DE102018102001A1 - Fehlertolerante feldorientierte regelung für eine elektrische servolenkung - Google Patents

Abstract

Ein Regelungssystem zum Überwachen des Betriebs eines Elektromotors umfasst eine Vielzahl von Positionssensoren, die ausgestaltet sind, um eine Position des Elektromotors zu messen, ein Modul zum indirekten Schätzen einer Position, das ausgestaltet ist, um die Position des Motors indirekt zu schätzen, und ein Fehlerüberwachungsmodul. Das Fehlerüberwachungsmodul ist ausgestaltet, um mindestens eines auszuführen von: Vergleichen einer gemessenen Position von der Vielzahl von Positionssensoren mit einer geschätzten Position von dem Modul zum Schätzen einer Sensorposition, und Detektieren eines Fehlers bei mindestens einem des einen oder der mehreren Positionssensoren auf der Grundlage des Vergleichs; und Berechnen einer Differenz zwischen der gemessenen Position von einem der Vielzahl von Positionssensoren und der gemessenen Position von einem anderen der Vielzahl von Positionssensoren, und Veranlassen, dass das Modul zum indirekten Schätzen einer Position eine Schätzung der Position des Motors auf der Grundlage der Differenz einleitet.

Description

• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Elektrische Servolenkungssysteme (EPS-Systeme) verwenden einen Elektromotor, etwa eine synchrone Permanentmagnetmaschine (PMSM), um eine Lenkungsunterstützung für einen Fahrer bereitzustellen. Eine Regelungstechnik nennt sich feldorientierte Regelung (FOC), die ermöglicht, dass die sinusförmigen dreiphasigen Motorspannungs- und Motorstromsignale in Signale transformiert werden, die auf einem synchron rotierenden Referenzrahmen beruhen, welcher üblicherweise als der Direkt-Quadratur-Referenzrahmen (DQ-Referenzrahmen) bezeichnet wird, bei dem die Motorspannungen und Motorströme zu Gleichstromgrößen (DC-Größen) werden. Die Transformation in den DQ-Referenzrahmen benötigt Positionsinformationen der Maschine, welche für gewöhnlich durch Verwendung eines physikalischen Positionssensors beschafft werden. Eine sensorlose Regelung (SC) bezeichnet als Alternative die Klasse der Steuerungsmaßnahmen, bei denen der Motor ohne einen physikalischen Positionssensor geregelt wird. Im Gegensatz zu ihren sensorbasierten Gegenstücken verwenden SC-FOC-Maßnahmen Beobachter oder Schätzvorrichtungen, um die Position der Maschine zu beschaffen, jedoch ist die Gesamtarchitektur der Regelung ähnlich wie bei einem sensorbasierten FOC-System.
• ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• In einer Ausführungsform der Erfindung enthält ein Regelungssystem zum Überwachen des Betriebs eines Elektromotors eine Vielzahl von Positionssensoren, die ausgestaltet sind, um eine Position des Elektromotors zu messen, ein Modul zum indirekten Schätzen der Position, das ausgestaltet ist, um die Position des Motors indirekt zu schätzen, und ein Fehlerüberwachungsmodul. Das Fehlerüberwachungsmodul ist ausgestaltet, um mindestens eines auszuführen von: Vergleichen einer gemessenen Position von der Vielzahl von Positionssensoren mit einer geschätzten Position von dem Modul zum Schätzen der Sensorposition, und Detektieren eines Fehlers bei mindestens einem von dem einen oder den mehreren Positionssensoren auf der Grundlage des Vergleichs; und Berechnen einer Differenz zwischen der gemessenen Position von einem der Vielzahl von Positionssensoren und der gemessenen Position von einem anderen der Vielzahl von Positionssensoren, und Veranlassen, dass das Modul zum indirekten Schätzen der Position eine Schätzung der Position des Motors auf der Grundlage der Differenz einleitet.
• In einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Überwachen des Betriebs eines Elektromotors, dass eine Position des Elektromotors durch eine Vielzahl von Positionssensoren während eines Betriebsmodus mit feldorientierter Regelung (FOC-Betriebsmodus) gemessen wird. Das Verfahren umfasst außerdem, dass von einem Fehlerüberwachungsmodul eine Differenz zwischen der gemessenen Position von einem der Vielzahl von Positionssensoren und der gemessenen Position von einem anderen der Vielzahl von Positionssensoren berechnet wird, und dass auf der Grundlage dessen, dass die Differenz einen gewählten Schwellenwert überschreitet, ein Modul zum indirekten Schätzen der Position dazu veranlasst wird, eine indirekte Schätzung der Position des Motors einzuleiten.
• Diese und andere Vorteile und Merkmale werden sich aus der folgenden Beschreibung besser ergeben, wenn sie in Verbindung mit den Zeichnungen gelesen wird.
• Figurenliste
• Der Gegenstand, der als die Erfindung betrachtet wird, wird speziell dargelegt und in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung separat beansprucht. Die vorstehenden und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden genauen Beschreibung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird, in denen:
• 1 ein Funktionsblockdiagramm eines Lenkungssystems ist, das ein fehlertolerantes feldorientiertes Regelungssystem in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Offenbarung enthält;
• 2 ein Funktionsblockdiagramm eines feldorientierten Regelungssystems (FOC-Systems) für einen Elektromotor ist;
• 3 ein Positionsfehlerüberwachungs- und Auslösesystem in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Offenbarung ist;
• 4 ein Beispiel für einen Beobachter zum indirekten Schätzen einer Motorposition darstellt;
• 5 ein Beispiel für ein Positionsfehlerüberwachungs- und Auslösesystem darstellt;
• 6 einen zeitinvarianten Detektor in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Offenbarung darstellt;
• 7 einen zeitvarianten Detektor in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Offenbarung darstellt;
• 8 ein Funktionsblockdiagramm ist, das Aspekte eines Systems und Verfahrens zum fortgesetzten Betreiben eines Elektromotorregelungssystems nach einem Ausfall von physikalischen Positionssensoren zeigt; und
• 9 ein Verfahren in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Offenbarung darstellt.
• GENAUE BESCHREIBUNG
• Die folgende Beschreibung ist nur beispielhaft und nicht dazu gedacht, die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendungsmöglichkeiten zu begrenzen. Es versteht sich, dass in den Zeichnungen einander entsprechende Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen.
• Mit Bezug nun auf 1, bei der die Erfindung mit Bezug auf spezielle Ausführungsformen beschrieben wird, ohne sie einzuschränken, ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Fahrzeugs 10 veranschaulicht, das ein Lenkungssystem 12 enthält. In verschiedenen Ausführungsformen enthält das Lenkungssystem 12 ein Lenkrad 14, das mit einer Lenkwelle 16 gekoppelt ist. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Lenkungssystem 12 ein elektrisches Servolenkungssystem (EPS-System), das ferner eine Lenkungsassistenzeinheit 18 enthält, die mit der Lenkwelle 16 des Lenkungssystems 12 und mit Spurstangen 20, 22 des Fahrzeugs 10 gekoppelt ist. Die Lenkungsassistenzeinheit 18 enthält beispielsweise einen (nicht gezeigten) Lenkungsmechanismus mit einer Zahnstange und einem Ritzel, der durch die Lenkwelle 16 mit einem Lenkungsaktormotor und einem Lenkungsgetriebe (hier im Nachstehenden als der Lenkungsaktor bezeichnet) gekoppelt sein kann. Wenn das Lenkrad 14 im Betrieb von einem Fahrzeugbediener gedreht wird, stellt der Motor der Lenkungsassistenzeinheit 18 die Unterstützung zum Bewegen der Spurstangen 20, 22 bereit, wodurch wiederum jeweilige Lenkungsachsschenkel 24, 26 bewegt werden, die mit jeweiligen Straßenrädern 28, 30 des Fahrzeugs 10 gekoppelt sind. Obwohl ein EPS-System in 1 veranschaulicht und hier beschrieben ist, ist festzustellen, dass das Lenkungssystem 12 der vorliegenden Offenbarung verschiedene geregelte Lenkungssysteme enthalten kann, welche Lenkungssysteme mit hydraulischen Konfigurationen und mit Steer-By-Wire-Konfigurationen umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind.
• Wie in 1 gezeigt ist, enthält das Fahrzeug 10 ferner verschiedene Sensoren 31-33, welche beobachtbare Bedingungen des Lenkungssystems 12 und/oder des Fahrzeugs 10 detektieren und messen. Auf der Grundlage der beobachtbaren Bedingungen erzeugen die Sensoren 31-33 Sensorsignale. In verschiedenen Ausführungsformen umfassen die Sensoren 31-33 beispielsweise einen Motorpositionssensor. In einer Ausführungsform ist der Motorpositionssensor ein analoger Positionssensor, der Signale erzeugt, die den Sinus und den Cosinus des Motorwellenwinkels repräsentieren. Der Motorpositionssensor sendet die Signale an das Regelungsmodul 40.
• In verschiedenen Ausführungsformen regelt ein Regelungsmodul 40 den Betrieb des Lenkungssystems 12 und/oder des Fahrzeugs 10 auf der Grundlage eines oder mehrerer der Sensorsignale und ferner auf der Grundlage des Systems und Verfahrens zur Fehlerdetektion der vorliegenden Offenbarung.
• Hier beschriebene Ausführungsformen können Teil eines Lenkungssystems sein, etwa einer elektrischen Servolenkung (EPS), eines Fahrerassistenzsystems und/oder eines Fahrzeugregelungssystems (z.B. ein autonomes oder semiautonomes Regelungssystem). Es wird angemerkt, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen in Verbindung mit jeder Vorrichtung oder jedem System verwendet werden können, die/das einen oder mehrere Elektromotoren verwendet.
• Mit Bezug auf 2 und mit fortgesetzter Bezugnahme auf 1 ist eine allgemeine Architektur einer feldorientierten Regelung einer synchronen Permanentmagnetmaschine gezeigt. Insbesondere erzeugt ein Motor 42 der Lenkungsassistenzeinheit 18 ein Lenkungsassistenzdrehmoment, das auf das Lenkungssystem aufgebracht wird. Ein Modul 44 zum Schätzen einer Position und Geschwindigkeit überwacht einen tatsächlichen Strom, der von dem Motor 42 erzeugt wird. Der tatsächliche Strom steht in Beziehung mit dem Assistenzdrehmoment, das von dem Motor 42 bereitgestellt wird. Das Modul 44 zum Schätzen einer Position und Geschwindigkeit erzeugt eine Motorposition und eine Motorgeschwindigkeit.
