DE102014212964A1

DE102014212964A1 - Verfahren zur Schätzung von Stromsensorbedingtem Drehmomentfehler für IPMSM-basiertes Elektroantriebssystem

Info

Publication number: DE102014212964A1
Application number: DE102014212964.8A
Authority: DE
Inventors: Chang-Jiang Wang; Michael W. Degner
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2014-07-03
Publication date: 2015-01-22
Also published as: CN104290611A; US20150025828A1; CN104290611B; US10254374B2

Abstract

Ein Verfahren zum Schätzen von Drehmomentregelungsfehler in einer Elektromaschine berücksichtigt die Auswirkungen von Stromsensorfehlerkenngrößen. Systeme und Verfahren können umgesetzt werden, um den maximalen Sensorfehler zu bestimmen, der toleriert werden kann, ohne unannehmbaren Drehmomentfehler zu bewirken. Ein Beispielverfahren verwendet Sensorkenngrößen und Maschinenkenngrößen, um Stromabtastfehler, Stromregelungsfehler und Drehmomentregelungsfehler zu bestimmen. Das Bestimmen der geringsten Sensorgenauigkeit, die für eine gewünschte Drehmomentregelungsgenauigkeit erforderlich ist, kann – ohne Kompromisse bei der Leistung – die Verwendung von preisgünstigeren Sensoren in elektrischen Antriebssystemen mit Stromregelung ermöglichen. Andere Anwendungen können Fahrzeugdiagnostiken und Drehmomentfehlerkompensation beinhalten.

