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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Lage eines Rotors einer elektrischen Maschine mit mindestens zwei getrennten Wicklungssystemen sowie eine entsprechende Vorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Aktuators eines Steer-By-Wire-Systems, insbesondere eines Feedback-Aktuators oder eines Lenk-Aktuators, der eine elektrischen Maschine mit mindestens zwei getrennten Wicklungssystemen umfasst.
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Elektrische Maschinen mit getrennten Wicklungssystemen werden typischerweise in solchen Anwendungen eingesetzt, die besonders hohe Anforderungen an die Betriebssicherheit und Verfügbarkeit haben, wie beispielsweise Steer-by-Wire-Systeme für Kraftfahrzeuge. Bei derartigen Steer-by-Wire-Systemen handelt es sich um Lenksystemen mit einem elektrischen Aktuator, dem Lenkbefehle ausschließlich auf elektronischem Weg übermittelt werden.
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Zur Ansteuerung von elektrischen Maschinen mit getrennten Wicklungssystemen ist es aus der Dissertation „J.W. Bennett. Fault Tolerant Electromechanical Actuators for Aircraft. PhD Thesis. Newcastle University, 2010“ bekannt, jedes der Wicklungssysteme durch eine dem jeweiligen Wicklungssystem zugeordnete Regelungseinrichtung zu regeln. Die Regelungseinrichtungen umfassen dabei einen inneren Strom-Regelkreis, der einen Strom der elektrischen Maschine regelt, einen dem inneren Strom-Regelkreis übergeordneten mittleren Drehzahl-Regelkreis, der eine Drehzahl der elektrischen Maschine regelt, und einen dem mittleren Drehzahl-Regelkreis übergeordneten äußeren Lage-Regelkreis, der die Lage des Rotors der elektrischen Maschine bzw. die Lage eines mit dem Rotor gekoppelten Aktorelements regelt.
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Bei einer derartigen elektrischen Maschine, bei der die beiden Wicklungssysteme dieselbe mechanische Achse antreiben, ergeben sich typischerweise schon bei einer geringen Abweichung des Regelverhaltens der beiden Regelungseinrichtungen größere Unterschiede bei den eingestellten Strömen und Drehmomenten, die an der gemeinsamen Achse angreifen. Hierbei können gegeneinander wirkende Drehmomente (so genanntes „torque fighting“) entstehen, welches die Stabilität der Regelung der elektrischen Maschine negativ beeinflusst, so dass das Gesamtsystem nicht mehr funktionsfähig ist. Die oben genannte Dissertation schlägt zur Abhilfe einen kontinuierlichen Abgleich der beiden Regelungseinrichtungen vor, bei welchem die Ausgänge der Regler der jeweiligen Drehzahl-Reglungskreise addiert werden. Diese Summe wird halbiert und den Strom-Regelkreisen beider Regelungseinrichtungen zugeführt.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, eine größere Verfügbarkeit einer elektrischen Maschine mit getrennten Wicklungssystemen und zugeordneten Regelungseinrichtungen zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Regelung der Lage eines Rotors einer elektrischen Maschine mit mindestens zwei getrennten Wicklungssystemen, wobei jedes der Wicklungssysteme durch eine dem jeweiligen Wicklungssystem zugeordnete Regelungseinrichtung geregelt wird, wobei jede der Regelungseinrichtungen in einem vorgegebenen, zeitlichen Abstand Statusnachrichten sendet, die einen Status der die Statusnachricht sendenden Regelungseinrichtung angeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren senden die Regelungseinrichtungen Statusnachrichten, die nicht Messwerte, Stellgrößen oder Regelgrößen enthalten, sondern sich auf den Status, insbesondere Betriebsstatus, der sendenden Regelungseinrichtung beziehen. Hierdurch wird es möglich, dass die Regelungseinrichtungen Kenntnis über den Status der jeweiligen anderen Regelungseinrichtungen erlangen und ihr eigenes Betriebsverhalten darauf ausrichten. Optional können zusätzlich Messwerte, Stellgrößen oder Regelgrößen ausgetauscht werden. Beispielsweise kann so ein Ausfall einer Regelungseinrichtung von den verbleibenden Regelungseinrichtungen erkannt werden und die verbleibenden Regelungseinrichtungen können ihr Betriebsverhalten so ändern, dass der Ausfall der erstgenannten Regelungseinrichtung zumindest teilweise kompensiert wird. Ferner ist es möglich, dass der Ausfall der Statusnachrichten erkannt wird und die verbleibenden Regelungseinrichtungen ihr Betriebsverhalten so ändern, dass ein sicherer Betriebszustand mit eingeschränkter Performance eingenommen wird. Beispielsweise können die Regelungseinrichtungen beim Ausbleiben der Statusnachrichten eine Synchronisierung von Messwerten, Stellgrößen oder Regelgrößen reduzieren oder gar beenden. Hierdurch wird zwar die Fähigkeit, „torque fighting“ zu verhindern eingeschränkt, dennoch können die Regelungseinrichtungen unabhängig voneinander die jeweiligen Wicklungssysteme ansteuern.
