DE102012215962A1

DE102012215962A1 - Steuereinrichtung und Verfahren zum Ermitteln des Rotorwinkels einer Synchronmaschine

Info

Publication number: DE102012215962A1
Application number: DE102012215962.2A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Paulus; Arun Siddalingappa
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-09-10
Filing date: 2012-09-10
Publication date: 2014-03-13
Also published as: CN103684135B; CN103684135A; US20140070747A1; US9306482B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des Rotorwinkels einer Synchronmaschine, mit den Schritten des Einspeisens mindestens eines Initialspannungspulses vorgebbarer Pulsdauer und Pulshöhe in den Stator der Synchronmaschine, des Erfassens der jeweiligen Stromantwort auf den mindestens einen Initialspannungspuls, des Bestimmens der jeweiligen Phasendifferenz auf der Basis der jeweiligen erfassten Stromantwort, des Ermittelns mindestens eines ersten Schätzwerts durch Vergleich der Stromantwort mit einer Stromantwortkennlinie der Synchronmaschine, des Ermittelns mindestens eines zweiten Schätzwerts durch Vergleich der Phasendifferenz mit einer Phasendifferenzkennlinie der Synchronmaschine, des Bildens einer Vielzahl von Differenzen zwischen jeweils einem der ersten Schätzwerte und einem der zweiten Schätzwerte, und des Bestimmens eines Initialschätzwerts für den Rotorwinkel der Synchronmaschine auf der Basis derjenigen der bestimmten Differenz, welche dem geringsten Wert aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln des Rotorwinkels einer Synchronmaschine, insbesondere im Stillstand einer Synchronmaschine eines elektrischen Antriebssystems eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie z.B. Windkraftanlagen oder Solaranlagen, wie auch in Fahrzeugen, wie Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, vermehrt elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren.
Bei der Regelung einer Synchronmaschine, beispielsweise in einem elektrischen Antriebssystem eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, spielt die Kenntnis über die relative Position des Rotors zum Stator der Synchronmaschine eine zentrale Rolle. Um ein gefordertes Drehmoment mit einer Synchronmaschine bereitzustellen, wird im Stator der Maschine ein rotierendes elektrisches Feld erzeugt, welches sich synchron mit dem Rotor dreht. Für die Erzeugung dieses Feldes wird der aktuelle Winkel des Rotors für die Regelung benötigt.
Eine Möglichkeit für die Bestimmung des Rotorwinkels besteht darin, einen Geber in der Synchronmaschine zu implementieren, welcher den Rotorwinkel erfassen kann. Beispielhafte Gebertypen sind Inkrementalgeber, Resolver, Vogt-Sensoren und digitale Hallsensoren.
Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung des Rotorwinkels besteht in geberlosen Bestimmungsverfahren. Aus den Druckschriften Schroedl, M.: „Sensorless control of AC machines at low speed and standstill based on the INFORM method", Industry Applications Conference, 1996, 31st IAS Annual Meeting; Ostlund, M., Brokemper, M.: „Initial rotor position detections for an integrated PM synchronous motor drive", Industry Applications Conference, 1995, 30th IAS Annual Meeting; Linke, M., Kennel, R., Holtz, J.: "Sensorless speed and position control of synchronous machines using alternating carrier injection", Electric Machines and Drives Conference, 2003, IEMDC’03; Braun, M., Lehmann, O., Roth-Stielow, J.: "Sensorless rotor position estimation at standstill of high speed PMSM drive with LC inverter output filter", 2010 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT) sind beispielsweise verschiedene Verfahren zur geberlosen Winkelbestimmung eines Rotorwinkels einer Synchronmaschine bekannt.
Die Druckschriften DE 10 2008 042 360 A1 und WO/2009/047217 A2 offenbaren jeweils ein Verfahren zur Bestimmung des Rotorwinkels einer Synchronmaschine im Stillstand mit Hilfe von iterativen Testpulsen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt ein Verfahren zum Ermitteln des Rotorwinkels einer Synchronmaschine, mit den Schritten des Einspeisens mindestens eines Initialspannungspulses vorgebbarer Pulsdauer und Pulshöhe in den Stator der Synchronmaschine, des Erfassens der jeweiligen Stromantwort auf den mindestens einen Initialspannungspuls, des Bestimmens der jeweiligen Phasendifferenz auf der Basis der jeweiligen erfassten Stromantwort, des Ermittelns mindestens eines ersten Schätzwerts durch Vergleich der Stromantwort mit einer Stromantwortkennlinie der Synchronmaschine, des Ermittelns mindestens eines zweiten Schätzwerts durch Vergleich der Phasendifferenz mit einer Phasendifferenzkennlinie der Synchronmaschine, des Bildens einer Vielzahl von Differenzen zwischen jeweils einem der ersten Schätzwerte und einem der zweiten Schätzwerte, und des Bestimmens eines Initialschätzwerts für den Rotorwinkel der Synchronmaschine auf der Basis derjenigen der bestimmten Differenz, welche dem geringsten Wert aufweist.
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem weiteren Aspekt eine Steuereinrichtung zum Ermitteln des Rotorwinkels einer Synchronmaschine, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, ein Verfahren gemäß einem Aspekt der Erfindung durchzuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein elektrisches Antriebssystem mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung und einer Synchronmaschine, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, die Synchronmaschine in Abhängigkeit von dem ermittelten Rotorwinkel anzusteuern.
