CN102598502B

CN102598502B - 检查电机转矩的似然性的方法及调节电机和执行该方法的机器调节器

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Publication number: CN102598502B
Application number: CN201080050645.6A
Authority: CN
Inventors: R.施勒泽尔; D.赖希勒; T.海德里希; D.米库莱克; G.格廷; S.哈内尔
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2030-09-16
Also published as: JP5511973B2; CN102598502A; DE102009046583A1; US9065376B2; KR20120091194A; EP2499737B1; EP2499737A1; WO2011057838A1; JP2013510555A; KR101731663B1; US20120278007A1

Abstract

本发明涉及一种用于检查电机（1）的依据机器模型所计算的转矩（Trq_EmMdl）的似然性的方法，其中根据电机（1）的所计算的转矩（Trq_EmMdl）和转速（n）确定电机（1）的电磁功率的第一值（Pwr_EmMdl）。根据定子电流（I_sU，I_sV，I_sW）和定子相电压（U_sU，U_sV，U_sW）计算关于定子固定的参考系的定子电流分量（I_sA，I_sB）和定子相电压分量（U_sA，U_sB）。根据定子电流分量（I_sA，I_sB）和定子相电压分量（U_sA，U_sB）确定电机（1）的电磁功率的第二值（Pwr_EmSens）。如果电机（1）的电磁功率的第一值（Pwr_EmMdl）与电机（1）的电磁功率的第二值（Pwr_EmSens）的偏差超过预给定的功率阈值（Pwr_ErrLim），则电机（1）的依据机器模型所计算的转矩（Trq_EmMdl）被归入为难以置信的。

Description

检查电机转矩的似然性的方法及调节电机和执行该方法的机器调节器

技术领域

本发明涉及一种用于检查电机的依据机器模型所计算的转矩的似然性（Plausibilisierung）的方法和一种用于调节电机和用于执行该方法的机器调节器。

背景技术

通常，针对混合动力车辆或者电动车辆中的驱动装置（Antrieb）采用旋转场机器形式的电机，所述电机与逆变器（常常也被称为Inverter）结合来运行。电机在此可选地以发动机工作方式或者发电机工作方式来运行。在发动机工作方式中，电机产生驱动力矩，所述驱动力矩在用在混合动力车辆中时辅助内燃机，例如在加速阶段辅助内燃机。在发电机工作方式中，电机产生存储在蓄能器（譬如电池或者超级电容器（Super-Cap））中的电能。电机的运行方式和功率借助调节单元（常常被称作机器调节器）经由逆变器来调整。

公知的是，执行连续力矩监控来发现电机的机器调节器中的误动作。这尤其是用于保护车辆乘客以及外部交通参与方。要防止力矩超高并且防止车辆的由此引起的不期望的加速或者延迟。连续力矩监控的核心在此是将由电机所提供的实际转矩与允许的转矩进行比较。在一般情况下，实际转矩小于允许的转矩。如果实际转矩超过允许的转矩，则在电机的机器调节器中存在故障，并且导致安全的车辆状态的故障响应（Fehlerreaktion）开始。

在常规车辆中，电机的转矩通常依据数学机器模型来计算。力矩监控的任务因此是检查由机器调节器基于模型所计算的电磁转矩的似然性。

由WO 2007/025839 A1公知一种用于控制带有至少两个单个发动机的车辆驱动单元的方法，其中总实际力矩连续地与允许的总力矩进行比较。在此，总实际转矩由至少两个单个发动机的单个实际力矩值来计算，而允许的总力矩由所述至少两个单个发动机的允许的单个力矩值来计算。当比较得到总实际力矩大于允许的总力矩时，那么故障响应开始。