Description

Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Drehmomentfehlerschätzung für Elektroantriebssysteme und insbesondere auf Verfahren zum Schätzen des Drehmomentregelungsfehlers, der durch Stromsensorfehler bewirkt wird.
Elektrisch betriebene Fahrzeuge setzen ein Elektroantriebssystem ein, das dazu ausgelegt ist, emissionsfreien Antrieb bei reduziertem Kraftstoffverbrauch bereitzustellen, und gleichzeitig auch kompromisslose Fahrzeugleistung bereitzustellen. Um einem Fahrer ein befriedigendes und angenehmes Fahrerlebnis zu verschaffen, muss das Elektroantriebssystem des Fahrzeugs zuverlässig bei allen Betriebsbedingungen das erforderliche Drehmoment abgeben. Verschiedene Arten von Elektroantriebs-Steuerungsverfahren können zum Erreichen dieses Ziels eingesetzt werden, einschließlich derjenigen, die auf einer Form von Rückkopplung beruhen. Stromregelungssysteme verwenden Stromsensoren, um Rückkopplungsinformationen hinsichtlich des Stromflusses durch die Statorwicklungen des Elektromotors bereitzustellen. Rückkopplung kann für ein Drehmomentregelungssystem bereitgestellt werden, das dazu ausgelegt ist, Strom zum Motor zu regeln. Wenn Stromsensoren exakt sind, können korrekte Ansteuersignale bereitgestellt werden und die Drehmomentanforderung kann erfüllt werden. Allerdings können Fehler bei Stromsensoren Stromregelungsfehler hervorrufen, die bewirken, dass die Drehmomentabgabe von einem Soll-Drehmoment abweicht. Während ein gewisser Grad von Drehmomentabweichung ohne erkennbare Wirkung auf die Leistung toleriert werden kann, kann erhebliche Abweichung den Betrieb des Elektroantriebs stören.
Elektroantriebsentwickler haben die Aufgabe, Systeme zu entwerfen, die ausreichende Drehmomentgenauigkeit für befriedigende Fahrzeugleistung in allen Betriebszuständen aufweisen. Die für befriedigende Leistung erforderliche Drehmomentgenauigkeit ändert sich mit Drehmomentpegeln und Motordrehzahl. Während zum Beispiel eine 4%ige Genauigkeit bei Drehmomenten unterhalb von 50 Nm möglicherweise ausreichend ist, ist möglicherweise eine 7%ige Genauigkeit bei Drehmomenten über 50 Nm erforderlich. Während die Drehmomentgenauigkeit von mehreren Faktoren abhängen kann, ist die Sensorgenauigkeit von besonderer Wichtigkeit in denjenigen Systemen, die Stromregelungstechniken verwenden. In vielen Fällen veranlasst die Notwendigkeit, Fahrzeuge herzustellen, die bei allen Drehzahlen gute Leistung bringen, einen Entwickler, hochgenaue Sensoren einzubauen, um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Fehlern zu minimieren. Stromsensoren können teuer sein, wobei der Sensorpreis direkt mit der Sensorgenauigkeit korreliert. Das Überdimensionieren der für ein System erforderlichen Sensorgenauigkeit erhöht möglicherweise unberechtigterweise die Kosten des Systems. Unglücklicherweise gibt es bisher keinen systematischen Ansatz, eine Minimalanforderung an die Sensorgenauigkeit für eine gewünschte Drehmomentgenauigkeit zu bestimmen. Sensoren, die nicht mit ausreichender Genauigkeit betrieben werden können, beeinträchtigen die Fahrzeugleistung, während Sensoren, die mit übermäßig hoher Genauigkeit betreiben werden, die Kosten unnötig nach oben treiben.
Während einige Systeme und Verfahren nach dem Stand der Technik versucht haben, verschiedene Probleme in Bezug auf Elektromaschinen-Drehmomentregelung zu behandeln, sind sie damit gescheitert, die Auswirkungen von Stromabtastfehlern auf die geschätzte Drehmomentabgabe zu isolieren, zu bestimmen, zu prognostizieren, auszugleichen oder zu nutzen.
Ein System der Erfindung kann einen Prozessor enthalten, der dazu ausgelegt ist, mit einem Drehmomentfehlerschätzmodul (TEEM, torque error estimation module) zusammenzuwirken, um einen von einem Stromabtastfehler bewirkte Drehmomentregelungsfehler zu schätzen. In einem Ausführungsbeispiel kann ein TEEM Hardware, Software, Firmware oder irgendeine Kombination daraus umfassen, und es kann ein Maschinenkenngrößen-Submodul (MCS, machine characteristic submodule), ein Sensorkenngrößen-Submodul (SCS, sensor characteristic submodule), ein Maschinenbetriebsparameter-Submodul (MOPS, machine operational parameter submodule), ein Abtastfehlerbestimmungs-Submodul (SEDS, sensing error determination submodule), ein Stromregelungsfehlerbestimmungs-Submodul (CCEDS, current control error determination submodule) und ein Drehmomentfehlerbestimmungs-Submodul (TEDS, torque error determination submodule) enthalten.
Ein System der Erfindung kann einen Prozessor und ein nichtflüchtiges computerlesbares Medium umfassen, das für den Prozessor darin codierte Befehle aufweist, die, wenn sie vom Prozessor ausgeführt werden, bewirken, dass der Prozessor einen durch einen Stromabtastfehler verursachten Drehmomentfehler schätzt. In einem Ausführungsbeispiel können die Befehle bewirken, dass der Prozessor Stromsensorkenngrößen und Maschinenkenngrößen bei einer Drehmomentfehlerschätzung verwendet. Ein Beispielsystem kann einen Speicher enthalten, aus dem eine oder mehrere Sensorkenngrößen und/oder Maschinenkenngrößen und Betriebsparameter abgerufen werden können.
Es wird ein Verfahren zum Bestimmen eines durch einen Stromabtastfehler verursachten Drehmomentfehlers vorgestellt. Ein Beispielverfahren kann Folgendes beinhalten: das Bestimmen eines Stromabtastfehlers unter Verwendung einer oder mehrerer Stromsensorkenngrößen und das Verwenden des Stromabtastfehlers, um einen Drehmomentfehler zu schätzen. Als Beispiel: Eine Stromsensorkenngröße kann in der Form einer Sensorverstärkung oder eines Sensor-Offsets vorliegen. Ein Beispielverfahren kann Folgendes beinhalten: das Bestimmen eines Stromregelungsfehlers unter Verwendung des Stromabtastfehlers und das Verwenden des Stromregelungsfehlers, um einen Drehmomentfehler zu schätzen. In einem Ausführungsbeispiel kann ein Verfahren Folgendes beinhalten: das Aufnehmen einer oder mehrerer Maschinenkenngrößen, das Aufnehmen einer oder mehrerer Stromsensorkenngrößen, das Aufnehmen eines oder mehrerer Maschinenbetriebsparameter, das Bestimmen des Stromsensorfehlers, das Bestimmen des Stromregelungsfehlers und das Schätzen des Drehmomentfehlers. Der resultierende Drehmomentfehler kann auf verschiedene Weisen verwendet werden, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, Sensorspezifikation, Entwurf von Elektroantriebssystemen, Fahrzeugdiagnostik und Drehmomentfehlerkompensation.