Vorteile der Erfindung
Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, eine geberlose Rotorwinkelbestimmung für Synchronmaschinen, insbesondere im Stillstand zu implementieren. Das Bestimmungsverfahren beruht dabei auf der Generierung von Testspannungspulsen in vorgebbarer Abfolge, die in die Statorinduktivitäten der Synchronmaschine eingespeist werden. Auf der Basis der gemessenen Stromantworten kann dann eine Rotorwinkelbestimmung erfolgen. Dabei kann die Bestimmung sowohl für Schenkelpolmaschinen als auch für Vollpolmaschinen durchgeführt werden. Die Prozedur kann sich je nach erforderlicher bzw. erwünschter Genauigkeit der Rotorwinkelbestimmung in zwei Testabschnitte unterteilen, bei der im ersten Abschnitt ein oder zwei Spannungspulse erzeugt werden, so dass bei einem Vergleich der Stromantwort und der Phasendifferenz des Phasenstroms zur Phase der Spannung eine grobe Schätzung für die d-Achse ermittelt werden kann. Diese grobe Schätzung kann dann in einem zweiten Abschnitt dazu verwendet werden, um Paare von Spannungspulsen, welche symmetrisch um die geschätzte d-Achse gruppiert sind, in die Synchronmaschine einzuspeisen und über einen Ausgleichsrechnungsalgorithmus, beispielsweise eine lineare Regression der Stromantworten bzw. Phasendifferenzen, den groben Schätzwert für die d-Achse zu präzisieren.
Ein erheblicher Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass die Anzahl der nötigen Spannungspulse je nach erforderlicher bzw. gewünschter Genauigkeit minimiert werden kann. Alternativ kann bei gleichbleibender Pulsanzahl gegenüber bekannten Verfahren die Genauigkeit der Winkelbestimmung erhöht werden. Zudem ist die Robustheit und Zuverlässigkeit der Rotorwinkelbestimmung gegenüber bekannten geberlosen Verfahren erheblich besser. Dies ermöglicht den Einsatz der Rotorwinkelbestimmung beispielsweise in Serienfahrzeugen mit elektrischem Antriebssystem.
Darüber hinaus verringert sich die Abhängigkeit der Rotorwinkelbestimmung von der Genauigkeit bzw. Güte der eingesetzten Stromsensoren. Dadurch können günstigere Stromsensoren eingesetzt werden, was die Fertigungskosten des elektrischen Antriebssystems senkt. Die Rotorwinkelbestimmung kann ferner im Selbstdiagnosebetriebsmodus durchgeführt werden, ohne dass eine externe Kalibrierung notwendig ist.
Weiterhin besteht der Vorteil, dass im Laufe der Bestimmungsprozedur kein nennenswertes Drehmoment aufgebaut wird, so dass sich die Lage des Rotors der Synchronmaschine durch die angelegten Spannungspulse nicht oder nicht wesentlich verändert. Dadurch ist die durch die angelegten Spannungspulse verursachte Geräusch- und Abwärmeentwicklung reduziert.
Die Gefahr von unerwünschter Drehmomentbildung im Stillstand der Synchronmaschine wird besonders bei Schenkelpolmaschinen in vorteilhafter Weise dadurch reduziert, dass Sättigungspulse nur in Richtung der geschätzten d-Achse angelegt werden können.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verfahren weiterhin die Schritt des Einspeisens einer Vielzahl von Kalibrationsspannungspulsen jeweils vorgebbarer Pulsdauer und Pulshöhe in den Stator der Synchronmaschine, des Erfassens der winkelabhängigen Kalibrationsstromantworten auf die Kalibrationsspannungspulse, des Bestimmens der winkelabhängigen Kalibrationsphasendifferenzen auf der Basis der jeweiligen erfassten Kalibrationsstromantwort, und des Bestimmens der Stromantwortkennlinie und der Phasendifferenzkennlinie der Synchronmaschine auf der Basis der winkelabhängigen Kalibrationsstromantworten bzw. Kalibrationsphasendifferenzen umfassen. Dadurch können während des Betriebs des elektrischen Antriebssystems immer wieder Kennlinien nachjustiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können Kalibrationsspannungspulse jeweils in um 180° versetzten Paaren im Bezug auf den Statorwinkel in den Stator der Synchronmaschine eingespeist werden. Dadurch wird die Gefahr vermindert, unerwünschte Drehmomente in die Synchronmaschine einzutragen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Bestimmen des Initialschätzwerts für den Rotorwinkel der Synchronmaschine das Bilden des Mittelwerts der an der geringsten Differenz beteiligten ersten und zweiten Schätzwerte umfassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Synchronmaschine eine Vollpolmaschine umfasst, wobei mindestens zwei Initialspannungspulse, welche die Vollpolmaschine in Sättigung bringen, in den Stator der Vollpolmaschine eingespeist werden.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einer Synchronmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung von Spannungspulsen und deren Stromantworten in einer Synchronmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ein schematisches Strom-Zeit-Diagramm für die Stromantwort einer Synchronmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ein schematisches Phasendifferenz-Diagramm für die Phasendifferenz zwischen Strom und Spannung einer Synchronmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ein schematisches Strom-Zeit-Diagramm für die Stromantwort einer Vollpolmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ein schematisches Phasendifferenz-Diagramm für die Phasendifferenz zwischen Strom und Spannung einer Vollpolmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ein schematisches Strom-Zeit-Diagramm für die Stromantwort einer Schenkelpolmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 ein schematisches Phasendifferenz-Diagramm für die Phasendifferenz zwischen Strom und Spannung einer Schenkelpolmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 ein schematisches Strom-Zeit-Diagramm für die Schätzung der d-Achse eines Rotors einer Synchronmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 ein schematisches Phasendifferenz-Diagramm für die Schätzung der d-Achse eines Rotors einer Synchronmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 ein schematisches Strom-Zeit-Diagramm für die präzisere Bestimmung der d-Achse eines Rotors einer Synchronmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12 ein schematisches Phasendifferenz-Diagramm für die präzisere Bestimmung der d-Achse eines Rotors einer Synchronmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
13 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Schätzen des Rotorwinkels einer Synchronmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
14 eine schematische Darstellung eines weiteren Verfahrens zum Bestimmen des Rotorwinkels einer Synchronmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Allgemeinen gleichartige oder gleich wirkende Komponenten. Die in den Figuren gezeigten schematischen Signal- und Parameterverläufe sind nur beispielhafter Natur, die aus Gründen der Übersichtlichkeit idealisiert abgebildet sind. Es versteht sich, dass sich in der Praxis aufgrund von abweichenden Randbedingungen abweichende Signal- und Parameterverläufe ergeben können, und dass die dargestellten Signal- und Parameterverläufe lediglich zur Veranschaulichung von Prinzipien und funktionellen Aspekten der vorliegenden Erfindung dienen.
