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TECHNISCHES GEBIET
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Ausführungsformen
des hier beschriebenen Gegenstands beziehen sich im Allgemeinen
auf elektrische Systeme in Kraftfahrzeugen, und insbesondere beziehen
sich Ausgestaltungen des Gegenstands auf Vorrichtungen und Verfahren
zur Diagnose von Fehlerzuständen
in Statorwicklungen eines elektrischen Motors.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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In
vergangenen Jahren haben technologische Fortschritte sowie ein sich
immer weiter entwickelnder Geschmack zu grundlegenden Änderungen im
Design von Kraftfahrzeugen geführt.
Elektrische Motoren (oder elektrische Maschinen) finden aufgrund
der Elektrifizierung des Antriebsstrangs des Automobils eine immer
größere Anzahl
an Anwendungen in der Automobilindustrie. Elektro- und/oder Hybridfahrzeuge
benutzen elektrische Motoren entweder als primäre oder als zusätzliche
Drehmomentquelle im automobilen Antriebsstrang. Von diesen elektrischen
Motoren wird erwartet, dass sie unter extremen Betriebsbedingungen
für einen
längeren
Zeitraum mit hoher Zuverlässigkeit
funktionieren. Allerdings können, über die
Zeit, die Betriebsbelastungen, mit denen der elektrische Motor beaufschlagt
wird, den Zustand der Statorwicklungen verschlechtern. Zum Beispiel
kann thermische Belastung und/oder Spannungsbelastung zu einem Verlust
der Isolation führen,
welcher wiederum zu einem teilweisen Kurzschluss und/oder einer
Unterbrechung von einzelnen Wicklungen der Statorwicklungen führen kann.
Wenn Motoren aus pulsweitenmodulierten (PWM) Wechselrichterantrieben
gespeist werden, erhöht
das hochfrequente Schalten der Leistungstransistoren die Spannungsbelastung
der Statorwicklungen.
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Einige
Verfahren aus dem Stand der Technik versuchen Fehler innerhalb einer
Statorwicklung zu diagnostizieren, indem sie das Gegensystem der
Motorströme
berechnen, welches durch einen Fehlerzustand innerhalb der Statorwicklungen
hervorgerufen wird. Allerdings erhalten feldorientierte (FOC) und andere
stromgesteuerte Closed-Loop Regelverfahren, die in elektrischen
und/oder Hybridfahrzeugen weit verbreitet sind, symmetrische und
ausgeglichene Stromkurven in den elektrischen Motoren. Daher ist,
sogar wenn in den Statorwicklungen ein Fehlerzustand vorhanden ist,
kein Gegensystem in den Motorströmen
vorhanden, weil die Motorströme
so angepasst werden, dass sie ausbalanciert und symmetrisch bleiben.
Andere Verfahren nach dem Stand der Technik beinhalten umfangreiche
Berechnungen, zum Beispiel eine Fast-Fourier-Analyse, die oft unpassend
ist für
die nicht stationären
transienten Motorbetriebsbedingungen, bei denen Drehmoment und Geschwindigkeit
sich permanent ändern.
Zusätzlich kann
ein beginnender Fehlerzustand in den Statorwicklungen sehr schnell
an Schwere zunehmen, daher behindern die Verzögerungen durch die Berechnung
die Fähigkeit,
einen beginnenden Fehlerzustand zu identifizieren und in einem begrenzten
Zeitraum auf diese zu reagieren.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
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In Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform,
wird eine Vorrichtung für
ein elektrisches System in einem Fahrzeug zur Verfügung gestellt.
Das elektrische System beinhaltet einen elektrischen Motor, welcher
Statorwicklungen umfasst, eine Energiequelle und ein Wechselrichtermodul,
welches zwischen die Energiequelle und die Statorwicklungen gekoppelt
ist. Das Wechselrichtermodul ist dazu ausgebildet, dass es den Statorwicklungen
des elektrischen Motors eine vorgegebene Spannung aus der Energiequelle
zur Verfügung
stellt. Eine Vielzahl von Stromsensoren ist zwischen das Wechselrichtermodul
und die Statorwicklungen gekoppelt und dazu ausgebildet, dass sie
Ströme
durch die Statorwicklungen messen, was in gemessenen Strömen resultiert.
Eine Vorrichtung zur Steuerung ist an das Wechselrichtermodul und
die Vielzahl von Stromsensoren gekoppelt. Die Vorrichtung zur Steuerung
ist dazu ausgebildet, eine Stromvorgabe zu erhalten, welche dem
vorgegebenen Strom für
die Statorwicklungen des elektrischen Motors entspricht, eine Spannungsvorgabe
zu erzeugen, welche der vorgegebenen Spannung, welche auf der Differenz
zwischen den gemessenen Strömen
und den vorgegebenen Strömen
basiert, entspricht, ein Gegensystem für die Spannungen der Statorwicklungen,
welche auf der Spannungsvorgabe basieren, zu erzeugen und einen
Fehlerzustand in den Statorwicklungen, basierend auf der Spannung
des Gegensystems, zu identifizieren.
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In Übereinstimmung
mit einer weiteren Ausführungsform,
wird ein Verfahren zur Diagnose von Statorwicklungen in einem elektrischen
Motor bereitgestellt. Die Methode beinhaltet das Generieren einer
Spannungsvorgabe, welche dazu ausgebildet ist, die Ströme durch
die Statorwicklungen auf einen vorgegebenen Wert zu regeln, und
ein Gegensystems für
die Spannung, welches auf der Spannungsvorgabe basiert, zu bestimmen.
Das Verfahren beinhaltet weiterhin das Identifizieren eines Fehlerzustands
basierend auf dem Gegensystem für
die Spannung.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird ein Verfahren vorgestellt, welches dazu dient, Statorwicklungen
in einem elektrischen Motor, welcher unter der Kontrolle eines stromregelnden
Regelkreises betrieben wird, zu diagnostizieren. Der stromregelnde
Regelkreis ist dazu ausgebildet, dem elektrischen Motor eine vorgegebene
Spannung bereit zu stellen. Die vorgegebene Spannung beinhaltet
eine stromgeregelte Spannung, welche auf einer Differenz zwischen
einem vorgegebenen Strom und einem durch die Statorwicklungen gemessenen
Strom basiert. Die Methode beinhaltet, ein Gegensystem für die vorgegebene
Spannung zu bestimmen und einen Fehlerzustand zu identifizieren,
wenn eine charakteristische Größe des Gegensystems
größer ist
als ein Schwellwert.
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Diese
Zusammenfassung wird bereitgestellt, um eine Auswahl an Konzepten
in einer vereinfachten Form zur Verfügung zu stellen, welche unten
in der detaillierten Beschreibung weiter beschrieben werden. Diese
Zusammenfassung ist weder dazu gedacht, Hauptmerkmale oder wesentliche
Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, noch ist
sie dazu gedacht, als eine Hilfe zur Bestimmung des Umfangs des
beanspruchten Gegenstands genutzt zu werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ein
weiter reichendes Verständnis
des Gegenstands kann erlangt werden, indem man sich auf die detaillierte
Beschreibung und die Ansprüche,
in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen, bezieht, wobei gleiche
Referenznummern sich auf ähnliche Elemente
in den Zeichnungen beziehen.
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1 ist
ein Blockdiagramm eines elektrischen Systems, welches dazu ausgebildet
ist, in einem Fahrzeug gemäß einer
Ausgestaltung, genutzt zu werden; und
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2 stellt
ein Flussdiagramm eines beispielhaften Prozesses zur Statordiagnose
dar, welcher dazu ausgebildet ist, mit dem elektrischen System aus 1,
gemäß einer
Ausgestaltung, genutzt zu werden.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die
folgende detaillierte Beschreibung ist in ihrer Natur lediglich
erläuternd
und ist nicht dazu gedacht, die Ausführungsformen des Gegenstands oder
Anwendungen und Verwendungen solcher Ausführungsformen zu beschränken. So
wie es hier benutzt wird, bedeutet das Wort „beispielhaft” „als Beispiel,
Instanz, oder Veranschaulichung dienend”. Jede Ausführungsform,
die hier als beispielhaft genannt ist, ist nicht, notwendigerweise,
als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Ausführungsformen
ausgelegt. Des Weiteren besteht keine Absicht, durch eine, im vorangegangenen
technischen Gebiet, Hintergrund, der kurzen Zusammenfassung oder
der folgenden detaillierten Beschreibung, ausdrücklich erwähnte oder implizit als gegeben
angenommene Theorie eingeschränkt
zu werden.