发明内容

在根据本发明的用于检查依据电机的数学机器模型所计算的转矩的似然性的方法中，根据电机的所计算的转矩和转速确定电机的电磁功率的第一值。此外，在电机的相中的定子相电压（常常也称作定子电压或者相电压）和定子电流（常常也称作相电流）被确定。根据定子电流和定子相电压计算关于定子固定的参考系的定子电流分量和定子相电压分量。根据定子电流分量和定子相电压分量确定电机的电磁功率的第二值，所述电机的电磁功率的第二值紧接着与电机的电磁功率的第一值进行比较。如果在此得到的是电机的电磁功率的第二值与电机的电磁功率的第一值偏差多于预给定的阈值，则依据电机的机器模型所计算的转矩被归入为难以置信的（unplausibel）并且因此检测到机器调节器的误动作。作为故障检测的结果，电机可以被转移到安全的运行状态中或者也可以完全被关断。

对依据机器模型所计算的电磁转矩的似然性检查因此核心地基于在基于机器模型所确定的功率（电磁功率的第一值）与基于传感器所确定的比较功率之间的功率平衡。在此，电磁功率的用作比较功率的第二值基于电机、尤其是同步电机、异步电机、磁阻电机或者无刷直流电机的定子电流和定子相电压来计算。为了确定比较功率而无需测量中间回路电流并且因此无需相对应的电流传感器装置（Stromsensorik），这节省了成本。

按照根据本发明的方法，通量角（Flusswinkel）也未进入比较功率的计算中。这提供了借助所计算的基于传感器所确定的比较功率来检查通量角的似然性的附加可能性。

根据本发明的实施形式，机器模型预给定了电机的极对数、纵向电流、横向电流、励磁通量以及纵向电感和横向电感，由这些量计算电机的转矩。电机的纵向电流和横向电流在此标识在场定向的参考系的两个正交方向上的定子电流分量，并且代表与电机的类型和状态有关的定子电流额定值。纵向电感和横向电感标识在场定向的参考系的两个方向上的机器特定的定子电感。

根据本发明的实施形式，定子电流中的至少一个被测量，并且所有未被测量的定子电流都在利用定子电流的对称特性的情况下基于模型地被计算。

如果所有定子电流都借助电流传感器来测量，则可能通过分析定子电流来检测电流传感器装置中的故障。在此利用的是，定子电流的总和在理想的***中必须为零，使得如果定子电流的总和超过预给定的第一定子电流阈值，则可以检测到故障。以这种方式在没有附加的电路技术开销的情况下实现针对电流传感器装置的故障识别。

根据本发明的另一实施形式，定子相电压通过计算算出地被确定。连接在电机上游的逆变器通常对于电机的每个相都具有功率输出级，所述功率输出级也包括功率开关元件。所述功率开关元件由机器调节器以常见的方式通过脉宽调制的控制信号来激励（ansteuern）。根据控制信号能直接确定针对电机的各个相的占空比。借助可以以测量技术方式来确定的中间回路电压和占空比可以计算定子相电压。以这种方式可以省去原则上也可能的对定子相电压的测量。

在确定定子相电压时，也可以考虑故障电压，该故障电压有利地从与定子电流和中间回路电压有关的故障电压特性曲线族来读取。

根据本发明的另一实施形式，在确定电机的电磁功率的第二值时考虑电机的当前损耗功率，其中该当前损耗功率有利地从与电机的转速和定子电流有关的损耗功率特性曲线族来读取。

在低转速的情况下，由于与此联系的小功率有意义的是，通过附加的故障路径（Fehlerpfad）来使不期望的力矩超高的临界（kritisch）运行状态得到保障。在电机的基本转速范围中，最大有效转矩的数值可以直接由定子电流的数值来确定。在无故障运行时，所调整的额定转矩最大对应于最大值。偏差根据电机及其转子的温度而是可能的。因此，在电机的基本转速范围中，根据额定转矩的数值来确定额定定子电流的数值。根据本发明的实施形式，额定定子电流的以这种方式确定的数值与实际定子电流的数值进行比较，并且当额定定子电流的数值与实际定子电流的数值的偏差超过预给定的第二定子电流阈值时，那么电机的依据机器模型所计算的转矩被归入为难以置信的。额定定子电流的数值在此有利地从与额定转矩有关的定子电流特性曲线族来读取。

此外，根据电机的转速和根据电机的电磁功率的第二值可以确定有效转矩的符号。如果有效转矩的符号不同于额定转矩的符号，则依据机器模型所计算的转矩同样可以被归入为难以置信的。

