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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands einer elektrischen Maschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Um Netze bzw. Laststromkreise zu versorgen, können verschiedene Arten von Stromerzeugern verwendet werden. Beispielsweise kann mittels Drehstromgeneratoren ein mehrphasiger Strom erzeugt werden. Zur Speisung von Gleichstromnetzen aus derartigen Drehstromgeneratoren können als Gleichrichter betriebene Umrichter eingesetzt werden, um einen von der Drehstromquelle erzeugten mehrphasigen Strom in Gleichstrom zu wandeln. Die Gleichrichtung kann mittels passiver (Dioden) oder aktiver (Halbleiterschalter) Gleichrichterelemente erfolgen. Bei einem aktiven Gleichrichter ist neben dem Feldregler auch eine entsprechende Ansteuerschaltung Teil des Generatorreglers. Oftmals können Drehstromgeneratoren als elektrische Maschinen realisiert sein, welche generatorisch betrieben werden können, um elektrische Energie zu erzeugen, oder motorisch, um elektrische Energie in mechanische zu wandeln.
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Beispielsweise können derartige Stromerzeuger in Kraftfahrzeugen zur Versorgung eines Kraftfahrzeugbordnetzes verwendet werden. Eine entsprechende elektrische Maschine kann beispielsweise generatorisch betrieben werden, um das Kraftfahrzeugbordnetz zu versorgen oder eine Kraftfahrzeugbatterie zu laden. Zu diesem Zweck kann die elektrische Maschine über sog. Endstufen bzw. Endstufenschaltung mit dem Bordnetz verbunden oder von diesem getrennt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands in einem Erregerkreis vorzugsweise eines Rotors einer elektrischen Maschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die elektrische Maschine kann insbesondere als ein Generator ausgebildet sein, z.B. als Klauenpool- oder Schenkelpoolgenerator. Ferner kann die elektrische Maschine auch als motorisch und/oder generatorisch betreibbare elektrische Maschine mit den zuvor genannten Geometrien ausgebildet sein. Die elektrische Maschine weist insbesondere einen Rotor und einen Stator auf sowie eine mit dem Stator verbundene Gleichrichterschaltung zum Gleichrichten einer an dem Stator anliegenden Wechselspannung. Die Gleichrichterschaltung kann insbesondere Brückenschaltungen aus passiven Schaltelementen, insbesondere Dioden, oder auch aktive Schaltelemente, insbesondere Halbleiterschalter wie Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET), aufweisen.
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Durch die Erfindung wird eine Möglichkeit bereitgestellt, auf einfache Weise einen Fehlerzustand im Erregerkreis des Rotors zu erkennen. Auch eine Klassifikation nach Umfang und Fortschritt des zuvor genannten Fehlers ist gegeben.
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Zur Erreichung einer Generatorspannung wird die elektrische Maschine durch eine Recheneinheit mittels eines Ansteuersignals getaktet angesteuert.
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Im Rahmen des Verfahrens zur Erkennung eines Fehlerzustands in einem Erregerkreis des Rotors, insbesondere einer graduellen Widerstandszunahme oder Unterbrechung im Erregerkreis, wird ein zeitlicher Verlauf eines Erregerstroms der elektrischen Maschine erfasst und im Anschluss mit einem ersten Referenzwert verglichen. Zudem wird ein zeitlicher Verlauf des Ansteuersignals der elektrischen Maschine erfasst und mit einem weiteren Referenzwert verglichen. Wird nun eine festgelegte Abweichung des Erregerstroms vom ersten Referenzwert und eine festgelegte Abweichung des Ansteuersignals vom weiteren Referenzwert erkannt, kann sicher auf einen Fehler im Erregerkreis geschlossen werden. Dieses Vorgehen ist besonders einfach und auch bezüglich einer Fehlererkennung entsprechend robust und kann während des Betriebs der elektrischen Maschine entweder zeitweilig innerhalb bestimmter Detektionszeitfenster oder auch dauerhaft durchgeführt werden, ohne dass hierbei der Betrieb der elektrischen Maschine beeinträchtigt wird. Zudem ist besonders vorteilhaft, dass die genannten Größen, die zur Ermittlung eines Fehlerzustands in einem Erregerkreis des Rotors der elektrischen Maschine herangezogen werden, ohnehin bereits der Recheneinheit oder einem weiteren übergeordneten Steuergerät zur Verfügung stehen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird als Erregerstrom ein zeitlich gemittelter Erregerstrom und/oder als Referenzwert ein zeitlich gemittelter Erregerstrom und/oder als Ansteuersignal ein zeitlich gemitteltes Ansteuersignal und/oder als weiterer Referenzwert ein zeitlich gemittelter Referenzwert herangezogen.
