DE102011089341A1 - Method for determination of angle between stator and rotor of e.g. synchronous motor of electric vehicle, involves determining angle between stator and rotor based on electrical energy values and rotational angle between alternating fields - Google Patents
Method for determination of angle between stator and rotor of e.g. synchronous motor of electric vehicle, involves determining angle between stator and rotor based on electrical energy values and rotational angle between alternating fields Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Winkels zwischen einem Stator und einem Rotor einer fremderregten Synchronmaschine. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Winkels zwischen einem Stator und einem Rotor einer fremderregten Synchronmaschine. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Motorsteuerung für ein Elektrofahrzeug oder für ein Hybridfahrzeug sowie ein Computerprogramm zum Bestimmen eines Winkels zwischen einem Stator und einem Rotor einer fremderregten Synchronmaschine.The invention relates to a method for determining an angle between a stator and a rotor of a separately excited synchronous machine. The invention further relates to a device for determining an angle between a stator and a rotor of a separately excited synchronous machine. The invention further relates to a motor control for an electric vehicle or for a hybrid vehicle and a computer program for determining an angle between a stator and a rotor of a separately excited synchronous machine.
Zur Regelung einer Synchronmaschine, insbesondere einer Synchronmaschine in einem Elektro- und/oder Hybridfahrzeugs werden Phasenströme, Erregerstrom sowie Rotorwinkel der Synchronmaschine gemessen. Für eine feldorientierte Regelung der Synchronmaschine ist insbesondere eine genaue Kenntnis des Rotorwinkels wichtig. Der Rotorwinkel wird üblicherweise mittels eines Drehwinkelsensors gemessen. Wie genau der gemessene Rotorwinkel eine Position der magnetischen Pole des Rotors anzeigt, bestimmt wesentlich eine Qualität der Regelung der Synchronmaschine. Beispielsweise kann mittels einer Vorgabe einer geeigneten Toleranz bei einer Fertigung der Drehwinkelsensoren und/oder einer Justage bei einem Einbau der Drehwinkelsensoren eine Differenz zwischen dem gemessenen Rotorwinkel und dem tatsächlichen Rotorwinkel reduziert werden. Ferner kann es bei einem Austausch des Drehwinkelsensors in einer Werkstatt ebenfalls nötig sein, den Rotorwinkel erneut zu bestimmen.For controlling a synchronous machine, in particular a synchronous machine in an electric and / or hybrid vehicle, phase currents, exciting current and rotor angle of the synchronous machine are measured. For a field-oriented control of the synchronous machine, in particular an exact knowledge of the rotor angle is important. The rotor angle is usually measured by means of a rotation angle sensor. How exactly the measured rotor angle indicates a position of the magnetic poles of the rotor substantially determines a quality of the control of the synchronous machine. For example, a difference between the measured rotor angle and the actual rotor angle can be reduced by specifying a suitable tolerance in a production of the rotation angle sensors and / or an adjustment when installing the rotation angle sensors. Furthermore, when replacing the rotation angle sensor in a workshop, it may also be necessary to redetermine the rotor angle.
Ferner kann die Differenz zwischen dem gemessenen Rotorwinkel und dem tatsächlichen Rotorwinkel ermittelt und für die Regelung der Synchronmaschine berücksichtigt werden. Beispielsweise kann ein tatsächlicher Rotorwinkel dadurch ermittelt werden, dass der Rotor mittels einer elektrischen Erregung erregt und aktiv gedreht wird.Furthermore, the difference between the measured rotor angle and the actual rotor angle can be determined and taken into account for the regulation of the synchronous machine. For example, an actual rotor angle can be determined by the fact that the rotor is excited by means of an electrical excitation and actively rotated.
Der Rotorwinkel kann dann über eine im Stator induzierte Spannung ermittelt werden.The rotor angle can then be determined via a voltage induced in the stator.
