DE102010030210B4

DE102010030210B4 - Verfahren und Vorrichtungen zur Diagnose von Statorwicklungen in einem elektrischen Motor

Info

Publication number: DE102010030210B4
Application number: DE201010030210
Authority: DE
Inventors: Chia-Chou Yeh; Steven E. Schulz; Mohammad N. Anwar
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2030-06-18
Also published as: US20100320953A1; CN101927700A; DE102010030210A1; US8354817B2; CN101927700B

Abstract

Elektrisches System (100), welches in einem Fahrzeug benutzt werden kann, wobei das elektrische System (100) umfasst: – einen elektrischen Motor (106), welcher Statorwicklungen umfasst; – eine Energiequelle (102); – ein Wechselrichtermodul (104), welches zwischen die Energiequelle (102) und die Statorwicklungen gekoppelt ist, wobei das Wechselrichtermodul (104) dazu ausgebildet ist, den Statorwicklungen des elektrischen Motors (106) eine vorgegebene Spannung (ν e*d , ν e*q ) von der Energiequelle (102) zur Verfügung zu stellen; – eine Vielzahl an Stromsensoren (112), welche zwischen das Wechselrichtermodul (104) und die Statorwicklungen gekoppelt sind, wobei die Vielzahl an Stromsensoren (112) dazu ausgebildet ist, den Strom durch die Statorwicklungen zu messen; und – Eine Vorrichtung zur Steuerung (110), welche an das Wechselrichtermodul (104) und die Vielzahl an Stromsensoren (112) gekoppelt ist, wobei die Vorrichtung zur Steuerung (110) die gemessenen Ströme erhält und dazu ausgebildet ist, folgende Aufgaben auszuführen: – Erhalten (202) einer Stromvorgabe (i e*q ), welche einem vorgegebenen Strom für die Statorwicklungen entspricht; – Erzeugen einer Spannungsvorgabe (ν e*d , ν e*q ), welche einer vorgegebenen Spannung (ν e*d , ν e*q ) entspricht, welche auf der Differenz zwischen den gemessenen in das synchrone Referenzkoordinatensystem transformierten Strömen und dem vorgegebenen Strom basiert; – Bestimmen (208) einer Gegensystemspannung (englisch: ”negativ sequence voltage”) für die Statorwicklungen, welche auf der Spannungsvorgabe (ν e*d , ν e*q ) basiert; und – Identifizieren (210) eines Fehlerzustands in den Statorwicklungen, basierend auf einer Komponente der Gegensystemspannung; wobei die Vorrichtung zur Steuerung (110) dazu ausgebildet ist, des Fehlerzustands in den Statorwicklungen durch die folgenden Schritte zu identifizieren: – Bestimmen einer Gleichspannungskomponente der Gegensystemspannung; und – Identifizieren (210) des Fehlerzustands, falls die Größenordnung der Gleichspannungskomponente der Gegensystemspannung einen Schwellwert überschreitet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Ausführungsformen des hier beschriebenen Gegenstands beziehen sich im Allgemeinen auf elektrische Systeme in Kraftfahrzeugen, und insbesondere beziehen sich Ausgestaltungen des Gegenstands auf Vorrichtungen und Verfahren zur Diagnose von Fehlerzuständen in Statorwicklungen eines elektrischen Motors.
TECHNISCHER HINTERGRUND
In vergangenen Jahren haben technologische Fortschritte sowie ein sich immer weiter entwickelnder Geschmack zu grundlegenden Änderungen im Design von Kraftfahrzeugen geführt. Elektrische Motoren (oder elektrische Maschinen) finden aufgrund der Elektrifizierung des Antriebsstrangs des Automobils eine immer größere Anzahl an Anwendungen in der Automobilindustrie. Elektro- und/oder Hybridfahrzeuge benutzen elektrische Motoren entweder als primäre oder als zusätzliche Drehmomentquelle im automobilen Antriebsstrang. Von diesen elektrischen Motoren wird erwartet, dass sie unter extremen Betriebsbedingungen für einen längeren Zeitraum mit hoher Zuverlässigkeit funktionieren. Allerdings können, über die Zeit, die Betriebsbelastungen, mit denen der elektrische Motor beaufschlagt wird, den Zustand der Statorwicklungen verschlechtern. Zum Beispiel kann thermische Belastung und/oder Spannungsbelastung zu einem Verlust der Isolation führen, welcher wiederum zu einem teilweisen Kurzschluss und/oder einer Unterbrechung von einzelnen Wicklungen der Statorwicklungen führen kann. Wenn Motoren aus pulsweitenmodulierten (PWM) Wechselrichterantrieben gespeist werden, erhöht das hochfrequente Schalten der Leistungstransistoren die Spannungsbelastung der Statorwicklungen.
Einige Verfahren aus dem Stand der Technik versuchen Fehler innerhalb einer Statorwicklung zu diagnostizieren, indem sie das Gegensystem der Motorströme berechnen, welches durch einen Fehlerzustand innerhalb der Statorwicklungen hervorgerufen wird. Allerdings erhalten feldorientierte (FOC) und andere stromgesteuerte Closed-Loop Regelverfahren, die in elektrischen und/oder Hybridfahrzeugen weit verbreitet sind, symmetrische und ausgeglichene Stromkurven in den elektrischen Motoren. Daher ist, sogar wenn in den Statorwicklungen ein Fehlerzustand vorhanden ist, kein Gegensystem in den Motorströmen vorhanden, weil die Motorströme so angepasst werden, dass sie ausbalanciert und symmetrisch bleiben. Andere Verfahren nach dem Stand der Technik beinhalten umfangreiche Berechnungen, zum Beispiel eine Fast-Fourier-Analyse, die oft unpassend ist für die nicht stationären transienten Motorbetriebsbedingungen, bei denen Drehmoment und Geschwindigkeit sich permanent ändern. Zusätzlich kann ein beginnender Fehlerzustand in den Statorwicklungen sehr schnell an Schwere zunehmen, daher behindern die Verzögerungen durch die Berechnung die Fähigkeit, einen beginnenden Fehlerzustand zu identifizieren und in einem begrenzten Zeitraum auf diese zu reagieren.
Die DE 10 2008 026 755 A1 zeigt ein Verfahren und System zur Drehmomentsteuerung bei Permanentmagnetmaschinen.
Das Dokument von Kohler, J. et al. ”Alternative For Asessing the Electrical Integrity of Induction Motors”, Conference Record of the 1989 IEEE Industry Application Society Annual Meeting part II, 1989, S. 1580–1586, zeigt ein Verfahren zum Erkennen von Motorfehlern.
Die EP 2 043 255 A2 zeigt ein System zum Steuern der Drehmomentwelligkeit bei Synchronmaschinen.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine einfache Möglichkeit zur Überwachung eines elektrischen Motors bereitzustellen.
In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, wird eine Vorrichtung für ein elektrisches System in einem Fahrzeug zur Verfügung gestellt. Das elektrische System beinhaltet einen elektrischen Motor, welcher Statorwicklungen umfasst, eine Energiequelle und ein Wechselrichtermodul, welches zwischen die Energiequelle und die Statorwicklungen gekoppelt ist. Das Wechselrichtermodul ist dazu ausgebildet, dass es den Statorwicklungen des elektrischen Motors eine vorgegebene Spannung aus der Energiequelle zur Verfügung stellt. Eine Vielzahl von Stromsensoren ist zwischen das Wechselrichtermodul und die Statorwicklungen gekoppelt und dazu ausgebildet, dass sie Ströme durch die Statorwicklungen messen, was in gemessenen Strömen resultiert. Eine Vorrichtung zur Steuerung ist an das Wechselrichtermodul und die Vielzahl von Stromsensoren gekoppelt. Die Vorrichtung zur Steuerung ist dazu ausgebildet, eine Stromvorgabe zu erhalten, welche dem vorgegebenen Strom für die Statorwicklungen des elektrischen Motors entspricht, eine Spannungsvorgabe zu erzeugen, welche der vorgegebenen Spannung, welche auf der Differenz zwischen den gemessenen Strömen und den vorgegebenen Strömen basiert, entspricht, ein Gegensystem für die Spannungen der Statorwicklungen, welche auf der Spannungsvorgabe basieren, zu erzeugen und einen Fehlerzustand in den Statorwicklungen, basierend auf der Spannung des Gegensystems, zu identifizieren.
In Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform, wird ein Verfahren zur Diagnose von Statorwicklungen in einem elektrischen Motor bereitgestellt. Die Methode beinhaltet das Generieren einer Spannungsvorgabe, welche dazu ausgebildet ist, die Ströme durch die Statorwicklungen auf einen vorgegebenen Wert zu regeln, und ein Gegensystems für die Spannung, welches auf der Spannungsvorgabe basiert, zu bestimmen. Das Verfahren beinhaltet weiterhin das Identifizieren eines Fehlerzustands basierend auf dem Gegensystem für die Spannung.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren vorgestellt, welches dazu dient, Statorwicklungen in einem elektrischen Motor, welcher unter der Kontrolle eines stromregelnden Regelkreises betrieben wird, zu diagnostizieren. Der stromregelnde Regelkreis ist dazu ausgebildet, dem elektrischen Motor eine vorgegebene Spannung bereit zu stellen. Die vorgegebene Spannung beinhaltet eine stromgeregelte Spannung, welche auf einer Differenz zwischen einem vorgegebenen Strom und einem durch die Statorwicklungen gemessenen Strom basiert. Die Methode beinhaltet, ein Gegensystem für die vorgegebene Spannung zu bestimmen und einen Fehlerzustand zu identifizieren, wenn eine charakteristische Größe des Gegensystems größer ist als ein Schwellwert.
Diese Zusammenfassung wird bereitgestellt, um eine Auswahl an Konzepten in einer vereinfachten Form zur Verfügung zu stellen, welche unten in der detaillierten Beschreibung weiter beschrieben werden. Diese Zusammenfassung ist weder dazu gedacht, Hauptmerkmale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, noch ist sie dazu gedacht, als eine Hilfe zur Bestimmung des Umfangs des beanspruchten Gegenstands genutzt zu werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein weiter reichendes Verständnis des Gegenstands kann erlangt werden, indem man sich auf die detaillierte Beschreibung und die Ansprüche, in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen, bezieht, wobei gleiche Referenznummern sich auf ähnliche Elemente in den Zeichnungen beziehen.
1 ist ein Blockdiagramm eines elektrischen Systems, welches dazu ausgebildet ist, in einem Fahrzeug gemäß einer Ausgestaltung, genutzt zu werden; und
2 stellt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Prozesses zur Statordiagnose dar, welcher dazu ausgebildet ist, mit dem elektrischen System aus 1, gemäß einer Ausgestaltung, genutzt zu werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende detaillierte Beschreibung ist in ihrer Natur lediglich erläuternd und ist nicht dazu gedacht, die Ausführungsformen des Gegenstands oder Anwendungen und Verwendungen solcher Ausführungsformen zu beschränken. So wie es hier benutzt wird, bedeutet das Wort „beispielhaft” „als Beispiel, Instanz, oder Veranschaulichung dienend”. Jede Ausführungsform, die hier als beispielhaft genannt ist, ist nicht, notwendigerweise, als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Ausführungsformen ausgelegt. Des Weiteren besteht keine Absicht, durch eine, im vorangegangenen technischen Gebiet, Hintergrund, der kurzen Zusammenfassung oder der folgenden detaillierten Beschreibung, ausdrücklich erwähnte oder implizit als gegeben angenommene Theorie eingeschränkt zu werden.
Methoden und Technologien können hier mit den Begriffen einer funktionalen und/oder logischen Blockkomponente und mit Referenz auf eine symbolische Darstellung von Operationen, Verarbeitungsaufgaben, und Funktionen, die von einer Vielzahl programmgesteuerter Einrichtungen oder Geräte durchgeführt werden können, beschrieben sein. Es wird bevorzugt, dass die Vielzahl von Blockkomponenten, welche in den Figuren gezeigt werden, durch eine beliebige Anzahl an Hardware-, Software- und/oder Firmwarekomponenten, welche dazu ausgebildet sind, die spezifizierten Funktionen durchzuführen, realisiert werden können. Zum Beispiel kann eine Ausgestaltung eines Systems oder einer Komponente eine Vielzahl integrierter Schaltkreiskomponenten, wie zum Beispiel Speicherelemente, digitale Signalprozessorelemente, Logikelemente, Look-Up-Tabellen, oder ähnliche enthalten, welche eine Vielzahl von Funktionen unter der Kontrolle eines oder mehrerer Mikroprozessoren oder anderer Kontrolleinrichtungen ausführen können.
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Elemente oder Knoten oder Merkmale, welche „verbunden” oder „gekoppelt” sind. So wie hier verwendet, bedeutet „verbunden”, außer es wird ausdrücklich anders angegeben, dass ein Element/Knoten/Merkmal direkt mit einem anderen Element/Knoten/Merkmal verbunden ist (oder direkt mit diesem kommuniziert), und dies nicht unbedingt auf mechanische Art. Ebenso bedeutet „gekoppelt”, außer es wird ausdrücklich anders angegeben, dass ein Element/Knoten/Merkmal direkt oder indirekt mit einem anderen Element/Knoten/Merkmal verbunden ist (oder direkt oder indirekt mit diesem kommuniziert), und dies nicht unbedingt auf mechanische Art. Folglich können, obwohl die Zeichnungen eine beispielhafte Anordnung von Elementen zeigen, in einer Ausgestaltung des gezeigten Gegenstands zusätzliche zwischengeschaltete Elemente, Vorrichtungen, Merkmale oder Komponenten vorhanden sein. Zusätzlich können bestimmte Fachbegriffe in der folgenden Beschreibung rein zum Zweck der Bezugnahme benutzt werden, diese sind daher nicht als einschränkend gedacht. Die Bezeichnungen „erstes”, „zweites” und andere solche numerische Bezeichnungen, welche sich auf Strukturen beziehen, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, solange dies nicht deutlich durch den Kontext angezeigt wird.
Um der Kürze Willen, sollen herkömmliche Verfahren, welche sich auf die Konstruktion und/oder den Betrieb von elektrischen Motoren, Signalerzeugung, Messwerterfassung, Pulsweitenmodulation (PWM) und andere funktionale Aspekte des Systems (und die einzelnen Betriebskomponenten des Systems) beziehen, hier nicht im Detail beschrieben werden. Des Weiteren sind die Verbindungslinien, welche in den verschiedenen Figuren in diesem Dokument gezeigt werden, gedacht, um beispielhafte, funktionale Beziehungen und/oder physikalische Verbindungen zwischen den verschiedenen Elementen darzustellen. Es soll erwähnt werden, dass eine Vielzahl alternativer oder zusätzlicher funktionaler Beziehungen oder physikalischer Verbindungen in einer Ausgestaltung des Gegenstands vorhanden sein können. Technologien und Konzepte, welche hier diskutiert werden, beziehen sich im Allgemeinen auf Methoden und Systeme zur Diagnose von Fehlerzuständen in den Statorwicklungen eines elektrischen Motors, welcher unter der Kontrolle eines stromregelnden Regelkreises betrieben wird. Ein Gegensystem für den elektrischen Motor wird, auf Basis der stromgeregelten vorgegebenen Spannung, welche an den Statorwicklungen aufgebracht wird, identifiziert. Das Gegensystem wird dann analysiert und eine Entscheidung wird getroffen, ob das Gegensystem einem Fehlerzustand in den Statorwicklungen zugeschrieben werden kann. Ein beginnender Fehlerzustand kann innerhalb einer begrenzten Zeit identifiziert werden, wodurch der Effekt des Fehlerzustands auf den elektrischen Motor abgeschwächt wird. Wie hier verwendet, ist die Bedeutung tief- oder hochgestellter Indizes die folgende:
Tiefgestellter Index d und q: Größe im d-q-Rahmen. Das d-q-Bezugssystem, in kartesischen Koordinaten, ist synchron mit der Rotation eines charakteristischen Wertes eines Rotors (zum Beispiel dem Winkel des Rotorflusses) innerhalb eines elektrischen Motors.
Hochgestellter Index s: Größe innerhalb der Statorwicklungen des elektrischen Motors in einem stationären Bezugssystem.
Hochgestellter Index e: Größe in dem rotierenden (synchronen) Bezugssystem.
Hochgestellter Index *: Größe, welche vorgegeben wird.
