DE102022110304A1

DE102022110304A1 - Verfahren zur Bestimmung einer initialen Rotorlage eines Rotors, Computerprogrammprodukt, Steuereinheit und elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102022110304A1
Application number: DE102022110304.8A
Authority: DE
Inventors: Erhard Hodrus; Christian Eberle
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-04-28
Filing date: 2022-04-28
Publication date: 2023-11-02
Also published as: WO2023208272A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer initialen Rotorlage eines Rotors (1) einer elektrischen Maschine (2), insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer initialen Rotorlage eines Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt, eine Steuereinheit und eine elektrische Maschine.
Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
Bei Elektromotoren kommt es ferner sehr darauf an, wie die vom Magnetfeld durchströmten Teile zueinander positioniert sind. Dies betrifft sowohl die mechanische Struktur des Elektromotors, durch die die Teile gehalten und exakt positioniert werden, als auch die genaue Kenntnis über die Winkellage der sich drehenden Teile, denn die sich beim drehenden Motor ständig ändernde Lage der in dem drehenden Rotor integrierten Magnete (Winkelstellung) muss relativ zu dem in den Stator integrierten Magneten immer exakt bekannt sein, um den Elektromotor richtig ansteuern zu können. Die sich ändernde Winkelposition des Rotors muss zu jedem Zeitpunkt genau bekannt sein, um die Ausrichtung der Rotorkomponenten (z. B. der Rotormagnete, die meist als Permanentmagnete ausgeführt werden) relativ zu den Statorkomponenten (z. B. der Statormagnete, die meist als Elektromagnete ausgeführt werden) zu ermitteln und die Ansteuerung des Motors darauf abstimmen zu können.
Die Ansteuerung eines derartigen Elektromotors wird also durch die Aufprägung eines Drehfeldes in den Wicklungen des Motors erreicht. Abhängig vom Rotorlagewinkel muss hierbei das Drehfeld über eine Regelung nachgeführt werden. In der Regel wird die Lage des Rotors mittels eines Rotorlagesensors gemessen und der ermittelte Rotorlagewinkel an die Ansteuerung des Elektromotors übergeben.
Um Kosten und Bauraum zu sparen, sind jedoch auch bereits geberlose Regelungen bekannt geworden, welche auf einen physischen Rotorlagesensor verzichten. Es wird hierbei lediglich auf die für die feldorientierte Regelung ohnehin unverzichtbaren Stromsensoren zurückgegriffen. Dieses insbesondere bei 3-phasigen permanenterregten Synchronmaschinen weit verbreitete Regelungskonzept beruht auf einer Transformation der 3- phasigen Wechselgrößen in ein zweiachsiges Koordinatensystem, welches synchron mit dem Rotorfluss der Maschine rotiert. In einem derartigen Koordinatensystem, üblicherweise als d/q-Koordinatensystem bezeichnet, werden beispielsweise die drei Phasenströme der Ständerwicklung i_u, i_v, i_w durch einen 2-dimensionalen Stromvektor mit den Komponenten i_q und i_d dargestellt. Bei einem ideal sinusförmigen Rotorfluss und ideal sinusförmigen Phasenströmen werden die ursprünglichen Wechselgrößen i_u, i_v, i_w als Folge des rotorflusssynchron rotierenden Koordinatensystems auf Gleichgroßen i_q, i_d abgebildet.
Bei der feldorientierten Stromregelung werden die Spannungswerte bzw. Stromwerte der Phasen des Stators der Synchronmaschine also in bekannter Weise auf ein zweidimensionales Koordinatensystem, dessen zueinander senkrechte Achsen üblicherweise mit d („direct“) und q („quadrature“) bezeichnet werden, transformiert. Dieses Koordinatensystem rotiert relativ zum Stator der Synchronmaschine und ruht relativ zum Rotor der Synchronmaschine. Die Transformation selbst heißt Park- Transformation, das zweidimensionale Koordinatensystem, auf das transformiert wird, heißt Park-Koordinatensystem. Die Park-Transformation kann über den Zwischenschritt einer, ebenfalls bekannten, Clarke-Transformation erfolgen, welche die Spannungswerte bzw. Stromwerte der Phasen des Stators der Synchronmaschine auf ein zweidimensionales, orthogonales, relativ zum Stator ruhendes Koordinatensystem transformiert.
