DE102017201215A1 - Monitoring a torque of an asynchronous machine - Google Patents
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- H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
Abstract
Eine elektrische Asynchronmaschine (105) umfasst mehrere Phasen (U, V, W). Ein Verfahren (400) zum Bestimmen eines Überwachungsmoments (M_E2) der Asynchronmaschine (105) umfasst Schritte des Bestimmens von Phasenströmen (Is), die durch die Phasen (U, V, W) fließen, und einer Drehzahl (n) und/oder eines Drehwinkels der Asynchronmaschine (105); des Transformierens (405, 410) der Phasenströme (Is) vom uvw-System ins dq-System; und des Bestimmens (430) des Überwachungsmoments (M_E2) auf der Basis einer q-Komponente der transformierten Phasenströme.An electrical asynchronous machine (105) comprises several phases (U, V, W). A method (400) for determining a monitoring torque (M_E2) of the asynchronous machine (105) comprises steps of determining phase currents (Is) flowing through the phases (U, V, W) and a rotational speed (n) and / or Rotation angle of the asynchronous machine (105); transforming (405, 410) the phase currents (Is) from the uvw system to the dq system; and determining (430) the monitoring torque (M_E2) based on a q-component of the transformed phase currents.
Description
Die Erfindung betrifft die Überwachung einer Asynchronmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung die Überwachung eines Drehmoments einer feldorientiert geregelten bzw. gesteuerten Asynchronmaschine.The invention relates to the monitoring of an asynchronous machine. In particular, the invention relates to the monitoring of a torque of a field-oriented controlled asynchronous machine.
Eine Asynchronmaschine kann beispielsweise mittels einer feldorientierten Regelung (FOR) oder feldorientierten Steuerung (FOS) gesteuert werden. Wird die Asynchronmaschine für eine sicherheitsrelevante Aufgabe, etwa zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs verwendet, so ist sicherzustellen, dass die Asynchronmaschine einer Steuervorgabe genau folgt. Eine gewünschte Beschleunigung (antreibend oder abbremsend) darf nicht ausbleiben und eine ungewünschte Beschleunigung (antreibend oder abbremsend) darf nicht erfolgen. Ein durch die Asynchronmaschine erbrachtes Drehmoment muss daher überwacht werden, um einen Fehlerzustand zu verhindern, der einen Insassen des Kraftfahrzeugs oder einen anderen Verkehrsteilnehmer außerhalb des Kraftfahrzeugs gefährden kann.An asynchronous machine can be controlled, for example, by means of a field-oriented control (FOR) or field-oriented control (FOS). If the asynchronous machine is used for a safety-relevant task, for example for driving a motor vehicle, then it must be ensured that the asynchronous machine precisely follows a control specification. A desired acceleration (driving or braking) must not be avoided and an unwanted acceleration (driving or braking) must not take place. A torque provided by the asynchronous machine must therefore be monitored to prevent a fault condition that may endanger an occupant of the motor vehicle or another road user outside the motor vehicle.