Synchronmaschinen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind elektrische Maschinen, bei der ein konstant magnetisierter Läufer oder Rotor synchron von einem zeitabhängigen magnetischen Drehfeld im umgebenden Ständer oder Stator durch magnetische Wechselwirkung angetrieben wird, so dass der Rotor eine zu den Spannungsverhältnissen im Stator synchrone Bewegung ausführt, das heißt, dass die Drehzahl über die Polpaarzahl von der Frequenz der Statorspannung abhängig ist. Synchronmaschinen im Sinne der vorliegenden Erfindung können beispielsweise Drehstrom-Synchronmaschinen sein, die zum Beispiel als Außen- oder Innenpolmaschinen ausgebildet sind, die über einen Rotor und einen Stator verfügen. Weiterhin können Synchronmaschinen im Sinne der vorliegenden Erfindung Schenkelpolmaschinen oder Vollpolmaschinen umfassen. Vollpolmaschinen besitzen eine achsunabhängige Induktivität des Rotors, während Schenkelpolmaschinen eine ausgezeichnete Polachse, auch d-Achse genannt, aufweisen, in Richtung derer aufgrund des geringeren Luftspalts die Hauptinduktivität größer ist als in Richtung der Pollücke, auch q-Achse genannt. Die nachstehend genannten Verfahren und Steuereinrichtungen lassen sich prinzipiell gleichermaßen für Vollpolmaschinen und Schenkelpolmaschinen einsetzen, es sei denn, es wird im Folgenden explizit auf unterschiedliche Behandlung von Synchronmaschinentypen Bezug genommen.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems 100 mit einer Synchronmaschine 101, in die dreiphasiger Drehstrom eingespeist werden kann. Dabei wird über einen Umrichter in Form eines Pulswechselrichters 102 eine von einem Gleichspannungszwischenkreis 103 bereitgestellte Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet. Der Gleichspannungszwischenkreis 103 wird von einem Strang 104 aus seriell verschalteten Batteriemodulen 105 gespeist. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden häufig mehrere Batteriemodule 105 in einer Traktionsbatterie 104 in Serie geschaltet.
Die elektrische Maschine 101 kann beispielsweise eine Synchronmaschine 101 sein, welche über Statorinduktivitäten L verfügt. Beispielhaft ist die Synchronmaschine 101 eine dreiphasige Synchronmaschine. Es ist jedoch prinzipiell auch möglich, eine andere Anzahl von Phasen für die Synchronmaschine vorzusehen. Dabei spielt die Regelung der Synchronmaschine 101 im elektrischen Antriebssystem eine zentrale Rolle. Um ein gefordertes Drehmoment mit einer Synchronmaschine bereitzustellen, wird im Stator der Maschine ein rotierendes elektrisches Feld erzeugt, welches sich synchron mit dem Rotor dreht. Für die Erzeugung dieses Feldes wird der aktuelle Winkel des Rotors für die Regelung benötigt.
Das elektrische Antriebssystem 100 umfasst daher eine Steuereinrichtung 10, welche mit der Synchronmaschine 101 gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, die Synchronmaschine 101 anzusteuern bzw. deren Betrieb zu regeln. Die Steuereinrichtung 10 greift für diese Ansteuerung bzw. Regelung auf den zeitabhängigen Rotorwinkel des Rotors der Synchronmaschine 101 in Bezug auf den Stator der Synchronmaschine 101 zurück. Dabei kann die Steuereinrichtung 10 elektrische Betriebsparameter an den Eingangsanschlüssen der Synchronmaschine 101 über eine Schnittstelle 106 erfassen. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 10 dazu ausgelegt sein, die momentanen Phasenströme und/oder die momentanen Phasenspannungen an den Eingängen der Synchronmaschine 101 über die Schnittstelle 106 ermitteln. Zur Erfassung der Phasenströme und Phasenspannungen können beispielsweise Stromsensoren, wie zum Beispiel Shuntwiderstände, magnetoresistive Widerstände, Sensier-Leistungshalbleiter oder Hallsensoren, bzw. Spannungssensoren eingesetzt werden.
Im Bezug auf die 2 bis 12 wird erläutert, auf welche Weise und unter Berücksichtigung welcher Zusammenhänge die Steuereinrichtung 10 ein Ermitteln des Rotorwinkels einer Synchronmaschine 101, insbesondere im Stillstand der Synchronmaschine 101, durchführt. Dabei kann die Steuereinrichtung 10 insbesondere eines oder beide der im Bezug auf die 13 und 14 erläuterten Verfahren 20 bzw. 30 implementieren.
