WO2024132016A1 - Prüfung der anisotropie der induktivität eines elektromotors bei der inbetriebnahme am bandende - Google Patents

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Definitions

  • the present disclosure relates to a method for determining and/or ascertaining a difference in length between a d-axis and a q-axis of an ellipse, in particular for checking the anisotropy of an inductance of an electric motor when starting up at a strip end.
  • the disclosure further relates to a device, in particular a control unit, an electric machine and a computer program product.
  • the rotor position sensor which is usually used to determine the current angle of the rotor, is omitted.
  • Current sensor signals and measured or estimated phase voltages are used to determine the rotor position and the speed of the motor using a model.
  • injection signals which support the identification of the rotor position and the speed in this speed range.
  • the rotor position must be determined by an initialization routine.
  • the initial rotor position can be determined by specifying an alternating voltage excitation, a high-frequency oscillation in d and q voltage, for a certain number of points on a voltage circular path, in which the exciting voltage amplitude leads to a resulting current amplitude. Due to the d-q coordinates, an ellipse in the d-q plane must be created in the case of a circular excitation in the voltage in the current. The main axis of the ellipse corresponds to the d direction. This direction of the main axis therefore describes the initial value of the rotor position.
  • the amplitude of the injection signal in the current is then determined using bandpass filtering and the two values for ⁇ 45° are compared.
  • the assumed angle is then corrected so that the two amplitudes in the +45° and -45° directions are the same.
  • the sign of the correction is chosen so that the longer semi-axis is found, i.e. the d-axis. If the sign is reversed during the correction, the algorithm finds the shorter semi-axis, i.e. the q-axis.
  • the inductances Ld and Lq of glued-on magnets are often more similar to each other.
  • the ellipse is then not as pronounced and is more like a circle.
  • the state-of-the-art method requires different inductances in the d and q directions, as only then is the ellipse pronounced.
  • the ellipse should be reliably detected even if it is weakly pronounced.
  • a possibility should be created to determine the ratio of the inductances in the system during commissioning from the control unit connected later in operation and thus to evaluate the inductances. This should take into account system-specific influences of the current measurement and the motor parameters.
  • the object is achieved by a method for determining and/or ascertaining a difference in length between a d-axis and a q-axis of an ellipse, in particular for checking the anisotropy of an inductance of an electric motor when starting up at one end of the belt, wherein the ellipse in a dq plane is created in the case of a circular excitation in a voltage in the current, and the method comprises the following steps: a) providing an electric machine with a stationary rotor, b) determining a q-axis, in particular a small semi-axis, of an ellipse, by means of an iterative method and setting an angular offset Gamma_q1, and c) determining a d-axis, in particular a large semi-axis, of an ellipse by means of an iterative method and setting an angular offset Gamma_d1, wherein the
  • the method for determining an initial rotor position of a rotor of an electrical machine comprises the following steps: a) providing an electrical machine with a stationary rotor, b) providing a starting value d_est, which represents a first angle of the rotor position, c) generating a three-phase alternating voltage excitation in the electrical machine by specifying an alternating voltage in the d_est direction, d) converting the three-phase current response to the alternating voltage excitation of the electrical machine for a first modified value d_est-45° into a first alternating current component i_[d_est-45°], e) converting the three-phase current response to the alternating voltage excitation of the electrical machine for a second modified value d_est+45° into a second alternating current component i_[d_est+45°], f) calculating the length of a first alternating current vector having d and q components for the first alternating current component i_[d
  • steps a) and b) of the present disclosure can be carried out by carrying out the above method. In this way, at least the d-axis is determined.
  • the determination of the q-axis according to step c) of the claimed method can also be carried out using the above method, wherein the sign is reversed accordingly during the correction in order to find/determine the shorter semi-axis, i.e. the q-axis.
  • the small semi-axis of the ellipse should first be found. This results in the angular offset Gamma_q1.
  • the above procedure with steps a) to m) is used with the other sign for the angle correction.
  • the large semi-axis is found. This results in the angular offset Gamma_d1.
  • Gamma_d1 and Gamma_q1 differ by substantially ⁇ 90°.
  • the difference between Gamma_d1 and Gamma_q1 should be approximately 90° or -90°, since the assumption is that the d and q axes intersect at right angles.
  • the amplitude of the current response of the injected signal in the d and q directions is analyzed. From this, the ratio of the current response in the d and q directions can be determined; these values represent inductance data Ld and Lq.