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Methoden
und Technologien können
hier mit den Begriffen einer funktionalen und/oder logischen Blockkomponente
und mit Referenz auf eine symbolische Darstellung von Operationen,
Verarbeitungsaufgaben, und Funktionen, die von einer Vielzahl programmgesteuerter
Einrichtungen oder Geräte
durchgeführt
werden können,
beschrieben sein. Es wird bevorzugt, dass die Vielzahl von Blockkomponenten, welche
in den Figuren gezeigt werden, durch eine beliebige Anzahl an Hardware-,
Software- und/oder Firmwarekomponenten, welche dazu ausgebildet sind,
die spezifizierten Funktionen durchzuführen, realisiert werden können. Zum
Beispiel kann eine Ausgestaltung eines Systems oder einer Komponente
eine Vielzahl integrierter Schaltkreiskomponenten, wie zum Beispiel
Speicherelemente, digitale Signalprozessorelemente, Logikelemente,
Look-Up-Tabellen, oder ähnliche
enthalten, welche eine Vielzahl von Funktionen unter der Kontrolle
eines oder mehrerer Mikroprozessoren oder anderer Kontrolleinrichtungen
ausführen
können.
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Die
folgende Beschreibung bezieht sich auf Elemente oder Knoten oder
Merkmale, welche „verbunden” oder „gekoppelt” sind.
So wie hier verwendet, bedeutet „verbunden”, außer es wird ausdrücklich anders
angegeben, dass ein Element/Knoten/Merkmal direkt mit einem anderen
Element/Knoten/Merkmal verbunden ist (oder direkt mit diesem kommuniziert),
und dies nicht unbedingt auf mechanische Art. Ebenso bedeutet „gekoppelt”, außer es wird
ausdrücklich
anders angegeben, dass ein Element/Knoten/Merkmal direkt oder indirekt
mit einem anderen Element/Knoten/Merkmal verbunden ist (oder direkt
oder indirekt mit diesem kommuniziert), und dies nicht unbedingt
auf mechanische Art. Folglich können,
obwohl die Zeichnungen eine beispielhafte Anordnung von Elementen
zeigen, in einer Ausgestaltung des gezeigten Gegenstands zusätzliche zwischengeschaltete
Elemente, Vorrichtungen, Merkmale oder Komponenten vorhanden sein.
Zusätzlich
können
bestimmte Fachbegriffe in der folgenden Beschreibung rein zum Zweck
der Bezugnahme benutzt werden, diese sind daher nicht als einschränkend gedacht.
Die Bezeichnungen „erstes”, „zweites” und andere
solche numerische Bezeichnungen, welche sich auf Strukturen beziehen,
implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, solange dies nicht deutlich
durch den Kontext angezeigt wird.
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Um
der Kürze
Willen, sollen herkömmliche Verfahren,
welche sich auf die Konstruktion und/oder den Betrieb von elektrischen
Motoren, Signalerzeugung, Messwerterfassung, Pulsweitenmodulation (PWM)
und andere funktionale Aspekte des Systems (und die einzelnen Betriebskomponenten
des Systems) beziehen, hier nicht im Detail beschrieben werden.
Des Weiteren sind die Verbindungslinien, welche in den verschiedenen
Figuren in diesem Dokument gezeigt werden, gedacht, um beispielhafte, funktionale
Beziehungen und/oder physikalische Verbindungen zwischen den verschiedenen
Elementen darzustellen. Es soll erwähnt werden, dass eine Vielzahl
alternativer oder zusätzlicher
funktionaler Beziehungen oder physikalischer Verbindungen in einer Ausgestaltung
des Gegenstands vorhanden sein können.
Technologien und Konzepte, welche hier diskutiert werden, beziehen
sich im Allgemeinen auf Methoden und Systeme zur Diagnose von Fehlerzuständen in
den Statorwicklungen eines elektrischen Motors, welcher unter der
Kontrolle eines stromregelnden Regelkreises betrieben wird. Ein
Gegensystem für
den elektrischen Motor wird, auf Basis der stromgeregelten vorgegebenen
Spannung, welche an den Statorwicklungen aufgebracht wird, identifiziert.
Das Gegensystem wird dann analysiert und eine Entscheidung wird
getroffen, ob das Gegensystem einem Fehlerzustand in den Statorwicklungen zugeschrieben
werden kann. Ein beginnender Fehlerzustand kann innerhalb einer
begrenzten Zeit identifiziert werden, wodurch der Effekt des Fehlerzustands
auf den elektrischen Motor abgeschwächt wird. Wie hier verwendet,
ist die Bedeutung tief- oder hochgestellter Indizes die folgende:
Tiefgestellter
Index d und q: Größe im d-q-Rahmen. Das
d-q-Bezugssystem,
in kartesischen Koordinaten, ist synchron mit der Rotation eines
charakteristischen Wertes eines Rotors (zum Beispiel dem Winkel
des Rotorflusses) innerhalb eines elektrischen Motors.
Hochgestellter
Index s: Größe innerhalb
der Statorwicklungen des elektrischen Motors in einem stationären Bezugssystem.
Hochgestellter
Index e: Größe in dem
rotierenden (synchronen) Bezugssystem.
Hochgestellter Index
*: Größe, welche
vorgegeben wird.
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1 zeigt
eine beispielhafte Ausgestaltung eines elektrischen Systems 100,
welches für
die Benutzung in einem Fahrzeug geeignet ist. Das elektrische System 100 beinhaltet,
ohne Einschränkung, eine
Energiequelle 102, ein Wechselrichtermodul 104,
einen elektrischen Motor 106, ein Winkelgebersystem 108,
eine Vorrichtung zur Steuerung 110 und eine Vielzahl an
Stromsensoren 112. In einer beispielhaften Ausgestaltung
erzeugt die Vorrichtung zur Steuerung 110 eine Spannungsvorgabe,
welche einer Spannung entspricht, die von der Energiequelle 102 über das
Wechselrichtermodul 104 auf die Statorwicklungen des elektrischen
Motors 106 aufgebracht werden soll. In diesem Fall sind
das Wechselrichtermodul 104 und die Vorrichtung zur Steuerung 110 gemeinsam
dazu ausgebildet, eine Pulsweitenmodulations(PWM)-Technik zu nutzen,
um die Phasen des Wechselrichtermoduls 104 zu modulieren und
den elektrischen Motor 106 mit der vorgegebenen Spannung
zu beaufschlagen oder ihm diese anderweitig zur Verfügung zu
stellen. Es soll angenommen werden, dass 1 eine vereinfachte
Darstellung eines elektrischen Systems 100 zum Zwecke der
Erklärung
ist und nicht dazu gedacht ist, den Gültigkeitsbereich oder die Anwendbarkeit
des hier beschriebenen Gegenstands in irgendeiner Weise einzuschränken. Diesbezüglich kann
in der Praxis, auch wenn 1 die Vorrichtung zur Steuerung 110 und das
Wechselrichtermodul 104 als unterschiedliche und getrennte
Elemente zeigt, die Vorrichtung zur Steuerung 110 integriert
in das Wechselrichtermodul 104 oder in dem Wechselrichtermodul 104 aufgebaut sein.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
ist das Wechselrichtermodul 104 zwischen die Energiequelle 102 und
den elektrischen Motor 106 gekoppelt. In einer beispielhaften
Ausführungsform
sind die Stromsensoren 112 zwischen das Wechselrichtermodul 104 und
den elektrischen Motor 106 gekoppelt und dazu ausgebildet,
die Ströme
zu messen, welche von dem Wechelrichtermodul 104 durch
die Statorwicklungen des elektrischen Motors 106 fließen, wie später noch
ausführlicher
beschrieben wird. Die Vorrichtung zur Steuerung 110 ist
mit den Stromsensoren 112 gekoppelt und erhält die gemessenen
Ströme,
welche durch die Statorwicklungen des elektrischen Motoren 106 fließen von
den Stromsensoren 112. Das Winkelgebersystem 108 ist
zwischen dem elektrischen Motor 106 und die Vorrichtung
zur Steuerung 110 gekoppelt und das Winkelgebersystem 108 ist
passend dazu ausgebildet, die Position des Rotors des elektrischen
Motors 106 zu messen, zu sensieren oder anderweitig zu
erfassen. Wie weiter unten ausführlicher
beschrieben wird, ist die Vorrichtung zur Steuerung 110,
in einer beispielhaften Ausgestaltung, dazu ausgebildet, den Strom
durch die Statorwicklungen auf einen Vorgabewert zu regeln, indem
sie die Spannung, welche von der Energiequelle 102 an den
Motor 106 gegeben wird, kontrolliert. In einer beispielhaften
Ausführungsform,
ist die Vorrichtung zur Steuerung 110 dazu ausgebildet, dass
sie einen Fehlerzustand in den Statorwicklungen des elektrischen
Motors 106, basierend auf dem Gegensystem der Spannungen,
welche dem elektrischen Motor 106 zur Verfügung gestellt
werden, identifiziert, wie später
noch ausführlicher
beschrieben wird.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
ist das Fahrzeug als ein Automobil ausgeführt. In alternativen Ausführungsformen
kann das Fahrzeug ein beliebiges aus einer Menge verschiedener Arten
von Automobilen sein, wie, zum Beispiel, eine Limousine, ein Kombi,
ein LKW oder ein Sport Utility Vehicle (SUV) und es kann Zweiradangetrieben
(2WD) (das heißt
Hinterrad angetrieben oder Vorderrad angetrieben), Vierradangetrieben
(4WD) oder Allradangetrieben (AWD) sein. Das Fahrzeug kann auch
einen beliebigen Motor oder eine Kombination von Motoren aus einer
Vielzahl unterschiedlicher Motorenarten, wie zum Beispiel einen
mit Benzin oder Diesel angetriebenen Verbrennungsmotor, „einen
Flex Fuel Vehicle” (FFV)
Motor (d. h. er benutzt eine Mischung aus Benzin und Alkohol), einen
mit einer Gasverbindung (zum Beispiel Wasserstoff oder Erdgas) betriebenen
Motor, einen Verbrennungs/Elektro-Hybridmotor und einen elektrischen
Motor beinhalten. In einer alternativen Ausgestaltung kann das Fahrzeug
ein Plug-in-Hybridfahrzeug, ein vollelektrisches Fahrzeug, ein Brennstoffzellenfahrzeug
(FCV) oder ein anderes passendes Alternativkraftstofffahrzeug sein.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
ist die Energiequelle 102 (oder Leistungsquelle) fähig, dem
Wechselrichtermodul 104, zum Betrieb des elektrischen Motors 106,
eine Gleichspannung (DC) zu liefern. Abhängig von der Ausführungsform,
kann die Energiequelle 102 als Batterie, als Brennstoffzelle,
als wiederaufladbares Hochvoltbatteriepaket, als Ultrakondensator
oder als eine andere passende Energiequelle, welche aus dem Stand
der Technik bekannt ist, ausgebildet sein.