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Unter der Lage des Rotors wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt eine Winkelstellung des Rotors verstanden. Die Lage bzw. Winkelstellung des Rotors kann beispielsweise relativ zu einer Nulllage des Rotors angegeben werden, beispielsweise durch Angabe eines Winkels relativ zu der Nulllage.
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Bevorzugt sind genau zwei getrennte Wicklungssysteme und genau zwei Regelungseinrichtungen vorgesehen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Statusnachrichten eine oder mehrere Angabe(n) aus folgender Liste umfasst:
- - eine Angabe, ob die jeweilige Regelungseinrichtung mit einer begrenzten Spannungsversorgung oder einer unbegrenzten Spannungsversorgung betrieben wird;
- - eine Angabe, ob die jeweilige Regelungseinrichtung das jeweilige mit ihm verbundene Wicklungssystem aktiv ansteuert oder nicht;
- - eine Angabe, ob ein Ausschalt-Trigger der jeweiligen Regelungseinrichtung aktiviert oder nicht-aktiviert ist.
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Die genannten Angabe(n) können in einem dem Senden der Statusnachricht vorausgehenden Ermittlungsschritt durch eine Ermittlungseinrichtung der jeweiligen Regelungseinrichtung ermittelt werden. Bevorzugt werden die Angaben(n) in einem Statusregister der Regelungseinrichtung gespeichert. Die in dem Statusregister gespeicherten Angabe(n) können dann durch eine Sendeeinrichtung der jeweiligen Regelungseinrichtung ausgelesen und gesendet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Statusnachrichten über einen Kommunikationskanal gesendet werden, über welchen die Statusnachrichten durch die andere Regelungseinrichtung bzw. die anderen Regelungseinrichtungen empfangbar ist. Der Kommunikationskanal kann beispielsweise als Kommunikationsbus, beispielsweise als CAN-Bus, ausgestaltet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die eine andere Regelungseinrichtung prüft bzw. die anderen Regelungseinrichtungen prüfen, ob die Statusnachrichten in dem vorgegebenen zeitlichen Abstand empfangen werden. Die andere(n) Regelungseinrichtung(en) kann bzw. können insofern einen Empfänger bzw. Listener aufweisen, der den ordnungsgemäßen Empfang der Statusnachrichten in dem vorgegebenen zeitlichen Abstand prüft.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dann, wenn die Prüfung ergibt, dass Statusnachrichten nicht mehr in dem vorgegebenen zeitlichen Abstand empfangen werden, diejenige Regelungseinrichtung, welche die Prüfung durchgeführt hat, ein Statusregister der vormals die Statusnachrichten sendenden Regelungseinrichtung abfragt. Über eine solche Abfrage kann ermittelt werden, ob ein Fehlerzustand in der vormals sendenden Regelungseinrichtung vorliegt oder ob ein Fehler beim Senden der Statusnachricht vorliegt. Das Statusregister ist bevorzugt als Teil der sendenden Regelungseinrichtung ausgebildet. Die Abfrage des Statusregisters erfolgt bevorzugt über einen anderen Kommunikationspfad als das Senden der Statusnachricht, so dass redundante Kommunikationspfade bereitgestellt sind.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Abfrage des Statusregisters mittels Kommunikation über eine Einheit erfolgt, die den Regelungseinrichtungen übergeordnet ist. Die übergeordnete Einheit kann einen Kommunikationspfad bereitstellen, welcher sich von dem Kommunikationspfad, der zum Senden der Statusnachricht zwischen den Regelungseinrichtungen genutzt wird, unterscheidet.
