DE102013222006A1

DE102013222006A1 - Prozessor, Verfahren und Computerprogramm zum Steuern eines Notfallbetriebs einer mehrphasigen Drehfeldmaschine bei Unterbrechung eines ersten Phasenstroms einer ersten Phase der Drehfeldmaschine

Info

Publication number: DE102013222006A1
Application number: DE201310222006
Authority: DE
Inventors: Hassan Lamsahel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2015-01-15

Abstract

Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen Prozessor (602) zum Steuern eines Notfallbetriebs einer mehrphasigen Drehfeldmaschine (628) bei Unterbrechung eines ersten Phasenstroms einer ersten Phase der Drehfeldmaschine (628). Der Prozessor (602) ist dabei ausgebildet, um eine zu dem Notfallbetrieb korrespondierende erste und zweite Steuerstromvorgabe (610-1; 610-2) für eine Mehrzahl von Phasen der Drehfeldmaschine (628) in einem rotorfesten Koordinatensystem zu bestimmen. Die Bestimmung erfolgt durch eine Kombination einer zu einem Normalbetrieb der elektrischen Maschine (628) korrespondierenden ersten Sollstromvorgabe (604-1) und zweiten Sollstromvorgabe (604-2). Dabei unterscheidet sich ein Phasenwinkel und eine Amplitude der ersten und zweiten Steuerstromvorgabe (610-1; 610-2) jeweils von einem Phasenwinkel und einer Amplitude der entsprechenden Sollstromvorgabe (604-1; 604-2) in dem rotorfesten Koordinatensystem.

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Steuerung eines Notfallbetriebs einer mehrphasigen Drehfeldmaschine bei Unterbrechung eines ersten Phasenstroms einer ersten Phase der Drehfeldmaschine.
Zur Umwandlung elektrischer in kinetische Energie werden nebst anderen Bauformen von Elektromotoren sogenannte Drehfeld- oder Drehstrommaschinen verwendet. Drehfeldmaschinen umfassen einen Stator mit einer ringförmigen Anordnung sogenannter Phasen, die zeitlich variable Magnetfelder erzeugen können, und dadurch einen magnetischen Rotor, beispielsweise einen Läufer mit einem Permanentmagneten, in Rotation versetzen können. Drehfeldmaschinen, beispielsweise permanenterregten Synchronmaschinen (PSM) oder Asynchronmaschinen (ASM), werden in unterschiedlichen Anwendungen, z. B. Hybridauto, Elektroauto, Servoantriebe, Werkzeugmaschinen, etc. eingesetzt. Bei diesen Drehfeldmaschinen werden häufig Spannungszwischenkreis-Wechselrichter (WR) für die Erzeugung von Versorgungsspannungen für die einzelnen Phasen verwendet. Bei Fehler in der Maschine oder im Wechselrichter kann eine der Phasen der Maschine unterbrochen werden. Wird die Maschine dabei weiter betrieben, kann dies zu Schwankungen des Drehmomentes führen. Die Druckschrift WO 2010/004239 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem eine Synchronmaschine mit mehreren Phasen auch bei Ausfall einer Phase weiter betrieben werden kann. Dabei können allerdings in manchen Betriebsfällen der Maschine die Phasenströme sehr groß werden, so dass Schäden an der Maschine, beispielsweise an im WR befindlichen, zur Regelung der restlichen Phasen dienenden Halbleiterbauteilen auftreten können.
In manchen Anwendungen kann im Falle eines Fehlers die Maschine ausgeschaltet werden. Welchko, Jahns & Lipo (IEEE Power Electronics Letters, Vol. 2, No. 4, Dezember 2004) offenbaren ein Verfahren zur Unterbrechung von Phasenströmen bei Auftritt eines Fehlers in Synchronmaschinen mit Permanentmagneten. Diese Vorgehensweise kann bei manchen Anwendungen, beispielsweise bei einer Lenkung oder einem Elektroauto, unerwünscht sein, da ein plötzliches Abschalten der Maschine in einem Fahrzeug die Aufmerksamkeit eines Fahrers des Fahrzeugs einfordern, und somit unter Umständen Unfälle nach sich ziehen kann.
Um beim Fehlerfall und sich daraus ergebender Phasenunterbrechung die Maschine weiterhin in Betrieb nehmen oder halten zu können, kann alternativ eine Redundanz im Wechselrichter oder in Leitungen der Maschine verwendet werden. Diese Lösungsmaßnahmen können jedoch mehr Aufwand, mehr Volumen und hohe Kosten verursachen. Dies kann etwa bei einem vorgesehenen Einbau in ein Fahrzeug unpraktisch sein, da hier oft nur wenig Bauraum zur Verfügung steht, und sich die zusätzlichen hohen Kosten bei größeren produzierten Stückzahlen auf ein Vielfaches summieren können.
Es ist daher wünschenswert, ein verbessertes Konzept für die Ansteuerung einer Drehfeldmaschine, z. B. einer PSM, beim Ausfall einer Phase zu schaffen.
Diesem Bedarf tragen ein Prozessor, eine Vorrichtung, ein Verfahren und ein Computerprogramm zum Steuern eines Notfallbetriebs einer mehrphasigen Drehfeldmaschine bei Unterbrechung eines ersten Phasenstroms einer ersten Phase der Drehfeldmaschine gemäß den unabhängigen Patentansprüchen Rechnung.
Ausführungsbeispiele ermöglichen dies durch Verwendung eines Prozessors zum Steuern eines Notfallbetriebs einer mehrphasigen Drehfeldmaschine bei Unterbrechung eines ersten Phasenstroms einer ersten Phase der Drehfeldmaschine. Der Prozessor ist dabei ausgebildet, um eine zu dem Notfallbetrieb korrespondierende erste und zweite Steuerstromvorgabe für eine Mehrzahl von Phasen der Drehfeldmaschine in einem rotorfesten Koordinatensystem zu bestimmen. Dies geschieht durch eine Kombination einer zu einem Normalbetrieb der elektrischen Maschine korrespondierenden ersten Sollstromvorgabe und einer zweiten Sollstromvorgabe. Hierbei unterscheiden sich ein Phasenwinkel und eine Amplitude der ersten und zweiten Steuerstromvorgabe jeweils von einem Phasenwinkel und einer Amplitude der entsprechenden Sollstromvorgaben in dem rotorfesten Koordinatensystem. Die Sollstromvorgabe kann beispielsweise für eine erste, zweite oder dritte Phase in einem rotorfesten Koordinatensystem als zweidimensionale Vektoren bestimmt sein. Zu hohe Ströme, die Schäden an der Drehfeldmaschine oder einem zur Regelung der Ströme verwendeten Wechselrichter verursachen können, können auf diese Weise vermieden werden. Ferner können hierdurch Redundanzen in dem Wechselrichter entfallen. Auch kann ein vollständiges Abschalten der Maschine im Fehlerfall vermieden werden. Auch kann ein Gebrauch zusätzlicher Bauteile hierbei entfallen, wodurch Bauraum und Kosten eingespart werden können.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Drehfeldmaschine drei Phasen aufweisen, die jeweils einer ersten Raumrichtung, einer zweiten Raumrichtung und einer dritten Raumrichtung in einem statorfesten Koordinatensystem zugeordnet sind. Der Prozessor kann dazu ausgebildet sein, die erste Steuerstromvorgabe I_sdN basierend auf der Gleichung: I_sdN = I_sd – I_sα·cosθ_el und die zweite Steuerstromvorgabe I_sqN basierend auf der Gleichung: I_sqN = I_sq + I_sα·sinθ_el zu ermitteln, wenn die erste, ausgefallene Phase parallel zu der ersten Raumrichtung orientiert ist. Dabei ist I_sd die erste Sollstromvorgabe in dem rotorfesten Koordinatensystem, I_sq die zweite Sollstromvorgabe in dem rotorfesten Koordinatensystem, I_sα die erste Sollstromvorgabe in dem statorfesten Koordinatensystem, und θ_el ein elektrischer Winkel.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen kann der Prozessor dazu ausgebildet sein, die erste Steuerstromvorgabe I_sdN basierend auf der Gleichung:
und die zweite Steuerstromvorgabe I_sqN basierend auf der Gleichung:
zu ermitteln, wenn die erste, ausgefallene Phase parallel zu der zweiten Raumrichtung orientiert ist.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann der Prozessor dazu ausgebildet sein, die erste Steuerstromvorgabe I_sdN basierend auf der Gleichung:
und die zweite Steuerstromvorgabe I_sqN basierend auf der Gleichung:
zu ermitteln, wenn die erste, ausgefallene Phase parallel zu der dritten Raumrichtung orientiert ist. Hierdurch können mehrere Möglichkeiten geschaffen werden, einen Notfallbetrieb zu steuern, je nachdem, welche Phase von dem Ausfall betroffen ist. Auch kann dabei eine aktuelle Rotorposition oder Drehzahl mitberücksichtigt werden.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen kann der Prozessor ferner dazu ausgebildet sein, basierend auf der ersten oder zweiten Steuerstromvorgabe eine Steuerspannungsvorgabe bereitzustellen. Dadurch kann durch einen Pulswechselrichter basierend auf der Steuerspannungsvorgabe eine Spannung erzeugbar sein. Die Spannung kann einen der ersten oder zweiten Steuerstromvorgabe im Wesentlichen entsprechenden Strom bewirken.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann der Prozessor ferner dazu ausgebildet sein, basierend auf der ersten oder zweiten Steuerstromvorgabe eine Steuerspannungsvorgabe an einen Modulator bereitzustellen, der einen Pulswechselrichter (PWR) steuert. Dadurch kann basierend auf der Steuerspannungsvorgabe ein pulsweitenmoduliertes(PWM-)Signal von dem Modulator an den PWR bereitgestellt werden. Es kann somit ein Notfallbetrieb der Maschine mit bereits vorhandener Hardware gesteuert werden, sodass ein Einbau zusätzlicher Bauteile nicht mehr erforderlich ist, wenn ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nachgerüstet wird.
