DE102020129327A1

DE102020129327A1 - Fehlerfrüherkennung und Fehlerfrühabschwächung für Elektromotoren

Info

Publication number: DE102020129327A1
Application number: DE102020129327.5A
Authority: DE
Inventors: Jiyu Zhang; Lei Hao
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2020-11-06
Publication date: 2021-06-10
Also published as: US20210175826A1; CN112928969A; US11451175B2

Abstract

Ein Steuersystem für einen Elektromotor enthält ein Leistungseingabe-Berechnungsmodul, das dafür konfiguriert ist, die Leistungseingabe in den Elektromotor zu berechnen. Ein Leistungsausgabe-Berechnungsmodul ist dafür konfiguriert, die Leistungsausgabe durch den Elektromotor zu berechnen. Ein Leistungsverlust-Berechnungsmodul ist dafür konfiguriert, auf der Grundlage der Leistungseingabe und der Leistungsausgabe den Leistungsverlust in dem Elektromotor zu berechnen. Ein Fehlermodul ist dafür konfiguriert, den Leistungsverlust in dem Elektromotor mit einem oder mehreren vorgegebenen Leistungsverlust-Schwellenwerten zu vergleichen und den Betrieb des Elektromotors auf der Grundlage des Vergleichs wahlweise zu ändern.

Description

EINLEITUNG
Die in diesem Abschnitt gegebenen Informationen dienen zur allgemeinen Darstellung des Kontexts der Offenbarung. Arbeit der vorliegend genannten Erfinder in dem Umfang, in dem sie in diesem Abschnitt beschrieben ist, sowie Aspekte der Beschreibung, die nicht auf andere Weise als Stand der Technik zum Zeitpunkt der Einreichung berechtigen, sind weder explizit noch implizit als Stand der Technik gegenüber der vorliegenden Offenbarung anerkannt.
Die vorliegende Offenbarung betrifft die Fehlererkennung und die Fehlerabschwächung für Elektromotoren für Fahrzeuge.
Fahrzeuge wie etwa Elektrofahrzeuge und/oder Hybridfahrzeuge können einen oder mehrere Elektromotoren enthalten, die für den Vortrieb des Fahrzeugs verwendet werden. Es ist schwierig, Elektromotorfehler zu diagnostizieren. Falls der Elektromotor versagt, kann ein Verlust des Vortriebs auftreten und können Insassen des Fahrzeugs eine Situation des Nachhauselaufens erfahren.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Steuersystem für einen Elektromotor enthält ein Leistungseingabe-Berechnungsmodul, das dafür konfiguriert ist, die Leistungseingabe in den Elektromotor zu berechnen. Ein Leistungsausgabe-Berechnungsmodul ist dafür konfiguriert, die Leistungsausgabe durch den Elektromotor zu berechnen. Ein Leistungsverlust-Berechnungsmodul ist dafür konfiguriert, auf der Grundlage der Leistungseingabe und der Leistungsausgabe den Leistungsverlust in dem Elektromotor zu berechnen. Ein Fehlermodul ist dafür konfiguriert, den Leistungsverlust in dem Elektromotor mit einem oder mehreren vorgegebenen Leistungsverlust-Schwellenwerten zu vergleichen und den Betrieb des Elektromotors auf der Grundlage des Vergleichs wahlweise zu ändern.
Gemäß anderen Merkmalen ist ein Stromsensor dafür konfiguriert, den dem Elektromotor zugeführten Strom zu erfassen. Ein Spannungssensor erfasst eine dem Elektromotor zugeführte Spannung. Das Leistungseingabe-Berechnungsmodul berechnet auf der Grundlage der Spannung und des Stroms, die dem Elektromotor zugeführt werden, die Leistungseingabe in den Elektromotor. Ein Rotorsensor ist dafür konfiguriert, eine Drehzahl eines Rotors des Elektromotors zu erfassen. Ein Drehmoment-Berechnungsmodul ist dafür konfiguriert, das durch den Elektromotor ausgegebene Drehmoment zu berechnen. Das Leistungsausgabe-Berechnungsmodul ist dafür konfiguriert, die Leistungsausgabe auf der Grundlage der Drehzahl des Rotors und der Drehmomentausgabe durch den Elektromotor durch den Elektromotor zu berechnen.
Gemäß anderen Merkmalen erfassen mehrere Stromsensoren jeweils mehrere Statorwicklungsströme. Ein Stromumsetzungsmodul ist dafür konfiguriert, auf der Grundlage der mehreren Statorwicklungsströme einen Querstrom und einen Längsstrom zu berechnen.
Gemäß anderen Merkmalen ist das Drehmoment-Berechnungsmodul dafür konfiguriert, auf der Grundlage des Querstroms und des Längsstroms die Drehmomentausgabe durch den Elektromotor zu berechnen. Wenn der Leistungsverlust kleiner als ein erster vorgegebener Leistungsverlust-Schwellenwert des einen oder der mehreren vorgegebenen Leistungsverlust-Schwellenwerte ist, erklärt das Fehlermodul, dass der Elektromotor funktionstüchtig ist. Wenn der Leistungsverlust größer als der erste vorgegebene Leistungsverlust-Schwellenwert und kleiner als ein zweiter vorgegebener Leistungsverlust-Schwellenwert des einen oder der mehreren Leistungsverlust-Schwellenwerte ist, erzeugt das Fehlermodul eine erste Warnung.
