DE102017201215A1 - Monitoring a torque of an asynchronous machine - Google Patents

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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 level 1. For safety reasons, the torque must still be determined on a separate level 2, wherein preferably only signals are used that come from sources that meet a predetermined safety requirement level. Such a stage may, for example, be determined according to the ASIL specifications (for example ASIL-A, ASIL-B or ASIL-C). By contrast, the signals of the first level can, according to the ASIL system, also be assigned to the level QM (quality management), for which no special conditions are to be met. The torque determined in level 2 is also called monitoring torque.

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 von 2; und
  • 5 einen Zusammenhang zwischen Drehmoment und Schlupf an einer Asynchronmaschine
darstellt. The invention will now be described in more detail with reference to the attached figures, in which:
  • 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 of 2 ; and
  • 5 a relationship between torque and slip on an asynchronous machine
represents.

1 zeigt eine beispielhafte feldorientierte Regelung 100 für eine Asynchronmaschine 105. Die Asynchronmaschine 105 kann zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug vorgesehen sein kann, zum Beispiel in einem elektrischen oder hybridisierten Antriebsstrang, in einer Servolenkung oder als Stellmotor. Insbesondere bei Einsatz der Asynchronmaschine 105 in einer sicherheitsrelevanten Anwendung, wo ein Steuerfehler einen materiellen Schaden oder einen Personenschaden hervorrufen kann, sollte die feldorientierte Regelung 100 überwacht werden, wie unten mit Bezug auf 2 noch genauer erläutert wird. 1 shows an exemplary field-oriented control 100 for an asynchronous machine 105 , The asynchronous machine 105 can be provided for use in a motor vehicle, for example in an electric or hybrid powertrain, in a power steering or as a servomotor. Especially when using the asynchronous machine 105 in a safety-relevant application where a control error can cause material damage or personal injury, the field-oriented scheme should 100 be monitored as below with reference to 2 will be explained in more detail.

Die Asynchronmaschine 105 umfasst einen Stator 110, an dem drei exemplarische Phasen U, V und W angebracht sind, und einen Rotor 115, der drehbar bezüglich des Stators 110 gelagert ist. Jede Phase U, V, W (bzw. 1, 2, 3) umfasst eine Wicklung in der Asynchronmaschine 105 und ist mit einem Wechselrichter 102 verbunden, der bevorzugt in B6-Brückenschaltung mit drei Halbbrücken gebildet ist, um die Phasen U, V, W jeweils alternierend mit einem hohen und einem niedrigen Potential einer Zwischenkreisspannung Udc zu verbinden, sodass sich in Abhängigkeit eines Tastverhältnisses eine vorbestimmte Spannung an der jeweiligen Phase U, V, W einstellt. Der Wechselrichter 102 wird bevorzugt mittels PWM-Signalen (Pulsweitenmodulations-Signalen) angesteuert, die in der dargestellten Ausführungsform durch die feldorientierte Regelung 100 bereitgestellt werden.The asynchronous machine 105 includes a stator 110 in which three exemplary phases U . V and W attached, and a rotor 115 which is rotatable with respect to the stator 110 is stored. Every phase U . V . W (or 1, 2, 3) comprises a winding in the asynchronous machine 105 and is with an inverter 102 connected, which is preferably formed in B6 bridge circuit with three half-bridges to the phases U . V . W in each case alternately with a high and a low potential of an intermediate circuit voltage Udc to connect, so that, depending on a duty cycle, a predetermined voltage at the respective phase U . V . W established. The inverter 102 is preferably controlled by means of PWM signals (pulse width modulation signals), which in the illustrated embodiment by the field-oriented control 100 to be provided.

Die feldorientierte Regelung kann als Vorrichtung 100 ausgeführt sein, um eine Steuerung des Drehverhaltens der Asynchronmaschine 105 auf der Basis eines vorgegebenen Raumzeigers i nach Art einer Vektorregelung durchzuführen. Dazu können Teile der Vorrichtung 100 insbesondere von einem programmierbaren Mikrocomputer umfasst sein und die Verarbeitung kann digital durchgeführt werden. Dabei werden die dargestellten Funktionsblöcke üblicherweise sequentiell durchlaufen. Die dargestellte feldorientierte Regelung 100 kann somit auch als Ablaufdiagramm für ein Verfahren 100 zum feldorientierten Steuern der Asynchronmaschine 105 aufgefasst werden.The field-oriented control can be used as a device 100 be executed to control the rotational behavior of the induction machine 105 perform on the basis of a predetermined space vector i in the manner of a vector control. These can be parts of the device 100 in particular from a programmable microcomputer and the processing can be carried out digitally. The illustrated function blocks are usually passed through sequentially. The illustrated field-oriented regulation 100 can thus also be used as a flow chart for a process 100 for field-oriented control of the asynchronous machine 105 be understood.

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 105 zugeordnet. Unterschiedliche Koordinatensysteme für den Raumzeiger i werden unten mit Bezug auf 3 noch genauer beschrieben.The space vector i is given in dq representation with components IsdRef and IsqRef and is present as an input variable. The d component of the space vector i is a magnetic flux, and the q component a torque of the asynchronous machine 105 assigned. Different coordinate systems for the space vector i will be discussed below with reference to FIG 3 described in more detail.

