DE102021201671A1 - Verfahren zur Erfassung wenigstens eines Phasenstroms einer dreiphasigen elektrischen Maschine - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Erfassung wenigstens eines Phasenstroms einer dreiphasigen elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs, wobei wenigstens ein Phasenstrom mittels wenigstens eines Erfassungselements, insbesondere mittels eines Stromsensors, gemessen wird, wobei zusätzlich zu der Messung des wenigstens einen Phasenstroms der wenigstens eine Phasenstrom berechnet und eine Differenz zwischen dem wenigstens einen gemessenen Phasenstrom und dem wenigstens einen berechneten Phasenstrom ermittelt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung wenigstens eines Phasenstroms einer dreiphasigen elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs, wobei wenigstens ein Phasenstrom mittels wenigstens eines Erfassungselements, insbesondere mittels eines Stromsensors, gemessen wird.
• Verfahren zur Erfassung von Phasenströmen von elektrischen Maschinen sind grundsätzlich, beispielsweise für Kraftfahrzeuge, hinlänglich bekannt. In vielen Anwendungen in der Automobile-Industrie werden zu Sicherheitszwecken Verfahren zur Überwachung von elektrischen Antrieben benötigt, insbesondere zur Erfassung der Phasenströme von elektrischen Antrieben, um Fehler im System sowie kritische Betriebszustände zu detektieren. Beispielsweise kann in einer Überwachungsebene abhängig von einem erfassten Phasenstrom entschieden werden, ob der Antrieb ausgeschaltet, beispielsweise not-abgeschaltet, wird oder in einen anderen Betriebsmodus, beispielsweise in einen Notbetrieb, überführt wird.
• Sollen die Phasenströme überwacht werden, ist eine redundante Strommessung in der Regel notwendig, um eine redundante Messung sicherzustellen, um die Ströme zu plausibilisieren bzw. als Grundlage für einen Notbetrieb bereitzustellen. Eine redundante Strommessung verursacht jedoch mehr Kosten und Platzbedarf, da zusätzliche Stromsensoren vorgehalten werden müssen. Neben einer redundanten Strommessung besteht die Möglichkeit, kostengünstigere Varianten von Antrieben auszuführen. In sogenannten „Low-Cost-Varianten“, beispielsweise für Stellantriebe, werden die Phasenströme mittels vergleichsweise kostengünstiger Shunt-Strommessung gemessen und vergleichsweise kostengünstige Mikrocontroller verwendet. Eine redundante Strommessung ist in der Regel nicht vorhanden. Eine derartige Lösung bietet sich für Traktionsantriebe nicht an, in diesem Fall werden die Phasenströme der Maschine üblicherweise mit teureren Sensoren gemessen, in der Regel werden alle drei Phasenströme gemessen. In beiden Fällen ist eine Überwachung der Phasenströme von Vorteil, um mehr Sicherheit und ggf. eine erhöhte Verfügbarkeit der Antriebe zu erreichen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Erfassung wenigstens eines Phasenstroms einer dreiphasigen elektrischen Maschine anzugeben, das insbesondere eine redundante Erfassung ohne zusätzlichen Stromsensor ermöglicht.
• Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Wie zuvor beschrieben, betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erfassung wenigstens eines Phasenstroms einer dreiphasigen elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs, wobei wenigstens ein Phasenstrom mittels wenigstens eines Erfassungselements, insbesondere mittels eines Stromsensors, gemessen wird. Insbesondere kann jede Phase bzw. jeder Phasenstrom der dreiphasigen elektrischen Maschine mittels eines entsprechenden Erfassungselements, beispielsweise eines einer Phase zugeordneten Stromsensors, gemessen werden.
• Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass zusätzlich zu der Messung des wenigstens einen Phasenstroms der wenigstens eine Phasenstrom berechnet und eine Differenz zwischen dem wenigstens einen gemessenen Phasenstrom und dem wenigstens einen berechneten Phasenstrom ermittelt wird. Somit wird die redundante Bestimmung des wenigstens einen Phasenstroms derart erreicht, dass zum einen ein Messen des Phasenstroms und zum anderen eine Berechnung des Phasenstroms erfolgt. Anschließend kann, um eine redundante Bestimmung zu erhalten, die Berechnung mit der Messung verglichen werden, um zu überprüfen, ob sich eine Differenz zwischen dem berechneten Phasenstrom und dem gemessenen Phasenstrom ergibt.
• Somit kann, im Beispiel einer Antriebseinrichtung, also einer elektrischen Maschine für ein Kraftfahrzeug, eine Strommessung überwacht werden, indem parallel zur Messung eine Berechnung des wenigstens einen Phasenstroms erfolgt, sodass bei einer signifikanten Abweichung zwischen Strommessung und Berechnung des Phasenstroms ein Fehler detektiert werden kann. Mit der hierin beschriebenen Diagnose können somit weiterreichende Störeffekte, wie beispielsweise Kurzschlüsse in der elektrischen Maschine, Winkelfehler eines Positionssensors und dergleichen, detektiert werden und entsprechende Maßnahmen ergriffen werden.
• Dabei basiert das vorgeschlagene Verfahren auf der Erfassung des Phasenstroms, beispielsweise eines elektrischen Antriebs, auf zwei unterschiedlichen Wegen. Die Bestimmung des wenigstens einen Phasenstroms durch Berechnung und durch Messung kann verglichen werden, wobei die beiden Ergebnisse, also das Ergebnis aus der Berechnung und das Ergebnis aus der Messung individuell oder deren Differenz ausgewertet werden kann.
• Beispielsweise können bei einer Drehfeldmaschine wenigstens zwei Sensoren eingesetzt werden, die zur Erfassung eines Phasenstroms ausgebildet sind, sodass das Erfassen aller drei Phasenströme über die Messung mittels der wenigstens zwei Sensoren ermöglicht wird. Somit können sich die drei Phasenströme der Drehfeldmaschine aus der Messung ergeben, diese werden nachfolgend als I_suMeas, I_svMeas und I_swMeas bezeichnet. Ferner werden Sollwerte für die Phasenströme berechnet, insbesondere aus den beiden d-q-Stromsollwerten IsdRef und IsqRef und dem elektrischen Winkel der elektrischen Maschine θ_el rekonstruiert. Entsprechend kann ein Vergleich bzw. die Bildung der Differenz zwischen den gemessenen Werten und den berechneten Werten durchgeführt werden.
• Dabei kann bei der Berechnung des wenigstens einen Phasenstroms ein Verhalten der elektrischen Maschine, mittels eines Filters, insbesondere mittels eines Tiefpassfilters, nachgebildet werden. In dem nachfolgenden Beispiel wird eine feldorientierte Regelung „FOR“ für eine permanent erregte Synchronmaschine „PSM-Maschine“ betrachtet. Die Regelung der elektrischen Maschine besitzt dabei eine definierte Dynamik, d.h., dass die geforderten d,q-Ströme erst nach einer gewissen Zeit eingestellt werden. Die sich daraus ergebende Verzögerung der d,q -Ströme kann mittels eines Filters, beispielsweise eines Tiefpassfilters, nachgebildet werden. D.h., dass die mit diesem Tiefpassfilter gefilterten Sollströme den gleichen Verlauf wie die realen Phasenströme in der elektrischen Maschine besitzen.
• Durch die verzögerten bzw. gefilterten Sollwerte der d,q-Ströme IsdRefF und IsqRefF erhält man die nachgebildeten in das d,q-Koordinatensystem transformierten Phasenströme der elektrischen Maschine. Aus den beiden Phasenströmen IsdRefF und IsqRefF können, wie nachfolgend gezeigt, mit dem zuvor beschriebenen elektrischen Winkel der elektrischen Maschine θ_el die beiden Ströme I_sαCalc und I_sβCac berechnet werden. Dabei kann ein Zeit-Offset ΔT_Offset durch die Abtastzeit des Systems berücksichtigt werden. Man erhält dadurch einen neuen Winkel θ_eIN (GL. 2) zur Rücktransformation der beiden Ströme IsdRefF und IsqRefF: $${\theta }_{elNeu}={\theta }_{el}+{\omega }_{el}\cdot \Delta T_{Offset}$$

