DE102014224555A1

DE102014224555A1 - Überwachung einer Drehfeldmaschine

Info

Publication number: DE102014224555A1
Application number: DE201410224555
Authority: DE
Inventors: Hassan Lamsahel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2014-12-01
Filing date: 2014-12-01
Publication date: 2015-01-15

Abstract

Ein Verfahren zur Überwachung einer Drehfeldmaschine (100) mit zumindest oder genau drei Phasen (U, V, W), die mittels einer Feldorientierten Steuerung (200) betrieben wird, wobei das Verfahren folgende Schritte zumindest umfasst:
– Abtasten zumindest eines Ist-Phasenstroms (I_su, I_sv, I_sw) einer der drei Phasen (U, V, W);
– Bestimmen von zumindest einem nachgebildeten Phasenstrom (I_suCalc, I_svCalc, I_swCalc) durch die Phase (U, V, W) auf der Basis eines Drehwinkels (θ_el, θ_elNeu) der Drehfeldmaschine (100) und eines Gesamt-Soll-Stroms (I_sdRefF, I_sqRefF, I_sdRef, I_sqRef) der Drehfeldmaschine (100);
– Vergleichen des abgetasteten Ist-Phasenstroms (I_su) mit dem nachgebildeten Phasenstrom (I_suCalc) der gleichen Phase (U, V, W) und
– Bestimmen eines Fehlerzustands auf der Basis des Vergleichsergebnisses.
Die Erfindung umfasst auch eine entsprechende Vorrichtung zur Überwachung.

Description

Die Erfindung betrifft die Überwachung einer Drehfeldmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung das Bestimmen eines Fehlerzustands an Drehfeldmaschine.
Eine Drehfeldmaschine, beispielsweise eine permanenterregte Synchronmaschine (auch PSM genannt) oder Asynchronmaschine (auch ASM genannt), kann beispielsweise an Bord eines Kraftfahrzeugs für unterschiedliche Zwecke verwendet werden. Beispielsweise kann eine Lenkkraftunterstützung durch die Drehfeldmaschine angetrieben werden. In anderen Ausführungsformen können Pumpen, Aktuatoren oder Verstelleinrichtungen durch die Drehfeldmaschine betrieben werden. Oder die Drehfeldmaschine kann als Traktionsantrieb, also zum Vortrieb des Kraftfahrzeugs, eingesetzt werden.
Eine permanenterregte Synchronmaschine umfasst zumindest einen Stator mit Wicklungen dreier oder mehr Phasen und einen Rotor, der einen Permanentmagneten trägt. Die Spulen der Phasen sind auf einem Umfang um eine Drehachse verteilt, gegenüber der der Rotor bezüglich des Stators drehbar gelagert ist. Bei einer Feldorientierten Steuerung wird ein Gesamt-Soll-Strom, der durch die Drehfeldmaschine fließen soll, bezüglich eines rotor(fluss)festen d/q-Koordinatensystems bestimmt. Im d/q-Koordinatensystem können bestimmte Steuervorgänge leichter durchgeführt werden. Insbesondere können bestimmte Berechnungen leichter ausgedrückt oder durchgeführt werden.
Für eine Feldorientierte Regelung müssen üblicherweise elektrische Ströme durch die einzelnen Phasen abgetastet werden. Die Phasen sind üblicherweise sternförmig verschaltet und eine Summe von Strömen durch die einzelnen Phasen ist stets null. Der Phasenstrom durch eine der Phasen kann daher aus der Summe der Phasenströme der anderen beiden Phasen bestimmt werden. Fällt ein Stromsensor zur Bestimmung des Phasenstroms einer der Phasen aus, so kann die Feldorientierte Regelung üblicherweise nicht mehr durchgeführt werden. Ein Betrieb mittels Feldorientierter Steuerung kann jedoch noch möglich sein. Eine Überwachung eines Positionssensors zur Bestimmung eines Drehwinkels zwischen dem Rotor und dem Stator oder einer zu einer Spule führenden Maschinenleitung ist jedoch ggf. nicht mehr möglich.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Überwachung einer Drehfeldmaschine mit zumindest drei Phasen, die mittels einer Feldorientierten Steuerung oder Feldorientierten Regelung betrieben wird, bereitzustellen. Die Erfindung löst diese Aufgaben mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Eine Drehfeldmaschine umfasst zumindest oder genau drei Phasen und wird mittels einer Feldorientierten Steuerung oder einer Feldorientierten Regelung betrieben. Ein Verfahren zum Überwachen der Drehfeldmaschine umfasst Schritte des Abtastens eines Ist-Phasenstroms einer der drei Phasen, des Bestimmens von zumindest einem nachgebildeten Phasenstrom durch die Phase auf der Basis eines elektrischen Winkels und eines Gesamt-Soll-Stroms der Drehfeldmaschine, des Vergleichens des abgetasteten Ist-Phasenstroms mit dem nachgebildeten Phasenstrom der gleichen Phase und des Bestimmens eines Fehlerzustands auf der Basis des Vergleichsergebnisses.
Dadurch können unterschiedliche Fehlerzustände der Drehfeldmaschine bestimmt werden. Beispielsweise kann wenigstens eines von einem Kurzschluss in der Drehfeldmaschine, einem Winkelfehler eines Positionssensors oder einer signifikanten Parameterschwankung an der Drehfeldmaschine bestimmt werden. Die Drehfeldmaschine kann daher mit einem überschaubaren Aufwand für Sensortechnik überwacht werden, um die Betriebssicherheit der Drehfeldmaschine sicherzustellen. Insbesondere bei Einsatz der Drehfeldmaschine an einer sicherheitsrelevanten Komponente, etwa einem Bremskraftverstärker, einer elektrischen Lenkkraftunterstützung oder einem Bremsaktuator, kann so eine geforderte Betriebssicherheit erfüllt werden, ohne aufwendige oder redundante Abtasteinrichtungen vorzusehen.
