EP4602713A1 - Verfahren zur bestimmung der position eines rotors einer elektrischen maschine - Google Patents

Verfahren zur bestimmung der position eines rotors einer elektrischen maschine

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Publication number
EP4602713A1
EP4602713A1 EP23820786.4A EP23820786A EP4602713A1 EP 4602713 A1 EP4602713 A1 EP 4602713A1 EP 23820786 A EP23820786 A EP 23820786A EP 4602713 A1 EP4602713 A1 EP 4602713A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frequency
rotor
injection
angle
voltage
Prior art date
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Pending
Application number
EP23820786.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Julius Rogowsky
Markus Ott
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Mercedes Benz Group AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mercedes Benz Group AG filed Critical Mercedes Benz Group AG
Publication of EP4602713A1 publication Critical patent/EP4602713A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/183—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using an injected high frequency signal
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • H02P21/18—Estimation of position or speed
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the position of a rotor of an electrical machine according to the preamble of claim 1.
  • an electrical machine for example a permanent magnet synchronous machine with radial or axial arrangement or a current-excited synchronous machine
  • a current control is field-oriented control, which carries out a transformation (Clarke-Park transformation) of current and voltage into a rotor-fixed coordinate system based on the position of the permanent magnet.
  • the position of the permanent magnet (also rotor angle) is usually determined using a rotor angle sensor (e.g. resolver).
  • a rotor angle sensor e.g. resolver
  • a variety of options are known from the literature that inject an additional signal.
  • the signal can be designed as a sine or square wave and injected as a voltage injection into the rotor or stator-fixed coordinate system.
  • options are known that inject a current into the rotor-fixed coordinate system. What all of these methods have in common is that the injection introduces additional high-frequency losses and additional torque ripples into the electric machine, which have a negative impact on efficiency and noise-vibration-harshness (NVH) behavior. The goal is therefore to keep the injection as low as possible while still maintaining a good and robust estimate of the rotor angle.
  • NSH noise-vibration-harshness
  • DE 102019208497 A1 describes a method for determining a rotor position of an electrical, rotating machine fed by a PWM-controlled inverter. Injection voltages determined by a controller, which are composed of predetermined voltages and high-frequency voltages, are converted into corresponding PWM duty cycles and the inverter is controlled with these PWM duty cycles. Current profiles of phase currents are then determined by measuring at least a first phase current and a second phase current, with the measurement taking place within a PWM period in the last third of a passive switching state. The rotor position is then determined depending on the current profiles determined and the high-frequency voltages fed in.
  • the invention is based on the object of specifying a novel method for determining the position of a rotor of an electrical machine.
  • the object is achieved according to the invention by a method for determining the position of a rotor of an electrical machine with the features of claim 1.
  • an anisotropy-based position control and/or regulation algorithm with high-frequency excitation of the voltage modulation is used to estimate a rotor angle.
  • a signal affected by measurement noise with a minimally disruptive slope tangent is also calculated using a least squares algorithm that is able to To identify current leakages, further using an angle control loop to minimize occurring disturbances and jumps in the rotor angle, further using an amplitude-optimized high-frequency injection.
  • the present invention provides a method for operating and monitoring a permanent magnet synchronous machine without a rotor position sensor. This enables an anisotropy-based estimation of the rotor position without a rotor position sensor, optimized in terms of NVH (noise-vibration-harshness) and efficiency.
  • NVH noise-vibration-harshness
  • an anisotropy-based position control and/or regulation algorithm with modulation excitation without a sensor is used, together with a least squares algorithm that is able to identify high-frequency current leakages.
  • an optimized injection scheme is proposed to ensure a stable and robust estimation at low engine speed and when the engine is at a standstill. All three functionalities together make it possible to apply the algorithm in an engine control unit of a motor vehicle.
  • Fig. 1 is a schematic view of a method for estimating the rotor position for feedback into the field-oriented control
  • Fig. 2 is a schematic view of a method for estimating the rotor position for redundant monitoring of the rotor position
  • Fig. 3 is a schematic view of characteristic maps for the operating point-dependent selection of frequency and amplitude of an injection
  • Fig. 4 is a schematic diagram of voltages and currents of an inverter for operating the electrical machine
  • Fig. 5 is a schematic view of an angle control loop.
  • the core of the invention is to carry out a novel combination of the individual aspects that has not previously been included in the prior art and to additionally incorporate an amplitude-optimized high-frequency injection in such a way that an anisotropy-based determination of the rotor angle is possible with appropriate accuracy and robustness right up to standstill.
  • case 1 estimation of the rotor position for feedback to the field-oriented control
  • case 2 estimation of the rotor position for redundant monitoring of the rotor position ( Figure 2).
  • Figure 1 is a schematic view of a method for estimating the rotor position for feedback to the field-oriented control.