2 zeigt eine schematische Darstellung von nicht-sättigenden Spannungspulsen U und deren Stromantworten I in einer Schenkelpolmaschine im zeitlichen Verlauf. Die Längsströme I_d und Querströme I_q einer permanent erregten Synchronmaschine verhalten sich abhängig von der Rotorinduktivität L_d in Polachsenrichtung und der Rotorinduktivität L_q in Pollückenrichtung und der anliegenden Spannung U_d bzw. U_q wie folgt: dI_d/dt = L_d ^–1·U_d dI_q/dt = L_q ^–1·U_q
Dies gilt für den Stillstand des Rotors der Synchronmaschine und bei zeitlich konstantem Rotorfluss, wenn weiterhin angenommen werden kann, dass die Reaktanz des Rotors nur unwesentlich vom Ohm’schen Widerstand abhängt. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass der bzw. die Polschuhe nicht in Sättigung betrieben werden, das heißt, dass die Beziehung zwischen Strom und magnetischen Fluss linear ist und die jeweilige Induktivität nicht von der Stromstärke abhängig ist.
Bei einem Spannungspuls vorgegebener Dauer und vorgegebener konstanter Stärke steigt der Strom daher linear mit der Dauer des Spannungspulses bis zu einem Maximalwert I_max an. Dieser Maximalwert I_max hängt dabei von der jeweiligen Induktivität L_d bzw. L_q ab.
3 zeigt die Abhängigkeit des Strommaximalwerts I_max, das heißt der Stromantwort I auf einen Spannungspuls, entlang des Rotorwinkels β. Der Rotorwinkel β ist derjenige Winkel, den die q-Achse mit der Hauptstatorachse einschließt. In den 3 bis 10, die jeweils Parameterverläufe in Abhängigkeit von dem Rotorwinkel β zeigen, ist der Rotorwinkel β dabei jeweils über einen vollen Rotorumlauf, das heißt 360°, illustriert. Die Festlegung des Bezugswinkels von 0° auf die negative q-Achsenrichtung ist dabei nur beispielhaft. Es ist daher denkbar, den Rotorwinkel β auch auf andere Bezugswinkel festzulegen. Zur besseren Orientierung ist in den 3 bis 10 jeweils der Winkel 90° als d-Achsenrichtung bzw. Polachsenrichtung und der Winkle 180° als q-Achsenrichtung bzw. Pollückenrichtung angegeben.
4 zeigt die Abhängigkeit der Phasendifferenz Δ zwischen dem Spannungspuls U und der Stromantwort I entlang des Rotorwinkels β für eine Schenkelpolmaschine. Der Stromwinkel β_I ist dabei definiert als β_I = tan^–1(I_q/I_d).
Entsprechend ist der Spannungswinkel β_U definiert als β_U = tan^–1(U_q/U_d).
Bei einer Vollpolmaschine ergibt sich sowohl für die Stromantwort I als auch die Phasendifferenz Δ ein Verhalten, welches nur in Sättigung ein rotorwinkelabhängiges Verhalten zeigt. Ein derartiges Verhalten ist beispielhaft in 5 und 6 für die Stromantwort I und die Phasendifferenz Δ einer Vollpolmaschine gezeigt. Bei hohen Strömen wird der Polschuh der Vollpolmaschine gesättigt und die Beziehung zwischen Strom und magnetischem Fluss weist Nichtlinearitäten auf, das heißt, die Induktivität hängt von der Stromstärke und dem Rotorwinkel ab. In erster Näherung (bei reiner Abhängigkeit von Rotorwinkel und Stromstärke) ergibt sich der in 5 dargestellte Stromantwortverlauf I für die Vollpolmaschine in Abhängigkeit vom Rotorwinkel β. 6 zeigt die entsprechende Abhängigkeit der Phasendifferenz Δ vom Rotorwinkel β.
Bei einer Schenkelpolmaschine hingegen wird die durch die unterschiedlichen Polachs- und Pollückeninduktivitäten L_d bzw. L_q verursachte Winkelabhängigkeit ohne Sättigung durch die Winkelabhängigkeit mit Sättigung überlagert. Dadurch ergibt sich für die Schenkelpolmaschine in Abhängigkeit vom Rotorwinkel β der in 7 dargestellte Verlauf für den Stromantwortverlauf I, und der in 8 dargestellte Verlauf für die Phasendifferenz Δ.
Um den Rotorwinkel β des Rotors bestimmen bzw. abschätzen zu können, werden in verschiedenen Verfahrensabschnitten jeweils ein oder mehrere Testspannungspulse bestimmter Länge und Richtung, das heißt Winkelabhängigkeit bezüglich des Statorkoordinatensystems, in die Synchronmaschine eingespeist und die jeweiligen Stromantworten ermittelt. Die Stromantwort kann beispielsweise durch Messen des maximalen Stroms I_max oder durch Integration der Stromstärke über die Dauer des Testspannungspulses erfolgen. Nach Bestimmen der Stromantwort kann die Synchronmaschine über eine entsprechende Ansteuerung des Pulswechselrichters für eine vorgebbare Zeitdauer zwischen den Spannungspulsen in den Freilaufbetrieb geschaltet werden, um den in die Synchronmaschine eingeprägten Strom schneller abbauen zu können.
