DE102015117614A1 - Method for operating a permanent-magnet synchronous machine, in particular a servomotor in a steering system - Google Patents
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Abstract
Bei einem Verfahren zum Betrieb einer permanenterregten Synchronmaschine, die redundant mit mindestens zwei Teilmaschinen betrieben wird, wird für den Fall eines Funktionsverlustes einer Teilmaschine das von der weiteren Teilmaschine maximal bereitgestellte Drehmoment in einer Übergangsphase sukzessive auf ein Grenzdrehmoment reduziert, das kleiner ist als das maximal von der verbliebenen Teilmaschine erzeugbare Drehmomentmaximum.In a method for operating a permanent-magnet synchronous machine, which is operated redundantly with at least two sub-machines, in a case of a loss of function of a sub-machine, the maximum torque provided by the further sub-machine is successively reduced in a transition phase to a limit torque which is smaller than the maximum of the remaining part of machine producible torque maximum.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer permanenterregten Synchronmaschine, insbesondere eines Servomotors in einem Lenksystem.The invention relates to a method for operating a permanent-magnet synchronous machine, in particular a servomotor in a steering system.
Bekannt sind Verfahren zur Ansteuerung einer permanenterregten Synchronmaschine über eine feldorientierte Regelung, 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. Die feldorientierte Regelung wird beispielsweise in der
Bei einem Einsatz einer permanterregten Synchronmaschine als Servomotor in einem Lenksystem erfolgt aus Sicherheitsgründen eine redundante Auslegung mit einer Unterteilung der verschiedenen Phasen des Motors in Teilmaschinen, die unabhängig voneinander angesteuert werden. Bei einem Ausfall einer Teilmaschine reduziert sich schlagartig das von dem Servomotor bereitgestellte Unterstützungsmoment, was für den Fahrer zu einem unangenehmen haptischen Effekt im Lenksystem führen kann.When using a permanent magnet synchronous machine as a servomotor in a steering system, a redundant design with a subdivision of the various phases of the engine in sub-machines, which are controlled independently of each other for safety reasons. In the event of a failure of a dividing machine, the assist torque provided by the servomotor abruptly reduces, which can lead to an unpleasant haptic effect in the steering system for the driver.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine permanenterregte, in Teilmaschinen unterteilte Synchronmaschine in der Weise anzusteuern, dass bei einem Ausfall einer Teilmaschine ein Betrieb mit erhöhter Sicherheit gewährleistet ist.The invention has for its object to control a permanent-magnet, divided into sub-machines synchronous machine in such a way that in case of failure of a sub-machine operation with increased security is guaranteed.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.This object is achieved with the features of
Das erfindungsgemäße Verfahren wird zum Betrieb einer permanenterregten Synchronmaschine verwendet, die beispielsweise als Servomotor in einem Lenksystem eingesetzt wird. Die Synchronmaschine weist vorteilhafterweise rotorseitig Permanentmagnete und statorseitig Spulen bzw. Wicklungen auf, die mit Phasenströmen beaufschlagt werden. Die Ansteuerung erfolgt vorzugsweise über eine feldorientierte Regelung oder über eine feldorientierte Steuerung.The inventive method is used to operate a permanent-magnet synchronous machine, which is used for example as a servomotor in a steering system. The synchronous machine advantageously has permanent magnets on the rotor side and coils or windings on the stator side, which are subjected to phase currents. The control is preferably carried out via a field-oriented control or via a field-oriented control.