1 zeigt eine Beispielumgebung, in der Sensor- und Drehmomentfehler auftreten können.
2 zeigt eine Beispielumgebung, in der Sensor- und Drehmomentfehler auftreten können.
3A zeigt ein Beispiel für Nenn-Sensorausgabe.
3B zeigt ein Beispiel für durch Verstärkungsfehler beeinträchtigte Sensorausgabe.
3C zeigt ein Beispiel für durch Offset-Fehler beeinträchtigte Sensorausgabe.
4 zeigt ein Beispielsystem zur Drehmomentfehlerbestimmung.
5 zeigt eine Beispielvorrichtung zur Drehmomentfehlerbestimmung.
6 zeigt ein Beispielverfahren zur Drehmomentfehlerbestimmung.
Wie erforderlich, werden hierin genaue Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart. Allerdings versteht es sich, dass die jeweiligen erörterten Ausführungsformen lediglich beschreibende Beispiele für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, und einige Merkmale sind möglicherweise vergrößert, verkleinert oder weggelassen, um Details jeweiliger Komponenten zu betonen. Daher sind hierin beschriebene, spezifische strukturelle und funktionale Details nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als eine repräsentative Grundlage, um einen Fachmann davon zu unterrichten, die Erfindung verschieden einzusetzen. Die Erfindung umfasst verschiedene Aspekte von Elektromotor-Drehmomentfehlerschätzung und ihren verschiedenen Anwendungen.
Systeme und Verfahren der Erfindung können genutzt werden, um Drehmomentgenauigkeit in Elektromaschinensystemen zu schätzen. Obwohl die Erfindung nachstehend im Kontext von Elektrofahrzeugen erörtert wird, wird in Betracht gezogen, dass sie auch für Anwendungen außerhalb von Fahrzeugen verwendet werden kann. Die Erfindung kann beim Entwurf und der Umsetzung von Elektroantriebssystemen verwendet werden, insbesondere bei Aspekten der Drehmomentregelung. Verfahren der Erfindung können genutzt werden, um eine gewünschte Drehmomentgenauigkeit auf eine wirtschaftliche Art und Weise zu erreichen. Drehmomentgenauigkeit kann als das Verhältnis von Drehmomentabweichung zu maximalem Drehmoment definiert werden, wie durch die nachstehende Gleichung 1 ausgedrückt wird:
wobei τ_soll, τ_real and τ_max das Soll-Drehmoment, das real entwickelte Wellendrehmoment bzw. das maximale Drehmoment darstellen. Somit kann Drehmomentgenauigkeit durch den Drehmomentfehler (Abweichung zwischen Soll-Drehmoment und realem Drehmoment) und maximale Drehmomentabgabe ausgedrückt werden. Die vorliegende Erfindung kann eingesetzt werden, um die Auswirkungen des Sensorfehlers auf Drehmomentfehler zu bestimmen, die auch in Bezug auf Sensorgenauigkeit und Drehmomentgenauigkeit angesprochen werden können.
Es wird jetzt Bezug auf die Zeichnungen genommen, in denen gleiche Referenznummern in den verschiedenen Ansichten durchweg gleiche Elemente bezeichnen. 1 zeigt eine Beispielumgebung, in der Abtastfehler die Drehmomentgenauigkeit beeinflussen können. Das System 100 enthält Komponenten, die typischerweise in einem Elektroantriebssystem für ein Elektro- oder Hybrid-Elektrofahrzeug enthalten sind, zum Beispiel eine Energiespeichereinrichtung (ESD, energy storage device) 102, eine Leistungssteuereinheit (PCU, power control unit) 104, eine Elektromaschine (EM) 106 und einen oder mehrere Stromsensoren 108, die dazu ausgelegt sind, Stromrückkopplung zur PCU 104 bereitzustellen. Zusätzlich zu den Stromsensoren 108 kann ein Resolver 109 dazu ausgelegt sein, den Drehwinkel der EM 106 zu detektieren und ihn der PCU 104 bereitzustellen. Eine elektronische Steuereinheit (ECU, electronic control unit) 110 kann dazu ausgelegt sein, Ausgaben von anderen Sensoren (nicht dargestellt) aufzunehmen, wie zum Beispiel Drosselklappenöffnung und Raddrehzahl, und Betriebsanweisungen für die PCU 104 bereitzustellen, so dass eine gewünschte Antriebsleistung und elektrische Leistung erzeugt werden können.
Zur Veranschaulichung: Die ESD 102 kann in Form einer Hochspannungsbatterie vorliegen, die dazu ausgelegt ist, Gleichspannung bereitzustellen. Zum Beispiel kann die Hochspannungsbatterie als eine Nickel-Metallhydrid-Batterie, eine Lithium-Ionen-Batterie oder Ähnliches ausgeführt sein. Die PCU 104 kann dazu ausgelegt sein, Gleichspannungsenergie aus der ESD 102 aufzunehmen und Wechselstrom zum Antrieb der EM 106 bereitzustellen. Die EM 106 kann dazu ausgelegt sein, als ein Motor betrieben zu werden, der elektrische Energie in mechanische Energie wandelt, die einem Leistungsübertragungssystem (nicht dargestellt) im Fahrzeug zum Antrieb des Fahrzeugs bereitgestellt werden kann. Es wird auch in Betracht gezogen, dass die EM 106 als ein Generator betrieben werden kann, der mechanische Energie in elektrische Energie wandelt, die zum Wiederaufladen der ESD 102 verwendet werden kann. Obwohl es in 1 mit einer einzigen EM 106 gezeigt wird, versteht es sich weiterhin, dass ein Beispielsystem zwei EMs enthalten kann, wobei eine erste EM dazu ausgelegt ist, als ein Motor betrieben zu werden und eine zweite EM dazu ausgelegt ist, als ein Generator betrieben zu werden. Als Beispiel: Die EM 106 kann als ein Permanentmagnet-Synchronmotor mit vergrabenen Magneten (IPMSM, interior permanent magnet synchronous motor) ausgeführt sein, der drei Statorspulen (nicht dargestellt) und einen sich drehenden Rotor (nicht dargestellt) aufweist.