1 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung eines elektrischen Systems 100, welches für die Benutzung in einem Fahrzeug geeignet ist. Das elektrische System 100 beinhaltet, ohne Einschränkung, eine Energiequelle 102, ein Wechselrichtermodul 104, einen elektrischen Motor 106, ein Winkelgebersystem 108, eine Vorrichtung zur Steuerung 110 und eine Vielzahl an Stromsensoren 112. In einer beispielhaften Ausgestaltung erzeugt die Vorrichtung zur Steuerung 110 eine Spannungsvorgabe, welche einer Spannung entspricht, die von der Energiequelle 102 über das Wechselrichtermodul 104 auf die Statorwicklungen des elektrischen Motors 106 aufgebracht werden soll. In diesem Fall sind das Wechselrichtermodul 104 und die Vorrichtung zur Steuerung 110 gemeinsam dazu ausgebildet, eine Pulsweitenmodulations(PWM)-Technik zu nutzen, um die Phasen des Wechselrichtermoduls 104 zu modulieren und den elektrischen Motor 106 mit der vorgegebenen Spannung zu beaufschlagen oder ihm diese anderweitig zur Verfügung zu stellen. Es soll angenommen werden, dass 1 eine vereinfachte Darstellung eines elektrischen Systems 100 zum Zwecke der Erklärung ist und nicht dazu gedacht ist, den Gültigkeitsbereich oder die Anwendbarkeit des hier beschriebenen Gegenstands in irgendeiner Weise einzuschränken. Diesbezüglich kann in der Praxis, auch wenn 1 die Vorrichtung zur Steuerung 110 und das Wechselrichtermodul 104 als unterschiedliche und getrennte Elemente zeigt, die Vorrichtung zur Steuerung 110 integriert in das Wechselrichtermodul 104 oder in dem Wechselrichtermodul 104 aufgebaut sein.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Wechselrichtermodul 104 zwischen die Energiequelle 102 und den elektrischen Motor 106 gekoppelt. In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Stromsensoren 112 zwischen das Wechselrichtermodul 104 und den elektrischen Motor 106 gekoppelt und dazu ausgebildet, die Ströme zu messen, welche von dem Wechelrichtermodul 104 durch die Statorwicklungen des elektrischen Motors 106 fließen, wie später noch ausführlicher beschrieben wird. Die Vorrichtung zur Steuerung 110 ist mit den Stromsensoren 112 gekoppelt und erhält die gemessenen Ströme, welche durch die Statorwicklungen des elektrischen Motoren 106 fließen von den Stromsensoren 112. Das Winkelgebersystem 108 ist zwischen dem elektrischen Motor 106 und die Vorrichtung zur Steuerung 110 gekoppelt und das Winkelgebersystem 108 ist passend dazu ausgebildet, die Position des Rotors des elektrischen Motors 106 zu messen, zu sensieren oder anderweitig zu erfassen. Wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird, ist die Vorrichtung zur Steuerung 110, in einer beispielhaften Ausgestaltung, dazu ausgebildet, den Strom durch die Statorwicklungen auf einen Vorgabewert zu regeln, indem sie die Spannung, welche von der Energiequelle 102 an den Motor 106 gegeben wird, kontrolliert. In einer beispielhaften Ausführungsform, ist die Vorrichtung zur Steuerung 110 dazu ausgebildet, dass sie einen Fehlerzustand in den Statorwicklungen des elektrischen Motors 106, basierend auf dem Gegensystem der Spannungen, welche dem elektrischen Motor 106 zur Verfügung gestellt werden, identifiziert, wie später noch ausführlicher beschrieben wird.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Fahrzeug als ein Automobil ausgeführt. In alternativen Ausführungsformen kann das Fahrzeug ein beliebiges aus einer Menge verschiedener Arten von Automobilen sein, wie, zum Beispiel, eine Limousine, ein Kombi, ein LKW oder ein Sport Utility Vehicle (SUV) und es kann Zweiradangetrieben (2WD) (das heißt Hinterrad angetrieben oder Vorderrad angetrieben), Vierradangetrieben (4WD) oder Allradangetrieben (AWD) sein. Das Fahrzeug kann auch einen beliebigen Motor oder eine Kombination von Motoren aus einer Vielzahl unterschiedlicher Motorenarten, wie zum Beispiel einen mit Benzin oder Diesel angetriebenen Verbrennungsmotor, „einen Flex Fuel Vehicle” (FFV) Motor (d. h. er benutzt eine Mischung aus Benzin und Alkohol), einen mit einer Gasverbindung (zum Beispiel Wasserstoff oder Erdgas) betriebenen Motor, einen Verbrennungs/Elektro-Hybridmotor und einen elektrischen Motor beinhalten. In einer alternativen Ausgestaltung kann das Fahrzeug ein Plug-in-Hybridfahrzeug, ein vollelektrisches Fahrzeug, ein Brennstoffzellenfahrzeug (FCV) oder ein anderes passendes Alternativkraftstofffahrzeug sein.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Energiequelle 102 (oder Leistungsquelle) fähig, dem Wechselrichtermodul 104, zum Betrieb des elektrischen Motors 106, eine Gleichspannung (DC) zu liefern. Abhängig von der Ausführungsform, kann die Energiequelle 102 als Batterie, als Brennstoffzelle, als wiederaufladbares Hochvoltbatteriepaket, als Ultrakondensator oder als eine andere passende Energiequelle, welche aus dem Stand der Technik bekannt ist, ausgebildet sein.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform, ist der elektrische Motor 106, bevorzugter Weise, als Induktionsmotor ausgebildet, allerdings sollte der hierin beschriebene Gegenstand nicht als, auf die Benutzung mit einem bestimmten Typ von Elektromotor, eingeschränkt, ausgelegt werden. In anderen Ausgestaltung kann der elektrische Motor 106 als Innenpermanentmagnetmotor (IPM), als Synchronreluktanzmotor oder als ein anderer passender Motor, welcher aus dem Stand der Technik bekannt ist, ausgebildet sein. Diesbezüglich kann der elektrische Motor 106 als Vollpolmaschine (zum Beispiel ein Induktionsmotor, oberflächenmontierte Permanentmaschine (englisch: permanent surface mount machine)), welche eine räumliche Impedanz hat, die unabhängig von der Rotorposition ist, oder als eine Einzelpolmaschine (zum Beispiel ein Synchronreluktanzmotor, Innenpermanentmagnetmotor), welcher eine räumliche Impedanz hat, die abhängig ist, von der Rotorposition bezogen auf die Statorwicklungen, wie sie im Stand der Technik erwähnt werden, ausgebildet sein.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist der elektrische Motor 106 eine Dreiphasenwechselstrom(AC)-Elektromaschine, welche einen Rotor und Statorwicklungen (oder Spulen) aufweist. In einer beispielhaften Ausführungsform eines Dreiphasenmotors sind die Statorwicklungen in drei Gruppen von Wicklungen organisiert, wobei jede Gruppe von Wicklungen einer Phase des elektrischen Motors 106 entspricht. Diesbezüglich ist jeder Stromsensor 112 mit einer bestimmten Phase des elektrischen Motors 106 verbunden und erfasst den Strom für die jeweilige Phase des elektrischen Motors 106 auf eine übliche Art und Weise. Es soll verstanden sein, dass, obwohl der Gegenstand hier im Zusammenhang mit einem Dreiphasenelektromotor beschrieben wird, der Gegenstand nicht auf Dreiphasenmaschinen beschränkt ist und an einen Elektromotor mit einer beliebigen Anzahl von Phasen oder ein elektrisches System mit einer beliebigen Anzahl von Stromsensoren angepasst werden kann.
In einer beispielhaften Ausführungsform beinhaltet das Wechselrichtermodul 104 einen Leistungswechselrichter, welcher dazu ausgelegt ist, die Gleichspannungsleistung aus der Energiequelle 102 in eine Wechselspannungsleistung, welche dazu dient, den elektrischen Motor 106 in einer aus dem Stand der Technik bekannten Art und Weise anzutreiben, umzuwandeln. Diesbezüglich beinhaltet das Wechselrichtermodul 104 einen oder mehrere Phasenanschlüsse, welche der einen oder den mehreren Phasen des elektrischen Motors 106 entsprechen, wobei Schalter des Phasenanschlusses mit einer bestimmten Schaltfrequenz moduliert (geöffnet oder geschlossen) werden, um eine Wechselspannung an den Statorwicklungen des elektrischen Motors 106 zu erzeugen, welche im Gegenzug drehmomenterzeugende Ströme in den Statorwicklungen aufbaut, und den elektrischen Motor 106 betreibt, wie nach dem Stand der Technik bekannt.
