DE102004002570A1 - Error-tolerant control system for multiphase reluctance motor for power steering in road vehicle has circuits determining position of four- pole rotor inside six-pole stator and has two inverters - Google Patents

Abstract

The motor control system is connected to a first DC terminal (34) at 42V and a second DC terminal (36) at 14V. Each terminal has an inverter (38,40) with three sets of diodes, transistors and stator pole windings (28a-32b) and current switching terminals (50-60). The inverters are connected to rotor (14) angle sensors (64,66) with microcontrollers (46,48). An angle sensor (15) is connected to a comparator (62).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur fehlertoleranten Steuerung einer mehrphasigen, geschalteten Reluktanzmaschine, insbesondere eines als Antrieb einer elektrischen Lenkhilfe eines Kraftfahrzeuges dienenden, mehrphasigen, geschalteten Reluktanzmotors, nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 6. Eine derartige fehlertolerante, geschaltete Reluktanzmaschine ist aus der DE 40 08 606 A bekannt, wobei zur Erzielung eines fehlertoleranten Betriebs Gebrauch gemacht wird von der charakteristischen Unabhängigkeit der Phasenwicklungen von Reluktanzmaschinen. Auf Grund ihrer Bauform besitzen diese Maschinen die Fähigkeit, mit einem Minimum an Leistungsverschlechterung trotz Windungs- oder Wechselrichterfehlern weiterhin zu arbeiten. Die beim Einsatz anderer Elektromotoren für sicherheitskritische Antriebe übliche Maßnahme der Verwendung von zwei gemeinsam auf eine Welle arbeitenden Maschinen kann hierbei entfallen. Diese Druckschrift offenbart weiterhin einen Reluktanzmotor, bei dem die Wicklungen eines Ständerpolpaares nicht in Reihe geschaltet sind sondern einzeln durch je einen separaten unabhängigen Wechselrichterphasenzweig erregt werden. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit kann dabei weiterhin vorgesehen werden, dass jeder Wechselrichter durch eine separate Gleichstromquelle gespeist wird.The invention relates to a method and a device for fault-tolerant control of a multiphase, switched reluctance machine, in particular serving as a drive of an electric power steering system of a motor vehicle, multiphase, switched reluctance motor, according to the preamble of claims 1 and 6. Such a fault-tolerant switched reluctance machine is off of the DE 40 08 606 A In order to achieve a fault-tolerant operation, use is made of the characteristic independence of the phase windings of reluctance machines. Due to their design, these machines have the ability to continue to operate with a minimum of performance degradation despite turns or inverter faults. The usual when using other electric motors for safety-critical drives measure the use of two working together on a shaft machines can be omitted here. This document further discloses a reluctance motor in which the windings of a stator pole pair are not connected in series but are individually excited by a respective separate independent inverter phase branch. To increase the reliability can continue to be provided that each inverter is powered by a separate DC power source.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur fehlertoleranten Steuerung einer mehrphasigen, geschalteten Reluktanzmaschine anzugeben, welche durch eine gegenüber dem Stand der Technik noch verbesserte Fehlertoleranz für Anwendungen geeignet ist, bei denen ein Höchstmaß an Betriebssicherheit gefordert wird, wie es beispielsweise bei der elektrischen Lenkhilfe eines Kraftfahrzeuges der Fall ist. Diese Aufgabe wird gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 6. Durch die Verwendung wenigstens zweier, unabhängig voneinander arbeitender und sich gegenseitig überwachender Anordnungen für die Erfassung der Rotorposition erreicht man, dass die Statorwicklungen auch bei auftretenden Fehlern in einem Erfassungssystem weiterhin optimal angesteuert werden, wodurch ein hohes Maß an Betriebssicherheit erreicht wird. Hierbei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn wenigstens eine der Anordnungen zur Erfassung der Rotorposition hardwaremäßig ausgeführt wird, beispielsweise in der Form eines mechanischen, mit der Rotorwelle gekoppelten Lagegebers. Im Zusammenwirken mit einem derartigen mechanischen Lagegeber ist es dann zweckmäßig, wenigstens eine weitere Anordnung zur Erfassung der Rotorposition sensorlos als Software-Drehwinkelgeber zu gestalten, welche die Rotorposition aus den Phasenströmen der Statorwicklungen ermittelt. Bei Verwendung derart technisch unterschiedlicher Vorrichtungen zur Erfassung der Rotorposition der Reluktanzmaschine ist auch die Wahrscheinlichkeit verringert, dass beide Lagegeber gleichzeitig ausfallen oder Fehlanzeigen liefern.Of the Invention is based on the object, a method and an apparatus for fault-tolerant control of a multi-phase, switched Reluctance to specify which by a relation to the State of the art still improved fault tolerance for applications suitable, where maximum operational safety is required, as for example in the electric power steering a motor vehicle is the case. This task is solved with the characterizing features of claims 1 and 6. By use at least two, independently interoperating and mutually supervising arrangements for detection the rotor position can be achieved that the stator windings at occurring errors in a detection system continues to optimally be driven, whereby a high degree of operational reliability achieved becomes. It has proven to be advantageous if at least one of the arrangements for detecting the rotor position is executed in hardware, for example, in the form of a mechanical, with the rotor shaft coupled position encoder. In cooperation with such a mechanical Lagegeber it is then appropriate, at least another arrangement for detecting the rotor position sensorless as a software rotary encoder to design which the rotor position from the phase currents of the Stator windings determined. When using such technically different Devices for detecting the rotor position of the reluctance machine It also reduces the likelihood that both position encoders will be simultaneously fail or provide false positives.

