DE102013004954B4

DE102013004954B4 - Verfahren zum Betreiben einer mehrphasigen elektrischen Maschine sowie entsprechende mehrphasige elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102013004954B4
Application number: DE102013004954.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Adam; Marcel Kuhn
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2013-03-22
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2033-03-23
Also published as: WO2014146772A3; CN105052033B; DE102013004954A1; CN105052033A; US9438157B2; US20160043676A1; WO2014146772A2

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer mehrphasigen elektrischen Maschine, die einen Rotor und einen mit dem Rotor wirkverbundenen Drehwinkelgeber aufweist, wobei ein Istdrehwinkel des Rotors aus einem mittels des Drehwinkelgebers bestimmten Messdrehwinkel und einem Drehwinkeloffset (θOffset) bestimmt wird, wobei zum Bestimmen des Drehwinkeloffsets (θOffset) der Rotor auf eine bestimmte Drehzahl gebracht und dann ein aktiver Kurzschluss der elektrischen Maschine eingeleitet wird, wobei ein Iststromvektor (1) aus den Stromstärken der in wenigstens zwei der Phasen der elektrischen Maschine fließenden Ströme sowie dem mittels des Drehwinkelgebers ermittelten Messdrehwinkel mit Hilfe einer dq-Transformation bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkeloffset (θOffset) aus dem Iststromvektor (1) und einem Referenzstromvektor (2) berechnet wird, wobei der Drehwinkeloffset (θOffset) mittels der GleichungθOffset=12arctan(I1,qI2,d−I1,dI2,qI1,dI2,d−I1,qI2,q)+arctan(I2,qI2,d)−180°oder mittels der GleichungθOffset=arctan(I2,qI2,d)−arctan(I1,qI1,d)ermittelt wird, wobei I1,qdie q-Komponente und I1,ddie d-Komponente des Iststromvektors (1) sowie I2,qdie q-Komponente und I2,ddie d-Komponente des Referenzstromvektors (2) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mehrphasigen elektrischen Maschine, die einen Rotor und einen mit dem Rotor verbundenen Drehwinkelgeber aufweist, wobei ein Istdrehwinkel des Rotors aus einem mittels des Drehwinkels bestimmten Messdrehwinkel und einem Drehwinkeloffset bestimmt wird, wobei zum Bestimmen des Drehwinkeloffsets der Rotor auf eine bestimmte Drehzahl gebracht und dann ein aktiver Kurzschluss der elektrischen Maschine eingeleitete wird, wobei ein Iststromvektor aus den Stromstärken der in wenigstens zwei der Phasen der elektrischen Maschine fließenden Ströme sowie dem mittels des Drehwinkelgebers ermittelten Messdrehwinkel mit Hilfe einer dq-Transformation bestimmt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine mehrphasige elektrische Maschine.
Bei einer Vielzahl von Anwendungen ist es notwendig, die (mehreren) Phasen der - beispielsweise als Synchronmaschine ausgebildeten - elektrischen Maschine in Abhängigkeit von dem momentan vorliegenden Istdrehwinkel des Rotors anzusteuern. Entsprechend ist es notwendig, den Istdrehwinkel mit hoher Genauigkeit zu ermitteln. Zu diesem Zweck ist zunächst der Drehwinkelgeber vorgesehen. Weil jedoch häufig nicht die Möglichkeit besteht, den Rotor zuerst in eine genau definierte Position zu bringen und anschließend den Drehwinkelgeber mit dem Rotor zu verbinden, kann der Drehwinkelgeber lediglich den Messdrehwinkel bereitstellen, welcher jedoch je nach Drehwinkel des Rotors bei der Montage des Drehwinkelgebers an dem Rotor von dem tatsächlichen Istdrehwinkel um dem Drehwinkeloffset abweicht.
