DE102021129525A1

DE102021129525A1 - Verfahren zum Bestimmen einer Rotorlage, Steuereinrichtung sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102021129525A1
Application number: DE102021129525.4A
Authority: DE
Inventors: Jovan Knezevic; Sebastian Huegler
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-11-12
Filing date: 2021-11-12
Publication date: 2023-05-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (1) zum Bestimmen einer Rotorlage (θ) eines Rotors einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit den Schritten:- Bestimmen eines ersten Wertes (θ1) für die Rotorlage (θ) mittels einer ersten rotorlagegeberlosen Schätzmethode (M1),- Bestimmen zumindest eines zweiten Wertes (θ2) für die Rotorlage (θ) mittels zumindest einer zu der ersten Schätzmethode (M1) unterschiedlichen zweiten rotorlagegeberlosen Schätzmethode (M2),- Plausibilisieren (P) der zumindest zwei Werte (θ1, θ2) für die Rotorlage (θ), und- Bestimmen (B) der Rotorlage (θ) anhand der zumindest zwei verifizierten Werte (θ1, θ2) unter Berücksichtigung einer ersten Dauer (D1) und einer ersten Genauigkeit (G1) der ersten Schätzmethode (M1), einer im Vergleich zur ersten Dauer (D1) größeren zweiten Dauer (D2) und einer im Vergleich zur ersten Genauigkeit (G1) größeren zweiten Genauigkeit (G2) der zumindest einen zweiten Schätzmethode (M2) sowie eines aktuellen Fahrzustands (F1, F2) des Kraftfahrzeugs.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Rotorlage eines Rotors einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs. Dabei werden ein erster Wert für die Rotorlage mittels einer ersten rotorlagegeberlosen Schätzmethode und zumindest ein zweiter Wert für die Rotorlage mittels zumindest einer zu der ersten Schätzmethode unterschiedlichen zweiten rotorlagegeberlosen Schätzmethode bestimmt. Dann werden die zumindest zwei Werte für die Rotorlage plausibilisiert. Die Erfindung betrifft außerdem eine Steuereinrichtung und ein Kraftfahrzeug.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Antriebsmaschinen für elektrifizierte Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Solche elektrischen Antriebsmaschinen weisen üblicherweise einen ortsfesten Stator mit bestrombaren Statorwicklungen sowie einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor mit Permanentmagneten und/oder bestrombaren Rotorwicklungen auf. Für die Regelung der elektrischen Antriebsmaschine ist eine Kenntnis der Rotorlage bzw. des Rotorwinkels essentiell. Dazu ist es auch dem Stand der Technik bekannt, die Antriebsmaschine mit einem Rotorlagegeber zur Messung der Rotorlage auszustatten. Ein solcher Rotorlagegeber erhöht sowohl die Kosten als auch den Bauraumbedarf der Antriebsmaschine.
Auch sind aus dem Stand der Technik sensorlose bzw. rotorlagegeberlose Schätzmethoden bekannt, bei welchem die Rotorlage, beispielsweise über ein Beobachtermodell der elektrischen Antriebsmaschine über ein Injektionssignal bestimmt wird oder bei welchem sekundäre Effekte, beispielsweise Nutharmonische, ermittelt werden. Beispielsweise beschreibt die DE 10 2013 212 177 A1 ein Verfahren zum Bestimmen von Zustandsgrößen, beispielsweise des Rotorwinkels, eines Elektromotors. Dabei werden beispielsweise ein erster Rotorwinkel und ein zweiter Rotorwinkel bestimmt und zur Plausibilisierung miteinander verglichen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rotorlage eines Rotors einer elektrischen Antriebsmaschine besonders genau ohne Verwendung eines Rotorlagegebers zu bestimmen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, eine Steuereinrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figur.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Bestimmen einer Rotorlage eines Rotors einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs. Bei dem Verfahren werden ein erster Wert für die Rotorlage mittels einer ersten rotorlagegeberlosen Schätzmethode und zumindest ein zweiter Wert für die Rotorlage mittels zumindest einer zu der ersten Schätzmethode unterschiedlichen zweiten rotorlagegeberlosen Schätzmethode bestimmt. Dann werden die zumindest zwei Werte für die Rotorlage plausibilisiert. Die Rotorlage wird anhand der zumindest zwei plausibilisierten Werte unter Berücksichtigung einer ersten Dauer und einer ersten Genauigkeit der ersten Schätzmethode, einer im Vergleich zur ersten Dauer größeren zweiten Dauer und einer im Vergleich zur ersten Genauigkeit größeren zweiten Genauigkeit der zweiten Schätzmethode sowie eines aktuellen Fahrzustands des Kraftfahrzeugs bestimmt.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Steuereinrichtung für ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug, welche dazu ausgelegt ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Außerdem gehört zur Erfindung ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer elektrischen Antriebsmaschine und mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung. Bei dem Verfahren werden zwei voneinander unabhängige, unterschiedliche, rotorlagegeberlose Schätzmethoden verwendet, um zumindest zwei Werte für die Rotorlage bzw. den Rotorwinkel bestimmen zu können. Die Schätzmethoden weisen dabei unterschiedliche Genauigkeiten und unterschiedliche Dauern bzw. Schnelligkeiten auf.