  • Figure 2 is a schematic view of a method for estimating the rotor position for redundant monitoring of the rotor position.
  • Figure 3 is a schematic view of characteristic maps KF for the operating point-dependent selection of frequency f and amplitude ai of the injection in case 1.
  • the operating point-dependent selection of frequency f and amplitude ai of the injection in case 1 is determined as a function of torque M, speed n, DC voltage VDC and the switching frequency f s as well as the driving mode FM using at least one characteristic map KF.
  • the driving mode FM By including the driving mode FM, a distinction can be made in particular between injection that is optimal in terms of efficiency, comfort and performance.
  • the information about the rotor angle is located in the anisotropic high-frequency part of an active pointer Ti, T 2 , and is extracted by forming the difference between the other parts as shown in the prior art.
  • the active pointer or T 2 is the voltage state in which the inverter 1 is not in freewheeling mode. This includes the six switching states 100, 110, 010, 011, 001 and 101 , where a 1 stands for a closed switch and 0 for an open switch in the upper part of a half bridge. always designates the first active pointer of a new switching period and T 2 the second.
  • the free-running states are defined as zero pointers (000 or 111), where T o always designates the zero pointer at the beginning of a new switching period and T 7 the zero pointer in the middle of a switching period.
  • the isotropic high-frequency component is calculated using the calculated voltages in the active vector Ti, T 2 and in a mean admittance characteristic field as a function of d and q current by means of multiplication.
  • the low-frequency component is extracted from the long zero vector T 7.
  • the characteristic field of the isotropic (mean) admittance Y s (i d ,i q ) is calculated from the inductance characteristic fields, which can be obtained, for example, by an offline characterization of the electrical machine:
  • Figure 5 is a schematic view of an angle control loop 2.
  • a transformation is carried out using the anisotropic high-frequency component from the long/medium active pointer Ti, T 2 and the associated voltage as described in the prior art.
  • the transformed signal with a similar phase position is then further processed using an angle control loop 2 extended by an additional PT1 element and compensated for the influence of the cross-coupling.
  • the method presented is not limited to applications with a constant switching frequency and the modulation method space vector modulation (SVPWM). While a variable switching frequency f s mainly influences the angle control loop 2, the arrangement or presence of the pointers changes when discontinuous methods are used. This is taken into account in a pointer selection block 3 so that the method can be used for a variety of discontinuous methods (GDPWM, DPWMMIN, DPWMMAX, DPWMO, DPWM1, DPWM2, DPWM3).
  • the method for operating a synchronous machine is carried out as shown in Figure 1, wherein the synchronous machine is designed to be multi-phase and is fed via an inverter 1.
  • an offline optimized operating point-dependent (with regard to torque M, speed n, DC voltage VDC, circuit breaker temperature, driving mode FM) specification of a minimum high-frequency rectangular injection is carried out using several characteristic maps KF (see Figure 3) with application-specific optimization goals.
  • one of the characteristic maps KF can have the optimization goal of efficiency, another the optimization goal of comfort and another the optimization goal of dynamics.
  • switch positions calculated in a pulse width modulation component 4 are transferred to a sensorless algorithm 5 for identifying a relevant pointer characteristic, i.e. pointer lengths, pointer start points and pointer end points, and for calculating the resulting voltage levels within individual pointers.
  • the sensorless determination of the rotor position is carried out by means of a combination of the arbitrary injection method and a least square algorithm 6, wherein the long active vector Ti, T 2 is used to determine the total current derivative, the long mean zero vector T o , T 7 is used to compensate for the low-frequency component and an offline calculated table depending on d and q current is used for the high-frequency isotropic component.
  • a delayed start time of the least square algorithm 6 is defined at the beginning of each pointer to minimize the influence of current overshoots.
  • a connected angle control loop 2 is used to minimize high frequency oscillations in the estimated rotor position signal.
  • a pointer length-dependent switching takes place between the direct calculation from the active long pointer Ti, T 2 and the reconstruction from the mean value of both active pointers Ti, T 2 .
  • a variable sequence control of the pointer selection 3 and sorting is carried out to handle discontinuous modulation methods.
  • a method for monitoring a permanent magnet synchronous machine as shown in Figure 2 is carried out, wherein the synchronous machine is designed in multiple phases and is fed via an inverter 1, and is operated at least partially via a classic anisotropy-based method of high-frequency injection.