Es ist also notwendig, diesen Drehwinkeloffset zu bestimmen, um anhand des Messdrehwinkels auf den tatsächlich vorliegenden Istdrehwinkel des Rotors zu schließen. Eine Möglichkeit dabei ist beispielsweise die Messung von den in den Phasen der elektrischen Maschine vorliegenden Phasenspannungen, weil die Phasenlage dieser Phasenspannungen einen Hinweis auf den Istdrehwinkel des Rotors geben kann. Zu diesem Zweck müsste jedoch die Möglichkeit zur Messung dieser Phasenspannungen bestehen, was häufig nicht der Fall ist. Dies gilt insbesondere, wenn die elektrische Maschine zum Antreiben eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs verwendet wird. Die dort zum Ansteuern der einzelnen Phasen der elektrischen Maschine verwendete Leistungselektronik bietet in den meisten Fällen schlichtweg nicht die Möglichkeit zur Ermittelung der Phasenspannungen. Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift DE 10 2011 089 341 A1 bekannt. Diese zeigt ein Verfahren zum Bestimmen eines Winkels zwischen einem Stator und einem Rotor einer fremderregten Synchronmaschine.
Die gattungsgemäße Druckschrift US 6 201 367 B1 beschreibt ein Verfahren zum Neustarten einer permanent magnetischen Drehstrom-Synchronmaschine, wobei sich der Rotor weiterhin in Rotation befindet, und wobei die Maschine mit einer Antriebseinheit verbunden ist, die eine Gleichstromstufe mit Mitteln zum Messen von Spannungen, eine Leistungsschalter aufweisende Ausgangsstufe mit veränderlicher Spannung und Frequenz, und Mittel zum Ermitteln des Stromes in zweien der Ausgangsphasen der Antriebseinheit aufweist. Die Maschine wird mit der Ausgangsstufe vorübergehend kurzgeschlossen, die von der Maschine in den beiden Ausgangsphasen erzeugten Stromstärken werden während des Kurzschlusses ermessen, der von der Maschine während des Kurzschlusses erzeugte Phasenwinkel wird berechnet, die Rotordrehzahl wird ermittelt und die Antriebseinheit wird mit dem Rotor synchronisiert, um das Neustarten der Maschine zu ermöglichen.
Aus dem Stand der Technik ist weiterhin die Druckschrift JP 2007 - 318 894 A bekannt.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer mehrphasigen elektrischen Maschine vorzuschlagen, bei welchem auf einfache Art und Weise der Istdrehwinkel des Rotors mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann, insbesondere ohne das Vorhalten und/oder Abspeichern von umfangreichen, auf einem Prüfstand bestimmten Referenzdaten.
Dies wir erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass der Drehwinkeloffset aus dem Iststromvektor und einem Referenzstromvektor berechnet wird, wobei der Drehwinkeloffset mittels der Gleichung $θ_{O f f s e t} = \frac{1}{2} arctan (\frac{I_{1, q} I_{2, d} - I_{1, d} I_{2, q}}{I_{1, d} I_{2, d} - I_{1, q} I_{2, q}}) + arctan (\frac{I_{2, q}}{I_{2, d}}) - 180 °$
oder mittels der Gleichung $θ_{O f f s e t} = arctan (\frac{I_{2, q}}{I_{2, d}}) - arctan (\frac{I_{1, q}}{I_{1, d}})$
ermittelt wird, wobei I_1,q die q-Komponente und I_1,d die d-Komponente des Iststromvektors sowie I_2,q die q-Komponente und I_2,d die d-Komponente des Referenzstromvektors ist.
Grundsätzlich ist vorgesehen, dass zum Bestimmen des Drehwinkeloffsets der Rotor auf eine bestimmte Drehzahl gebracht und dann ein aktiver Kurzschluss der elektrischen Maschine eingeleitete wird, wobei ein Iststromvektor aus den Stromstärken der in wenigstens zwei der Phasen der elektrischen Maschine fließenden Ströme sowie dem mittels des Drehwinkelgebers ermittelten Messdrehwinkel mit Hilfe einer dq-Transformation bestimmt wird, und wobei der Drehwinkeloffset aus dem Iststromvektor und einem Referenzstromvektor berechnet wird. Das Verfahren basiert demnach auf der Messung der Phasenströme im aktiven Kurzschluss. Dabei wird zunächst der Rotor mit einer bestimmten Drehrichtung betrieben und auf die bestimmte Drehzahl gebracht. Zu diesem Zweck wird beispielsweise der Drehwinkelgeber verwendet, mittels welchem die momentan vorliegende Drehzahl des Rotors mit hoher Genauigkeit ermittelt werden kann. Insbesondere wird eine Regelung der mittels des Drehwinkelgebers bestimmten momentanen Drehzahl auf die bestimmte Drehzahl durchgeführt.
