DE102012205867A1

DE102012205867A1 - Verfahren zur Lastwinkeldiagnose

Info

Publication number: DE102012205867A1
Application number: DE201210205867
Authority: DE
Inventors: Dr. Lamsahel Hassan
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2012-04-11
Publication date: 2013-10-17

Abstract

Verfahren zur Lastwinkeldiagnose, wobei das Verfahren mit einer an einem Wechselrichter (4) feldorientiert gesteuert betriebenen Drehfeldmaschine (3) ausgeführt wird, insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine (PMSM), wobei für eine Abtastperiode in einem ersten Schritt ein Soll-Lastwinkelwert (θLastRef) basierend auf Phasenstrom-Sollwerten (IsdRefF, IsqRefF) ermittelt wird, in einem zweiten Schritt für die Abtastperiode ein zweiter Lastwinkelwert (θLast) basierend auf gemessenen Phasenstromwerten (I1, I2) einer, insbesondere einer einzigen Phase (u, v, w), ermittelt wird, in einem dritten Schritt der ermittelte Soll-Lastwinkelwert (θLastRef) mit dem ermittelten zweiten Lastwinkelwert (θLast) verglichen wird, und in einem vierten Schritt wenigstens ein durch den ersten bis dritten Schritt erzeugtes Vergleichsergebnis zur Fehlererkennung ausgewertet wird. Vorgeschlagen wird auch eine Vorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lastwinkeldiagnose gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Eine permanenterrregte Synchronmaschine bzw. PSM/PMSM ist eine Drehfeldmaschine mit einem auf dem oder in dem Läufer montierten Permanentmagneten. Der Stator weist eine Wicklung bzw. Ständerwicklung mit drei um 120°/z_p versetzten Wicklungssträngen auf, welche regelmäßig mit U, V und W bezeichnet sind, wobei z_p die Polpaarzahl ist. Die Zustandsgrößen der PSM, wie etwa Strom, Spannung, Fluss, ..., können in dem Dreigrößensystem (u, v, w) dargestellt werden, 1. Für die Regelung der Maschine werden die Zustandsgrößen in ein mit dem Rotor drehendes Koordinatensystem, das d,q-System transformiert. Das α,β-System ist daneben das feste Zweigrößen- bzw. -koordinatensystem des Stators.
Mit der Transformation der Zustandsgrößen in das d,q-Koordinatensystem vereinfachen sich die differenziellen Gleichungen der Maschine. Damit kann die Maschine wie eine Gleichstrommaschine geregelt werden. Dies wird üblicherweise als feldorientierte Regelung bezeichnet, FOR. Eine mögliche Reglerstruktur zur feldorientierten Regelung einer permanenterregten Synchronmaschine ist in 2 veranschaulicht. Eine Entkopplung kann vorgesehen sein, um die Wechselwirkung der beiden Ströme Isd und Isq zu kompensieren.
Für die Anwendung der feldorientierten Regelung sind neben der Position des Rotors und der Zwischenkreisspannung Informationen über die Phasenströme erforderlich, um die Rückkopplung des Regelkreises zu ermöglichen. Die Diagnosen zur Überwachung des Positionssensors und zur Überwachung hinsichtlich eines Kurzschlusses oder der Unterbrechung der Maschinenleitungen benötigen die gemessenen Ströme der Maschine. Weiterhin ist es bekannt, zur Überwachung des Regelverhaltens der Maschine die Lastwinkeldiagnose vorzusehen. Für diese benötigt man jedoch zumindest zwei Phasenströme der Maschine.
Die dritte Phase wird aus den beiden gemessenen Strömen gemäß der Formel I_SW = –I_SU – I_SV berechnet. Nach Transformation der Maschinenströme in das d,q-Koordinatensystem unter Einbeziehung des elektrischen Winkels θ_el gemäß:
erhält man den Lastwinkel im d,q-Zweigrößensystem zu
Da zur feldorientierten Steuerung keine Strommessung der Phasenströme erforderlich ist, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, welches vorteilhaft einfach eine Lastwinkeldiagnose mit einer an einem Wechselrichter feldorientiert gesteuert betriebenen Drehfeldmaschine ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Lastwinkeldiagnose, wobei das Verfahren mit einer an einem Wechselrichter feldorientiert gesteuert betriebenen Drehfeldmaschine ausgeführt wird, insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine. Das Verfahren kann dazu verwendet werden, die Einhaltung eines vorgesehenen Betriebsquadranten im Rahmen der feldorientierten Steuerung der Maschine zu überwachen, wobei die Drehfeldmaschine in einem Bereich 0 < θ_Last < π/2 motorisch und im Bereich –π/2 < θ_Last < 0 generatorisch arbeiten kann.
Die Maschine ist bevorzugt als Schenkelpolmaschine, alternativ z. B. als Vollpolmaschine gebildet, weiterhin bevorzugt als Innenpolmaschine. Sowohl der Wechselrichter als auch die Drehfeldmaschine können zur Ausführung des Verfahrens mit einem Kraftfahrzeug, insbesondere einem Automobil, oder einer Werkzeugmaschine bereitgestellt sein, z. B. im Rahmen eines Lenksystems oder eines Traktionsantriebs.