Die Bestimmung des oder der nachgebildeten Phasenströmen erfolgt im Normalfall zeitlich parallel zur eigentlichen Feldorientierten Steuerung bzw. Regelung der Drehfeldmaschine und anhand der Eingangsparameter der Feldorientierten Steuerung bzw. Regelung. Anhand des bzw. der nachgebildeten Phasenströme wird dann die Durchführung der Feldorientierten Steuerung/Regelung und/oder die Funktion der Drehfeldmaschine überwacht. Vorzugsweise dienen der bzw. die nachgebildeten Phasenströme daher gerade nicht zur Ansteuerung der Drehfeldmaschine sondern lediglich zu deren Überwachung, also zum Feststellen, ob sich die Drehfeldmaschine in einem Fehlerzustand, d.h. einem nicht-ordnungsgemäßen Betriebszustand, befindet. Vorzugsweise werden für alle der zumindest oder genau drei Phasen der Drehfeldmaschine jeweils ein nachgebildeter Phasenstrom entsprechend bestimmt.
Beispielsweise kann dadurch ein Fehlerzustand festgestellt werden, dass einer der abgetasteten Ist-Phasenströme bzw. dessen zeitlicher Verlauf ungültig bzw. unplausibel gegenüber einem elektrischen Drehwinkel der Feldorientierten Steuerung ist, oder dass einer der abgetasteten Ist-Phasenströme ungültig bzw. unplausibel gegenüber dem jeweiligen nachgebildeten Phasenstrom ist (z.B. Amplitude zu hoch oder zu klein, Amplitudenversatz vorhanden, etc.). Wird die Drehfeldmaschine so angesteuert, dass sich der Rotor gegenüber dem Stator drehen soll, so verändert sich der Ist-Phasenstrom durch jede der drei Phasen in Abhängigkeit des elektrischen Drehwinkels. Tut er dies nicht, so kann auch auf eine fehlerhafte Abtastung geschlossen werden. Der elektrischen Drehwinkel ist über eine Polpaarzahl direkt proportional zum mechanischen Drehwinkel des Rotors gegenüber dem Stator.
Der bzw. die nachgebildeten Phasenströme werden bevorzugterweise auf der Basis von Komponenten des Gesamt-Soll-Stroms der Drehfeldmaschine im d/q-Koordinatensystem bestimmt, also anhand der d-Komponente und der q-Komponente. Das d/q-Koordinatensystem ist rotorflussfest, d.h. bei einer PSM rotorfest. Diese Komponenten werden bei einer Feldorientierten Steuerung meist ohnehin vorgegeben, beispielsweise damit die Feldorientierten Steuerung ein vorgegebenes Soll-Drehmoment an der Drehfeldmaschine ansteuert. Aus dem Soll-Drehmoment können relativ einfach die d- und q-Komponente des Gesamt-Soll-Stroms bestimmt werden.
Vorzugsweise werden vorab die Komponente des Gesamt-Soll-Stroms der Drehfeldmaschine im d/q-Koordinatensystem jeweils gefiltert, so dass eine Dynamik einer Steuerungskomponente der Feldorientierten Steuerung nachgebildet bzw. berücksichtigt wird. Hierzu kann beispielsweise je ein Tiefpassfilter oder andere geeignete Filter verwendet werden. Der bzw. die nachgebildeten Phasenströme werden dann also auf Grundlage der bereits gefilterten d- und q-Komponenten bestimmt. Die Dynamik der Feldorientierten Steuerung ist üblicherweise ein gewählter Parameter, der ausdrückt, in welcher Geschwindigkeit geforderte d- und q-Komponenten durch die Drehfeldmaschine eingestellt werden. Eine Zeitverzögerung zwischen Änderungen dieser beiden Komponenten kann zum Ausdrücken der Dynamik verwendet werden.
Hierbei kann vorgesehen sein, dass die d- und q-Komponente des Gesamt-Soll-Stroms der Drehfeldmaschine im d/q-Koordinatensystem zunächst, also bevor der bzw. die nachgebildeten Phasenströme bestimmt werden, in Komponenten des Gesamt-Soll-Stroms der Drehfeldmaschine im α/β-Koordinatensystem umgerechnet werden. Mit anderen Worten werden der/die nachgebildeten Phasenströme dann eigentlich auf Grundlage der Komponenten des Gesamt-Soll-Stroms der Drehfeldmaschine im α/β-Koordinatensystem bestimmt, die wiederum auf den Komponenten im d/q-Koordinatensystem beruhen. Das α/β-Koordinatensystem ist statorfest und bezieht sich daher auf die Orientierung der Spulen der einzelnen Phasen.
Insbesondere erfolgt die Bestimmung der nachgebildeten Phasenströme mittels einer Matrizenoperation mit konstanten Werten aus dem Gesamt-Soll-Strom der Drehfeldmaschine im α/β-Koordinatensystem. Die nachgebildeten Phasenströme können daher wie folgt bestimmt werden:
wobei I_suCalc, I_svCalc, I_swCalc die nachgebildeten Phasenströme sind und I_sαCalc, I_sβCalc die Komponenten des Gesamt-Soll-Stroms der Drehfeldmaschine im α/β-Koordinatensystem sind.
Die Komponenten des Gesamt-Soll-Stroms im α/β-Koordinatensystem werden bevorzugterweise mittels einer Drehung auf der Basis der (gefilterten) Komponenten Gesamt-Soll-Stroms im d/q-Koordinatensystem bestimmt. Diese Bestimmung erfolgt bevorzugterweise mittels einer Drehung, die als Matrizenoperation implementiert sein kann. Insbesondere werden die Komponenten des Gesamt-Soll-Stroms im α/β-Koordinatensystem daher wie folgt bestimmt:
wobei I_sαCalc, I_sβCalc die Komponenten des Gesamt-Soll-Stroms der Drehfeldmaschine im α/β-Koordinatensystem, θ_elNeu ein „korrigierter“ Drehwinkel der Drehfeldmaschine und I_sdRefF und I_sqRefF die gefilterten Komponenten des Gesamt-Soll-Stroms der Drehfeldmaschine im d/q-Koordinatensystem sind.
