DE102015226382A1

DE102015226382A1 - Verfahren und Anordnung zur Überwachung einer PSM-Maschine

Info

Publication number: DE102015226382A1
Application number: DE102015226382.7A
Authority: DE
Inventors: Hassan Lamsahel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2017-06-22
Also published as: CN106911278B; CN106911278A; US10270378B2; US20170179863A1

Abstract

Bereitgestellt wird ein Verfahren zur Überwachung einer PSM-Maschine (100) mit zumindest oder genau drei Phasen (U, V, W), die mittels einer Feldorientierten Steuerung betrieben wird, umfassend folgende Schritte: Erkennen, ob ein oder mehrere an einer Phase der PSM-Maschine (100) angeordnete Stromsensoren (225) ausgefallen ist, wenn ein Ausfall von Stromsensoren (225) erkannt wurde, so dass nur noch einer der Stromsensoren (225) funktionsfähig ist, Berechnen der Spannungszeiger aus Spannungsamplitude und Spannungsphase (U→ s, ΘUsdq; U→ sRef, ΘUsdqRef) der Eingangsspannung der PSM-Maschine (100) in einem d, q-Koordinatensystem auf zwei voneinander unabhängigen Wegen, wobei im ersten Weg eine erste Berechnung der Eingangsspannung basierend auf einem durch einen funktionierenden Stromsensor gemessenen Phasenstrom (Is) und den Sollströmen (IsdRef, IsqRef) sowie dem elektrischen Winkel der Maschine (Θel) erfolgt, und im zweiten Weg eine zweite Berechnung der Eingangsspannung basierend auf Sollwerten der Referenzspannungsamplitude (UsRef) und Referenzspannungsphase (ΘUsdqRef) erfolgt, und Ermitteln der Spannungsamplitude und Spannungsphase (U→ s, ΘUsdq; U→ sRef, ΘUsdqRef) der Eingangsspannung der PSM-Maschine (100) Vergleichen der Werte der jeweils im ersten und zweiten Weg aus der Eingangsspannung ermittelten Spannungsamplitude und Spannungsphase (U→ s, ΘUsdq; U→ sRef, ΘUsdqRef) miteinander. Ferner wird eine entsprechende Anordnung bereitgestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer PSM-Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Anordnung zur Überwachung einer PSM-Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
Permanenterregte Synchronmaschinen, auch PSM-Maschinen genannt, werden an Bord eines Kraftfahrzeugs für unterschiedliche Zwecke verwendet, z. B. für eine Lenkkraftunterstützung, einen Traktionsantrieb oder andere Antriebe. Eine PSM-Maschine ist eine Drehfeldmaschine mit einem auf oder im Läufer angeordneten Permanentmagneten. Der zumindest eine Stator umfasst Wicklungen dreier oder mehr Phasen und bildet sich aus den mit einem Winkel von 120 Grad verteilten Phasen. Die Spulen der Phasen sind auf einem Umfang um eine Drehachse verteilt, gegenüber der der Rotor bezüglich des Stators drehbar gelagert ist.
Die Zustandsgrößen der PSM-Maschine wie z. B. Strom, Spannung, Fluss etc., können in dem Drei-Koordinatensystem (U, V, W) dargestellt werden, wie in 1 gezeigt. Für die Regelung der PSM-Maschine werden die Zustandsgrößen der Maschine in ein mit dem Rotor drehenden Koordinatensystem (d, q) transformiert, wobei die d-Achse in gleichem Sinn des Permanentflusses des Läufers gerichtet wird, was ebenfalls in 1 gezeigt ist. Das gezeigte α, β-System ist das feste Zwei-Koordinatensystem des Stators. Mit der Transformation der Zustandsgrößen in das d, q-Koordinatensystem vereinfachen sich die differentiellen Gleichungen der PSM-Maschine und die PSM-Maschine kann wie eine Gleichstrommaschine geregelt werden. Dies wird als feldorientierte Regelung oder FOR bezeichnet. Bei einer Feldorientierten Regelung wird ein Gesamt-Soll-Strom, der durch die Drehfeldmaschine fließen soll, bezüglich eines rotor(fluss)festen d, q-Koordinatensystems bestimmt, so dass einige Steuer- bzw. Regelungsvorgänge einfacher durchzuführen sind und einige Berechnungen vereinfacht werden.
Üblicherweise werden elektrische Ströme durch die einzelnen, meist sternförmig verschalteten, Phasen abgetastet. Bei dieser Schaltung ist die Summe von Strömen durch die einzelnen Phasen stets Null. Das heißt, dass der Phasenstrom durch eine der Phasen daher aus der Summe der Phasenströme der anderen beiden Phasen bestimmt werden kann. Fällt allerdings ein Stromsensor zur Bestimmung des Phasenstroms einer der Phasen aus, so kann die Feldorientierte Regelung mit nur einem Stromsensor üblicherweise nicht mehr durchgeführt werden. Bei bekannten Verfahren ist die Messung von Strömen zur Diagnose nötig. Ein Betrieb kann allerdings noch möglich sein.
Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Überwachungsmöglichkeit des Regelverhaltens einer PSM-Maschine bereitzustellen, wenn ein Stromsensor ausfällt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Überwachung einer PSM-Maschine mit zumindest oder genau drei Phasen, die mittels einer Feldorientierten Steuerung betrieben wird, umfassend folgende Schritte. Erkennen, ob ein oder mehrere an einer Phase der PSM-Maschine angeordnete Stromsensoren ausgefallen sind; wenn ein Ausfall von einem oder mehreren Stromsensoren erkannt wurde, so dass nur noch einer der Stromsensoren (225) funktionsfähig ist, Berechnen der Spannungszeiger aus Spannungsamplitude und Spannungsphase der Eingangsspannung der PSM-Maschine in einem d, q-Koordinatensystem auf zwei voneinander unabhängigen Wegen, wobei im ersten Weg eine erste Berechnung der Eingangsspannung basierend auf einem durch einen funktionierenden Stromsensor gemessenen Phasenstrom und den Sollströmen sowie dem elektrischen Winkel der Maschine erfolgt, und im zweiten Weg eine zweite Berechnung der Eingangsspannung basierend auf Sollwerten der Referenzspannungsamplitude und Referenzspannungsphase erfolgt. Nach der Berechnung erfolgen ein Ermitteln der Spannungsamplitude und Spannungsphase der Eingangsspannung der PSM-Maschine und ein Vergleich der jeweils im ersten und zweiten Weg aus der Eingangsspannung ermittelten Spannungsamplitude und Spannungsphase miteinander.
In einer Ausgestaltung erfolgt in dem ersten Weg die Berechnung der Spannungszeiger aus Spannungsamplitude und Spannungsphase (U →_s, Θ_Usdq; U →_sRef, Θ_UsdqRef) der Eingangsspannung basierend auf der Phase des Stromzeigers Θ_I und der Stromzeigeramplitude I →_S, wobei die Phase des Stromzeigers Θ_I über den Lastwinkel Θ_{Last Ref} und den elektrischen Winkel Θ_el der Maschine aus nachfolgend beschriebenen Gleichungen 2 und 3 folgt berechnet wird, und die Stromzeigeramplitude I →_S abhängig von der gemessenen Komponente des Stromzeigers im U, V, W-Koordinatensystem I_su, I_sv oder I_sw gemäß nachfolgend beschriebenen Gleichungen 4 bis 6 berechnet wird.
Durch die spannungsabhängige Überwachung des Regelverhaltens der PSM-Maschine kann auch bei Ausfall eines Stromsensors eine effektive Überwachung der Maschine erfolgen, anders als bei bekannten Verfahren, bei denen bei Ausfall eines Stromsensors wie oben beschrieben keine weitere Überwachung der Maschine möglich ist. Ferner kann durch das Verfahren eine erhebliche Kostenersparnis erfolgen, da lediglich zwei Stromsensoren benötigt werden, das Regelverhalten zu überwachen, auch wenn einer davon ausfällt.
In einer Ausgestaltung erfolgt der Vergleich der beiden ermittelten Spannungszeiger durch Bilden einer Differenz der in der ersten und der zweiten Berechnung ermittelten Werte für Spannungsamplitude und die Spannungsphase. Vorteilhafterweise erfolgt eine Auswertung, wenn eine Abweichung zwischen den Werten erkannt wird, welcher Fehler vorliegt. Vorteilhafterweise erfolgt basierend auf dem erkannten Fehler zumindest eine Maßnahme aus Senden eines Fehlersignals, Ausschalten der Maschine, Ändern der Maschinenparameter.
Durch die Bereitstellung von zwei unterschiedlich erhaltenen Spannungszeigern können auf einfache Weise, z. B. durch Bilden einer Differenz, Abweichungen vom Normalzustand der Maschine erkannt, ausgewertet und Maßnahmen ergriffen werden, um die Fehler zu beheben. Die Art der Auswertung, welcher Fehler vorliegt, hängt dabei von der Anwendung ab. Es kann durch Bilden eines Mittelwerts, durch Integration oder andere Methoden zur Fehlererkennung, erkannt werden, welcher Fehler vorliegt. Abhängig von der Art des Fehlers können dann Maßnahmen eingeleitet werden, vom Ausgeben eines Warnsignals bis hin zur sofortigen Abschaltung der Anwendung, in der der Fehler vorliegt. Welche Maßnahme ergriffen wird, hängt dabei von der Anwendung, der Art und der Gewichtung des Fehlers ab und wird vom Fachmann bestimmt.
In einer weiteren Ausgestaltung werden bei der zweiten Berechnung die Sollwerte der Referenzspannungsamplitude und Referenzspannungsphase aus einem vorherigen Abtastschritt und der Zwischenkreisspannung berechnet. In einer weiteren Ausgestaltung werden die Spannungsamplitude und die Spannungsphase für die erste und die zweite Berechnung durch Transformation der d, q-Komponenten der Eingangsspannung in die Poldarstellung erhalten.
Durch die Verwendung von bekannten Maschinenparametern und geschickte mathematische Berechnungen und Transformationen können in einer einfachen und kostengünstigen Art und Weise die Spannungszeiger berechnet bzw. bestimmt werden. Durch die Einfachheit der Berechnung wird die Sicherheit des Systems erhöht und es werden weniger komplexe Einrichtungen bzw. Verfahrensschritte benötigt, um zuverlässige Werte zur Überwachung der Maschine zu erhalten.
