DE10338211A1 - Diagnosestrategie für einen Elektromotor - Google Patents

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Franco Dearborn Heights Leonardi
Henry Heping Canton Huang
John Michael Cedar Miller
Michael W. Novi Degner
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Ford Global Technologies LLC
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strategie zur Regelung und Diagnose des Betriebs eines Elektromotors (38) unter Verwendung eines sensorlosen Regelungssystems unter Berücksichtigung eines Rückkopplungssignals eines Positions- und Drehzahlsensors. Die Erfindung erlaubt eine Verbesserung der Betriebsrobustheit sowie eine Diagnose potentieller Fehler in Elektromotoren. Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zur Diagnose des Betriebs eines Elektromotors (38) sowie ein Verfahren und eine Anordnung zur Kontrolle eines Elektromotors vorgesehen. Im Rahmen des diagnostischen Verfahrens werden ein sensorloses System und ein sensorbasiertes System gegeneinander abgeglichen, um festzustellen, ob eines der Systeme fehlerhaft ist. Im Rahmen des Regelungsverfahrens wird das sensorbasierte Regelungssystem dann verwendet, wenn die Motordrehzahl unterhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt. Das sensorlose System wird dann verwendet, wenn die Motordrehzahl oberhalb der vorgegebenen Schwelle liegt. Der Positionssensor kann als Positionssensor geringer Auflösung ausgebildet sein, z. B. als Motorkurbelwellensensor, Motornockenwellensensor oder Getriebesensor.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrisch angetriebene Fahrzeuge wie beispielsweise Elektroautos (EV), hybride Elektrofahrzeuge (HEV) oder Brennstoffzellenfahrzeuge (FCV). Insbesondere betrifft die Erfindung eine Strategie zur Diagnose eines potentiellen Fehlers in einem Elektromotor. Mit der vorliegenden Erfindung können durch Verwendung eines sensorlosen Regelungsschemas in Verbindung mit einem Rückkopplungssignal von einem Positions- und Geschwindigkeitssensor geringer Auflösung die Betriebsrobustheit verbessert und potentielle Fehler in Elektromotoren diagnostiziert werden.
  • Die Notwendigkeit zur Reduzierung des Verbrauchs fossiler Brennstoffe und der Emissionen von Automobilen und anderen Fahrzeugen, die vornehmlich von Brennkraftmaschinen (ICEs: internal combustion engines) angetrieben werden, ist allgemein bekannt. Es wird versucht, dieser Notwendigkeit durch elektromotorisch angetriebene Fahrzeuge zu begegnen. Eine alternative Möglichkeit besteht darin, eine kleinere ICE mit Elektromotoren in einem Fahrzeug zu kombinieren. Derartige Fahrzeuge verbinden die Vorteile eines ICE-Fahrzeuges und eines Elektrofahrzeuges und werden typischerweise als Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV) bezeichnet (vgl. z.B. die US 5 343 970 [Severinsky]).
  • HEV werden in mehreren Konfigurationen beschrieben. Viele HEV-Patente offenbaren Systeme, bei denen ein Benutzer erforderlich ist, um zwischen einem elektrischen und einem Verbrennungsbetrieb auszuwählen. Bei anderen Konfigurationen treibt der Elektromotor einen Satz von Rädern an, während die ICE einen anderen Satz antreibt.
  • Darüber hinaus wurden andere, nützlichere Konfigurationen entwickelt. z.B. stellt ein serielles Hybridelektrofahrzeug (SHEV) ein Fahrzeug dar, bei dem eine Maschine (typischerweise eine ICE) mit einem als Generator bezeichneten Elektromotor verbunden ist. Der Generator stellt wiederum Elektrizität an eine Batterie und an einen anderen Motor, der als Antriebsmotor bezeichnet wird, bereit. Im SHEV stellt der Antriebsmotor die einzige Quelle für das Raddrehmoment dar. Es gibt keine mechanische Verbindung zwischen der Maschine und den Antriebsrädern. Ein parallel hybrides Elektroauto (PHEV) besitzt dagegen eine Maschine (typischerweise eine ICE) und einen Elektromotor, welche in verschiedenem Ausmaß zusammenarbeiten, um das erforderliche Raddrehmoment zum Antreiben des Fahrzeugs bereitzustellen. Zusätzlich kann in der PHEV-Konfiguration der Motor als Generator eingesetzt werden, um die Batterie mit von der ICE erzeugter Leistung zu laden.