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Alternativ kann die Abfrage des Statusregisters über einen weiteren Kommunikationsbus erfolgen oder über eine direkte Signalverbindung zwischen den Regelungseinrichtungen, insbesondere eine direkte, digitale Signalverbindung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dann, wenn die Prüfung ergibt, dass Statusnachrichten nicht mehr in dem vorgegebenen zeitlichen Abstand empfangen werden, diejenige Regelungseinrichtung, welche die Prüfung durchgeführt hat, abfragt, ob eine Leistungselektronik der Regelungseinrichtung, welche vormals die Statusnachrichten gesendet hat, von dem ihr zugeordneten Wicklungssystem getrennt ist. Diese Information kann entweder durch die vormals sendende Regelungseinrichtung oder durch ein den Regelungseinrichtungen übergeordnetes System bereitgestellt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dann, wenn die Prüfung ergibt, dass Statusnachrichten nicht mehr in dem vorgegebenen zeitlichen Abstand empfangen werden, diejenige Regelungseinrichtung, welche die Prüfung durchgeführt hat, aus einem synchronisierten Betriebszustand, in welchem Messwerte, Stellgrößen oder Regelgrößen einer oder mehrerer anderer Regelungseinrichtungen verwendet werden in einen nicht- synchronisierten Betriebszustand wechselt, in welchem Messwerte, Stellgrößen oder Regelgrößen anderer Regelungseinrichtungen nicht verwendet werden. In dem synchronisierten Betriebszustand kann „torque fighting“ aufgrund des Austauschs von Messwerten, Stellgrößen oder Regelgröße besonders gut verhindert werden. Der nichtsynchronisierte Betriebszustand bietet einen Betriebszustand mit eingeschränkter Performance, der aber den Weiterbetrieb der elektrischen Maschine bzw. des Systems ermöglicht.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Aktuators eines Steer-By-Wire-Systems, insbesondere eines Feedback-Aktuators oder eines Lenk-Aktuators, der eine elektrischen Maschine mit mindestens zwei getrennten Wicklungssystemen umfasst, wobei eine Lage eines Rotors der elektrischen Maschine nach einem vorstehend erläuterten Verfahren eingestellt wird.
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Bei dem Verfahren zum Betrieb des Aktuators können dieselben Vorteile erreicht werden wie sie im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung der Lage eines Rotors einer elektrischen Maschine mit mindestens zwei getrennten Wicklungssystemen beschrieben worden sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine eine permanenterregte Synchronmaschine oder eine Reluktanzmaschine ist.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Regelung der Lage eines Rotors einer elektrischen Maschine mit mindestens zwei getrennten Wicklungssystemen, wobei jedes der Wicklungssysteme durch eine dem jeweiligen Wicklungssystem zugeordnete Regelungseinrichtung regelbar ist, wobei jede der Regelungseinrichtungen dazu eingerichtet sind, in einem vorgegebenen, zeitlichen Abstand Statusnachrichten zu senden, die einen Status der die Statusnachricht sendenden Regelungseinrichtung angeben.
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Bei der Vorrichtung zur Regelung der Lage können dieselben Vorteile erreicht werden, die bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Regelung der Lage eines Rotors einer elektrischen Maschine mit zwei getrennten Wicklungssystemen erläutert worden sind. Es können auch die in diesem Zusammenhang beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und Merkmale bei dem Verfahren zum Betrieb eines Aktuators und der Vorrichtung zur Regelung der Lage zur Anwendung kommen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Steer-By-Wire-Systems mit einem Aktuator, der zwei getrennte Wicklungssysteme umfasst;
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Steer-By-Wire-Systems mit einem Aktuator, der zwei getrennte Wicklungssysteme umfasst; und
- 3 ein Kommunikationsdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Regelung der Lage eines Rotors.
