DE102016219573A1

DE102016219573A1 - Steuerung einer Drehfeldmaschine

Info

Publication number: DE102016219573A1
Application number: DE102016219573.5A
Authority: DE
Inventors: Hassan Lamsahel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2016-10-10
Filing date: 2016-10-10
Publication date: 2018-04-12

Abstract

Ein Verfahren (410) zum feldorientierten Steuern einer Drehfeldmaschine (100) mit mehreren Phasen (U, V, W) umfasst Schritte des Abtastens (345) des Stroms durch eine der Phasen (U, V, W); des Nachbildens (440) von Strömen durch die Phasen (U, V, W) der Drehfeldmaschine (100) auf der Basis eines elektrischen Winkels der Drehfeldmaschine (100) und Stromsollwerten im A-B-Koordinatensystem; und des Steuerns (420) der Drehfeldmaschine (100) auf der Basis der nachgebildeten Ströme. In einer bevorzugten Weiterbildung kann der Strom durch die Phase (U, V, W) noch auf einem anderen Weg bestimmt und mit dem abgetasteten Strom verglichen werden, um einen Fehlerzustand zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft die Steuerung einer elektrischen Maschine. Insbesondere betrifft die Erfindung eine feldorientierte Steuerung der Maschine.
Eine elektrische Maschine, insbesondere eine Drehfeldmaschine, umfasst einen Stator und einen Rotor, die drehbar gegeneinander gelagert sind. Eine feldorientierte Steuerung ist dazu eingerichtet, die Drehfeldmaschine in ihrer Drehzahl oder ihrem Drehmoment zu steuern. Dabei wird ein rotorflussfestes Koordinatensystem verwendet, um Ströme, die durch Phasen des Stators fließen, als Gleichströme behandeln zu können. Für diese Steuerung ist es erforderlich, statorfeste Größen zuerst in das rotorflussfeste Koordinatensystem umzusetzen und bestimmte auf das rotorflussfeste Koordinatensystem bezogene Größen ins statorfeste Koordinatensystem zurück zu wandeln.
Eine feldorientierte Regelung verwendet gemessene Ströme durch die einzelnen Phasen, um die Regelschleife zu schließen. Liegt an einem der Stromfühler ein Defekt vor, so kann die feldorientierte Regelung nicht mehr weiter durchgeführt werden. Es sind zwar Ansätze bekannt, dann noch eine feldorientierte Steuerung durchzuführen, jedoch wurden damit keine sehr guten Ergebnisse erzielt. Außerdem können bestimmte Überprüfungen auf Defekte oder Verschleiß bei der FOS wegen der fehlenden Stromwerte nicht mehr durchgeführt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Technik zur feldorientierten Steuerung anzugeben. Weiter liegt der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Technik zur Fehlerbestimmung an der feldorientierten Steuerung anzugeben. Die Erfindung löst diese Aufgaben mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder. Ein Verfahren zum feldorientierten Steuern einer Drehfeldmaschine mit mehreren Phasen umfasst Schritte des Abtastens des Stroms durch eine der Phasen; des Nachbildens von Strömen durch die Phasen der Drehfeldmaschine auf der Basis eines elektrischen Winkels der Drehfeldmaschine und Stromsollwerten im A-B-Koordinatensystem; und des Steuerns der Drehfeldmaschine auf der Basis der nachgebildeten Ströme.
Auf diese Weise kann eine feldorientierte Regelung, bei der die Ströme durch n Phasen mittels wenigstens n – 1 Stromfühlern bestimmt werden, im Fall eines Defekts an einem der Stromfühler als verbesserte feldorientierte Steuerung betrieben werden. Die Phasenströme können nachgebildet werden, solange wenigstens einer der Stromfühler noch funktionsfähig ist. Das Verfahren kann insbesondere zur Steuerung einer Asynchronmaschine verwendet werden, die beispielsweise zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sein kann. Im beschriebenen Fehlerfall kann dann eine Notfahrfunktion („limp home”) realisiert werden.
Das Verfahren kann robuster oder exakter als ein bekanntes Verfahren sein. Eine Dynamik der FOS kann beliebig eingestellt werden, sodass die gleiche Dynamik wie bei der FOR erzielt werden kann.
Ein Aufwand der beschriebenen Vorgehensweise gering sein, beispielsweise können weniger Phasenströme gemessen werden als für eine feldorientierte Regelung erforderlich ist. Kosten für eine Messeinrichtung der Phasenströme mit einem dritten Stromsensor können reduziert werden, der verringerte Aufwand (Sensor, A/D-Wandler, Platinen-Fläche) kann bei größeren Stückzahlen zu signifikanten Einsparungen führen. Außerdem können elektrische Verluste, die mit der Strombestimmung mittels Längswiderstand (Shunt) entstehen können, minimiert sein. Mögliche Probleme durch eine Beeinflussung der Maschinensteuerung durch die Messung oder umgekehrt können entfallen. Wegen dieser Vorteile kann es sinnvoll sein, die Drehfeldmaschine gar nicht feldorientiert zu regeln, sondern nur feldorientiert zu steuern und dafür weniger Stromfühler vorzusehen als für die feldorientierte Regelung üblicherweise erforderlich wäre. Im Extremfall wird nur ein einziger Stromfühler an einer der Phasen angeordnet. Beispielsweise in einem Antriebsmotor für eine Lenkkraftunterstützung kann dies vorteilhaft sein.
Das Steuern kann ein Bestimmen eines Betrags und eines elektrischen Winkels eines Rotorflusses auf der Basis der nachgebildeten Ströme umfassen. Diese Bestimmung des elektrischen Winkels mit den nachgebildeten (rekonstruierten) Phasenströmen der Drehfeldmaschine kann genauere Ergebnisse liefern.
