DE102015108308A1 - Diagnose der Entmagnetisierung durch die Flussverkettung - Google Patents

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Abstract

Die Beschreibung umfasst ein Verfahren zur Ermittlung der Magnetisierung eines Dauermagnets einer permanentmagneterregten Synchronmaschine 4 eines Lenksystems umfassend den Schritt: Bestimmen der Flussverkettung Ψp der permanentmagneterregten Synchronmaschine 4.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Magnetisierung eines Dauermagnets einer permanentmagneterregten Synchronmaschine eines Lenksystems und ein Lenksystem für ein Fahrzeug.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Im Stand der Technik sind permanentmagneterregte Synchronmaschinen bekannt (PMSM). Derartige Synchronmaschinen weisen Dauermagnete im Rotor auf.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Beispielsweise beim hochautomatisierten Fahren (HAF) muss sichergestellt werden, dass Elektromotoren eines Lenksystems eines Fahrzeugs mit einem drehmomentbildenden Strom ein Mindestdrehmoment aufbringen können. Dies ist nicht gegeben, falls die Dauermagnete im Rotor der betreffenden Synchronmaschine entmagnetisiert sind. Die Dauermagnete können aus NdFeB bestehen. Feuchtigkeit kann zu einer Korrosion der Dauermagnete führen. Die Korrosion hat eine Zerstörung der Oberfläche des betreffenden Dauermagneten zur Folge, wodurch die resultierende Magnetisierung des Dauermagneten verringert wird. Eine Entmagnetisierung kann sich auch durch hohe Motorströme und/oder hohe Motortemperaturen ergeben. Eine Entmagnetisierung durch hohe Motortemperaturen erfolgt nicht schlagartig durch Überschreiten einer Schwelle, sondern schleichend. D.h. ab einer bestimmten Temperatur tritt mit zunehmender Temperatur und entsprechenden Motorströmen eine immer stärkere und nicht umkehrbare Entmagnetisierung der Dauermagnete ein.
  • Eine Aufgabe ist daher, ein Verfahren zur Verfügung stellen, das eine Aussage über den aktuellen Zustand der Magnetisierung, insbesondere die bislang erfolgte Entmagnetisierung, der Dauermagnete einer permanentmagneterregten Synchronmaschine ermöglicht. Hierbei soll eine einfache und kostengünstige Bestimmung bereitgestellt werden.
  • Als erste Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Ermittlung der Magnetisierung eines Dauermagnets einer permanentmagneterregten Synchronmaschine eines Lenksystems zur Verfügung gestellt, umfassend den Schritt: Bestimmen der Flussverkettung Ψp der permanentmagneterregten Synchronmaschine.
  • Es wird auf Basis der Flussverkettung der permanentmagneterregten Synchronmaschine eine Ermittlung des Zustands der Magnetisierung der Dauermagnete ermöglicht. Durch die Bestimmung der Flussverkettung kann in einfacher Weise ein Rückschluss auf den Stand der Entmagnetisierung der Dauermagnete der Synchronmaschine gezogen werden.
  • Als zweite Ausführungsform der Erfindung wird ein Lenksystem für ein Fahrzeug zur Verfügung gestellt, wobei das Lenksystem für ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 geeignet ist.
  • Beispielhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, umfassend den Schritt: falls die Flussverkettung Ψp unterhalb eines Schwellwerts liegt: Generieren der Meldung, dass die Magnetisierung des Dauermagnets zu gering ist.
  • Durch die Bestimmung eines Schwellwerts kann in einfacher Weise eine Aussage über die aktuelle Magnetisierung der Dauermagnete gewonnen werden.
  • In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei die Flussverkettung Ψp und/oder der Schwellenwert mittels der Motortemperatur der Synchronmaschine angepasst wird.