In der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regelung einer fremderregten Synchronmaschine zu verbessern.The invention has for its object to improve a control of a separately excited synchronous machine.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.This object is solved by the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments of the present invention are described in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Winkels zwischen einem Stator und einem Rotor einer fremderregten Synchronmaschine beschrieben, wobei der Stator zumindest eine Statorspule und der Rotor zumindest eine Rotorspule aufweist. Das Verfahren weist (a) ein Einspeisen einer ersten elektrischen periodischen Erregung in zumindest eine Spule einer Art von Spule ausgewählt aus der Gruppe von der Statorspule und der Rotorspule, so dass sich ein erstes räumlich stationäres magnetisches Wechselfeld ausbildet und (b) ein Messen eines ersten Werts einer elektrischen Größe auf, welche mittels des ersten räumlich stationären magnetischen Wechselfeldes in der anderen Art von Spule ausgewählt aus der Gruppe von der Statorspule und der Rotorspule induziert wird. Ferner weist das Verfahren (c) ein Einspeisen einer zweiten elektrischen periodischen Erregung in zumindest einer Spule der einen Art von Spule ausgewählt aus der Gruppe von der Statorspule und der Rotorspule, so dass sich ein zweites räumlich stationäres magnetisches Wechselfeld ausbildet, welches in Bezug zu dem ersten räumlich stationären magnetischen Wechselfeld um einen vorgegebenen ersten Drehwinkel verdreht ist, und (d) ein Messen eines zweiten Werts der elektrischen Größe auf, welche mittels des zweiten räumlich stationären magnetischen Wechselfeldes in der anderen Art von Spule ausgewählt aus der Gruppe von der Statorspule und der Rotorspule induziert wird. Darüber hinaus weist das Verfahren (e) ein Bestimmen des Winkels zwischen dem Stator und dem Rotor basierend auf dem vorgegebenen ersten Drehwinkel, dem gemessenen ersten Wert der elektrischen Größe und dem gemessenen zweiten Wert der elektrischen Größe auf.According to a first aspect, a method for determining an angle between a stator and a rotor of a separately excited synchronous machine is described, wherein the stator has at least one stator coil and the rotor has at least one rotor coil. The method comprises (a) feeding a first electrical periodic excitation into at least one coil of one type of coil selected from the group of the stator coil and the rotor coil to form a first spatially stationary alternating magnetic field and (b) measuring a first one Value of an electrical quantity which is induced by means of the first spatially stationary alternating magnetic field in the other type of coil selected from the group of the stator coil and the rotor coil. Furthermore, the method (c) comprises feeding a second electrical periodic excitation in at least one coil of the one type of coil selected from the group of the stator coil and the rotor coil, so that a second spatially stationary alternating magnetic field is formed, which is relative to the and (d) measuring a second value of the electrical quantity selected by means of the second spatially stationary alternating magnetic field in the other type of coil selected from the group of the stator coil and the Rotor coil is induced. Moreover, the method (e) includes determining the angle between the stator and the rotor based on the predetermined first rotation angle, the measured first value of the electrical quantity, and the measured second value of the electrical quantity.
Unter dem Begriff „elektrischer periodischer Erregung” kann hierbei insbesondere eine elektrische Erregung verstanden werden, die einen periodischen Verlauf hat. Beispielsweise kann ein periodischer Verlauf ein sinusförmiger Verlauf sein. Der periodische Verlauf kann aber auch ein nicht-sinusförmiger Verlauf sein. Beispielsweise kann der Verlauf ein sägezahnförmiger Verlauf sein. Eine elektrische periodische Erregung kann insbesondere ein periodischer Stromverlauf und/oder ein periodischer Spannungsverlauf sein.The term "electrical periodic excitation" may in this case be understood in particular to mean an electrical excitation which has a periodic course. For example, a periodic course may be sinusoidal. The periodic course can also be a non-sinusoidal course. For example, the course can be a sawtooth-shaped course. An electric Periodic excitation may in particular be a periodic current profile and / or a periodic voltage profile.
Unter dem Begriff „magnetisches Wechselfeld” kann hierbei insbesondere magnetisches Feld verstanden werden, wobei Stärke und Polung des magnetischen Feldes wechseln. Insbesondere kann ein magnetisches Wechselfeld mittels Wechselstrom und/oder Wechselspannung erzeugt werden.The term "magnetic alternating field" can be understood here in particular magnetic field, wherein the strength and polarity of the magnetic field change. In particular, an alternating magnetic field can be generated by means of alternating current and / or alternating voltage.
Unter dem Begriff „räumlich stationär” kann hierbei verstanden werden, dass ein Feld, insbesondere ein magnetisches Wechselfeld, an einer festen Position im Raum und insbesondere relativ zu dem Stator bzw. Rotor der Synchronmaschine erzeugt wird. Ferner kann unter einem räumlich stationären Feld verstanden werden, dass das Feld keiner räumlichen Propagation unterliegt.The term "spatially stationary" can be understood to mean that a field, in particular an alternating magnetic field, is generated at a fixed position in space and in particular relative to the stator or rotor of the synchronous machine. Furthermore, a spatially stationary field can be understood as meaning that the field is not subject to spatial propagation.
Insbesondere kann eine geometrische Orientierung eines räumlich stationären Feldes innerhalb einer Synchronmaschine gleich bleiben.In particular, a geometric orientation of a spatially stationary field within a synchronous machine can remain the same.
Unter dem Begriff „elektrischen Größe” kann hierbei eine Größe verstanden werden, welche indikativ für ein elektrisches und/oder magnetisches Feld ist. Beispielsweise kann die elektrische Größe ein Strom und/oder eine Spannung sein.The term "electrical quantity" can here be understood to mean a quantity which is indicative of an electric and / or magnetic field. For example, the electrical variable may be a current and / or a voltage.