Ein besonders vorteilhaftes Verfahren und eine zugehörige vorteilhafte Vorrichtung zur fehlertoleranten Steuerung einer mehrphasigen, geschalteten Reluktanzmaschine erreicht man dadurch, dass zwei unabhängige Software-Drehwinkelgeber und ein Hardware-Drehwinkelgeber im Sinne einer gegenseitigen Überwachung auf korrekte Erfassung der Rotorposition miteinander gekoppelt werden, wobei mittels der drei Anordnungen beim Ausfall eines Winkelsensors immer noch eine Zwei-aus-drei- Entscheidung über die korrekte Rotorposition getroffen werden kann, wodurch die Sicherheit einer korrekten Messung weiter erhöht ist. Beim Auftreten unterschiedlicher Messwerte in allen drei Drehwinkelgebern wird der in der Mitte liegende Wert für die Steuerung verwendet.One particularly advantageous method and an associated advantageous device for fault-tolerant control of a multi-phase, switched Reluctance machine is achieved by having two independent software rotary encoders and a hardware rotary encoder in the sense of mutual monitoring coupled to correct detection of the rotor position, wherein by means of the three arrangements in case of failure of an angle sensor still a two-out-of-three decision on the correct rotor position can be taken, ensuring safety a correct measurement is further increased. When occurring different Measured values in all three rotary encoders will be the one in the middle Value for the controller used.

Hinsichtlich der Gestaltung der Reluktanzmaschine hat es sich weiterhin als zweckmäßig erwiesen, wenn die Wicklungen zweier diametral gegenüberliegender Pole des Stators über getrennte Wechselrichter bestrombar sind und vorteilhafterweise zusätzlich an getrennte Gleichstromquellen angeschlossen sind. Hierdurch können einerseits Fehler in einem einzelnen Wechselrichter und andererseits der Ausfall einer einzelnen Gleichstromquelle keinen Totalausfall verursachen und es bleibt zumindest ein eingeschränkter Betrieb der Reluktanzmaschine möglich. Die Symmetrie der Bestromung der Statorwicklungen einer dreiphasigen Maschine und deren Drehmomentverteilung kann beim Ausfall eines Wechselrichters oder einer Gleichstromquelle vorteilhafterweise dadurch weitgehend aufrechterhalten werden, dass eine Phase der Stator-Teilwicklungen gegenüber den Anschlüssen der benachbarten Phasen hinsichtlich ihres Wickelschemas und Anschlusses an die Wechselrichter vertauscht wird.Regarding the design of the reluctance machine has also proven to be expedient when the windings of two diametrically opposite poles of the stator via separate inverters are energized and advantageously in addition to separate DC power sources are connected. This allows on the one hand errors in a single inverter and on the other hand the Failure of a single DC power source does not cause a total failure and at least limited operation of the reluctance machine remains possible. The Symmetry of the energization of the stator windings of a three-phase Machine and its torque distribution can be in case of failure of an inverter or a DC source advantageously thereby largely be maintained that a phase of the stator partial windings against the connections the adjacent phases in terms of their winding scheme and connection is swapped to the inverter.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung des Ausführungsbeispiels sowie aus den Unteransprüchen.Further Details and advantageous embodiments of the invention result from the description of the embodiment and from the dependent claims.

Die Zeichnung zeigt eine dreiphasige, geschaltete Reluktanzmaschine mit zwei Polpaaren im Rotor und drei Polpaaren im Stator, wobei die Wicklungen der Statorpolpaare geteilt sind und über getrennte Wechselrichter sowie über getrennte Gleichstromquellen gespeist werden.The Drawing shows a three-phase switched reluctance machine with two pole pairs in the rotor and three pole pairs in the stator, where the windings of the stator pole pairs are divided and separated Inverters as well as over separate DC sources are fed.