  • Ein parallel/serielles Hybridelektrofahrzeug (PSHEV) weist die Merkmale sowohl der PHEV- als auch der SHEV-Konfigurationen auf und wird gelegentlich als parallel/seriell "geteilte" (split) Konfiguration bezeichnet. Bei einer von mehreren bekannten Bauarten einer PSHEV-Konfiguration ist die ICE mechanisch mittels einer Planetengetriebe-Hinterachse an zwei Elektromotoren gekoppelt. Ein erster Elektromotor, der Generator, ist mit einem Sonnenrad verbunden. Die ICE ist mit einem Trägerrad verbunden. Ein zweiter Elektromotor – ein Antriebsmotor – ist in einer Hinterachse über zusätzliche Räder mit einem Ring(Ausgangs-)Rad verbunden. Das Motordrehmoment kann den Generator zum Laden der Batterie antreiben. Der Generator kann auch zum notwendigen Rad-(Ausgangswellen-)Drehmoment beitragen, falls das System eine Einwegkupplung aufweist. Der Antriebsmotor wird verwendet, um zum Raddrehmoment beizutragen und um die Bremsenergie zum Laden der Batterie wiederzugewinnen. Bei dieser Konfiguration kann der Generator selektiv ein Reaktionsmoment bereitstellen, das zur Regelung der Maschinendrehzahl verwendet werden kann. Die Maschine, der Generatormotor und der Antriebsmotor können den Effekt einer kontinuierlich variablen Transmission (CVT) erzeugen. Weiterhin bietet das HEV im Vergleich zu herkömmlichen Kraftfahrzeugen die Möglichkeit einer besseren Regelung der Leerlaufdrehzahl der Maschine, indem der Generator zur Regelung der Maschinendrehzahl verwendet wird.
  • Die Kombination einer ICE mit Elektromotoren ist offensichtlich wünschenswert. Es existiert ein großes Potential zur Reduzierung des Fahrzeugkraftstoffverbrauches und der Emissionen ohne wahrnehmbaren Verlust der Fahrzeugleistung oder der Fahreigenschaften. Das HEV erlaubt die Verwendung von kleineren Maschinen, ein regeneratives Bremsen, eine elektrische Verstärkung (Boost) und sogar einen Betrieb des Fahrzeugs mit abgestellter Maschine. Nichtsdestotrotz müssen neue Wege entwickelt werden, um die potentiellen Vorteile der HEVs zu optimieren.
  • Ein derartiges Entwicklungsgebiet ist die Diagnose von potentiellen Fehlern in einem Elektromotor und die Steigerung der Betriebsrobustheit bzw. Betriebssicherheit eines Elektromotors. Eine effektive und erfolgreiche Konstruktion ei nes HEV (oder jedes anderen, von Elektromotoren angetriebenen Fahrzeugs) erfordert einen verlässlichen Betrieb. Ein verlässlicher Betrieb kann durch eine sorgfältige Diagnose von potentiellen Fehlern innerhalb des Elektromotors und die Erhöhung der Betriebsrobustheit des Elektromotors erreicht werden. Daher besteht ein Bedarf für eine Strategie, mit der effektiv potentielle Fehler in einem Elektromotor von einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug diagnostiziert und die Betriebsrobustheit eines Elektromotors erhöht werden können. Eine Strategie zur Verbesserung der Betriebsrobustheit und zur Diagnose potentieller Fehler in Elektromotoren besteht darin, ein sensorloses Regelungsschema in Verbindung mit einer Rückkopplung von einem Positions- und Drehzahlsensor geringer Auflösung zu verwenden.
  • Sensorlose Regelungsschemata für elektrische Maschinen (auch als Elektromotoren oder Generatoren bezeichnet) sind aus dem Stand der Technik bekannt. Elektrische Maschinen können vom Typ des Induktionsmotors, des Synchronmotors oder des geschalteten Reluktanzmotors sein. Beispielsweise ist aus der US 61 37 258 (Jansen) ein System für eine drehzahl-sensorlose Regelung einer Induktionsmaschine (Elektromotor) bekannt, bei dem ein Flussregulator und ein Drehmomentstromberechner für den Betrieb des Motors in einem gesättigten Zustand vorgesehen sind. In der US 61 63 119 (Jeong) wird ein sensorloses Drehzahlregelungsverfahren für einen Hochgeschwindigkeitsmotor beschrieben, welches eine umgekehrte elektromotorische Kraft verwendet. Die US 59 20 175 (Jones et al.) offenbart ein sensorloses Regelungssystem zum Betrieb eines Inverters bzw. eines Wechselrichters, der an eine Maschine mit geschalteter Reluktanz gekoppelt ist, welche einen Schaltkreis zur Erzeugung der Momentanposition enthält, durch den ein Signal zur Regelung der Kommutation der geschalteten Reluktanzmaschine erzeugt wird. Weiterhin sei auf die US 58 11 957 (Bose et al.) sowie die US 61 04 113 (Beifus) verwiesen.