  • the phase currents must then be transformed not only into d-45° and d+45° but also into d+0°. The same applies to the q axis. If the amplitudes of the currents in d and q are too similar, the motor may need to be discarded.
  • steps b) to f) can be repeated as often as required. This process can be repeated several times, particularly to ensure the result.
  • the determined d-axis is provided as a starting value for determining the q-axis after carrying out steps a) and b). It is advantageous if the circular path is orbited at least once in order to find exactly 4 solutions, in particular -d and +d axes as well as -q and +q axes.
  • the algorithm or method since the algorithm or method is looking for the next angle as a solution at which the two +45° and -45° current amplitudes are of equal length, it can make sense to randomly select the starting values of the imaginary axes when repeating. However, it is also advisable to find an axis first and define this as the imaginary starting value for the next axis. It is ideal if the algorithm safely goes around the circular path once and only finds the 4 solutions -q and +q axes and -d and +d axes.
  • the test can be carried out when the control unit is started up every time the vehicle is used.
  • a comparison with the inductances from commissioning at the end of the production line can be used to determine whether the magnets are demagnetized.
  • the present disclosure relates to a device, in particular a control unit for controlling and energizing an electrical machine, for carrying out the monitoring method according to one of the preceding aspects.
  • the present disclosure relates to an electrical machine, in particular an electrical synchronous machine, comprising a stator and a rotor rotatable relative to the stator, as well as a device for controlling and energizing the electrical machine. It is preferred if the device is designed according to the above aspect.
  • the present disclosure relates to a computer program product stored on a machine-readable carrier or computer data signal embodied by an electromagnetic wave, with program code suitable for carrying out the method according to any of the preceding aspects.
  • Figure 1 different positions of the d-axis in a d/q coordinate system
  • Figure 2 different positions of the q-axis in a d/q coordinate system
  • FIG. 4 Motor vehicles with one hybrid and one fully electric drive train in a schematic representation.
  • an electrical machine 2 with a stationary rotor 1 is provided, as shown by way of example in Figure 3.
  • a three-phase alternating voltage excitation is then generated in the electrical machine 2 by means of the control unit 3, which is also indicated in Figure 3 with the three parallel dashed lines between the control unit 3 and the energized stator 7.
  • a random starting value d_est is provided, which represents a first angle of the rotor position. Based on this starting value d_est, the alternating voltage excitation is applied in the d_est direction.
  • the three-phase current is measured and transformed in the d_est-45° direction, and the modified value d_est-45° is calculated.
  • a second modified value d_est+45° is calculated in a similar way, which corresponds to the starting value d_est plus 45°.
  • the three-phase current response to the alternating voltage excitation of the electrical machine 2 for the first modified value d_est-45° is converted into a first alternating current component i_[d_est-45°]
  • the three-phase current response to the alternating voltage excitation of the electrical machine for the second modified value d_est+45° is converted into a second alternating current component i_[d_est+45°].
  • Figure 1 shows schematically corresponding ellipses in the real d-q plane.
  • the "estimated" d-axis d_est is shown and does not match the direction of the d-axis of the d-q plane.
  • the alternating current components i_(d_est+45°) and i_(d_est-45°) are shown in line with the estimated direction of the d-axis.
  • the process is repeated until the projections of the alternating current components and thus the lengths of the absolute values of the alternating current components are the same length.
  • the initial angle of the rotor position can then be easily determined from the angle of the "estimated" d-axis. This can be seen in figure c) of Figure 1.
  • the initial rotor angle is then provided on this basis to energize the electrical machine and the process is terminated.
  • Figure 2 corresponds almost exactly to Figure 1, whereby the short semi-axis of the ellipse, i.e. the semi-axis in the direction q, is sought here. Therefore, no further description is given here, since the above description can be read from Fig. 2, with the exception that the "d" must be replaced by a "q".
  • control unit 3 for controlling and energizing the electric machine 2 comprises a processor 4 and a memory 5 containing a computer program code, wherein the memory 5 and the computer program code are configured, with the processor 4, to cause the control unit 3 to carry out the above method.
  • control unit 3 preferably has no connection for a rotor position sensor 6 for detecting the rotor position of the rotor 1 and can be controlled without a sensor.
  • the electrical machine 2 shown in Figure 3 has a stator 7 that can be energized and a rotor 1 that can be rotated relative to the stator 7, as well as the control unit 3 for controlling and energizing the electrical machine 2 or the stator 7.