In der Figur ist ein dreiphasiger, geschalteter Reluktanzmotor mit 10 bezeichnet, auf dessen Welle 12 ein Rotor 14 angeordnet ist. Die Überwachung der Rotorposition erfolgt einerseits durch einen mechanischen Drehwinkelgeber 15, welcher in bekannter Weise den Drehwinkel der Rotorwelle 12 erfasst. Die Gestaltung des Drehwinkelgebers ist nicht näher dargestellt. Im Wesentlichen handelt es sich hierbei um eine mit der Rotorwelle 12 gekoppelte Gebervorrichtung und eine ortsfeste Empfängervorrichtung, welche als Einheit dargestellt und mit der Bezugsziffer 15 gekennzeichnet sind.In the figure, a three-phase, switched reluctance motor with 10 referred to, on the shaft 12 a rotor 14 is arranged. The rotor position is monitored on the one hand by a mechanical rotary encoder 15 , which in a known manner the angle of rotation of the rotor shaft 12 detected. The design of the rotary encoder is not shown in detail. Essentially, this is one with the rotor shaft 12 coupled donor device and a fixed receiver device, which is shown as a unit and the reference numeral 15 Marked are.

Der Rotor 14 weist diskrete Polpaare aus jeweils diametral gegenüberliegenden Polen 18a und 18b sowie 20a und 20b auf, welche keine Wicklungen oder Permanentmagnete tragen. Der Stator des Motors ist mit 16 bezeichnet. Er besitzt drei Statorpolpaare, bestehend aus den Polen 22a und 22b, 24a und 24b sowie 26a und 26b, welche jeweils ebenfalls diametral gegenüberliegend mit gleichen Abständen über den Umfang des Stators 16 verteilt sind. Dabei trägt jeder Einzelpol des Stators eine getrennte Teilwicklung, und zwar der Statorpol 22a die Wicklung 28a, der Statorpol 22b die Wicklung 28b, der Statorpol 24a die Wicklung 30a, der Statorpol 24b die Wicklung 30b, der Statorpol 26a die Wicklung 32a und der Statorpol 26b die Wicklung 32b. Die Teilwicklungen 28a,b; 30a,b und 32a,b sind im linken Teil der Figur in der Darstellung der Steueranordnung in gleicher Weise bezeichnet.The rotor 14 has discrete pole pairs of diametrically opposite poles 18a and 18b such as 20a and 20b on which no windings or permanent magnets wear. The stator of the motor is with 16 designated. He has three pairs of stator poles, consisting of the poles 22a and 22b . 24a and 24b such as 26a and 26b , which are also diametrically opposite each other at equal intervals over the circumference of the stator 16 are distributed. Each single pole of the stator carries a separate partial winding, namely the stator pole 22a the winding 28a , the stator pole 22b the winding 28b , the stator pole 24a the winding 30a , the stator pole 24b the winding 30b , the stator pole 26a the winding 32a and the stator pole 26b the winding 32b , The partial windings 28a , B; 30a ,Federation 32a , B are designated in the left part of the figure in the representation of the control arrangement in the same way.

Die Stromversorgung des Motors erfolgt über zwei Gleichstromquellen 34 und 36, wobei die Gleichstromquelle 34 eine Spannung von 42 V und die Gleichstromquelle 36 eine Spannung von 14 V besitzt, jeweils entsprechend den üblichen Spannungswerten eines Zweispannungsnetzes in einem Kraftfahrzeug. Am Eingang der Zwischenkreise zu zwei Wechselrichtern 38 und 40 liegt je eine Zwischenkreiskapazität 42 und 44, welche die Zwischenkreise von der jeweiligen Netzinduktivität entkoppelt. Die Eingangsspannung am Wechselrichter 38 ist mit Ua, die Eingangsspannung am Wechselrichter 40 mit Ub bezeichnet. Die Wechselrichter 38 und 40 sind in herkömmlicher Weise aufgebaut mit Transistoren, vorzugsweise MOSFET-Transistoren, und jeweils zwei Freilaufdioden für jede der Teilwicklungen 28 bis 32. Die als Schalter der Wechselrichter 38 und 40 verwendeten Transistoren und die zugehörigen Feilaufdioden sind in der Figur nicht mit Bezugszeichen versehen, weil es sich hierbei um eine gebräuchliche Schaltung handelt. Die Ansteuerung der Schalter des Wechselrichters 38 erfolgt über einen Mikrocontroller μC1, die Ansteuerung des Wechselrichters 40 über einen Mikrocontroller μC2. Den Mikrocontrollern μC1 und μC2 ist jeweils eine Messfunktion 46 beziehungsweise 48 zugeordnet. Diese bilden zusammen mit den Mikrocontrollern je einen, von dem mechanischen Drehwinkelgeber 15 unabhängig arbeitenden sensorlosen Drehwinkelgeber 64, 66 für die Wechselrichter 38 und 40. Hierbei werden dem Mikrocontroller μC1 zusätzlich die Eingangsspannung Ua sowie die einzelnen Phasenströme durch die Wicklungen 28a, 30a und 32a zugeführt, welche von Stromwandlern 50, 52 und 54 erfasst werden. Entsprechend steuert der Mikrocontroller μC2 die Schalter des Wechselrichters 40 und erhält als Eingangsgrößen für die Ermittlung der Rotorwinkellage die Eingangsspannung Ub sowie die Phasenströme durch die Teilwicklungen 28b, 30b und 32b, welche von Stromwandlern 56,58 und 60 erfasst werden. Die Drehwinkelgeber 64 und 66 sind im Folgenden auch als Software-Drehwinkelgeber bezeichnet, weil sie die Verdrehwinkel des Rotors 14 aus den Wicklungsstromverläufen rechnerisch ermitteln.The motor is powered by two DC sources 34 and 36 , wherein the DC power source 34 a voltage of 42 V and the DC source 36 has a voltage of 14 V, each corresponding to the usual voltage values of a two-voltage network in a motor vehicle. At the entrance of the intermediate circuits to two inverters 38 and 40 is ever a DC link capacity 42 and 44 , which decouples the DC link from the respective network inductance. The input voltage at the inverter 38 is with ua, the input voltage at the inverter 40 denoted by Ub. The inverters 38 and 40 are conventionally constructed with transistors, preferably MOSFET transistors, and two freewheeling diodes for each of the partial windings 28 to 32 , The as the switch of the inverter 38 and 40 used transistors and the associated Feilaufdioden are not provided in the figure with reference numerals, because this is a common circuit. The control of the switches of the inverter 38 via a microcontroller μC1, the control of the inverter 40 via a microcontroller μC2. The microcontrollers μC1 and μC2 each have a measuring function 46 respectively 48 assigned. These form together with the microcontrollers one each, from the mechanical rotary encoder 15 independently operating sensorless rotary encoder 64 . 66 for the inverters 38 and 40 , In this case, the microcontroller μC1 additionally receives the input voltage Ua as well as the individual phase currents through the windings 28a . 30a and 32a supplied by current transformers 50 . 52 and 54 be recorded. Accordingly, the microcontroller μC2 controls the switches of the inverter 40 and receives as input variables for the determination of the rotor angle position, the input voltage Ub and the phase currents through the partial windings 28b . 30b and 32b , which of current transformers 56 . 58 and 60 be recorded. The rotary encoder 64 and 66 are also referred to below as software rotary encoder, because they are the angle of rotation of the rotor 14 calculated from the Wicklungsstromverläufen.

