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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Offsetwinkels in einer Elektromaschine. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung und ein Computerprogramm, die zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt sind, sowie ein computerlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten entsprechenden Computerprogramm.
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STAND DER TECHNIK
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Elektromaschinen mit hohem Leistungspotential werden beispielsweise in Elektro- und Hybridfahrzeugen eingesetzt. Hierbei kann die elektrische Maschine sowohl in einem Antriebsmodus, indem sie als Motor wirkt, als auch in einem Generatormodus, indem sie während eines Abbremsvorganges kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt, betrieben werden. Dabei kann von der Elektromaschine ein Drehmoment auf eine mit der Elektromaschine verbundene Welle, die wiederum beispielsweise mit Rädern des Fahrzeugs verbunden ist, übertragen werden. Das Drehmoment kann dabei je nachdem, ob die Elektromaschine im Antriebsmodus oder im Generatormodus betrieben wird, positive oder negative Werte annehmen.
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Phasenstarre elektrische Maschinen wie beispielsweise elektrische Synchronmaschinen, bei denen ein Rotor eine gleiche Drehfrequenz aufweist wie ein Statordrehfeld, erzeugen ein Drehmoment, das stark von einem Winkelversatz zwischen Rotor und Statordrehfeld abhängt. Ferner gibt es eine Vielzahl von Anwendungen für Elektromaschinen, bei denen eine Winkelstellung einer Antriebswelle der Elektromaschine mit einem Abtrieb synchronisiert sein muss, das heißt die Winkelstellung genau bekannt sein muss.
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Um die Winkelstellung, d. h. eine Orientierung des Rotors relativ zu dem Stator der Elektromaschine, erfassen zu können, sind verschiedene Winkelsensorsysteme bekannt. Diese werden in der Regel erst nach einer Fertigstellung der Elektromaschine an dieser montiert, um im nachfolgenden Betrieb der Elektromaschine stets eine Information z. B. über die aktuelle Winkelstellung der Antriebswelle ermitteln zu können. Bei der Montage der Winkelsensoren kann nicht immer sichergestellt werden, dass die Winkelsensoren exakt an gewünschten Positionen, bezogen auf die Geometrie der Elektromaschine, fixiert werden können. Daher kann es vorkommen, dass eine Nulllage eines für eine Elektromaschine vorgesehenen Winkelsensorsystems sich von der tatsächlichen Nulllage der Elektromaschine um einen Winkel α unterscheidet. Dieser Winkel α wird hierin als Offsetwinkel bezeichnet. Dieser Offsetwinkel sollte möglichst genau bekannt sein und bei der Steuerung der Elektromaschine berücksichtigt werden, um z. B. einen gewünschten Drehmomentverlauf realisieren zu können.
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Nach dem Zusammenbau der Elektromaschine und des Winkelsensorsystems sollte daher der Offsetwinkel durch ein Kalibrierungsverfahren bestimmt werden. Ein mögliches Kalibrierungsverfahren ist in
DE 10 2008 001 408 A1 beschrieben.
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Da sich der Offsetwinkel während der Lebensdauer der Elektromaschine beispielsweise aufgrund von starken mechanischen Beanspruchungen ändern kann, sollte er während des Betriebs der Elektromaschine von Zeit zu Zeit überprüft werden.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Es kann daher ein Bedarf dafür bestehen, einen Offsetwinkel einer Elektromaschine während des Betriebs der Elektromaschine überprüfen zu können bzw. einen zuvor durch Kalibrieren erhaltenen Wert eines Offsetwinkels zu einem späteren Zeitpunkt plausibilisieren zu können.
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Einem solchen Bedarf kann durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche entsprochen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Ermitteln eines Offsetwinkels einer Elektromaschine vorgeschlagen. Die Elektromaschine weist dabei einen Stator und einen Rotor auf. Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte: Ansteuern der Elektromaschine in einen Quasi-Nullstrom-Zustand; Bestimmen eines Spannungszeigers während des Quasi-Nullstrom-Zustands; Transformieren des Spannungszeigers in ein rotorfestes Koordinatensystem; und Bestimmen des Offsetwinkels basierend auf dem transformierten Spannungszeiger.
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Mögliche Merkmale und Vorteile des vorgestellten Verfahrens werden nachfolgend detailliert beschrieben.