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Sensoren geringer Auflösung für die Wellenposition und Drehzahl bekannt, die allgemein in Automobilen installiert werden. Beispiele für derartige in Automobilen verwendete Wellenpositionssensoren geringer Auflösung sind Kurbelwellenpositions- und Drehzahlsensoren, Nockenwellenpositions- und Drehzahlsensoren sowie Getriebepositions- und Drehzahlsensoren.
  • Sensorlose Regelungsschemata für Elektromotoren und Positions- und Drehzahlsensoren geringer Auflösung weisen jedoch spezifische Nachteile und Grenzen auf. Sensorlose Regelungsschemata versagen oft bei geringen Drehzahlen der Welle und sind daher häufig auf hohe Wellendrehzahlen limitiert. Wellenpositions- und Drehzahlsensoren geringer Auflösung können die Wellenposition und Drehzahl bei geringen Wellendrehzahlen messen, besitzen jedoch eine begrenzte Genauigkeit.
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  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dementsprechend darin, eine Strategie zur Regelung eines Elektromotors bereitzustellen, mit der unter allen Betriebszuständen die Betriebsrobustheit verbessert sowie eine Diagnose potentieller Fehler in Elektromotoren ermöglicht wird.
  • Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Strategie zur Regelung eines Elektromotors unter Verwendung eines sensorlosen Regelungsschemas in Verbindung mit einer Rückkopplung von einem Positions- und Drehzahlsensor geringer Auflösung vorgeschlagen. Mit dieser Strategie kann die Betriebsrobustheit verbessert sowie eine Diagnose potentieller Fehler in Elektromotoren erreicht werden.
  • Gemäß einem wichtigen Aspekt der Erfindung werden zwei verschiedene Regelungssysteme verwendet, um die Motorleistung zu optimieren. Ein Positions- und Drehzahlsensor geringer Auflösung wird bei niedrigen Motordrehzahlen verwendet, während ein sensorloses Regelungssystem bei höheren Motordrehzahlen herangezogen wird, d.h. derartigen Drehzahlen, welche eine vorgegebene Schwelle überschreiten. Gemäß einem zugehörigen Aspekt wird im Rahmen der Erfindung ein Verfahren zur Diagnose des Betriebs eines Elektromotors bereitgestellt, bei dem zwei derartige verschiedene Regelungssysteme verwendet werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann eine scheinbare Wellenposition eines Motors, die auf von einem der verschiedenen Regelungssysteme bereitgestellten Daten beruht, unter Verwendung von Daten korrigiert werden, die von dem jeweils anderen der genannten Regelungssysteme bereitgestellt werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden Regelungssysteme und Automobile bereitgestellt, bei denen die zwei verschiedenen Regelungssysteme inkorporiert sind.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zur Diagnose des Betriebs eines Elektromotors die folgenden Schritte auf: Bestimmung einer ersten Wellenposition unter Verwendung eines sensorlosen Regelungssystems; Bestimmung einer zweiten Wellenposition unter Verwendung eines Positionssensors und Auswertung des Betriebs des Elektromotors basierend wenigstens teilweise auf Datenausgaben, die mit der ersten Wellenposition und der zweiten Wellenposition in Beziehung stehen. Das Diagnoseverfahren kann auch die Auswertung des Betriebs eines sensorlosen Regelungssystems basie rend auf der zweiten Wellenposition sowie die Auswertung des Betriebs eines Positionssensors basierend auf der ersten Wellenposition und die Bestimmung einer modifizierten Wellenposition basierend auf der ersten Wellenposition und der zweiten Wellenposition enthalten.
  • Die vorliegende Erfindung enthält ferner ein Verfahren zur Regelung eines Elektromotors, welches die folgenden Schritte aufweist: Bestimmung einer Drehzahl des Elektromotors; Betreiben des Elektromotors unter Verwendung eines sensorlosen Regelungssystems, falls die Drehzahl des Elektromotors oberhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt und Betreiben des Elektromotors unter Verwendung eines sensorbasierten Regelungssystems, falls die Drehzahl des Elektromotors unterhalb der vorgegebenen Schwelle liegt. Das Regelungsverfahren kann ferner die Korrektur des sensorlosen Regelungssystems unter Verwendung von Datenausgaben aus dem sensorbasierten Regelungssystem und die Korrektur des sensorbasierten Regelungssystems unter Verwendung von Datenausgaben des sensorlosen Regelungssystem enthalten.