Die Ausgänge der drei Drehwinkelgeber 15, 64 und 66 sind auf einen Vergleicher 62 geführt, dessen Ausgang wiederum zu den Mikrocontrollern μC1 und μC2 geführt ist. Im Betrieb erfolgt in dem Vergleicher 62 eine Überprüfung der einzelnen Drehwinkelgeber hinsichtlich der korrekten Erfassung der Rotorposition, wobei aufgrund der drei Eingangsgrößen jeweils eine Zwei-aus-drei-Entscheidung über die korrekte Rotorposition getroffen werden kann, da bei einer Störung oder einem Ausfall eines Drehwinkelgebers die Übereinstimmung der Messwerte der beiden anderen Drehwinkelgeber die korrekte Position der Rotorwelle wiedergibt. Bei der Erfassung von drei verschiedenen Werten wird der mittlere Wert, nicht etwa ein gemittelter Wert, als korrekt angenommen. Schließlich sind zur Synchronisation der Ansteuerung der beiden Wechselrichter 38 und 40 die Mikrocontroller μC1 und μC2 entsprechend der Linie 68 untereinander verbunden. Durch in Klammer geschriebene Bezugszeichen 30a, 30b soll dargestellt werden, dass diese beiden Teilwicklungen hinsichtlich des Anschlusses an einen der beiden Wechselrichter 38 und 40 vertauscht sind, um beim Ausfall eines Wechselrichters oder einer Gleichstromquelle einen im Wesentlichen symmetrischen Betrieb auf reduziertem Leistungsniveau aufrecht zu erhalten.The outputs of the three rotary encoders 15 . 64 and 66 are on a comparator 62 whose output is in turn led to the microcontroller μC1 and μC2. In operation takes place in the comparator 62 a check of the individual rotary encoders with regard to the correct detection of the rotor position, wherein due to the three input variables in each case a two-out-of-three decision on the correct rotor position can be taken because in case of failure or failure of a rotary encoder, the agreement of the measured values of the other two Rotary encoder reflects the correct position of the rotor shaft. When collecting three different values, the average value, not an averaged value, is assumed to be correct. Finally, to synchronize the control of the two inverters 38 and 40 the microcontroller μC1 and μC2 according to the line 68 interconnected. By reference numerals written in parenthesis 30a . 30b is to be shown that these two partial windings with respect to the connection to one of the two inverters 38 and 40 are reversed to maintain a substantially symmetrical operation at a reduced power level in case of failure of an inverter or a DC power source.