Vorgesehen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung des Weiteren eine Anordnung zur Überwachung einer PSM-Maschine mit zumindest oder genau drei Phasen, die mittels einer Feldorientierten Steuerung betrieben wird, zumindest umfassend zumindest einen an jeder Phase der PSM-Maschine angeordneten Stromsensor, der dazu eingerichtet ist, den Phasenstrom der Phase zu messen, ein Mittel zur Erfassung des Maschinenwinkels, sowie eine Abtasteinrichtung zur Abtastung des Phasenstroms zumindest einer der Phasen. Ferner sind eine Einrichtung zur Durchführung des vorher beschriebenen Verfahrens sowie eine Fehlererkennungseinrichtung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, einen Ausfall eines Stromsensors zu erkennen oder zu erkennen, dass nur noch ein Stromsensor funktionsfähig ist, und für die erste Berechnung des Spannungszeigers einzustellen, dass die Stromphase eines der anderen Stromsensoren verwendet wird.
In einer Ausgestaltung umfasst die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens eine Einrichtung zur Durchführung der ersten Berechnung des Spannungszeigers der Eingangsspannung der PSM-Maschine, eine Einrichtung zur Durchführung der zweiten Berechnung des Spannungszeigers der Eingangsspannung der PSM-Maschine, eine Vergleichseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die jeweiligen bei der ersten und bei der zweiten Berechnung berechneten Spannungszeiger aus gemessenem Phasenstrom und Sollwerten miteinander zu vergleichen. Vorzugsweise umfasst die Einrichtung ferner eine Auswerteeinrichtung zur Bestimmung eines erkannten Fehlers.
Der Vorteil bei der Bereitstellung der Anordnung ist, dass sowohl mehrere Hardwarekomponenten als auch eine einzige Komponente, wie beispielsweise ein Mikrochip, auf dem die einzelnen Verfahrensschritte z. B. als Software implementiert sind, verwendet werden können. Ferner weist die Anordnung und deren Ausgestaltungen dieselben Vorteile wie vorher für das Verfahren beschrieben auf. Es wird eine spannungsbasierte Überwachung des Regelverhaltens einer PSM-Maschine bereitgestellt, wodurch viele Störeffekte erkannt und entsprechende Maßnahmen ergriffen werden können. Dies resultiert in höherer Sicherheit des Systems, geringeren Kosten und der Möglichkeit, in einfacher Weise viele Störeffekte zu überwachen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
1 zeigt eine Drehfeldmaschine mit unterschiedlichen Koordinatensystemen.
2 zeigt ein Strukturbild einer Anordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine bekannte Drehfeldmaschine 100, insbesondere eine PSM-Maschine, die einen Stator (nicht gezeigt) und einen Rotor 101 umfasst, die bezüglich einer Drehachse 102 drehbar gegeneinander gelagert sind. Am Stator sind wenigstens drei Spulen gleichmäßig um 120 Grad verteilt auf einem Umfang um die Drehachse 102 angebracht. Es sind drei Phasen U, V und W vorgesehen. Jede der Phasen U, V, W ist in der Regel mit gleich vielen Spulen verbunden, die in gleichem Abstand auf dem Umfang verteilt sind. Die Polpaarzahl und die damit verbundene Anzahl der Spulen ist je nach Anwendung wählbar. Auf dem Rotor 101 ist vorzugsweise zumindest ein Permanentmagnet 103 angeordnet, wobei ein Drehmoment bei Ansteuerung der Phasen U, V, W mit phasenverschobenen Wechselströmen generiert wird, das den Rotor 101 um die Drehachse 102 bezüglich des Stators dreht.
Eine 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 I →_S auch in einem statorfesten, zweidimensionalen α/β-Koordinatensystem dargestellt werden. Ferner ist in 1 ein rotorfestes d, q-Koordinatensystem vorgesehen, dessen d-Komponente gleichgerichtet mit dem magnetischen Fluss Ψ_PM des Permanentmagneten 103 verläuft. Eine q-Komponente verläuft senkrecht dazu. Ein Winkel zwischen der d-Achse und der α- bzw. U-Achse entspricht einem elektrischen Drehwinkel Θ_d oder Θ_el der Drehfeldmaschine 100 zwischen dem Rotor 101 und dem Stator. Ein elektrischer Drehwinkel Θ_d oder Θ_el entspricht dem mechanischen Drehwinkel multipliziert mit der Polpaarzahl.
