DE102019217838A1

DE102019217838A1 - Method for detecting a speed value of an electrical machine

Info

Publication number: DE102019217838A1
Application number: DE102019217838.3A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Sofaly; Wolfgang Vitzthum; Dirk Schöneshöfer; Dominik Füssel
Original assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2019-11-19
Publication date: 2021-05-20

Abstract

Ein Verfahren zur Erfassung eines Drehzahlwerts einer elektrischen Maschine wird beschrieben, die sich in einem sicheren Zustand befindet. Die elektrische Maschine ist an einen Inverter angeschlossen. Eine Schalterspannung (S) wird an mindestens einem Schaltelement des Inverters erfasst. Eine Frequenz einer Wechselspannungskomponente der Schalterspannung (S) wird als der Drehzahlwert ermittelt.A method for detecting a speed value of an electrical machine is described, which is in a safe state. The electric machine is connected to an inverter. A switch voltage (S) is detected on at least one switching element of the inverter. A frequency of an AC component of the switch voltage (S) is found as the speed value.

Description

Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb weisen eine elektrische Maschine auf, die von einem Inverter gesteuert wird. Ergibt sich ein Fehlerzustand, so muss gewährleistet bleiben, dass zum einen die elektrische Maschine kein zu großes Bremsmoment beim Abschleppen oder Ausrollen erzeugt und zum anderen, dass der Inverter, durch die von der elektrischen Maschine erzeugte Spannung nicht geschädigt wird. Für den Normalbetrieb des elektrischen Antriebs werden üblicherweise Drehgeber verwendet, um die elektrische Maschine gemäß einer bestimmten Leistungsanforderung oder Drehzahlanforderung anzusteuern. Für einen Fehlerzustand muss jedoch die elektrische Maschine ebenso angesteuert werden, um jegliche Schädigungen am Inverter zu vermeiden und um gleichzeitig zu hohe Bremsmomente zu vermeiden. Hierzu kann beispielsweise in einem sicheren Zustand, der im Fehlerfall eingestellt wird, ein aktiver Kurzschluss vom Inverter erzeugt werden, oder alle Schalter des Inverters werden geöffnet, um auch im sicheren Zustand die elektrische Maschine in einem bestimmten, gesteuerten Zustand zu haben. Auch zur Steuerung dieses Zustands ist eine Drehzahlermittlung erforderlich. Jedoch sollte aus Sicherheitsgründen nicht auf die Signale zugegriffen werden, die vom Drehzahlgeber erzeugt werden, der im üblichen Betrieb ohne Fehler zur Steuerung verwendet wird. Ein zusätzlicher Drehzahlgeber für den sicheren Zustand würde jedoch Kosten verursachen.Electrically powered vehicles have an electric machine that is controlled by an inverter. If an error condition arises, it must be ensured that, on the one hand, the electrical machine does not generate an excessive braking torque when towing or coasting and, on the other hand, that the inverter is not damaged by the voltage generated by the electrical machine. Rotary encoders are usually used for normal operation of the electric drive in order to control the electric machine in accordance with a specific power requirement or speed requirement. In the event of a fault condition, however, the electrical machine must also be activated in order to avoid any damage to the inverter and at the same time to avoid excessive braking torques. For this purpose, for example, in a safe state, which is set in the event of a fault, an active short circuit can be generated by the inverter, or all switches of the inverter are opened in order to have the electrical machine in a certain controlled state even in the safe state. A speed determination is also required to control this state. However, for safety reasons, the signals generated by the speed sensor, which is used for control in normal operation without errors, should not be accessed. An additional speed sensor for the safe state would, however, incur costs.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit vorzusehen, mit der sich auch im Fehlerfall die elektrische Maschine drehzahlabhängig steuern lässt, wobei die Realisierung unter Kostengesichtspunkten durchgeführt werden sollte.It is therefore an object of the invention to provide a possibility with which the electrical machine can also be controlled as a function of the speed in the event of a fault, the implementation should be carried out from a cost perspective.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1. Weitere Eigenschaften, Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile ergeben sich mit den Unteransprüchen sowie mit der Beschreibung und den Figuren.This object is achieved by the method according to claim 1. Further properties, features, embodiments and advantages emerge from the subclaims as well as from the description and the figures.

Es wird vorgeschlagen, aus der Spannung, die an einem Schalter des Inverters abfällt, auch im sicheren Zustand (d. h., wenn ein Fehlerzustand vorliegt) einen Anhaltspunkt bzw. einen Wert für die Drehzahl zu erlangen. Hierbei wird aus der Schalterspannung eine Wechselspannungskomponente erfasst, deren Frequenz den Drehzahlwert wiedergibt. Da die Spannung über dem Schalter sich u. a. durch die Bewegung der elektrischen Maschine ergibt, kann diese Spannung verwendet werden, um Rückschlüsse auf die Drehzahl (d. h. einer Größe der Bewegung) zu erlangen. Ist der entsprechende Schalter geschlossen, so ergibt sich die dort anliegende Spannung durch den Strom, der durch den geschlossenen Schalter fließt. Der Strom wiederum entspricht der Induktionswirkung der elektrischen Maschine und gibt somit u. a. die Drehzahl wieder. Ist der Schalter geöffnet, so hängt die dort vorliegende Spannung u. a. von der induzierten Spannung ab, d. h. von der Spannung, die von der elektrischen Maschine induziert wird. Diese wiederum ist direkt abhängig von der Bewegung der elektrischen Maschine, so dass sich aus der Spannung am offenen Schalter auch die Bewegung und somit die Drehzahl ableiten lässt. Hierzu dient in beiden Fällen die Wechselkomponente bzw. deren Frequenz als Anhaltspunkt für die Drehzahl damit jede Bewegung des Rotors gegenüber dem Stator eine Halbwelle erzeugt wird. Diese kann verwendet werden, um anhand der Frequenz, d. h. an der zeitlichen Häufigkeit dieser Halbwellen die Drehgeschwindigkeit zu erfassen.It is proposed to obtain a reference point or a value for the rotational speed from the voltage which is dropped across a switch of the inverter, even in the safe state (i.e. when a fault state is present). Here, an alternating voltage component is recorded from the switch voltage, the frequency of which reflects the speed value. Since the voltage across the switch varies among other things. results from the movement of the electrical machine, this voltage can be used to draw conclusions about the rotational speed (i.e. a magnitude of the movement). If the corresponding switch is closed, the voltage applied there results from the current flowing through the closed switch. The current in turn corresponds to the induction effect of the electrical machine and thus gives, among other things. the speed again. If the switch is open, the voltage present there depends, among other things. on the induced voltage, d. H. on the voltage induced by the electrical machine. This in turn is directly dependent on the movement of the electrical machine, so that the movement and thus the speed can also be derived from the voltage at the open switch. In both cases, the alternating component or its frequency serves as a reference point for the speed so that every movement of the rotor with respect to the stator is generated a half-wave. This can be used to determine based on frequency, i. H. to detect the rotational speed from the frequency of these half-waves.