Der zur Bestimmung der nachgebildeten Phasenströme genutzte „korrigierte“ Drehwinkel θ_elNeu der Drehfeldmaschine kann auf der Basis einer elektrischen Winkelgeschwindigkeit und eines Zeit-Offsets, welches eine zeitliche Diskretisierung der Feldorientierten Steuerung berücksichtigt, bestimmt werden (unter den Begriff „Winkelgeschwindigkeit“ fallen auch vergleichbare Parameter, wie beispielsweise eine Drehzahl oder eine andere dazu proportionale Größe). Hintergrund hiervon ist, dass durch die Diskretisierung der Feldorientierten Steuerung, die zum Ablauf auf einem Microcontroller eines Steuergeräts oder dergleichen erforderlich ist, Zeitverzögerungen entstehen, die dazu führen, dass der durch die Ist-Phasenströme aufgespannte tatsächliche Stromvektor nicht dem gewünschten Stromvektor, der beispielsweise durch die d- und q-Komponenten des Gesamt-Soll-Stroms aufgespannt wird, entspricht, sondern diesem nachläuft. Somit sollte bei der Bestimmung der nachgebildeten Phasenströme, die ja bevorzugterweise auf der d- und q-Komponente des Gesamt-Soll-Stroms beruhen, die zeitliche Diskretisierung berücksichtigt werden. Dadurch weist der durch die nachgebildeten Phasenströme aufgespannte Stromvektor im Wesentlichen den gleichen Drehwinkel auf, wie die Ist-Phasenströme. Der Zeit-Offset ist insbesondere konstant und kann beispielsweise empirisch oder rechnerisch bestimmt oder geschätzt werden.
Der zur Bestimmung der nachgebildeten Phasenströme genutzte korrigierte Drehwinkel der Drehfeldmaschine kann daher wie folgt bestimmt werden: θ_elNeu = θ_el + ω_el·ΔT_offset, wobei θ_elNeu der korrigierte Drehwinkel der Drehfeldmaschine ist, θ_el der elektrische Drehwinkel der Drehfeldmaschine, ω_el eine elektrische Winkelgeschwindigkeit der Drehfeldmaschine (darunter fallen auch vergleichbare Parameter, wie beispielsweise eine Drehzahl oder eine dazu proportionale Größe) und ΔT_offset ein Zeit-Offset ist, der die Diskretisierung der Feldorientierten Steuerung berücksichtigt. ω_el und/oder θ_el können beispielsweise gemessen, geschätzt oder berechnet werden.
Der Fehlerzustand kann, wie oben bereits kurz erläutert, dann auf der Basis unterschiedlicher Kriterien bestimmt werden. In einer einfachen Ausführungsform wird der Fehlerzustand dann bestimmt, wenn ein Unterschied zwischen dem abgetasteten Ist-Phasenstrom und dem nachgebildeten Phasenstrom der gleichen Phase einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt. Dieser Vergleich kann besonders leicht implementiert werden und rasche Resultate liefern. Unterschiede können insbesondere unterschiedliche Phasen, Amplituden oder Frequenzen sein.
In einer anderen Ausführungsform wird der Fehlerzustand bestimmt, wenn ein über eine vorbestimmte Zeit aufintegrierter Unterschied zwischen dem abgetasteten Ist-Phasenstrom und dem nachgebildeten Phasenstrom der gleichen Phase einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt. Anders ausgedrückt wird für ein vorbestimmtes Zeitintervall das Integral des Unterschiedes gebildet und mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen. Diese Bestimmung kann sensibler als die vorgenannte Ausführungsform sein.
In noch einer weiteren Ausführungsform wird der Fehlerzustand bestimmt, falls ein über eine vorbestimmte Zeit bestimmter Mittelwert des Unterschieds zwischen dem abgetasteten Ist-Phasenstrom und dem nachgebildeten Phasenstrom der gleichen Phase einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt. Auf diese Weise kann eine robuste Bestimmung durchgeführt werden, wobei ungerechtfertigt bestimmte Fehlerzustände verbessert unterdrückt werden können.
Die unterschiedlichen Varianten zur Bestimmung des Fehlerzustands können auch beliebig miteinander kombiniert werden.
Es ist bevorzugt, dass die Drehfeldmaschine dazu betrieben wird, um anzuhalten, wenn der Fehlerzustand bestimmt wurde. Hierbei kann die Drehfeldmaschine so angesteuert werden, dass sie ein Bremsmoment erzeugt. Beispielsweise können die Phasen kurzgeschlossen werden. In anderen Ausführungsformen können auch andere Einflussnahmen auf die Drehfeldmaschine bzw. ihre Ansteuerung möglich sein. Beispielsweise kann versucht werden, die Drehfeldmaschine in eine vorbestimmte Drehposition zu bringen oder mit einer vorbestimmten, gegebenenfalls verringerten, Geschwindigkeit laufen zu lassen. Außerdem kann nach dem Bestimmen des Fehlerzustands ein entsprechendes Signal ausgegeben werden. Die Fehlerreaktion auf den ermittelten Fehlerzustand kann daher ebenfalls Bestandteil der Überwachung der Drehfeldmaschine sein.
Sofern bei einer mittels einer Feldorientierten Regelung betriebenen dreiphasigen Drehfeldmaschine die Abtastung des Ist-Phasenstroms von zwei der drei Phasen ausfällt, kann auch als Fehlerreaktion vorzugsweise vorgesehen sein, dass auf eine Feldorientierten Steuerung der Drehfeldmaschine übergegangen, also umgeschaltet wird. Die verbliebene Abtastung des Ist-Phasenstroms der dritten Phase wird dann zur weiteren Überwachung der Drehfeldmaschine genutzt.
Eine Vorrichtung zur Überwachung einer mittels Feldorientierten Steuerung betreibbaren bzw. betriebenen Drehfeldmaschine mit genau oder mehr als drei Phasen umfasst eine Abtasteinrichtung zur Abtastung eines Ist-Phasenstroms einer der drei Phasen, eine Verarbeitungseinrichtung zur Bestimmung von zumindest einem nachgebildeten Phasenstrom durch die Phase auf der Basis eines Drehwinkels der Drehfeldmaschine sowie eines Gesamt-Soll-Stroms der Drehfeldmaschine, eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des abgetasteten Ist-Phasenstroms mit dem nachgebildeten Soll-Phasenstrom der gleichen Phase und eine Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung eines Fehlerzustands auf der Basis des Vergleichsergebnisses.