Aus der erfassten Stromantwort und den Spannungspulsen kann in Folge die Phasendifferenz für den jeweiligen Testspannungspuls ermittelt werden. Mit den zwei Messwerten für die Stromantwort I und die Phasendifferenz Δ wird dann eine Abschätzung des Rotorwinkels β unter Zuhilfenahme der in den 5 bis 8 dargestellten Kennlinien in Abhängigkeit von der Art der Synchronmaschine vorgenommen. In den 9 bis 12 wird dabei jeweils beispielhaft auf eine Schenkelpolmaschine Bezug genommen, wobei das Verfahren für die Bestimmung des Rotorwinkels β für eine Vollpolmaschine unter Anpassung der entsprechenden Kennlinien prinzipiell analog funktioniert.
Zunächst kann zu Beginn der Rotorwinkelbestimmung eine Kalibration der Kennlinien erfolgen. Beispielsweise kann durch Simulation mit speziellen Modellen bereits vor der Fertigung des ersten Prototyps einer Maschine getestet werden, ob sich die entsprechende Synchronmaschine für die hier gezeigten Rotorwinkelbestimmungsverfahren prinzipiell eignet. Wenn dies der Fall ist kann eine Kalibrierungsprozedur einmalig oder wiederholt, zum Beispiel bei jedem Start des elektrischen Antriebssystems, durchgeführt werden, um die Kennlinien der jeweiligen Synchronmaschine für die Stromantwort I und die Phasendifferenz Δ zu ermitteln.
Dazu können mehrere Paare von jeweils zwei Testspannungspulsen fester Amplitude an die Synchronmaschine angelegt werden und die jeweilige Stromantwort ermittelt werden. Die Paare von Testspannungspulsen sollten jeweils um 180° zueinander versetzt angelegt werden, um einen Eintrag eines unerwünschten Drehmoments in die Maschine zu vermeiden. Zudem kann durch den Versatz um 180° das Abklingen des Stroms in der Synchronmaschine beschleunigt werden. Die Anzahl der Paare von Testspannungspulsen sollte so gewählt sein, dass sie gleichverteilt über eine elektrische Umdrehung sind. Bei der Ermittlung der Stromantwort wird die zugehörige Sollspannung und die zugehörige Zwischenkreisspannung gespeichert. Der erfasste Strom ist dann abhängig von den gespeicherten Spannungen, den Induktivitäten L_d und L_q der Synchronmaschine sowie dem aktuellen, zu bestimmenden Rotorwinkel.
Wenn die Induktivitäten bzw. die Spannungen hinreichend gut bekannt oder identifizierbar sind, kann zusätzlich eine Parameteridentifikation der jeweils korrespondierenden Spannungen bzw. Induktivitäten über die bekannten Eigenschaften erfolgen.
Die über die erstmalige Kalibration ermittelten Kennlinien sind dann den in den 9 und 10 gezeigten initialen Winkelbestimmungsschritten zugrunde zu legen.
Im Bezug auf 9 und 10 kann in einem ersten Schritt ein Initialspannungspuls an die Synchronmaschine angelegt werden, um aus den Kennlinien für die Stromantwort I und die Phasendifferenz Δ eine erste Schätzung für den Rotorwinkel β zu erhalten. Dazu kann bei Schenkelpolmaschinen ein nicht-sättigender Initialspannungspuls gewählt werden, um kein Drehmoment in der Synchronmaschine zu erzeugen. Bei Vollpolmaschinen hingegen ist es notwendig Sättigungspulse zu verwenden, um die Maschine in Sättigung zu treiben, da sonst kein rotorwinkelabhängiges Verhalten der Synchronmaschine provoziert werden kann.
Wie sich aus 9 ergibt, führt der Initialspannungspuls zu einer gemessenen Stromantwort Im. Durch Vergleich mit der Kennlinie für die Stromantwort I ergeben sich im Winkelbereich zwischen 0° und 180° zwei erste Schätzwerte für den Rotorwinkel β, nämlich β1 und β2. Im in 9 dargestellten Beispiel sind das etwa 30° und etwa 150°. Wie sich aus 10 ergibt, führt der Vergleich der ermittelten Phasendifferenz Δm mit der Kennlinie für die Phasendifferenz Δ ebenfalls zu zwei zweite Schätzwerten für den Rotorwinkel β, nämlich β3 und β4. Im vorliegenden Beispiel sind das etwa 20° und etwa 60°.
Danach können Differenzen zwischen jeweils einem der ersten Schätzwerte und einem der zweiten Schätzwerte für den Rotorwinkel β gebildet werden – im vorliegenden Beispiel entspricht das vier Differenzen (β1 – β3, β4 – β1, β3 – β2 und β2 – β4). Bei der jeweils kleinsten Differenz kann dann angenommen werden, dass die zugehörigen ersten und zweiten Schätzwerte die genauesten Schätzwerte sind. Ein Initialschätzwert kann demnach als Mittelwert der beiden genauesten Schätzwerte gebildet werden.
Für die Schenkelpolmaschine wird die Auflösung des Rotorwinkels nur zwischen 0° und 180° durchgeführt, da sich die Induktivitätsänderung bei nicht-sättigenden Spannungspulsen aus Sicht des Stators mit doppelter elektrischer Frequenz ergibt. Bei einer Vollpolmaschine hingegen sind jeweils zwei Initialspannungspulse notwendig, um den Initialschätzwert für den Rotorwinkel zu bestimmen, da sich bei Sättigungspulsen ein über 360° periodisches Verhalten für die Stromantwort und die Phasendifferenz ergibt.