Alternativ kann das Steuern ein Bestimmen eines Betrags und eines elektrischen Winkels eines Rotorflusses auf der Basis eines Flussmodells umfassen. Diese Technik ist beispielsweise dem Vorlesungsskript „Control of Drives" von P. Mutschler, Institut für Stromrichtertechnik und Antriebsregelung, TU Darmstadt, aus 2004 zu entnehmen.
Der Strom durch die Phase kann auf der Basis eines elektrischen Winkels der Drehfeldmaschine und den Stromsollwerten im A-B-Koordinatensystem bestimmt werden. Ein Signal kann ausgegeben werden, falls die beiden Ströme um mehr als ein vorbestimmtes Maß voneinander abweichen.
Das Regel- oder Drehverhalten der Drehfeldmaschine kann verbessert mittels der beschriebenen Ein-Phasenstrom-Diagnose überwacht werden. Einige Fehler beim Betrieb der Drehfeldmaschine können trotz der Bestimmung nur weniger Phasenströme – oder nur eines Phasenstroms – erfasst werden. Beispielsweise kann ein Problem an einem Drehzahlgeber oder einem Wechselrichter, ein Kurzschluss oder eine Unterbrechung einer Phase der Drehfeldmaschine oder eine Schwankung eines Maschinenparameters (z. B. der Induktion) bestimmt werden. Der Betrieb der Drehfeldmaschine kann somit auch dann gegen Fehler, Defekte oder Störungen abgesichert werden, wenn die Drehfeldmaschine mittels FOS statt FOR betrieben wird. Die Sicherheit der Anordnung kann damit verbessert gewährleistet sein. Die Erfüllung bestimmter Normen, beispielsweise für die Zulassung als Fahrzeugantrieb oder für als Antrieb für eine Lenkhilfe eines Kraftfahrzeugs, kann sichergestellt sein.
Herkömmliche Diagnosen zur Überwachung des Drehzahlgebers oder der Maschinenleitungen dagegen können bei der FOS nicht durchgeführt werden, weil die notwendigen Phasenströme der Drehfeldmaschine nicht gemessen werden können.
Die Differenz der Ströme oder deren Betrag kann über die Zeit integriert werden. Das Signal wird bevorzugt dann ausgegeben, wenn der solchermaßen integrierte Wert einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt. Durch die Integration über die Zeit können auch kleine Fehlerbeträge sicher nachgewiesen werden. Eine empfindliche oder sichere Erkennung eines Problems kann so sichergestellt sein.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Betrag der Differenz nur integriert wird, falls er einen weiteren vorbestimmten Schwellenwert übersteigt. Dadurch kann vermieden werden, dass Messrauschen oder zu vernachlässigende Abweichungen zwischen den Stromwerten zur irrtümlichen Bestimmung eines Problems führen.
Ein Computerprogrammprodukt umfasst Programmcodemitteln zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungsvorrichtung ausgeführt wird oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
Eine Steuervorrichtung für eine Drehfeldmaschine mit mehreren Phasen umfasst einen Stromfühler zur Abtastung des Stroms durch eine der Phasen; einen Drehzahlgeber zur Bestimmung einer Drehzahl der Drehfeldmaschine; und eine Verarbeitungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Winkel der Drehfeldmaschine auf der Basis der Drehzahl zu bestimmen, Ströme durch die Phasen der Drehfeldmaschine auf der Basis eines elektrischen Winkels der Drehfeldmaschine und Stromsollwerten im A-B-Koordinatensystem nachzubilden, und die Drehfeldmaschine auf der Basis der nachgebildeten Ströme feldorientiert zu steuern. Die Steuervorrichtung kann insbesondere als programmierbarer Mikrocomputer oder Mikrocontroller ausgeführt sein. In einer Ausführungsform ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen. Dabei ist eine Verarbeitung in diskreten Zeitschritten fester Länge bevorzugt.
Die Verarbeitungseinrichtung kann ferner dazu eingerichtet sein, den Strom durch die Phase auf der Basis eines elektrischen Winkels der Drehfeldmaschine und den Stromsollwerten im A-B-Koordinatensystem zu bestimmen und ein Signal auszugeben, falls die beiden Ströme um mehr als ein vorbestimmtes Maß voneinander abweichen. Das Signal kann nach außen bereitgestellt werden, um eine übergeordnete Fehlerbehandlung zu ermöglichen Das Signal kann auch intern verarbeitet werden, beispielsweise um eine Komponente der Steuervorrichtung abzuschalten, sodass die Drehfeldmaschine angehalten wird. In einer weiteren Ausführungsform wird das Signal ausgegeben, wenn eine Differenz der Ströme einen ersten, niedrigen Schwellenwerten übersteigt, und die Drehfeldmaschine wird abgeschaltet, wenn die Differenz auch einen zweiten, größeren Schwellenwert übersteigt.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
1 eine Drehfeldmaschine mit unterschiedlichen Koordinatensystemen;
2 einen beispielhaften Raumzeiger eines magnetischen Flusses in unterschiedlichen Koordinatensystemen;
3 ein Schaltbild einer beispielhaften feldorientierten Regelung (FOR);
4 ein Schaltbild einer beispielhaften feldorientierten Steuerung (FOS); und
5 und 6 simulierte Verläufe an der Drehfeldmaschine von 1
darstellen.
