-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Betriebs einer elektrischen Drehfeldmaschine bei dem eine Phasenstrommessung in Phasen der Drehstrommaschine durchgeführt wird sowie ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Drehfeldmaschine. Sie betrifft auch ein Überwachungssystem zur Überwachung des Betriebs einer elektrischen Drehfeldmaschine sowie eine Fahrzeugantriebsvorrichtung mit einem solchen Überwachungssystem.
-
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, elektrische Drehfeldmaschinen, wie beispielsweise Asynchron- oder Synchronmaschinen, geregelt zu betreiben. Hierbei werden beispielsweise die momentanen Phasenströme in den einzelnen Phasen der Drehfeldmaschine gemessen. In dem Regelkreis der Drehfeldmaschine dienen diese Phasenströme dann als Rückführung des Regelkreises. Durch eine Störung kann es dazu kommen, dass die Phasenstrommessung nicht mehr korrekt erfolgt, insbesondere wenn einer oder mehrere der Stromsensoren in den Phasen defekt sind. Eine Aufrechterhaltung des geregelten Betriebs der Drehfeldmaschine ist oft dann nicht mehr möglich. Wenn ein Ausfall der Phasenstrommessung erkannt wird, kann die Drehfeldmaschine beispielsweise in einen gesteuerten Betrieb überführt werden, der die Phasenstrommessung nicht erfordert. Ein solches Vorgehen ist beispielsweise aus der
DE 10 2013 222 075 A1 bekannt.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, den Ausfall oder eine Unplausibilität in der Phasenstrommessung im Betrieb einer Drehfeldmaschine zu erkennen. Aufgabe ist es auch, ein Weiterbetrieb der Drehfeldmaschine bei erkanntem Ausfall oder Unplausibilität in der Phasenstrommessung zu ermöglichen.
-
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der jeweiligen Hauptansprüche erreicht. Besondere Ausführungsformen sind den jeweiligen Unteransprüchen entnehmbar.
-
Demnach wird ein Verfahren zur Überwachung des Betriebs einer elektrischen Drehfeldmaschine vorgeschlagen, bei dem eine Phasenstrommessung in den Phasen der Drehstrommaschine durchgeführt wird. Hierfür können beispielsweise in zumindest zwei oder drei der Phasen der Drehstrommaschine Stromsensoren angeordnet sein, welche die Stärke des durch die jeweilige Phase fließenden elektrischen Stromes messen. Sofern lediglich zwei der Phasen jeweils über einen Stromsensor verfügen, kann der Stromfluss in der dritten Phase einfach anhand der kirchhoffschen Regel ermittelt werden. Insbesondere findet die Erfindung daher Anwendung bei einer Drehfeldmaschine mit zumindest oder genau drei Phasen. Bei der Drehfeldmaschine handelt es sich insbesondere um eine Asynchronmaschine. Prinzipiell kann die Erfindung allerdings auch bei einer Synchronmaschine, wie einer permanenterregten Synchronmaschine, eingesetzt werden bzw. hierauf erweitert werden.
-
Es ist vorgesehen, dass aus den bei der Phasenstrommessung gemessenen Ist-Phasenströmen der Drehfeldmaschine sowie mit vorgegebenen Soll-Strömen der Drehfeldmaschine in einem mit einem Rotorfluss eines Rotors der Drehfeldmaschine mitdrehenden d-q-Koordinatensystem erste Soll-Spannungen in dem d-q-Koordinatensystem zum Betreiben der Drehfeldmaschine ermittelt werden. Darüber hinaus werden aus den vorgegebenen Soll-Strömen in dem d-q-Koordinatensystem auch zweite Soll-Spannungen in dem d-q-Koordinatensystem zum Betreiben der Drehfeldmaschine ermittelt. Dabei bleiben die gemessenen Ist-Phasenströmen der Drehfeldmaschine allerdings unberücksichtigt (d. h. sie werden dazu nicht verwendet). Die ersten Soll-Spannungen in dem d-q-Koordinatensystem werden schließlich mittels der zweiten Soll-Spannungen in dem d-q-Koordinatensystem auf Plausibilität geprüft. Mit anderen Worten wird vorgeschlagen, die ersten Soll-Spannungen in dem d-q-Koordinatensystem, die auf einer Phasenstrommessung beruhen, mittels der zweiten Soll-Spannungen, die auf einer Phasenstromschätzung beruhen, in dem d-q-Koordinatensystem auf Plausibilität zu überprüfen.