Unter dem Begriff „Drehwinkel” kann hierbei der Winkel verstanden werden, um welchen eine geometrische Orientierung des zweiten räumlich stationären Wechselfeldes gegenüber dem ersten räumlich stationären Wechselfeld gedreht ist. Beispielsweise kann der Drehwinkel 90° betragen, wenn die geometrische Orientierung des ersten räumlich stationären Wechselfeldes senkrecht zu der geometrischen Orientierung des zweiten räumlich stationären Wechselfeldes ist.The term "rotation angle" can be understood here as the angle by which a geometric orientation of the second spatially stationary alternating field is rotated relative to the first spatially stationary alternating field. For example, the angle of rotation may be 90 ° if the geometric orientation of the first spatially stationary alternating field is perpendicular to the geometric orientation of the second spatially stationary alternating field.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Winkels zwischen einem Stator und einem Rotor einer fremderregten Synchronmaschine beschrieben, wobei der Stator zumindest eine Statorspule und der Rotor zumindest eine Rotorspule aufweist. Die Vorrichtung weist (a) eine Einrichtung zum Einspeisen einer ersten elektrischen periodischen Erregung und einer zweiten elektrischen periodischen Erregung in zumindest eine Spule einer Art von Spule ausgewählt aus der Gruppe von (i) der Statorspule und (ii) der Rotorspule, so dass ein der ersten elektrischen periodischen Erregung zugeordnetes erstes räumlich stationäres magnetisches Wechselfeld und ein der zweiten elektrischen periodischen Erregung zugeordnetes zweites räumlich stationäres magnetisches Wechselfeld ausbildbar ist, wobei das zweite räumlich stationäre Wechselfeld in Bezug zu dem ersten räumlich stationären magnetischen Wechselfeld um einen vorgegebenen ersten Drehwinkel verdreht ist, (b) eine Messeinrichtung zum Messen eines ersten Werts einer elektrischen Größe, welche mittels des ersten räumlich stationären magnetischen Wechselfeldes in der anderen Art von Spule ausgewählt aus der Gruppe von (i) der Statorspule und (ii) der Rotorspule induziert wird, und zum Messen eines zweiten Werts der elektrischen Größe, welche mittels des zweiten räumlich stationären magnetischen Wechselfeldes in der anderen Art von Spule ausgewählt aus der Gruppe von (i) der Statorspule und (ii) der Rotorspule induziert wird, und (c) eine Datenverarbeitungseinrichtung zum Bestimmen des Winkels zwischen dem Stator und dem Rotor basierend auf dem vorgegebenen ersten Drehwinkel, dem gemessenen ersten Wert der elektrischen Größe und dem gemessenen zweiten Wert der elektrischen Größe auf.According to a further aspect, an apparatus for determining an angle between a stator and a rotor of a separately excited synchronous machine is described, wherein the stator has at least one stator coil and the rotor has at least one rotor coil. The apparatus comprises (a) means for injecting a first electrical periodic excitation and a second electrical periodic excitation into at least one coil of a type of coil selected from the group of (i) the stator coil and (ii) the rotor coil such that one of the first spatially stationary alternating magnetic field associated with the first electrical periodic excitation and second spatially stationary alternating magnetic field associated with the second electrical periodic excitation, the second spatially stationary alternating field being rotated by a predetermined first rotational angle with respect to the first spatially stationary alternating magnetic field ( b) a measuring device for measuring a first value of an electrical quantity which is induced by means of the first spatially stationary alternating magnetic field in the other type of coil selected from the group of (i) the stator coil and (ii) the rotor coil, and for measuring a second value of the electrical quantity induced by the second spatially stationary alternating magnetic field in the other type of coil selected from the group of (i) the stator coil and (ii) the rotor coil, and (c) a data processing device for Determining the angle between the stator and the rotor based on the predetermined first rotation angle, the measured first value of the electrical quantity, and the measured second value of the electrical quantity.
Insbesondere kann die Einrichtung zum Einspeisen einer ersten elektrischen periodischen Erregung und einer zweiten elektrischen periodischen Erregung geeignet sein die Erregungen auch zu erzeugen. Ferner kann die Einrichtung aus zwei getrennten Einheiten bestehen: eine Einheit zum Einspeisen der ersten elektrischen periodischen Erregung und eine andere Einheit zum Einspeisen der zweiten elektrischen periodischen Erregung. Die Einrichtung kann aber auch als eine Einheit ausgebildet sein.In particular, the means for injecting a first electrical periodic excitation and a second electrical periodic excitation may be adapted to also generate the excitations. Furthermore, the device may consist of two separate units: one unit for feeding the first electrical periodic excitation and another unit for feeding the second electrical periodic excitation. The device can also be designed as a unit.
Die Messeinrichtung zum Messen eines ersten Werts und eines zweiten Werts kann ebenfalls als eine Einheit ausgebildet sein. Allerdings ist es auch möglich, dass die Messeinrichtung eine Einheit zum Messen des ersten Werts und eine Einheit zum Messen des zweiten Werts aufweist.The measuring device for measuring a first value and a second value may also be formed as a unit. However, it is also possible that the measuring device has a unit for measuring the first value and a unit for measuring the second value.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Motorsteuerung für ein Elektrofahrzeug oder für ein Hybridfahrzeug beschrieben, wobei die Motorsteuerung eingerichtet ist, das oben genannte oder nachfolgend beschriebene Verfahren zum Bestimmen eines Winkels zwischen einem Stator und einem Rotor einer fremderregten Synchronmaschine durchzuführen.According to another aspect, a motor controller for an electric vehicle or for a hybrid vehicle is described, wherein the motor controller is configured to perform the above-mentioned or subsequently described method for determining an angle between a stator and a rotor of a separately excited synchronous machine.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogramm zum Bestimmen eines Winkels zwischen einem Stator und einem Rotor einer fremderregten Synchronmaschine beschrieben, wobei das Computerprogramm, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, zum Durchführen des Verfahrens zum Bestimmen eines Winkels zwischen einem Stator und einem Rotor einer fremderregten Synchronmaschine eingerichtet ist.In another aspect, a computer program for determining an angle between a stator and a rotor of a separately excited synchronous machine is described, wherein the computer program, when executed by a processor, performs the method of determining an angle between a stator and a rotor of a third-excited one Synchronous machine is set up.
