DE102022112583A1

DE102022112583A1 - Verfahren zur Überwachung eines eine Rotorwinkellage repräsentierenden Messignals einer elektrischen Maschine, Computerprogrammprodukt, Steuereinheit, elektrische Maschine und X-by-wire System

Info

Publication number: DE102022112583A1
Application number: DE102022112583.1A
Authority: DE
Inventors: Viktor Barinberg; Stephan KLOTZ
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-05-05
Filing date: 2022-05-19
Publication date: 2023-11-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (1) zur Überwachung eines eine Rotorwinkellage repräsentierenden Messignals (2) einer elektrischen Maschine (3), umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellung eines eine Rotorwinkellage repräsentierenden Messignals (2) mittels eines Rotationspositionssensors (4), welches zur Steuerung der elektrischen Maschine (3) durch eine Steuereinheit (10) verwendet wird; Bereitstellung wenigstens eines eine Spannung repräsentierenden Spannungssignals (5), mittels dessen die elektrische Maschine (3) durch die Steuereinheit (10) gesteuert wird; Bereitstellung wenigstens eines einen elektrischen Strom repräsentierenden Stromsignals (6), mittels dessen die elektrische Maschine (3) durch die Steuereinheit (10) gesteuert wird; Übermitteln des Spannungssignals (5) und des Stromsignals (6) an ein Rotorwinkelberechnungsmodul (7), welches daraus ein eine berechnete Rotorwinkellage repräsentierendes Schätzsignal (8) ermittelt; Vergleich des Schätzsignals (8) mit dem Messignal (2) und bei Vorliegen der Bedingung, dass das Messignal (2) um einen vordefinierten Betrag von dem Schätzsignal (8) abweicht, Ausgabe einer Fehlermeldung (9).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines eine Rotorwinkellage repräsentierenden Messignals einer elektrischen Maschine. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt, eine Steuereinheit, eine elektrische Maschine und ein X-by-wire System.
Ein wachsender Bedarf an individueller Mobilität, eine zunehmende Anzahl von Autos und steigende Pkw-Dimensionen erfordern Maßnahmen zur Verbesserung der Parksituation in städtischen Gebieten. Neben Aspekten wie städtische Verdichtung und steigende Fahrzeugzahlen führen stetig steigende Fahrzeugabmessungen zu Parkplatzknappheit und komplizierten Parkvorgängen. Ein Weg zur Bewältigung dieser Herausforderung ist die Umsetzung neuer Fahrzeug- und Transportkonzepte, die auf die Substitution konventioneller Pkw abzielen. Alternative Fahrzeugaufbauten und neue Lenkungstechnologien sind in der Lage, spezifische Park- und wichtige Kundenanforderungen gleichzeitig zu erfüllen.
Aus diesem Grund werden derartige PKWs beispielsweise auch zunehmend mit einer Hinterachslenkung versehen, was die Manövrierbarkeit dieser Fahrzeuge deutlich verbessert und insbesondere auch ein automatisches Einparken des PKWs unterstützt. Zur Aktuierung der Hinterachslenkung werden üblicherweise elektrisch und/oder hydraulisch betätigbare Aktoren eingesetzt, wobei es zur Steuerung der Hinterachslenkung aus ersichtlichen sicherheitsrelevanten Überlegungen wichtig ist, die genaue Position des Aktors bzw. der Hinterachslenkung sicher und möglichst exakt zu detektieren.
Aus der DE 10 2018 130 228 A1 ist ein Aktuator für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeugs bekannt, umfassend eine Schubstange, die innerhalb eines Gehäuses longitudinal verlagerbar ist und eine Verdrehsicherung aufweist. Dabei ist eine Sensoreinheit integriert in das Gehäuse des Hinterachslenkungsaktuators vorgesehen.