-
Es werden somit vorliegend Werte für die Soll-Spannungen im d-q-Koordinatensystem plausibilisiert, um festzustellen, ob die Phasenstrommessung ordnungsgemäß funktioniert, und nicht beispielsweise Werte der gemessenen Phasenströme. Mittels der ersten bzw. zweiten Soll-Spannungen kann dann beispielsweise in einem Steuerungsmodul, ein Wechselrichter so angesteuert werden, dass dieser entsprechende Phasenströme in den Phasen der Drehstrommaschine bereitstellt. Vorteil davon ist, dass bei Feststellung der Unplausibilität der ersten Soll-Spannung, der Betrieb der Drehfeldmaschine mittels der zweiten Soll-Spannungen sofort, also übergangslos, weitergeführt werden kann. Das rotor- bzw. rotorflussfeste d-q-Koordinatensystem ist dem Fachmann für Drehfeldmaschinen an sich bekannt und bedarf daher keiner näheren Erläuterung.
-
Im Rahmen der Plausibilitätsprüfung werden insbesondere die ersten und zweiten Soll-Spannungen im d-q-Koordinatensystem miteinander verglichen, beispielsweise indem sie voneinander subtrahiert werden. Sofern beispielsweise die Differenz zwischen den Soll-Spannungen zu groß ist oder die Differenz zu häufig oder mehrfach hintereinander einen Schwellenwert überschreitet, kann darauf geschlossen werden, dass die ersten Soll-Spannungen unplausibel sind. Somit ist davon auszugehen, dass die Phasenstrommessung fehlerhaft arbeitet und daher ein geregelter Betrieb der Drehfeldmaschine nicht mehr möglich ist.
-
Als Gegenmaßnahme bei einer als fehlerhaft erkannten Phasenstrommessung bzw. bei als unplausibel erkannten ersten Soll-Spannungen kann dann beispielsweise einen (Not-)Betrieb der Drehfeldmaschine eingeleitet werden, der ohne die Phasenstrommessung auskommt, wie beispielsweise ein gesteuerter Betrieb. Hierbei wird vorzugsweise auf einen Betrieb umgeschaltet, bei dem die ermittelten zweiten Soll-Spannungen in dem d-q-Koordinatensystem zum Betrieb der Drehfeldmaschine herangezogen werden. Die als unplausibel bewerteten ersten Soll-Spannungen in dem d-q-Koordinatensystem bleiben dann also unberücksichtigt. Beispielsweise wird die Drehfeldmaschine im Normalbetrieb (Phasenstrommessung funktioniert) mittels einer feldorientierten Regelung (FOR) betrieben, wohingegen sie im Notbetrieb (Phasenstrommessung funktioniert nicht) mittels einer feldorientierten Steuerung (FOS) betrieben wird.
-
Vorzugsweise wird zur Ermittlung der zweiten Soll-Spannungen ein Stromschätzer eingesetzt, um damit momentane Ist-Ströme der Drehfeldmaschine in dem d-q-Koordinatensystem zu schätzen. Diese geschätzten momentanen Ist-Ströme werden dann einem Spannungs- und Flussschätzers zugeführt, um damit einerseits einen momentanen Ist-Rotorfluss zu schätzen und andererseits mit dem geschätzten Ist-Rotorfluss die zweiten Soll-Spannungen in dem d-q-Koordinatensystem zu ermitteln.
-
Vorzugsweise werden die vorgegebenen Soll-Ströme der Drehfeldmaschine in dem d-q-Koordinatensystem aus einem gewünschten Soll-Drehmoment oder einer Soll-Drehzahl ermittelt, welche die Drehfeldmaschine bereitstellen soll. Das Soll-Drehmoment bzw. die Soll-Drehzahl kann beispielsweise durch einen Bediener der Drehfeldmaschine, wie beispielsweise einen Fahrzeugführer, angefordert sein, beispielsweise mittels eines Fahrpedals oder Handhebel. Das Soll-Drehmoment bzw. die Soll-Drehzahl kann jedoch auch durch eine Vorrichtung angefordert sein, wie beispielsweise eine übergeordnete Steuerungs- oder Regelungseinrichtung.
-
Vorzugsweise werden die zweiten Soll-Spannungen in dem d-q-Koordinatensystem zeitdiskret ermittelt. Dazu werden momentane Ist-Ströme der Drehfeldmaschine im d-q-Koordinatensystem mittels der vorgegebenen Soll-Ströme der Drehfeldmaschine eines vorhergehenden Zeitschrittes im d-q-Koordinatensystem geschätzt. Auch die ersten Soll-Spannungen werden insbesondere zeitdiskret ermittelt. Die zeitdiskrete Ermittlung der jeweiligen Werte erfolgt beispielsweise mittels eines Mikroprozessors in einem Steuergerät der Drehfeldmaschine.