Im Sinne dieses Dokuments ist die Nennung eines solchen Computerprogramms gleichbedeutend mit dem Begriff eines Programm-Elements, eines Computerprogrammprodukts und/oder eines computerlesbaren Mediums, das Anweisungen zum Steuern eines Computersystems enthält, um die Arbeitsweise eines Systems bzw. eines Verfahrens in geeigneter Weise zu koordinieren, um die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verknüpften Wirkungen zu erreichen.For the purposes of this document, the mention of such a computer program is synonymous with the concept of a program element, a computer program product, and / or a computer-readable medium containing instructions for controlling a computer system in order to control the computer system To coordinate the operation of a system or a method in a suitable manner in order to achieve the effects associated with the method according to the invention.
Das Computerprogramm kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in JAVA, C++ etc. implementiert sein. Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Speichermedium (CD-Rom, DVD, Blue-ray Disk, Wechsellaufwerk, flüchtiger oder nicht-flüchtiger Speicher, eingebauter Speicher/Prozessor etc.) abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte wie insbesondere ein Steuergerät für einen Motor eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogramm in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet bereitgestellt werden, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer herunter geladen werden kann.The computer program may be implemented as a computer-readable instruction code in any suitable programming language such as JAVA, C ++, etc. The computer program can be stored on a computer-readable storage medium (CD-ROM, DVD, Blue-ray disk, removable drive, volatile or non-volatile memory, built-in memory / processor, etc.). The instruction code may program a computer or other programmable devices such as, in particular, an electric vehicle or hybrid vehicle control unit to perform the desired functions. Further, the computer program may be provided in a network, such as the Internet, from where it may be downloaded by a user as needed.
Die Erfindung kann sowohl mittels eines Computerprogramms, d. h. einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektronischer Schaltungen, d. h. in Hardware oder in beliebig hybrider Form, d. h. mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden.The invention can be implemented both by means of a computer program, i. H. a software, as well as by means of one or more special electronic circuits, d. H. in hardware or in any hybrid form, d. H. using software components and hardware components.
Ein Winkel zwischen einem Stator und einem Rotor einer fremderregten Synchronmaschine kann insbesondere der oben genannte Rotorwinkel sein. Der Stator oder der Rotor der Synchronmaschine kann mehrere Spulenpaare aufweisen. Ein Spulenpaar besteht dabei aus zwei sich gegenüberliegenden Spulen. Jede dieser Spulen weist typischerweise mehrere Wicklungen auf. Bei einer fremderregten Synchronmaschine können die Spulenpaare verwendet werden, um ein Erregerfeld zu erzeugen. Üblicherweise sind die Spulenpaare auf einem Kreis um 120° versetzt angeordnet. Wird in jedes Spulenpaar nun eine periodische elektrische Erregung eingespeist, wobei die periodischen elektrischen Erregungen einen zeitlichen Phasenverzug von 2π/3 zueinander aufweisen, so erhält man ein sogenanntes Drehfeld.An angle between a stator and a rotor of a separately excited synchronous machine may in particular be the above-mentioned rotor angle. The stator or the rotor of the synchronous machine may have a plurality of coil pairs. A coil pair consists of two opposing coils. Each of these coils typically has multiple windings. In a separately excited synchronous machine, the coil pairs can be used to create a field of excitation. Usually, the coil pairs are arranged on a circle offset by 120 °. If a periodic electrical excitation is now fed into each coil pair, with the periodic electrical excitations having a temporal phase delay of 2π / 3 relative to one another, a so-called rotating field is obtained.
Ein räumlich stationäres magnetisches Wechselfeld kann beispielsweise dadurch erhalten werden, dass in die räumlich versetzten Spulenpaare die periodischen elektrischen Erregungen ohne zeitlichen Phasenverzug eingespeist werden. Mittels eine geeigneten Wahl eines Amplitudenverhältnisses der periodischen elektrischen Erregungen kann eine geometrische Orientierung des räumlich stationären Wechselfeldes gedreht werden. Eine mögliche periodische elektrische Erregung kann beispielsweise ein sinusförmiges Stromsignal und/oder Spannungssignal sein. Es kann aber auch eine nicht-sinusförmige periodische elektrische Erregung verwendet werden.A spatially stationary alternating magnetic field can be obtained, for example, by feeding the periodic electrical excitations without temporal phase delay into the spatially offset coil pairs. By means of a suitable choice of an amplitude ratio of the periodic electrical excitations, a geometric orientation of the spatially stationary alternating field can be rotated. A possible periodic electrical excitation may be, for example, a sinusoidal current signal and / or voltage signal. However, a non-sinusoidal periodic electrical excitation may also be used.