  • the electric machine 2 is configured in particular for use in an electrically operable or hybrid drive train 8 of a motor vehicle 9, as also outlined in Figure 4.

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Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen und/ oder Ermitteln eines Längenunterschieds zwischen einer d-Achse und einer q-Achse einer Ellipse, insbesondere zum Überprüfen der Anisotropie einer Induktivität eines Elektromotors bei einer Inbetriebnahme an einem Bandende. Ferner betrifft die Offenbarung eine Vorrichtung, insbesondere eine Steuereinheit, eine elektrische Maschine sowie ein Computerprogrammprodukt.

Description

Prüfung der Anisotropie der Induktivität eines Elektromotors bei der Inbetriebnahme am Bandende
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen und/ oder Ermitteln eines Längenunterschieds zwischen einer d-Achse und einer q-Achse einer Ellipse, insbesondere zum Überprüfen der Anisotropie einer Induktivität eines Elektromotors bei einer Inbetriebnahme an einem Bandende. Ferner betrifft die Offenbarung eine Vorrichtung, insbesondere eine Steuereinheit, eine elektrische Maschine sowie ein Computerprogrammprodukt.
Beim sensorlosen Betrieb eines Elektromotors wird auf den Rotorlagesensor, mit dem gewöhnlich der aktuelle Winkel des Rotors bestimmt wird verzichtet. Man nutzt Stromsensorsignale und gemessene bzw. geschätzte Phasenspannungen, um über ein Modell auf die Rotorlage und die Geschwindigkeit des Motors zu schließen.
Unter einer Drehzahlschwelle der absoluten Drehzahl ist es notwendig sogenannte Injektionssignale einzuspeisen, welche die Identifikation der Rotorlage und der Geschwindigkeit in diesem Drehzahlbereich unterstützen. Beginnend mit einem stehenden Rotor muss durch eine Initialisierungsroutine die Rotorlage bestimmt werden.
Die initiale Rotorlage kann durch Vorgabe einer Wechselspannungsanregung, einer hochfrequenten Schwingung in d- und q-Spannung, für eine bestimmte Anzahl von Punkten auf einer Spannungskreisbahn ermittelt werden, indem die anregende Spannungsamplitude in eine resultierende Stromamplitude mündet. Durch die d- q- Koordinaten muss bei einer kreisförmigen Anregung in der Spannung im Strom eine Ellipse in der d-q-Ebene entstehen. Die Hauptachse der Ellipse entspricht dabei der d- Richtung. Diese Richtung der Hauptachse beschreibt damit den initialen Wert der Rotorlage.
Im Stand der Technik wird vorgeschlagen die längere Hautachse der Ellipse, die der d-Achse entspricht, durch einen iterativen Regleransatz zu finden. Durch Aufprägen des Injektionssignals in der Spannung kann ein Strom gemessen werden. Dieser wird dabei aber nicht in die gedachte d-Richtung transformiert, sondern in die gedachte d- 45°-Richtung und die gedachte d+45°-Richtung. Dadurch können deutlich größere Amplituden im Strom erreicht werden im Vergleich zu einer Auswertung der Ströme in d- und q-Richtung, dort verschwindet der Strom in q-Richtung bei Finden der realen d- Achse. Die Erkennung wird so robuster gegenüber Störungen, speziell in dynamischen Situationen. Mit einer Bandpassfilterung wird anschließend die Amplitude des Injektionssignals im Strom bestimmt und die beiden Werte für ±45° miteinander verglichen. Der angenommenen Winkel wird dann so korrigiert, dass die beiden Amplituden in die Richtung +45° und -45° gleich groß werden. Die Korrektur wird im Vorzeichen so gewählt, dass dabei die längere Halbachse gefunden wird, also die d-Achse. Wird das Vorzeichen bei der Korrektur umgedreht, so findet der Algorithmus die kürzere Halbachse, also die q-Achse.
Bei aufgeklebten Magneten sind im Gegensatz zu vergrabenen Magneten die Induktivitäten Ld und Lq oft ähnlicher zueinander. Die Ellipse ist dann nicht so stark ausgeprägt und ähnelt eher einem Kreis.
Das Verfahren aus dem Stand der Technik fordert unterschiedliche Induktivitäten in d- und q- Richtung, da nur dann die Ellipse ausgeprägt ist. Die Ellipse soll auch bei einer schwachen Ausprägung sicher erkannt werden. Es soll eine Möglichkeit geschaffen werden, während der Inbetriebnahme das Verhältnis der Induktivitäten im System, von der später im Betrieb angeschlossenen Steuereinheit zu ermitteln und so die Induktivitäten zu bewerten. Damit sollen systemindividuelle Einflüsse der Strommessung und der Motorparameter berücksichtigt werden.
