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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer permanenterregten Synchronmaschine, insbesondere eines Servomotors in einem Lenksystem.
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Bekannt sind Verfahren zum Betrieb einer permanenterregten Synchronmaschine eines elektromechanischen Lenksystems. Die Synchronmaschine wird mithilfe einer feldorientierten Regelung betrieben, bei der in eine Regeleinheit die Differenz von Ist- und Sollströmen als Eingangsgröße eingeht und über eine Pulsweitenmodulation sowie eine Leistungsendstufe aus einer Batteriespannung eine Wechselspannung mit drei verschiedenen Phasen erzeugt wird, wobei jeder Phase eine Strangwicklung des Synchronmotors zugeordnet ist.
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Darüber hinaus ist aus der
DE 10 2014 224 158 A1 eine feldorientierte Steuerung eines permanenterregten Synchronmotors bekannt, bei der drehzahl- und momenten-abhängig Sollströme ermittelt werden, aus denen die Phasenspannungen berechnet werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine permanenterregte Synchronmaschine in der Weise anzusteuern, dass über einen langen Betriebszeitraum eine sichere Funktionsweise gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird zum Betrieb einer permanenterregten Synchronmaschine eingesetzt, die beispielsweise als Servomotor in einem Lenksystem eingesetzt wird, wobei die Synchronmaschine rotorseitig Permanentmagnete und statorseitig bestrombare Spulen aufweist. Die Ansteuerung der Synchronmaschine erfolgt im Falle voller Funktionsfähigkeit der Hardware und der Software über eine feldorientierte Regelung, bei der Phasenströme berücksichtigt werden, welche in Strommessshunts ermittelt werden. Üblicherweise werden zwei Phasenströme in jeweils einem Strommessshunt ermittelt.
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Für den Fall, dass die Messung des Phasenstroms im Strommessshunt ausfällt oder fehlerhaft ist, wird von der feldorientierten Regelung auf eine feldorientierte Steuerung der Synchronmaschine übergegangen. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass für die feldorientierte Steuerung im Unterschied zur feldorientierten Regelung die Phasenströme nicht benötigt werden, so dass der Ausfall oder die Qualitätsminderung des in einem Strommessshunt ermittelten Phasenstroms die Ansteuerung der Synchronmaschine nicht ins Gewicht fällt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird im Fall der feldorientierten Steuerung der Synchronmaschine der ausgefallene oder fehlerhaft ermittelte Phasenstrom durch eine Strommessung verminderter Qualität ersetzt, wobei die feldorientierte Steuerung unter Berücksichtigung dieser Strommessung verminderter Qualität entweder einer Hardware-Fehlerdiagnose und/oder einer Software-Plausibilisierung unterzogen wird. Die Strommessung verminderter Qualität dient somit nicht zur Ansteuerung der Synchronmaschine, sondern nur zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit der feldorientierten Steuerung. Die schlechtere Messqualität der Strommessung kann hingenommen werden, da diese Qualität für die Funktionsüberprüfung ausreichend ist.
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Ergibt sich bei der Funktionsüberprüfung, dass auf Hardwareseite und/oder Sofwareseite der feldorientierten Steuerung ein Fehler vorliegt, kann ein Fehlersignal erzeugt werden, das in geeigneter Weise weiterverarbeitet wird, beispielsweise zur Anzeige gebracht und/oder zur Beeinflussung der Ansteuerung herangezogen wird. Es ist insbesondere möglich, im Fall eines erkannten Fehlers auf Hardware- oder Softwareseite die feldorientierte Steuerung der Synchronmaschine zu beenden. Im Fall eines Einsatzes der Synchronmaschine als Servomotor in einem Lenksystem wird die servomotorische Lenkkraftunterstützung beendet und die Lenkung ausschließlich mechanisch und ohne Lenkkraftunterstützung durchgeführt.
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In einer bevorzugten Ausführung erfolgt die Strommessung verminderter Qualität am Widerstand eines oder mehrerer Transistoren der Leistungselektronik bzw. Leistungsendstufe.
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In einer weiteren Ausführung kann die Strommessung verminderter Qualität mit Hall-Elementen, die an stromführenden Teilen der Leistungselektronik bzw. Leistungsendstufe angeordnet sind, erfolgen.