Es wird daher ein Verfahren zur Erfassung eines Drehzahlwerts einer elektrischen Maschine beschrieben. Die elektrische Maschine ist insbesondere eine elektrische Maschine mit einem Permanentmagneten, d. h. eine permanenterregte Maschine (insbesondere Synchronmaschine). Das Verfahren zur Erfassung des Drehzahlwerts bezieht sich auf einen sicheren Zustand der elektrischen Maschine. Dieser wird eingenommen, wenn ein Fehler auftritt, beispielsweise wenn von einer übergeordneten Steuerung ein Fehlersignal abgegeben wird. In diesem Zustand ist die elektrische Maschine nicht angetrieben. Jedoch ist die elektrische Maschine mit dem Inverter verbunden und gibt daher einen Strom bzw. eine Spannung an den Inverter ab, da durch Rekuperation die Bewegung des Fahrzeugs bzw. der elektrischen Maschine umgewandelt wird in elektrische Energie. Die elektrische Maschine ist vorzugsweise Teil eines Traktionsantriebs eines Fahrzeugs oder kann als Traktionsantrieb realisiert sein.A method for detecting a speed value of an electrical machine is therefore described. The electrical machine is in particular an electrical machine with a permanent magnet, i. H. a permanently excited machine (especially a synchronous machine). The method for acquiring the speed value relates to a safe state of the electrical machine. This is taken when an error occurs, for example when an error signal is emitted by a higher-level controller. In this state, the electric machine is not driven. However, the electrical machine is connected to the inverter and therefore emits a current or a voltage to the inverter, since the movement of the vehicle or the electrical machine is converted into electrical energy through recuperation. The electrical machine is preferably part of a traction drive of a vehicle or can be implemented as a traction drive.

Es ist vorgesehen, dass eine Schalterspannung an mindestens einem Schaltelement des Inverters erfasst wird. Ein Inverter weist üblicherweise eine Mehrpulsbrückenschaltung auf, beispielsweise eine B6C-Schaltung, die eingerichtet ist, einen Drehstrom für die elektrische Maschine zu erzeugen. Der Inverter umfasst eine Vielzahl von Halbbrücken. Jede Halbbrücke umfasst zwei Schaltelemente, die in Reihe geschaltet sind, wobei der sich ergebende Verknüpfungspunkt mit einer Wicklungsklemme der elektrischen Maschine verbunden ist. Diese Reihenschaltung ist an die beiden Gleichspannungs-Versorgungspotentiale (plus und minus) angeschlossen. Die mit dem negativen Potential verbundenen Schaltelemente der Halbbrücken sind die Low-Side-Schaltelemente und die mit dem positiven Potential verbundenen Schaltelemente der Halbbrücken sind die High-Side-Schaltelemente. Vorzugsweise wird die Schalterspannung an einem Low-Side-Schaltelement erfasst. Die Schaltelemente sind vorzugsweise Transistoren, insbesondere MOSFETs oder IGBTs.It is provided that a switch voltage is detected on at least one switching element of the inverter. An inverter usually has a multi-pulse bridge circuit, for example a B6C circuit, which is set up to generate three-phase current for the electrical machine. The inverter comprises a large number of half bridges. Each half bridge comprises two switching elements that are connected in series, the resulting connection point being connected to a winding terminal of the electrical machine. This series circuit is connected to the two DC voltage supply potentials (plus and minus). The switching elements of the half-bridges connected to the negative potential are the low-side switching elements and the switching elements of the half-bridges connected to the positive potential are the high-side switching elements. The switch voltage is preferably detected on a low-side switching element. The switching elements are preferably transistors, in particular MOSFETs or IGBTs.