  • Durch die Verwendung der Motortemperatur kann die Bewertung der aktuellen Magnetisierung der Dauermagnete genauer erfolgen.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, umfassend den Schritt: Berechnen der Flussverkettung Ψp, wobei sich die Flussverkettung Ψp aus einem berechneten Drehmoment M und dem drehmomenterzeugenden Strom ergibt, wobei das Drehmoment M = Pab,Motor/(2·π·n) ist, wobei pz die Polpaarzahl der Synchronmaschine ist.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, umfassend den Schritt: Berechnen der Flussverkettung Ψp mit der Formel: Ψp = (2·M)/(3·pz·isq), wobei das Drehmoment M = Pab,Motor/(2·π·n) ist, wobei pz die Polpaarzahl der Synchronmaschine ist.
  • Durch einfache Formeln kann eine schnelle und exakte Bewertung der Magnetisierung erfolgen.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei die Berechnung des Drehmoments M bei einer Drehzahl n oberhalb einer Schwelle nschwelle erfolgt.
  • Durch eine Berechnung nur bei hohen Drehzahlen können die Probleme bei der Berechnung bei kleinen Drehzahlen vermieden werden.
  • In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, umfassend den Schritt: Berechnen des Drehmoments M durch die Motorabgabeleistung: Pab,Motor = PWirk,ab,Umrichter – PV,Umrichter – PV,Mot,R – PV,Mot,Fe.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei die zu stellenden PWM1, PWM2, PWM3 des Umrichters nicht in der Spannungsbegrenzung sind und/oder wobei PWMmin < PWM1 < PWMmax und/oder PWMmin <PWM2 < PWMmax und/oder PWMmin < PWM3 < PWMmax ist und/oder wobei PWMmin >= 5% und PWMmax <= 95% ist, wobei insbesondere PWMmin >= 10% und PWMmax <= 90% ist, wobei bevorzugt insbesondere PWMmin >= 20% und PWMmax <= 80% ist.
  • Werden die zu stellenden PWM innerhalb entsprechender Grenzen gewählt, so kann eine Spannungsbegrenzung vermieden werden.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei PV,Umrichter = 0 und/oder PV,Mot,R = 0 und/oder PV,Mot,Fe = 0 gesetzt wird.
  • Wenn Verlustleistungen unberücksichtigt bleiben, kann eine sehr einfache Berechnung der Magnetisierung vorgenommen werden.
  • In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei PWirk,ab,Umrichter = 3·Ustrang·Istrang·cosφ und/oder PV,Umrichter = i1 2·R1.Phase,Umrichter + i2 2·R2.Phase,Umrichter + i3 2·R3.Phase,Umrichter und/oder PV,Mot,R = i1 2·RS + i2 2·RS + i3 2·RS ist.
  • Durch eine Berücksichtigung der Verlustleistungen kann die Berechnung der Magnetisierung der Dauermagnete genauer erfolgen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, umfassend den Schritt: zunächst eine Zykluszeit abwarten, bevor das Verfahren durchgeführt wird.
  • Durch eine periodische Berechnung kann die notwendige Rechenkapazität beschränkt werden.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren auf einen Teilantrieb eines redundanten Antriebs eines Lenksystems eines Fahrzeugs angewandt wird.
  • Durch eine redundante Auslegung der Lenkung kann eine hohe Sicherheit für das betreffende Fahrzeug gewährleistet werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren zum automatischen Fahren des Fahrzeugs verwendet wird.
  • Als eine Idee der Erfindung kann angesehen werden, auf Grundlage einer Leistungsbilanz das aktuelle Drehmoment der betreffenden Synchronmaschine zu bestimmen. Hierzu wird als Motorparameter nur der einfach zu ermittelnde ohmsche Statorwiderstand verwendet. Der ohmsche Statorwiderstand kann durch eine Widerstandsmessung gewonnen werden. Gegebenenfalls kann der ohmsche Statorwiderstand angenommen werden, beispielsweise auf Basis von Vergleichsmessungen. In einer alternativen Ausführungsform wird die temperaturabhängige Änderung des Statorwiderstands berücksichtigt. Mit dem aktuellen Drehmoment und dem hierzu notwendigen Strom wird die aktuelle Flussverkettung berechnet. Vorteilhafterweise erfolgt die Ermittlung der aktuellen Flussverkettung erst ab der Überschreitung einer bestimmten Drehzahl. Zur Erhöhung der Genauigkeit kann der Innenwiderstand der ECU temperaturabhängig berücksichtigt werden. Außerdem kann es vorteilhaft sein, die Eisenverluste des Elektromotors bei der Ermittlung der Entmagnetisierung in Rechnung zu stellen.