Beim sensorlosen Betrieb eines Elektromotors wird - wie oben bereits erwähnt - auf den Rotorlagesensor, mit dem gewöhnlich der aktuelle Winkel des Rotors bestimmt wird, verzichtet. Man nutzt beispielsweise Stromsensorsignale und gemessene bez. geschätzte Phasenspannungen, um über ein Modell auf die Rotorlage und die Geschwindigkeit des Motors zu schließen. Unter einer Drehzahlschwelle der absoluten Drehzahl ist es notwendig sogenannte Injektionssignale einzuspeisen, welche die Identifikation der Rotorlage und der Geschwindigkeit in diesem Drehzahlbereich unterstützen. Beginnend mit einem stehenden Rotor muss durch eine Initialisierungsroutine die Rotorlage bestimmt werden.
Die initiale Rotorlage kann durch Vorgabe einer Wechselspannungsanregung, einer hochfrequenten Schwingung in d- und q-Spannung, für eine bestimmte Anzahl von Punkten auf einer Spannungskreisbahn ermittelt werden, indem die anregende Spannungsamplitude in eine resultierende Stromamplitude mündet. Durch die d- q-Koordinaten muss bei einer kreisförmigen Anregung in der Spannung im Strom eine Ellipse in der d-q-Ebene entstehen. Die Hauptachse der Ellipse entspricht dabei der d- Richtung. Diese Richtung der Hauptachse beschreibt damit den initialen Wert der Rotorlage.
Eine Möglichkeit der Bestimmung der initialen Rotorlage besteht darin, mehrere Punkte auf der Kreisbahn abzufahren, was in mehreren Punkten auf einer Ellipse resultiert. Aus diesen Punkten muss dann auf die Winkellage der Halbachsen der Ellipse geschlossen werden. Wählt man viele Punkte, dann ist das Ergebnis genauer, dauert aber eine bestimmte Zeit, da jeder Punkt mit unterschiedlicher Amplitude in d- und q- Richtung stabil angefahren und ausgewertet werden muss. Wählt man wenige Punkte beschleunigt sich das Verfahren zwar, das Ergebnis kann aber dann unter Umständen ungenau werden, da aus den wenigen Punkten die Winkellage der Halbachsen nicht so gut ermittelt werden kann. Die Messdaten bei der Auswertung unterliegen einem bestimmten Rauschanteil, was letztendlich das Ergebnis verfälscht.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes - insbesondere schnelleres und genaueres - Verfahren zur Bestimmung einer initialen Rotorlage eines Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, bereitzustellen. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines verbesserten Verfahrens zur Bestimmung einer initialen Rotorlage eines Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, zu realisieren. Es ist auch die Aufgabe der Erfindung eine Steuereinheit zur Durchführung eines verbesserten Verfahrens zur Bestimmung einer initialen Rotorlage eines Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, zu entwickeln. Schließlich ist es auch die Aufgabe der Erfindung eine verbesserte elektrische Maschine bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung einer initialen Rotorlage eines Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, umfassend die folgenden Schritte:

a) Bereitstellung einer elektrischen Maschine mit einem ruhenden Rotor,
b) Bereitstellung eines Startwerts d_est, welcher einen ersten Winkel der Rotorlage repräsentiert,
c) Erzeugung einer dreiphasigen Wechselspannungsanregung in der elektrischen Maschine durch Vorgabe einer Wechselspannung in d_est-Richtung,
d) Umrechnung der dreiphasigen Stromantwort auf die Wechselspannungsanregung der elektrischen Maschine für einen ersten modifizierten Wert d_est-45° in einen ersten Wechselstromanteil i_[d_est-45°],
