DE102017208408A1

DE102017208408A1 - Überwachung eines Drehmoments einer Drehfeldmaschine

Info

Publication number: DE102017208408A1
Application number: DE102017208408.1A
Authority: DE
Inventors: Oussama Jabloun; Mesut ER; Vitali Borokh
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2017-05-18
Filing date: 2017-05-18
Publication date: 2018-11-22
Also published as: CN108964554B; CN108964554A

Abstract

Eine elektrische Drehfeldmaschine (105) umfasst mehrere Phasen (U, V, W). Ein Verfahren (500) zum Bestimmen eines Überwachungsmoments (M_E2) der Drehfeldmaschine (105) umfasst Schritte des Bestimmens von Phasenspannungen, die an den Phasen (U, V, W) anliegen; des Bestimmens von Phasenströmen, die durch die Phasen (U, V, W) fließen; des Bestimmens eines Statorflusses auf der Basis der Phasenspannungen und Phasenströme; und des Bestimmens des Überwachungsmoments (M_E2) auf der Basis der Phasenströme und des Statorflusses.

Description

Die Erfindung betrifft die Überwachung einer Drehfeldmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung die Überwachung eines Drehmoments einer feldorientiert geregelten bzw. gesteuerten Drehfeldmaschine.
Eine Drehfeldmaschine kann mittels einer feldorientierten Regelung (FOR) oder feldorientierten Steuerung (FOS) gesteuert werden. Wird die Drehfeldmaschine für eine sicherheitsrelevante Aufgabe, etwa zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs verwendet, so ist sicherzustellen, dass die Drehfeldmaschine einer Steuervorgabe genau folgt. Eine gewünschte Beschleunigung darf nicht ausbleiben und eine ungewünschte Beschleunigung darf nicht erfolgen. Ein durch die Drehfeldmaschine erbrachtes Drehmoment muss daher überwacht werden, um einen Fehlerzustand zu verhindern, der einen Insassen des Kraftfahrzeugs oder eine Person außerhalb des Kraftfahrzeugs gefährden kann.
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 Drehfeldmaschine kann auch erste Ebene genannt werden. Aus Sicherheitsgründen muss das Drehmoment aber noch auf einer davon getrennten zweiten Ebene 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) zugeordnet sein, für die keine besonderen Auflagen zu erfüllen sind. Das in der zweiten Ebene bestimmte Drehmoment wird auch Überwachungsmoment genannt.
Eine der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, eine verbesserte Technik zur Bestimmung eines Überwachungsmoments einer Drehfeldmaschine bereitzustellen. Die Erfindung löst dieses Problem mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Eine elektrische Drehfeldmaschine umfasst mehrere Phasen. Ein Verfahren zum Bestimmen eines Überwachungsmoments der Drehfeldmaschine umfasst Schritte des Bestimmens von Phasenspannungen, die an den Phasen anliegen; des Bestimmens von Phasenströmen, die durch die Phasen fließen; des Bestimmens eines Statorflusses auf der Basis der Phasenspannungen und der Phasenströme; und des Bestimmens des Überwachungsmoments auf der Basis der Phasenströme und des Statorflusses.
Das Verfahren ist für alle Typen von Drehfeldmaschinen geeignet, beispielsweise eine Asynchronmaschine (ASM) oder eine permanenterregte Synchronmaschine (PSM). Das Verfahren kann nur wenige Messgrößen erfordern, sodass es mit überschaubarem Aufwand an einer Asynchronmaschine realisiert werden kann. Die Durchführung des Verfahrens ist wenig aufwändig und kann bereits mittels einer Verarbeitungseinrichtung mit geringer Verarbeitungskapazität durchgeführt werden. Das Verfahren kann dadurch auch für den Einsatz in einer echtzeitfähigen Umgebung geeignet sein oder mittels einer kostengünstigen Steuervorrichtung durchgeführt werden. Insbesondere ist das Verfahren als Sicherheitsfunktion, zur Überwachung einer ASM oder einer PSM in einem Traktions- oder Stellantrieb, geeignet.
Das Verfahren weist nur sehr wenige Parameterabhängigkeiten auf, sodass das Überwachungsmoment mit hoher Qualität bestimmt werden kann. Außerdem kann das Verfahren robust beispielsweise gegenüber Messfehlern oder extremen Parameterwerten sein. Das hier dargestellte Prinzip des Verfahrens lässt sich auch auf mehrphasige Drehfeldmaschinen anwenden bzw. an deren Verwendung anpassen.