  
• Der Zeit-Offset ΔT_Offset kann so gewählt bzw. festgelegt werden, dass bei einem stationären Zustand die beiden Phasenströme, also der gemessene und der zugehörige berechnete Phasenstrom der gleichen Phase den gleichen Nulldurchgang besitzen. Durch eine Rücktransformation der beiden Ströme IsdRefF und IsqRefF erhält man in der nachfolgenden GL. 3 die beiden berechneten Stromkomponenten I_sαCalc und I_sβCac in dem α,β-Koordinatensystem: $$\left(\begin{array}{c}{I}_{s\alpha Calc}\\ I_{s\beta Calc}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\text{cos}{\theta }_{elNeu}& \text{-sin}{\theta }_{elNeu}\\ \text{sin}{\theta }_{elNeu}& \text{cos}{\theta }_{elNeu}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{I}_{sd\text{ Re }ƒF}\\ I_{sq\text{ Re }ƒF}\end{array}\right)$$

  
• Aus beiden berechneten Stromkomponente I_sαCalc und I_sβCac kann man aus der nachfolgenden GL. 4 die nachgebildeten Phasenströme der Maschine I_suCalc, I_svCalc und I_s- _wCalc berechnen: $$\left(\begin{array}{c}{I}_{suCalc}\\ I_{svCalc}\\ I_{swCalc}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ \frac{-1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{I}_{s\alpha Calc}\\ I_{s\beta Calc}\end{array}\right)$$