  • the switch positions on gate drivers 7 of inverter 1 are read back to identify the pointer times and resulting voltage levels within individual pointers to comply with safety-relevant requirements.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Rotors einer elektrischen Maschine ohne Rotorlagesensor, wobei zur Schätzung eines Rotorwinkels ein anisotropiebasierter Positions-Steuer- und/oder -Regelalgorithmus mit hochfrequenter Anregung der Spannungsmodulation angewandt wird, wobei ferner ein durch Messrauschen behaftetes Signal mit einer störungsminimalen Steigungstangente mittels ein Least-Squares-Algorithmus (6) berechnet wird, der in der Lage ist, hochfrequente Stromableitungen zu identifizieren, wobei ferner eine Winkelregelschleife (2) zur Minimierung auftretender Störungen und Sprünge des Rotorwinkels verwendet wird, wobei ferner eine amplitudenoptimierte hochfrequente Injektion verwendet wird.

Description

Verfahren zur Bestimmung der Position eines Rotors einer elektrischen Maschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Rotors einer elektrischen Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Der Betrieb einer elektrischen Maschine, beispielsweise einer permanenterregten Synchronmaschine radialer oder axialer Anordnung oder einer stromerregten Synchronmaschine, erfolgt durch das Regeln eines Stroms in der elektrischen Maschine mittels Stellen einer Spannung. Ein bekanntes Konzept der Stromregelung ist dabei die feldorientierte Regelung, die auf Basis der Lage des Permanentmagneten eine Transformation (Clarke-Park Transformation) von Strom und Spannung in ein rotorfestes Koordinatensystem vornimmt. Die Lage des Permanentmagneten (auch Rotorwinkel) wird dabei in der Regel über einen Rotorwinkelsensor (z.B. Resolver) bestimmt. Zur Einsparung von Kosten und Bauraum gibt das Konzept der geberlosen Regelung die Möglichkeit, den Sensor entfallen zu lassen und den Rotorwinkel nur auf Kenntnis anderer Sensor- und Maschinenparameter zu bestimmen.
Eine bekannte Möglichkeit zur Bestimmung der Rotorposition stellen dabei Verfahren dar, die die Anisotropie der elektrischen Maschine nutzen. Der Grad der Anisotropie RL wird über die Induktivitäten im rotorfesten Koordinatensystem Ld und Lq bestimmt und verändert sich betriebspunktabhängig durch Effekte wie die magnetische Sättigung:
Für die Bestimmung des Rotorwinkels mittels Anisotropie ist aus der Literatur eine Vielzahl an Möglichkeiten bekannt, die ein zusätzliches Signal einprägen. Das Signal kann dabei als Sinus oder Rechteck ausgeführt sein und als Spannungsinjektion in das rotor- oder statorfeste Koordinatensystem eingeprägt werden. Weiterhin sind Möglichkeiten bekannt, die eine Strominjektion im rotorfesten Koordinatensystem vorschlagen. All diesen Verfahren ist gemein, dass durch die Injektion zusätzliche hochfrequente Verluste sowie zusätzliche Drehmomentwelligkeiten in der elektrischen Maschine eingeprägt werden, die sich negativ auf Wirkungsgrad und das Noise-Vibration- Harshness-Verhalten (NVH) auswirken. Das Ziel ist daher, die Injektion bei gleichzeitig weiterhin guter und robuster Schätzung des Rotorwinkels möglichst gering zu halten.
Neben der klassischen hochfrequenten Injektion ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass neben einer eigenen hochfrequenten Injektion auch direkt die Modulation der Spannung mit Schaltfrequenz als hochfrequente Injektion genutzt werden kann. Die Herausforderung bei dieser Methodik besteht in der genauen Identifikation der Stromableitungen innerhalb bestimmter Zeiger einer Schaltperiode. In der akademischen Literatur wird diese Identifikation vorwiegend durch zusätzliche prototypische Sensorik sichergestellt, die im automotiven Umfeld nicht verfügbar ist. Sofern die Ableitungen mit einer gewissen Genauigkeit bestimmt werden können, existieren verschiedene Möglichkeiten, den rotorwinkelabhängigen Term zu extrahieren. Ein bekanntes Verfahren ist die sogenannte beliebige Injektion [D. Paulus, P. Landsmann and R. Kennel, “Saliency based sensorless field-oriented control for permanent magnet synchronous machines in the whole speed range”, 3rd IEEE International Symposium on Sensorless Control for Electric Drives, 2012], Diese teilt die gesamte Stromableitung in die Teile anisotroper hochfrequenter Anteil e“ß, isotroper hochfrequenter Anteil und niederfrequenter Anteil ^i“p auf. Alle folgenden Betrachtungen werden im statorfesten Koordinatensystem (aß) gemacht:
Dabei bezeichnet Rs den Statorwiderstand, v“ß die gegeninduzierte Spannung, Yz die isotrope (mittlere) Admittanz, YA die anisotrope Admittanz, Ys die Admittanzmatrix, v“ß die Spannung, i“ß den Strom im jeweiligen Zeiger und S(0R) eine Transformationsmatrix in Abhängigkeit des Rotorwinkels. Mittels der statorfesten Spannung und der extrahierten anisotropen hochfrequenten Stromableitungen wird anschließend das sinusförmige Signal berechnet, das bei Vernachlässigung von harmonischen Anisotropien und korrekter Kompensation von Kreuzkopplungseffekten die gleiche Phasenlage wie der Rotorwinkel hat:
Mit anschließender Verwendung einer Winkelregelschleife, auch Angle-Tracking Observer (ATO), [J. Friedmann, R. Hoffmann and R. Kennel, “A new approach for a complete and ultrafast analysis of PMSMs using the arbitrary injection scheme”, IEEE Symposium on Sensorless Control for Electrical Drives, 2016], werden auftretende Schwingungen im
Rotorwinkel minimiert. Der Einfluss der Kreuzkopplung wird über eine vom id- und iq-
Strom abhängigen Tabelle auf Basis der Induktivitäten in d- und q-Richtung sowie der kreuzverkoppelten Induktivität Ldq(id,iq) kompensiert, die aus Charakterisierungsdaten gewonnen wird. Der Kompensationsterm berechnet sich dabei wie folgt:
2Lqq(iq,iq)
^COMP — 0.5 * atan Lq(id,iq)_Lq(iq,iq)
Weiterhin ist aus der Literatur bekannt, dass eine Identifikation von hochfrequenten Stromableitungen durch einen Least-Square (LSQ)-Algorithmus, [A. Liske, S. Decker and M. Braun, “Resource optimal FPGA implementation of a Least-Squares-Estimator for fast and robust online measurement of current slope and absolute value”, 21th European Conference on Power Electronics and Applications, 2019], vorgenommen werden kann. Die grundlegende Idee geht hierbei davon aus, dass der Stromverlauf als Geradengleichung f(t) angenähert werden kann:
Durch Lösung der linearen Regressionsgleichung und Transformation mittels des arithmetischen Mittelwerts eines inkrementellen Indizes sowie der quadratischen Pyramidenzahl, lässt sich die Gleichung so vereinfachen, dass diese z.B. einfach auf einer frei programmierbaren Logikgatter-Anordnung (FPGA) umgesetzt werden kann: wobei f(t) die Approximationsfunktion, ik die eingehenden Messwerte, TA das Abtastinterwall und N die Anzahl der abgetasteten Werte innerhalb des gewünschten Zeigers To, T2 oder T7 ist. Weiterhin ist aus der Literatur bekannt, dass bei kleiner Aussteuerung eine Rekonstruktion der aktiven Schaltzustände angewendet werden kann [P. Landsmann, J. Jung, M. Kramkowski, P. Stolze, D. Paulus and R. Kennel, “Lowering injection amplitude in sensorless control by means of current oversampling”, 3rd IEEE International Symposium on Sensorless Control for Electric Drives, 2012], Dazu werden ein Startpunkt des ersten aktiven Zeigers sowie ein Endpunkt des zweiten aktiven Zeigers aus den umliegenden Nullzeigern (rückwärts) extrapoliert. Der sich so ergebende mittlere aktive Zeiger weist dabei dasselbe Verhalten bezüglich Stromableitung und anliegender Spannung auf wie die einzelnen Zeiger für sich separat genommen.
DE 102019208497 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung einer Rotorlage einer elektrischen, rotierenden, mittels eines PWM-gesteuerten Wechselrichters gespeisten Maschine. Es werden von einem Regler bestimmte Injektionsspannungen, welche sich aus vorgegebenen Spannungen und hochfrequenten Spannungen zusammensetzen, in entsprechende PWM-Tastverhältnisse umgewandelt und entsprechend der Wechselrichter mit diesen PWM-Tastverhältnissen angesteuert. Anschließend werden Stromverläufe von Phasenströmen durch Messen wenigstens eines ersten Phasenstroms und eines zweiten Phasenstroms ermittelt, wobei das Messen innerhalb einer PWM- Periode jeweils im zeitlich letzten Drittel eines passiven Schaltzustands erfolgt. In Abhängigkeit von den ermittelten Stromverläufen und den eingespeisten hochfrequenten Spannungen wird anschließend die Rotorlage bestimmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Bestimmung der Position eines Rotors einer elektrischen Maschine anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Rotors einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung der Position eines Rotors einer elektrischen Maschine ohne Rotorlagesensor wird zur Schätzung eines Rotorwinkels ein anisotropiebasierter Positions-Steuer- und/oder -Regelalgorithmus mit hochfrequenter Anregung der Spannungsmodulation angewandt. Erfindungsgemäß wird ferner ein durch Messrauschen behaftetes Signal mit einer störungsminimalen Steigungstangente mittels ein Least-Squares-Algorithmus berechnet, der in der Lage ist, hochfrequente Stromableitungen zu identifizieren, wobei ferner eine Winkelregelschleife zur Minimierung auftretender Störungen und Sprünge des Rotorwinkels verwendet wird, wobei ferner eine amplitudenoptimierte hochfrequente Injektion verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Betreiben und Überwachen einer permanenterregten Synchronmaschine ohne Rotorlagesensor bereit. Auf diese Weise wird eine hinsichtlich NVH (Noise-Vibration-Harshness) und Effizienz optimierte anisotropiebasierte Schätzung der Rotorposition ohne einen Rotorlagesensor ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung kombiniert Methoden zur Bestimmung der Rotorlage ohne Sensor bei elektrischen Maschinen. Insbesondere werden hochfrequente Anregungen der Spannungsmodulation durch eine beliebige Injektion genutzt, aus einem durch Messrauschen behafteten Signal mittels eines LSQ-Algorithmus auf einer schnellen Recheneinheiten berechnet und/oder aus einer Winkelregelschleife auftretende Störungen und Sprünge des Rotorwinkels minimiert. Diese Aspekte werden kombiniert und zusätzlich wird eine amplitudenoptimierte hochfrequente Injektion in der Art eingebunden, dass eine anisotropiebasierte Bestimmung des Rotorwinkels mit entsprechender Genauigkeit und Robustheit bis in den Stillstand möglich ist.