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In der 1 ist ein Steer-By-Wire-System 1 dargestellt, bei welchem die Erfindung Anwendung finden kann. Das Steer-By-Wire System 1 ist als Ergänzungssystem für ein Lenksystem 2, hier ein Lenksystem 2 mit einer Servolenkung 3, ausgestaltet. Das Steer-By-Wire-System 1 umfasst einen an einer Lenksäule 4 des Lenksystems 2 angeordneten Aktuator 5 mit einer elektrischen Maschine 6. Der Aktuator 5 kann als Lenk-Aktuator oder als Feedback-Aktuator ausgestaltet sein. Die elektrische Maschine 6 umfasst dabei mehrere, hier genau zwei, getrennte Wicklungssysteme, die unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
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Das Steer-By-Wire System 1 umfasst ferner eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Regelung der Lage eines Rotors der elektrischen Maschine 6. Die Vorrichtung 10 ist dazu eingerichtet, die getrennten Wicklungssysteme der elektrischen Maschine 6 anzusteuern. Hierzu umfasst die Vorrichtung 10 mehrere Regelungseinrichtungen 11, wobei jedem Wicklungssystem jeweils eine dieser Regelungseinrichtungen 11 zugeordnet ist.
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Die 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Steer-By-Wire-Systems 1, bei welchem die Erfindung Anwendung finden kann. Das Steer-By-Wire System 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist als Lenksystem für eine Achse eines Fahrzeugs ausgebildet, beispielsweise als Vorderachslenksystem oder Hinterachslenksystem. Das Steer-By-Wire-System 1 umfasst einen mit einer Stange 7 gekoppelten Lenk-Aktuator 5 mit einer elektrischen Maschine 6. Die elektrische Maschine 6 umfasst dabei mehrere, hier genau zwei, getrennte Wicklungssysteme, die unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
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Bei dem Steer-By-Wire System 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann ebenfalls eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Regelung der Lage eines Rotors der elektrischen Maschine 6 Anwendung finden. Die Vorrichtung 10 ist dazu eingerichtet, die getrennten Wicklungssysteme der elektrischen Maschine 6 anzusteuern. Hierzu umfasst die Vorrichtung 10 mehrere Regelungseinrichtungen 11, wobei jedem Wicklungssystem jeweils eine dieser Regelungseinrichtungen 11 zugeordnet ist.
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Die 3 zeigt ein Kommunikationsdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 10 zur Regelung der Lage eines Rotors der elektrischen Maschine 6. Die elektrische Maschine umfasst zwei voneinander getrennt ausgebildete Wicklungssysteme. Die Wicklungssysteme wirken auf eine gemeinsame Welle bzw. einen gemeinsamen Rotor ein, dessen Lage bzw. Winkelstellung geregelt wird.
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Hierzu wird der Vorrichtung 10 jeweils ein Lage-Sollwert vorgegeben, welcher zwei als Kaskadenregelungen ausgebildeten Regelungseinrichtungen 11 zugeführt wird. Die Regelungseinrichtungen 11 sind identisch ausgebildet. Jede der Regelungseinrichtungen 11 ist jeweils einem der beiden Wicklungssysteme der elektrischen Maschine 6 zugeordnet. Die Regelungseinrichtungen 11 können beispielsweise einen dreistufigen Aufbau mit einem inneren Strom-Regelkreis, einem mittleren Drehzahl-Regelkreis und einem äußeren Lage-Regelkreis aufweisen. Es ist aber auch ein davon abweichender Aufbau denkbar.
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Erfindungsgemäß sind die Regelungseinrichtungen 11 dazu eingerichtet, in einem vorgegebenen, zeitlichen Abstand Statusnachrichten 12, 13 zu senden, die einen Status der die Statusnachricht sendenden Regelungseinrichtung 11 angeben. Die Statusnachrichten 12, 13 werden über einen Kommunikationskanal gesendet, über welchen die Statusnachrichten 12, 13 durch die jeweils andere Regelungseinrichtung 11 empfangbar sind. Die andere Regelungseinrichtung 11 umfasst jeweils einen Empfänger, der prüft, ob die Statusnachrichten 12, 13 in dem vorgegebenen zeitlichen Abstand empfangen werden.