  
• Damit bekommt man die Phasenströme der elektrischen Maschine auf zwei Wegen, nämlich aus der Messung und aus der Berechnung bzw. Nachbildung. Durch Bildung der Differenzen zwischen den Phasenströmen aus der Messung und den Phasenströmen aus GL.4 erhält man gegebenenfalls Abweichungen, die ausgewertet werden können, um eine Aussage über Fehler in der Strommessung zu treffen bzw. um die Strommessung durch die Berechnung zu plausibilisieren.
• Mit anderen Worten ist es möglich, dass bei Ermittlung einer Differenz zwischen dem wenigstens einen berechneten Phasenstrom und dem wenigstens einen gemessenen Phasenstrom oberhalb einer definierten Differenzschwelle in Abhängigkeit der Drehzahl der elektrischen Maschine ein Fehlersignal erzeugt wird. Entspricht der berechnete Strom dem gemessenen Strom, kann davon ausgegangen werden, dass die Strommessung fehlerfrei funktioniert und somit die elektrische Maschine in einem definierten Betriebszustand funktioniert. Zeigen der berechnete und der gemessene Wert die selbe Abweichung von einem Normverhalten, kann ein Fehler der elektrischen Maschine detektiert werden.
• Durch Vergleich des wenigstens einen gemessenen und berechneten Phasenstroms (nach GL. 2 bis GL. 4) wird die Strommessung der elektrischen Maschine überwacht. Zusätzlich dazu kann auch das Verhalten der elektrischen Maschine in Bezug auf bestimmte Fehler, beispielsweise Wicklungskurzschlüsse, Positionsfehler, große Parameterschwankungen etc. überwacht werden. Sind die bestimmten bzw. ermittelten Phasenströme, also der wenigstens eine gemessene und der wenigstens eine berechnete Phasenstrom gleich, so ist das Verhalten der elektrischen Maschine in Bezug auf die Strommessung in Ordnung. Treten Abweichungen zwischen den beiden unterschiedlich ermittelten Werten des Phasenstromes auf, so sind diese weiter auszuwerten, um eine Fehlfunktionalität zu detektieren bzw. zu verifizieren. Nachfolgend wird eine Auswertungsmethodik abhängig von der Drehzahl dargestellt und erläutert.
• Zur weiteren Auswertung der Differenz zwischen dem wenigstens einen gemessenen Phasenstrom und dem zugehörigen berechneten Phasenstrom ist es möglich, eine Drehzahlüberwachung der elektrischen Maschine durchzuführen bzw. eine Fallunterscheidung anhand der aktuellen Drehzahl der elektrischen Maschine durchzuführen. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass eine Drehzahl der elektrischen Maschine erfasst und die erfasste Drehzahl einem ersten Drehzahlbereich oder einem zweiten Drehzahlbereich zugeordnet wird, wobei der erste Drehzahlbereich eine Drehzahl der elektrischen Maschine von einem Stillstand der elektrischen Maschine bis zu einer Grenzdrehzahl und der zweite Drehzahlbereich Drehzahlen oberhalb der Grenzdrehzahl umfasst. Ist die erfasste Drehzahl sonach dem zweiten Drehzahlbereich zuzuordnen kann ein Betrag des Phasenstroms mit dem maximalen Betrag bestimmt werden.
• Dreht sich die Maschine dann bilden sich sinusförmige Phasenströme. Die Amplitude dieser Phasenströme hängt von einem berechneten Sollstromzeiger ab. Die einzelnen Phasenströme ändern sich vom positiven zum negativen Bereich und umgekehrt. Eine bessere Vergleichbarkeit kann erreicht werden, wenn die Differenz dieses Vorzeichenwechsels berücksichtigt wird. Zuerst wird für jede Phase abhängig von dem Vorzeichen des Phasenstroms eine Differenz gebildet. Dabei ergibt sich zum Beispiel für die Phasen U, V, W: $$\begin{array}{cc}\Delta Isu=IsuClac-IsuMeas;& wennIsupositiv\\ \Delta Isu=-\left(IsuClac-IsuMeas\right);& wennIsunegativ\end{array}$$

  

  $$\begin{array}{cc}\Delta Isv=IsvClac-IsvMeas;& wennIsvpositiv\\ \Delta Isv=-\left(IsvClac-IsvMeas\right);& wennIsvnegativ\end{array}$$

  

  $$\begin{array}{cc}\Delta Isw=IswClac-IswMeas;& wennIswpositiv\\ \Delta Isw=-\left(IswClac-IswMeas\right);& wennIswnegativ\end{array}$$

  
• Danach kann für jeden Phasenstrom der elektrischen Maschine der zugehörige Betrag ermittelt und anschließend ein Vergleich der Phasenstrom-Beträge der elektrischen Maschine durchgeführt werden. Der Phasenstrom mit dem maximalen Betrag „IsG“ wird ausgewählt: $$\Vert IsG\Vert =\text{max}\left(\Vert Isu\Vert ,\Vert Isv\Vert ,\Vert Isw\Vert \right)$$

  
• Die Differenz, die zu jedem Betriebspunkt ausgewertet wird, ist die Differenz der Phase mit dem maximalen Phasenstrombetrag ΔIsG: $$\Delta IsG=\Delta Isu;wennIsG=Isu$$

  

  $$\Delta IsG=\Delta Isv;wennIsG=Isv$$

  

  $$\Delta IsG=\Delta Isw;wennIsG=Isw$$

  
• Damit wechselt der Strom IsG bei einem stationären Verlauf jedes Sechstel einer elektrischen Periode des Phasenstromes zwischen den drei Phasen. Dabei kann eine maximale Differenz zwischen einem gemessenen und dem zugehörigen berechneten Phasenstrom in der Auswertung berücksichtigen werden, sodass insbesondere eine schnellere Fehlererfassung möglich ist. Dazu ist es vorteilhaft, wenn kein Strom im Bereich seines Null-Durchgangs betrachtet wird, da dies einen Einfluss des Rauschens und andere Effekte verringert.
• Für die Auswertung kann die Differenz ΔIsG aufintegriert werden. Man erhält einen Integratorwert Integ(ΔIsG)(k) zu jedem Zeitpunkt (k): $$\text{Integ}\left(\Delta \text{IsG}\right)\left(k\right)=\text{Integ}\left(\Delta \text{IsG}\right)\left(k-1\right)+\Delta \text{IsG}\ast \Delta T$$