Gemäß einigen der zuvor genannten Ausführungsbeispiele kann die Steuerspannungsvorgabe auf ein rotorfestes Koordinatensystem bezogen sein, und nach Transformation in ein statorfestes Koordinatensystem an einen Modulator bereitstellbar sein. Somit kann basierend auf der transformierten Steuerspannungsvorgabe ein der ersten oder zweiten Steuerstromvorgabe im Wesentlichen entsprechender Strom erzeugbar sein.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen kann die Amplitude der ersten oder zweiten Steuerstromvorgabe kleiner sein als die Amplitude der entsprechenden Sollstromvorgabe. Somit kann vermieden werden, dass die Amplitude eines einzelnen Phasenstroms zu hohe Werte annimmt, z. B. um ein vor Ausfall der ersten Phase vorherrschendes Drehmoment aufrecht zu erhalten, ohne dass daraus eine Überlastung der Maschine folgt. Kostenintensive und empfindliche Bauteile, z. B. Halbleiterbauteile wie MOSFETs können so vor Beschädigungen bewahrt werden.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann eine Frequenz der ersten oder zweiten Steuerstromvorgabe im Wesentlichen einer Frequenz der entsprechenden Sollstromvorgabe entsprechen. Somit kann eine Drehzahl der Drehfeldmaschine nach Unterbrechen des ersten Phasenstroms im Wesentlichen einer Drehzahl der Drehfeldmaschine vor Unterbrechen des ersten Phasenstroms entsprechen. Dies kann z. B. bei Elektrofahrzeugen sinnvoll sein, wenn ein Motor nach Auftritt eines Fehlers mit konstanter Drehzahl weiterlaufen soll.
Ferner beziehen sich Ausführungsbeispiele auf ein Verfahren zum Steuern eines Notfallbetriebs einer mehrphasigen Drehfeldmaschine bei Unterbrechung eines ersten Phasenstroms einer ersten Phase der Drehfeldmaschine. Das Verfahren umfasst ein Kombinieren einer zu einem Normalbetrieb der elektrischen Maschine korrespondierenden ersten Sollstromvorgabe und zweiten Sollstromvorgabe. Außerdem umfasst das Verfahren ein Bestimmen einer zu dem Notfallbetrieb korrespondierenden ersten und zweiten Steuerstromvorgabe für eine Mehrzahl von Phasen der Drehfeldmaschine in einem rotorfesten Koordinatensystem. Das Bestimmen erfolgt durch die Kombination einer zu einem Normalbetrieb der elektrischen Maschine korrespondierenden ersten Sollstromvorgabe und zweiten Sollstromvorgabe. Dabei unterscheiden sich ein Phasenwinkel und eine Amplitude der ersten und zweiten Steuerstromvorgabe jeweils von einem Phasenwinkel und einer Amplitude der entsprechenden Sollstromvorgabe in dem rotorfesten Koordinatensystem. Dadurch kann eine Implementierung von Redundanzen im Wechselrichter oder in der Maschine entfallen. Ebenfalls kann eine Verwendung zusätzlicher Bauteile, oder anders ausgedrückt eine Änderung der Hardware, entfallen. Auch kann es somit nicht mehr erforderlich sein, die Maschine gänzlich abzuschalten; vielmehr kann die Maschine wenigstens mit einem Teil der ursprünglichen Leistung weiter betrieben werden.
Ausführungsbeispiele beziehen sich außerdem auf ein Programm mit einem Programmcode zum Durchführen des Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Computer, einem Prozessor oder einer programmierbaren Hardwarekomponente ausgeführt wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen, auf welche Ausführungsbeispiele jedoch nicht beschränkt sind, näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Illustration der unterschiedlichen Koordinatensysteme, die zur Bestimmung der für die feldorientierte Regelung relevanten Größen verwendet werden können;
2 ein Vergleichsbeispiel eines Wechselrichters, der als Spannungsquelle für einen elektrischen Motor verwendet werden kann;
3 ein Vergleichsbeispiel für einen Regelkreis zur feldorientierten Regelung eines permanent erregten Synchronmotors;
4 einen Verlauf von Phasenströmen dreier Phasen, eines Drehmomentes und einer Drehzahl über die Zeit bei normalem Betrieb einer Drehfeldmaschine;
5 einen Verlauf von Phasenströmen dreier Phasen, eines Drehmomentes und einer Drehzahl über die Zeit bei Unterbrechung eines Phasenstroms der Drehfeldmaschine und mit feldorientierter Regelung gemäß einem Vergleichsbeispiel;
6 ein Blockschaltbild einer Steuerung einer Drehfeldmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel;
7 ein Laufdiagramm zur Steuerung einer Drehfeldmaschine unter Berücksichtigung des Fehlerfalles der Phasenunterbrechung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8 einen Verlauf von Phasenströmen dreier Phasen, eines Drehmomentes und einer Drehzahl über die Zeit bei Unterbrechung eines Phasenstroms der Drehfeldmaschine bei Steuerung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
9 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines Notfallbetriebs einer mehrphasigen Drehfeldmaschine bei Unterbrechung eines Phasenstroms gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nun ausführlicher unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind. In den Figuren können die Dickenabmessungen von Linien, Schichten und/oder Regionen um der Deutlichkeit Willen übertrieben dargestellt sein.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der beigefügten Figuren, die lediglich einige exemplarische Ausführungsbeispiele zeigen, können gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten bezeichnen. Ferner können zusammenfassende Bezugszeichen für Komponenten und Objekte verwendet werden, die mehrfach in einem Ausführungsbeispiel oder in einer Zeichnung auftreten, jedoch hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale gemeinsam beschrieben werden. Komponenten oder Objekte, die mit gleichen oder zusammenfassenden Bezugszeichen beschrieben werden, können hinsichtlich einzelner, mehrerer oder aller Merkmale, beispielsweise ihrer Dimensionierungen, gleich, jedoch gegebenenfalls auch unterschiedlich ausgeführt sein, sofern sich aus der Beschreibung nicht etwas anderes explizit oder implizit ergibt.
Obwohl Ausführungsbeispiele auf verschiedene Weise modifiziert und abgeändert werden können, sind Ausführungsbeispiele in den Figuren als Beispiele dargestellt und werden hier-in ausführlich beschrieben. Es sei jedoch klargestellt, dass nicht beabsichtigt ist, Ausführungsbeispiele auf die jeweils offenbarten Formen zu beschränken, sondern dass Ausführungsbeispiele vielmehr sämtliche funktionale und/oder strukturelle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen, die im Bereich der Erfindung liegen, abdecken sollen. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in der gesamten Figurenbeschreibung gleiche oder ähnliche Elemente.
Man beachte, dass ein Element, das als mit einem anderen Element „verbunden” oder „verkoppelt” bezeichnet wird, mit dem anderen Element direkt verbunden oder verkoppelt sein kann oder dass dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Wenn ein Element dagegen als „direkt verbunden” oder „direkt verkoppelt” mit einem anderen Element bezeichnet wird, sind keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden. Andere Begriffe, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten auf ähnliche Weise interpretiert werden (z. B., „zwischen” gegenüber „direkt dazwischen”, „angrenzend” gegenüber „direkt angrenzend” usw.).