2 zeigt ein Strukturbild einer Anordnung zur Feldorientierten Steuerung FOS einer Drehfeldmaschine 100 gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Im Normalfall wird die Feldorientierte Regelung FOR für die Ansteuerung einer PSM-Maschine verwendet. Um die gegenseitige Wirkung der beiden Achsen d und q zu kompensieren, können Entkopplungen eingeführt werden. Für die Strommessung wird in jede Phase oder mindestens in zwei der Phasen ein Stromsensor 225 eingesetzt. In der Automobilindustrie werden häufig aus Kostengründen nur zwei Stromsensoren eingesetzt. Die dritte Phase wird aus diesen beiden Strömen gemäß Gleichung Gl. 1 gerechnet. I_sw = –I_su – I_sv (Gl. 1)
Fällt ein Stromsensor aus bzw. ist nur noch ein Stromsensor funktionsfähig, wird auf die in 2 gezeigte FOS umgeschaltet. Im Bereich von 2, der nicht innerhalb des mit durchbrochener Linie gekennzeichneten Kastens liegt, ist eine FOS schematisch dargestellt. Eine Steuerkomponente 205 generiert auf der Basis von vorgegebenen d- und q-Komponenten I_sdRef, I_sqRef eines Gesamt-Sollstroms der Drehfeldmaschine 100 d- und q-Komponenten U_sd(k), U_sq(k) einer Spannung. Die d- und q-Komponenten I_sdRef, I_sqRef spannen einen Stromvektor auf, der dem Gesamt-Sollstrom 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(k), U_s2(k), U_s3(k), die mittels eines Vektormodulators 215 auf der Basis einer Zwischenkreisspannung U_dc in drei korrespondierende Pulsweitenmodulationssignale PWM_1(k), PWM_2(k), und PWM_3(k) umgesetzt werden. Die Zwischenkreisspannung U_dc kann bei Einsatz in einem Kraftfahrzeug einer Bordspannung oder 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 U_dc zu verbinden, sodass sich an der Phase U, V, W eine gewünschte Spannung einstellt. Die angelegten Spannungen bewirken Ist-Phasenströme I_su, I_sv und I_sw durch die Phasen U, V und W. Mindestens ein Ist-Phasenstrom I_su, I_sv, I_sw wird mittels zumindest einer Abtasteinrichtung 225 abgetastet, welche auch Stromsensoren umfasst.
Abgesehen von der Drehfeldmaschine 100, dem Pulswechselrichter 220, der Abtasteinrichtung bzw. dem bzw. den Stromsensoren 225 und dem Positionssensor 230 sind die dargestellten Elemente bzw. Blöcke üblicherweise als Verfahrensschritte eines Verfahrens ausgeführt, das auf einer Verarbeitungseinrichtung abläuft, die vorzugsweise 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 auch als Darstellung eines Verfahrens begriffen werden.
Um eine Überwachung der PSM-Maschine auch bei einem Ausfall eines der Stromsensoren 225 zu gewährleisten, wird wie in 2 zu sehen, eine Erweiterung der Drehfeldmaschine 100 vorgeschlagen, die im oberen Bereich von 2 in einem Kasten mit durchbrochener Linie dargestellt ist. 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.
Prinzipiell erfolgt die Überwachung des Regelverhaltens der PSM-Maschine, indem der gemessene Phasenstrom der Phase, die noch einen funktionierenden Stromsensor 225 aufweist, für die Berechnung der Eingangsspannung der Maschine verwendet und diese dann mit der Sollspannung bzw. der Referenzspannung der Maschine verglichen wird. Das heißt, dass die PSM-Maschine bei Ausfall eines Stromsensors, anders als bei bisher vorgeschlagenen Verfahren, über eine Spannungsdiagnose überwacht wird, so dass damit auch gleichzeitig über die Spannung erkennbare Störeffekte wie z. B. Kurzschluss in der Maschine, Winkelfehler im Positionssensor oder große Parameterschwankungen detektiert werden und entsprechende Korrekturmaßnahmen eingeleitet werden können.
Vorgeschlagen wird eine Überwachung der Maschine bei Stromsensorausfall basierend auf der Berechnung der Eingangsspannungen der Maschine im d, q-Koordinatensystem über zwei unterschiedliche Wege. Dabei wird das Ergebnis der beiden Berechnungen verglichen und ausgewertet. Nachfolgend werden beide Berechnungen im Detail beschrieben.
Die erste Berechnung der Eingangsspannung der Maschine erfolgt über Messgrößen der Maschine, hier über den Maschinenstrom und die Maschinendrehzahl, sowie über bekannte Maschinenparameter, wie nachfolgend beschrieben.
Bei einem Stromsensorausfall ist mindestens einer der beiden Stromsensoren 225 noch in Takt, so dass damit der Phasenstrom dieser Phase gemessen werden kann. Das heißt, dass mindestens eine Komponente des Phasenstromzeigers im U, V, W-Koordinatensystem verfügbar ist. Aus dieser gemessenen einzelnen Komponente des Stromzeigers und den Sollströmen I_sdRef und I_sqRef können die beiden anderen Komponenten des Stromzeigers im U, V, W-Koordinatensystem ermittelt werden, so dass eine Berechnung der Maschinenspannung im d, q-Koordinatensystem durchgeführt werden kann. Hierfür wird der von z. B. dem Positionssensor 230 ermittelte elektrische Winkel Θ_el zusätzlich zu den beiden d- und q-Sollstromwerten I_sdRef und I_sqRef verwendet.
Da die FOS eine gewählte Dynamik aufweist, d. h. die geforderten d, q-Ströme werden erst nach einer gewissen Zeit eingestellt, wird diese Verzögerung in der Regel über Filter 270, z. B. einen Tiefpassfilter oder andere geeignete Filter, nachgebildet. Zeitkonstanten der Filter 270 können voneinander unterschiedlich sein, wobei sie bevorzugt so gewählt werden, dass die Dynamik der FOS nachgebildet wird, d. h. die meisten in dem Filter gefilterten Sollströme weisen den gleichen Verlauf wie die Ströme in der Maschine auf. Durch die verzögerten Sollwerte der d, q-Ströme I_sdRefF und I_sqRefF können die nachgebildeten, in das d, q-Koordinatensystem transformierten Phasenströme der Maschine erhalten werden, wie nachfolgend beschrieben. Die Gleichungen werden durch entsprechende Vorrichtungen, wie in 2 gezeigt, ausgeführt und können auch als reine Verfahrensschritte wie oben beschrieben ausgeführt werden.