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Bei der Strommessung am Transistorwiderstand handelt es sich vorzugsweise um eine Strommessung am Widerstand eines Transistors, insbesondere eines Feldeffekttransistors, welcher Teil einer Leistungsendstufe sein kann, in der die Phasenströme für die Synchronmaschine erzeugt werden.
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Die gestufte Vorgehensweise mit der feldorientierten Regelung im Normalfall und der feldorientierten Steuerung bei Ausfall eines Strommessshunts hat den Vorteil, dass die feldorientierte Steuerung, bei der die volle Funktionalität der Synchronmaschine zur Verfügung steht, ohne Zeitbegrenzung durchgeführt werden kann, solange kein Fehler in der Hardware-Fehlerdiagnose bzw. Software-Plausibilisierung festgestellt wird. Im Falle einer Verwendung der Synchronmaschine als elektrischer Servomotor in einem Lenksystem wird bei einem festgestellten Fehler als letzte Rückfallebene auf die ausschließlich mechanische Lenkfunktion ohne Servounterstützung zurückgegriffen.
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Die Hardware-Fehlerdiagnose und die Software-Plausibilisierung beruhen jeweils auf einer Untersuchung der Strommessung verminderter Qualität. Für den Fall, dass beide Strommessshunts ausfallen oder fehlerhaft sind, können die ausgefallenen bzw. fehlerhaft gemessenen Phasenströme durch jeweils eine Strommessung verminderter Qualität ersetzt werden, insbesondere am Widerstand eines Feldeffekttransistors der Leistungsendstufe. Es können beide Strommessungen verminderter Qualität für die Fehlerdiagnose und/oder die Plausibilisierung verwendet werden. Die Plausibilisierung und die Diagnose werden unabhängig voneinander durchgeführt; es ist sowohl möglich, nur eine Hardware-Fehlerdiagnose oder nur eine Software-Plausibilisierung oder sowohl die Hardware-Fehlerdiagnose als auch die Software-Plausibilisierung durchzuführen, die zwar simultan ablaufen, jedoch unabhängig voneinander sind. Für die Hardware-Fehlerdiagnose können zusätzlich Ausgangswerte einer Pulsweitenmodulation sowie Ausgangswerte einer Spannungsberechnungseinheit berücksichtigt werden, die Teil der feldorientierten Steuerung ist.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Lenksystems in einem Fahrzeug, mit einem elektrischen Servomotor, der als permanenterregte Synchronmaschine ausgeführt ist,
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2 ein Blockdiagramm mit einer feldorientierten Regelung einer permanenterregten Synchronmaschine,
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3 ein Blockdiagramm mit einer feldorientierten Steuerung, die zusätzlich eine Software-Plausibilisierung aufweist,
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4 ein Blockdiagramm mit einer feldorientierten Steuerung, die zusätzlich eine Hardware-Fehlerdiagnose aufweist.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Das in 1 dargestellte Lenksystem 1 für ein Fahrzeug umfasst ein Lenkrad 2, eine Lenkspindel bzw. -welle 3, ein Lenk- bzw. Getriebegehäuse 4 und ein Lenkgestänge mit einer Lenkzahnstange 5, über die eine Lenkbewegung auf die lenkbaren Räder 6 des Fahrzeugs übertragen wird. Das Getriebegehäuse 4 nimmt ein Lenkgetriebe 8 mit einem Lenkritzel und der Lenkzahnstange 5 auf, wobei das Lenkritzel drehfest mit der Lenkwelle 3 verbunden ist und mit der Lenkzahnstange 5 kämmt.
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Der Fahrer gibt über das Lenkrad 2, mit dem die Lenkwelle 3 fest verbunden ist, einen Lenkwinkel δL vor, der im Lenkgetriebe 8 im Getriebegehäuse 4 auf die Lenkzahnstange 5 des Lenkgestänges übertragen wird, woraufhin sich an den lenkbaren Rädern 6 ein Radlenkwinkel δV einstellt.