通过利用在基本转速范围中的转矩数值与定子电流数值的相关性，在该范围中以简单的方式提供附加的故障路径，所述附加的故障路径进一步提高了电机的运行安全性。

根据本发明的用于调节电机和用于执行根据本发明的方法的机器调节器包括：用于根据电机的依据机器模型所计算的转矩和根据电机的转速来确定电机的电磁功率的第一值的装置，用于由定子电流和定子相电压来计算关于定子固定的参考系的定子电流分量和定子相电压分量的装置，用于由定子电流分量和定子相电压分量来确定电机的电磁功率的第二值的装置，用于将电机的电磁功率的第一值与电机的电磁功率的第二值进行比较的装置和用于依据电机的电磁功率的第一值和电机的电磁功率的第二值的偏差来识别故障的装置。

附图说明

根据以下参考所附的附图的描述得到本发明的实施形式的其他特征和优点，该附图是具有根据本发明的发动机调节器的电机以及逆变器的示意性方框电路图。

具体实施方式

图1示出了具有连接在其上的脉冲逆变器2的三相电机1的示意图，该三相电机1例如可以被实施为同步电机、异步电机、磁阻电机或者无刷直流电机。该脉冲逆变器2包括功率开关3a-3f，所述功率开关3a-3f与电机1的各个相U、V、W连接并且相对中间回路电压U_dcLnk形式的高电源电压电势或者地形式的低参考电势接通相U、V、W。与中间回路电压U_dcLnk连接的开关3a-3c在此也被称作“高边（High-Side）开关”，而与地连接的开关3d-3f被称作“低边（Low-Side）开关”。脉冲逆变器2此外还包括多个续流二极管4a-4f，所述续流二极管4a-4f分别与开关3a-3f之一并联布置。

脉冲逆变器2确定电机的功率和运行方式，并且由在图1中仅示意性示出并且也可被集成在该逆变器中的机器调节器5相对应地来激励。电机1在此可以可选地以发动机工作方式或者发电机工作方式来运行。

脉冲逆变器2此外还包括所谓的中间回路电容器6，所述中间回路电容器6基本上用于使电池电压稳定。具有电池7的车辆的车载电网与中间回路电容器6并联连接。

电机1在所示的实施例中以三相方式来实施，但是也可以具有多于三个的或者小于三个的相。在机器调节器中，电机1的电磁转矩Trq_EmMdl依据数学机器模型根据机器特定的参数、即电机的极对数、纵向电流、横向电流、励磁通量以及纵向电感和横向电感按如下等式来计算：

Trq_EmMdl=3·p·I_sq·(Ψ_Exc+I_sd(L_sd-L_sq))（1），

其中，

Trq_EmMdl：机器的电磁转矩（由模型数据来计算），

p：机器的极对数，

I_sd：机器的纵向电流（在场定向的参考系的d方向上的定子相电压），

I_sq：机器的横向电流（在场定向的参考系的q方向上的定子相电压），

Ψ_Exc：机器的励磁通量，

L_sd、L_sq：在场定向的参考系的d方向或q方向上的定子电感；

索引“Mdl”在此并且在下文表明：相对应的量的计算仅基于模型数据。

也可设想的是，在与机器调节器5分开的单元中执行对转矩的基于模型的计算并且仅将计算结果提供给机器调节器5。

电机1的电磁功率Pwr_EmMdl的第一值根据如下等式来计算：

Pwr_EmMdl=Trq_EmMdl·2·π·n （2），

其中n标识电机1的转速，该电机1的转速例如可以借助转速传感器来测量。

替换于此地，转速n也可以根据电机1的两个在时间上交错地在时刻t1和t2测量的电流指标（Stromzeiger）（|I1|·exp（iα1）与|I2|·exp（iα2））的角度差（（α2-α1）/（t2-t1））来计算。以这种方式可以省去对电机1的转速n的测量。对于同步电机，在此附加地可以利用的是：只有当同步电机被同步激励来使得转子向定子中的磁通量并且因此向电流指标对准时，同步电机才可以在整个电旋转上平均输出显著的转矩。也就是说，只有当电机的实际转速与角度差同步变化时，同步电机才在完整的电旋转上输出转矩。