  • Der Betrieb des Elektromotors unter Verwendung des sensorlosen Regelungssystems, falls die Drehzahl des Elektromotors oberhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt, kann alternativ die folgenden Schritte enthalten: Die Bestimmung der Motordrehzahl und -position aus mehreren Signalen des Phasenstromes und der Phasenspannung; die Bestimmung eines Wechselrichterspannungsbefehls aus der Motordrehzahl und -position; die Bestimmung der mehreren Signale des Phasenstroms und der Phasenspannung aus dem Wechselrichterspannungsbefehl; die Bestimmung der Motordrehzahl und -position mit einem Positionssensor sowie die Korrektur der aus dem Phasenstrom- und dem Phasenspannungssignal bestimmten Motordrehzahl und -position mit der aus dem Positionssensor bestimm ten Motordrehzahl und -position. Der Betrieb des Elektromotors unter Verwendung eines sensorbasierten Regelungssystems, falls die Drehzahl des Elektromotors unterhalb der vorgegebenen Schwelle liegt, kann basieren auf: der Bestimmung der Motordrehzahl und -position mit einem Positionssensor; der Bestimmung eines Wechselrichterspannungsbefehls aus der Motordrehzahl und -position; der Bestimmung von mehreren Signalen des Phasenstroms und der Phasenspannung aus dem Wechselrichterspannungsbefehl sowie der Bestimmung der Motordrehzahl und -position aus den mehreren Signalen des Phasenstroms und der Phasenspannung und die Korrektur der vom Positionssensor bestimmen Motordrehzahl und -position anhand der Motordrehzahl- und -positionsdaten, die aus dem Phasenstrom- und Phasenspannungssignal bestimmt wurden.
  • Die vorliegende Erfindung enthält ferner eine Anordnung zur Regelung eines Elektromotors umfassend: einen Wechselrichter bzw. Inverter, welcher betriebswirksam mit dem Motor verbunden ist; einen Positionsschätzer, welcher betriebswirksam mit dem Motor und dem Wechselrichter verbunden ist; einen Drehmomentregler, welcher betriebswirksam mit dem Positionsschätzer und dem Wechselrichter verbunden ist; einen Positionssensor, welcher betriebswirksam mit dem Motor und dem Positionsschätzer verbunden ist; Mittel zur Bestimmung einer ersten Elektromotorwellenposition basierend auf einer Ausgabe vom Wechselrichter; Mittel zur Bestimmung einer zweiten Elektromotorwellenposition basierend auf einer Ausgabe vom Positionssensor; und Mittel zur Korrektur der ersten Elektromotorwellenposition unter Verwendung von Daten über die zweite Elektromotorwellenposition. Das Regelungssystem kann ferner Mittel zur Korrektur der zweiten Elektromotorwellenposition unter Verwendung von Daten enthalten, die auf die erste Elektromotorwellenposition bezogen sind. Der Positionssensor kann ein Positionssensor geringer Auflö sung sein, ein Motorkurbelwellen-Positionssensor, ein Motornockenwellen-Positionssensor oder ein Getriebesensor.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen sich jeweils auf gleiche Elemente beziehen. Es zeigen:
  • 1 eine allgemeine Konfiguration eines Hybrid-Elektrofahrzeuges (HEV), und
  • 2 ein sensorloses Regelungsschema für einen Elektromotor in Verbindung mit einer Rückkopplung von einem Positions- und Drehzahlsensor geringer Auflösung.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Elektromotoren. Da der Einsatz von Elektromotoren in Fahrzeugen zunimmt, wird ein robuster Motorbetrieb und die Diagnose potentieller Fehler immer wichtiger. Dies trifft insbesondere unter den rauen Bedingungen zu, denen typischerweise als Fahrzeugkomponenten eingesetzte Motoren unterliegen. Zu Demonstrationszwecken und zur Unterstützung des Verständnisses der vorliegenden Erfindung wird diese anhand einer Anwendung in einem Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV: hybrid electric vehicle) beschrieben. 1 zeigt diesbezüglich nur eine mögliche HEV-Konfiguration, nämlich eine (leistungsgespaltene) Konfiguration eines parallel/seriellen hybriden Elektrofahrzeugs.