Neben verschiedener Aktuatorikfunktionen, wie beispielsweise der genannten Lenkaktuatorik, werden elektrische Maschinen, insbesondere permanenterregte Synchronmotoren, bei Kraftfahrzeugen auch zunehmend für den Antrieb 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 permanenterregten Synchronmotoren kommt es ferner sehr darauf an, wie die vom Magnetfeld durchströmten Teile zueinander positioniert sind. Dies betrifft 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 Wicklungen 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/ Statorwicklungen 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 geberlosen 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.
Neben dem Trend auch eine geberlose Regelung einer elektrischen Maschine bereitzustellen, gibt es auch Anwendungsfälle, wo hohe Sicherheitsanforderungen redundante Systeme erfordern, wie beispielsweise auch in der eingangs erwähnten Lenkaktuatorik.
In der Patentschrift EP 2 226 929 „Plausibilitäts-Überwachungssystem für Bewegungsmessungen an einer elektrischen Antriebseinrichtung“ ist eine Lösung für die Überwachung eines Lagegebers im Zusammenhang mit der feldorientierten Regelung eines permanenterregten Synchronmotors vorgeschlagen. Dieser Lösung liegt ein parallel zur Motoregelung kontinuierlich laufende Algorithmus zur Schätzung der Rotorlage (bzw. des elektrischen Winkels) des Motors zugrunde. Die Schätzung erfolgt auf Basis der gemessenen Motorströme, der vorgegebenen Spannungen und weiterer Motorparameter. Für die Schätzung wird das so genannte kombinierte Verfahren nach EP 2 023 479 eingesetzt, das eine Kombination aus dem Motor-Grundwellenmodell und HW („high frequency“)-Injektionsverfahren dargestellt. Das letzte ist notwendig, um die Rotorlage bei kleinen Drehzahlen und im Stillstand zu ermitteln. Ab der Drehzahl von etwa 10% vom Nenndrehzahl wird die Injektion deaktiviert, sodass die Rotorlage ausschließlich vom Grundwellenmodell bzw. durch eine Auswertung der im Motor induzierten Spannung berechnet wird. Der geschätzte Winkel wird für die feldorientierte Ansteuerung vom Motor verwendet, sodass die geberlose Regelung umgesetzt wird. Dieser aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannte Aufbau ist auch in der 8 gezeigt.
Die geberlose Regelung wird üblicherweise verwendet, um einen Geber einzusparen und damit die Kosten zu reduzieren. Da die Regelung mit Geber in der Regel eine bessere Qualität bezüglich Genauigkeit und Dynamik liefert, ist es aus der technischen Sicht meistens nicht sinnvoll, einen Motor geberlos wie im Stand der Technik ansteuern, obwohl der Lagegeber vorhanden ist. Beispielsweise wäre für die Überwachung der feldorientierten Regelung mit einem Geber die oben zitierte Lösung nach dem Stand der Technik nicht anwendbar.
Ferner werden für die Fehlererkennung nicht die Schätzwerte mit den Messwerten von der Lage selbst verglichen, sondern die Inkremente von beiden innerhalb einer oder mehrerer Abtastperioden. Das entspricht dem Vergleich der zeitlichen Ableitungen der Lage bzw. dem Vergleich der geschätzten und gemessenen Drehzahl (bzw. zyklischen Frequenz) des Rotors. Der Vergleich der Drehzahlwerte stellt jedoch nicht die Plausibilisierung des Rotorwinkels sicher. Es ist durchaus möglich, dass die geschätzte und die gemessene Drehzahl in einem stationären Zustand gleich sind, obwohl die Lagewerte selbst wesentlich voneinander unterscheiden. Anders gesagt, die Gleichheit der zeitlichen Ableitungen von zwei Signalen stellt keine hinreichende Bedingung für die Gleichheit der Signale selbst dar.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zur Überwachung eines eine Rotorwinkellage repräsentierenden Messignals einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, bereitzustellen. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines verbesserten Verfahrens zur Überwachung eines eine Rotorwinkellage repräsentierenden Messignals einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, zu realisieren. Es ist auch die Aufgabe der Erfindung eine Steuereinheit zur Durchführung eines verbesserten Verfahrens zur Überwachung eines eine Rotorwinkellage repräsentierenden Messignals einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, zu entwickeln. Schließlich ist es auch die Aufgabe der Erfindung eine verbesserte elektrische Maschine bereitzustellen, sowie ein verbessertes X-by-wire System.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Überwachung eines eine Rotorwinkellage repräsentierenden Messignals einer elektrischen Maschine,
umfassend die folgenden Schritte:

• Bereitstellung eines eine Rotorwinkellage repräsentierenden Messignals mittels eines Rotationspositionssensors, welches zur Steuerung der elektrischen Maschine durch eine Steuereinheit verwendet wird,
• Bereitstellung wenigstens eines eine Spannung repräsentierenden Spannungssignals, mittels dessen die elektrische Maschine durch die Steuereinheit gesteuert wird,
• Bereitstellung wenigstens eines einen elektrischen Strom repräsentierenden Stromsignals, mittels dessen die elektrische Maschine durch die Steuereinheit gesteuert wird,
• Übermitteln des Spannungssignals und des Stromsignals an ein Rotorwinkelberechnungsmodul, welches daraus ein eine berechnete Rotorwinkellage repräsentierendes Schätzsignal ermittelt,
• Vergleich des Schätzsignals mit dem Messignal und bei Vorliegen der Bedingung, dass das Messignal um einen vordefinierten Betrag von dem Schätzsignal abweicht, Ausgabe einer Fehlermeldung.

Hierdurch kann ein sich selbst überwachendes Regelungssystem realisiert werden, ohne zwei physisch identische Rotationspositionssensoren verwenden zu müssen, was die Kosten eines entsprechenden Systems senkt ohne jedoch auf die zusätzliche Sicherheitsreserve einer Redundanz verzichten zu müssen.
Bevorzugt wird die elektrische Maschine mit dem Signal des Rotationspositionssensors angesteuert, wobei das Schätzsignal, insbesondere ausschließlich, für die Plausibilisierung der Rotorwinkellage verwendet wird. Mit anderen Worten, man setzt ein zweiten „virtuellen“ Rotationspositionssensor, dessen Ausgang man ständig mit dem Ausgang vom ersten „physikalischen“ Rotationspositionssensor vergleicht. Bei einem wesentlichen Unterscheid zwischen diesen zwei Ausgangsignalen wird eine Fehlermeldung generiert. Auf dieser Art ist möglich, nicht nur den Ausfall des Rotationspositionssensors, sondern auch andere Fehler in der Regelung (z. B, Ausfall vom Stromsensoren, usw.) zu erkennen, bzw. die ganze Integrität der Regelung zu überwachen.
Um eine zuverlässige Fehlererkennung zu sichern, werden bevorzugt die Schätzwerte der Rotorwinkellage direkt mit den Messsignalen verglichen, nicht deren Inkremente.
Eine sichere Plausibilisierung des Rotorpositionssensorsignals mithilfe der WinkelSchätzung wird dadurch erreicht, dass der Schätzungs-Algorithmus völlig unabhängig vom Rotationspositionssensorsignal läuft bzw. auf keine Weise die Rotationspositionssensordaten in den Berechnungen verwendet werden. Die Schnittstellen zwischen der Motoransteuerung und dem Winkelschätzer sind die Spannungen im statorbezogenen Koordinatensystem, die unabhängig vom Rotationspositionssensorwinkel sind.
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 als Radial- oder Axialflussmaschine ausgebildet sein. 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.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine als eine permanenterregte Synchronmaschine ausgeführt ist.
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 Rotationspositionssensor ist bevorzugt als ein absoluter Rotationspositionssensor für eine elektrische Maschine ausgeführt. Der Rotationspositionssensor stellt bevorzugt ein die Rotorwinkellage repräsentierendes Sensorsignal zur Verfügung. Höchst bevorzugt wird das Sensorsignal an eine Steuereinrichtung zur Steuerung der elektrischen Maschine geleitet.
