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Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung und ein Verfahren zum Korrigieren einer Rotorwinkelmessung einer elektrischen Maschine, insbesondere bei permanent erregten oder elektrisch erregten Synchronmaschinen.
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Stand der Technik
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Bei der Regelung einer elektrischen Maschine, zum Beispiel einer Synchronmaschine 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.
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Beispielsweise offenbart die Druckschrift
DE 10 297 429 T2 ein Verfahren zur Bestimmung eines Rotorwinkels in einer Antriebssteuerung für einen Motor, mit den Schritten des Bestimmens eines Rotor-Magnetflusses in dem Rotor, des Abschätzens des Rotorwinkels auf der Grundlage des Rotor-Magnetflusses, und des Korrigierens des abgeschätzten Rotorwinkels auf der Grundlage des Blindleistungs-Eingangs an den Motor.
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Verschiedene Effekte können dazu führen, dass der über die Spannungssignale ermittelte elektrische Winkel von dem tatsächlichen elektrischen Winkel abweicht. Insbesondere kann bei zeitlich veränderbaren Winkelfehlern durch Exzentrizitäten eine unerwünschte Abhängigkeit zur mechanischen Drehzahl des Rotors der elektrischen Maschine entstehen, so dass die Drehzahlbestimmung den gleichen Messfehlern unterliegt.
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Die Druckschrift
DE 30 00 859 A1 offenbart ein Verfahren zum Fehlerausgleich von Raumfehlern in der zweiten Harmonischen bei Drehgebersteuerung von Synchronmaschinen.
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Es besteht ein Bedarf an Möglichkeiten, Winkelfehler von ermittelten Rotorwinkeln elektrischer Maschinen, die auf periodischen geometrischen Schwankungen oder Abweichungen in der elektrischen Maschine oder den den Rotorwinkel ermittelnden Komponenten beruhen, zuverlässig, in einfacher Weise und möglichst robust zu korrigieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt ein Verfahren zum Korrigieren einer Rotorwinkelmessung einer elektrischen Maschine, mit den Schritten des Erfassens eines Rotorlagesignals, des Ermittelns eines Messfehlersignals des Rotorlagesignals, des Ermittelns von Parametern eines Modellverlaufs des Messfehlersignals, des Berechnens eines modellierten Messfehlersignals auf der Basis der ermittelten Parameter, und des Subtrahierens des modellierten Messfehlersignals von dem Rotorlagesignal zum Bereitstellen eines korrigierten Rotorlagesignals.
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem weiteren Aspekt eine Steuereinrichtung zum Korrigieren einer Rotorwinkelmessung einer elektrischen Maschine, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, ein Verfahren gemäß dem vorstehend genannten Aspekt der Erfindung durchzuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein elektrisches Antriebssystem mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung und einer elektrischen Maschine, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, die elektrische Maschine in Abhängigkeit von dem ermittelten Rotorwinkel anzusteuern.
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Vorteile der Erfindung
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, einen Winkelfehler der Bestimmung eines Rotorwinkels einer elektrischen Maschine zunächst quantitativ zu bestimmen und auf der Basis des bestimmten Rotorwinkelfehlers eine Korrekturfunktion zu modellieren. Durch die Korrektur mittels der Korrekturfunktion können zeitlich veränderliche Winkelfehler aus dem Messsignal für die Rotorlage entfernt werden.
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Ein Vorteil der Erfindung ist es, dass auf der Basis des korrigierten Rotorwinkelsignals eine optimierte Berechnung der Drehzahl der elektrischen Maschine möglich wird, so dass keine Schwingungen der berechneten Drehzahl bei konstanter Rotorgeschwindigkeit zu erkennen sind. Für nachfolgende Steuerkomponenten, wie beispielsweise eine Drehzahlregelung führt dies zu einer verbesserten Dynamik.