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Zunächst wird die Elektromaschine in einen sogenannten Quasi-Nullstrom-Zustand angesteuert. Dieser Quasi-Nullstrom-Zustand soll derart definiert sein, dass im Wesentlichen kein Strom in den Wicklungen der Elektromaschine fließen soll. Mit anderen Worten kann zum Erreichen des Quasi-Nullstrom-Zustands die Elektromaschine derart angesteuert werden, dass im Wesentlichen kein elektrischer Strom in der Elektromaschine fließt. Dabei können die an den Wicklungen der Elektromaschine angelegten Spannungen derart gewählt werden, dass sie im Wesentlichen der in der Elektromaschine aktuell herrschenden induzierten Polradspannung entsprechen. Anders ausgedrückt sollen die an den Wicklungen der Elektromaschine angelegten Spannungen derart eingestellt werden, dass sich in den Wicklungen weder ein elektrischer Strom einstellt, der die Elektromaschine beschleunigen würde, noch dass aufgrund des sich im Magnetfeld der Elektromaschine drehenden Rotors ein wesentlicher elektrischer Strom in den Wicklungen der Elektromaschine induziert würde.
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„Im Wesentlichen kein elektrischer Strom” kann dabei dahingehend verstanden werden, dass die in den Wicklungen der Elektromaschine fließenden elektrischen Ströme klein genug gewählt sind, dass im Wesentlichen kein Drehmoment auf die mit der Elektromaschine verbundene Welle übertragen wird, das heißt ein Bewegungszustand, der mit der Elektromaschine gekoppelten Welle nicht durch die Elektromaschine verändert wird. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass die Elektromaschine bei geringen Drehzahlen, beispielsweise unterhalb der Nenndrehzahl der Elektromaschine, betrieben wird. Beispielsweise kann ein während des Quasi-Nullstrom-Zustand in den Wicklungen fließender Strom kleiner als 5%, vorzugsweise kleiner als 2% des Nennstromes der Elektromaschine sein.
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Um das Verfahren zum Ermitteln des Offsetwinkels durchführen zu können, kann hierbei der Quasi-Nullstrom-Zustand durch Ansteuern der Elektromaschine gezielt herbeigeführt werden. Da hierzu jedoch der normale Betrieb der Elektromaschine, das heißt zum Beispiel der von einem Fahrer gewünschte und von der Elektromaschine bewirkte Fahrzustand eines Fahrzeugs, unterbrochen bzw. gestört werden könnte, kann es bevorzugt sein, die Elektromaschine nicht gezielt in einen Quasi-Nullstrom-Zustand zu bringen, um dann das Offsetwinkelermittlungsverfahren durchzuführen, sondern umgekehrt abzuwarten, bis die Elektromaschine aus anderen Gründen in einen Quasi-Nullstrom-Zustand angesteuert wird und dann die Gelegenheit nutzen, um das Offsetwinkelermittlungsverfahren durchzuführen. Beispielsweise kann sich bei einem Elektrofahrzeug eine von dem Fahrer gewünschte Fahrsituation ergeben, bei dem die Elektromaschine in einer vom Fahrer gewollten Weise kein Drehmoment auf die Welle, das heißt keine Kraft auf die Fahrzeugräder, ausüben soll, das heißt, das Fahrzeug frei rollen können soll, ohne von der Elektromaschine mit Kraft beaufschlagt zu werden.
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Das vorgestellte Offsetwinkelermittlungsverfahren kann besonders vorteilhaft sein, da die Elektromaschine während des Quasi-Nullstrom-Zustand mechanisch fest mit der Welle gekoppelt sein kann. Mit anderen Worten ist es zur Durchführung des Offsetwinkelermittlungsverfahrens nicht nötig, die Elektromaschine von der Welle abzukoppeln, sondern es genügt, zu überwachen, wann der gewünschte Quasi-Nullstrom-Zustand durch eine entsprechende Ansteuerung der Elektromaschine angesteuert wird.