Die unabhängig voneinander bestimmten Werte der Rotorlage werden plausibilisiert, also validiert bzw. verifiziert, insbesondere indem überprüft wird, ob eine Differenz der zumindest zwei Werte kleiner als ein vorbestimmter erster Schwellwert ist und/oder ob eine Änderung der zumindest zwei Werte kleiner als ein vorbestimmter zweiter Schwellwert ist. Es wird also davon ausgegangen, dass die beiden Schätzmethoden im Rahmen ihrer Genauigkeit plausible Werte für die Rotorlage ermittelt haben, falls sich die zumindest zwei Werte und/oder Änderungen der zumindest zwei Werte in etwa im selben Wertebereich befinden.
Nach dem Plausibilisieren der Werte wird die Rotorlage für die Regelung der elektrischen Antriebsmaschine bestimmt. Dazu werden zum Optimieren der Bestimmung der Rotorlage die beiden unabhängig voneinander bestimmten, plausibilisierten Werte verwendet, beispielsweise kombiniert. Dabei werden die unterschiedlichen Genauigkeiten der Schätzmethoden, die unterschiedlichen Dauern der Schätzmethoden und ein aktueller Fahrzustand des Kraftfahrzeugs berücksichtigt, beispielsweise indem die Werte entsprechend gewichtet werden. Durch das Verwenden der mittels zwei unterschiedlicher, rotorlagegeberloser Schätzmethoden ermittelter Werte der Rotorlage weist das Verfahren eine hohe Robustheit auf. Durch die Plausibilisierung der Werte kann eine funktionale Sicherheit, insbesondere zur Erfüllung von ASIL-Standards, erhöht werden.
Beispielsweise ist die erste Schätzmethode eine von Parametern der elektrischen Antriebsmaschine abhängige, beobachterbasierte Schätzmethode und die zumindest eine zweite Schätzmethode ist eine von Parametern der elektrischen Antriebsmaschine unabhängige, auf Spektralanalyse basierende Schätzmethode. Bei der zumindest einen zweiten Schätzmethode wird beispielsweise eine Spektralanalyse von rotorversursachten Oberwellen bzw. Harmonischen in Nuten eines Stators der elektrischen Antriebsmaschine. Auch kann eine Spektralanalyse basierend auf in Phasenwicklungen des Stators und/oder auf in Rotorwicklungen des Rotors eingespeisten sinusförmigen Spannungen durchgeführt.
Die erste Schätzmethode benötigt dabei ein von den Parametern der elektrischen Antriebsmaschine abhängiges Maschinenmodell, sodass die erste Genauigkeit der ersten Schätzmethode von der Genauigkeit der ermittelten Parameter der Antriebsmaschine abhängt. Weitere Eingangsparameter für das Maschinenmodell, welches beispielsweise in einer Speichereinheit der Steuereinrichtung hinterlegt sein kann, können dabei außerdem Messgrößen in Form von Strömen, Spannungen und Temperaturen der elektrischen Antriebsmaschine sein. Die zweite Schätzmethode basiert dabei nicht auf, möglicherweise ungenau bestimmten, Parametern der elektrischen Antriebsmaschine und weist daher die im Vergleich zur ersten Genauigkeit höhere zweite Genauigkeit auf. Andererseits weist die erste Schätzmethode eine kürzere Dauer auf als die zweite Schätzmethode, da die Spektralanalyse über einen gewissen Zeitbereich durchgeführt wird.