  • Beispielsweise durch die Verwendung einer drehzahlabhängigen Kennlinie der Eisenverluste kann dies realisiert werden.
  • Die einzelnen Merkmale können selbstverständlich auch untereinander kombiniert werden, wodurch sich zum Teil auch vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels deutlich. Es zeigt
  • 1 eine schematische Darstellung einer Regelung einer permanentmagneterregten Synchronmaschine.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Regelung einer permanentmagneterregten Synchronmaschine im rotorfeldorientierten d/q-Koordinatensystem.
  • Zur Bestimmung der Magnetisierung eines Dauermagnets einer Synchronmaschine wird die Flussverkettung Ψp errechnet. Ψp ergibt sich bei einer permanentmagneterregten Synchronmaschine mit vernachlässigbarem Reluktanzmoment als: Ψp = (2·M)/(3·pz·isq), wobei pz die Polpaarzahl der permanentmagneterregten Synchronmaschine ist.
  • Ist die Flussverkettung Ψp unter einer minimalen Schwelle, kann von einer zu niedrigen Magnetisierung und damit einer Schädigung des betreffenden Dauermagnets ausgegangen werden. Diese Feststellung der Schädigung kann der Steuerung des Lenksystems übermittelt werden.
  • Nötigenfalls kann die Diagnose in ihrer Genauigkeit durch Berücksichtigung der Abhängigkeit der Flussverkettung Ψp von der Motortemperatur der betreffenden Synchronmaschine gesteigert werden. Die Abhängigkeit kann anhand einer Formel oder einer Kennlinie festgestellt werden. Die Motortemperatur selbst kann beispielsweise mittels Temperatursensoren in der Motorwicklung oder mittels Temperaturmodelle ermittelt werden. Anhand der Flussverkettung Ψp kann eine Überprüfung des Dauermagneten regelmäßig, zyklisch, periodisch, insbesondere an den Zeitpunkten erfolgen, an denen besondere Auswertbedingungen vorliegen. Anhand der Flussverkettung ist eine Beurteilung des Magnetisierungszustands möglich.
  • Zur Berechnung der Flussverkettung Ψp wird das wirkende Drehmoment M benötigt. Die Bestimmung des Drehmoments M erfolgt mittels der Motorabgabeleistung Pab,Motor. Hierdurch ergibt sich das Drehmoment M als: M = Pab,Motor/(2·π·n), mit n = Drehzahl des Rotors der Synchronmaschine.
  • Kleine Drehzahlen können zu Problemen bei der Berechnung des Drehmoments führen. Es ist daher sinnvoll eine Berechnung nur für Drehzahlen n oberhalb einer Schwelle vorzunehmen: n >= nschwelle.
  • Für einen verlustlosen idealen Umrichter und einen verlustlosen Motor ergibt sich als Motorabgabeleistung Pab,Motor: Pab,Motor = PWirk,ab,Umrichter, wobei PWirk,ab,Umrichter der Wirkleistung entspricht, die in den drei Strängen abgegeben wird: PWirk,ab,Umrichter = 3·Ustrang·Istrang·cosφ.
  • UStrang und der Winkel der Strangspannung ergibt sich aus usd und usq. IStrang und der Winkel des Strangstromes wird aus isd und isq errechnet. Der Phasenwinkel φ ergibt sich aus dem Winkel der Strangspannung und dem Winkel des Strangstromes. Alternativ können die Strangspannungen, die Strangströme und der Phasenwinkel aus den statorfesten Größen berechnet werden.
  • Alternativ kann die vom idealen Umrichter abgegebene Wirkleistung aus der PWM, der Zwischenkreisspannung und den Phasenströmen berechnet werden.
