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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Offsets eines Rotorlagegebers. Daneben betrifft die Erfindung eine Steuerungseinrichtung für einen Stromrichter sowie eine elektrische Maschine für ein Fahrzeug.
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Die Regelung elektrischer Maschinen erfolgt häufig anhand einer magnetischen d-Achse, welche eine Rotorlage beschreibt, wobei die Rotorlage im Betrieb der elektrischen Maschine häufig durch einen Rotorlagegeber, beispielsweise einen Resolver, bereitgestellt wird. Bei der Montage des Rotorlagegebers kann jedoch ein Offset, also ein Versatz zwischen seiner Nullachse und der magnetischen d-Achse, auftreten. Um den Offset bei der Regelung der elektrischen Maschine zu berücksichtigen, kann dieser anhand einer durch den Rotor in Statorwicklungen eines Stators der elektrischen Maschine bei einer vorgegebenen Drehzahl induzierten elektromotorischen Kraft ermittelt werden.
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Das Dokument
DE 10 2011 090 127 A1 offenbart beispielsweise ein Hybrid-Steuerungsverfahren, bei dem ein Kandidaten-Offset-Wert eines Resolvers zum Detektieren einer Drehposition eines Antriebsmotors bestimmt wird, wobei alle Ströme derart geregelt werden, dass sie null werden, und die in dem Antriebsmotor erzeugte Spannung erfasst wird.
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Der Offset des Rotorlagegebers wird im Rahmen automotiver Anwendungen typischerweise als sicherheitskritisch betrachtet, so dass der Offset mit hinreichender Integrität (Automotive Safety Integrity Level - ASIL) zu bestimmen ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine aufwandsarme Möglichkeit zur Ermittlung des Offsets eines Rotorlagegebers mit hoher Integrität anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Ermitteln eines Offsets eines Rotorlagegebers, welcher an einem Rotor einer elektrischen Maschine angeordnet ist, umfassend folgende Schritte gelöst:
- - Ermitteln eines ersten Werts einer Rotorlage anhand einer durch den Rotor in Statorwicklungen eines Stators der elektrischen Maschine bei einer vorgegebenen Drehzahl induzierten elektromotorischen Kraft;
- - Ermitteln eines zweiten Wertes der Rotorlage anhand einer rotorlageabhängigen magnetischen Anisotropie der elektrischen Maschine;
- - Plausibilisieren eines der Werte anhand des anderen Wertes; und
- - Ermitteln des Offsets des Rotorlagegebers in Abhängigkeit des plausibilisierten Werts und eines aus Rotorlageinformationen des Rotorlagegebers abgeleiteten dritten Werts der Rotorlage.
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Während es denkbar wäre, eine aufwändige Spannungsmessung mit einem hohen Integritätsniveau zur Ermittlung der elektromotorischen Kraft (EMK) durchzuführen, schlägt die Erfindung vor, neben der EMK-basierten Ermittlung des ersten Werts der Rotorlage einen zweiten Wert mit einem EMK-unabhängigen Verfahren zu ermitteln. Der zweite Wert wird anhand der magnetischen Anisotropie der elektrischen Maschine ermittelt und liegt somit redundant, also auf einem anderen physikalischen Prinzip beruhend, vor. Durch die Plausibilisierung wird die Integrität der ermittelten Rotorlage erhöht und zur Ermittlung des Offsets herangezogen.
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Vorteilhafterweise kann so ein verbessertes Integritätsniveau ohne eine aufwändige Messung von Klemmenspannungen an der elektrischen Maschine mit ihrerseits hoher Integrität realisiert werden. Eine solche Messung mit einem hohen Integritätsniveau erfordert nämlich ihrerseits redundante Messungen und/oder eine aufwändige Messsignalverarbeitung. Bei der vorliegenden Erfindung kann jedoch sowohl für die Ermittlung des ersten Werts als auch für die Ermittlung des zweiten Werts auf Informationen zurückgegriffen werden, die keine besonderen Integritätsanforderungen erfüllen, da das höhere Integritätsniveau durch die Plausibilisierung realisiert wird.
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Typischerweise wird das erfindungsgemäße Verfahren mittels einer Steuerungseinrichtung eines Stromrichters, welcher die elektrische Maschine versorgt, durchgeführt.