• Ein Referenzstromberechnungsmodul 52 empfängt die Motorgeschwindigkeit von dem Modul 44 zum Schätzen einer Position und Geschwindigkeit. Zudem empfängt das Referenzstromberechnungsmodul 52 ein Solldrehmoment von der Lenkungsassistenzeinheit 18. Auf der Grundlage des Solldrehmoments und der Motorgeschwindigkeit berechnet das Referenzstromberechnungsmodul 52 einen Strombefehl, der an einen Subtraktionsblock 58 ausgegeben wird. Der Subtraktionsblock 58 subtrahiert einen DQ-Referenzrahmenstrom von dem Strombefehl, um eine Differenz zu erzeugen, welche an das Stromreglermodul 60 geliefert wird. Der DQ-Referenzrahmenstrom kann von einem Transformationsmodul 61 erzeugt werden, welches in Kommunikation mit dem Motor 42, mit dem Modul 44 zum Schätzen einer Position und Geschwindigkeit, mit dem Motor 42 und mit dem Referenzstromberechnungsmodul 52 steht. Auf der Grundlage der Differenz erzeugt der Stromregler 60 einen Motorspannungsbefehl. Der Motorspannungsbefehl wird an ein Tastverhältnisberechnungsmodul 64 gesendet, welches den Motorspannungsbefehl analysiert und ein Tastverhältnissignal erzeugt. Das Tastverhältnissignal wird von einem Umrichter verwendet, um eine Motorspannung an den Motor 42 anzulegen, welche den Motorspannungsbefehl repräsentiert. In einer Ausführungsform legt ein Umrichter die Motorspannung an. Das Modul 44 zum Schätzen einer Position und Geschwindigkeit, das Referenzstromberechnungsmodul 52, das Stromreglermodul 60 und das Tastverhältnisberechnungsmodul 64 können Teil des Regelungsmoduls 40 sein, sind aber nicht darauf beschränkt.
• Ein Regelungssystem, etwa das Regelungsmodul 44 und/oder Aspekte der Regelungsarchitektur, ist ausgestaltet, um in mehreren Regelungsmodi zu arbeiten. Ein erster Regelungsmodus wird in Situationen genutzt, in denen die Positionssensoren korrekt arbeiten und keine Sensorfehler detektiert werden. Der erste Regelungsmodus nutzt die feldorientierte Regelung (FOC), welche Informationen von physikalischen Positionssensoren (direkte Messungen) für die Transformation in den DQ-Referenzrahmen verwendet. Ein zweiter Regelungsmodus kann genutzt werden, wenn einer oder mehrere der Positionssensoren ausgefallen sind. Ein Beispiel für den zweiten Regelungsmodus wird als fehlertolerante Regelung (FTC) bezeichnet, welche ein Betriebsmodus des FOC-Systems ist, bei dem der Normalbetrieb des physikalischen Positionssensors fehlgeschlagen ist und Positionsinformationen auf indirekte Weise (ohne einen physikalischen Positionssensor) von einem Beobachter oder einer Schätzvorrichtung beschafft werden. Der FTC-Modus kann eine sensorlose Regelung (SC) verwenden, welche das Regeln des Motors ohne die Nutzung eines oder mehrerer der Positionssensoren umfasst. In diesem Modus wird eine beobachterbasierte Positionsmessung verwendet.
• In einem auf Positionssensoren beruhenden FOC-System besteht immer die Möglichkeit des Ausfalls von Positionssensoren. Der FTC-Modus kann in Situationen ausgelöst oder genutzt werden, bei denen einer oder mehrere der Positionssensoren ausgefallen sind. Beispielsweise wird der FTC-Regelungsmodus als Reserve vorgesehen, sodass der Motor ohne eine signifikante Unterbrechung geregelt werden kann, wenn der Betrieb einiger oder aller physikalischen Positionssensoren fehlgeschlagen ist. Entsprechend ermöglichen hier beschriebene Ausführungsformen in einer Ausführungsform das Wechseln von einem FOC-Modus in einen FTC-Modus.
• Die Detektion eines Sensorfehlers wird mit Bezug auf 3 erörtert, welche eine Ausführungsform des Moduls 44 zum Schätzen einer Position und Geschwindigkeit zeigt. In verschiedenen Ausführungsformen können das Regelungsmodul 40 und das Modul 44 zum Schätzen einer Position und Geschwindigkeit ein oder mehrere Teilmodule und Datenspeicher enthalten. Die Begriffe Modul und Teilmodul bezeichnen, so wie sie hier verwendet werden, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert, oder Gruppe) mit Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen. Eingaben in das Regelungsmodul 40 können von den Sensoren des Fahrzeugs 10 (1) erzeugt werden, sie können innerhalb des Regelungsmoduls 40 modelliert werden (z.B. durch andere (nicht gezeigte) Teilmodule), sie können von anderen (nicht gezeigten) Regelungsmodulen empfangen werden und/oder sie können vordefiniert sein. Alle verschiedenen hier beschriebenen Module und Teilmodule können als individuelle Module implementiert sein, sie können kombiniert sein und/oder sie können unterteilt sein. Beispielsweise können die in 2 und 3 gezeigten Module als ein einziges Regelungsmodul oder als mehrere Regelungsmodule implementiert sein.
• In dieser Ausführungsform enthält das Modul 44 zum Schätzen einer Position und Geschwindigkeit ein Fehlerüberwachungsmodul 80, ein Positionsberechnungsmodul 82 und ein Signalauswahlmodul 84. Das Auswahlmodul 84 kann einen Merker oder ein Diagnosesignal erzeugen, um den FTC-Modus auszulösen, z.B. durch Übertragen des Diagnosesignals an ein FOC-Modul 85.
• Das Modul 44 zum Schätzen einer Position und Geschwindigkeit (oder ein anderer geeigneter Prozessor, eine Verarbeitungseinheit oder ein Modul) ist ausgestaltet, um Positionssignale von Positionssensoren 86 zu empfangen und auch, um eine Motorposition ohne Verwendung eines Positionssensors indirekt zu schätzen, etwa durch Verwendung einer beobachterbasierten Technik. Das Modul 44 kann einen Sensorfehler auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen der indirekt geschätzten Position und einem oder mehreren Positionssignalen von einem oder mehreren Positionssensoren detektieren. Das Modul 44 kann auch ausgestaltet sein, um einen sensorlosen Regelungsalgorithmus in Ansprechen auf das Detektieren eines Fehlers zu initialisieren und/oder um einen fehlertoleranten Regelungsmodus auszulösen, wenn alle physikalischen Sensoren ausgefallen sind oder anderweitig einen Fehler gezeigt haben.
• Die Motorposition kann unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Verfahrens oder einer beliebigen geeigneten Technik indirekt geschätzt werden. In einer Ausführungsform wird ein Schätzwert der Position unter Verwendung eines Beobachters auf der Grundlage von verschiedenen Eingabeparametern berechnet, etwa der tatsächlichen Phasenströme, der angelegten Spannungen und der Maschinenparameter als Eingaben, die zum Erzeugen von Positions- und Geschwindigkeitsschätzwerten verwendet werden. 4 zeigt ein Beispiel für eine allgemeine Beobachterschnittstelle. Wie gezeigt verwendet ein Positions- und Geschwindigkeitsbeobachter ein Modell im stationären Rahmen oder ein aβ-Modell des Elektromotors zum Schätzen der Position und der Motorgeschwindigkeit. Der Beobachter empfängt als Eingaben ein Stationärrahmen-Spannungssignal (V_αβ) und ein Stationärrahmen-Stromsignal (I_αβ), und Motorparameter wie etwa eine Induktivität (L_s), einen Magnetfluss (λ_m) und einen Widerstand (R). Der Beobachter gibt dann eine geschätzte Motorposition θ̂ und eine geschätzte Motorwinkelgeschwindigkeit ω̂ aus.
• Es gibt zahlreiche Algorithmen zum Schätzen einer Position einer PMSM-Maschine und diese variieren speziell bei unterschiedlichen Betriebsdrehzahlregionen. Im Allgemeinen können robuste Techniken wie etwa diejenigen, die auf Sliding Mode Control (SMC) beruhen, zum Schätzen einer Position von allen Arten von PMSM-Maschinen (mit ausgeprägten oder nicht ausgeprägten Polen) in der Region mit hohen Drehzahlen verwendet werden. Bei derartigen Beobachtern kann die Diagnose als bedingte Diagnose implementiert werden, d.h. dass sie deaktiviert wird, wenn die Drehzahl unter einem kalibrierbaren Schwellenwert liegt. Das Drehzahlsignal kann eine geschätzte Größe sein oder es kann beschafft werden, indem das Positionssignal von einem der physikalischen Sensoren differenziert wird.
• Eines der Verfahren zum Schätzen umfasst das Schätzen der Position und Geschwindigkeit einer PMSM aus der Statorflusskopplung, welche unter Verwendung der Spannungs- und Stromsignale des Motors beschafft wird.
• In einer Ausführungsform wird die geschätzte Position durch einen Positionsbeobachter erzeugt, der eine Position auf der Grundlage eines Anlagenmodells des Motors in dem synchronen oder DQ-Referenzrahmen schätzt. Statorflusskopplungen werden aus der Spannung und den Strömen unter Verwendung einer diskreten Integration berechnet, Anfangswerte der Flusskopplungen werden aus einer Anfangsposition (θ₀) berechnet, und daraus werden eine anfängliche Stromamplitude und ein anfänglicher Motorpositionswinkel berechnet.
• Das Regelungssystem (z.B. das Modul 44 zum Schätzen einer Position und Geschwindigkeit und/oder das Fehlerüberwachungsmodul 80) detektiert eine Fehlerbedingung aufgrund des Ausfalls eines oder mehrerer Positionssensoren durch Vergleichen der geschätzten Position (z.B. beruhend auf einem Beobachter) mit von den Positionssensoren gemessenen Positionen. In einer Ausführungsform enthält das System zwei oder mehr Positionssensoren. Eine „Fehlerbedingung“ bezeichnet eine Bedingung, bei welcher ein physikalischer Positionssensor ausgefallen ist oder bei welcher es eine signifikante Wahrscheinlichkeit für einen Ausfall gibt.
• Fehlerbedingungen können unter Verwendung des Anlagenmodells detektiert werden. Bei einem Beispiel werden unter Verwendung des Anlagenmodells Stromschätzwerte in dem stationären Referenzrahmen als I_αi und I_β1 erzeugt. Stromfehler ΔI_αe1 und ΔI_βe1 werden als Differenz zwischen den geschätzten und gemessenen Strömen berechnet. Positionsfehler Δθα[n] und Δθβ[n] für einen Positionssensor n werden dann auf der Grundlage der Stromfehler berechnet.
• In einem Schritt zum Berechnen der Positionsfehler gibt es einen Berechnungsausdruck, der die Terme sinθ_α und cosθ_β im Nenner von Gleichungen für einen geschätzten Positionsfehler enthält, wie nachstehend gezeigt ist: $$\Delta {\mathrm{\theta }}_{\mathrm{\alpha }}\left[\text{n}\right]=\frac{-{\text{L}}_{\mathrm{\alpha }}\Delta {\text{I}}_{\mathrm{\alpha }\text{e1}}\left[\text{n}\right]}{{\mathrm{\lambda }}_{\text{m}}\text{sin}\left(\mathrm{\theta }\left[\text{n}-1\right]\right)}$$