Eine elektrische Maschine kann ferner eine Steuereinrichtung aufweisen. Eine Steuereinrichtung, 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 Steuereinrichtung weist insbesondere einen kabelgebundenen oder kabellosen Signaleingang zum Empfang von insbesondere elektrischen Signalen, wie beispielsweise Sensorsignalen, auf. Ferner besitzt eine Steuereinrichtung ebenfalls bevorzugt einen kabelgebundenen oder kabellosen Signalausgang zur Übermittlung von insbesondere elektrischen Signalen.
Innerhalb der Steuereinrichtung können Steuerungsoperationen und/oder Reglungsoperationen durchgeführt werden. Ganz besonders bevorzugt ist es, dass die Steuereinrichtung eine Hardware umfasst, die ausgebildet ist, eine Software auszuführen. Bevorzugt umfasst die Steuereinrichtung wenigstens einen, bevorzugt zwei elektronische 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 Steuereinrichtung kann ferner einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen die in den an die Steuereinrichtung übermittelten Signalen enthaltenen Daten gespeichert und wieder ausgelesen werden können. Ferner kann die Steuereinrichtung einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen Daten veränderbar und/oder unveränderbar gespeichert werden können.
Eine Steuereinrichtung 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 Steuereinrichtung wenigstens einen Prozessor und wenigstens einen Speicher, der insbesondere einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor, die Steuereinrichtung 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.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass das Spannungssignal und das Stromsignal zunächst in einem Signalaufbereitungsmodul aufbereitet werden, bevor sie als aufbereitetes Spannungssignal und aufbereitetes Stromsignal an das Rotorwinkelberechnungsmodul weitergeleitet werden. Es kann hierdurch erreicht werden, dass. das erfindungsgemäße Verfahren flexibel gestaltet werden kann, und zwar bezüglich der Signale, die je nach Anforderungen für die Winkelschätzung verwendet werden.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das Signal Soll- Tastverhältnisse der Motorsteuerung repräsentiert, welches dann durch ein Spannungsrekonstruktionsmodul in dem Signalaufbereitungsmodul in ein aufbereitetes Spannungssignal transformiert wird. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass dadurch eine zusätzliche Redundanz erreicht werden kann, da die DC-Spannung-Signale für das Spannungsrekonstruktionsmodul von einem zusätzlichen Spannungs-Sensor bereitgestellt werden kann, das vom Spannungs-Sensor in der Motorregelung völlig unabhängig ist
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Signal Ist- Tastverhältnisse der Motorsteuerung repräsentiert, welches dann durch das Spannungsrekonstruktionsmodul in dem Signalaufbereitungsmodul in ein aufbereitetes Spannungssignal transformiert wird. Hierdurch lässt sich insbesondere der Wirkung erzielen, dass..eine noch bessere Redundanz erreicht werden kann, da das Rotorwinkelberechnungsmodul auf einem anderen Prozessor laufen kann, die völlig unabhängig vom Prozessor ist, die den Motor ansteuert. Die Ist-Tastverhältnisse werden in diesem Fall beispielsweise mittels Capture-Compare Pereferie-Einheit von diesem anderen Prozessor gemessen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Tastverhältnisse am Ausgang der Endstufe abgegriffen werden. Deshalb ist die Umsetzung der Sollpannung nicht sicherheitsrelevant
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst 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 einem der Ansprüche 1 bis 5.
Ferner kann die Aufgabe der Erfindung gelöst durch eine Steuereinheit zur Steuerung einer elektrischen Maschine, umfassend einen Prozessor und einen Speicher, der einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor, die Steuereinheit zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zu veranlassen.
Auch wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem relativ zum Stator drehbaren Rotor, wobei die elektrische Maschine eine Steuereinheit nach Anspruch 7 zur Steuerung der elektrischen Maschine umfasst. Bevorzugt besitzt die elektrische Maschine einen Rotorpositionssensor, dessen Ausgang kontinuierlich mit der geschätzten Lage des Rotors verglichen wird. Bei einem wesentlichen Unterscheid zwischen diesen zwei Ausgangsignalen wird eine Fehlermeldung generiert und die Regelfreigabe wird bevorzugt zurückgesetzt. Bevorzugt ist die elektrische Maschine als ein permanenterregter Synchronmotor ausgeführt.