Der im Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte geschaltete Reluktanzmotor ist dreiphasig aufgebaut mit drei Paaren diametral gegenüberliegender Statorpole. Die Zahl der Rotorpole ist, wie üblich, von der Anzahl der Statorpole verschieden, im Ausführungsbeispiel weist der Rotor zwei unbewickelte Polpaare auf. Die jeweils mit a und b bezeichneten Teilwicklungen eines Strangs, die üblicherweise in Reihe geschaltet sind, werden beim Anmeldungsgegenstand über die beiden Wechselrichter 38 und 40 getrennt, jedoch synchron bestromt, so dass die Wirkungsweise dem ungestörten Betrieb in der herkömmlichen Wirkungsweise entspricht. Hierbei werden in bekannter Weise durch die Ströme in einem Strang an den gegenüberliegenden Statorpolen Magnetfelder erzeugt, die so lange ein Anzugsmoment auf die benachbarten Rotorpole ausüben, bis diese den bestromten Statorpolen gegenüberstehen. Zur Vermeidung eines Bremsmomentes wird in dieser Lage der Strom über die Wechselrichter 38 und 40 abgeschaltet. Die Bestromung der einzelnen Stränge erfolgt in einer vorbestimmten Reihenfolge und in einer von der gewünschten Rotorgeschwindigkeit abhängigen Stärke und Dauer, um ein konstantes Drehmoment zu erzeugen. Beim Ausfall einer Teilwicklung des Stators durch einen Fehler in der Wicklung oder im zugehörigen Wechselrichter kann noch ein mittleres Drehmoment in Höhe von etwa 5/6 des ursprünglichen Drehmoments erzeugt werden, beim Ausfall einer der beiden Gleichstromquellen noch die Hälfte des Drehmoments, wobei durch das Vertauschen der Statorwicklungen 30a und 30b eine gleichmäßige Kräfteaufteilung beibehalten wird. Bei Verwendung von Gleichstromquellen 34 und 36 mit unterschiedlichem Spannungsniveau müssen die jeweiligen Wicklungen entsprechend ausgelegt werden, um ein gleichmäßiges Drehmoment zu erzeugen.The switched reluctance motor shown in the embodiment of the invention is three-phase constructed with three pairs of diametrically opposed stator poles. The number of rotor poles is, as usual, different from the number of stator poles, in the exemplary embodiment, the rotor has two unwound pole pairs. The partial windings of a strand, each designated a and b, which are usually connected in series, become the subject of the application on the two inverters 38 and 40 separated, but energized synchronously, so that the operation corresponds to the undisturbed operation in the conventional mode of operation. Here are generated in a known manner by the currents in a strand at the opposite stator poles magnetic fields, the so long a suit on the adjacent rotor poles, until they face the energized stator poles. To avoid a braking torque in this position, the current through the inverter 38 and 40 off. The energization of the individual strands takes place in a predetermined sequence and in a dependent on the desired rotor speed strength and duration to produce a constant torque. If one partial winding of the stator fails due to a fault in the winding or in the associated inverter, an average torque of approximately 5/6 of the original torque can still be generated; if one of the two DC sources fails, half of the torque can still be generated the stator windings 30a and 30b a steady division of forces is maintained. When using DC sources 34 and 36 with different voltage levels, the respective windings must be designed accordingly to produce a uniform torque.

Die zur Kommutierung notwendige Erfassung der Rotorposition erfolgt mittels der Drehwinkelgeber 15, 64 und 66. Hierbei werden Drehwinkelgeber unterschiedlicher Bauart kombiniert, um die Sicherheit der Gesamtanordnung zu erhöhen. Im Ausführungsbeispiel werden ein mechanischer Drehwinkelgeber 15 und zwei sensorlos arbeitende Drehwinkelgeber 64 und 66 benützt, welche in die Steuervorrichtung für die Wechselrichter integriert sind. Somit ist jedem der beiden unabhängig betriebenen Wechselrichter 38 und 40 auch jeweils ein eigener Drehwinkelgeber 64, 66 zugeordnet, so dass bei einem Fehler in einem elektrischen Pfad der andere elektrische Pfad mit funktionsfähigem Software- und mechanischem Lagegeber weiter zur Verfügung steht, so dass auch in einem solchen Fehlerfall die korrekte Erfassung der Rotorposition gesichert ist.The necessary for commutation detection of the rotor position by means of the rotary encoder 15 . 64 and 66 , This rotary encoder of different types are combined to increase the safety of the overall arrangement. In the embodiment, a mechanical rotary encoder 15 and two sensorless rotary encoder 64 and 66 used, which are integrated into the control device for the inverter. Thus, each of the two independently operated inverters 38 and 40 also each a separate rotary encoder 64 . 66 assigned, so that in case of an error in an electrical path of the other electrical path with functional software and mechanical position encoder is still available, so that even in such an error case, the correct detection of the rotor position is secured.

