DE102021213849A1 - Verfahren zum vereinfachten Erstellen eines Induktivitätskennfelds einer Synchronmaschine und Maschinensystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erstellen eines strom- und frequenzabhängigen Induktivitätskennfelds einer Synchronmaschine (1), insbesondere einer permanentmagneterregten Synchronmaschine (1), mit einem Rotor (2), einer Rotorlängsachse (3) und einem Stator (4). Gemäß dem Verfahren werden Referenzspannungen in die Synchronmaschine (1) für eine Vielzahl von DC-Messpunkten eingesteuert und resultierende Ist-Ströme ermittelt. Auf Grundlage der Ist-Ströme sowie eines Stromgrenzwerts werden Induktivitäten für totzeit-unbetroffene Basis-Messpunkte berechnet aus welchen das Induktivitätskennfeld erstellt wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Maschinensystem (7).

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erstellen eines stromabhängigen Induktivitätskennfelds einer Synchronmaschine, insbesondere einer permanentmagneterregten Synchronmaschine, für ein Kraftfahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Maschinensystem für ein Kraftfahrzeug mit einer Synchronmaschine, insbesondere einer permanentmagneterregten Synchronmaschine, und einem Wechselrichter zum Betreiben der Synchronmaschine.
• Bei modernen elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, wie beispielsweise Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, und bei einer Vielzahl weiterer Vorrichtungen, welche besonders strenge Anforderungen an einen hohen Wirkungsgrad sowie hochdynamische Eigenschaften stellen, werden sehr häufig permanentmagneterregte Synchronmaschinen verwendet, welche häufig kurz als „PMSM“ bezeichnet werden. Permanentmagneterregte Synchronmaschinen weisen gegenüber anderen Elektromaschinen eine verhältnismäßig hohe Leistungsdichte auf und sind mit einer entsprechend ausgebildeten Leistungselektronik besonders präzise drehzahlregelbar. Zudem sind permanentmagneterregte Synchronmaschinen besonders kostengünstig herstellbar und weisen bei einer kompakten Bauform ein verhältnismäßig geringes Gewicht, ein hohes Anfahrmoment sowie ein besonders geringes Rastmoment auf.
• Für die Steuerung herkömmlicher permanentmagneterregter Synchronmaschinen werden Sensoren zur Ermittlung von Betriebsparametern der Synchronmaschine benötigt. Insbesondere aufgrund der Fehleranfälligkeit derartiger Sensoren gewinnen sensorlose Systeme zunehmend an Bedeutung, durch welche Sensoren ersetzbar und somit eine höhere Robustheit sowie Betriebssicherheit der Synchronmaschine bewirkbar sind.
• Sensorlose Synchronmaschinen weisen bei einem reduzierten Hardware- sowie Kostenaufwand eine erhöhte Komplexität der Signalverarbeitung auf. Zur Gewährleistung einer präzisen Lagebestimmung mit konstanter Qualität sowie über das gesamte Drehzahlspektrum der Synchronmaschine kommen bei sensorlosen Synchronmaschinen mitunter mehrere Ermittlungsverfahren zum Einsatz, welche eine sehr genaue Kenntnis über die Parameter, Kennfelder sowie Kennlinien der Synchronmaschine erfordern. Beispielsweise stellt die Ermittlung von Rotorwinkeln und Drehzahlen in einem verhältnismäßig hohen sowie einem verhältnismäßig niedrigen Drehzahlbereich der Synchronmaschine eine besondere Herausforderung an die Präzision dar.
• Es gibt verschiedene Gründe, die Parameter einer permanentmagneterregten Synchronmaschine (PMSM) zu bestimmen. Die Relevanz verschiedener elektrischer Parameter wird durch die jeweilige Anwendung der Elektromaschine bestimmt. Für eine dynamische Stromregelung sind die Zeitkonstante bzw. der Statorwiderstand und die Statorinduktivität wesentlich. Es können jedoch weitere Parameter erforderlich sein, zum Beispiel in sensorlosen Kontrollmethoden, wie beispielsweise EMF-Beobachter, um den elektrischen Rotorwinkel oder die Geschwindigkeit abzuschätzen. Komplexe Parameter, wie beispielsweise Kennlinien oder aktuelle Kennfelder, können das dynamische Verhalten und die Effizienz einer Steuerungsvorrichtung deutlich verbessern. Beispielsweise führt eine durch Eisensättigung reduzierte Induktivität im Gegenzug zu einer niedrigeren Zeitkonstante.
• Daher kann die Steuerungsvorrichtung bei höheren Strömen zu langsam erscheinen. Eine weitere Anwendung, bei welcher die Kennfelder der differentiellen dq-Induktivitäten verwendet werden, könnte die Steuerung des maximalen Drehmoments pro Ampere sein, welche die Effizienz des Motorbetriebs optimiert. Die Parameter können gemäß den IEEE-Standards im Hochpräzisionslabor ermittelt werden. Dies erfordert den Einsatz teurer Messgeräte sowie komplexe Einstellungen.