Die Komponenten des Raumzeigers i werden über optionale Proportional-Integral-Glieder PI an eine Transformationseinrichtung 120 weitergegeben, die die Eingangsgrößen in drei Spannungen Us1, Us2, Us3 transformiert, die an den Phasen U, V, W der Asynchronmaschine 105 einzustellen sind. Optional können die bestimmten Spannungen anschließend mittels eines Begrenzers auf gültige Werte begrenzt werden, bevor ein PWM-Generator 125 auf der Basis der bestimmten Spannungen PWM-Signale PWM1, PWM2, PWM3 für den Wechselrichter 102 bestimmt, um die gewünschten Spannungen an den Phasen U, V, W der Asynchronmaschine 105 bereitzustellen.The components of the space vector i are transmitted to a transformation device via optional proportional-integral elements PI 120 passed, which transforms the input variables into three voltages Us1, Us2, Us3, which at the phases U . V . W the asynchronous machine 105 are to be adjusted. Optionally, the determined voltages may then be limited to valid values by means of a limiter before a PWM generator 125 based on the determined voltages PWM signals PWM1, PWM2, PWM3 for the inverter 102 determined to the desired voltages at the phases U . V . W the asynchronous machine 105 provide.

Für die Regelung ist es erforderlich, Phasenströme Is1, Is2, Is3, die durch die Phasen U, V, W fließen, zu bestimmen. Dazu sind unterschiedliche Herangehensweisen möglich. In der dargestellten Ausführungsform werden die Phasenströme mittels Stromfühlern 135 abgetastet. Die Phasenströme Is1, Is2, Is3 werden auf der Basis eines Drehwinkels ω der Asynchronmaschine 105 mittels einer weiteren Transformationseinrichtung 170 ins dq-Koordinatensystem transformiert. Vorliegend wird der mechanische Drehwinkel Θmech der Asynchronmaschine 105 mittels eines Positionssensors 140 abgetastet, der beispielsweise als Anordnung von Hall-Sensoren oder Inkrementalgebern am Rotor 115 angebracht sein kann. Durch Multiplikation des mechanischen Drehwinkels Θmech mit der Polpaarzahl pz der Asynchronmaschine 105 kann der elektrische Drehwinkel Θel werden. Die mechanische Drehgeschwindigkeit ωmech kann durch Ableiten des mechanischen Drehwinkels Θmech nach der Zeit bestimmt werden. Wird dieser Wert mit der Polpaarzahl pz multipliziert, so ergibt sich die elektrische Drehgeschwindigkeit ωel.For the control, it is necessary to phase currents Is1, Is2, Is3, through the phases U . V . W flow, determine. For this, different approaches are possible. In the illustrated embodiment, the phase currents are detected by current sensors 135 sampled. The phase currents Is1, Is2, Is3 are calculated on the basis of a rotation angle ω of the asynchronous machine 105 transformed by a further transformation means 170 into the dq coordinate system. In the present case, the mechanical angle of rotation Θ mech the asynchronous machine 105 by means of a position sensor 140 sampled, for example, as an arrangement of Hall sensors or incremental encoders on the rotor 115 can be appropriate. By multiplying the mechanical rotation angle Θ mech with the number of pole pairs pz of the asynchronous machine 105 can be the electrical angle of rotation Θ el . The mechanical rotation speed ω mech can be determined by deriving the mechanical rotation angle Θ mech after the time. If this value is multiplied by the number of pole pairs pz, the electric rotary speed ω el results.

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 120 geführt werden. Die Zwischenkreisspannung Udc, die in verschiedenen Bestimmungsschritten verwendet wird, kann auf eine beliebige, bekannte Weise bestimmt werden.The transformed values Isd, Isq of the phase currents Is1, Is2, Is3 are added to the components Isd ref and Isq ref of the given space vector i, before the resulting sums are applied to the PI elements and then to the transformation means 120 be guided. The DC link voltage Udc used in various determination steps may be determined in any known manner.

Optional können die additiv zum Raumzeiger i rückgekoppelten Komponenten Isd, Isq mittels eines Entkopplers 145 auf der Basis der Drehgeschwindigkeit ωel voneinander entkoppelt und als EMKd und EMKq additiv an den Eingang der Transformationseinrichtung 120 geführt werden. Ein optionales Positionsschätzmodell 150 stellt auf der Basis der PWM-Signale und der Phasenströme Is1, Is2, Is3 eine geschätzte Drehgeschwindigkeit ω̂ und einen geschätzten Drehwinkel Θ̂ der Asynchronmaschine 105 bereit.Optionally, the components Isd, Isq fed back additively to the space vector i by means of a decoupler 145 decoupled from each other on the basis of the rotational speed ω el and as EMKd and EMKq additive to the input of the transformation means 120 be guided. An optional position estimation model 150 On the basis of the PWM signals and the phase currents Is1, Is2, Is3, an estimated rotational speed ω and an estimated rotational angle Θ of the asynchronous machine 105 ready.

Bevorzugt ist ferner ein Temperatursensor 155 an der Asynchronmaschine 105 vorgesehen. Der Temperatursensor 155 ist bevorzugt zur Bestimmung der am Stator 110 herrschenden Temperatur eingerichtet. Der Temperatursensor 155 und die Stromsensoren 135 erfüllen bevorzugt eine vorbestimmte Sicherheitsanforderungsstufe, etwa ASIL-A, ASIL-B oder bevorzugt ASIL-C.Furthermore, a temperature sensor is preferred 155 at the asynchronous machine 105 intended. The temperature sensor 155 is preferred for determining the stator 110 prevailing temperature. The temperature sensor 155 and the current sensors 135 preferably satisfy a predetermined security requirement level, such as ASIL-A, ASIL-B or, preferably, ASIL-C.