1 zeigt eine Drehfeldmaschine 100, insbesondere eine Asynchronmaschine (ASM). Die Drehfeldmaschine 100 ist bevorzugt zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug vorgesehen, zum Beispiel als Antriebsmotor. Die Drehfeldmaschine 100 umfasst einen Stator 105 und einen Rotor 110, die bezüglich einer Drehachse 115 drehbar gegeneinander gelagert sind. Am Stator 105 sind wenigstens drei Spulen 120 gleichmäßig versetzt auf einem Umfang um die Drehachse 115 angebracht. Es sind drei Phasen U, V und W vorgesehen, wobei jede Phase U, V, W mit gleich vielen Spulen 120 verbunden ist und die Spulen 120 abwechselnd äquidistant auf dem Umfang verteilt sind. Eine Polpaarzahl gibt an, wie viele Spulen 120 pro Phase vorgesehen sind. In der dargestellten Ausführungsform beträgt eine Polpaarzahl eins, in anderen Ausführungsformen ist die Polpaarzahl größer. Im Folgenden wird beispielhaft vereinfachend von einer Polpaarzahl von eins ausgegangen, sodass eine Phase einer Spule 120 entspricht. Freie Anschlüsse der Spulen 120 sind bevorzugterweise sternförmig miteinander verbunden. Werden die Phasen U, V, W mit phasenverschobenen Wechselströmen angesteuert, so wird ein Drehmoment generiert, das den Rotor 110 um die Drehachse 115 bezüglich des Stators 105 dreht. Im Rotor 110 der Drehfeldmaschine 100 sind, wenn die Polpaarzahl = 1 ist, üblicherweise drei Wicklungen 125 um jeweils 120° gegeneinander versetzt, beispielsweise wenn es sich um einen Kurzschlussläufer 100 handelt.
Die phasenverschobene Ansteuerung der Phasen U, V, W mit Wechselströmen kann in unterschiedlichen Koordinatensystemen dargestellt werden. Im statorfesten U/V/W-Koordinatensystem sind die Koordinatenachsen paarweise um 120° gegeneinander verdreht. Da die Ströme der Phasen U, V, W in Summe null ergeben, kann ein Stromzeiger bzw. Stromvektor 130 auch in einem statorfesten, zweidimensionalen αβ-Koordinatensystem dargestellt werden. Ferner ist ein rotorflußfestes d/q-Koordinatensystem dargestellt, dessen d-Komponente hier gleichgerichtet mit seiner ersten Wicklung 125 im Rotor 110 verläuft. Ein Winkel zwischen der d-Achse und der α- bzw. U-Achse entspricht einem mechanischen Drehwinkel θ_mech zwischen dem Rotor 110 und dem Stator 105. Ein elektrischer Drehwinkel θ_el entspricht dem mechanischen Drehwinkel θ_mech multipliziert mit der Polpaarzahl.
Das Betrachten bzw. Steuern von durch die Phasen U, V, W fließenden Strömen im rotorfesten d/q-Koordinatensystem wird feldorientierte Steuerung (FOS) genannt. Erfolgt zusätzlich eine Bestimmung von Phasenströmen für eine Rückkopplung, so entspricht dies einer feldorientierten Regelung (FOR). Durch Bezugnahme auf das d, q-System können sich verarbeitungstechnische oder rechnerische Vorteile ergeben.
Die Spannungen und Ströme der einzelnen Phasen werden bei der feldorientierten Regelung in Form von Raumzeigern zusammengefasst. Diese Raumzeiger beziehen sich zunächst auf das statorfeste α-β-Koordinatensystem und rotieren daher asynchron mit dem Rotor. Um die Größen auf den Rotor zu beziehen, werden die Zeiger auf das rotorflußfeste d, q-Koordinatensystem transformiert. Für ein beliebiges a-b-Koordinatensystem können die Raumzeiger transformiert werden. Dazu müssen geeignete Transformationswinkel ermittelt werden.
Eine Transformation besteht aus einer Verdrehung eines Raumzeigers um einen entsprechenden Transformationswinkel. 2 zeigt einen beispielhaften Raumzeiger Ψ eines magnetischen Flusses in einem statorfesten α-β-Koordinatensystem, einem rotorflussfesten d-q-Koordinatensystem und einem allgemeinen a-b-Koordinatensystem.
Die grundsätzliche Strategie bei der Regelung des Drehmoments der Drehfeldmaschine 100 besteht darin, entweder die Stator- oder die Rotorflussverkettung auf einen konstanten Wert zu regeln. Mit der jeweils komplementären Flussverkettung wird dann das Drehmoment verstellt, so dass deren Zeitkonstante die Momentenanregelzeit begrenzt. Die Betriebsweise mit konstanter Statorflussverkettung ist mit geringem Aufwand realisierbar, da sämtliche für die Regelung erforderlichen Zustandsgrößen für eine direkte Messung zugänglich sind.
Im Gegensatz hierzu wird beim Betrieb mit konstanter Rotorflussverkettung eine Transformation auf den Magnetisierungsstromvektor vorgenommen, der nicht direkt messbar ist und daher aus einem Maschinenmodell (Flussmodell) online ermittelt werden muss. Die transformierten Ströme können dann aber wie bei der fremderregten Gleichstrommaschine in ihre feldbildenden und momentenbildenden Komponenten zerlegt und einzeln gesteuert werden. Der Rotorfluss wird konstant gehalten und die Ständerdurchflutung wird senkrecht dazu eingestellt. Die Verhältnisse gleichen dann denen der Gleichstrommaschine. Bei Drehfeldmaschinen spricht man in diesem Fall von feldorientierter Regelung.
3 zeigt ein Strukturbild einer beispielhaften feldorientierten Regelung, hier exemplarisch mit konstanter Rotorflussverkettung. Die feldorientierte Regelung kann als Steuervorrichtung 205 ausgeführt sein, die eine Steuerung des Drehverhaltens der Drehfeldmaschine 100 auf der Basis eines Raumzeigers nach Art einer Vektorregelung durchführt. Dazu können Teile der Steuervorrichtung 205 insbesondere von einem programmierbaren Mikrocomputer oder Mikrocontroller umfasst sein, wobei die Verarbeitung bevorzugt digital erfolgt. Die Darstellung von 2 kann jedoch auch als Ablaufschema für ein Verfahren 210 zum Steuern der Drehfeldmaschine 100 aufgefasst werden.
Folgende Größen werden in 3 bezeichnet:

ωm:: elektrische Winkelgeschwindigkeit des Rotors
ωr: mechanische Winkelgeschwindigkeit des Rotors
ωk: Winkelgeschwindigkeit der Ständergrößen
Ψ2A: Rotorflusskomponente in A-Achse beim A, B-Koordinatensystem (entspricht dem Rotorflussbetrag)
Ψ2B: Rotorflusskomponente in B-Achse beim A, B-Koordinatensystem (ist gleich 0)
βΨ: elektrischer Drehwinkel des Rotorflusses
Zp: Polpaarzahl
U1α, U1β: Maschinenspannungen im α, β-Koordinatensystem
U1A, U1B: Maschinenspannungen im A, B-Koordinatensystem (Rotorflusskoordinatensystem)
I1U, I1V, I1W: Phasenströme der Maschine
I1α, I1β: Maschinenströme im α, β-Koordinatensystem
I1A, I1B: Maschinenströme im A, B-Koordinatensystem (Rotorflusskoordinatensystem)
Udc: Zwischenkreisspannung (entspricht in manchen Anwendungen der Automobilindustrie einer Batteriespannung)
PWM123: PWM-Werte zur Steuerung der Phasen der Maschine.

Zu jedem Betriebspunkt der Drehfeldmaschine 100 wird ein Rotorfluss-Sollwert ermittelt, beispielsweise in Form einer Kennlinie oder eines Kennfelds. Die Differenz zwischen diesem Rotorfluss-Sollwert und einem geschätzten Rotorfluss wird als Eingang eines PI-Reglers 315 verwendet. Der PI-Regler ermittelt den A-Stromsollwert, mit dem der Rotorfluss angepasst werden kann. Aus dem geforderten Solldrehmoment wird in einem Block 320 auf bekannte Weise der B-Stromsollwert berechnet. Um die gegenseitige Wirkung der beiden Ströme I_1A und I_1B zu kompensieren werden Entkopplungen 325 eingeführt.
Die Sollspannungen in A- und B-Komponenten werden in einer Transformationseinrichtung 330 ins α-β-Koordinatensystem umgesetzt und dann an einen Vektormodulator 335 geleitet, der Pulsweitenmodulierte Signale (PWM-Signale) zur Ansteuerung eines Wechselrichters 340 bereitstellt. Der Wechselrichter 340 stellt auf der Basis der Zwischenkreisspannung U_dc Spannungen an den Phasen U, V und W der Drehfeldmaschine 100 bereit. Ströme durch die Phasen U, V, W werden mittels Stromfühlern 345 abgetastet. Statt der dargestellten drei Stromfühler 345 können auch nur zwei vorgesehen sein, wobei der Strom durch die verbleibende Phase als Linearkombination der Ströme durch die anderen beiden Phasen bestimmt wird. Ein Drehzahlgeber 350 bestimmt eine mechanische Winkelgeschwindigkeit zwischen dem Stator 105 und dem Rotor 110 der Drehfeldmaschine 100.
Die bestimmten Phasenströme werden zunächst mittels einer Transformationseinrichtung 355 ins α-β-Koordinatensystem und anschließend mittels einer weitere Transformationseinrichtung 360 ins A-B-Koordinatensystem umgewandelt, bevor sie an die Entkopplung 325 geführt werden.
Der Rotorfluss Ψ kann nicht direkt gemessen werden. Zur Ermittlung des Rotorflusses Ψ sowie des Rotorflusswinkels wird ein Flussmodell 365 verwendet. Für das Flussmodell 365 kann insbesondere ein Strommodell oder ein Spannungsmodell oder eine Kombination aus beiden Modellen zum Einsatz kommen. Als Eingangsgroßen des Flussmodells 365 werden die Maschinenströme und/oder Maschinenspannungen sowie die elektrische Winkelgeschwindigkeit des Rotors verwendet. Die Phasenspannungen können aus den PWM-Werten und der Zwischenkreisspannung Udc berechnet werden.
Die Spannungen der ASM-Maschine im AB-Koordinatensystem lassen sich in Gleichungen Gl. 1 und Gl. 2 ausdrücken:
Mit:

σ: Streuziffer;
M: Hauptinduktivität [H]
L1: Stator-Selbstinduktivität [H]
L2: Rotor-Selbstinduktivität [H]
R1: Stator-Widerstand [Ω]
R2: Rotor-Widerstand [Ω]
U1A, U1B: Maschinenspannungen im A, B-Koordinatensystem (Rotorflusskoordinatensystem)
I1A, I1B: Maschinenströme im A, B-Koordinatensystem (Rotorflusskoordinatensystem)
ωm: elektrische Winkelgeschwindigkeit des Rotors
ωk: Winkelgeschwindigkeit der Ständergrößen
Ψ2A: Rotorflusskomponente in A-Achse im A, B-Koordinatensystem (entspricht dem Rotorflussbetrag)