• Neuere Veröffentlichungen - wie beispielsweise Sven Ludwig Kellner, „Parameteridentifikation bei permanenterregten Synchronmaschinen“, Dissertation, Technische Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg, 2012; G.Wang et al., „Self-Commissioning of Permanent Magnet Synchronous Machine Drives at Standstill Considering Inverter Nonlinearities“ in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 29, no. 12, pp. 6615-6627, Dec. 2014; oder T. L. Vandoorn, F. M. De Belie, T. J. Vyncke, J. A. Melkebeek and P. Lataire, „Generation of Multisinusoidal Test Signals for the Identification of Synchronous-Machine Parameters by Using a Voltage-Source Inverter“ in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.57, no. 1, pp. 430-439, Jan. 2010 - zeigen die Nutzbarkeit von Wechselrichtern durch Kompensation der Wechselrichter-Nichtlinearitäten, was zusätzliche Parameter des Wechselrichters erfordert.
• Andere Methoden - wie beispielsweise S. A. Odhano, R. Bojoi, S. G. Rosu and A. Tenconi, „Identification of the Magnetic Model of Permanent-Magnet Synchronous Machines Using DC-Biased Low-Frequency AC Signal Injection“ in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 51, no. 4, pp. 3208-3215, July-Aug. 2015; und S. A. Odhano, P. Giangrande, R. I. Bojoi and C. Gerada, „Self-Commissioning of Interior Permanent-Magnet Synchronous Motor Drives With High-Frequency Current Injection“ in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 50, no. 5, pp. 3295-3303, Sept.-Oct. 2014 - versuchten, die Nichtlinearitäten des Wechselrichters zu umgehen, erfordern aber, dass der eingeprägte Strom sinusförmig ist, was in der Regel nicht möglich ist, wenn er einen Nulldurchgang kreuzt.
• In den meisten Veröffentlichungen wurde nur der feste Spannungsabfall von Nichtlinearitäten, die durch die Totzeit verursacht werden, betrachtet. Gleichwohl entstehen innerhalb der Freilaufzeit auch Dioden-Spannungsabfälle, während in der mittleren Zeit stromabhängige ohmsche Verluste des Einschaltwiderstands entstehen, die sich in unterschiedliche Anstiegsgeschwindigkeiten von Soll- und Ist-Spannung ergeben. Je nach der Charakteristik des MOSFETs oder IGBTs können bei Vernachlässigung dieser beiden Terme hohe Fehler entstehen. Daher sind die hochpräzisen Laborergebnisse für die Bewertung der Ergebnisse eines Standardwechselrichters bei diesen Verfahren unverzichtbar.
• Aus dem Dokument EP 2 693 226 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen von Induktivitätsparametern einer Synchronmaschine bekannt. Das Dokument CN 112953338 A offenbart ein Verfahren zum sensorlosen Betreiben einer Synchronmaschine durch Einprägen eines Rechtecksignals zur Ermittlung einer Verluststromstärke zur Berechnung der dq-Induktivitäten der Synchronmaschine. Die Dokumente WO 2017 / 025993 A1 und WO 2010 / 010987 A1 zeigen Verfahren zum Regeln einer Synchronmaschine unter Berücksichtigung von Totzeiteffekten des Wechselrichters.
• Bekannte Verfahren zum sensorlosen Betreiben von Synchronmaschinen haben den Nachteil, dass zur Bestimmung der dq-Induktivitäten eine genaue Kenntnis der Ld/Lq-Induktivitätskennfelder erforderlich ist. Diese sind mittels der bekannten wechselrichterbasierten Verfahren nicht oder zumindest nur unzuverlässig ermittelbar. Die Ermittlung dieser Induktivitätskennfelder erfolgt üblicherweise unter sehr aufwendigen Laborbedingungen und ist daher für den Einsatz in der Produktion sowie Wartung gattungsgemäßer Synchronmaschinen nicht geeignet. Ferner ist ein drehzahl- sowie rotorlagenpräziser Betrieb der Synchronmaschinen im Bereich von Totzeiten bzw. Nulldurchgängen der Phasen bei den bekannten Verfahren nur eingeschränkt gewährleistet.
• Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen eines stromabhängigen Induktivitätskennfelds einer Synchronmaschine, insbesondere einer permanentmagneterregten Synchronmaschine (PMSM), zu schaffen, welches die voranstehend bezeichneten Nachteile nicht aufweist. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und ein Maschinensystem zu schaffen, welches auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise eine zuverlässige sowie serientaugliche Ermittlung eines stromabhängigen Induktivitätskennfelds einer Synchronmaschine, insbesondere einer permanentmagneterregten Synchronmaschine, aufweist. Hierbei soll auf aufwendige Labordiagnosemittel verzichtet oder zumindest teilweise verzichtet werden.
• Voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Bestimmen eines stromabhängigen Induktivitätskennfelds einer Synchronmaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch ein Maschinensystem mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 11 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Maschinensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
• Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Erstellen eines stromabhängigen Induktivitätskennfelds einer Synchronmaschine gelöst. Das Verfahren weist auf:
• - Elektrisches Koppeln der Synchronmaschine mit einem Wechselrichter zum Betreiben der Synchronmaschine,
• - Einsteuern von Referenzspannungen in die Synchronmaschine für mehrere DC-Messpunkte mit einem überlagerten Hochfrequenzsignal mittels des Wechselrichters,
• - Messen von Ist-Strömen der Synchronmaschine für die DC-Messpunkte mittels des Wechselrichters,
• - Vergleichen der ermittelten Ist-Ströme mit einem vorgegebenen Stromgrenzwert mittels einer Auswerteinheit,
• - Einteilen der DC-Messpunkte, bei welchen der ermittelte Ist-Strom den Stromgrenzwert übersteigt, in Basis-Messpunkte und der DC-Messpunkte, bei welchen der ermittelte Ist-Strom den Stromgrenzwert nicht übersteigt, in Totzeit-Messpunkte mittels der Auswerteinheit,
• - Berechnen der Induktivitäten für die Basis-Messpunkte auf Grundlage der jeweiligen Referenzspannungen sowie der jeweiligen gemessenen Ist-Ströme mittels der Auswerteinheit, und
• - Erstellen des Induktivitätskennfelds aus den berechneten Induktivitäten mittels der Auswerteinheit.
• Zunächst wird die Synchronmaschine mit dem Wechselrichter elektrisch gekoppelt. Der Wechselrichter ist vorzugsweise zum Betreiben der Synchronmaschine ausgebildet.
• Vorzugsweise weist der Wechselrichter eine Leistungselektronik auf. Vorzugsweise weist der Wechselrichter Leistungskennwerte auf, welche den Leistungskennwerten der Synchronmaschine entsprechen oder zumindest im Wesentlichen entsprechen. Die elektrische Kopplung wird vorzugsweise über Stromschienen, Steckkontakte oder dergleichen hergestellt.
• In dem elektrisch gekoppelten Zustand werden mittels des Wechselrichters für mehrere DC-Messpunkte Referenzspannungen mit einem überlagerten Hochfrequenzsignal in die Synchronmaschine eingesteuert. Das Einsteuern kann erfindungsgemäß beispielsweise als Einregeln erfolgen. Aufgrund der maschinenspezifischen Eigenschaften der Synchronmaschine sowie des spezifischen Verhaltens des Wechselrichters werden hierdurch Ist-Ströme der Synchronmaschine bewirkt.
• Die Ist-Ströme werden mittels des Wechselrichters für die DC-Messpunkte ermittelt, vorzugsweise durch Messen, und der Auswerteinheit bereitgestellt, beispielsweise über eine elektrische Steckkontaktschnittstelle, kabellose Datenverbindung oder dergleichen. Vorzugsweise werden die vom Regler verwendeten Referenz-Spannungen aufgezeichnet und der Auswerteeinheit bereitgestellt. Die Ist-Ströme und Referenz-Spannungen werden vorzugsweise als Wertepaare bereitgestellt.
• Mittels der Auswerteinheit werden die ermittelten Ist-Ströme mit dem vorgegebenen Stromgrenzwert verglichen. Der vorgegebene Stromgrenzwert ist derart definiert, dass hiermit Totzeitbereiche des Wechselrichters identifizierbar sind. Der Stromgrenzwert beträgt daher vorzugsweise etwa 1,5% des Nennstroms der Elektromaschine. Als Ergebnis des Vergleichs werden DC-Messpunkte identifiziert, bei welchen die ermittelten Ist-Ströme größer sind als der Stromgrenzwert und bei welchen die ermittelten Ist-Ströme nicht größer sind als der Stromgrenzwert. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise als Teil des Wechselrichters oder als separates Gerät ausgeführt sein.
• Basierend auf dem Vergleich werden die DC-Messpunkte mittels der Auswerteinheit in zwei Gruppen eingeteilt, die Basis-Messpunkte und die Totzeit-Messpunkte. Die Basis-Messpunkte weisen Ist-Ströme auf, welche größer sind als der Stromgrenzwert. Die Totzeit-Messpunkte weisen Ist-Ströme auf, welche nicht größer sind als der Stromgrenzwert. Für die Erstellung des Induktivitätskennfelds sind die Basis-Messpunkte von besonderer Bedeutung, da diese Messpunkte einen ausreichenden Abstand zu den Totzeiten des Wechselrichters aufweisen.
• Anschließend werden mittels der Auswerteinheit die Induktivitäten für die Basis-Messpunkte auf Grundlage der jeweiligen Referenzspannungen sowie der jeweiligen ermittelten Ist-Ströme berechnet. Eine Berechnung der Induktivitäten für die Totzeit-Messpunkte wird vorzugsweise nicht durchgeführt, da die Nähe zu den Totzeiten zu gering ist und somit keine zuverlässigen Induktivitäten berechenbar sind.
• Die Totzeit-betroffenen Stromwerte der Synchronmaschine ergeben sich in einem αβ-Rahmen wie folgt: $$\left[\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$$