Sowohl das Verfahren als auch die Vorrichtung können eine bekannte Feldorientierte Steuerung (FOS) bzw. Feldorientierte Regelung (FOR) ergänzen. Durch die Ergänzung können Fehlerzustände der Drehfeldmaschine erleichtert bestimmt werden. Außerdem kann ein Betrieb der Drehfeldmaschine auch nach Ausfall eines Stromsensors ermöglicht bzw. erleichtert sein. In einer Ausführungsform wird das Verfahren zur Überwachung und optional auch die Feldorientierte Steuerung mittels eines programmierbaren Mikrocomputers, wie beispielsweise eines Steuergeräts gesteuert, wobei wenigstens ein Teil des beschriebenen Verfahrens mittels der Verarbeitungseinrichtung durchgeführt wird.
Die Vorrichtung bzw. das Verfahren wird insbesondere zum Überwachen einer Drehfeldmaschine einer Lenkkraftunterstützung verwendet. In anderen Ausführungsformen können die Vorrichtung bzw. das Verfahren auch zum Überwachen einer Drehfeldmaschine einer Pumpe, eines Aktuators oder einer anderweitigen Verstelleinrichtung verwendet werden. Der Einsatz erfolgt daher bevorzugt in einem Kraftfahrzeug. Oder das Verfahren bzw. die Vorrichtung wird zur Überwachung einer als Fahrzeug-Traktionsantrieb eingesetzten Drehfeldmaschine, die also zum Vortrieb eines Kraftfahrzeugs verwendet wird, eingesetzt.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
1 eine Drehfeldmaschine mit unterschiedlichen Koordinatensystemen;
2 die Drehfeldmaschine von 1 an einer Vorrichtung zur Überwachung und
3 und 4 Simulationsergebnisse von Verläufen an der Vorrichtung von 2 bei unterschiedlichen Fehlern
darstellen.
1 zeigt eine Drehfeldmaschine 100, insbesondere eine permanenterregte Synchronmaschine (PSM). Die Drehfeldmaschine 100 umfasst einen Stator 105 und einen Rotor 110, die bezüglich einer Drehachse 115 drehbar gegeneinander gelagert sind. Am Stator 105 sind wenigstens drei Spulen 120 gleichmäßig versetzt auf einem Umfang um die Drehachse 115 angebracht. Es sind drei Phasen U, V und W vorgesehen, wobei jede Phase U, V, W mit gleich vielen Spulen 120 verbunden ist und die Spulen 120 äquidistant auf dem Umfang verteilt sind. Freie Anschlüsse der Spulen 120 sind bevorzugterweise sternförmig miteinander verbunden. In der dargestellten Ausführungsform beträgt eine Polpaarzahl eins, in anderen Ausführungsformen ist die Polpaarzahl und dementsprechend die Anzahl der Spulen 120 größer. Der Rotor 110 trägt bevorzugterweise zumindest einen Permanentmagnet 125. Werden die Phasen U, V, W mit phasenverschobenen Wechselströmen angesteuert, so wird ein Drehmoment generiert, das den Rotor 110 um die Drehachse 115 bezüglich des Stators 105 dreht.
Die phasenverschobene Ansteuerung der Phasen U, V, W kann in unterschiedlichen Koordinatensystemen dargestellt werden. Im statorfesten U/V/W-Koordinatensystem sind die Koordinatenachsen um 120° gegeneinander verdreht. Da die Ströme der Phasen U, V, W in Summe null ergeben, kann ein Stromzeiger bzw. Stromvektor 130 auch in einem statorfesten, zweidimensionalen α/β-Koordinatensystem dargestellt werden. Ferner ist ein rotorfestes d/q-Koordinatensystem eingetragen, dessen d-Komponente gleichgerichtet mit dem magnetischen Fluss des Permanentmagneten 125 verläuft. Eine q-Komponente verläuft senkrecht dazu. Ein Winkel zwischen der d-Achse und der α- bzw. U-Achse entspricht einem elektrischen Drehwinkel der Drehfeldmaschine 100 zwischen dem Rotor 110 und dem Stator 105. Ein elektrischer Drehwinkel entspricht dem mechanischen Drehwinkel multipliziert mit der Polpaarzahl.
Durch das Betrachten bzw. Steuern von durch die Phasen U, V, W fließenden Strömen im rotorfesten d/q-Koordinatensystem ergeben sich verarbeitungstechnische und rechnerische Vorteile.
2 zeigt eine Steuervorrichtung zur Feldorientierten Steuerung 200 einer Drehfeldmaschine 100, beispielsweise derjenigen aus 1. Im unteren Bereich von 2, außerhalb eines mit durchbrochener Linie gezeichneten Kastens ist eine Feldorientierte Steuerung 200 schematisch dargestellt, die in dieser oder einer ähnlichen Ausführungsform vorgegeben sein kann.
In der dargestellten Ausführungsform der Feldorientierten Steuerung 200 ist eine Steuerkomponente 205 dazu vorgesehen, auf der Basis von vorgegebenen d- und q-Komponenten I_sdRef, I_sqRef eines Gesamt-Soll-Stroms der Drehfeldmaschine 100 d-und q-Komponenten U_{sd_k}, U_{sq_k} einer Spannung zu generieren. Die d- und q-Komponenten I_sdRef, I_sqRef spannen einen Stromvektor auf, der dem Gesamt-Soll-Strom entspricht. Die in der Steuerkomponente 205 generierte und durch die d- und q-Komponenten U_{sd_k}, U_{sq_k} ausgedrückte Spannung wird mittels eines Umsetzers 210 vom d/q-Koordinatensystem in ein dreidimensionales Koordinatensystem (insbesondere das U/V/W-Koordinatensystem) umgesetzt. Dabei ergeben sich drei Spannungen U_s1, U_s2, U_s3, die mittels eines Vektormodulators 215 auf der Basis einer Zwischenkreisspannung U_dc in drei korrespondierende Pulsweitenmodulationssignale PWM1, PWM2, PWM3, umgesetzt werden. Die Zwischenkreisspannung U_dc kann bei Einsatz in einem Kraftfahrzeug einer Bordspannung, gegebenenfalls auch einer Batteriespannung entsprechen.