Der Wechselrichter ist bevorzugt ein Pulswechselrichter, weiterhin bevorzugt ein Spannungszwischenkreis-Wechselrichter. Letzterer weist netzseitig bzw. speiseseitig einen Spannungszwischenkreis auf, welcher vorzugsweise mittels eines Zwischenkreis-Kondensators gebildet ist. Des Weiteren weist der Wechselrichter Leistungsschalter auf, z. B. MOSFETs oder IGBTs, welche bevorzugt in einer Brückenschaltung, insbesondere einer B6-Brückenschaltung angeordnet und von einer Treiberstufe des Wechselrichters ansteuerbar sind.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für eine Abtastperiode in einem ersten Schritt ein Soll-Lastwinkelwert basierend auf Phasenstrom-Sollwerten ermittelt. Die Sollwerte werden bevorzugt im d,q-Zweigrößensystem bereitgestellt, z. B. von außen vorgegeben, z. B. im Rahmen der Interaktion mit einem Nutzer, z. B. via eine übergeordnete Kontrolleinrichtung.
Der Soll-Lastwinkelwert θ_Last kann ermittelt werden durch:
wobei I_sdRef, I_sqRef die Phasenstrom-Sollwerte im d,q-Zweigrößensystem sind.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Verfahren im Zusammenhang mit einer feldorientierten Steuerung verwendet, deren Dynamik einstellbar ist. Hierbei werden die geforderten d,q-Ströme erst nach einer gewissen Zeit eingestellt. Um die mit der gewählten Dynamik einhergehende zeitliche Verzögerung der d,q-Ströme nachzubilden, ist vorgesehen, die Phasenstrom-Sollwerte zu filtern, um Phasenstrom-Sollwerte zu erhalten, welche den gleichen Verlauf wie die Ströme an der Drehfeldmaschine zeigen. Bevorzugt ist das Filter hierbei ein Tiefpassfilter oder ein davon verschiedenes Filter, insbesondere ein digitales, dessen Zeitkonstante bevorzugt einstellbar ist, i. e. korrespondierend mit einer Dynamik der Ansteuerung der Drehfeldmaschine.
Mittels der gefilterten Phasenstrom-Sollwerte I_sdRefF, I_sqRefF erhält man hierbei den Soll- Lastwinkel bzw. Referenzlastwinkel θ_LastRef zu:
In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, welcher gleichzeitig oder zum Beispiel geringfügig zeitversetzt mit dem ersten Schritt ausgeführt werden kann, wird für die Abtastperiode ein weiterer bzw. zweiter Lastwinkelwert basierend auf gemessenen Phasenstromwerten einer, insbesondere einer einzigen Phase, ermittelt.
Zur Ermittlung des zweiten Lastwinkelwerts kann im Rahmen des vorliegenden Verfahrens auf vorteilhaft einfache Weise von der Rotorposition, θ_mech und der Drehzahl n_Motor – letztere resultierend aus _el – an der Drehfeldmaschine Gebrauch gemacht werden, welche im Rahmen der feldorientierten Steuerung bekannt sind. Daneben kann die Polpaarzahl z_p in die Ermittlung eingehen, so dass vorteilhaft wenige Größen erforderlich sind. Vorgesehen ist ferner, dass der zweite Lastwinkelwert je Abtastperiode je basierend auf zwei gemessenen Phasenstromwerten I₁, I₂ des Phasenstromes einer, insbesondere einer einzigen Phase U bzw. V bzw. W ermittelt wird.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der zweite Lastwinkelwert ermittelt:
gemäß der Gleichung 1), insbesondere für die Phase U:
oder gemäß der Gleichung 2), insbesondere für die Phase V:
oder gemäß der Gleichung 3), insbesondere für die Phase W:
wobei: θ_Last den zweiten, aus einem Phasenstrom der Phase U bzw. V bzw. W ermittelten Lastwinkelwert bezeichnet, T_A die Periodendauer des Abtastschritts bzw. der Abtastperiode, welche insbesondere konstant ist, n_motor die Drehzahl der Drehfeldmaschine (aus _el), θ_mech die mechanische Rotorposition als Winkel ausgedrückt bezeichnet, I₁ einen gemessenen Phasenstromwert des Phasenstroms der jeweiligen Phase U bzw. V. bzw. W, welcher zu Beginn einer ersten Abtastperiode der Dauer T_A ermittelt bzw. gemessen wurde, I₂ einen gemessenen Phasenstromwert des Phasenstroms der jeweiligen Phase U bzw. V. bzw. W, welcher zu Beginn einer unmittelbar darauf folgenden zweiten Abtastperiode ermittelt bzw. gemessen wurde und z_p eine Polpaarzahl. Insbesondere ist die zweite Abtastperiode eine derzeitige Abtastperiode, während die erste Abtastperiode eine zeitlich unmittelbar vorherige Abtastperiode ist. Somit kann die zweite Abtastperiode diejenige Abtastperiode sein, innerhalb derer das erfindungsgemäße Verfahren stattfindet.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nunmehr in einem dritten Schritt der ermittelte Soll-Lastwinkelwert, i. e. für eine Abtastperiode, mit dem ermittelten zweiten Lastwinkelwert, i. e. für die Abtastperiode, verglichen. Der Vergleich kann zum Beispiel eine Differenzbildung vorsehen, wobei ein Vergleichsergebnis im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Abweichung bzw. ein Delta zwischen dem zweiten Lastwinkelwert und dem Soll-Lastwinkelwert ausdrückt.