Es ist daher die objektiv technische Aufgabe der vorliegenden Offenbarung die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beseitigen bzw. zumindest zu verbessern. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Bestimmen des Anfangswinkels schneller und genauer erfolgt.
Die vorstehende Aufgabe wird gelöst durch die Aspekte des Anspruchs 1 . In anderen Worten wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen und/ oder Ermitteln eines Längenunterschieds zwischen einer d-Achse und einer q-Achse einer Ellipse, insbesondere zum Überprüfen der Anisotropie einer Induktivität eines Elektromotors bei einer Inbetriebnahme an einem Bandende, wobei die Ellipse in einer d-q-Ebene bei einer kreisförmigen Anregung in einer Spannung im Strom entsteht, und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen einer elektrischen Maschine mit einem ruhenden Rotor, b) Bestimmen einer q-Achse, insbesondere einer kleinen Halbachse, einer Ellipse, mittels eines iterativen Verfahrens und Einstellen eines Winkeloffsets Gamma_q1 , und c) Bestimmen einer d-Achse, insbesondere einer großen Halbachse, einer Ellipse mittels eines iterativen Verfahrens und Einstellen eines Winkeloffsets Gamma_d1 , wobei die d-Achse und die q-Achse durch einen Vorzeichenwechsel in dem iterativen Verfahren gefunden werden, d) Analysen einer Amplitude der Stromantwort des injizierten Signals in der d-Richtung und der q-Richtung, e) Ermitteln eines Verhältnisses der Stromantwort in d-Richtung und q-Rich- tung, und f) Transformieren der Strangströme in d-45°, d+45°, d+0° sowie q-45°, q+45° und q+0°.
Insbesondere umfasst das Verfahren zur Bestimmung einer initialen Rotorlage eines Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, die folgenden Schritte: a) Bereitstellung einer elektrischen Maschine mit einem ruhenden Rotor, b) Bereitstellung eines Startwerts d_est, welcher einen ersten Winkel der Rotorlage repräsentiert, c) Erzeugung einer dreiphasigen Wechselspannungsanregung in der elektrischen Maschine durch Vorgabe einer Wechselspannung in d_est-Richtung, d) Umrechnung der dreiphasigen Stromantwort auf die Wechselspannungsanregung der elektrischen Maschine für einen ersten modifizierten Wert d_est-45° in einen ersten Wechselstromanteil i_[d_est-45°], e) Umrechnung der dreiphasigen Stromantwort auf die Wechselspannungsanregung der elektrischen Maschine für einen zweiten modifizierten Wert d_est+45° in einen zweiten Wechselstromanteil i_[d_est+45°], f) Berechnung der Länge eines d- und q-Anteile aufweisenden ersten Wechselstromvektors für den ersten Wechselstromanteil i_[d_est-45°], g) Berechnung der Länge eines d- und q-Anteile aufweisenden zweiten Wechselstromvektors für den zweiten Wechselstromanteil i_[d_est+45°], h) Bestimmung der Differenz der Beträge der Längen zwischen dem ersten Wechselstromvektor und dem zweiten Wechselstromvektor gemäß delta_i= | i_d_est+45° | -| i_d_est-45° | , i) Bei Vorliegen der Bedingung, dass die Differenz der Beträge der Längen zwischen dem ersten Wechselstromvektor und dem zweiten Wechselstromvektor innerhalb eines definierten Intervalls zwischen und einem definierten Fehlertoleranzwerts FTW liegt, gemäß delta_i=|i_d_est+45°|-|i_d_est-45°| =[0-FTW], Bereitstellung des initialen Rotorwinkels zur Bestromung der elektrischen Maschine und Beendigung des Verfahrens, j) Bei Vorliegen der Bedingung, dass die Differenz der Beträge der Längen zwischen dem ersten Wechselstromvektor und dem zweiten Wechselstromvektor delta_i=|i_d_est+45°|-|i_d_est-45°| > 0 beträgt, k) Für den Fall, dass |i_d_est+45°|>|i_d_est-45°|, Anpassung des Startwerts d_est in der Art, dass der die Rotorlage repräsentierende Winkel im Uhrzeigersinn um einen vorbestimmten Betrag gedreht ist und l) Für den Fall, dass |i_d_est+45°|<|i_d_est-45°|, Anpassung des Startwerts d_est in der Art, dass der die Rotorlage repräsentierende Winkel gegen den Uhrzeigersinn um einen vorbestimmten Betrag gedreht ist, m) Wiederholen der Schritte c)-l).