  • Es ist sinnvoll, eine Berechnung nur durchzuführen, falls die zu stellenden PWM jeder Phase nicht in der Spannungsbegrenzung sind, falls also der Umrichter zu stellende PWM erzeugt, die innerhalb von Schwellwerten PWMmin und PWMmax liegen: PWMmin < PWM1 < PWMmax PWMmin <PWM2 < PWMmax PWMmin < PWM3 < PWMmax.
  • Beispielsweise kann PWMmin = 5% und PWMmax = 95% gewählt werden.
  • Allerdings ist zu erwarten, dass es Verluste geben wird. Eine Berücksichtigung dieser Verluste wird die Genauigkeit der Berechnung erhöhen. Verluste können entstehen durch: Verluste des Umrichters PV,Umrichter, ohmsche Verluste der Statorwicklung der permanentmagneterregten Synchronmaschine PV,Mot,R und die Eisenverluste des Motors PV,Mot,Fe. Die Eisenverluste PV,Mot,Fe können mit einer Formel errechnet werden bzw. anhand der Motordrehzahl mit einer Kennlinie in einfacher Weise ermittelt werden.
  • Die Verluste des Umrichters PV,Umrichter ergeben sich als: PV,Umrichter = i1 2·R1.Phase,Umrichter + i2 2·R2.Phase,Umrichter + i3 2·R3.Phase,Umrichter und die ohmschen Verluste der Statorwicklung der permanenterregten Synchronmaschine PV,Mot,R berechnen sich als: PV,Mot,R = i1 2·RS + i2 2·RS + i3 2·RS, mit RS = RS,25°C·(1 + α·∆T), wobei RS der temperaturabhängige Statorstrangwiderstand ist, RS,25°C ist der Statorstrangkaltwiderstand bei der Wicklungskalttemperatur, hier beispielsweise 25° Celsius, ∆T ist der Temperaturunterschied der Wicklungstemperatur zur Wicklungskalttemperatur und α ist der Temperaturbeiwert, beispielsweise 0,004 1/K für eine Wicklung aus Kupfer (K = Kelvin).
  • In einer alternativen Ausführungsform wird die temperaturabhängige Änderung des Statorstrangwiderstands RS nicht berücksichtigt.
  • In einer alternativen Ausführungsform wird die temperaturabhängige Änderung der Phaseninnenwiderstände des ECU (Electronic Control Unit) berücksichtigt, um die Genauigkeit der Berechnung zu erhöhen.
  • Hiermit ergibt sich: Pab,Motor = PWirk,ab,Umrichter – PV,Umrichter – PV,Mot,R – PV,Mot,Fe.
  • Es sei angemerkt, dass der Begriff „umfassen“ weitere Elemente oder Verfahrensschritte nicht ausschließt, ebenso wie der Begriff „ein“ und „eine“ mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließt.
  • Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegeben wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Stromregler
    2
    PWM-Modul, das die PWM1, PWM2, PWM3 erzeugt
    3
    Endstufe/Umrichter/Inverter
    4
    permanentmagneterregte Synchronmaschine
    5
    Transformation vom statorfesten Koordinatensystem in das rotorfeldorientierte Koordinatensystem
    6
    Drehzahlberechnung aus der Rotorlage
    7
    Sollvorgaben der Ströme isq und isd
    8
    Messwerte Drehzahl n, Ströme isq, isd
    9
    Spannungen usq, usd
    10
    Ansteuerungen PWM1, PWM2, PWM3 für die Endstufe
    11
    gemessene Phasenströme i1, i2, i3
    ECU
    Electronic Control Unit
    i1
    Phasenstrom im Strang U
    i2
    Phasenstrom im Strang V
    i3
    Phasenstrom im Strang W
    isd
    Ist-Statorstrom in Längsrichtung zum Rotormagnetfeld
    isq
    Ist-Statorstrom in Querrichtung zum Rotormagnetfeld
    isd,Soll
    Soll-Statorstrom in Längsrichtung zum Rotormagnetfeld
    isq,Soll
    Soll-Statorstrom in Querrichtung zum Rotormagnetfeld
    Istrang
    Strangstrom
    M
    Drehmoment
    n
    Drehzahl
    nschwelle
    Schwelle der Drehzahl
    Pab,Motor
    Motorabgabeleistung
    PWirk,ab,Umrichter
    Wirkleistung, die in den drei Strängen des Umrichters abgegeben wird
    PV,Umrichter
    Verluste des Umrichters
    PV,Mot,R