Die dargestellte feldorientierte Regelung 100 ist als beispielhaft zu verstehen. Es sind zahlreiche Varianten und Modifikationen der dargestellten Regelung 100 bekannt, die jedoch sämtlich auf das Grundprinzip der Vektorregelung der Asynchronmaschine 105 zurückgeführt werden können. Es ist zu beachten, dass auch andere Konzepte der Regelung der Asynchronmaschine 105 möglich sind, beispielsweise die direkte Selbstregelung (DSR), bei der Maschinenfluss und Drehmoment direkt und unabhängig voneinander geregelt werden können.The illustrated field-oriented regulation 100 is to be understood as an example. There are numerous variants and modifications of the illustrated scheme 100 However, all of them are based on the basic principle of vector control of the asynchronous machine 105 can be traced back. It should be noted that other concepts of regulation of the asynchronous machine 105 are possible, for example, the direct self-regulation (DSR), in which machine flow and torque can be controlled directly and independently.

2 zeigt ein System 200 zur Steuerung der Asynchronmaschine 105. Das System 200 umfasst die oben beschriebene feldorientierte Regelung 100 sowie eine Vorrichtung 205 oder ein Verfahren 210 zur Überwachung oder Auswertung der feldorientierten Regelung 100. Die Vorrichtung 205 ist bevorzugt dazu eingerichtet, ein korrespondierendes Verfahren 210 zur Überwachung durchzuführen und kann insbesondere als programmierbarer Mikrocomputer realisiert sein. Mikrocomputer, die die feldorientierte Regelung 100 und die Vorrichtung 205 realisieren, können miteinander integriert oder voneinander getrennt ausgeführt sein. 2 shows a system 200 for controlling the asynchronous machine 105 , The system 200 includes the field-oriented control described above 100 as well as a device 205 or a procedure 210 for monitoring or evaluation of the field-oriented control 100 , The device 205 is preferably set up, a corresponding method 210 to perform monitoring and can be implemented in particular as a programmable microcomputer. Microcomputer, the field-oriented scheme 100 and the device 205 can be integrated with each other or separated from each other.

Die feldorientierte Regelung 100 bildet zusammen mit der Asynchronmaschine 105 und dem Wechselrichter 102 eine erste Ebene 215 des Systems 200, und die Überwachung 205 bzw. 210 bildet zusammen mit einer Auswertung 225 eine zweite Ebene 220. Die zweite Ebene 220 ist bevorzugt dazu eingerichtet, die erste Ebene 215 zu kontrollieren oder funktional zu überwachen und ist von dieser möglichst unabhängig aufgebaut, sodass eine Fehlfunktion in der ersten Ebene 215 die Funktion der Überwachung der zweiten Ebene 220 möglichst nicht beeinträchtigt. Die Auswertung 225 kann ebenfalls als Verfahren oder als Vorrichtung angesehen werden. Die Vorrichtung 210 und die Überwachung 225 sind in diesem Sinne bevorzugt von einer gemeinsamen Steuervorrichtung 228 umfasst bzw. das Verfahren 210 und die Auswertung 225 sind bevorzugt dazu eingerichtet, mittels der gleichen Verarbeitungseinrichtung 228 durchgeführt zu werden.The field-oriented regulation 100 forms together with the asynchronous machine 105 and the inverter 102 a first level 215 of the system 200 , and the surveillance 205 respectively. 210 forms together with an evaluation 225 a second level 220 , The second level 220 is preferably set up the first level 215 to control or functionally monitor and is constructed by this as independently as possible, causing a malfunction in the first level 215 the function of monitoring the second level 220 if possible, not impaired. The evaluation 225 may also be considered as a method or device. The device 210 and the surveillance 225 are in this sense preferred by a common control device 228 includes or the method 210 and the evaluation 225 are preferably set up by means of the same processing device 228 to be carried out.

In der ersten Ebene 215 wird auf der Basis eines vorbestimmten Sollmoments M_Soll die Asynchronmaschine 105 gesteuert, wie oben mit Bezug auf 1 genauer beschrieben ist. Das Sollmoment M_Soll kann insbesondere als q-Komponente des Raumzeigers i vorbestimmt sein, der zur Steuerung der Asynchronmaschine 105 vorgegeben ist. In der ersten Ebene 215 wird bevorzugt durch die feldorientierte Regelung 100 ein erstes Istmoment M_E1 bestimmt, das eine Berechnung des von der Asynchronmaschine 105 bereitgestellten Drehmoments ausdrückt. Die Bestimmung des ersten Istmoments M_E1 erfolgt auf der Basis von Mess- und Verarbeitungswerten der feldorientierten Steuerung 100 sowie gegebenenfalls Parametern der Asynchronmaschine 105.In the first level 215 becomes the asynchronous machine on the basis of a predetermined target torque M_Soll 105 controlled as above with respect to 1 is described in more detail. The nominal torque M_Soll may be predetermined in particular as the q-component of the space vector i, which is used to control the asynchronous machine 105 is predetermined. In the first level 215 is preferred by the field-oriented regulation 100 a first actual moment M_E1 that determines a calculation of the asynchronous machine 105 provided torque is expressed. The determination of the first actual moment M_E1 takes place on the basis of measurement and processing values of the field-oriented control 100 and optionally parameters of the asynchronous machine 105 ,