Als Beispiel, aber ohne Einschränkung: Die PCU 104 kann einen Spannungswandler (CONV) 112 enthalten, der dazu ausgelegt ist, eine aus der ESD 102 aufgenommene Gleichspannung aufwärts zu wandeln und die aufwärts gewandelte Spannung einem Wechselrichter 114 bereitzustellen. Es wird in Betracht gezogen, dass der Spannungswandler 110 auch dazu ausgelegt sein kann, Hochspannungsenergie im Wechselrichter 114 in eine niedrigere Spannung zu wandeln, um die ESD 102 während Bremsenergierückgewinnungsoperationen wieder aufzuladen, wie in der Technik bekannt ist. Der Wechselrichter 114 kann dazu ausgelegt sein, Wechselstrom für einen dreiphasigen EM 106 bereitzustellen. Als Beispiel: Der Wechselrichter 114 kann der EM 106 drei einzelne Phasenströme I_u, I_v, I_w durch geregelten Betrieb mehrerer Schalter, die in drei parallelen Phasensträngen (nicht dargestellt) angeordnet sind, bereitstellen. Jeder Phasenstrang kann mit einer einzelnen Spule U, V oder W der EM 106 verschaltet sein.
Eine Motorsteuereinheit (MCU, motor control unit) 116 kann dazu ausgelegt sein, dem Wechselrichter 114 Steuersignale bereitzustellen, um seine Schalter auf eine Art und Weise zu aktivieren, dass er die von der EM 106 zum Bereitstellen einer gewünschten Drehmomentabgabe benötigten Phasenströme herstellt. In einem Ausführungsbeispiel kann ein Stromsensor 108a dazu ausgelegt sein, den Phasenstrom I_u zu detektieren, und ein Stromsensor 108b kann dazu ausgelegt sein, den Phasenstrom I_v zu detektieren. Ein dritter Sensor 108c ist möglicherweise ebenfalls enthalten, um den Strom I_w zu abzutasten.
2 zeigt eine beispielhafte MCU 116, die dazu ausgelegt ist, Stromrückkopplung und Drehmomentanforderung zu verwenden, um Steuersignale für den Wechselrichter 114 bereitzustellen. Als Beispiel: Die MCU 116 kann auf Mikroprozessoren basieren.
Die Drehmomentanforderung, auch als Soll-Drehmoment τ_soll bezeichnet, kann der MCU 116 von der ECU 110 bereitgestellt werden. Wie Fachleute wissen, können verschiedene Verfahren verwendet werden, um ein Soll-Drehmoment zu erzeugen, doch wird es im Allgemeinen vom Betriebszustand des Fahrzeugs und von der gewünschten Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt. Als Beispiel: Ein Soll-Drehmoment kann auf Basis der Differenz zwischen einer Soll-Rotationsgeschwindigkeit, die als Reaktion auf eine angeforderte Fahrzeuggeschwindigkeit erzeugt wird, und einer Ist-Rotationsgeschwindigkeit, wie sie durch die Ausgabe des Resolvers 109 bestimmt wird, bestimmt werden.
Bei einem gegebenen Drehmoment τ_soll kann die MCU 116 die zum Erreichen des gewünschten Drehmoments erforderlichen Ansteuersignale produzieren. Dieser Prozess kann wiederum von Fachleuten auf verschiedene Arten umgesetzt werden. Als Beispiel: Soll-Drehmoment kann einem Mapping-Modul 118 bereitgestellt werden, das dazu ausgelegt ist, τ_soll auf Soll-Ströme abzubilden, von denen erwartet wird, dass sie das gewünschte Drehmoment produzieren. Elektromotorregelung wird häufig unter Verwendung eines Stromraumzeigers bereitgestellt, der in einem mit einem Elektromotorrotor verknüpften, zweidimensionalen rotierenden dq-Bezugssystem dargestellt wird. Zum Beispiel kann ein Strom I_s in Bezug auf eine Komponente I_d ausgedrückt werden, die an magnetischem Fluss entlang einer d-Achse orientiert ist, und einer orthogonalen Komponente I_q entlang einer q-Achse in Quadratur mit dem magnetischen Fluss. Das Mapping-Modul 118 kann die Soll-Stromkomponenten I*_d und I*_q bestimmen, die von der EM 106 benötigt werden, um einen I*_s bereitzustellen, der das Soll-Drehmoment erfüllt. Als Beispiel: Das Mapping-Modul 118 kann eine Lookup-Tabelle umfassen, in der vorbestimmte Werte von I*_d und I*_q mit einem jeweiligen Drehmoment-Ausgabewert verknüpft sind.
Im System 100 wird Rückkopplungsstrom verwendet, um Drehmomentabgabe zu regeln. Ein Vergleichsmodul 122 kann dazu ausgelegt sein, einen auf dem Soll-Drehmoment basierenden Soll-Strom I*_s mit Rückkopplungsstrom von der EM 106 zu vergleichen. Zum Beispiel können von den Sensoren 108 abgetastete Rückkopplungsströme von der MCU 116 aufgenommen werden. Als Beispiel: Die Stromsensoren 108 können digitalisierte Werte für die MCU 116 bereitstellen. Die von den Sensoren 108 detektierten Rückkopplungsströme beziehen sich auf ein auf Statorwicklungen der EM 106 basierendes Bezugssystem anstatt auf das rotierende Bezugssystem des Rotors der EM 106. Dementsprechend können sie einem Koordinatentransformationsmodul 120 bereitgestellt werden, in dem Park- und Clarke-Transformationen durchgeführt werden können, wie in der Technik bekannt ist, um die Rückkopplungsströme in dq-Raum für feldorientierte Elektromotorregelungsoperationen zu wandeln. An diesem Punkt kommen durch Abtastfehler der Stromsensoren 108 bewirkte Ungenauigkeiten ins Spiel. Abtastfehler der Sensoren 108 können ungenaue Rückkopplungswerte für Motorphasenströme zur Folge haben, die wiederum in ungenaue Stromraumzeiger im dq-Raum transformiert werden können.
Sobald die Soll- und Rückkopplungsströme im gleichen Koordinatensystem ausgedrückt werden, kann das Vergleichsmodul 122 dazu ausgelegt sein, die Differenz Δe zwischen ihnen zu bestimmen. Diese Differenz kann dem Stromregelungsmodul 124 bereitgestellt werden, das dazu ausgelegt sein kann, einen Soll-Spannungsraumzeiger v* im dq-Raum bereitzustellen, der Δe entspricht, wie in der Technik bekannt ist. An diesem Punkt sind Stromabtastfehler der Sensoren 108 in den Soll-Spannungsraumzeiger v* eingeflossen. Das Koordinatentransformationsmodul 126 kann dann inverse Park- und Clarke-Transformationen einsetzen, um den Spannungsraumzeiger v* in das Statorwicklungs-Bezugssystem zu wandeln, um Steuersignale V_u, V_v, V_w bereitzustellen. In einem Ausführungsbeispiel können die Steuersignale V_u–V_w moduliert werden, um sechs einzelne Ansteuersignale für sechs Schalter des Wechselrichters 114 bereitzustellen. Das Anwenden der Ansteuersignale auf den Wechselrichter 114 bewirkt, dass er Phasenströme für die EM 106 produziert.
Die nachstehenden Gleichungen können beim Modellieren von EM-Systemen hilfreich sein, wie die, die in den 1 und 2 aufgezeigt und oben beschrieben wurden. Die nachstehende Gleichung 2 ist eine Gleichung, die verwendet werden kann, um EM-Operationen zu modellieren:

i_d: ist der d-Achsenstrom
i_q: ist der q-Achsenstrom
R_s: ist der Statorwiderstand
ω_e: ist die Rotor-Winkelgeschwindigkeit
L_d: ist die d-Achseninduktivität
L_q: ist die q-Achseninduktivität
λ_m: ist der Maschinenfluss
v_d: ist die d-Achsenspannung
v_q: ist die q-Achsenspannung

Nachstehende Gleichung 3 ist eine Gleichung, die beim Modellieren der Stromregelungsfunktion für ein EM-System verwendet werden kann, wie zum Beispiel für eine vom Stromregler 124 durchgeführte Stromregelungsfunktion.

k_pq: ist ein Proportionalkoeffizient
k_pd: ist ein Proportionalkoeffizient
k_iq: ist ein Integrationskoeffizient
k_id: ist ein Integrationskoeffizient
I*_q: ist der Soll-Strom
I*_d: ist der Soll-Strom
R_a: ist der Wirkwiderstand
i ˆ_q: ist der Rückkopplungsstrom
i ˆ_d: ist der Rückkopplungsstrom

Bei Verwendung von Stromrückkopplung zur Drehmomentregelung sind die Auswirkungen der Stromsensorfehler in der Bestimmung von Δe und in der Bestimmung der Soll-Spannungssignale enthalten. Allerdings bleibt die Frage offen, ob die Sensorfehler die Drehmomentabgabe negativ beeinflussen. In gewissem Grad kann Drehmomentabweichung ohne eine wesentliche Auswirkung auf die Fahrzeugleistung toleriert werden. Weil Genauigkeit direkt mit Kosten korreliert, wäre es hilfreich, den durch Stromsensorfehler bewirkten Drehmomentfehler zu bestimmen, so dass eine vernünftige Balance zwischen Genauigkeit und Kosten gefunden werden kann.
Zwei grundlegende Kenngrößen eines Stromsensors, die seine Genauigkeit beeinflussen können, sind sein Verstärkungs- und sein Offset-Fehler. Die 3A–3C veranschaulichen die Auswirkungen von Verstärkungsfehlern und Offset-Fehlern auf die Sensorausgabe. 3A zeigt einen Ausgabeverlauf eines Nenn-Stromsensors, der keine Verstärkungs- oder Offset-Fehler aufweist. Wenn der Eingangsstrom I_in null ist, ist in diesem Fall die Ausgangsspannung V_out ebenfalls null, was zeigt, dass der Offset-Fehler null ist. Weiterhin produziert Eingangsstrom im Bereich von –I_max bis +I_max Ausgangsspannungen im Bereich von –V_c bis +V_c, was zeigt, dass die Sensorverstärkung gleich 1 ist. 3B zeigt Beispiele von Sensor-Offset-Fehlern auf, während 3C Beispiele für Sensorverstärkungsfehler aufzeigt. Wie unten erörtert wird, kann ein Ausführungsbeispiel der Erfindung die Auswirkungen sowohl von Sensorverstärkung als auch von Sensor-Offset auf die Drehmomentgenauigkeit eines Elektroantriebssystems demonstrieren.
4 zeigt ein Beispielsystem 130 zum Schätzen von durch Stromabtastfehler bewirkte Drehmomentfehler. Das System 130 kann einen Prozessor 132, ein Drehmomentfehlerschätzmodul (TEEM) 134 und einen Speicher 136 enthalten. Der Prozessor 132 kann in der Form eines Computers, eines Mikro-Computers, eines Mehrzweck-Mikroprozessors, eines zweckgebundenen Mikroprozessors oder irgendeiner Vorrichtung vorhanden sein, die dazu ausgelegt ist, codierte Logik zu lesen und auszuführen und die erforderlichen Verarbeitungsfunktionen durchzuführen. Das TEEM 134 kann Hardware, Software, Firmware oder irgendeine Kombination daraus umfassen, und es kann dazu ausgelegt sein, mit dem Prozessor 132 zusammenzuwirken, um einen geschätzten Drehmomentfehler bereitzustellen. In einem Ausführungsbeispiel umfasst das TEEM 134 ein nichtflüchtiges Medium, auf dem logische, vom Prozessor 132 ausführbare Befehle gespeichert sind. Die Befehle können bewirken, dass der Prozessor Stromsensorkenngrößen und Maschinenkenngrößen bei einer Drehmomentfehlerschätzung verwendet. Es wird in Betracht gezogen, dass das TEEM 134 sich am Prozessor 132 befindet und in ihm integriert ist, zum Beispiel aufgezeichnet in einem Nur-Lese Speicher eines Computers. Alternativ kann das TEEM 134 in der Form eines abnehmbaren Speichermediums vorliegen, auf dem Logik aufgezeichnet ist.
Der Speicher 136 kann dazu ausgelegt sein, verschiedene Parameter und Kenngrößen zu speichern, die mit Sensor- und Maschinenbetrieb verknüpft sind. Als Beispiel, aber ohne Einschränkung: Der Speicher 136 kann dazu ausgelegt sein, Daten zu speichern, wie zum Beispiel mit verschiedenen Drehmomentabgaben verknüpfte Soll-Stromwerte, verschiedene Stromsensorkenngrößen, wie zum Beispiel Verstärkungen und Offsets, und/oder andere Parameter und Kenngrößen, die mit EM-Betrieb und -Regelung verknüpft sind. Zum Beispiel kann der Speicher 136 eine strukturierte Datenbank, Nur-Lese-Speicher oder eine Kombination aus Nur-Lese-Speicher und Direktzugriffsspeicher umfassen. Obwohl der Speicher 136 in 3 aus Gründen der Veranschaulichung als eine separate Instanz gezeigt wird, versteht es sich, dass er ebenso in den Prozessor 132 oder das TEEM 134 integriert sein kann.
Als Beispiel: Der Prozessor 132 kann in Form eines Computers vorliegen, der dazu ausgelegt ist, das TEEM 134 als codierte, auf seiner Festplatte gespeicherte Logik auszuführen. Betriebsdaten und Vorrichtungsparameter können im Speicher 136 gespeichert und wie erforderlich abgerufen werden, um ein Verfahren der Erfindung durchzuführen. In einer alternativen Ausführungsform kann der Prozessor 132 in Form eines Prozessors in einem Elektrofahrzeug vorliegen, wie zum Beispiel als ein Prozessor in der MCU oder in der Fahrzeug-ECU. Der Prozessor 132 kann dazu ausgelegt sein, Betriebsdaten und/oder Vorrichtungsparameter aus dem Speicher 136, der MCU 114, einer Fahrzeug-ECU oder einem anderen Sensor oder Modul in einem Fahrzeug aufzunehmen. Zum Beispiel kann der Prozessor 132 dazu ausgelegt sein, mit anderen fahrzeuginternen Modulen und Einrichtungen über ein Controller Area Network (CAN) des Fahrzeugs zu kommunizieren. In einem Ausführungsbeispiel kann das TEEM 134 dazu ausgelegt sein, mit anderen, an einem Drehmomentfehler-Bestimmungsprozess beteiligten Modulen zusammenzuwirken, so dass ein kumulierter Drehmomentfehler in einem Fahrzeug bestimmt werden kann. Als Beispiel: Ein Drehmomentfehler kann in einem Fehlerkompensationssystem verwendet werden, das dazu ausgelegt ist, Drehmomentabgabe in einem Fahrzeug zu justieren.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für das TEEM 134. In dem in 4 aufgezeigten Beispiel enthält das TEEM 134 ein Maschinenkenngrößen-Submodul (MCS) 140, ein Sensorkenngrößen-Submodul (SCS) 142, ein Maschinenbetriebsparameter-Submodul (MOPS) 144, ein Abtastfehlerbestimmungs-Submodul (SEDS) 146, ein Stromregelungsfehlerbestimmungs-Submodul (CCEDS) 148 und ein Drehmomentfehlerbestimmungs-Submodul (TEDS) 150. In einem Ausführungsbeispiel kann das MCS 140 dazu ausgelegt sein, Maschinenkenngrößen aufzunehmen, die als Nutzereingaben von einem Operator bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann eine Benutzerschnittstelle, die auf einem mit dem Prozessor 132 verschalteten Displaybildschirm oder -monitor angezeigt wird, dazu ausgelegt sein, einen Operator aufzufordern, eine oder mehrere Maschinenkenngrößen bereitzustellen. Eine interaktive Schnittstelle und Touchscreen-Display, ein Tastenfeld oder eine Tastatur oder alternative Mittel zum Aufnehmen von Benutzereingaben, wie sie in der Technik bekannt sind, können eingesetzt werden. Dies gestattet, dass die Drehmomentregelungsfehlerschätzung an eine jeweilige Maschine angepasst wird. In einem Ausführungsbeispiel können von einem Operator Kenndaten, wie zum Beispiel L_d, L_q, P und λ_m, aufgenommen werden. Alternativ können Maschinenparameter im Speicher 136 gespeichert werden und für das MCS 140 abgerufen werden. Zum Beispiel können Kenngrößen in Verbindung mit einer jeweiligen identifizierten Maschine gespeichert werden.
Das SCS 142 kann dazu ausgelegt sein, eine oder mehrere Sensorkenngrößen zu bestimmen. Als Beispiel: Das SCS 142 kann dazu ausgelegt sein, Verstärkungs- und Offset-Werte für die Sensoren 108a und 108b aufzunehmen oder zu bestimmen. Als Beispiel, aber ohne Einschränkung: Ein Bereich von Verstärkungswerten und Offset-Werten kann im Speicher 136 gespeichert werden. Zum Beispiel können aus der Sensorprüfungen abgeleitete Erfahrungsdaten, Wertebereiche, die Sensortypen oder Genauigkeitsgraden entsprechen, Bereiche von Mittelwerten usw. im Speicher 136 gespeichert werden, und einzelne Werte können ausgewählt werden. In einem Ausführungsbeispiel kann die Verstärkung im Bereich von 0,95 bis 1,05 liegen. Ein Offset kann sich nach dem Sensortyp unterscheiden. Zum Beispiel kann bei einem Stromsensor mit einer unipolaren 5-V-Spannungsversorgung der Offset im Bereich von –100 mV bis 100 mV liegen.
In einem Ausführungsbeispiel kann das MOPS 144 dazu ausgelegt sein, Maschinenbetriebsparameter, wie zum Beispiel Betriebsstrom (I_s) und Stromwinkel γ aufzunehmen, zu bestimmen, auszuwählen oder abzurufen. In einem Ausführungsbeispiel können einer oder mehrere Werte oder Wertebereiche für diese Parameter im Speicher 136 gespeichert, vom Prozessor 132 abgerufen und im MCS 140 aufgenommen werden. In einer alternativen Ausführungsform, wenn die Erfindung intern in einem Fahrzeug umgesetzt wird, können diese Parameter von mit einer EM verschalteten Sensoren, aus einer Fahrzeug-ECU oder aus anderen fahrzeuginternen Quellen aufgenommen werden.
Das SEDS 146 kann dazu ausgelegt sein, einen mit einem oder mehreren Stromsensoren verknüpften Abtastfehler zu bestimmen. In einem Ausführungsbeispiel kann das SEDS 146 dazu ausgelegt sein, Abtastfehler unter Verwendung der nachstehenden Gleichungen 4 und 5 zu bestimmen:

k_a: ist die Verstärkung des Sensors 108a
k_b: ist die Verstärkung des Sensors 108b
I_{a_off}: ist der Offset des Sensors 108a
I_{b_off}: ist der Offset des Sensors 108b

Wie aus den oben stehenden Ausdrücken zu erkennen ist, können Offset-Kenngrößen im Allgemeinen die Gleichspannungskomponente des Abtastfehlers beeinflussen, in allen Betriebszuständen ein wichtiger Faktor, während Verstärkungskenngrößen im Allgemeinen die positiven und negativen Sequenzen des Stromabtastfehlers beeinflussen – Faktoren, die bei niedrigen Drehzahlen wichtiger sind.
In einem Ausführungsbeispiel kann das CCEDS 148 dazu ausgelegt sein, die Ausgabe des SEDS 146 zu verwenden, um die durch Stromabtastfehler bewirkten Stromregelungsfehler zu bestimmen. In einem Ausführungsbeispiel kann das CCEDS 148 dazu ausgelegt sein, Stromregelungsfehler unter Verwendung der nachstehenden Gleichungen 6 und 7 zu bestimmen:

γ: ist der Maschinenstromwinkel
θ: ist die Winkelstellung der d-Achse des Rotors
ω_b: ist die Bandbreite des Stromreglers