Gleichung Gl. 2 zeigt, wie aus den gefilterten Strömen I_sdRefF und I_sqRefF der Lastwinkel der Maschine Θ_{Last Ref} errechnet wird. Θ_{Last Ref} = arctan IsqRefF / IsdRefF (Gl. 2)
Die Phase des Stromzeigers Θ_I kann über den Lastwinkel Θ_{Last Ref} und den elektrischen Winkel Θ_el der Maschine berechnet werden: Θ_I = Θ_el + Θ_{Last Ref} (Gl. 3)
Für die Berechnung der Amplitude des Stromzeigers werden die gemessene Komponente des Stromzeigers im U, V, W-Koordinatensystem I_su, I_sv oder I_sw und die berechnete Phase des Stromzeigers Θ_I aus Gl. 3 verwendet. Dabei sind abhängig von der gemessenen Komponente des Stromzeigers im U, V, W-Koordinatensystem drei unterschiedliche Gleichungen zu unterscheiden.
Für den Fall, dass der Strom in der Phase U gemessen wird, wird die Amplitude des Stromzeigers aus folgender Gleichung errechnet: ||I →_S|| = Isu / cos(ΘI) (Gl. 4)
Für den Fall, dass der Strom in der Phase V gemessen wird, wird die Amplitude des Stromzeigers aus folgender Gleichung errechnet:
Für den Fall, dass der Strom in der Phase W gemessen wird, wird die Amplitude des Stromzeigers aus folgender Gleichung errechnet:
Zu beachten ist, dass die Berechnungen aus den Gleichungen 4 bis 6 nicht bei einem Nenner gleich Null ausgeführt werden können, so dass keine Berechnung um eine Bandbreite nahe der Null des Nenners durchgeführt wird. Ab welcher Nähe zur Null keine Berechnungen mehr durchgeführt werden hängt dabei von der verfügbaren Rechenleistung und der Anwendung ab und wird vom Fachmann entsprechend entschieden.
Die Stromkomponenten I_sα und I_sβ im α, β-Koordinatensystem werden über die in Gl. 3 berechnete Phase und den in einer der Gleichungen Gl. 4, Gl. 5 oder Gl. 6 berechneten Betrag des Stromzeigers erhalten:
Aus den beiden berechneten Stromkomponenten I_sα und I_sβ können die d, q-Stromkomponenten der Maschine I_sd und I_sq wie folgt berechnet werden:
Durch Einsetzen der berechneten Ströme I_sd und I_sq aus Gl. 8 können mittels Differenzialgleichungen der Maschine die Spannungen der Maschine im d, q-Koordinatensystem berechnet werden:
Die Spannungsamplitude U_s und Spannungsphase Θ_Usdq der Maschine im d, q-Koordinatensystem wird durch Transformation der beiden d, q-Komponenten aus den Gleichungen Gl. 9 und Gl. 10 in die Poldarstellung erhalten:
Wobei Gleichung Gl. 12 alle Quadranten berücksichtigt.
Die zweite Berechnung der Eingangsspannung der Maschine erfolgt wie nachfolgend genauer beschrieben über die Ermittlung von Sollwerten, die über die PWM-Werte aus einem vorhergehenden Abtastschritt PWM_X(k-1) und der Zwischenkreisspannung U_dc berechnet werden. Da die PWM-Werte aus dem vorherigen Abtastschritt (k – 1) erst am Anfang des neuen Abtastschrittes k im Wechselrichter 220 eingestellt werden, sind die Drehzahl und die abgetasteten Ströme für die erste Berechnung der Spannungen U_sdRef und U_sqRef synchron zu den verwendeten PWM-Werten für die zweite Berechnung der Spannungen.
Die Spannungen U_sdRef und U_sqRef werden wie folgt berechnet:
wobei Θ_el/Neu = Θ_el + ω_el·ΔT_UOffset, (Gl. 15), wobei ΔT_UOffset ein Zeit-Offset zwischen Null und T_A/2 liegt, wobei T_A die Abtastzeit des Regelsystems darstellt.
Analog zu oben Genanntem gilt dasselbe für die Referenzspannung. Die Referenzspannungsamplitude U_sRef und die Referenzspannungsphase Θ_UsdqRef der Maschine im d, q-Koordinatensystem werden aus nachfolgenden Gleichungen erhalten:
Durch den Vergleich der beiden in der ersten und der zweiten Berechnung ermittelten Phasenspannungszeiger der Maschine, also Phase und Amplitude, kann erkannt werden, ob ein Fehlverhalten vorliegt.
Genauer werden der Phasenspannungszeiger des gemessenen Phasenstroms (Gl. 11) und der Phasenspannungszeiger des Referenzwerts (Gl. 16) sowie der Phasenspannungszeiger der gemessenen Drehzahl (Gl. 12) und der Phasenspannungszeiger der Referenzdrehzahl (Gl. 17) verglichen. Dies geschieht z. B. durch die Spannungsvergleichseinrichtung 260. Die Gleichungen Gl. 2 bis Gl. 8 können beispielsweise in einer ersten Berechnungseinrichtung 240 berechnet werden, und Gl. 9 und Gl. 10 können beispielsweise in einer zweiten Berechnungseinrichtung 250 berechnet werden. Allerdings ist die Berechnung nicht auf die gezeigten Berechnungseinrichtungen beschränkt, die Berechnungen können vielmehr auch in einer einzigen Berechnungseinrichtung berechnet werden, je nachdem, welcher Aufbau der Überwachungseinrichtung gewählt wird.