Die Terminologie, die hierin verwendet wird, dient nur der Beschreibung bestimmter Ausführungsbeispiele und soll die Ausführungsbeispiele nicht beschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „einer”, „eine”, „eines” und „der, die, das” auch die Plural-formen beinhalten, solange der Kontext nicht eindeutig etwas anderes angibt. Ferner sei klargestellt, dass die Ausdrücke wie z. B. „beinhaltet”, „beinhaltend”, aufweist” und/oder „aufweisend”, wie hierin verwendet, das Vorhandensein von genannten Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Arbeitsabläufen, Elementen und/oder Komponenten angeben, aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem bzw. einer oder mehreren Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Arbeitsabläufen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht ausschließen.
Solange nichts anderes definiert ist, haben sämtliche hierin verwendeten Begriffe (einschließlich von technischen und wissenschaftlichen Begriffen) die gleiche Bedeutung, die ihnen ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, zu dem die Ausführungsbeispiele gehören, beimisst. Ferner sei klargestellt, dass Ausdrücke, z. B. diejenigen, die in allgemein verwendeten Wörterbüchern definiert sind, so zu interpretieren sind, als hätten sie die Bedeutung, die mit ihrer Bedeutung im Kontext der einschlägigen Technik konsistent ist, und nicht in einem idealisierten oder übermäßig formalen Sinn zu interpretieren sind, solange dies hierin nicht ausdrücklich definiert ist.
Eine Drehfeldmaschine kann als permanenterregte Synchronmaschine (PSM-Maschine) ausgeführt sein. Die PSM-Maschine umfasst einen Stator, der aus einer ringförmigen Anordnung von mit 120° verteilen Spulen (auch als Phasen bezeichnet) aufgebaut sein kann, wenn es sich um eine dreiphasige Maschine handelt. Die Phasen können zeitlich variable Magnetfelder erzeugen, und dadurch einen magnetischen Rotor, beispielsweise einen Läufer mit einem auf oder im Läufer montierten Permanentmagneten, in Rotation versetzen.
1 gibt der Vollständigkeit halber einen Überblick über drei Koordinatensysteme einer dreiphasigen Maschine, die für eine Berechnung oder eine Beschreibung eines beliebigen Phasenstromvektors 100 verwendet werden können. Ein Dreikoordinatensystem (UVW) mit Achsen 110-1, 110-2 und 110-3 entspricht einem Koordinatensystem, das durch die Position der einzelnen Spulen des Stators gegeben ist. Für eine Regelung der Maschine bzw. des elektrischen Motors können Zustandsgrößen, beispielsweise ein Phasenstrom, in ein mit dem Rotor drehendes Koordinatensystem, das d,q-Koordinatensystem transformiert werden. Die d-Achse 120-1 verläuft parallel zum maximal magnetischen Fluss des permanent erregten Läufers und die q-Achse 120-2 senkrecht dazu.
Ferner können die Größen auch in einem kartesischen zweidimensionalen Koordinatensystem, dem α,β- Koordinatensystem beschrieben werden, wobei in der in 1 gezeigten Darstellung ohne Beschränkung der Allgemeinheit die α-Achse 130-1 so gewählt ist, dass diese identisch zur U-Achse 110-1 des U,V,W-Koordinatensystems verläuft. Die β-Achse 130-2 verläuft darauf senkrecht.
Bei der im weiteren Verlauf genauer beschriebenen feldorientierten Regelung (FOR) werden die Zustandsgrößen des elektrischen Motors in das d,q-Koordinatensystem transformiert, da sich in diesen Koordinaten die differenziellen Gleichungen, die das dynamische Verhalten des elektrischen Motors beschreiben, vereinfachen. In diesen Koordinaten kann die Maschine ähnlich einer Gleichstrommaschine geregelt werden.
Als Beispiel für eine Spannungsversorgung für eine dreiphasige Drehfeldmaschine 250 wird in 2 ein Wechselrichter 200 mit MOSFETs 210-X; 220-X und 230-X gezeigt, wobei X = 1; 2 ist. Mit den MOSFETs 210-X; 220-X und 230-X kann der Strom in beide Richtungen durchgeschaltet werden. Weitere Ausführungsbeispiele können auch andere Leistungshalbleiter verwenden, beispielsweise IGBT's (Insulated Gate Bipolar Transistoren) oder GTO's (Gate Turn-Off Thyristor). Nur während der Sperrzeit zwischen dem oberen MOSFET 210-1; 220-1 und 230-1 und dem unteren MOSFET 210-2; 220-2 und 230-2 werden in jeder Phase x (U, V oder W) die Rücklaufdioden 215-1; 225-1 und 235-1 bzw. 215-2; 225-2 und 235-2 in dieser Phase x den Strom übernehmen. Abhängig von Vorzeichen des Stromes kann der Strom über die untere (z. B. 215-1) oder die obere Diode (z. B. 215-2) einer Phase geleitet werden. Der obere MOSFET (z. B. 210-1) bzw. die obere Diode (z. B. 215-2) einer Phase x ist immer an +U_dc angeschlossen und der untere MOSFET (z. B. 210-2) bzw. die untere Diode (z. B. 215-2) ist immer an –U_dc angeschlossen.
Bei dem in 2 gezeigten Spannungszwischenkreis-Wechselrichter 200 werden durch unterschiedliche Modulationsverfahren die gewünschten Spannungen (z. B. für eine Drehfeldmaschine) an seinem Ausgang eingestellt. Als Modulationsverfahren werden oft ein Unterschwingungsverfahren, Pulsweitenmodulation (PWM) oder Raumzeigermodulation verwendet.
Im Normalfall wird die Feldorientierte Regelung (FOR) für die Ansteuerung einer Permanenterregten Synchronmaschine (PSM) verwendet. Für die Strommessung wird in jede Phase oder mindestens in zwei der Phasen ein Stromsensor eingesetzt. Zum besseren Verständnis wird nachfolgend kurz anhand von 3 das generelle Vorgehen bei der FOR anhand eines Blockschaltbildes eines FOR-Reglers 300 erläutert. Dieser erhält als Führungsgrößen 302-1 und 302-2 Sollstromvorgaben für die d-Komponente 302-1 und die q-Komponente 302-2 des Stromes im d,q-Koordinatensystem, um eine gewünschte Drehzahl und ein gewünschtes Drehmoment des elektrischen Motors, genauer gesagt der Drehfeldmaschine 250, vorzugeben. Die Regelabweichung wird durch Subtraktion der tatsächlichen d-Komponente 304-1 und der tatsächlichen q-Komponente 304-2 von der Sollstromvorgabe bestimmt. Die d-Komponente 304-1 und die q-Komponente 304-2 ergeben zusammen eine Möglichkeit, ein Feedbacksignal 305 bereitzustellen, dass eine Information über einen Strom in jeder der Mehrzahl von Phasen enthält. Die Regelabweichung einer jeden Komponente des Stromes wird von einem Proportional-Integral(PI)-Regler 306-1 und 306-2 verarbeitet, die als Stellgrößen 308-1 und 308-2 eine erste Spannungskomponente 308-1 (U_sd) und eine zweite Spannungskomponente 308-2 (U_sq), also einen gewünschten Spannungsvektor im d,q-Koordinatensystem erzeugen. Da zum Betrieb des elektrischen Motors 250 jeweils eine Spannung für jede Phase erzeugt werden muss und diese Spannungen im ortsfesten Koordinatensystem vorliegen, dient ein d,q/1,2,3-Wandler 310 dazu, die Stellgrößen 308-1 und 308-2 bzw. die einzustellenden Spannungen in das Dreikoordinatensystem zu transformieren (die Koordinaten 1, 2 und 3 können hierbei jeweils den in 1 verwendeten Koordinaten U, V und W entsprechen), um die Spannungsvorgaben 312-1 (U_s1), 312-2 (U_s2) und 312-3 (U_s3) zu erhalten.
