DE102010056455A1

DE102010056455A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen eines Systems, das einen sensorlosen Elektromotor enthält

Info

Publication number: DE102010056455A1
Application number: DE102010056455A
Authority: DE
Inventors: Wei D. Mich. Wang; Nitinkumar R. Calif. Patel; Yo Chan Calif. Son
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-01-06
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2011-07-14
Also published as: CN102118127B; CN102118127A; US20110163704A1; US8378605B2

Abstract

Ein mehrphasiger Wechselstrom-Permanentmagnet-Synchronelektromotor wird mit einem Aktor gekoppelt. Ein Antriebssteuersystem für einen sensorlosen Elektromotor steuert einen Betrieb des Elektromotors. Ein Anfangsphasenwinkel und eine Drehzahl eines Rotors des Elektromotors werden geschätzt. Ein Betrieb des Antriebssteuersystems für einen sensorlosen Elektromotor und des Elektromotors werden unter Verwendung des geschätzten Anfangsphasenwinkels und der geschätzten Drehzahl des Rotors des Elektromotors überwacht. Auf der Grundlage des überwachten Betriebs wird ein Fehler entweder in dem Antriebssteuersystem für einen sensorlosen Elektromotor oder im Elektromotor detektiert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft das Überwachen von Systemen, die Elektromotoren enthalten. Insbesondere betrifft die Offenbarung das Überwachen des Betriebs eines sensorlosen Elektromotors.
HINTERGRUND
Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen nur Hintergrundinformationen mit Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit und bilden möglicherweise nicht den Stand der Technik.
Hybridantriebsstrangsysteme enthalten elektrische Leistungssysteme, die elektrische Hochspannungsenergieeinrichtungen enthalten, welche elektrische Leistung über elektrische Gleichrichter/Wechselrichter, die gespeicherte elektrische DC-Leistung in elektrische AC-Leistung umsetzen, an mehrphasige Elektromotoren liefern. Die mehrphasigen Elektromotoren können verwendet werden, um ein Antriebsdrehmoment bereitzustellen und um Leistung für Zubehöreinrichtungen bereitzustellen, die beispielsweise hydraulische Hilfspumpen und HVAC-Kompressoren umfassen.
Bekannte Motorsteuersysteme können einen Positionsrückkopplungssensor, etwa einen Drehgeber bzw. Resolver oder einen Codierer, enthalten, um eine Drehzahl und eine Position eines Elektromotors zu überwachen. Rückkopplungseinrichtungen und zugehörige Schnittstellenschaltungen erhöhen die Komplexität eines Motorsteuersystems in der Form von zusätzlichen Komponenten, zusätzlichem Gewicht und zusätzlicher Kabelbaumkomplexität. Die zusätzliche Systemkomplexität kann die Montagezeit, die Wartbarkeit und das Verhalten im Betrieb beeinträchtigen.
Ein elektrisches Leistungssystem kann eine Elektromotorsteuertechnologie, etwa eine Vektorregelung des Motors, zur Steuerung des Betriebs eines Elektromotors verwenden. Ein Vektorregelungsschema eines Motors ist ein rechentechnisch aufwendiges Motorsteuerschema, das die Phasenspannungen und -ströme eines dreiphasigen Motors in ein Koordinatensystem mit zwei Achsen abbildet. Eine bekannte Konfiguration zum Erregen eines mehrphasigen AC-Elektromotors unter Verwendung eines Vektorregelschemas ist ein mehrphasiger elektrischer Gleichrichter/Wechselrichter, der Leistungstransistoren enthält, die eine elektrische DC-Leistung in eine mehrphasige AC-Ausgabeleistung umsetzen. Eine Vektorregelung benötigt Rotorpositionsinformationen, die über eine Rückkopplungseinrichtung oder einen Positionssensor beschafft werden können.
Bekannte sensorlose Positionssteuersysteme bestimmen Rotorpositionsinformationen unter Verwendung elektromagnetischer Kennlinien der mehrphasigen AC-Maschine, wodurch ein Bedarf für einen Positionsrückkopplungssensor und seine zugehörigen Schnittstellenschaltungen beseitigt wird.