Die Wirkungsweise sensorloser Drehwinkelgeber für geschaltete Reluktanzmotoren ist ebenfalls grundsätzlich bekannt und basiert auf der Erfassung der auftretenden lokalen magnetischen Sättigungserscheinungen durch Messung der von der Rotorposition abhängigen Teilwicklungsinduktivitäten. Zur Messung der Induktivitäten wird während einer festgelegten Zeit die Zwischenkreisspannung an die Teilwicklungen 28–30 angelegt. Nach dieser Zeit wird durch Abschalten der High- und Low-Side-Transistoren der Wechselrichter 38 und 40 über die Freilaufdioden der Teilwicklungen 28–32 die negative Zwischenkreisspannung wirksam. In den Teilwicklungen wird dadurch ein Stromimpuls erzeugt, dessen Steilheit sowohl in der ansteigenden wie auch in der abfallenden Flanke in erster Näherung umgekehrt proportional zur Spuleninduktivität ist. Die Beziehung zwischen Spuleninduktivität und Rotorposition ergibt sich aus den geometrischen Eigenschaften von Stator und Rotor.The mode of operation of sensorless rotary encoders for switched reluctance motors is likewise known in principle and is based on the detection of the occurring local magnetic saturation phenomena by measuring the rotor position dependent Teilwicklungsinduktivitäten. For measuring the inductances, the intermediate circuit voltage is applied to the partial windings for a defined time 28 - 30 created. After this time, the inverter is switched off by switching off the high and low-side transistors 38 and 40 over the freewheeling diodes of the partial windings 28 - 32 the negative DC link voltage is effective. As a result, a current pulse is generated in the partial windings whose transconductance is, in first approximation, inversely proportional to the coil inductance in both the rising and the falling edge. The relationship between coil inductance and rotor position results from the geometrical properties of stator and rotor.

Eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage des Rotors eines geschalteten Reluktanzmotors ist auch aus der US-PS 45 20 302 bekannt. Dort wird von der Erkenntnis Gebrauch gemacht, dass die Induktivität einer Phasenwicklung von der Rotorposition abhängt und im Wesentlichen sinusförmig verläuft, wenn sich der Rotor über eine Polteilung bewegt. Die Induktivitätsänderung bewirkt dabei eine Änderung des Phasenstromes, der überwacht wird, um eine indirekte Anzeige der Rotorposition abzuleiten. Dabei wird ein bekannter, beispielsweise minimaler Induktivitätswert auf der Basis der gemessenen Phasenstromänderungen bestimmt und zum Ausschluss von Unklarheiten hinsichtlich der abgetasteten Position zusätzlich berücksichtigt, ob die überwachte Stromflusscharakteristik mit der Veränderung der Rotorposition steigt oder fällt. Diese Art der Bestimmung der Rotorposition ist auch in der Veröffentlichung „Detection of Rotor Position in Stepping and Switched Motors bei Monitoring of Current Wave Forms", in IEEE-Transactions on Industrial Electronics, Band IE-32, Nr.3, August 1985, auf den Seiten 215-222 offenbart.A device for determining the position of the rotor of a switched reluctance motor is also known from US-PS 45 20 302 known. There, use is made of the knowledge that the inductance of a phase winding depends on the rotor position and extends substantially sinusoidally when the rotor moves over a pole pitch. The inductance change causes a change in the phase current which is monitored in order to derive an indirect indication of the rotor position. In this case, a known, for example, minimal inductance value is determined on the basis of the measured phase current changes and additionally taken into account for the exclusion of ambiguity with respect to the scanned position, whether the monitored current flow characteristic increases or decreases with the change in the rotor position. This type of rotor position determination is also described in the publication "Detection of Rotor Position in Stepping and Switched Motors in Monitoring of Current Wave Forms" in IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. IE-32, No.3, August 1985 pages 215-222.

Aus der DE 38 36 240 C2 ist eine weitere Einrichtung zur sensorlosen Bestimmung des momentanen Rotorpositionswinkels in einem geschalteten Reluktanzmotor bekannt. Hierbei sind in den drei Phasen des Reluktanzmotors Stromsensoren angeordnet, deren Signale über Analog/Digital-Wandler umgeformt und einer Steuerlogik zugeführt werden. Diese erhält außerdem ebenfalls über einen Analog/Digital-Wandler die Information über die Höhe der Zwischenkreis-Gleichspannung. Aus diesen Messdaten wird dann unter Einbeziehung bekannter, in der Logik abgelegter Funktionswerte über die errechneten Induktivitätswerte der jeweilige Rotorwinkel ermittelt. Auch eine derartige bekannte Anordnung könnte im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur rechnerischen Bestimmung des Drehwinkels des Rotors eines Reluktanzmotors mittels der sensorlosen Drehwinkelgeber 64 und 66 benutzt werden.From the DE 38 36 240 C2 is another device for sensorless determination of the current rotor position angle in a switched reluctance known. In this case, current sensors are arranged in the three phases of the reluctance motor whose signals are converted via analog / digital converters and fed to a control logic. This also receives via an analog / digital converter, the information about the height of the DC link DC voltage. The respective rotor angle is then determined from these measured data using known, stored in the logic function values on the calculated inductance values. Such a known arrangement could also be used in the context of the present invention for the mathematical determination of the angle of rotation of the rotor of a reluctance motor by means of the sensorless rotary encoder 64 and 66 to be used.