Ein Pulswechselrichter 220 ist dazu eingerichtet, jede der Phasen U, V, W abwechselnd mit einem hohen und einem niedrigen Potential der Zwischenkreisspannung zu verbinden, sodass sich an der Phase U, V, W eine gewünschte Spannung einstellt. Die angelegten Spannungen bewirken Ist-Phasenströme I_su, I_sv, I_sw durch die Phasen U, V und W. Mindestens ein Ist-Phasenstrom I_su, I_sv, I_sw wird mittels einer Abtasteinrichtung 225 abgetastet.
In einer bevorzugten Ausführungsform können wenigstens zwei Abtasteinrichtungen 225 vorgesehen sein, wobei dann der Ist-Phasenstrom I_su, I_sv, I_sw der nicht abgetasteten Phase U, V, W als Linearkombination aus den anderen beiden Ist-Phasenströmen I_su, I_sv, I_sw bestimmt wird. Dies kann insbesondere dann erfolgen, wenn die Drehfeldmaschine mittels Feldorientierter Regelung betrieben wird.
Falls die Drehfeldmaschine mittels Feldorientierter Steuerung betrieben wird, kann stattdessen auch lediglich eine Abtasteinrichtungen 225 vorgesehen sein, die zur Abtastung des Ist-Phasenstroms I_su, I_sv, I_sw einer der Phasen U, V, W der Drehfeldmaschine genutzt wird, der dann zur Überwachung der Drehfeldmaschine eingesetzt wird.
Beim Ausfall einer oder mehrerer der Abtasteinrichtungen 225 kannvon einem Betrieb mittels Feldorientierten Regelung auf einen Betrieb mittels Feldorientierten Steuerung umgeschaltet werden. Die verbleibende(n) Abtasteinrichtung(en) 225 dient dann zur weiteren Überwachung der Drehfeldmaschine.
Eine Rückkopplung der Steuervorrichtung 200 erfolgt bevorzugterweise mittels eines Positionssensors 230, der einen mechanischen Drehwinkel θ_mech zwischen dem Rotor 110 und dem Stator 105 bestimmt. Das Ausgangssignal des Positionssensors 230 wird, falls erforderlich, mit der Polpaarzahl Zp multipliziert, um den mechanischen Drehwinkel θ_mech in einen elektrischen Drehwinkel θ_el der Drehfeldmaschine 100 umzuwandeln. Das Positionssignal kann nach der Zeit abgeleitet werden (dθ/dt), um eine mechanische Winkelgeschwindigkeit ω_mech (bzw. korrespondierende Werte wie eine Drehzahl, die unter den Begriff „Winkelgeschwindigkeit“ fallen) zu bestimmen. Die mechanische Winkelgeschwindigkeit ω_mech kann auf der Basis der Polpaarzahl Zp in eine elektrische Winkelgeschwindigkeit ω_el umgewandelt werden, die der Steuerkomponente 205 bereitgestellt sein kann.
Abgesehen von der Drehfeldmaschine 100, dem Pulswechselrichter 220, der Abtasteinrichtung 225 und dem Positionssensor 230 sind die dargestellten Elemente bzw. Blöcke üblicherweise als Verfahrensschritte eines Verfahrens ausgeführt, das auf einer Verarbeitungseinrichtung abläuft, die bevorzugterweise einen programmierbaren Mikrocomputer umfasst. Eingehende Signale werden üblicherweise mittels Analog-Digital-Wandlern abgetastet und bereitzustellende Signale werden entweder digital mittels eines Treiberbausteins oder analog mittels eines Digital-Analog-Wandlers ausgegeben. Insofern kann die Steuervorrichtung 200 auch als Darstellung eines Verfahrens begriffen werden.
Es wird nun vorgeschlagen, die Steuervorrichtung um Komponenten zur Überwachung der Drehfeldmaschine zu erweitern, die im oberen Bereich von 2 in einem Kasten mit durchbrochener Linie dargestellt sind. Die dargestellten und im Folgenden genauer beschriebenen Funktionskomponenten zur Überwachung können wahlweise als Verfahrensschritte implementiert werden, die auf einer Verarbeitungseinrichtung durchgeführt werden, oder als Vorrichtungen, die insbesondere eine Signalverarbeitung auf der Basis von Strömen oder Spannungen durchführen. Die vorgeschlagenen Komponenten zur Überwachung der Drehfeldmaschine könnten auch bei einer Feldorientierten Regelung eingesetzt werden.
Es wird vorgeschlagen, mittels einer Vergleichseinrichtung 250 einen der Ist-Phasenströme I_su, I_sv, I_sw, der mittels der Abtasteinrichtung 225 abgetastet wurde, mit einem nachgebildeten Phasenstrom I_suCalc, I_svCalc, I_swCalc zu vergleichen, der rechnerisch auf der Basis des Drehwinkel θ_el der Drehfeldmaschine 100 und des Gesamt-Soll-Stroms der Drehfeldmaschine 100 bestimmt wurde.
Der Gesamt-Soll-Strom ist vorliegend durch die beiden Strom-Komponenten I_sdRef, I_sqRef im d/q-Koordinatensystem vorgegeben, die auch der Steuerkomponente 205 bereitgestellt werden. Auf der Basis eines Vergleichsergebnisses kann die Vergleichseinrichtung 250 bestimmen, ob ein Fehlerzustand im Bereich der Steuervorrichtung vorliegt. Der Fehlerzustand kann insbesondere bestimmt werden, wenn die beiden miteinander verglichenen Ströme I_su, I_sv, I_sw und I_suCalc, I_svCalc, I_swCalc sich um mehr als einen vorbestimmten Schwellenwert voneinander unterscheiden (beispielsweise in Amplitude, Frequenz oder Phase), ein Integral eines vorbestimmten, zurückliegenden Zeitfensters über Unterschiede der beiden Ströme I_su, I_sv, I_sw und I_suCalc, I_svCalc, I_swCalc einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet oder ein gleitender Durchschnitt bzw. ein Mittelwert über ein zurückliegendes Zeitfenster einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt. In diesem Fall kann ein Signal ausgegeben werden, das auf den Fehlerzustand hinweist und/oder entsprechende Maßnahmen ergriffen werden.