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Nachdem der Quasi-Nullstrom-Zustand angesteuert wurde, wird ein Spannungszeiger, der eine Richtung einer in der Elektromaschine während des Quasi-Nullstrom-Zustands angesteuerten Spannung angibt, bestimmt. Der Spannungszeiger ist dabei eine vektorielle Größe, die ein Maß für die Richtung und die Stärke der Spannungsverteilung an den Wicklungen des Stators der Elektromaschine darstellt. Während des rotierenden Betriebes der Elektromaschine wird dabei der Spannungszeiger synchron mit dem Rotor der Elektromaschine umlaufen.
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Um ein solches Umlaufen des Spannungszeigers in einem globalen Koordinatensystem, das heißt in einem Koordinatensystem, das bezogen auf die Elektromaschine fest ist, zu vermeiden, wird der Spannungszeiger anschließend in ein rotorfestes Koordinatensystem transformiert. Das rotorfeste Koordinatensystem ist dabei ein Koordinatensystem, das in Bezug auf den rotierenden Rotor der Elektromaschine fest ist, das heißt, das mit dem Rotor mit rotiert. Indem der Spannungszeiger in ein solches rotorfestes Koordinatensystem transformiert wird, kann erreicht werden, dass der Spannungszeiger in einem stationären Zustand der Elektromaschine ebenfalls stationär ist, das heißt sowohl einen konstanten Absolutwert als auch eine konstante Orientierung aufweist. Somit kann nachfolgend ein derart transformierter, zeitlich konstanter Spannungszeiger wesentlich einfacher zur Ableitung weiterer Informationen über den Zustand der Elektromaschine verwendet werden, als dies bei einem zeitlich variierenden, umlaufenden Spannungszeiger der Fall wäre. Das Transformieren des Spannungszeigers kann mit gebräuchlichen mathematischen Methoden durchgeführt werden.
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Der Spannungszeiger kann insbesondere derart in das rotorfeste Koordinatensystem transformiert werden, dass dem Spannungszeiger in einem stationären Zustand eine Komponente d und eine Komponente q zuzuordnen sind. Mit anderen Worten soll der transformierte Spannungszeiger in zwei Komponenten zerlegt werden können, bei denen eine Komponente d den vektoriellen Anteil des Spannungszeigers angibt, der in Richtung des elektrischen Flusses zeigt, und eine Komponente q den vektoriellen Anteil angibt, der senkrecht dazu ist.
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Abschließend kann der Offsetwinkel basierend auf dem transformierten Spannungszeiger bestimmt werden. Hierbei kann ermittelt werden, ob der transformierte Spannungszeiger, der sich bei Ansteuern der Elektromaschine in einem Quasi-Nullstrom-Zustand tatsächlich ergibt, mit einem gewünschten Spannungsanzeiger bzw. einem Spannungsanzeiger, der aufgrund des zuvor durch eine Kalibrierung erhaltenen Wissens über den Offsetwinkel eingestellt wurde, übereinstimmt. Für den Fall, dass der basierend auf einer vorhergehenden Kalibrierung angenommene Offsetwinkel nicht mit dem nun tatsächlich bestimmten Offsetwinkel übereinstimmt, kann aus der Differenz des angenommenen und des tatsächlich bestimmten Offsetwinkels ein Winkelfehler ermittelt werden. Dieser Winkelfehler kann bei einem nachfolgenden Ansteuern der Elektromaschine berücksichtigt werden, das heißt der Offsetwinkel, der von einer Steuerung der Elektromaschine zur Ansteuerung der Elektromaschine verwendet wird, kann um den Winkelfehler korrigiert werden.
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Der Offsetwinkel kann insbesondere aus der Komponente d bzw. der Komponente q des transformierten Spannungszeigers berechnet werden. Insbesondere kann ein Winkelfehler des Offsetwinkels aus der Komponente q und der Komponente d durch Bilden eines Arkustangens-Wertes berechnet werden.
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Der ermittelte Winkelfehler des Offsetwinkels kann zur nachträglichen Plausibilisierung des Offsetwinkels herangezogen werden. Je kleiner der ermittelte Winkelfehler ist, desto weniger weicht der von der Steuerung der Elektromaschine angenommene, zu einem früheren Zeitpunkt durch Kalibrierung erhaltene Offsetwinkel von dem tatsächlich in der Elektromaschine und dem damit gekoppelten Winkelsensorsystem herrschenden Offsetwinkel ab. Sollte der ermittelte Winkelfehler einen vorgegebenen Grenzwert überschreiten, können geeignete Maßnahmen, wie zum Beispiel eine Korrektur des in der Maschinensteuerung hinterlegten Offsetwinkels, vorgenommen werden, um eine Schädigung der Elektromaschine oder einen suboptimale Drehmomentsteuerung zu vermeiden.