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Wenn diese Prüfung ergibt, dass Statusnachrichten 12, 13 nicht mehr in dem vorgegebenen zeitlichen Abstand empfangen werden, kann diejenige Regelungseinrichtung 11, welche die Prüfung durchgeführt hat, geeignete Maßnahmen einleiten. Beispielsweise kann ein Statusregister der vormals die Statusnachrichten sendenden Regelungseinrichtung 11 abfragt werden. Alternativ oder zusätzlich kann abgefragt werden, ob eine Leistungselektronik der Regelungseinrichtung 11, welche vormals die Statusnachrichten gesendet hat, von dem ihr zugeordneten Wicklungssystem getrennt ist. Derartige Abfragen können über eine Einheit erfolgt, die den Regelungseinrichtungen 11 übergeordnet ist, also über einen anderen Kommunikationspfad als das Senden der Statusnachrichten 12, 13.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein ASIL-D und ISO 26262 konformes Sicherheitsüberwachungskonzept bereitgestellt, welches keinen „Single Point of Failure“ besitzt. Es wird tatsächliche Redundanz von der Sensorik bis hin zur Aktuatorik bereitgestellt. Insbesondere stellt die Bereitstellung unterschiedlicher Informationen über unterschiedliche Wege eine Redundanz dar, sodass im Fall eines Fehlers in einem Kommunikationspfad über einen anderen Kommunikationspfad immer noch Informationen über das Funktionieren einer Regelungseinrichtung ermittelt werden können. Beispielsweise kann bei einem Ausfall eines Kommunikationsbusses, Z.B. eines CAN-Bus über die Abfrage, ob eine Leistungselektronik der Regelungseinrichtung 11, welche vormals die Statusnachrichten gesendet hat, von dem ihr zugeordneten Wicklungssystem getrennt ist (sogenannter PhaseCutOff) immer noch geprüft werden, ob die Regelungseinrichtung aktiv ist. Die Kommunikation zwischen den Regelungseinrichtungen 11 enthält also auch keinen „single point of failure“.
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Die Diversität in der kommunizierten Information erlaubt u.a. auch den Fall zu erfassen, das zwar die Kommunikation zwischen den Regelungseinrichtungen 11 gestört ist, die Regelungseinrichtungen 11 aber vollständig korrekt funktionieren. Eine erste Regelungseinrichtung 11 würde auch ohne die Kommunikation das erzeugte Drehmoment bis zur maximalen Leistbarkeit erhöhen. Es geht in diesem Falle nicht um die bereitgestellte mechanische Leistung des Systems, sondern darum, dass die Regelungseinrichtungen 11 auf Basis ihrer Umfelddiagnose ihr eigenes Verhalten anpassen. Dies kann bspw. bedeuten, dass ein Regler der Regelungseinrichtung 11 einen I-Anteil deaktiviert, um „Torque Fight“ zu verhindern, wenn die Synchronisation nicht mehr möglich ist.
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Abweichend von dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel kann der Rotor der elektrischen Maschine mit einem Aktorelement gekoppelt sein, beispielsweise über ein Getriebe. In diesem Fall regelt das erfindungsgemäße Verfahren unmittelbar die Lage des Aktorelements und mittelbar die Lage des Rotors der elektrischen Maschine.
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Die vorstehend erläuterte Vorrichtung 10 und das mit dieser implementierte Verfahren zur Regelung der Lage des Rotors der elektrischen Maschine 6 mit zwei getrennten Wicklungssystemen kann zum Betrieb eines Aktuators eines Steer-By-Wire-Systems Anwendung finden. Insbesondere kann ein Feedback-Aktuator oder eine Lenk-Aktuator eines solchen Steer-by-Wire-Systems geregelt werden. Die Erfindung ermöglicht eine größere Verfügbarkeit des Steer-by-Wire-Systems.