但是，如果电机1的转速n还是被测量，则依据角度差所计算的转速可以被用来检查转速传感器的转速信号的似然性并且因此被用来识别转速传感器装置的故障。

在电机1的相U、V以及W中的定子电流I_sU、I_sV和I_sW通过三个（图1中未示出的）电流传感器来测量。只要电机的中性点没有接地或者机器绕组以三角形来布线，定子电流的总和根据等式（3）就必须为零。

I_sU+I_sV+I_sW=0 （3）。

该关系可以被利用，以便检测用于测量定子电流的电流传感器装置中的故障。为此，电流总和的数值与可参数化的第一定子电流阈值I_sLim进行比较。在超过阈值时，检测到电流传感器装置中的故障。

|I_sU+I_sV+I_sW|>I_sLim ＝＞故障！（4）。

替换于测量所有相电流，也可能的是，仅测量相电流中的一个或者测量相电流中的至少仅仅一部分，而其余相电流在利用对称特性的情况下基于模型地来计算。但是，那么所描述的在电流传感器装置中的似然性检验和与此相联系的故障识别是不可能的。

由定子电流I_sU、I_sV和I_sW根据等式（5）计算在定子固定的参考系的A方向和B方向（此外还被称作A/B系）上的定子电流分量I_sA和I_sB。

（5）。

借助所测量到的或者基于模型所计算的通量角α_Flx可以根据定子固定的A/B系中的定子电流分量I_sA和I_sB计算在场定向的参考系（此外还被称作d/q系）的d方向（纵向方向）以及q方向（横向方向）上的两个电流分量I_sd和I_sq（参见等式（6））。在d/q系中的定子电流分量I_sd和I_sq用作调节电机1时的反馈量。

（6）。

通量角α_Flx在此是定子固定的A/B系中的通量角。

由功率开关3a至3f的脉宽调制的激励信号可以直接确定各个相U、V以及W的占空比dyc_U、dyc_V和dyc_W。借助这些占空比可以重建有效的定子相电压U_sU、U_sV和U_sW。为此必须附加地测量当前的中间回路电压U_dcLnk。根据本发明的有利的实施形式，也考虑有利地从与定子电流I_sU、I_sV和I_sW和中间回路电压U_dcLnk有关的特性曲线族中被读取的当前故障电压U_sUErr、U_sVErr和U_sWErr。故障电压U_sUErr、U_sVErr和U_sWErr在此受制于功率开关3a-3f的停滞时间和非理想的开关特性。

定子相电压U_sU、U_sV和U_sW因此被得到为：

（7），

其中，

C_PWM：用于将中间回路电压U_dcLnk换算成最大可能的机器电压的因子，

以及

（8.1），

（8.2），

（8.3），

其中“KF”在此和在下文表明：这些量被寄存在与在括号中所说明的量有关的特性曲线族中。

定子的在定子固定的A/B系中的两个相电压分量U_sA和U_sB最后根据等式（10）来确定。

（9）。

借助在定子固定的A/B系中的定子电流分量I_sA和I_sB以及定子相电压分量U_sA和U_sB，可以根据等式（11）计算电机1的电有功功率Pwr_ElMa：

（10）。

有利地，电机的损耗功率Pwr_ElMaLos根据等式（11）被寄存在与定子电流的数值I_s和转速n有关的特性曲线族中。

（11）。

定子电流的数值I_s在此可以通过A/B系的两个正交的定子相电压分量I_sA和I_sB的几何学总和来确定。

（12）。

电机1的电磁功率的第二值Pwr_EmSens因此被得到为：

Pwr_EmSens=Pwr_ElMa－Pwr_ElMaLos （13）。

索引“Sens”在此表明，不是模型数据而是仅传感器数据被用于计算功率。

借助机器模型所计算的电磁转矩Trq_EmMdl的似然性检查通过功率平衡来进行。在此，产生电磁转矩的功率一方面由机器模型按照等式（2）来确定，而另一方面由传感器数据按照等式（13）来确定。