Die Drehfeldmaschine kann mittels eines Wechselrichters auf der Basis von PWM-Signalen angesteuert werden, wobei die Phasenspannungen bevorzugt auf der Basis der PWM-Signale mittels eines Modells des Wechselrichters bestimmt werden. Dadurch kann vermieden werden, die Phasenspannungen unmittelbar zu messen. Das Modell kann Nichtlinearitäten des Wechselrichters nachvollziehen. Das Modell kann beispielsweise empirisch bestimmt werden, indem eine Phasenspannung in Abhängigkeit eines PWM-Signals und einer Zwischenkreisspannung beobachtet und der Zusammenhang in Form von Tupeln oder als Abbildung ausgedrückt wird.
Die Phasenspannungen und die Phasenströme werden bevorzugt in ein statorfestes System (aß-System) transformiert oder in diesem bestimmt, wobei die weiteren Bestimmungen in demselben System durchgeführt werden. Dadurch kann eine hohe Diversität gegenüber der zu überwachenden Funktion gewährleistet sein, die üblicherweise in einem feldorientierten System (dq-System) arbeitet.
Bevorzugt werden eine Drehgeschwindigkeit der Drehfeldmaschine bestimmt; ein Statorwiderstand auf der Basis der Drehgeschwindigkeit bestimmt; und der Statorfluss auf der Basis des Statorwiderstands bestimmt.
Das Bestimmen der Drehgeschwindigkeit kann ein Transformieren der Phasenströme in ein polares Koordinatensystem und ein Ableiten des dabei anfallenden Winkels nach der Zeit umfassen. Das Transformieren kann auf übliche Weise, beispielsweise mittels Matrixmultiplikation, erfolgen. Die Bestimmung kann effizient und fehlerarm durchgeführt werden.
Der Statorwiderstand kann von einer Temperatur der Wicklungen bzw. Phasen und/oder einer Frequenz der fließenden Ströme abhängig sein. Um dem Rechnung zu tragen, kann der Statorwiderstand auf der Basis einer Statortemperatur bestimmt werden. Dazu kann ein entsprechender Temperatursensor im Bereich des Stators vorgesehen sein, bevorzugt ein Temperatursensor, der eine vorbestimmte Sicherheitsanforderungsstufe erfüllt. Die Bestimmung des Statorwiderstands kann dadurch genauer sein.
Der Statorwiderstand kann auch bezüglich auf der Basis einer Frequenz eines durch eine der Phasen fließenden Stroms bestimmt werden. Dadurch kann der sogenannte Skin-Effekt in einer Wicklung des Stators berücksichtigt werden. Die Bestimmung kann insbesondere mittels einer Tabelle erfolgen, die eine Abbildung der Frequenz auf den Statorwiderstand erlaubt. Bevorzugt wird der Statorwiderstand kombiniert auf der Basis der Statortemperatur und auf der Basis der Stromfrequenz bestimmt.
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 Vektorsteuerung, insbesondere einer FOS oder einer FOR, bereitgestellt sein.
Die Drehfeldmaschine kann mittels einer Steuerung gesteuert werden, wobei im Rahmen der Steuerung ein Drehmoment der Drehfeldmaschine bestimmt wird und ein Fehlerzustand bestimmt wird, falls das bestimmte Drehmoment um mehr als ein vorbestimmtes Maß vom Überwachungsmoment abweicht.
Eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Überwachungsmoments einer Drehfeldmaschine mit mehreren Phasen, die mittels eines Wechselrichters auf der Basis von PWM-Signalen angesteuert werden, wobei der Wechselrichter an einer Zwischenkreisspannung betrieben wird, umfasst eine erste Schnittstelle zur Abtastung von Phasenströmen, die durch die Phasen fließen; eine zweite Schnittstelle zur Abtastung der PWM-Signale; und eine Verarbeitungseinrichtung. Dabei ist die Verarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet, einen Statorfluss auf der Basis der Phasenspannungen und Phasenströme, und das Überwachungsmoment auf der Basis der Phasenströme und des Statorflusses zu bestimmen.
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.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:

1 ein Schaltbild einer feldorientierten Regelung für eine Drehfeldmaschine;
2 ein System zur überwachten Steuerung einer elektrischen Drehfeldmaschine;
3 einen Stromzeiger in verschiedenen Koordinatensystemen;
4 einen Wechselrichter zur Ansteuerung einer Drehfeldmaschine; und
5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen eines Überwachungsmoments der Drehfeldmaschine

1 zeigt eine beispielhafte feldorientierte Regelung 100 (FOS) für eine elektrische Drehfeldmaschine 105. Die Drehfeldmaschine 105 kann zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug vorgesehen sein, zum Beispiel in einem elektrischen oder hybridisierten Antriebsstrang, in einer Servolenkung oder als Stellmotor.