Durch den Vergleich der gemessenen Werte mit den Referenzwerten kann das Verhalten der Maschine auch bei Ausfall eines Stromsensors basierend auf einem Spannungsvergleich ermittelt werden. Dabei können bestimmte Fehler erkannt werden, beispielsweise ein Phasenabriss, Wicklungskurzschlüsse, Positionsfehler oder große Parameterschwankungen. Wenn die beiden verglichenen Phasenspannungszeiger gleich sind, also keine Abweichung vorliegt, dann ist das Verhalten der Maschine als in Ordnung einzustufen, immer bezogen auf die zu beobachtenden Fehlermöglichkeiten. Wenn eine Abweichung zwischen den Phasenspannungszeigern erkannt wird, dann kann diese mittels einer Auswerteeinrichtung 280 ausgewertet werden. Eine Auswertung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, z. B. durch Bilden eines Mittelwertes, Integration der Abweichungen über die Zeit und andere dem Fachmann bekannte Methoden, eine Fehlfunktion zu detektieren.
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die in 2 gezeigte Steuerkomponente 205 d- und q-Komponenten einer Spannung auf der Basis eines gewünschten Gesamt-Sollstroms durch die Drehfeldmaschine 100 bestimmt, bevorzugt basierend auf den folgenden Gleichungen 18 und 19:
Die in den Gleichungen 18 und 19 verwendeten Strom-Komponenten I_{sd_k}, I_{sq_k} entsprechen den in 2 gezeigten Strom-Komponenten I_sdRef, I_sqRef des Gesamt-Sollstroms der Drehfeldmaschine 100, die dort den Stromfiltern 270 und der Steuerkomponente 205 der FOS zugeführt werden.
In den Gleichungen verwendete Zeichen:

ω_el:: elektrische Winkelgeschwindigkeit
θ_m:: mechanischer Winkel
θ_el:: elektrischer Winkel
Zp:: Polpaarzahl der der Maschine
U_sα, U_sβ:: Spannungen in α, β-Koordinatensystem
U_{sd_k}, U_{sq_k}:: geforderte Spannungen in d, q-Koordinatensystem (aktuell)
U_{sd_k-1}, U_{sq_k-1}:: geforderte Spannungen in d, q-Koordinatensystem (ein Abtast schritt zuvor); wobei die Spannung Usq_k-1 die Spannung Usq_k ohne den Term (ω_·Ψ_PM) ist
I_{sd_k-1}, I_{sq_k-1}:: Sollströme I_sdRef und I_sqRef aus altem Abtastschritt
Rs:: Statorwiderstand der Maschine
Ψ_PM:: Polradfluss der Maschine
T_Ed:: elektrische Zeitkonstante der Maschine in d-Achse (= Lsd/R)
T_Eq:: elektrische Zeitkonstante der Maschine in q-Achse (= Lsq/R)
T₁:: gewünschte Zeitkonstante in d-Achse
T₂:: gewünschte Zeitkonstante in q-Achse
T = T_A:: verwendete Regler-Abtastzeit
U_dc:: Zwischenkreisspannung (entspricht in manchen Anwendungen der Automobilindustrie einer Batteriespannung)
PWM_1,2,3:: PWM-Werte zur Ansteuerung des Wechselrichters

Das vorhergehend beschriebene Verfahren zur Überwachung des Regelverhaltens einer PSM-Maschine bei Ausfall eines Stromsensors wird durch Vergleichen, d. h. Bilden einer Differenz, von gemessenen Spannungszeigern der Maschine im d, q-Koordinatensystem mit Referenzwerten erzielt. Diese Differenz zwischen den beiden Spannungen und Amplituden kann durch weitere Einrichtungen ausgewertet werden, d. h. es kann beispielsweise ein Warnsignal ausgegeben werden oder ein Befehl zum sofortigen Neustart oder Ausschalten der Maschine gegeben werden, abhängig von dem erkannten Fehler. Dabei wird mittels der Fehlererkennungseinrichtung 290, in 2 als „SensFailure” bezeichnet, abhängig von der Phase mit dem fehlenden oder defekten Stromsensor der Strom der anderen Maschinenphase mit funktionierendem Stromsensor für die Berechnung des Stromzeigers der Maschine verwendet. Zuerst werden die Maschinen-Sollströme I_sdRef und I_sqRef gefiltert, wobei in der gezeigten Darstellung für I_sdRef Filter 1 270, welcher die Dynamik der FOS in d-Achse (Gl. 18) nachbildet, und für I_sqRef Filter 2 270 verwendet wird, der die Dynamik der FOS in q-Achse (Gl. 19) nachbildet. Mit den gefilterten d, q-Sollstromwerten kann der Lastwinkel der Maschine nachgebildet werden (Gl. 2). Die Phase des Stromzeigers wird dann durch Gl. 3 ermittelt und die Amplitude des Stromzeigers wird abhängig vom noch funktionierenden Phasenstromsensor aus einer der Gleichungen Gl. 4 bis Gl. 6.