Steuersysteme für Antriebsstrangsysteme, die Hybridantriebsstrangsysteme umfassen, überwachen den Betrieb, um das Auftreten von Fehlern in Komponenten und Systemen, die Emissionen beeinflussen können, zu detektieren.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verfahren zum Überwachen eines mehrphasigen Wechselstrom-Permanentmagnet-Synchronelektromotors, der mit einem Aktor mechanisch gekoppelt ist, um ein Drehmoment dorthin zu übertragen, umfasst, dass ein Betrieb des Elektromotors mit einem Antriebssteuersystem für einen sensorlosen Elektromotor gesteuert wird, dass ein Anfangsphasenwinkel und eine Drehzahl eines Rotors des Elektromotors geschätzt werden, dass ein Betrieb des Antriebssteuersystems für einen sensorlosen Elektromotor und des Elektromotors unter Verwendung des geschätzten Anfangsphasenwinkels und der geschätzten Drehzahl des Rotors des Elektromotors überwacht wird und dass ein Fehler im Antriebssteuersystem für den sensorlosen Elektromotor oder im Elektromotor auf der Grundlage des überwachten Betriebs detektiert wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 ein zweidimensionales schematisches Diagramm eines Hybridantriebsstrangsystems, das ein hydraulisches Hilfspumpensystem enthält, gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
2 ein schematisches Flussdiagramm zum Überwachen eines Betriebs des hydraulischen Hilfspumpensystems einschließlich eines Elektromotors und eines Hydraulikpumpenelements gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
3A ein schematisches Flussdiagramm zum Überwachen einer Polarität des Elektromotors gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
3B ein schematisches Flussdiagramm zum Überwachen eines Betriebs des Antriebssystems für einen sensorlosen Elektromotor gemäß der vorliegenden Offenbarung ist, um einen Verlust einer mit dem Betreiben des Elektromotors verbundenen Drehzahlregelung zu detektieren;
3C ein schematisches Flussdiagramm zum Überwachen eines Betriebs des Elektromotors gemäß der vorliegenden Offenbarung ist, um eine mit dem Elektromotor verbundene Stillstandsbedingung zu detektieren;
4 eine Datengrafik gemäß der vorliegenden Offenbarung ist, die mit einem Betrieb eines beispielhaften Systems verbunden ist, einschließlich zeitbasierter Veränderungen bei Drehzahlen, die mit dem Elektromotor verbunden sind; und
5 ein Antriebssystem für einen sensorlosen Elektromotor einschließlich eines Schemas zum Steuern und Überwachen eines Betriebs des beispielhaften hydraulischen Hilfspumpensystems gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch veranschaulicht; und
6 eine Positions- und Drehzahlschätzvorrichtung zum Schätzen der Rotorposition und der Drehzahl des Elektromotors gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch veranschaulicht.
GENAUE BESCHREIBUNG
Mit Bezug nun auf die Zeichnungen, in denen das Gezeigte nur zur Darstellung einiger beispielhafter Ausführungsformen und nicht zur Beschränkung derselben gedacht ist, stellt 1 ein beispielhaftes Hybridantriebssystem 100 schematisch dar. Das Hybridantriebsstrangsystem 100 umfasst eine Brennkraftmaschine 10, die mit einem Hybridgetriebe 15 über ein drehbares Eingabeelement 12 gekoppelt ist. Das Hybridgetriebe 15 umfasst bei einer Ausführungsform erste und zweite elektrisch angetriebene Drehmomentmaschinen 50 und 60, die ausgestaltet sind, um ein Drehmoment dorthin zu übertragen. Das Hybridgetriebe 15 ist ausgestaltet, um mechanische Leistung und Drehmoment zwischen der Maschine 10, den ersten und zweiten elektrisch angetriebenen Drehmomentmaschinen 50 und 60 und einem Abtriebselement 14 in Ansprechen auf Bedienerbefehle und Systemanforderungen zu übertragen. Dies kann umfassen, dass das Hybridantriebsstrangsystem 100 so betrieben wird, dass ein Antriebsdrehmoment erzeugt wird, wenn die Maschine 10 abgeschaltet ist, d. h. sich nicht dreht und kein Drehmoment oder keine Leistung erzeugt oder verbraucht. Bei einer Ausführungsform kann mechanische Leistung von der Maschine 10 an das Hybridgetriebe 15 und an eine oder beide der ersten und zweiten elektrisch angetriebenen Drehmomentmaschinen 50 und 60 übertragen werden. Mechanische Leistung von den ersten und zweiten elektrisch angetriebenen Drehmomentmaschinen 50 und 60 kann an das Hybridgetriebe 15 und an die Maschine 10 übertragen werden. Mechanische Leistung kann zwischen der Maschine 10, den ersten und zweiten elektrisch angetriebenen Drehmomentmaschinen 50 und 60 und dem Hybridgetriebe 15 über das Abtriebselement 14 an einen Endantrieb übertragen werden.
Die ersten und zweiten elektrisch angetriebenen Drehmomentmaschinen 50 und 60 sind jeweils mit einem elektrischen Gleichrichter/Wechselrichter 20' verbunden, der über einen Hochspannungsbus mit einer elektrischen Hochspannungs-Energiespeichereinrichtung (ESD) 80 verbunden ist. Die ersten und zweiten elektrisch angetriebenen Drehmomentmaschinen 50 und 60 sind bei einer Ausführungsform dreiphasige Permanentmagnet-Synchronmotoren, die Drehgeber enthalten, um eine Drehposition zu überwachen.
Das Hybridantriebsstrangsystem 100 enthält ein oder mehrere Hilfssysteme, die jeweils einen für eine sensorlose Steuerung ausgestalteten mehrphasigen Wechselstrom-Permanentmagnet-Synchronelektromotor enthalten, welcher mit einer Aktoreinrichtung gekoppelt ist, um ein Drehmoment dorthin zu übertragen. Im Betrieb wird das Hilfssystem in einen Betriebszustand befohlen, z. B. auf einen Hydraulikdruck, und der Elektromotor wird angewiesen, mit einer Drehzahl zu arbeiten, die auf den befohlenen Betriebszustand des Hilfssystems auf der Grundlage von Betriebskennlinien der Aktoreinrichtung anspricht.
