DE102010053098A1

DE102010053098A1 - Verfahren zur Überwachung eines Rotorlagegebers

Info

Publication number: DE102010053098A1
Application number: DE102010053098A
Authority: DE
Inventors: Heiko Peter; Ingo Hahn
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-12-01
Filing date: 2010-12-01
Publication date: 2012-06-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung eines Rotorlagegebers (4), der ein Rotorlagesignal (4) eines elektrischen Antriebs (3) bereitstellt. Der elektrische Antrieb wird von einem Antriebsregelgerät (1, 2) mit elektrischer Energie versorgt. Über zumindest eine elektrische Spannung (8) am elektrischen Antrieb liegt ein Spannungssignal (8) vor, über eine elektrische Stromstärke (5) am elektrischen Antrieb liegt ein Stromsignal (5) vor. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Einlesens des Rotorlagesignals, einem Schritt des Einlesens des Spannungssignals und/oder des Stromsignals und einem Schritt des Ermittelns eines Fehlersignals (7) für das Rotorlagesignal. Für das Ermitteln des Fehlersignals wird ein Modell des elektrischen Antriebs verwendet, das aus dem Rotorlagesignal, dem Spannungssignal und/oder dem Stromsignal das Fehlersignal ermittelt, um unter Verwendung des Fehlersignals den Rotorlagegeber zu überwachen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung eines Rotorlagegebers, sowie eine Vorrichtung zur Überwachung eines Rotorlagegebers gemäß den Hauptansprüchen.
Eine herkömmliche sichere Überwachung eines elektrischen Antriebs in Bezug auf eine Position oder Lage eines Rotors des elektrischen Antriebs benötigt eine redundante Ausführung von positionsgebenden Sensoren für den Rotor. Werden die Sensoren mittels einer einzigen Kupplung mit dem Rotor verbunden, kann ein Defekt der Kupplung nicht erkannt werden, da die Sensoren gemeinsam betroffen sind. Auch gibt es sicherheitsgerichteten Messsysteme, die in einem Gerät Zweikanaligkeit gewährleisten. Daher ist es erforderlich, die Kupplung ausfallsicher zu dimensionieren, was zu höheren Herstellungskosten und einem höherem Systemgewicht oder zusätzlichem Platzbedarf führt. Bekannte Lösungen sind zum einen an die Größen der feldorientierten Regelung gebunden und zum anderen versagen die Verfahren bei Stillstand oder kleinen Drehzahlen und starker Beschleunigung.
Beispielsweise zeigt die DE 100 35 783 A1 eine Vorrichtung zur Überwachung eines Meßsystems eines elektrischen Antriebs, die eine Signalerfassung zur Fehlererkennung des Meßsystems aufweist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Überwachung eines Rotorlagegebers, sowie eine verbesserte Vorrichtung zur Überwachung eines Rotorlagegebers zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Überwachung eines Rotorlagegebers, sowie eine Vorrichtung zur Überwachung eines Rotorlagegebers gemäß den Hauptansprüchen gelöst.
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein analytisches Gleichungssystem welches entweder vorhandene Redundanz im System ausnutzt oder diese generiert, um einen montierten Rotorlagegeber als Meßsystem auf Fehler hin zu überwachen. Grundlage des Gleichungssystems ist dabei ein erweitertes Maschinemodell, welches im Gegensatz zu einem Grundwellenmodell auch Sättigungseffekte mitberücksichtigt. Daraus resultiert eine Erweiterung des Maschinenmodells welches weiterhin Harmonische der diskreten Wicklungsverteilung und die Nutung des Stators als lageabhängige Komponente mitberücksichtigen kann. Auch können Sättigungseffekte miteinbezogen werden, ob aber Harmonische mitberücksichtigt werden kann von der Maschine abhängen. Dabei kann ein möglicher Bruch einer Geberwelle oder ein Schlupf der Geberwelle erkannt werden. Es kann eine Überwachungseinrichtung für ein am Rotor montierte Meßsystem geschaffen werden, welche im ganzen Drehzahlbereich und auch bei starken Beschleunigungsfahrten und Verzögerungsfahrten zuverlässig funktioniert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass eine echte Redundanz in einer Rotorpositionsmessung eines elektrischen Antriebs durch eine Trennung von unterschiedlichen physikalischen Messverfahren erreichbar ist. Dabei ist es erforderlich, keine gemeinsamen Messwege und Signalwege zu nutzen, um mit einer hohen Sicherheit eine Aussage über einen Fehler in einem der Messwege oder in einem der Signalwege treffen zu können. Dabei bietet sich eine Verwendung von Ansteuersignalen des Antriebs und Reaktionen des Antriebs auf die Steuersignale als ein Messweg an. Als weiterer Messweg bietet sich eine herkömmliche Drehzahl- und Lageerfassung an, die über einen Sensor erfolgt, der beispielsweise die Lage des Rotors der elektrischen Maschine direkt auf einer mit dem Antrieb verbundenen Welle misst.