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In
der in 1 dargestellten Ausführungsform, ist der elektrische
Motor 106, bevorzugter Weise, als Induktionsmotor ausgebildet,
allerdings sollte der hierin beschriebene Gegenstand nicht als,
auf die Benutzung mit einem bestimmten Typ von Elektromotor, eingeschränkt, ausgelegt
werden. In anderen Ausgestaltung kann der elektrische Motor 106 als
Innenpermanentmagnetmotor (IPM), als Synchronreluktanzmotor oder
als ein anderer passender Motor, welcher aus dem Stand der Technik
bekannt ist, ausgebildet sein. Diesbezüglich kann der elektrische
Motor 106 als Vollpolmaschine (zum Beispiel ein Induktionsmotor,
oberflächenmontierte
Permanentmaschine (englisch: permanent surface mount machine)), welche
eine räumliche
Impedanz hat, die unabhängig von
der Rotorposition ist, oder als eine Einzelpolmaschine (zum Beispiel
ein Synchronreluktanzmotor, Innenpermanentmagnetmotor), welcher
eine räumliche Impedanz
hat, die abhängig
ist, von der Rotorposition bezogen auf die Statorwicklungen, wie
sie im Stand der Technik erwähnt
werden, ausgebildet sein.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
ist der elektrische Motor 106 eine Dreiphasenwechselstrom(AC)-Elektromaschine,
welche einen Rotor und Statorwicklungen (oder Spulen) aufweist.
In einer beispielhaften Ausführungsform
eines Dreiphasenmotors sind die Statorwicklungen in drei Gruppen
von Wicklungen organisiert, wobei jede Gruppe von Wicklungen einer
Phase des elektrischen Motors 106 entspricht. Diesbezüglich ist
jeder Stromsensor 112 mit einer bestimmten Phase des elektrischen
Motors 106 verbunden und erfasst den Strom für die jeweilige
Phase des elektrischen Motors 106 auf eine übliche Art
und Weise. Es soll verstanden sein, dass, obwohl der Gegenstand
hier im Zusammenhang mit einem Dreiphasenelektromotor beschrieben
wird, der Gegenstand nicht auf Dreiphasenmaschinen beschränkt ist
und an einen Elektromotor mit einer beliebigen Anzahl von Phasen
oder ein elektrisches System mit einer beliebigen Anzahl von Stromsensoren
angepasst werden kann.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
beinhaltet das Wechselrichtermodul 104 einen Leistungswechselrichter,
welcher dazu ausgelegt ist, die Gleichspannungsleistung aus der
Energiequelle 102 in eine Wechselspannungsleistung, welche
dazu dient, den elektrischen Motor 106 in einer aus dem Stand
der Technik bekannten Art und Weise anzutreiben, umzuwandeln. Diesbezüglich beinhaltet
das Wechselrichtermodul 104 einen oder mehrere Phasenanschlüsse, welche
der einen oder den mehreren Phasen des elektrischen Motors 106 entsprechen, wobei
Schalter des Phasenanschlusses mit einer bestimmten Schaltfrequenz
moduliert (geöffnet
oder geschlossen) werden, um eine Wechselspannung an den Statorwicklungen
des elektrischen Motors 106 zu erzeugen, welche im Gegenzug
drehmomenterzeugende Ströme
in den Statorwicklungen aufbaut, und den elektrischen Motor 106 betreibt,
wie nach dem Stand der Technik bekannt.
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In
einer beispielhaften Ausgestaltung beinhaltet das Drehwinkelgebersystem 108 einen
Drehwinkelgeber, welcher an den elektrischen Motor 106 gekoppelt
ist, und der Ausgang des Drehwinkelgebers ist an einen Drehwinkelgeber-zu-Digitalwandler gekoppelt.
Der Drehwinkelgeber (oder eine ähnliche Messvorrichtung)
erfasst die Position des Rotors (θr) des
elektrischen Motors 106. Der Drehwinkel-zu-Digitalwandler
wandelt die Signale des Drehwinkelgebers in digitale Signale (zum
Beispiel ein digitales Rotorpositionssignal), welche der Vorrichtung
zur Steuerung 110 zur Verfügung gestellt werden.
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Die
Vorrichtung zur Steuerung 110 stellt im Allgemeinen die
Hardware dar, welche dazu passend ausgebildet ist, eine feldorientierte
Steuerung oder eine stromgeregelte Steuerung des elektrischen Motors 106 durchzuführen, indem
sie das Wechselrichtermodul 104 steuert und/oder betreibt,
um dem elektrischen Motor 106 eine vorgegebene Spannung
aus der Energiequelle 102 zur Verfügung zu stellen. Diesbezüglich ist
die vorgegebene Spannung eine stromgeregelte Spannung, das bedeutet,
eine Spannung, die dazu ausgebildet ist, den Strom in den Statorwicklungen
des elektrischen Motors 106 auf einen bestimmten Wert zu
regeln, wie im Folgenden noch ausführlicher beschrieben wird.
Abhängig
von der Ausgestaltungsform kann die Vorrichtung zur Steuerung 110 als
Vielzweckprozessor, als Assoziativspeicher, als digitaler Signalprozessor,
als applikationsspezifische integrierte Schaltung, als feldprogrammierbare
Anordnung von Logikgattern, als jede passende programmierbare Logikvorrichtung,
als diskrete Gate- oder Transistorlogik, als diskrete Hardwarekomponenten
oder als eine Kombination der genannten Möglichkeiten implementiert oder
realisiert werden, die dazu ausgelegt ist, die hier beschriebenen Funktionen
auszuführen.
Diesbezüglich
kann die Vorrichtung zur Steuerung 110 als Mikroprozessor, Controller,
Mikrocontroller, Zustandsautomat oder eine ähnliche Vorrichtung ausgebildet
sein. Die Vorrichtung zur Steuerung 110 kann auch als eine
Kombination von Rechenvorrichtungen, zum Beispiel als eine Kombination
eines digitalen Signalprozessors und eines Mikroprozessors, einer
Vielzahl von Mikroprozessoren, einer oder mehrerer Mikroprozessoren in
Verbindung mit einem digitalen Signalprozessorkern oder einer beliebigen ähnlichen
Konfiguration, implementiert werden. In der Praxis beinhaltet die Vorrichtung
zur Steuerung 110 Berechnungslogik, die dazu ausgebildet
sein kann, die Funktionen, Techniken und Berechnungsaufgaben, welche
mit dem Betrieb des elektrischen Systems 100 verbunden
sind, auszuführen,
wie im Folgenden noch ausführlicher
beschrieben wird. Außerdem
können
die Schritte einer Methode oder eines Algorithmus, welcher in Verbindung
mit den hier offengelegten Ausgestaltungsformen beschrieben wird,
direkt in Hardware, in Firmware, in einem Softwaremodul, welches durch
die Vorrichtung zur Steuerung 110 ausgeführt wird,
oder in jeder praktischen Kombination dieser, enthalten sein.