In einer beispielhaften Ausgestaltung beinhaltet das Drehwinkelgebersystem 108 einen Drehwinkelgeber, welcher an den elektrischen Motor 106 gekoppelt ist, und der Ausgang des Drehwinkelgebers ist an einen Drehwinkelgeber-zu-Digitalwandler gekoppelt. Der Drehwinkelgeber (oder eine ähnliche Messvorrichtung) erfasst die Position des Rotors (θ_r) des elektrischen Motors 106. Der Drehwinkel-zu-Digitalwandler wandelt die Signale des Drehwinkelgebers in digitale Signale (zum Beispiel ein digitales Rotorpositionssignal), welche der Vorrichtung zur Steuerung 110 zur Verfügung gestellt werden.
Die Vorrichtung zur Steuerung 110 stellt im Allgemeinen die Hardware dar, welche dazu passend ausgebildet ist, eine feldorientierte Steuerung oder eine stromgeregelte Steuerung des elektrischen Motors 106 durchzuführen, indem sie das Wechselrichtermodul 104 steuert und/oder betreibt, um dem elektrischen Motor 106 eine vorgegebene Spannung aus der Energiequelle 102 zur Verfügung zu stellen. Diesbezüglich ist die vorgegebene Spannung eine stromgeregelte Spannung, das bedeutet, eine Spannung, die dazu ausgebildet ist, den Strom in den Statorwicklungen des elektrischen Motors 106 auf einen bestimmten Wert zu regeln, wie im Folgenden noch ausführlicher beschrieben wird. Abhängig von der Ausgestaltungsform kann die Vorrichtung zur Steuerung 110 als Vielzweckprozessor, als Assoziativspeicher, als digitaler Signalprozessor, als applikationsspezifische integrierte Schaltung, als feldprogrammierbare Anordnung von Logikgattern, als jede passende programmierbare Logikvorrichtung, als diskrete Gate- oder Transistorlogik, als diskrete Hardwarekomponenten oder als eine Kombination der genannten Möglichkeiten implementiert oder realisiert werden, die dazu ausgelegt ist, die hier beschriebenen Funktionen auszuführen. Diesbezüglich kann die Vorrichtung zur Steuerung 110 als Mikroprozessor, Controller, Mikrocontroller, Zustandsautomat oder eine ähnliche Vorrichtung ausgebildet sein. Die Vorrichtung zur Steuerung 110 kann auch als eine Kombination von Rechenvorrichtungen, zum Beispiel als eine Kombination eines digitalen Signalprozessors und eines Mikroprozessors, einer Vielzahl von Mikroprozessoren, einer oder mehrerer Mikroprozessoren in Verbindung mit einem digitalen Signalprozessorkern oder einer beliebigen ähnlichen Konfiguration, implementiert werden. In der Praxis beinhaltet die Vorrichtung zur Steuerung 110 Berechnungslogik, die dazu ausgebildet sein kann, die Funktionen, Techniken und Berechnungsaufgaben, welche mit dem Betrieb des elektrischen Systems 100 verbunden sind, auszuführen, wie im Folgenden noch ausführlicher beschrieben wird. Außerdem können die Schritte einer Methode oder eines Algorithmus, welcher in Verbindung mit den hier offengelegten Ausgestaltungsformen beschrieben wird, direkt in Hardware, in Firmware, in einem Softwaremodul, welches durch die Vorrichtung zur Steuerung 110 ausgeführt wird, oder in jeder praktischen Kombination dieser, enthalten sein.
In einer beispielhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung zur Steuerung 110 in dem d-q synchronen Bezugssystem implementiert, das bedeutet, dass die d-q-Achse des Bezugssystems im Gleichschritt mit einer Referenzcharakteristik des Rotors (zum Beispiel der Rotorposition, dem Winkel des Rotorflusses) des elektrischen Motors 106 rotieren, so dass eine Rotation (oder Winkeländerung) der charakteristischen Größe des Rotors eine ihr korrespondierende Rotation (oder Winkeländerung) der d-q-Achsen hervorruft. In einer beispielhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung zur Steuerung 110 in dem gegen den Uhrzeigersinn laufenden, synchronen Bezugssystem implementiert, so dass eine Rotation der charakteristischen Rotorgröße eine ihr korrespondierende gegen den Uhrzeigersinn laufende Rotation der d-q-Achsen hervorruft. Wie in der, in 1 dargestellten Ausführungsform gezeigt wird, wird das synchrone Bezugssystem, für den Fall eines Induktionsmotors, bevorzugter Weise relativ zu dem Winkel des Flusses des Rotors (θ_e) bestimmt.
In einer beispielhaften Ausführungsform beinhaltet die Vorrichtung zur Steuerung 110 einen Geschwindigkeitsregler 114, einen Flussregler 116, einen Stromregler 118, einen ersten Block zur Transformation 120, einen zweiten Block zur Transformation 122, einen Geschwindigkeitsberechner 124, eine Vorrichtung zum Schätzen des Flusses 126 und einen Block zur Diagnose der Statorwicklungen 128. Die Elemente der Vorrichtung zur Steuerung 110 sind passend ausgebildet, einen stromregelnden Regelkreis 130 (oder alternativ einen feldorientierten Regelkreis oder einen stromgeregelten Rückkoppelungskreis) zu bilden, wie im Folgenden noch ausführlicher beschrieben wird. In einer beispielhaften Ausgestaltung ist der Block zur Diagnose der Statorwicklungen 128 dazu ausgebildet, einen Fehlerzustand in den Wicklungen des Stators des elektrischen Motors 106, basierend auf dem Gegensystem der Spannungen, welche an den Statorwicklungen des elektrischen Motors 106 appliziert werden, zu identifizieren oder dessen Existenz zu erkennen, wie im Folgenden noch ausführlicher beschrieben wird.
In der dargestellten Ausführungsform ist der Ausgang eines ersten Additionsknotenpunkts 113 an den Eingang des Geschwindigkeitsreglers 114 gekoppelt und der Ausgang des Geschwindigkeitsreglers ist an den zweiten Summationsknotenpunkt 115 gekoppelt. Der Ausgang eines dritten Summationsknotenpunkts 117 ist an den Eingang des Flussreglers 116 gekoppelt und der Ausgang des Flussreglers 116 ist an einen vierten Summationsknotenpunkt 119 gekoppelt. Der Ausgang des zweiten Summationsknotenpunkts 115 und der Ausgang des vierten Summationsknotenpunkts 119 sind beide an den Eingang des Stromreglers 118 gekoppelt. Die Ausgänge des Stromreglers 118 sind an den ersten Transformationsblock 120 gekoppelt und die Ausgänge des ersten Transformationsblocks 120 sind an das Wechselrichtermodul 104 gekoppelt. Der zweite Transformationsblock 122 ist an die Stromsensoren 112 gekoppelt und die jeweiligen Ausgänge des zweiten Transformationsblocks 122 sind mit dem zweiten Summationsknotenpunkt 115 und dem vierten Summationsknotenpunkt 119 gekoppelt, wie später noch ausführlicher beschrieben wird. In einer beispielhaften Ausgestaltung sind die Eingänge der Vorrichtung zur Schätzung des Flusses 126 mit dem Ausgang des zweiten Transformationsblock 122 und dem Ausgang des Stromreglers 118 gekoppelt, wie später noch ausführlicher beschrieben wird. Ein erster Ausgang der Vorrichtung zur Schätzung des Flusses 126 ist mit dem dritten Summationsknotenpunkt 117 gekoppelt und der zweite Ausgang der Vorrichtung zur Schätzung des Flusses 126 ist mit den Transformationsblöcken 120, 122 und dem Block zur Diagnose der Statorwicklungen 128 gekoppelt. In einer beispielhaften Ausgestaltung ist der Block zur Diagnose der Statorwicklungen 128 auch an den Ausgang des Stromreglers 118 gekoppelt, wie im Folgenden noch ausführlicher beschrieben wird.