Das Drehmoment kann im Rahmen der FOS oder FOR bereits bestimmt werden oder ist mit geringem Aufwand aus Parametern der Steuerung bestimmbar. Die Steuerebene der Asynchronmaschine kann auch Ebene 1 genannt werden. Aus Sicherheitsgründen muss das Drehmoment noch auf einer davon getrennten Ebene 2 bestimmt werden, wobei bevorzugt ausschließlich Signale verwendet werden, die aus Quellen stammen, die eine vorbestimmte Sicherheitsanforderungsstufe erfüllen. Eine solche Stufe kann beispielsweise nach den ASIL-Vorgaben (z.B. ASIL-A, ASIL-B oder ASIL-C) bestimmt sein. Die Signale der ersten Ebene können nach dem ASIL-System hingegen auch der Stufe QM (quality management) zugeordnete sein, für die keine besonderen Auflagen zu erfüllen sind. Das in Ebene 2 bestimmte Drehmoment wird auch Überwachungsmoment genannt.The torque can already be determined in the context of the FOS or FOR or can be determined with little effort from parameters of the control. The control plane of the asynchronous machine can also be called
Die Bestimmung des Drehmoments der Asynchronmaschine kann unter bestimmten Umständen schwierig sein. Wird das Drehmoment beispielsweise auf der Basis von Statorgrößen bestimmt, so kann ein drastisch falsches Drehmoment bestimmt werden, wenn eine Winkelgeschwindigkeit des Rotors nahe null liegt. Ähnlich große Fehler können auftreten, wenn eine an einer Phase der Asynchronmaschine anliegende Spannung sehr klein ist, insbesondere im Bereich einer Schleusenspannung eines im Wechselrichter verwendeten Stromventils liegt. Das Stromventil kann beispielsweise einen Halbleiter des IGBT- oder FET-Typs umfassen und die Schleusenspannung kann um ca. 1 V betragen.The determination of the torque of the asynchronous machine can be difficult under certain circumstances. For example, if the torque is determined based on stator magnitudes, a drastically inaccurate torque may be determined when an angular velocity of the rotor is close to zero. Similarly large errors can occur if a voltage applied to one phase of the asynchronous machine is very small, in particular in the region of a terminal voltage of a current valve used in the inverter. For example, the flow control valve may comprise an IGBT or FET type of semiconductor, and the turn-on voltage may be about 1V.
Eine der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, eine verbesserte Technik zur Bestimmung eines Überwachungsmoments einer Asynchronmaschine bereitzustellen. Die Erfindung löst dieses Problem mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.An object underlying the present invention is to provide an improved technique for determining a monitoring torque of an asynchronous machine. The invention solves this problem by means of the subject matters of the independent claims. Subclaims give preferred embodiments again.
Eine elektrische Asynchronmaschine umfasst mehrere Phasen. Ein Verfahren zum Bestimmen eines Überwachungsmoments der Asynchronmaschine umfasst Schritte des Bestimmens von Phasenströmen, die durch die Phasen fließen, und einer Drehzahl und/oder eines Drehwinkels (Rotorwinkel) der Asynchronmaschine; des Transformierens der Phasenströme vom uvw-System ins dq-System; und des Bestimmens des Überwachungsmoments auf der Basis einer q-Komponente der transformierten Phasenströme.An electrical asynchronous machine comprises several phases. A method for determining a monitoring torque of the asynchronous machine includes steps of determining phase currents flowing through the phases and a rotational speed and / or a rotational angle (rotor angle) of the asynchronous machine; transforming the phase currents from the uvw system to the dq system; and determining the monitoring torque based on a q component of the transformed phase currents.
Es wird von der Modellvorstellung ausgegangen, dass die d-Komponente des durch die Asynchronmaschine fließenden Stroms das magnetische Feld in der Maschine aufbaut und die q-Komponente das Drehmoment erzeugt. Die q-Komponente kann relativ einfach durch eine oder mehrere passende Transformationen der bestimmten Phasenströme bestimmt werden, sodass das Überwachungsmoment rasch und zuverlässig bestimmt werden kann. Durch Verwenden der Drehzahl bzw. des Drehwinkes oder einer daraus ableitbaren Größe kann das Verfahren verbessert robust sein.It is assumed that the d-component of the current flowing through the asynchronous machine builds up the magnetic field in the machine and the q-component generates the torque. The q-component can be determined relatively simply by one or more appropriate transformations of the particular phase currents, so that the monitoring moment can be determined quickly and reliably. By using the rotational speed or the rotational angle or a variable derivable therefrom, the method can be improved in an improved manner.
Das Verfahren kann nur wenige Messgrößen erfordern, sodass es mit überschaubarem Aufwand an einer Asynchronmaschine physisch realisiert werden kann. Die Durchführung des Verfahrens ist wenig aufwändig und kann bereits mittels einer Verarbeitungseinrichtung mit überschaubarer Verarbeitungskapazität erfolgen. Das Verfahren kann dadurch auch für den Einsatz in einer echtzeitfähigen Umgebung geeignet sein oder mittels einer kostengünstigen Steuervorrichtung durchgeführt werden. Die Steuervorrichtung kann insbesondere noch eine zusätzliche Steueraufgabe erledigen, beispielsweise eine FOS oder FOR der Asynchronmaschine.The method can require only a few measured variables, so that it can be physically realized with manageable effort on an asynchronous machine. The implementation of the method is less complicated and can already be done by means of a processing device with manageable processing capacity. The method can thereby also be suitable for use in a real-time environment or be carried out by means of a cost-effective control device. In particular, the control device can also perform an additional control task, for example an FOS or FOR of the asynchronous machine.