Daher wird vorzugsweise die Rotorlage als der erste plausibilisierte Wert während eines ersten, dynamischen Fahrzustandes des Kraftfahrzeugs und als der zweite plausibilisierte Wert während eines zweiten, stationären Fahrzustandes bestimmt. Insbesondere wird der erste Fahrzustand erkannt, wenn eine Geschwindigkeitsänderung des Kraftfahrzeugs größer oder gleich als ein vorbestimmter Grenzwert ist, und der zweite Fahrzustand wird erkannt, wenn die Geschwindigkeitsänderung den vorbestimmten Grenzwert unterschreitet. Während einer Fahrt des Kraftfahrzeugs mit im Wesentlichen konstanter Geschwindigkeit wird also der von der zweiten, länger andauernden, jedoch akkurateren Schätzmethode ermittelte, verifizierte zweite Wert verwendet. Es erweist sich als vorteilhaft, wenn während dieses zweiten Fahrzustandes, in welchem die Rotorlage mittels des auf Spektralanalyse basierenden zweiten Schätzmethode bestimmt wird, die für das Maschinenmodell der ersten Schätzmethode verwendeten Parameter der elektrischen Antriebsmaschine optimiert werden. Die Genauigkeit der für das Beobachtermodell benötigten Parameter kann also während der stationären Fahrt erhöht werden, sodass auch die erste Genauigkeit der ersten Schätzmethode erhöht wird. Während einer dynamischen Fahrt mit hohen Geschwindigkeitsänderungen bzw. Beschleunigungen wird der von der schnelleren, jedoch ungenaueren Schätzmethode ermittelte verifizierte, erste Wert verwendet. So kann die Rotorlage auf besonders genaue Weise bestimmt werden.
Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Steuereinrichtung sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens 1 zum Ermitteln einer Rotorlage θ bzw. eines Rotorwinkels eines Rotors einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs ohne Verwendung eines Rotorlagegebers. Dazu wird synchron, also im Wesentlichen zeitgleich, ein erster Wert θ1 für die Rotorlage θ mittels einer ersten, rotorlagegeberlosen Schätzmethode M1 und ein zweiter Wert θ2 für die Rotorlage θ mittels einer von der ersten Schätzmethode M1 unabhängigen zweiten rotorlagegeberlosen Schätzmethode M2 bestimmt.
Solche voneinander unabhängigen Schätzmethoden M1, M2 können in zwei Gruppen eingeteilt werden, nämlich eine von Parametern der elektrischen Antriebsmaschine abhängige erste Gruppe und eine von Parametern der elektrischen Antriebsmaschine unabhängige zweite Gruppe. Die Schätzmethode M1 der ersten Gruppe ist beobachterbasiert. Diese Schätzmethode M1 erfordert ein genaues Maschinenmodell und genaue Parameter der Antriebsmaschine. Die Schätzmethode M2 der zweiten Gruppe basiert beispielsweise auf einer Spektralanalyse der Rotor- oder Statornutharmonischen. Eine weitere spektrale Schätzmethode M2 basiert auf der Einspeisung sinusförmiger Spannungssignale in Phasenwicklungen der Antriebsmaschine. Diese Schätzmethoden M1, M2 können dabei andere Messsignale als die Rotorlage, zum Beispiel einen Strom, Spannungen oder eine Temperatur der Antriebsmaschine verwenden. Eine Genauigkeit G1, G2 der Schätzmethoden M1, M2 hängt dabei von der Genauigkeit der gemessenen Signale sowie bei der ersten Schätzmethode M1 von dem mathematischen Modell der Antriebsmaschine ab. Die beiden Schätzmethoden M1, M2 weisen außerdem unterschiedliche Leistungen und damit Dauern D1, D2 auf.
Solche zwei rotorlagegeberlose Schätzmethoden M1, M2, insbesondere auch unter Verwendung zweier unterschiedlicher spektraler Methoden M2, können durchgeführt werden, um die zwei Werte θ1, θ2 für die Rotorlage θ unabhängig voneinander bestimmen zu können. Durch den Verzicht auf den Rotorlagegeber kann die Komplexität der elektrischen Antriebsmaschine reduziert werden und durch die Verwendung der zwei unabhängigen Schätzmethoden M1, M2 die Robustheit der Rotorlagenbestimmung erhöht werden. Die beiden geschätzten Werte θ1, θ2 werden dabei in einem Plausibilisierungsschritt P plausibilisiert, also verifiziert und validiert. Dies kann durch Vergleich der Werte θ1, θ2 durchgeführt werden. Die Werte θ1, θ2 sind insbesondere dann plausibel, wenn sie im gleichen Wertebereich liegen, also der Unterschied zwischen ihnen klein und innerhalb eines definierten Bereiches ist. Auch kann die Plausibilisierung P durch Überwachung der Änderung der Werte θ1, θ2 erfolgen.