Bei einer Ausführungsform ist das Hilfssystem ein hydraulisches Hilfspumpensystem, das ein Element eines Hydraulikkreises (Hyd) 30 ist. Der Hydraulikkreis (Hyd) 30 überträgt selektiv ein druckbeaufschlagtes Hydraulikfluid mit bevorzugten Druckniveaus und Durchsätzen, um gewählte Drehmomentübertragungseinrichtungen, z. B. Kupplungen für das Hybridgetriebe 15, zu aktivieren und zu deaktivieren. Das hydraulische Hilfspumpensystem enthält eine Aktoreinrichtung, die ein Hydraulikpumpenelement 24 enthält, das über eine Welle 25 mit einem Elektromotor 22 drehbar gekoppelt ist. Das druckbeaufschlagte Hydraulikfluid wird von einem mit dem Eingabeelement 12 gekoppelten mechanisch angetriebenen Hydraulikpumpenelement 26 und von dem hydraulischen Hilfspumpensystem, welches das mit dem Elektromotor 22 drehbar gekoppelte elektrisch angetriebene Hydraulikpumpenelement 24 enthält, geliefert. Das mechanisch angetriebene Hydraulikpumpenelement 26 und das elektrisch angetriebene Hydraulikpumpenelement 24 entnehmen jeweils Hydraulikfluid aus einer Wanne 21. Der Elektromotor 22 ist über elektrische Kabel 23 mit einem elektrischen Gleichrichter/Wechselrichter 20 elektrisch verbunden, welcher über einen Hochspannungsbus mit der elektrischen Hochspannungs-Energiespeichereinrichtung (ESD) 80 verbunden ist. Der Elektromotor 22 ist ein sensorloser dreiphasiger Permanentmagnet-Synchronmotor, der einen Stator und einen Rotor enthält, und dem jegliche Drehgeber oder andere Erfassungseinrichtungen zum Überwachen einer Drehposition fehlen.
Ein Steuermodul 5 ist über einen Kommunikationsbus 90 mit der Maschine 10, dem Getriebe 15 und den elektrischen Gleichrichtern/Wechselrichtern 20, 20' signaltechnisch verbunden, um Informationen in der Form von Eingabesignalen von Sensoren und Steuersignalen für damit verbundene Aktoren zu übertragen. Es versteht sich, dass die Informationsübertragung an das und von dem Steuermodul 5 durch einen oder mehrere Kommunikationspfade bewältigt werden kann, die das Verwenden einer Direktverbindung, das Verwenden eines lokalen Netzwerkbusses und das Verwenden eines seriellen peripheren Schnittstellenbusses umfassen.
Um den Elektromotor 22 zu betreiben, wird DC-Leistung von der ESD 80 an den elektrischen Gleichrichter/Wechselrichter 20 geliefert, der die DC-Leistung in AC-Leistung umsetzt, die an den Stator des Elektromotors 22 übertragen wird. Wie der Fachmann feststellt, wird die Umsetzung von DC-Leistung in AC-Leistung im Wesentlichen ausgeführt, indem Schalter, z. B. Hochleistungstransistoren, im elektrischen Gleichrichter/Wechselrichter 20 mit einer Schaltfrequenz, wie etwa 12 Kilohertz (kHz), gesteuert werden. Das Steuermodul 5 erzeugt ein Steuersignal, das ein Drehzahlbefehl ω_CMD ist, welcher in ein pulsbreitenmoduliertes Signal (PWM-Signal) umgesetzt wird, um die Schaltaktion des elektrischen Gleichrichters/Wechselrichters 20 zu steuern und damit den Elektromotor 22 anzutreiben, um das Hydraulikpumpenelement 24 zu betreiben.
Das Steuermodul 5 kann eine beliebige geeignete Form annehmen, einschließlich verschiedener Kombinationen aus einer oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASIC), elektronischen Schaltungen, zentralen Verarbeitungseinheiten (vorzugsweise Mikroprozessoren) und zugehörigem Arbeitsspeicher und Massenspeicher (Festwertspeicher, programmierbarer Festwertspeicher, Speicher mit wahlfreiem Zugriff, Festplattenlaufwerk usw.), die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, kombinatorischer Logikschaltungen, Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Einrichtungen, geeigneter Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen und anderer geeigneter Komponenten, um die beschrieben Funktionalität bereitzustellen. Das Steuermodul weist einen Satz von Steueralgorithmen auf, die residente Softwareprogrammanweisungen und Kalibrierungen umfassen, die im Arbeitsspeicher gespeichert sind und ausgeführt werden, um die gewünschten Funktionen bereitzustellen. Die Algorithmen werden vorzugsweise während voreingestellter Schleifenzyklen ausgeführt. Algorithmen werden, etwa durch eine zentrale Verarbeitungseinheit, ausgeführt und sind betreibbar, um Eingänge von Erfassungseinrichtungen und anderen Netzwerksteuermodulen zu überwachen und um Steuer- und Diagnoseroutinen zur Steuerung eines Betriebs von Aktoren auszuführen. Schleifenzyklen können in regelmäßigen Intervallen ausgeführt werden, z. B. alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden während eines fortlaufenden Betriebs der Maschine und des Fahrzeugs. Alternativ können Algorithmen in Ansprechen auf das Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
2 zeigt ein Flussdiagramm 200 zum Überwachen eines Betriebs des hydraulischen Hilfspumpensystems einschließlich des Elektromotors 22 und des Hydraulikpumpenelements 24. Im Betrieb erzeugt das Steuermodul 5 das Steuersignal ω_CMD, das an den elektrischen Gleichrichter/Wechselrichter 20 übermittelt wird, um einen Betrieb des Elektromotors 22 und damit einen Betrieb des Hydraulikpumpenelements 24 zu steuern. Das Steuersignal ω_CMD und somit der Betrieb des Hydraulikpumpenelements 24 wird auf der Grundlage von Anforderungen an eine Hydraulikfluidströmung im Hydraulikkreis 30 bestimmt. Die Anforderungen an die Hydraulikfluidströmung ergänzen oder ersetzen Anforderung an die Hydraulikströmung von dem mechanisch angetriebenen Hydraulikpumpenelement 26, z. B., wenn sich die Maschine 10 in einem Zustand mit ausgeschalteter Maschine befindet und bei Betriebsbedingungen mit kalter Umgebung, wenn die Strömung vom mechanisch angetriebenen Hydraulikpumpenelement 26 nicht ausreicht, um den Hydraulikkreis 30 zu betreiben. Wie vorstehend angegeben wurde, ist der Elektromotor 22 ohne Sensor, d. h. ihm fehlt jegliche zusätzliche Erfassungseinrichtung (z. B. ein Codierer) um eine Drehposition und eine Drehzahl zu überwachen (210).