Bringt man eine Spule mit mehreren Wicklungen in ein magnetisches Wechselfeld, so kann eine elektrische Größe in der Spule induziert werden. Dabei zeigt die induzierte elektrische Größe einen Verlauf, bei dem die Stärke und Polung der elektrischen Größe mit derselben Periodizität wechseln, wie bei dem magnetischen Wechselfeld.Bringing a coil with several windings in a magnetic alternating field, so an electrical variable can be induced in the coil. In this case, the induced electrical variable shows a course in which the strength and polarity of the electrical variable change with the same periodicity as in the alternating magnetic field.
Ein Wert oder ein Betrag der induzierten Größe ist unter anderem von einer Überlappung des magnetischen Wechselfelds mit der Spule abhängig. Je mehr Wicklungen einer Spule von einem magnetischen Wechselfeld durchflossen werden, desto größer kann der Betrag der induzierten Größe sein. Wird beispielweise das räumlich stationäre magnetische Wechselfeld in dem Stator der Synchronmaschine ausgebildet, so ist der Betrag der in dem Rotor der Synchronmaschine induzierten Größe abhängig von der Überlappung des räumlich stationären magnetischen Wechselfelds mit den Rotorspulen des Rotors. Das heißt der Betrag der induzierten Größe ist indikativ für den Winkel zwischen dem Stator und dem Rotor der Synchronmaschine. Wird das räumlich stationäre magnetische Wechselfeld in dem Rotor der Synchronmaschine ausgebildet, so ist analog der Betrag der induzierten elektrischen Größe in dem Stator der Synchronmaschine indikativ für den Winkel zwischen dem Stator der Synchronmaschine und dem Rotor der Synchronmaschine.A value or an amount of the induced variable is inter alia dependent on an overlap of the alternating magnetic field with the coil. The more windings of a coil are traversed by an alternating magnetic field, the greater the amount of the induced variable can be. If, for example, the spatially stationary alternating magnetic field is formed in the stator of the synchronous machine, the amount of the variable induced in the rotor of the synchronous machine is dependent on the overlap of the spatially stationary alternating magnetic field with the rotor coils of the rotor. That is, the magnitude of the induced quantity is indicative of the angle between the stator and the rotor of the synchronous machine. If the spatially stationary alternating magnetic field is formed in the rotor of the synchronous machine, the amount of the induced electrical variable in the stator of the synchronous machine is analogous to the angle between the stator of the synchronous machine and the rotor of the synchronous machine.
Wird eine geometrische Orientierung des räumlich stationären Wechselfelds geändert, so kann sich auch die Überlappung zwischen dem räumlich stationären magnetischen Wechselfeld und den Spulen ändern. Die geänderte Überlappung kann beispielsweise zu einem geänderten Wert der induzierten elektrischen Größe führen.If a geometrical orientation of the spatially stationary alternating field is changed, the overlap between the spatially stationary alternating magnetic field and the coils can also change. For example, the changed overlap may result in a changed value of the induced electrical quantity.
Ein Vorteil des Verfahrens zum Bestimmen eines Winkels zwischen einem Stator und einem Rotor einer fremderregten Synchronmaschine kann sein, dass keine Drehung des Rotors nötig ist. Ferner kann ein Vorteil sein, dass bei der Bestimmung des Winkels keine Reibung, insbesondere der Synchronmaschine, berücksichtigt werden braucht. Dies kann eine einfachere und genauere Bestimmung des Winkels zwischen Rotor und Stator erlauben. Ist beispielsweise die fremderregte Synchronmaschine in einem Antriebsstrang eines Hybrid- oder Elektrofahrzeug eingebaut, so kann es ein Vorteil des hier beschriebenen Verfahrens sein, dass die Räder des Hybrid- oder Elektrofahrzeugs zum Bestimmen des Winkels zwischen Rotor und Stator nicht frei sein brauchen.An advantage of the method for determining an angle between a stator and a rotor of a separately excited synchronous machine may be that no rotation of the rotor is necessary. Furthermore, it can be an advantage that no friction, in particular the synchronous machine, has to be taken into account when determining the angle. This may allow a simpler and more accurate determination of the angle between rotor and stator. If, for example, the externally excited synchronous machine is installed in a drive train of a hybrid or electric vehicle, it may be an advantage of the method described here that the wheels of the hybrid or electric vehicle need not be free for determining the angle between rotor and stator.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen beschrieben.Hereinafter, exemplary embodiments will be described.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens weist das Verfahren ferner auf (a) ein Einspeisen einer dritten elektrischen periodischen Erregung in zumindest eine Spule der einen Art von Spule ausgewählt aus der Gruppe von (i) der Statorspule und (ii) der Rotorspule, so dass sich ein drittes räumlich stationäres magnetisches Wechselfeld ausbildet, welches in Bezug zu dem ersten räumlich stationären magnetischen Wechselfeld um einen vorgegebenen zweiten Drehwinkel verdreht ist, (b) ein Messen eines dritten Werts der elektrischen Größe, welche mittels des dritten räumlich stationären magnetischen Wechselfeldes in der anderen Art von Spule ausgewählt aus der Gruppe von (i) der Statorspule und (ii) der Rotorspule induziert wird, und (c) ein Bestimmen des Winkels zwischen dem Stator und dem Rotor basierend auf dem vorgegebenen ersten Drehwinkel, dem vorgegebenen zweiten Drehwinkel, dem gemessenen ersten Wert der elektrischen Größe, dem gemessenen zweiten Wert der elektrischen Größe und dem gemessenen dritten Wert der elektrischen Größe. According to one embodiment of the method, the method further comprises (a) feeding a third electrical periodic excitation into at least one coil of the one type of coil selected from the group of (i) the stator coil and (ii) the rotor coil, so that a (b) measuring a third value of the electrical quantity generated by the third spatially stationary alternating magnetic field in the other type of Coil selected from the group of (i) the stator coil and (ii) the rotor coil is induced, and (c) determining the angle between the stator and the rotor based on the predetermined first rotation angle, the predetermined second rotation angle, the measured first value the electrical quantity, the measured second value of the electrical Gr and the measured third value of the electrical quantity.