  
• Dabei bezeichnet Integ(ΔIsG)(k) einen aktuell berechneten Integratorwert der Differenz für den Phasenstrom mit dem maximalen Betrag zu einem Zeitpunkt (k). In- teg(ΔIsG)(k-1) bezieht sich auf einen berechneten Integratorwert der Differenz für den Phasenstrom mit dem maximalen Betrag von der letzten Rechenperiode (k-1), ΔT steht für die Rechenperiode bzw. Regelperiode zum Abruf der Überwachungsfunktion, beispielsweise in einem diskreten Rechner-System, insbesondere ein Microcontroller.
• Dabei kann ferner vorgesehen sein, dass eine Obergrenze ΔIsMax definiert wird, wobei der Integratorwert um die Obergrenze vermindert wird, wenn der Integratorwert die positive Obergrenze ΔIsMax übersteigt und wobei der Integratorwert um die Obergrenze vermindert wird, wenn der Integratorwert die negative Obergrenze -ΔIs-Max unterschreitet.
• Bei einem Überschreiten einer Obergrenze ΔIsMax durch den Integratorwert Integ(ΔIsG) wird dieser um den Betrag ΔIsMax vermindert. Analog dazu wird bei einem Unterschreiten der Grenze (- ΔIsMax) der Integratorwert Integ(ΔIsG) um (ΔIsMax) erhöht. ΔIsMax ist bevorzugt so auszuwählen, dass parasitäre Effekte, zum Beispiel Rauschen in der Strommessung, mitberücksichtigt werden. Damit kann verhindert werden, dass der Integrator nach unendlich aufintegriert wird. Die Schwellen bzw. Grenzen ΔIsMax und (-ΔIsMax) können abhängig von dem Phasenstrombetrag variiert werden, um die parasitären Effekte besser zu berücksichtigen.
• Die Begrenzung des Integratorwertes folgt demnach folgendem Zusammenhang: $$\begin{array}{cc}Integ\left(\Delta IsG\right)\left(k\right)-=\Delta IsMax;& wennInteg\left(\Delta IsG\right)\left(k\right)>\Delta IsMax\\ Integ\left(\Delta IsG\right)\left(k\right)+=\Delta IsMax;& wennInteg\left(\Delta IsG\right)\left(k\right)<-\Delta IsMax\end{array}$$

  
• Sollte die berechnete Differenz ΔIsG größer als ΔIsMax werden, wird der Integratorwert Integ(ΔIsG) über den Wert ΔIsMax hinauswachsen und steigt weiter, bis eine erlaubte maximale Grenze IntegΔIsMax erreicht wird. Sollte ΔIsG kleiner als (-ΔIsMax) werden, so sinkt der Integratorwert Integ(ΔIsG) analog weiter in den negativen Bereich, bis eine erlaubte negative Grenze (-IntegΔIsMax) erreicht wird.
• Mit einem Vergleich des Betrages des Integratorwertes Integ(ΔIsG) mit der Integrator-Schwelle IntegΔIsMax kann man Fehler in der Strommessung detektieren. Durch das Überschreiten dieser Schwelle können Fehler-Signale generiert werden, die auf einen Strommessfehler oder andere Fehler deuten.
• Die Integrator-Grenze IntegΔIsMax kann dabei als ein Maß für die Länge der erlaubten Reaktionszeit auf einen Fehler in der Strommessung verstanden werden. Diese Schwelle kann über den Drehzahlbetrag variiert werden, um schnelle oder langsame Reaktionen in bestimmten Bereichen der elektrischen Maschine zu gewährleisten.
• Bei dem beschriebenen Verfahren kann ferner vorgesehen sein, dass bei einer dem ersten Drehzahlbereich zugeordneten Drehzahl der elektrischen Maschine alle drei Phasenströme gleichzeitig und getrennt voneinander berechnet werden. Nachfolgend sollen somit spezielle Situationen betrachtet werden in denen die elektrische Maschine eine vergleichsweise geringe Drehzahl besitzt bzw. nahezu stillsteht, insbesondere in Bereichen unterhalb von 10-15% einer maximalen Drehzahl, zum Beispiel unterhalb von 300 rpm. Dabei können Puffer berücksichtigt werden, die in Abhängigkeit einer Richtung der Drehzahländerung bei der Drehzahlschwelle berücksichtigt werden können. Beispielsweise kann bei einem Drehzahlanstieg ein Wechsel der Auswertemethodik erst bei in diesem Beispiel 320 rpm und bei einem Wechsel von höheren Drehzahlen zu niedrigeren Drehzahlen erst bei 280 rpm durchgeführt werden. Selbstverständlich sind die Werte lediglich beispielhaft zu verstehen und können für die jeweilige elektrische Maschine beliebig geändert werden.
• Bei einem Stillstand und vergleichsweise niedrigen Drehzahlen besteht die Möglichkeit, dass eine Phase mit einem Strommessfehler einen im Vergleich kleinen Strombetrag besitzt und damit nicht in der zuvor in Bezug auf den zweiten Drehzahlbereich beschriebenen Auswertung mitberücksichtigt wird, da dort nur derjenige Phasenstrom mit dem größten Phasenstrombetrag in die Auswertung einbezogen wird. Deswegen können bei einer Drehzahl der elektrischen Maschine im ersten Drehzahlbereich, also bei kleinen Drehzahlen und im Stillstand, alle drei Phasenströme gleichzeitig und getrennt ausgewertet werden.
• Analog zu dem zuvor beschriebenen größten Phasenstrom IsG werden die Differenzen der einzelnen Phasenströme aufintegriert. Man erhält für die Phase U zu jedem Zeitpunkt (k) einen Integratorwert Integ(ΔIsu)(k): $$\text{Integ}\left(\Delta \text{Isu}\right)\left(k\right)=\text{Integ}\left(\Delta \text{Isu}\right)\left(k-1\right)+\Delta \text{Isu}\ast \Delta T$$