In einem vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird wenigstens ein durch den ersten bis dritten Schritt erzeugtes Vergleichsergebnis, insbesondere eine Abweichung bzw. Delta, zur Fehlererkennung ausgewertet. Bevorzugt werden in dem vierten Schritt, welcher ebenfalls iterativ ausgeführt werden kann, je eine Mehrzahl von Vergleichsergebnissen ausgewertet, welche aus einer iterativen, insbesondere kontinuierlichen Ausführung des ersten bis dritten Schritts erhalten werden können. Bevorzugt kann eine Auswertung in dem vierten Schritt durch Bildung eines Mittelwerts über eine Mehrzahl von Vergleichsergebnissen, alternativ oder zusätzlich z. B. über eine Integration der Vergleichsergebnisse über die Zeit sowie einen jeweiligen Schwellwertvergleich mit hinterlegten Werten erfolgen. Mittels der Auswertung der Vergleichsergebnisse kann hiernach die Einhaltung des gewünschten Betriebsquadranten überwacht werden.
Bevorzugt wird das Verfahren iterativ durchgeführt, weiterhin insbesondere kontinuierlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auf vorteilhaft unaufwändige und kostengünstige Weise die Etablierung einer Lastwinkeldiagnose im Rahmen einer feldorientierten Steuerung einer Drehfeldmaschine an einem Wechselrichter.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß auch eine Vorrichtung zum Betrieb einer Drehfeldmaschine, insbesondere mit einem Wechselrichter. Die Vorrichtung kann zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet sein, wobei zur Lastwinkeldiagnose Phasenstromwerte, insbesondere des Phasenstroms einer einzigen Phase, durch die Vorrichtung gemessen werden. Bevorzugt weist die Vorrichtung eine Steuerstruktur zur feldorientierten Steuerung auf, insbesondere zur feldorientierten Steuerung mit einstellbarer Dynamik. Zur Filterung der Phasenstrom-Sollwerte kann die Vorrichtung bevorzugt ein Filter, insbesondere ein digitales Filter, weiterhin insbesondere ein Tiefpassfilter, umfassen, mittels welchem gefilterte Phasenstrom-Sollwerte zur Ermittlung des Soll-Lastwinkels bereitgestellt werden.
Zur Auswertung der Vergleichsergebnisse kann die Vorrichtung eine Funktionseinheit zur Lastwinkeldiagnose aufweisen, welcher sowohl die gefilterten Phasenstrom-Sollwerte als auch die gemessenen Phasenstromwerte zur Lastwinkeldiagnose bereitgestellt werden. Die Funktionseinheit, wie auch die Vorrichtung, kann weitgehend oder sämtlich computerisiert gebildet sein, z. B. mittels wenigstens eines μControllers oder Prozessors, insbesondere als Teil eines Steuergeräts, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder einer Werkzeugmaschine. Die Vorrichtung kann dazu ausgebildet sein, über die Funktionseinheit zur Diagnose auf den Wechselrichter in Abhängigkeit der Auswertung des wenigstens einen Vergleichsergebnisses einwirken zu können, z. B. einen Reset zu veranlassen, alternativ oder zusätzlich z. B. eine Warnmeldung auszugeben, ein Notlaufprogramm zu starten etc.
Vorgeschlagen wird auch ein Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug oder eine Werkzeugmaschine, mit einer Drehfeldmaschine und einem Wechselrichter, wobei das Antriebssystem zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist, insbesondere mittels einer wie vorstehend beschriebenen Vorrichtung.
Das Verfahren kann computerisiert durchgeführt werden, z. B. mittels geeigneter Programmcode-Instruktionen, welche software- und/oder hardware-gestützt implementiert werden, z. B. in der Vorrichtung bzw. dem Antriebssystem, insbesondere mittels eines Computerprogrammprodukts, welches derartige Instruktionen zur Ausführung enthält.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 exemplarisch ein Zeigerdiagramm zur Veranschaulichung der unterschiedlichen Koordinatensysteme für die PSM;
2 exemplarisch ein Antriebssystem mit einer Regelstruktur gemäß dem Stand der Technik;
3 exemplarisch und schematisch eine Vorrichtung sowie ein Antriebssystem zur feldorientierten Steuerung einer Drehfeldmaschine gemäß einer möglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche je zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet sind; und
4 exemplarisch ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Verlaufs eines Phasenstroms und daraus erhältlicher Größen.
In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen. Korrespondierende Elemente bzw. Funktionen im Stand der Technik sind mit gestrichenen Bezugszeichen versehen.