Die an dem betreffenden Schaltelement erfasste Schalterspannung weist eine Wechselspannungskomponente auf. Deren Frequenz entspricht dem Drehzahlwert. Die Frequenz kann auch ein geradzahlig Vielfaches des Drehzahlwerts sein, insbesondere bei elektrischen Maschinen mit einer hohen Polzahl. Umfasst der Inverter mehrere Schaltelemente, so wird vorzugsweise eine Schalterspannung an einem Schaltelement erfasst, vorzugsweise einem Low-Side-Schaltelement. Insbesondere wird die Wechselspannungskomponente bzw. die Frequenz dieser Wechselspannungskomponente innerhalb der Schalterspannung erfasst. Abhängig von der Ausgestaltung der elektrischen Maschine kann vorgesehen sein, dass die Frequenz mittels eines festen Faktors in den Drehzahlwert umgerechnet wird, d. h. durch Multiplikation mit einem konstanten Faktor, umso etwa der Polzahl der elektrischen Maschine Rechnung zu tragen.The switch voltage detected at the relevant switching element has an alternating voltage component. Their frequency corresponds to the speed value. The frequency can also be an even multiple of the speed value, in particular in the case of electrical machines with a high number of poles. If the inverter comprises a plurality of switching elements, a switch voltage is preferably detected on a switching element, preferably a low-side switching element. In particular, the AC voltage component or the frequency of this AC voltage component is detected within the switch voltage. Depending on the design of the electrical machine, it can be provided that the frequency is converted into the speed value by means of a fixed factor, ie by multiplication with a constant factor, in order to take into account the number of poles of the electrical machine.

Die Wechselspannungskomponente kann aus der Schalterspannung durch einen Hochpass ermittelt werden. Die Frequenz der Wechselspannungskomponente kann beispielsweise durch Erfassen von Flanken der Wechselspannungskomponente erfasst werden. Hierbei werden die Flanken erfasst, gezählt, und das Ergebnis in Form der Anzahl der Flanken bezogen auf diejenige Zeitspanne ausgegeben, innerhalb der die Flanken auftraten. Die Frequenz kann erfasst werden aus der Schalterspannung direkt, d. h. es ist nicht notwendig, dass die Wechselspannungskomponente aus der Schalterspannung extrahiert wird. Hierbei wird die Schalterspannung verwendet, es werden die darin befindlichen Flanken ermittelt, und es wird die Anzahl der Flanken auf die Zeiteinheit bezogen, in der diese Flanken auftraten. Dadurch ergibt sich der Drehzahlwert bzw. die Frequenz der Wechselspannungskomponente, auch wenn diese nicht von der restlichen Spannung der Schalterspannung extrahiert wird.The AC voltage component can be determined from the switch voltage using a high pass. The frequency of the alternating voltage component can be detected, for example, by detecting edges of the alternating voltage component. The edges are recorded, counted and the result is output in the form of the number of edges related to the time span within which the edges occurred. The frequency can be detected from the switch voltage directly, i.e. H. it is not necessary that the AC component is extracted from the switch voltage. The switch voltage is used here, the edges contained therein are determined, and the number of edges is related to the time unit in which these edges occurred. This results in the speed value or the frequency of the AC voltage component, even if this is not extracted from the remaining voltage of the switch voltage.

Die Schalterspannung kann erfasst werden durch Erfassen eines Signals, dass eine Spannung wiedergibt, die an einem Schaltelement abfällt. Hierbei gibt das Signal, welches erfasst wird, eine Spannung wieder, die an den Treiber des Inverters übermittelt wird. Insbesondere wird die Schalterspannung erfasst durch Erfassen des Signals, dass die Spannung wiedergibt, wobei dieses Signal ebenso an einen Treiber des Inverters übermittelt wird. Dadurch kann durch Weiterleiten des Signals, dass an den Treiber gegeben wird, die Erfassung der Schalterspannung durchgeführt werden. Es wird insbesondere dasselbe Signal, welches auf den Treiber rückgeführt wird, auch zum Erfassen der Frequenz verwendet. Hierbei wird insbesondere eine Leitung, die das Signal führt, und die zu dem Treiber führt, verwendet, um hieraus das Signal zu erfassen bzw. die an dem Schaltelement abfallende Spannung. Für den Normalbetrieb ist es üblich, dass die an dem Schaltelement abfallende Spannung, d. h. die Kollektor-Emitter-Spannung, den Treiber im Rahmen einer Regelung zurückgeführt wird. Genau dieses Signal bzw. diese Signalleitung wird im vorliegenden Verfahren auch verwendet, d. h. auch im sicheren Zustand (und somit nicht im Normalbetrieb), um im sicheren Zustand hieraus wie hierin beschrieben die Frequenz zu erfassen. Dadurch kann durch einfaches Kopieren des Signals bzw. Weiterleiten des ohnehin vorhandenen Signals die Drehzahl der elektrischen Maschine erfasst werden. Es ist daher kein zusätzlicher Sensor zur Drehzahlerfassung für den sicheren Zustand notwendig.The switch voltage can be detected by detecting a signal that represents a voltage that is dropped across a switching element. Here, the signal that is recorded reflects a voltage that is transmitted to the driver of the inverter. In particular, the switch voltage is detected by detecting the signal that reproduces the voltage, this signal also being transmitted to a driver of the inverter. As a result, the switch voltage can be detected by forwarding the signal that is given to the driver. In particular, the same signal that is fed back to the driver is also used to detect the frequency. In particular, a line which carries the signal and which leads to the driver is used in order to detect the signal therefrom or the voltage dropping across the switching element. For normal operation it is customary that the voltage drop across the switching element, i. H. the collector-emitter voltage, which is fed back to the driver as part of a regulation. Exactly this signal or this signal line is also used in the present method, i. H. also in the safe state (and thus not in normal operation), in order to record the frequency from this in the safe state as described here. As a result, the speed of the electrical machine can be detected by simply copying the signal or forwarding the signal that is already present. There is therefore no need for an additional sensor to record the speed for the safe state.

Vorzugsweise wird die Schalterspannung an einem Low-Side-Schaltelement des Inverters erfasst. Dieses Schaltelement ist direkt an das negative Versorgungspotential des Inverters angeschlossen und hat somit dasselbe Bezugspotential wie Steuerungsbauelemente. Dadurch ist eine Umwandlung des Signals in ein potentialfreies Signal nicht notwendig.The switch voltage is preferably detected at a low-side switching element of the inverter. This switching element is connected directly to the negative supply potential of the inverter and thus has the same reference potential as control components. This means that it is not necessary to convert the signal into a potential-free signal.