Obwohl die hier vorgestellte Technik prinzipiell an jeder Art Drehfeldmaschine 105 angewandt werden kann, wird in 1 rein exemplarisch von einer Asynchronmaschine 105 ausgegangen. Die Drehfeldmaschine 105 kann auf beliebige Weise phasengesteuert werden, beispielhaft wird hier von einer feldorientierten Regelung FOR ausgegangen. Alternativ könnte auch beispielsweise eine direkte Selbstregelung (DSR), bei der ein Maschinenfluss und ein Drehmoment direkt und unabhängig voneinander gesteuert werden können, angewandt werden.
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 die Wicklungen sind bevorzugt stern- oder dreiecksförmig miteinander verbunden, sodass nach außen drei Anschlüsse bereitstehen. Die Anschlüsse sind mit einem Wechselrichter 102 verbunden, der bevorzugt in B6-Brückenschaltung gebildet ist, die unten mit Bezug auf 4 noch genauer beschrieben wird.
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 wird bevorzugt digital durchgeführt.
Die dargestellten Funktionsblöcke werden üblicherweise sequentiell durchlaufen, wobei eine geschlossene Regelung erfolgt. Die dargestellte feldorientierte Regelung 100 kann somit auch als Ablaufdiagramm für ein Verfahren 100 zum feldorientierten Steuern der Asynchronmaschine 105 aufgefasst werden. Im Folgenden wird die Funktionsweise einer feldorientierten Regelung 100 für beide Ansätze kurz zusammengefasst.
Als Eingangsgröße ist ein Raumzeiger i in dq-Darstellung mit Komponenten IsdRef und IsqRef gegeben. 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.
Die Komponenten des Raumzeigers i werden über optionale Proportional-Integral-Glieder PI und weiter unten beschriebene Summierglieder an eine Transformationseinrichtung 120 weitergegeben, welche die Komponenten in drei Spannungen Us1, Us2, Us3 transformiert, die an den Phasen U, V, W der Asynchronmaschine 105 einzustellen sind. Optional können die bestimmten Spannungen mittels eines Begrenzers auf gültige Werte begrenzt werden, insbesondere um sicher zu stellen, dass die bestimmten Spannungen mittels einer vorbestimmten Zwischenkreisspannung Udc auch realisierbar sind. Die Zwischenkreisspannung Udc kann auf eine beliebige, bekannte Weise bestimmt werden. Bevorzugt erfüllt die Bestimmung der Zwischenkreisspannung Udc eine vorbestimmte Sicherheitsanforderungsstufe.
Ein PWM-Generator 125 bestimmt Signale PWM1, PWM2, PWM3 für den Wechselrichter 102, um die bestimmten Spannungen an den Phasen U, V, W der Asynchronmaschine 105 bereitzustellen.
Für die Regelung ist es erforderlich, Phasenströme Is1, Is2, Is3, die durch die Phasen U, V, W fließen, zu bestimmen. In der dargestellten Ausführungsform werden die Phasenströme mittels Stromfühlern 135 abgetastet, die Phasenströme können jedoch auch auf eine beliebige andere Weise bestimmt werden. Die bestimmten Phasenströme Is1, Is2, Is3 werden mittels einer weiteren Transformationseinrichtung 170 auf der Basis eines elektrischen Drehwinkels Θ_el der Asynchronmaschine 105 ins dq-Koordinatensystem transformiert.
Zur Bestimmung des elektrischen Drehwinkels Θ_el wird der mechanische Drehwinkel Θ_mech der Asynchronmaschine 105 mittels eines Positionssensors 140 abgetastet und mit einer Polpaarzahl pz der Asynchronmaschine 105 multipliziert. Der Positionssensor 140 kann beispielsweise als Anordnung von Hall-Sensoren oder als Inkrementalgeber am Rotor 115 angebracht sein. Die mechanische Drehgeschwindigkeit ω_mech kann durch Ableiten des mechanischen Drehwinkels Θ_mech nach der Zeit bestimmt werden. Wird dieser Wert mit der Polpaarzahl pz multipliziert, so ergibt sich die elektrische Drehgeschwindigkeit ω_el.
Die transformierten Komponenten Isd, Isq der Phasenströme Is1, Is2, Is3 der Transformationseinrichtung 170 werden auf die Komponenten Isd_ref und Isq_ref des vorgegebenen Raumzeigers i addiert, bevor die entstehenden Summen an die oben beschriebenen PI-Glieder und anschließend an die Transformationseinrichtung 120 geführt werden.
Optional können die additiv zum Raumzeiger i rückgekoppelten Komponenten Isd, Isq mittels eines Entkopplers 145 auf der Basis der Drehgeschwindigkeit ω_el voneinander entkoppelt und als EMKd und EMKq additiv an den Eingang der Transformationseinrichtung 120 geführt werden.
Ein optionales Positionsschätzmodell 150 kann auf der Basis der PWM-Signale und der Phasenströme Is1, Is2, Is3 eine geschätzte Drehgeschwindigkeit ω̂ und einen geschätzten Drehwinkel Θ̂ der Asynchronmaschine 105 bereitstellen.