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Zum Ermitteln des ersten Werts werden bevorzugt d- und q- Komponenten eines Stroms für die Statorwicklungen zu null geregelt. Die Spannungsdifferenzialgleichungen der elektrischen Maschine erlaubt dann eine besonders einfache Ermittlung des ersten Werts der Rotorlage. Mit besonderem Vorteil erfolgt die Ermittlung des ersten Werts anhand von zum Betrieb der elektrischen Maschine vorgegebenen Sollspannungen. Es kann dann gänzlich auf eine Spannungsmessung verzichtet werden, was den Bauteilaufwand der elektrischen Maschine erheblich verringert.
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Der zweite Wert wird bevorzugt mittels HF-Injektion ermittelt. Dazu wird in die Statorwicklungen ein hochfrequenter Strom von beispielsweise wenigstens 5 kHz, bevorzugt wenigstens 10 kHz, eingeprägt. Unter Berücksichtigung der dafür erforderlichen hochfrequenten Spannung kann wiederum anhand der Spannungsdifferenzialgleichung die Rotorlage bestimmt werden. Denn der - im Vergleich zur EMK-basierten Ermittlung der Rotorlage - hochfrequente Strom fällt hauptsächlich über den Induktivitäten der elektrischen Maschine ab, die ihrerseits von der Rotorlage abhängen. Alternativ zur HF-Injektion kann der zweite Wert auch mittels der INFORM-Methode ermittelt werden, wobei „INFORM“ die Abkürzung für „indirect flux detection by on-line reactance measurement“ ist. Für Details zu den vorgenannten Verfahren wird auf die Dissertation von Wiedmann, Karsten: „Positionsgeberloser Betrieb von permanenterregten Synchronmaschinen“, Hannover 2012, verwiesen.
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Wie eingangs angedeutet, ist es vorteilhaft, wenn der plausibilierte Wert mit einem höheren Integritätsniveau als ein jeweiliges Integritätsniveau des ersten und zweiten Werts durch Dekomposition ermittelt wird. Es genügt folglich, wenn der erste Wert und/oder der zweite Wert mit QM-Niveau (Qualitätsmanagement-Niveau) vorliegen, da durch die Dekomposition ein höheres ASIL, beispielsweise ASIL C, erzielt werden kann.
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Um eine schnelle Ermittlung zu ermöglichen, können der erste Wert und der zweite Wert zeitgleich ermittelt werden, wobei ein Tiefpassfilter zur Erfassung der EMK im Rahmen der Ermittlung des ersten Werts und/oder ein Hochpassfilter zur Erfassung einer hochfrequenten Spannung im Rahmen der Ermittlung des zweiten Werts verwendet werden können. Es ist mithin möglich, durch Nutzung des Superpositionsprinzips erforderliche Spannungen und/oder Ströme zur Erzeugung der EMK und induktivitätsabhängiger Größen gleichzeitig vorzugeben und nach entsprechender Filterung den ersten Wert und/oder den zweiten Wert zu bestimmen.
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Eine Verbesserung der Genauigkeit lässt sich dadurch erzielen, dass Werte des Offsets mehrfach nacheinander ermittelt werden und ein Mittelwert der ermittelten Werte als den Offset beschreibender Korrekturwert für die Rotorlageinformation bei der Steuerung der elektrischen Maschine verwendet wird.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahren wird die elektrische Maschine als Antriebsmaschine eines Fahrzeugs verwendet und auf Grundlage eines vorläufigen Werts des Offsets in einem Begrenzungsmodus, in welchem ein Drehmoment und/oder eine Stromamplitude der elektrischen Maschine begrenzt sind, betrieben, wobei der Offset im Begrenzungsmodus ermittelt wird und der Begrenzungsmodus nach Ermittlung des Offsets deaktiviert wird. Der vorläufige Wert des Offsets kann insoweit als eine mit einer Ungenauigkeit behaftete Schätzung aufgefasst werden. Um trotz dieser Ungenauigkeit einen Fehler oder gar eine Beschädigung der elektrischen Maschine zu verhindern, erfolgt die Begrenzung des Drehmoments und/oder der Stromamplitude. Im Begrenzungsmodus kann das Fahrzeug dann eine Zeit lang mit eingeschränkter Leistungsfähigkeit betrieben werden, bis der erste Wert und der zweite Wert ermittelt worden sind und daraus der Offset abgeleitet worden ist. Nach Ermittlung des Offsets, der zuverlässiger und ggf. auch genauer als der vorläufige Offset ist, kann dieser zur Korrektur der Rotorlageinformationen im Rahmen der Steuerung der elektrischen Maschine verwendet werden. Der Begrenzungsmodus ist dann nicht mehr erforderlich. Selbstverständlich kann im Begrenzungsmodus auch eine mehrfache Ermittlung des Offsets und die zuvor beschriebene Mittelwertbildung erfolgen.