In dem sicheren Zustand sind die Schaltelemente des Inverters offen (auch als 6SO-Zustand bezeichnet), oder die Schalter bilden einen aktiven Kurzschluss. Hierbei sind im aktiven Kurzschluss die Low-Side-Schaltelemente geschlossen und die High-Side-Elemente sind geöffnet, oder die High-Side-Schaltelemente sind geschlossen und die Low-Side-Schaltelemente sind geöffnet. Hierbei kann auf die geöffneten Schaltelemente verzichtet werden, und diese können auch geschlossen werden, sofern der Inverter durch einen Versorgungsspannungsschalter von einer Spannungsquelle, etwa einem Akkumulator, getrennt ist. Im aktiven Kurzschluss sind üblicherweise nur die Low-Side-Schaltelemente geschlossen, so dass durch diese Schaltelemente die Wicklungsklemmen der elektrischen Maschine miteinander verbunden sind. Dadurch wird der in den Wicklungen erzeugte Strom über die geschlossenen Schaltelemente kurzgeschlossen. Sowohl das Öffnen aller Schaltelemente als auch der aktive Kurzschluss erfordert eine aktive Steuerung der Schaltelemente des Inverters. Vorzugsweise ist diese abhängig von dem ermittelten Drehzahlwert. Die beiden Mechanismen, nämlich „alle Schaltelemente offen“ und „aktiver Kurzschluss“ werden anhand des Drehzahlwerts eingestellt. Bei ersten Drehzahlwerten werden die Schaltelemente geöffnet und bei zweiten Drehzahlwerten wird ein aktiver Kurzschluss eingestellt (sofern ein sicherer Zustand vorgesehen ist). Wird bei zu geringen Drehzahlwerten der aktive Kurzschluss eingestellt, dann kann dies, abhängig vom Maschinentyp, zu unerwünscht hohen Bremsmomenten durch die elektrische Maschine führen. Dadurch wird vorzugsweise bei Drehzahlwerten oberhalb eines Grenzwerts ein aktiver Kurzschluss durchgeführt, unterhalb jedoch nicht, sondern es werden die Schalter geöffnet.In the safe state, the switching elements of the inverter are open (also referred to as the 6SO state), or the switches form an active short circuit. Here, in the active short circuit, the low-side switching elements are closed and the high-side elements are open, or the high-side switching elements are closed and the low-side switching elements are open. In this case, the open switching elements can be dispensed with and these can also be closed if the inverter is separated from a voltage source, for example an accumulator, by a supply voltage switch. In the active short circuit, only the low-side switching elements are usually closed, so that the winding terminals of the electrical machine are connected to one another by these switching elements. As a result, the current generated in the windings is short-circuited via the closed switching elements. Both the opening of all switching elements and the active short circuit require active control of the switching elements of the inverter. This is preferably dependent on the determined speed value. The two mechanisms, namely "all switching elements open" and "active short circuit" are set based on the speed value. The switching elements are opened at the first speed values and an active short circuit is set at second speed values (provided a safe state is provided). If the active short-circuit is set when the speed values are too low, this can, depending on the machine type, lead to undesirably high braking torques from the electrical machine. As a result, an active short-circuit is preferably carried out at speed values above a limit value, but not below, but the switches are opened.

Falls alle Schaltelemente geöffnet sind im sicheren Zustand, dann kann es abhängig von den Treibern möglich sein, dass die Treiber selbst mit einer Stromquelle oder einer Spannungsquelle geringer Leistung an dem offenen Schalter einen vorgegebenen Zustand einstellen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Treiber eine Spannungsquelle oder eine Stromquelle aufweisen, die mit relativ geringen Stromfluss eine bestimmte Spannung an dem offenen Schalter per Regelung einstellen, um die Spannung am offenen Schalter zu definieren. Dies ist insbesondere vorgesehen, an einem stromlosen Phasenanschluss, dessen zugeordnete Halbbrücke zwei offene Schalter aufweist, das Potential des Phasenanschlusses festzulegen. Wenn das Potential am Phasenanschluss in diesem Fall nicht festgelegt wäre, dann ergibt sich ein floatendes (nicht definiertes) Phasenpotential, das zu Fehlinterpretationen bei der Erkennung der Schalterstellungen führen würde. Beispielsweise können die Treiber ausgestaltet sein, eine konstante Spannung (bei geringen Stromfluss) an den offenen Schaltern einzustellen, etwa anhand einer Konstantspannungsquelle. In diesem Fall erzeugt die elektrische Maschine aufgrund ihrer Bewegung lediglich eine Spannung, jedoch reicht der aufgrund der offenen Schalter geringe Stromfluss nicht aus, um den Mechanismus der Treiber zu dominieren, die an dem offenen Schalter eine konstante Spannung einstellen. Daher kann es möglich sein, dass aufgrund dieser Mechanismen der Treiber der Wechselspannungsanteil kompensiert wird oder unterdrückt wird. Bei stärkeren Strömen, d. h. bei aktivem Kurzschluss, ist dies nicht der Fall, da dort deutlich höhere Ströme fließen, als von den Mechanismen der Treiber zur konstanten Spannungseinstellung bereitgestellt werden.If all switching elements are open in the safe state, then, depending on the drivers, it may be possible for the drivers to set a predetermined state even with a current source or a voltage source of low power at the open switch. For example, it can be provided that the drivers have a voltage source or a current source which, with a relatively low current flow, set a specific voltage at the open switch by regulation in order to define the voltage at the open switch. This is provided in particular to establish the potential of the phase connection on a currentless phase connection, the associated half-bridge of which has two open switches. If the potential at the phase connection were not fixed in this case, a floating (undefined) phase potential would result, which would lead to misinterpretations in the detection of the switch positions. For example, the drivers can be designed to set a constant voltage (with a low current flow) at the open switches, for example using a constant voltage source. In this case, the electrical machine only generates a voltage due to its movement, but the low current flow due to the open switch is not sufficient to dominate the mechanism of the drivers, which set a constant voltage on the open switch. It may therefore be possible that the AC voltage component is compensated for or suppressed in the driver due to these mechanisms. In the case of higher currents, ie with an active short circuit, this is not the case, since there are significantly higher currents than are provided by the mechanisms of the driver for constant voltage setting.