In einer Ausführungsform wird die Drehfeldmaschine 100 angehalten, beispielsweise indem der Pulswechselrichter 220 in einen inaktiven Zustand versetzt wird, in dem keine der Phasen U, V, W mit einem Potential der Zwischenkreisspannung U_dc verbunden wird oder alle Phasen U, V, W mit dem gleichen Potential verbunden werden (aktiver Kurzschluss).
Es ist bevorzugt, dass die Vergleichseinrichtung 250 ein Signal nur dann ausgibt bzw. den Vergleich nur dann durchführt, wenn zuvor ein Ausfall einer Abtasteinrichtung 225 bestimmt wurde. In einer bevorzugten Ausführungsform, in der zwei Abtasteinrichtungen 225 vorgesehen sind, bedeutet dies, dass nur noch eine Abtasteinrichtung 225 funktionsfähig ist. Die nicht mehr funktionsfähige Abtasteinrichtung 225 kann beispielsweise daran erkannt werden, dass sie ein Signal abgibt, das nicht periodisch mit dem elektrischen Drehwinkel θ_el bzw. mit dem nachgebildeten Phasenstrom variiert. Insbesondere ein im Wesentlichen gleichbleibendes Signal kann auf eine defekte Abtasteinrichtung 225 hinweisen. Eine nicht mehr funktionsfähige Abtasteinrichtung 225 kann aber auch beispielsweise daran erkannt werden, dass sie ein Signal abgibt, das einen bestimmten oder übermäßig großen Amplitudenversatz bzw. Amplitudenoffset zum nachgebildeten Phasenstrom aufweist. Zur Bestimmung, dass eine Abtasteinrichtung 225 ausgefallen ist bzw. welche Abtasteinrichtung 225 noch funktionsfähig ist, kann eine Bestimmungseinrichtung 255 vorgesehen sein.
Die Feldorientierte Steuerung 200, im Detail die Steuerkomponente 205, hat eine bestimmte Dynamik. Es ist daher bevorzugt vorgesehen, dass Filter 270 die Dynamik der feldorientierte Steuerung, im Detail die Dynamik der Steuerkomponente 205, nachbilden. Dazu können die Filter 270 beispielsweise mittels Tiefpassfilter oder anderer geeigneter Filter aufgebaut sein. Zeitkonstanten der Filter 270 können voneinander unterschiedlich sein. Den Filtern 270 wird jeweils eine der Komponenten I_sdRef, I_sqRef im d/q-Koordinatensystem bereitgestellt. Die Filter 270 geben die gefilterten Strom-Komponenten I_sdRefF, I_sqRefF im d/q-Koordinatensystem zur Weiterverarbeitung aus.
Die nachgebildeten Phasenströme I_suCalc, I_svCalc, I_swCalc werden bevorzugterweise mittels eines Umsetzers 260 bestimmt, der beispielsweise ähnlich dem Umsetzer 210 aufgebaut sein kann. Der Umsetzer 260 wandelt die gefilterten d- und q-Komponenten I_sdRefF, I_sqRefF ins dreidimensionale UVW-Koordinatensystem um.
Der für diese Umsetzung genutzte (korrigierte) Drehwinkel θ_elNeu wird bevorzugterweise mittels eines Winkelbestimmers 265 auf der Basis des mittels des Positionssensors 230 bestimmten elektrischen Drehwinkels θ_el und der elektrischen Drehgeschwindigkeit ω_el bestimmt. Dabei wird durch einen Zeit-Offset eine zeitliche Diskretisierung der Feldorientierten Steuerung 200 berücksichtigt.
Die Funktionsweise einiger zentraler Komponenten der Vorrichtung bzw. der Komponenten zur Überwachung der Drehfeldmaschine, die im oberen Bereich von 2 in dem Kasten mit durchbrochener Linie dargestellt sind, wird nun mittels symbolischer Mathematik genauer erläutert.