  
• Dabei ist Integ(ΔIsu)(k) der aktuell berechnete Integratorwert der Differenz für den Strom in der Phase U zum Zeitpunkt (k), Integ(ΔIsu)(k-1) ist der berechnete Integratorwert der Differenz für den Strom in Phase U von der letzten Rechenperiode (k-1) und ΔT ist die Rechenperiode bzw. Regelperiode zum Abruf der Überwachungsfunktion, beispielsweise in einem diskreten Rechner-System, insbesondere einem Mikrocontroller.
• Für die Phase V erhält man entsprechend zu jedem Zeitpunkt (k) einen Integratorwert Integ(ΔIsv)(k): $$\text{Integ}\left(\Delta \text{Isv}\right)\left(k\right)=\text{Integ}\left(\Delta \text{Isv}\right)\left(k-1\right)+\Delta \text{Isv}\ast \Delta T$$

  
• Dabei ist Integ(ΔIsv)(k) der aktuell berechnete Integratorwert der Differenz für den Strom in der Phase V zum Zeitpunkt (k), Integ(ΔIsv)(k-1) ist der berechnete Integratorwert der Differenz für den Strom in Phase V von der letzten Rechenperiode (k-1) und ΔT ist die Rechenperiode bzw. Regelperiode zum Abruf der Überwachungsfunktion, beispielsweise in einem diskreten Rechner-System, insbesondere einem Mikrocontroller.
• Und für die Phase W erhält man zu jedem Zeitpunkt (k) einen Integratorwert Integ(ΔIsw)(k): $$\text{Integ}\left(\Delta \text{Isw}\right)\left(k\right)=\text{Integ}\left(\Delta \text{Isw}\right)\left(k-1\right)+\Delta \text{Isw}\ast \Delta T$$

  
• Dabei ist Integ(ΔIsw)(k) der aktuell berechnete Integratorwert der Differenz für den Strom in der Phase W zum Zeitpunkt (k), Integ(ΔIsw(k-1) ist der berechnete Integratorwert der Differenz für den Strom in Phase V von der letzten Rechenperiode (k-1) und ΔT ist die Rechenperiode bzw. Regelperiode zum Abruf der Überwachungsfunktion, beispielsweise in einem diskreten Rechner-System, insbesondere einem Mikrocontroller.
• Anschließend kann nach der gleichen Vorgehensweise, wie zuvor beschrieben, der Integratorwert für jede Phase Integ(ΔIsu, v, w) bei einem Überschreiten einer Grenze ΔIsMax um den Betrag ΔIsMax vermindert werden. Bei einem Unterschreiten der Grenze (- ΔIsMax) wird Integ(ΔIsu, v, w) um (+ ΔIsMax) erhöht. Damit kann verhindert werden, dass der Integrator nach unendlich aufintegriert wird.
• Für die Phase U gilt: $$\begin{array}{cc}Integ\left(\Delta Isu\right)\left(k\right)-=\Delta IsMax;& wennInteg\left(\Delta Isu\right)\left(k\right)>\Delta IsMax\\ Integ\left(\Delta Isu\right)\left(k\right)+=\Delta IsMax;& wennInteg\left(\Delta Isu\right)\left(k\right)<-\Delta IsMax\end{array}$$

  
• Für die Phase V gilt: $$\begin{array}{cc}Integ\left(\Delta Isv\right)\left(k\right)-=\Delta IsMax;& wennInteg\left(\Delta Isv\right)\left(k\right)>\Delta IsMax\\ Integ\left(\Delta Isv\right)\left(k\right)+=\Delta IsMax;& wennInteg\left(\Delta Isv\right)\left(k\right)<-\Delta IsMax\end{array}$$

  
• Für Phase W: $$\begin{array}{cc}Integ\left(\Delta Isw\right)\left(k\right)-=\Delta IsMax;& wennInteg\left(\Delta Isw\right)\left(k\right)>\Delta IsMax\\ Integ\left(\Delta Isw\right)\left(k\right)+=\Delta IsMax;& wennInteg\left(\Delta Isw\right)\left(k\right)<-\Delta IsMax\end{array}$$