In der zweiten Ebene 220 wird das von der Asynchronmaschine 105 bereitgestellte Drehmoment als M_E2 bestimmt. Dabei werden bevorzugt nur Mess- und Verarbeitungswerte verwendet, die auf der Basis von gesicherten Quellen bestimmt wurden, insbesondere Sensoren, die eine vorbestimmte Sicherheitsanforderungsstufe erfüllen. In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung 205 eine erste Schnittstelle 230 zur Verbindung mit dem Sensor 140 zur Abtastung eines auf eine Drehzahl der Asynchronmaschine 105 hinweisenden Signals, etwa eines Drehwinkels, einer Winkelgeschwindigkeit oder der Drehzahl; eine zweite Schnittstelle 235 zur Verbindung mit dem Sensor 135 zur Abtastung der Phasenströme Is bzw. IsMeas an den Phasen U, V, W (entsprechend den Strömen Is1, Is2, Is3 bzw. Isu, Isv, Isw) und optional eine dritte Schnittstelle 240 zur Verbindung mit dem Temperatursensor 155 zur Bestimmung einer Temperatur der Asynchronmaschine 105, insbesondere ihres Stators 110. Die Sensoren 135, 140 oder 155 stellen Messwerte bereit, die sowohl der ersten Ebene 215 als auch der zweiten Ebene 220 zur Verfügung gestellt werden können.In the second level 220 that will be from the asynchronous machine 105 provided torque determined as M_E2. In this case, preferably only measurement and processing values are used which have been determined on the basis of secure sources, in particular sensors which fulfill a predetermined safety requirement level. In the illustrated embodiment, the device comprises 205 a first interface 230 for connection to the sensor 140 for sampling one at a speed of the asynchronous machine 105 indicative signal, such as a rotation angle, an angular velocity or the rotational speed; a second interface 235 for connection to the sensor 135 for sampling the phase currents Is or IsMeas at the phases U . V . W (corresponding to the currents Is1, Is2, Is3 or Isu, Isv, Isw) and optionally a third interface 240 for connection to the temperature sensor 155 for determining a temperature of the asynchronous machine 105 , in particular its stator 110 , The sensors 135 . 140 or 155 provide readings that are both the first level 215 as well as the second level 220 can be made available.

Die Auswertung 225 vergleicht das in der zweiten Ebene 220 bestimmte Überwachungsmoment M_E2 mit dem Sollmoment M_Soll oder dem in der ersten Ebene 215 bestimmte Istmoment M_E1. In einer weiteren Ausführungsform kann die Auswertung 225 auch dazu eingerichtet sein, das Sollmoment M_Soll mit dem Überwachungsmoment M_E2 zu vergleichen. Wird bei einem der Vergleiche eine Abweichung festgestellt, die über einem vorbestimmten Maß oder Schwellenwert liegt, so kann ein Fehler im System 200 bestimmt werden. Der Schwellenwert kann absolut, beispielsweise als eine Anzahl Nm (Newton mal Meter), oder relativ bezüglich des jeweiligen Vergleichsmoments oder eines maximalen Moments der Asynchronmaschine 105 bestimmt sein. Im Fehlerfall kann eine entsprechende Nachricht ausgegeben werden, um das Problem geeignet behandeln zu können. Die Nachricht kann die bestimmte Abweichung umfassen und es können auch noch weitere Parameter bereitgestellt werden. Es kann auch eine unmittelbare Reaktion in Form eines Eingriffs in die feldorientierte Steuerung 100 gesteuert werden, beispielsweise indem die Asynchronmaschine 105 angehalten oder in den Leerlauf gebracht wird. Beispielsweise kann der Wechselrichter 102 abgeschaltet werden, etwa indem die PWM-Eingänge des Wechselrichters 102 mit geeigneten Signalen überlagert oder von Ausgängen der feldorientierten Steuerung 100 getrennt werden.The evaluation 225 compare that to the second level 220 certain monitoring moment M_E2 with the target torque M_Soll or in the first level 215 certain actual moment M_E1 , In a further embodiment, the evaluation 225 also be set up to the target torque M_Soll with the monitoring moment M_E2 to compare. If one of the comparisons detects a deviation which is above a predetermined measure or threshold value, then an error may occur in the system 200 be determined. The threshold may be absolute, for example as a number of Nm (Newton by meter), or relative to the respective reference torque or maximum torque of the asynchronous machine 105 be determined. In the event of an error, a corresponding message can be output to handle the problem appropriately. The message may include the particular deviation and other parameters may be provided. It can also be an immediate reaction in the form of an intervention in the field-oriented control 100 be controlled, for example by the asynchronous machine 105 stopped or idle. For example, the inverter 102 be turned off, such as by the PWM inputs of the inverter 102 superimposed with suitable signals or outputs of the field-oriented control 100 be separated.