e) Umrechnung der dreiphasigen Stromantwort auf die Wechselspannungsanregung der elektrischen Maschine für einen zweiten modifizierten Wert d_est+45° in einen zweiten Wechselstromanteil i_[d_est+45°],
f) Berechnung der Länge eines d- und q-Anteile aufweisenden ersten Wechselstromvektors für den ersten Wechselstromanteil i_[d_est-45°],
g) Berechnung der Länge eines d- und q-Anteile aufweisenden zweiten Wechselstromvektors für den zweiten Wechselstromanteil i_[d_est+45°],
h) Bestimmung der Differenz der Beträge der Längen zwischen dem ersten Wechselstromvektor und dem zweiten Wechselstromvektor gemäß delta_i=|i_d_est+45°|-|i_d_est-45°|,
i) Bei Vorliegen der Bedingung, dass die Differenz der Beträge der Längen zwischen dem ersten Wechselstromvektor und dem zweiten Wechselstromvektor innerhalb eines definierten Intervalls zwischen und einem definierten Fehlertoleranzwerts FTW liegt, gemäß delta_i=|i_d_est+45°|-|i_d_est-45°| =[0-FTW], Bereitstellung des initialen Rotorwinkels zur Bestromung der elektrischen Maschine und Beendigung des Verfahrens,
j) Bei Vorliegen der Bedingung, dass die Differenz der Beträge der Längen zwischen dem ersten Wechselstromvektor und dem zweiten Wechselstromvektor delta_i=|i_d_est+45°|-|i_d_est-45°| > 0 beträgt,
k) Für den Fall, dass |i_d_est+45°|>|i_d_est-45°|, Anpassung des Startwerts d_est in der Art, dass der die Rotorlage repräsentierende Winkel im Uhrzeigersinn um einen vorbestimmten Betrag gedreht ist und
l) Für den Fall, dass |i_d_est+45°|<|i_d_est-45°|, Anpassung des Startwerts d_est in der Art, dass der die Rotorlage repräsentierende Winkel gegen den Uhrzeigersinn um einen vorbestimmten Betrag gedreht ist,
m) Wiederholen der Schritte c)-l).

Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass die initiale Rotorlage ohne einen physischen Rotorlagesensor besonders schnell und sicher mittels eines iterativen Verfahrens bestimmt werden kann. Ferner kann durch das erfindungsgemäße Verfahren auch verhindert werden, dass ein auch nur kurzzeitiges Drehen der elektrischen Maschine im motorischen Betrieb in eine falsche Richtung erfolgen kann.
Zu Beginn des iterativen Lösungsalgorithmus wird mit einem insbesondere zufällig gewählten Startwert für den Winkel die erste Iteration ausgeführt. Die dreiphasige Stromantwort auf eine Wechselspannungsanregung des Systems in die vermeintliche d-Richtung wird dann mittels der bekannten Verfahren in d-q-Ströme umgerechnet. Diese Umrechnung wird aber nicht mit dem angenommenen Winkel d_est als solches durchgeführt, sondern mit dem modifizierten Winkel d_est-45°, welcher dem angenommen Winkel d_est minus 45° entspricht. Es ergibt sich so ein Wechselstromanteil i_(d_est-45°) in dieser Richtung. Es werden auch für den angenommen Winkel plus 45° die zugehörigen Ströme in d-q-Ebene berechnet, woraus sich so der Wechselstromanteil i_(d_est+45°) ergibt. Mit der Differenz der Länge des Wechselstromvektors, der Anteile in d- und q-Komponenten aufweist, wird zum Ende der Iteration die Richtung der vermeintlich „richtigen“ d-Achse angepasst. Nach wenigen Iterationen sind beide Vektoren i_(d_est-45°) und i_(d_est+45°) in etwa gleich lang. Die d-Achse ist dann ermittelt worden und aus dieser Richtung lässt sich dann der initiale Rotorwinkel ablesen. Dies wird anhand der Figuren in den Ausführungsbeschreibungen noch näher erläutert.
Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
Als Kraftfahrzeuge im Sinne dieser Anmeldung gelten Landfahrzeuge, die durch Maschinenkraft bewegt werden, ohne an Bahngleise gebunden zu sein. Ein Kraftfahrzeug kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der Personenkraftwagen (PKW), Lastkraftwagen (LKW), Kleinkrafträder, Leichtkraftfahrzeuge, Krafträder, Kraftomnibusse (KOM) oder Zugmaschinen. Ein Hybridelektrokraftfahrzeug, auch als Hybrid Electric Vehicle (HEV) bezeichnet, ist ein Elektrofahrzeug, das von mindestens einem Elektromotor sowie einem weiteren Energiewandler angetrieben wird und Energie sowohl aus seinem elektrischen Speicher (Akku) als auch einem zusätzlich mitgeführten Kraftstoff bezieht.
Im Sinne dieser Anmeldung werden unter dem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges alle Komponenten verstanden, die im Kraftfahrzeug die Leistung für den Antrieb des Kraftfahrzeugs generieren und über die Fahrzeugräder bis auf die Straße übertragen.
Eine elektrische Maschine dient zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt. Im Zusammenhang mit der Erfindung kann die elektrische Maschine eines Achsantriebsstrangs als Radial- oder Axialflussmaschine ausgebildet sein. Um einen axial besonders kompakt bauende Achsantriebsstrang auszubilden, sind Axialflussmaschinen zu bevorzugen.
Eine elektrische Maschine umfasst in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil. Eine elektrische Maschine kann trocken- oder nasslaufend ausgeführt sein.
Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines elektrisch betreibbaren Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs vorgesehen.
Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist der Elektromotor eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.
Der Rotorlagesensor ist bevorzugt als ein absoluter oder relativer Rotorlagesensor für eine elektrische Maschine ausgeführt. Der Rotorlagesensor stellt bevorzugt ein die Rotorlage repräsentierendes Sensorsignal zur Verfügung. Höchst bevorzugt wird das Sensorsignal an eine Steuereinheit zur Steuerung der elektrischen Maschine geleitet.
Eine elektrische Maschine kann ferner eine Steuereinheit aufweisen. Eine Steuereinheit, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, dient insbesondere der elektronischen Steuerung und/oder Reglung eines oder mehrerer technischer Systeme der elektrischen Maschine.
Eine Steuereinheit weist insbesondere einen kabelgebundenen oder kabellosen Signaleingang zum Empfang von insbesondere elektrischen Signalen, wie beispielsweise Sensorsignalen, auf. Ferner besitzt eine Steuereinheit ebenfalls bevorzugt einen kabelgebundenen oder kabellosen Signalausgang zur Übermittlung von insbesondere elektrischen Signalen.
Innerhalb der Steuereinheit können Steuerungsoperationen und/oder Reglungsoperationen durchgeführt werden. Ganz besonders bevorzugt ist es, dass die Steuereinheit eine Hardware umfasst, die ausgebildet ist, eine Software auszuführen. Bevorzugt umfasst die Steuereinheit wenigstens zwei elektronischen Prozessoren zur Ausführung von in jeweils einer Software definierten Programmabläufen. Die beiden Prozessoren können als Rechnerkerne auch baulich in einem Prozessor integriert sein, wobei die entsprechenden Rechnerkerne dann jeweils einen Prozessor im Sinne der Erfindung darstellen.
Die Steuereinheit kann ferner einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen die in den an die Steuereinheit übermittelten Signalen enthaltenen Daten gespeichert und wieder ausgelesen werden können. Ferner kann die Steuereinheit einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen Daten veränderbar und/oder unveränderbar gespeichert werden können.