3 zeigt eine Vorrichtung 1 sowie ein Antriebssystem 2 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Antriebssystem 2 mittels der Vorrichtung 1 sowie einer Drehfeldmaschine 3 gebildet ist. Mittels der Vorrichtung 1, welche zur feldorientierten Steuerung, FOS, der Drehfeldmaschine 3 ausgebildet ist, kann die Drehfeldmaschine 3 mit insbesondere einstellbarer Dynamik feldorientiert gesteuert betrieben werden.
Die Vorrichtung 1 bzw. das Antriebssystem 2 weisen im Rahmen der Ausbildung der Steuerstruktur zur feldorientierten Steuerung Funktionseinheiten auf, welche insbesondere mittels wenigstens eines μControllers gebildet sind, insbesondere integriert oder alternativ z. B. voneinander getrennt, wobei diese nachfolgend noch näher erläutert werden. Daneben weisen Vorrichtung 1 bzw. Antriebssystem 2 einen Wechselrichter bzw. Pulswechselrichter 4 auf.
Der Wechselrichter 4 umfasst einen Spannungszwischenkreis, welcher mittels eines Zwischenkreiskondensators gebildet ist. Der Wechselrichter 4 beinhaltet ferner eine B6-Brückenschaltung, deren Mittenabgriffe je mit einer Phase U bzw. V bzw. W der Drehfeldmaschine 3 des Antriebssystems 2 in Form einer permanenterregten Synchronmaschine (PMSM) elektrisch verbunden sind. Weiterhin ist der Wechselrichter 4 über seine Treiberstufe, nicht dargestellt, steuerbar.
Die Drehfeldmaschine 3, welche zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist, z. B. in einem hybridisierten oder elektrischen Antriebsstrang, alternativ z. B. für eine Servolenkung oder eine Werkzeugmaschine, weist einen Stator mit einer Ständerwicklung, insbesondere mit den drei Wicklungssträngen U, V, W auf, welche vorzugsweise symmetrisch gewickelt und um 120 Grad versetzt angeordnet sind, und weiterhin insbesondere einen permanentmagnetbestückten Rotor. Die Drehfeldmaschine 3 ist als Innenpolmaschine, insbesondere als Schenkelpolmaschine gebildet.
Die Vorrichtung 1 bzw. das Antriebssystem 2 umfasst eine erste Funktionseinheit 5, an deren Eingang 6 Phasenstrom-Sollwerte bzw. Sollstromvorgaben I_sdRef, I_sqRef, welche im d,q-Zweigrößensystem als zeitdiskrete Größen bereitgestellt sind, geführt sind. Die Funktionseinheit 5 weist weiterhin einen Eingang 7 auf, an welchem als zusätzliche Eingangsgröße die tatsächliche elektrische Winkelgeschwindigkeit ω_el des Rotors der Drehfeldmaschine 3 zur Verfügung gestellt wird. Die elektrische Winkelgeschwindigkeit ω_el wird basierend auf dem ermittelten mechanischen Winkel θ_mech z. B. durch Betrachtung der zeitlichen Änderung des mechanischen Winkels θ_mech entsprechend
i. e. basierend auf der Winkelinformation eines Positionsgebers 8, z. B. eines Inkrementalgebers oder eines Resolvers, als auch in Abhängigkeit der Polpaarzahl z_p auf bekannte Weise ermittelt, wozu eine entsprechend ausgebildete Funktionseinheit 9 vorgesehen ist. Der Eingang 7 ist z. B. mit einem Ausgang der zweiten Funktionseinheit 9 verbunden, z. B. mittels einer elektrischen Verbindungsleitung 10.
Die Funktionseinheit 5 ist dazu vorgesehen, insbesondere unter Berücksichtigung der tatsächlichen, ermittelten elektrischen Winkelgeschwindigkeit ω_el des Rotors sowie den Sollstromvorgaben I_sdRef, I_sqRef Sollspannungskomponenten, i. e. eine (Stator-)Längsspannungskomponente bzw. d-Spannungskomponente und eine (Stator-)Querspannungskomponente bzw. q-Spannungskomponente jeweils im d,q-Zweigrößensystem mittels jeweiliger FOS-Algorithmen zu ermitteln und bereit zu stellen. Das d,q-Zweigrößensystem bezeichnet dabei ein Koordinatensystem, welches auf bekannte Weise mit dem Rotor umläuft.
Als FOS-Algorithmen, welche z. B. in einem Festspeicher der Funktionseinheit 5 hinterlegt sind oder z. B. bedarfsabhängig in einen volatilen Speicher geladen werden, auf welchen die Funktionseinheit 5 zugreift, können die Gleichungen A) und B) genutzt werden, welche im jeweiligen aktuellen bzw. durchzuführenden Abtastschritt bzw. für eine jeweilige Abtastperiode gelöst werden, i. e. Gleichung A) für die (Stator-)Solllängsspannungskomponente:
und Gleichung B) für die (Stator-)Sollquerspannungskomponente
In den Gleichungen A) und B) bezeichnet die Indizierung _{_k} die Größen des aktuellen und _{_k-1} die Größen des vorhergehenden Abtastschritts der Dauer T (im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch mit „T_A” bezeichnet) und _s den Statorbezug, d. h. eine Größe betreffend den Stator der Drehfeldmaschine 4. U_{sd_k} bzw. U_{sd_k-1} bezeichnen die Solllängsspannungskomponente, U_{sq_k} bzw. U_{sq_k-1} die Sollquerspannungskomponente, d. h. jeweils Vorgaben für z. B. weitere Funktionseinheiten des Antriebssystems 2 bzw. zur Ansteuerung der Drehfeldmaschine 3.