Die Bestimmungen 205, 210 des Überwachungsmoments M_E2 und die Auswertung 225 können mittels einer gemeinsamen Verarbeitungseinrichtung 230 durchgeführt werden. Die Verarbeitungseinrichtung ist bevorzugt von einer Verarbeitungseinrichtung für die feldorientierte Regelung 100 verschieden aufgebaut, sodass eine gemeinsame Fehlerquelle („common cause error“) vermieden werden kann. Die Verarbeitungseinrichtung 230 kann insbesondere einen programmierbaren Mikrocomputer, Mikrocontroller oder ein FPGA umfassen und dazu eingerichtet sein, ein Verfahren in Form eines Computerprogrammprodukts abzuarbeiten. Das in dieser Anmeldung geschilderte Verfahren und die korrespondierende Vorrichtung sind zwei Ausprägungen der gleichen Idee, sodass Merkmale und Vorteile jeweils auch dem Gegenstand der anderen Kategorie zugeordnet werden können.The regulations 205 . 210 the monitoring torque M_E2 and the evaluation 225 can by means of a common processing device 230 be performed. The processing device is preferably of a processing device for the field-oriented control 100 built differently, so that a common cause error ("common cause error") can be avoided. The processing device 230 In particular, it may comprise a programmable microcomputer, microcontroller or FPGA and be adapted to execute a method in the form of a computer program product. The method described in this application and the corresponding device are two versions of the same idea, so that features and advantages can each be assigned to the object of the other category.

3 zeigt einen Stromzeiger i in verschiedenen Koordinatensystemen 300. Ein statorfestes Koordinatensystem 305 wird aß-Koordinatensystem 305 genannt und ist bezüglich des Stators 110 der Asynchronmaschine 105 definiert. Ein rotorfestes Koordinatensystem 310 wird auch kl-Koordinatensystem 310 genannt und ist bezüglich des Rotors 115 der Asynchronmaschine 105 definiert. Ein rotorflussfestes Koordinatensystem 315 wird auch dq-Koordinatensystem 315 genannt und ist bezüglich eines magnetischen Flusses Ψrd im Rotor 115 der Asynchronmaschine 105 definiert. Eine d-Achse des dq-Koordinatensystems 315 verläuft entlang des magnetischen Flusses Ψrd. 3 shows a current vector i in different coordinate systems 300 , A fixed-stator coordinate system 305 is called ate coordinate system 305 and is relative to the stator 110 the asynchronous machine 105 Are defined. A rotor-fixed coordinate system 310 is also called kl-coordinate system 310 and is with respect to the rotor 115 the asynchronous machine 105 Are defined. A rotor flux-proof coordinate system 315 is also called dq coordinate system 315 and is in terms of a magnetic flux Ψ rd in the rotor 115 the asynchronous machine 105 Are defined. A d-axis of the dq coordinate system 315 runs along the magnetic flux Ψ rd .

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 system 305 and the k-axis of the kl-coordinate system 315 is an angle θ r, el . Between the α-axis of the αβ-coordinate system 305 and the d-axis of the dq-coordinate system 315, an angle θ s is spanned. An angle θ i is included between the current vector i and the α axis of the aβ coordinate system 305.

Isd, die d-Komponente des durch die Drehfeldmaschine 100 fließenden Stroms, wird als feldbildender Strom, und Isq, die q-Komponente des durch die Drehfeldmaschine 100 fließenden Stroms, als drehmomentbildender Strom aufgefasst. Es wird vorgeschlagen, die Phasenströme aus dem uvw-System zunächst ins aß-System und von dort ins dq-System zu transformieren. Die q-Komponente der transformierten Phasenströme entspricht dann dem Drehmoment der Asynchronmaschine 105. Die erste Transformation kann mittels eines konstanten Transformationswinkels durchgeführt werden, für die zweite Transformation muss zunächst der Winkel ϑs zwischen der α-Achse des aß-Koordinatensystems 305 und der d-Achse des dq-Koordinatensystems 315 bestimmt werden. Es wird vorgeschlagen, den Transformationswinkel ϑs auf der Basis eines magnetischen Flusses im Rotor 115 der Asynchronmaschine 105 zu bestimmen.I sd , the d component of the by the induction machine 100 flowing current, is called field-forming current, and I sq , the q-component of the rotating field machine 100 flowing current, construed as a torque-forming current. It is proposed to transform the phase currents from the uvw system first into the aß system and from there into the dq system. The q-component of the transformed phase currents then corresponds to the torque of the asynchronous machine 105 , The first transformation can be performed by means of a constant transformation angle, for the second transformation first the angle θ s between the α-axis of the aß coordinate system 305 and the d-axis of the dq coordinate system 315 has to be determined. It is suggested that the transformation angle θ s be based on a magnetic flux in the rotor 115 the asynchronous machine 105 to determine.

4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zur Bestimmung des Überwachungsmoments M_E2 der Asynchronmaschine 105 des Systems 300 von 3. Das Verfahren 300 ist eine bevorzugte Implementation der Bestimmung 205 210 im System 300. Das Verfahren 300 kann insbesondere auf der Vorrichtung 205 des Systems 200 ausgeführt werden bzw. vom Verfahren 210 umfasst sein. 4 shows a flowchart of a method 400 for determining the monitoring torque M_E2 the asynchronous machine 105 of the system 300 from 3 , The procedure 300 is a preferred implementation of the determination 205 210 in the system 300 , The procedure 300 especially on the device 205 of the system 200 be executed or by the process 210 includes his.