  
• Aus i_a = 0, i_b = x, i_c = -x folgt: $$\begin{array}{cc}{i}_{\alpha }=0& i_{\beta }=\frac{2}{\sqrt{3}}\cdot x\end{array}$$

  
• Aus i_a = x, i_b = 0, i_c = -x folgt: $$i_{\alpha }=\sqrt{3}\cdot i_{\beta }$$

  
• Aus i_a = x, i_b = -x, i_c = 0 folgt: $$i_{\alpha }=-\sqrt{3}\cdot i_{\beta }$$

  
• Die Totzeit-betroffenen Stromwerte für die einzelnen Phasen der Synchronmaschine sind in 1 in einem αβ-Rahmen dargestellt.
• Aus der für Ströme und Spannungen gültigen Beziehung $$\left[\begin{array}{c}{\underset{\_}{x}}_{\alpha }\\ {\underset{\_}{x}}_{\beta }\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\underset{\_}{x}}_a\\ {\underset{\_}{x}}_b\\ {\underset{\_}{x}}_c\end{array}\right]$$

  

  $$\left[\begin{array}{c}{\underset{\_}{x}}_d\\ {\underset{\_}{x}}_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\text{cos}\left({\phi }_r\right)& \text{sin}\left({\phi }_r\right)\\ -\text{sin}\left({\phi }_r\right)& \text{cos}\left({\phi }_r\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\underset{\_}{x}}_{\alpha }\\ {\underset{\_}{x}}_{\beta }\end{array}\right]$$

  

  folgt für φr = 0° $$\left[\begin{array}{c}{\underset{\_}{x}}_d\\ {\underset{\_}{x}}_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\underset{\_}{x}}_{\alpha }\\ {\underset{\_}{x}}_{\beta }\end{array}\right]$$

  
• Unter Verwendung einer diskreten Fourier-Transformation, zum Beispiel des Goertzel-Algorithmus, lassen sich die Real- und Imaginärteile ermitteln, womit Betrag $$\left|x\right|\left[j\right]=\sqrt{\Re {\left\{x\left[j\right]\right\}}^2+\Im {\left\{x\left[j\right]\right\}}^2}$$

  

  und Phase $${\phi }_x\left[j\right]=\text{atan}\left(\frac{\Im \left\{x\left[j\right]\right\}}{\Re \left\{x\left[j\right]\right\}}\right)$$

  

  berechnet werden können. Für die Impedanzen $${\underset{\_}{Z}}_d=\frac{{\underset{\_}{u}}_d}{{\underset{\_}{i}}_d}$$

  

  und $${\underset{\_}{Z}}_q=\frac{{\underset{\_}{u}}_q}{{\underset{\_}{i}}_q}$$

  

  lassen sich somit die Induktivitäten berechnen mittels: $$L=\sqrt{\frac{{\text{sin}}^2\left({\phi }_{ui}\right)\cdot {\left|\underset{\_}{Z}\right|}^2}{{\omega }_{\text{HF}}^2}}$$