Nach dem Erreichen der bestimmten Drehzahl durch den Rotor wird der aktive Kurzschluss der elektrischen Maschine eingeleitet. Zu diesem Zweck werden beispielsweise alle High-Side-Schalter oder alle Low-Side-Schalter eines zum Ansteuern der Phasen der elektrischen Maschine verwendeten Wechselrichters geschlossen. Dann werden die Stromstärken der Ströme bestimmt, die in zumindest zwei der Phasen der elektrischen Maschine fließen. Zu diesem Zweck weist beispielsweise ein Steuergerät der elektrischen Maschine entsprechende Mittel auf. Das Bestimmen der Stromstärken kann unmittelbar nach dem Einleiten des aktiven Kurzschlusses oder aber alternativ bei Ablauf einer definierten Zeitspanne, die mit dem Einleiten des aktiven Kurzschlusses beginnt, durchgeführt werden. Die Zeitspanne ist dabei vorzugsweise derart gewählt, dass bereits ein Einschwingen der elektrischen Maschine stattgefunden hat, so dass insoweit gleichmäßige Verläufe der Stromstärken zu erwarten sind. Die Stromstärken werden insbesondere gleichzeitig gemessen. Zusätzlich wird, insbesondere ebenfalls gleichzeitig, der Messdrehwinkel mit Hilfe des Drehwinkelgebers ermittelt.
Aus den auf diese Art und Weise bestimmten Stromstärken und dem Messdrehwinkel (also nicht dem Istdrehwinkel des Rotors) wird der Iststromvektor ermittelt, indem eine dq-Transformation durchgeführt wird. Die dq-Transformation kann auch als Park-Transformation bezeichnet werden. Sie dient dazu, mehrphasige, insbesondere dreiphasige, Größen in ein zweiachsiges Koordinatensystem mit den Achsen d und q zu überführen. Das von den Achsen d und q gebildete dq-Koordinatensystem rotiert im stationären Fall mit dem Rotor, sodass der Iststromvektor zumindest über eine bestimmte Zeitspanne und/oder bei gleichbleibender Drehzahl des Rotors zeitlich invariant ist und mithin eine konstante Größe darstellt.
Dieser Iststromvektor wird nachfolgend mit dem Referenzstromvektor verglichen und aus den beiden Größen der Drehwinkeloffset berechnet. Der Drehwinkeloffset wird nachfolgend vorzugsweise zur Bestimmung des Istdrehwinkels aus dem Messdrehwinkel herangezogen. Entsprechend besteht nach dem vorstehend beschriebenen Bestimmen des Drehwinkeloffsets die Möglichkeit, den momentan vorliegenden Istdrehwinkel des Rotors mit hoher Genauigkeit zu ermitteln. Dies lässt ein zuverlässiges Betreiben der elektrischen Maschine auf Grundlage des Istdrehwinkels zu.
Grundsätzlich stehen verschiedene Vorgehensweisen zur Verfügung, um den Referenzstromvektor zu bestimmen. Beispielsweise liegt der Referenzstromvektor bereits vor, ist also in der elektrischen Maschine beziehungsweise einem Steuergerät der elektrischen Maschine abgespeichert. Er kann jedoch auch während des Bestimmens des Drehwinkeloffsets ermittelt werden. Auf die verschiedenen Möglichkeiten zum Bestimmen des Referenzstromvektors wird nachfolgend ohne Anspruch auf Vollständigkeit eingegangen. Neben den beschriebenen Möglichkeiten können also durchaus weitere existieren.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Iststromvektor bei einer ersten Drehrichtung des Rotors und der Referenzstromvektor bei einer der ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung analog zu dem ersten Stromvektor ermittelt wird. Vorstehend wurde die Vorgehensweise zum Bestimmen des Iststromvektors beschrieben. Dabei wird der Rotor zunächst auf die bestimmte Drehzahl gebracht und dann der aktive Kurzschluss eingeleitet. Nachfolgend werden die Stromstärken der in wenigstens zwei der Phasen der elektrischen Maschine fließenden Ströme sowie der Messdrehwinkel ermittelt. Aus diesen Größen wird mit Hilfe der dq-Transformation der Iststromvektor bestimmt. Dabei liegt die erste Drehrichtung des Rotors vor. Zum Ermitteln des Referenzstromvektors wird analog vorgegangen, mit dem Unterschied, dass hier die zweite Drehrichtung vorliegt.