Schließlich kann die Aufgabe der Erfindung auch gelöst werden durch ein X-by-wire System für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 8, wobei die elektrische Maschine als Aktuator innerhalb des X-by-wire Systems konfiguriert ist. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine elektrische Lenkung („Steer-by-Wire“) handeln. Auf Grund hoher Sicherheits- und Verfügbarkeitsanforderungen kann bevorzugt ein permanenterregter Synchronmotor mit zwei getrennten Wicklungssystemen (Doppelmotor, „dual winding motor“) und einem Rotor eingesetzt. Bevorzugt werden die Ansteuerungen beider Motorzweige (inklusiv Sensorik) unabhängig voneinander überwacht. Wird ein Fehler in einem Zweig erkannt, kann in bevorzugter Weise dieser Zweig abgeschaltet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
Es zeigt:

1 eine erste Regelung einer elektrischen Maschine in einem schematischen Blockschaltbild,
2 eine zweite Regelung einer elektrischen Maschine in einem schematischen Blockschaltbild,
3 eine dritte Regelung einer elektrischen Maschine in einem schematischen Blockschaltbild,
4 eine vierte Regelung einer elektrischen Maschine in einem schematischen Blockschaltbild,
5 eine fünfte Regelung einer elektrischen Maschine in einem schematischen Blockschaltbild,
6 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Rotorwinkelberechnungsmoduls in einem schematischen Blockschaltbild,
7 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Rotorwinkelberechnungsmoduls in einem schematischen Blockschaltbild,
8 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Ausführungsbeispiel mit einem HV-Injektionsverfahren in einem schematischen Blockschaltbild

Die 1 zeigt ein erstes Schaltbild zur Ausführung eines Verfahrens zur Überwachung eines eine Rotorwinkellage repräsentierenden Messignals 2 einer elektrischen Maschine 3, umfassend die folgenden Schritte:

Zunächst erfolgt die Bereitstellung eines eine Rotorwinkellage repräsentierenden Messignals 2 mittels eines Rotationspositionssensors 4, welches zur Steuerung der elektrischen Maschine 3 durch eine Steuereinheit 10 verwendet wird. Die elektrische Maschine 3 ist in dem gezeigten Beispiel als eine permanenterregte Synchronmaschine ausgeführt. Die Steuereinheit 10 zur Steuerung der elektrischen Maschine 3 umfasst einen Prozessor und einen Speicher, der einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor, die Steuereinheit 10 zur Durchführung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens zu veranlassen. Die elektrische Maschine 3 besitzt einen Stator 16 und einen relativ zum Stator 16 drehbaren Rotor 17 und wird durch die Steuereinheit 10 gesteuert bzw. bestromt. Die gezeigte elektrische Maschine 3 kann insbesondere für ein X-by-wire System für ein Kraftfahrzeug konfiguriert sein.

Ferner erfolgt in dem Verfahren dann auch eine Bereitstellung wenigstens eines eine Spannung repräsentierenden Spannungssignals 5, mittels dessen die elektrische Maschine 3 durch die Steuereinheit 10 gesteuert wird, sowie wenigstens eines einen elektrischen Strom repräsentierenden Stromsignals 6, mittels dessen die elektrische Maschine 3 durch die Steuereinheit 10 gesteuert wird.
Danach erfolgt eine Übermittlung des Spannungssignals 5 und des Stromsignals 6 an ein Rotorwinkelberechnungsmodul 7, welches daraus ein eine berechnete Rotorwinkellage repräsentierendes Schätzsignal 8 ermittelt. Hiermit wird ein Vergleich des Schätzsignals 8 mit dem Messignal 2 durchgeführt und bei Vorliegen der Bedingung, dass das Messignal 2 um einen vordefinierten Betrag von dem Schätzsignal 8 abweicht, Ausgabe einer Fehlermeldung 9.