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist der erste Summationsknotenpunkt 113 dazu ausgebildet, eine Geschwindigkeitsvorgabe (ω * / r ) zu empfangen, welche eine gewünschte Geschwindigkeit (oder vorgegebene Geschwindigkeit) für den Rotor des elektrischen Motors 106 darstellt. Die Geschwindigkeitsvorgabe kann von einem anderen Modul im Fahrzeug, wie zum Beispiel einem elektronischen Steuergerät (ECU), bereitgestellt werden. Die Vorrichtung zur Berechnung der Geschwindigkeit 124 berechnet oder bestimmt anderweitig die beobachtete (oder gemessene) Rotorgeschwindigkeit (ω_r), basierend auf der Änderung der Rotorposition (θ_r) gegenüber der Zeit, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Der erste Summationsknotenpunkt 113 ist dazu ausgebildet, den Unterschied zwischen der Geschwindigkeitsvorgabe (ω * / r ) und der beobachteten Rotorgeschwindigkeit (ω_r) zu berechnen und die Differenz dem Geschwindigkeitsregler 114 zur Verfügung zu stellen. Basierend auf der Differenz zwischen der Geschwindigkeitsvorgabe (ω * / r ) und der Rotorgeschwindigkeit (ω_r), bestimmt und/oder generiert der Geschwindigkeitsregler 114 eine zu dem q-Achsen Rahmen, synchrone Stromvorgabe (i e* / q ) (zum Beispiel die drehmomenterzeugende q-Achsen Stromvorgabe). Der Geschwindigkeitsregler 114 kann als proportional integral (PI) Regler oder eine andere passende Vorrichtung, welche aus dem Stand der Technik bekannt ist, realisiert werden.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist der dritte Summationsknotenpunkt 117 dazu ausgebildet, eine Flussvorgabe (λ^e*), welche den gewünschten Rotorfluss für den elektrischen Motor 106 darstellt, zu empfangen. Die Flussvorgabe kann durch ein anderes Modul im Fahrzeug, wie zum Beispiel einem elektronischen Steuergerät (ECU), zur Verfügung gestellt werden. Die Vorrichtung zur Schätzung des Flusses 126 berechnet oder bestimmt anderweitig den Fluss des Rotors (λ^e) basierend auf dem Verhältnis zwischen den synchronen Motorströmen (i e / d , i e / q ) und den synchronen Motorspannungen (ν e / d , ν e / q ), wie aus dem Stand der Technik bekannt ist und im Folgenden ausführlicher beschrieben wird. Der dritte Summationsknotenpunkt 117 ist dazu ausgebildet, die Differenz zwischen der Flussvorgabe (λ^e*) und dem geschätzten Fluss des Rotors (λ^e) zu bestimmen und die Differenz der Vorrichtung zur Regelung des Flusses 116 zur Verfügung zu stellen. Basierend auf der Differenz zwischen der Flussvorgabe und dem geschätzten Fluss bestimmt und/oder generiert die Vorrichtung zur Regelung des Flusses 116 eine d-Achsenrahmen synchrone Stromvorgabe (i e* / d ) (zum Beispiel die flussproduzierende d-Achsen Stromvorgabe). Der Flussregler 116 kann als proportional integral (PI) Regler oder ein beliebiger anderer, aus dem Stand der Technik bekannter, Regler implementiert werden.
In einer beispielhaften Ausgestaltung berechnet oder bestimmt die Vorrichtung zur Schätzung des Flusses auf eine andere Art und Weise, basierend auf dem Verhältnis zwischen den synchronen Motorströmen (i e / d , i e / q ), und den synchronen Motorspannungen (ν e / d , ν e / q ), den Winkel des Flusses (θ_e) für den Rotor des elektrischen Motors 106. In der in 1 dargestellten Ausgestaltung wird der Winkel des Rotorflusses (θ_e) als Transformationswinkel für die Kontrollschleife 130 verwendet, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist. In diesem Zusammenhang stellt der Transformationswinkel den Winkel dar, welcher verwendet wird, um eine Größe aus dem synchronen Referenzkoordinatensystem in eine Größe in dem stationären Referenzkoordinatensystem zu transformieren und/oder zu übersetzen und umgekehrt (zum Beispiel eine 'dqo' oder 'dq0' zu 'abc' Transformation und umgekehrt). In alternativen Ausgestaltungsformen kann der Transformationswinkel die Winkelposition des Rotors (θ_r) oder eine andere passende Größe beinhalten. Der Ausgang der Vorrichtung zur Schätzung des Flusses 126 ist dazu ausgebildet, den geschätzten Winkel des Rotorflusses (θ_e) den ersten Transformationsblöcke 120, 122 zur Verfügung zu stellen. Der zweite Transformationsblock 122 ist an die Stromsensoren 112 gekoppelt und dazu ausgebildet, die gemessenen Statorströme aus dem stationären Referenzkoordinatensystem (i s / a , i s / b , i s / c ) in das synchrone Referenzkoordinatensystem (i e / d , i e / q ), basierend auf dem Transformationswinkel, das heißt dem geschätzten Winkel des Rotorflusses (θ_e), zu transformieren. In einer ähnlichen Art und Weise ist der erste Transformationsblock 120 dazu ausgebildet, eine vorgegebene Spannung (oder Spannungsvorgabe) aus dem synchronen Bezugssystem (ν e* / d , ν e* / q ) in das stationäre Bezugssystem (ν s* / a , ν s* / b , ν s* / c ), basierend auf dem geschätzten Winkel des Rotorflusses (θ_e), zu transformieren, wie im Folgenden noch ausführlicher beschrieben wird.
Der Stromregler 118 regelt die Ströme durch die Statorwicklungen, indem er eine Spannungsvorgabe für das Wechselrichtermodul 104 erzeugt und/oder bereitstellt, welches einer Vorgabespannung für die Statorwicklungen des elektrischen Motors 106 entspricht, so dass die durch die Statorwicklungen gemessenen Ströme auf die vorgegebenen Motorströme (oder die Stromvorgabe) geregelt werden oder diesen anderweitig folgen. In einer beispielhaften Ausgestaltung ist der Stromregler 118 als ein Synchronrahmen-Stromregler realisiert, welcher dazu ausgebildet ist, die Spannungsvorgabe in dem synchronen Bezugssystem (ν e* / d , ν e* / q ) (alternativ werden diese hier auch als Spannungsvorgaben im synchronen Rahmen bezeichnet), basierend auf der Differenz zwischen dem vorgegebenen Strom (i e* / d , i e* / q ) und dem gemessenen Motorstrom (i e* / d , i e* / q ) (hier auch alternativ als der Motorstrom im synchronen Rahmen bezeichnet), zu erzeugen. Diesbezüglich bestimmt, in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausgestaltungsformen, der zweite Summationsknotenpunkt 115 eine q-Achsen Stromfehlervorgabe (i e* / q_err ), basierend auf der Differenz zwischen der q-Achsen Stromvorgabe (i e* / q ) und dem gemessenen q-Achsen Motorstrom (i e / q ) und der vierte Summationsknotenpunkt 119 bestimmt eine d-Achsen Stromfehlervorgabe (i e* / d_err ), basierend auf der Differenz zwischen der d-Achsen Stromvorgabe (i e* / d ) und dem gemessenen d-Achsen Motorstrom (i e / d ). Der Stromregler 118 erzeugt die Spannungsvorgaben im synchronen Bezugssystem (ν e* / d , basierend auf dem Stromfehlervorgaben (i e* / d_err , i e* / q_err ) im synchronen Rahmen, welche die Differenz zwischen dem vorgegebenen Strom und dem gemessenen Motorstrom, welcher in dem synchronen Bezugssystem ausgedrückt wird, darstellen. In diesem Zusammenhang kann der Stromregler 118 als proportional integral Differenzier(PID)-Regler, als Hysteresestromregler, als komplexer Vektorstromregler oder als ein anderes passendes Stromregelelement, welches aus dem Stand der Technik bekannt ist, realisiert sein. Es soll bemerkt werden, dass der Stromregler 118 im Wesentlichen angepasste und symmetrische Ströme in dem elektrischen Motor 106 erzeugt. Als Ergebnis wird jedes Gegensystem, das normalerweise in den gemessenen Motorströmen als Reaktion auf einen Fehlerzustand in den Statorwicklungen (zum Beispiel wenn Ungleichgewicht in der Impedanz für die Phasen der Statorwicklungen aufgrund einer Änderung im Widerstand und/oder der Induktivität mindestens einer Phase der Statorwicklungen verglichen mit den anderen Phasen) vorhanden wäre, in dem Ausgang des Stromreglers 118 (das heißt in den Spannungsvorgaben und/oder den Motorphasenspannungen) reflektiert, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird.