Bevorzugt ist an der Asynchronmaschine 105 ein Temperatursensor 155 vorgesehen, der insbesondere zur Bestimmung der am Stator 110 herrschenden Temperatur eingerichtet sein kann. Der Temperatursensor 155 und die Stromsensoren 135 erfüllen bevorzugt eine vorbestimmte Sicherheitsanforderungsstufe, etwa ASIL-A, ASIL-B oder bevorzugt ASIL-C.
Die dargestellte feldorientierte Regelung 100 ist als beispielhaft für eine Steuerung der Asynchronmaschine 105 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.
Insbesondere bei Einsatz der Asynchronmaschine 105 in einer sicherheitsrelevanten Anwendung, wo ein Steuerfehler einen materiellen Schaden oder einen Personenschaden bewirken kann, kann das durch die feldorientierte Regelung 100 bereitgestellte Drehmoment auf einem von den beschriebenen Verarbeitungsschritten unabhängigen Weg überwacht werden.
2 zeigt ein System 200 zur Steuerung einer Drehfeldmaschine 105, beispielsweise der Asynchronmaschine 105 aus 1. Das System 200 umfasst beispielhaft 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. Das Verfahren 210 kann als Computerprogrammprodukt vorliegen, das auf dem Mikrocomputer ablaufen kann. Eine erste Verarbeitungseinrichtung, welche die feldorientierte Regelung 100 realisiert, und eine zweite Verarbeitungseinrichtung, der die Vorrichtung 205 realisiert, sind bevorzugt voneinander getrennt aufgebaut, um voneinander unabhängige Bestimmungen zu unterstützen.
Die feldorientierte Regelung 100 bildet zusammen mit der Asynchronmaschine 105 und dem Wechselrichter 102 eine logische 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 aufgrund ihrer blockorientierten Vorgehensweise alternativ 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.
Die Drehfeldmaschine 105 soll so gesteuert werden, dass sie ein vorbestimmtes, gewünschtes Drehmoment M_Soll bereitstellt. Diese Steuerung erfolgt in der ersten Ebene 215, beispielsweise wie oben mit Bezug auf 1 beschrieben ist. Das Sollmoment M_Soll kann insbesondere als q-Komponente des Raumzeigers i vorbestimmt sein, der zur feldorientierten Steuerung der Drehfeldmaschine 105 vorgegeben ist. In der ersten Ebene 215 wird bevorzugt ein erstes Istmoment M_E1 bestimmt, das eine Berechnung des von der Drehfeldmaschine 105 bereitgestellten Drehmoments ausdrückt. Die Bestimmung des ersten Istmoments M_E1 erfolgt bevorzugt auf der Basis von Mess- und Verarbeitungswerten der Steuerung 100, sowie gegebenenfalls Parametern der Drehfeldmaschine 105.
In der zweiten Ebene 220 wird das von der Drehfeldmaschine 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 eines Sensors, der eine vorbestimmte Sicherheitsanforderungsstufe erfüllt, einer mathematischen oder physikalischen Konstante oder einer unverlierbaren Eigenschaften eines Elements der Steuerung 100 oder der Drehfeldmaschine 105.
In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung 205 eine erste Schnittstelle 230 zur Verbindung mit dem Stromfühler 135 zur Abtastung der Phasenströme Is bzw. IsMeas an den Phasen U, V, W (entsprechend den Strömen Is1, Is2, Is3 bzw. Isu, Isv, Isw), eine zweite Schnittstelle 235 zur Verbindung mit dem Temperatursensor 155 zur Bestimmung einer Temperatur der Drehfeldmaschine 105, insbesondere ihres Stators 110, eine dritte Schnittstelle 240 zur Abtastung von PWM-Signalen am Wechselrichter 102 und eine vierte Schnittstelle 245 zur Abtastung der Zwischenkreisspannung Udc. Nicht alle Schnittstellen 230-245 müssen in jeder Ausführungsform der Vorrichtung 205 realisiert sein. Mit den Schnittstellen verbundene Sensoren sind so ausgeführt, dass sie jeweils eine vorbestimmte Sicherheitsanforderungsstufe erfüllen.
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 Drehfeldmaschine 105 bestimmt sein. Im Fehlerfall kann eine Nachricht ausgegeben werden, um das Problem geeignet behandeln zu können. Die Nachricht kann die bestimmte Abweichung, das bestimmte Überwachungsmomente M_E2 und/oder noch weitere Parameter umfassen. Es kann auch eine unmittelbare Reaktion in Form eines Eingriffs in die feldorientierte Steuerung 100 gesteuert werden, beispielsweise indem die Drehfeldmaschine 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.
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 zwischen den Gegenständen der unterschiedlichen Kategorien übertragen werden können.