Eine vereinfachte Darstellung der beiden Gleichungen GL 1 und Gl. 2 ergibt:
Transformiert man die beiden Gleichungen Gl. 3 und Gl. 4 im s-Bereich, erhält man:
Für die Anwendung der feldorientierten Regelung 305, 310 sind neben der Drehzahl und der Zwischenkreisspannung Informationen über die Phasenströme erforderlich um die Rückkupplung des Regelkreises zu gewährleisten.
Üblicherweise werden mindestens zwei Phasenströme der Maschine gemessen und der Strom der dritten Phase wird mittels der Kirchhoff'schen Knotenregel bestimmt (z. B. Isw = –Isu – Isv). Zur Überwachung eines möglichen Fehlverhaltens einer ASM, etwa wegen eines Problems am Drehzahlgeber 350, eines Kurzschlusses oder einer Unterbrechung einer Phase, werden üblicherweise Diagnoseverfahren verwendet. Diese basieren im Allgemeinen auf den Differentialgleichungen der Drehfeldmaschine 100 und benötigen mindestens zwei gemessene Phasenströme der Drehfeldmaschine 100.
Bei Ausfall der Strommessung kann die Drehfeldmaschine 100 nicht nach 3 angesteuert werden, da die einzelnen Phasenströme für die Rückkopplung der Regelung fehlen. In einem anzunehmenden Fehlerfall ist ein Stromfühler 345 defekt, während ein anderer noch funktioniert. Die bekannten Diagnosen zur Überwachung des Drehzahlgebers 350 und der Leitungen bzw. Phasen der Drehfeldmaschine 100 können dann nicht mehr verwendet werden. Im Folgenden wird ein verbessertes Konzept zur Ansteuerung der ASM 100 mittels FOS vorgestellt. Dadurch können viele Störeffekte, beispielsweise ein Kurzschluss in der elektrischen Maschine, ein Drehzahlfehler im Drehzahlsensor, große Parameterschwankungen etc. detektiert werden und in der Folge können notwendige Maßnahmen ergriffen werden.
Es wird vorgeschlagen, bei Ausfall eines Stromfühlers 345 die ASM 100 ohne Strommessung mittels FOS anzusteuern und das Regelverhaltens der Drehfeldmaschine 100 mittels einer Ein-Phasenstrom-Diagnose zu überwachen. Der gemessene Phasenstrom der Phase, der ein noch funktionierter Stromsensor zugeordnet ist, wird dabei mit einem rekonstruierten Phasenstrom verglichen.
Durch ein besseres Diskretisierungsverfahren (Tustin-Verfahren) kann der Algorithmus zur Ansteuerung der ASM ohne Strommessung mittels der Gleichungen Gl. 8 und 9 ausgedruckt werden. In der FOS können die beiden Gleichungen Gl. 8 und Gl. 9 für die Berechnung der Spannungen U_1AFOS und U_1BFOS in den Achsen A und B verwendet werden:
Dabei bedeuten:

ωm: elektrische Winkelgeschwindigkeit des Rotors
ωk: Winkelgeschwindigkeit der Ständergrößen
Ψ2A: Rotorflusskomponente in A-Achse in A, B-Koordinatensystem (entspricht den Rotorflussbetrag)
R1G: ist der gesamte Ersatzwiderstand der ASM (Gl. 5)
TE1G: gesamte elektrische Ersatz-Zeitkonstante der ASM
U1AFOS(k), U1BFOS(k): die geforderten Spannungen in A, B-Koordinatensystem (aktuell)
U1AFOS(k – 1), U1BFOS(k – 1): die geforderten Spannungen in A, B-Koordinatensystem (ein Abtastschritt zuvor),
U1BFOS(k – 1): der alte Sollwert U1BFOS(k) ohne den Term ((M/L2)·ωm·Ψ2A)
U1AFOS(k – 1): der alte Sollwert U1AFOS(k) ohne den Term ((M·R2/L22)·Ψ2A).
I1ARef(k), I1BRef(k): die Sollströme in A, B-Koordinatensystem (aktuell)
I1ARef(k – 1), I1BRef(k – 1): die Sollströme in A, B-Koordinatensystem (ein Abtastschritt zuvor)
T1: Zeitkonstante der gewünschten Dynamik in A-Achse
T2: Zeitkonstante der gewünschten Dynamik in B-Achse
T: der verwendete Abtastschritt