Ein Betrieb des hydraulischen Hilfspumpensystems einschließlich des elektrisch angetriebenen Hydraulikpumpenelements 24, das mit dem sensorlosen Elektromotor 22 gekoppelt ist, wird überwacht (215). Dieses Überwachen wird mit Bezug auf 5 und 6 beschrieben.
Das Steuerschema zum Überwachen eines Betriebs des hydraulischen Hilfspumpensystems einschließlich des Elektromotors 22 und des Hydraulikpumpenelements 24 umfasst ein erstes Diagnoseschema (Motorpolarität überwachen) 310, um einen Schätzwert der Drehzahl des Elektromotors 22 zu überwachen, ein zweites Diagnoseschema (Drehzahlregelung überwachen) 330 zum Überwachen eines Betriebs des Antriebssystems für einen sensorlosen Elektromotor für den Elektromotor 22, und ein drittes Diagnoseschema (Motorstillstand überwachen) 350 zum Überwachen eines Betriebs des Elektromotors 22, der mit dem Hydraulikpumpenelement 24 drehbar gekoppelt ist, welches einen Motorstillstand anzeigt.
3A zeigt das erste Diagnoseschema (Motorpolarität überwachen) 310 zum Überwachen des Elektromotors 22, das ein Überwachen der Polarität des Elektromotors 22 umfasst, um zu verifizieren, ob eine anfängliche Rotorposition θ_EST oder ein Phasenwinkel eines Rotors des Elektromotors 22 korrekt ist. Dieser Prozess umfasst, dass nach einer Initialisierung Zeitgeber zur Polaritätsdetektion auf erste und zweite kalibrierte Zeitwerte T1_POL und T2_POL eingestellt werden. Bei einer Ausführungsform können die Rotorposition θ_EST und die Drehzahl ω_EST des Rotors des Elektromotors 22 geschätzt werden, indem ein hochfrequenter Strom in eine d-Achse eines elektrischen Stroms injiziert wird, der vom Steuermodul 100 an das Antriebssteuersystem für einen sensorlosen Elektromotor für den Elektromotor 22 eingegeben wird, das mit Bezug auf 5 und 6 beschrieben wird. Wenn die erste kalibrierte Zeitspanne T1_POL vergangen ist, wird die geschätzte Drehzahl ω_EST mit einem Schwellenwert ω_{POL_THR} für eine hohe Drehzahl, welcher der Motorpolarität zugeordnet ist, verglichen. Solange die geschätzte Drehzahl ω_EST kleiner als der Schwellenwert ω_{POL_THR} für eine hohe Drehzahl ist, wird die anfängliche Polaritätsdetektion als gültig angesehen und ein anfänglicher Rotorphasenwinkel θ_INIT kann eingestellt werden. Eine gültige anfängliche Polaritätsdetektion zeigt an, dass die anfängliche Rotorposition θ_EST oder der Phasenwinkel korrekt ist. Folglich wurde das erste Diagnoseschema 310 zum Überwachen einer Polarität des Elektromotors 22 bestanden, was eine anschließende Ausführung des zweiten und dritten Diagnosesteuerschemas 330 und 350 unter Verwendung der Schätzwerte der Rotorposition θ_EST und der Drehzahl ω_EST des Elektromotors 22 ermöglicht. Wenn jedoch die zweite kalibrierte Zeitspanne T2_POL vergangen ist, wobei die geschätzte Drehzahl ω_EST größer als der Schwellenwert ω_{POL_THR} für eine hohe Drehzahl ist, wird die anfängliche Polaritätsdetektion als ungültig angesehen und ein Fehler wird detektiert, wodurch eine Gegenmaßnahme ausgelöst wird und ein Fehler gemeldet wird. Eine ungültige anfängliche Polaritätsdetektion zeigt an, dass die anfängliche Rotorposition θ_EST oder der Phasenwinkel unkorrekt ist, d. h. um 180° phasenverschoben ist. Die geschätzte Drehzahl ω_EST ist vorzugsweise geringer als 100 RPM (U/min), wenn das erste Diagnoseschema 310 ausgeführt wird. Wenn ein Fehler detektiert wird, der einem Überwachen der anfänglichen Rotorposition θ_EST oder des Phasenwinkels des Elektromotors 22 zugeordnet ist, sind die Schätzwerte der Rotorposition θ_EST und der Drehzahl ω_EST zum Überwachen eines Betriebs des Elektromotors 22 und des zugehörigen Hydraulikpumpenelements 24 nicht brauchbar. Derartige Fehler können mit einem Fehler beim Schätzen der Rotorposition θ_EST verbunden sein und umfassen Fehler, die mit einer Ausführung des Steueralgorithmus, mit Messfehlern und Rauschen, oder einem nicht stabilen Signal für den Drehzahlbefehl ω_CMD verbunden sind. Das Melden des detektierten Fehlers kann ein Benachrichtigen eines Fahrzeugbedieners umfassen.