Weiter verwendet das Verfahren analytische Formeln anstelle einer Heuristik oder experimenteller Werte, sodass auf eine Modifikation oder Abänderung von Eingangsparametern leicht durch entsprechende Anpassung der Verarbeitung eingegangen werden kann. Beispielsweise kann das Verfahren ein Umwandeln der Drehzahl bzw. des Drehwinkels in eine Winkelgeschwindigkeit umfassen. Wird anstelle eines Drehzahl- oder Drehwinkelsensors ein Sensor zur Abtastung der Winkelgeschwindigkeit verwendet, so kann dieser Schritt des Verfahrens einfach entfallen. Die Drehzahl und die Winkelgeschwindigkeit können in an sich bekannter Weise aus dem Drehwinkel ermittelt sein (wenn beispielsweise ein Drehwinkelsensor genutzt wird), beispielsweise durch zeitliches Ableiten.Furthermore, the method uses analytical formulas instead of a heuristic or experimental values, so that modification or modification of input parameters can be easily made by appropriate adaptation of the processing. For example, the method may comprise converting the rotational speed or the rotational angle into an angular velocity. If instead of a speed or rotation angle sensor, a sensor used to scan the angular velocity, this step of the process can be easily eliminated. The speed and the angular velocity can in a conventional manner be determined from the angle of rotation (when, for example, a rotation angle sensor is used), for example, by time derivative.
Das Überwachungsmoment kann zusätzlich auf der Basis eines Magnetisierungsstroms und Maschinenparametern der Asynchronmaschine bestimmt werden. Die Maschinenparameter können in einer Ausführungsform der Erfindung als konstant angesehen werden. Der Magnetisierungsstrom kann einfach gebildet werden, insbesondere auf der Basis der d-Komponente der transformierten Phasenströme.The monitoring torque can additionally be determined on the basis of a magnetizing current and machine parameters of the asynchronous machine. The machine parameters may be considered constant in one embodiment of the invention. The magnetizing current can be easily formed, in particular based on the d-component of the transformed phase currents.
Die Phasenströme können zunächst vom uvw-System ins aß-System und von dort ins dq-System transformiert werden. Die erste Transformation kann mittels fester Größen durchgeführt werden. Für die zweite Transformation kann ein Transformationswinkel einfach bestimmt werden.The phase currents can first be transformed from the uvw system into the aß system and from there into the dq system. The first transformation can be carried out by means of fixed quantities. For the second transformation, a transformation angle can be easily determined.
Der Transformationswinkel kann insbesondere der mittels Integrieren über eine Funktion bestimmt wird, die die Drehzahl, die q-Komponente der transformierten Phasenströme, einen Magnetisierungsstrom und einen Maschinenparameter der Asynchronmaschine umfasst. Durch den Schritt des Integrierens kann das Verfahren eine verbesserte Robustheit erlangen.The transformation angle can in particular be determined by means of integration via a function which comprises the rotational speed, the q-component of the transformed phase currents, a magnetizing current and a machine parameter of the asynchronous machine. Through the step of integrating, the method can achieve improved robustness.