Das Flussmodell 365 zur Schätzung des Betrags sowie des elektrischen Winkels des Rotorflusses Ψ erfordert üblicherweise bekannte Phasenströme, so beispielsweise beim sogenannten Strommodell des Flusses. Wegen des Ausfalls der Strommessung kann der gemessene Stromzeiger jedoch nicht ermittelt werden. Um dies annährungsweise zu erreichen werden die Phasenströme der ASM 100 rekonstruiert, so dass die tatsächlichen Phasenströme mit den geschätzten Phasenströmen möglichst übereinstimmen.
Im Folgenden wird gezeigt, wie alle Phasenströme aus den beiden A, B-Stromsollwerten I_1ARef und I_1BRef sowie dem elektrischen Winkel des Rotorflusses β_Ψ der Maschine 100 rekonstruiert werden können.
Die FOS 305, 310 hat eine gewählte Dynamik, d. h. die geforderten A, B-Ströme werden erst nach einer gewissen Zeit eingestellt. Die Verzögerung der A, B-Ströme können mittels eines Tiefpassfilters oder eines anderen Filters nachgebildet werden. Die Zeitkonstante des Tiefpassfilters wird bevorzugt so gewählt, dass die Dynamik der FOS 305, 310 nachgebildet wird; d. h. die mit dem Tiefpassfilter gefilterten Sollströme sollen zumindest qualitativ den gleichen Verlauf wie die Ströme in der Drehfeldmaschine 100 haben.
Durch die verzögerten Sollwerte der A, B-Ströme I_1ARefF und I_1BRefF erhält man die nachgebildeten, ins A, B-Koordinatensystem transformierten Phasenströme der Drehfeldmaschine 100. Aus den beiden Strömen I_1ARefF und I_1BRefF können mit dem elektrischen Winkel des Rotorflusses β_Ψ der Drehfeldmaschine 100 die beiden Ströme I_1αCalc und I_1βCac bestimmt werden. Dabei soll ein Zeit-Offset ΔT_Offset durch die Abtastzeit des Systems berücksichtigt werden. Man erhält dadurch einen neuen Winkel β_ΨNeu (Gl. 10) zur Rücktransformation der beiden Ströme I_1ARefF und I_1BRefF: β_ΨNeu = β_Ψ + ω_K – ΔT_Offset Gl. 10
ΔT_Offset kann insbesondere so gewählt werden, dass bei einem stationären Zustand (d/dt = 0) der gemessene und der berechnete Strom der gleichen Phase ihren Nulldurchgang zum gleichen Zeitpunkt haben. Dieser Zeitpunkt liegt zwischen T_Abtast und T_Abtast·1,5; wobei T_Abtast (= T) die Zeit zwischen Abtastschritten der Ansteuerung der Drehfeldmaschine 100 ist. Durch die Rücktransformation der beiden Ströme I_1ARefF und I_1BRefF können mittels Gl. 11 die beiden berechneten Stromkomponenten I_1αCalc und I_1βCac im α, β-Koordinatensystem bestimmt werden:
Aus den berechneten Stromkomponenten I_1αCalc und I_1βCac können auf der Basis von Gl. 12 die nachgebildeten Phasenströme der Maschine I_1uCalc, I_1vCalc und I_1wCalc bestimmt werden:
Auf diese Weise können die nachgebildeten Phasenströme aus den gefilterten Sollströmen ermittelt werden. Dies führt zu einer verbesserten Schätzung des Betrags und des elektrischen Winkels des Rotorflusses, verglichen etwa mit einer Vorgehensweise, bei der die Phasenströme aus ungefilterten Sollwerten ermittelt werden.
Diagnose zur Überwachung des Verhaltens der ASM mittels eines einzigen Stromsensors Das Konzept zur Überwachung der Drehfeldmaschine 100 bei Ausfall eines Stromfühlers 230 basiert auf der Ermittlung eines Phasenstroms der Drehfeldmaschine 100 auf zwei unterschiedlichen Wegen. Die Ergebnisse beider Bestimmungen werden miteinander verglichen und ausgewertet, um das vorliegende Problem genauer charakterisieren und gegebenenfalls entsprechende Maßnahmen einleiten zu können.
Beim Ausfall eines Stromfühlers 230 bleibt üblicherweise noch mindestens ein weiterer Stromfühler 230 intakt, sodass damit der Phasenstrom einer anderen Phase gemessen werden kann. Mittels Gl. 12 kann der Phasenstrom der betroffenen Phase nachgebildet werden.
Durch Vergleich des gemessenen Phasenstroms mit dem nachgebildeten aus Gl. 12 kann das Verhalten der Drehfeldmaschine 100 in Bezug auf bestimmte Fehler wie einen Wicklungskurzschluss einer der Phasen, einen Positionsfehler oder eine größere Veränderung eines Maschinenparameters, z. B. eines Phasenwiderstands, überwacht werden. Sind die beiden Phasenströme gleich, so ist das Verhalten der Drehfeldmaschine 100 in Bezug auf die oben genannten Fehler in Ordnung. Bestehen Abweichungen zwischen den beiden ermittelten Werten des Phasenstroms, so können die Abweichungen ausgewertet werden. Es gibt unterschiedliche Methoden zur Auswertung der Abweichungen (z. B. Mittelwert bilden, Integration der Abweichungen über die Zeit etc. um eine Fehlfunktion zur detektieren.
4 zeigt eine Steuervorrichtung 405 bzw. ein Verfahren 410 zur feldorientierten Steuerung der Drehfeldmaschine 100 auch bei Ausfall der Strommessung mittels eines der Stromfühler 345 von 3. Grundlegende Funktionsblöcke des feldorientierten Ansatzes sind aus 3 übernommen.
An der Drehfeldmaschine 100 sind zwei oder drei Stromfühler 345 zur Messung von Phasenströmen vorgesehen. Fällt einer der Stromfühler 345 aus, so kann keine klassische Bestimmung der drei Phasenströme Is mehr durchgeführt werden. Es ist wahrscheinlich, dass im Schadensfall wenigstens noch ein drei Stromfühler 345 intakt ist, um den Strom durch eine der drei Phasen der Drehfeldmaschine 100 zu bestimmen.
Zur feldorientierten Steuerung der Drehfeldmaschine 100 wird in einem Block 415 ein FOS-Algorithmus nach den beiden Gleichungen 8 und 9 durchgeführt, der die Drehfeldmaschine 100 mit einstellbarer Dynamik (ähnlich wie die FOR aus 3) betreiben kann. Dabei kann die Dynamik der A-Achse durch die Zeitkonstante T1 oder die Dynamik der B-Achse durch die Zeitkonstante T2 eingestellt werden. Die beiden Zeitkonstanten können beliebig (gleich oder unterschiedlich) gewählt werden.