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Da es sich bei der Begrenzung des Drehmoments und/oder der Stromamplitude um eine sicherheitskritische Funktion handelt, ist es zweckmäßig, eine Einhaltung des Begrenzungsmodus mit einem vorgegebenen Sicherheitsintegritätsniveau zu überwachen.
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Besonders vorteilhaft ist die zuvor beschriebene Ermittlung des Offsets im Begrenzungsmodus, wenn dieser bei einer Erstinbetriebnahme des Fahrzeugs aktiviert wird oder zuvor aktiviert worden ist. Dadurch kann vermieden werden, dass unmittelbar nach der Fertigung des Fahrzeugs ein aufwendiger End-Of-Line-Test durchgeführt werden muss. Das Fahrzeug kann folglich mit aktiviertem Begrenzungsmodus und vorgegebenen vorläufigen Offset ausgeliefert werden, wobei die Ermittlung des Offsets und die Deaktivierung des Begrenzungsmodus nach wenigen hundert Metern oder Kilometern Fahrstrecke abgeschlossen ist.
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Es ist ferner möglich, dass die Ermittlung des Offsets nach einer Deaktivierung des Begrenzungsmodus erneut zur Überprüfung einer Einbaulage des Rotorlagegebers wiederholt wird. So kann über die Lebensdauer des Fahrzeugs überprüft werden, ob der bis dahin verwendete Offset weiterhin zutreffend ist. Die Wiederholung kann, insbesondere zyklisch, nach einer vorgegebenen Zahl von Betriebsstunden oder nach einer vorgegebenen gefahrenen Strecke durchgeführt werden. Ferner ist es denkbar, dass die Wiederholung nach einer Wartung oder Reparatur des Fahrzeugs erfolgt, da es im Rahmen eines solchen Eingriffs in das Fahrzeug zu einer Dejustierung des Rotorlagegebers kommen kann.
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Es ist ferner zweckmäßig, wenn während des Vorliegens des Begrenzungsmodus Betriebsparameter des Fahrzeugs auf eine Eignung zur Ermittlung des ersten Werts und/oder des zweiten Werts überwacht werden und bei Feststellung dieser Eignung die Ermittlung des ersten Werts und/oder des zweiten Werts erfolgt. Der erste Wert kann beispielsweise ermittelt werden, wenn das Fahrzeug, insbesondere über eine vorgegebene Dauer, mit der vorgegebenen Drehzahl betrieben wird.
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Daneben betrifft die Erfindung eine Steuerungseinrichtung für einen Stromrichter, welche zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
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Schließlich betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine für ein Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, umfassend einen Stator mit Statorwicklungen, einen Rotor, einen daran angeordneten Rotorlagegeber und einen Stromrichter, welcher zur Versorgung der Statorwicklungen eingerichtet ist und eine zur Ansteuerung einer Leistungseinheit des Stromrichters eingerichtete erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung aufweist.
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Sämtliche Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung und die erfindungsgemäße elektrische Maschine übertragen, sodass die vorgenannten Vorteile auch mit diesen erzielt werden können.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä-ßen Steuerungseinrichtung; und
- 2 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 ist eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels einer elektrischen Maschine 1, umfassend einen Stator 2 mit Statorwicklungen 3, einen Rotor 4, einen am Rotor angeordneten Rotorlagegeber 5 und einen Stromrichter 6, welcher zur Versorgung der Statorwicklungen 3 mit einer mehrphasigen Wechselspannung eingerichtet ist. Der Rotor ist weist mehrere Permanentmagnete 4a auf oder ist fremderregt. Daneben weist die elektrische Maschine 1 eine Strommesseinrichtung 7 auf, welche Phasenströme in den Statorwicklungen 3 erfasst. Die elektrische Maschine 1 dient als Antriebsmaschine eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs mit einer Hochvoltbatterie 8, die den Stromrichter 6 eingangsseitig speist.
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Der Stromrichter 6 umfasst eingangsseitig einen Zwischenkreiskondensator 9 und eine Leistungseinheit 10 mit mehreren zu Halbbrücken verschalteten Schaltelementen 11, wobei eine jeweilige Halbbrücke eine Phase des Stators 2 speist. Ferner weist der Stromrichter 6 eine Steuerungseinrichtung 12 auf, welche die Schaltelemente 11 derart ansteuert, dass durch die Steuerungseinrichtung 12 ermittelte Phasenströme in die Statorwicklungen 3 eingeprägt werden. Zur Regelung des Betriebs der elektrischen Maschine 1, insbesondere der Phasenströme, erhält die Steuerungseinrichtung 12 eine die Phasenströme beschreibende Strom information von der Strommesseinrichtung 7 und durch den Rotorlagegeber 5 bereitgestellte Rotorlageinformationen.