  
• Durch einen Vergleich des Betrages des Integratorwertes Integ(ΔIsx) (x=u,v,w) mit der Integrator-Schwelle IntegΔIsMax ist es möglich, Fehler in der jeweiligen Strommessung detektieren. Durch das Überschreiten dieser Schwelle können Fehler-Signale generiert werden, die auf einen Strommessfehler oder andere Fehler der elektrischen Maschine hindeuten.
• Vorteilhafterweise kann dadurch das Erfassen der Phasenströme in einem Stillstand und bei kleinen Drehzahlen, also in dem ersten Drehzahlbereich der elektrischen Maschine, verbessert werden, insbesondere können die einzelnen Phasenströme gleichzeitig ausgewertet werden. In dem zweiten Drehzahlbereich der elektrischen Maschine, also bei großen Drehzahlen, kann nur derjenige Phasenstrom mit dem größten Betrag fortlaufend in der Auswertung berücksichtigt werden. Dadurch wird ein Konzept zur Überwachung der Phasenstrommessung über den gesamten Drehzahlbereich der elektrischen Maschine bereitgestellt. Der Übergang zwischen beiden Drehzahlbereichen kann über eine Hysterese durchgeführt werden, um unnötiges ständiges Umschalten zwischen den beiden Drehzahlbereichen wegen Drehzahlrauschens zu vermeiden.
• Daneben betrifft die Erfindung eine Erfassungsvorrichtung zur Erfassung wenigstens eines Phasenstroms einer dreiphasigen elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs, wobei die Erfassungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Phasenstrom mittels wenigstens eines Erfassungselements, insbesondere mittels eines Stromsensors, zu messen, wobei die Erfassungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, zusätzlich zu der Messung des wenigstens einen Phasenstroms den wenigstens einen Phasenstrom zu berechnen und eine Differenz zwischen dem wenigstens einen gemessenen Phasenstrom und dem wenigstens einen berechneten Phasenstrom zu ermitteln. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, umfassend eine solche Erfassungsvorrichtung.
• Selbstverständlich sind sämtliche Vorteile, Einzelheiten und Merkmale, die in Bezug auf das Verfahren beschrieben wurden, vollständig auf die Erfassungsvorrichtung und das Kraftfahrzeug übertragbar.
• Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Fig. näher erläutert werden. Die Fig. zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm des beschriebenen Verfahrens.
• Die Fig. zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Erfassung wenigstens eines Phasenstroms bzw. zur Überwachung der Phasenströme einer elektrischen Maschine. In diesem Beispiel wird Bezug auf eine PSM-Maschine genommen, wobei grundsätzlich jede dreiphasige elektrische Maschine verwendet bzw. mit dem beschriebenen Verfahren überwacht werden kann.
• Das Verfahren startet in einem Block 1, in dem Stromsollwerte IsdRef und IsqRef, sowie ein elektrischer Winkel θ_el einer elektrischen Maschine bereitgestellt werden. Aus den Stromsollwerte in d,q-Achsen IsdRef und IsqRef sowie dem elektrischen Winkel θ_el der Maschine werden nachfolgend die Phasenströme der elektrischen Maschine berechnet. Die Stromsollwerte IsdRef und IsqRef werden in Blöcken 2, 3 gefiltert, insbesondere mittels eines Tiefpassfilters, um die Dynamik der elektrischen Maschine nachzubilden. Insbesondere können unterschiedliche Filter verwendet werden, wobei für den Strom IsdRef in Block 2 ein erster Filter verwendet wird, der die Dynamik der FOR in der d-Achse nachbildet. Für den Strom IsqRef wird in Block 3 ein zweiter Filter verwendet, der die Dynamik der FOR in der q-Achse nachbildet.
• Aus der Gleichung θ_elNeu = θ_el + ω_el · ΔT_Offset wird in Block 4 ein neuer elektrischer Winkel θ_elNeu zur Transformation der gefilterten Stromsollwerte ermittelt. Dabei wird ein Zeit-Offset ΔT_Offset berücksichtigt. Mit dem neuen elektrischen Winkel kann ebenfalls in Block 4 über die Gleichungen $$\left(\begin{array}{c}{I}_{s\alpha Calc}\\ I_{s\beta Calc}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\text{cos}{\theta }_{elNeu}& \text{-sin}{\theta }_{elNeu}\\ \text{sin}{\theta }_{elNeu}& \text{cos}{\theta }_{elNeu}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{I}_{sd\text{ Re }ƒF}\\ I_{sq\text{ Re }ƒF}\end{array}\right)$$

  

  und $$\left(\begin{array}{c}{I}_{suCalc}\\ I_{svCalc}\\ I_{swCalc}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ \frac{-1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{I}_{s\alpha Calc}\\ I_{s\beta Calc}\end{array}\right)$$

  