3B zeigt das zweite Diagnoseschema (Drehzahlregelung überwachen) 330 zum Überwachen eines Betriebs des Antriebssystems für einen sensorlosen Elektromotor für den Elektromotor 22 im Anschluss an das Bestehen des ersten Diagnoseschemas 310 zum Überwachen einer Polarität des Elektromotors 22 (Bestanden bei der sensorlosen Polaritätsdetektion). Das zweite Diagnoseschema 330 wird ausgeführt, um einen Verlust der Drehzahlregelung zu detektieren, die mit dem Betrieb des Elektromotors 22 verbunden ist. Im Betrieb umfasst das zweite Diagnoseschema 330 ein periodisches Schätzen der Rotorposition θ_EST und der Drehzahl ω_EST des Elektromotors 22, wie hier beschrieben wird. Die geschätzte Drehzahl ω_EST des Elektromotors 22 wird mit einem Schwellenwert ω_{THD_HIGH} für eine hohe Drehzahl und mit einem Schwellenwert ω_{THD_LOW} für eine niedrige Drehzahl verglichen. Ein XY-Fehlerzähler stellt eine Signalentprellung bereit, um ein Messrauschen zu berücksichtigen. Bei dem zweiten Diagnoseschema 330 wird der XY-Zähler verwendet, um alle Abweichungen der geschätzten Drehzahl ω_EST des Elektromotors 22 zu zählen, die größer als der Schwellenwert ω_{THD_HIGH} für eine hohe Drehzahl oder kleiner als der Schwellenwert ω_{THD_LOW} für eine niedrige Drehzahl sind. Solange es weniger als eine kalibrierte Menge von X-Abweichungen (X_THR) der geschätzten Drehzahl ω_EST des Elektromotors 22 gibt, die größer als der Schwellenwert ω_{THD_HIGH} für eine hohe Drehzahl oder kleiner als der Schwellenwert ω_{THD_LOW} für eine niedrige Drehzahl während Y periodischer Beobachtungen (Y_THR) der geschätzten Drehzahl ω_EST sind, besteht der Betrieb des Antriebssystems für einen sensorlosen Elektromotor für den Elektromotor 22 das zweite Diagnoseschema 330. Alternativ wird ein Fehler detektiert, der mit einem Betrieb des Antriebssystems für einen sensorlosen Elektromotor für den Elektromotor 22 verbunden ist, wenn es mehr als eine kalibrierte Menge an X-Abweichungen der geschätzten Drehzahl ω_EST des Elektromotors 22 gibt, die größer als der Schwellenwert ω_{THD_HIGH} für eine hohe Drehzahl oder niedriger als der Schwellenwert ω_{THD_LOW} für eine niedrige Drehzahl während Y periodischer Beobachtungen der geschätzten Drehzahl ω_EST sind. Ein dem Betrieb des Antriebssystems für einen sensorlosen Elektromotor für den Elektromotor 22 zugeordneter Fehler zeigt an, dass der Schätzwert der Rotorposition θ_EST und der Drehzahl ω_EST des Elektromotors 22 von dem Drehzahlbefehl ω_CMD abweicht. Ein dem zweiten Diagnoseschema 330 zugeordneter Fehler kann anzeigen, dass ein Verlust einer Drehzahlregelung des Betriebs des Antriebssystems für einen sensorlosen Elektromotor für den Elektromotor 22 vorliegt.
3C zeigt das dritte Diagnoseschema (Motorstillstand überwachen) 350 zum Überwachen eines Betriebs des Elektromotors 22, der mit dem Hydraulikpumpenelement 24 drehbar gekoppelt ist, im Anschluss an ein Bestehen des ersten Diagnoseschemas 310 zum Überwachen einer Polarität des Elektromotors 22 und vorzugsweise im Anschluss an das Bestehen des zweiten Diagnoseschemas 330 zum Überwachen einer Drehzahlregelung des Elektromotors 22. Das dritte Diagnoseschema 350 wird ausgeführt, um eine Stillstandsbedingung zu detektieren, die mit dem Elektromotor 22 verbunden ist. Ein Stillstandsdrehzahlmerker FLAG(ω_STALL) und ein Drehzahlfehler-Zeitgeber T_{ω_ERR} werden vor einem Schätzen der Rotorposition θ_EST und der Drehzahl ω_EST des Elektromotors 22 initialisiert. Ein Drehzahlfehler ω_ERR wird als eine Differenz zwischen dem Drehzahlbefehl ω_CMD und der geschätzten Drehzahl ω_EST des Elektromotors 22 berechnet. Ein Stillstandsdrehzahl-Schwellenwert ω_STALL für den Elektromotor 22 wird als eine Funktion des Drehzahlbefehls ω_CMD berechnet. Das befohlene Drehmoment T_CMD wird mit einem Stillstandsdrehmoment-Schwellenwert T_STALL verglichen, um sicherzustellen, dass das Steuerschema gegenwärtig einen Betrieb des hydraulischen Hilfspumpensystems befiehlt, welches das Hydraulikpumpenelement 24 umfasst, das mit dem Elektromotor 22 drehbar gekoppelt ist, um ein druckbeaufschlagtes Hydraulikfluid zu liefern.