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In
einer beispielhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung zur Steuerung 110 in
dem d-q synchronen Bezugssystem implementiert, das bedeutet, dass
die d-q-Achse des Bezugssystems im Gleichschritt mit einer Referenzcharakteristik
des Rotors (zum Beispiel der Rotorposition, dem Winkel des Rotorflusses)
des elektrischen Motors 106 rotieren, so dass eine Rotation
(oder Winkeländerung)
der charakteristischen Größe des Rotors
eine ihr korrespondierende Rotation (oder Winkeländerung) der d-q-Achsen hervorruft.
In einer beispielhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung zur Steuerung 110 in
dem gegen den Uhrzeigersinn laufenden, synchronen Bezugssystem implementiert,
so dass eine Rotation der charakteristischen Rotorgröße eine
ihr korrespondierende gegen den Uhrzeigersinn laufende Rotation der
d-q-Achsen hervorruft. Wie in der, in 1 dargestellten
Ausführungsform
gezeigt wird, wird das synchrone Bezugssystem, für den Fall eines Induktionsmotors,
bevorzugter Weise relativ zu dem Winkel des Flusses des Rotors (θe) bestimmt.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
beinhaltet die Vorrichtung zur Steuerung 110 einen Geschwindigkeitsregler 114,
einen Flussregler 116, einen Stromregler 118,
einen ersten Block zur Transformation 120, einen zweiten
Block zur Transformation 122, einen Geschwindigkeitsberechner 124,
eine Vorrichtung zum Schätzen
des Flusses 126 und einen Block zur Diagnose der Statorwicklungen 128. Die
Elemente der Vorrichtung zur Steuerung 110 sind passend
ausgebildet, einen stromregelnden Regelkreis 130 (oder
alternativ einen feldorientierten Regelkreis oder einen stromgeregelten
Rückkoppelungskreis)
zu bilden, wie im Folgenden noch ausführlicher beschrieben wird.
In einer beispielhaften Ausgestaltung ist der Block zur Diagnose
der Statorwicklungen 128 dazu ausgebildet, einen Fehlerzustand
in den Wicklungen des Stators des elektrischen Motors 106,
basierend auf dem Gegensystem der Spannungen, welche an den Statorwicklungen
des elektrischen Motors 106 appliziert werden, zu identifizieren
oder dessen Existenz zu erkennen, wie im Folgenden noch ausführlicher
beschrieben wird.
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In
der dargestellten Ausführungsform
ist der Ausgang eines ersten Additionsknotenpunkts 113 an den
Eingang des Geschwindigkeitsreglers 114 gekoppelt und der
Ausgang des Geschwindigkeitsreglers ist an den zweiten Summationsknotenpunkt 115 gekoppelt.
Der Ausgang eines dritten Summationsknotenpunkts 117 ist
an den Eingang des Flussreglers 116 gekoppelt und der Ausgang
des Flussreglers 116 ist an einen vierten Summationsknotenpunkt 119 gekoppelt.
Der Ausgang des zweiten Summationsknotenpunkts 115 und
der Ausgang des vierten Summationsknotenpunkts 119 sind
beide an den Eingang des Stromreglers 118 gekoppelt. Die
Ausgänge
des Stromreglers 118 sind an den ersten Transformationsblock 120 gekoppelt
und die Ausgänge
des ersten Transformationsblocks 120 sind an das Wechselrichtermodul 104 gekoppelt.
Der zweite Transformationsblock 122 ist an die Stromsensoren 112 gekoppelt
und die jeweiligen Ausgänge
des zweiten Transformationsblocks 122 sind mit dem zweiten
Summationsknotenpunkt 115 und dem vierten Summationsknotenpunkt 119 gekoppelt,
wie später
noch ausführlicher
beschrieben wird. In einer beispielhaften Ausgestaltung sind die
Eingänge
der Vorrichtung zur Schätzung
des Flusses 126 mit dem Ausgang des zweiten Transformationsblock 122 und
dem Ausgang des Stromreglers 118 gekoppelt, wie später noch ausführlicher
beschrieben wird. Ein erster Ausgang der Vorrichtung zur Schätzung des
Flusses 126 ist mit dem dritten Summationsknotenpunkt 117 gekoppelt
und der zweite Ausgang der Vorrichtung zur Schätzung des Flusses 126 ist
mit den Transformationsblöcken 120, 122 und
dem Block zur Diagnose der Statorwicklungen 128 gekoppelt.
In einer beispielhaften Ausgestaltung ist der Block zur Diagnose der
Statorwicklungen 128 auch an den Ausgang des Stromreglers 118 gekoppelt,
wie im Folgenden noch ausführlicher
beschrieben wird.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
ist der erste Summationsknotenpunkt 113 dazu ausgebildet,
eine Geschwindigkeitsvorgabe (ω * / r
)
zu empfangen, welche eine gewünschte
Geschwindigkeit (oder vorgegebene Geschwindigkeit) für den Rotor des
elektrischen Motors 106 darstellt. Die Geschwindigkeitsvorgabe
kann von einem anderen Modul im Fahrzeug, wie zum Beispiel einem
elektronischen Steuergerät
(ECU), bereitgestellt werden. Die Vorrichtung zur Berechnung der
Geschwindigkeit 124 berechnet oder bestimmt anderweitig
die beobachtete (oder gemessene) Rotorgeschwindigkeit (ωr), basierend auf der Änderung der Rotorposition (θr) gegenüber
der Zeit, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Der erste Summationsknotenpunkt 113 ist dazu
ausgebildet, den Unterschied zwischen der Geschwindigkeitsvorgabe
(ω * / r
) und
der beobachteten Rotorgeschwindigkeit (ωr)
zu berechnen und die Differenz dem Geschwindigkeitsregler 114 zur
Verfügung
zu stellen. Basierend auf der Differenz zwischen der Geschwindigkeitsvorgabe
(ω * / r
) und
der Rotorgeschwindigkeit (ωr), bestimmt und/oder generiert der Geschwindigkeitsregler 114 eine
zu dem q-Achsen Rahmen, synchrone Stromvorgabe (i e* / q
) (zum Beispiel
die drehmomenterzeugende q-Achsen Stromvorgabe). Der Geschwindigkeitsregler 114 kann
als proportional integral (PI) Regler oder eine andere passende
Vorrichtung, welche aus dem Stand der Technik bekannt ist, realisiert
werden.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
ist der dritte Summationsknotenpunkt 117 dazu ausgebildet,
eine Flussvorgabe (λe*), welche den gewünschten Rotorfluss für den elektrischen
Motor 106 darstellt, zu empfangen. Die Flussvorgabe kann durch
ein anderes Modul im Fahrzeug, wie zum Beispiel einem elektronischen
Steuergerät
(ECU), zur Verfügung
gestellt werden. Die Vorrichtung zur Schätzung des Flusses 126 berechnet
oder bestimmt anderweitig den Fluss des Rotors (λe) basierend
auf dem Verhältnis
zwischen den synchronen Motorströmen
(i e / d
, i e / q
) und den synchronen Motorspannungen (ν e / d
, ν e / q
), wie aus dem Stand der Technik
bekannt ist und im Folgenden ausführlicher beschrieben wird. Der
dritte Summationsknotenpunkt 117 ist dazu ausgebildet,
die Differenz zwischen der Flussvorgabe (λe
*) und dem geschätzten Fluss des Rotors (λe)
zu bestimmen und die Differenz der Vorrichtung zur Regelung des
Flusses 116 zur Verfügung
zu stellen. Basierend auf der Differenz zwischen der Flussvorgabe und
dem geschätzten
Fluss bestimmt und/oder generiert die Vorrichtung zur Regelung des
Flusses 116 eine d-Achsenrahmen synchrone Stromvorgabe
(i e* / q
) (zum Beispiel die flussproduzierende d-Achsen Stromvorgabe).
Der Flussregler 116 kann als proportional integral (PI)
Regler oder ein beliebiger anderer, aus dem Stand der Technik bekannter,
Regler implementiert werden.
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In
einer beispielhaften Ausgestaltung berechnet oder bestimmt die Vorrichtung
zur Schätzung des
Flusses auf eine andere Art und Weise, basierend auf dem Verhältnis zwischen
den synchronen Motorströmen
(i e / d
, i e / q
), und den synchronen Motorspannungen (ν e / d
, ν e / q
), den Winkel des Flusses (θe) für den
Rotor des elektrischen Motors 106. In der in 1 dargestellten
Ausgestaltung wird der Winkel des Rotorflusses (θe)
als Transformationswinkel für die
Kontrollschleife 130 verwendet, wie aus dem Stand der Technik
bekannt ist. In diesem Zusammenhang stellt der Transformationswinkel
den Winkel dar, welcher verwendet wird, um eine Größe aus dem synchronen
Referenzkoordinatensystem in eine Größe in dem stationären Referenzkoordinatensystem zu
transformieren und/oder zu übersetzen
und umgekehrt (zum Beispiel eine 'dqo' oder 'dq0' zu 'abc' Transformation und
umgekehrt). In alternativen Ausgestaltungsformen kann der Transformationswinkel die
Winkelposition des Rotors (θr) oder eine andere passende Größe beinhalten.