  

  $$\Delta {\mathrm{\theta }}_{\mathrm{\beta }}\left[\text{n}\right]=\frac{{\text{L}}_{\mathrm{\beta }}\Delta {\text{I}}_{\mathrm{\beta }\text{e1}}\left[\text{n}\right]}{{\mathrm{\lambda }}_{\text{m}}\text{cos}\left(\mathrm{\theta }\left[\text{n}-1\right]\right)}$$

  
• Da die Sinus- und Cosinus-Terme null werden können, kann ein Auswahlfenster beruhend auf Bedingungsprüfungen erzeugt werden, um den Durchschnitt der beiden Positionsfehler oder einen der beiden beruhend darauf zu verwenden, welcher Term null wird. Ein positionsfensterbasiertes Auswahlschema kann verwendet werden, um den Positionsfehler Δθ[n] zu berechnen. Dieses Schema kann mathematisch wie folgt ausgedrückt werden. $$\Delta \mathrm{\theta }\left[\text{n}\right]=\{\begin{array}{l}\Delta {\mathrm{\theta }}_{\mathrm{\alpha }},\mathrm{\theta }\left[\text{n}-1\right]\in \left[\mathrm{0,}\frac{\mathrm{\pi }}{2}-{\mathrm{\theta }}_{\text{W}}\right]\cup \left[\frac{\mathrm{\pi }}{2}+{\mathrm{\theta }}_{\text{W}},\frac{3\mathrm{\pi }}{2}-{\mathrm{\theta }}_{\text{W}}\right]\cup \left[\frac{3\mathrm{\pi }}{2}+{\mathrm{\theta }}_{\text{W}}\mathrm{,2}\mathrm{\pi }\right]\hfill \\ \Delta {\mathrm{\theta }}_{\mathrm{\beta }},\text{ sonst}\hfill \end{array}$$