Ein Vektormodulator oder PWM-Generator 314 dient dazu, aus dem Spannungsvektor im ortsfesten Koordinatensystem Ansteuerungssignale für einen Pulswechselrichter 316 bzw. für eine Endstufe zu erzeugen. Ein Beispiel für einen Wechselrichter wurde bereits in 2 gezeigt. Insbesondere erzeugt der Vektormodulator 314 für jede der Phasen U, V und W ein pulsweitenmoduliertes Signal 318-1 bis 318-3, mittels dessen die einzelnen Phasen des Wechselrichters 316 angesteuert werden. Die generierten PWM-Werte aus der Regelung oder der Steuerung zur Erzeugung eines bestimmten Spannungsvektors können sich mit der gewünschten Spannungsfrequenz ändern. Die Größe der Spannungsamplitude kann ein Maß für die Länge des gestellten Spannungsvektors an dem Wechselrichter sein.
Am Ausgang des Wechselrichters liegen die Betriebsspannungen 320-1 bis 320-3 (U_U, U_V, U_W) vor, die an jede der Spulen der unterschiedlichen Phasen angelegt werden. Der in den Versorgungsleitungen der Betriebsspannung 320-1 bis 320-3 fließende Strom wird gemessen und als Rückführung bzw. Feedbacksignal der Regelschleife verwendet. Da bei der feldorientierten Regelung der Sollstrom bzw. die Führungsgröße im d,q-Koordinatensystem vorliegt, werden die Ströme in den drei Versorgungsleitungen mittels eines Umwandlers 324 in das d,q-Koordinatensystem transformiert, wo das Feedbacksignal 305 direkt verwendet werden kann.
Um die Transformation vom U,V,W-Koordinatensystem ins d,q-Koordinatensystem zu ermöglichen, ist ferner eine Information über eine Position des Läufers erforderlich. Zu diesem Zweck kann mittels eines Winkelgebers oder Positionssensors 330 der mechanische Winkel 332 (Θ_mech) bestimmt und dem System zur Verfügung gestellt werden. Aus dem mechanischen Winkel 332 kann beispielsweise durch Multiplikation mit der Polpaarzahl Zp der elektrische Winkel 334 (Θ_el) bestimmt werden, der zur Transformation von dem d,q in das U,V,W-Koordinatensystem und zurück benötigt wird. Auf dieselbe Art und Weise kann die sogenannte elektrische Winkelgeschwindigkeit 336 (ω_el) bestimmt werden. 3 zeigt die zusätzliche Möglichkeit, mittels eines Entkopplers 338 Wechselwirkungen zwischen den d-Komponenten und den q-Komponenten des Stroms zu berücksichtigen, wobei auf dessen Funktionalität hierin nicht näher eingegangen wird, primär aus Gründen der Übersichtlichkeit.
4 zeigt den idealen Verlauf der Phasenströme (vgl. in 3 die Phasenströme Is1, Is2 und Is3) und des Drehmomentes bei einer Beschleunigung der Maschine von 0 auf 1000 Umdrehungen pro Minute (U/min). In der oberen Grafik 400-1 ist ein Amplitudenwert der Phasenströme in Ampere (A) gegen die Zeit in Sekunden (s) aufgetragen. Der U-Strom 410-1, V-Strom 410-2 und W-Strom 410-3 sind um jeweils 120° zueinander phasenverschoben und zeigen über den gesamten Zeitverlauf die gleiche maximale Amplitude von etwa 100 A. Die Frequenzen der Ströme 410-1 bis 410-3 nehmen dabei in demselben Maße zu, bis die endgültige Drehzahl von 1000 U/min erreicht ist.
Die mittlere Grafik 400-2 zeigt einen Verlauf des entsprechenden Drehmoments in Newtonmetern (Nm), aufgetragen gegen die Zeit. Der Sollwert 420-1 koinzidiert dabei in guter Näherung mit dem Istwert 420-2, da die das Drehmoment erzeugende Kräfte wirken, sobald eine gewünschte Spannung an den einzelnen Phasen anliegt. Ferner ist ein gefiltertes Drehmoment 420-3 gegen die Zeit aufgetragen. Durch den konstanten Istwert des Drehmoments 420-2 findet eine gleichförmige Beschleunigung statt. Dies kann, wie die untere Grafik 400-3 zeigt, der gleichförmig ansteigenden Drehzahl 430 entnommen werden. Die Drehzahl von 1000 U/min wird nach ca. 0,28 s erreicht.
Bei einem Fehler in der Maschine oder im Wechselrichter kann eine der drei Phasen der Maschine unterbrochen werden. Mögliche Ursachen können z. B. ein Ausfall eines oder zweier MOSFETs einer Phase des Wechselrichters oder Kontaktprobleme zwischen Wechselrichter und Maschine sein. Dadurch kann es möglich sein, dass die Maschine nicht richtig geregelt werden kann, weil der gewünschte Spannungsvektor – wegen des Ausfalls einer Phase – nicht eingestellt werden kann. Es kann auf diese Weise ein Wechselfeld statt eines Drehfelds in der Maschine entstehen, was zu Schwankungen des Drehmomentes führen kann.
In manchen Betriebsfällen der Maschine wie in 5 können die Phasenströme sehr groß werden, so dass die MOSFETs in den restlichen beiden Phasen zerstört werden können. Die obere Grafik 500-1 zeigt den zeitlichen Verlauf der U-, V- und W-Phasenströme 510-1 bis 510-3, wobei der U-Phasenstrom 510-1 nach 0.05 s unterbrochen wird, und fortan den Wert 0 besitzt. In Folge der Unterbrechung kann nun ein stärkerer Strom in den beiden fehlerfreien Phasen V und W fließen, was zu einer Überlastung der betreffenden MOSFETs führen kann. Nochmals anhand von 2 erklärt, können beispielsweise die MOSFETs 220-1; 220-2; 230-1 und 230-2 von der Überlastung betroffen sein, wenn eine Unterbrechung eines Stromflusses durch die MOSFETs 210-1 und 210-2 vorliegt.
Die mittlere Grafik 500-2 zeigt den neuen Verlauf eines Istwerts des Drehmoments 520-1 in Folge einer Phasenunterbrechung. Ab einer Zeit von 0.05 s tritt eine Oszillation auf; durch den Ausfall der U-Phase wirken die für das Drehmoment maßgeblichen Kräfte nicht mehr gleichmäßig, und die Maschine läuft unter Umständen nicht vollständig rund. Eine derartige Unwucht kann z. B. durch Trägheitseffekte abgeschwächt werden, sodass im Mittel über ein gegebenes Zeitintervall die Schwankungen weniger ausgeprägt sein können. Dies verdeutlicht der gefilterte Verlauf des Drehmoments 520-2. Hierbei kann allerdings eine Drehzahl 530 erhalten bleiben, was in der unteren Grafik 500-3 gezeigt ist.
In manchen Anwendungen kann in solchen Fehlerfällen die Maschine ausgeschaltet werden. Diese Vorgehensweise kann aber bei manchen Anwendungen (z. B. bei einer Lenkung oder einem Elektroauto) unerwünscht sein. Um beim Fehlerfall der Phasenunterbrechung die Maschine weiterhin in Betrieb zu nehmen, können alternativ Redundanzen im Wechselrichter oder in den Leitungen der Maschine verwendet werden. Diese Lösungsmaßnahmen können allerdings mehr Aufwand an Bauteilen, mehr Volumen oder hohe Kosten verursachen.
Ausführungsbeispiele umfassen einen Prozessor zum Steuern eines Notfallbetriebs einer mehrphasigen Drehfeldmaschine bei Unterbrechung eines ersten Phasenstroms einer ersten Phase der Drehfeldmaschine. Der Prozessor ist dabei ausgebildet, um eine zu dem Notfallbetrieb korrespondierende erste und zweite Steuerstromvorgabe für eine Mehrzahl von Phasen der Drehfeldmaschine in einem rotorfesten Koordinatensystem zu bestimmen. Dies geschieht durch eine Kombination einer zu einem Normalbetrieb der elektrischen Maschine korrespondierenden ersten Sollstromvorgabe und zweiten Sollstromvorgabe. Hierbei unterscheiden sich ein Phasenwinkel und eine Amplitude der ersten und zweiten Steuerstromvorgabe jeweils von einem Phasenwinkel und einer Amplitude der entsprechenden Sollstromvorgabe in dem rotorfesten Koordinatensystem.
Das rotorfeste Koordinatensystem kann dabei dem d,q-Koordinatensystem aus 1 entsprechen. Anhand der in 1 veranschaulichten Koordinatensysteme wird im Folgenden erklärt, wie eine PSM beim Ausfall einer Phase angesteuert werden kann.