Gemäß anderen Merkmalen plant das Fehlermodul eine Wartung, wenn der Leistungsverlust größer als der erste vorgegebene Leistungsverlust-Schwellenwert und kleiner als ein zweiter vorgegebener Leistungsverlust-Schwellenwert ist. Wenn der Leistungsverlust größer als der zweite vorgegebene Leistungsverlust-Schwellenwert ist, erzeugt das Fehlermodul eine zweite Warnung und verringert es die Drehmomentausgabe des Elektromotors.
Ein Verfahren zum Steuern eines Elektromotors enthält das Berechnen der Leistungseingabe in den Elektromotor; das Berechnen der Leistungsausgabe durch den Elektromotor; das Berechnen des Leistungsverlusts in dem Elektromotor auf der Grundlage der Leistungseingabe und der Leistungsausgabe; und das Ändern des Betriebs des Elektromotors in Ansprechen darauf, dass der Leistungsverlust in dem Elektromotor größer einem oder mehreren vorgegebenen Leistungsverlust-Schwellenwerten ist.
Gemäß anderen Merkmalen enthält das Verfahren das Erfassen des Stroms und der Spannung, die dem Elektromotor zugeführt werden; und das Berechnen der Leistungseingabe in den Elektromotor auf der Grundlage der Spannung und des Stroms, die dem Elektromotor zugeführt werden.
Gemäß anderen Merkmalen enthält das Verfahren das Erfassen einer Drehzahl eines Rotors des Elektromotors; das Berechnen der Drehmomentausgabe durch den Elektromotor; das Berechnen der Leistungsausgabe durch den Elektromotor auf der Grundlage der Drehzahl des Rotors und der Drehmomentausgabe durch den Elektromotor; und das Berechnen eines Querstroms und eines Längsstroms auf der Grundlage mehrerer Statorwicklungsströme.
Gemäß anderen Merkmalen enthält das Verfahren das Berechnen der Drehmomentausgabe durch den Elektromotor auf der Grundlage des Querstroms und des Längsstroms. Das Verfahren enthält das Erklären, dass der Elektromotor funktionstüchtig ist, wenn der Leistungsverlust kleiner als ein erster vorgegebener Leistungsverlust-Schwellenwert des einen oder der mehreren vorgegebenen Leistungsverlust-Schwellenwerte ist.
Gemäß anderen Merkmalen enthält das Verfahren das Erzeugen einer ersten Warnung, wenn der Leistungsverlust größer als der erste vorgegebene Leistungsverlust-Schwellenwert und kleiner als ein zweiter vorgegebener Leistungsverlust-Schwellenwert des einen oder der mehreren vorgegebenen Leistungsverlust-Schwellenwerte ist. Das Verfahren enthält das Planen einer Wartung, wenn der Leistungsverlust größer als der erste vorgegebene Leistungsverlust-Schwellenwert und kleiner als ein zweiter vorgegebener Leistungsverlust-Schwellenwert des einen der der mehreren vorgegebenen Leistungsverlust-Schwellenwerte ist.
Gemäß anderen Merkmalen enthält das Verfahren das Erzeugen einer zweiten Warnung und das Verringern der Drehmomentausgabe des Elektromotors, wenn der Leistungsverlust größer als der zweite vorgegebene Leistungsverlust-Schwellenwert ist.
Ein Steuersystem für einen Elektromotor enthält ein Leistungseingabe-Berechnungsmodul, das dafür konfiguriert ist, auf der Grundlage einer Busspannung und eines Stroms, die dem Elektromotor zugeführt werden, die Leistungseingabe in den Elektromotor zu berechnen. Ein Leistungsausgabe-Berechnungsmodul ist dafür konfiguriert, die Leistungsausgabe durch den Elektromotor auf der Grundlage einer Drehzahl und einer Drehmomentausgabe durch den Elektromotor zu berechnen. Ein Leistungsverlust-Berechnungsmodul ist dafür konfiguriert, auf der Grundlage der Leistungseingabe und der Leistungsausgabe den Leistungsverlust in dem Elektromotor zu berechnen. Ein Fehlermodul ist dafür konfiguriert, den Leistungsverlust in dem Elektromotor mit einem oder mehreren vorgegebenen Leistungsverlust-Schwellenwerten zu vergleichen und den Betrieb des Elektromotors auf der Grundlage des Vergleichs wahlweise zu ändern. Wenn der Leistungsverlust kleiner als ein erster vorgegebener Leistungsverlust-Schwellenwert des einen oder der mehreren vorgegebenen Leistungsverlust-Schwellenwerte ist, erklärt das Fehlermodul, dass der Elektromotor funktionstüchtig ist. Wenn der Leistungsverlust größer als der erste vorgegebene Leistungsverlust-Schwellenwert und kleiner als ein zweiter vorgegebener Leistungsverlust-Schwellenwert des einen oder der mehreren vorgegebenen Leistungsverlust-Schwellenwerte ist, erzeugt das Fehlermodul eine erste Warnung und/oder plant es eine Wartung. Wenn der Leistungsverlust größer als der zweite vorgegebene Leistungsverlust-Schwellenwert ist, erzeugt das Fehlermodul eine zweite Warnung und verringert es die Drehmomentausgabe des Elektromotors.