Um zu vermeiden, dass die genannten Mechanismen bei den offenen Schaltern die Wechselspannungskomponente verfälschen und somit die Frequenzerfassung verfälschen, ist vorgesehen, dass ein Nichterfassbar-Signal abgegeben wird, wenn die Signalstärke der Wechselspannungskomponente unter einem vorgegeben Grenzwert liegt. In diesem Fall, wenn die Signalstärke der Wechselspannungskomponente unter einem vorgegebenen Grenzwert liegt, dann kann davon ausgegangen werden, dass die Mechanismen der Treiber zur konstanten Spannungseinstellung dominieren und so die Wechselspannungskomponente verfälscht vorliegt. Es kann insbesondere dann ein Nichterfassbar-Signal abgegeben werden, wenn die Leistung der Wechselspannungskomponente innerhalb eines vordefinierten Frequenzintervalls unter einem vorgegebenen Grenzwert liegt. Das vordefinierten Frequenzintervall deckt insbesondere die Frequenzen ab, die bei der Drehung der elektrischen Maschine entstehen können (bzw. innerhalb der zulässigen Betriebsparameter entstehen). Die Obergrenze des Frequenzintervalls kann im Wesentlichen der Frequenz entsprechen, die bei der Drehung mit Nenn-Maximaldrehzahl der elektrischen Maschine entsteht, oder kann einer Frequenz entsprechen, bei der eine Wechselspannungskomponente bereits mit einer Mindeststärke zu erwarten wäre. Die Untergrenze kann sich an einer vorgegebenen Mindestdrehzahl orientieren. Es kann vorgesehen sein, dass ein Nichterfassbar-Signal abgegeben wird, wenn das Spannungssignal im Wesentlichen einem Gleichspannungssignal entspricht und somit keine Wechselspannungskomponente (oder nur Wechselspannungskomponenten unter einer vorgegebenen Grenzfrequenz) aufweist.In order to avoid that the mentioned mechanisms falsify the ac voltage component with the open switches and thus falsify the frequency detection, it is provided that an undetectable signal is emitted when the signal strength of the ac voltage component is below a predetermined limit value. In this case, if the signal strength of the alternating voltage component is below a predetermined limit value, it can be assumed that the mechanisms of the drivers for constant voltage setting dominate and that the alternating voltage component is thus falsified. In particular, a non-detectable signal can be output when the power of the AC voltage component is below a predetermined limit value within a predefined frequency interval. The predefined frequency interval covers in particular the frequencies that can arise when the electrical machine rotates (or arise within the permissible operating parameters). The upper limit of the frequency interval can essentially correspond to the frequency that occurs when the electrical machine rotates at the nominal maximum speed, or can correspond to a frequency at which an alternating voltage component would be expected to be at a minimum level. The lower limit can be based on a specified minimum speed. Provision can be made for a non-detectable signal to be emitted when the voltage signal essentially corresponds to a DC voltage signal and thus has no AC voltage component (or only AC voltage components below a predetermined limit frequency).

Ein weiteres Indiz dafür, dass die Mechanismen zur Konstantspannungseinstellung der Treiber die Wechselspannungskomponente verfälschen, ist das Vorliegen eines vergleichsweise hohen Oberwellenanteils. Dies ergibt sich dadurch, dass durch Konstantspannungs-Regelmechanismen die induzierte Spannung überlagert bzw. verfälscht wird, so dass durch die konstante Spannungseinstellung Teile des Signals unterdrückt werden. Der Einfluss der Konstantspannungs-Regelmechanismen führt zu Signalformverzerrung und somit (bei bestimmten Drehzahlbereichen) zu hohen Oberwellen (allgemein: Frequenzkomponenten außerhalb der Grundfrequenz). Daher wird auch ein Nichterfassbar-Signal abgegeben, wenn das Verhältnis eines Oberwellenanteils (allgemein: Anteils von Frequenzen außerhalb der Grundfrequenz) der Wechselspannungskomponente zu einem Grundwellenanteil der Wechselspannungskomponente über einen Schwellenwert liegt. Liegen somit im Wesentlichen nur Grundwellenanteile vor, so kann davon ausgegangen werden, dass die Wechselspannungskomponente im Wesentlichen sinusförmig ist und somit unverfälscht die Bewegung des Rotors wiedergibt. Ergeben sich hohe Oberwellenanteile, dann liegt höchstwahrscheinlich eine Verfälschung der Wechselspannungskomponente vor, nämlich durch die Konstantspannungs-Regelmechanismen der Treiber an offenen Schaltern.Another indication that the mechanisms for setting the constant voltage of the drivers falsify the AC voltage component is the presence of a comparatively high proportion of harmonics. This results from the fact that the induced voltage is superimposed or falsified by constant voltage regulating mechanisms, so that parts of the signal are suppressed by the constant voltage setting. The influence of the constant voltage control mechanisms leads to signal shape distortion and thus (at certain speed ranges) to high harmonics (in general: frequency components outside the fundamental frequency). A non-detectable signal is therefore also emitted when the ratio of a harmonic component (in general: a proportion of frequencies outside the fundamental frequency) of the alternating voltage component to a fundamental wave proportion of the alternating voltage component is above a threshold value. If there are essentially only fundamental wave components, it can be assumed that the alternating voltage component is essentially sinusoidal and thus reproduces the movement of the rotor without distortion. If there are high harmonics, then it is most likely that the AC voltage component is corrupted, namely by the constant voltage control mechanisms of the drivers on open switches.