Der Ausgang der Vorrichtung zur Schätzung des Flusses 126 ist
dazu ausgebildet, den geschätzten
Winkel des Rotorflusses (θe) den ersten Transformationsblöcke 120, 122 zur Verfügung zu
stellen. Der zweite Transformationsblock 122 ist an die
Stromsensoren 112 gekoppelt und dazu ausgebildet, die gemessenen
Statorströme aus
dem stationären
Referenzkoordinatensystem (i s / a
, i s / b
, i s / c
) in das synchrone Referenzkoordinatensystem (i e / d
,
i e / q
), basierend auf dem Transformationswinkel, das heißt dem geschätzten Winkel
des Rotorflusses (θe), zu transformieren. In einer ähnlichen
Art und Weise ist der erste Transformationsblock 120 dazu
ausgebildet, eine vorgegebene Spannung (oder Spannungsvorgabe) aus
dem synchronen Bezugssystem (ν e* / d
, ν e* / q
) in das
stationäre
Bezugssystem (ν s* / a
, ν s* / b
, ν s* / c
), basierend
auf dem geschätzten
Winkel des Rotorflusses (θe), zu transformieren, wie im Folgenden noch
ausführlicher
beschrieben wird.
-
Der
Stromregler 118 regelt die Ströme durch die Statorwicklungen,
indem er ein Spannungsvorgabe für
das Wechselrichtermodul 104 erzeugt und/oder bereitstellt,
welches einer Vorgabespannung für
die Statorwicklungen des elektrischen Motors 106 entspricht,
so dass die durch die Statorwicklungen gemessenen Ströme auf die
vorgegebenen Motorströme
(oder die Stromvorgabe) geregelt werden oder diesen anderweitig
folgen. In einer beispielhaften Ausgestaltung ist der Stromregler 118 als
ein Synchronrahmen-Stromregler realisiert, welcher dazu ausgebildet
ist, die Spannungsvorgabe in dem synchronen Bezugssystem (ν e* / d
, ν e* / q
) (alternativ
werden diese hier auch als Spannungsvorgaben im synchronen Rahmen
bezeichnet), basierend auf der Differenz zwischen dem vorgegebenen
Strom (i e* / d
, i e* / q
) und dem gemessenen Motorstrom (i e* / d
, i e* / q
) (hier auch alternativ
als der Motorstrom im synchronen Rahmen bezeichnet), zu erzeugen.
Diesbezüglich
bestimmt, in Übereinstimmung
mit einer oder mehreren Ausgestaltungsformen, der zweite Summationsknotenpunkt 115 eine
q-Achsen Stromfehlervorgabe (i e* / q_err
), basierend auf der Differenz zwischen
der q-Achsen Stromvorgabe (i e* / q
) und dem gemessenen q-Achsen Motorstrom
(i e* / q
) und der vierte Summationsknotenpunkt 119 bestimmt eine
d-Achsen Stromfehlervorgabe (i e* / d_err
), basierend auf der Differenz zwischen
der d-Achsen Stromvorgabe (i e* / d
) und dem gemessenen d-Achsen Motorstrom
(i e / d
). Der Stromregler 118 erzeugt die Spannungsvorgaben
im synchronen Bezugssystem (ν e* / d
, ν e* / q
), basierend
auf dem Stromfehlervorgaben (i e* / d_err
, i e* / q_err
) im synchronen Rahmen, welche die
Differenz zwischen dem vorgegebenen Strom und dem gemessenen Motorstrom,
welcher in dem synchronen Bezugssystem ausgedrückt wird, darstellen. In diesem
Zusammenhang kann der Stromregler 118 als proportional
integral Differenzier(PID)-Regler, als Hysteresestromregler, als
komplexer Vektorstromregler oder als ein anderes passendes Stromregelelement,
welches aus dem Stand der Technik bekannt ist, realisiert sein.
Es soll bemerkt werden, dass der Stromregler 118 im Wesentlichen
angepasste und symmetrische Ströme
in dem elektrischen Motor 106 erzeugt. Als Ergebnis wird
jedes Gegensystem, das normalerweise in den gemessenen Motorströmen als
Reaktion auf einen Fehlerzustand in den Statorwicklungen (zum Beispiel
wenn Ungleichgewicht in der Impedanz für die Phasen der Statorwicklungen
aufgrund einer Änderung
im Widerstand und/oder der Induktivität mindestens einer Phase der
Statorwicklungen verglichen mit den anderen Phasen) vorhanden wäre, in dem
Ausgang des Stromreglers 118 (das heißt in den Spannungsvorgaben
und/oder den Motorphasenspannungen) reflektiert, wie im Folgenden
ausführlicher
beschrieben wird.
-
Wie
oben dargelegt, transformiert der erste Transformationsblock 120 die
Spannungsvorgaben im synchronen Rahmen (ν e* / d
, ν e* / q
) aus dem Ausgang des Stromreglers 118 in
das stationäre
Bezugssystem, was in stationären
Dreiphasenspannungsvorgaben (ν s* / a
, ν s* / b
, ν s* / c
) resultiert,
welche, den jeweiligen Spannungsvorgaben für die jeweiligen Phasen der Statorwicklungen
des elektrischen Motors 106, entsprechen. In einer beispielhaften
Ausgestaltung ist das Wechselrichtermodul 104 so ausgebildet,
dass es die stationären
Spannungsvorgaben verarbeitet und PWM-Vorgabesignale für den Betrieb der Phasenanschlüsse des
Leistungswechselrichters erzeugt, um die vorgegebenen Spannungen
den jeweiligen Phasen der Statorwicklungen in einer bekannten Art
und Weise zur Verfügung
zu stellen, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Auf diese
Weise erzeugen Änderungen
in den Spannungsvorgaben im synchronen Rahmen (ν e* / d
, ν e* / q
) ihnen entsprechende Änderungen
in den stationären
Spannungsvorgaben und damit im Tastverhältnis der PWM-Vorgaben, welche
genutzt werden, um die Schalter der Wechselrichterphasenanschlüsse zu modulieren.
In diesem Zusammenhang können
die Spannungsvorgaben im synchronen Rahmen (ν e* / d
, ν e* / q
) genutzt werden, um basierend
auf der Annahme, dass das Wechselrichtermodul 104 die Spannungsvorgaben
(ν s* / a
, ν s* / b
, ν s* / c
) in den
Statorwicklungen korrekt reproduziert, den Rotorfluss (λe)
und den Transformationswinkel (θe) zu schätzen
(zum Beispiel ν e* / d
≈ ν e / d
, ν e* / q
≈ ν e / d
) und als
Ersatz dafür
genutzt werden, Spannungssensoren zu nutzen, um die Spannungen über die
Statorwicklungen zu messen oder als Ersatz dafür genutzt werden, andere berechnungsintensive
Aufgaben durchzuführen,
um die Motorspannungen zu erhalten.
-
Jetzt
Bezug auf 2 nehmend, kann in einer beispielhaften
Ausführungsform
ein elektrisches System so ausgebildet sein, dass es den Statordiagnoseprozess 200 und
zusätzliche
Aufgaben, Funktionen und Operationen, wie im Folgenden beschrieben,
durchführen
kann. Die Vielzahl an Aufgaben kann von einer Software, Hardware,
Firmware oder einer beliebigen Kombination dergleichen ausgeführt werden.
Aus Veranschaulichungszwecken kann sich die folgende Beschreibung
auf Elemente beziehen, welche zuvor in Verbindung mit 1 erwähnt wurden.
In der Praxis können
die Aufgaben, Funktionen und Operationen von verschiedenen Elementen
des beschriebenen Systems, wie zum Beispiel dem Wechselrichtermodul 104,
der Vorrichtung zur Steuerung 110, dem Stromregler 118,
der Vorrichtung zur Schätzung
des Flusses 126 und/oder dem Block zur Statorwicklungsdiagnose 128 durchgeführt werden. Es
soll bemerkt werden, dass eine beliebige Anzahl an zusätzlichen
oder alternativen Aufgaben beinhaltet sein können und in eine umfangreichere
Prozedur oder einen umfangreicheren Prozess, welcher zusätzliche
Funktionalitäten
beinhaltet, welcher hier nicht weiter beschrieben sind, integriert
sein können.