Eine Steuereinheit kann eine Mehrzahl von Steuergeräten umfassen, welche insbesondere räumlich getrennt voneinander im Kraftfahrzeug angeordnet sind. Steuergeräte werden auch als Electronic Control Unit (ECU) oder Electronic Control Module (ECM) bezeichnet und besitzen bevorzugt elektronische Mikrocontroller zur Durchführung von Rechenoperationen zur Verarbeitung von Daten, besonders bevorzugt mittels einer Software. Die Steuergeräte können bevorzugt miteinander vernetzt sein, so dass ein kabelgebundener und/oder kabelloser Datenaustausch zwischen Steuergeräten ermöglicht ist. Insbesondere ist es auch möglich, die Steuergeräte über im Kraftfahrzeug vorhandene Bus-Systeme, wie beispielsweise CAN-Bus oder LIN-Bus, miteinander zu vernetzen.
Ganz besonders bevorzugt besitzt die Steuereinheit wenigstens einen Prozessor und wenigstens einen Speicher, der insbesondere einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor, die Steuereinheit zur Ausführung des Computerprogrammcodes zu veranlassen.
Die Steuereinheit kann besonders bevorzugt eine Leistungselektronik zur Bestromung des Stators oder Rotors umfassen. Eine Leistungselektronik ist bevorzugt ein Verbund verschiedener Komponenten, welche einen Strom an die elektrische Maschine steuern oder regeln, bevorzugt inklusive hierzu benötigter peripherer Bauteile wie Kühlelemente oder Netzteile. Insbesondere enthält die Leistungselektronik bzw. ein oder mehrere Leistungselektronikbauteile, welche zur Steuerung oder Regelung eines Stroms eingerichtet sind. Dabei handelt es sich besonders bevorzugt um einen oder mehrere Leistungsschalter, z.B. Leistungstransistoren. Besonders bevorzugt weist die Leistungselektronik mehr als zwei, besonders bevorzugt drei voneinander getrennte Phasen bzw. Strompfade mit mindestens je einem eigenen Leistungselektronikbauteil auf. Die Leistungselektronik ist bevorzugt ausgelegt, pro Phase eine Leistung mit einer Spitzenleistung, bevorzugt Dauerleistung, von mindestens 10 W, bevorzugt mindestens 100 W besonders bevorzugt mindestens 1000 W zu steuern oder regeln.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Startwerts d_est beim erstmaligen Durchlaufen des Verfahrens nach einem Zufallsprinzip gewählt ist.
Die Aufgabe der Erfindung kann auch gelöst sein durch ein Computerprogrammprodukt, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, oder Computer-Datensignal, verkörpert durch eine elektromagnetische Welle, mit Programmcode, der geeignet ist zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1-2.
Des Weiteren kann die Aufgabe der Erfindung auch gelöst sein durch eine Steuereinheit zur Steuerung und Bestromung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, umfassend einen Prozessor und einen Speicher, der einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor, die Steuereinheit zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1-2 zu veranlassen. Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Steuereinheit keinen Anschluss für einen Rotorlagesensor zur Erfassung der Rotorlage des Rotors aufweist, so dass die Steuereinheit bzw. die von ihr geregelte elektrische Maschine ohne einen physischen Rotorlagesensor auskommt.
Schließlich kann die Aufgabe der Erfindung auch gelöst sein durch eine elektrische Maschine, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, umfassend einen Stator und einen relativ zum Stator drehbaren Rotor sowie einer Steuereinheit zur Steuerung und Bestromung der elektrischen Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit eine Steuereinheit nach Anspruch 4 ist. In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine keinen Rotorlagesensor zur Erfassung der Rotorlage des Rotors aufweist. Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die elektrische Maschine zur Verwendung in einem elektrisch betreibbaren oder hybriden Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs konfiguriert ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
Es zeigt:

1 verschiedene Lagen der d-Achse in einem d/q-Koordinatensystem,
2 elektrische Maschine in einer schematischen Darstellung,
3 Kraftfahrzeuge mit je einem hybriden und einem vollelektrisch betreibbaren Antriebsstrang in einer schematischen Darstellung.