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Zur Unterstützung des vom Fahrer aufgebrachten Handmoments ist ein elektrischer Servomotor 7 vorgesehen, über den ein Servomoment in das Lenkgetriebe 8 eingespeist werden kann. Anstelle eines elektrischen Servomotors kann auch eine hydraulische Unterstützungseinrichtung vorgesehen sein, beispielsweise eine Hydraulikpumpe, die durch einen Verbrennungsmotor angetrieben wird und ein hydraulisches Lenksystem speist.
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Der elektrische Servomotor 7 ist als eine permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet, die rotorseitig Permanentmagnete und statorseitig bestrombare Spulen aufweist, welche entweder über eine feldorientierte Regelung (FOR) oder eine feldorientierte Steuerung (FOS) angesteuert werden. Sofern sowohl auf Hardwareseite als auch auf Softwareseite die volle Funktionalität gegeben ist, erfolgt die Ansteuerung der Synchronmaschine über die in 2 dargestellte feldorientierte Regelung. Bei einem Ausfall mindestens eines Strommessshunts erfolgt die Ansteuerung der Synchronmaschine über eine feldorientierte Steuerung, die entweder gemäß 3 mit einer zusätzlichen Software-Plausibilisierung und/oder gemäß 4 mit einer zusätzlichen Hardware-Fehlerdiagnose verbunden ist.
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Die in 2 dargestellte feldorientierte Regelung 9 zur geregelten Ansteuerung der Synchronmaschine 7 umfasst mehrere Einheiten 10 bis 16 zur geregelten Erzeugung von Phasenströmen U, V und W, mit denen die Spulen der Synchronmaschine 7 beaufschlagt werden. In einem Eingangsblock 10 werden aus einem Sollmoment und der aktuellen Drehzahl der Synchronmaschine, die als Eingangsgrößen zugeführt werden, Sollströme erzeugt, die einem nachfolgenden Regler 11 zugeführt werden. Im Regler 11 wird die Differenz aus den zugeführten Sollströmen und ebenfalls zugeführten Istströmen gebildet, die in einem Transformationsblock 15 ermittelt werden, dem als Eingang der aktuelle Drehwinkel der Synchronmaschine sowie erste und zweite Phasenströme aus einer Leistungsendstufe 14 zugeführt werden. Auf den Regler 11 folgt ein Entkopplungsblock 12 und darauf eine Pulsweitenmodulation 13, deren Ausgang der Leistungsendstufe 14 zugeführt wird. In der Leistungsendstufe 14 werden die Phasenspannungen U, V, W erzeugt, mit der die Synchronmaschine 7 beaufschlagt werden.
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Die Drehzahl, die als Eingangsgröße in den Block 10 einfließt, wird in einem weiteren Block 16 aus dem aktuellen Drehwinkel der Synchronmaschine ermittelt.
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Die beiden Phasenströme der Leistungsendstufe 14 werden jeweils in einem Strommessshunt ermittelt.
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Die feldorientierte Regelung gemäß 2 wird so lange durchgeführt, wie die Strommessshunts vollständig funktionstüchtig sind und einen korrekten Phasenstrom ermitteln. Fällt dagegen ein Strommessshunt oder fallen beide Strommessshunts aus, wird auf die feldorientierte Steuerung gemäß den 3 bzw. 4 übergegangen. Die feldorientierte Steuerung wird so lange durchgeführt, wie Fehlerfreiheit der feldorientierten Steuerung gewährleistet ist.
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Die in 3 dargestellte feldorientierte Steuerung 20 umfasst wie die feldorientierte Regelung gemäß 2 einen Block 10 zur Erzeugung von Stromsollwerten aus einem Solldrehmoment und der aktuellen Drehzahl der Synchronmaschine 7, die aus dem aktuellen Winkel in dem Block 16 ermittelt wird. Die Stromsollwerte werden einem Spannungsberechnungsblock 17 zugeführt, in den außerdem der aktuelle Drehwinkel der Synchronmaschine einfließt. Die berechnete Spannung aus dem Block 17 wird der Pulsweitenmodulation 13 zugeführt, der die Leistungsendstufe 14 zur Erzeugung der Phasenspannungen U, V, W nachgeschaltet ist.