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Durch eine zeitliche Mittelung der Eingangsgrößen im Verfahren zur Erkennung eines Fehlerzustands ist vorteilhaft, da hierdurch betriebsbedingte oder sonstige Störeinflüsse aus den Signalen herausgemittelt werden können, wodurch die Fehlererkennung mit noch größerer Sicherheit vorgenommen werden kann und dadurch robuster wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Erregerstrom und/oder das Ansteuersignal und/oder der erste Referenzwert und/oder der weitere Referenzwert derart ermittelt, dass deren zeitlichen Verläufe gefiltert werden, vorzugsweise mittels eines Hochpassfilters und/oder eines Tiefpassfilters, besonders bevorzugt mittels eines sogenannten „Moving-Average-Filters“ und/oder eines entsprechenden Bandpassfilters erfolgt. Eine Filterung der Eingangsgrößen bzw. der jeweiligen Referenzwerte im Verfahren zur Ermittlung eines Fehlerzustands ist vorteilhaft, da man sich hierdurch besonders einfach etwaiger Störeinflüsse wie z.B. Rauschen oder sonstiger, dem Messsignal überlagerter höher- oder niederfrequenter Signale, entledigen kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird dann auf einen Fehlerzustand im Erregerkreis geschlossen, wenn der Erregerstrom im Wesentlichen größer oder gleich dem ersten Referenzwert ist und das Ansteuersignal größer als der weitere Referenzwert ist. Gemäß eines ersten typischen Fehlerbilds des Erregerstroms, das in Bezug steht zu einer graduellen Widerstandszunahme oder einer Unterbrechung im Erregerkreis, entspricht der Erregerstrom in etwa dem Referenzwert des Erregerstroms, wobei das Ansteuersignal bzw. die Ansteuerrate der elektrischen Maschine im Fehlerfall deutlich größer ist als der Referenzwert im nichtdefekten Zustand. Anhand von einem derartigen charakteristischen Verhalten kann daher sicher auf einen Fehler im Erregerkreis, insbesondere eine Unterbrechung desselben, geschlossen werden.
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Vom Betrag der Abweichung des Ansteuersignals vom jeweiligen Referenzwert kann zudem auf einen Fortschritt des Fehlerzustands geschlossen werden, insbesondere dann, wenn die Unterbrechung im Erregerkreis keine vollständige Unterbrechung, sondern eine graduell zunehmende Unterbrechung in Form eines sich vergrößernden Widerstands im Erregerkreis darstellt. Vorzugsweise kann auch die aufgrund des Fehlers erforderliche Anpassung der Ansteuerrate und damit des Erregerstroms über die Zeit ermittelt und/oder bzgl. des Fehlerfortschritts ausgewertet werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird dann auf einen Fehlerzustand im Erregerkreis geschlossen, wenn der Erregerstrom ungleich dem ersten Referenzwert, vorzugsweise kleiner als der erste Referenzwert ist und das Ansteuersignal größer als der weitere Referenzwert ist, vorzugsweise einem Maximum der Ansteuerrate, vorzugsweise im Wesentlichen 100% der Ansteuerrate entspricht. Gemäß dem weiteren Fehlerbild, das mit einer graduellen Widerstandszunahme oder einer Unterbrechung im Erregerkreis einhergeht, ist eine deutliche Abweichung des Erregerstroms vom ersten Referenzwert zu beobachten. Insbesondere ist der Erregerstrom im Fehlerfall deutlich kleiner als der erste Referenzwert. Zudem ist die Ansteuerrate bzw. das Ansteuersignal der elektrischen Maschine deutlich größer als der Referenzwert, insbesondere nimmt ein Maximum in der Ansteuerrate, insbesondere 100% der Ansteuerrate an.