Anhand der 1 wird nachfolgend das Verfahren zur Bestimmung einer initialen Rotorlage eines Rotors 1 einer elektrischen Maschine 2, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, näher erläutert.
Zunächst erfolgt eine Bereitstellung einer elektrischen Maschine 2 mit einem ruhenden Rotor 1, wie es exemplarisch auf in der 2 gezeigt ist. Mittels der Steuereinheit 3 wird in der elektrischen Maschine 2 dann eine dreiphasige Wechselspannungsanregung in der elektrischen Maschine 2 erzeugt, was in der 2 auch mit den drei parallel verlaufenden gestrichelten Linien zwischen der Steuereinheit 3 und dem bestromten Stator 7 angedeutet ist.
Zuerst erfolgt die Bereitstellung eines zufälligen Startwerts d_est, welcher einen ersten Winkel der Rotorlage repräsentiert. Auf der Basis dieses Startwerts d_est wird die Wechselspannungsanregung in d_est-Richtung angelegt. Der dreiphasige Strom wird gemessen und in die d_est-45°-Richtung transformiert, es wird der modifizierte Wert d_est-45° berechnet. Analog hierzu erfolgt die Berechnung eines zweiten modifizierten Werts d_est+45° welcher dem Startwert d_est plus 45° entspricht.
Anschließend erfolgt eine Umrechnung der dreiphasigen Stromantwort auf die Wechselspannungsanregung der elektrischen Maschine 2 für den ersten modifizierten Wert d_est-45° in einen ersten Wechselstromanteil i_[d_est-45°], sowie die Umrechnung der dreiphasigen Stromantwort auf die Wechselspannungsanregung der elektrischen Maschine für den zweiten modifizierten Wert d_est+45° in einen zweiten Wechselstromanteil i_[d_est+45°].
Diese beiden Wechselstromanteile sind in den Abbildungen a)-c) der 1 abgebildet. Nun wird die Berechnung der Länge eines d- und q-Anteile aufweisenden ersten Wechselstromvektors für den ersten Wechselstromanteil i_[d_est-45°] durchgeführt, sowie die Berechnung der Länge eines d- und q-Anteile aufweisenden zweiten Wechselstromvektors für den zweiten Wechselstromanteil i_[d_est+45°].
In der 1 sind schematisch entsprechende Ellipsen in der realen d-q-Ebene dargestellt. Die „geschätzte“ d-Achse (d_est) ist eingezeichnet und stimmt dabei nicht mit der Richtung der d-Achse der d-q-Ebene überein. Passend zur geschätzten Richtung der d-Achse, sind die Wechselstromanteile i_(d_est+45°) und i_(d_est-45°) eingezeichnet.
Dann wird die Differenz der Beträge der Längen zwischen dem ersten Wechselstromvektor und dem zweiten Wechselstromvektor gemäß delta_i=|i_d_est+45°|-|i_d_est-45°| bestimmt.
Bei Vorliegen der Bedingung, dass die Differenz der Beträge der Längen zwischen dem ersten Wechselstromvektor und dem zweiten Wechselstromvektor delta_i=|i_d_est+45°|-|i_d_est-45°| >0 beträgt, was in den Abbildungen a) und b) der 1 zu sehen ist, wird zwischen zwei weiteren Alternativen unterschieden.
Für den ersten Fall, dass |i_d_est+45°|>|i_d_est-45°| ist, erfolgt eine Anpassung des Startwerts d_est in der Art, dass der die Rotorlage repräsentierende Winkel im Uhrzeigersinn um einen vorbestimmten Betrag gedreht ist, was in den Abbildungen a) und b) gezeigt ist.