Wenn das Nichterfassbar-Signal ausgegeben bzw. erfasst wird, dann ist vorzugsweise vorgesehen, dass kein Drehzahlwert verwendet wird, der aus der Wechselspannungskomponente ermittelt wird. Stattdessen kann in diesem Bereich auf andere Größen zurückgegriffen werden, beispielsweise auf die Höhe der Spannung am Schalter, die ebenfalls proportional zur Geschwindigkeit des Rotors ist.If the undetectable signal is output or detected, then it is preferably provided that no speed value is used that is determined from the alternating voltage component. Instead, other variables can be used in this area, for example the level of the voltage on the switch, which is also proportional to the speed of the rotor.

Die Schalter des Inverters werden im sicheren Zustand (d. h. wenn ein Fehlerfall vorliegt) vorzugsweise nicht mit einem getakteten Signal angesteuert. Dadurch würde nämlich das Spannungssignal am Schalter verfälscht werden, und insbesondere würde die Wechselspannungskomponente nicht den Drehzahlwert der elektrischen Maschine angeben im Sinne der Induktion, sondern nur die Form des getakteten Signals wiedergeben.The switches of the inverter are preferably not activated with a clocked signal in the safe state (i.e. when there is a fault). This would namely falsify the voltage signal at the switch, and in particular the AC voltage component would not indicate the speed value of the electrical machine in the sense of induction, but only reflect the form of the clocked signal.

Somit werden im sicheren Zustand die Schalter nicht getaktet angesteuert, sondern bezogen auf eine bestimmte Zeitspanne einmalig geschaltet, um so einen aktiven Kurzschluss herzustellen oder um alle Schalter zu öffnen. Dies kann zwar zu wiederholten Schaltereignissen führen, jedoch liegt deren Frequenz deutlich unterhalb von 100 Hertz, vorzugsweise auch deutlich unterhalb von 10 Hertz oder 1 Hertz.Thus, in the safe state, the switches are not activated in a clocked manner, but switched once based on a certain period of time in order to create an active short circuit or to open all switches. Although this can lead to repeated switching events, their frequency is well below 100 Hertz, preferably also well below 10 Hertz or 1 Hertz.

Jedoch kann die Taktung durch die Schalter im sicheren Zustand für ein Testverfahren verwendet werden. In einem Testmodus innerhalb des sicheren Zustands werden die Schalter des Inverters mit einem getakteten Signal angesteuert. Dieses Signal weist eine vorgegebene und somit bekannte Frequenz auf. Diese vorbestimmte Frequenz oder ein geradzahliger Bruchteil hiervon (oder ein geradzahliges Vielfaches hiervon) wird mit dem Drehzahlwert verglichen. Da der Drehzahlwert aufgrund der Wechselspannungskomponente ermittelt wird, der im Testmodus im Wesentlichen bestimmt wird durch die Taktfrequenz des getakteten Signals, kann so ermittelt werden, ob die Erfassung des Drehzahlwerts korrekt funktioniert, oder nicht. Der Vergleich gibt somit wieder, inwiefern die Erfassung der Wechselspannungskomponente und deren Drehzahlwert tatsächlich auf der Frequenz in der Schalterspannung beruhen. Ein positives Testergebnis wird abgegeben (etwa in Form eines Testsignals), dass das Ergebnis erfolgreicher Test wiedergibt, wenn der Vergleich zu einem Ergebnis führt, dass eine ausreichende Übereinstimmung besteht. Als ausreichende Übereinstimmung wird angesehen, wenn eine Abweichung zwischen den zu vergleichenden Werten von nicht größer als 10 % oder 5 % besteht. Andernfalls wird ein negatives Testergebnis abgegeben, welches wiedergibt, dass der Drehzahlwert nicht korrekt aus der Wechselspannungskomponente ermittelt wird.However, the clocking by the switches can be used for a test procedure in the safe state. In a test mode within the safe state, the switches of the inverter are controlled with a clocked signal. This signal has a predetermined and therefore known frequency. This predetermined frequency or an even fraction thereof (or an even multiple thereof) is compared with the speed value. Since the speed value is determined on the basis of the alternating voltage component, which in the test mode is essentially determined by the clock frequency of the clocked signal, it can thus be determined whether the detection of the speed value is working correctly or not. The comparison thus reflects the extent to which the acquisition of the AC voltage component and its speed value are actually based on the frequency in the switch voltage. A positive test result is given (for example in the form of a test signal) that reflects the result of a successful test if the comparison leads to a result that there is sufficient agreement. Sufficient agreement is deemed to exist if there is a discrepancy between the values to be compared of no greater than 10% or 5%. Otherwise, a negative test result is given, which shows that the speed value is not correctly determined from the AC voltage component.

Ist somit die Übereinstimmung nicht ausreichend, dann kann ein Drehzahlfehlersignal abgegeben werden, dass darauf hinweist, dass der abgegebene Drehzahlwert nicht korrekt ist, bzw. dass die hier beschriebene Erfassung des Drehzahlwerts nicht korrekt funktioniert. Im letztgenannten Fall ist vorgesehen, dass die Steuerung eines aktiven Kurzschlusses bzw. die Öffnung aller Schaltelemente nicht abhängig von dem erfassten Drehzahlwert durchgeführt wird. Stattdessen kann ein vorgegebener Zustand eingestellt werden.If the correspondence is not sufficient, a speed error signal can be output which indicates that the output speed value is incorrect or that the detection of the speed value described here is not functioning correctly. In the latter case, it is provided that the control of an active short circuit or the opening of all switching elements is not carried out as a function of the detected speed value. Instead, a predefined state can be set.