In anderen Worten können die Schritte a) und b) der vorliegenden Offenbarung durch Ausführen des vorstehenden Verfahrens erfolgen. Auf diese Weise ist zumindest die d-Achse bestimmt werden. Das Bestimmend der q-Achse gemäß Schritt c) des beanspruchten Verfahrens kann ebenfalls mittels dem vorstehenden Verfahren erfolgen, wobei das Vorzeichen bei der Korrektur entsprechend umgedreht wird, um die kürzere Halbachse, also die q-Achse, zu finden/ zu bestimmen. Anders ausgedrückt, soll zuerst die kleine Halbachse der Ellipse gefunden werden. Dabei stellt sich der Winkeloffset Gamma_q1 ein. Hierzu wird das vorstehende Verfahren mit den Schritten a) bis m) mit dem anderen Vorzeichen bei der Winkelkorrektur genutzt. Danach wird die große Halbachse gefunden. Hierbei wird der Winkeloffset Gamma_d1 gefunden. Hier handelt es sich ebenfalls um das vorstehende Verfahren mit den Schritten a) bis m).
Es ist bevorzugt, wenn Gamma_d1 und Gamma_q1 sich um im Wesentlichen ±90° unterscheiden. In anderen Worten sollte der Unterschied zwischen Gamma_d1 und Gamma_q1 sich zu annähernd 90° oder -90° ergeben, da die Annahme ist, dass sich die d- und q-Achse im rechten Winkel schneiden.
Ist die d- und q-Achse mit dem Algorithmus aus dem Verfahren mit den Schritten a) bis m) unter Ausnutzung des Vorzeichenwechsels im Algorithmus gefunden, wird die Amplitude der Stromantwort des injizierten Signals in d- und q-Richtung analysiert. Daraus kann das Verhältnis von der Stromantwort in d- und q-Richtung ermittelt werden, diese Werte repräsentieren Induktivitätsdaten Ld und Lq. Es müssen bei gefundener Achse dann die Strangströme nicht nur in d-45° und d+45° sondern auch in d+0° transformiert werden. Gleiches gilt für die q-Achse. Sind die Amplituden der Ströme in d- und q zu ähnlich, dann kann der Motor ggf. aussortiert werden.
Es ist von Vorteil, wenn die Schritte b) bis f) beliebig oft wiederholbar sind. Insbesondere zur Absicherung des Ergebnisses kann dieser Vorgang auch mehrmals wiederholt werden.
Es ist vorteilhaft, wenn ein Startwert q_est und/ oder d_est beim Wiederholen des Verfahrens, insbesondere der Schritte b) bis f) nach einem Zufallsprinzip gewählt ist.
Es ist bevorzugt, wenn die bestimmte d-Achse nach Durchführen der Schritte a) und b) als Startwert für das Bestimmen der q-Achse vorgesehen ist. Es ist von Vorteil, wenn die Kreisbahn zumindest einmal umlaufen wird, um genau 4 Lösungen, insbesondere -d- und +d-Achse sowie -q- und +q Achse zu finden.
In anderen Worten, da der Algorithmus bzw. das Verfahren den nächsten Winkel als Lösung sucht, bei dem die beiden +45° und -45° Stromamplituden gleich lang sind, kann es Sinn machen, die Startwerte der gedachten Achsen bei Wiederholungen zufällig zu wählen. Günstig ist aber auch zuerst eine Achse zu finden und dies als gedachten Startwert für die nächste Achse zu definieren. Ideal ist, wenn der Algorithmus die Kreisbahn einmal sicher umläuft und dabei nur die 4 Lösungen -q- und +q-Achse und -d und +d-Achse findet.
Es ist vorteilhaft, wenn aus einem Vergleich der Induktivitäten aus der Inbetriebnahme am Bandende auf eine Demagnetisierung der Magnete geschlossen werden kann. Für den Betrieb des Motors wird anschließend das standardisierte Verfahren für die Winkelinitialisierung durchgeführt und die lange Halbachse gesucht. Mit diesem Startwert für den Winkel wird die 180° Unsicherheit nach dem Verfahren mit den Schritten a) bis m) aufgelöst.