T_Ed bezeichnet eine Zeitkonstante resultierend aus L_sd/R und L_sd die Längskomponente der Induktivität der Ständer- bzw. Statorwicklung, T_Eq eine Zeitkonstante resultierend aus L_sq/R und L_sq die Querkomponente der Induktivität der Statorwicklung, I_{sdRef_k} bzw. I_{sdRef_k-1} die Solllängsstromvorgabe, I_{sqRef_k} bzw. I_{sqRef_k-1} die Sollquerstromvorgabe, R den ohmschen Wicklungswiderstand der Statorwicklung, ω_el die elektrische Winkelgeschwindigkeit und Ψω_el die als konstant angenommene Polrad- bzw. Rotorspannung für einen insbesondere sehr kleinen bzw. kurzen Abtastschritt der Dauer T, wobei Ψ den Polradfluss darstellt. Die Polradspannung wird z. B. mittels hinterlegter Kennlinien ermittelt.
Der Wicklungswiderstand R ist z. B. hinterlegt oder wird im Einzelfall entsprechend der jeweiligen Drehfeldmaschine 3 vorgegeben, z. B. ebenfalls in einem Speicher für die Funktionseinheit 5 hinterlegt. Die Polradspannung Ψω_el wird als konstant angenommen, da im Normalfall die mechanische Zeitkonstante der Drehfeldmaschine 3 größer ist als die elektrische Zeitkonstante. Die Drehzahl kann während der schnellen Änderung des Stromes als konstant angesehen werden.
Die d,q-Phasenstrom-Sollwerte bzw. Sollstromkomponenten I_{sdRef_k-1} und I_{sqRef_k-1} des jeweils vorangegangenen Abtastschritts, welche zum Lösen der Gleichung A) und B) in einem gegenwärtigen Abtastschritt _{_k} erforderlich sind, werden z. B. ebenfalls in einem Speicher für die Funktionseinheit 5 hinterlegt. Die Hinterlegung und ein Zugriff auf die gespeicherten Werte werden insbesondere von der Funktionseinheit 5 veranlasst. Der Speicher ist z. B. ein volatiler bzw. ein RAM-Speicher.
Unter Verwendung der FOS-Algorithmen gemäß der Gleichungen A) und B) kann die Dynamik der feldorientierten Steuerung (FOS), welche mittels der Vorrichtung 2 realisierbar ist bzw. ermöglicht wird, wahlfrei über die Zeitkonstanten T₁ und T₂ eingestellt werden, i. e. durch Übertragungsglieder. Die Zeitkonstanten T_Ed und T_Eq der (Steuer-)Strecke werden hierbei kompensiert.
Die ermittelten Sollspannungskomponenten U_{sd_k}, U_{sq_k} werden an dem Ausgang 11 der Funktionseinheit 5 bereitgestellt, vgl. 3.
Der Funktionseinheit 5 in Signalflussrichtung zum Wechselrichter 1 nachgeordnet weist die Vorrichtung 1 weiterhin eine Funktionseinheit 12 auf, welche dazu vorgesehen ist, die von der Funktionseinheit 5 bereitgestellten d,q-Sollspannungskomponenten U_{sd_k}, U_{sq_k} insbesondere mittels einer inversen Park- und Clarke-Transformation, in Sollspannungswerte U_s1, U_s2, U_s3 eines Mehrphasen-Drehstromsystems, insbesondere eines Dreiphasen-Drehstromsystems, umzuwandeln, z. B. ebenfalls innerhalb des jeweiligen aktuellen Abtastschritts.
Die Funktionseinheit 12 umfasst einen Eingang 13, welcher mit dem Ausgang 11 der Funktionseinheit 5 in Verbindung steht, z. B. über elektrische Verbindungsleitungen. Die der Funktionseinheit 5 nachgeordnete Funktionseinheit 12 ist insbesondere als Signalwandler bzw. als Transformationseinheit ausgebildet.
Zur Ermittlung der Sollspannungswerte U_s1, U_s2, U_s3 im Mehrgrößen-Drehstromsystem wird der Funktionseinheit 12 ebenfalls eine Winkelinformation zur Verfügung gestellt, i. e. der tatsächliche elektrische Winkel θ_el des Rotors resultierend aus dem mechanischen Winkel in Abhängigkeit der Polpaarzahl z_p mitgeteilt. Diese Größe wird von einer weiteren Funktionseinheit 14, alternativ z. B. von der Funktionseinheit 9, z. B. basierend auf der Winkelinformation des Positionssensors 8 auf an sich bekannte Weise ermittelt und z. B. über einen weiteren Eingang 15 der Funktionseinheit 12 zur Verfügung gestellt, welcher mit einem Ausgang der Funktionseinheit 14 in Verbindung steht.