4 wurde zusätzlich mit einem Block 415 zur Ein-Phasenstrom-Diagnose erweitert. In diesem Diagnose-Block 415 wird in Abhängigkeit davon, welcher Stromfühler 345 defekt ist, der Strom einer Phase U, V, W, die mit einem noch funktionierenden Stromfühler 345 verbunden ist, mit diesem gemessen und zusätzlich auf einem anderen Weg bestimmt. Die Ergebnisse beider Bestimmungen werden miteinander verglichen und es wird eine Stromdifferenz zwischen ihnen bestimmt. Die Stromdifferenz kann unmittelbar oder von einer übergeordneten Funktionsebene ausgewertet werden, beispielsweise indem die Stromdifferenz über die Zeit aufintegriert und eine Warnung ausgegeben wird, wenn der kumulierte Wert einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt. Gegebenenfalls kann in diesem Fall auch eine Maßnahme automatisch eingeleitet werden, beispielsweise ein Abschalten der Drehfeldmaschine 100. Zu diesem Zweck kann ein Reset-Signal an den Wechselrichter 340 ausgegeben werden.
In der Ein-Phasenstrom-Diagnose 415 werden in einem ersten Filter 425 der Maschinen-Sollstrom I1ARef und in einem zweiten Filter 430 der Maschinen-Sollstrom I1BRef gefiltert. Der erste Filter 425 bildet die Dynamik der FOS in Richtung der A-Achse nach und der zweite Filter 430 die Dynamik der FOS in Richtung der B-Achse. In einer Winkelbestimmung 435 wird auf der Basis von Gleichung Gl. 10 der neue elektrische Winkel β_ΨNeu des Rotorflusses zur Transformation der gefilterten Strom-Sollwerte ermittelt. Dabei wird bevorzugt ein Zeit-Offset ΔT_Offset berücksichtigt.
Auf der Basis des neuen elektrischen Winkels β_ΨNeu können mittels der Gleichungen 11 und 12 in einer Transformationseinrichtung 440 die gefilterten Sollwertströme I_1ARef und I_1BRef vom A, B-Koordinatensystem ins UVW-Koordinatensystem transformiert werden, um nachgebildete Phasenströme I_1uCalc, I_1vCalc und I_1wCalc zu erhalten. Mittels einer Auswerteeinrichtung 445 wird in Abhängig von einem Fehlersignal 450 festgestellt, welcher Stromfühler 345 defekt ist. In Abhängigkeit eines Ergebnisses verwendet die Ein-Phasenstrom-Diagnose 415 den Phasenstrom einer Phase mit noch funktionierendem Stromfühler 345 als Referenz für einen nachfolgenden Vergleich und eine optionale Auswertung.
Die nachgebildeten Phasenströme I_1uCalc, I_1wCalc und I_1wCalc werden für die Bestimmung des Flussmodells 345 verwendet, damit der Betrag und der elektrische Winkel des Rotorflusses besser geschätzt werden können. Alternativ dazu kann zur Schätzung des Betrages und der Phase des Rotorflusses ein Flussmodell 365 verwendet werden, das auf der Spannung und der Drehzahl der Drehfeldmaschine 100 basiert. Für diese Alternative werden keine Phasenströme Is benötigt.
Es ist bevorzugt, die Konzepte der feldorientierten Regelung von 3 mit denen der feldorientierten Steuerung von 4 zu verbinden. Dazu kann eine kombinierte Steuervorrichtung angegeben werden, die zunächst als Steuervorrichtung 305 arbeitet und bei Auftreten eines Fehlers in einem Stromfühler 345 die Funktion der Steuervorrichtung 405 übernimmt. In entsprechender Weise kann ein kombiniertes Verfahren angegeben werden, das zunächst nach dem Verfahren 310 arbeitet und bei Auftreten eines Fehlers in einem Stromfühler 345 nach dem Verfahren 410 arbeitet.
4 und 5 zeigen Simulationsergebnisse für den beispielhaften Fall eines Ausfalls des Stromfühlers 345 der Phase W. Der Stromsensor in Phase U soll noch funktionsfähig sein. In horizontaler Richtung ist eine Zeit angetragen. Zum Zeitpunkt t = 0 s wird der Ausfalls des Stromfühlers 345 detektiert und die FOS wird als Ansteuerverfahren eingesetzt.
In dem in 4 dargestellten Fall liegen keine weiteren Fehler vor und die Drehfeldmaschine 100 zeigt mit der FOS ein gutes Verhalten. Wegen der Änderung von Maschinenparametern werden die beiden A, B-Ströme nicht wie bei der FOR ganz eingeregelt. Die Stromdifferenz zwischen dem gemessenen und dem berechneten Phasenstrom der Phase U zeigt daher kleine Abweichungen zu Null.
In dem in 5 dargestellten Fall wird zum Zeitpunkt t = t1 zusätzlich Drehzahlfehler simuliert. Dabei wird zum Zeitpunkt t = t1 (an der unterbrochenen vertikalen Linie) ein Offset von 300 U/min auf die mechanische Drehzahl der Maschine simuliert. Dies kann in der Realität z. B. durch einen Fehler im Drehzahlgeber 350 oder in der Signalverarbeitungs-Hardware der Drehzahl entstehen. Man kann beobachten, dass die berechneten Phasenströme der Maschine den gewünschten Verlauf zeigen. In den gemessenen Phasenströmen sind jedoch aufgrund des Drehzahlfehlers ab dem Zeitpunkt t = t1 andere Verläufe zu sehen. Dies führt dazu, dass die Stromdifferenz zwischen dem gemessenen und dem berechneten Phasenstrom der Phase U größer wird. Auch die A, B-Ströme zeigen relativ große Abweichungen. Diese Abweichungen könnten die Endstufe schädigen oder das Regelverhalten der Drehfeldmaschine 100 wegen hoher Drehmomente beeinträchtigen.
Die Stromdifferenz kann in ihrem Betrag über die Zeit aufintegriert werden. Übersteigt der aufintegrierte Wert einen vorbestimmten Schwellenwert, so kann ein Signal ausgegeben oder eine Maßnahme zum Schutz der Drehfeldmaschine 100 oder der Steuervorrichtung 405, insbesondere des Wechselrichters 340, eingeleitet werden. Ein unkontrolliertes Verhalten der Drehfeldmaschine 100 kann so vermieden werden.
Bezugszeichenliste