Im nächsten Bestimmungsschritt B, nachdem die Werte θ1, θ2 verifiziert wurden, können die Werte θ1, θ2 beispielsweise kombiniert werden, um eine bessere Genauigkeit der ermittelten Rotorlage θ zu erreichen. Dabei werden die Genauigkeiten G1, G2 sowie die Dauern D1, D2 der Schätzmethoden M1, M2 sowie ein Fahrzustand F1. F2 des Kraftfahrzeugs berücksichtigt. Beispielweise erfordert die erste beobachterbasierte Schätzmethode M1 genaue Parameter der Antriebsmaschine, da andernfalls Fehler im Rotorwinkel- und Rotorgeschwindigkeitssignal auftreten können. Die beobachterbasierte Schätzmethode M1 hat jedoch eine viel bessere dynamische Leistung und damit eine kürzere Dauer D1 als eine spektrale Schätzmethode M2. Das Beobachtermodell, also die erste Schätzmethode M1, kann also in dynamischen ersten Fahrzuständen F1 des Kraftfahrzeugs verwendet werden. Die spektrale Schätzmethode M2 benötigt einen gewissen Zeitrahmen, um die Geschwindigkeit des Systems genau zu messen, und weist somit eine viel langsamere dynamische Reaktion und damit eine höhere Dauer D2 auf. In zweiten Fahrzuständen F2 mit konstanter Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs ist die Schätzmethode M2 jedoch sehr genau. Mit den Informationen aus der zweiten Schätzmethode M2 können im stationären Fahrzustand F1 die für das Beobachtermodell benötigten Parameter zur Fehlerreduzierung in einem Optimierungsschritt (O) erneut bestimmt bzw. geschätzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013212177 A1 [0003]

Claims

Verfahren (1) zum Bestimmen einer Rotorlage (θ) eines Rotors einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit den Schritten: - Bestimmen eines ersten Wertes (θ1) für die Rotorlage (θ) mittels einer ersten rotorlagegeberlosen Schätzmethode (M1), - Bestimmen zumindest eines zweiten Wertes (θ2) für die Rotorlage (θ) mittels zumindest einer zu der ersten Schätzmethode (M1) unterschiedlichen zweiten rotorlagegeberlosen Schätzmethode (M2), - Plausibilisieren (P) der zumindest zwei Werte (θ1, θ2) für die Rotorlage (θ), gekennzeichnet durch - Bestimmen (B) der Rotorlage (θ) anhand der zumindest zwei verifizierten Werte (θ1, θ2) unter Berücksichtigung einer ersten Dauer (D1) und einer ersten Genauigkeit (G1) der ersten Schätzmethode (M1), einer im Vergleich zur ersten Dauer (D1) größeren zweiten Dauer (D2) und einer im Vergleich zur ersten Genauigkeit (G1) größeren zweiten Genauigkeit (G2) der zumindest einen zweiten Schätzmethode (M2) sowie eines aktuellen Fahrzustands (F1, F2) des Kraftfahrzeugs.
Verfahren (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Werte (θ1, θ2) verifiziert werden, indem überprüft wird, ob eine Differenz der zumindest zwei Werte (θ1, θ2) kleiner als ein vorbestimmter erster Schwellwert ist und/oder ob eine Änderung der zumindest zwei Werte (θ1, θ2) kleiner als ein vorbestimmter zweiter Schwellwert ist.
Verfahren (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als die erste Schätzmethode (M1) eine von Parametern der elektrischen Antriebsmaschine abhängige, beobachterbasierte Schätzmethode verwendet wird und als die zumindest eine zweite Schätzmethode (M2) eine von Parametern der elektrischen Antriebsmaschine unabhängige, auf Spektralanalyse basierende Schätzmethode verwendet wird.
Verfahren (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der zumindest einen zweiten Schätzmethode (M2) eine Spektralanalyse von Oberwellen in Nuten des Rotors und/oder eines Stators der elektrischen Antriebsmaschine durchgeführt wird und/oder basierend auf in Phasenwicklungen des Stators und/oder in Rotorwicklungen des Rotors eingespeisten sinusförmigen Spannungen durchgeführt wird.
Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorlage (θ) als der erste Wert (θ1) während eines ersten, dynamischen Fahrzustandes (F1) des Kraftfahrzeugs und als der zweite Wert (θ2) während eines zweiten, stationären Fahrzustandes (F2) des Kraftfahrzeugs bestimmt wird.
Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Fahrzustand (F1) erkannt wird, wenn eine Geschwindigkeitsänderung des Kraftfahrzeugs zumindest einem vorbestimmten Grenzwert entspricht, und der zweite Fahrzustand (F2) erkannt wird, wenn die Geschwindigkeitsänderung den vorbestimmten Grenzwert unterschreitet.
Verfahren (1) nach Anspruch 3 und Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass während des zweiten Fahrzustandes (F2), in welchem die Rotorlage (θ) als der zweite Wert (θ2) bestimmt wird, eine Optimierung (O) der Parameter der elektrischen Antriebsmaschine durchgeführt wird.
Steuereinrichtung für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, welche dazu ausgelegt ist, ein Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Kraftfahrzeug mit zumindest einer elektrischen Antriebsmaschine und mit einer Steuereinrichtung nach Anspruch 8.