Vorteilhafterweise kann durch eine Berechnung des elektrischen Antriebs anhand eines erweiterten Modells des elektrischen Antriebs mittels zumindest eines Gleichungssystems ein Ungleichgewicht im Gleichungssystem als Fehler leicht und schnell gefunden werden.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Überwachung eines Rotorlagegebers, der ein Rotorlagesignal eines elektrischen Antriebs bereitstellt, wobei der elektrische Antrieb von einem Antriebsregelgerät mit elektrischer Energie versorgt wird, und über zumindest eine elektrische Spannung am elektrischen Antrieb ein Spannungssignal vorliegt, und über eine elektrische Stromstärke am elektrischen Antrieb ein Stromsignal vorliegt. Dabei weist das Verfahren einen Schritt des Einlesens des Rotorlagesignals; einen Schritt des Einlesens des Spannungssignals und/oder des Stromsignals; und einem Schritt des Ermittelns eines Fehlersignals für das Rotorlagesignal aus dem Rotorlagesignal, dem Spannungssignal und/oder dem Stromsignal auf, wobei für das Ermitteln des Fehlersignals ein Modell des elektrischen Antriebs verwendet wird, um unter Verwendung des Fehlersignals den Rotorlagegeber zu überwachen.
Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Überwachung eines Rotorlagegebers, der ein Rotorlagesignal eines elektrischen Antriebs bereitstellt, wobei der elektrische Antrieb von einem Antriebsregelgerät mit elektrischer Energie versorgt wird, und über zumindest eine elektrische Spannung am elektrischen Antrieb ein Spannungssignal vorliegt, und über eine elektrische Stromstärke am elektrischen Antrieb ein Stromsignal vorliegt, wobei die Vorrichtung eine Einrichtung zum Einlesen des Rotorlagesignals; eine Einrichtung zum Einlesen des Spannungssignals und/oder des Stromsignals; und eine Einrichtung zum Ermitteln eines Fehlersignals für das Rotorlagesignal aus dem Rotorlagesignal, dem Spannungssignal und/oder dem Stromsignal aufweist, wobei für das Ermitteln des Fehlersignals ein Modell des elektrischen Antriebs verwendet wird um unter Verwendung des Fehlersignals den Rotorlagegeber zu überwachen.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert ist und zur Durchführung des Verfahrens nach einem der beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Steuergerät oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Unter einem Rotorlagegeber kann eine Messeinheit zur Ermittlung einer Lage eines Rotors verstanden werden. Der Rotorlagegeber kann direkt mit einem Rotor eines elektrischen Antriebs verbunden sein. Zwischen Rotorlagegeber und Rotor kann eine Kupplung angeordnet sein, die eine Drehbewegung des Rotors auf den Rotorlagegeber übertragen kann. Ein Rotorlagesignal kann die Lage des Rotors im elektrischen Antrieb repräsentieren. Der Rotorlagegeber kann beispielsweise zumindest ein Signal bereitstellen, wenn ein vorbestimmter Punkt auf dem Rotor einen vorbestimmten Punkt auf dem elektrischen Antrieb passiert. Ebenso kann der Rotorlagegeber ein Signal bereitstellen, wenn der vorbestimmte Punkt auf dem Rotor eine vorbestimmte Strecke zwischen zwei vorbestimmten Punkten auf dem elektrischen Antrieb zurückgelegt hat. Ein elektrischer Antrieb kann ein Elektromotor mit einem feststehenden Stator und einem drehbaren Rotor sein. Der Rotor kann ein rotorfestes Magnetfeld aufweisen. Insbesondere ist das hier vorgestellte Verfahren auf Synchronmaschinen bezogen. Der Stator kann ein veränderliches Magnetfeld aufweisen, das durch eine Wechselwirkung mit dem rotorfesten Magnetfeld eine Drehung des Rotors bewirken kann. Ein Antriebsregelgerät kann elektrische Energie zum Antreiben des elektrischen Antriebs bereitstellen. Beispielsweise kann das Antriebsregelgerät elektrische Energie in drei (Spannungs-)Phasen für den elektrischen Antrieb bereitstellen. Dabei können in den drei Phasen beispielsweise durch Pulsweitenmodulation sinusähnliche elektrische Spannungsverläufe erzeugt werden. Durch die Spannungsverläufe können in dem elektrischen Antrieb elektrische Ströme hervorgerufen werden. Die elektrischen Ströme können das veränderliche Magnetfeld des Stators bewirken. Die Spannungen oder Spannungsverläufe können erfasst werden und als Spannungssignal repräsentiert werden. Die Ströme oder Stromverläufe können erfasst werden und als Stromsignal repräsentiert werden. Ein Modell kann eine mathematische Abbildung des elektrischen Antriebs sein. Beispielsweise kann das Modell ein analytisches Gleichungssystem sein.