Weitere Bereiche der Anwendbarkeit der vorliegenden Offenbarung gehen aus der ausführlichen Beschreibung, aus den Ansprüchen und aus den Zeichnungen hervor. Die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele sind nur zu Veranschaulichungszwecken bestimmt und sollen den Schutzumfang der Offenbarung nicht einschränken.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung wird umfassender verständlich aus der ausführlichen Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen; es zeigen:

1 einen Stromlaufplan eines beispielhaften Modells von Statorwicklungen eines Elektromotors mit einem Wicklungsfehler;
2 ein Prinzipschaltbild und einen Funktionsblockschaltplan eines Beispiels eines Abschnitts eines Steuersystems mit Fehlererkennung und Fehlerabschwächung für einen Elektromotor gemäß der vorliegenden Offenbarung;
3 einen ausführlicheren Funktionsblockschaltplan eines Steuersystems mit Fehlererkennung und Fehlerabschwächung für einen Elektromotor gemäß der vorliegenden Offenbarung; und
4 einen Ablaufplan eines Verfahrens zum Diagnostizieren von Fehlern in einem Elektromotor und zum Ausführen einer Abschwächung in Ansprechen auf die Fehler.

In den Zeichnungen können Bezugszeichen mehrmals verwendet sein, um ähnliche und/oder gleiche Elemente zu identifizieren.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft Fehlererkennungs- und Fehlerabschwächungsstrategien für Steuersysteme für Elektromotoren. Die Früherkennung von Elektromotorfehlern kann vor einer wesentlichen Leistungsverschlechterung und/oder einer Beschädigung an anderen Antriebsstrangkomponenten ausgeführt werden. Dadurch, dass die Erkennung früher ausgeführt wird, können ein Verlust des Vortriebs und/oder Situationen des Nachhauselaufens ebenfalls verringert und/oder vermieden werden.
Obgleich die vorstehende Offenbarung im Kontext von Permanentmagnet-Synchronmaschinen (PMSMs) beschrieben wird, können die Systeme und Verfahren auf andere Typen von Maschinen wie etwa Induktionsmotoren und bürstenlose Gleichstrommotoren, die in Kraftfahrzeuganwendungen üblicherweise verwendet werden, angewendet werden. Anders als PMSM und bürstenlose Gleichstrommotoren, die einen Permanentmagnetrotor aufweisen, um ein Rotormagnetfeld zu erzeugen, weisen Induktionsmotoren einen leitfähigen Rotor auf, wobei in den Rotorstäben Rotorströme und Rotorflüsse induziert werden, um ein Magnetfeld zu erzeugen.
Die hier beschriebenen Fehlererkennungs- und Fehlerabschwächungssysteme und Fehlererkennungs- und Fehlerabschwächungsverfahren überwachen den Leistungsverlust des Elektromotors. Der Leistungsverlust bezieht sich auf die Differenz zwischen der Eingangsleistung und der Ausgangsleistung. Die Eingangsleistung in den Elektromotor wird auf der Grundlage der Busgleichspannung und des Busgleichstroms berechnet. Die Ausgangsleistung wird auf der Grundlage des Elektromotordrehmoments und der Rotordrehzahl berechnet.
Änderungen des Leistungsverlusts im Zeitverlauf können verwendet werden, um eine langsame Verschlechterung des Elektromotors zu erkennen. Nachdem sich die Statorwicklungen auf einen bestimmten Grad (oder einen vorgegebenen Leistungsverlust) verschlechtern, implementieren Systeme und Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Drehmomentbegrenzungsstrategie, um die Wirkungen des Fehlers abzuschwächen und/oder um eine weitere Beschädigung des Elektromotors und/oder anderer Komponenten des Fahrzeugs zu verringern.
Die hier dargelegten Systeme und Verfahren erkennen Elektromotorfehler einschließlich sowohl Statorwicklungsfehlern als auch Rotorfehlern. Für PMSM oder bürstenlose Gleichstrommotoren bezieht sich der Rotorfehler üblicherweise auf einen Entmagnetisierungsfehler. Für Induktionsmotoren kann der Rotorfehler gebrochene Rotorstäbe und/oder kurzgeschlossene Ringe sein. Diese Fehlerarten tragen alle zur Verringerung des Drehmoments bei.
Systeme und Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung erkennen Motorfehler verhältnismäßig früh. Im Ergebnis ist der Leistungsverlust nur in einem Niederleistungsgebiet (wenn die Drehzahl und das Drehmoment verhältnismäßig niedrig sind) wesentlich.
Systeme und Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung erkennen eine Verschlechterung in einem Elektromotor, die durch Statorwicklungsfehler und/oder Rotorfehler verursacht ist. Systeme und Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung berechnen die Differenz zwischen der Eingangsleistung in den Elektromotor und der Ausgangsleistung des Elektromotors. Die Differenz repräsentiert den Leistungsverlust in dem Elektromotor.