Wie oben dargelegt, transformiert der erste Transformationsblock 120 die Spannungsvorgaben im synchronen Rahmen (ν e* / d , ν e* / q ) aus dem Ausgang des Stromreglers 118 in das stationäre Bezugssystem, was in stationären Dreiphasenspannungsvorgaben (ν s* / a , ν s* / b , ν s* / c ) resultiert, welche, den jeweiligen Spannungsvorgaben für die jeweiligen Phasen der Statorwicklungen des elektrischen Motors 106, entsprechen. In einer beispielhaften Ausgestaltung ist das Wechselrichtermodul 104 so ausgebildet, dass es die stationären Spannungsvorgaben verarbeitet und PWM-Vorgabesignale für den Betrieb der Phasenanschlüsse des Leistungswechselrichters erzeugt, um die vorgegebenen Spannungen den jeweiligen Phasen der Statorwicklungen in einer bekannten Art und Weise zur Verfügung zu stellen, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Auf diese Weise erzeugen Änderungen in den Spannungsvorgaben im synchronen Rahmen (ν e* / d , ν e* / q ) ihnen entsprechende Änderungen in den stationären Spannungsvorgaben und damit im Tastverhältnis der PWM-Vorgaben, welche genutzt werden, um die Schalter der Wechselrichterphasenanschlüsse zu modulieren. In diesem Zusammenhang können die Spannungsvorgaben im synchronen Rahmen (ν e* / d , ν e* / q ) genutzt werden, um basierend auf der Annahme, dass das Wechselrichtermodul 104 die Spannungsvorgaben (ν s* / a , ν s* / b , ν s* / c ) in den Statorwicklungen korrekt reproduziert, den Rotorfluss (λ^e) und den Transformationswinkel (θ_e) zu schätzen (zum Beispiel ν e* / d ≈ ν e / d , ν e* / q ≈ ν e / q ) und als Ersatz dafür genutzt werden, Spannungssensoren zu nutzen, um die Spannungen über die Statorwicklungen zu messen oder als Ersatz dafür genutzt werden, andere berechnungsintensive Aufgaben durchzuführen, um die Motorspannungen zu erhalten.
Jetzt Bezug auf 2 nehmend, kann in einer beispielhaften Ausführungsform ein elektrisches System so ausgebildet sein, dass es den Statordiagnoseprozess 200 und zusätzliche Aufgaben, Funktionen und Operationen, wie im Folgenden beschrieben, durchführen kann. Die Vielzahl an Aufgaben kann von einer Software, Hardware, Firmware oder einer beliebigen Kombination dergleichen ausgeführt werden. Aus Veranschaulichungszwecken kann sich die folgende Beschreibung auf Elemente beziehen, welche zuvor in Verbindung mit 1 erwähnt wurden. In der Praxis können die Aufgaben, Funktionen und Operationen von verschiedenen Elementen des beschriebenen Systems, wie zum Beispiel dem Wechselrichtermodul 104, der Vorrichtung zur Steuerung 110, dem Stromregler 118, der Vorrichtung zur Schätzung des Flusses 126 und/oder dem Block zur Statorwicklungsdiagnose 128 durchgeführt werden. Es soll bemerkt werden, dass eine beliebige Anzahl an zusätzlichen oder alternativen Aufgaben beinhaltet sein können und in eine umfangreichere Prozedur oder einen umfangreicheren Prozess, welcher zusätzliche Funktionalitäten beinhaltet, welcher hier nicht weiter beschrieben sind, integriert sein können.
Mit wiederholtem Verweis auf 2 und fortgeführtem Verweis auf 1 wird der Statordiagnoseprozess 200 in einer beispielhaften Ausführungsform, durchgeführt, um die Statorwicklungen eines elektrischen Motors zu diagnostizieren, während der elektrische Motor durch einen stromregelnden Regelkreis gesteuert wird. Der Statordiagnoseprozess 200 beginnt damit, die Spannungen über die Statorwicklungen (die Motorspannungen) des elektrischen Motors von dem Ausgang des Stromreglers in dem stromregelnden Regelkreis (Aufgabe 202), zu erhalten. In einer beispielhaften Ausgestaltung erhält der Statordiagnoseprozess 200 und/oder der Statorwicklungsdiagnoseblock 128 die Motorspannung im synchronen Rahmen dadurch, dass er/sie die Spannungsvorgaben im synchronen Rahmen (ν e* / d , ν e* / q ) von dem Ausgang des Stromreglers 118 erhalten. Wie zuvor dargelegt, entspricht die Spannungsvorgabe (ν e* / d , ν e* / q ), des Stromreglers 118 im Wesentlichen der aktuellen Spannung im synchronen Rahmen über die Statorwicklungen des elektrischen Motors 106 (zum Beispiel ν e* / d ≈ ν e / d , ν e* / q ≈ ν e / q ), dies gilt solange, wie das Wechselrichtermodul 104 die jeweiligen Spannungsvorgaben (ν s* / a , ν s* / b , ν s* / c ) korrekt in den Statorwicklungen erzeugt.
In einer beispielhaften Ausführungsform setzt sich der Statordiagnoseprozess 200 fort, indem ein Transformationswinkel für die Umwandlung der Spannungsvorgabe aus dem synchronen Bezugssystem in das stationäre Bezugssystem bezogen wird (Aufgabe 204). Wie zuvor in der in 1 dargestellten Ausgestaltung dargelegt, ist der Transformationswinkel als der geschätzte Rotorflusswinkel (θ_e) realisiert, wobei der Statordiagnoseprozess 200 und/oder der Statorwicklungsdiagnoseblock 128 den Transformationswinkel (θ_e) von der Vorrichtung zur Schätzung des Flusses 126, erhalten können. In alternativen Ausgestaltungsformen kann der Transformationswinkel auf anderen charakteristischen Größen des elektrischen Motors 106 basieren. Zum Beispiel können, wenn der Transformationswinkel auf der Rotorposition (θ_r) basiert, die Vorrichtung zur Steuerung 110 und/oder der Statorwicklungsdiagnoseblock 128 die Rotorposition (θ_r) von dem Drehwinkelgebersystem 108 erhalten und den Transformationswinkel, basierend auf der Rotorposition (θ_r), bestimmen.
In einer beispielhaften Ausführungsform setzt sich der Statordiagnoseprozess 200 fort, indem die Motorspannung im synchronen Rahmen in das negative Bezugssystem transformiert wird, wobei dies auf dem erhaltenen Transformationswinkel basiert, was in einer Motorspannung im negativem, synchronen Rahmen resultiert (Aufgabe 206). In diesem Zusammenhang rotiert das negative synchrone Bezugssystem synchron mit der Rotation der charakteristischen Referenzgröße des Motors und in einer entgegengesetzten Richtung zu dem synchronen Bezugssystem (zum Beispiel dem synchronen Referenz-Mitsystem (englisch: positive sequence synchronous reference frame)). Zum Beispiel ist, wenn das synchrone Referenz-Mitsystem als ein gegen den Uhrzeigersinn synchrones Bezugssystem ausgebildet ist, das synchrone Referenz-Gegensystem als ein im Uhrzeigersinn synchrones Bezugssystem ausgebildet. In einer beispielhaften Ausgestaltung ist die Spannungsvorgabe im synchronen Rahmen (ν e* / d , ν e* / q ) in einem gegen den Uhrzeigersinn laufenden synchronen Bezugssystem dargestellt. Der Statordiagnoseprozess 200 und/oder der Statorwicklungsdiagnoseblock 128 transformieren die Spannungsvorgabe aus dem gegen den Uhrzeigersinn (mit gleicher Sequenz) laufenden synchronen Bezugssystem (ν e* / d , ν e* / q ) in das stationäre Bezugssystem (zum Beispiel ν s* / a , ν s* / b , ν s* / c ), wobei dies auf dem Transformationswinkel basiert, und nutzen dann den Transformationswinkel noch einmal, um die Spannungsvorgabe von dem stationären Bezugssystem in das synchrone Bezugssystem gegenläufiger Sequenz zu transformieren, was in einer Motorspannung im synchronen Rahmen (ν –e / d , ν –e / q ) negativer Sequenz resultiert. In diesem Zusammenhang kann die Motorspannung im synchronen Rahmen negativer Sequenz berechnet oder anderweitig auf Basis der folgenden Gleichung
bestimmt werden, wobei θ den Transformationswinkel (zum Beispiel θ_e oder θ_r), für die Transformation aus dem stationären Referenzkoordinatensystem in das synchrone Referenzkoordinatensystem gleichlaufender Sequenz, darstellt.