Das Verfahren 400 ist dazu eingerichtet, das durch die Asynchronmaschine 105 bereitgestellte Drehmoment in der zweiten Ebene 220 zu bestimmen. Für die Bestimmung werden bevorzugt ausschließlich Messwerte verwendet, deren Erhebung jeweils eine vorbestimmte Sicherheitsanforderungsstufe erfüllt. Insbesondere können entsprechend zertifizierte Sensoren verwendet werden. Die Sicherheitsanforderungsstufe kann beispielsweise als ASIL-Stufe angegeben sein und etwa ASIL-A oder höher (ASIL-B, ASIL-C etc.) betreffen. In der dargestellten Ausführungsform sind als abgesicherte Messwerte die Phasenströme Isu, Isv und Isw und die Drehzahl n bzw. der Drehwinkel der Asynchronmaschine 105 vorgesehen. Zusätzlich kann eine Temperatur TempSt der Asynchronmaschine 105, insbesondere ihres Stators 110, verwendet werden. Bestimmte Werte der zweiten Ebene 220, also Zwischenergebnisse, die auf gesicherten Messwerten oder Signalen basieren und somit selbst als gesichert gelten können, sind im Folgenden mit dem Index E2 oder ASIL gekennzeichnet (vgl. 2) und gelten bevorzugt ebenfalls als gesichert.The procedure 400 is set up by the asynchronous machine 105 provided torque in the second level 220 to determine. For the determination, preferably only measured values are used whose collection each satisfies a predetermined safety requirement level. In particular, appropriately certified sensors can be used. For example, the security requirement level may be indicated as an ASIL level and may be about ASIL-A or higher (ASIL-B, ASIL-C, etc.). In the illustrated embodiment, the phase currents I su , I sv and I sw and the rotational speed n or the rotational angle of the asynchronous machine are the reliable measured values 105 intended. In addition, a temperature TempSt of the asynchronous machine 105 , in particular its stator 110 , be used. Certain values of the second level 220 , ie intermediate results that are based on secured measured values or signals and thus can be considered as secured, are in the following marked with the index E2 or ASIL (cf. 2 ) and are preferably also considered secured.

In einem Schritt 405 wird bevorzugt eine aß-Transformation der Phasenströme Isuvw durchgeführt. Die allgemeine aß-Transformation lautet: [ x α x β ] = 2 3 [ 0 1 2 1 2 0 3 2 3 2 ] [ x u x v x w ] .

Figure DE102017201215A1_0001
In one step 405 an transformation of the phase currents I suvw is preferably carried out. The general aß transformation is: [ x α x β ] = 2 3 [ 0 - 1 2 - 1 2 0 3 2 - 3 2 ] [ x u x v x w ] ,
Figure DE102017201215A1_0001

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 410 werden die aß-Ströme mittels einer passiven Drehung (sinusförmig) zu dq-Gleichströmen transformiert. [ x d x q ] = 2 3 [ cos ϑ s ( t ) sin ϑ s ( t ) sin ϑ s ( t ) cos ϑ s ( t ) ] [ x α x β ] .

Figure DE102017201215A1_0002
In one step 410 the aß currents are transformed by a passive rotation (sinusoidal) into dq direct currents. [ x d x q ] = 2 3 [ cos θ s ( t ) sin θ s ( t ) - sin θ s ( t ) cos θ s ( t ) ] [ x α x β ] ,
Figure DE102017201215A1_0002

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. 3), dessen Bestimmung im Folgenden genauer beschrieben wird.To carry out this rotation, the rotor flux angle θ s is required (cf. 3 ), the determination of which is described in more detail below.

In einem Schritt 415 wird ein Magnetisierungsstrom ImE2 geschätzt. Es gilt: τ r = L r R r   ,

Figure DE102017201215A1_0003
wobei Lr die Induktivität des Rotors 115 und Rr der elektrische Widerstand des Rotors 115 ist. Für die Berechnung des Magnetisierungsstroms wird folgender Zusammenhang ausgenutzt: d d t I m E 2 = 1 τ r ( I s d E 2 I m E 2 ) .
Figure DE102017201215A1_0004
In one step 415 a magnetizing current I mE2 is estimated. The following applies: τ r = L r R r .
Figure DE102017201215A1_0003
where L r is the inductance of the rotor 115 and R r is the electrical resistance of the rotor 115 is. For the calculation of the magnetizing current, the following relationship is exploited: d d t I m e 2 = 1 τ r ( I s d e 2 - I m e 2 ) ,
Figure DE102017201215A1_0004

Im Laplace-Bereich gilt außerdem: I m E 2 = 1 s τ r + 1 I s d E 2 ,

Figure DE102017201215A1_0005
wobei s der Laplace-Operator ist.In the Laplace area: I m e 2 = 1 s τ r + 1 I s d e 2 .
Figure DE102017201215A1_0005
where s is the Laplace operator.

In einem Schritt 420 wird der Transformationswinkel ϑs bestimmt. Es gilt: d d t ϑ s = ω s = ω m + 1 τ r I s q E 2 I m E 2

Figure DE102017201215A1_0006
und ϑs=∫ωsdt.In one step 420 the transformation angle θ s is determined. The following applies: d d t θ s = ω s = ω m + 1 τ r I s q e 2 I m e 2
Figure DE102017201215A1_0006
and θ s = ∫ω s dt.

Die hierfür benötigte Rotorkreisfrequenz ωm lässt sich mittels eines Umrechnungsfaktors K aus der Drehzahl der Drehfeldmaschine 100 bestimmen: K = p z 2 π 60 .