Systeme und Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung vergleichen den Leistungsverlust mit einem oder mehreren vorgegebenen Leistungsverlust-Schwellenwerten. Wenn der Leistungsverlust einen ersten Leistungsverlust-Schwellenwert übersteigt, erzeugt das Steuersystem eine hörbare oder sichtbare Warnung für den Elektromotorfehler und/oder plant es eine Wartung. Wenn der Leistungsverlust einen zweiten Leistungsverlust übersteigt, kann eine zusätzliche Maßnahme wie etwa hörbare oder sichtbare Warnungen und/oder das Begrenzen der Drehmomentausgabe durch den Elektromotor ergriffen werden.
Nun anhand von 1 sind Statorwicklungen (jeweils als ein Widerstand in Reihe mit einem induktiven Bauelement dargestellt) eines Elektromotors gezeigt. Wenn der Elektromotor funktionstüchtig ist, ist der Statorwicklungsstrom i_A näherungsweise gleich einer Summe der Statorwicklungsströme i_B und ic. Wenn es in dem Elektromotor einen Statorfehler (wie etwa eine Verschlechterung/einen Ausfall der Statorwicklungsisolation) gibt, erhöht sich ein Betrag des Fehlerstroms (i_F) in der Statorwicklungsisolation von null (kein Statorfehler), was den Leistungsverlust erhöht. Wenn es keinen Statorfehler gibt, ist i_F = 0. Andere Fehler können ebenfalls einen Leistungsverlust verursachen. Wenn in dem Elektromotor ein Rotorentmagnetisierungsfehler auftritt (und die elektrische Durchflutung λ_m abnimmt), nimmt das durch die elektrische Maschine erzeugte Drehmoment ab, was ebenfalls zu einem erhöhten Leistungsverlust führt.
Nun anhand von 2 enthält ein Elektromotorsystem 100 eine Spannungsquelle 110 und einen Elektromotor 114. Zwischen der Spannungsquelle 110 und dem Elektromotor 114 ist ein Stromrichter 120 angeordnet. Der Stromrichter 120 enthält Paare von Schaltern (z. B. S1 und S2, S3 und S4 und S5 und S6) bzw. Paare von Dioden (D1 und D2, D3 und D4 und D5 und D6), die über die Paare von Schaltern verbunden sind. Statorwicklungen des Elektromotors 114 sind mit Knoten verbunden, die sich zwischen den Paaren von Schaltern befinden.
Ein Stromsensor 124 und ein Spannungssensor 126 erfassen die Busgleichspannung V_DC und den Busgleichstrom I_DC, die dem Elektromotor 114 zugeführt werden. Zusätzliche Stromsensoren 124 erfassen Statorströme i_A, i_B und ic. In anderen Beispielen werden zwei der drei Statorströme erfasst. In anderen Beispielen werden alle Statorströme erfasst. Ein Positionssensor 122 erfasst eine Position/Drehzahl des Rotors des Elektromotors 114.
Nun anhand von 3 enthält das Steuersystem 200 ein Fehlererkennungs- und Fehlerabschwächungsmodul 202 und einen Elektromotortreiber 204. Der Elektromotortreiber 204 erzeugt auf der Grundlage einer oder mehrerer Eingaben, wie im Folgenden weiter beschrieben wird, Ansteuersignale für die Schalter S1 bis S6. Das Fehlerdiagnose- und Fehlerabschwächungsmodul 202 schätzt den Elektromotor-Leistungsverlust. Das Fehlerdiagnose- und Fehlerabschwächungsmodul 202 diagnostiziert auf der Grundlage des geschätzten Elektromotor-Leistungsverlusts Fehler in dem Elektromotor und stellt, wie im Folgenden weiter beschrieben wird, wahlweise einen oder mehrere Betriebsparameter des Elektromotors ein.
Das Fehlererkennungs- und Fehlerabschwächungsmodul 202 enthält ein Drehmomentverringerungsmodul 210, das eine Motordrehmomentanforderung empfängt und eine Anforderung (T_e*_{_reduced}) für verringertes Motordrehmoment ausgibt. Gemäß einigen Beispielen enthält das Drehmomentverringerungsmodul 210 eine Nachschlagetabelle, die durch die Elektromotor-Drehmomentanforderung T_e* indiziert ist. In anderen Beispielen implementiert das Drehmomentverringerungsmodul 210 eine lineare oder nichtlineare Funktion, die die Elektromotor-Drehmomentanforderung verringert, wenn ein Fehler erkannt wird.
Ein Schalter 214 wählt auf der Grundlage einer Ausgabe eines Komparators 218 entweder die Elektromotor-Drehmomentanforderung T_e* oder die Ausgabe der verringerten Drehmomentanforderung T_e*_{_reduced} durch das Drehmomentverringerungsmodul 210 aus. Der Komparator 218 empfängt einen geschätzten Elektromotor-Leistungsverlust und einen Schwellenwert h₂. Wenn der geschätzte Motorleistungsverlust kleiner als der Schwellenwert h₂ ist, veranlasst die Ausgabe des Komparators 218, dass der Schalter 214 die Elektromotor-Drehmomentanforderung T_e* auswählt. Wenn der geschätzte Motorleistungsverlust größer oder gleich dem Schwellenwert h₂ ist, veranlasst die Ausgabe des Komparators 218, dass der Schalter 214 die verringerte Motordrehmomentanforderung T_e*_{_reduced} von dem Drehmomentverringerungsmodul 210 auswählt.