  • In einem grundlegenden HEV koppelt ein Planetengetriebesatz 20 ein Trägerrad 22 (carrier wheel) mechanisch über eine Einwegkupplung 26 (one-way clutch) an eine Maschine 24. Der Planetengetriebesatz 20 koppelt ferner ein Sonnenrad 28 mechanisch an einen Generatormotor 30 und ein Ring(Ausgangs-)Rad 32. Der Generatormotor 30 ist weiterhin mit einer Generatorbremse 34 mechanisch gekoppelt und elekt risch mit einer Batterie 36 verbunden. Ein Antriebsmotor 38 ist mechanisch über einen zweiten Getriebesatz 40 an das Ringrad 32 des Planetengetriebesatzes 20 gekoppelt und elektrisch an die Batterie 36 angeschlossen. Das Ringrad 32 des Planetengetriebesatzes 20 und der Antriebsmotor 28 sind mechanisch über eine Ausgangswelle 44 an Antriebsräder 42 gekoppelt.
  • Der Planetengetriebesatz 20 spaltet die Leistung der Maschine 24 in einen seriellen Pfad von der Maschine 24 zum Generatormotor 30 und in einen parallelen Pfad von der Maschine 24 zu den Antriebsrädern 42 auf. Die Drehzahl der Maschine 24 kann durch Variation der Aufspaltung auf den seriellen Pfad kontrolliert werden, während die mechanische Verbindung über den parallelen Pfad beibehalten wird. Der Antriebsmotor 38 steigert auf dem parallelen Pfad über den zweiten Getriebesatz 40 die an die Antriebsräder 42 abgegebene Leistung der Maschine 24. Der Antriebsmotor 38 bietet darüber hinaus die Möglichkeit, Energie direkt von dem seriellen Pfad zu verwenden, wobei dieser im Wesentlichen von durch den Generatormotor 30 erzeugter Leistung betrieben wird. Dies mindert Verluste, die mit der Konversion von Energie in chemische Energie in der Batterie 36 und zurück verbunden sind, und erlaubt es, dass die gesamte Energie der Maschine 24 bis auf Umwandlungsverluste die Antriebsräder 42 erreicht.
  • Ein Fahrzeugsystemregler (VSC) 46 regelt viele Komponenten in dieser HEV-Konfiguration durch Verbindungen zu den Reglern jeder Komponente. Eine Maschinensteuerungseinheit (ECU) 48 ist mit der Maschine 24 über eine fest verdrahtete Schnittstelle verbunden. Alle Fahrzeugregler können physikalisch in beliebiger Weise kombiniert werden oder als separate Einheiten ausgebildet sein. Vorliegend werden diese als separate Einheiten beschrieben, da sie jeweils verschiedene Funktionalitäten aufweisen. Der VSC 46 kommuniziert mit der ECU 48 sowie mit einer Batterieregelungseinheit (BCU) 50 und einer Hinterachs-Managementeinheit (TMU: transaxle management unit) 52 über ein Kommunikationsnetzwerk wie etwa ein Regler-Bereichsnetzwerk 54 (CAN: controller area network). Die BCU 50 ist über eine fest verdrahtete Schnittstelle mit der Batterie 36 verbunden.
  • Die TMU 52 kontrolliert den Generatormotor 30 und den Antriebsmotor 38 über eine fest verdrahtete Schnittstelle zu einer Generatormotorregelungseinheit (GMCU) 56 und einer Antriebsmotorregelungseinheit (TMCU) 58. Die Regelungseinheiten 46, 48, 50, 52, 56 und 58 und das CAM 54 können enthalten: einen oder mehrere Mikroprozessoren, Computer oder Zentralprozessoren; eine oder mehrere computerlesbare Speichereinrichtungen; eine oder mehrere Speichermanagementeinheiten; und eine oder mehrere Eingabe/Ausgabeeinrichtungen zur Kommunikation mit verschiedenen Sensoren, Aktuatoren und Kontrollschaltungen.
  • Die vorliegende Erfindung liegt in einer Strategie zur Regelung eines Elektromotors unter Verwendung eines sensorlosen Regelungsschemas zusammen mit einer Rückkopplung von einem Positions- und Drehzahlsensor geringer Auflösung. Die Erfindung kann in einem computerlesbaren Format in einer oder mehreren der vorstehend beschriebenen Datenverarbeitungseinrichtungen verwirklicht werden. 2 veranschaulicht ein sensorloses Regelungsschema für einen Elektromotor in Verbindung mit einer Rückkopplung von einem Positions- und Drehzahlsensor geringer Auflösung. Die dargestellte TMCU 58 ist mit einem Wechselrichter bzw. Inverter 80, einem Drehmomentregler 82 und einem Positionsschätzer 84 kommunizierend verbunden. Aus dem Stand der Technik bekannte Wechselrichter transformieren einen Gleichstrom in einen Wechselstrom mit einer geeigneten Anzahl von Phasen. Der Wechselrichter bzw. Inverter 80 ist als Dreiphasenwechselrichter dargestellt. Die Strom- und Spannungssignale der drei Phasen werden verwendet, um den Antriebsmotor 38 anzutreiben. Die Strom- und Spannungssignale der drei Phasen werden weiterhin dem Drehmomentregler 82 und dem Positionsschätzer 84 zugeführt.