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Anhand von dieser Charakteristik kann daher mit einer sehr großen Sicherheit ein Fehlerzustand ermittelt werden. Zudem kann aus der betragsmäßigen Abweichung des Erregerstroms von der ersten Referenz und/oder der betragsmäßigen Abweichung des Ansteuersignals von der weiteren Referenz auf den Fortschritt der Schädigung im Erregerkreis geschlossen werden. Auch die Art und der Fortschritt dieser Schädigung, insbesondere ein gradueller Fortschritt der Schädigung oder eine sprunghafte Form des Fortschritts der Schädigung kann entsprechend in bzw. aus den Signalen Erregerstrom und Ansteuersignal abgeleitet werden. Auch eine Aufzeichnung und/oder Auswertung der zuvor genannten Abweichungen zum Zwecke der Ermittlung eines Fehlerfortschritts ist bevorzugt.
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Es versteht sich, dass die jeweiligen Referenzsignale im Fall einer fehlerfreien Maschine, insbesondere für jede elektrische Maschine charakteristisch für verschiedene Betriebssituationen ermittelt und in einem entsprechenden Steuergerät, insbesondere der vorliegenden Recheneinheit, hinterlegt werden. Bei einem Vergleich von dem Erregerstrom und/oder der Ansteuerrate mit dem jeweiligen Referenzwert, wird vorzugsweise der Referenzwert mit gleicher oder vergleichbarer Betriebssituation, insbesondere gegeben durch Drehzahl und Belastung der elektrischen Maschine, herangezogen.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs ist, insbesondere programmtechnisch dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere dann, wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin bereits vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EPROMs, DVDs usw. auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist grundsätzlich möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf diese Zeichnungen beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine mit einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen;
- 2 zeigt schematisch ein Spannungs-Zeit-Diagramm eines zeitlichen Verlaufs eines Stromwerts, welcher im Zuge einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden kann;
- 3 zeigt schematisch eine elektrische Maschine in einem Fehlerzustand;
- 4 a-d zeigen die Erkennung eines Fehlerzustands gemäß einer ersten Konfiguration aus ermitteltem Erregerstrom und Ansteuerrate der elektrischen Maschine (a,b) und die Erkennung eines weiteren Fehlerzustands gemäß einer weiteren Konfiguration aus ermitteltem Erregerstrom und Ansteuerrate der elektrischen Maschine (c,d); und
- 5 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Fehlererkennung.
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In 1 ist eine elektrische Maschine in Form eines Generators schematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet.
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Die elektrische Maschine 100 ist in diesem Beispiel als eine dreiphasige elektrische Maschine ausgeführt, wobei Ständerinduktivitäten (Phasen) eines Stators 110 zu einer Dreieckschaltung verbunden sind. Ein Rotor 120 weist eine Erregerwicklung 121 mit einer parallel geschalteten Diode auf. In einem Erregerstromkreis kann weiterhin ein Erregertransistor 122 vorgesehen sein. Durch Ein- und Ausschalten des Erregertransistors 122, üblicherweise mittels PWM-Betriebs, wird an die Erregerwicklung 121 eine Spannung (hier die gleichgerichtete Generatorspannung) intermittierend angelegt, worauf sich ein Erregerstrom einstellt. Durch Verändern der Tastrate (Duty-Cycle), auch Ansteuerrate genannt, des PWM-Betriebs sind insbesondere die Höhe des Erregerstroms und damit die Höhe der Generatorspannung veränderbar.
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Die elektrische Maschine 100 weist weiterhin eine mit dem Stator 110 verbundene Gleichrichterschaltung 130 mit drei Halbbrücken zum Gleichrichten einer an dem Stator 110 anliegenden dreiphasigen Wechselspannung auf. Jede Halbbrücke weist zwischen ihren zwei hier als Dioden ausgebildeten Gleichrichtelementen jeweils einen Mittelabgriff auf, über welchen die jeweilige Halbbrücke mit einem Phasenanschluss des Stators 110 verbunden ist.
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Zwischen zwei Gleichspannungsanschlüssen 140 der Gleichrichterschaltung 130 wird eine Gleichspannung UB+ als gleichgerichtete Generatorspannung bereitgestellt. Die elektrische Maschine 100 kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug zum Versorgen eines Kraftfahrzeugbordnetzes verwendet werden, welches mit den Gleichspannungsanschlüssen 140 verbunden ist.