    ohmsche Verluste der Statorwicklung der permanentmagneterregten Synchronmaschine
    PV,Mot,Fe
    Eisenverluste des Motors
    pz
    Polpaarzahl
    PWM1
    zu stellende PWM der ersten Phase
    PWM2
    zu stellende PWM der zweiten Phase
    PWM3
    zu stellende PWM der dritten Phase
    RS
    temperaturabhängiger Statorstrangwiderstand
    RS,25°C
    Statorstrangkaltwiderstand bei der Wicklungskalttemperatur
    Ustrang
    Strangspannung
    usd
    Statorspannung in Längsrichtung zum Rotormagnetfeld
    usq
    Statorspannung in Querrichtung zum Rotormagnetfeld
    UZK
    Zwischenkreisspannung
    α
    Temperaturbeiwert
    ∆T
    Temperaturunterschied der Wicklungstemperatur zur Wicklungskalttemperatur
    Ψp
    Flussverkettung

Claims (14)

  1. Verfahren zur Ermittlung der Magnetisierung eines Dauermagnets einer permanentmagneterregten Synchronmaschine (4) eines Lenksystems umfassend den Schritt: Bestimmen der Flussverkettung Ψp der permanentmagneterregten Synchronmaschine (4).
  2. Verfahren nach Anspruch 1 umfassend den Schritt: falls die Flussverkettung Ψp unterhalb eines Schwellwerts liegt: Generieren der Meldung, dass die Magnetisierung des Dauermagnets zu gering ist.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussverkettung Ψp und/oder der Schwellwert mittels der Motortemperatur der Synchronmaschine (4) angepasst wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: Berechnen der Flussverkettung Ψp, wobei sich die Flussverkettung Ψp aus einem berechneten Drehmoment M und dem drehmomenterzeugenden Strom ergibt, wobei das Drehmoment M = Pab,Motor/(2·π·n) ist, wobei pz die Polpaarzahl der Synchronmaschine (4) ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: Berechnen der Flussverkettung Ψp mit der Formel: Ψp = (2·M)/(3·pz·isq), wobei das Drehmoment M = Pab,Motor/(2·π·n) ist, wobei pz die Polpaarzahl der Synchronmaschine (4) ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des Drehmoments M bei einer Drehzahl n oberhalb einer Schwelle nschwelle erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: Berechnen des Drehmoments M durch die Motorabgabeleistung: Pab,Motor = PWirk,ab,Umrichter – PV,Umrichter – PV,Mot,R – PV,Mot,Fe.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu stellenden PWM1, PWM2, PWM3 des Umrichters nicht in der Spannungsbegrenzung sind und/oder wobei PWMmin < PWM1 < PWMmax und/oder PWMmin <PWM2 < PWMmax und/oder PWMmin < PWM3 < PWMmax ist und/oder wobei PWMmin >= 5% und PWMmax <= 95% ist, wobei insbesondere PWMmin >= 10% und PWMmax <= 90% ist, wobei bevorzugt insbesondere PWMmin >= 20% und PWMmax <= 80% ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass PV,Umrichter = 0 und/oder PV,Mot,R = 0 und/oder PV,Mot,Fe = 0 gesetzt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass PWirk,ab,Umrichter = 3·Ustrang·Istrang·cosφ und/oder PV,Umrichter = i1 2·R1.Phase,Umrichter + i2 2·R2.Phase,Umrichter + i3 2·R3.Phase,Umrichter und/oder PV,Mot,R = i1 2·RS + i2 2·RS + i3 2·RS ist.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt: zunächst eine Zykluszeit abwarten, bevor das Verfahren durchgeführt wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auf einen Teilantrieb eines redundanten Antriebs eines Lenksystems eines Fahrzeugs angewandt wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum automatischen Fahren des Fahrzeugs verwendet wird.
  14. Lenksystem für ein Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenksystem für ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche geeignet ist.
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