rotor enthält, wobei das Steuersystem umfasst: ein sensorloses Sensormodul, das enthält: ein ausprägungsgestütztes Schätzmodul, das unter Verwendung eines ausprägungsgestützten Zugangs ein erstes Rotorpositionssignal erzeugt; ein Gegenspannungs-Schätzmodul (Gegen-EMK-Schätzmodul), das unter Verwendung einer gegen-EMK-gestützten Vorgehensweise ein zweites Rotorpositionssignal erzeugt; und eine Auswahleinrichtung, die für Rotordrehzahlen unter einer ersten Rotordrehzahl das erste Rotorpositionssignal auswählt, während sie für Rotordrehzahlen über der ersten Rotordrehzahl das zweite Rotorpositionssignal auswählt; einen Rotorpositionssensor, der eine Position des Rotors erfasst und ein drittes Rotorpositionssignal erzeugt; ein Störungsdetektionsmodul, das Störungen in dem Rotorpositionssensor erfasst und das dritte Rotorpositionssignal ausgibt, wenn keine Störung detektiert wird, während es das erste oder zweite Rotorpositionssignal ausgibt, wenn die Störung detektiert wird; und ein indirektes feldorientiertes Steuersystem (IFOC-System), das den Motor anhand eines ausgewählten Signals unter dem ersten, zweiten und dritten Rotorpositionssignal steuert.
Steuersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Störungsdetektionsmodul das dritte Rotorpositionssignal mit dem ersten oder zweiten Rotorpositionssignal vergleicht und anhand des Vergleichs die Störung erfasst.
Steuersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Störungsdetektionsmodul eine Differenz zwischen dem dritten Rotorpositionssignal und dem ersten oder zweiten Rotorpositionssignal erzeugt und die Differenz mit einem Schwellenwert vergleicht.
Steuersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Störungsdetektionsmodul die Störungsangabe erzeugt, falls die Differenz größer als ein erster Schwellenwert ist.
Verfahren zum Steuern eines Motors, der einen Rotor enthält, wobei das Verfahren umfasst: Erzeugen eines ersten Rotorsignals unter Verwendung einer ersten sensorlosen Vorgehensweise; Erzeugen eines zweiten Rotorsignals unter Verwendung einer zweiten sensorlosen Vorgehensweise; Auswählen des ersten Rotorsignals für Rotordrehzahlen unter einer ersten Rotordrehzahl und des zweiten Rotorsignals für Rotordrehzahlen über der ersten Rotordrehzahl; Erfassen einer Position und/oder Drehzahl des Rotors unter Verwendung eines Rotorpositionssensors und Erzeugen eines dritten Rotorsignals; Erfassen von Störungen in dem Rotorpositionssensor; und Auswählen des dritten Rotorsignals, wenn keine Störung detektiert wird, und des ersten oder zweiten Rotorsignals, wenn die Störung detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch die Verwendung einer indirekten feldorientierten Steuervorgehensweise zum Steuern des Motors anhand eines ausgewählten Signals unter dem ersten, zweiten und dritten Rotorsignal.
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Vergleichen des dritten Rotorsignals mit dem ersten oder zweiten Rotorsignal und Erfassen der Störung anhand des Vergleichs.
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Erzeugen einer Differenz zwischen dem dritten Rotorsignal und dem ersten oder zweiten Rotorsignal; Vergleichen der Differenz mit einem Schwellenwert; und Erzeugen der Störungsangabe, falls die Differenz größer als ein erster Schwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rotorsignal unter Verwendung einer ausprägungsgestützten Vorgehensweise erzeugt wird, während das zweite Rotorsignal unter Verwendung einer Gegenspannungstechnik (Gegen-EMK-Technik) erzeugt wird.
Verfahren zum Steuern eines Motors, der einen Rotor enthält, wobei das Verfahren umfasst: Erzeugen eines ersten Rotorpositionssignals unter Verwendung einer sensorlosen ausprägungsgestützten Vorgehensweise; Erzeugen eines zweiten Rotorpositionssignals unter Verwendung einer sensorlosen gegenspannungsgestützten Vorgehensweise (gegen-EMK-gestützten Vorgehensweise); Auswählen des ersten Rotorpositionssignals für Rotordrehzahlen unter einer ersten Rotordrehzahl und des zweiten Rotorpositionssignals für Rotordrehzahlen über der ersten Rotordrehzahl; Erfassen einer Position des Rotors unter Verwendung eines Rotorpositionssensors und Erzeugen eines dritten Rotorpositionssignals; Erfassen von Störungen in dem Rotorpositionssensor; Auswählen des dritten Rotorpositionssignals, wenn keine Störung detektiert wird, und des ersten oder zweiten Rotorpositionssignals, wenn die Störung detektiert wird; und Verwenden einer indirekten feldorientierten Steuervorgehensweise (IFOC-Vorgehensweise) zum Steuern des Motors anhand eines ausgewählten Signals unter dem ersten, zweiten und dritten Rotorpositionssignal.
Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch Vergleichen des dritten Rotorpositionssignals mit dem ersten oder zweiten Rotorpositionssignal und Erfassen der Störung anhand des Vergleichs.
Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch Erzeugen einer Differenz zwischen dem dritten Rotorpositionssignal und dem ersten oder zweiten Rotorpositionssignal und Vergleichen der Differenz mit einem Schwellenwert.
Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch Erzeugen der Störungsangabe, falls die Differenz größer als ein erster Schwellenwert ist.