Es kann insbesondere ein Vorteil sein, den Winkels zwischen Stator und Rotor basierend auf dem vorgegebenen ersten Drehwinkel, dem vorgegebenen zweiten Drehwinkel, dem gemessenen ersten Wert der elektrischen Größe, dem gemessenen zweiten Wert der elektrischen Größe und dem gemessenen dritten Wert der elektrischen Größe zu bestimmen, da dies möglicherweise erlaubt den Winkel zwischen Stator und Rotor der Synchronmaschine genauer zu bestimmen.In particular, it may be an advantage to determine the angle between stator and rotor based on the predetermined first rotation angle, the predetermined second rotation angle, the measured first value of the electrical quantity, the measured second value of the electrical quantity and the measured third value of the electrical quantity since this may allow to more accurately determine the angle between the stator and rotor of the synchronous machine.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weist das Verfahren ferner auf (a) ein Einspeisen von weiteren elektrischen periodischen Erregungen in zumindest eine Spule der einen Art von Spule ausgewählt aus der Gruppe von (i) der Statorspule und (ii) der Rotorspule, so dass sich weitere räumlich stationäre magnetische Wechselfelder ausbilden, welche in Bezug zu dem ersten räumlich stationären magnetischen Wechselfeld um vorgegebene weitere Drehwinkel verdreht sind, (b) ein Messen von weiteren Werten der elektrischen Größe, welche mittels der weiteren räumlich stationären magnetischen Wechselfelder in der anderen Art von Spule ausgewählt aus der Gruppe von (i) der Statorspule und (ii) der Rotorspule induziert wird, (c) ein Aufzeichnen eines Verlaufs der elektrischen Größe, wobei der Verlauf den ersten Wert abhängig von einem Referenzwinkel, den zweiten Wert abhängig von dem Referenzwinkel plus den ersten Drehwinkel, den dritten Wert abhängig von dem Referenzwinkel plus den zweiten Drehwinkel und die weiteren Werte abhängig von dem Referenzwinkel plus den jeweils zugeordneten weiteren Drehwinkel aufweist, (d) ein Identifizieren einer charakteristischen Eigenschaft des Verlaufs, und (e) ein Bestimmen des Winkels zwischen dem Stator und dem Rotor basierend auf der charakteristischen Eigenschaft.According to a further embodiment of the method, the method further comprises (a) feeding further electrical periodic excitations into at least one coil of the one type of coil selected from the group of (i) the stator coil and (ii) the rotor coil, so that form further spatially stationary alternating magnetic fields, which are rotated in relation to the first spatially stationary alternating magnetic field by predetermined further rotation angles, (b) measuring further values of electrical magnitude, which by means of the other spatially stationary alternating magnetic fields in the other type of coil (c) recording a progression of the electrical quantity, wherein the course determines the first value as a function of a reference angle, the second value as a function of the reference angle plus first rotation angle, the third value depending on the Referenzwin kel plus the second angle of rotation and the other values depending on the reference angle plus the associated further rotation angle, (d) identifying a characteristic of the curve, and (e) determining the angle between the stator and the rotor based on the characteristic Property.
Beispielsweise kann der Referenzwinkel zu 0° gewählt werden. Es kann ein Vorteil sein aus den charakteristischen Eigenschaften des Verlaufs den Winkel zwischen Stator und Rotor zu bestimmen, da so der Winkel zwischen Stator und Rotor der Synchronmaschine besonders genau bestimmt werden kann.For example, the reference angle can be selected to be 0 °. It can be an advantage to determine the angle between stator and rotor from the characteristic properties of the curve, since the angle between stator and rotor of the synchronous machine can thus be determined particularly accurately.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist die charakteristische Eigenschaft des Verlaufs ein Nulldurchgang des Verlaufs und/oder ein Extremwert des Verlaufs.According to a further embodiment of the method, the characteristic property of the course is a zero crossing of the course and / or an extreme value of the course.