  
• Schließlich wird mittels der Auswerteinheit das Induktivitätskennfeld aus den berechneten Induktivitäten erstellt. Das Induktivitätskennfeld wird vorzugsweise als dq-Induktivitätskennfeld erstellt. Das bedeutet, dass das Induktivitätskennfeld vorzugsweise ein L_d-Induktivitätskennfeld sowie ein L_q-Induktivitätskennfeld aufweist. Für die Ermittlung von Induktivitätskennwerten bei anderen Frequenzen wird das Verfahren vorzugsweise wiederholt durchgeführt, wobei eine andere Frequenz des Hochfrequenzanteils der Referenzspannungen verwendet wird.
• Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Erstellen eines strom- und frequenzabhängigen Induktivitätskennfelds einer Synchronmaschine hat gegenüber herkömmlichen Verfahren den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein besonders effizientes Erstellen des Induktivitätskennfelds gewährleistet ist. Detaillierte Induktivitätskennfelder sind mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens innerhalb weniger Sekunden ermittelbar, ohne dass die Nichtlinearitäten des Wechselrichters zu berücksichtigen sind. Zudem erfordert das erfindungsgemäße Verfahren keine zusätzlichen Spannungssensoren, da die Ermittlung der Ströme mittels des Wechselrichters erfolgt und nur die gemessenen Ströme sowie die Referenzspannungen verwendet werden. Für die Durchführung des Verfahrens kann ein einfacher Wechselrichter verwendet werden, wobei kein aufwendiges Wechselrichter-Setup erforderlich ist. Zudem müssen die Nichtlinearitäten des Wechselrichters nicht aufwändig kompensiert werden. Für die Erstellung des Induktivitätskennfeldes sind nur wenige Gleichungen erforderlich. Das Induktivitätskennfeld ist beispielsweise während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens leicht in einem Speicher des Wechselrichters abspeicherbar. Das Verfahren ist daher besonders gut in einer Serienfertigung sowie in einem Servicecenter, beispielsweise zum Vermessen eines Verschleißes der Synchronmaschine, wirtschaftlich und effizient einsetzbar.
• Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass die Referenzspannungen derart eingesteuert werden, dass eine Rotation des Rotors vermieden wird. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass die DC-Messpunkte derart angesteuert werden, dass abwechselnd ein positives Drehmoment und ein vorzugsweise vom Betrag her gleichgroßes oder zumindest nahezu gleichgroßes negatives Drehmoment am Rotor erzeugt wird. Dies kann sich bei der Durchführung des Verfahrens beispielsweise in Form eines leichten Vibrierens des Rotors oder eines leichten Oszillierens des Rotors um die Rotorlängsachse äußern. Somit kann während der Durchführung des Verfahrens von einer konstanten Rotorlage ausgegangen werden, sodass eine aufwendige Transformation der Messdaten in Abhängigkeit der jeweiligen Rotorlagen nicht erforderlich ist. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise der Rechenaufwand bei der Durchführung des Verfahrens erheblich reduziert ist. Zudem ist die Qualität des erstellten Induktivitätskennfelds auf diese Weise verbessert.
• Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass der Rotor bei dem Einsteuern der Referenzspannungen relativ zum Stator drehfest gehalten wird. Das drehfeste Halten des Rotors kann beispielsweise mittels eines Schraubbocks, einer Bremsvorrichtung oder dergleichen erfolgen. Durch das drehfeste Halten des Rotors ist auch ein leichtes Oszillieren des Rotors verhinderbar. Somit kann während der Durchführung des Verfahrens von einer konstanten Rotorlage ausgegangen werden, sodass eine aufwendige Transformation der Messdaten in Abhängigkeit der jeweiligen Rotorlagen nicht erforderlich ist. Ein spezielles Einsteuern der Referenzspannungen zur Kompensation eines Drehmoments der Synchronmaschine kann zusätzlich vorgesehen sein, ist aber nicht mehr erforderlich. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise der Rechenaufwand bei der Durchführung des Verfahrens erheblich reduziert ist. Zudem ist die Qualität des erstellten Induktivitätskennfelds auf diese Weise verbessert.
• Weiter bevorzugt werden die Referenzspannungen als Sinusspannungen eingesteuert. Eine Sinusspannung wird für den Betrieb von Synchronmaschinen, insbesondere von permanentmagneterregten Synchronmaschinen, vorzugsweise verwendet, sodass die Verwendung von Sinusspannungen im Rahmen der Bestimmung des Induktivitätskennfelds zu genaueren Ergebnissen führt. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise die Qualität des erstellten Induktivitätskennfelds verbessert ist.
• In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung werden die Induktivitäten für die Totzeit-Messpunkte aus den berechneten Induktivitäten benachbarter Basis-Messpunkte interpoliert. Hierfür steht eine Vielzahl von Interpolationsverfahren zur Verfügung. Durch Interpolation lassen sich die durch die Totzeit-Messpunkte entstandenen Lücken des Induktivitätskennfelds leicht mit plausiblen Werten schließen. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise die Qualität des erstellten Induktivitätskennfelds verbessert ist.