-
Die momentanen Ist-Ströme werden insbesondere im d-q-Koordinatensystem basierend auf
geschätzt. Dabei repräsentieren
- IsdEst(k)
- = den geschätzten momentanen Ist-Strom in d-Richtung des d-q-Koordinatensystems,
- IsqEst(k)
- = den geschätzten momentanen Ist-Strom in q-Richtung des d-q-Koordinatensystems,
- IsdEst(k – 1)
- = den geschätzten Ist-Strom des vorhergehenden Zeitschrittes in d-Richtung des d-q-Koordinatensystems,
- IsqEst(k – 1)
- = den geschätzten Ist-Strom des vorhergehenden Zeitschrittes im q-Richtung des d-q-Koordinatensystems,
- IsdRef(k – 1)
- = den vorgegebenen Soll-Strom des vorhergehenden Zeitschrittes in d-Richtung des d-q-Koordinatensystems,
- IsqRef(k – 1)
- = den vorgegebenen Soll-Strom des vorhergehenden Zeitschrittes in q-Richtung des d-q-Koordinatensystems,
- Tdyn
- = die geschätzte Zeitdauer, die vergeht, bis sich die vorgegebenen Soll-Ströme in dem d-q-Koordinatensystems in der Drehfeldmaschine einstellen; dieser Wert wird insbesondere vorgegeben;
- Tc
- = die Abtastperiode, also die Zeitdauer eines Zeitschrittes k.
-
Der Index (k) gibt also jeweils an, dass der jeweilige Wert dem momentanen Zeitschritt zugeordnet ist und beispielsweise aktuell ermittelt wurde, wohingegen der Index (k – 1) angibt, dass der jeweilige Wert dem unmittelbar vorhergehenden Zeitschritt zugeordnet ist und beispielsweise dann ermittelt wurde. Die Schätzung erfolgt vorzugsweise in einem Stromschätzmodul eines Überwachungssystems zur Überwachung des Betriebs der Drehfeldmaschine, das zur Durchführung des Verfahrens ausgeführt ist.
-
Wie erläutert, werden die zweiten Soll-Spannungen in dem d-q-Koordinatensystem vorzugsweise sowohl mittels der geschätzten momentanen Ist-Ströme der Drehfeldmaschine im d-q-Koordinatensystem, als auch mittels eines geschätzten momentanen Ist-Rotorflusses der Drehfeldmaschine im d-q-Koordinatensystem ermittelt. Dabei kann die zweiten Soll-Spannungen in dem d-q-Koordinatensystem basierend auf
ermittelt werden. Dabei repräsentieren
- UsdEst(k) = die momentane zweite Soll-Spannung in d-Richtung des d-q-Koordinatensystems,
- UsqEst(k) = die momentane zweite Soll-Spannung in q-Richtung des d-q-Koordinatensystems,
- Rs = den Statorwiderstand der Drehfeldmaschine,
- IsdEst(k) = den geschätzten momentanen Ist-Strom in d-Richtung des d-q-Koordinatensystems,
- IsqEst(k) = den geschätzten momentanen Ist-Strom in q-Richtung des d-q-Koordinatensystems,
- ws = die Statorkreisfrequenz der Drehfeldmaschine,
- den Streuungsfaktor der Drehfeldmaschine,
- Lm = die Hauptinduktivität der Drehfeldmaschine,
- Ls = Lm + Lss = die Statorinduktivität der Drehfeldmaschine,
- Lr = Lm + Lsr = die Rotorinduktivität der Drehfeldmaschine,
- Lss = die Statorstreuinduktivität der Drehfeldmaschine,
- Lsr = die Rotorstreuinduktivität,
- ΨrdEst(k) = den geschätzten momentanen Ist-Rotorfluss in d-Richtung des d-q-Koordinatensystems.
-
Der geschätzte momentane Ist-Rotorfluss der Drehfeldmaschine in d-Richtung des d-q-Koordinatensystems kann dazu basierend auf
zeitdiskret ermittelt werden. Dabei repräsentieren
- Ψrdest(k) = den geschätzten momentaner Ist-Rotorflusses der Drehfeldmaschine in d-Richtung des d-q-Koordinatensystems,
- Ψrdest(k – 1) = den geschätzten Ist-Rotorflusses der Drehfeldmaschine des vorhergehenden Zeitschrittes in d-Richtung des d-q-Koordinatensystems,
- die Rotorzeitkonstante der Drehfeldmaschine,
- Rr = den Rotorwiderstand der Drehfeldmaschine.
-
Die Werte für Tdyn, Tc, Ws, Lm, Lss, Lsr, Rr, Rs, werden insbesondere (vorab) berechnet, gemessen oder geschätzt. Sie können beispielsweise in Kennfelder oder Kennlinien hinterlegt sein und daraus jeweils aktuell abgerufen werden. Sie werden vorliegend als bekannt vorausgesetzt.