  • Mit dem Antriebsmotor 38 ist ein Positions-/Drehzahlsensor 86 mit geringer Auflösung verbunden. Aus dem Stand der Technik bekannte Wellenpositions- und -drehzahlsensoren geringer Auflösung können beispielsweise Kurbelwellenpositions- und -drehzahlsensoren, Nockenwellenpositions- und -drehzahlsensoren sowie Getriebepositions- und -drehzahlsensoren umfassen.
  • Der Positions-/Drehzahlsensor 86 geringer Auflösung gibt ein Wellenpositionssignal θ ab, welches ein Eingangssignal für den Positionsschätzer 84 darstellt. Der Positionsschätzer 84 empfängt zusätzlich Signale von dem Wechselrichter 80. Der Positionsschätzer 84 gibt ein modifiziertes Wellenpositionssignal θ' aus. Das modifizierte Wellenpositionssignal wird dem Drehmomentregler 82 zugeführt. Die Ausgangsspannung des Drehmomentreglers 82 wirkt wieder auf den Wechselrichter 80 zurück.
  • Wie dargestellt, ist das modifizierte Wellenpositionssignal θ' ein Ausgangssignal des Positionsschätzers 84. θ' kann den Positionsdaten von einem Positions-/Drehzahlsensor 86 geringer Auflösung entsprechen. θ' kann auch unter Verwendung von auf dem Gebiet der sensorlosen Regelung bekannten Verfahren auf dem Phasenstrom und/oder der -spannung basieren. Weiterhin kann θ' eine geschätzte Position darstellen, welche nach einer Korrektur unter Verwendung der Eingabe des Positions-/Drehzahlsensors 86 geringer Auflösung durch die rückgekoppelte Regelung oder andere im Gebiet der Signalkorrektur bekannte Mittel gewonnen wurde.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist die sensorlose Regelung die primäre Regelungsstrategie für Drehzahlen, die Traktionen des Antriebsmotors 38 ungleich Null entsprechen, d.h. Drehzahlen größer als etwa 10 bis 100 U/min. Typischerweise stellen 50 U/min eine bevorzugte Schwelle für die Motordrehzahl dar. Diese Schwelle wird basierend auf dem Elektromotor und der Genauigkeit des sensorlosen Regelungssystems ausgewählt. Die Schwelle kann abhängig von der speziellen Anwendung variieren. Die sensorlose Regelung schätzt die Positionsdaten basierend auf mathematischen Berechnungen wie etwa der gegenelektromotorischen Kraft (back-emf), der Flussverkettung (flux linkage) und anderen im Stand der Technik bekannten Verfahren.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann ferner der Positions-/Drehzahlsensor 86 geringer Auflösung verwendet werden, um die sensorlose Regelungsschätzung zu überprüfen oder zu korrigieren, um so eine genauere Messung der Rotorposition oder Drehzahl zu erlauben. Damit wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit zur Kompensation möglicher Abschätzungsfehler geschaffen, die durch Messrauschen, Ausfälle, Variationen von Motorparametern verursacht sind. Weiterhin können mechanische Transienten kompensiert werden, welche jenseits der Bandbreite des sensorlosen Regelungsalgorithmus liegen.
  • Bei Drehzahlen von Null oder sehr geringen Drehzahlen, z.B. Drehzahlen kleiner als etwa 50 U/min, stellt die sensorbasierte Regelung unter Verwendung des Positions-/Drehzahlsensors 86 geringer Auflösung das primäre Regelungsverfahren dar, wobei die sensorlose Regelungsabschätzung eine mögliche Sicherung im Falle eines Systemversagens oder für die Verwendung zur Verfeinerung des gemessenen Signals darstellt. Um eine unnötige Verkomplizierung und/oder Verteuerung des Systems zu vermeiden, kann der Positions-/Drehzahlsensor 86 geringer Auflösung einer von den Positions-/Drehzahlsensoren geringer Auflösung sein, die bereits im Kraftübertragungsweg vorhanden sind, z.B. ein Motorkurbelwellen-Positionssensor, ein Motornockenwellen-Positionssensor oder ein Getriebesensor.