100: Drehfeldmaschine
105: Stator
110: Rotor
115: Drehachse
120: Spule
125: Wicklung
130: Stromzeiger bzw. Stromvektor
U, V, W: Phase bzw. Strang
305: Steuervorrichtung
310: Verfahren
315: PI-Regler
320: B-Stromsollwert berechnen
325: Entkopplung
330: Transformationseinrichtung
335: Vektormodulator
340: Wechselrichter
345: Stromfühler
350: Drehzahlgeber
355: Transformationseinrichtung
360: Transformationseinrichtung
365: Flussmodell
405: Steuervorrichtung
410: Verfahren
415: Ein-Phasenstrom-Diagnose
420: FOS-Algorithmus
425: erster Filter
430: zweiter Filter
435: Winkelbestimmung
440: Transformationseinrichtung
445: Auswerteeinrichtung
450: Fehlersignal

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 Nicht-Patentliteratur

Vorlesungsskript „Control of Drives” von P. Mutschler, Institut für Stromrichtertechnik und Antriebsregelung, TU Darmstadt, aus 2004 [0009]

Claims

Verfahren (410) zum feldorientierten Steuern einer Drehfeldmaschine (100) mit mehreren Phasen (U, V, W), wobei das Verfahren (410) folgende Schritte umfasst: Abtasten (345) des Stroms durch eine der Phasen (U, V, W); Nachbilden (440) von Strömen durch die Phasen (U, V, W) der Drehfeldmaschine (100) auf der Basis eines elektrischen Winkels der Drehfeldmaschine (100) und Stromsollwerten im A-B-Koordinatensystem; und Steuern (420) der Drehfeldmaschine (100) auf der Basis der nachgebildeten Ströme.
Verfahren (410) nach Anspruch 1, wobei das Steuern ein Bestimmen eines Betrags und eines elektrischen Winkels eines Rotorflusses auf der Basis der nachgebildeten Ströme umfasst.
Verfahren (410) nach Anspruch 2, wobei das Steuern ein Bestimmen eines Betrags und eines elektrischen Winkels eines Rotorflusses auf der Basis eines Flussmodells umfasst.
Verfahren (410) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Strom durch die Phase auf der Basis eines elektrischen Winkels der Drehfeldmaschine (100) und den Stromsollwerten im A-B-Koordinatensystem bestimmt wird und ein Signal ausgegeben wird, falls die beiden Ströme um mehr als ein vorbestimmtes Maß voneinander abweichen.
Verfahren (410) nach Anspruch 4, wobei der Betrag einer Differenz der Ströme über die Zeit integriert wird und das Signal ausgegeben wird, falls der integrierte Wert einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
Verfahren (410) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Betrag der Differenz nur integriert wird, falls er einen weiteren vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung eines Verfahrens (410) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungsvorrichtung (405) ausgeführt wird oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
Steuervorrichtung (405) für eine Drehfeldmaschine (100) mit mehreren Phasen, wobei die Steuervorrichtung (405) folgendes umfasst: einen Stromfühler (345) zur Abtastung des Stroms durch eine der Phasen; einen Drehzahlgeber (350) zur Bestimmung einer Drehzahl der Drehfeldmaschine (100); und eine Verarbeitungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Winkel der Drehfeldmaschine (100) auf der Basis der Drehzahl zu bestimmen, Ströme durch die Phasen (U, V, W) der Drehfeldmaschine (100) auf der Basis eines elektrischen Winkels der Drehfeldmaschine (100) und Stromsollwerten im A-B-Koordinatensystem nachzubilden, und die Drehfeldmaschine (100) auf der Basis der nachgebildeten Ströme feldorientiert zu steuern.
Steuervorrichtung (405) nach Anspruch 8, wobei die Verarbeitungseinrichtung ferner dazu eingerichtet ist, den Strom durch die Phase (U, V, W) auf der Basis eines elektrischen Winkels der Drehfeldmaschine (100) und den Stromsollwerten im A-B-Koordinatensystem zu bestimmen und ein Signal auszugeben, falls die beiden Ströme um mehr als ein vorbestimmtes Maß voneinander abweichen.