Der 2 ist entnehmbar, dass das Spannungssignal 5 und das Stromsignal 6 zunächst in einem Signalaufbereitungsmodul 11 aufbereitet werden können, bevor sie als aufbereitetes Spannungssignal 12 und aufbereitetes Stromsignal 13 an das Rotorwinkelberechnungsmodul 7 weitergeleitet werden.
Die 1-2 zeigen somit zwei Ausführungsbeispiele einer Antriebsregelung einer elektrischen Maschine 1 mit einem System bzw. Verfahren 1 zur erfindungsgemäßen Plausibilitätsüberwachung. Für die Schätzung der Rotorwinkellage wird eine aus dem Stand der Technik bekannte Kombination aus einem Motor-Grundwellenmodell und HW-Injektionsverfahren verwendet, wie sie beispielsweise in der 8 gezeigt ist und - soweit gewünscht oder erforderlich - auf die Architektur der in den 1-2 der Antriebsregelung übertragbar ist. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird die elektrische Maschine 3 jedoch mit dem Messsignal des Rotationspositionssensors 4 angesteuert, den geschätzten Winkel benötigt man ausschließlich für die Plausibilisierung der Rotorwinkellage.
Sowohl die Motoransteuerung mittels der Steuereinheit 10 als auch das Rotorwinkelberechnungsmodul 7 benutzt die herkömmliche Feldorientierung bzw. dazugehörige Koordinatentransformationen. Um eine völlige Unabhängigkeit des Winkelschätzungs-Algorithmus des Rotorwinkelberechnungsmoduls 7 vom Messsignal des Rotationspositionssensors 4 zu erreichen, verwendet man für die Motoransteuerung in der Steuereinheit 10 und für das Rotorwinkelberechnungsmodul 7 zwei unabhängige rotierende Koordinatensysteme:

Die elektrische Maschine 3 wird in d,q- Koordinatensystem angesteuert. Die Transformation der elektrischer Größen in d,q- Koordinatensystem vom statorbezogenen Koordinatensystem α, β erfolgt unter Anwendung des Messsignals des Rotationspositionssensors 4 (Winkel φ).

Der Winkelschätzung-Algorithmus des Rotorwinkelberechnungsmoduls 7 läuft im de,qe-Koordinatensystem, wobei die Koordinatentransformation den geschätzten Winkel φe verwendet.
Die Signale, die das Rotorwinkelberechnungsmodul 7 von der Motoransteuerung der Steuereinheit 10 übernimmt, sind ausschließlich elektrische Größen im statorbezogenen Koordinatensystem α, β, die vom Winkel φ unabhängig sind. Die Eingangsschnittstellen des Rotorwinkelberechnungsmoduls 7 in den 1-2 sind beispielsweise die Spannungen uα, uß aus der Motoregelung, die dann in de,qe-Koordinatensystem transformiert werden (ude, uqe), was auch in der detaillierten Darstellung der Motoransteuerung in der 6 gezeigt ist.
Die Strom-Messwerte, die sowohl die Motoransteuerung der Steuereinheit 10 als auch das Rotorwinkelberechnungsmodul 7 benötigen, werden zweimal bzw. in beide Koordinatensysteme (id, iq und ide, iqe) entsprechend transformiert.
Damit die Injektionsverfahren, wie sie aus der 8 bekannt sind, richtig funktionieren, wird das Ausgangssignal der Injektionsquelle ins statorbezogene αβ-Koordinatensystem umgewandelt, und zwar durch eine Rücktransformation auf Basis des geschätzten Winkels φe. Anschließend werden die Spannungen uα, uβ mit den transformierten Ausgangssignalen der Injektionsquelle uα_inj, uß_inj überlagert.