-
Mit
wiederholtem Verweis auf 2 und fortgeführtem Verweis
auf 1 wird der Statordiagnoseprozess 200 in
einer beispielhaften Ausführungsform,
durchgeführt,
um die Statorwicklungen eines elektrischen Motors zu diagnostizieren,
während
der elektrische Motor durch einen stromregelnden Regelkreis gesteuert
wird. Der Statordiagnoseprozess 200 beginnt damit, die
Spannungen über
die Statorwicklungen (die Motorspannungen) des elektrischen Motors
von dem Ausgang des Stromreglers in dem stromregelnden Regelkreis
(Aufgabe 202), zu erhalten. In einer beispielhaften Ausgestaltung
erhält
der Statordiagnoseprozess 200 und/oder der Statorwicklungsdiagnoseblock 128 die
Motorspannung im synchronen Rahmen dadurch, dass er/sie die Spannungsvorgaben
im synchronen Rahmen (ν e* / d
, ν e* / q
) von dem
Ausgang des Stromreglers 118 erhalten. Wie zuvor dargelegt,
entspricht die Spannungsvorgabe (ν e* / d
, ν e* / q
), des Stromreglers 118 im
Wesentlichen der aktuellen Spannung im synchronen Rahmen über die Statorwicklungen
des elektrischen Motors 106 (zum Beispiel ν e* / d
≈ ν e / d
, ν e* / q
≈ ν e / q
), dies gilt
solange, wie das Wechselrichtermodul 104 die jeweiligen
Spannungsvorgaben (ν s* / a
, ν s* / b
, ν s* / c
) korrekt
in den Statorwicklungen erzeugt.
-
In
einer beispielhaften Ausführungsform setzt
sich der Statordiagnoseprozess 200 fort, indem ein Transformationswinkel
für die
Umwandlung der Spannungsvorgabe aus dem synchronen Bezugssystem
in das stationäre
Bezugssystem bezogen wird (Aufgabe 204). Wie zuvor in der
in 1 dargestellten Ausgestaltung dargelegt, ist der
Transformationswinkel als der geschätzte Rotorflusswinkel (θe) realisiert, wobei der Statordiagnoseprozess 200 und/oder
der Statorwicklungsdiagnoseblock 128 den Transformationswinkel
(θe) von der Vorrichtung zur Schätzung des
Flusses 126, erhalten können.
In alternativen Ausgestaltungsformen kann der Transformationswinkel
auf anderen charakteristischen Größen des elektrischen Motors 106 basieren.
Zum Beispiel können,
wenn der Transformationswinkel auf der Rotorposition (θr) basiert, die Vorrichtung zur Steuerung 110 und/oder
der Statorwicklungsdiagnoseblock 128 die Rotorposition
(θr) von dem Drehwinkelgebersystem 108 erhalten
und den Transformationswinkel, basierend auf der Rotorposition (θr), bestimmen.
-
In
einer beispielhaften Ausführungsform setzt
sich der Statordiagnoseprozess
200 fort, indem die Motorspannung
im synchronen Rahmen in das negative Bezugssystem transformiert
wird, wobei dies auf dem erhaltenen Transformationswinkel basiert,
was in einer Motorspannung im negativem, synchronen Rahmen resultiert
(Aufgabe
206). In diesem Zusammenhang rotiert das negative
synchrone Bezugssystem synchron mit der Rotation der charakteristischen
Referenzgröße des Motors
und in einer entgegengesetzten Richtung zu dem synchronen Bezugssystem
(zum Beispiel dem synchronen Referenz-Mitsystem (englisch: positive
sequence synchronous reference frame)). Zum Beispiel ist, wenn das
synchrone Referenz-Mitsystem als ein gegen den Uhrzeigersinn synchrones
Bezugssystem ausgebildet ist, das synchronen Referenz-Gegensystem als
ein im Uhrzeigersinn synchrones Bezugssystem ausgebildet. In einer
beispielhaften Ausgestaltung ist die Spannungsvorgabe im synchronen
Rahmen (ν
e* / d
, ν
e* / q
) in einem
gegen den Uhrzeigersinn laufenden synchronen Bezugssystem dargestellt.
Der Statordiagnoseprozess
200 und/oder der Statorwicklungsdiagnoseblock
128 transformieren
die Spannungsvorgabe aus dem gegen den Uhrzeigersinn (mit gleicher Sequenz)
laufenden synchronen Bezugssystem (ν
e* / d
, ν
e* / q
) in das stationäre Bezugssystem
(zum Beispiel ν
s* / a
, ν
s* / b
, ν
s* / c
), wobei
dies auf dem Transformationswinkel basiert, und nutzen dann den
Transformationswinkel noch einmal, um die Spannungsvorgabe von dem stationären Bezugssystem
in das synchrone Bezugssystem gegenläufiger Sequenz zu transformieren, was
in einer Motorspannung im synchronen Rahmen (ν
–e / d
, ν
–e / q
) negativer Sequenz resultiert.
In diesem Zusammenhang kann die Motorspannung im synchronen Rahmen
negativer Sequenz berechnet oder anderweitig auf Basis der folgenden
Gleichung
bestimmt werden, wobei θ den Transformationswinkel
(zum Beispiel θ
e oder θ
r), für
die Transformation aus dem stationären Referenzkoordinatensystem
in das synchrone Referenzkoordinatensystem gleichlaufender Sequenz,
darstellt.
-
In
einer beispielhaften Ausführungsform setzt
sich der Statordiagnoseprozess 200 fort, indem das Gegensystem
der Motorspannung (oder alternativ das Gegensystem der Spannung),
basierend auf der Motorspannung im negativen, synchronen Rahmen
(Aufgabe 208), bestimmt wird. Wie zuvor dargelegt, ist
jeder Gegensystemstrom, aufgrund der im Wesentlichen ausgeglichen
und symmetrischen stromgeregelten Steuerung des elektrischen Motors 106,
welcher durch einen Fehlerzustand in den Statorwicklungen hervorgerufen
wird, in den Spannungsvorgaben wiedergespiegelt, welche auf Ungleichgewichte
in den Motorstrom (i e / d
, i e / q
) im synchronen Rahmen, welche durch ein
Gegensystem hervorgerufen werden, reagieren. In diesem Zusammenhang,
beinhaltet die Gegensystemkomponente der Motorspannung eine Gleichspannungskomponente
der Motorspannungen im negativen, synchronen Rahmen, ebenso wie
harmonische Wechselspannungskomponenten der Spannungen im Mitsystem.
In diesem Zusammenhang bestimmen der Statordiagnoseprozess 200 und/oder
der Statorwicklungsdiagnoseblock 128 das Gegensystem der
Motorspannungen, indem sie die Motorspannung (ν –e / d
, ν –e / q
) im negativen, Synchronen Rahmen
digital filtern und die Größenordnung
der gefilterten, negativen Motorspannung im synchronen Rahmen berechnen. In
einer beispielhaften Ausgestaltung wird die Motorspannung (ν –e / d
, ν –e / q
) im negativen,
synchronen Rahmen tiefpassgefiltert, um harmonische Wechselspannungskomponenten
der Spannung positiver Sequenz und anderes Rauschen zu eliminieren
und nur den Gleichspannungsanteil übrig zu lassen (zum Beispiel
eine Komponente, welche eine Frequenz von Null oder eine anderweitig
unmessbar niedrige Frequenz aufweist). In diesem Zusammenhang sollte
die Grenzfrequenz des digitalen Filters niedriger liegen, als die
Anregungsgungs-(oder Fundamental-)Frequenz der Motorströme.
-
In
einer beispielhaften Ausführungsform setzt
sich der Statordiagnoseprozess 200 fort, indem identifiziert
oder anderweitig bestimmt wird, ob ein Fehlerzustand in den Statorwicklungen
des elektrischen Motors, basierend auf einer charakteristischen Grüße des Gegensystems
der Motorspannung (Aufgabe 210), vorliegt. Gemäß einer
Ausgestaltung identifiziert der Statordiagnoseprozess 200 einen Fehlerzustand,
indem er die Größenordnung
des Gegensystems mit einem Schwellwert vergleicht und bestimmt,
ob die Größenordnung
des Gegensystems größer ist
als der Schwellwert. Der Schwellwert wird so gewählt, dass er eine Größenordnung
des Gegensystems darstellt, die bezeichnend ist für einen
Fehlerzustand. In diesem Zusammenhang ist der Schwellwert bevorzugter
Weise groß genug,
so dass ein Gegensystem, das diesen Schwellwert überschreitet, einem Fehlerzustand
zugeschrieben werden kann (zum Beispiel einem Kurzschluss und/oder einer
unterbrochenen Verbindung von Statorwicklungen) und nicht einem
Rauschen, Transienten, Komponententoleranzen oder anderen Effekten,
auf Schaltungsebene, wobei gleichzeitig der Schwellwert bevorzugter
Weise klein genug ist, um beginnende Fehlerzustände entdecken zu können. In
anderen Worten ist eine Größenordnung
des Gegensystems, welche die Größenordnung
des Schwellwerts überschreitet,
eine Veränderung
in der Impedanz einer oder mehrerer Phasen der Statorwicklungen
im Vergleich zu einer oder mehrerer der anderen Phasen der Statorwicklungen
(zum Beispiel einer Veränderung
des Widerstands und/oder der Induktivität von Statorwicklungen) zuzuschreiben
und deutet auf das Vorhandensein eines Fehlerzustands (oder auf
die Wahrscheinlichkeit eines Fehlerzustands) hin. Gemäß einer
Ausgestaltung beträgt
der Schwellwert ca. 5% der Größenordnung
der Gesamtmotorspannung (zum Beispiel der Größenordnung der Spannungsvorgabe
im synchronen Rahmen).