Alternativ kann auch der die Prüfung beim Steuergerätehochlauf bei jeder Nutzung des Fahrzeugs erfolgen. Aus einem Vergleich zu den Induktivitäten aus der Inbetriebnahme am Bandende kann so z.B. auf eine Demagnetisierung der Magnete geschlossen werden. Im Prinzip sind schwächere Magnete kritischer für den ungewollten Gleichfall Ld=Lq, da die Vorsättigung des Eisens kleiner wird. Eine Veränderung kann so z.B. zu einem Besuch in der Werkstatt zum Tausch der Teile einladen.
Ferner betrifft die vorliegende Offenbarung eine Vorrichtung, insbesondere eine Steuereinheit zur Steuerung und Bestromung einer elektrischen Maschine, zum Durchführen des Überwachungsverfahrens gemäß einem der vorstehenden Aspekte.
Ferner betrifft die vorliegende Offenbarung eine elektrische Maschine, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, umfassend einen Stator und einen relativ zum Stator drehbaren Rotor sowie eine Vorrichtung zur Steuerung und Bestromung der elektrischen Maschine. Hierbei ist es bevorzugt, wenn die Vorrichtung nach dem vorstehenden Aspekt ausgebildet ist.
Schließlich betrifft die vorliegende Offenbarung ein Computerprogrammprodukt, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, oder Computer-Datensignal, verkörpert durch eine elektromagnetische Welle, mit Programmcode, der geeignet ist zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Aspekte.
Nachfolgend wird die vorliegende Offenbarung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
Figur 1 verschiedene Lagen der d-Achse in einem d/q-Koordinatensystem,
Figur 2 verschiedene Lagen der q-Achse in einem d/q-Koordinatensystem,
Figur 3 elektrische Maschine in einer schematischen Darstellung,
Figur 4 Kraftfahrzeuge mit je einem hybriden und einem vollelektrisch betreibbaren Antriebsstrang in einer schematischen Darstellung.
Anhand der Figur 1 wird nachfolgend das Verfahren zur Bestimmung einer initialen Rotorlage eines Rotors 1 einer elektrischen Maschine 2, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, näher erläutert.
Zunächst erfolgt eine Bereitstellung einer elektrischen Maschine 2 mit einem ruhenden Rotor 1 , wie es exemplarisch auf in der Figur 3 gezeigt ist. Mittels der Steuereinheit 3 wird in der elektrischen Maschine 2 dann eine dreiphasige Wechselspannungsanregung in der elektrischen Maschine 2 erzeugt, was in der Figur 3 auch mit den drei parallel verlaufenden gestrichelten Linien zwischen der Steuereinheit 3 und dem bestromten Stator 7 angedeutet ist. Zuerst erfolgt die Bereitstellung eines zufälligen Startwerts d_est, welcher einen ersten Winkel der Rotorlage repräsentiert. Auf der Basis dieses Startwerts d_est wird die Wechselspannungsanregung in d_est-Richtung angelegt. Der dreiphasige Strom wird gemessen und in die d_est-45°-Richtung transformiert, es wird der modifizierte Wert d_est-45° berechnet. Analog hierzu erfolgt die Berechnung eines zweiten modifizierten Werts d_est+45° welcher dem Startwert d_est plus 45° entspricht.
Anschließend erfolgt eine Umrechnung der dreiphasigen Stromantwort auf die Wechselspannungsanregung der elektrischen Maschine 2 für den ersten modifizierten Wert d_est-45° in einen ersten Wechselstromanteil i_[d_est-45°], sowie die Umrechnung der dreiphasigen Stromantwort auf die Wechselspannungsanregung der elektrischen Maschine für den zweiten modifizierten Wert d_est+45° in einen zweiten Wechselstromanteil i_[d_est+45°].
Diese beiden Wechselstromanteile sind in den Abbildungen a)-c) der Figur 1 abgebildet. Nun wird die Berechnung der Länge eines d- und q-Anteile aufweisenden ersten Wechselstromvektors für den ersten Wechselstromanteil i_[d_est-45°] durchgeführt, sowie die Berechnung der Länge eines d- und q-Anteile aufweisenden zweiten Wechselstromvektors für den zweiten Wechselstromanteil i_[d_est+45°].