Dabei sind gemäß einigen Ausführungsbeispielen keine Redundanz im Wechselrichter oder in der Maschine, und auch kein Abschalten der Maschine mehr erforderlich sein. Ferner kann die Maschine mit der Hälfte der Leistung (bzw. des Drehmomentes) weiterhin betrieben werden. Bei Ausführungsbeispielen kann die Maschine zudem trotz eines Phasenausfalls ohne Änderungen in der Hardware weiterhin betrieben werden.
Betrachtet man die Transformationen der Phasenströme der Maschine zwischen den d,q-Koordinatensystem und dem statorfesten α,β-Koordinatensystem, so erhält man zunächst für die Transformation von α,β- zu d,q-Koordinaten: I_sd = I_sα·cosθ_el + I_sβ·sinθ_el GL.1a I_sq = –I_sα·sinθ_el + I_sβ·cosθ_el GL.1b
Für die entgegengesetzte Transformation von d,q- zu α,β-Koordinaten erhält man: I_sα = I_sd·cosθ_el –I_sq·sinθ_el GL.2b I_sβ = I_sd·sinθ_el + I_sq·cosθ_el GL.2b
Die Rücktransformation von α,β-Koordinatensystem in das U,V,W-Koordinatensystem lautet:
Hierbei sind I_su, I_sv, I_sw die jeweiligen Phasenströme der Maschine in Phase U, V und W, I_sα, I_sβ die Komponenten des Stromzeigers der Maschine im α,β-Koordinatensystem, und θ_el der elektrische Winkel der Maschine (Produkt aus Polpaarzahl und mechanischem Winkel des Rotors).
Als erstes Beispiel wird der Fall betrachtet, dass die Phase U unterbrochen ist. Der Phasenstrom in Phase U wird somit gleich Null. Will man den Strom in Phase U auf Null setzen, so bekommt man die Ströme:
Für die neuen Komponenten im α,β-Koordinatensystem erhält man:
Durch Transformation in das d,q-Koordinatensystem erhält man die neuen Ströme I_sdN und I_sqN: I_sdN = I_sαN·cosθ_el + I_sβN·sinθ_el GL.11 I_sqN = –I_sαN·sinθ_el + I_sβN·cosθ_el GL.12
Das ergibt: I_sdN = I_sβN·sinθ_el GL.13 I_sqN = I_sβN·cosθ_el GL.14
Ausgehend aus GL. 13 und GL. 14 erhält man mit Hilfe von GL. 1a und GL. 1b den Zusammenhang zwischen dem Fall ohne Phasenunterbrechung (I_sd und I_sq) und dem Fall mit Phasenunterbrechung (I_sdN und I_sqN): I_sdN = I_sα·cosθ_el + I_sβ·sinθ_el – I_sα·cosθ_el GL.15 I_sqN = I_sα·sinθ_el + I_sβ·cosθ_el – (–I_sα·sinθ_el) GL.16
Nach Vereinfachungen erhält man: I_sdN = I_sd – I_sα·cosθ_el GL.17 I_sqN = I_sq + I_sα·sinθ_el GL.18
I_sα und I_sβ können hierbei aus Gleichung GL. 2a und GL. 2b über I_sd, I_sq und den elektrischen Winkel θ_el ermittelt werden.
Analog dazu werden für den Fall, dass die Phase V unterbrochen ist, die Steuerstromwerte der Phasenströme in GL. 19 und GL. 20 berechnet. Hierbei sind wiederum I_sα und I_sβ aus Gleichung GL. 2a und GL. 2b über I_sd, I_sq und den elektrischen Winkel θ_el ermittelbar:
Für den Fall, dass die Phase W unterbrochen ist, erhält man die Steuerstromwerte der Phasenströme in GL. 21 und GL. 22. Hierbei sind wiederum I_sα und I_sβ aus Gleichung GL. 2a und GL. 2b über I_sd, I_sq und den elektrischen Winkel θ_el ermittelbar:
Wird eine Phasenunterbrechung in einer der drei Phasen der Maschine detektiert, wird die Maschine mit dem Ansteuerungskonzept 600 in 6 betrieben. Statt einer FOR (vgl. 3) wird eine Feld-Orientierte Steuerung (FOS) ohne Strommessung verwendet. Das Blockschaltbild der FOS ist in 6 dargestellt. Es basiert auf diskreten Gleichungen Gl. 23 und GL. 24 für die beiden geforderten Spannungen in d- und q-Achse U_{sd_k} und U_{sq_k}.
Hierbei sind ω_el die elektrische Winkelgeschwindigkeit, θ_m der mechanische Winkel, θ_el der elektrische Winkel, Zp die Polpaarzahl der Maschine, U_sα, U_sβ die Spannungen im α,β-Koordinatensystem, U_{sd_k}, U_{sq_k} die in einem aktuellen Abtastschritt geforderten Spannungen im d,q-Koordinatensystem, U_{sd_k-1}, U_{sq_k-1} die geforderten Spannungen im d,q-Koordinatensystem einen Abtastschritt zuvor, I_{sd_k}, I_{sq_k} die aktuellen Sollströme im d,q-Koordinatensystem, I_{sd_k-1}, I_{sq_k-1} die Sollströme im d,q-Koordinatensystem einen Abtastschritt zuvor, R (= R_s) ein Statorwiderstand der Maschine, Ψ (= Ψ_PM) ein Polradfluss der Maschine, T_Ed eine elektrische Zeitkonstante der Maschine in d-Achse (= L_sd/R), T_Eq eine elektrische Zeitkonstante der Maschine in q-Achse (= L_sq/R), T₁ eine gewünschte Zeitkonstante in d-Achse, T₂ eine gewünschte Zeitkonstante in q-Achse, T eine verwendete Abtastzeit und U_dc eine Zwischenkreisspannung. Die Zwischenkreisspannung kann in manchen Anwendungen im Bereich der Automobilindustrie einer Batteriespannung entsprechen.
6 zeigt nun das Ansteuerungskonzept 600, welches zunächst einen Prozessor 602 umfasst. Der Prozessor 602 empfängt die Sollstromvorgaben für die d- und q-Koordinaten 604-1 und 604-2, und bei Unterbrechung einer Phase das Fehlersignal 606. Das Fehlersignal umfasst Informationen 605 darüber, welche Phase unterbrochen ist. Unter Zuhilfenahme des elektrischen Winkels 608 (θ_el) kann der Prozessor aus den alten Sollstromvorgaben 604-1 und 604-2 nun die neuen Steuerstromvorgaben 610-1 und 610-2 berechnen. Der Prozessor kann hierzu einen Algorithmus 700 ausführen, der in 7 noch näher erläutert wird. Die Information 605 über die unterbrochene Phase kann dabei entscheiden, welches der oben beschriebenen Verfahren angewendet wird. Die Steuerstromvorgaben 610-1 und 610-2 werden von dem Prozessor 602 weiterverwendet, um den FOS-Algorithmus 612 mit den oben verwendeten Gleichungen GL. 23 und GL. 24 auszuführen und dabei für einen aktuellen Abtastschritt Steuerspannungsvorgaben 614-1 und 614-2 für die d- und q-Koordinaten zu ermitteln. Mit anderen Worten basieren die Steuerspannungsvorgaben 614-1 und 614-2 auf den Steuerstromvorgaben 610-1 und 610-2, und sind auf ein rotorfestes Koordinatensystem bezogen. Statt der FOS mit den beiden Gleichungen GL. 23 und GL. 24 können in anderen Ausführungsbeispielen als Alternative auch andere Verfahren der Steuerung ohne Strommessung verwendet werden.
Die von dem Prozessor 602 bereitgestellten Steuerspannungsvorgaben 614-1 und 614-2 können bei manchen Ausführungsbeispielen verwendet werden, um eine Spannung zu erzeugen, die einen den Steuerstromvorgaben 610-1 und 610-2 im Wesentlichen entsprechenden Strom bewirkt. In 6 werden die Steuerspannungsvorgaben 614-1 und 614-2 zunächst durch einen Umwandler 616 von d,q-Koordinaten in U,V,W-Koordinaten, also in ein statorfestes Koordinatensystem, umgerechnet. Die sich daraus ergebenden, transformierten Steuerspannungsvorgaben 618-1; 618-2 und 618-3 (Us1; Us2 und Us3) werden an einen Vektormodulator 620 übergeben. Der Modulator 620 stellt daraufhin PWM-Signale 622-1; 622-2 und 622-3 (PWM1; PWM2 und PWM3) zur Ansteuerung eines Pulswechselrichters 624 bereit. Durch den Pulswechselrichter 624 werden daraufhin Spannungen 626-1; 626-2 und 626-3 erzeugt. Diese bewirken Ströme, die im Wesentlichen den Steuerstromvorgaben 610-1 und 610-2 entsprechen (dabei jedoch auf ein statorfestes Koordinatensystem bezogen sind). Mittels der Ströme wird eine Drehfeldmaschine 628 (hier beispielhaft als PSM-Maschine ausgeführt) während der Phasenunterbrechung weiter betrieben. Der Pulswechselrichter 624 erzeugt zudem bei Auftritt der Phasenunterbrechung das Fehlersignal 606 mit den Informationen 605 über die unterbrochene Phase.