  
• Wenn beispielsweise ein Positionsfenster (θ_W) so gewählt wird, dass es $\frac{\mathrm{\pi }}{4}$

  

  ist, wird der Positionsfehler jeweils genau für die Hälfte der Zeit unter Verwendung von Δθ_α bzw. Δθ_β berechnet. Es sei angemerkt, dass die Qualität des Positionssignals mit der Wahl des Fensters θ_W variiert.
• Die Detektion eines Sensorfehlers kann durch eine Wahrheitstabelle oder ein anderes Vergleichsschema realisiert werden, welches einen Vergleich zwischen Positionsmesswerten von physikalischen Sensoren und einen Vergleich zwischen Positionsmesswerten und indirekten Positionsschätzungen erlaubt.
• Ein Beispiel für ein Vergleichsschema zum Detektieren eines Sensorfehlers ist nachstehend gezeigt. In diesem Beispiel gibt es zwei physikalische Positionssensoren, die Positionsmesswerte θ₁ und θ₂ ausgeben. Eine von einem Beobachter geschätzte Position wird als θ_est bezeichnet. Die folgende Wahrheitstabelle veranschaulicht, wie ein Vergleichsschema für ein System mit drei Sensoren implementiert werden kann, bei dem eines der Sensorsignale geschätzt wird.

  θ1 vs θ2	θ2 vs θest	θ1 vs θest	Fc1	Fc2	Fs
  Bestanden	Bestanden	Bestanden	Kein Fehler	Kein Fehler	Kein Fehler
  Bestanden	Bestanden	Ausgefallen	Nicht möglich
  Bestanden	Ausgefallen	Bestanden	Nicht möglich
  Bestanden	Ausgefallen	Ausgefallen	Kein Fehler	Kein Fehler	Fehler
  Ausgefallen	Bestanden	Bestanden	Nicht möglich
  Ausgefallen	Bestanden	Ausgefallen	Fehler	Kein Fehler	Kein Fehler
  Ausgefallen	Ausgefallen	Bestanden	Kein Fehler	Fehler	Kein Fehler
  Ausgefallen	Ausgefallen	Ausgefallen	Fehler	Fehler	Fehler

• Bei dem vorstehenden Schema wird eine Differenz zwischen den Positionsmesswerten θ₁ und θ₂ berechnet, und es wird eine Differenz zwischen der geschätzten Position und jedem Positionsmesswert berechnet. Wenn das Ergebnis irgendeines Vergleichs einen gewählten Schwellenwert überschreitet (welcher für die verschiedenen Vergleiche gleich oder unterschiedlich sein kann) führt der Vergleich zu einem „Ausgefallen“. Ob für einen gegebenen Positionssensor ein Fehler ermittelt wird, wird durch die Wahrheitstabelle vorgegeben.
• Ausgaben aus den Vergleichen können einen Merker oder eine andere Anzeige dessen enthalten, ob ein Sensor ausgefallen ist oder ausfallen könnte. Zum Beispiel ist die Ausgabe des vorstehenden Schemas ein Vergleichs-Funktionsstatusmerker F_ck (wobei k die Nummer des Sensors ist), der den Funktionsstatus jedes einzelnen Sensors k anzeigt. Wenn ferner jeder Sensor eine Selbstdiagnose aufweist, wie durch einen Selbstdiagnose-Funktionszustandsstatusmerker F_sk angezeigt ist, können diese zusätzlich zu dem vorstehenden Vergleichsschema verwendet werden, um Ausfälle zu detektieren. Zum Beispiel kann eine UND-Operation zwischen F_ck und F_sk durchgeführt werden. Der Vergleich-Funktionsstatusmerker wird für jeden Sensor bereitgestellt, um anzuzeigen, ob es einen Ausfall oder einen potentiellen Ausfall gibt.
• Wie nachstehend in größerem Detail beschrieben wird, können Positionsinformationen durch das Modul 44 zum Schätzen einer Position und Geschwindigkeit während eines Fehlers beschafft werden und beispielsweise an ein FOC-Modul 85 zur Verarbeitung durch einen Schätzalgorithmus übertragen werden.
• In einer Ausführungsform ist das Fehlerüberwachungsmodul 80 oder ein anderes geeignetes Regelungssystem ausgestaltet, um festzustellen, ob eine Fehlerbedingung existiert (z.B., dass einer oder mehrere Sensoren ausgefallen sind oder potentiell ausfallen können), und es kann außerdem ausgestaltet sein, um einen oder mehrere spezielle Sensoren zu identifizieren, die ausgefallen sind oder anderweitig einen Fehler gezeigt haben. Das Verfahren zur Bestimmung einer Fehlerbedingung und/oder zur Sensoridentifikation wird in Verbindung mit einem Beispiel für das Modul 44 zum Schätzen einer Position und Geschwindigkeit, das in 5 gezeigt ist, erörtert.
• Mit Bezugnahme auf 5 empfängt das Signalauswahlmodul 84 als Eingaben einen Satz von Motorpositionssignalen von einem Satz von Positionssensoren 86. Der Satz von Positionssensoren 86 kann zum Beispiel einen primären Motorpositionssensor und einen sekundären Positionssensor enthalten. Der Satz von Positionssensoren 86 kann aus der Gruppe von Sensoren 31-33 (1) sein. Auf der Grundlage der Motorpositionssignale führt das Fehlerüberwachungsmodul 80 eine Korrelationsprüfung aus, um die Motorpositionssignale zu vergleichen und um ein Fehlersignal (θ_err) zu ermitteln. Das Ermitteln des Fehlersignals kann von einem Fehlerdetektion-Teilmodul 88 ausgeführt werden.
• In einer Ausführungsform ist das Fehlersignal θ_err eine Winkeldifferenz zwischen den jeweiligen Motorpositionssignalen des Satzes von Motorpositionssignalen. Im Speziellen kann das Fehlersignal durch die folgende Gleichung berechnet werden: $${\mathrm{\theta }}_{\text{err}}=\left|{\mathrm{\theta }}_1-{\mathrm{\theta }}_2\right|$$