  • Die vorliegende Erfindung kombiniert die Vorteile einer sensorlosen Regelung und einer sensorbasierten Regelung, um die Verlässlichkeit zu verbessern und die Betriebsrobustheit zu erhöhen, ohne die Systemkosten signifikant ansteigen zu lassen. Mit der Erfindung können außerdem potentielle Fehler in dem Elektromotor diagnostiziert werden, ohne dass hierfür redundante Sensoren erforderlich wären. Im Falle eines Versagens des Positions-/Drehzahlsensors 86 geringer Auflösung kann das sensorlose Regelungssystem z.B. unabhängig arbeiten. Alternativ kann im Falle eines Versagens des sensorlosen Regelungssystems der Positions-/Drehzahlsensor 86 geringer Auflösung unabhängig betrieben werden.

Claims (29)

  1. Verfahren zur Diagnose des Betriebs eines Elektromotors (38), gekennzeichnet durch folgende Schritte: Bestimmung einer ersten Wellenposition unter Verwendung eines sensorlosen Regelungssystems; Bestimmung einer zweiten Wellenposition (θ) unter Verwendung eines Positionssensors (86), und Auswertung des Betriebs des genannten Elektromotors (38) basierend wenigstens teilweise auf dem Vergleich der ersten Wellenposition und der zweiten Wellenposition.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch die Auswertung des Betriebs unter dem sensorlosen Regelungssystem basierend auf der zweiten Wellenposition (θ).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin gekennzeichnet durch die Auswertung des Betriebs des Positionssensors (86) basierend auf der ersten Wellenposition.
  4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin gekennzeichnet durch die Bestimmung einer modifizierten Wellenposition (θ') basierend auf der ersten Wellenposition und der zweiten Wellenposition (θ).
  5. Verfahren nach Anspruch 4, weiterhin gekennzeichnet durch die Schritte: Übermittlung der modifizierten Wellenposition (θ') an einen Drehmomentregler (82), und Übermittlung eines Spannungsbefehls vom Drehmomentregler (82) an einen Wechselrichter (80).
  6. Verfahren zur Regelung eines Elektromotors (38), gekennzeichnet durch die Schritte: Bestimmung einer Drehzahl des Elektromotors; Betrieb des Elektromotors (38) unter Verwendung eines sensorlosen Regelungssystems, falls die genannte Drehzahl des Elektromotors oberhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt, und Betrieb des Elektromotors (38) unter Verwendung eines sensorbasierten Regelungssystems, falls die genannte Drehzahl des Elektromotors unterhalb der genannten vorgegebenen Schwelle liegt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, weiterhin gekennzeichnet durch die Korrektur des sensorlosen Regelungssystems anhand des sensorbasierten Regelungssystems.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, weiterhin gekennzeichnet durch die Korrektur des sensorbasierten Regelungssystems anhand des sensorlosen Regelungssystems.
  9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Betriebs des Elektromotors (38) unter Verwendung eines sensorlosen Regelungssystems, falls die Drehzahl des Elektromotors oberhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt, folgende Schritte aufweist: Bestimmung einer Motordrehzahl und -position aus mehreren Signalen des Phasenstroms und der Phasenspannung; Bestimmung eines Wechselrichterspannungsbefehls aus der genannten Motordrehzahl und -position, und Bestimmung der mehreren Signale des Phasenstroms und der Phasenspannung aus dem genannten Wechselrichterspannungsbefehl.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, weiterhin gekennzeichnet durch folgende Schritte: Bestimmung einer Motordrehzahl und -position mit einem Positionssensor (86), und Korrektur der genannten Motordrehzahl und -position, die auf der Basis der Signale des Phasenstroms und der Phasenspannung bestimmt wurden, anhand der durch den Positionssensor (86) bestimmten Motordrehzahl und -position.
  11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Betriebs des Elektromotors (38) unter Verwendung eines sensorbasierten Regelungssystems, falls die Drehzahl des Elektromotors unterhalb der vorgegebenen Schwelle liegt, folgende Schritte aufweist: Bestimmung einer Motordrehzahl und -position mit einem Positionssensor (86); Bestimmung eines Wechselrichterspannungsbefehls aus der genannten Motordrehzahl und -position, und Bestimmung mehrerer Signale des Phasenstroms und der Phasenspannung aus dem genannten Wechselrichterspannungsbefehl.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin gekennzeichnet durch die Schritte: Bestimmung der Motordrehzahl und -position aus mehreren Signalen des Phasenstroms und der Phasenspannung, und Korrektur der mit dem Positionssensor (86) bestimmten Motordrehzahl und -position anhand der genannten Motordrehzahl und -position, die durch die Signale des Phasenstroms und der Phasenspannung bestimmt wurde.