-
Das vorgeschlagene Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Drehfeldmaschine, insbesondere einer Asynchronmaschine, sieht vor, dass eine Phasenstrommessung in den Phasen der Drehfeldmaschine durchgeführt wird. In dessen Rahmen wird das obig erläuterte Verfahren zur Überwachung des Betriebs der Drehfeldmaschine eingesetzt. Dabei wird unterschieden, ob die erste Soll-Spannung in dem d-q-Koordinatensystem als unplausibel oder plausibel festgestellt wurde. Bei Feststellung einer Plausibilität der ersten Soll-Spannungen in dem d-q-Koordinatensystem wird die Drehfeldmaschine mittels der ersten Soll-Spannungen in dem d-q-Koordinatensystem betrieben. Demgegenüber wird bei Feststellung einer Unplausibilität der ersten Soll-Spannungen in dem d-q-Koordinatensystem die Drehfeldmaschine mittels der zweiten Soll-Spannungen in dem d-q-Koordinatensystem betrieben. In letzterem Fall kann die Phasenstrommessung für die Zukunft weitergeführt oder ausgesetzt werden.
-
Das vorgeschlagene Überwachungssystem zur Überwachung des Betriebs einer elektrischen Drehfeldmaschine, bei welcher im Betrieb eine Phasenstrommessung in den Phasen der Drehfeldmaschine erfolgt, sieht ein Bestimmungsmodul vor, das zeitdiskret aus den gemessenen Ist-Phasenströmen der Drehfeldmaschine sowie vorgegebenen Soll-Strömen der Drehfeldmaschine in dem mit dem Rotorfluss des Rotors der Drehfeldmaschine mitdrehenden d-q-Koordinatensystem die erste Soll-Spannungen in dem d-q-Koordinatensystem zum Betreiben der Drehfeldmaschine ermittelt. Außerdem ist ein Stromschätzmodul vorgesehen, das zeitdiskret die momentanen Ist-Ströme der Drehfeldmaschine im d-q-Koordinatensystem mittels der vorgegebenen Soll-Ströme der Drehfeldmaschine im d-q-Koordinatensystem des vorhergehenden Zeitschrittes schätzt. Dies mittels der oben vorgeschlagenen Formeln für die Berechnung der momentanen Ist-Ströme erfolgen.
-
Zudem ist ein Spannungs- und Flussschätzmodul vorgesehen, das zeitdiskret den geschätzten momentanen Ist-Rotorflusses der Drehfeldmaschine im d-q-Koordinatensystem ermittelt. Das Spannungs- und Flussschätzmodul ermittelt auch die zweiten Soll-Spannungen in dem d-q-Koordinatensystem zum Betreiben der Drehfeldmaschine, und zwar mittels der geschätzten momentanen Ist-Ströme der Drehfeldmaschine im d-q-Koordinatensystem und mittels des geschätzten momentanen Ist-Rotorflusses der Drehfeldmaschine im d-q-Koordinatensystem. Dies kann mittels der oben vorgeschlagenen Formeln für die Berechnung des momentanen Ist-Rotorflusses sowie der zweiten Soll-Spannungen in dem d-q-Koordinatensystem erfolgen.
-
Schließlich ist ein Diagnosemodul vorgesehen, das die im Bestimmungsmodul ermittelten ersten Soll-Spannungen in dem d-q-Koordinatensystem zum Betreiben der Drehfeldmaschine mit den im Spannungs- und Flussschätzmodul ermittelte ersten Soll-Spannungen in dem d-q-Koordinatensystem zum Betreiben der Drehfeldmaschine plausibilisiert. Dies kann in diesem Modul beispielsweise durch Vergleich der beiden Werte bzw. durch Subtraktion oder auf andere geeignete Art erfolgen.
-
Die vorgeschlagene Fahrzeugantriebsvorrichtung verfügt über eine elektrische Drehfeldmaschine als Traktionsmotor, also zur Bereitstellung eines Antriebsdrehmoments und einer Antriebsdrehzahl für ein Fahrzeug (beispielsweise einem PKW oder LKW), sie verfügt über eine Phasenstrommesseinrichtung zur Phasenstrommessung in den Phasen der Drehfeldmaschine. Schließlich verfügt sie über das obig erläuterte Überwachungssystem für die Drehfeldmaschine.
-
Vorzugsweise verfügt die Fahrzeugantriebsvorrichtung über einen Wechselrichter, der die Phasenströme in den Phasen der Drehstrommaschine bereitstellt und ein Steuerungsmodul. Das Steuerungsmodul setzt die ersten oder zweiten Soll-Spannungen in dem d-q-Koordinatensystem zum Betreiben der Drehfeldmaschine in Signale zur Steuerung des Wechselrichters um, sodass dieser entsprechende Phasenströme in den Phasen der Drehstrommaschine bereitstellt. Dazu verfügt das Steuerungsmodul über Signaleingänge, über welche dem Steuerungsmodul die zu benutzenden Soll-Spannungen zuführbar sind. Schließlich weist diese Fahrzeugantriebsvorrichtung auch ein Schaltermodul auf, das bei Plausibilität der ersten Soll-Spannungen in dem d-q-Koordinatensystem diese ersten Soll-Spannungen dem Steuerungsmodul zum Betreiben der Drehfeldmaschine ausgibt, d. h. zuführt, und das bei Unplausibilität der ersten Soll-Spannungen in dem d-q-Koordinatensystem dem Steuerungsmodul die zweiten Soll-Spannungen in dem d-q-Koordinatensystem zum Betreiben der Drehfeldmaschine ausgibt, d. h. zuführt.