Basierend auf den von der Funktionseinheit 12 an einem Ausgang 16 ausgegebenen Sollspannungen U_s1, U_s2, U_s3 werden anschließend PWM-Vorgabewerte PWM1, PWM2, PWM3 erzeugt. Die Vorgabewerte PWM1, PWM2, PWM3, welche jeweils Tastverhältnisse ausdrücken, werden an einem Ausgang 17 zur Ansteuerung des Wechselrichters 1 bereitgestellt bzw. ausgegeben, welcher darauf basierend die Drehfeldmaschine 3 geeignet betreibt, i. e. den vorgesehenen Spannungsvektor über seine Leistungsschalter einstellt.
Die Umwandlung der Sollspannungswerte U_s1, U_s2, U_s3 zu PWM-Vorgabewerten PWM1, PWM2, PWM3 erfolgt durch eine Funktionseinheit in Form des Vektormodulators 18 der Steuerstruktur 7, welchem zudem die Gleichspannung U_dc des Zwischenkreises des Wechselrichters 1 als weitere Eingangsgröße zugeführt wird, i. e. an einen Eingang 19. Die Sollspannungswerte U_s1, U_s2, U_s3 liegen an einem Eingang 20 der Funktionseinheit 18 an, die PWM-Vorgabewerte PWM1, PWM2, PWM3 stehen an dem Ausgang 17 zur Verfügung, über welchen der Wechselrichter 3 nachfolgend zur Einstellung des Spannungsvektors angesteuert wird, i. e. über dessen Eingang 21.
Zur Lastwinkeldiagnose weist die Vorrichtung 1 weiterhin ein Filter 22 auf, insbesondere ein digitales Filter, welches dazu ausgebildet ist, die zeitdiskreten Sollstromvorgaben bzw. Phasenstrom-Sollwerte I_sdRef, I_sqRef im Zuge einer Filterung mit einer Verzögerung zu beaufschlagen bzw. diese zu filtern. Hierzu wirkt das Filter als Tiefpass, insbesondere als PT1-Glied. Dem Filter 22 werden die Phasenstrom-Sollwerte – für jeweilige Abtastperioden – I_sdRef, I_sqRef, welche am Eingang 6 der Funktionseinheit 5 abgegriffen werden, an einem Eingang 23 bereitgestellt.
Das Filter 22 weist eine Zeitkonstante auf, welche geeignet ist, eine jeweilige Dynamik der Steuerung bzw. der Vorrichtung 1 bzw. des Antriebssystems 2 nachzubilden, wobei die Zeitkonstante insbesondere entsprechend der nachzubildenden Dynamik eingestellt ist. Dies ermöglicht, gefilterte Phasenstrom-Sollwerte I_sdRefF, I_sqRefF basierend auf den Sollstromvorgaben I_sdRef, I_sqRef erzeugen zu können, welche den tatsächlich zu erwartenden Maschinenströmen bzw. -werten entsprechen.
Die gefilterten Sollstromvorgaben I_sdRefF, I_sqRefF werden an einem Ausgang 24 als Größen im d,q-Zweigrößensystem bereitgestellt, um nachfolgend einer Funktionseinheit 25 zur Lastwinkeldiagnose an deren Eingang 26 zur Verfügung zu stehen. Die Funktionseinheit 25 ermittelt basierend auf den gefilterten Phasenstrom-Sollwerten I_sdRefF, I_sqRefF für eine Abtastperiode den Soll-Lastwinkel je gemäß:
Der Funktionseinheit 25 werden zur Diagnose weiterhin der elektrische Winkel θ_el entsprechend θ_el = z_pθ_mech und die Drehzahl ω_el am Eingang 26 bereitgestellt, i. e. in der jeweiligen Abtastperiode. An einem weiteren Eingang 27 der Funktionseinheit 25 werden tatsächliche, ermittelte bzw. gemessene Phasenstromwerte des Phasenstroms I_su, i. e. vorliegend der Phase U, bereitgestellt, welche über einen Stromsensor 28 ermittelt werden. Hierbei liegen der Funktionseinheit 25 der Phasenstromwert I₁ des Phasenstroms I_su zu Beginn einer ersten Abtastperiode der Dauer T_A und der Phasenstromwert I₂ des Phasenstroms I_su zu Beginn einer unmittelbar darauf folgenden zweiten Abtastperiode vor. Dies ist in 4 näher veranschaulicht, welche einen Phasenstrom I_su exemplarisch in einem um die Nulllinie verlaufenden Ausschnitt zeigt, sowie die in den zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgenden Abtastperioden gemessenen Phasenstromwerte I₁, I₂.