Die Synchronmaschine kann in Form von mindestens zwei Teilmaschinen betrieben werden, die unabhängig voneinander über jeweils eine Leistungsendstufe ansteuerbar sind. Jede Leistungsendstufe wird über eine feldorientierte Regelung betrieben. Die Aufteilung in zwei, gegebenenfalls mehr als zwei Teilmaschinen hat den Vorteil, dass auf diese Weise eine redundante Auslegung der Synchronmaschine erreicht wird, so dass auch bei Ausfall einer Teilmaschine ein Drehmoment über die verbliebene Teilmaschine erzeugbar ist. Die Aufteilung in mehrere Teilmaschinen erfolgt vorzugsweise durch Bilden von Teilmengen der Phasenströme, so dass beispielsweise im Fall von zwei Teilmaschinen eine erste Teilmenge der Phasenströme der ersten Teilmaschine und eine zweite Teilmenge der Phasenströme der zweiten Teilmaschine zugeordnet ist. Jede Teilmenge beinhaltet bevorzugt die gleiche Anzahl an Phasen. Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, die Aufteilung in Teilmaschinen durch Zuordnen von Wicklungen bzw. Spulen zu jeweils einer Teilmaschine zu erreichen. Es sind auch Ausführungen mit einer Leistungsendstufe je Phase möglich.The synchronous machine can be operated in the form of at least two sub-machines, which are independently controllable via a respective power output stage. Each power output stage is operated via a field-oriented control. The division into two, optionally more than two sub-machines has the advantage that in this way a redundant design of the synchronous machine is achieved, so that even if one sub-machine fails, a torque can be generated via the remaining sub-machine. The division into several sub-machines is preferably carried out by forming subsets of the phase currents, so that, for example, in the case of two sub-machines, a first subset of the phase streams of the first sub-machine and a second subset of the phase streams of the second sub-machine is assigned. Each subset preferably contains the same number of phases. Additionally or alternatively, it is also possible to achieve the division into sub-machines by assigning windings or coils to a respective sub-machine. There are also versions with a power amplifier per phase possible.
Das Verfahren geht von einem Betrieb der permanenterregten Synchronmaschine mit mindestens zwei Teilmaschinen aus, die unabhängig voneinander angesteuert werden können. Das von der Synchronmaschine erzeugte Drehmoment setzt sich durch Summation der Einzelmomente jeder Teilmaschine zusammen, wobei jede Teilmaschine das gleiche maximale Einzelmoment liefert. Für den Fall eines Funktionsverlustes in einer Teilmaschine oder einer dieser Teilmaschine zugeordneten Einheit, beispielsweise einer Logikeinheit oder einer Leistungsendstufe, kann diese Teilmaschine kein Drehmoment zum Gesamtmoment der Synchronmaschine mehr beitragen. Entsprechend reduziert sich das Drehmomentmaximum, welches von der Synchronmaschine abgegeben werden kann, auf die Summe der Einzelmomente der verbliebenen Teilmaschinen.The method is based on an operation of the permanent-magnet synchronous machine with at least two sub-machines, which can be controlled independently of each other. The torque generated by the synchronous machine is composed by summing the individual moments of each sub-machine, each sub-machine provides the same maximum single torque. In the event of a loss of function in a sub-machine or a unit associated with this sub-machine, for example a logic unit or a power output stage, this sub-machine can no longer contribute torque to the total torque of the synchronous machine. Accordingly, the torque maximum, which can be delivered by the synchronous machine, reduced to the sum of the individual moments of the remaining sub-machines.
Um einen Betrieb der Synchronmaschine mit den verbliebenen Teilmaschinen über einen langen Betriebszeitraum zu gewährleisten, ist es zweckmäßig, die verbliebenen Teilmaschinen nicht mit maximaler Leistung, sondern auf einem Niveau unterhalb der maximalen Leistung zu betreiben. Bei einem Ausfall einer Teilmaschine wird daher das von den weiteren Teilmaschinen bereitgestellte Drehmoment auf ein Grenzdrehmoment reduziert, das unterhalb des maximal von den verbliebenen Teilmaschinen erzeugbare Drehmomentmaximums liegt. Das Grenzdrehmoment gewährleistet die Erfüllung von Minimum-Sicherheitsanforderungen. Beim Ausfall einer weiteren Teilmaschine ist der Drehmomentverlust entsprechend begrenzt.In order to ensure operation of the synchronous machine with the remaining sub-machines over a long period of operation, it is expedient to operate the remaining sub-machines not with maximum power, but at a level below the maximum power. In the event of a failure of a sub-machine, therefore, the torque provided by the further sub-machines is reduced to a limit torque which is below the maximum torque maximum that can be generated by the remaining sub-machines. The limit torque ensures compliance with minimum safety requirements. In case of failure of another sub-machine torque loss is limited accordingly.