Der Schalter 214 gibt die Elektromotor-Drehmomentanforderung T_e* oder die Anforderung T_e*_{_reduced} für ein verringertes Motordrehmoment an ein Stromsollwertmodul 222 aus. Gemäß einigen Beispielen enthält das Stromsollwertmodul 222 eine Nachschlagetabelle, die durch die Spannung V_DC und durch die Elektromotordrehzahl ω_em indiziert ist. Das Stromsollwertmodul 222 gibt die q- und die d-Achsen-Motorstrombefehle i_q* und i_d* an die nicht invertierenden Eingänge der Summierglieder 226 bzw. 228 aus. Die invertierenden Eingänge der Summierglieder 226 und 228 empfangen den gemessen Quer- und Längsmotorstrom i_q bzw. i_d.
Die Ausgaben der Summierglieder 226 und 228 werden in Proportional-Integral- (PI-) Module 230 bzw. 232 eingegeben, die an einen Schaltertreiber 240 Längs- und Querspannungsbefehle u_d ^* und u_q ^* ausgeben. Gemäß einigen Beispielen erzeugt der Schaltertreiber 240 Pulsbreitenmodulations- (PWM-) Signale, die an die Schalter S1 bis S6 eines Stromrichters 244 ausgegeben werden. Gemäß einigen Beispielen enthält der Schaltertreiber 240 einen Raumvektor-PWM- (SVPWM-) Treiber, obgleich andere Schaltertreiber und/oder eine andere Modulation verwendet werden können. Die Ausgaben des Wechselrichters 244 (Längs- und Querspannungen u_d und u_q) werden in den Elektromotor 246 eingegeben. Ein Stromberechnungsmodul 248 berechnet i_q und i_d auf der Grundlage der Statorwicklungsströme i_A, i_B und i_C und gibt i_q und i_d an die invertierenden Eingänge der Summierglieder 226 und 228 aus.
Ein Leistungsverlust-Schätzmodul 260 enthält eine Leistungseingabe-Berechnungseinrichtung 264, eine Drehmomentberechnungseinrichtung 268, eine Leistungsausgabe-Berechnungseinrichtung 272 und ein Summierglied 276. Die Leistungseingabe-Berechnungseinrichtung 264 berechnet auf der Grundlage der Spannung V_DC und des Stroms I_DC die Leistungseingabe. Gemäß einigen Beispielen ist die Leistungseingabe P_em,in = V_DC · I_DC. Die Drehmomentberechnungseinrichtung 268 berechnet auf der Grundlage von i_q und i_d das Drehmoment Tem.
Für Permanentmagnet-Synchronmaschinen (PMSM) ist Tem = 1,5P(λ_m*i_q + (L_q - L_d) · i_q · i_d), wobei P die Anzahl der Polpaare des Elektromotors ist, λ_m eine Konstante ist, die die elektrische Durchflutung des Elektromotors repräsentiert, und L_q und L_d die Quer- und die Längsinduktivität sind.
Allgemeiner ist Tem = 1,5P(λ_a · i_q - λ_q · i_d). Dabei sind λ_q und λ_d die d- und q-Achsen-Statormagnetflüsse in einem Rotorbezugssystem, und ist eine Funktion der Statorströme und der Rotorströme (für den Induktionsmotor) oder der Rotormagnetstärke (PMSM oder bürstenlose Gleichstrommotoren).
Die Leistungsausgabe-Berechnungseinrichtung 272 berechnet auf der Grundlage des Drehmoments Tem und der Rotordrehzahl ω_em die Leistungsausgabe. Gemäß einigen Beispielen ist die Leistungsausgabe P_em,out = T_em · ω_em. Das Summierglied 276 gibt auf der Grundlage der Differenz zwischen der berechneten Leistungseingabe P_em,in und der berechneten Leistungsausgabe P_em,out den Leistungsverlust aus.
Nun anhand von 4 ist ein Verfahren zum Steuern eines Elektromotors gezeigt. Bei 310 bestimmt das Verfahren von dem Drehzahl-/Positionssensor die Elektromotordrehzahl ω_em. Bei 314 werden auf der Grundlage der Statorwicklungsströme i_A, i_B und i_c der d- und der q-Achsen-Strom i_q und i_d bestimmt. Bei 318 wird das Elektromotordrehmoment Tem berechnet. Bei 326 werden das Elektromotordrehmoment Tem und die Rotordrehzahl ω_em mit einem vorgegebenen Motordrehmoment To bzw. mit einer vorgegebenen Rotordrehzahl ω₀ verglichen. Falls das Elektromotordrehmoment Tem näherungsweise gleich dem vorgegebenen Motordrehmoment To ist und die Rotordrehzahl ω_em näherungsweise gleich der Rotordrehzahl ω₀ ist, wird das Verfahren bei 330 fortgesetzt und liest es die Busgleichspannung und den Busgleichstrom V_DC und I_DC.