-
Je nachdem, ob die ersten Soll-Spannungen daher als plausibel oder unplausibel in dem Diagnosemodul bewertet wurden, bewirkt das Schaltermodul also, dass dem Steuerungsmodul entweder die ersten oder die zweiten Soll-Spannungen zugeführt werden. Das Steuerungsmodul setzt die jeweiligen Soll-Spannungen in Signale zur Steuerung des Wechselrichters um, der dementsprechende elektrische pulsweitenmodulierte Ströme an den Phasen der Drehfeldmaschine anlegt.
-
Die vorgeschlagenen Verfahren und das Überwachungssystem kann selbstverständlich auch außerhalb der vorgeschlagenen Fahrzeugantriebsvorrichtung eingesetzt werde, beispielsweise zur Überwachung einer Drehfeldmaschine zum Antrieb einer Fahrzeuglenkung, oder in einem nicht-Automobilbereich, wie beispielsweise zum Überwachen einer Drehfeldmaschine in der Fertigung oder Logistik.
-
Die Erfindung ermöglicht eine Plausibilisierung und Diagnose der Phasenstrommessung während eines Betriebs der Drehfeldmaschine, beispielsweise während einer Fahrt. Sie ermöglicht auch die Detektion eines drohenden Ausfalls sowie eine Fehlerausgabe und einem Weiterbetrieb der Drehfeldmaschine mit einem sensorreduzierten Ansteuerungsverfahren. Die Erfindung ermöglicht auch einen sanften Übergang in beide Richtungen zwischen einem normalen Betrieb der Drehstrommaschine unter Nutzung der Phasenstrommessung und einem alternativen Betrieb (beispielsweise Notbetrieb) ohne Nutzung der Phasenstrommessung.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert, aus welcher weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung entnehmbar sind. Es werden die folgenden Abkürzungen bzw. Größen verwendet:
- X αβ = Xα + jXβ: Raumzeiger im statorfesten Bezugsystem
- X dq = Xd + jXq: Raumzeiger im rotorflussorientierten Bezugsystem
- Xs: Statorgröße
- Xr: Rotorgröße
- Xuvw: drei Phasen
- XRef, XCtr: Sollwert
- XAct: Istwert
- XEst: Schätzwert
- XMeas: Messwert
- M: Drehmoment
- U s = Usd + jUsq: Statorspannungszeiger
- I s = Isd + jIsq: Statorstromzeiger
- I r = Ird + jIrq: Rotorstromzeiger
- Ψ s = Ψsd + JΨsq: Statorflusszeiger
- Ψ r = Ψrd + jΨrq: Rotorflusszeiger
- Rs: Statorwiderstand
- Rr: Rotorwiderstand
- Lm: Hauptinduktivität
- Lss: Statorstreuinduktivität
- Lsr: Rotorstreuinduktivität
- Ls = Lm + Lss: Statorinduktivität
- Lr = Lm + Lsr: Rotorinduktivität
- Streuungsfaktor
- ws: Statorkreisfrequenz
- wm: Rotorkreisfrequenz
- k: Abtastpunktzähler
- Tc: Abtastperiode
- Rotorzeitkonstante der Drehfeldmaschine,
- Tdyn: Zeitdauer zum Einstellen der Soll-Ströme.
-
Dabei kann die Größe X eine elektrische Spannung U, ein elektrischer Strom I oder ein magnetischer Fluss Ψ sein. Xd bildet hierbei die Komponente der jeweiligen Größe X in d-Richtung eines rotorflussfesten d-q-Koordinatensystems und Xq die Komponente der jeweiligen Größe X in q-Richtung des rotorflussfesten d-q-Koordinatensystems. Demgegenüber bildet Xα hierbei die Komponente der Größe X in α-Richtung eines statorfesten α-β-Koordinatensystems und Xβ die Komponente der Größe X in β-Richtung des statorfesten α-β-Koordinatensystems.