Der Drehzahlfehler ω_ERR wird mit dem Stillstandsdrehzahl-Schwellenwert ω_THD verglichen, um Ereignisse zu identifizieren, bei denen die geschätzte Drehzahl ω_EST unter den Stillstandsdrehzahl-Schwellenwert ω_STALL fällt. Dieser Vergleich ist nur gültig, wenn dem Elektromotor 22 befohlen wird, ein Drehmoment zu erzeugen, das ausreicht, um das Hydraulikpumpenelement 24 zur Erzeugung einer Strömung des Hydraulikfluids zu betreiben. Bei dem dritten Diagnoseschema 350 wird, ein XY-Fehlerzähler verwendet, um Ereignisse zu zählen, bei denen die geschätzte Drehzahl ω_EST unter den Stillstandsdrehzahl-Schwellenwert ω_STALL fällt. Solange es weniger als eine kalibrierte Menge von X Abweichungen gibt, bei denen die geschätzte Drehzahl ω_EST unter den Stillstandsdrehzahl-Schwellenwert ω_STALL während Y periodischer Beobachtungen der geschätzten Drehzahl ω_EST innerhalb der Zeitspanne fällt, die durch den Drehzahlfehler-Zeitgeber T_{ω_ERR} definiert ist, besteht die Drehzahlregelung des Elektromotors 22 und des zugehörigen Hydraulikpumpenelements 24 das dritte Diagnoseschema 350. Alternativ wird ein Fehler detektiert, welcher der Drehzahlregelung des Antriebssystems für einen sensorlosen Elektromotor für den Elektromotor 22 zugeordnet ist, wenn es eine kalibrierte Menge von X Abweichungen der geschätzten Drehzahl ω_EST gibt, die unter den Stillstandsdrehzahl-Schwellenwert ω_STALL während Y periodischer Beobachtungen der geschätzten Drehzahl ω_EST fallen, die in der Zeitspanne auftreten, die durch den Drehzahlfehler-Zeitgeber T_{ω_ERR} definiert ist. Derartige Fehler umfassen einen Fehler beim Elektromotor 22 derart, dass er nicht genügend Drehmoment liefern kann, um die Motordrehzahl in Ansprechen auf das befohlene Motordrehmoment aufrechtzuerhalten, und folglich kein druckbeaufschlagtes Hydraulikfluid an den Hydraulikkreis 30 liefern kann.
4 zeigt auf graphische Weise Daten, die einem Betrieb eines beispielhaften Systems zugeordnet sind, welche die befohlene Drehzahl ω_CMD, eine erwartete Drehzahl ω_EXP, die der befohlenen Drehzahl ω_CMD zugeordnet ist, einen zugehörigen Stillstandsdrehzahl-Schwellenwert ω_THD und eine geschätzte Drehzahl ω_EST umfassen. Der Stillstands-Zeitgeber wird zwischen Zeitpunkten T2 und T3 und zwischen Zeitpunkten T4 und T5 aktiviert, wenn die geschätzte Drehzahl ω_EST kleiner als der Stillstandsdrehzahl-Schwellenwert ω_STALL ist. Eine Gegenmaßnahme im Fall eines Auftretens eines Fehlers, der mit einem beliebigen der ersten, zweiten und dritten Diagnoseschemata 310, 330 und 350 verbunden ist, kann umfassen, dass verhindert wird, dass die Maschine während eines fortlaufenden Fahrzeugbetriebs eine Autostopp-Funktion ausführt.
5 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Antriebssystems 188 für einen sensorlosen Elektromotor, die ein Schema zum Steuern und Überwachen des Betriebs des beispielhaften hydraulischen Hilfspumpensystems einschließlich des mit dem sensorlosen Elektromotor (PM-Motor) 22 gekoppelten elektrisch angetriebenen Hydraulikpumpenelements 24 umfasst. Im Gesamtbetrieb wird die befohlene Drehzahl ω_CMD erzeugt und in Strombefehle i * / sd und i * / sq umgeformt, die DC-Größen sind. Die Strombefehle sind Eingänge an einen Stromcontroller 190, der zugehörige Spannungsbefehle v * / sd und v * / sq erzeugt, die ebenfalls DC-Größen sind. Die Spannungsbefehle werden in einen Rotationstransformationsblock (synchron in stationär) 192 eingegeben, welche in den elektrischen Gleichrichter/Wechselrichter 20 eingegeben werden, um zweiphasige AC-Spannungsbefehle v * / α und v * / β zu erzeugen. Der elektrische Gleichrichter/Wechselrichter 20 formt die zweiphasigen AC-Spannungsbefehle v * / α und v * / β in dreiphasige AC-Größen a, b, c um, die eine PWM-Steuerung der Schalterspannungen (SVPWM) für Schalter des Gleichrichters/Wechselrichters 20 enthalten.
Ein Schätzen einer Rotorposition einer dreiphasigen Permanentmagnet-AC-Maschine umfasst ein Berechnen oder Schätzen von Strömen und Spannungen (d. h. befohlen oder gemessen) im Elektromotor 22. Ein geschätzter Fluss wird mit einem gemessenen Fluss verglichen, um einen Flussfehler zu bestimmen. Der geschätzte Fluss und eine Gegen-Emk werden auf der Grundlage eines Flussinkrements und eines Gegen-Emk-Inkrements vom Motormodell und vom Flussfehler aktualisiert. Das Antriebsystem 188 für einen sensorlosen Elektromotor enthält den Stromcontroller 190, Rotortransformationsblocks (synchron in stationär) 192 und (stationär in synchron) 194, einen Phasenumwandlungsblock (abc in α, β) 196, den Gleichrichter/Wechselrichter 20 (der eine Umwandlung von zwei in drei Phasen und eine PWM-Erzeugung umfasst), den Elektromotor 22, eine Positions- und Drehzahl-Schätzvorrichtung 62 und Summierer 198, 200, 202 und 204.