Damit insbesondere das subjektive Empfinden während des Abfallens des Drehmoments vom Ausgangsniveau auf das Grenzdrehmoment nicht als signifikant und störend empfunden wird, erfolgt nach dem Ausfall einer Teilmaschine die Reduzierung von dem maximal von den verbliebenen Teilmaschinen erzeugbaren Drehmomentmaximums auf das Grenzdrehmoment nicht schlagartig, sondern sukzessive. Der sukzessive Übergang von dem von den verbliebenen Teilmaschinen erzeugbaren, maximal möglichen Drehmoment auf das Grenzdrehmoment verhindert einen unkomfortablen Zustandswechsel der Synchronmaschine und verhindert dadurch beispielsweise Schreckreaktionen zum Beispiel für den Fall eines Einsatzes der Synchronmaschine als Servomotor in einem Lenksystem eines Fahrzeugs. Die Reduzierung von dem Drehmomentmaximum der verbliebenen Teilmaschinen auf das Grenzdrehmoment fällt üblicherweise geringer aus als die Reduzierung von dem Drehmomentmaximum sämtlicher Teilmaschinen bei maximaler Anforderung auf das Drehmomentmaximum der verbliebenen Teilmaschinen, wobei der sukzessive Übergang beispielsweise von einem Fahrer eines Fahrzeugs nicht oder nur als unwesentliche Reduzierung bemerkt wird.So that in particular the subjective sensation during the fall of the torque from the initial level to the limit torque is not perceived as significant and disturbing, the reduction of the maximum torque that can be generated by the remaining submachines to the limit torque does not occur abruptly after the failure of a submachine, but successively. The successive transition from that of the remaining part machines generated maximum possible torque on the limit torque prevents uncomfortable state change of the synchronous machine and thereby prevents, for example, startle reactions, for example, in the case of use of the synchronous machine as a servomotor in a steering system of a vehicle. The reduction of the torque maximum of the remaining sub-machines to the limit torque is usually lower than the reduction of the torque maximum of all sub-machines at maximum demand on the maximum torque of the remaining sub-machines, the successive transition, for example, not noticed by a driver of a vehicle or only as an insignificant reduction becomes.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist auch bei einem Ausfall einer Teilmaschine ein maximaler Komfort gewährleistet.With the method according to the invention a maximum comfort is ensured even in the event of failure of a part machine.
Das Grenzdrehmoment kann auf ein definiertes, festgelegtes Maß gesetzt werden, das beispielsweise bei 60% oder 70% des von den verbliebenen Teilmaschinen erzeugbaren Drehmomentmaximums liegt. Im Fall von zwei Teilmaschinen, in die die Synchronmaschine aufgeteilt ist, beträgt somit nach dem Ausfall einer Teilmaschine das Drehmomentmaximum der verbliebenen Teilmaschine 30% oder 35% des Drehmomentmaximums beider Teilmaschinen.The limit torque can be set to a defined, defined level, which is, for example, 60% or 70% of the torque maximum that can be generated by the remaining sub-machines. In the case of two sub-machines, in which the synchronous machine is divided, therefore, after the failure of a sub-machine, the maximum torque of the remaining sub-machine is 30% or 35% of the maximum torque of both sub-machines.
Die Reduzierung des Drehmoments von dem Drehmomentmaximum der verbliebenen Teilmaschinen auf das Grenzdrehmoment erfolgt vorzugsweise linear. Es kommen aber auch nicht-lineare Reduzierungsfunktionen in Betracht.The reduction of the torque from the torque maximum of the remaining part machines to the limit torque is preferably linear. However, non-linear reduction functions are also possible.