Figure DE102017201215A1_0007
Dabei ist pz die Polpaarzahl der Maschine 100.The required for this rotor angular frequency ω m can be by means of a conversion factor K from the rotational speed of the polyphase machine 100 determine: K = p z 2 π 60 ,
Figure DE102017201215A1_0007
Where pz is the number of pole pairs of the machine 100 ,

Typischerweise hängt die Drehmomentberechnung von der Parametergüte der Drehfeldmaschine 100 ab. Deren Parameter wie τr, Lr, Lm oder Rr können über die Zeit variieren und insbesondere von einer Temperatur der Maschine 100 abhängig sein. Es ist daher bevorzugt, dass die Temperatur mittels des Temperatursensors 155 abgetastet wird, der eine vorbestimmte Sicherheitsanforderungsstufe, etwa ASIL-A, ASIL-B oder ASIL-C, erfüllt. Die Maschinenparameter können dann in einem Schritt 425 bestimmt bzw. nachgeführt werden. Für die Berechnung von Rr kann ein Rotortemperaturmodell in der Ebene 2 verwendet werden. Die Induktivitäten Lr oder Lm werden bevorzugt auf der Basis eines Sättigungsmodells der Maschine 100 nachgebildet.The torque calculation typically depends on the parameter quality of the induction machine 100 from. Their parameters, such as τ r, L r, L r m or R may vary over time and in particular of a temperature of the engine 100 be dependent. It is therefore preferred that the temperature by means of the temperature sensor 155 is sampled that meets a predetermined safety requirement level, such as ASIL-A, ASIL-B or ASIL-C. The machine parameters can then be in one step 425 be determined or tracked. For the calculation of R r , a rotor temperature model in level 2 can be used. The inductors L r or L m are preferably based on a saturation model of the machine 100 simulated.

Das Ebene-2-Drehmoment kann dann in einem Schritt 430 bestimmt werden: M E 2 = 3 2 p z L m 2 L r I m E 2 I s q E 2 .

Figure DE102017201215A1_0008
The level 2 torque can then be in one step 430 be determined: M e 2 = 3 2 p z L m 2 L r I m e 2 I s q e 2 ,
Figure DE102017201215A1_0008

Das in der zweiten Ebene 220 bestimmte Drehmoment ME2 kann auf die gezeigte Weise vollständig auf der Basis von Messwerten bestimmt werden, die mittels Sensoren aufgenommen sind, die eine vorbestimmte Sicherheitsanforderungsstufe, etwa eine der Stufen ASIL-A bis ASIL-D, erfüllen. Dabei kann die Bestimmung unabhängig von der in der ersten Ebene 215 sein, sodass eine für beide Bestimmungen relevante gemeinsame Fehlerquelle vermieden sein kann.That in the second level 220 certain torque M E2 can be determined in the manner shown completely on the basis of measured values recorded by means of sensors which fulfill a predetermined safety requirement level, for instance one of the steps ASIL-A to ASIL-D. The determination can be independent of that in the first level 215 so that a common source of error relevant to both determinations can be avoided.

Das Ebene-2-Drehmoment kann in der Auswertung 225 verwendet werden, um die Plausibilität des Ebene-1-Drehmoments zu überprüfen. Weichen die bestimmten Drehmomente M_E1 und M_E2 um mehr als ein vorbestimmtes Maß voneinander ab, so kann ein Fehler bestimmt werden. In diesem Fall kann die Drehfeldmaschine 100 in einen sicheren Zustand gebracht werden, beispielsweise durch Abschalten.The level 2 torque can be evaluated 225 used to verify the plausibility of level 1 torque. Dodge the specific torques M_E1 and M_E2 by more than a predetermined amount from each other, so an error can be determined. In this case, the induction machine can 100 be brought into a safe state, for example by switching off.

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

Claims (11)