-
Die Figur zeigt eine Antriebsstrangvorrichtung mit einer elektrischen Drehfeldmaschine 1, wie sie beispielsweise bei einem elektrischen Fahrzeugtraktionsantrieb Verwendung findet. Beispielhaft handelt es sich bei der Drehfeldmaschine um eine Asynchronmaschine (ASM). Wegen Ihrer Robustheit werden Asynchronmaschinen zunehmend als Antriebsmotoren verwendet. Ein als Käfigläufer ausgeführter Rotor eine Asynchronmaschine besteht normalerweise aus in Eisen, beispielsweise Eisenblechpakete, eingelassenen Metallstäben aus einem guten elektrischen Leiter (beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium), die an den Enden jeweils mit Kurzschlussringen versehen sind. Bewegt sich der Rotor der Asynchronmaschine mit einer Geschwindigkeitsdifferenz (Schlupf) zum magnetischen Drehfeld im Stator der Asynchronmaschine bzw. im Luftspalt zwischen Stator und Rotor, so werden in den Rotorwicklungen elektrische Spannungen induziert und es fließt folglich ein Strom. Die Maschine entwickelt dann ein Drehmoment.
-
Vorliegend verfügt die Drehfeldmaschine 1 über eine Drehzahlermittlungsvorrichtung 2 (TM), wie beispielsweise einen Drehzahlsensor. Durch diesen ist die Rotorkreisfrequenz wm ermittelbar, also ein Maß für die Drehgeschwindigkeit des Rotors. Die Drehfeldmaschine 1 wird über drei Phasen bzw. Phasenleitungen U, V, W mit elektrischem Strom versorgt. Die Drehfeldmaschine 1 kann prinzipiell über mehr als drei Phasen verfügen, beispielsweise über sechs Phasen. Entsprechend mehr Phasenleitungen können dann vorgesehen sein.
-
Der über die Phasen U, V, W jeweils fließende elektrische Strom ist mittels der Phasenstrommessvorrichtung 3 ermittelbar. Diese transformiert die gemessenen Ströme in das rotorflussfeste d-q-Koordinatensystem. Wie gezeigt werden die gemessenen Phasenströme dazu vorzugsweise zunächst in das statorfeste α-β-Koordinatensystem umgerechnet (IsαβMeas). Anschließend werden daraus korrespondierende Werte im d-q-Koordinatensystem errechnet (IsdqMeas).
-
Die Phasenströme werden durch einen Wechselrichter 4 bereitgestellt. Dieser wird wiederum aus einer elektrischen Energiequelle 5 gespeist. Bei der Energiequelle 5 handelt es sich um eine Gleichstromquelle, wie beispielsweise eine Batterie oder ein Gleichstromgenerator. Alternativ dazu kann statt eines Wechselrichters 4 auch ein Umrichter eingesetzt werden, wobei es sich bei der Energiequelle 5 dann um eine Wechselstromquelle handelt.
-
Der Wechselrichter 4 wird durch ein Steuerungsmodul 6 angesteuert. Das Steuerungsmodul 6 steuert Leistungshalbleiter des Wechselrichters 5 zum Öffnen (elektrisch nicht-leitend) oder zum Schließen (elektrisch leitend) an, sodass der Wechselrichter 4 entsprechende elektrische Ströme an den Phasen U, V, W anlegt. Dies erfolgt vorliegend pulsweitenmoduliert (PWM). Somit stellt auch der Wechselrichter 4 pulsweitenmoduliert die Phasenströme für die Drehfeldmaschine 1 bereit. Als Eingangsgrößen werden dem Steuerungsmodul 6 Soll-Spannungen im d-q-Koordinatensystem Usdq zum Betreiben der Drehfeldmaschine 1 bereitgestellt, also jeweils eine Soll-Spannung in d-Richtung Usd und eine Soll-Spannung in q-Richtung Usq. Innerhalb des Steuerungsmodul 6 werden aus den Soll-Spannungen im d-q-Koordinatensystem Usdq dann vorzugsweise, wie dargestellt, korrespondierende Soll-Spannungen im α-β-Koordinatensystem ermittelt (usα, usβ), woraus wiederum Soll-Spannungen in den einzelnen Phasen U, V, W ermittelt werden (uu, uv, uw). Diese werden in Signale PWM1, PWM2, PWM3 zur Pulsweitenmodulation der Leistungshalbleiter des Wechselrichters 4 umgesetzt, die dem Wechselrichter 4 zugeführt werden.
-
Dem Steuerungsmodul 6 ist ein Schaltermodul 7 vorgeschaltet. Dieses entscheidet, welche Soll-Spannungen in dem d-q-Koordinatensystem dem Steuerungsmodul 6 zugeführt werden bzw. auf welcher Grundlage an Soll-Spannungen das Steuerungsmodul 6 arbeitet. In Frage kommen hier erste Soll-Spannungen in dem d-q-Koordinatensystem UsdqCtr und zweite Soll-Spannungen UsdqEst. Die ersten Soll-Spannungen UsdqCtr basieren normalerweise auf gemessenen Stromwerten IsdqMeas für die Phasenströme. Die zweiten Soll-Spannungen UsdqEst basieren dagegen auf geschätzten Stromwerten IsdqEst für die Phasenströme und benötigen somit keine Phasenstrommessung.