Ein Fehlersignal kann ein Residuenwert des analytischen Gleichungssystems sein. Eine Größe des Fehlersignals kann ein eine Größe eines Ungleichgewichts zwischen dem Rotorlagesignal und dem Spannungssignal und dem Stromsignal repräsentieren.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann im Schritt des Ermittelns ein Fehler erkannt werden, wenn das Fehlersignal unterhalb eines vorbestimmten unteren Grenzwerts oder oberhalb eines vorbestimmten oberen Grenzwerts eines Toleranzbereichs liegt. Unter einem Grenzwert kann ein Schwellenwert verstanden werden, ab dem ein Fehler erkannt wird. Durch die Verwendung eines Toleranzbereichs kann eine überempfindliche Fehlererkennung vermieden werden. Beispielsweise können so Ungenauigkeiten in einer Erfassung von Messwerten ausgeglichen oder kompensiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Ermittelns das Fehlersignal gefiltert werden, wobei insbesondere hochfrequente Signalanteile ausgefiltert werden. Unter einer Filterung kann eine Unterdrückung unerwünschter Signalbestandteile verstanden werden. Beispielsweise können hochfrequente Signalbestandteile wie Rauschen durch ein Tiefpass-Filterung eliminiert oder zumindest gedämpft werden. Dadurch kann das Fehlersignal geglättet werden und tatsächliche Fehler besser erkannt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann im Schritt des Ermittelns ein Modell verwendet werden, das zusätzlich zu zumindest einer direkten Induktivität zumindest eine Koppelinduktivität des elektrischen Antriebs und/oder zumindest eine Kreuzinduktivität des elektrischen Antriebs abbildet. Unter einer Koppelinduktivität kann eine gegenseitige Beeinflussung zweier oder mehrerer Induktivitäten verstanden werden. Dadurch kann das Modell verbessert werden und auch bei schnellen Beschleunigungsfahrten und schnellen Verzögerungsfahrten des elektrischen Antriebs ein sicheres Fehlersignal bereitstellen.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann im Schritt des Ermittelns ein Modell verwendet werden, das auf zumindest den folgenden Gleichungen basiert,
wobei u_sd eine Spannung des Stators in der flussbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems repräsentiert,
wobei u_sq eine Spannung des Stators in der drehmomentbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems repräsentiert,
wobei R_s einen Widerstand im Stator repräsentiert,
wobei i_sd eine Stromstärke des Stators in der flussbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems repräsentiert,
wobei L^~ _dd eine differentielle Induktivität die den Einfluss des flussbildenden Stroms auf die Flussverkettung in die flussbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems repräsentiert,
wobei
eine Differenzierung eine Stromstärke des Stators in der flussbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems nach der Zeit repräsentiert,
wobei L^~ _dq eine differentielle Induktivität die den Einfluss des drehmomentbildenden Stroms auf die Flussverkettung in die flussbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems repräsentiert,
wobei
eine Differenzierung eine Stromstärke des Stators in der drehmomentbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems nach der Zeit repräsentiert,
wobei ω eine elektrische Winkelgeschwindigkeit des Rotors repräsentiert,
wobei L_qq eine absolute Induktivität die den Einfluss des drehmomentbildenden Stroms auf die Flussverkettung in die drehmomentbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems repräsentiert,
wobei L_qd eine absolute Induktivität die den Einfluss des flussbildenden Stroms auf die Flussverkettung in die drehmomentbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems repräsentiert,
wobei i_sq eine Stromstärke des Stators in der drehmomentbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems repräsentiert,
wobei L^~ _qd eine differentielle Induktivität die den Einfluss des flussbildenden Stroms auf die Flussverkettung in die drehmomentbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems repräsentiert,
wobei L^~ _qq eine differentielle Induktivität die den Einfluss des drehmomentbildenden Stroms auf die Flussverkettung in die drehmomentbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems repräsentiert,
wobei L_dd eine absolute Induktivität die den Einfluss des flussbildenden Stroms auf die Flussverkettung in die flussbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems repräsentiert,
wobei L_dq eine absolute Induktivität die den Einfluss des drehmomentbildenden Stroms auf die Flussverkettung in die flussbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems repräsentiert,
wobei Ψ_M eine Flussverkettung des Rotors repräsentiert,