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Die feldorientierte Steuerung 20 ist außerdem mit einer Einheit 18 zur Software-Plausibilisierung versehen. In der Einheit 18 wird der aktuelle Status der feldorientierten Steuerung 20 ermittelt. Als Eingangsgrößen gehen in die Einheit 18 der an einem Strommessshunt ermittelte Phasenstrom sowie der zweite gemessene Phasenstrom verminderter Qualität ein. Der Phasenstrom verminderter Qualität kann über den Einschaltwiderstand eines Feldeffekttransistors der Leistungsendstufe 14 oder über Hall-Elemente, die an stromführenden Teilen der Leistungsendstufe angebracht sind, ermittelt werden. Zusätzlich können gegebenenfalls weitere Eingangsgrößen in die Einheit 18 zur Ermittlung des aktuellen Status der feldorientierten Steuerung einfließen.
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Ergibt die Software-Plausibilisierung gemäß der Einheit 18, dass die feldorientierte Steuerung fehlerfrei arbeitet, kann die feldorientierte Steuerung ohne zeitliche Begrenzung fortgeführt werden. Ergibt dagegen die Auswertung in der Einheit 18, dass die Software-Plausibilisierung nicht erfolgreich verläuft und somit ein Fehler vorliegt, wird ein entsprechendes Fehlersignal erzeugt, das zum Abbruch der feldorientierten Steuerung führt. Daraufhin fällt die Synchronmaschine 7 aus, so dass im Falle einer Verwendung der Synchronmaschine als Servomotor im Lenksystem die Lenkkraftunterstützung ausfällt und ausschließlich mechanisch gelenkt wird.
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In 4 ist ebenfalls eine feldorientierte Steuerung für die Synchronmaschine 7 dargestellt, die den gleichen Aufbau wie in 3 aufweist. Jedoch ist die feldorientierte Steuerung 20 gemäß 4 mit einer sich unterscheidenden Einheit 19 versehen, über die eine Hardware-Fehlerdiagnose durchgeführt werden kann. Der Einheit 19 werden als Eingangsgrößen die Ausgänge der Pulsweitenmodulation 13, der Ausgang aus dem Spannungsberechnungsblock 17 sowie die gemessenen Phasenströme der Leistungsendstufe 14 zugeführt, von denen ein Phasenstrom über einen Strommessshunt und ein zweiter Phasenstrom verminderter Qualität an dem Einschaltwiderstand eines Feldeffekttransistors der Leistungsendstufe 14 oder über Hall-Elemente, die an stromführenden Teilen der Leistungsendstufe angebracht sind, ermittelt wird.
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Ergibt die Hardware-Fehlerdiagnose im Block 19, dass die feldorientierte Steuerung auf Hardwareebene fehlerfrei funktioniert, kann die feldorientierte Steuerung ohne zeitliche Begrenzung fortgeführt werden. Ergibt dagegen die Fehlerdiagnose, dass hardwareseitig ein Fehler vorliegt, wird die feldorientierte Steuerung 20 beendet. Dementsprechend kann bei einem Einsatz der Synchronmaschine als Servomotor in einem Lenksystem nur noch mechanisch und ohne Lenkkraftunterstützung gelenkt werden.
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Die Software-Plausibilisierung 18 gemäß 3 und die Hardware-Fehlerdiagnose 19 gemäß 4 können unabhängig voneinander in der feldorientierten Steuerung 20 durchgeführt werden. Es kommt sowohl ein gleichzeitiger Betrieb der Einheiten 18 und 19 als auch ein zeitlich versetzter Betrieb in Betracht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenksystem
- 2
- Lenkrad
- 3
- Lenkwelle
- 4
- Getriebegehäuse
- 5
- Lenkzahnstange
- 6
- Vorderrad
- 7
- elektrischer Servomotor/Synchronmaschine
- 8
- Lenkgetriebe
- 9
- feldorientierte Regelung
- 10
- Sollstromberechnung
- 11
- Regler
- 12
- Entkopplung
- 13
- Pulsweitenmodulation
- 14
- Leistungsendstufe
- 15
- Transformation
- 16
- Rechnungsblock
- 17
- Spannungsberechnung
- 18
- Software-Plausibilisierung
- 19
- Hardware-Fehlerdiagnose
- 20
- feldorientierte Steuerung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014224158 A1 [0003]