-
Welche der Soll-Spannungen Usdqctr, UsdqEst das Schaltermodul 7 an das Steuerungsmodul 6 ausgibt, wird in einem Diagnosemodul 8 festgestellt. Dieses ermittelt, ob die ersten Soll-Spannungen UsdqCtr plausibel gegenüber den zweiten Soll-Spannungen UsdqEst sind. Sind sie unplausibel, wird das Schaltermodul 7 die zweiten Soll-Spannungen UsdqEst dem Steuerungsmodul 6 ausgeben. Sind sie hingegen plausibel, wird das Schaltermodul 7 die ersten Soll-Spannungen UsdqCtr dem Steuerungsmodul 6 ausgeben. Beispielsweise gibt das Diagnosemodul 8 ein entsprechendes Signal (OpSwt) an das Schaltermodul 7 aus.
-
Die ersten Soll-Spannungen werden UsdqCtr vorliegend in einem Bestimmungsmodul 9 ermittelt. Dieses enthält insbesondere einen Stromregler mit Entkopplung (enthaltend Integratoren) sowie eine (negative) Rückkopplung für die Ist-Phasenströme IsdqMeas bzw. IsdqEst. In dem Bestimmungsmodul 9 wird zeitdiskret aus den gemessenen Ist-Phasenströmen IsqMeas oder gegebenenfalls aus den geschätzten Ist-Phasenströmen IsdqEst der Drehfeldmaschine 1 sowie aus vorgegebenen Soll-Strömen IsdqRef der Drehfeldmaschine 1 im d-q-Koordinatensystem die ersten Soll-Spannungen UsdqCtr im d-q-Koordinatensystem ermittelt. Die Soll-Strömen IsdqRef werden vorzugsweise anhand eines Drehmoments und/oder einer Drehzahl, die die Drehfeldmaschine 1 bereitstellen soll, vorgeschaltet ermittelt.
-
Zur Ermittlung der zweiten Soll-Spannungen U
sdqEst im d-q-Koordinatensystem werden die Soll-Strömen I
sdqRef neben dem Bestimmungsmodul
9 auch einem Stromschätzmodul
10 zugeführt. Dieses schätzt zeitdiskret daraus Ist-Ströme I
sdqEst der Drehfeldmaschine
1 im d-q-Koordinatensystem, ohne Hinzuziehung der gemessenen Ist-Phasenströme I
sdqMeas. Vorzugsweise erfolgt dies basierend auf:
-
Vorzugsweise werden in dem Stromschätzmodul 10 auch dazu korrespondierende, geschätzte Ist-Ströme IsαβEst im α-β-Koordinatensystem ermittelt und ausgegeben. Diese können dem Diagnosemodul 8 zu Test- und Diagnosezwecken zur Verfügung gestellt werden. Ebenso können die gemessenen Ist-Phasenströme IsαβMeas im α-β-Koordinatensystem dem Diagnosemodul 8 zu Test- und Diagnosezwecken zur Verfügung gestellt werden.
-
Die geschätzten Ist-Ströme I
sdqEst im d-q-Koordinatensystem werden einem Spannungs- und Flussschätzmodul
11 zugeführt. In diesem wird zum einen zeitdiskret ein geschätzter Ist-Rotorflusses Ψ
rdEst der Drehfeldmaschine
1 im d-q-Koordinatensystem ermittelt. Dieser kann dem Diagnosemodul
8 zu Test- und Diagnosezwecken zur Verfügung gestellt werden. Vorzugsweise erfolgt die Ermittlung basierend auf:
-
Darüber hinaus werden in dem Spannungs- und Flussschätzmodul
11 mittels der geschätzten Ist-Ströme I
sdqEst der Drehfeldmaschine
1 im d-q-Koordinatensystem und mittels des geschätzten Ist-Rotorflusses Ψ
rdest die zweiten Soll-Spannungen U
sdqEst ermittelt. Vorzugsweise erfolgt die Ermittlung basierend auf
-
Das Spannungs- und Flussschätzmodul 11 gibt den geschätzten Ist-Rotorfluss ΨrdEst sowie die zweiten Soll-Spannungen UsdqEst aus. Die zweiten Soll-Spannungen UsdqEst werden dem Diagnosemodul 8 zugeführt.