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Weiterhin wird eine Drehmomentenwelligkeit aufgrund schwankender Rotorlagesignale vermieden. Dadurch können auch die Gleichstromschwankungen am Eingang des die elektrische Maschine 1 mit elektrischer Energie speisenden Pulswechselrichters reduziert werden, wodurch Komponenten des Energieversorgungssystems, wie beispielsweise ein Gleichspannungszwischenkreis oder eine Hochvoltbatterie, geringeren Belastungen ausgesetzt sind.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Parameter eine Amplitude und eine Phase eines sinusförmigen Modellverlaufs des Messfehlersignals umfassen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Berechnen des modellierten Messfehlersignals auf der Basis einer aktuellen Drehfrequenz des Rotors der elektrischen Maschine erfolgen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Ermitteln des Messfehlersignals des Rotorlagesignals ein Filtern des Rotorlagesignals mit einem Hochpassfilter umfassen. Ein derartiges Verfahren ist besonders kostengünstig und aufwandsarm zu implementieren. Weiterhin lässt sich über die Grenzfrequenz des Filters eine Güte der Fehlerbereinigung einstellen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Ermitteln des Messfehlersignals des Rotorlagesignals ein Berechnen einer Ausgleichsgerade über eine vorbestimmte Anzahl der aktuellsten Werte des Rotorlagesignals umfassen. Der Nachteil der hohen Rechenintensivität wird hierbei durch die erhöhte Genauigkeit kompensiert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die elektrische Maschine eine permanent oder elektrische erregte Synchronmaschine umfassen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das korrigierte Rotorlagesignal zur Berechnung einer aktuellen Drehzahl der elektrischen Maschine herangezogen werden. Dies ermöglicht eine Optimierung der Drehzahlermittlung durch eine verringerte Schwankung der berechneten Drehzahl bei konstanter Rotorwinkelgeschwindigkeit.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung einer Steuereinrichtung zum Korrigieren einer Rotorwinkelmessung einer elektrischen Maschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Korrigieren einer Rotorwinkelmessung einer elektrischen Maschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Allgemeinen gleichartige oder gleich wirkende Komponenten. Die in den Figuren gezeigten schematischen geometrischen Modelle 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 geometrische Modelle ergeben können, und dass die dargestellten geometrischen Modelle lediglich zur Veranschaulichung von Prinzipien und funktionellen Aspekten der vorliegenden Erfindung dienen.
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Elektrische Maschinen im Sinne der vorliegenden Erfindung können insbesondere elektrisch erregte oder permanent erregte Synchronmaschinen umfassen. Dabei sind Synchronmaschinen im Sinne der vorliegenden Erfindung elektrische Maschinen, bei denen 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.
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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.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems 100 mit einer elektrischen Maschine 1, in die dreiphasiger Drehstrom eingespeist werden kann. Die elektrische Maschine 101 kann beispielsweise eine Synchronmaschine sein. Beispielhaft ist die Synchronmaschine eine dreiphasige Synchronmaschine. Es ist jedoch prinzipiell auch möglich, eine andere Anzahl von Phasen für die Synchronmaschine vorzusehen. Dabei spielt die Regelung 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 bzw. die Rotorlage für die Regelung benötigt.
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Das elektrische Antriebssystem 100 umfasst daher eine Steuereinrichtung 10, welche mit der Synchronmaschine 1 gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, die Synchronmaschine 1 anzusteuern bzw. deren Betrieb zu regeln. Die Steuereinrichtung 10 greift für diese Ansteuerung bzw. Regelung auf den zeitabhängigen Rotorwinkel des Rotors der Synchronmaschine 1 in Bezug auf den Stator der Synchronmaschine 1 zurück. Dabei kann die Steuereinrichtung 10 elektrische Betriebsparameter über einen Rotorlagegeber 2 erfassen. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 10 dazu ausgelegt sein, ein Rotorlagesignal mithilfe eines differentiellen Erfassens zweier in einem Winkel zueinander um den Rotor angeordneter Spulen zu ermitteln. Es kann jedoch auch möglich sein, andere Möglichkeiten der Erfassung eines Rotorlagesignals einzusetzen, beispielsweise Resolver, Inkrementalgeber, Positionsgeber, digitale Winkelgeber, Hallsensorik oder ähnliche Erfassungskomponenten.
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Beim Einsatz zweier Spulen kann auf einem Geberrad – oder alternativ auf dem Rotor, wenn eine Außenläufermaschine eingesetzt wird – eine leitfähige Spur aufgebracht werden, deren Breite im Zusammenhang mit dem elektrischen Winkel der elektrischen Maschine 1. Bei elektrischen Maschinen 1 mit einer Anzahl von n Polpaaren entspricht der elektrische Winkel dem n-fachen des mechanischen Rotorwinkels.
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Die zwei Spulen können unter einem elektrischen Winkel von 90° zueinander angeordnet werden und Signalspannungen erzeugen, welche dem Sinus bzw. dem Cosinus des Rotorlagewinkels entsprechen. Die Signalspannungen der zwei Spulen können auf einen Wertebereich zwischen –1 und +1 normiert werden, so dass über die Anwendung der Arcustangens-Funktion ein Rotorlagesignal M für den elektrischen Winkel ermittelt werden kann. Dieses Rotorlagesignal M kann in die Steuereinrichtung 10 eingespeist werden.
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Das elektrische Antriebssystem 100 weist weiterhin eine Treibereinrichtung 3 auf, welche von der Steuereinrichtung 10 eine Ansteuersignal entgegennimmt, um die elektrische Maschine 1 auf der Basis des Rotorlagesignals M anzusteuern.