Erfindungsgemäß wird ein anisotropiebasierter Positions-Steuer- und/oder - Regelalgorithmus mit Modulationsanregung ohne Sensor verwendet, zusammen mit einem Least-Squares-Algorithmus (Methode der kleinsten Quadrate), der in der Lage ist, hochfrequente Stromableitungen zu identifizieren. Zusätzlich wird ein optimiertes Injektionsschema vorgeschlagen, um eine stabile und robuste Schätzung bei niedriger Motorgeschwindigkeit und bei Stillstand des Motors sicherzustellen. Alle drei Funktionalitäten gemeinsam ermöglichen, den Algorithmus in einer Motorsteuereinheit eines Kraftfahrzeugs anzuwenden.
Der Wegfall eines Rotorpositionssensors bietet Vorteile hinsichtlich der Kosten, des Bauraums und des diagnostischen Aufwands.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Verfahrens zur Schätzung der Rotorposition zur Rückführung in die feldorientierte Regelung,
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Verfahrens zur Schätzung der Rotorposition zur redundanten Überwachung der Rotorposition,
Fig. 3 eine schematische Ansicht von Kennfeldern zur betriebspunktabhängigen Auswahl von Frequenz und Amplitude einer Injektion,
Fig. 4 ein schematisches Diagramm von Spannungen und Strömen eines Inverters zum Betrieb der elektrischen Maschine, und
Fig. 5 eine schematische Ansicht einer Winkelregelschleife.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Wie im Stand der Technik beschrieben, existieren Möglichkeiten, den Rotorwinkel auf Basis der Anisotropie zu schätzen, indem die hochfrequenten Anregungen der Spannungsmodulation genutzt werden. Eine bekannte Methode hierbei stellt die beliebige Injektion dar. Weiterhin ist bekannt, dass ein durch Messrauschen behaftetes Signal mittels eines LSQ-Algorithmus 6 so auf einer schnellen Recheneinheit (beispielsweise FPGA) berechnet werden kann, dass eine störungsminimale Steigungstangente berechnet werden kann. Schließlich ist das Konzept der Winkelregelschleife 2 bekannt, das auftretende Störungen und Sprünge des Rotorwinkels minimiert. Kern der Erfindung ist nun, eine bisher nicht im Stand der Technik enthaltende neuartige Kombination der einzelnen Aspekte durchzuführen und zusätzlich eine amplitudenoptimierte hochfrequente Injektion in der Art einzubinden, dass eine anisotropiebasierte Bestimmung des Rotorwinkels mit entsprechender Genauigkeit und Robustheit bis in den Stillstand möglich ist. Dazu werden die Fälle Fall 1: Schätzung der Rotorposition zur Rückführung in die feldorientierte Regelung (Figur 1) und Fall 2: Schätzung der Rotorposition zur redundanten Überwachung der Rotorposition (Figur 2) unterschieden. Je nach Anforderungen an den elektrischen Antrieb und sonstige Rahmenbedingungen kommt entweder eines der beiden Verfahren oder eine Kombination der Verfahren zum Einsatz. Figur 1 ist eine schematische Ansicht eines Verfahrens zur Schätzung der Rotorposition zur Rückführung in die feldorientierte Regelung. Figur 2 ist eine schematische Ansicht eines Verfahrens zur Schätzung der Rotorposition zur redundanten Überwachung der Rotorposition.