由这两个值之差可以计算功率误差：

Pwr_Err=Pwr_EmMdl－Pwr_EmSens （14），

该功率误差在理想情况下为零并且在正常运行时取小的值。如果这样所计算的功率误差Pw_Err的数值超过预给定的可参数化的功率阈值Pwr_ErrLim，则依据机器模型所计算的转矩被归入为难以置信的，并且与此相对应地检测到故障。

|Pwr_Err|>Pwr_ErrLim =>故障！（15）。

作为故障检测的结果，接着可以触发备用响应（Ersatzreaktion），该备用响应保证了电机1的安全运行。

在低转速的情况下，由于与此相联系的小功率而有意义的是，通过附加的故障路径使不期望的转矩超高的临界运行状态得到保障。

在基本转速范围中，最大有效转矩的数值可以直接根据定子电流的数值I_s被确定。定子电流的数值又可以通过在定子固定的A/B系中的两个正交定子电流分量的几何学总和根据等式（12）来确定。最大有效转矩的数值与定子电流的数值的相关性有利地可以被存储在特性曲线中，并且表征每个机器类型。在此适用：

（16）。

在无故障运行时，所调整的转矩精确地对应于最大值。通过反函数可以针对每个所要求的额定转矩Trq_EmDes确定相关的定子电流额定值I_sDes。

（17）。

只要电流误差I_sErr（参见等式（18））保持在预给定的可参数化的第二定子电流阈值I_sErrLim之下，有效转矩Trq_Em的数值就小于或者等于额定转矩Trq_EmDes的数值。否则应检测到故障情况。

I_sErr=I_sDes-I_s （18）。

|I_sErr|>I_sErrLim =>故障！（20）。

此外，也可以进行对有效转矩Trq_Em的符号的检验。这如在等式（21）中所示的那样借助按照等式（13）的电磁功率Pwr_EmSens的符号和电机1的转速n来进行。

（21）。

当以这种方式所计算的符号与额定转矩Trq_EmDes的符号不一致时，同样检测到故障。

=> 故障！（22）。

如从等式（19）和（29）中得到的那样，有效的Trq_Em转矩在数值上小于额定转矩Trq_EmDes的数值这种情况通过所描述的附加的故障路径并不自动地引起故障检测。但是，在基本转速工作方式中，较不临界的故障情况也可以通过根据本发明的功率平衡而被截取。

Claims

1.一种用于检查电机（1）的依据机器模型所计算的转矩（Trq_EmMdl）的似然性的方法，其中，

- 根据电机（1）的所计算的转矩（Trq_EmMdl）和转速（n）确定电机（1）的电磁功率的第一值（Pwr_EmMdl），

- 确定在电机（1）的相（U，V，W）中的定子相电压（U_sU，U_sV，U_sW）和定子电流（I_sU，I_sV，I_sW），

- 由定子电流（I_sU，I_sV，I_sW）和定子相电压（U_sU，U_sV，U_sW）计算关于定子固定的参考系的定子电流分量（I_sA，I_sB）和定子相电压分量（U_sA，U_sB），