  

  wobei θ₁ und θ₂ jeweils die Motorpositionssignale von dem primären physikalischen Positionssensor und dem sekundären physikalischen Positionssensor sind.
• In einer Ausführungsform bewertet das Fehlerüberwachungsmodul 80 das Fehlersignal, um festzustellen, ob das Fehlersignal für eine angegebene Zeitspanne größer als ein voreingestellter Schwellenwert ist. Ein oder mehrere Merker (F) können ausgegeben werden, um anzuzeigen, dass eine Fehlerbedingung vorliegt. Ein Auslösemerker (F_IN), der auch als Initialisierungsmerker bezeichnet wird, kann in Ansprechen auf das Detektieren eines Fehlersignals an das Positionsberechnungsmodul 82 ausgegeben werden. Zudem kann ein Wechselmerker F_TR an das Signalauswahlmodul 84 ausgegeben werden, um einen Übergang von einem FOC-Modus in einen FTC-Modus einzuleiten, wie nachstehend weiter erörtert wird.
• Zum Beispiel erzeugen die hier präsentierten Schemata zur Fehlerüberwachung, Auslösung und/oder Detektion einen Auslösemerker F_IN, welcher einen potentiellen Fehler oder eine Bedingung „in der Nähe eines Fehlers“ anzeigt und ein Anfangsposition-Vorhersagesystem und einen SC-Algorithmus auslöst. Zudem kann ein Wechselmerker F_TR erzeugt werden, der eine „Sensor ausgefallen“-Bedingung oder eine tatsächliche Fehlerbedingung anzeigt und den auf der Position beruhenden FOC-Algorithmus (Normalbetrieb) deaktiviert und den FTC-Modus auslöst, bei welchem das FOC-System mit der geschätzten Position betrieben wird.
• In einer Ausführungsform wird von dem Fehlerüberwachungsmodul 80 ein zeitinvariantes Fehlerdetektionsschema verwendet, um Auslösemerker zu erzeugen. In einer anderen Ausführungsform wird ein zeitvariantes Detektionsschema von dem Fehlerüberwachungsmodul 80 verwendet, um Auslösemerker zu erzeugen. Jedoch werden durch diese Offenbarung andere Fehlerdetektionsschemata in Betracht gezogen, welche diejenigen umfassen, die nachstehend beschrieben sind, aber nicht darauf beschränkt sind.
• Eine Ausführungsform eines zeitinvarianten Fehlerdetektionsschemas wird in Verbindung mit 6 erörtert, welche ein Beispiel für einen zeitinvarianten Fehlerdetektor 90 zeigt. Der zeitinvariante Fehlerdetektor 90 kann ein zeitinvariantes Fehlerdetektionsschema implementieren. In einem zeitinvarianten Fehlerdetektionsschema detektiert ein Schwellenwertdetektor 92, ob ein Fehlersignal größer als ein Fehlerschwellenwert wird. Ein Zähler 94 erhöht einen Wert in diskreten Schritten. Wenn der Zählerwert größer als ein Detektorschwellenwert wird, werden der Auslösemerker und der Initialisierungsmerker aktiviert. Wenn das Fehlersignal jedoch wechselt, sodass es kleiner als der Fehlerschwellenwert wird, bevor ein Detektorschwellenwert erreicht wird und die Merker aktiviert werden, wird der Zählerwert in diskreten Schritten, die einen vorbestimmten Wert darstellen, verringert. Die Gesamtzeit, die benötigt wird, um den Auslösemerker zu aktivieren, ist unabhängig von der Größe, um die das Fehlersignal einen Fehlerschwellenwert überschreitet. Bei dem Beispiel von 6 empfängt der Schwellenwertdetektor 92 Positionssignale θ₁ und θ₂, berechnet eine Differenz θ_e zwischen Signalen und vergleicht die Differenz mit einem Schwellenwert δ_TH. Der Zähler 94 ist in diesem Beispiel ein PN-Zähler, der um Inkremente D_P hochzählt, wenn die Differenz θ_e den Schwellenwert δ_TH überschreitet. Wenn die Differenz zu weniger oder gleich dem Schwellenwert zurückkehrt, zählt der PN-Zähler um Inkremente D_N nach unten. Wenn der Zähler einen Zählerschwellenwert D_TH erreicht oder überschreitet, aktiviert der PN-Zähler einen Auslösemerker F.
• Von dem Fehlerüberwachungsmodul 80 kann ein zeitvariantes Fehlerdetektionsschema verwendet werden. 7 zeigt ein Beispiel für einen zeitvarianten Fehlerdetektor 96, der ein zeitvariantes Fehlerdetektionsschema implementieren kann. In einem zeitvarianten Fehlerdetektor werden in variablen Zeitdauern unterschiedliche Fehlerbeträge detektiert. Folglich können größere Fehler (d.h. größere Amplituden von Fehlersignalen) detektiert werden, die veranlassen, dass der Auslösemerker innerhalb einer kürzeren Zeitspanne aktiviert wird. In diesem Beispiel enthält der zeitvariante Fehlerdetektor 96 ein Tiefpassfilter 98, einen Fehler- oder Differenzrechner 100 und einen modifizierten Zähler 102. Der Detektor 96 enthält außerdem ein Filter 104 mit variabler Grenzfrequenz, das eine Zeitkonstante τ ausgibt, wobei die Frequenz und folglich die Zeitkonstante eine Funktion f(.) der Fehlereingabe (der Differenz θ_e) ist. Eine Ausgabe des Tiefpassfilters 98 wird mit einem festen Schwellenwert δ_TH verglichen, was veranlasst, dass der Auslösemerker F gesetzt wird, wenn die Ausgabe des Tiefpassfilters 98 den festen Schwellenwert überschreitet. Ein Ausgabesignal mit exponentiellen Eigenschaften kann erzeugt werden, welche eine Amplitude des Fehlersignals anzeigen.
• Das Regelungssystem ist in einer Ausführungsform ausgestaltet, um ein Regelungsverfahren zum Überwachen, Auslösen und/oder Wechseln auszuführen, das das Detektieren einer Fehlerbedingung umfasst, wie vorstehend beschrieben. In dieser Ausführungsform umfasst das Regelungsverfahren das Überwachen physikalischer Positionssensoren mithilfe einer Korrelationsprüfung, um die Motorpositionssignale zu vergleichen und um ein Fehlersignal θ_err zu bestimmen. Wenn das Fehlersignal einen ersten Schwellenwert (der hier als ein Initialisierungsschwellenwert bezeichnet wird) überschreitet, wird eine potentielle Fehlerbedingung oder eine Bedingung „in der Nähe eines Fehlers“ detektiert und eine sensorlose Positionsschätzung veranlasst. Wenn das Fehlersignal einen zweiten Schwellenwert überschreitet (der hier als Wechselschwellenwert bezeichnet wird), der höher als der erste Schwellenwert ist, wird eine tatsächliche Fehlerbedingung detektiert, bei welcher mindestens ein Sensor ausgefallen ist, und das Regelungssystem wird veranlasst, aus dem normalen Regelungsmodus in den FTC-Modus zu wechseln. Das Verfahren kann außerdem umfasst, dass detektiert wird, welcher Positionssensor ausgefallen ist oder einen potentiellen Fehler repräsentiert.
• Beruhend auf dem Empfang eines oder mehrerer Merker oder wenn es anderweitig irgendeine Anzeige für einen Ausfall eines physikalischen Sensors gibt, leitet das Regelungssystem einen sensorlosen (indirekten) Positionsschätzalgorithmus ein. In einer Ausführungsform startet der sensorlose Positionsschätzprozess unmittelbar oder ansonsten sobald wie möglich, nachdem der Auslösemerker F_IN für einen beliebigen Typ von Fehler bei den physikalischen Positionssensoren gesetzt wurde. Der Wechselmerker F_TR kann verwendet werden, um schließlich ein feldorientiertes Regelungsmodul 86 zum Wechseln in einen fehlertoleranten Regelungsmodus zu alarmieren.
• Wie in 5 gezeigt ist, werden beispielsweise Positionssignale θ₁ und θ₂ von einem primären Positionssensor und von einem sekundären Positionssensor (gemeinsam die Positionssensoren 86) in das Fehlerüberwachungsmodul 80 und in ein Signalspeichermodul 102 eingegeben. Das Signalspeichermodul 102 empfängt auch ein Motorgeschwindigkeitssignal ω_m. Ein Fehlerauslösungsteilmodul 104 ermittelt, ob ein Fehlersignal θ_err aus einer Korrelation der Positionsmesswerte einen ersten Schwellenwert (z.B. einen Initialisierungsschwellenwert) eine ausgewählte Zeitspanne lang überschreitet, wodurch eine potentielle Fehlerbedingung angezeigt wird. Wenn das Fehlersignal θ_err beispielsweise über einem ausgewählten Wert liegt, beginnt ein PN-Zähler mit dem Hochzählen in diskreten Schritten, und wenn die Anzahl der Schritte einen Detektorschwellenwert überschreitet, wird ein Auslösemerker F_IN erzeugt.
• Wenn eine potentielle Fehlerbedingung detektiert wird, wird ein Auslösemerker F_IN an das Positionsberechnungsmodul 82 ausgegeben. In dem Beispiel von 5 wird der Merker F_IN an ein Teilmodul 106 zur Vorhersage einer Anfangsposition ausgegeben, das eine Anfangsposition auf der Grundlage der Positions- und Geschwindigkeitssignale berechnet und die Anfangsposition an einen Positionsbeobachter 108 ausgibt. Der Merker F_IN löst das FTO-System aus, um einen beobachterbasierten Schätzprozess einzuleiten, indem korrekte Anfangspositionsinformationen durch einen Anfangspositions-Vorhersagealgorithmus bereitgestellt werden.
• Wenn das Fehlersignal θ_err einen zweiten Schwellenwert (z.B. einen Wechselschwellenwert) überschreitet, wird ein Wechselmerker F_TR erzeugt. Zum Beispiel gibt das Fehlerdetektionsteilmodul 88 den Wechselmerker an das Signalauswahlmodul 84 aus. Das Signalauswahlmodul 84 empfängt den Wechselmerker zusammen mit gemessenen Positionsinformationen und mit einer geschätzten Motorposition θ̂, die von dem Positionsbeobachter 108 erzeugt wird.
• Der Status des Fehleranzeigemerkers F_IN bestimmt das Starten des Prozesses zum Einleiten einer sensorlosen Regelung. Sobald sich der Status von F_IN auf den Zustand WAHR verändert, was impliziert, dass es ein Potential für einen Sensorfehler gibt, läuft ein Algorithmus durch bestimmte Initialisierungsschritte, um den Algorithmus zur sensorlosen Positionsschätzung einzuleiten.
• Das Positionsberechnungsmodul 82 ist ausgestaltet, um einen Algorithmus auszuführen, um nach dem Empfang des Auslösemerkers oder einer anderen Anzeige eines potentiellen Fehlers oder einer Bedingung in der Nähe eines Fehlers eine oder mehrere Aufgaben zu erledigen. Eine erste Aufgabe besteht darin, die korrekte Motorposition bei dem gegenwärtigen Zeitpunkt vorherzusagen (d.h., wenn F_IN gerade gesetzt wird), welche hier als „Anfangsposition“ bezeichnet wird. Eine zweite Aufgabe besteht darin, genau zu detektieren, welcher Sensor (z.B. der primäre oder der sekundäre) fehlerhaft oder potentiell fehlerhaft ist.
• In einer Ausführungsform sagt das Positionsberechnungsmodul 82 die Anfangsposition voraus, z.B. unter Verwendung des Teilmoduls 106 zur Vorhersage einer Anfangsposition. Nach dem Empfangen des Auslösemerkers wird die Anfangsposition ausgeführt, indem eine Zeitspanne vor dem tatsächlichen Beginn des Fehlers des Motorpositionssensors ermittelt wird.
• In einer Ausführungsform wird die Anfangsposition berechnet, indem eine Zeitspanne (t_fault) zwischen dem letzten Abtastzeitpunkt oder einem anderen Zeitpunkt, an dem keine Fehlerbedingung detektiert wurde, und dem gegenwärtigen Zeitpunkt bestimmt wird, an welchem der Fehler aufgetreten ist oder bei welchem der potentielle Fehler detektiert wurde. Da die Fehlerschwellenwerte für gewöhnlich klein sind und die Geschwindigkeit naturgegeben ein sich langsam veränderndes Signal ist, kann angenommen werden, dass sich die Geschwindigkeit zwischen dem Zeitpunkt, an dem der Fehler aufgetreten ist, und dem Zeitpunkt, an dem F_IN gesetzt wurde, nicht groß geändert hat.
• Zuerst wird eine anfängliche Abtastnummer k₀ gewählt, welche hoch genug ist, um einen Geschwindigkeitsabtastwert aus der Zeitspanne vor dem Fehler zu beschaffen. Die anfängliche Abtastnummer repräsentiert einen Positionssignalabtastwert, der von den Positionssensoren vor dem Detektieren des Fehlers und/oder der Fehlerbedingung erfasst wurde. Dann wird eine Anfangsgeschwindigkeit ω₀ aus einem Geschwindigkeitspuffer oder einem anderen Speicherort wie folgt beschafft. $${\mathrm{\omega }}_0=\mathrm{\omega }\left[\text{n}-{\text{k}}_0\right],$$