Während in Fall 1 eine eigene betriebspunktabhängige hochfrequente Injektion (Figur 3) verwendet wird, um bei kleiner Aussteuerung eine gute und robuste Schätzung der Rotorposition sicherzustellen, wird in Fall 2 keine eigene Injektion verwendet, da auf eine bereits vorliegende hochfrequente Injektion aus einem anderen Algorithmus zurückgegriffen werden kann. Die Injektion in Fall 1 ist rechteckförmig ausgeprägt um im Gegensatz zu anderen Formen (z.B. sinusförmig) einen annähernd gleichbleibenden Aussteuergrad zu erreichen. Figur 3 ist eine schematische Ansicht von Kennfeldern KF zur betriebspunktabhängigen Auswahl von Frequenz f und Amplitude ai der Injektion in Fall 1. Die betriebspunktabhängige Auswahl von Frequenz f und Amplitude ai der Injektion in Fall 1 wird in Abhängigkeit von Drehmoment M, Drehzahl n, DC-Spannung VDC und der Schaltfrequenz fs sowie des Fahrmodus FM mittels mindestens eines Kennfeldes KF bestimmt. Durch Einbeziehen des Fahrmodus FM kann insbesondere eine Unterscheidung zwischen effizienz-, komfort- und performanceoptimaler Injektion getroffen werden.
Figur 4 ist ein schematisches Diagramm von Spannungen va und Strömen ia eines Inverters 1 zum Betrieb der elektrischen Maschine.
Die Information über den Rotorwinkel befindet sich im anisotropen hochfrequenten Anteil eines aktiven Zeigers Ti, T2, und wird mittels Differenzbildung der anderen Teile wie im Stand der Technik dargestellt extrahiert. Als aktiver Zeiger oder T2 wird dabei der Spannungszustand bezeichnet, in welchem sich der Inverter 1 nicht im Freilauf befindet. Das umfasst die sechs Schaltzustände 100, 110, 010, 011, 001 und 101 , wobei eine 1 für einen geschlossenen Schalter und 0 für einen offenen Schalter im oberen Teil einer Halbbrücke steht. bezeichnet dabei immer den ersten aktiven Zeiger einer neuen Schaltperiode und T2 den zweiten. Die Freilaufzustände werden als Nullzeiger (000 oder 111) definiert, wobei To immer den Nullzeiger zu Beginn einer neuen Schaltperiode und T7 den Nullzeiger in der Mitte einer Schaltperiode bezeichnet. Der isotrope hochfrequente Anteil wird über die berechneten Spannungen im betrachteten aktiven Zeiger Ti, T2 und in einem mittleren Admittanz-Kennfeld in Abhängigkeit von d- und q-Strom mittels Multiplikation berechnet. Der niederfrequente Anteil wird aus dem langen Nullzeiger T7 extrahiert. Das Kennfeld der isotropen (mittleren) Admittanz Ys(id,iq) berechnet sich dabei aus den Induktivitätskennfeldern, die beispielsweise durch eine Offline-Charakterisierung der elektrischen Maschine gewonnen werden können:
YS (ld, lq)
Eine Übersicht der Zeiger ist in Figur 4 links für eine halbe Schaltperiode gegeben. Für den aktiven Zeiger Ti, T2 wird immer der längere der beiden aktiven Zeiger Ti, T2, mit TA, use bezeichnet, gewählt. Für den Nullzeiger wird immer T7, mit TZ use bezeichnet, gewählt. Falls der lange aktive Zeiger Ti, T2 kürzer als eine definierte Schwelle ist, ist, wie erwähnt, aus dem Stand der Technik bekannt, dass eine Rekonstruktion des mittleren aktiven Zeigers Ti, T2 durch Auswertung beider Nullzeiger To und T7 gemacht werden kann. Dazu werden die Punkte P und Q in Figur 4 rechts rekonstruiert und mit Wissen über die Länge der beiden aktiven Zeiger Ti, T2 die mittlere Stromableitung berechnet. Mittels Definition einer minimalen Zeigerlänge des längeren aktiven Zeigers Ti, T2 wird entschieden, ob eine direkte Bestimmung aus dem langen aktiven Zeiger Ti, T2 oder die Bestimmung mittels Rekonstruktion angewendet wird.