- 根据定子电流分量（I_sA，I_sB）和定子相电压分量（U_sA，U_sB）确定电机（1）的电磁功率的第二值（Pwr_EmSens），

- 将电机（1）的电磁功率的第一值（Pwr_EmMdl）与电机（1）的电磁功率的第二值（Pwr_EmSens）进行比较，以及

- 如果电机（1）的电磁功率的第一值（Pwr_EmMdl）与电机（1）的电磁功率的第二值（Pwr_EmSens）的偏差超过预给定的功率阈值（Pwr_ErrLim），则电机（1）的依据机器模型所计算的转矩（Trq_EmMdl）被归入为难以置信的。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过机器模型预给定电机（1）的极对数（p）、纵向电流（I_sd）、横向电流（I_sq）、励磁通量（Ψ_Exc）以及纵向电感（L_sd）和横向电感（L_sq），并且由这些参数来计算电机（1）的转矩（Trq_EmMdl）。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，测量电机的转速（n）。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，转速（n）由两个在时间上交错地被测量的电流指标的角度差来确定。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，测量定子电流（I_sU；I_sV；I_sW）中的至少一个并且所有未被测量的定子电流（I_sU；I_sV；I_sW）通过计算算出地被确定。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，测量所有定子电流（I_sU，I_sV，I_sW），并且在测量定子电流（I_sU，I_sV，I_sW）时，如果定子电流（I_sU，I_sV，I_sW）的总和超过预给定的第一定子电流阈值（I_sLim），则检测到故障。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过计算算出地确定定子相电压（U_sU，U_sV，U_sW）以及根据占空比（dyc_U，dyc_V，dyc_W）和中间回路电压（U_dcLnk）计算定子相电压（U_sU，U_sV，U_sW）。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，确定电机（1）的各个相（U，V，W）的占空比（dyc_U，dyc_V，dyc_W），并且测量中间回路电压（U_dcLnk），以及根据占空比（dyc_U，dyc_V，dyc_W）和中间回路电压（U_dcLnk）计算定子相电压（U_sU，U_sV，U_sW）。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，在确定定子相电压（U_sU，U_sV，U_sW）时，考虑当前故障电压（U_sUErr，U_sVErr，U_sWErr）。

10.根据权利要求7所述的方法，其中，当前故障电压（U_sUErr，U_sVErr，U_sWErr）从与定子电流（I_sU，I_sV，I_sW）和中间回路电压（U_dcLnk）有关的故障电压特性曲线族来读取。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在确定电机（1）的电磁功率的第二值（Pwr_EmSens）时考虑电机（1）的当前损耗功率（Pwr_ElMaLos）。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，电机（1）的当前损耗功率（Pwr_ElMaLos）从与转速（n）和定子电流的数值（I_s）有关的损耗功率特性曲线族来读取。

13.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在电机（1）的基本转速范围中，根据额定转矩（Trq_EmDes）的数值来确定额定定子电流（I_sDes）的数值，将额定定子电流（I_sDes）的数值与定子电流的数值（I_s）进行比较，并且如果额定定子电流（I_sDes）的数值与实际定子电流的数值（I_s）的偏差超过预给定的第二定子电流阈值（I_sErrLim），则电机（1）的依据机器模型所计算的转矩（Trq_EmMdl）被归入为难以置信的。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，额定定子电流（I_sDes）的数值从与额定转矩（Trq_EmDes）有关的定子电流特性曲线族来读取。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，根据电机（1）的电磁功率的第二值（Pwr_EmSens）和转速（n）确定有效转矩(Trq_Em)的符号，并且如果有效转矩(Trq_Em)的符号不同于额定转矩（Trq_EmDes）的符号，则依据机器模型所计算的转矩（Trq_EmMdl）被归入为难以置信的。

16.一种用于调节电机和用于执行根据权利要求1至15之一所述的方法的机器调节器，其具有：

- 用于根据电机（1）的依据机器模型所计算的转矩（Trq_EmMdl）和根据电机（1）的转速（n）来确定电机（1）的电磁功率的第一值（Pwr_EmMdl）的装置，

- 用于由定子电流（I_sU，I_sV，I_sW）和定子相电压（U_sU，U_sV，U_sW）来计算关于定子固定的参考系的定子电流分量（I_sA，I_sB）和定子相电压分量（U_sA，U_sB）的装置，

- 用于根据定子电流分量（I_sA，I_sB）和定子相电压分量（U_sA，U_sB）来确定电机（1）的电磁功率的第二值（Pwr_EmSens）的装置，

- 用于将电机（1）的电磁功率的第一值（Pwr_EmMdl）与电机（1）的电磁功率的第二值（Pwr_EmSens）进行比较的装置，以及

- 用于依据电机（1）的电磁功率的第一值（Pwr_EmMdl）和电机（1）的电磁功率的第二值（Pwr_EmSens）的偏差来识别故障的装置。