Analog zu 3 kann ein Positionssensor 630 vorhanden sein. Dieser ist mit der PSM-Maschine 628 gekoppelt und ermittelt einen mechanischen Winkel 632 (θ_mech). Aus dem mechanischen Winkel wird durch Ableitung 633 nach der Zeit (t) eine mechanische Winkelgeschwindigkeit 634 (ω_mech) und durch Multiplikation 635 mit der Polpaarzahl Zp eine elektrische Winkelgeschwindigkeit 636 (ω_el) ermittelt. Analog wird durch Multiplikation 637 mit der Polpaarzahl Zp der, von dem Prozessor 602 zur Berechnung der Steuerstromvorgaben 610-1 und 610-2 verwendete, elektrische Winkel 608 (θ_el) ermittelt.
7 zeigt ein Flussdiagramm des zuvor bereits angesprochenen Algorithmus 700 zur Ansteuerung einer PSM-Maschine unter Berücksichtigung der Phasenunterbrechung, der beispielsweise mittels des Prozessors 602 ausgeführt werden kann. Zunächst erfolgt ein Start 702 des Algorithmus. Dabei werden bei Phasenunterbrechung die Steuerstromvorgaben der beiden d,q-Ströme IsdRefN, und IsqRefN aus den ursprünglich gewünschten Sollwerten IsdRef, und IsqRef ermittelt. Zur Überwachung des Phasen unterbrechungsfehlers wird das Fehlersignal „Phasefailure”, das Information über die unterbrochene Phase wiedergibt, verwendet. Die Information kann auch für das Umschalten von einer FOR auf die Ansteuerung nach 6 benutzt werden. Über das Fehlersignal „Phasefailure” erfolgt eine Feststellung 704, ob eine Phase unterbrochen ist.
Bei Phasenunterbrechung kann sofort von FOR auf die FOS (vgl. 6), oder auch ein anders Ansteuerverfahren ohne Strommessung umgeschaltet werden. Das Fehlersignal kann Informationen 605 darüber umfassen, welche Phase unterbrochen ist, und es können, abhängig von der unterbrochenen Phase, die d,q-Steuerstromvorgaben IsdRefN und IsqRefN ermittelt werden. Bei einer Unterbrechung 706-1 der U-Phase kann eine Neuberechnung 708-1 der Steuerstromvorgaben für die d- und q-Koordinate gemäß GL. 17 und 18 erfolgen. Analog dazu kann bei einer Unterbrechung 706-2 der V-Phase eine Neuberechnung 708-2 der Steuerstromvorgaben für die d- und q-Koordinate gemäß GL. 19 und 20, und bei einer Unterbrechung 706-3 der W-Phase eine Neuberechnung 708-3 der Steuerstromvorgaben für die d- und q-Koordinate gemäß GL. 21 und 22 erfolgen. Man benötigt dabei die ursprünglichen d,q-Sollstromwerte IsdRef und IsqRef sowie den elektrischen Winkel der Maschine θ_el. Die hier bezeichneten Werte IsdRefN und IsqRefN entsprechen jeweils den Werten I_sdN und I_sqN in den Gleichungssystemen. Darauf kann ein Bereitstellen 712 der neuen Steuerstromvorgabe-Werte IsdRefN und IsqRefN erfolgen. Mit den so gewonnenen Steuerstromvorgaben IsdRefN und IsqRefN kann ein Einstellen von Steuerspannungsvorgaben durch den in 6 beschriebenen FOS-Algorithmus 612 vorgenommen werden. Daraufhin werden die pulsweitenmodulierten Steuersignale PWM1 bis PWM3 bereitgestellt.
Im normalen Fall, d. h. wenn keine Unterbrechung vorliegt, läuft eine FOR 710 unter Verwendung der Sollwerte IsdRef, und IsqRef durch. Die FOR 710 kann beispielsweise analog zu der Beschreibung in 3 durchgeführt werden. In Folge werden die in 3 bereits erklärten, pulsweitenmodulierten Steuersignale PWM1 bis PWM3 bereitgestellt. In beiden Fällen erfolgt ein Empfangen 714 der Steuersignale PWM1 bis PWM3 durch den Wechselrichter, und ein darauffolgendes Beenden 716 des Algorithmus. 7 stellt den gesamten Ablauf des Algorithmus zur Ansteuerung der Maschine dar.
Alternativ kann die Maschine im normalen Fall (ohne Phasenunterbrechung) auch mit der Ansteuerung nach 6 betrieben werden. Eine Umschaltung der gesamten Ansteuerung bei Phasenunterbrechung kann in diesem Fall entfallen. Es kann lediglich eine Änderung der Sollwerte durchgeführt werden.
Im Folgenden werden nun Ergebnisse bei einem Einsetzen des Algorithmus aus 6 (bzw. 8) gemäß einem Ausführungsbeispiel präsentiert. 9 und 10 zeigen den Fall für die Phasenunterbrechung in U. Bis t = 0.05 s ist die Maschine in normalen Fall mit FOR nach 3 geregelt. Ab t = 0.05 s wird ein Fehlerfall der Unterbrechung der Phase U simuliert. Zu diesem Zeitpunkt wird sofort von der FOR auf die Ansteuerung nach 7 umgeschaltet. Der Algorithmus nach 6 wird dabei aktiviert.
Man kann in der oberen Grafik 800-1 sehen, dass der Phasenstrom 810-1 (I_su) in Phase U durch die Phasenunterbrechung bei t = 0.05 s den Wert 0 erhält und dort verharrt. Es ändern sich außerdem bei den Phasenströmen 810-2 (I_sv) und 810-3 (I_sw), die den neuen Steuerstromvorgaben entsprechen, in den Phasen V und W jeweils die Amplitude in geringem Maße sowie die Phasenlage bei t = 0.05 s. Bei einigen Ausführungsbeispielen, wie hier gezeigt, kann die Amplitude einer Steuerstromvorgabe geringer sein als die Amplitude einer entsprechenden Sollstromvorgabe. Durch die Änderung der Phasen von I_sv und I_sw beträgt ab t = 0.05 s der Phasenunterschied zwischen beiden Strömen 180° statt den vor dem Ausfall der Phase U vorliegenden 120°, sodass beide Ströme in Summe Null ergeben. Die Frequenz der einzelnen Phasenströme 810-2 und 810-3 bleibt dabei vor und nach t = 0.05 s im Wesentlichen gleich. Durch die gleichbleibende Frequenz kann ein Beibehalten einer vor Phasenunterbrechung bestehenden Drehzahl erreicht werden. Im Wesentlichen gleichbleibend bedeutet, dass in anderen Ausführungsbeispielen Abweichungen bis zu 5% oder 10% möglich sein können.
In der mittleren Grafik 800-2 wird ersichtlich, dass der Mittelwert 820-1 des Drehmomentes gleich der Hälfte des maximalen Drehmomentes ist. Dabei tritt bei dem Istwert des Drehmoments 820-3 ähnlich wie bei 5 ein Schwingungsverhalten zu Tage. Gemittelt über die Zeit kann sich dies insofern auswirken, dass das effektiv auftretende Drehmoment mit wesentlich kleineren Schwankungen etwa der Hälfte des Sollwerts 820-2 entspricht. Damit kann man mit der Ansteuerung in Phasenunterbrechungsfall die Hälfte des Drehmomentes bei gleicher Drehzahl (bzw. die Hälfte der Leistung) erreichen. Die untere Grafik 800-3 zeigt ferner, dass die Drehzahl 830 auch nach dem Ausfall einer Phase in Simulationen konstant bei 1000 U/min bleibt.
Ähnliche Ergebnisse erreicht man für den Fall der Unterbrechung der Phase V und für den Fall Unterbrechung der Phase W. Diese Ergebnisse entsprechen mit anderen Worten qualitativ und quantitativ im Wesentlichen den in 8 gezeigten.