In der Figur 1 sind schematisch entsprechende Ellipsen in der realen d-q-Ebene dargestellt. Die „geschätzte“ d-Achse d_est ist eingezeichnet und stimmt dabei nicht mit der Richtung der d-Achse der d-q-Ebene überein. Passend zur geschätzten Richtung der d- Achse, sind die Wechselstromanteile i_(d_est+45°) und i_(d_est-45°) eingezeichnet.
Dann wird die Differenz der Beträge der Längen zwischen dem ersten Wechselstromvektor und dem zweiten Wechselstromvektor gemäß delta_i=|i_d_est+45°|-|i_d_est-45°| bestimmt.
Bei Vorliegen der Bedingung, dass die Differenz der Beträge der Längen zwischen dem ersten Wechselstromvektor und dem zweiten Wechselstromvektor delta_i=|i_d_est+45°|-|i_d_est-45°| >0 beträgt, was in den Abbildungen a) und b) der Figur 1 zu sehen ist, wird zwischen zwei weiteren Alternativen unterschieden. Für den ersten Fall, dass |i_d_est+45°|>|i_d_est-45°| ist, erfolgt eine Anpassung des Startwerts d_est in der Art, dass der die Rotorlage repräsentierende Winkel im Uhrzeigersinn um einen vorbestimmten Betrag gedreht ist, was in den Abbildungen a) und b) gezeigt ist.
Anhand der Abbildungen a) und b) in der Figur 1 ist also gut zu erkennen, dass die Längen der Wechselstromanteile unterschiedlich lang sind. Daher muss die „geschätzte“ d- Achse (d_est) um ein Stück im Uhrzeigersinn verdreht werden. Diese neue „geschätzte“ d-Richtung ist dann der neue Startwert für die nächste Iteration. In Abbildung b) der Figur 1 ist eine der nächsten Iterationen dargestellt.
Für den zweiten Fall, dass |i_d_est+45°|<|i_d_est-45°| ist, wird eine Anpassung des Startwerts d_est in der Art vorgenommen, dass der die Rotorlage repräsentierende Winkel gegen den Uhrzeigersinn um einen vorbestimmten Betrag gedreht wird, was aber nicht in der Figur 1 gezeigt ist.
Diese Iterationen wird so lange durchgeführt, bis die Bedingung erfüllt wird, dass die Differenz der Beträge der Längen zwischen dem ersten Wechselstromvektor und dem zweiten Wechselstromvektor innerhalb eines definierten Intervalls zwischen 0 und einem definierten Fehlertoleranzwerts FTW liegt, gemäß delta_i=|i_d_est+45°|-|i_d_est- 45°| =[0-FTW],
Mit anderen Worten wird der Vorgang so lange wiederholt, bis die Projektionen der Wechselstromanteile und damit die längen der Absolutwerte der Wechselstromanteile gleich lang sind. Aus dem Winkel der „geschätzten“ d-Achse lässt sich dann einfach der initiale Winkel der Rotorlage ermitteln. Dies ist in der Abbildung c) der Figur 1 zu erkennen. Dann erfolgt auf dieser Grundlage die Bereitstellung des initialen Rotorwinkels zur Bestromung der elektrischen Maschine und Beendigung des Verfahrens.
Nach dieser initialen Winkelbestimmung ist die d-Achse bekannt und die elektrische Maschine 2 kann in die gewollte Drehrichtung angedreht werden. Ein auch nur kurzzeitiges Drehen der elektrischen Maschine im motorischen Betrieb in eine falsche Richtung kann so verhindert werden. Einen möglichen „180° Fehler“ muss - wie beim aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren - noch mit einem geeigneten Standardverfahren ermittelt und beseitigt werden.
Die Figur 2 entspricht nahezu der Figur 1 , wobei hier die kurze Halbachse der Ellipse, also die Halbachse in Richtung q gesucht wird. Demnach wird hier auf eine weitere Beschreibung verzichtet, da die vorstehende Beschreibung auf Fig. 2 lesbar ist, bis auf die Ausnahme, dass es gilt das „d“ durch ein „q“ zu ersetzen.
Wie in der Figur 3 dargestellt ist, umfasst die Steuereinheit 3 zur Steuerung und Bestro- mung der elektrischen Maschine 2 einen Prozessor 4 und einen Speicher 5, der einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher 5 und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor 4, die Steuereinheit 3 zur Durchführung des obenstehenden Verfahrens zu veranlassen.