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Das oben beschriebene Verfahren zum Ermitteln des Offsetwinkels kann beispielsweise von einer Vorrichtung durchgeführt werden, die dazu ausgelegt ist, die Elektromaschine zu steuern. Hierzu kann ein Computerprogramm vorgesehen sein, das als Software ein entsprechendes Steuergerät dazu veranlassen kann, die oben beschriebenen Verfahrensschritte durchzuführen. Ein entsprechendes computerlesbares Speichermedium, wie zum Beispiel ein programmierbarer Mikrochip, zum Beispiel ein EEPROM, oder eine CD oder DVD kann ein entsprechendes darauf gespeichertes Computerprogramm enthalten, so dass das Computerprogramm eventuell auch nachträglich in ein programmierbares Steuergerät implementiert werden kann.
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Die zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens ausgelegte Vorrichtung sollte in der Lage sein, zu erkennen, wenn eine Elektromaschine in einen Quasi-Nullstrom-Zustand angesteuert wird, und dann einen Spannungszeiger zu ermitteln und in ein rotorfestes Koordinatensystem zu transformieren, um nachfolgend einen Offsetwinkel der Elektromaschine basierend auf dem transformierten Spannungszeiger berechnen zu können.
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Das oben beschriebene Verfahren bzw. die oben beschriebene Vorrichtung kann besonders vorteilhaft in Elektrofahrzeugen bzw. Hybridfahrzeugen, die von einer elektrischen Synchronmaschine angetrieben werden, verwendet werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung hierin teilweise in Bezug auf das vorgeschlagene Verfahren zum Ermitteln eines Offsetwinkels und teilweise in Bezug auf eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens beschrieben sind. In für einen Fachmann erkennbarer Weise können die Merkmale jedoch in beliebiger Weise miteinander kombiniert bzw. ausgetauscht werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend in nicht einschränkend auszulegender Weise mit Bezug auf die beiliegenden Figuren beschrieben.
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1 zeigt einen Querschnitt durch eine Elektromaschine.
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2 zeigt einen Spannungsanzeiger in einem rotorfesten Koordinatensystem.
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3 zeigt ein Elektrofahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ermitteln eines Offsetwinkels einer Elektromaschine.
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Die Figuren sind lediglich grob schematisch und nicht maßstabsgetreu.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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In 1 ist eine Elektromaschine 1 mit einem Stator 10, der mehrere Statorwicklungen 15 aufweist, und einem Rotor 20 dargestellt. Ein durch die Statorwicklungen 15 fließender elektrischer Strom tritt in einem links dargestellten Wicklungsabschnitt aus der Zeichenebene heraus und tritt in einen rechts dargestellten Wicklungsabschnitt in der Zeichenebene ein. Ein hierdurch erzeugtes magnetisches Feld hat die Richtung des Pfeils A. Aus Gründen der Klarheit ist nur eine einzelne Statorwicklung 15 dargestellt, wobei üblicherweise Statorwicklungen entlang des gesamten Umfangs des Stators gleichmäßig angeordnet sind. Der Rotor 20 ist beispielsweise mittels Permanentmagneten oder Rotorwicklungen (nicht dargestellt) erregt und weist ein Magnetfeld auf, das in Längsrichtung des Rotors orientiert ist, wie durch den Pfeil B dargestellt. Eine Kraft zwischen dem Stator 10 und dem Rotor 20 ist proportional zu sin(α), wobei α dem Winkel zwischen dem von dem Stator 10 erzeugten magnetischen Feld A und dem von dem Rotor 20 erzeugten magnetischen Feld B entspricht.