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Da der Rotorlagegeber 5 im Rahmen der Fertigung der elektrischen Maschine 1 mechanisch mit dem Rotor 4 gekoppelt wird, kann der Rotorlagegeber 5 einen Einbauversatz aufweisen, so dass die durch die Rotorlageinformationen beschriebene Rotorlage einen Offset 13 gegenüber der tatsächlichen Rotorlage aufweist. Der Offset 13 besteht mithin zwischen einer magnetischen d-Achse 14 des Rotors 4 und einer Nullachse 15 des Rotorlagegebers 5. Um dessen Rotorlageinformation dennoch für die Regelung durch die Steuerungseinrichtung 12 verwenden zu können, wird ein Korrekturwert für den Offset 13 in der Steuerungseinrichtung 12 gespeichert und zur Korrektur der Rotorlageinformationen im weiteren Betrieb des Stromrichters 6 verwendet.
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Die Steuerungseinrichtung 12 ist ferner zur Durchführung eines Verfahrens zum Ermitteln eines Offsets des Rotorlagegebers 5 eingerichtet. Ein Ausführungsbeispiel dieses Verfahrens wird anhand des in 2 gezeigten Flussdiagramms im Folgenden erläutert:
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In einem Startzustand S1 des Verfahrens ist der letzte Fertigungsschritt des Fahrzeugs abgeschlossen, es befindet sich mithin beispielsweise unmittelbar am Bandende einer automotiven Fertigungsstrecke. In diesem Zustand ist der Einbauversatz nicht genau bekannt. Die Steuerungseinrichtung 12 verwendet in diesem initialen Zustand einen vorläufigen Wert des Offsets und ist in einen Begrenzungsmodus geschaltet, in welchem ein Drehmoment und eine Stromamplitude der Phasenströme der elektrischen Maschine 1 begrenzt sind.
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In einem folgenden Schritt S2 wird das Fahrzeug im Rahmen der Restriktionen des Begrenzungsmodus betrieben, es fährt also angetrieben durch die elektrische Maschine 1. Die Steuerungseinrichtung überwacht die Einhaltung des Begrenzungsmodus dabei mit hoher Integrität im Sinne eines Automotive Safety Integrity Levels (ASIL).
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In einem anschließenden Schritt S3 wird die Drehzahl der elektrischen Maschine 1 ermittelt. Dann wird in einem Schritt S4 überprüft, ob die Drehzahl der elektrischen Maschine 1 in einem Bereich um eine vorgegebene Drehzahl liegt. Ist dies nicht der Fall wird der Schritt S3 bis zum Erreichen des Bereichs wiederholt. Liegt die ermittelte Drehzahl hingegen in diesem Bereich, wird das Verfahren mit einem Schritt S5 fortgesetzt.
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Im Schritt S5 wird ein erster Wert der Rotorlage anhand einer durch den Rotor 4 in die Statorwicklungen 3 induzierten elektromotorischen Kraft (EMK) ermittelt. Dazu regelt die Steuerungseinrichtung 12 d- und q-Komponenten des Stroms in die Statorwicklungen 3 zu null. Aus der Spannungsdifferentialgleichung der elektrischen Maschine 1 kann so bei bekannten Maschinenparametern und durch die Steuerungseinrichtung 12 ermittelten Spannungs-Sollwerten des Stromrichters 6 die EMK ohne Messung der Spannungen ermittelt werden. Aus der EMK wird der erste Wert der Rotorlage abgeleitet. Details dazu können beispielsweise der Dissertation von Wiedmann, Karsten „Positionsgeberloser Betrieb von permanentmagneterregten Synchronmaschinen“, Hannover 2012, Seiten 55-57, entnommen werden. Dabei erfolgt die Ermittlung des erstens Werts ohne ein ASIL, also nur mit einem Qualitätsmanagement (QM) Niveau.