Die in der Übergangsphase erfolgende Reduzierung des Drehmoments kann auf eine definierte Zeitspanne festgesetzt werden, die beispielsweise 1 s beträgt. Es kann zweckmäßig sein, eine Mindestzeitspanne zu definieren, um beispielsweise im Falle eines elektrischen Servomotors in einem Lenksystem einen für den Fahrer nicht oder kaum bemerkbaren Übergang bis zu dem Grenzdrehmoment durchzuführen.The reduction in torque during the transition phase can be set to a defined period of time, for example 1 s. It may be expedient to define a minimum period of time in order, for example, in the case of an electric servomotor in a steering system, to carry out a transition which is not noticeable to the driver or hardly noticeable, up to the limit torque.
Die Reduzierung auf das Grenzdrehmoment erfolgt für diejenigen Fälle, in denen das Anforderungsdrehmoment größer ist als das Grenzdrehmoment. Es wird somit eine Deckelung des angeforderten Drehmoments auf das Grenzdrehmoment durchgeführt.The reduction to the limit torque occurs for those cases where the demand torque is greater than the limit torque. Thus, a capping of the requested torque is performed on the limit torque.
Dagegen wird vorteilhafterweise das von der mindestens einen funktionsfähigen Teilmaschine bereitgestellte Drehmoment gegebenenfalls auf ein Niveau unterhalb des Grenzdrehmoments eingestellt, falls das Anforderungsdrehmoment geringer ist als das Grenzdrehmoment. In diesen Fällen ist eine Deckelung nicht erforderlich.In contrast, advantageously, the torque provided by the at least one functional sub-machine is optionally set to a level below the limit torque, if the request torque is less than the limit torque. In these cases, a cap is not required.
Tritt im Fall eines Anforderungsdrehmoments unterhalb des Grenzdrehmoments ein Fehler auf, wird die Verteilung des Drehmoments zwischen den Teilmaschinen zweckmäßigerweise so gestaltet, dass es in der Summe zu keiner Veränderung des abgegebenen Drehmoments kommt. Hierbei kann gegebenenfalls das Drehmoment einer Teilmaschine erhöht werden.If an error occurs in the case of a requirement torque below the limit torque, the distribution of the torque between the sub-machines is expediently designed such that in total there is no change in the output torque. In this case, if appropriate, the torque of a submachine can be increased.
Zweckmäßigerweise ist die Synchronmaschine in zwei Teilmaschinen unterteilt. Es kann aber auch vorteilhaft sein, mehr als zwei Teilmaschinen vorzusehen, beispielsweise vier Teilmaschinen mit beispielsweise zwei Logikeinheiten und 12 Leistungsendstufen, wobei jede Logikeinheit zwei Teilmaschinen mit jeweils drei Leistungsendstufen steuert.Conveniently, the synchronous machine is divided into two sub-machines. However, it may also be advantageous to provide more than two sub-machines, for example, four sub-machines with, for example, two logic units and 12 power amplifiers, each logic unit controls two sub-machines, each with three power output stages.
Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung wird das Drehmoment zwischen den verschiedenen Teilmaschinen der Synchronmaschine gleichmäßig aufgeteilt. Dies gilt im Normalbetrieb, so dass beispielsweise bei zwei ordnungsgemäß funktionierenden Teilmaschinen eine Aufteilung von 50% des Drehmomentes auf die Teilmaschinen erfolgt. Aber auch im Fehlerfall, bei einem Funktionsverlust einer Teilmaschine, kann das Drehmoment auf die verbliebenen funktionstüchtigen Drehmaschinen in gleichmäßiger Weise aufgeteilt werden.According to yet another expedient embodiment, the torque is divided equally between the various part machines of the synchronous machine. This is true in normal operation, so that, for example, in two properly functioning sub-machines, a split of 50% of the torque takes place on the sub-machines. But even in case of failure, with a loss of function of a sub-machine, the torque can be divided equally among the remaining working lathes.