3 zeigt einen Stromzeiger i in verschiedenen beispielhaften Koordinatensystemen 300. Ein statorfestes Koordinatensystem 305 wird aß-Koordinatensystem 305 genannt und ist bezüglich des Stators 110 der Drehfeldmaschine 105 definiert. Ein rotorfestes Koordinatensystem 310 wird auch kl-Koordinatensystem 310 genannt und ist bezüglich des Rotors 115 der Drehfeldmaschine 105 definiert. Ein rotorflussfestes Koordinatensystem 315 wird auch dq-Koordinatensystem 315 genannt und ist bezüglich eines magnetischen Flusses Ψ_rd im Rotor 115 der Drehfeldmaschine 105 definiert. Eine d-Achse des dq-Koordinatensystems 315 verläuft entlang des magnetischen Flusses Ψ_rd .
Zwischen der α-Achse des aß-Koordinatensystems 305 und der k-Achse des kl-Koordinatensystems 315 liegt ein Winkel ϑ_r,el . Zwischen der α-Achse des αβ-Koordinatensystems 305 und der d-Achse des dq-Koordinatensystems 315 wird ein Winkel ϑ_s aufgespannt. Zwischen dem Stromzeiger i und der α-Achse des aß-Koordinatensystems 305 ist ein Winkel ϑ_i eingeschlossen.
I_sd , die d-Komponente des durch die Drehfeldmaschine 105 fließenden Stroms, wird als feldbildender Strom, und I_sq , die q-Komponente des durch die Drehfeldmaschine 105 fließenden Stroms, als drehmomentbildender Strom aufgefasst.
4 zeigt schematisch einen beispielhaften Wechselrichter 102 zur Ansteuerung einer Drehfeldmaschine 105. Der dargestellte Wechselrichter 102 ist in B6-Bauweise realisiert und umfasst drei Halbbrücken 405, die paarweise den Phasen U, V und W der Drehfeldmaschine 105 zugeordnet sind. Jede Halbbrücke 405 umfasst ein erstes Stromventil 410 und ein zweites Stromventil 415, die in Serie zwischen ein hohes Potential 420 und ein niedriges Potential 425 einer Zwischenkreisspannung U_dc geschaltet sind. Eine Verbindung zwischen den Stromventilen 410, 415 ist mit der zugeordneten Phase U, V oder W verbunden.
Die Stromventile 410, 415 aller Halbbrücken 405 können bevorzugt unabhängig voneinander mittels einer Ansteuerung 430 geöffnet oder geschlossen werden. Zwei Stromventile 410, 415 einer Halbbrücke 405 werden im Wesentlichen invertiert angesteuert, sodass stets genau eines der Stromventile 410, 415 geöffnet und das andere geschlossen ist. Die Ansteuerung 430 arbeitet getaktet, insbesondere auf der Basis eines PWM-Signals, das eine feste Periode und ein variables Zeitverhältnis zwischen zwei Pegeln aufweist. Drei PWM-Signale für die drei Halbbrücken 405 können beispielsweise im Rahmen der feldorientierten Regelung 100 von 1 bereitgestellt werden.
Nimmt das PWM-Signal den einen Pegel an, so wird das eine Stromventil 410, 415 geöffnet, nimmt es den anderen Pegel an, so wird das andere Stromventil 410,415 geöffnet. Das Zeitverhältnis der Pegel in jeder Periode diktiert, welche Spannung sich an der Phase U, V, W der Halbbrücke 405 eingestellt. Die Spannungen an den Phasen U, V und W werden üblicherweise derart gesteuert, dass sie über die Zeit phasenverschobene, sinusförmige Wechselspannungen ergeben. Eine Drehzahl der Drehfeldmaschine 105 kann über die Frequenz der drei Wechselspannungen gesteuert werden.
Die Stromventile 410, 415 sind bevorzugt als Halbleiter ausgeführt, beispielsweise als IGBT oder FET. Das Abschalten eines Stromventils 410, 415 kann eine vorbestimmte Zeit im Bereich einiger Millisekunden in Anspruch nehmen, bis Ladungen im Halbleiter abgeflossen sind. Während dieser Zeit darf das andere Stromventil 410, 415 derselben Halbbrücke 405 nicht geöffnet sein, andernfalls könnte ein großer Strom durch beide Stromventile 410, 415 fließen, der eine Verlustleistung steigern und die Stromventile 410, 415 schädigen kann. Eine Dauer, in der beide Stromventile 405 angesteuert werden, zu schließen, wird auch Sperrzeit oder Totzeit genannt. Durch das gleichzeitige Schließen beider Stromventile 410, 415 während der Totzeit kann die an der zugeordneten Phase U, V, W anliegende Spannung verzerrt werden, sodass sie in ihrem Verlauf über die Zeit keine reine Sinusform mehr aufweist.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zur Bestimmung des Überwachungsmoments M_E2 einer Drehfeldmaschine 105, insbesondere der Asynchronmaschine 105 einer der 1 oder 2. Das Verfahren 500 ist eine bevorzugte Implementation des Bestimmungsverfahrens 210 im System 200. Das Verfahren 500 kann insbesondere auf der Vorrichtung 205 des Systems 200 ausgeführt werden.