Bei 334 berechnet das Verfahren die Elektromotor-Leistungseingabe P_{em_in}. Bei 338 berechnet das Verfahren die Elektromotor-Leistungsausgabe P_{em_out.} Bei 342 berechnet das Verfahren den Elektromotor-Leistungsverlust P_{em_loss.} Bei 344 berechnet das Verfahren auf der Grundlage des Leistungsverlusts einen Funktionszustand (SOH) des Elektromotors und stellt es optional einen hörbaren oder sichtbaren Indikator bereit. Gemäß einigen Beispielen wird der SOH als eine lineare oder nichtlineare Funktion des Leistungsverlusts berechnet. Alternativ kann eine durch den Motorleistungsverlust indizierte Nachschlagetabelle verwendet werden.
Falls der Elektromotor-Leistungsverlust P_{em_loss} bei 346 kleiner als ein erster vorgegebener Leistungsverlust ist, wird das Verfahren bei 348 fortgesetzt und erklärt es, dass der Elektromotor funktionstüchtig ist. Falls 346 falsch ist, wird das Verfahren bei 350 fortgesetzt.
Falls der Elektromotor-Leistungsverlust P_{em_loss} bei 350 größer als ein erster vorgegebener Leistungsverlust h₁ und kleiner als ein zweiter vorgegebener Leistungsverlust h₂ ist, wird das Verfahren bei 354 fortgesetzt und erzeugt es einen Motorfehler und plant es optional eine Wartung. Falls 350 falsch ist, ist der Elektromotor-Leistungsverlust P_{em_loss} größer als der zweite vorgegebene Leistungsverlust h₂. Bei 364 erzeugt das Verfahren einen Motorfehler und führt es eine oder mehrere Fehlerabschwächungsaktionen aus. Gemäß einigen Beispielen können die Fehlerabschwächungsaktionen das Begrenzen der Gesamtdrehmomentausgabe des Elektromotors über einer vorgegebenen Drehmomentausgabe oder das Verringern der Drehmomentausgabe des Elektromotors um einen Prozentsatz oder eine andere Funktion enthalten.
Die vorstehende Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich veranschaulichend und soll die Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendungen in keiner Weise einschränken. Die umfassenden Lehren der Offenbarung können in einer Vielzahl von Formen implementiert werden. Obgleich diese Offenbarung bestimmte Beispiele enthält, soll der wahre Schutzumfang der Offenbarung somit nicht darauf beschränkt sein, da andere Änderungen beim Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche hervorgehen. Selbstverständlich können ein oder mehrere Schritte innerhalb eines Verfahrens in einer anderen Reihenfolge (oder gleichzeitig) ausgeführt werden, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu ändern. Obgleich jede der Ausführungsformen oben als mit bestimmten Merkmalen beschrieben worden ist, können ferner ein oder mehrere dieser in Bezug auf irgendeine Ausführungsform der Offenbarung beschriebenen Merkmale in und/oder zusammen mit Merkmalen irgendeiner der anderen Ausführungsformen implementiert werden, selbst wenn diese Kombination nicht explizit beschrieben ist. Mit anderen Worten, die beschriebenen Ausführungsformen schließen sich nicht gegenseitig aus und Vertauschungen einer oder mehrerer Ausführungsformen mit einer anderer bleiben im Schutzumfang der Offenbarung.
Räumliche und funktionale Beziehungen zwischen Elementen (z. B. zwischen Modulen, Schaltungselementen, Halbleiterschichten usw.) sind unter Verwendung verschiedener Begriffe einschließlich „verbunden“, „in Eingriff“, „gekoppelt“, „benachbart“, „neben“, „auf“, „über“, „unter“ und „angeordnet“ beschrieben. Wenn eine Beziehung zwischen einem ersten und einem zweiten Element in der obigen Offenbarung nicht explizit als „direkt“ beschrieben ist, kann diese Beziehung eine direkte Beziehung sein, bei der zwischen dem ersten und dem zweiten Element keine anderen dazwischenliegenden Elemente vorhanden sind, kann sie aber ebenfalls eine indirekte Beziehung sein, bei der zwischen dem ersten und dem zweiten Element ein oder mehrere (entweder räumlich oder funktional) dazwischenliegende Elemente vorhanden sind. Wie die Formulierung wenigstens eines von A, B und C hier verwendet ist, soll sie ein logisches (A ODER B ODER C) unter Verwendung eines nicht ausschließenden logischen ODER bedeuten und ist sie nicht in der Bedeutung „wenigstens eines von A, wenigstens eines von B und wenigstens eines von C“ zu verstehen.
In den Figuren veranschaulicht die Richtung eines Pfeils, wie sie durch die Pfeilspitze angegeben ist, allgemein den Informationsfluss (wie etwa von Daten oder Anweisungen), der für die Darstellung von Interesse ist. Wenn z. B. ein Element A und ein Element B eine Vielzahl von Informationen austauschen, für die Darstellung aber von dem Element A zu dem Element B übertragene Informationen relevant sind, kann der Pfeil von dem Element A zu dem Element B weisen. Dieser einfachgerichtete Pfeil bedeutet nicht, dass keine anderen Informationen von dem Element B zu dem Element A übertragen werden. Ferner kann für von dem Element A zu dem Element B gesendete Informationen das Element B Anforderungen für die Informationen an das Element A senden oder deren Quittierungen empfangen.