  13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte vorgegebene Schwelle etwa 50 U/min beträgt.
  14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte vorgegebene Schwelle im Bereich von etwa 10 U/min bis etwa 100 U/min liegt.
  15. Anordnung zur Regelung eines Elektromotors (38), gekennzeichnet durch: einen betriebswirksam mit dem Elektromotor (38) verbundenen Wechselrichter (80); einen betriebswirksam mit dem Elektromotor (38) und dem Wechselrichter (80) verbundenen Positionsschätzer (84); einen betriebswirksam mit dem Positionsschätzer (84) und dem Wechselrichter (80) verbundenen Drehmomentregler (82); einen betriebswirksam mit dem Elektromotor (38) und dem Positionsschätzer (84) verbundenen Positionssensor (86); einen Prozessor zur Bestimmung einer ersten Wellenposition des Elektromotors basierend auf einer Ausgabe von dem Wechselrichter (80), wobei der Prozessor dahingehend ausgebildet ist, eine zweite Wellenposition des Elektromotors (38) basierend auf einer Ausgabe vom Positionssensor (86) zu bestimmen, und wobei der Prozessor dahingehend programmiert ist, die erste Wellenposition des Elektromotors (38) unter Verwendung von Daten zu korrigieren, die in Beziehung zur zweiten Wellenposition des Elektromotors stehen.
  16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor dahingehend programmiert ist, die zweite Wellenposition des Elektromotors (38) unter Verwendung von Daten zu korrigieren, die in Beziehung zur ersten Wellenposition des Elektromotors stehen.
  17. Anordnung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor (86) als Positionssensor geringer Auflösung ausgebildet ist.
  18. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor (86) als Motorkurbelwellen-Positionssensor ausgebildet ist.
  19. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor (86) als Motornockenwellen-Positionssensor ausgebildet ist.
  20. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor (86) ein Getriebesensor ist.
  21. Fahrzeug, umfassend: einen Elektromotor (38); einen betriebswirksam mit dem genannten Elektromotor verbundenen Wechselrichter (80); einen betriebswirksam mit dem Motor (38) und dem Wechselrichter (80) verbundenen Positionsschätzer (84); einen betriebswirksam mit dem Positionsschätzer (84) und dem Wechselrichter (80) verbundenen Drehmomentregler (82); einen betriebswirksam mit dem Motor (38) und dem Positionsschätzer (84) verbundenen Positionssensor (86); Mittel zur Bestimmung einer ersten Wellenposition des Elektromotors basierend auf einer Ausgabe vom Wechselrichter (80); Mittel zur Bestimmung einer zweiten Wellenposition des Elektromotors basierend auf einer Ausgabe vom Positionssensor (86), und Mittel zur Korrektur der genannten ersten Wellenposition des Elektromotors durch die genannte zweite Ausgabe einer Wellenposition des Elektromotors.
  22. Fahrzeug nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch Mittel zur Korrektur der zweiten Wellenposition des Elektromotors (38) durch die Ausgabe der ersten Wellenposition des Elektromotors.
  23. Fahrzeug gemäß Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor (86) als Positionssensor geringer Auflösung ausgebildet ist.
  24. Fahrzeug nach mindestens einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor (86) als Motorkurbelwellen-Positionssensor ausgebildet ist.
  25. Fahrzeug nach mindestens einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor (86) als Motornockenwellen-Positionssensor ausgebildet ist.
  26. Fahrzeug nach mindestens einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor (86) als Getriebesensor ausgebildet ist.
  27. Vorrichtung zur Kontrolle eines Elektromotors (38), umfassend: eine computerlesbare Speichereinrichtung, und eine Regelungsstrategie, die in der computerlesbaren Speichereinrichtung implementiert ist, zur Steuerung eines Computers dahingehend, dass dieser die folgenden Schritte kontrolliert: Bestimmung einer Drehzahl eines Elektromotors (38); Betrieb des genannten Elektromotors unter Verwendung eines sensorlosen Regelungssystems, falls die genannte Drehzahl des Elektromotors oberhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt, und Betrieb des genannten Elektromotors unter Verwendung eines sensorbasierten Regelungssystems, falls die genannte Drehzahl des Elektromotors unterhalb der genannten vorgegebenen Schwelle liegt.
  28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte vorgegebene Schwelle etwa 50 U/min beträgt.
  29. Vorrichtung nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte vorgegebene Schwelle im Bereich von etwa 10 U/min bis etwa 100 U/min liegt.
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