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Eine Recheneinheit 150 ist zum Ansteuern der elektrischen Maschine 100 vorgesehen. Beispielsweise kann die Recheneinheit 150 als ein Steuergerät des entsprechenden Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Die Recheneinheit 150 ist dazu eingerichtet, eine Erkennung von Fehlerzuständen der elektrischen Maschine durchzuführen. Zu diesem Zweck ist die Recheneinheit 150, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
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In 2 ist in einem Spannungs-Zeit-Diagramm der zeitliche Verlauf 200 der Gleichspannung UB+ bei einem fehlerfreien Zustand der elektrischen Maschine 100 schematisch dargestellt.
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In 3 ist die in 1 bereits beschriebene elektrische Maschine, jedoch mit einer Unterbrechung F im Erregerkreis 121 dargestellt. Die Unterbrechung bzw. Fehler F ist der Gestalt, dass sich der ansonsten im Leiter übliche Widerstand R1 von in etwa 0 je nach Ausprägung der Unterbrechung R2 im Erregerkreis 121 vergrößert. In der Realität kommt es hierbei am Ende eines derartigen Prozesses zu einem Durchbrennen der Erregerspule, wodurch der Rotor 120 seine übliche Funktion verliert. Die entsprechenden Verläufe des Erregerstroms IErr im Erregerkreis 121 sowie die Ansteuersignale DFM der Recheneinheit 150 sind für zwei Fehlerzustände oder Fehlerbilder 100A (4 a, b) und 100B ( 4 c, d), die mit einem sich vergrößernden Widerstand R2 im Erregerkreis 121 einhergehen, in 4a bis d dargestellt.
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In 4a und b ist ein erstes typisches Verhalten 100A bei einer zunehmenden Unterbrechung, d.h. einem sich vergrößernden Widerstand im Erregerkreis 121, dargestellt. Hierbei entspricht der Erregerstrom IErr im Wesentlichen dem Referenzwert IErrRef des Erregerstroms, wobei der Referenzwert im Zustand eines intakten Stators 120 und gleichen oder vergleichbaren Betriebsbedingungen der elektrischen Maschine 100 ermittelt wurde. Dem gegenübergestellt ist in 4b das Ansteuersignal DFM im Fehlerzustand, das einem Referenzwert des Ansteuersignals DFMRef gegenübergestellt ist. Charakteristisch an diesem ersten Fehlerzustand 100A ist, dass der Erregerstrom IErr im Wesentlichen größer oder gleich dem ersten Referenzwert IErrRef ist, wohingegen das oszillierende Ansteuersignal DFM deutlich größer als der Referenzwert DFMRef des Ansteuersignals (vergl. 4b) ist. Aus diesem Charakteristikum lässt sich sicher und sehr robust auf das Vorliegen eines sich vergrößernden Widerstands R2 im Erregerkreis 121 schließen. Zur Sicherstellung einer entsprechend großen Robustheit der Fehlererkennung kann für die Abweichung vom gemessenen Ansteuersignal DFM zum Referenzwert DFMRef ein entsprechender Schwellwert angenommen werden, wobei bei Überschreitung dieses Schwellwerts einer Differenz zwischen dem Ansteuersignal und dementsprechenden Referenzwert auf einen Fehler erkannt wird. Je nach betragsmäßiger Abweichung des Ansteuersignals DFM vom Referenzwert DFMRef kann zudem auf ein Fortschreiten des Fehlers im Erregerkreis 121, insbesondere auf eine entsprechende Widerstandszunahme R2 im Erregerkreis 121 des Fehlers F geschlossen werden.
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In den 4c und d ist eine Fehlersituation 100B dargestellt, bei der sich der Erregerstrom IErr im Fehlerfall deutlich vom Erregerstrom IErrRef im Referenzfall unterscheidet. Vorliegend ist der Erregerstrom IErr deutlich kleiner als der Erregerstrom IErrRef im Referenzfall und somit im Fall, bei dem der Erregerkreis 121 noch intakt ist. Diese Situation geht einher mit einem charakteristischen Ansteuersignal DFM, das im Wesentlichen bei Maximalausschlag DFMMax liegt. Dieses Ansteuersignal kann auch etwas unter dem Maximalausschlag DFMMax sein, ist jedoch stets im Bereich des Maximalausschlags und größer als das Referenzsignal DFMREF .