Kern der vorliegenden Erfindung ist die Erreichung einer hohen Betriebssicherheit beim Einsatz elektrischer Motoren in sicherheitskritischen Anwendungen. Statt hierbei jedoch zwei auf ein gemeinsames Getriebe wirkende Elektromotoren zu verwenden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, nur einen Motor vorzusehen, hierbei jedoch die Rotorpositionsbestimmung sowie die Ansteuerung des Motors redundant auszulegen, um beim Ausfall eines Systems auf ein anderes zurückgreifen zu können. Wegen seines einfachen Aufbaus und wegen der Eigenschaft, im stromlosen Zustand kein Bremsmoment aufzubringen, sollen hierbei geschaltete Reluktanzmotoren eingesetzt werden, welche aufgrund der fehlenden gegenseitigen Beeinflussung der Wicklungen in vorteilhafter Weise fehlertolerant gestaltet werden können. Für die Erfassung der Rotorposition wird dabei vorgeschlagen, einen herkömmlichen mechanischen Drehwinkelgeber 15 zu verwenden und diesen mittels zweier sensorloser, softwaremäßig arbeitender Drehwinkelgeber zu überwachen. Eine derartige Schaltungsanordnung stellt logisch einen Verbund zweier unabhängiger, geschalteter Reluktanzmotoren dar, wobei die Regelung und die Momenterzeugung des einen verwendeten Motors fehlertolerant unabhängig voneinander stattfinden. Die beiden Systeme sind nur über den Rotor 14 der Reluktanzmaschine 10 gekoppelt. Die Bestimmung der Rotorposition findet dreifach redundant statt mit gegenseitiger Überwachung des Ergebnisses, wodurch die Zuverlässigkeit des Antriebs weiter erhöht wird und im Fehlerfall ein Betrieb mit reduzierter Funktionalität aufrechterhalten werden kann.The core of the present invention is the achievement of a high degree of operational reliability when using electric motors in safety-critical applications. Instead, however, to use two acting on a common gear electric motors, the invention proposes to provide only one engine, but here the rotor position determination and the control of the engine designed to be redundant to fall back in case of failure of one system to another. Because of its simple structure and because of the property of applying no braking torque in the de-energized state, this switched reluctance motors are to be used, which due to the lack of mutual influence of Wicklun conditions can be made fault tolerant in an advantageous manner. For the detection of the rotor position is proposed, a conventional mechanical rotary encoder 15 to use and monitor this by means of two sensorless, software-operated rotary encoder. Such a circuit arrangement logically represents a combination of two independent, switched reluctance motors, wherein the regulation and the torque generation of the one motor used take place fault-tolerant independently of each other. The two systems are only over the rotor 14 the reluctance machine 10 coupled. The determination of the rotor position takes place three times redundantly with mutual monitoring of the result, whereby the reliability of the drive is further increased and in the event of an error operation with reduced functionality can be maintained.

Claims (11)