wobei die Induktivitäten nicht konstant sind, sondern entsprechend des vorliegenden elektrischen Antriebs und dessen Betriebspunkten nachgeführt werden. Auf Grundlage dieser Gleichungen erfolgt sowohl die Überwachung im mittleren bis hohen Drehzahlbereich, als auch im Stillstandsbereich, wobei dort eine aktive Anregung erforderlich sein kann. In den vorstehend wiedergegebenen Gleichungen wird somit mit dem Index d die flussbildende Richtung im rotorfesten Koordinatensystem und mit dem Index q die drehmomentbildende Richtung im rotorfesten Koordinatensystem bezeichnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin einen Schritt des Aufprägens eines Testsignals auf den elektrischen Antrieb und einem Schritt des Bestimmens von zumindest einer Veränderung im Testsignal, hervorgerufen durch den elektrischen Antrieb, um unter Verwendung der Veränderung eine Rotorlageinformation zu erhalten, wobei im Schritt des Aufprägens das Testsignal auf den elektrischen Antrieb aufgeprägt wird, wenn eine aktuelle Drehzahl des elektrischen Antriebs unter einer vorbestimmten Drehzahl liegt. Unter einem Testsignal kann eine Spannung oder ein Strom ohne oder mit vernachlässigbarer mechanischer Wirkung im elektrischen Antrieb verstanden werden. Bei niedrigen Drehzahlen des Rotors oder im Stillstand sind die im elektrischen Antrieb hervorgerufenen Ströme nicht mehr über eine momentane Lage des Magnetfelds des Rotors aussagekräftig. Durch eine Verzerrung des Testsignals auf Grund von magnetischen Sättigungseffekten und/oder unterschiedlicher magnetischer Widerstände (Schenkelpolverhalten), die im elektrischen Antrieb durch das Testsignal hervorgerufen werden können, kann eine Information über eine Rotorlage gewonnen werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Testsignal ein hochfrequentes, insbesondere sinus- oder cosinusförmiges Signal sein. Durch eine hohe Frequenz bei einer vordefinierten Signalform können mechanische Wirkungen im elektrischen Antrieb minimiert und die Verzerrung des Testsignals durch einfachen Vergleich zwischen dem ausgesandten Testsignal und der empfangenen Signalform erkannt werden.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann im Schritt des Aufprägens eine Amplitude des Testsignals in Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl des elektrischen Antriebs geändert werden. Dadurch kann eine abrupte Änderung eines Signalpegels am elektrischen Antrieb vermieden werden und eine Signalauswertung an eine Eigenerregung des elektrischen Antriebs optimiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin einen Schritt des Vermessens des elektrischen Antriebs, um das Modell zu erhalten. Unter einer Vermessung kann ein Aufzeichnen von elektrischen Parametern und/oder mechanischen Parametern des elektrischen Antriebs in vorgegebenen Betriebspunkten des elektrischen Antriebs verstanden werden. Aus den Parametern kann das Modell ermittelt werden. Dadurch können komplexe Zusammenhänge im individuellen elektrischen Antrieb im Modell abgebildet werden, die beispielsweise bei einem Herstellungsprozess dieses Antriebs individuell ausgestaltet sind.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Überwachung eines Rotorlagegebers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Überwachung eines Rotorlagegebers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Gleiche oder ähnliche Elemente können in den nachfolgenden Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können. Weiterhin ist die Erfindung in der nachfolgenden Beschreibung eventuell unter Verwendung von unterschiedlichen Maßen und Dimensionen erläutert, wobei die Erfindung nicht auf diese Maße und Dimensionen eingeschränkt zu verstehen ist. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder”-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal/Schritt und einem zweiten Merkmal/Schritt, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal/den ersten Schritt als auch das zweite Merkmal/den zweiten Schritt und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal/Schritt oder nur das zweite Merkmal/Schritt aufweist.
1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Überwachung eines Rotorlagegebers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren weist einen Schritt 102 des Einlesens eines Rotorlagesignals, sowie (beispielsweise parallel hierzu) einen Schritt 104 des Einlesens eines Spannungssignals und/oder eines Stromsignals auf. In einem Schritt 106 des Ermittelns wird aus dem Rotorlagesignal, dem Spannungssignal und/oder dem Stromsignal ein Fehlersignal ermittelt, um unter Verwendung des Fehlersignals den Rotorlagegeber zu überwachen. Das Rotorlagesignal wird von dem Rotorlagegeber bereitgestellt und repräsentiert eine Lage eines Rotors innerhalb eines elektrischen Antriebs. Das Spannungssignal repräsentiert zumindest eine elektrische Spannung, die von einem Antriebsregelgerät des elektrischen Antriebs für den elektrischen Antrieb zum Antreiben des elektrischen Antriebs bereitgestellt wird. Das Stromsignal repräsentiert zumindest einen elektrischen Strom, der aufgrund der elektrischen Spannung durch den elektrischen Antrieb fließt. Im Schritt 106 des Ermittelns wird das Fehlersignal anhand eines Modells des elektrischen Antriebs ermittelt.
Das hier vorgestellte Verfahren kann bei sicherheitstechnisch überwachten Antrieben angewandt werden, um über Redundanz den Ausfall oder Fehler des Rotorlagegebers für eine Messung der Rotorlage und/oder der Rotordrehzahl zu erkennen. Dadurch ergibt sich ein Kosteneinsparpotential durch einen Wegfall eines weiteren redundanten Meßsystems oder einer redundanten Messeinheit oder einen Wegfall einer Überdimensionierung des Meßsystems, wie verstärkte Rotorlagegeber oder Rotordrehzahlgeber und Kupplungen. Das vorgestellte Verfahren ist unabhängig von der feldorientierten Regelung des elektrischen Antriebs und kann somit auch in einer Zusatzeinheit angewandt werden. Weiterhin ist eine zuverlässige Erkennung von Geberfehlern in allen Drehzahlbereichen und Beschleunigungsbereichen möglich.