Nach dem Anlegen des Initialspannungspulses bzw. der Initialspannungspulse kann dann eine Präzisierung des Initialschätzwerts erfolgen. Dies kann beispielsweise dann wünschenswert sein, wenn eine genaue Rotorwinkelbestimmung erforderlich ist, die robuster als die initiale Schätzung ist. Ausgangspunkt für die Präzisierung des Initialschätzwerts ist die Bestimmung eines ersten Schätzwerts d1 für die d-Achse auf der Basis des Initialschätzwerts.
Danach können, wie in 11 und 12 beispielhaft dargestellt, ein oder mehrere Paare von Präzisierungsspannungspulsen an die Synchronmaschine angelegt werden, die jeweils symmetrisch und den ersten Schätzwert d1 für die d-Achse verteilt sind. Beispielsweise kann der Winkelabstand x von dem ersten Schätzwert d1 für die d-Achse für ein Präzisierungsspannungspulspaar jeweils gleich sein. Beispielhaft sind in 11 und 12 jeweils zwei Präzisierungsspannungspulspaare gezeigt, wobei generell jedoch 2n, n > 1, Pulspaare ebenso möglich sind.
Für die Stromantwort ergeben sich dabei Präzisierungsstromwertpaare M1 und M2 bzw. M3 und M4. Gleichermaßen ergeben sich für die Phasendifferenz Präzisierungsphasendifferenzpaare N1 und N2 bzw. N3 und N4. Bei der Präzisierung anhand der Kennlinie für die Stromantwort I werden auf beiden Seiten der geschätzten d-Achse lineare Regressionen durch die jeweils auf dieser Seite liegenden Präzisierungsstromwerte M1 und M3 bzw. M2 und M4 gebildet. Dadurch ergeben sich zwei Regressionsgeraden K1 und K2, deren Abszissenwert des Schnittpunkts einen präzisierten Schätzwert d2 für die d-Achse ergibt. Gleichmaßen kann durch alle Präzisierungsphasendifferenzen N1 bis N4 eine Regressionskurve gelegt werden, deren Abszissenwert bei einem Ordinatenwert von Null einen weiteren präzisierten Schätzwert d3 für die d-Achse ergibt. Wiederum kann beispielsweise auf der Basis der durch die Stromantwortauswertung und der Phasendifferenzauswertung präzisierten Schätzwerte d2 und d3, zum Beispiel durch Mittelwertbildung, ein Präzisionsschätzwert für die d-Achse ermittelt werden. Damit kann auf einen entsprechenden Präzisionsschätzwert für den Rotorwinkel β zurückgeschlossen werden.
Alternativ oder zusätzlich zu dem in den 11 bis 12 beschriebenen Vorgehen kann für die Präzisierungsstromwertpaare bzw. Präzisierungsphasendifferenzpaare auch ein erneuter Vergleich mit den Kennlinien für die Stromantwort I und die Phasendifferenz Δ erfolgen. Bei veränderter Zwischenkreisspannung kann unter Umständen auch eine neue Kalibration oder Nachregelung der Spannungspulspaare erfolgen. Zudem kann es möglich sein, statt des Bildens von linearen Regressionskurven aus den ermittelten Präzisierungsstromwerte M1 bis M4 bzw. den ermittelten Präzisierungsphasendifferenzen N1 bis N4 jeweils Schätzkurven für die Stromantwort und die Phasendifferenz durch Ausgleichsrechnung, beispielsweise durch eine Schätzung über die Methode der kleinsten Quadrate, zu ermitteln.
Weiterhin kann auch eine Kurvenanpassung der Stromantwortkurve und der Phasendifferenzkurve mit allen erfassten Messwerten erfolgen und das Gleichsetzen des Arguments beider angepasster Kurven mit 90° bzw. 180° erfolgen, um einen Präzisionsschätzwert für die d-Achse zu ermitteln.
Bei Schenkelpolmaschinen können nach der Präzisierung des Rotorwinkelschätzwerts zusätzlich zwei sättigende Spannungspulse in jeweils entgegengesetzter Richtung entlang der ermittelten d-Achsenrichtung eingespeist werden, um die 180°-Ungenauigkeit auflösen zu können. Für Vollpolmaschinen ist dies nicht mehr notwendig, da bereits im initialen Schritt zwei Sättigungspulse zur exakten Lagebestimmung des Rotors eingespeist worden sind.
Nach Abschluss aller Bestimmungsschritte kann über einen Soll-Istwertvergleich der Stromantworten mit den Kennlinien die Spannungshöhe der Testspannungspulse für nachfolgende Verfahrensiterationen nachgeregelt werden. Dabei kann ein Faktor F für die Zwischenkreisspannung ermittelt werden, mit der die Kennlinien kalibriert werden können, um die Abhängigkeit von der schwankenden Zwischenkreisspannung zu eliminieren.
13 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 20 zum Ermitteln des Rotorwinkels einer Synchronmaschine, insbesondere einer Synchronmaschine 101 wie in 1 beispielhaft dargestellt. Dabei kann das Verfahren 20 auf die im Zusammenhang mit den 2 bis 12 erläuterten Zusammenhänge zurückgreifen. In einem ersten Schritt 21 erfolgt ein Einspeisen mindestens eines Initialspannungspulses vorgebbarer Pulsdauer und Pulshöhe in den Stator der Synchronmaschine. In einem zweiten Schritt 22 erfolgt ein Erfassen der jeweiligen Stromantwort Im auf den mindestens einen Initialspannungspuls. Danach erfolgt in Schritt 23 ein Bestimmen der jeweiligen Phasendifferenz Δm auf der Basis der jeweiligen erfassten Stromantwort Im.