Insbesondere können der Nulldurchgang und/oder der Extremwert des Verlaufs besonderes genau bestimmt werden.In particular, the zero crossing and / or the extreme value of the profile can be determined particularly accurately.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die charakteristische Eigenschaft des Verlaufs basierend auf einem Mittelwert von zwei vorgegebenen Drehwinkeln bestimmt, wobei die zwei vorgegebenen Drehwinkel einen gleichen Betrag des gemessenen Wertes der elektrischen Größe haben.According to a further embodiment of the method, the characteristic of the curve is determined based on an average of two predetermined angles of rotation, wherein the two predetermined angles of rotation have an equal magnitude of the measured value of the electrical quantity.
Weist die Synchronmaschine beispielsweise ausgeprägte Pole auf, z. B. eine Schenkelpolmaschine, so können insbesondere die Nulldurchgänge und/oder die Extremwerte des Verlaufs der elektrischen Größe verschliffen sein.Does the synchronous machine, for example, pronounced poles, z. As a salient pole, so in particular the zero crossings and / or the extreme values of the course of the electrical variable can be smoothed.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist die elektrische Größe eine induzierte Spannung und/oder ein induzierter Strom ist.According to a further embodiment of the method, the electrical quantity is an induced voltage and / or an induced current.
Beispielsweise kann die induzierte Spannung gemessen werden, indem man die Wicklung der Statorspulen bzw. Rotorspulen offenlässt und die Spannung misst. Schließt man die Wicklungen der Statorspulen bzw. der Rotorspulen kurz, so kann man einen induzierten Strom messen. Insbesondere kann die elektrische Größe auch aus einer Reglerausgangsgröße bestimmt werden. Beispielsweise kann eine Rotorstromregelung aktiv auf einen Sollwert If* = OA regeln. In diesem Fall könnte eine Reglerausgangsspannung Uf* indikativ für die elektrische Größe sein.For example, the induced voltage can be measured by leaving the winding of the stator coils or rotor coils open and measuring the voltage. Closing the windings of the stator coils or of the rotor coils briefly, one can measure an induced current. In particular, the electrical variable can also be determined from a controller output variable. For example, a rotor current control can actively control to a setpoint If * = OA. In this case, a regulator output voltage Uf * could be indicative of the electrical quantity.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird aus einer Differenz zwischen dem bestimmten Winkel zwischen dem Stator und dem Rotor und einem weiteren Winkel, wobei der weitere Winkel von einem Sensorelement bestimmt wird, ein Offsetwinkel des Sensorelements bestimmt.According to a further embodiment of the method, an offset angle of the sensor element is determined from a difference between the specific angle between the stator and the rotor and a further angle, wherein the further angle is determined by a sensor element.
Insbesondere kann mittels des bestimmten Offsetwinkels eine Regelung der Synchronmaschine verbessert werden.In particular, a control of the synchronous machine can be improved by means of the specific offset angle.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören. It should be noted that embodiments of the invention have been described with reference to different subject matters. In particular, some embodiments of the invention are described with apparatus claims and other embodiments of the invention with method claims. However, it will be readily apparent to those skilled in the art upon reading this application that, unless explicitly stated otherwise, in addition to a combination of features belonging to a type of subject matter, any combination of features that may result in different types of features is also possible Subject matters belong.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen.Further advantages and features of the present invention will become apparent from the following exemplary description of presently preferred embodiments.
Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert.In order to avoid unnecessary repetitions, features or components already explained on the basis of a previously described embodiment will not be explained in detail later.
Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.It should also be noted that the embodiments described below represent only a limited selection of possible embodiments of the invention. In particular, it is possible to suitably combine the features of individual embodiments with one another, so that a multiplicity of different embodiments are to be regarded as obviously disclosed to the person skilled in the art with the embodiment variants explicitly illustrated here.
Ferner weist die Vorrichtung
Aus dem vorgegebenen ersten Drehwinkel, dem gemessenen ersten Wert der elektrischen Größe und dem gemessenen zweiten Wert der elektrischen Größe kann in einer Datenverarbeitungseinrichtung
Außerdem werden über Stromsensoren
Allerdings liefern handelsübliche Winkelsensoren kein ideales Winkelsignal, dass hundertprozentig mit der Realität übereinstimmt. Beispielsweise kann zwischen dem Winkel zwischen Rotor und Stator und dem vom Winkelsensor bestimmten Winkel eine Differenz vorliegen. Diese Differenz wird Offsetwinkel genannt.However, commercial angle sensors do not provide an ideal angle signal that is 100% consistent with reality. For example, there may be a difference between the angle between the rotor and the stator and the angle determined by the angle sensor. This difference is called the offset angle.