Aufgrund der Anordnung der signalgebenden Komponenten können mit dem Verfahren auch Fehler bei der Auswertung und bei der Übertragung der Gebersignale erkannt werden.
Für eine Erstellung eines zum Modell gehörigen Gleichungssystems sind verschiedene Wege denkbar. Zum einen kann beispielsweise ein einfaches Motormodell auf Grundlage der Maschinengleichung verwendet werden, welches durch die mathematische Nachbildung des Motors Redundanz generiert. Als weiteres Beispiel kann auf eine Beobachter- oder eine MRAS-Struktur (MRAS = Modell Reference Adaptive System) zurückgegriffen werden. Ebenfalls denkbare Beispiele können auf einer strukturellen Analyse mittels Graphentheorie oder einer Gleichungsermittlung auf Basis der sogenannten Parity Space Methode basieren.
Allen möglichen Ausführungsbeispielen der Erfindung als Verfahren ist gemein, dass durch das Modell, beispielsweise das Gleichungssystem kein redundanter Lage- bzw. Drehzahlwert ermittelt wird, aber implizit enthalten sein kann. Beispielsweise kann ein Residuum in einem Wert bestehen, der ein Lagesignal abzüglich eines redundanten Lagesignals repräsentiert. Alle eingelesenen, gemessenen und gestellten Größen gehen in das Modell, insbesondere das Gleichungssystem ein, welches einen sogenannten Residuenwert liefert. Im fehlerfreien Fall ist das Gleichungssystem im Gleichgewicht, wodurch der Residuenwert beispielsweise Null ist. Stellt sich aufgrund eines Fehlers im Meßsystem ein Ungleichgewicht ein, so kann dies am Residuumswert erkannt werden. Das Gleichungssystem wird in einer Rechnereinheit zyklisch abgearbeitet, die Eingangswerte sollen während der Zyklen zur Verfügung stehen. Zur Fehlererkennung wird nun der Residuumswert ausgewertet. Hierzu ist optional eine Filtereinheit erforderlich um ein eventuell vorhandenes Rauschen zu unterdrücken. Mittels einer einfachen Grenzwertüberwachung kann ermittelt werden, ob ein Fehler eingetreten ist oder nicht.
Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren wird bei dieser Erfindung nicht das Grundwellenmodell der elektrischen Maschine zugrunde gelegt, sondern ein erweitertes Modell. Beim Grundwellenmodell auf Basis einer permanentmagneterregten Synchronmaschine wird von einer relativ idealen elektrischen Maschine ausgegangen. Hierdurch ergeben sich erhebliche Probleme bei der Fehlerüberwachung von schnellen Beschleunigungsfahrten bzw. Verzögerungsfahrten und bei Überlast. Um diese Probleme zu eliminieren wird in dem hier vorgestellten Ansatz ein erweitertes Maschinenmodell zugrunde gelegt, welches beispielsweise neben den direkten Induktivitäten auch die Koppel- bzw. Kreuzinduktivitäten mitberücksichtigt, welche außerdem sättigungsabhängig nachgeführt werden können. So werden bei den Induktivitätswerten in den Gleichungen beispielsweise keine konstanten Werte angenommen, sondern stromabhängige und somit sättigungsabhängige Induktivitätswerte zugrunde gelegt. Auf diese Weise ergeben sich weder bei Überlast noch bei starken Beschleunigungs- und Bremsvorgängen Gleichgewichtsfehler in dem Gleichungssystem. Zur Realisierung des Verfahrens ist allerdings eine genaue Kenntnis der stromabhängigen Induktivitätswerte erforderlich, die durch eine Vermessung der elektrischen Maschine vor dem Betrieb gewonnen werden kann.
Ein weiterer Vorteil des vorgestellten Verfahrens ist darin zu sehen, dass auch im Bereich des Stillstandes und im Bereich kleiner Drehzahlen eine Fehlerüberwachung durchgeführt werden kann. Aufgrund einer Nichtbeobachtbarkeit des Systems einer elektrischen Maschine im Stillstand und in der Praxis bei kleinen Drehzahlen, kann über die Maschinengleichungen nicht auf die aktuelle Lage oder die Drehzahl geschlossen werden. Hierdurch versagen alle denkbaren Varianten für die Erstellung eines Gleichungssystems. Wird allerdings die elektrische Maschine durch ein aktiv eingeprägtes Signal angeregt, so kann auch bei Stillstand und bei kleinen Drehzahlen auf die Lage und die Drehzahl geschlossen werden. Hierdurch ist ebenfalls eine Auswertung des analytischen Gleichungssystems möglich, wodurch eine Fehlererkennung zuverlässig durchgeführt werden kann.