9 zeigt ein Verfahren 900 zum Steuern eines Notfallbetriebs einer mehrphasigen Drehfeldmaschine bei Unterbrechung eines ersten Phasenstroms einer ersten Phase der Drehfeldmaschine. Das Verfahren 900 umfasst ein Kombinieren 910 einer zu einem Normalbetrieb der elektrischen Maschine korrespondierenden ersten Sollstromvorgabe und zweiten Sollstromvorgabe. Außerdem umfasst das Verfahren 900 ein Bestimmen 920 einer zu dem Notfallbetrieb korrespondierenden ersten und zweiten Steuerstromvorgabe für eine Mehrzahl von Phasen der Drehfeldmaschine in einem rotorfesten Koordinatensystem. Das Bestimmen 920 erfolgt durch die Kombination einer zu einem Normalbetrieb der elektrischen Maschine korrespondierenden ersten Sollstromvorgabe und zweiten Sollstromvorgabe. Dabei unterscheiden sich ein Phasenwinkel und eine Amplitude der ersten und zweiten Steuerstromvorgabe jeweils von einem Phasenwinkel und einer Amplitude der entsprechenden Sollstromvorgabe in dem rotorfesten Koordinatensystem.
Nochmals in anderen Worten erklärt können Ausführungsbeispiele bewirken, dass bei Phasenunterbrechung die Maschine weiterhin mit der Hälfte der Leistung betrieben werden kann. Dies kann z. B. bei einer Lenkung oder einem Elektroauto, etwa für eine Weiterfahrt bis zur nächsten Werkstatt hilfreich sein. Es kann der gleiche Aufbau eines Antriebs, oder mit anderen Worten ein bereits vorhandener Antrieb verwendet werden, da eine Verwendung zusätzlicher Bauteile (Hardware) entfallen kann. Dadurch, dass keine Strommessung erforderlich ist, kann ein möglicher Ausfall des Stromsensors in einer Phase wegen Phasenunterbrechung kompensiert werden. Maßnahmen wie ein Notausschalten der Maschine bei Phasenunterbrechung, die bei manchen Anwendungen unerwünscht sind (z. B. Lenkung oder Elektroauto) können durch Ausführungsbeispiele umgangen werden. Ferner kann die Kompensation der Phasenunterbrechung ohne zusätzlichen Aufwand (z. B. Implementierung von Redundanz bei Phasenleitungen oder bei einem Wechselrichter, etc.) realisiert werden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und den beigefügten Figuren offenbarten Merkmale können sowohl einzeln wie auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung eines Ausführungsbeispiels in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein und implementiert werden.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrens-schritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-Ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einer programmierbaren Hardwarekomponente derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird.
Eine programmierbare Hardwarekomponente kann durch einen Prozessor, einen Computerprozessor (CPU = Central Processing Unit), einen Grafikprozessor (GPU = Graphics Processing Unit), einen Computer, ein Computersystem, einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC = Application-Specific Integrated Circuit), einen integrierten Schaltkreis (IC = Integrated Circuit), ein Ein-Chip-System (SOC = System an Chip), ein programmierbares Logikelement oder ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor (FPGA = Field Programmable Gate Array) gebildet sein.
Das digitale Speichermedium kann daher maschinen- oder computerlesbar sein. Manche Ausführungsbeispiele umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem oder einer programmierbare Hardwarekomponente derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird. Ein Ausführungsbeispiel ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Programm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Programm, Firmware, Computerprogramm oder Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode oder als Daten implementiert sein, wobei der Programmcode oder die Daten dahin gehend wirksam ist bzw. sind, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Programm auf einem Prozessor oder einer programmierbaren Hardwarekomponente abläuft. Der Programmcode oder die Daten kann bzw. können beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger oder Datenträger gespeichert sein. Der Programmcode oder die Daten können unter anderem als Quellcode, Maschinencode oder Bytecode sowie als anderer Zwischencode vorliegen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist ferner ein Datenstrom, eine Signalfolge oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Programm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom, die Signalfolge oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, um über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet oder ein anderes Netzwerk, transferiert zu werden. Ausführungsbeispiele sind so auch Daten repräsentierende Signalfolgen, die für eine Übersendung über ein Netzwerk oder eine Datenkommunikationsverbindung geeignet sind, wobei die Daten das Programm darstellen.
Ein Programm gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eines der Verfahren während seiner Durchführung beispielsweise dadurch umsetzen, dass dieses Speicherstellen ausliest oder in diese ein Datum oder mehrere Daten hinein schreibt, wodurch gegebenenfalls Schaltvorgänge oder andere Vorgänge in Transistorstrukturen, in Verstärkerstrukturen oder in anderen elektrischen, optischen, magnetischen oder nach einem anderen Funktionsprinzip arbeitenden Bauteile hervorgerufen werden. Entsprechend können durch ein Auslesen einer Speicherstelle Daten, Werte, Sensorwerte oder andere Informationen von einem Programm erfasst, bestimmt oder gemessen werden. Ein Programm kann daher durch ein Auslesen von einer oder mehreren Speicherstellen Größen, Werte, Messgrößen und andere Informationen erfassen, bestimmen oder messen, sowie durch ein Schreiben in eine oder mehrere Speicherstellen eine Aktion bewirken, veranlassen oder durchführen sowie andere Geräte, Maschinen und Komponenten ansteuern.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
Bezugszeichenliste

100: Phasenstromvektor
110-1; 110-2; 110-3: U,V,W-Koordinaten
120-1; 120-2: d,q-Koordinaten
130-1; 130-2: α,β-Koordinaten
200: Wechselrichter
210-1; 220-1; 230-1: oberer MOSFET
215-1; 225-1; 235-1: obere Diode
210-2; 220-2; 230-2: unterer MOSFET
215-2; 225-2; 235-2: untere Diode
250: elektrischer Motor
300: FOR-Regler
302-1; 302-2: Führungsgrößen
304-1; 304-2: Sollstromvorgaben
305: Feedbacksignal
306-1; 306-2: PI-Regler
308-1; 308-2: Stellgrößen
310: d,q/1,2,3-Wandler
312-1; 312-2; 312-3: Spannungsvorgaben
314: Vektormodulator
316: Wechselrichter
318-1; 318-2; 318-3: PWM-Signale
320-1; 320-2; 320-3: Betriebsspannung
324: Umwandler
330: Positionssensor
332: Mechanischer Winkel
334: Elektrischer Winkel
336: Elektrische Winkelgeschwindigkeit
338: Entkoppler
400-1: obere Grafik
400-2: mittlere Grafik
400-3: untere Grafik
410-1: U-Strom
410-2: V-Strom
410-3: W-Strom
420-1: Sollwert des Drehmoments
420-2: Istwert des Drehmoments
420-3: gefiltertes Drehmoment
430: Drehzahl
500-1: obere Grafik
500-2: mittlere Grafik
500-3: untere Grafik
510-1: U-Phasenstrom
510-2: V-Phasenstrom
510-3: W-Phasenstrom
520-1: Istwert des Drehmoments
520-2: gefiltertes Drehmoment
530: Drehzahl
600: Ansteuerungskonzept
602: Prozessor
604-1; 604-2: Sollstromvorgaben für d- und q-Koordinaten
605: Informationen
606: Fehlersignal
608: elektrischer Winkel
610-1; 610-2: Steuerstromvorgaben
612: FOS-Algorithmus
614-1; 614-2: Steuerspannungsvorgaben
616: Umwandler
618-1; 618-2; 618-3: transformierte Steuerspannungsvorgaben
620: Modulator
622-1; 622-2; 622-3: PWM-Signale
624: Pulswechselrichter
626-1; 626-2; 626-3: Spannungen
628: Drehfeldmaschine
630: Positionssensor
632: mechanischer Winkel
633: Ableitung nach Zeit
634: mechanische Winkelgeschwindigkeit
635: Multiplikation
636: elektrische Winkelgeschwindigkeit
637: Multiplikation
700: Algorithmus
702: Start des Algorithmus
704: Feststellung
706-1; 706-2; 706-3: Unterbrechung
708-1; 708-2; 708-3: Neuberechnung
710: FOR
712: Bereitstellen
714: Empfangen
716: Beenden des Algorithmus
800-1: obere Grafik
800-2: mittlere Grafik
800-3: untere Grafik
810-1: U-Phasenstrom
810-2: V-Phasenstrom
810-3: W-Phasenstrom
820-1: Mittelwert des Drehmoments
820-2: Sollwert des Drehmoments
820-3: Istwert des Drehmoments
830: Drehzahl
900: Verfahren
910: Kombinieren
920: Bestimmen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2010/004239 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Welchko, Jahns & Lipo (IEEE Power Electronics Letters, Vol. 2, No. 4, Dezember 2004 [0003]

Claims

Prozessor (602) zum Steuern eines Notfallbetriebs einer mehrphasigen Drehfeldmaschine (628) bei Unterbrechung eines ersten Phasenstroms einer ersten Phase der Drehfeldmaschine (628), wobei der Prozessor (602) ausgebildet ist, um eine zu dem Notfallbetrieb korrespondierende erste und zweite Steuerstromvorgabe (610-1; 610-2) für eine Mehrzahl von Phasen der Drehfeldmaschine (628) in einem rotorfesten Koordinatensystem durch eine Kombination einer zu einem Normalbetrieb der elektrischen Maschine (628) korrespondierenden ersten Sollstromvorgabe (604-1) und zweiten Sollstromvorgabe (604-2) derart zu bestimmen, dass sich ein Phasenwinkel und eine Amplitude der ersten und zweiten Steuerstromvorgabe (610-1; 610-2) jeweils von einem Phasenwinkel und einer Amplitude der entsprechenden Sollstromvorgabe (604-1; 604-2) in dem rotorfesten Koordinatensystem unterscheidet.