  die Transformation der gefilterten Sollwertströme IsdRef und IsqRef aus dem d,q-Koordinatensystem in das uvw-Koordinatensystem durchgeführt werden. Man erhält dadurch die nachgebildeten Phasenströme I_suCalc, I_svCalc und I_swCalc, die von Block 4 an einen Block 5 und einen Block 6 übergeben werden können.
• Anschließend kann in Block 6 für jede Phase der elektrischen Maschine (u,v,w) die Differenz aus den berechneten Phasenströmen und den tatsächlichen bzw. gemessenen Phasenströmen ΔIsu(k), ΔIsw(k), ΔIsw(k) ermittelt werden. Diese Stromdifferenzen können nachfolgend ausgewertet werden, um Fehler-Signale zu generieren, die auf einen Fehler in der Strommessung oder in der elektrischen Maschine deuten.
• Für die Auswertung der Differenz wurden zwei Wege definiert, die abhängig von einem Betrag der Drehzahl der elektrischen Maschine und damit auch von der elektrischen Frequenz der Phasenströme abhängig sind. Dazu wird in einem Block 7 eine Grenzdrehzahl definiert, wobei kontinuierlich oder in festgelegten zeitlichen Abständen untersucht wird, ob die Drehzahl der elektrischen Maschine unterhalb oder oberhalb der definierten Grenzdrehzahl liegt. Liegt die Drehzahl der elektrischen Maschine in einem ersten Drehzahlbereich, d.h. befindet sich die Drehzahl der elektrischen Maschine unterhalb der definierten Grenzdrehzahl wird von Block 7 auf einen Block 8 verzweigt und liegt die Drehzahl der elektrischen Maschine oberhalb der definierten Grenzdrehzahl wird von Block 7 auf Block 9 verzweigt. Selbstverständlich kann dabei gewählt werden, auf welchen Block von Block 7 verzweigt wird, wenn die Drehzahl exakt die durch die Grenzdrehzahl definierte Drehzahl annimmt, beispielsweise von Block 7 auf Block 9.
• Betrachtet man den Fall, in dem von Block 7 auf Block 9 verzweigt wird, also bei vergleichsweise großen Drehzahlen, wird über Block 6' der maximale Strom IsG(k) bzw. dessen Differenz ΔIsG bereitgestellt. Dabei werden die drei Phasenströme Isu, Isv, Isw verglichen und der Phasenstrom mit dem größten Strombetrag IsG wird ermittelt. Dabei ist IsG=Isu oder Isv oder Isw abhängig von dem konkreten Vergleich der Phasenströme. Man erhält daraus die Differenz des Stromes mit dem größten Strombetrag ΔIsG.
• Die Differenz wird anschließend in Block 9 integriert nach Integ(ΔIsG)(k) = Integ(ΔIsG)(k-1) + ΔIsG * ΔT und anschließend in Block 10 auf einen maximalen erlaubten Grenzwert ΔIsMax auf- oder abgerundet. Damit wird verhindert, dass der Integrator in einem normalen Betrieb (ohne Fehler) nach unendlich aufintegriert wird. ΔIsMax ist eine definierte Grenze, die wegen Rauschens oder parasitärer Effekte entstehende Ungenauigkeiten in der Strommessung und der Berechnung, also der Nachbildung der Strommessung, berücksichtigt.
• Der Betrag des integrierten Werts der Differenz ΔIsG wird in einem Block 11 mit einer maximalen Grenze IntegΔIsMax verglichen und anschließend wird basierend auf dem Ergebnis ein Fehlersignal generiert, falls ein Fehlerfall detektiert wurde. Ist der Betrag des Integrators Integ(ΔIsG) größer als IntegΔIsMax, dann wird von Block 11 auf Block 12 verzweigt und ein Fehlersignal wird erzeugt, beispielsweise kann ein „Error-Signal“ auf 1 gesetzt werden. Andernfalls wird von Block 11 auf Block 13 verzweigt und es wird kein Fehlersignal erzeugt bzw. kann das „Error-Signal“ auf 0 gesetzt oder gehalten werden. Anschließend kann das beschriebene Verfahren in einem Block 14 beendet werden.
• Ergibt die Betrachtung der Drehzahl in Block 7, dass die aktuelle Drehzahl der elektrischen Maschine einem ersten Drehzahlbereich zuzuordnen ist, wird, wie zuvor beschrieben, von Block 7 auf Block 8 verzweigt. Bei einem Stillstand und bei kleinen Drehzahlen ist es möglich, dass der Strom mit dem maximalen Phasenstrombetrag über längere Zeit nur einem Phasenstrom zugeordnet sein kann. Sind die anderen kleineren Phasenströme fehlerhaft, so kann man diese über längere Zeiten nicht entdecken, weil nur der Phasenstrom mit dem größten Phasenstrombetrag für die Auswertung verwendet werden würde.
• Daher werden unterhalb der Grenzdrehzahl alle drei Phasenströme gleichzeitig ausgewertet und ihre Differenzen in Block 8 mittels Integ(ΔIsx)(k) = Integ(ΔIsx)(k-1) + ΔIsx * ΔT (x= u, v, w) aufintegriert. Anschließend wird von Block 8 auf Block 15 verzweigt, in dem die Integratorwerte der einzelnen Differenzen der Phasenströme (u, v, w) - analog zu dem zuvor beschriebenen Strom IsG - auf den maximalen Grenzwert ΔIsMax auf- bzw. abgerundet werden.
• Anschließend wird in einem Block 16 ermittelt, ob der Integratorwert-Betrag |Integ(Δlsx)| der Differenzen der einzelnen Phasen x(=u,v,w) eine maximale Grenze IntegΔIsMax überschreitet. Wird die maximale Grenze IntegΔIsMax überschritten, so wird von Block 16 auf Block 17 verzweigt und ein Fehlersignal wird ausgegeben. Insbesondere kann ein für den jeweiligen Fehler spezifisches Fehlersignal ausgegeben werden, zum Beispiel „Error-Signal=2“, wenn |Integ(Δlsu)|> IntegΔIsMax; „Error-Signal=4“, wenn |Integ(ΔIsv)|> IntegΔIsMax; und „Error-Signal=8“, wenn |Integ(ΔIsw)|> IntegΔIsMax). Ergibt der Vergleich in Block 16, dass die Grenze IntegΔIsMax nicht überschritten wird, kann von Block 16 auf Block 18 verzweigt werden in dem kein Fehlersignal ausgegeben wird bzw. das Fehlersignal auf 0 gesetzt oder gehalten. Alle Fehler-Signale können summiert werden.
• Damit kann bei jedem Fehler über das zugeordnete Fehler-Signal der Phasenstrom mit dem Fehler detektiert werden und eine Überwachung über den gesamten Drehzahlbereich erreicht werden. Mit dem Fehler-Signal können durch die Überwachungsebene die entsprechenden Maßnahmen durchgeführt werden, zum Beispiel ein Abschalten der elektrischen Maschine erreicht oder diese in einem Notbetrieb betrieben werden. Anschließend kann das Verfahren in Block 14 beendet werden.
• Das beschriebene Verfahren kann selbstverständlich auf einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs, durchgeführt werden. Der elektrischen Maschine ist dazu beispielsweise eine geeignete Steuerungseinrichtung zugeordnet. Zur Erfassung kann insbesondere eine zuvor beschriebene Erfassungsvorrichtung verwendet werden.
• Bezugszeichenliste

1-18

Block

Claims (13)

1. Verfahren zur Erfassung wenigstens eines Phasenstroms einer dreiphasigen elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs, wobei wenigstens ein Phasenstrom mittels wenigstens eines Erfassungselements, insbesondere mittels eines Stromsensors, gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der Messung des wenigstens einen Phasenstroms der wenigstens eine Phasenstrom berechnet und eine Differenz zwischen dem wenigstens einen gemessenen Phasenstrom und dem wenigstens einen berechneten Phasenstrom ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung des wenigstens einen Phasenstroms ein Verhalten der elektrischen Maschine, mittels eines Filters, insbesondere mittels eines Tiefpassfilter, nachgebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass drei Phasenströme mittels $\left(\begin{array}{c}{I}_{suCalc}\\ I_{svCalc}\\ I_{swCalc}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ \frac{-1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{I}_{s\alpha Calc}\\ I_{s\beta Calc}\end{array}\right)$