  

  wobei n eine Abtastzahl zu dem Zeitpunkt ist, an dem der Fehler oder die Fehlerbedingung detektiert wurde, und ω die Motorgeschwindigkeit bei der Abtastnummer n ist.
• Es wird angemerkt, dass k₀ ein feststehender Wert sein kann oder aus dem Initialisierungsschwellenwert und einem gemittelten Wert (entweder einfach oder gewichtet) aus einer feststehenden Anzahl von vorherigen Geschwindigkeitsabtastwerten (ω_AVG) berechnet werden kann. Ferner könnte der Wert von ω_AVG auch gefiltert werden, um die Aufnahme von Geschwindigkeitstransienten zu vermeiden, die von Positionsfehlern verursacht werden.
• Nachdem die Anfangsgeschwindigkeit beschafft wurde, kann t_fault wie folgt berechnet werden: $${\text{t}}_{\text{fault}}=\frac{{\mathrm{\delta }}_{\text{IN}}}{{\mathrm{\omega }}_0},$$

  

  wobei δ_IN der Initialisierungsschwellenwert ist. Danach wird die ungefähre Abtastnummer k, bei welcher sich das System in einer Vorfehlerbedingung befunden hat, wie folgt beschafft. $$\text{k}=\frac{{\text{t}}_{\text{fault}}}{{\text{T}}_{\text{s}}}$$

  
• Die Geschwindigkeit ω_a vor dem Fehler wird dann unter Verwendung der nachstehend gezeigten Gleichung berechnet. $${\mathrm{\omega }}_{\text{a}}=\mathrm{\omega }\left[\text{n}-\text{k}\right]$$

  
• Schließlich wird die korrekte Anfangsposition wie folgt berechnet. $${\mathrm{\theta }}_0={\mathrm{\theta }}_1\left[\text{n}-\text{k}\right]+{\mathrm{\omega }}_{\text{a}}{\text{t}}_{\text{fault}}$$

  
• Eine korrekte Initialisierung der sensorlosen Regelung benötigt die Kenntnis der Positions- und Geschwindigkeitssignale während der Bedingung vor dem Fehler. Zu diesem Zweck kann ein Puffer, etwa ein rollierender oder ringförmiger Puffer verwendet werden. Die Gesamtzeit, die zum Auslösen benötigt wird, hängt von der augenblicklichen Geschwindigkeit, vom Initialisierungsschwellenwert (δ_IN) und vom Typ des Positionssensorfehlers ab. Wenn die Geschwindigkeit der Maschine beispielsweise sehr langsam ist, wenn der Sensor auszufallen beginnt, kann die Gesamtzeit, die zum Setzen von F_IN benötigt wird, sehr groß sein, da die Puffergröße in einem eingebetteten System groß genug sein muss, um die Signalwerte aus der Periode vor dem Fehler unabhängig von den Fehlerbedingungen zu speichern. Da der Gesamtspeicher, der in einem typischen Mikroprozessor zur Verfügung steht, der für eine eingebettete Anwendung verwendet wird, nicht unbeschränkt ist, muss die Größenauswahl mit Bedacht vorgenommen werden.
• Eine Puffergröße (b) kann unter Verwendung von Variablen gewählt werden, die eine minimale Systemgeschwindigkeit ω_min, eine Abtastzeit T_S und den Schwellenwert δ_IN umfassen, wie nachstehend gezeigt ist: $$\text{b}=\frac{{\mathrm{\delta }}_{\text{IN}}}{{\mathrm{\omega }}_{\text{min}}{\text{T}}_{\text{S}}}.$$