Mit der Berechnung des Stromzeigers können die Ströme I_sd und I_sq aus Gleichungen Gl. 7 und Gl. 8 berechnet und daraus können über die Differenzialgleichungen der Maschine die beiden Spannungen U_sd und U_sq ermittelt werden (Gl. 9 und Gl. 10). Auf der anderen Seite können die Referenzspannungen der Maschine im d, q-Koordinatensystem über die PWM-Werte aus dem vorhergehenden Abtastschritt (k – 1), der Zwischenkreisspannung des Wechselrichters und dem elektrischen Winkel der Maschine berechnet werden (Gl. 13, Gl. 14, Gl. 15). In Gl. 15 wird der elektrische Winkel der Maschine zur Transformation der Spannungen U_sα und U_sβ wegen Diskretisierungsfehlern angepasst. Im Block „Spannnung-Vergleich” 260 in 2 werden die Amplituden (Gl. 11 und Gl. 16) sowie die Phasen (Gl. 12 und Gl. 17) des Spannungszeigers verglichen und eine Differenz gebildet, welche dann im Block „Auswertung” 280 ausgewertet werden. Die Auswertung erfolgt dabei wie oben beschrieben.
Durch die vorliegende Erfindung werden unterschiedliche Vorteile erzielt. Anders als bei bisherigen Überwachungsverfahren, bei denen die Verwendung der beiden Diagnosen zur Überwachung des Positionssensors und der Maschinenleistung entfallen, weil die notwendigen Phasenströme der Maschine nicht gemessen werden können, ist dies für die erfindungsgemäße Spannungsüberwachung bei der FOR, also der Feldorientierten Regelung, kein Thema. Aufgrund der Überwachung über Spannungen kann auch bei Ausfall eines Stromsensors eine Überwachung der PSM-Maschine erfolgen, wobei dadurch mehr Komponenten der Maschine überwacht werden können als bei bisherigen Verfahren. Es können beispielsweise eine Überwachung der PSM-Maschine vor Phasenausfall, Wicklungskurzschlüsse, Parameterschwankungen, Winkelfehler etc, also alle Komponenten, die mittels Spannung überwacht werden können, überwacht werden, wenn ein Stromsensor ausfällt bzw. wenn nur noch 1 Stromsensor funktionsfähig ist. Somit können kritische Situationen rechtzeitig erkannt und geeignete Maßnahmen zur Behebung des Fehlers eingeleitet werden.
Bei der erfindungsgemäßen Spannungsüberwachung des Regelverhaltens der PSM-Maschine reichen zwei Stromsensoren zur Diagnose aus, es können Bauteile eingespart werden, z. B. Sensoren, A/D-Wandler, Platinenfläche etc., so dass eine Kostenersparnis erzielt wird, was bei Millionen Stückzahlen ein großer Vorteil ist. Ferner können Spannungs- bzw. Leistungsverluste reduziert werden, die durch die Messeinrichtung der Phasenströme über einen Shunt-Widerstand verursacht werden.
Zusammenfassend kann durch die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung auch bei einem Ausfall eines Stromsensors eine effektive Überwachung der Maschine gewährleistet werden, so dass eine längere Verwendung der Anwendung, in der die Überwachungseinrichtung eingebaut ist, erzielt werden kann, was auch zu einer höheren Sicherheit führen kann, z. B. im Notbetrieb. Eine höhere Sicherheit kann z. B. bei Verwendung in einer elektrischen Servolenkung erzielt werden, da bei einem Ausfall des Stromsensors kein abrupter Halt erfolgen muss, sondern noch eine Fahrt z. B. bis zur nächsten Werkstatt oder nach Hause erfolgen kann.
Bezugszeichenliste

100: Drehfeldmaschine
101: Rotor
102: Drehachse
103: Permanentmagnet
I →_S: Stromzeiger bzw. Stromvektor U, V, W Phasen
Ψ_PM: Fluss des Permanentmagneten
Θ_d: elektrischer Drehwinkel
205: Steuerkomponente
210: Umsetzer
215: Vektormodulator
220: Pulswechselrichter
225: Abtasteinrichtung/Stromsensoren
230: Positionssensor
240: Erste Berechnungseinrichtung
250: Zweite Berechnungseinrichtung
260: Spannungsvergleichseinrichtung
270: Filter
280: Auswerteeinrichtung
290: Fehlererkennungseinrichtung

Claims

Verfahren zur Überwachung einer PSM-Maschine (100) mit zumindest oder genau drei Phasen (U, V, W), die mittels einer Feldorientierten Steuerung betrieben wird, umfassend folgende Schritte: – Erkennen, ob ein oder mehrere an einer Phase der PSM-Maschine (100) angeordnete Stromsensoren (225) ausgefallen ist, – wenn ein Ausfall von Stromsensoren (225) erkannt wurde, so dass nur noch einer der Stromsensoren (225) funktionsfähig ist, Berechnen der Spannungszeiger aus Spannungsamplitude und Spannungsphase (U →_s, Θ_Usdq; U →_sRef, Θ_UsdqRef) der Eingangsspannung der PSM-Maschine (100) in einem d, q-Koordinatensystem auf zwei voneinander unabhängigen Wegen, wobei im ersten Weg eine erste Berechnung der Eingangsspannung basierend auf einem durch einen funktionierenden Stromsensor gemessenen Phasenstrom (I_s) und den Sollströmen (I_sdRef, I_sqRef) sowie dem elektrischen Winkel der Maschine (Θ_el) erfolgt, und im zweiten Weg eine zweite Berechnung der Eingangsspannung basierend auf Sollwerten der Referenzspannungsamplitude (U_sRef) und Referenzspannungsphase (Θ_UsdqRef) erfolgt, und – Ermitteln der Spannungsamplitude und Spannungsphase (U →_s, Θ_Usdq; U →_sRef, Θ_UsdqRef) der Eingangsspannung der PSM-Maschine (100) – Vergleichen der Werte der jeweils im ersten und zweiten Weg aus der Eingangsspannung ermittelten Spannungsamplitude und Spannungsphase (U →_s, Θ_Usdq; U →_sRef, Θ_UsdqRef) miteinander.