In den Schritten 24 und 25 kann ein Ermitteln mindestens eines ersten Schätzwerts β1 bzw. β2 durch Vergleich der Stromantwort Im mit einer Stromantwortkennlinie I der Synchronmaschine einerseits, und ein Ermitteln mindestens eines zweiten Schätzwerts β3 bzw. β4 durch Vergleich der Phasendifferenz Δm mit einer Phasendifferenzkennlinie Δ der Synchronmaschine andererseits erfolgen. Auf der Basis der Schätzwerte können in einem Schritt 26 eine Vielzahl von Differenzen zwischen jeweils einem der ersten Schätzwerte β1, β2 und einem der zweiten Schätzwerte β3, β4 gebildet werden, so dass in einem Schritt 27 ein Bestimmen eines Initialschätzwerts für den Rotorwinkel β der Synchronmaschine auf der Basis derjenigen der bestimmten Differenz, welche dem geringsten Wert aufweist, möglich wird.
Falls eine präzisere Abschätzung des Rotorwinkels β notwendig sein sollte, kann ein Bestimmen eines ersten Schätzwerts d1 für die d-Achse der Synchronmaschine auf der Basis des Initialschätzwerts für den Rotorwinkel β erfolgen. Dabei wird mindestens ein Präzisierungsspannungspulspaar jeweils vorgebbarer Pulsdauer und Pulshöhe in den Stator der Synchronmaschine eingespeist, wobei die Präzisierungsspannungspulspaare von dem ersten Schätzwert d1 für die d-Achse der Synchronmaschine jeweils in unterschiedlicher Richtung um denselben Winkelwert –x bzw. +x beabstandet sind. Daraufhin können die (rotor)winkelabhängigen Präzisierungsstromantworten auf die Präzisierungsspannungspulse erfasst werden, auf deren Basis dann die winkelabhängigen Präzisierungsphasendifferenzen bestimmt werden können.
Für die winkelabhängigen Präzisierungsstromantworten können erste lineare Regressionskurven K1 bzw. K2 auf der Basis zumindest eines Teils der winkelabhängigen Präzisierungsstromantworten erfolgen. Gleichermaßen können zweite lineare Regressionskurven K3 auf der Basis zumindest eines Teils der winkelabhängigen Präzisierungsphasendifferenzen bestimmt werden. Diese ersten und/oder zweiten linearen Regressionskurven können dazu genutzt werden, einen präzisierten Schätzwert d2 für die d-Achse der Synchronmaschine zu bestimmen.
14 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Verfahrens 30 zum Ermitteln des Rotorwinkels einer Synchronmaschine, insbesondere einer Synchronmaschine 101 wie in 1 beispielhaft dargestellt. Dabei kann das Verfahren 30 auf die im Zusammenhang mit den 2 bis 12 erläuterten Zusammenhänge zurückgreifen. In einem ersten Schritt 31 erfolgt ein Bestimmen eines ersten Schätzwerts d1 für die d-Achse der Synchronmaschine. In einem zweiten Schritt 32 erfolgt ein Einspeisen mindestens eines Präzisierungsspannungspulspaares jeweils vorgebbarer Pulsdauer und Pulshöhe in den Stator der Synchronmaschine, wobei die Präzisierungsspannungspulspaare von dem ersten Schätzwert d1 für die d-Achse der Synchronmaschine jeweils in unterschiedlicher Richtung um denselben Winkelwert –x bzw. +x beabstandet sind. In einem dritten Schritt 33 erfolgt ein Erfassen der winkelabhängigen Präzisierungsstromantworten auf die Präzisierungsspannungspulse.
Danach können in einem Schritt 34 die (rotor)winkelabhängigen Präzisierungsphasendifferenzen auf der Basis der jeweiligen erfassten Präzisierungsstromantwort ermittelt werden. Diese dienen dann als Basis für die Schritte 35 und 36, in denen erste Schätz- bzw. lineare Regressionskurven auf der Basis zumindest eines Teils der winkelabhängigen Präzisierungsstromantworten, und zweite Schätz- bzw. lineare Regressionskurven auf der Basis zumindest eines Teils der winkelabhängigen Präzisierungsphasendifferenzen bestimmt werden. Schließlich kann in Schritt 37 ein Bestimmen eines präzisierten Schätzwerts d2 für die d-Achse der Synchronmaschine auf der Basis der ersten und/oder zweiten Schätz- bzw. linearen Regressionskurven erfolgen.
Dabei können die Schätzkurven durch eine Ausgleichungsrechnung ermittelt werden, beispielsweise über eine Schätzung nach der Methode der kleinsten Quadrate. Exemplarisch können dabei Approximationen erster Ordnung, das heißt lineare Ausgleichskurven, verwendet werden, wie im Zusammenhang mit 11 und 12 beschrieben.