Um eine Fehlfunktionalität der Vorrichtung 1 oder des Antriebssystems 2 zu ermitteln, setzt die Funktionseinheit 25 den ermittelten Soll-Lastwinkelwert mit einem basierend auf den Phasenstrom-Sollwerten ermittelten bzw. zweiten Lastwinkelwert für die Abtastperiode in Beziehung. Hierzu wird ein jeweiliger zweiter Lastwinkelwert bestimmt durch Lösen der Gleichung 1):
wobei: θ_Last den zweiten, aus einem Phasenstrom der Phase U, bzw. V bzw. W ermittelten Lastwinkelwert bezeichnet, T_A die Periodendauer des Abtastschritts, welche insbesondere konstant ist, n_motor die Drehzahl der Drehfeldmaschine 3, θ_mech die mechanische Rotorposition (Winkel) bezeichnet und I₁ bzw. I₂ einen gemessenen Phasenstromwert zu Beginn bzw. zum Ende einer Abtastperiode der Dauer T_A, d. h. je an einer Intervallgrenze des Abtastintervalls. Ersichtlich werden zwei gemessene Phasenstromwerte, i. e. I₁, I₂, des Phasenstroms I_su zur Ermittlung des zweiten Lastwinkelwerts θ_Last herangezogen, i. e. je betrachteter Abtastperiode.
Der als Lösung aus der Gleichung 1) erhaltene zweite Lastwinkelwert wird nachfolgend im Rahmen einer Vergleichsoperation durch die Funktionseinheit 25 mit dem Soll-Lastwinkelwert für die Abtastperiode verglichen. Eine Abweichung, welche im Rahmen des Vergleichs erkannt wird, wird zur Erkennung einer Fehlfunktionalität der Vorrichtung 1 oder des Antriebssystems 2 ausgewertet.
Die Funktionseinheit 25 wertet insbesondere je eine Mehrzahl von Vergleichsergebnissen, welche aus einer Mehrzahl von Abtastperioden resultieren, aus. Hierzu kann die Funktionseinheit 25 eine Mehrzahl von Abweichungen bzw. Vergleichsergebnissen, i. e. von Soll-Lastwinkelwerten und zweiten Lastwinkelwerten, zwischenspeichern, insbesondere mittels eines zugewiesenen Speichers, welcher Bestandteil der Funktionseinheit 25 oder z. B. der Vorrichtung 1 sein kann.
Bevorzugt ist die Funktionseinheit 25 im Rahmen ihrer Auswertefunktionalität ausgebildet, einen Mittelwert einer Mehrzahl von Vergleichsergebnissen zu bilden und/oder die Abweichungen über die Zeit zu integrieren und je mit einem hinterlegten Schwellwert zu vergleichen. Wird der jeweilige Schwellwert überschritten, kann die Funktionseinheit 25 eine Fehlfunktion diagnostizieren und an einem Ausgang 29 ein korrespondierendes Signal zur Einwirkung auf den Wechselrichter 4 ausgeben, z. B. ein Reset-Signal an einen Eingang 30 bereitstellen. Alternativ können weitere Maßnahmen als Reaktion auf die detektierte Fehlfunktionalität vorgesehen sein.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird es ermöglicht, die Lastwinkeldiagnose mit minimalem Messaufwand bei der FOS zu implementieren, insoweit als lediglich Phasenstromwerte einer einzigen Phase ermittelt werden müssen. Anstelle oder zusätzlich zu o. a. Messung an der Phase U kann für eine Ermittlung des zweiten Lastwinkels basierend auf einer Messung an der weiteren Phase V Gleichung 2) genutzt werden:
oder für eine Ermittlung des zweiten Lastwinkels basierend auf einer Messung an der weiteren Phase W Gleichung 3):
Durch die Erfindung ist es vorteilhaft ermöglicht, den Kostenaufwand für die Messeinrichtung, i. e. für Sensoren, A/D-Wandler, Platinenfläche zu reduzieren. Die Spannungsverluste bzw. Leistungsverluste verursacht durch die Messeinrichtung der Phasenströme über einen Shunt-Widerstand können reduziert werden, z. B. für den Einsatz in Lenkungen, z. B. Servolenkungen. Durch den Verzicht auf Strommessung können die Probleme der Strommessung wie Rauschen, Offset, die zu Geräuschen und Drehmomentschwankungen führen, reduziert werden. Selbstverständlich sind neben den geschilderten weitere Anwendungsmöglichkeiten denkbar.
Bezugszeichenliste

1, 1': Vorrichtung
2, 2': Antriebssystem
3, 3': Drehfeldmaschine
4, 4': Wechselrichter
5: Funktionseinheit
6: Eingang 5
7: weiterer Eingang 5
8, 8': Positionssensor
9, 9': Funktionseinheit
10: Verbindungsleitung
11: Ausgang 5
12, 12': Funktionseinheit
13: Eingang 12
14, 14': Funktionseinheit
15: weiterer Eingang 12
16: Ausgang 12
17: Ausgang 18
18, 18': Funktionseinheit
19: Eingang 18
20: weiterer Eingang 18
21: Eingang 4
22: Filter
23: Eingang 22
24: Ausgang 22
25: Funktionseinheit
26: Eingang 25
27: weiterer Eingang 25
28: Stromsensor
29: Ausgang 25
30: weiterer Eingang 4
U, V, W: Phasen

Claims

Verfahren zur Lastwinkeldiagnose, wobei das Verfahren mit einer an einem Wechselrichter (4) feldorientiert gesteuert betriebenen Drehfeldmaschine (3) ausgeführt wird, insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine (PMSM), dadurch gekennzeichnet, dass für eine Abtastperiode in einem ersten Schritt ein Soll-Lastwinkelwert (θ_LastRef) basierend auf Phasenstrom-Sollwerten (I_sdRefF, I_sqRefF) ermittelt wird, in einem zweiten Schritt für die Abtastperiode ein zweiter Lastwinkelwert (θ_Last) basierend auf gemessenen Phasenstromwerten (I₁, I₂) einer, insbesondere einer einzigen Phase (u, v, w), ermittelt wird, in einem dritten Schritt der ermittelte Soll-Lastwinkelwert (θ_LastRef) mit dem ermittelten zweiten Lastwinkelwert (θ_Last) verglichen wird, und in einem vierten Schritt wenigstens ein durch den ersten bis dritten Schritt erzeugtes Vergleichsergebnis zur Fehlererkennung ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren iterativ für eine Mehrzahl von Abtastperioden durchgeführt wird, in dem vierten Schritt insbesondere je eine Mehrzahl von Vergleichsergebnissen ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Lastwinkelwert (θ_LastRef) anhand von Sollwerten (I_sdRef, I_sqRef) im d/q-System ermittelt wird, insbesondere gefilterten Phasenstrom-Sollwerten (I_sdRefF, I_sqRefF).