Der Testmodus wird vorzugsweise nur dann ausgeführt, wenn das Fahrzeug, in dem die elektrische Maschine als Traktionsantrieb vorgesehen ist, stillsteht, oder wenn sich die elektrische Maschine nicht dreht, etwa in einem Parkmodus oder Inaktivmodus des Traktionsantriebs, der von der elektrischen Maschine realisiert wird.The test mode is preferably only executed when the vehicle in which the electric machine is provided as a traction drive is stationary, or when the electric machine is not rotating, for example in a parking mode or inactive mode of the traction drive, which is implemented by the electric machine.

Die 1 bis 3 zeigen Signale S, die die Schalterspannung wiedergeben und dienen zur Diskussion von Ausführungsformen und Merkmalen des hier beschriebenen Verfahrens zur Erfassung des Drehzahlwerts.The 1 to 3 show signals S. , which reflect the switch voltage and serve to discuss embodiments and features of the method described here for detecting the speed value.

Das in den 1 - 3 dargestellte Signal gibt die Schalterspannung bei offenem Schalter wieder. Insbesondere ist das Signal der 1 - 3 ein Signal, das der (rückgeführten) Schalterspannung (d.h. Spannung über dem offenen Schalter, etwa die Kollektor-Emitter-Spannung oder Drain-Source-Spannung), entspricht, wobei dieser Schalterspannung die Spannung einer Konstantspannungsquelle eines Treibers überlagert ist. Das dargestellte Signal gibt daher die Schalterspannung wieder, die von der Spannung der Konstantspannungsquelle überlagert ist. Wie stark die Schalterspannung von der Konstantspannungsquelle überlagert ist, hängt von der Drehzahl der elektrischen Maschine ab. In 1 - 3 sind Signale bei unterschiedlichen Drehzahlen dargestellt. Im Folgenden wir das Bezugszeichen S für die Schalterspannung verwendet, die (mehr oder weniger) von der Konstantspannungsquelle überlagert ist. Die 1 - 3 beziehen sich auf Schalterspannungen an offenen Schaltern, d.h. auf einen Fall, bei dem alle Schalter des Inverters offen sind. Eine Konstantspannungsquelle (mit geringem Maximalstrom bzw. hohem Innenwiderstand) stellt das Potential an dem Phasenanschluss bzw. das Spannungssignal auf einen konstanten Wert (als Regelungsziel) ein. Das Potential des betreffenden Phasenanschlusses wird über eine Diode an einen Punkt übertragen, an dem das Spannungssignal erfasst wird, und auf den eine Konstantspannungsquelle einwirkt. Das Spannungssignal ergibt sich aus dem Potential am Phasenanschluss, das über eine Diode übertragen wird, wobei dem von der Diode übertragene Signal die Konstantspannungsquelle bzw. deren Signal überlagert wird.That in the 1 - 3 The signal shown shows the switch voltage when the switch is open. In particular, the signal is the 1 - 3 a signal that corresponds to the (returned) switch voltage (ie voltage across the open switch, such as the collector-emitter voltage or drain-source voltage), this switch voltage being superimposed on the voltage of a constant voltage source of a driver. The signal shown therefore reflects the switch voltage on which the voltage of the constant voltage source is superimposed. How much the switch voltage is superimposed by the constant voltage source depends on the speed of the electrical machine. In 1 - 3 signals are shown at different speeds. In the following we use the reference number S. used for the switch voltage which is superimposed (more or less) by the constant voltage source. The 1 - 3 relate to switch voltages on open switches, ie to a case in which all switches of the inverter are open. A constant voltage source (with a low maximum current or high internal resistance) sets the potential at the phase connection or the voltage signal to a constant value (as a control target). The potential of the relevant phase connection is transmitted via a diode to a point at which the voltage signal is detected and on which a constant voltage source acts. The voltage signal results from the potential at the phase connection, which is transmitted via a diode, the constant voltage source or its signal being superimposed on the signal transmitted by the diode.

Hierbei zeigt die 1 einen bei hoher Drehzahl (im Vergleich zu den 2 und insbesondere in Vergleich zu 3), so dass sich eine klar erkennbare induzierte Schalterspannung ergibt, die nicht durch Konstantspannungs-Regelmechanismen des Treibers verfälscht ist. Vielmehr dominiert die hohe induzierte Spannung andere Effekte. Die Folge davon ist, dass die Flanken des Wechselspannungssignals, das Teil der Schalterspannung S ist, sehr klar und deutlich zu erkennen sind und auch ferner die Wechselspannungskomponente eine im Vergleich zu den 2 und 3 hohe Amplitude bzw. Steigung am Nulldurchgang des zugrundeliegenden induzierten Sinussignals aufweist. In der 1 kann somit anhand der klaren Flanken dieser Drehzahlwert gut erfasst werden und es wird kein Nichterfassbar-Signal abgegeben.Here the 1 one at high speed (compared to the 2 and especially in comparison to 3 ), so that there is a clearly recognizable induced switch voltage that is not falsified by the constant voltage control mechanisms of the driver. Rather, the high induced voltage dominates other effects. The consequence of this is that the edges of the AC voltage signal are part of the switch voltage S. is, can be seen very clearly and clearly and also the alternating voltage component in comparison to the 2 and 3 has high amplitude or slope at the zero crossing of the underlying induced sinusoidal signal. In the 1 This speed value can thus be detected well on the basis of the clear edges and no undetectable signal is emitted.