• Vorzugsweise wird für die Interpolation der Induktivität für die Totzeit-Messpunkte eine lineare Interpolation verwendet. Lineare Interpolation erfordert einen besonders geringen Rechenaufwand. Aufgrund der zuverlässigen Messwerte um die Totzeit-Messpunkte herum lassen sich mittels der linearen Interpolation die durch die Totzeit-Messpunkte entstandenen Lücken des Induktivitätskennfelds besonders leicht mit plausiblen Werten schließen. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise die Qualität des erstellten Induktivitätskennfelds verbessert ist.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Rotor nach dem Beenden des Ermittelns der Ist-Ströme um die Rotorlängsachse um einen definierten Winkel gedreht, wobei das Einsteuern der Referenzspannungen, Ermitteln der Ist-Ströme, Vergleichen der ermittelten Ist-Ströme, Einteilen der DC-Messpunkte, Berechnen der Induktivitäten für die Basis-Messpunkte für die neue Winkellage des Rotors durchgeführt werden, wobei das Induktivitätskennfeld mittels der Auswerteinheit durch die neu berechneten Induktivitäten ergänzt und/oder korrigiert und/oder plausibilisiert wird. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass zunächst in der Ausgangslage des Rotors ein vorläufiges Induktivitätskennfeld erzeugt wird. Nach dem Drehen des Rotors um den definierten Winkel werden die gleichen Aktionen wie bei der Erstellung des vorläufigen Induktivitätskennfelds durchgeführt. Hierdurch sind beispielsweise Redundanzen im vorläufigen Induktivitätskennfeld erzeugbar, mittels welcher die Werte des vorläufigen Induktivitätskennfelds überprüfbar sind. Überdies werden hierbei bei der Erstellung des vorläufigen Induktivitätskennfelds vorhandene Totzeit-Messpunkte durch die Winkeländerung des Rotors in Basis-Messpunkte umgewandelt, sodass Lücken im vorläufigen Induktivitätskennfeld geschlossen werden. Lediglich ein Schnittpunkt der drei Totzeit-Achsen bleibt ein Totzeit-Messpunkt, dessen Induktivität durch Interpolation leicht bestimmbar ist. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise die Qualität des erstellten Induktivitätskennfelds verbessert ist.
• Besonders bevorzugt wird als definierter Winkel ein Winkel von 30° verwendet. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Winkel von 90° verwendet werden. Vorzugsweise erfolgt zunächst eine Drehung um 30°, anschließend das Einsteuern der Referenzspannungen, Ermitteln der Ist-Ströme, Vergleichen der ermittelten Ist-Ströme, Einteilen der DC-Messpunkte, Berechnen der Induktivitäten für die Basis-Messpunkte für die resultierende neue Winkellage des Rotors, anschließend eine Drehung um weitere 60° oder 90° sowie erneutes Einsteuern der Referenzspannungen, Ermitteln der Ist-Ströme, Vergleichen der ermittelten Ist-Ströme, Einteilen der DC-Messpunkte, Berechnen der Induktivitäten für die Basis-Messpunkte für die resultierende neue Winkellage des Rotors. Die definierten Winkel können auch in unterschiedlicher Reihenfolge verwendet werden. Ein Winkel von 30° liefert eine Vielzahl von neuen Messpunkten, welche zuvor von der Totzeit betroffen und somit nicht verwertbar waren. Somit sind bei diesem Winkel besonders viele Totzeit-Messpunkte durch Basis-Messpunkte ersetzbar, sodass weniger Lücken im Induktivitätskennfeld durch Interpolation geschlossen werden müssen. Hierdurch sind die Datendichte und -qualität des Induktivitätskennfelds verbesserbar. Ein Winkel von 90° hat den Vorteil einer Überprüfung bereits ermittelter Messpunkte und weist für das Erstellen des Induktivitätskennfelds einen reduzierten Rechenaufwand auf. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise die Qualität des erstellten Induktivitätskennfelds verbessert ist.
• Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass eine Auswerteinheit verwendet wird, die in den Wechselrichter integriert ist. Die Auswerteinheit und der Wechselrichter sind vorzugsweise in einem gemeinsamen Leistungselektronikgehäuse angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine elektrische Kopplung der Synchronmaschine mit dem Wechselrichter und der Auswerteinheit verbessert ist. Der Aufwand bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit auf vorteilhafte Weise reduziert.
• Vorzugsweise wird das Verfahren für Hochfrequenzsignale mit unterschiedlichen Frequenzen mehrfach durchgeführt, wobei das Induktivitätskennfeld mittels der Auswerteinheit als strom- und frequenzabhängiges Induktivitätskennfeld erstellt wird. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein Informationsgehalt des Induktivitätskennfelds vergrößert ist.
• Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Maschinensystem gelöst. Das Maschinensystem weist eine Synchronmaschine, insbesondere eine permanentmagneterregte Synchronmaschine, mit einem Rotor, einer Rotorlängsachse sowie einem Stator und einen Wechselrichter zum Betreiben der Synchronmaschine auf, wobei der Wechselrichter eine Speichervorrichtung aufweist, in welcher ein Induktivitätskennfeld der Synchronmaschine abgespeichert ist. Erfindungsgemäß ist das Induktivitätskennfeld mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens erstellt. Der Stator und der Rotor sind vorzugsweise in einem gemeinsamen Motorgehäuse angeordnet, wobei der Rotor vorzugsweise auf mindestens einer Seite des Maschinengehäuses hinausragt. Der Rotor ist drehbar relativ zum Stator gelagert. Bei einer permanentmagneterregten Synchronmaschine weist der Rotor Permanentmagnete auf. Der Stator weist einen Statorgrundkörper auf, an welchem Statorwicklungen, wie beispielsweise eine Drahtwicklung oder eine Hairpinwicklung, angeordnet ist.