Verfahren zur fehlertoleranten Steuerung einer mehrphasigen, geschalteten Reluktanzmaschine, insbesondere eines als Antrieb einer elektrischen Lenkhilfe eines Kraftfahrzeuges dienenden, mehrphasigen, geschalteten Reluktanzmotors, mit einem Rotor und mit einem Stator mit einer Mehrzahl von Paaren gegensinnig magnetisierbarer Statorpole, welche jeweils wenigstens eine Wicklung tragen, die über einen Wechselrichter aus wenigstens einer Gleichstromquelle entsprechend der Rotorposition mit Strom versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Position des Rotors (14) wenigstens zwei unabhängig voneinander arbeitende, sich gegenseitig auf korrekte Erfassung der Rotorposition überwachende Anordnungen (15, 64, 66) vorgesehen sind.Method for fault-tolerant control of a multiphase, switched reluctance machine, in particular a multiphase, switched reluctance motor serving as drive of an electric power steering system of a motor vehicle, having a rotor and having a stator with a plurality of pairs of oppositely magnetizable stator poles, each carrying at least one winding is powered by an inverter from at least one DC source according to the rotor position, characterized in that for detecting the position of the rotor ( 14 ) at least two independently operating, mutually monitoring for correct detection of the rotor position arrangements ( 15 . 64 . 66 ) are provided. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Anordnung (15) zur Ermittlung der Rotorposition hardwaremäßig ausgebildet ist und die Lage einer Rotorwelle (12) erfasst.Method according to claim 1, characterized in that at least one arrangement ( 15 ) is designed to determine the rotor position in terms of hardware and the position of a rotor shaft ( 12 ) detected. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Anordnung (15) die Lage der Rotorwelle (12) elektromechanisch erfasst.Method according to claim 2, characterized in that at least one arrangement ( 15 ) the position of the rotor shaft ( 12 ) detected electromechanically. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Anordnung (64, 66) sensorlos als Software-Drehwinkelgeber arbeitet und die Rotorposition aus den Phasenströmen der Statorwicklungen (28a,b; 30a,b; 32a,b) ermittelt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one arrangement ( 64 . 66 ) operates sensorless as a software rotary encoder and the rotor position from the phase currents of the stator windings ( 28a , B; 30a , B; 32a , b) determined. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei unabhängige Software-Drehwinkelgeber (64, 66) und ein Hardware-Drehwinkelgeber (15) miteinander gekoppelt sind zur gegenseitigen Überwachung bei der Erfassung der Rotorposition, wobei mittels der drei Anordnungen eine Zwei-aus-drei-Entscheidung über die korrekte Rotorposition getroffen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that two independent software rotary encoders ( 64 . 66 ) and a hardware rotary encoder ( 15 ) are coupled together for mutual monitoring in the detection of the rotor position, wherein by means of the three arrangements a two-out-of-three decision is made about the correct rotor position. Mehrphasige, geschaltete Reluktanzmachine, insbesondere als Antrieb einer elektrischen Lenkhilfe eines Kraftfahrzeuges dienender, mehrphasiger, geschalteter Reluktanzmotor, mit einem Rotor und mit einem Stator mit einer Mehrzahl von Paaren gegensinnig magnetisierbarer Statorpole, welche jeweils wenigstens eine Wicklung tragen, die mittels einer Steuervorrichtung über einen Wechselrichter aus wenigstens einer Gleichstromquelle entsprechend der Rotorposition mit Strom versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung wenigstens zwei unabhängig voneinander arbeitende, sich gegenseitig auf korrekte Erfassung der Rotorposition überwachende Anordnungen (15, 64, 66) aufweist.A multiphase, switched reluctance machine, in particular a multiphase, switched reluctance motor serving as a drive for an electric power steering system, comprising a rotor and a stator having a plurality of oppositely magnetizable stator poles, each carrying at least one winding via an inverter via a control device from at least one DC source according to the rotor position is supplied with power, characterized in that the control device at least two independently operating, mutually monitoring for correct detection of the rotor position arrangements ( 15 . 64 . 66 ) having. Reluktanzmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Anordnung zur Erfassung der Rotorposition als Hardware-Drehwinkelgeber (15) ausgebildet ist.Reluctance machine according to claim 6, characterized in that at least one arrangement for detecting the rotor position as a hardware rotary encoder ( 15 ) is trained. Reluktanzmachine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Anordnung zur Erfassung der Rotorposition als sensorloser Software-Drehwinkelgeber (64, 66) ausgebildet ist.Reluctance machine according to claim 6 or 7, characterized in that at least one arrangement for detecting the rotor position as a sensorless software rotary encoder ( 64 . 66 ) is trained. Reluktanzmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (28a,b; 30a,b; 32a,b) zweier gegenüberliegenden Pole (22a,b; 24a,b; 26a,b) des Stators (16) getrennt bestrombar und an getrennte Gleichstromquellen (34, 36) anschließbar sind.Reluctance machine according to one of claims 6 to 8, characterized in that the windings ( 28a , B, 30a , B; 32a , b) two opposite poles ( 22a , B; 24a , B; 26a , b) the stator ( 16 ) separately energized and to separate DC sources ( 34 . 36 ) are connectable. Reluktanzmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (28a,b; 30a,b, 32a,b) zweier gegenüberliegender Pole (22a,b; 24a,b; 26a,b) des Stators (16) an Gleichstromquellen (34, 36) mit unterschiedlichem Spannungsniveau anschließbar sind.Reluctance machine according to one of claims 6 to 9, characterized in that the windings ( 28a , B; 30a , B 32a , b) two opposing poles ( 22a , B; 24a , B; 26a , b) the stator ( 16 ) at DC sources ( 34 . 36 ) can be connected with different voltage levels. Reluktanzmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklung (28a,b; 30a,b; 32a,b) und die Wechselrichter (38, 40) dreiphasig ausgebildet sind und dass die Anschlüsse der Wicklungsteile (30a,b) einer Phase gegenüber den Anschlüssen der benachbarten Phasen (28a,b; 32a,b), hinsichtlich des Wickelschemas und der Speisung durch die Wechselrichter (38, 40) vertauscht sind.Reluctance machine according to one of claims 6 to 10, characterized in that the stator winding ( 28a , B; 30a , B; 32a , b) and the inverters ( 38 . 40 ) are formed three-phase and that the connections of the winding parts ( 30a , b) one phase opposite the terminals of the adjacent phases ( 28a , B; 32a , b) with regard to the winding scheme and the supply by the inverters ( 38 . 40 ) are reversed.