Der Maschinenparameter kann wenigstens eines von einer Induktivität des Rotors, einem elektrischen Widerstand des Rotors, einer Induktivität des Stators oder einer Polpaarzahl der Asynchronmaschine umfassen. Der oder die Maschinenparameter können in einer einfachen Ausführungsform für eine gegebene Asynchronmaschine fest vorbestimmt sein. In einer anderen Ausführungsform kann wenigstens einer der Maschinenparameter einer Temperatur der Asynchronmaschine nachgeführt werden. Dazu kann ein Maschinenmodell der Asynchronmaschine eingesetzt werden, sodass der Maschinenparameter auf der Basis der bestimmten Temperatur bestimmt oder ein vorbestimmter Maschinenparameter an die Temperatur angepasst werden kann.The machine parameter may comprise at least one of an inductance of the rotor, an electrical resistance of the rotor, an inductance of the stator or a number of pole pairs of the asynchronous machine. The one or more machine parameters may be fixedly predetermined for a given asynchronous machine in a simple embodiment. In another embodiment, at least one of the machine parameters can be tracked to a temperature of the asynchronous machine. For this purpose, a machine model of the asynchronous machine can be used so that the machine parameter can be determined on the basis of the determined temperature or a predetermined machine parameter can be adapted to the temperature.
Die Phasenströme und die Drehzahl bzw. der Drehwinkel können jeweils auf der Basis von Messwerten von Sensoren bestimmt werden, die eine vorbestimmte Sicherheitsanforderungsstufe erfüllen. Eine solche Sicherheitsanforderungsstufe kann beispielsweise als ASIL-Stufe angegeben sein. Das Verfahren kann dadurch insbesondere zur Sicherung einer Asynchronmaschine verwendet werden, deren Betrieb sicherheitsrelevant für eine Person oder eine Einrichtung ist. Beispielsweise kann die Asynchronmaschine als Traktionsantrieb eines Kraftfahrzeugs Verwendung finden und das Kraftfahrzeug kann zur Beförderung einer Person eingerichtet sein oder zum Betrieb in einem Straßenverkehr, in dem sich weitere Personen aufhalten oder bewegen.The phase currents and the rotational speed or the rotational angle can each be determined on the basis of measured values from sensors which fulfill a predetermined safety requirement level. Such a security requirement level can be specified, for example, as an ASIL level. The method can thereby be used in particular for securing an asynchronous machine whose operation is safety-relevant for a person or a device. For example, the asynchronous machine can be used as a traction drive of a motor vehicle and the motor vehicle can be set up to carry a person or to operate in a traffic in which other people are or move.
Es ist weiter bevorzugt, dass die Drehzahl der Asynchronmaschine unter einem vorbestimmten Schwellenwert liegt, während das Verfahren durchgeführt wird. Anders ausgedrückt ist bevorzugt, dass eine Bestimmung des Drehmoments nur unterhalb der Drehzahlschwelle mittels des beschriebenen Verfahrens erfolgt. Steigt die Drehzahl über die Drehzahlschwelle, kann das Drehmoment in der zweiten Ebene mittels eines anderen Verfahrens bestimmt werden, das für höhere Drehzahlen besser geeignet ist und das beispielsweise auf der Basis von Statorgrößen funktioniert. Sinkt die Drehzahl wieder unter die Drehzahlschwelle ab, so kann umgekehrt auf das oben beschriebene Rotorfluss-basierende Verfahren zurückgewechselt werden.It is further preferred that the speed of the asynchronous machine is below a predetermined threshold while the method is being performed. In other words, it is preferred that a determination of the torque takes place only below the speed threshold by means of the method described. As the speed increases above the speed threshold, the second level torque may be determined by another method that is more suitable for higher speeds and that operates on the basis of stator sizes, for example. If the speed drops below the speed threshold again, it is possible in reverse to switch back to the rotor flux-based method described above.
Das Verfahren kann ferner ein Bestimmen eines Fehlerzustands umfassen, falls das Überwachungsmoment um mehr als ein vorbestimmtes Maß von einem Sollmoment abweicht. Das Sollmoment kann insbesondere als q-Komponente eines Raumzeigers im dq-System vorgegeben sein. Der Raumzeiger kann zur Steuerung der Asynchronmaschine mittels einer FOS oder FOR bereitgestellt sein.The method may further comprise determining an error condition if the monitoring torque deviates from a desired torque by more than a predetermined amount. The desired torque can be predefined in particular as the q component of a space vector in the dq system. The space pointer may be provided for controlling the asynchronous machine by means of an FOS or FOR.