• Bei dem erfindungsgemäßen Maschinensystem ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Maschinensystem gegenüber herkömmlichen Maschinensystemen den Vorteil, dass das in der Speichervorrichtung gespeicherte Induktivitätskennfeld mit einfachen Mitteln, auf eine kostengünstige Art und Weise sowie besonders effizient erstellt ist. Das Induktivitätskennfeld weist einen im Verhältnis zum Aufwand der Ermittlung besonders hohen Detaillierungsgrad auf, wobei bei der Erstellung des Induktivitätskennfelds die Nichtlinearitäten des Wechselrichters nicht berücksichtigt werden mussten. Zudem werden für die Erstellung des Induktivitätskennfelds keine zusätzlichen Spannungssensoren verwendet, da die Ermittlung der Ströme mittels eines einfachen Wechselrichters durchgeführt ist. Ein aufwendiges Wechselrichter-Setup ist hierfür nicht erforderlich. Das Maschinensystem ist daher besonders gut in einer Serienfertigung herstellbar sowie in einem Servicecenter, beispielsweise zum Vermessen eines Verschleißes der Synchronmaschine, wirtschaftlich und effizient untersuchbar.
• Ein erfindungsgemäßes Verfahren sowie ein erfindungsgemäßes Maschinensystem werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
• 1 in einem αβ-Rahmen Totzeit-betroffene Stromwerte einer Synchronmaschine,
• 2 in einer perspektivischen Ansicht ein Beispiel eines L_d-Induktivitätskennfelds der Synchronmaschine,
• 3 in einer Draufsicht das L_d-Induktivitätskennfeld aus 2,
• 4 in einer perspektivischen Ansicht ein Beispiel eines L_q-Induktivitätskennfelds der Synchronmaschine,
• 5 in einer Draufsicht das L_q-Induktivitätskennfeld aus 4,
• 6 in einer Seitenansicht eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Maschinensystems, und
• 7 in einem Ablaufdiagramm eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 7 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
• In 1 sind Totzeit-betroffene Stromwerte der Synchronmaschine 1 in einem αβ-Rahmen dargestellt. Die Totzeit-betroffene Stromwerte sind als drei Geraden ausgebildet, die einen gemeinsamen Schnittpunkt aufweisen.
• 2 zeigt ein Beispiel eines L_d-Induktivitätskennfelds der Synchronmaschine 1 (vgl. 6) in einer perspektivischen Ansicht. In 3 ist das L_d-Induktivitätskennfeld aus 2 in einer Draufsicht abgebildet. 4 zeigt ein Beispiel eines L_q-Induktivitätskennfelds der Synchronmaschine 1 in einer perspektivischen Ansicht. In 5 ist das L_q-Induktivitätskennfeld aus 4 in einer Draufsicht abgebildet. In 3 und 5 sind Basis-Messpunkte B und gemäß den in 1 dargestellten Totzeit-betroffene Stromwerte angeordnete Totzeit-Messpunkte T erkennbar.
• 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Maschinensystems 7 schematisch in einer Seitenansicht. Das Maschinensystem 7 weist eine Synchronmaschine 1 mit einem sich entlang einer Rotorlängsachse 3 erstreckenden Rotor 2 und einem Stator 4 auf. Die Synchronmaschine 1 ist vorzugsweise als permanentmagneterregte Synchronmaschine 1 ausgebildet. Zum Steuern der Synchronmaschine 1 weist das Maschinensystem 7 einen Wechselrichter 5 mit einer Auswerteinheit 6 und einer Speichervorrichtung 8 zum Speichern des Induktivitätskennfelds der Synchronmaschine 1 auf. Die Auswerteinheit 6 ist für das reine Betreiben der Synchronmaschine auf Basis eines bereits vorhandenen Induktivitätskennfelds nicht erforderlich.
• In 7 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in einem Ablaufdiagramm abgebildet. Gemäß einer ersten Verfahrensaktion 100 wird die Synchronmaschine 1 mit dem Wechselrichter 5 elektrisch gekoppelt. Gemäß einer zweiten Verfahrensaktion 200 werden mittels des Wechselrichters 5 für mehrere DC-Messpunkte Referenzspannungen mit einem überlagerten Hochfrequenzsignal in die Synchronmaschine 1 eingesteuert. Gemäß einer dritten Verfahrensaktion 300 werden mittels des Wechselrichters 5 Ist-Ströme der Synchronmaschine 1 für die DC-Messpunkte ermittelt, vorzugsweise durch Messen. Gemäß einer vierten Verfahrensaktion 400 werden mittels der Auswerteinheit 6 die ermittelten Ist-Ströme mit einem vorgegebenen Stromgrenzwert verglichen.
• Gemäß einer fünften Verfahrensaktion 500 werden mittels der Auswerteinheit 6 die DC-Messpunkte, bei welchen der ermittelte Ist-Strom den Stromgrenzwert übersteigt, in Basis-Messpunkte B und die DC-Messpunkte, bei welchen der ermittelte Ist-Strom den Stromgrenzwert nicht übersteigt, in Totzeit-Messpunkte T eingeteilt. Gemäß einer sechsten Verfahrensaktion 600 werden mittels der Auswerteinheit 6 die Induktivitäten für die Basis-Messpunkte B auf Grundlage der jeweiligen Referenzspannungen des Wechselrichters sowie der jeweiligen ermittelten Ist-Ströme berechnet. Gemäß einer siebten Verfahrensaktion 700 wird mittels der Auswerteinheit 6 das Induktivitätskennfeld aus den berechneten Induktivitäten erstellt.
• Bezugszeichenliste