Prozessor (602) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Drehfeldmaschine (628) drei Phasen aufweist, die jeweils einer ersten Raumrichtung, einer zweiten Raumrichtung und einer dritten Raumrichtung in einem statorfesten Koordinatensystem zugeordnet sind, und wobei der Prozessor (602) dazu ausgebildet ist, die erste Steuerstromvorgabe I_sdN (610-1) basierend auf der Gleichung: I_sdN = I_sd – I_sα·cosθ_el und die zweite Steuerstromvorgabe I_sqN (610-2) basierend auf der Gleichung: I_sqN = I_sq + I_sα·sinθ_el zu ermitteln, wenn die erste, unterbrochene Phase parallel zu der ersten Raumrichtung orientiert ist, wobei I_sd die erste Sollstromvorgabe (604-1) in dem rotorfesten Koordinatensystem, I_sq die zweite Sollstromvorgabe (604-2) in dem rotorfesten Koordinatensystem, I_sα die erste Sollstromvorgabe in dem statorfesten Koordinatensystem, und θ_el ein elektrischer Winkel (608) ist.
Prozessor (602) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Drehfeldmaschine (628) drei Phasen aufweist, die jeweils einer ersten Raumrichtung, einer zweiten Raumrichtung und einer dritten Raumrichtung in einem statorfesten Koordinatensystem zugeordnet sind, und wobei der Prozessor (602) dazu ausgebildet ist, die erste Steuerstromvorgabe I_sdN (610-1) basierend auf der Gleichung:
und die zweite Steuerstromvorgabe I_sqN (610-2) basierend auf der Gleichung:
zu ermitteln, wenn die erste, unterbrochene Phase parallel zu der zweiten Raumrichtung orientiert ist, wobei I_sd die erste Sollstromvorgabe (604-1) in dem rotorfesten Koordinatensystem, I_sq die zweite Sollstromvorgabe (604-2) in dem rotorfesten Koordinatensystem, I_sα die erste Sollstromvorgabe in dem statorfesten Koordinatensystem, I_sβ die zweite Sollstromvorgabe in dem statorfesten Koordinatensystem, und θ_el ein elektrischer Winkel (608) ist.
Prozessor (602) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Drehfeldmaschine (628) drei Phasen aufweist, die jeweils einer ersten Raumrichtung, einer zweiten Raumrichtung und einer dritten Raumrichtung in einem statorfesten Koordinatensystem zugeordnet sind, und wobei der Prozessor (602) dazu ausgebildet ist, die erste Steuerstromvorgabe I_sdN (610-1) basierend auf der Gleichung:
und die zweite Steuerstromvorgabe I_sqN (610-2) basierend auf der Gleichung:
zu ermitteln, wenn die erste, unterbrochene Phase parallel zu der dritten Raumrichtung orientiert ist, wobei I_sd die erste Sollstromvorgabe (604-1) in dem rotorfesten Koordinatensystem, I_sq die zweite Sollstromvorgabe (604-2) in dem rotorfesten Koordinatensystem, I_sα die erste Sollstromvorgabe in dem statorfesten Koordinatensystem, I_sβ die zweite Sollstromvorgabe in dem statorfesten Koordinatensystem, und θ_el ein elektrischer Winkel (608) ist.
Prozessor (602) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Prozessor (602) ferner dazu ausgebildet ist, basierend auf der ersten oder zweiten Steuerstromvorgabe (610-1; 610-2) eine Steuerspannungsvorgabe (614-1; 614-2) derart bereitzustellen, sodass eine auf der Steuerspannungsvorgabe (614-1; 614-2) basierende Spannung (626-1; 626-2; 626-3) einen der ersten oder zweiten Steuerstromvorgabe (610-1; 610-2) im Wesentlichen entsprechenden Strom bewirkt.
Prozessor (602) gemäß Anspruch 5, wobei die Steuerspannungsvorgabe (614-1; 614-2) auf ein rotorfestes Koordinatensystem bezogen ist.
Prozessor (602) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Amplitude der ersten oder zweiten Steuerstromvorgabe (610-1; 610-2) kleiner ist als die Amplitude der entsprechenden Sollstromvorgabe (604-1; 604-2).
Prozessor (602) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei eine Frequenz der ersten oder zweiten Steuerstromvorgabe (610-1; 610-2) im Wesentlichen einer Frequenz der entsprechenden Sollstromvorgabe (604-1; 604-2) entspricht, sodass eine Drehzahl der Drehfeldmaschine (628) nach Unterbrechen des ersten Phasenstroms im Wesentlichen einer Drehzahl der Drehfeldmaschine (628) vor Unterbrechen des ersten Phasenstroms entspricht.
Steuervorrichtung mit einem Prozessor (602) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner umfassend einen Modulator (620), wobei der Prozessor (602) ferner dazu ausgebildet ist, basierend auf der ersten oder zweiten Steuerstromvorgabe (610-1; 610-2) eine Steuerspannungsvorgabe (614-1; 614-2) an den Modulator (620) bereitzustellen, und wobei der Modulator (620) dazu ausgebildet ist, basierend auf der Steuerspannungsvorgabe (614-1; 614-2) ein pulsweitenmoduliertes(PWM-)Signal (622-1; 622-2; 622-3) an einen Pulswechselrichter (624) bereitzustellen, sodass durch den Pulswechselrichter (624) basierend auf der Steuerspannungsvorgabe (614-1; 614-2) eine Spannung (626-1; 626-2; 626-3) erzeugt wird, wobei die Spannung (626-1; 626-2; 626-3) einen der ersten oder zweiten Steuerstromvorgabe (610-1; 610-2) im Wesentlichen entsprechenden Strom bewirkt.
Steuervorrichtung gemäß Anspruch 9, die ferner einen Umwandler (616) umfasst, wobei der Umwandler (616) dazu ausgebildet ist, die Steuerspannungsvorgabe (614-1; 614-2) in ein statorfestes Koordinatensystem zu transformieren, und eine transformierte Steuerspannungsvorgabe (618-1; 618-2; 618-3) an den Modulator (620) bereitzustellen.
Verfahren (900) zum Steuern eines Noffallbetriebs einer mehrphasigen Drehfeldmaschine bei Unterbrechung eines ersten Phasenstroms einer ersten Phase der Drehfeldmaschine, mit: Kombinieren (910) einer zu einem Normalbetrieb der elektrischen Maschine korrespondierenden ersten Sollstromvorgabe und zweiten Sollstromvorgabe, und Bestimmen (920) einer zu dem Notfallbetrieb korrespondierenden ersten und zweiten Steuerstromvorgabe für eine Mehrzahl von Phasen der Drehfeldmaschine in einem rotorfesten Koordinatensystem durch die Kombination einer zu einem Normalbetrieb der elektrischen Maschine korrespondierenden ersten Sollstromvorgabe und zweiten Sollstromvorgabe, wobei sich ein Phasenwinkel und eine Amplitude der ersten und zweiten Steuerstromvorgabe jeweils von einem Phasenwinkel und einer Amplitude der entsprechenden Sollstromvorgabe in dem rotorfesten Koordinatensystem unterscheidet.
Programm mit einem Programmcode zum Durchführen des Verfahrens gemäß Anspruch 11, wenn der Programmcode auf einem Computer, einem Prozessor oder einer programmierbaren Hardwarekomponente ausgeführt wird.