Anhand der Abbildungen a) und b) in der 1 ist also gut zu erkennen, dass die Längen der Wechselstromanteile unterschiedlich lang sind. Daher muss die „geschätzte“ d-Achse (d_est) um ein Stück im Uhrzeigersinn verdreht werden.
Diese neue „geschätzte“ d-Richtung ist dann der neue Startwert für die nächste Iteration. In Abbildung b) der 1 ist eine der nächsten Iterationen dargestellt. Für den zweiten Fall, dass |i_d_est+45°|<|i_d_est-45°| ist, wird eine Anpassung des Startwerts d_est in der Art vorgenommen, dass der die Rotorlage repräsentierende Winkel gegen den Uhrzeigersinn um einen vorbestimmten Betrag gedreht wird, was aber nicht in der 1 gezeigt ist.
Diese Iterationen wird so lange durchgeführt, bis die Bedingung erfüllt wird, dass die Differenz der Beträge der Längen zwischen dem ersten Wechselstromvektor und dem zweiten Wechselstromvektor innerhalb eines definierten Intervalls zwischen 0 und einem definierten Fehlertoleranzwerts FTW liegt, gemäß delta_i=|i_d_est+45°|-|i_d_est-45°|=[0-FTW].
Mit anderen Worten wird der Vorgang so lange wiederholt, bis die Projektionen der Wechselstromanteile und damit die längen der Absolutwerte der Wechselstromanteile gleich lang sind. Aus dem Winkel der „geschätzten“ d-Achse lässt sich dann einfach der initiale Winkel der Rotorlage ermitteln. Dies ist in der ) der 1 zu erkennen. Dann erfolgt auf dieser Grundlage die Bereitstellung des initialen Rotorwinkels zur Bestromung der elektrischen Maschine und Beendigung des Verfahrens.
Nach dieser initialen Winkelbestimmung ist die d-Achse bekannt und die elektrische Maschine 2 kann in die gewollte Drehrichtung angedreht werden. Ein auch nur kurzzeitiges Drehen der elektrischen Maschine im motorischen Betrieb in eine falsche Richtung kann so verhindert werden. Einen möglichen „180° Fehler“ muss - wie beim aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren - noch mit einem geeigneten Standardverfahren ermittelt und beseitigt werden.
Wie in der 2 dargestellt ist, umfasst die Steuereinheit 3 zur Steuerung und Bestromung der elektrischen Maschine 2 einen Prozessor 4 und einen Speicher 5, der einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher 5 und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor 4, die Steuereinheit 3 zur Durchführung des oben stehenden Verfahrens zu veranlassen.
Anders als in der 2 gezeigt, weist die Steuereinheit 3 bevorzugt keinen Anschluss für einen Rotorlagesensor 6 zur Erfassung der Rotorlage des Rotors 1 auf und kann geberlos geregelt werden. Die in der 2 dargestellte elektrische Maschine 2 besitzt einen bestrombaren Stator 7 und einen relativ zum Stator 7 drehbaren Rotor 1 sowie die Steuereinheit 3 zur Steuerung und Bestromung der elektrischen Maschine 2 bzw. des Stators 7.