Wie aus den oben aufgeführten analytischen Ausdrücken zu erkennen ist, können Stromregelungsfehler von Sensorkenngrößen abhängig sein, wie zum Beispiel von Verstärkung und Offset, können sich aber auch nach Maschinenbetriebsparametern, wie zum Beispiel Maschinenstrom, Umlaufgeschwindigkeit und Winkelstellung, unterscheiden.
In einem beispielhaften TEEM kann das TEDS 150 dazu ausgelegt sein, Bestimmungen des Stromregelungsfehlers durch das CCEDS 148 zu verwenden, um die Auswirkungen der Sensorverstärkungs- und Sensor-Offset-Kenngrößen auf Drehmomentregelungsfehler zu bestimmen. Als Beispiel: Das TEDS 150 kann dazu ausgelegt sein, den folgenden Ausdruck bei seiner Drehmomentfehlerbestimmung zu verwenden:
Wie durch (8) gezeigt wird, kann ein Drehmomentregelungsfehlerschätzwert drei Komponenten enthalten, eine Gleichspannungskomponente und Wechselspannungskomponenten erster und zweiter Ordnung. Das TEDS 150 kann dazu ausgelegt sein, die Gleichspannungskomponente zu schätzen:
Das TEDS 150 kann dazu ausgelegt sein, die Amplitude der Wechselanteile erster und zweiter Ordnung unter Verwendung der folgenden Ausdrücke zu bestimmen:
6 zeigt ein beispielhaftes Verfahren 160 der Erfindung. Im Block 162 können Maschinenkenngrößen vom MCS 140 aufgenommen werden. Zum Beispiel kann ein Operator Kenngrößen der EM 106, wie zum Beispiel L_d, L_q, P und λ_m, dem TEEM 134 über eine Benutzerschnittstellen-Bildschirm und/oder Eingabeeinrichtung als Nutzereingabe bereitstellen. Als weiteres Beispiel: Vorbestimmte, mit einer jeweiligen EM verknüpfte Kenngrößen können während des Prozesses 160 gespeichert und abgerufen werden. Zum Beispiel kann das MCS 140 Anweisungen beinhalten, die vom Prozessor 132 gelesen und ausgeführt werden können, um eine oder mehrere Maschinenkenngrößen aus dem Speicher 136 abzurufen.
Im Block 164 können Sensorkenngrößen, wie zum Beispiel Sensorverstärkung und -Offset, aufgenommen werden. In einem Ausführungsbeispiel kann eine Bandbreite von vorbestimmten Werten für Sensorverstärkung und -Offset im Speicher 136 gespeichert, vom Prozessor 132 abgerufen und im SCS 142 aufgenommen werden. Verschiedene Strategien können eingesetzt werden, um Verstärkungs- und Offset-Fehlerwerte für einen oder mehrere Stromsensoren abzurufen. In einem Ausführungsbeispiel können über mehrere Iterationen des Verfahrens 160 Zufallswerte innerhalb eines vorbestimmten Bereichs ausgewählt werden, um eine Ausgabe bereitzustellen, die einen Drehmomentfehlerschätzwert darstellt.
Im Block 166 können Maschinenbetriebsparameter aufgenommen werden. In einem Ausführungsbeispiel können Betriebsparameter den Maschinenstrom I_s und den Maschinenstromwinkel γ enthalten. Als Beispiel: Verschiedene Werte von I_s und γ, die mit verschiedenen Betriebszuständen der EM 106 verknüpft sind, können im Speicher 136 gespeichert werden und dem MOPS 144 vom Prozessor 132 bereitgestellt werden. Verschiedene Strategien können zum Abrufen der Maschinenparameter umgesetzt werden. Wenn, als ein weiteres Beispiel, ein Verfahren der Erfindung intern in einem Fahrzeug umgesetzt wird, können Sensoren in der EM 106 dazu ausgelegt sein, die Maschinenbetriebsparameter zu erfassen, die dann für das MOPS 146 bereitgestellt werden können.
In Block 168 können Abtastfehler bestimmt werden. Zum Beispiel kann das SEDS 146 die mit dem ersten und zweiten Stromsensor 108a und 108b verknüpften Abtastfehler unter Verwendung der Gleichungen 4 und 5 und der Werte für verschiedene Parameter und Kenngrößen, die in den Blöcken 162–166 aufgenommen werden, bestimmen. In Block 170 können Stromregelungsfehler bestimmt werden. Zum Beispiel kann das CCEDS 148 Ausgaben vom SEDS 146 und den Gleichungen 6 und 7 verwenden, um im dq-Raum ausgedrückte Stromregelungsfehler zu bestimmen.
Im Block 172 kann der Drehmomentregelungsfehler geschätzt werden. In einem Ausführungsbeispiel kann das TEDS 150 Ausgaben vom CCEDS 148 und den Gleichungen 8–11 verwenden, um einen geschätzten Drehmomentregelungsfehler zu bestimmen. In einem Ausführungsbeispiel kann ein Drehmomentregelungsfehlerschätzwert als Ausgabe bereitgestellt werden. Als Beispiel: Die Drehmomentfehlerausgabe kann einem Operator bereitgestellt werden, zum Beispiel auf einer mit dem Prozessor 132 verknüpften Display-Einrichtung. Als weiteres Beispiel: Ein Drehmomentfehler aufgrund von Sensorfehlern kann – entweder einzeln oder als eine Komponente eines kumulativen Drehmomentfehlers – für ein Diagnostikmodul in einem Fahrzeug bereitgestellt werden, das dazu ausgelegt sein kann, einen Fehler-Code anzuzeigen, wenn der Drehmomentfehlerschätzwert einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet. Es wird weiterhin in Betracht gezogen, dass Drehmomentfehlerausgabe zur Drehmomentkompensation in einem Fahrzeug verwendet werden kann. Ein Ausführungsbeispiel kann weiterhin das Bestimmen einer Drehmomentgenauigkeit durch Verwenden des vom TEDS 150 bestimmten Drehmomentfehlers, der Gleichung 1 und der Kenngröße maximales Drehmoment einer Elektromaschine beinhalten.
Als Beispiel: Ein Operator kann einen geschätzten Drehmomentregelungsfehler verwenden, um den optimalen Stromsensor-Typ und/oder -Genauigkeit für eine jeweilige Elektromotorregelungsanwendung zu bestimmen. Das Optimieren der Sensorauswahl gestattet Entwurf und Umsetzung von elektrischen Fahrzeugantriebssystemen, die sowohl gute Leistung bringen als auch wirtschaftlich sind. Die Erfindung kann ein Mittel zur Auswertung und Kenngrößenermittlung des Verhältnisses zwischen Sensorgenauigkeit und Drehmomentgenauigkeit sowie zwischen Sensorgenauigkeit und elektrischer Antriebsleistung bereitstellen. Als Beispiel: Kurven des Drehmomentregelungsfehlers über der Verstärkung können erzeugt werden, so dass ein maximal tolerierbarer Verstärkungsfehler für einen gewünschten Drehmomentregelungsfehler oder eine Drehmomentgenauigkeit ohne Weiteres ermittelt werden kann. Analog können Verläufe des Drehmomentregelungsfehlers als eine Funktion des Offset-Fehlers erstellt werden. Die Erfindung kann die Bestimmung einer mindestens erforderlichen Sensorgenauigkeit für eine gewünschte Drehmomentgenauigkeit ermöglichen, so dass unnötiger Einsatz von hochpreisigen Sensoren vermieden werden kann. Die Erfindung kann ebenfalls Kompensation des Drehmomentfehlers in einem Fahrzeug und/oder Drehmomentfehlereingang für ein fahrzeuginternes Diagnostikmodul bereitstellen. Zusätzlich können durch die Erfindung bereitgestellte Ergebnisse verwendet werden, um Bemühungen zu unterstützen, die Anzahl der Stromsensoren von 3 auf 2 zu reduzieren, womit die Kosten eines leistungsstarken elektrischen Antriebssystems weiter reduziert würden.
Analytische Originalausdrücke sind abgeleitet und vorgelegt worden, um Stromabtastfehler, Stromregelungsfehler und Drehmomentregelungsfehler zu isolieren und zu bestimmen. Gleichungen werden vorgelegt, die die verschiedenen Fehlerarten in Bezug auf Stromsensorkenngrößen, wie zum Beispiel Verstärkung und Offset, ausdrücken. Verfahren und Vorrichtungen der Erfindung können dazu ausgelegt sein, die Gleichungen und analytischen Ausdrücke umzusetzen, um einen Stromabtastfehler, Stromregelungsfehler und Drehmomentregelungsfehler aufgrund einer Stromsensorkenngröße zu schätzen, so dass die Auswirkungen von Sensorkenngrößen auf diese Fehler ohne Weiteres beachtet und identifiziert werden können. Das Isolieren eines Drehmomentregelungsfehlers wegen Sensorfehler von einem allgemeinen Drehmomentfehler, der durch eine Vielzahl von Faktoren bewirkt werden kann, ermöglicht die Bestimmung der optimalen Stromsensorkenngrößen für Elektromaschinenanwendungen. Die Ausdrücke für Stromabtastfehler, Stromregelungsfehler und Drehmomentregelungsfehler in Bezug auf Stromsensorkenngrößen, wie zum Beispiel Verstärkung und Offset, und die Verwendung dieser Gleichungen bei der Bestimmung dieser Fehler bietet viele Vorteile und Vorzüge, wie sie nach dem Stand der Technik nicht bekannt sind.
Verschiedene Ausführungsformen sind hierin zu Veranschaulichungszwecken offenbart worden. Fachleute werden verstehen, dass verschiedene Modifikationen, Zusätze und Weglassungen möglich sind, ohne vom Gedanken der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen beschrieben wird, abzuweichen.