Dabei wird von einer Feldorientierten Steuerung 200 ausgegangen, die zu festgelegten Zeitpunkten periodisch (also zeitlich diskretisiert) durchgeführt wird, wobei ein aktueller Abtast-, Bestimmungs- oder Steuerschritt mit k, der vorhergehende mit (k – 1) und der folgende mit (k + 1) bezeichnet wird. Verwendete Abkürzungen und Symbole umfassen:

I_{sd_k}, I_{sq_k}, I_sdRef, I_sqRef:: Strom-Komponenten im d/q-Koordinatensystem (aktuell)
I_sdRefF, I_sqRefF:: gefilterte Strom-Komponenten im d/q-Koordinatensystem
I_{sd_k-1}, I_{sq_k-1}:: Strom-Komponenten im d/q-Koordinatensystem (ein Abtastschritt zuvor)
I_sxCalc, mit x = u, v, w: nachgebildete Phasenströme
I_syCalc, mit y = α, β: Strom-Komponenten im α/β-Koordinatensystem
I_sx, mit x = u, v, w: Ist-Phasenströme der Phase u, v, w
PWM1, 2, 3:: PWM-Werte zur Ansteuerung des Wechselrichters
R:: (= Rs) der Statorwiderstand der MaschineTEd: elektrische Zeitkonstante der Maschine in d-Achse (= Lsd/R)
TEq:: elektrische Zeitkonstante der Maschine in q-Achse (= Lsq/R)
T1:: gewünschte Zeitkonstante in d-Achse
T2:: gewünschte Zeitkonstante in q-Achse
T:: verwendete Abtastzeit (Periode zwischen k – 1 und k)
U_sα, U_sβ:: Spannungen in α,β-Koordinatensystem
U_{sd_k}, U_{sq_k}:: geforderten Spannungen in d/q-Koordinatensystem (aktuell)
U_{sd_k-1}, U_{sq_k-1}:: geforderten Spannungen in d/q-Koordinatensystem (ein Abtastschritt zuvor)
Udc:: Zwischenkreisspannung (entspricht ggf. einer Batterie- oder Bordspannung)
Zp:: Polpaarzahl der der Drehfeldmaschine 100
ΔT_Offset:: Zeit-Offset zur Berücksichtigung einer zeitlichen Diskretisierung der Feldorientierten Regelung 200
Ψ:: (= ΨPM) der Polradfluss der Maschine
θ_el:: elektrischer Drehwinkel der Drehfeldmaschine 100
θ_elNeu:: korrigierter Drehwinkel der Drehfeldmaschine 100
ω, ω_el:: elektrische Drehgeschwindigkeit der Drehfeldmaschine 100

Der Ist-Phasenstrom einer Phase – beispielsweise der Phase W – kann auf der Basis von Ist-Phasenströmen der anderen beiden Phasen U und V bestimmt werden, wenn diese mittels Abtasteinrichtungen 225 abgetastet werden, wie Gleichung 1 darstellt: I_sw = –I_su – I_sv (Gleichung 1)
Der Winkelbestimmer 265 arbeitet vorzugsweise nach folgendem Ansatz: θ_elNeu = θ_el + ω_el·ΔT_Offset (Gleichung 2)
Der Umsetzer 260 führt bevorzugterweise nach folgendem Schema eine Drehung bezüglich des mittels des Winkelbestimmers 265 bestimmten Drehwinkels θ_elNeu durch:
Die drei nachgebildeten Phasenströme können dann wie folgt bestimmt werden:
Die Steuerkomponente 205 in der dargestellten Ausführungsform bestimmt d- und q-Komponenten einer Spannung auf der Basis eines gewünschten Gesamt-Soll-Stroms durch die Drehfeldmaschine 100, bevorzugterweise auf der Basis der folgenden beiden Gleichungen 5 und 6:
Die in den Gleichungen 5 und 6 verwendeten Strom-Komponenten I_{sd_k}, I_{sq_k} entsprechen den in 2 gezeigten Strom-Komponenten I_sdRef, I_sqRef des Gesamt-Soll-Stroms der Drehfeldmaschine 100, die dort den Filtern 270 und der Steuerkomponente 205 der Feldorientierten Steuerung 200 zugeführt werden.
3 und 4 zeigen Simulationsergebnisse von Verläufen an der Steuervorrichtung bzw. Vorrichtung zur Überwachung der Drehfeldmaschine 100 von 2 bei unterschiedlichen Fehlern. Dargestellte Werte sind exemplarischer Natur. In horizontaler Richtung ist jeweils eine Zeit angetragen. In sechs Darstellungen sind von oben nach unten jeweils gemessene Ist-Phasenströme, nachgebildete Phasenströme, eine Differenz zwischen einem gemessenen Ist-Phasenstrom und einem nachgebildeten Phasenstrom, Soll- und Istwert der d-Komponente des Gesamt-Stroms, Soll- und Istwert der q-Komponente des Gesamt-Stroms und eine Drehzahl bzw. Drehgeschwindigkeit der Drehfeldmaschine 100 aufgetragen.
Abtasteinrichtungen 225 sind für die Phasen W und U vorgesehen, wobei die Abtasteinrichtung 225 für die Phase W zum Zeitpunkt 0,035 s ausfällt.
Der Darstellung von 3 liegen keine weiteren Fehler zugrunde. Die Feldorientierte Steuerung 200 zeigt trotz des Fehlers ein gutes Steuerverhalten. Wegen der Maschinenparameteränderungen werden d- und q-Ströme nicht wie bei der Feldorientierten Regelung (FOR) ganz eingeregelt. Dadurch zeigt die Stromdifferenz 335 der Phase U kleine Abweichungen zu null.
Der Darstellung von 4 liegt zusätzlich ein Positionssensorfehler zugrunde, der zum Zeitpunkt 0,2 s eine Verdrehung von 10° bezüglich des mechanischen Winkels der Drehfeldmaschine 100 beträgt. An einer Drehfeldmaschine 100 kann dies durch ein Verrutschen des Positionssensors 230 auf dem Rotor 110 um die Drehachse 115 entstehen. Es ist zu sehen, dass die nachgebildeten Phasenströme 320 bis 330 den gewünschten Verlauf darstellen. Aufgrund des Winkelfehlers des Positionssensors 230 besteht jedoch ein Phasenversatz zu den Ist-Phasenströmen 305 bis 315. Dies führt dazu, dass die Stromdifferenz 335 groß wird. Auch die d- und q-Komponenten des Stroms 340 und 350 zeigen entsprechend größere Abweichungen zu den jeweiligen Istwerten 345 und 355. Diese Abweichungen können dem Pulswechselrichter 220 schaden oder das Regelverhalten der Drehfeldmaschine 100 wegen hoher Drehmomente beeinträchtigen.
Durch Detektieren dieser Abweichungen, insbesondere der Abweichung des nachgebildeten Phasenstroms 320 der Phase U vom Ist-Phasenstrom 305 der Phase U können der Fehlerzustand zeitnah erkannt und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Eine entsprechende Maßnahme kann von einer leitenden, d.h. übergeordneten, Ebene durchgeführt werden oder von der Vorrichtung zur Überwachung der Drehfeldmaschine 100 selbst. Dadurch können die Drehfeldmaschine 100 und der Pulswechselrichter 220 geschützt sowie ein unkontrolliertes Verhalten der Drehfeldmaschine 100 vermieden werden.