In einer beispielhaften Ausführungsform setzt sich der Statordiagnoseprozess 200 fort, indem das Gegensystem der Motorspannung (oder alternativ das Gegensystem der Spannung), basierend auf der Motorspannung im negativen, synchronen Rahmen (Aufgabe 208), bestimmt wird. Wie zuvor dargelegt, ist jeder Gegensystemstrom, aufgrund der im Wesentlichen ausgeglichenen und symmetrischen stromgeregelten Steuerung des elektrischen Motors 106, welcher durch einen Fehlerzustand in den Statorwicklungen hervorgerufen wird, in den Spannungsvorgaben wiedergespiegelt, welche auf Ungleichgewichte in den Motorstrom (i e / d , i e / q ) im synchronen Rahmen, welche durch ein Gegensystem hervorgerufen werden, reagieren. In diesem Zusammenhang, beinhaltet die Gegensystemkomponente der Motorspannung eine Gleichspannungskomponente der Motorspannungen im negativen, synchronen Rahmen, ebenso wie harmonische Wechselspannungskomponenten der Spannungen im Mitsystem. In diesem Zusammenhang bestimmen der Statordiagnoseprozess 200 und/oder der Statorwicklungsdiagnoseblock 128 das Gegensystem der Motorspannungen, indem sie die Motorspannung (ν –e / d , ν –e / q ) im negativen, Synchronen Rahmen digital filtern und die Größenordnung der gefilterten, negativen Motorspannung im synchronen Rahmen berechnen. In einer beispielhaften Ausgestaltung wird die Motorspannung (ν –e / d , ν –e / q ) im negativen, synchronen Rahmen tiefpassgefiltert, um harmonische Wechselspannungskomponenten der Spannung positiver Sequenz und anderes Rauschen zu eliminieren und nur den Gleichspannungsanteil übrig zu lassen (zum Beispiel eine Komponente, welche eine Frequenz von Null oder eine anderweitig unmessbar niedrige Frequenz aufweist). In diesem Zusammenhang sollte die Grenzfrequenz des digitalen Filters niedriger liegen, als die Anregungsgungs-(oder Fundamental-)Frequenz der Motorströme.
In einer beispielhaften Ausführungsform setzt sich der Statordiagnoseprozess 200 fort, indem identifiziert oder anderweitig bestimmt wird, ob ein Fehlerzustand in den Statorwicklungen des elektrischen Motors, basierend auf einer charakteristischen Größe des Gegensystems der Motorspannung (Aufgabe 210), vorliegt. Gemäß einer Ausgestaltung identifiziert der Statordiagnoseprozess 200 einen Fehlerzustand, indem er die Größenordnung des Gegensystems mit einem Schwellwert vergleicht und bestimmt, ob die Größenordnung des Gegensystems größer ist als der Schwellwert. Der Schwellwert wird so gewählt, dass er eine Größenordnung des Gegensystems darstellt, die bezeichnend ist für einen Fehlerzustand. In diesem Zusammenhang ist der Schwellwert bevorzugter Weise groß genug, so dass ein Gegensystem, das diesen Schwellwert überschreitet, einem Fehlerzustand zugeschrieben werden kann (zum Beispiel einem Kurzschluss und/oder einer unterbrochenen Verbindung von Statorwicklungen) und nicht einem Rauschen, Transienten, Komponententoleranzen oder anderen Effekten, auf Schaltungsebene, wobei gleichzeitig der Schwellwert bevorzugter Weise klein genug ist, um beginnende Fehlerzustände entdecken zu können. In anderen Worten ist eine Größenordnung des Gegensystems, welche die Größenordnung des Schwellwerts überschreitet, eine Veränderung in der Impedanz einer oder mehrerer Phasen der Statorwicklungen im Vergleich zu einer oder mehrerer der anderen Phasen der Statorwicklungen (zum Beispiel einer Veränderung des Widerstands und/oder der Induktivität von Statorwicklungen) zuzuschreiben und deutet auf das Vorhandensein eines Fehlerzustands (oder auf die Wahrscheinlichkeit eines Fehlerzustands) hin. Gemäß einer Ausgestaltung beträgt der Schwellwert ca. 5% der Größenordnung der Gesamtmotorspannung (zum Beispiel der Größenordnung der Spannungsvorgabe im synchronen Rahmen).
Gemäß einer Ausgestaltungsform identifiziert der Statordiagnoseprozess 200 einen Fehlerzustand, indem er die Änderungsrate der Größenordnung des Gegensystems bestimmt und bestimmt, ob diese Änderungsrate größer ist als ein Schwellwert für die Änderungsrate. Der Schwellwert für die Änderungsrate wird so gewählt, dass er bezeichnend ist für einen Fehlerzustand, wie oben beschrieben. In diesem Zusammenhang kann der Statordiagnoseprozess 200 und/oder der Statorwicklungsdiagnoseblock 128 die Änderungsrate der Größenordnung des Gegensystems (zum Beispiel die Ableitung des Gegensystems) über einen gewissen Zeitraum (zum Beispiel auf einer Sample-zu-Sample Basis) berechnen oder anderweitig bestimmen. Jede Änderungsrate der Größenordnung des Gegensystems, die den Schwellwert für die Änderungsrate überschreitet, wird einem Fehlerzustand (zum Beispiel einem Kurzschluss und/oder einer Unterbrechung von Statorwicklungen) zugeschrieben und nicht einem Rauschen, Transienten, Toleranzen der Bauteile oder anderen Effekten auf Schaltungsebene zuzuschreiben. Gemäß einer Ausgestaltung beträgt der Schwellwert für die Änderungsrate ungefähr 5 V pro Sekunde.
In einer beispielhaften Ausgestaltung wird die Schleife, welche durch die Aufgaben 202, 204, 206, 208 und 210 definiert wird, wiederholt, falls gewünscht und falls der Statordiagnoseprozess 200 feststellt, dass ein Fehlerzustand nicht existiert, bis, während des Betriebs des elektrischen Motors, ein Fehlerzustand identifiziert wird. Auf diese Art und Weise können die Statorwicklungen des elektrischen Motors 106 konstant und/oder kontinuierlich überwacht werden (zum Beispiel auf einer Sample-zu-Sample Basis oder jedes Mal, wenn der Regelkreis 130 aktualisiert wird). Zum Beispiel können, für einen Regelkreis 130, welcher mit einer Samplerate von 10 kHz arbeitet, die Statorwicklungen in 0,1 ms Intervallen überwacht werden, womit es ermöglicht wird, einen beginnenden Fehlerzustand zu identifizieren (daher kann ein Fehlerzustand innerhalb von 0,1 ms identifiziert werden). Als Reaktion auf die Identifikation eines Fehlerzustands fährt der Statordiagnoseprozess 200 fort, indem er Abstellmaßnahmen und/oder Maßnahmen, welche einen sicheren und/oder effektiven Betrieb des elektrischen Systems dienen, ergreift (Aufgabe 212). Gemäß einer Ausgestaltung verhindert der Statordiagnoseprozess 200 einen weiteren Betrieb des elektrischen Motors als Reaktion auf die Identifikation eines Fehlerzustands. Zum Beispiel kann die Vorrichtung zur Steuerung 110 alle Schalter des Wechselrichtermoduls 104 in einen offenen Zustand versetzen, um Ströme durch die Statorwicklungen zu verhindern. In einer weiteren Ausgestaltung kann der Statordiagnoseprozess 200 den Betrieb des elektrischen Motors mit eingeschränkter Funktionalität ermöglichen, zum Beispiel indem das Kontrollschema so modifiziert wird, dass es die Ströme, welche durch den elektrischen Motor fließen, begrenzt oder indem die Drehmomenterzeugung und/oder die Rotorgeschwindigkeit begrenzt wird. zusätzlich kann der Statordiagnoseprozess 200 so ausgebildet sein, dass er zusätzliche Abhilfemaßnahmen trifft, wie zum Beispiel das Bereitstellen einer Benachrichtigung über die Fehlerzustände an ein elektrisches System oder eine andere Komponente in dem Fahrzeug, welche eine hörbare und/oder sichtbare Warnung in dem Fahrzeug erzeugt. Es soll bemerkt werden, dass eine beliebige Anzahl von Abhilfemaßnahmen und eine Vielzahl an Kombinationen aus diesen in einer praktischen Ausgestaltungsform benutzt werden können.