Das Verfahren 500 ist dazu eingerichtet, das durch eine Drehfeldmaschine 105 bereitgestellte Drehmoment M_E2 in der zweiten Ebene 220 zu bestimmen. Für die Bestimmung werden bevorzugt ausschließlich Werte verwendet, deren Erhebung jeweils eine vorbestimmte Sicherheitsanforderungsstufe erfüllt. Insbesondere können zur Erhebung von Messwerten 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 einem Schritt 505 werden die an den Phasen U, V, W anliegenden Spannungen, die Phasenspannungen, bestimmt. Die Phasenspannungen können in einer einfachen Ausführungsform mittels geeigneter Sensoren an den Phasen U, V, W abgegriffen werden. Die gemessenen Phasenspannungen können anschließend korrigiert werden, um sie beispielsweise mit Phasenströmen, die durch die Phasen U, V, W fließen, zu synchronisieren.
Die Phasenspannungen können jeweils in einem großen Bereich liegen, bei einer Traktionsanwendung beispielsweise jeweils zwischen null und mehreren 10 oder mehreren 100 Volt. Die direkte Bestimmung der Phasenspannungen kann deswegen sehr aufwändig sein. Außerdem kann die direkte Bestimmung der Phasenspannungen den Einsatz zertifizierter Sensoren erfordern.
Es wird daher vorgeschlagen, die Phasenspannungen stattdessen auf der Basis der PWM-Signale zu bestimmen, mittels denen der Wechselrichter 102 angesteuert wird. Der Zusammenhang zwischen einem PWM-Signal bzw. dessen Tastverhältnis (duty cycle) und der mittels einer zugeordneten Halbbrücke 405 eingestellten Spannung kann stark nichtlinear sein. Einerseits kann an einem Stromventil 410, 415 ein Spannungsabfall auftreten, der von dem Betrag des durch das Stromventil 410, 415 fließenden Stroms, seinem Vorzeichen (einer Stromrichtung) und einer Temperatur des Stromventils 410, 415 abhängig sein kann. Andererseits kann das Abschalten beider Stromventile 410, 415 während der Sperrzeit einen nichtlinearen Effekt bewirken.
Zur Bestimmung der Phasenspannungen auf der Basis der PMW-Signale wird bevorzugt ein Modell verwendet, das die Charakteristik jeder Halbbrücke 405 des Wechselrichters 102 bezüglich einer Zwischenkreisspannung Udc und eines zugeordneten PWM-Signals nachvollzieht. Je nach geforderter Genauigkeit kann das Modell auch eine Temperatur eines Stromventils 410, 415 berücksichtigen, die etwa mittels eines zugeordneten Sensors bestimmt werden kann. Das Modell kann beispielsweise in Form einer Wertetabelle, einer Kennlinie oder eines Kennfelds realisiert sein. Dazu können einzelne Betriebspunkte des Wechselrichters 102 empirisch bestimmt werden und Zwischenwerte können interpoliert werden. Alternativ kann auch eine parametrische Abhängigkeit einer Phasenspannung von einem PWM-Signal und einer Zwischenkreisspannung gegeben sein, sodass die Phasenspannung beispielsweise auf der Basis eines vorbestimmten Polynoms oder einer anderen Abbildungsvorschrift bestimmt werden kann. Die oben angesprochene Korrektur, beispielsweise bezüglich einer Synchronisierung der Phasenspannungen mit den Phasenströmen, kann auch in Verbindung mit dem Modell durchgeführt werden. Die Phasenspannungen werden bevorzugt im αβ-System bestimmt oder nach ihrer Bestimmung ins αβ-System transformiert.
Eine aß-Transformation kann für eine allgemeine vektorielle Größe x wie folgt durchgeführt werden: $[\begin{matrix} x_{α} \\ x_{β} \end{matrix}] = \frac{2}{3} [\begin{matrix} 0 & - \frac{1}{2} & - \frac{1}{2} \\ 0 & \frac{\sqrt{3}}{2} & - \frac{\sqrt{3}}{2} \end{matrix}] [\begin{matrix} x_{u} \\ x_{v} \\ x_{w} \end{matrix}] .$
In einem Schritt 510 werden die Phasenströme Iu, Iv und Iw durch die Phasen U, V und W in entsprechender Weise ins aß-System transformiert.