Die Zeigerauswahl 3 ist in beiden genannten Fällen gleich, wobei sich nur das Eingangssignal unterscheidet. Basierend auf dem eingehenden Signal werden die Tastverhältnisse extrahiert und die aktuelle Zeigerlage ermittelt. Mittels Hochzählen und Sortierung werden die Zeiger dann dahingehend vorbereitet, dass die richtigen Zeiger (langer aktiver Zeiger Ti, T2, langer Nullzeiger To, T7) ausgewählt werden. Ferner wird eine Evaluation durchgeführt, ob das Verfahren der Rekonstruktion des mittleren aktiven Zeigers Ti, T2 verwendet wird. Nach Auswahl und Sortierung wird der LSQ-Algorithmus 6 entsprechend getriggert und die Spannungslevel der einzelnen Zeiger anhand einer um bauteilspezifische Spannungsabfälle kompensierten offline berechneten Tabelle bereitgestellt. Die Trigger des LSQ-Algorithmus 6 starten dabei mit einer leistungshalbleiterabhängigen definierten verzögerten Startzeit, um den Einfluss von Stromüberschwingern zu minimieren.
Figur 5 ist eine schematische Ansicht einer Winkelregelschleife 2. Mit dem vorliegenden anisotropen hochfrequenten Anteil aus dem langen/mittleren aktiven Zeiger Ti, T2 sowie der dazugehörigen Spannung wird wie im Stand der Technik beschrieben eine Transformation durchgeführt. Das transformierte Signal mit ähnlicher Phasenlage wird dann mittels einer um ein zusätzliches PT1-Glied erweiterten Winkelregelschleife 2 weiterverarbeitet und um den Einfluss der Kreuzkopplung kompensiert.
Das vorgestellte Verfahren ist nicht auf die Anwendung mit konstanter Schaltfrequenz und dem Modulationsverfahren Space-Vector-Modulation (SVPWM) beschränkt. Während eine variable Schaltfrequenz fs vorwiegend einen Einfluss auf die Winkelregelschleife 2 hat, ändert sich bei Verwendung von diskontinuierlichen Verfahren die Anordnung bzw. das Vorhandensein der Zeiger. Dies wird entsprechend in einem Block Zeigerauswahl 3 berücksichtigt, sodass das Verfahren für eine Vielzahl von diskontinuierlichen Verfahren (GDPWM, DPWMMIN, DPWMMAX, DPWMO, DPWM1 , DPWM2, DPWM3) verwendet werden kann.
In einer Ausführungsform wird das Verfahren zum Betreiben einer Synchronmaschine wie in Figur 1 dargestellt durchgeführt, wobei die Synchronmaschine mehrphasig ausgeführt ist und über einen Wechselrichter oder Inverter 1 gespeist wird.
In einer Ausführungsform erfolgt eine offline optimierte betriebspunktabhängige (hinsichtlich Drehmoment M, Drehzahl n, DC-Spannung VDC, Leistungsschaltertemperatur, Fahrmodus FM) Vorgabe einer minimalen hochfrequenten rechteckförmigen Injektion mittels mehrerer Kennfelder KF (siehe Figur 3) mit anwendungsspezifischen Optimierungszielen. Beispielsweise kann eines der Kennfelder KF das Optimierungsziel Effizienz, ein weiteres das Optimierungsziel Komfort und ein weiteres das Optimierungsziel Dynamik aufweisen.
In einer Ausführungsform erfolgt eine Übergabe von in einer Komponente Pulsweitenmodulation 4 berechneten Schalterstellungen an einen geberlosen Algorithmus 5 zur Identifikation einer relevanten Zeigercharakteristik, das heißt von Zeigerlängen, Zeigerstartpunkten und Zeigerendpunkten sowie zur Berechnung der resultierenden Spannungslevel innerhalb einzelner Zeiger. In einer Ausführungsform erfolgt die geberlose Bestimmung der Rotorposition mittels Kombination des Verfahrens der beliebigen Injektion und eines Least-Square- Algorithmus 6, wobei für die Bestimmung der gesamten Stromableitung der lange aktive Zeiger Ti, T2 verwendet wird, wobei für die Kompensation des niederfrequenten Anteils der lange mittlere Nullzeiger To, T7 und für den hochfrequenten isotropen Anteil eine offline berechnete Tabelle in Abhängigkeit von d- und q-Strom verwendet wird.
In einer Ausführungsform wird in Abhängigkeit von Leistungshalbleitern des Inverters 1 eine verzögerte Startzeit des Least-Square-Algorithmus 6 am Anfang jedes Zeigers zur Minimierung des Einflusses von Stromüberschwingern definiert.
In einer Ausführungsform wird eine angeschlossene Winkelregelschleife 2 zur Minimierung hochfrequenter Schwingungen im geschätzten Rotorpositionssignal verwendet.
In einer Ausführungsform erfolgt eine zeigerlängenabhängige Umschaltung zwischen der direkten Berechnung aus dem aktiven langen Zeiger Ti, T2 und der Rekonstruktion aus dem Mittelwert beider aktiver Zeiger Ti, T2.
In einer Ausführungsform erfolgt eine variable Ablaufsteuerung der Zeigerauswahl 3 und Sortierung zur Handhabbarkeit diskontinuierlicher Modulationsverfahren.
In einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Überwachen einer permanenterregten Synchronmaschine wie in Figur 2 dargestellt durchgeführt, wobei die Synchronmaschine mehrphasig ausgeführt ist und über einen Wechselrichter oder Inverter 1 gespeist wird, sowie zumindest teilweise über ein klassisches anisotropiebasiertes Verfahren der hochfrequenten Injektion betrieben wird.
In einer Ausführungsform erfolgt eine Rücklesung der Schalterstellungen an Gate- Treibern 7 des Inverters 1 zur Identifikation der Zeigerzeiten und resultierender Spannungslevel innerhalb einzelner Zeiger zur Einhaltung sicherheitsrelevanter Anforderungen. Bezugszeichenliste
1 Inverter
2 Winkelregelschleife
3 Zeigerauswahl
4 Pulsweitenmodulation
5 geberloser Algorithmus
6 Least-Square-Algorithmus, LSQ-Algorithmus
7 Gate-Treiber ai Amplitude der Injektion fi Frequenz der Injektion
FM Fahrmodus fs Schaltfrequenz ia Strom
KF Kennfeld
M Drehmoment n Drehzahl
P Punkt
Q Punkt
To Nullzeiger
Ti aktiver Zeiger
T2 aktiver Zeiger
T? Nullzeiger
TA, use gewählter aktiver Zeiger
Tz, use gewählter Nullzeiger
VDC DC-Spannung va Spannung

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Bestimmung der Position eines Rotors einer elektrischen Maschine ohne Rotorlagesensor, wobei zur Schätzung eines Rotorwinkels ein anisotropiebasierter Positions-Steuer- und/oder -Regelalgorithmus mit hochfrequenter Anregung der Spannungsmodulation angewandt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein durch Messrauschen behaftetes Signal mit einer störungsminimalen Steigungstangente mittels ein Least-Squares-Algorithmus (6) berechnet wird, der in der Lage ist, hochfrequente Stromableitungen zu identifizieren, wobei ferner eine Winkelregelschleife (2) zur Minimierung auftretender Störungen und Sprünge des Rotorwinkels verwendet wird, wobei ferner eine amplitudenoptimierte hochfrequente Injektion verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die hochfrequenten Anregungen der Spannungsmodulation mittels der beliebigen Injektion erzeugt werden. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schätzung des Rotorwinkels abhängig von einer Anforderung an die elektrische Maschine zur Rückführung in die feldorientierte Regelung und/oder zur redundanten Überwachung des Rotorwinkels verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rückführung in die feldorientierte Regelung eine betriebspunktabhängige hochfrequente, rechteckförmige Injektion verwendet wird, wobei eine betriebspunktabhängige Auswahl von Frequenz (fj) und Amplitude (ai) der Injektion in Abhängigkeit von einem Drehmoment (M), einer Drehzahl (n), einer DC- Spannung (VDC) und einer Schaltfrequenz (fs) sowie eines Fahrmodus (FM) mittels mehrerer Kennfelder (KF) bestimmt wird. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einbeziehen des Fahrmodus (FM) eine Unterscheidung zwischen effizienz-, komfort- und performanceoptimaler Injektion getroffen wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Information über den Rotorwinkel mittels Differenzbildung aus einem anisotropen hochfrequenten Anteil eines aktiven Zeigers (T1; T2) extrahiert wird, wobei der aktive Zeiger (T1; T2) ein Spannungszustand ist, in welchem sich ein Inverter (1) zur Ansteuerung der elektrischen Maschine nicht im Freilauf befindet, wobei ein isotroper hochfrequenter Anteil über berechnete Spannungen im betrachteten aktiven Zeiger (T1; T2) und einem mittleren Admittanz-Kennfeld in Abhängigkeit von d- und q-Strömen mittels Multiplikation berechnet wird, wobei der niederfrequente Anteil aus einem langen Nullzeiger (T7) extrahiert wird, wobei das Kennfeld der Admittanz dabei aus Induktivitätskennfeldern berechnet wird. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivitätskennfelder durch eine Offline-Charakterisierung der elektrischen Maschine gewonnen werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem anisotropen hochfrequenten Anteil aus einem langen und/oder mittleren aktiven Zeiger (T1; T2) sowie einer dazugehörigen Spannung eine Transformation durchgeführt wird, wobei das transformierte Signal mit ähnlicher Phasenlage dann mittels einer um ein zusätzliches PT1-Glied erweiterten Winkelregelschleife (2) weiterverarbeitet und um den Einfluss einer Kreuzkopplung kompensiert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für eine als Antriebsmaschine eines Fahrzeugs verwendete permanenterregte Synchronmaschine angewandt wird.
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