Zur aktiven Anregung der elektrischen Maschine sind viele Varianten denkbar. Beispielsweise gestaltet sich die Anregung am einfachsten durch die Überlagerung eines hochfrequenten Sinussignals auf die Spannungsstellwerte der Antriebsregelung. Aber auch gezielte Spannungsimpulse, wie sie bei einigen geberlosen Regelverfahren angewandt werden, sind dabei zielführend. Da das Gleichungssystem nur bei richtiger Orientierung des Rotors im Gleichgewicht bleibt, kann somit über Testsignalinjektion die Stellung des Rotors sowohl bei Stillstand als auch bei kleinen Drehzahlen zuverlässig überwacht werden.
Da das injizierte Testsignal nur bei kleinen Drehzahlen und im Stillstand benötigt wird, kann die Amplitude des Testsignals abhängig von der Drehzahl gestellt werden. Hierdurch können die aufgrund der Signaleinprägung entstehenden Geräusche auf ein Minimum reduziert werden. Im Bereich mittlerer und hoher Drehzahlen kann auf die Signaleinprägung vollständig verzichtet werden, da durch die Drehung des Rotors genügend Systemanregung stattfindet.
2 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Überwachung eines Rotorlagegebers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein Antriebsregelgerät 1, 2 beinhaltet eine feldorientierte Regelung mit Koordinatentransformation, Stromregler, Drehzahlregler und eventuell Lageregler und Feldregler. Die von der feldorientierten Regelung auf dem Steuerteil 1 generierten Stellgrößen werden als Spannungswerte 8 über eine PWM-Generation auf einen Stromrichter 2 gegeben. Die vom Stromrichter 2 erzeugten Spannungen werden an Klemmen eines dreiphasigen Motors 3 angelegt. Als Rückmeldung über aktuelle Ist-Ströme dienen Strom-Messelemente 5. Die Stromwerte 5 werden im Steuerteil 1 ausgewertet. An einer Rotorwelle des Motors 3 ist ein Meßsystem 4 über eine Kupplung angebracht. Das Meßsystem 4 stellt einen Lage- bzw. Drehzahlistwert zur Verfügung. Der Lage- bzw. Drehzahlistwert ist ein Eingangssignal des Steuerteils 1. Aufgrund eines fehlenden Sternpunkts des Motors 3 ist die Messung von zwei Motorströmen ausreichend. Bei dieser Anordnung erfolgt keine Messung der Klemmenspannungen, sondern es erfolgt eine Ermittlung der Spannungen über eine gemessene Zwischenkreisspannung. Zur Verbesserung der Auswertung können Spannungsabfälle am Stromrichter 2 mitberücksichtigt werden. Die Vorrichtung 6 zur Überwachung des Meßsystems 4 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ermittelt aus den gestellten Spannungen 8, den Motorströmen 5 und der gemessenen Drehzahl bzw. Lage 4 eine Residuengleichung, deren Ergebnis 7 eine Aussage über Korrektheit des gemessenen Drehzahlsignals bzw. Lagesignals liefert. In der Vorrichtung wird ein analytisches Gleichungssystem auf Basis der Maschinengleichungen berechnet, welches durch die generierte Redundanz Aussage über die Plausibilität des gemessenen Gebersignals machen kann. Als Maschinengleichungen kommen beispielsweise die vorstehend genannten Gleichungen in Betracht.
Sind die Spannungen 8 und die Ströme 5 nicht ausreichend, um eine Aussage im Gleichungssystem zu generieren, so erfolgt eine Anregung des Steuerteils 1 mit einem Testsignal 9. In 2 ist die aktive Einspeisung somit durch den Pfeil 9 gekennzeichnet. Das Testsignal wird dann den Spannungen 8 und den Strömen 5 überlagert. Aufgrund von Sättigungseffekten im Rotor des Motors 3 werden die das Testsignal in den Strömen 5 jedoch verzerrt. Aus einer gemessenen und erkannten Verzerrung kann die Rotorlage auch im Stillstand des Motors 3 und/oder bei geringer Drehzahl des Motors ermittelt werden.