Die Verfahren 20 und 30 der 13 und 14 können in geeigneter Weise kombiniert werden, so dass nach einen initialen Grobschätzung des Rotorwinkels eine Präzisierung mithilfe von Präzisierungsspannungspulsen möglich ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008042360 A1 [0006]
WO 2009/047217 A2 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Schroedl, M.: „Sensorless control of AC machines at low speed and standstill based on the INFORM method“, Industry Applications Conference, 1996, 31st IAS Annual Meeting [0005]
Ostlund, M., Brokemper, M.: „Initial rotor position detections for an integrated PM synchronous motor drive”, Industry Applications Conference, 1995, 30th IAS Annual Meeting [0005]
Linke, M., Kennel, R., Holtz, J.: “Sensorless speed and position control of synchronous machines using alternating carrier injection”, Electric Machines and Drives Conference, 2003, IEMDC’03 [0005]
Braun, M., Lehmann, O., Roth-Stielow, J.: “Sensorless rotor position estimation at standstill of high speed PMSM drive with LC inverter output filter”, 2010 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT) [0005]

Claims

Verfahren (20) zum Ermitteln des Rotorwinkels (β) einer Synchronmaschine (101), mit den Schritten: Einspeisen (21) mindestens eines Initialspannungspulses vorgebbarer Pulsdauer und Pulshöhe in den Stator der Synchronmaschine (101); Erfassen (22) der jeweiligen Stromantwort (Im) auf den mindestens einen Initialspannungspuls; Bestimmen (23) der jeweiligen Phasendifferenz (Δm) auf der Basis der jeweiligen erfassten Stromantwort (Im); Ermitteln (24) mindestens eines ersten Schätzwerts (β1; β2) durch Vergleich der Stromantwort (Im) mit einer Stromantwortkennlinie (I) der Synchronmaschine (101); Ermitteln (25) mindestens eines zweiten Schätzwerts (β3; β4) durch Vergleich der Phasendifferenz (Δm) mit einer Phasendifferenzkennlinie (Δ) der Synchronmaschine (101); Bilden (26) einer Vielzahl von Differenzen zwischen jeweils einem der ersten Schätzwerte (β1; β2) und einem der zweiten Schätzwerte (β3; β4); und Bestimmen (27) eines Initialschätzwerts für den Rotorwinkel (β) der Synchronmaschine (101) auf der Basis derjenigen der bestimmten Differenz, welche dem geringsten Wert aufweist.
Verfahren (20) nach Anspruch 1, weiterhin mit den Schritten: Bestimmen eines ersten Schätzwerts (d1) für die d-Achse der Synchronmaschine (101) auf der Basis des Initialschätzwerts für den Rotorwinkel (β); Einspeisen mindestens eines Präzisierungsspannungspulspaares jeweils vorgebbarer Pulsdauer und Pulshöhe in den Stator der Synchronmaschine (101), wobei die Präzisierungsspannungspulspaare von dem ersten Schätzwert (d1) für die d-Achse der Synchronmaschine (101) jeweils in unterschiedlicher Richtung um denselben Winkelwert (–x; +x) beabstandet sind; Erfassen der winkelabhängigen Präzisierungsstromantworten (M1; M2; M3; M4) auf die Präzisierungsspannungspulse; Bestimmen der winkelabhängigen Präzisierungsphasendifferenzen (N1; N2; N3; N4) auf der Basis der jeweiligen erfassten Präzisierungsstromantwort (M1; M2; M3; M4); Bestimmen von ersten Schätzkurven (K1; K2) auf der Basis zumindest eines Teils der winkelabhängigen Präzisierungsstromantworten (M1; M2; M3; M4); Bestimmen von zweiten Schätzkurven (K3) auf der Basis zumindest eines Teils der winkelabhängigen Präzisierungsphasendifferenzen (N1; N2; N3; N4); und Bestimmen eines präzisierten Schätzwerts (d2) für die d-Achse der Synchronmaschine (101) auf der Basis der ersten und/oder zweiten Schätzkurven (K1; K2; K3).
Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 und 2, weiterhin mit den Schritten: Einspeisen einer Vielzahl von Kalibrationsspannungspulsen jeweils vorgebbarer Pulsdauer und Pulshöhe in den Stator der Synchronmaschine (101); Erfassen der winkelabhängigen Kalibrationsstromantworten auf die Kalibrationsspannungspulse; Bestimmen der winkelabhängigen Kalibrationsphasendifferenzen auf der Basis der jeweiligen erfassten Kalibrationsstromantwort; und Bestimmen der Stromantwortkennlinie (I) und der Phasendifferenzkennlinie (Δ) der Synchronmaschine (101) auf der Basis der winkelabhängigen Kalibrationsstromantworten bzw. Kalibrationsphasendifferenzen.
Verfahren (20) nach Anspruch 3, wobei die Kalibrationsspannungspulse jeweils in um 180° versetzten Paaren im Bezug auf den Statorwinkel in den Stator der Synchronmaschine (101) eingespeist werden.
Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Bestimmen (27) des Initialschätzwerts für den Rotorwinkel (β) der Synchronmaschine (101) das Bilden des Mittelwerts der an der geringsten Differenz beteiligten ersten und zweiten Schätzwerte (β1; β2; β3; β4) umfasst.
Verfahren (20) nach Anspruch 5, wobei die Synchronmaschine (101) eine Vollpolmaschine umfasst, und wobei mindestens zwei Initialspannungspulse, welche die Vollpolmaschine in Sättigung bringen, in den Stator der Vollpolmaschine eingespeist werden.
Verfahren (30) nach Anspruch 2, wobei die ersten und zweiten Schätzkurven jeweils linear Regressionskurven (K1; K2; K3) umfassen.
Steuereinrichtung (10) zum Ermitteln des Rotorwinkels (β) einer Synchronmaschine (101), wobei die Steuereinrichtung (10) dazu ausgelegt ist, ein Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
Elektrisches Antriebssystem, mit: einer Steuereinrichtung (10) nach Anspruch 8; und einer Synchronmaschine (101), welche mit der Steuereinrichtung (10) gekoppelt ist, wobei die Steuereinrichtung (10) dazu ausgelegt ist, die Synchronmaschine (101) in Abhängigkeit von dem ermittelten Rotorwinkel anzusteuern.