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In einem folgenden Schritt S6 wird ein zweiter Wert der Rotorlage anhand einer rotorlageabhängigen magnetischen Anisotropie der elektrischen Maschine ermittelt. Dies erfolgt mittels HF-Injektion. Dazu steuert die Steuerungseinrichtung 12 die Leistungseinheit 10 so an, dass ein hochfrequenter Strom, beispielsweise mit einer Frequenz von 10 kHz, in die Statorwicklungen 3 eingeprägt wird. Dieser Strom bewirkt im Wesentlichen einen Spannungsabfall über Induktivitäten der elektrischen Maschine, aus welchem ebenfalls ohne Spannungsmessung anhand der Sollspannungen der zweite Wert der Rotorlage ermittelt wird. Dabei ist zu beachten, dass der ermittelte zweite Wert bezüglich einem elektrischen Winkel von 180° mehrdeutig ist. Als Alternative zur HF-Injektion kann die INFORM-Methode verwendet werden. Details zu beiden Methoden können beispielsweise der zuvor genannten Dissertation, Seiten 97-107, entnommen werden.
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In einem anschließenden Schritt S7 wird der erste Wert anhand des zweiten Werts plausibilisiert oder umgekehrt. Dadurch kann auch die zuvor erwähnte Mehrdeutigkeit des zweiten Werts aufgelöst werden, da der erste Wert keine derartige Mehrdeutigkeit aufweist. Dabei wird der zu plausibilisierende Wert als plausibel angenommen, wenn er innerhalb eines vorgegebenen Intervalls um den plausibilisierenden Wert liegt. Im Rahmen der Plausibilisierung wirken sich Skalierungsfehler und additive Fehler der Sollspannungen und der Strominformation nicht auf den Offset des Rotorlagegebers 5 aus. Die Plausibilisierung ist ferner dazu geeignet, Zeitverzögerungen, wie sie durch einen PT1-Filter modellierbar sind, aufzudecken.
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Es wird anschließend überprüft, ob die Plausibilisierung erfolgreich war. Ist dies nicht der Fall, werden der erste Wert und der zweite Wert verworfen und durch einen Rücksprung zum Schritt S5 oder S3 erneut ermittelt. Bei einer positiven Plausibilisierung wird das Verfahren in einem Schritt S8 fortgesetzt. Durch die Plausibilisierung wird eine Dekomposition realisiert, die den plausibilisierten Wert auf ein ASIL, beispielsweise ASIL C, hebt, wohingegen der erste Wert und der zweite Wert für sich nur mit QM-Niveau vorliegen.
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Im Schritt S8 wird der plausibilisierte Werte mit einem zeitgleich ermittelten, durch den Rotorlagegeber 5 bereitgestellten dritten Wert der Rotorlage verglichen, um den Offset zu ermitteln. Der so ermittelte Offset wird gespeichert und ein Zählwert um eins inkrementiert.
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In einem anschließenden Schritt S9 wird überprüft, ob der Zählwert einen vorgegebenen Schwellwert erreicht hat. Ist dies nicht der Fall werden bis zum Erreichen des Schwellwerts weitere Werte des Offsets ermittelt, indem das Verfahren zum Schritt S3 oder S5 zurückspringt. Ist eine ausreichende Zahl von Werten des Offsets ermittelt worden, wird das Verfahren im Schritt S10 fortgesetzt.
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Im Schritt S10 wird ein Mittelwert der ermittelten Werte des Offsets gebildet und in der Steuereinrichtung 12 als Korrekturwert für die Rotorlageinformation gespeichert.
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In einem folgenden Schritt S11 wird der Begrenzungsmodus deaktiviert und das Fahrzeug wird normal betrieben. Im Rahmen der Regelung durch die Steuereinrichtung 12 werden momentane, durch die Rotorlageinformation beschriebene Werte der Rotorlage durch den Korrekturwert korrigiert.
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In einem folgenden Schritt S12 wird zyklisch überprüft, ob ein vorgegebenes Widerholungskriterium erfüllt ist. Das Wiederholungskriterium umfasst die alternativen Bedingungen, dass eine vorgegebene Fahrtstrecke durch das Fahrzeug zurückgelegt wurde, dass eine vorgegebene Betriebsdauer erreicht wurde, oder dass eine Wartung oder Reparatur des Fahrzeugs stattgefunden hat. Ist das Wiederholungskriterium erfüllt, erfolgt ein Rücksprung in den Schritt S3 oder S5 und es wird ein aktueller Offset ermittelt.
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Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel des zuvor beschriebenen Verfahren werden die Schritte S5 und S6 in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird statt den Schritten S5 und S6 ein Schritt S5' durchgeführt, in dem der erste Wert und der zweite Wert gleichzeitig ermittelt werden. Der hochfrequente Strom wird dazu während der EMK-basierten Ermittlung des ersten Werts überlagert eingespeist. Die Sollspannungen werden zur Ermittlung des ersten Werts mittels eines Tiefpasses gefiltert und zur Ermittlung des zweiten Werts mittels eines Hochpasses gefiltert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011090127 A1 [0003]