  
• Aus der vorstehenden Gleichung ist ersichtlich, dass dann, wenn ω_min kleiner wird, eine größere b für einen gegebenen δ_IN benötigt wird. Alternativ kann δ_IN verringert werden, um die Puffergröße in einem vernünftigen Bereich zu halten, solange sie groß genug bleibt, sodass ein fehlerhaftes Setzen von F_IN vermieden wird. Wenn b zu klein ist, dann ist es möglich, dass in dem Puffer keine Daten vor dem Fehler für die Initialisierung enthalten sind.
• Da typischerweise eine Maximalgrenze für die Puffergröße existiert, ist es möglich, das Puffern des Geschwindigkeitssignals zu optimieren, indem dieses mit einer geringeren Rate gespeichert wird. Dieses Konzept wird als Dezimierung bezeichnet. Die Dezimierung ist möglich, weil die Geschwindigkeit in einem EPS-System im Vergleich zu der Position grundsätzlich ein Signal mit geringer Bandbreite ist. Außerdem ist es möglich, Positionssignale zu dezimieren, wenn ein bestimmter Fehlerbetrag in der Anfangsbedingung toleriert werden kann.
• Sobald t_fault bestimmt worden ist, hängt die Vorhersage der Anfangsposition trotzdem nicht von der Kenntnis dessen ab, welcher Positionssensor ausgefallen ist. Jedoch kann es als zusätzliche Absicherungsebene manchmal nützlich sein, den fehlerhaften Sensor zu erkennen, um das System zu initialisieren.
• In einer Ausführungsform werden die folgenden Berechnungen durchgeführt, um den fehlerhaften Sensor zu erkennen. In dieser Ausführungsform enthalten die Positionssensoren einen ersten Sensor, der ein Positionssignal θ₁ ausgibt, und einen zweiten Sensor, der ein Positionssignal θ₂ ausgibt. $${\mathrm{\theta }}_{1\text{t}}={\mathrm{\theta }}_1\left[\text{n}\right]+{\mathrm{\omega }}_{\text{a}}{\text{t}}_{\text{fault}}$$

  

  $${\mathrm{\theta }}_{\text{2t}}={\mathrm{\theta }}_2\left[\text{n}\right]+{\mathrm{\omega }}_{\text{a}}{\text{t}}_{\text{fault}}$$

  

  $${\mathrm{\theta }}_{1\text{et}}=\left|{\mathrm{\theta }}_{1\text{t}}-{\mathrm{\theta }}_2\left[\text{n}\right]\right|$$

  

  $${\mathrm{\theta }}_{2\text{et}}=\left|{\mathrm{\theta }}_{2\text{t}}-{\mathrm{\theta }}_1\left[\text{n}\right]\right|$$

  
• Wobei θ_1t und θ_2t Positionswerte bei einem Zeitpunkt sind, der der Anfangsposition zugeordnet ist.
• Die Werte θ_1et und θ_2et sind die „Postkorrektur-Fehlerwerte“ der zwei Positionssignale. Das fehlerhafte Signal wird bestimmt, indem geprüft wird, welcher Wert (z.B. θ_1et und θ_2et) näher bei null liegt. Dies beruht auf der Idee, dass der Fehlerwert, der nach der Korrektur gegen null geht, derjenige ist, der die Korrektur vor allem benötigt hat, und folglich der fehlerhafte ist.
• Nach der Detektion des fehlerhaften Positionssensors kann ein Positionswert vor dem Fehler aus dem Puffer des funktionsfähigen Sensors beschafft werden.
• Nachdem der fehlerhafte Sensor detektiert wurde, kann das Position von dem anderen Sensor (θ_x) verwendet werden, um die Anfangsposition wie nachstehend gezeigt zu berechnen. $${\mathrm{\theta }}_0={\mathrm{\theta }}_{\text{x}}\left[\text{n}-\text{k}\right]+{\mathrm{\omega }}_{\text{a}}{\text{t}}_{\text{fault}}$$

  
• Mit der Fähigkeit des Detektierens des fehlerhaften Sensors ist es möglich, nur die Schätzvorrichtungen zu initialisieren, aber nicht in den FTC-Modus einzutreten, und den oder die funktionsfähigen Sensoren zu verwenden, um mit dem normalen FOC-Betrieb fortzufahren, wobei die geschätzte Position zum Diagnostizieren des funktionsfähigen Sensors verwendet wird. Daher ist das System in einer Ausführungsform ausgestaltet, um in den FTC-Modus zu wechseln, wenn alle physikalischen Positionssensoren ausgefallen sind.
• Wenn in einem EPS-System alle physikalischen Positionssensoren fehlerhaft werden, geht das System typischerweise in einen Ausschaltmodus und der Fahrer empfängt keinerlei Drehmomentassistenz vom Motor. Aber unter Verwendung von hier beschriebenen Ausführungsformen kann diese Situation vermieden werden, indem das geschätzte Positionssignal zum Regeln des Motors verwendet wird. Unter Verwendung der geschätzten Position kann das System am Laufen gehalten werden, um eine Assistenz für eine bestimmte Zeitspanne bereitzustellen, sodass z.B. ein Fahrzeug an eine sichere Stelle gefahren werden kann (was manchmal als „auf die Seite hinken“-Betriebsmodus bezeichnet wird).
• 8 ist ein Blockdiagramm, das Aspekte eines Verfahrens für einen fortgesetzten Betrieb eines Elektromotorregelungssystems (z.B. eines EPS-Systems) veranschaulicht, wenn alle physikalischen Positionssensoren ausfallen. Wie in dem Diagramm gezeigt ist, werden Messsignale V_αβ und I_αβ für Strom und Spannung in ein Diagnosemodul 110 eingegeben, welches Strom- und Spannungsdiagnosen ausführt. V_αβ und I_αβ werden auch in den Positionsbeobachter 108 eingegeben, um eine geschätzte Position (θ_est) zu erzeugen. Wenn eines oder mehrere dieser Signale ungültig sind (d.h. eines oder mehrere der Strom- und Spannungssignale fehlerhaft sind), wird das System ausgeschaltet. Wenn die Signale gültig sind, wird das Hinken auf die Seite oder der fortgesetzte Betrieb des Systems ermöglicht.
• 9 veranschaulicht ein Verfahren 120 zum Wechseln in einen fehlertoleranten Betriebsmodus, welches von dem Regelungsmodul 40 von 1 ausgeführt werden kann. Wie im Lichte dieser Offenbarung festgestellt werden kann, ist die Betriebsreihenfolge innerhalb des Verfahrens nicht auf die sequentielle Ausführung begrenzt, die in 9 veranschaulicht ist, sondern kann in einer oder mehreren variierenden Reihenfolgen ausgeführt werden, sofern es in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung ausführbar ist.
• In einer Ausführungsform empfängt das Verfahren bei 121 einen Satz von Motorpositionssignalen von einem Kraftfahrzeugsensor (einem der Sensoren 31-33), der die Signale erzeugt. In einer Ausführungsform tastet der Kraftfahrzeugsensor die Motorpositionssignale mit einer gegebenen Frequenz ab. Bei 122 erzeugt das Verfahren ein Initialisierungsmerkersignal und ein Wechselmerkersignal auf der Grundlage des Satzes von Motorpositionssignalen. Der Satz von Motorpositionssignalen kann beispielsweise von einem primären Motorpositionssensor und von einem sekundären Motorpositionssensor stammen. Bei 123 schätzt das Verfahren eine Position des Motors auf der Grundlage des Initialisierungsmerkersignals und des Satzes von Motorpositionssignalen. Bei 124 umfasst das Verfahren, dass ein fehlertoleranter Betriebsalgorithmus für den Motor auf der Grundlage der geschätzten Position, des Wechselmerkersignals und einer tatsächlichen Position, die von dem mindestens einen Motorpositionssensor bereitgestellt wird, ermöglicht wird.
• Obwohl die Erfindung im Detail in Verbindung mit nur einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es leicht zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf diese offenbarten Ausführungsformen begrenzt ist. Stattdessen kann die Erfindung modifiziert werden, um eine beliebige Anzahl von Variationen, Veränderungen, Substitutionen oder äquivalenten Anordnungen aufzunehmen, die hier im Vorstehenden nicht beschrieben sind, welche aber mit dem Geist und dem Umfang der Erfindung übereinstimmen. Obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, ist es außerdem zu verstehen, dass Aspekte der Erfindung nur einige der beschriebenen Ausführungsformen enthalten können. Folglich darf die Erfindung nicht so aufgefasst werden, dass sie durch die vorstehende Beschreibung beschränkt ist.