-
Gemäß einer
Ausgestaltungsform identifiziert der Statordiagnoseprozess 200 einen
Fehlerzustand, indem er die Änderungsrate
der Größenordnung
des Gegensystems bestimmt und bestimmt, ob diese Änderungsrate
größer ist
als ein Schwellwert für
die Änderungsrate.
Der Schwellwert für
die Änderungsrate
wird so gewählt,
dass er bezeichnend ist für
einen Fehlerzustands, wie oben beschrieben. In diesem Zusammenhang
kann der Statordiagnoseprozess 200 und/oder der Statorwicklungsdiagnoseblock 128 die Änderungsrate
der Größenordnung des
Gegensystems (zum Beispiel die Ableitung des Gegensystems) über einen
gewissen Zeitraum (zum Beispiel auf einer Sample-zu-Sample Basis)
berechnen oder anderweitig bestimmen. Jede Änderungsrate der Größenordnung
des Gegensystems, die den Schwellwert für die Änderungsrate überschreitet, wird
einem Fehlerzustand (zum Beispiel einem Kurzschluss und/oder einer
Unterbrechung von Statorwicklungen) zugeschrieben und nicht einem
Rauschen, Transienten, Toleranzen der Bauteile oder anderen Effekten
auf Schaltungsebene zuzuschreiben. Gemäß einer Ausgestaltung beträgt der Schwellwert für die Änderungsrate
ungefähr
5 V pro Sekunde.
-
In
einer beispielhaften Ausgestaltung wird die Schleife, welche durch
die Aufgaben 202, 204, 206, 208 und 210 definiert
wird, wiederholt, falls gewünscht
und falls der Statordiagnoseprozess 200 feststellt, dass
ein Fehlerzustand nicht existiert, bis, während des Betriebs des elektrischen
Motors, ein Fehlerzustand identifiziert wird. Auf diese Art und Weise
können
die Statorwicklungen des elektrischen Motors 106 konstant
und/oder kontinuierlich überwacht
werden (zum Beispiel auf einer Sample-zu-Sample Basis oder jedes
Mal, wenn der Regelkreis 130 aktualisiert wird). Zum Beispiel
können,
für einen
Regelkreis 130, welcher mit einer Samplerate von 10 kHz
arbeitet, die Statorwicklungen in 0,1 ms Intervallen überwacht
werden, womit es ermöglicht wird,
einen beginnenden Fehlerzustand zu identifizieren (daher kann ein
Fehlerzustand innerhalb von 0,1 ms identifiziert werden). Als Reaktion
auf die Identifikation eines Fehlerzustands fährt der Statordiagnoseprozess 200 fort,
indem er Abstellmaßnahmen
und/oder Maßnahmen,
welche einen sicheren und/oder effektiven Betrieb des elektrischen
Systems dienen, ergreift (Aufgabe 212). Gemäß einer
Ausgestaltung verhindert der Statordiagnoseprozess 200 einen
weiteren Betrieb des elektrischen Motors als Reaktion auf die Identifikation
eines Fehlerzustands. Zum Beispiel kann die Vorrichtung zur Steuerung 110 alle
Schalter des Wechselrichtermoduls 104 in einen offenen
Zustand versetzen, um Ströme
durch die Statorwicklungen zu verhindern. In einer weiteren Ausgestaltung
kann der Statordiagnoseprozess 200 den Betrieb des elektrischen
Motors mit eingeschränkter
Funktionalität
ermöglichen,
zum Beispiel indem das Kontrollschema so modifiziert wird, dass es
die Ströme,
welche durch den elektrischen Motor fließen, begrenzt oder indem die
Drehmomenterzeugung und/oder die Rotorgeschwindigkeit begrenzt wird.
Zusätzlich
kann der Statordiagnoseprozess 200 so ausgebildet sein,
dass er zusätzliche
Abhilfemaßnahmen
trifft, wie zum Beispiel das Bereitstellen einer Benachrichtigung über die
Fehlerzustände
an ein elektrisches System oder eine andere Komponente in dem Fahrzeug,
welche eine hörbare
und/oder sichtbare Warnung in dem Fahrzeug erzeugt. Es soll bemerkt
werden, dass eine beliebige Anzahl von Abhilfemaßnahmen und eine Vielzahl an
Kombinationen aus diesen in einer praktischen Ausgestaltungsform
benutzt werden können.
-
Um
es kurz zusammenzufassen, ein Vorteil der Vorrichtung und/oder der
Methode, welche zuvor beschrieben wurde, ist es, dass die Statorwicklungen eines
elektrischen Motors ständig überwacht
werden können,
wodurch es möglich
wird, einen sich anbahnenden Fehlerzustand oder einen Fehlerzustand
in einem frühen
Stadium leicht zu identifizieren und die nachteiligen Effekte des
Fehlerzustands zu verringern. Außerdem kann ein Fehlerzustand
auch für
den Fall, eines nicht stationären
transienten Motorbetriebs, erkannt und/oder diagnostiziert werden,
da die Erkennung des Fehlerzustands nicht auf einer Fast Fourier-Reihe
oder anderen rechenintensiven Techniken beruht. Ferner werden zusätzliche
Sensoren (welche die Kosten des Motordiagnosesystems erhöhen und
die Zuverlässigkeit
des Motordiagnosesystems verringern) zur Messung der Motorspannung vermieden.
-
Während mindestens
eine Gestaltungsart in der vorangehenden detaillierten Beschreibung
präsentiert
wurde, sollte beachtet werden, dass eine große Vielzahl an Variationen
existiert. Es sollte auch beachtet werden, dass die beispielhafte
Ausgestaltung oder Ausgestaltungen, welche hier beschrieben sind, nicht
dazu gedacht sind, den Geltungsbereich, die Anwendbarkeit oder die
Konfiguration des beanspruchten Gegenstands in irgendeiner Weise
einzuschränken.
Im Gegenteil wird die vorangehende detaillierte Beschreibung jenen,
die mit der Technik vertraut sind, einen bequemen Plan, zur Umsetzung
der beschriebenen Ausgestaltungsform oder Ausgestaltungsformen,
bieten. Es soll verstanden werden, dass eine Vielzahl von Änderungen
an der Funktion und an der Anordnung der Vorrichtungen vorgenommen werden
kann, ohne von dem Geltungsbereich, welcher durch die Ansprüche aufgestellt
wird, abzuweichen, was auch bekannte Äquivalente und, zur Zeit der
Beantragung dieses Patents, absehbare Äquivalente einschließt.
-
WEITERE AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
- 1. Elektrisches System, welches in einem Fahrzeug
benutzt werden kann, wobei das elektrische System umfasst:
– einen
elektrischen Motor, welcher Statorwicklungen umfasst;
– eine Energiequelle;
– ein Wechselrichtermodul,
welches zwischen die Energiequelle und die Statorwicklungen gekoppelt
ist, wobei das Wechselrichtermodul dazu ausgebildet ist, den Statorwicklungen
des elektrischen Motors eine vorgegebene Spannung von der Energiequelle
zur Verfügung
zu stellen;
– eine
Vielzahl an Stromsensoren, welche zwischen das Wechselrichtermodul
und die Statorwicklungen gekoppelt sind, wobei die Vielzahl an Stromsensoren
dazu ausgebildet ist, den Strom durch die Statorwicklungen zu messen,
was einen gemessenen Strom ergibt; und
– Eine Vorrichtung zur Steuerung,
welche an das Wechselrichtermodul und die Vielzahl an Stromsensoren
gekoppelt ist, wobei die Vorrichtung zur Steuerung dazu ausgebildet
ist, folgende Aufgaben auszuführen:
– Erhalten
einer Stromvorgabe, welche einem vorgegebenen Strom für die Statorwicklungen
entspricht;
– Erzeugen
einer Spannungsvorgabe, welche einer vorgegebenen Spannung entspricht,
welche auf der Differenz zwischen dem gemessenen Strom und dem vorgegebenen
Strom basiert;
– Bestimmen
einer Gegensystemspannung (englisch: ”negativ sequence voltage”) für die Statorwicklungen,
welche auf der Spannungsvorgabe basiert; und
– Identifizieren
eines Fehlerzustands in den Statorwicklungen, basierend auf dem
Gegensystem für
die Spannungen.
- 2. Elektrisches System nach Ausführungsform 1, wobei die Vorrichtung
zur Steuerung dazu ausgebildet ist, einen Fehlerzustand in den Statorwicklungen
durch die folgenden Schritte zu identifizieren:
– Bestimmen
der Gleichspannungskomponente der Gegensystemspannung; und
– Identifizieren
eines Fehlerzustands, falls die Größenordnung der Gleichspannungskomponente
der Gegensystemspannung einen Schwellwert überschreitet.