Claims

Drehmomentfehlerschätzmodul (TEEM), das Folgendes umfasst: ein Maschinenkenngrößen-Submodul (MCS), das dazu ausgelegt ist, wenigstens eine mit einer Elektromaschine verknüpfte Kenngröße aufzunehmen; ein Sensorkenngrößen-Submodul (SCS), das dazu ausgelegt ist, wenigstens eine mit wenigstens einem Stromsensor verknüpfte Fehlerkenngröße aufzunehmen; und ein Drehmomentfehlerbestimmungs-Submodul (TEDS), das dazu ausgelegt ist, einen Drehmomentfehler zu bestimmen, der durch die wenigstens eine Stromsensorfehlerkenngröße bewirkt wird.
TEEM nach Anspruch 1, das weiterhin ein Maschinenbetriebsparameter-Submodul (MOPS) umfasst, das dazu ausgelegt ist, wenigstens einen mit der Elektromaschine verknüpften Betriebsparameter aufzunehmen.
TEEM nach Anspruch 1, das weiterhin ein Abtastfehlerbestimmungs-Submodul (SEDS) umfasst, das dazu ausgelegt ist, einen Stromabtastfehler zu bestimmen, der durch die wenigstens eine Stromsensorkenngröße bewirkt wird.
TEEM nach Anspruch 1, das weiterhin ein Stromregelungsfehlerbestimmungs-Submodul (CCEDS) umfasst, das dazu ausgelegt ist, einen Stromregelungsfehler zu bestimmen, der auf der Sensorkenngröße basiert.
TEEM nach Anspruch 1, das dazu ausgelegt ist, von einem Nutzer bereitgestellte Eingaben zu verwenden, um den Drehmomentfehler zu bestimmen.
TEEM nach Anspruch 1, das ein nichtflüchtiges computerlesbares Medium umfasst, das darauf codiert ein Computerprogramm aufweist, das bewirkt, dass ein Computer eine Funktion des Bestimmens des durch den Stromsensorfehler bewirkten Drehmomentfehlers ausführt.