Claims (15)

1. Regelungssystem zum Überwachen des Betriebs eines Elektromotors, umfassend: eine Vielzahl von Positionssensoren, die ausgestaltet sind, um eine Position des Elektromotors zu messen; ein Modul zum indirekten Schätzen einer Position, das ausgestaltet ist, um die Position des Motors indirekt zu schätzen; und ein Fehlerüberwachungsmodul, das ausgestaltet ist, um mindestens eines auszuführen von: Vergleichen einer gemessenen Position von der Vielzahl von Positionssensoren mit einer geschätzten Position von dem Modul zum Schätzen einer Position, und Detektieren eines Fehlers von mindestens einem des einen oder der mehreren Positionssensoren auf der Grundlage des Vergleichs; und Berechnen einer Differenz zwischen der gemessenen Position von einem der Vielzahl von Positionssensoren und der gemessenen Position von einem anderen der Vielzahl von Positionssensoren und Veranlassen, dass das Modul zum indirekten Schätzen einer Position das Schätzen der Position des Motors auf der Grundlage der Differenz einleitet.
2. System nach Anspruch 1, wobei das Fehlerüberwachungsmodul ausgestaltet ist, um einen Vergleichsfunktionsfähigkeitsstatusmerker zu erzeugen, der anzeigt, ob mindestens einer des einen oder der mehreren Positionssensoren ausgefallen ist oder wahrscheinlich ausfallen wird.
3. System nach Anspruch 1, wobei das Fehlerüberwachungsmodul ausgestaltet ist, um den Fehler auf der Grundlage dessen zu detektieren, dass eine Differenz zwischen der gemessenen Position von dem einen oder den mehreren Positionssensoren und der geschätzten Position von dem Modul zum Schätzen einer Sensorposition einen gewählten Schwellenwert überschreitet.
4. System nach Anspruch 1, wobei das Fehlerüberwachungsmodul ausgestaltet ist, um zu veranlassen, dass das Modul zum indirekten Schätzen einer Position die Schätzung auf der Grundlage dessen einleitet, dass die Differenz einen ausgewählten Schwellenwert überschreitet.
5. System nach Anspruch 1, wobei das Modul zum indirekten Schätzen einer Position ausgestaltet ist, um die Position des Motors auf der Grundlage einer Statorflusskopplung indirekt zu schätzen, wobei die Statorflusskopplung auf der Grundlage von Spannungs- und Stromsignalen von dem Motor berechnet wird.
6. System nach Anspruch 1, wobei das Fehlerüberwachungsmodul ausgestaltet ist, um eine erste gemessene Position von einem ersten Positionssensor mit einer zweiten gemessenen Position von einem zweiten Positionssensor zu vergleichen, und um einen Fehlerbedingungsmerker auf der Grundlage einer Differenz zwischen der ersten gemessenen Position und der zweiten gemessenen Position zu erzeugen.
7. System nach Anspruch 6, wobei das Fehlerüberwachungsmodul ausgestaltet ist, um mindestens eines auszuführen von: Erzeugen eines Auslösemerkers auf der Grundlage dessen, dass die Differenz einen ersten Schwellenwert überschreitet, wobei der Auslösemerker das Einleiten einer indirekten Schätzung der Motorposition verursacht; und Erzeugen eines Wechselmerkers auf der Grundlage dessen, dass die Differenz einen zweiten Schwellenwert überschreitet, der größer als der erste Schwellenwert ist, wobei der Wechselmerker veranlasst, dass das Regelungssystem aus einem ersten Regelungsmodus in einen zweiten Regelungsmodus wechselt, wobei der erste Regelungsmodus bewirkt, dass das Regelungssystem den Motor auf der Grundlage der gemessenen Position regelt, wobei der zweite Regelungsmodus bewirkt, dass das Regelungssystem den Motor auf der Grundlage der indirekten Schätzung der Motorposition regelt.
8. System nach Anspruch 7, wobei das Einleiten der indirekten Schätzung das Vorhersagen einer Anfangsposition zu einem Zeitpunkt umfasst, bevor die Differenz den ersten Schwellenwert überschreitet.
9. System nach Anspruch 7, wobei das Fehlerüberwachungsmodul ausgestaltet ist, um eine Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt, an dem die Differenz den ersten Schwellenwert überschreitet, und dem Zeitpunkt der Einleitung zu schätzen.
10. System nach Anspruch 9, wobei das Fehlerüberwachungsmodul ausgestaltet ist, um auf der Grundlage der Zeitspanne zu erkennen, welcher von dem ersten Positionssensor und dem zweiten Positionssensor fehlerhaft ist.
11. Verfahren zum Überwachen des Betriebs eines Elektromotors, das umfasst, dass: eine Position des Elektromotors durch eine Vielzahl von Positionssensoren gemessen wird; die Position des Motors durch ein Modul zum indirekten Schätzen einer Position indirekt geschätzt wird; und von einem Fehlerüberwachungsmodul eine gemessene Position von der Vielzahl von Positionssensoren mit einer geschätzten Position von dem Modul zum Schätzen einer Sensorposition verglichen wird; und auf der Grundlage des Vergleichs ein Fehler von mindestens einem des einen oder der mehreren Positionssensoren detektiert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, das ferner umfasst, dass ein Vergleichsfunktionsfähigkeitsstatusmerker erzeugt wird, der anzeigt, ob mindestens einer des einen oder der mehreren Positionssensoren ausgefallen ist oder wahrscheinlich ausfallen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Fehler auf der Grundlage dessen detektiert wird, dass eine Differenz zwischen der gemessenen Position von dem einen oder den mehreren Positionssensoren und der geschätzten Position von dem Modul zum Schätzen einer Sensorposition einen gewählten Schwellenwert überschreitet.
14. Verfahren zum Überwachen des Betriebs eines Elektromotors, das umfasst, dass: eine Position des Elektromotors durch eine Vielzahl von Positionssensoren während eines Betriebsmodus mit feldorientierter Regelung (FOC-Betriebsmodus) gemessen wird; von einem Fehlerüberwachungsmodul eine Differenz zwischen der gemessenen Position von einem der Vielzahl von Positionssensoren und der gemessenen Position von einem anderen der Vielzahl von Positionssensoren berechnet wird; und auf der Grundlage dessen, dass die Differenz einen ausgewählten Schwellenwert überschreitet, veranlasst wird, dass ein Modul zum indirekten Schätzen einer Position eine indirekte Schätzung der Position des Motors einleitet.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Berechnen der Differenz umfasst, dass eine erste gemessene Position von einem ersten Positionssensor mit einer zweiten gemessenen Position von einem zweiten Positionssensor verglichen wird.

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