Um es kurz zusammenzufassen, ein Vorteil der Vorrichtung und/oder der Methode, welche zuvor beschrieben wurde, ist es, dass die Statorwicklungen eines elektrischen Motors ständig überwacht werden können, wodurch es möglich wird, einen sich anbahnenden Fehlerzustand oder einen Fehlerzustand in einem frühen Stadium leicht zu identifizieren und die nachteiligen Effekte des Fehlerzustands zu verringern. Außerdem kann ein Fehlerzustand auch für den Fall eines nicht stationären transienten Motorbetriebs erkannt und/oder diagnostiziert werden, da die Erkennung des Fehlerzustands nicht auf einer Fast Fourier-Reihe oder anderen rechenintensiven Techniken beruht. Ferner werden zusätzliche Sensoren (welche die Kosten des Motordiagnosesystems erhöhen und die Zuverlässigkeit des Motordiagnosesystems verringern) zur Messung der Motorspannung vermieden.
Während mindestens eine Gestaltungsart in der vorangehenden detaillierten Beschreibung präsentiert wurde, sollte beachtet werden, dass eine große Vielzahl an Variationen existiert. Es sollte auch beachtet werden, dass die beispielhafte Ausgestaltung oder Ausgestaltungen, welche hier beschrieben sind, nicht dazu gedacht sind, den Geltungsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration des beanspruchten Gegenstands in irgendeiner Weise einzuschränken. Im Gegenteil wird die vorangehende detaillierte Beschreibung jenen, die mit der Technik vertraut sind, einen bequemen Plan zur Umsetzung der beschriebenen Ausgestaltungsform oder Ausgestaltungsformen bieten. Es soll verstanden werden, dass eine Vielzahl von Änderungen an der Funktion und an der Anordnung der Vorrichtungen vorgenommen werden kann, ohne von dem Geltungsbereich, welcher durch die Ansprüche aufgestellt wird, abzuweichen, was auch bekannte Äquivalente und, zur Zeit der Beantragung dieses Patents, absehbare Äquivalente einschließt.

Claims

Elektrisches System (100), welches in einem Fahrzeug benutzt werden kann, wobei das elektrische System (100) umfasst: – einen elektrischen Motor (106), welcher Statorwicklungen umfasst; – eine Energiequelle (102); – ein Wechselrichtermodul (104), welches zwischen die Energiequelle (102) und die Statorwicklungen gekoppelt ist, wobei das Wechselrichtermodul (104) dazu ausgebildet ist, den Statorwicklungen des elektrischen Motors (106) eine vorgegebene Spannung (ν e* / d , ν e* / q ) von der Energiequelle (102) zur Verfügung zu stellen; – eine Vielzahl an Stromsensoren (112), welche zwischen das Wechselrichtermodul (104) und die Statorwicklungen gekoppelt sind, wobei die Vielzahl an Stromsensoren (112) dazu ausgebildet ist, den Strom durch die Statorwicklungen zu messen; und – Eine Vorrichtung zur Steuerung (110), welche an das Wechselrichtermodul (104) und die Vielzahl an Stromsensoren (112) gekoppelt ist, wobei die Vorrichtung zur Steuerung (110) die gemessenen Ströme erhält und dazu ausgebildet ist, folgende Aufgaben auszuführen: – Erhalten (202) einer Stromvorgabe (i e* / q ), welche einem vorgegebenen Strom für die Statorwicklungen entspricht; – Erzeugen einer Spannungsvorgabe (ν e* / d , ν e* / q ), welche einer vorgegebenen Spannung (ν e* / d , ν e* / q ) entspricht, welche auf der Differenz zwischen den gemessenen in das synchrone Referenzkoordinatensystem transformierten Strömen und dem vorgegebenen Strom basiert; – Bestimmen (208) einer Gegensystemspannung (englisch: ”negativ sequence voltage”) für die Statorwicklungen, welche auf der Spannungsvorgabe (ν e* / d , ν e* / q ) basiert; und – Identifizieren (210) eines Fehlerzustands in den Statorwicklungen, basierend auf einer Komponente der Gegensystemspannung; wobei die Vorrichtung zur Steuerung (110) dazu ausgebildet ist, des Fehlerzustands in den Statorwicklungen durch die folgenden Schritte zu identifizieren: – Bestimmen einer Gleichspannungskomponente der Gegensystemspannung; und – Identifizieren (210) des Fehlerzustands, falls die Größenordnung der Gleichspannungskomponente der Gegensystemspannung einen Schwellwert überschreitet.
Elektrisches System (100) nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung zur Steuerung (110) einen Stromregler (118) umfasst, welcher dazu ausgebildet ist, die Spannungsvorgabe (ν e* / d , ν e* / q ), basierend auf der Differenz zwischen den in das synchrone Referenzkoordinatensystem transformierten Strömen und dem vorgegebenen Strom, zu erzeugen, dass die in das synchrone Referenzkoordinatensystem transformierten Ströme auf den vorgegebenen Strom geregelt werden.
Elektrisches System (100) nach Anspruch 2, wobei der Stromregler (118) einen Synchron-Rahmen-Stromregler (118) beinhaltet, der dazu ausgebildet ist, die Spannungsvorgabe (ν e* / d , ν e* / q ) in einem, gegen den Uhrzeigersinn verlaufenden, synchronen Bezugsystem zu erzeugen, was zu einer Spannungsvorgabe (ν e* / d , ν e* / q ) im synchronen Rahmen (englisch: ”synchronous frame voltage command”) führt.
Elektrisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung zur Steuerung (110) dazu ausgebildet ist, die Gegensystemspannung durch folgende Schritte zu bestimmen: – Erhalten (204) eines Transformationswinkels, insbesondere basierend auf dem Verhältnis von den gemessenen Strömen zu der Spannungsvorgabe (ν e* / d , ν e* / q ); und – Transformieren (206) der Spannungsvorgabe im synchronen Rahmen, basierend auf dem Transformationswinkel in ein, im Uhrzeigersinn verlaufendes, Bezugssystem.
Verfahren zur Diagnose von Statorwicklungen in einem elektrischen Motor (106) in einem Fahrzeug, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Erzeugen einer Spannungsvorgabe (ν e* / d , ν e* / q ) für die Statorwicklungen, wobei die Spannungsvorgabe (ν e* / d , ν e* / q ) dazu ausgebildet ist, den Strom durch die Statorwicklungen auf einen vorgegebenen Wert zu regeln; – Bestimmen (208) einer Gegensystemspannung, basierend auf der Spannungsvorgabe (ν e* / d , ν e* / q ); und – Identifizieren (210) eines Fehlerzustands, basierend auf der Gegensystemspannung; wobei das Identifizieren des Fehlerzustands folgende Schritte umfasst: – Bestimmen einer Gleichspannungskomponente der Gegensystemspannung; und – Identifizieren (210) des Fehlerzustands, basierend auf einer charakteristischen Größe der Gleichspannungskomponente der Gegensystemspannung.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Identifizieren (210) des Fehlerzustands, basierend auf der charakteristischen Größe der Gleichspannungskomponente der Gegensystemspannung, beinhaltet, den Fehlerzustand zu identifizieren (210), wenn eine Größenordnung der Gleichspannungskomponente der Gegensystemspannung einen Schwellwert übersteigt.
Verfahren zur Diagnose von Statorwicklungen in einem elektrischen Motor (106), welcher durch einen strom-regelnden Regelkreis gesteuert wird, wobei der strom-regelnde Regelkreis dazu ausgebildet ist, dem elektrischen Motor (106) eine vorgegebene Spannung (ν e* / d , ν e* / q ) zur Verfügung zu stellen, wobei die vorgegebene Spannung (ν e* / d , ν e* / q ) eine strom-geregelte Spannung beinhaltet, welche auf der Differenz zwischen einem vorgegebenen Strom und einem, durch die Statorwicklungen, gemessenen Strom basiert, wobei das Verfahren folgende Schritte beinhaltet: – Bestimmen (208) des Gegensystems der vorgegebenen Spannung (ν e* / d , ν e* / q ); und – Identifizieren (210) eines Fehlerzustands, wenn eine charakteristische Größe des Gegensystems größer ist als ein Schwellwert; wobei die vorgegebene Spannung (ν e* / d , ν e* / q ) in einem synchronen Bezugsystem dargestellt wird, wobei das Bestimmen des Gegensystems der vorgegebenen Spannung (ν e* / d , ν e* / q ) folgende Schritte beinhaltet: – Transformieren (206) der vorgegebenen Spannung (ν e* / d , ν e* / q ) aus dem synchronen Bezugsystem in ein negatives synchrones Bezugsystem, was in einer Spannung im negativen synchronen Bezugsystem resultiert; und – Bestimmen einer Größenordnung einer Gleichspannungskomponente der Spannung im negativen synchronen Bezugsystem.