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Grundsätzlich sind in den 4a bis d auch Mittelwerte des Erregerstroms IErrM bzw. der entsprechenden Referenz IErrRefM bzw. Mittelwerte der entsprechenden Ansteuersignale und deren Referenzen DFMM und DFMRefM angegeben. Diese sind die bevorzugten Bezugsgrößen bei einer Auswertung bzw. Ermittlung eines jeweiligen Fehlerzustandes 100 A, B bzw. dessen Fortschritts im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 5 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erkennung der in 4 gezeigten Fehlerzustände 100A, 100A gezeigt. Das Verfahren beginnt im Schritt 300 mit einem Start oder Initialisierungsschritt. Im Schritt 310 wird der Erregerstrom IErr ermittelt und gegebenenfalls in den Schritten 312 zeitlich gemittelt und/oder im Schritt 314 durch entsprechende Filter nachbearbeitet. Es versteht sich, dass die Schritte 312 und 314 optional sind. Hierzu parallel wird im Schritt 330 das Ansteuersignal DFM des Erregerkreises 121 ermittelt. Entsprechend zur zeitlichen Mittelung und Filterung beim Erregerstrom IERR kann auch das Ansteuersignal DFM in den Schritten 332 zeitlich gemittelt bzw. im Schritt 334 durch entsprechende Filter geglättet werden.
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Die optionale Mittelung bzw. Glättung in den Schritten 312, 314 bzw. 332 und 334 sind vorteilhaft, da hierdurch betriebsbedingte Schwankungen oder Störsignale im Erregerstrom IErr oder dem Ansteuersignal DFM beseitigt werden können, wodurch eine Fehlerermittlung der elektrischen Maschine 100 mit entsprechend größerer Sicherheit und Robustheit vorgenommen werden kann. Im Schritt 316 wird nun der Erregerstrom IErr mit einem Referenzwert verglichen. Entspricht nun der Erregerstrom IErr dem Referenzwert IErrRef , wird nun im Schritt 336 überprüft, ob das Ansteuersignal DFM vom entsprechenden Referenzwert DFMRef abweicht. Liegt keine Abweichung vor, d.h. entspricht das Ansteuersignal DFM im Wesentlichen dem Referenzsignal DFMRef ist der Erregerkreis in Ordnung. Liegt jedoch eine Abweichung des Ansteuersignals DFM vom Referenzsignal DFMRef vor, die optional oberhalb eines festgelegten Schwellwerts liegen kann, so wird auf einen Fehler des Erregerkreises in Form einer Unterbrechung des Erregerkreises 121 erkannt. Je nach Art und Umfang der Abweichung kann zudem auch auf einen jeweiligen Fortschritt des Fehlers erkannt werden.
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Wird nun im Schritt 316 erkannt, dass der Erregerstrom IErr ungleich, vorzugsweise kleiner als im ersten Rerenzwert IErrRef ist, wird im Schritt 318 geprüft, ob das Ansteuersignal DFM im Wesentlichen ein Maximum der Ansteuerrate DFMMax erreicht. Sind beide Bedingungen erfüllt, wird ebenfalls im Schritt 320 auf einen Fehler erkannt. Erreicht die Ansteuerrate im Wesentlichen das Maximum der Ansteuerrate DFMMax nicht, wird im Schritt 322 auf eine funktionstüchtige elektrische Maschine erkannt und das Verfahren im Schritt 322 auf eine funktionstüchtige elektrische Maschine 100 erkannt und das Verfahren im Schritt 324 sodann beendet. Auch im Schritt 336 wird bei Erkennen eines zum Referenzwert IErrRef gleichen Erregerstrom IErr in Schritt 316 auf eine funktionstüchtige elektrische Maschine erkannt, sofern im Schritt 336 das Ansteuersignal DFM im Wesentlichen gleich ist zum Referenzwert DFMRef (Schritt 322). Auch nach einer Feststellung einer funktionstüchtigen elektrischen Maschine über diesen Pfad, wird sodann im Schritt 324 das Verfahren beendet.