In dieser Anmeldung einschließlich in den folgenden Definitionen kann der Begriff „Modul“ oder der Begriff „Controller“ durch den Begriff „Schaltung“ ersetzt werden. Der Begriff „Modul“ kann sich auf: eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC); eine digitale, analoge oder gemischt analog/digitale diskrete Schaltung; eine digitale, analoge oder gemischt analog/digitale integrierte Schaltung; eine Kombinationslogikschaltung; eine frei programmierbare logische Anordnung (FPGA); eine Prozessorschaltung (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe), die Code ausführt; eine Speicherschaltung (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe), die durch die Prozessorschaltung ausgeführten Code speichert; andere geeignete Hardwarekomponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen; oder eine Kombination einiger oder aller der Obigen wie etwa in einem Ein-Chip-System beziehen, ein Teil davon sein oder sie enthalten.
Das Modul kann eine oder mehrere Schnittstellenschaltungen enthalten. Gemäß einigen Beispielen können die Schnittstellenschaltungen verdrahtete oder drahtlose Schnittstellen enthalten, die mit einem lokalen Netz (LAN), mit dem Internet, mit einem Weitverkehrsnetz (WAN) oder mit Kombinationen davon verbunden sind. Die Funktionalität irgendeines gegebenen Moduls der vorliegenden Offenbarung kann auf mehrere Module, die über Schnittstellenschaltungen verbunden sind, verteilt sein. Zum Beispiel können mehrere Module einen Lastausgleich ermöglichen. Gemäß einem weiteren Beispiel kann ein Servermodul (auch als entferntes Modul oder Cloud-Modul bekannt) einige Funktionalität im Auftrag eines Client-Moduls ausführen.
Der Begriff Code, wie er oben verwendet ist, kann Software, Firmware und/oder Mikrocode enthalten und kann sich auf Programme, Routinen, Funktionen, Klassen, Datenstrukturen und/oder Objekte beziehen. Der Begriff gemeinsam genutzte Prozessorschaltung umfasst eine einzelne Prozessorschaltung, die einen Teil des Codes oder allen Code von mehreren Modulen ausführt. Der Begriff Gruppenprozessorschaltung umfasst eine Prozessorschaltung, die einen Teil oder allen Code von einem oder von mehreren Modulen zusammen mit zusätzlichen Prozessorschaltungen ausführt. Bezugnahmen auf mehrere Prozessorschaltungen umfassen mehrere Prozessorschaltungen auf diskreten Chipplättchen, mehrere Prozessorschaltungen auf einem einzelnen Chipplättchen, mehrere Kerne einer einzelnen Prozessorschaltung, mehrere Threads einer einzelnen Prozessorschaltung oder eine Kombination der Obigen. Der Begriff gemeinsam genutzte Speicherschaltung umfasst eine einzelne Speicherschaltung, die einen Teil von oder allen Code von mehreren Modulen speichert. Der Begriff Gruppenspeicherschaltung umfasst eine Speicherschaltung, die einen Teil oder allen Code von einem oder mehreren Modulen zusammen mit zusätzlichen Speichern speichert.
Der Begriff Speicherschaltung ist eine Teilmenge des Begriffs computerlesbares Medium. Der Begriff computerlesbares Medium, wie er hier verwendet ist, umfasst keine transitorischen elektrischen oder elektromagnetischen Signale, die sich (wie etwa in einer Trägerwelle) durch ein Medium ausbreiten; somit kann der Begriff computerlesbares Medium als konkret und nichttransitorisch angesehen werden. Nicht einschränkende Beispiele eines nichttransitorischen, konkreten computerlesbaren Mediums sind nichtflüchtige Speicherschaltungen (wie etwa eine Flash-Speicherschaltung, eine löschbare, programmierbarere Nur-Lese-Speicherschaltung oder eine Masken-Nur-Lese-Speicherschaltung), flüchtige Speicherschaltungen (wie etwa eine statische Schreib-Lese-Speicherschaltung oder eine dynamische Schreib-Lese-Speicherschaltung), magnetische Ablagespeichermedien (wie etwa ein analoges oder digitales Magnetband oder ein Festplattenlaufwerk) und optische Ablagespeichermedien (wie etwa eine CD, eine DVD oder eine Blu-Ray-Disc).
Die in dieser Anmeldung beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren können teilweise oder vollständig durch einen durch Konfigurieren eines Universalcomputers zum Ausführen einer oder mehrerer bestimmter Funktionen, die in Computerprogrammen verkörpert sind, erzeugten Spezialcomputer implementiert werden. Die Funktionsblöcke, Ablaufplankomponenten und anderen Elemente, die oben beschrieben sind, dienen als Softwarespezifikationen, die durch die Routinearbeit eines erfahrenen Technikers oder Programmierers in die Computerprogramme übersetzt werden können.
Die Computerprogramme enthalten durch einen Prozessor ausführbare Anweisungen, die in wenigstens einem nichttransitorischen, konkreten computerlesbaren Medium gespeichert sind. Außerdem können die Computerprogramme gespeicherte Daten enthalten oder sich auf sie stützen. Die Computerprogramme können ein Basis-Eingabe/Ausgabe-System (BIOS), das mit Hardware des Spezialcomputers zusammenwirkt, Vorrichtungstreiber, die mit bestimmten Vorrichtungen des Spezialcomputers zusammenwirken, ein oder mehrere Betriebssysteme, Benutzeranwendungen, Hintergrunddienste, Hintergrundanwendungen usw. umfassen.