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Eine aktuelle Orientierung des Rotors 20 bzw. des von ihm erzeugten Magnetfeldes B kann mit Hilfe eines Winkelsensorsystems 30 ermittelt werden. Da die tatsächliche Montageposition des Winkelsensorsystems 30 innerhalb der Elektromaschine 1 von einer gewünschten Montageposition abweichen kann, kann sich auch der von dem Winkelsensorsystem 30 ermittelte Orientierungswinkel, der von dem Winkelsensorsystem 30 beispielsweise an eine Steuerung der Elektromaschine 1 weitergegeben wird, von dem tatsächlichen Orientierungswinkel des Rotors unterscheiden. Dieser Winkelunterschied wird als Offsetwinkel bezeichnet und kann nach einem Zusammenbau der Elektromaschine 1 mit dem Winkelsensorsystem 30 erstmals durch Kalibrieren bestimmt werden.
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Während des nachfolgenden Betriebes der Elektromaschine 1 wird die Elektromaschine 1 jeweils mit Hilfe einer Steuerung derart angesteuert, dass sich eine Stärke und Orientierung der von dem Stator 10 und dem Rotor 20 erzeugten Magnetfelder A, B zueinander derart einstellen, dass gewünschte Drehmomente von der Elektromaschine 1 erzeugt werden. Zur Steuerung der Elektromaschine 1 werden hierbei die von dem Winkelsensorsystem 30 bereitgestellten Informationen über den aktuellen Orientierungswinkel des Rotors 20 unter Berücksichtigung des Offsetwinkels herangezogen.
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Um den Offsetwinkel zu einem späteren Zeitpunkt zu ermitteln bzw. den bisher angenommenen Offsetwinkel zu plausibilisieren, wird abgewartet, bis die Steuerung versucht, die Elektromaschine in einen Quasi-Nullstrom-Zustand zu versetzen. Die Steuerung wird hierzu die Spannungen, die an den Wicklungen der Elektromaschine angelegt werden, derart einstellen, dass sie gerade der aktuell herrschenden Polradspannung in der Elektromaschine entsprechen, so dass im Wesentlichen keine elektrischen Ströme in den Wicklungen fließen sollten.
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Um zu überprüfen, ob der von der Steuerung angewiesene Quasi-Nullstrom-Zustand tatsächlich erreicht wird, das heißt, ob der von der Steuerung angenommene Offsetwinkel noch dem tatsächlich in der Elektromaschine herrschenden Offsetwinkel entspricht, wird ein Spannungsanzeiger in ein rotorfestes Koordinatensystem 40 transformiert, wie in 2 dargestellt. In einem solchen rotorfesten Koordinatensystem 40 lässt sich der Spannungsanzeiger als Vektor X darstellen. Das Koordinatensystem 40 gibt auf seiner Abszisse eine Komponente d und auf seiner Ordinate eine Komponente q des Spannungszeigers X an. Sofern der von der Steuerung angenommene Offsetwinkel korrekt ist, sollte der Spannungszeiger X entlang der Ordinate ausgerichtet sein, das heißt nur eine Komponente q aufweisen. Ist der angenommene Offset jedoch mit einem Winkelfehler behaftet, resultiert bei der Transformation des Spannungszeigers in das rotorfeste Koordinatensystem 40 auch eine Komponente d. Der Winkel γ, welcher sich aus der Abweichung des Winkels β des Spannungszeigers X innerhalb des Koordinatensystems 40 von 90° ergibt (also γ = 90° – β), entspricht dann dem Winkelfehler und kann durch eine Arkustangensfunktion mit einem oder zwei Argumenten, d. h. arctan (z) oder arctan2 (y, x), berechnet werden, beispielsweise γ = arctan d/q. Dies ermöglicht die Plausibilisierung und Korrektur des kalibrierten bzw. des vom Winkelsensorsystem gelieferten Offsetwinkels.
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3 zeigt schematisch ein Elektrofahrzeug 50, bei dem eine Elektromaschine 1 von einer Steuerungsvorrichtung 60 gesteuert wird, um ein gewünschtes Drehmoment zu erzeugen und über eine Welle 70 an Räder 80 des Fahrzeugs zu übertragen. Die Steuerungsvorrichtung 60 kann hierbei softwaregesteuert sein und durch ein entsprechendes Computerprogramm dazu instruiert werden, das oben beschriebene Verfahren zum Ermitteln eines Offsetwinkels bei Bedarf bzw. zu einer passenden Gelegenheit durchzuführen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008001408 A1 [0005]