Verfahren (400) zum Bestimmen eines Überwachungsmoments (M_E2) einer elektrischen Asynchronmaschine (105) mit mehreren Phasen (U, V, W); wobei das Verfahren (400) folgende Schritte umfasst: Bestimmen von Phasenströmen (Is), die durch die Phasen fließen, und einer Drehzahl (n) und/oder eines Drehwinkels der Asynchronmaschine (105); Transformieren (405, 410) der Phasenströme vom uvw-System ins dq-System; und Bestimmen (430) des Überwachungsmoments (M_E2) auf der Basis einer q-Komponente der transformierten Phasenströme.A method (400) for determining a monitoring torque (M_E2) of a multi-phase electrical induction machine (105) (U, V, W); wherein the method (400) comprises the steps of: determining phase currents (Is) flowing through the phases and a rotational speed (n) and / or a rotational angle of the asynchronous machine (105); Transforming (405, 410) the phase currents 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. Verfahren (400) nach Anspruch 1, wobei das Überwachungsmoment (M_E2) zusätzlich auf der Basis eines Magnetisierungsstroms (Im) und wenigstens einem Maschinenparameter (Lr, Rr, Lm, zp) der Asynchronmaschine (105) bestimmt (425) wird.Method (400) after Claim 1 in which the monitoring torque (M_E2) is additionally determined (425) on the basis of a magnetizing current (Im) and at least one machine parameter (L r , R r , L m , z p) of the asynchronous machine (105). Verfahren (400) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Phasenströme (Is) vom uvw-System zunächst ins aß-System (405) und von dort ins dq-System transformiert (410) werden.Method (400) after Claim 1 or 2 in which the phase currents (Is) are first transformed by the uvw system into the aß system (405) and from there into the dq system (410). Verfahren (400) nach Anspruch 3, wobei das Transformieren (410) mittels eines Transformationswinkels (ϑs) erfolgt, der mittels Integrieren (415) über eine Funktion bestimmt wird, die die Drehzahl (n), die q-Komponente der transformierten Phasenströme (Is), einen Magnetisierungsstrom (Im) und einen Maschinenparameter (Lr, Rr, Lm, zp) der Asynchronmaschine (105) umfasst.Method (400) after Claim 3 wherein the transforming (410) is performed by means of a transformation angle ( θ s) determined by integrating (415) a function including the rotational speed (n), the q-component of the transformed phase currents (Is), a magnetizing current (Im ) and a machine parameter (L r , R r , L m , z p) of the asynchronous machine (105). Verfahren (400) nach Anspruch 4, wobei der Maschinenparameter wenigstens eines von einer Induktivität des Rotors (Lr), einem elektrischen Widerstand (Rr) des Rotors (115), einer Induktivität (Lr) des Stators (115) oder einer Polpaarzahl (zp) der Asynchronmaschine (105) umfasst.Method (400) after Claim 4 wherein the machine parameter is at least one of an inductance of the rotor (L r ), an electrical resistance (R r ) of the rotor (115), an inductance (L r ) of the stator (115) or a pole pair number (zp) of the asynchronous machine (105 ). Verfahren (400) nach Anspruch 5, wobei wenigstens einer der Maschinenparameter (Lr, Rr, Lm, zp) einer Temperatur (TempSt) der Asynchronmaschine (105) nachgeführt wird.Method (400) after Claim 5 , wherein at least one of the machine parameters (L r , R r , L m , z p) a temperature (TempSt) of the asynchronous machine (105) is tracked. Verfahren (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Phasenströme (Is) und die Drehzahl (n) und/oder der Drehwinkel jeweils auf der Basis von Messwerten von Sensoren(135, 140, 155) bestimmt werden, die eine vorbestimmte Sicherheitsanforderungsstufe erfüllen.Method (400) according to one of the preceding claims, wherein the phase currents (Is) and the rotational speed (n) and / or the rotational angle are respectively determined on the basis of measured values from sensors (135, 140, 155) which fulfill a predetermined safety requirement level , Verfahren (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Drehzahl (n) der Asynchronmaschine (105) unter einem vorbestimmten Schwellenwert liegt.Method (400) according to one of the preceding claims, wherein the speed (n) of the asynchronous machine (105) is below a predetermined threshold value. Verfahren (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Bestimmen (225) eines Fehlerzustands, falls das Überwachungsmoment (M_E2) um mehr als ein vorbestimmtes Maß von einem Sollmoment abweicht.The method (400) of any one of the preceding claims, further comprising determining (225) an error condition if the monitoring torque (M_E2) deviates from a desired torque by more than a predetermined amount. Verfahren (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Asynchronmaschine (105) mittels einer feldorientierten Steuerung (100) gesteuert wird, im Rahmen der feldorientierten Steuerung (100) ein Drehmoment (M_E1) der Asynchronmaschine (105) bestimmt wird und ein Fehlerzustand bestimmt wird, falls das bestimmte Drehmoment (M_E1) um mehr als ein vorbestimmtes Maß vom Überwachungsmoment (M_E2) abweicht.Method (400) according to one of the preceding claims, wherein the asynchronous machine (105) by means of a field-oriented controller (100). is controlled, as part of the field-oriented control (100) a torque (M_E1) of the asynchronous machine (105) is determined and an error condition is determined if the specific torque (M_E1) by more than a predetermined amount of the monitoring torque (M_E2) deviates. Vorrichtung zur Bestimmung eines Überwachungsmoments (M_E2) einer Asynchronmaschine (105) mit mehreren Phasen, wobei die Vorrichtung folgendes umfasst: Schnittstellen (230, 235, 240) für Sensoren (135, 140, 155) zur Abtastung von Phasenströmen (Is), die durch die Phasen (U, V, W) fließen, und einer Drehzahl (n) und/oder eines Drehwinkels der Asynchronmaschine (105); und eine Verarbeitungseinrichtung (228), die dazu eingerichtet ist, die Phasenströme (Is) vom uvw-System ins dq-System zu transformieren; sowie das Überwachungsmoment (M_E2) auf der Basis einer q-Komponente der transformierten Phasenströme zu bestimmen.Device for determining a monitoring torque (M_E2) of a multi-phase asynchronous machine (105), the device comprising: interfaces (230, 235, 240) for sensors (135, 140, 155) for sampling phase currents (Is) detected by the phases (U, V, W) flow, and a rotational speed (n) and / or a rotational angle of the asynchronous machine (105); and processing means (228) adapted to transform the phase currents (Is) from the uvw system to the dq system; and determine the monitoring torque (M_E2) based on a q component of the transformed phase currents.
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US4484126A (en) 1982-09-07 1984-11-20 Imec Corporation Induction motor controller
US5650700A (en) 1993-01-29 1997-07-22 Hitachi, Ltd. Electric vehicle torque controller
DE102010049169A1 (en) 2010-10-21 2012-04-26 Still Gmbh Method for controlling a rotary electric machine of a mobile working machine

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