Nachfolgend kann in einem Schritt 515 die Drehfrequenz ωs der Drehfeldmaschine 105 bestimmt werden. Hierzu sind unterschiedliche Ansätze möglich. In einer beispielhaften Ausführungsform werden die sinusförmigen αβ-Ströme, nach einer optionalen feinen Filterung zur Verringerung von Messrauschen, in eine Amplitude Is und einen Winkel ϑi umgerechnet: $I s = \sqrt{I_{s a}^{2} + I_{s b}^{2}}; ϑ_{i} = a tan (\frac{I s β}{I s α})$
Der bestimmte Winkel ϑi wird nach der Zeit abgeleitet, um eine Winkelgeschwindigkeit ω bereitzustellen, die der gesuchten Statorkreisfrequenz ωs entspricht: $ω_{S E 2} = \frac{d ϑ_{i s E 2}}{d t} .$
Das Ergebnis der Bestimmung kann noch gefiltert werden, beispielsweise mittels eines Tiefpasses, um Störeinflüsse wie ein Rauschen zu verringern.
Die Statorkreisfrequenz ω_s kann auch auf andere Weise bestimmt werden, beispielsweise mittels einer Phasenregelschleife (Phase Locked Loop, PLL). Für die Bestimmung der Statorkreisfrequenz ω_s können auch die bestimmten Phasenspannungen herangezogen werden. In noch einer weiteren Ausführungsform kann die Statorkreisfrequenz ω_s auch auf der Basis eines Drehzahlsignals der Drehfeldmaschine 105 bestimmt werden, insbesondere eines Signals des Positionssensors 140.
Optional kann das Ergebnis erneut gefiltert werden, beispielsweise mittels eines Tiefpassfilters, um weitere Störungen, insbesondere ein Rauschen, zu verringern.
In einem Schritt 520 wird bevorzugt der Statorwiderstand Rs des Stators 110 der Drehfeldmaschine 105 bestimmt. Der Statorwiderstand Rs zeigt üblicherweise eine Abhängigkeit von einer Temperatur der Wicklung einer Phase, und ferner von der Frequenz des durch die Phase fließenden Stroms, was als Skin-Effekt bekannt ist.
Der Statorwiderstand R_temp wird bevorzugt für eine vorbestimmte Temperatur tempO bestimmt, beispielsweise 20 °C, und mittels eines Koeffizienten α₀ an eine tatsächlich herrschende Temperatur temp des Stators 110 angepasst: $R_{t e m p} = 1 + α_{0} (t e m p - t e m p 0)$
Die Bestimmung des temperaturabhängigen Statorwiderstands R_temp erfolgt bevorzugt mittels einer Tabelle bezüglich einer bestimmten Statortemperatur temp. Die Tabelle kann insbesondere empirisch erstellt werden. Zwischenwerte können geeignet interpoliert werden.
In einem Schritt 525 wird bevorzugt der Statorfluss im Stator 110 bestimmt. Die Bestimmung kann bezüglich des folgenden Gleichungssystems durchgeführt werden: $U_{a α} = R_{s} I_{s α} + \frac{d Ψ_{s α}}{d t}$
$U_{a β} = R_{s} I_{s β} + \frac{d Ψ_{s β}}{d t}$
Diese beiden Gleichungen gelten allgemein für alle Arten Drehfeldmaschine 105. Das mittels der Drehfeldmaschine 105 bereitgestellte Drehmoment M_E2 kann dann wie folgt bestimmt werden: $M_E 2 = \frac{3}{2} p_{z} (Ψ_{s α} I_{s β} - Ψ_{s β} I_{s α}) .$
Vorteilhaft werden für die Bestimmung des Überwachungsmoments M_E2 nicht mehr als zwei Maschinenparameter verwendet, nämlich die Polpaarzahl pz und der Statorwiderstand. Die Polpaarzahl ist eine positive ganze Zahl und kann für eine vorgegebene Drehfeldmaschine 105 leicht bestimmt bzw. bereitgestellt werden. Der Statorwiderstand kann, wie oben mit Bezug auf Schritt 520 genauer beschrieben ist, ebenfalls relativ leicht bestimmt werden.
Das in der zweiten Ebene 220 bestimmte Drehmoment M_E2 kann auf die beschriebene Weise vollständig auf der Basis von Werten bestimmt werden, die abgesichert sind, insbesondere indem sie 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 ersten Ebene 215 durchgeführt werden, sodass eine Fehlerquelle, die auf beide Bestimmungen wirkt, weitgehend vermieden werden kann.
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 105 in einen sicheren Zustand gebracht werden, beispielsweise durch Abschalten oder Abbremsen.