   

   berechnet werden, wobei $\left(\begin{array}{c}{I}_{s\alpha Calc}\\ I_{s\beta Calc}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\text{cos}{\theta }_{elNeu}& \text{-sin}{\theta }_{elNeu}\\ \text{sin}{\theta }_{elNeu}& \text{cos}{\theta }_{elNeu}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{I}_{sd\text{ Re }ƒF}\\ I_{sq\text{ Re }ƒF}\end{array}\right)\text{ und }{\theta }_{elNeu}={\theta }_{el}+{\omega }_{el}\cdot \Delta T_{Offset}.$

   
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ermittlung einer Differenz zwischen dem wenigstens einen berechneten Phasenstrom und dem wenigstens einen gemessenen Phasenstrom oberhalb einer definierten Differenzschwelle in Abhängigkeit der Drehzahl der elektrischen Maschine ein Fehlersignal erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehzahl der elektrischen Maschine erfasst und die erfasste Drehzahl einem ersten Drehzahlbereich oder einem zweiten Drehzahlbereich zugeordnet wird, wobei der erste Drehzahlbereich eine Drehzahl der elektrischen Maschine von einem Stillstand der elektrischen Maschine bis zu einer Grenzdrehzahl und der zweite Drehzahlbereich Drehzahlen oberhalb der Grenzdrehzahl umfasst.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer dem zweiten Drehzahlbereich zugeordneten Drehzahl der elektrischen Maschine der Betrag des Phasenstroms mit dem maximalen Betrag bestimmt wird, insbesondere mittels: $$\Vert IsG\Vert =\text{max}\left(\Vert Isu\Vert ,\Vert Isv\Vert ,\Vert Isw\Vert \right)$$

   

   wobei $$\begin{array}{cc}\Delta Isu=IsuClac-IsuMeas;& wennIsupositiv\\ \Delta Isu=-\left(IsuClac-IsuMeas\right);& wennIsunegativ\end{array}$$

   

   und $$\begin{array}{cc}\Delta Isv=IsvClac-IsvMeas;& wennIsvpositiv\\ \Delta Isv=-\left(IsvClac-IsvMeas\right);& wennIsvnegativ\end{array}$$

   

   und $$\begin{array}{cc}\Delta Isw=IswClac-IswMeas;& wennIswpositiv\\ \Delta Isw=-\left(IswClac-IswMeas\right);& wennIswnegativ\end{array}$$

   
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf dem bestimmten Betrag des Phasenstroms ein Integratorwert berechnet wird, insbesondere mittels Integ(ΔIsG)(k) = Integ(ΔIsG)(k-1) + ΔIsG * ΔT , wobei Integ(ΔIsG)(k): der aktuell berechnete Integratorwert der Differenz für den bestimmten Betrag zu einem Zeitpunkt (k) und Integ(ΔIsG)(k-1) der berechnete Integratorwert der Differenz für den bestimmten Betrag von einer letzten Rechenperiode (k-1) und ΔT die Rechenperiode ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Obergrenze ΔIs-Max definiert wird, wobei der Integratorwert um die Obergrenze vermindert wird, wenn der Integratorwert die positive Obergrenze ΔIsMax übersteigt und wobei der Integratorwert um die Obergrenze vermindert wird, wenn der Integratorwert die negative Obergrenze -ΔIsMax unterschreitet.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer dem ersten Drehzahlbereich zugeordneten Drehzahl der elektrischen Maschine alle drei Phasenströme gleichzeitig und getrennt voneinander berechnet werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzen der einzelnen Phasen aufintegriert werden, mittels $$\text{Integ}\left(\Delta \text{Isu}\right)\left(k\right)=\text{Integ}\left(\Delta \text{Isu}\right)\left(k-1\right)+\Delta \text{Isu}\ast \Delta T$$

    

    und $$\text{Integ}\left(\Delta \text{Isv}\right)\left(k\right)=\text{Integ}\left(\Delta \text{Isv}\right)\left(k-1\right)+\Delta \text{Isv}\ast \Delta T$$

    

    und $$\text{Integ}\left(\Delta \text{Isw}\right)\left(k\right)=\text{Integ}\left(\Delta \text{Isw}\right)\left(k-1\right)+\Delta \text{Isv}\ast \Delta T.$$

    
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Obergrenze ΔIs-Max definiert wird, wobei der Integratorwert um die Obergrenze vermindert wird, wenn der Integratorwert die positive Obergrenze ΔIsMax übersteigt und wobei der Integratorwert um die Obergrenze vermindert wird, wenn der Integratorwert die negative Obergrenze -ΔIsMax unterschreitet, wobei bei Überschreiten einer definierten Schwelle IntegΔIsMax durch den Integratorwert ein Fehlersignal ausgegeben wird.
12. Erfassungsvorrichtung zur Erfassung wenigstens eines Phasenstroms einer dreiphasigen elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs, wobei die Erfassungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Phasenstrom mittels wenigstens eines Erfassungselements, insbesondere mittels eines Stromsensors, zu messen, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, zusätzlich zu der Messung des wenigstens einen Phasenstroms den wenigstens einen Phasenstrom zu berechnen und eine Differenz zwischen dem wenigstens einen gemessenen Phasenstrom und dem wenigstens einen berechneten Phasenstrom zu ermitteln.
13. Kraftfahrzeug, umfassend eine Erfassungsvorrichtung nach dem vorangehenden Anspruch.

Images