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2 zeigt eine schematische Illustration einer beispielhaften Steuereinrichtung 10 wie sie in einem elektrischen Antriebssystem 100 in 1 eingesetzt werden kann. Die Steuereinrichtung 10 empfängt das Rotorlagesignal M des Rotorlagegebers 2. In einer Fehlerbestimmungseinrichtung 11 kann aus dem Rotorlagesignal M für den elektrischen Winkel ein Winkelfehler EM des Rotorlagesignals M für den elektrischen Winkel bestimmt werden. Die Fehlerbestimmungseinrichtung 11 kann dazu beispielsweise einen Hochpassfilter aufweisen, dessen Grenzfrequenz unterhalb der tiefsten Frequenz liegt, die im Winkelfehler EM zu erwarten ist. Durch diese Filterung kann der Einfluss durch die Drehzahl und deren Änderungen, beispielsweise bei einem Abbremsen oder Beschleunigen, eliminiert oder zumindest verringert werden. Alternativ kann die Fehlerbestimmungseinrichtung 11 auch dazu ausgelegt sein, eine Ausgleichsgerade über eine vorbestimmte Anzahl der aktuellsten Werte des Rotorlagesignals M zu berechnen. Dabei kann ein jeweils gleitendes Ausgleichsfenster zur Berechnung der einzelnen Winkelfehlerwerte für jeden Wert des Rotorlagesignals M gebildet werden. Dies ist möglich, da während der Zeitdauer des gleitenden Ausgleichsfensters keine signifikante Änderung der Drehzahl zu erwarten ist. Der Winkelfehler EM ergibt sich dabei punktweise durch Differenzbildung zwischen Winkelmesswert des Rotorlagesignals M und dem Wert der Ausgleichsgerade in diesem Punkt. Bei jedem Abtastschritt kann eine erneute Ausgleichsgerade berechnet werden, um ein kontinuierliches Winkelfehlersignal EM zu erhalten.
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Der Winkelfehler EM kann in eine Parametrierungseinrichtung 12 eingespeist werden, welche dazu ausgelegt ist, Parameter P einer Modellfunktion für den Winkelfehler EM aus dem Winkelfehlersignal EM zu bestimmen. Beispielsweise kann bei einer Exzentrizität des Rotors davon ausgegangen werden, dass dem Winkelfehlersignal EM eine Sinusfunktion zugrunde liegt. In diesem Fall können die Parameter P einen Amplitudenparameter und einen Phasenparameter aufweisen.
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Die Parameter P werden in eine Modellierungseinrichtung 13 eingespeist, welche dazu ausgelegt ist, aus der Modellfunktion für das Winkelfehlersignal EM einen modellierten Winkelfehler EW auf der Grundlage der ermittelten Parameter P nachzubilden. Beispielsweise kann die Modellfunktion als EW = A·sin(2π·f·t + p) modelliert werden, wobei A die Amplitude und p die Phase des Winkelfehlersignals EM darstellt. Die Drehfrequenz f der elektrischen Maschine 1 kann dabei von einer Drehzahlbestimmungseinrichtung 15 als Eingabe für die Modellierungseinrichtung 13 geliefert werden. Der modellierte Winkelfehler EW kann an einen Addierer 14 übergeben werden, in dem der modellierte Winkelfehler EW von dem Rotorlagesignal M subtrahiert wird, so dass ein korrigiertes Rotorlagesignal Mk durch die Steuereinrichtung 10 ausgegeben werden kann. Das korrigierte Rotorlagesignal Mk kann beispielsweise wiederum der Drehzahlbestimmungseinrichtung 15 zur optimierten und genaueren Bestimmung der Drehzahl nM der elektrischen Maschine 1 übergeben werden.
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Im Gegensatz zur Offsetkalibrierung muss bei der Verwendung von relativen Gebersystemen, das heißt von Winkelerfassungskomponenten ohne Nullmarke, die Korrekturfunktion des Winkelfehlers EW bei jedem Neustart der Maschine 1 neu bestimmt werden, da die Phasenlage des Fehlerverlaufs des Winkelfehlers EM von der absoluten Position des Rotors abhängig ist und damit bei einem Ausschalten der elektrischen Maschine 1 verloren gehen kann.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 20 zum Korrigieren einer Rotorwinkelmessung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine 1 wie in 1 beispielhaft dargestellt. Dabei kann das Verfahren 20 auf die im Zusammenhang mit den 2 erläuterten Zusammenhänge zurückgreifen bzw. die Steuereinrichtung 10 nutzen. In einem ersten Schritt 21 erfolgt ein Erfassen eines Rotorlagesignals M, aus welchem in einem zweiten Schritt 22 ein Messfehlersignals EM ermittelt werden kann. Danach wird in einem dritten Schritt 23 ein Ermitteln von Parametern P eines Modellverlaufs des Messfehlersignals EM durchgeführt, so dass ein modelliertes Messfehlersignal EW auf der Basis der ermittelten Parameter P in einem vierten Schritt 24 berechnet werden kann. Schließlich kann in einem fünften Schritt 25 das modellierte Messfehlersignal EW von dem Rotorlagesignal M zum Bereitstellen eines korrigierten Rotorlagesignals Mk subtrahiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10297429 T2 [0003]
- DE 3000859 A1 [0005]