Bezugszeichenliste

100: feldorientierte Regelung (Vorrichtung bzw. Verfahren)
102: Wechselrichter
105: Drehfeldmaschine (z. B. ASM, PSM)
110: Stator
115: Rotor
120: Transformationseinrichtung
125: PWM-Generator
135: Stromfühler
140: Positionssensor
145: Entkoppler
150: Positionsschätzmodell
155: Temperatursensor
U, V, W: Phase, Strang, Wicklung
200: System
205: Vorrichtung zur Überwachung
210: Verfahren zur Überwachung
215: erste Ebene (E1)
220: zweite Ebene (E2)
225: Auswertung
228: Vorrichtung
230: erste Schnittstelle (Phasenströme)
235: zweite Schnittstelle (Temperatur)
240: dritte Schnittstelle (PWM-Signale)
245: vierte Schnittstelle (Zwischenkreisspannung)
M_Soll: Sollmoment
M_E1: Istmoment aus Ebene 1
M_E2: Überwachungsmoment (= Istmoment aus Ebene 2)
300: Koordinatensysteme
305: statorfestes Koordinatensystem (αβ)
310: rotorfestes Koordinatensystem (kl)
315: rotorflussfestes Koordinatensystem (dq)
405: Halbbrücke
410: erstes Stromventil
415: zweites Stromventil
420: hohes Potential
425: niedriges Potential
430: Ansteuerung
500: Verfahren
505: Bestimmen Phasenspannungen, Transformieren uvw -> αβ
510: Transformieren Phasenströme uvw -> αβ
515: Bestimmen Statorfrequenz
520: Bestimmen Statorwiderstand
525: Bestimmen Statorfluss
530: Bestimmen Drehmoment

Claims

Verfahren (500) zum Bestimmen eines Überwachungsmoments (M_E2) einer Drehfeldmaschine (105) mit mehreren Phasen (U, V, W), wobei das Verfahren (500) folgende Schritte umfasst: Bestimmen (505) von Phasenspannungen, die an den Phasen (U, V, W) anliegen, Bestimmen von Phasenströmen, die durch die Phasen (U, V, W) fließen; Bestimmen (525) eines Statorflusses auf der Basis der Phasenspannungen und Phasenströme; und Bestimmen (530) des Überwachungsmoments (M_E2) auf der Basis der Phasenströme und des Statorflusses.
Verfahren (500) nach Anspruch 1, wobei die Drehfeldmaschine (105) mittels eines Wechselrichters (102) auf der Basis von PWM-Signalen angesteuert wird; und die Phasenspannungen auf der Basis der PWM-Signale mittels eines Modells des Wechselrichters (102) bestimmt (505) werden.
Verfahren (500) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Phasenspannungen und die Phasenströme in einem statorfesten System bestimmt (505, 510) und die weiteren Bestimmungen (515-530) in demselben System durchgeführt werden.
Verfahren (500) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Drehgeschwindigkeit der Drehfeldmaschine (105) bestimmt wird; ein Statorwiderstand auf der Basis der Drehgeschwindigkeit bestimmt wird; und der Statorfluss auf der Basis des Statorwiderstands bestimmt wird.
Verfahren (500) nach Anspruch 4, wobei das Bestimmen (515) der Drehgeschwindigkeit ein Transformieren der Phasenströme in ein polares Koordinatensystem und ein Ableiten (520) des dabei anfallenden Winkels (ϑ) nach der Zeit umfasst.
Verfahren (500) nach Anspruch 5, wobei der Statorwiderstand auf der Basis einer Statortemperatur bestimmt wird.
Verfahren (500) nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Statorwiderstand auf der Basis einer Frequenz eines durch eine der Phasen fließenden Stroms bestimmt wird.
Verfahren (500) nach Anspruch 7, wobei die Bestimmung mittels einer Tabelle erfolgt.
Verfahren (500) 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 (M_Soll) abweicht.
Verfahren (500) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Asynchronmaschine (105) mittels einer Steuerung (100) gesteuert wird, im Rahmen der Steuerung (100) ein Drehmoment (M_E1) der Drehfeldmaschine(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.
Vorrichtung zur Bestimmung eines Überwachungsmoments (M_E2) einer Drehfeldmaschine (105) mit mehreren Phasen, die mittels eines Wechselrichters (102) auf der Basis von PWM-Signalen angesteuert werden, wobei der Wechselrichter (102) an einer Zwischenkreisspannung (Udc) betrieben wird; wobei die Vorrichtung folgendes umfasst: eine erste Schnittstelle (230) zur Abtastung von Phasenströmen (Is), die durch die Phasen (U, V, W) fließen; eine zweite Schnittstelle (240) zur Abtastung der PWM-Signale; und eine Verarbeitungseinrichtung (230), die dazu eingerichtet ist, einen Statorfluss auf der Basis der Phasenspannungen und Phasenströme, und das Überwachungsmoment (M_E2) auf der Basis der Phasenströme und des Statorflusses zu bestimmen.