Bezugszeichenliste

100: Drehfeldmaschine
105: Stator
110: Rotor
115: Drehachse
120: Spule
125: Permanentmagnet
130: Stromzeiger bzw. Stromvektor
U, V, W: Phasen
200: Steuervorrichtung
205: Steuerkomponente
210: Umsetzer
215: Vektormodulator
220: Pulswechselrichter
225: Abtasteinrichtung
230: Positionssensor
250: Vergleichseinrichtung
255: Bestimmungseinrichtung
260: Umsetzer
265: Winkelbestimmer
270: zeitabhängiger Filter
305: Ist-Phasenstrom U
310: Ist-Phasenstrom V
315: Ist-Phasenstrom W
320: nachgebildeter Phasenstrom U
325: nachgebildeter Phasenstrom V
330: nachgebildeter Phasenstrom W
335: Differenz nachgebildeter Phasenstrom zu Ist-Phasenstrom
340: Sollwert d-Komponente des Gesamt-Soll-Stroms
345: Istwert d-Komponente des Stroms
350: Sollwert q-Komponente des Gesamt-Soll-Stroms
355: Istwert q-Komponente des Stroms
360: Drehzahl

Claims

Verfahren zur Überwachung einer Drehfeldmaschine (100) mit zumindest oder genau drei Phasen (U, V, W), die mittels einer Feldorientierten Steuerung (200) oder Feldorientierten Regelung betrieben wird, wobei das Verfahren folgende Schritte zumindest umfasst: – Abtasten zumindest eines Ist-Phasenstroms (I_su, I_sv, I_sw) einer der drei Phasen (U, V, W); – Bestimmen von zumindest einem nachgebildeten Phasenstrom (I_suCalc, I_svCalc, I_swCalc) durch die Phase (U, V, W) auf der Basis eines Drehwinkels (θ_el, θ_elNeu) der Drehfeldmaschine (100) und eines Gesamt-Soll-Stroms (I_sdRefF, I_sqRefF, I_sdRefF, I_sqRefF) der Drehfeldmaschine (100); – Vergleichen des abgetasteten Ist-Phasenstroms (I_su) mit dem nachgebildeten Phasenstrom (I_suCalc) der gleichen Phase (U, V, W) und – Bestimmen eines Fehlerzustands auf der Basis des Vergleichsergebnisses.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der nachgebildete Phasenstrom (I_suCalc, I_svCalc, I_swCalc) auf der Basis von Komponenten (I_sdRef, I_sqRef;I_sdRefF, I_sqRefF) des Gesamt-Soll-Stroms der Drehfeldmaschine (100) im d/q-Koordinatensystem bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Komponenten (I_sdRefF, I_sqRefF) des Gesamt-Soll-Stroms der Drehfeldmaschine (100) im d/q-Koordinatensystem jeweils gefiltert sind, so dass eine Dynamik einer Steuerungskomponente (205) der Feldorientierten Steuerung (200) nachgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei aus den Komponenten (I_sdRef, I_sqRef, I_sdRefF, I_sqRefF) des Gesamt-Soll-Stroms der Drehfeldmaschine (100) im d/q-Koordinatensystem Komponenten (I_sαCalc, I_sβCalc) des Gesamt-Soll-Stroms der Drehfeldmaschine (100) im α/β-Koordinatensystem ermittelt werden und wobei der nachgebildete Phasenstrom (I_suCalc, I_svCalc, I_swCalc) aus diesen Komponenten (I_sαCalc, I_sβCalc) des Gesamt-Soll-Stroms der Drehfeldmaschine (100) im α/β-Koordinatensystem bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zur Bestimmung des nachgebildeten Phasenstroms (I_su, I_sv, I_sw) genutzte Drehwinkel (θ_elNeu) der Drehfeldmaschine (100) auf der Basis einer elektrischen Winkelgeschwindigkeit (ω_el) und eines Zeit-Offsets, welches eine zeitliche Diskretisierung der Feldorientierten Steuerung (200) berücksichtigt, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Fehlerzustand bestimmt wird, falls ein Unterschied zwischen dem abgetasteten Ist-Phasenstrom (I_su, I_sv, I_sw) und dem nachgebildeten Phasenstrom (I_suCalc, I_svCalc, I_swCalc) der gleichen Phase (U, V, W) einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Fehlerzustand bestimmt wird, falls ein über eine vorbestimmte Zeit aufintegrierter Unterschied zwischen dem abgetasteten Ist-Phasenstrom (I_su, I_sv, I_sw) und dem nachgebildeten Phasenstrom (I_suCalc, I_svCalc, I_swCalc) der gleichen Phase (U, V, W) einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Fehlerzustand bestimmt wird, falls ein über eine vorbestimmte Zeit bestimmter Mittelwert des Unterschieds zwischen dem abgetasteten Ist-Phasenstrom (I_su, I_sv, I_sw) und dem nachgebildeten Phasenstrom (I_suCalc, I_svCalc, I_swCalc) der gleichen Phase (U, V, W) einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
Vorrichtung zur Überwachung einer mittels einer Feldorientierten Steuerung (200) oder Feldorientierten Regelung betreibbaren Drehfeldmaschine (100) mit zumindest oder genau drei Phasen (U, V, W), wobei die Vorrichtung zumindest folgendes umfasst: – eine Abtasteinrichtung (225) zur Abtastung eines Ist-Phasenstroms (I_su, I_sv, I_sw) einer der drei Phasen (U, V, W); – eine Verarbeitungseinrichtung (260) zur Bestimmung zumindest eines nachgebildeten Phasenstroms (I_suCalc, I_svCalc, I_swCalc) durch die Phase (U, V, W) auf der Basis eines Drehwinkels (θ_el, θ_elNeu) der Drehfeldmaschine (100) und eines Gesamt-Soll-Stroms (I_sdRefF, I_sqRefF, I_sdRef, I_sqRef) der Drehfeldmaschine (100); – eine Vergleichseinrichtung (250) zum Vergleichen des abgetasteten Ist-Phasenstroms (I_su, I_sv, I_sw) mit dem nachgebildeten Phasenstrom (I_suCalc) der gleichen Phase (U, V, W) und – eine Bestimmungseinrichtung (250) zur Bestimmung eines Fehlerzustands auf der Basis des Vergleichsergebnisses.