Für die Unterdrückung der Störungen durch HF-Stromanteile in der Stromregelung, sind in die d,q- Stromrückführungen Notch-Filter eingesetzt.
Hieraus wird ersichtlich, dass eine Umsetzung der HF-Injektionsverfahren komplex bzw. sehr rechenaufwendig ist. Weitere Nachteil der HF-Injektionsverfahren besteht daraus, dass die HF-Stromanteile sowohl zusätzliche ohmscher Verluste als auch wesentliche Geräusche erzeugen, was bei vielen Anwendungen (z.B., bei der elektrischen Lenkung) nicht hinnehmbar ist.
Beschränkt man jedoch die Überwachungsbereiche so, dass man auf die Überwachung bei den niedrigen Drehzahlen (bzw. kleiner als etwa 10% der Nenndrehzahl) verzichtet, erübrigt sich eine Umsetzung der HF-Injektionsverfahren. Diese Lösung ist wesentlich einfacher als das rechenaufwendige und „laute“ HF-Injektionsverfahren, welches in den Ausführungsformen der 1-2 entfallen kann.
Für die Winkelschätzung durch das Rotorwinkelberechnungsmodul 7 kann ein beliebiges bekanntes Verfahren eingesetzt werden, dem das Motor-Grundwellenmodell zu Grunde liegt. Die Signale, die das Rotorwinkelberechnungsmodul 7 von der der Motoransteuerung der Steuereinheit 10 übernimmt, sind vom Winkel φ unabhängig.
Die 3-5 zeigen mögliche Varianten der Verarbeitung der Schnittellensignale zwischen dem Rotorwinkelberechnungsmodul 7 und der Motoransteuerung der Steuereinheit 10. Wie aus den 3-5 ersichtlich wird, können die aufbereiteten Spannungssignale 12 (uαe, uβe) aus drei verschiedenen Quellen bestimmt werden.
In den 3-5 ist jeweils die Steuereinheit 10 in einem oberen Blockschaltbild abgebildet und ein Signalaufbereitungsmodul 11 in dem unteren Blockschaltbild.
Wie in der 3 gezeigt, kann aufbereitete Spannungssignal 12 direkt aus den Sollgrößen u*α, u*β des Reglers abgeleitet werden.
Wie in der 4 dargestellt ist es auch möglich, dass das Signal 5 Soll-Tastverhältnisse der Steuereinheit 10 repräsentiert, welches dann durch ein Spannungsrekonstruktionsmodul in dem Signalaufbereitungsmodul 11 in ein aufbereitetes Spannungssignal 12 transformiert wird. Mit anderen Worten wird aus den Soll-Dutycycles d*1, d*2, d*3 des Reglers und der gemessenen DC-Link-Spannung UDC das aufbereitete Spannungssignal 12 berechnet. („Voltage Reconstruction“ in 5)
Die 5 zeigt eine Ausführung, bei der das Signal 5 Ist- Tastverhältnisse der Steuereinheit 10 repräsentiert, welches dann durch das Spannungsrekonstruktionsmodul in dem Signalaufbereitungsmodul 11 in ein aufbereitetes Spannungssignal 12 transformiert wird. Aus den gemessenen Dutycycles d1, d2, d3 (z.B. unter Anwendung der Capture-Compare Unit des Microcontrollers) und der gemessenen DC-Link-Spannung UDC wird also das aufbereite Spannungssignal 12 berechnet.
6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel Rotorwinkelberechnungsmoduls 7 (Rotor Position Estimation) für die in den 1-5 gezeigte Plausibilitätsüberwachung, wobei das aus dem Stand der Technik bekannte Grundwellenmodel aus „Barinberg, V., Götz, F. Verbessertes Spannungs-Modell zur sensorlosen Ansteuerung von Antrieben mit permanentmagneterregten Synchronmotoren SPS IPC Drives, Nürnberg, 2008“ verwendet werden kann.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rotorwinkelberechnungsmoduls 7 (Rotor Position Estimation) für die diskutierte Plausibilitätsüberwachung, wobei hier ein Modell nach dem Artikel „Dirk Paulus, Jean-Francois Stumper, and Ralph Kennel „Sensorless Control of Synchronous Machines Based on Direct Speed and Position Estimation in Polar Stator-Current Coordinates“, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 28, NO. 5, MAY 2013" verwendet wird. Im Vergleich mit dem Modell aus 6 ist nach dieser Implementierung kein Tracking-Observer notwendig, wodurch das dynamische Verhalten verbessern werden kann. Darüber hinaus ist keine Information über den Fluss des Permanentmagneten Ψpm erforderlich.