Die permanenterregte Synchronmaschine weist gemäß weiterer vorteilhafter Ausführung pro Teilmaschine eine Logikeinheit und vorteilhafterweise eine oder mehrere Leistungsendstufen auf. Eine Logikeinheit kann gegebenenfalls mehrere Teilmaschinen steuern. Der Fehler bzw. Funktionsverlust kann beispielsweise in einer Logikeinheit oder einer Leistungsendstufe auftreten.According to a further advantageous embodiment, the permanent-magnet synchronous machine has one logic unit per submachine and advantageously one or more final output stages. If necessary, a logic unit can control several submachines. The error or loss of function can occur, for example, in a logic unit or a power output stage.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:Further advantages and expedient embodiments can be taken from the further claims, the description of the figures and the drawings. Show it:
Das in
Der Fahrer gibt über das Lenkrad
Zur Unterstützung des vom Fahrer aufgebrachten Handmoments ist ein elektrischer Servomotor
Es kann zweckmäßig sein, im Lenksystem
In
Jeder Teilmaschine der Synchronmaschine
In einer Sollmomentvorgabe
Die Sollmomentvorgabe
Auf Seiten der zweiten Teilmaschine kann aus Redundanzgründen ebenfalls ein zusätzlicher Momentensensor
Die gezackte Wolke in der Leistungsendstufe
Der Übergang T2 im Drehmomentverlauf von 50% des Drehmomentmaximums der ersten Teilmaschine auf 30% der ersten Teilmaschine erfolgt linear. Die Zeitspanne, während der der Übergang T2 zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 durchgeführt wird, beträgt beispielsweise 1 s. Dieser sukzessive Übergang von 50% Drehmomentmaximum der verbliebenen ersten Teilmaschine auf 30%, die ein Grenzdrehmoment darstellen, verhindert einen unkomfortablen Zustandswechsel sowie Irritationen des Fahrers.The transition T 2 in the torque curve from 50% of the maximum torque of the first part machine to 30% of the first part machine is linear. The time span during which the transition T 2 is carried out between the times t 1 and t 2 is, for example, 1 s. This successive transition from 50% torque maximum of the remaining first part machine to 30%, which represent a limit torque, prevents an uncomfortable state change and irritation of the driver.
Zum Zeitpunkt t3 fällt das Grenzdrehmoment T3 auf den Wert 0 ab. Die gezackte Wolke zum Zeitpunkt t3 symbolisiert einen weiteren Ausfall, der die erste, verbliebene Teilmaschine betrifft.At time t 3, the limit torque T 3 falls to 0. The jagged cloud at time t 3 symbolizes a further loss, which relates to the first remaining portion machine.
Im Schaubild gemäß
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Lenksystemsteering system
- 22
- Lenkradsteering wheel
- 33
- Lenkwellesteering shaft
- 44
- Getriebegehäusegearbox
- 55
- LenkzahnstangeSteering rack
- 66
- Vorderradfront
- 77
- elektrischer Servomotor/Synchronmaschineelectric servomotor / synchronous machine
- 88th
- Lenkgetriebesteering gear
- 9a9a
- Sensoriksensors
- 9b9b
- Sensoriksensors
- 10a10a
- Logikeinheitlogic unit
- 10b10b
- Logikeinheitlogic unit
- 11a11a
- feldorientierte Regelungfield-oriented regulation
- 11b11b
- feldorientierte Regelungfield-oriented regulation
- 12a12a
- Leistungsendstufepower output stage
- 12b12b
- Leistungsendstufepower output stage
- 1313
- SollmomentvorgabeTarget torque setting
- 1414
- Verteilereinheitdistribution unit
- 15a15a
- Momentensensortorque sensor
- 15b15b
- Momentensensortorque sensor
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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