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem ersten Weg die Berechnung der Spannungszeiger aus Spannungsamplitude und Spannungsphase (U →_s, Θ_Usdq; U →_sRef, Θ_UsdqRef) der Eingangsspannung basierend auf der Phase des Stromzeigers Θ_I und der Stromzeigeramplitude I →_S berechnet wird, wobei die Phase des Stromzeigers Θ_I über den Lastwinkel Θ_{Last Ref} und den elektrischen Winkel Θ_el der Maschine wie folgt berechnet wird: Θ_I = Θ_el + Θ_{Last Ref} (Gl. 3), wobei der Lastwinkel der Maschine Θ_{Last Ref} aus den gefilterten Strömen I_sdRefF und I_sqRefF wie folgt errechnet wird: Θ_{Last Ref} = arctan IsqRefF / IsdRefF (Gl. 2), wobei I_sdRefF und I_sqRefF die verzögerten Sollwerte der d, q-Ströme sind, und die Stromzeigeramplitude I →_S abhängig von der gemessenen Komponente des Stromzeigers im U, V, W-Koordinatensystem I_su, I_sv oder I_sw für den Fall, dass der Strom in der Phase U gemessen wird, wie folgt berechnet wird: ||I →_s|| = Isu / cos(ΘI) (Gl. 4) und für den Fall, dass der Strom in der Phase V gemessen wird, wie folgt berechnet wird:
und für den Fall, dass der Strom in der Phase W gemessen wird, wie folgt berechnet wird:
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Vergleich der beiden ermittelten Spannungszeiger (U →_s, Θ_Usdq; U →_sRef, Θ_UsdqRef) durch Bilden einer Differenz der in der ersten und der zweiten Berechnung ermittelten Werte für Spannungsamplitude (U_s, U_sRef) und die Spannungsphase (Θ_Usdq, Θ_UsdqRef) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenn erkannt wird, dass eine Abweichung zwischen den ermittelten Spannungszeigern besteht, ein Auswerten der Abweichungen erfolgt, welcher Fehler vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei basierend auf dem erkannten Fehler zumindest eine Maßnahme aus Senden eines Fehlersignals, Ausschalten der Maschine, Ändern der Maschinenparameter erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der zweiten Berechnung die Sollwerte der Referenzspannungsamplitude (U_sRef) und Referenzspannungsphase (Θ_UsdqRef) aus einem vorherigen Abtastschritt (PWM_X(k-1)) und der Zwischenkreisspannung berechnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spannungsamplitude (U_s, U_sRef) und die Spannungsphase (Θ_Usdq, Θ_UsdqRef) für die erste und die zweite Berechnung durch Transformation der d, q-Komponenten der Eingangsspannung in die Poldarstellung erhält.
Anordnung zur Überwachung einer PSM-Maschine (100) mit zumindest oder genau drei Phasen (U, V, W), die mittels einer Feldorientierten Steuerung betrieben wird, zumindest umfassend: – zumindest einen an jeder Phase der PSM-Maschine (100) angeordneten Stromsensor (225), der dazu eingerichtet ist, den Phasenstrom der Phase zu messen, – ein Mittel zur Erfassung des Maschinenwinkels (Θ_el), – eine Abtasteinrichtung (225) zur Abtastung des Phasenstroms (I_su, I_sv, I_sw) zumindest einer der Phasen (U, V, W); – eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, – eine Fehlererkennungseinrichtung (290), die dazu eingerichtet ist, einen Ausfall eines Stromsensors (225) zu erkennen oder zu erkennen, dass nur noch ein Stromsensor (225) funktionsfähig ist, und für die erste Berechnung des Spannungszeigers (U →_s, Θ_Usdq) einzustellen, dass die Stromphase eines der anderen Stromsensoren (225) verwendet wird.
Anordnung nach Anspruch 8, wobei die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zumindest umfasst: eine Einrichtung zur Durchführung der ersten Berechnung des Spannungszeigers (U →_s, Θ_Usdq) der Eingangsspannung der PSM-Maschine (100), eine Einrichtung zur Durchführung der zweiten Berechnung des Spannungszeigers (U →_s, Θ_Usdq) der Eingangsspannung der PSM-Maschine (100), eine Vergleichseinrichtung (260), die dazu eingerichtet ist, die jeweiligen bei der ersten und bei der zweiten Berechnung berechneten Spannungszeiger (U →_s, Θ_Usdq; U →_sRef, Θ_UsdqRef) aus gemessenem Phasenstrom (U →_s, Θ_Usdq) und Sollwerten (U →_sRef, ΘU_sdqRef) miteinander zu vergleichen.
Anordnung nach Anspruch 9, wobei die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ferner zumindest umfasst: eine Auswerteeinrichtung (280) zur Bestimmung eines erkannten Fehlers.