Die elektrische Maschine 2 ist insbesondere zur Verwendung in einem elektrisch betreibbaren oder hybriden Antriebsstrang 8 eines Kraftfahrzeugs 9 konfiguriert, wie es auch in der 3 skizziert ist.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
Bezugszeichenliste

1: Rotor
2: elektrische Maschine
3: Steuereinheit
4: Prozessor
5: Speicher
6: Rotorlagesensor
7: Stator
8: Antriebsstrang
9: Kraftfahrzeug

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer initialen Rotorlage eines Rotors (1) einer elektrischen Maschine (2), insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellung einer elektrischen Maschine mit einem ruhenden Rotor, b) Bereitstellung eines Startwerts d_est, welcher einen ersten Winkel der Rotorlage repräsentiert, c) Erzeugung einer dreiphasigen Wechselspannungsanregung in der elektrischen Maschine durch Vorgabe einer Wechselspannung in d_est-Richtung, d) Umrechnung der dreiphasigen Stromantwort auf die Wechselspannungsanregung der elektrischen Maschine für den ersten modifizierten Wert d_est-45° in einen ersten Wechselstromanteil i_[d_est-45°], e) Umrechnung der dreiphasigen Stromantwort auf die Wechselspannungsanregung der elektrischen Maschine für den zweiten modifizierten Wert d_est+45° in einen zweiten Wechselstromanteil i_[d_est+45°], f) Berechnung der Länge eines d- und q-Anteile aufweisenden ersten Wechselstromvektors für den ersten Wechselstromanteil i_[d_est-45°], g) Berechnung der Länge eines d- und q-Anteile aufweisenden zweiten Wechselstromvektors für den zweiten Wechselstromanteil i_[d_est+45°], h) Bestimmung der Differenz der Beträge der Längen zwischen dem ersten Wechselstromvektor und dem zweiten Wechselstromvektor gemäß delta_i=|i_d_est+45°|-|i_d_est-45°|, i) Bei Vorliegen der Bedingung, dass die Differenz der Beträge der Längen zwischen dem ersten Wechselstromvektor und dem zweiten Wechselstromvektor innerhalb eines definierten Intervalls zwischen und einem definierten Fehlertoleranzwerts FTW liegt, gemäß delta_i=|i_d_est+45°|-|i_d_est-45°| =[0-FTW], Bereitstellung des initialen Rotorwinkels zur Bestromung der elektrischen Maschine und Beendigung des Verfahrens, j) Bei Vorliegen der Bedingung, dass die Differenz der Beträge der Längen zwischen dem ersten Wechselstromvektor und dem zweiten Wechselstromvektor delta_i=|i_d_est+45°|-|i_d_est-45°| > 0 beträgt, k) Für den Fall, dass |i_d_est+45°|>|i_d_est-45°|, Anpassung des Startwerts d_est in der Art, dass der die Rotorlage repräsentierende Winkel im Uhrzeigersinn um einen vorbestimmten Betrag gedreht ist und I) Für den Fall, dass |i_d_est+45°|<|i_d_est-45°|, Anpassung des Startwerts d_est in der Art, dass der die Rotorlage repräsentierende Winkel gegen den Uhrzeigersinn um einen vorbestimmten Betrag gedreht ist, m) Wiederholen der Schritte c)-I).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Startwerts d_est beim erstmaligen Durchlaufen des Verfahrens nach einem Zufallsprinzip gewählt ist.
Computerprogrammprodukt, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, oder Computer-Datensignal, verkörpert durch eine elektromagnetische Welle, mit Programmcode, der geeignet ist zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1-2.
Steuereinheit (3) zur Steuerung und Bestromung einer elektrischen Maschine (2), insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, umfassend einen Prozessor (4) und einen Speicher (5), der einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor (4), die Steuereinheit (3) zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1-2 zu veranlassen.
Steuereinheit (3) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (3) keinen Anschluss für einen Rotorlagesensor (6) zur Erfassung der Rotorlage des Rotors (1) aufweist.
Elektrische Maschine (2), insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, umfassend einen Stator (7) und einen relativ zum Stator (7) drehbaren Rotor (1) sowie einer Steuereinheit (3) zur Steuerung und Bestromung der elektrischen Maschine (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (3) eine Steuereinheit (3) nach Anspruch 4 ist.
Elektrische Maschine (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (2) keinen Rotorlagesensor (6) zur Erfassung der Rotorlage des Rotors (1) aufweist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (2) zur Verwendung in einem elektrisch betreibbaren oder hybriden Antriebsstrang (8) eines Kraftfahrzeugs (9) konfiguriert ist.