Der grundsätzliche Aufbau eines elektrischen Antriebes, der gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, besteht somit aus einer elektrischen Maschine 3 (Motor), an welchem ein Meßsystem 4 zur Ermittlung der Rotorlage angebracht ist. Weiterhin ist ein Antriebsregelgerät 1, 2 zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 3 erforderlich, das die gewünschte Spannung stellt. Das Antriebsregelgerät 1, 2 besteht nach aktuellem Stand der Technik aus einem Leistungsteil 2 und einem Steuerteil 1, wobei auf dem Leistungsteil 2 der Stromrichter untergebracht ist und das Steuerteil 1 den Stromrichter beispielsweise mit PWM-Steuersignalen ansteuert. Weiterhin sind oft weitere Elemente für Feldbusansteuerung und digitale Ein- und Ausgänge an dem Antriebsregelgerät 1, 2 integriert. Das Steuerteil 1 beinhaltet in der Regel eine Rechnereinheit, die die erforderlichen PWM-Signale generiert. Oft wird hierzu eine feldorientierte Regelung eingesetzt, die die dreisträngigen Motorsignale aus Spannungen und Strömen zuerst in ein statorfestes, zweisträngiges und dann in ein rotorfestes Koordinatensystem transformiert. Auf Grundlage dieses Koordinatensystems ist eine Stromregelung implementiert, der im Allgemeinen eine Drehzahlregelung und gegebenenfalls wiederum eine Lageregelung überlagert ist. Grundlage für die Lage- und Drehzahlregelung und auch für die Koordinatentransformation auf das rotorfeste Koordinatensystem ist der Messwert der aktuellen Rotorlage.
Soll aus diesem normalen elektrischen Antrieb ein sicherheitsgerichteter Antrieb werden, so muss zu jeder Zeit gewährleistet werden, dass sich die Rotorwelle an der gewünschten Stelle befindet oder sich mit der gewünschten Drehzahl bewegt. Das Meßsystem 4 der Rotorwelle gibt über die aktuelle Istsituation Auskunft. Dabei kann bei insbesondere bei einem Auftreten eines Fehlersignals, das einer Abweichung der aktuellen Drehzahl (Istsituation) von der gewünschten und/oder angesteuerten Drehzahl des elektrischen Antriebs entspricht, ein Notstop des elektrischen Antriebs eingeleitet werden. Allerdings sollte sichergestellt werden, dass die komplette Messeinheit 4 mit Auswerte- und Vergleichseinheit zuverlässig funktioniert. Um dies zu gewährleisten ist Redundanz erforderlich. Hierzu wurde in früheren Antrieben oft ein zweites Meßsystem angebaut, welches über eine zusätzliche Auswerteeinheit ausgewertet und auf Gleichheit überwacht wurde.
In den letzten Jahren hat sich allerdings der Trend durchgesetzt, dass die zusätzliche Auswerteeinheit als ein zweiter Kanal direkt in das Antriebsregelgerät 1, 2 integriert wird. Hierdurch kann zusätzliche Hardware eingespart werden. In einem weiteren Entwicklungsschritt sollte der Platz und die Kosten für das zweite Meßsystem eingespart werden, wodurch Meßsysteme entwickelt wurden, die die Rotorlage zweikanalig innerhalb eines Geräts auswerteten und somit für Redundanz sorgten. Einziger Schwachpunkt der Anordnung ist die Kupplung des Meßsystems 4 an die Rotorwelle, denn im Falle einer Entkopplung des Meßsystems 4 von der Rotorwelle kann der Fehler nicht erkannt werden, da die Zweikanaligkeit erst bei der Auswertung des Meßsystems beginnt. Um dieses Problem zu lösen wird die Kupplung im Stand der Technik mehrfach überdimensioniert, damit die Wahrscheinlichkeit eine Bruchs oder eines Schlupfes der Geberwelle auf ein Minimum reduziert wird. Dies ist mit Verwendung der hier vorgestellten Erfindung nicht mehr erforderlich.
Die gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

1: Steuerteil
2: Stromrichter
3: Motor, elektrischer Antrieb
4: Meßsystem, Rotorlagegeber, Rotorlagesignal
5: Strom-Messelemente, Stromwerte, Stromsignal
6: Vorrichtung
7: Ergebnis, Fehlersignal
8: Spannungen, Spannungssignal
9: aktive Einspeisung, Testsignal,
102: Einlesen des Rotorlagesignals
104: Einlesen des Spannungssignals und des Stromsignals
106: Ermitteln eines Fehlersignals

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10035783 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Überwachung eines Rotorlagegebers (4), der ein Rotorlagesignal (4) eines elektrischen Antriebs (3) bereitstellt, wobei der elektrische Antrieb von einem Antriebsregelgerät (1, 2) mit elektrischer Energie versorgt wird, und über zumindest eine elektrische Spannung (8) am elektrischen Antrieb ein Spannungssignal (8) vorliegt, und über eine elektrische Stromstärke (5) am elektrischen Antrieb ein Stromsignal (5) vorliegt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Einlesen (102) des Rotorlagesignals; – Einlesen (104) des Spannungssignals und/oder des Stromsignals; und – Ermitteln (106) eines Fehlersignals (7) für das Rotorlagesignal aus dem Rotorlagesignal, dem Spannungssignal und/oder dem Stromsignal, wobei für das Ermitteln des Fehlersignals ein Modell des elektrischen Antriebs verwendet wird, um den Rotorlagegeber unter Verwendung des Fehlersignals (7) zu überwachen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem im Schritt (106) des Ermittelns ein Fehler erkannt wird, wenn das Fehlersignal (7) unterhalb eines vorbestimmten unteren Grenzwerts oder oberhalb eines vorbestimmten oberen Grenzwerts eines Toleranzbereichs liegt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Schritt (106) des Ermittelns das Fehlersignal (7) gefiltert wird, wobei insbesondere hochfrequente Signalanteile ausgefiltert werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Schritt (106) des Ermittelns ein Modell verwendet wird, das zusätzlich zu zumindest einer direkten Induktivität zumindest eine Koppelinduktivität des elektrischen Antriebs (3) und/oder zumindest eine Kreuzinduktivität des elektrischen Antriebs abbildet.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Schritt (106) des Ermittelns ein Modell verwendet wird, das auf zumindest den folgenden Gleichungen basiert,