-
Vorzugsweise legt das Diagnosemodul 8 auch eine Fehlerreaktion fest, wenn ein Fehler bzw. eine Unplausibilität der zugeführten Werte erkannt wurde. So kann das Schaltermodul 7 und/oder 7' betätigt werden, d. h. das entsprechende Signal OpSwt ausgegeben werden, um den Modulen 6, 9 andere Werte vorzugeben. Dies kann gestaffelt oder, wie vorliegend in der Figur der Fall ist, gleichzeitig erfolgen. Bei Feststellung der Unplausibilität der ersten Soll-Spannungen UsdqCtr werden dem Bestimmungsmodul 9 somit vorzugsweise statt der gemessenen Ist-Phasenströme IsqMeas die vom Stromschätzmodul 10 geschätzten Ist-Phasenströme IsqEst zugeführt und der Bestimmung der ersten Soll-Spannungen UsdqCtr zu Grunde gelegt. Die Module 8, 9, 10, 11 bilden in der Figur somit ein Überwachungssystem zur Überwachung des Betriebs der elektrischen Drehfeldmaschine 1.
-
Die Umrechnung von Größen im α-β-Koordinatensystem in entsprechende Größen in im d-q-Koordinatensystem erfolgt vorliegend bevorzugt unter Zuhilfenahme eines Flussmodells 12. Diesem werden die Ist-Ströme der Drehfeldmaschine 1 im d-q-Koordinatensystem zugeführt. Je nachdem, ob die ersten Soll-Spannungen UsdqCtr plausibel oder unplausibel gegenüber den zweiten Soll-Spannungen UsdqEst sind (siehe Diagnosemodul 8), wird dem Flussmodell 12 entweder die per Phasenstrommessvorrichtung 3 gemessenen Ist-Phasenströme IsdqMeas im d-q-Koordinatensystem zugeführt (wenn plausibel) oder die per Stromschätzmodul YY geschätzten Ist-Phasenströme IsdqEst im d-q-Koordinatensystem (wenn unplausibel). Die Auswahl erfolgt hierbei vorzugsweise mittels des zweiten Schaltermoduls 7'. Das zweite Schaltermoduls 7' legt auch gleichzeitig fest, welche der Ist-Phasenströme IsdqEst oder IsdqMeas im d-q-Koordinatensystem dem Bestimmungsmodul 9 zugeführt werden.
-
Die Schaltermodule 7, 7' bzw. das Signal OpSwt bestimmt bei als unplausibel erkannten ersten Soll-Spannungen UsdqCtr also, dass
- 1. die auf einer Schätzung basierenden zweiten Soll-Spannungen UsdqEst statt der auf der Phasenstrommessung basierenden ersten Soll-Spannungen UsdqCtr dem Steuerungsmodul 6 zugeführt werden und somit für die PWM-Modulation im Wechselrichter 4 herangezogen werden,
- 2. die auf einer Schätzung basierenden Ist-Phasenströme IsdqEst statt der auf der Phasenstrommessung basierenden Ist-Phasenströme IsdqMeas dem Flussmodell 12 zugeführt werden,
- 3. die auf einer Schätzung basierenden Ist-Phasenströme IsdqEst statt der auf der Phasenstrommessung basierenden Ist-Phasenströme IsdqMeas dem Bestimmungsmodul 9 zugeführt werden.
-
Die genannten Punkte 1. und 2. bewirken, dass dieser alternative Betrieb der Drehfeldmaschine 1 sensorreduziert ist, da die Ströme IsdqMeas aus der Phasenstrommessung nicht mehr benötigt werden. Der Punkt 3. Bewirkt, dass die in dem Bestimmungsmodul 9 enthaltenen Integratoren für die Stromreglung nicht „Volllaufen”. Denn während dieses alternativen Betriebs werden dem Bestimmungsmoduls 9, i. e. dem darin enthaltenen Stromregler, ideale Stromverläufe vorgegeben. Dadurch bleiben die Integratoren des Bestimmungsmoduls 9 in vergleichbaren Wertebereichen wie im normalen Betrieb unter Phasenstrommessung. Dies ermöglicht einen sanften Übergang zwischen den beiden Betriebsweisen. Ein weiterer Vorteil ist, dass der alternative sensorreduzierte Betrieb den normalen Betrieb erweitert und ergänzt. Die Strom- und Spannungsberechnung überwacht somit die normale Stromregelung und kann im Fehlerfall die Ansteuerung der Drehfeldmaschine übernehmen. Das Diagnosemodul 8 bewertet/überwacht zudem die unterschiedlichen Berechnungen. Dadurch können Fehler in dem System detektiert werden. Fehlerreaktionen können automatisch im Diagnosemodul 8 oder auch manuell, beispielsweise zu Testzwecken oder aus anderen Gründen, ausgelöst werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Elektrische Drehfeldmaschine
- 2
- Drehzahlermittlungsvorrichtung
- 3
- Phasenstrommessvorrichtung
- 4
- Wechselrichter
- 5
- elektrische Energiequelle
- 6
- Steuerungsmodul
- 7, 7'
- Schaltermodul
- 8
- Diagnosemodul
- 9
- Bestimmungsmodul
- 10
- Stromschätzmodul
- 11
- Spannungs- und Flussschätzmodul
- 12
- Flussmodell
- U, V, W
- Phasen
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102013222075 A1 [0002]