Im Betrieb wird die befohlene Drehzahl ω_CMD erzeugt und in Strombefehle i * / sd und i * / sq umgeformt, welche DC-Größen sind. Der Phasenumwandlungsblock 196 transformiert am Elektromotor 22 abgetastete dreiphasige Ströme in zweiphasige Ströme. Der Rotationstransformationsblock 194 stellt die Rotationstransformation (z. B. Stationär- in Synchronrahmen) mit Bezug auf die Rotorposition bereit, um die zweiphasigen AC-Ströme i_α(k) und i_β(k) in zweiphasige DC-Ströme i_sd und i_sq zu verändern, welche bei den Summierern 198 und 200 als eine Stromrückkopplung verwendet werden.
Die Differenz zwischen dem Strombefehl und der Stromrückkopplung steuert den Stromcontroller 190 an, um die Spannungsbefehle v * / sd und v * / sq zu erzeugen, die ebenfalls DC-Größen sind. Bei den Summierern 202 und 204 werden Optimalwertausdrücke (oder Entkopplungsspannungen) v * / sd(ff) und v * / sq(ff) verwendet, um die Spannung am Ausgang des Stromcontrollers 190 zu entkoppeln, die durch einen Fluss innerhalb des Elektromotors 22 induziert wird. Die Optimalwertausdrücke werden aus einer Flusstabelle Ψ_d und Ψ_q wie folgt berechnet. v * / sd(ff) = –ω_rΨ_q(i_sd, i_sq) [1] v * / sq(ff) = ω_rΨ_d(i_sd, i_sq) [2]
Die befohlenen Ströme werden in Gleichung 1 und 2 verwendet und die unter Verwendung der befohlenen Ströme berechneten Entkopplungsspannungen können bei einem Betrieb mit hoher Drehzahl zu einer schwingenden Stromregelreaktion führen.
Die dreiphasige AC-Spannung wird zum Antreiben des Elektromotors 22 verwendet, und so wird eine inverse Rotationstransformation (z. B. Synchron- in Stationärrahmen) von V * / sd und v * / sq zu v * / α und v * / β mit Bezug auf die Rotorposition durch den Rotationstransformationsblock 192 ausgeführt. Diese zweiphasigen AC-Spannungsbefehle v * / α und v * / β werden dann durch den Gleichrichter/Wechselrichter 20 in dreiphasige AC-Größen umgeformt. Die Positions- und Drehzahlschätzvorrichtung 62 verwendet die Ausgänge des Rotationstransformationsblocks 192 und des Phasenumwandlungsblocks 196, um den Fluss und die Gegen-Emk des Elektromotors 22 zu schätzen.
6 zeigt auf schematische Weise Details der Positions- und Drehzahlschätzvorrichtung 62 zum Schätzen der Rotorposition und der Drehzahl des Elektromotors 22, welche in 5 dargestellt ist. Die Positions- und Drehzahlschätzvorrichtung 62 umfasst ein Motormodell 64, ein Flussmodell 66, einen Flussbeobachter 68, eine Koordinatenumwandlung 70 und einen Drehzahl- und Positionsbeobachter 72. Bei einer Ausführungsform verwendet die Positions- und Drehzahlschätzvorrichtung 62 die von dem Flussbeobachter 68 durchgeführten Berechnungen von Fluss und Gegen-Emk, die in einem synchron rotierenden Referenzrahmen implementiert sind.
Das Motormodell 64 empfängt eine Motorspannung und einen Motorstrom zusammen mit einem geschätzten Fluss und einer geschätzten Gegen-Emk vom Flussbeobachter 68 als Eingänge. Das Motormodell 64 erzeugt Inkremente des Flusses und der Gegen-Emk für jeden Abtastzeitpunkt, z. B. jeden Zyklus des PWM-Signals, die es an den Flussbeobachter 68 sendet. Das Flussmodell 66 empfängt den Motorstrom als einen Eingang und erzeugt ein Maß des Motorflusses z. B. aus der vorstehend erwähnten Flusstabelle. Bei einem Summierer 73 wird aus der Differenz des geschätzten Flusses vom Flussbeobachter 68 und des gemessenen Flusses vom Flussmodell 66 ein Flussfehler berechnet. Der gemessene Fluss oder die Flussgröße wird auch als eine Optimalwertsteuerung oder ein Entkopplungsstrom der Stromregelung für den Elektromotor 22 verwendet. Der Flussfehler und die Inkremente aus dem Motormodell 64 werden von dem Flussbeobachter 68 als Eingänge empfangen, der den Motorfluss und die Gegen-Emk schätzt.
Der geschätzte Fluss berücksichtigt den Fluss, der durch die Wicklungen im Stator des Elektromotors 22 erzeugt wird, wohingegen der Fluss, der durch die Permanentmagnete im Elektromotor 22 erzeugt wird, aus dem geschätzten Fluss ausgeschlossen ist. Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass der geschätzte Fluss nicht von der Temperatur der Motormagnete abhängt, weil er durch die Geometrie des Elektromotors 22 und die Materialeigenschaften des Stator- und Rotorkerns desselben bestimmt wird. Die geschätzte Gegen-Emk entspricht der Spannung, die durch den Permanentmagnetfluss induziert wird, und ihr Winkel enthält den Positionsschätzfehler. Der geschätzte Positionsfehler wird dann an den Drehzahl- und Positionsbeobachter 72 gesandt, um die Rotorposition und Drehzahl zu schätzen. Weil die Größe der geschätzten Gegen-Emk bei der Positions- und Drehzahlschätzung nicht verwendet wird, beeinträchtigt die Temperaturvariation des Rotors, speziell des Permanentmagnets, die Schätzung der Rotorposition θ_EST und der Drehzahl ω_EST nicht.