- 3. Elektrisches System nach Ausführungsform 1, wobei die Vorrichtung
zur Steuerung dazu ausgebildet ist, einen Fehlerzustand in den Statorwicklungen
durch die folgenden Schritte zu identifizieren:
– Bestimmen
der Gleichspannungskomponente der Gegensystemspannung; und
– Identifizieren
eines Fehlerzustands, falls eine Änderungsrate der Gleichspannungskomponente der
Gegensystemspannung einen Schwellwert überschreitet.
- 4. Elektrisches System nach Ausführungsform 1, wobei die Vorrichtung
zur Steuerung einen Stromregler umfasst, welcher dazu ausgebildet
ist, die Spannungsvorgabe, basierend auf der Differenz zwischen
dem gemessenen Strom und dem vorgegebenen Strom, zu erzeugen, dass
der gemessene Strom auf den vorgegebenen Strom geregelt wird.
- 5. Elektrisches System nach Ausführungsform 4, wobei der Stromregler
einen Synchron-Rahmen-Stromregler beinhaltet, der dazu ausgebildet ist,
die Spannungsvorgabe in einem, gegen den Uhrzeigersinn verlaufenden,
synchronen Bezugsystem zu erzeugen, was zu einer Spannungsvorgabe
im synchronen Rahmen (englisch: ”synchronous frame voltage
command”)
führt.
- 6. Elektrisches System nach Ausführungsform 5, wobei die Vorrichtung
zur Steuerung dazu ausgebildet ist, eine Gegensystemspannung durch
folgende Schritte zu bestimmen:
– Erhalten eines Transformationswinkels;
und
– Transformieren
der Spannungsvorgabe im synchronen Rahmen, basieren auf dem Transformationswinkel
in ein, im Uhrzeigersinn verlaufendes, Bezugssystem.
- 7. Elektrisches System nach Ausführungsform 6, wobei die Vorrichtung
zur Steuerung dazu ausgebildet ist, den Transformationswinkel aus
dem Verhältnis
von dem gemessenen Strom zu der Spannungsvorgabe zu bestimmen.
- 8. Elektrisches System nach Ausführungsform 6, welches ferner
ein Drehwinkelgeber-System umfasst, welches zwischen den elektrischen
Motor und die Vorrichtung zur Steuerung gekoppelt ist, wobei das
Drehwinkelgeber-System dazu ausgebildet ist, die Position des Rotors
des elektrischen Motors zu bestimmten, wobei die Vorrichtung zur Steuerung
dazu ausgebildet ist, den Transformationswinkel, basierend auf der
Position des Rotors zu bestimmen.
- 9. Verfahren zur Diagnose von Statorwicklungen in einem elektrischen
Motor in einem Fahrzeug, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
– Erzeugen
einer Spannungsvorgabe für
die Statorwicklungen, wobei die Spannungsvorgabe dazu ausgebildet
ist, den Strom durch die Statorwicklungen auf einen vorgegebenen
Wert zu regeln;
– Bestimmen
einer Gegensystemspannung, basieren auf der Spannungsvorgabe; und
Identifizieren
eines Fehlerzustands, basierend auf der Gegensystemspannung.
- 10. Verfahren nach Ausführungsform
9, wobei das Identifizieren des Fehlerzustands folgende Schritte
umfasst:
– Bestimmen
einer Gleichspannungskomponente der Gegensystemspannung; und
– Identifizieren
eines Fehlerzustand, basierend auf einer charakteristischen Größe der Gleichspannungskomponente
der Gegensystemspannung.
- 11. Verfahren nach Ausführungsform
10, wobei das Identifizieren des Fehlerzustands, basierend auf der
charakteristischen Größe der Gleichspannungskomponente
der Gegensystemspannung, beinhaltet, den Fehlerzustand zu identifizieren, wenn
eine Größenordnung
der Gleichspannungskomponente der Gegensystemspannung einen Schwellwert übersteigt.
- 12. Verfahren nach Ausführungsform
10, wobei das Identifizieren des Fehlerzustands, basierend auf der
charakteristischen Größe der Gleichspannungskomponente
der Gegensystemspannung, beinhaltet, den Fehlerzustand zu identifizieren, wenn
die Änderungsrate
der Gleichspannungskomponente einen Schwellwert übersteigt.
- 13. Verfahren nach Ausführungsform
10, welches ferner beinhaltet:
– Erhalten einer Stromvorgabe
für den
elektrischen Motor, wobei die Stromvorgabe dem vorgegebenen Wert
entspricht; und
– Messen
der Ströme
durch die Statorwicklungen, was in gemessenen Motorströmen resultiert,
wobei das Erzeugen der Spannungsvorgabe für die Statorwicklungen beinhaltet,
die Spannungsvorgabe basierend auf der Differenz zwischen der Stromvorgabe
und den gemessenen Motorströmen
zu erzeugen, so dass die gemessenen Motorströme auf den vorgegebenen Wert
geregelt werden.
- 14. Verfahren nach Ausführungsform
10, welches ferner beinhaltet:
– Erhalten einer Stromvorgabe
im synchronen Rahmen für
den elektrischen Motor; und
– Erhalten eines Stroms durch
die Statorwicklungen im synchronen Rahmen, wobei das Erzeugen der
Spannungsvorgabe für
die Statorwicklungen, das Erzeugen einer Spannungsvorgabe im synchronen
Rahmen, basierend auf einer Differenz zwischen der Stromvorgabe
im synchronen Rahmen und dem Motorstrom im synchronen Rahmen, beinhaltet,
so dass der Motorstrom im synchronen Rahmen auf die Stromvorgabe
im synchronen Rahmen geregelt wird.
- 15. Verfahren nach Ausführungsform
14, wobei das Bestimmen der Gegensystemspannung folgende Schritte
beinhaltet:
– Transformation
der Spannungsvorgabe im synchronen Rahmen in ein negatives synchrones
Bezugssystem, wobei sich eine Spannung im negativen, synchronen
Bezugsystem ergibt;
– Filtern
der Spannung im negativen, synchronen Bezugsystem, wobei sich eine
gefilterte Spannung im negativen, synchronen Bezugsystem ergibt.
– Bestimmen
der Größenordnung
der gefilterten Spannung im negativen, synchronen Bezugsystem.
- 16. Verfahren zur Diagnose von Statorwicklungen in einem elektrischen
Motor, welcher durch einen strom-regelnden Regelkreis gesteuert
wird, wobei der strom-regelnde Regelkreis dazu ausgebildet ist,
dem elektrischen Motor eine vorgegebene Spannung zur Verfügung zu
stellen, wobei die vorgegebene Spannung eine strom-geregelte Spannung
beinhaltet, welche auf der Differenz zwischen einem vorgegebenen
Strom und einem, durch die Statorwicklungen, gemessenen Strom basiert,
wobei das Verfahren folgende Schritte beinhaltet:
– Bestimmen
des Gegensystems der vorgegebenen Spannung; und
– Identifizieren
eines Fehlerzustands, wenn eine charakteristische Größe des Gegensystems
größer ist,
als ein Schwellwert.
- 17. Verfahren nach Ausführungsform
16, wobei die vorgegebene Spannung in einem synchronen Bezugsystem
dargestellt wird, wobei das Bestimmen des Gegensystems der vorgegebenen
Spannung folgende Schritte beinhaltet:
– Transformieren der vorgegebenen
Spannung aus dem synchronen Bezugsystem in ein negatives synchrones
Bezugsystem, was in einer Spannung im negativen, synchronen Bezugsystem
resultiert; und
– Bestimmen
einer Größenordnung
einer Gleichspannungskomponente der Spannung im negativen, synchronen
Bezugsystem.
- 18. Verfahren nach Ausführungsform
17, wobei das Erkennen des Fehlerzustands, basierend auf der charakteristischen
Größe des Gegensystems, beinhaltet,
den Fehlerzustand zu Identifizieren, wenn eine Größenordnung
der Gleichspannungskomponente der Spannung im negativen, synchronen
Bezugsystem einen Schwellwert überschreitet.
- 19. Verfahren nach Ausführungsform
17, wobei das Erkennen des Fehlerzustands, basierend auf der charakteristischen
Größe des Gegensystems, beinhaltet,
den Fehlerzustand zu identifizieren, wenn die Änderungsrate der Gleichspannungskomponente
der Spannung im negativen, synchronen Bezugsystem einen Schwellwert überschreitet.
- 20. Verfahren nach Ausführungsform
17, wobei es ferner beinhaltet, die Spannung im negativen, synchronen
Bezugsystem Tiefpass zu filtern, was in einer Gleichspannungskomponente
der Spannung im negativen, synchronen Bezugsystem resultiert.