Die Asynchronmaschine kann mittels einer FOR gesteuert werden, wobei im Rahmen der feldorientierten Steuerung ein Drehmoment der Asynchronmaschine bestimmt wird und ein Fehlerzustand bestimmt wird, falls das bestimmte Drehmoment um mehr als ein vorbestimmtes Maß vom Überwachungsmoment abweicht.The asynchronous machine can be controlled by means of a FOR, wherein as part of the field-oriented control, a torque of the asynchronous machine is determined and an error condition is determined if the specific torque deviates from the monitoring torque by more than a predetermined amount.
Eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Überwachungsmoments einer Asynchronmaschine mit mehreren Phasen umfasst Schnittstellen für Sensoren zur Abtastung von Phasenströmen, die durch die Phasen fließen, und einer Drehzahl und/oder eines Drehwinkels der Asynchronmaschine; und eine Verarbeitungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Phasenströme vom uvw-System ins dq-System zu transformieren; und das Überwachungsmoment auf der Basis einer q-Komponente der transformierten Phasenströme zu bestimmen.An apparatus for determining a monitoring torque of a multi-phase asynchronous machine comprises interfaces for sensors for sampling phase currents flowing through the phases and a rotational speed and / or a rotational angle of the asynchronous machine; and processing means adapted to transform the phase currents from the uvw system to the dq system; and determine the monitoring torque based on a q component of the transformed phase currents.
Die Verarbeitungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, wenigstens einen Teil des oben beschriebenen Verfahrens durchzuführen. Ferner kann die Verarbeitungseinrichtung einen programmierbaren Mikrocomputer oder Mikrocontroller umfassen und das Verfahren kann als Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln auf der Verarbeitungseinrichtung ablaufen oder auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sein. Vorteile oder Merkmale, die bezüglich des Verfahrens genannt oder beschrieben sind, können auf die Vorrichtung übertragen werden und umgekehrt.The processing device may be configured to perform at least part of the method described above. Furthermore, the processing device can comprise a programmable microcomputer or microcontroller and the method can run as a computer program product with program code means on the processing device or be stored on a computer-readable medium. Advantages or features mentioned or described with regard to the method can be transferred to the device and vice versa.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
-
1 ein Schaltbild einer feldorientierten Regelung (FOR) für eine Asynchronmaschine; -
2 ein System zur überwachten Steuerung einer Asynchronmaschine; -
3 einen Stromzeiger in verschiedenen Koordinatensystemen; -
4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen eines Überwachungsmoments der Asynchronmaschine im System von2 ; und -
5 einen Zusammenhang zwischen Drehmoment und Schlupf an einer Asynchronmaschine
-
1 a circuit diagram of a field-oriented control (FOR) for an induction machine; -
2 a system for supervised control of an asynchronous machine; -
3 a current pointer in different coordinate systems; -
4 a flowchart of a method for determining a monitoring torque of the asynchronous machine in the system of2 ; and -
5 a relationship between torque and slip on an asynchronous machine
Die Asynchronmaschine
Die feldorientierte Regelung kann als Vorrichtung
Der Raumzeiger i ist in dq-Darstellung mit Komponenten IsdRef und IsqRef gegeben und liegt als Eingangsgröße vor. Die d-Komponente des Raumzeigers i ist einem magnetischen Fluss, und die q-Komponente einem Drehmoment der Asynchronmaschine
Die Komponenten des Raumzeigers i werden über optionale Proportional-Integral-Glieder PI an eine Transformationseinrichtung
Für die Regelung ist es erforderlich, Phasenströme Is1, Is2, Is3, die durch die Phasen
Die transformierten Werte Isd, Isq der Phasenströme Is1, Is2, Is3 werden auf die Komponenten Isdref und Isqref des vorgegebenen Raumzeigers i addiert, bevor die entstehenden Summen an die PI-Glieder und dann an die Transformationseinrichtung
Optional können die additiv zum Raumzeiger i rückgekoppelten Komponenten Isd, Isq mittels eines Entkopplers
Bevorzugt ist ferner ein Temperatursensor
Die dargestellte feldorientierte Regelung
Die feldorientierte Regelung
In der ersten Ebene
In der zweiten Ebene
Die Auswertung
Die Bestimmungen
Zwischen der α-Achse des αβ-Koordinatensystems 305 und der k-Achse des kl-Koordinatensystems 315 liegt ein Winkel ϑr,el . Zwischen der α-Achse des αβ-Koordinatensystems 305 und der d-Achse des dq-Koordinatensystems 315 wird ein Winkel ϑs aufgespannt. Zwischen dem Stromzeiger i und der α-Achse des aß-Koordinatensystems 305 ist ein Winkel ϑi eingeschlossen.Between the α-axis of the αβ-coordinate
Isd, die d-Komponente des durch die Drehfeldmaschine
Das Verfahren
In einem Schritt
Dabei ist x eine allgemeine Größe, für die hier der Phasenstrom Is eingesetzt wird.Here, x is a general quantity for which the phase current Is is used here.