Die Computerprogramme können enthalten: (i) beschreibenden Text, der zu parsen ist, wie etwa HTML (Hypertext Markup Language), XML (Extensible Markup Language) oder JSON (JavaScript Object Notation), (ii) Assemblercode, (iii) Objektcode, der durch einen Compiler aus Quellcode erzeugt wird, (iv) Quellcode zur Ausführung durch einen Interpreter, (v) Quellcode zur Compilierung und Ausführung durch einen Just-in-time-Compiler usw. Nur als Beispiele kann Quellcode unter Verwendung einer Syntax aus Sprachen einschließlich C, C++, C#, Objective-C, Swift, Haskell, Go, SQL, R, Lisp, Java®, Fortran, Perl, Pascal, Curl, OCaml, Javascript®, HTML5 (Hypertext Markup Language, 5. Revision), Ada, ASP (Active Server Pages), PHP (PHP: Hypertext-Präprozessor), Scala, Eiffel, Smalltalk, Erlang, Ruby, Flash®, Visual Basic®, Lua, MATLAB, SIMULINK und Python® geschrieben sein.

Claims

Steuersystem für einen Elektromotor, umfassend: ein Leistungseingabe-Berechnungsmodul, das dafür konfiguriert ist, die Leistung, die in den Elektromotor eingegeben wird, zu berechnen; ein Leistungsausgabe-Berechnungsmodul, das dafür konfiguriert ist, die Leistung, die von dem Elektromotor ausgegeben wird, zu berechnen; ein Leistungsverlust-Berechnungsmodul, das dafür konfiguriert ist, auf der Grundlage der Leistungseingabe und der Leistungsausgabe einen Leistungsverlust in dem Elektromotor zu berechnen; und ein Fehlermodul, das dafür konfiguriert ist, den Leistungsverlust in dem Elektromotor mit einem oder mehreren vorgegebenen Leistungsverlust-Schwellenwerten zu vergleichen und den Betrieb des Elektromotors auf der Grundlage des Vergleichs wahlweise zu ändern.
Steuersystem nach Anspruch 1, das ferner umfasst: einen Stromsensor, der dafür konfiguriert ist, einen dem Elektromotor zugeführten Strom zu erfassen; und einen Spannungssensor, der dafür konfiguriert ist, eine dem Elektromotor zugeführte Spannung zu erfassen.
Steuersystem nach Anspruch 2, wobei das Leistungseingabe-Berechnungsmodul die Leistungseingabe in den Elektromotor auf der Grundlage der Spannung und des Stroms, die dem Elektromotor zugeführt werden, berechnet.
Steuersystem nach Anspruch 1, das ferner umfasst: einen Rotorsensor, der dafür konfiguriert ist, eine Drehzahl eines Rotors des Elektromotors zu erfassen, und ein Drehmoment-Berechnungsmodul, das dafür konfiguriert ist, eine Drehmomentausgabe durch den Elektromotor zu berechnen, wobei das Leistungsausgabe-Berechnungsmodul dafür konfiguriert ist, die Leistung, die von dem Elektromotor ausgegeben wird, auf der Grundlage der Drehzahl des Rotors und der Drehmomentausgabe durch den Elektromotor zu berechnen.
Steuersystem nach Anspruch 4, das ferner umfasst: mehrere Stromsensoren, jeweils zum Erfassen mehrerer Statorwicklungsströme; und ein Stromumsetzungsmodul, das dafür konfiguriert ist, auf der Grundlage der mehreren Statorwicklungsströme einen Querstrom und einen Längsstrom zu berechnen.
Steuersystem nach Anspruch 5, wobei das Drehmoment-Berechnungsmodul dafür konfiguriert ist, die Drehmomentausgabe durch den Elektromotor auf der Grundlage des Querstroms und des Längsstroms zu berechnen.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei das Fehlermodul erklärt, dass der Elektromotor funktionstüchtig ist, wenn der Leistungsverlust kleiner als ein erster vorgegebener Leistungsverlust-Schwellenwert des einen oder der mehreren vorgegebenen Leistungsverlust-Schwellenwerte ist.
Steuersystem nach Anspruch 7, wobei das Fehlermodul eine erste Warnung erzeugt, wenn der Leistungsverlust größer als der erste vorgegebene Leistungsverlust-Schwellenwert und kleiner als ein zweiter vorgegebener Leistungsverlust-Schwellenwert des einen oder der mehreren vorgegebenen Leistungsverlust-Schwellenwerte ist.
Steuersystem nach Anspruch 8, wobei das Fehlermodul eine Wartung plant, wenn der Leistungsverlust größer als der erste vorgegebene Leistungsverlust-Schwellenwert und kleiner als ein zweiter vorgegebener Leistungsverlust-Schwellenwert ist.
Steuersystem nach Anspruch 8, wobei das Fehlermodul eine zweite Warnung erzeugt und die Drehmomentausgabe des Elektromotors verringert, wenn der Leistungsverlust größer als der zweite vorgegebene Leistungsverlust-Schwellenwert ist.