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein gefilterter Phasenstrom-Sollwert (I_sdRefF, I_sqRefF) je mittels Filterung von Phasenstrom-Sollwerten (I_sdRef, I_sqRef) mit einem Tiefpassfilter (22) bereitgestellt wird, insbesondere eines digitalen Filters, wobei die Phasenstrom-Sollwerte (I_sdRef, I_sqRef) insbesondere als zeitdiskrete Größen bereitgestellt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitkonstante des Filters (22) einstellbar ist, insbesondere korrespondierend mit einer Dynamik der Ansteuerung der Drehfeldmaschine (3).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Lastwinkelwert (θ_Last) weiterhin mittels der Drehzahl (n_motor) und der Rotorposition (θ_mech) der Maschine ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des zweiten Lastwinkelwerts (θ_Last) die Polpaarzahl (z_p) der Drehfeldmaschine (3) berücksichtigt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Lastwinkelwert (θ_Last) je Abtastperiode je basierend auf zwei gemessenen Phasenstromwerten (I₁, I₂) des Phasenstromes (I_su) einer, insbesondere einer einzigen Phase (U, V, W), ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Lastwinkelwert (θ_Last) ermittelt wird gemäß der Gleichung 1), insbesondere mittels der Phase U:
oder gemäß der Gleichung 2), insbesondere mittels der Phase V:
oder gemäß der Gleichung 3), insbesondere mittels der Phase W:
wobei: θ_Last den zweiten, aus einem Phasenstrom der Phase U, bzw. V bzw. W ermittelten Lastwinkelwert bezeichnet, T_A die Periodendauer des Abtastschritts, welche insbesondere konstant ist, n_motor eine Drehzahl der Drehfeldmaschine (3), θ_mech eine mechanische Rotorposition (Winkel) bezeichnet und z_p die Polpaarzahl, I₁ einen gemessenen Phasenstromwert zu Beginn einer ersten Abtastperiode der Dauer T_A und I₂ einen gemessenen Phasenstromwert zu Beginn einer unmittelbar darauf folgenden zweiten Abtastperiode.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Auswertung des wenigstens einen Vergleichsergebnisses die Einhaltung des gewünschten Betriebsquadranten überwacht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehfeldmaschine (3) während des Verfahrens gemäß einer feldorientierten Steuerung mit einstellbarer Dynamik gesteuert betrieben wird.
Vorrichtung (1) zum Betrieb einer Drehfeldmaschine (3), insbesondere mit einem Wechselrichter (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, wobei zur Lastwinkeldiagnose Phasenstromwerte (I₁, I₂), insbesondere einer einzigen Phase (U, V, W) durch die Vorrichtung (1) gemessen werden.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zur feldorientierten Steuerung ausgebildet ist, insbesondere zur feldorientierten Steuerung mit einstellbarer Dynamik, wobei die Vorrichtung (1) ein Filter (22), insbesondere ein digitales Filter, weiterhin insbesondere ein Tiefpassfilter, aufweist, mittels welchem Phasenstrom-Sollwerte (I_sdRef, I_sqRef) gefiltert und als gefilterte Phasenstrom-Sollwerte (I_sdRefF, I_sqRefF) zur Ermittlung des jeweiligen Soll-Lastwinkelwerts (θ_LastRef) bereitgestellt werden.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Funktionseinheit (25) zur Lastwinkeldiagnose aufweist, welcher die gefilterten Phasenstrom-Sollwerte (I_sdRefF, I_sqRefF) und die gemessenen Phasenstromwerte (I₁, I₂) zur Lastwinkeldiagnose bereitgestellt werden.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) dazu ausgebildet ist, über die Funktionseinheit (25) zur Diagnose auf den Wechselrichter (4) in Abhängigkeit der Auswertung des wenigstens einen Vergleichsergebnisses einwirken zu können.
Antriebssystem (2), insbesondere für ein Kraftfahrzeug oder eine Werkzeugmaschine, mit einer Drehfeldmaschine (3) und einem Wechselrichter (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (2) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist, insbesondere mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15.