In einem Schritt
Auch hier ist x eine allgemeine Größe, für die der Phasenstrom Is eingesetzt wird.Again, x is a general quantity for which the phase current Is is used.
Zur Durchführung dieser Drehung ist der Rotorflusswinkel ϑs erforderlich (vgl.
In einem Schritt
Im Laplace-Bereich gilt außerdem:
In einem Schritt
Die hierfür benötigte Rotorkreisfrequenz ωm lässt sich mittels eines Umrechnungsfaktors K aus der Drehzahl der Drehfeldmaschine
Typischerweise hängt die Drehmomentberechnung von der Parametergüte der Drehfeldmaschine
Das Ebene-2-Drehmoment kann dann in einem Schritt
Das in der zweiten Ebene
Das Ebene-2-Drehmoment kann in der Auswertung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- feldorientierte Regelung (Vorrichtung bzw. Verfahren)field-oriented regulation (device or method)
- 102102
- Wechselrichterinverter
- 105105
- Asynchronmaschineasynchronous
- 110110
- Statorstator
- 115115
- Rotorrotor
- 120120
- Transformationseinrichtungtransformation means
- 125125
- PWM-GeneratorPWM generator
- 135135
- Stromfühlercurrent sensor
- 140140
- Positionssensorposition sensor
- 145145
- Entkopplerdecoupler
- 150150
- PositionsschätzmodellPosition estimation model
- 155155
- Temperatursensortemperature sensor
- U, V, WAND MANY MORE
- Phase bzw. Strang Phase or strand
- 200200
- Systemsystem
- 205205
- Vorrichtung zur ÜberwachungDevice for monitoring
- 210210
- Verfahren zur ÜberwachungProcedure for monitoring
- 215215
- erste Ebene (E1)first level (E1)
- 220220
- zweite Ebene (E2)second level (E2)
- 225225
- Auswertungevaluation
- 228228
- Vorrichtungcontraption
- 230230
- erste Schnittstelle (Drehzahl)first interface (speed)
- 235235
- zweite Schnittstelle (Phasenströme)second interface (phase currents)
- 240240
- dritte Schnittstelle (Temperatur) third interface (temperature)
- M_SollM_Soll
- Sollmomenttarget torque
- M_E1M_E1
-
Istmoment aus Ebene 1Actual moment from
level 1 - M_E2M_E2
- Überwachungsmoment (= Istmoment aus Ebene 2) Monitoring torque (= actual torque from level 2)
- 300300
- Koordinatensystemecoordinate systems
- 305305
- statorfestes Koordinatensystem (αβ)fixed-stator coordinate system (αβ)
- 310310
- rotorfestes Koordinatensystem (kl)rotor-fixed coordinate system (kl)
- 315315
- rotorflussfestes Koordinatensystem (dq) rotor flux-fixed coordinate system (dq)
- 400400
- Verfahrenmethod
- 405405
- αβ-transformierenαβ-Transform
- 410410
- in dq-Gleichströme transformierentransform into dq DC currents
- 415415
- Magnetisierungsstrom schätzenEstimate magnetizing current
- 420420
- Transformationswinkel bestimmen (Integrator)Determine transformation angle (integrator)
- 425425
- Maschinenparameter nachführenTrack machine parameters
- 430430
- Drehmoment bestimmenDetermine torque
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