Anders als in der Figur 3 gezeigt, weist die Steuereinheit 3 bevorzugt keinen Anschluss für einen Rotorlagesensor 6 zur Erfassung der Rotorlage des Rotors 1 auf und kann geberlos geregelt werden. Die in der Figur 3 dargestellte elektrische Maschine 2 besitzt einen bestrombaren Stator 7 und einen relativ zum Stator 7 drehbaren Rotor 1 sowie die Steuereinheit 3 zur Steuerung und Bestromung der elektrischen Maschine 2 bzw. des Stators 7.
Die elektrische Maschine 2 ist insbesondere zur Verwendung in einem elektrisch betreibbaren oder hybriden Antriebsstrang 8 eines Kraftfahrzeugs 9 konfiguriert, wie es auch in der Figur 4 skizziert ist.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung 'erste' und 'zweite' Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen. Bezuqszeichenliste Rotor elektrische Maschine Steuereinheit Prozessor Speicher Rotorlagesensor Stator Antriebsstrang Kraftfahrzeug

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Bestimmen und/ oder Ermitteln eines Längenunterschieds zwischen einer d-Achse und einer q-Achse einer Ellipse, insbesondere zum Überprüfen der Anisotropie einer Induktivität eines Elektromotors bei einer Inbetriebnahme an einem Bandende, wobei die Ellipse in einer d-q-Ebene bei einer kreisförmigen Anregung in einer Spannung im Strom entsteht, und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: g) Bereitstellen einer elektrischen Maschine mit einem ruhenden Rotor, h) Bestimmen einer d-Achse, insbesondere einer kleinen Halbachse, einer Ellipse, mittels eines iterativen Verfahrens und Einstellen eines Winkeloffsets Gamma_q1 , und i)Bestimmen einer q-Achse, insbesondere einer großen Halbachse, einer Ellipse mittels eines iterativen Verfahrens und Einstellen eines Winkeloffsets Gamma_d1 , wobei die d-Achse und die q-Achse durch einen Vorzeichenwechsel in dem iterativen Verfahren gefunden werden, j) Analysen einer Amplitude der Stromantwort des injizierten Signals in der d-Richtung und der q-Richtung, k) Ermitteln eines Verhältnisses der Stromantwort in d-Richtung und q-Rich- tung, und
^Transformieren der Strangströme in d-45°, d+45°, d+0° sowie q-45°, q+45° und q+0°.
2. Überprüfungsverfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Gamma_d1 und Gamma_q1 sich um im Wesentlichen ±90° unterscheiden.
3. Überprüfungsverfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte b) bis f) beliebig oft wiederholbar sind.
4. Überprüfungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Startwert q_est und/ oder d_est beim Wiederholen des Verfahrens, insbesondere der Schritte b) bis f) nach einem Zufallsprinzip gewählt ist.
5. Überprüfungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte d-Achse nach Durchführen der Schritte a) und b) als Startwert für das Bestimmen der q-Achse vorgesehen ist.
6. Überprüfungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreisbahn zumindest einmal umlaufen wird, um genau 4 Lösungen, insbesondere -d- und +d-Achse sowie -q- und +q Achse zu finden.
7. Überprüfungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Vergleich der Induktivitäten aus der Inbetriebnahme am Bandende auf eine Demagnetisierung der Magnete geschlossen werden kann.
8. Vorrichtung, insbesondere eine Steuereinheit zur Steuerung und Bestromung einer elektrischen Maschine, zum Durchführen des Überwachungsverfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
9. Elektrische Maschine, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, umfassend einen Stator und einen relativ zum Stator drehbaren Rotor sowie eine Vorrichtung zur Steuerung und Bestromung der elektrischen Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung nach Anspruch 8 ausgebildet ist.
10. Computerprogrammprodukt, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, oder Computer-Datensignal, verkörpert durch eine elektromagnetische Welle, mit Programmcode, der geeignet ist zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüche
1 bis 8.
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DE102021109779A1 (de) * 2021-04-19 2022-10-20 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Verfahren zur Bestimmung der Rotorlage für Elektromotoren

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Title
BERTO MATTEO ET AL: "An Effective Ellipse Fitting Technique of the Current Response Locus to Rotating HF Voltage Injection in IPMSM for Sensorless Rotor Position Estimation", IECON 2018 - 44TH ANNUAL CONFERENCE OF THE IEEE INDUSTRIAL ELECTRONICS SOCIETY, IEEE, 21 October 2018 (2018-10-21), pages 391 - 396, XP033486404, DOI: 10.1109/IECON.2018.8591855 *

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