wobei u_sd eine Spannung des Stators in der flussbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems repräsentiert, wobei u_sq eine Spannung des Stators in der drehmomentbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems repräsentiert, wobei R_s einen Widerstand im Stator repräsentiert, wobei i_sd eine Stromstärke des Stators in der flussbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems repräsentiert, wobei L^~ _dd eine differentielle Induktivität die den Einfluss des flussbildenden Stroms auf die Flussverkettung in die flussbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems repräsentiert, wobei
eine Differenzierung eine Stromstärke des Stators in der flussbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems nach der Zeit repräsentiert, wobei L^~ _dq eine differentielle Induktivität die den Einfluss des drehmomentbildenden Stroms auf die Flussverkettung in die flussbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems repräsentiert, wobei
eine Differenzierung eine Stromstärke des Stators in der drehmomentbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems nach der Zeit repräsentiert, wobei ω eine elektrische Winkelgeschwindigkeit des Rotors repräsentiert, wobei L_qq eine absolute Induktivität die den Einfluss des drehmomentbildenden Stroms auf die Flussverkettung in die drehmomentbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems repräsentiert, wobei L_qd eine absolute Induktivität die den Einfluss des flussbildenden Stroms auf die Flussverkettung in die drehmomentbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems repräsentiert, wobei i_sq eine Stromstärke des Stators in der drehmomentbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems repräsentiert, wobei L^~ _qd eine differentielle Induktivität die den Einfluss des flussbildenden Stroms auf die Flussverkettung in die drehmomentbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems repräsentiert, wobei L^~ _qq eine differentielle Induktivität die den Einfluss des drehmomentbildenden Stroms auf die Flussverkettung in die drehmomentbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems repräsentiert, wobei L_dd eine absolute Induktivität die den Einfluss des flussbildenden Stroms auf die Flussverkettung in die flussbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems repräsentiert, wobei L_dq eine absolute Induktivität die den Einfluss des drehmomentbildenden Stroms auf die Flussverkettung in die flussbildende Richtung des rotorfesten Koordinatensystems repräsentiert, und wobei Ψ_M eine Flussverkettung des Rotors repräsentiert.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Schritt des Aufprägens eines Testsignals (9) auf den elektrischen Antrieb (3), bei dem das Testsignal aufgeprägt wird, wenn eine aktuelle Drehzahl des elektrischen Antriebs unter einer vorbestimmten Drehzahl liegt, und mit einem Schritt des Bestimmens von zumindest einer Veränderung im Testsignal, hervorgerufen durch den elektrischen Antrieb, um unter Verwendung der Veränderung eine Rotorlageinformation zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem im Schritt des Aufprägens das Testsignal (9) ein hochfrequentes, insbesondere sinus- oder cosinusförmiges Signal ist.
Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, bei dem im Schritt des Aufprägens eine Amplitude des Testsignals (9) in Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl des elektrischen Antriebs (3) geändert wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Schritt des Vermessens des elektrischen Antriebs (3), um das Modell zu erhalten.
Vorrichtung (6) zur Überwachung eines Rotorlagegebers (4), der ein Rotorlagesignal (4) eines elektrischen Antriebs bereitstellt, wobei der elektrische Antrieb von einem Antriebsregelgerät (1, 2) mit elektrischer Energie versorgt wird, und über zumindest eine elektrische Spannung (8) am elektrischen Antrieb ein Spannungssignal (8) vorliegt, und über eine elektrische Stromstärke (5) am elektrischen Antrieb ein Stromsignal (5) vorliegt, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist: – einer Einrichtung (6) zum Einlesen des Rotorlagesignals; – einer Einrichtung (6) zum Einlesen des Spannungssignals und/oder des Stromsignals; und – einer Einrichtung (6) zum Ermitteln eines Fehlersignals (7) für das Rotorlagesignal aus dem Rotorlagesignal, dem Spannungssignal und/oder dem Stromsignal, wobei für das Ermitteln des Fehlersignals ein Modell des elektrischen Antriebs verwendet wird um unter Verwendung des Fehlersignals (7) den Rotorlagegeber zu überwachen.
Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wenn das Computerprogramm auf einer Vorrichtung oder einem Steuergerät ausgeführt wird.