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

2: Messignal
3: elektrische Maschine
4: Rotationspositionssensor
5: Spannungssignal
6: Stromsignal
7: Rotorwinkelberechnungsmodul
8: Schätzsignal
9: Fehlermeldung
10: Steuereinheit
11: Signalaufbereitungsmodul
12: Spannungssignal
13: Stromsignal
16: Stator
17: Rotor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018130228 A1 [0004]
EP 2226929 [0012]
EP 2023479 [0012]

Claims

Verfahren zur Überwachung eines eine Rotorwinkellage repräsentierenden Messignals (2) einer elektrischen Maschine (3), umfassend die folgenden Schritte: • Bereitstellung eines eine Rotorwinkellage repräsentierenden Messignals (2) mittels eines Rotationspositionssensors (4), welches zur Steuerung der elektrischen Maschine (3) durch eine Steuereinheit (10) verwendet wird, • Bereitstellung wenigstens eines eine Spannung repräsentierenden Spannungssignals (5), mittels dessen die elektrische Maschine (3) durch die Steuereinheit (10) gesteuert wird, • Bereitstellung wenigstens eines einen elektrischen Strom repräsentierenden Stromsignals (6), mittels dessen die elektrische Maschine (3) durch die Steuereinheit (10) gesteuert wird, • Übermitteln des Spannungssignals (5) und des Stromsignals (6) an ein Rotorwinkelberechnungsmodul (7), welches daraus ein eine berechnete Rotorwinkellage repräsentierendes Schätzsignal (8) ermittelt, • Vergleich des Schätzsignals (8) mit dem Messignal (2) und bei Vorliegen der Bedingung, dass das Messignal (2) um einen vordefinierten Betrag von dem Schätzsignal (8) abweicht, Ausgabe einer Fehlermeldung (9).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (3) als eine permanenterregte Synchronmaschine ausgeführt ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungssignal (5) und das Stromsignal (6) zunächst in einem Signalaufbereitungsmodul (11) aufbereitet werden, bevor sie als aufbereitetes Spannungssignal (12) und aufbereitetes Stromsignal (13) an das Rotorwinkelberechnungsmodul (7) weitergeleitet werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal (5) Soll- Tastverhältnisse der Steuereinheit (10) repräsentiert, welches dann durch ein Spannungsrekonstruktionsmodul in dem Signalaufbereitungsmodul (11) in ein aufbereitetes Spannungssignal (12) transformiert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal (5) Ist- Tastverhältnisse der Steuereinheit (10) repräsentiert, welches dann durch das Spannungsrekonstruktionsmodul in dem Signalaufbereitungsmodul (11) in ein aufbereitetes Spannungssignal (12) transformiert wird.
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 einem der Ansprüche 1 bis 5.
Steuereinheit (10) zur Steuerung einer elektrischen Maschine (3), umfassend einen Prozessor und einen Speicher, der einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor, die Steuereinheit (10) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zu veranlassen.
Elektrische Maschine (3) mit einem Stator (16) und einem relativ zum Stator (16) drehbaren Rotor (17) dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (3) eine Steuereinheit (10) nach Anspruch 7 zur Steuerung der elektrischen Maschine (3) umfasst.
X-by-wire System für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine elektrische Maschine (3) gemäß Anspruch 8, wobei die elektrische Maschine (3) als Aktuator innerhalb des X-by-wire Systems konfiguriert ist.