Die 2 und 3 zeigen Schalterspannungen U und Wechselspannungskomponenten W für geringere Drehzahlen, wobei die 2 einen Zustand mit geringerer Drehzahl als bei der 1 darstellt und die 3 einen Zustand bei einer Drehzahl darstellt, die geringer als die der 2 ist.The 2 and 3 show switch voltages U and AC voltage components W for lower speeds, with the 2 a state with a lower speed than the 1 represents and the 3 represents a condition at a speed lower than that of the 2 is.

In der 2 ist zu erkennen, dass durch Verzerrung bzw. durch die Einwirkung der Konstantspannungs-Regelmechanismen der Treiber starke (Doppel-)Spitzen in der Wechselspannungskomponente erzeugt werden. Diese Spitzen entstehen an der aufsteigenden als auch abfallenden Seite einer Kuppe des induzierten Spannungssignals. Es ist zu erkennen, dass diese Spitzen jeweils doppelt auftreten mit einem zeitlichen Abstand, der deutlich kürzer ist als der zeitliche Abstand zwischen dem Auftreten von zwei aufeinanderfolgenden Spitzenpaaren. Es ist zudem ersichtlich, dass in der 2 die Wechselspannungskomponente einen deutlich höheren Oberwellenanteil hat, der sich insbesondere durch die genannte Verzerrung ergibt. Ferner ist festzustellen, dass das in der 2 dargestellt Signal eine geringere Amplitude hat als das Signal der 1, wobei dies durch Maßstabsanpassungen nicht in den Figuren unmittelbar dargestellt ist. Es kann daher bei der 2 aufgrund des Verhältnisses des Oberwellenanteils zum Grundwellenanteil und auch aufgrund der geringen Amplitude daraus geschlossen werden, dass die Wechselspannungskomponente verfälscht ist (durch Konstantspannungs-Regelmechanismen der Treiber).In the 2 it can be seen that strong (double) peaks in the alternating voltage component are generated by distortion or by the action of the constant voltage control mechanisms of the driver. These peaks arise on the rising as well as the falling side of a crest of the induced voltage signal. It can be seen that these peaks each occur twice with a time interval that is significantly shorter than the time interval between the occurrence of two successive pairs of peaks. It can also be seen that in the 2 the alternating voltage component has a significantly higher harmonic component, which results in particular from the aforementioned distortion. It should also be noted that the 2 The signal shown has a lower amplitude than the signal of the 1 although this is not shown directly in the figures due to scaling adjustments. It can therefore with the 2 Due to the ratio of the harmonic component to the fundamental wave component and also due to the low amplitude, it can be concluded that the AC voltage component is falsified (by constant voltage control mechanisms of the driver).

Die 3 zeigt die (von Konstantspannungs-Regelmechanismen überlagerte) Schalterspannung S bei einer Drehzahl, die geringer ist als bei den 1 und 2. Es ergibt sich nur ein geringerer Wechselspannungsanteil, insbesondere eine geringere Amplitude der Wechselspannnungskomponente, die darüber hinaus durch das Auftreten von Spitzenpaaren (als Ergebnis der Konstantspannungs-Regelmechanismen) stark verfälscht ist. Daher kann bei der 3 aufgrund der geringen Amplitude und auch aufgrund des hohen Anteils von Oberwellen bzw. durch das Auftreten von Doppelspitzen darauf geschlossen werden, dass der Konstantspannungs-Regelmechanismen der Treiber die Wechselspannungskomponente bzw. die Form der Schalterspannung S derart verfälscht, dass kein korrekter Drehzahlwert erfassbar ist. In diesem Zustand wird das Nichterfassbar-Signal abgegeben.The 3 shows the switch voltage (overlaid by constant voltage regulating mechanisms) S. at a speed that is lower than the 1 and 2 . There is only a lower AC voltage component, in particular a lower amplitude of the AC voltage component, which is furthermore strongly falsified by the occurrence of peak pairs (as a result of the constant voltage regulating mechanisms). Therefore, the 3 Due to the low amplitude and also due to the high proportion of harmonics or the occurrence of double peaks, it can be concluded that the constant voltage control mechanisms of the drivers determine the alternating voltage component or the form of the switch voltage S. falsified in such a way that no correct speed value can be detected. In this state, the undetectable signal is output.

Claims

Method for detecting a speed value of an electrical machine that is in a safe state, wherein the electrical machine is connected to an inverter and a switch voltage (S) is detected on at least one switching element of the inverter, and a frequency of an alternating voltage component of the switch voltage (S ) than the speed value is determined.

Procedure according to Claim 1 wherein the detection of the switch voltage (S) is carried out by detecting a signal which represents a voltage drop across a switching element and which is transmitted to a driver of the inverter.

Procedure according to Claim 1 or 2 , wherein the switch voltage (S) is detected at a low-side switching element of the inverter.

Procedure according to Claim 1 , 2 or 3 , the electrical machine being in a safe state in which either all switching elements of the inverter are open or in which the switches generate an active short circuit in the electrical machine.

Method according to one of the preceding claims, wherein an undetectable signal is emitted when the signal strength of the alternating voltage component is below a predetermined limit value and / or when the ratio of a harmonic component of the alternating voltage component to a fundamental wave component of the alternating voltage component is above a threshold value.

Method according to one of the preceding claims, wherein the switches of the inverter are not controlled with a clocked signal in the safe state or, in a test mode within the safe state, the switches of the inverter are controlled with a clocked signal that has a predetermined frequency, the frequency or an even fraction thereof can be compared with the speed value and a positive test result is given if the comparison leads to the result that there is a sufficient match.

Procedure according to Claim 6 , wherein in the test mode the vehicle in which the electric machine is provided as a traction drive is stationary, or wherein in the test mode the electric machine does not rotate.