Wird ein fehlerhaftes Winkelsignal als Steuersignal für eine Regelung einer Synchronmaschine verwendet, so kann sich dies negativ auf den Wirkungsgrad der Regelung auswirken. Aus diesem Grund kann ein Ausgangssignal
Zusammenfassend bleibt festzustellen: Ein räumlich stationäres magnetisches Wechselfeld kann nicht nur in einem Transformator, sondern auch in einer Spule einer fremderregten Synchronmaschine eine elektrische Größe (Spannung und/oder Strom) induzieren. Dies beruht auf der Tatsache, dass eine fremderregte Synchronmaschine einen Stator mit Statorspulen und einen Rotor mit Rotorspulen aufweist. Wird eine periodische elektrische Erregung beispielsweise in die Statorspulen der Synchronmaschine eingespeist, so kann sich ein räumlich stationäres magnetisches Wechselfeld in dem Stator der Synchronmaschine ausbilden. Insbesondere kann dieses räumlich stationäre magnetische Wechselfeld eine feste geometrische Orientierung im Bezug auf den Stator der Synchronmaschine haben. Das räumlich stationäre magnetische Wechselfeld kann in den Rotorspulen eine elektrische Größe induzieren. Ein Wert der induzierten elektrischen Größe ist insbesondere von einer Überlappung der räumlich stationären magnetischen Wechselfeldes mit den Rotorspulen und damit von einer Position des Rotors abhängig. Wird die periodische elektrische Erregung in die Rotorspulen des Rotors der Synchronmaschine eingespeist, so bildet sich das räumlich stationäre Wechselfeld in dem Rotor der Synchronmaschine aus. Die elektrische Größe wird dann in den Statorspulen des Stators der Synchronmaschine induziert.In summary, it remains to be stated: A spatially stationary alternating magnetic field can induce an electrical variable (voltage and / or current) not only in a transformer but also in a coil of a separately excited synchronous machine. This is due to the fact that a separately excited synchronous machine has a stator with stator coils and a rotor with rotor coils. If a periodic electrical excitation is fed, for example, into the stator coils of the synchronous machine, then a spatially stationary alternating magnetic field can form in the stator of the synchronous machine. In particular, this spatially stationary alternating magnetic field can have a fixed geometric orientation with respect to the stator of the synchronous machine. The spatially stationary alternating magnetic field can induce an electrical quantity in the rotor coils. A value of the induced electrical variable is dependent in particular on an overlap of the spatially stationary alternating magnetic field with the rotor coils and thus on a position of the rotor. If the periodic electrical excitation is fed into the rotor coils of the rotor of the synchronous machine, the spatially stationary alternating field is formed in the rotor of the synchronous machine. The electrical quantity is then induced in the stator coils of the stator of the synchronous machine.
Insbesondere kann ein Vorteil des beschriebenen Verfahrens sein, dass ein Winkel zwischen dem Stator und dem Rotor der Synchronmaschine bestimmt werden kann, ohne dass hierzu der Rotor in dem Stator gedreht werden muss.In particular, an advantage of the method described may be that an angle between the stator and the rotor of the synchronous machine can be determined without the rotor in the stator having to be rotated for this purpose.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „aufweisend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließt. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.In addition, it should be noted that "having" does not exclude other elements or steps, and "a" or "an" does not exclude a multitude. Reference signs in the claims are not to be considered as limiting.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- Vorrichtungcontraption
- 102102
- EinrichtungFacility
- 104104
- Messeinrichtungmeasuring device
- 106106
- DatenverarbeitungseinrichtungData processing device
- 202202
- StromsollwerteeinheitCurrent Setpoints Units
- 204204
- RotorstromreglerRotor current controller
- 206206
- d/q-Stromreglerd / q-current regulator
- 208 208
- SpannungstransformationseinheitVoltage transformation unit
- 210210
- StromtransformationseinheitCurrent transformation unit
- 212212
- WinkelerfassungseinheitAngle detection unit
- 214214
- Stromsensorcurrent sensor
- 216216
- Strom durch RotorwicklungCurrent through rotor winding
- 218218
- gemessene Ströme durch Statorwicklungenmeasured currents through stator windings
- 219219
- Stromsensoren für Ströme durch StatorwicklungenCurrent sensors for currents through stator windings
- 220220
- Spannungen an StatorwicklungenVoltages on stator windings
- 222222
- Stromsollwerte durch Statorwicklungen im d/q-SystemCurrent setpoints through stator windings in the d / q system
- 224224
- Spannungssollwerte durch Statorwicklungen im d/q-SystemVoltage setpoints through stator windings in the d / q system
- 226226
- Ausgangsspannung des Rotorstromreglers, Spannung an der RotorwicklungOutput voltage of the rotor current controller, voltage at the rotor winding
- 228228
- gemessene Statorströme im d/q-Systemmeasured stator currents in the d / q system
- 230230
- Ausgangssignal der WinkelerfassungseinheitOutput signal of the angle detection unit
- 231231
- Ausgangssignal der OffsetwinkelkorrektureinheitOutput signal of the offset angle correction unit
- 232232
- Winkelsensorangle sensor
- 234234
- Synchronmaschinesynchronous machine
- 236236
- Stromsollwert für RotorwicklungCurrent setpoint for rotor winding
- 240240
- OffsetwinkelkorrektureinheitOffset angle correction unit
- 300300
- Verlaufcourse
- 301301
- Abszisseabscissa
- 302302
- Ordinateordinate
- 303303
- Maximummaximum
- 304304
- NulldurchgangZero-crossing
- 305305
- Minimumminimum
- 400400
- Verlaufcourse
- 401401
- Abszisseabscissa
- 402402
- Ordinateordinate
- 403403
- PunktPoint
- 404404
- PunktPoint
- 405405
- PunktPoint
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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