1

Synchronmaschine

2

Rotor

3

Rotorlängsachse

4

Stator

5

Wechselrichter

6

Auswerteinheit

7

Maschinensystem

8

Speichervorrichtung

100

erste Verfahrensaktion

200

zweite Verfahrensaktion

300

dritte Verfahrensaktion

400

vierte Verfahrensaktion

500

fünfte Verfahrensaktion

600

sechste Verfahrensaktion

700

siebte Verfahrensaktion

B

Basis-Messpunkt

T

Totzeit-Messpunkt

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• EP 2693226 A1 [0010]
• CN 112953338 A [0010]

Claims (11)

1. Verfahren zum Erstellen eines stromabhängigen Induktivitätskennfelds einer Synchronmaschine (1) mit einem Rotor (2), einer Rotorlängsachse (3) und einem Stator (4), aufweisend: - Elektrisches Koppeln der Synchronmaschine (1) mit einem Wechselrichter (5) zum Betreiben der Synchronmaschine (1), - Einsteuern von Referenzspannungen in die Synchronmaschine (1) für mehrere DC-Messpunkte mit einem überlagerten Hochfrequenzsignal mittels des Wechselrichters (5), - Ermitteln von Ist-Strömen der Synchronmaschine (1) für die DC-Messpunkte mittels des Wechselrichters (5), - Vergleichen der ermittelten Ist-Ströme mit einem vorgegebenen Stromgrenzwert mittels einer Auswerteinheit (6), - Einteilen der DC-Messpunkte, bei welchen der ermittelte Ist-Strom den Stromgrenzwert übersteigt, in Basis-Messpunkte (B) und der DC-Messpunkte, bei welchen der ermittelte Ist-Strom den Stromgrenzwert nicht übersteigt, in Totzeit-Messpunkte (T) mittels der Auswerteinheit (6), - Berechnen der Induktivitäten für die Basis-Messpunkte (B) auf Grundlage der jeweiligen Referenzspannungen sowie der jeweiligen ermittelten Ist-Ströme mittels der Auswerteinheit (6), und - Erstellen des Induktivitätskennfelds aus den berechneten Induktivitäten mittels der Auswerteinheit (6).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannungen derart eingesteuert werden, dass eine Rotation des Rotors (2) vermieden wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) bei dem Einsteuern der Referenzspannungen relativ zum Stator (4) drehfest gehalten wird.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannungen als Sinusspannungen eingesteuert werden.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivitäten für die Totzeit-Messpunkte (T) aus den berechneten Induktivitäten benachbarter Basis-Messpunkte (B) interpoliert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Interpolation der Induktivität für die Totzeit-Messpunkte (T) eine lineare Interpolation verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) nach dem Beenden des Ermittelns der Ist-Ströme um die Rotorlängsachse (3) um einen definierten Winkel gedreht wird, wobei das Einsteuern der Referenzspannungen, Ermitteln der Ist-Ströme, Vergleichen der ermittelten Ist-Ströme, Einteilen der DC-Messpunkte, Berechnen der Induktivitäten für die Basis-Messpunkte (B) für die neue Winkellage des Rotors (2) durchgeführt werden, wobei das Induktivitätskennfeld mittels der Auswerteinheit (6) durch die neu berechneten Induktivitäten ergänzt und/oder korrigiert und/oder plausibilisiert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als definierter Winkel ein Winkel von 30° und/oder 90° verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteinheit (6) verwendet wird, die in den Wechselrichter (5) integriert ist.
10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für Hochfrequenzsignale mit unterschiedlichen Frequenzen mehrfach durchgeführt wird, wobei das Induktivitätskennfeld mittels der Auswerteinheit (6) als strom- und frequenzabhängiges Induktivitätskennfeld erstellt wird.
11. Maschinensystem (7), aufweisend eine Synchronmaschine (1) mit einem Rotor (2), einer Rotorlängsachse (3) sowie einem Stator (4) und einen Wechselrichter (5) zum Betreiben der Synchronmaschine (1), wobei der Wechselrichter (5) eine Speichervorrichtung (8) aufweist, in welcher ein Induktivitätskennfeld der Synchronmaschine (1) abgespeichert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Induktivitätskennfeld mittels eines Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche erstellt ist.

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