Die Offenbarung hat einige bevorzugte Ausführungsformen und Modifikationen dazu beschrieben. Beim Lesen und Verstehen der Beschreibung können anderen weitere Modifikationen und Veränderungen begegnen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen begrenzt ist, die als die beste Art zum Ausführen dieser Offenbarung betrachtet werden, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen umfasst, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Verfahren zum Überwachen eines mehrphasigen Wechselstrom-Permanentmagnet-Synchronelektromotors, der mit einem Aktor mechanisch gekoppelt ist, um ein Drehmoment dorthin zu übertragen, das umfasst, dass: ein Betrieb des Elektromotors mit einem Antriebssteuersystem für einen sensorlosen Elektromotor gesteuert wird; ein Anfangsphasenwinkel und eine Drehzahl eines Rotors des Elektromotors geschätzt werden; ein Betrieb des Antriebssteuersystems für einen sensorlosen Elektromotor und des Elektromotos unter Verwendung des geschätzten Anfangsphasenwinkels und der geschätzten Drehzahl des Rotors des Elektromotors überwacht wird; und auf der Grundlage des überwachten Betriebs ein Fehler entweder in dem Antriebssteuersystem für einen sensorlosen Elektromotor oder im Elektromotor detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass: eine Polarität des geschätzten Anfangsphasenwinkels des Rotors überwacht wird; und eine Übereinstimmung des geschätzten Anfangsphasenwinkels des Rotors mit der überwachten Polarität des geschätzten Anfangsphasenwinkels des Rotors verifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Überwachen eines Betriebs des Antriebssteuersystems für einen sensorlosen Elektromotor und des Elektromotors nur auftritt, wenn die überwachte Polarität des geschätzten Anfangsphasenwinkels des Rotors als korrekt verifiziert ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Steuern eines Betriebs des Elektromotors mit einem Antriebssteuersystem für einen sensorlosen Elektromotor nur stattfindet, wenn die überwachte Polarität des Anfangsphasenwinkels des Rotors als korrekt verifiziert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Überwachen des Betriebs des Antriebssteuersystems für einen sensorlosen Elektromotor umfasst, dass: das Antriebssteuersystem für einen sensorlosen Elektromotor angewiesen wird, den Elektromotor mit einer befohlenen Betriebsdrehzahl zu betreiben; und die geschätzte Drehzahl des Rotors mit der befohlenen Betriebsdrehzahl verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, das ferner umfasst, dass ein mit dem Antriebssteuersystem für einen sensorlosen Elektromotor verbundener Fehler detektiert wird, wenn die geschätzte Drehzahl des Rotors von der befohlenen Betriebsdrehzahl abweicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Überwachen eines Betriebs des Elektromotors ferner umfasst, dass: das Antriebssteuersystem für einen sensorlosen Elektromotor angewiesen wird, den Elektromotor bei einer befohlenen Betriebsdrehzahl zu betreiben; ein Stillstandsdrehzahl-Schwellenwert bestimmt wird, der der befohlenen Betriebsdrehzahl zugeordnet ist; und eine Stillstandsbedingung detektiert wird, die mit dem Elektromotor verbunden ist, was umfasst, dass detektiert wird, dass die geschätzte Drehzahl des Rotors kleiner als der Stillstandsdrehzahlschwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Detektieren der Stillstandsbedingung, die mit dem Elektromotor verbunden ist, ferner umfasst, dass detektiert wird, dass der Elektromotor nicht genügend Drehmoment an den Aktor liefern kann, um eine Drehzahl des Rotors des Elektromotors in Ansprechen auf ein befohlenes Motordrehmoment aufrechtzuerhalten.
Verfahren zum Überwachen eines Hilfssystems, das mit einem Antriebsstrang verbunden ist, der eine mit einem Hybridgetriebe gekoppelte Brennkraftmaschine umfasst, wobei das Hilfssystem ein Antriebssteuersystem für einen sensorlosen Elektromotor umfasst, das einen Betrieb eines mit einem Aktor gekoppelten Elektromotors steuert, um ein Drehmoment an den Aktor zu übertragen, wobei das Verfahren umfasst, dass: der Elektromotor angewiesen wird, den Aktor bei einem befohlenen Betriebszustand des Hilfssystems zu betreiben; ein Anfangsphasenwinkel und eine Drehzahl eines Rotors des Elektromotors geschätzt werden; ein Betrieb des Antriebssteuersystems für einen sensorlosen Elektromotor und des Elektromotors unter Verwendung des geschätzten Anfangsphasenwinkels und der geschätzten Drehzahl des Rotors des Elektromotors überwacht werden; und auf der Grundlage des überwachten Betriebs ein Fehler entweder im Antriebssteuersystem für einen sensorlosen Elektromotor oder im Elektromotor detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner umfasst, dass: eine Polarität des geschätzten Anfangsphasenwinkels des Rotors überwacht wird; und eine Übereinstimmung des geschätzten Anfangsphasenwinkels des Rotors mit der überwachten Polarität des geschätzten Anfangsphasenwinkels des Rotors verifiziert wird.