Es wird also zunächst (vor beziehungsweise während dem Bestimmen des Drehwinkeloffsets gemäß den vorstehenden Ausführungen) der Rotor in der zweiten Drehrichtung auf die bestimmte Drehzahl gebracht und wiederum der aktive Kurzschluss eingeleitet. Nachfolgend werden die Stromstärken der in wenigstens zwei der Phasen der elektrischen Maschine fließenden Ströme sowie der Messdrehwinkel bestimmt und aus diesen Größen unter Verwendung der dq-Transformation der Referenzstromvektor ermittelt. Anschließend wird das vorstehend beschriebene Bestimmen des Drehwinkeloffsets durchgeführt. Besonders bevorzugt ist bei dem Ermitteln des Referenzstromvektors dieselbe Drehzahl vorgesehen, wie bei dem Ermitteln des Iststromvektors, wobei allerdings entgegengesetzte Drehrichtungen vorliegen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Drehwinkeloffset durch Addieren des Winkels des Referenzstromvektors und eines Referenzwinkels bestimmt wird, wobei der Differenzwinkel der halben Winkeldifferenz zwischen dem Iststromvektor und den Referenzstromvektor entspricht. Bei vorzugsweise identischen Betriebspunkten, also derselben Drehzahl, jedoch entgegengesetzten Drehrichtungen, bleibt im Idealfall der d-Anteil der Stromstärken in dem dq-Koordinatensystem für Iststromvektor und Referenzstromvektor gleich, während der q-Anteil des Referenzstromvektors im Vergleich mit dem des Iststromvektors negiert ist. Wird die Ermittlung des Iststromvektors und des Referenzstromvektors nicht mit dem Messdrehwinkel, sondern bei bereits bestimmtem Drehwinkeloffset mit dem Istdrehwinkel des Rotors ermittelt, so liegt die Winkelhalbierende des Iststromvektors und des Referenzstromvektors auf der d-Achse des dq-Koordinatensystems. Durch Kenntnis dieses Zusammenhangs lässt sich nun der Drehwinkeloffset auf einfache Art und Weise ermitteln.
Zu diesem Zweck wird zunächst der Differenzwinkel ermittelt, welcher der halben Winkeldifferenz zwischen dem Winkel des Iststromvektors und dem Winkel des Referenzstromvektors entspricht. Unter dem Winkel ist dabei beispielsweise der Winkel zwischen dem jeweiligen Vektor und der d-Achse, insbesondere der negativen d-Achse, des dq-Koordinatensystems zu verstehen. Im Wesentlichen wird also insbesondere die kleinere der Winkeldifferenzen zwischen den beiden Vektoren, nämlich dem Iststromvektor und dem Referenzstromvektor, ermittelt und halbiert, sodass sich der Differenzwinkel ergibt. Der auf diese Art und Weise bestimmte Differenzwinkel wird zu dem Winkel des Referenzstromvektors addiert. Das Resultat ist der Drehwinkeloffset zwischen dem Messdrehwinkel und dem Istdrehwinkel des Rotors.
Die Erfindung sieht vor, dass der Drehwinkeloffset mittels der Gleichung $θ_{O f f s e t} = \frac{1}{2} arctan (\frac{I_{1, q} I_{2, d} - I_{1, d} I_{2, q}}{I_{1, d} I_{2, d} - I_{1, q} I_{2, q}}) + arctan (\frac{I_{2, q}}{I_{2, d}}) - 180 °$
ermittelt wird, wobei I_1,q die q-Komponente und I_1,d die d-Komponente des Iststromvektors sowie I_2,q die q-Komponente und I_2,d die d-Komponente des Referenzstromvektors ist. Es ist zu erkennen, dass lediglich eine geringe Anzahl von Größen vorgehalten werden muss, um den Drehwinkeloffset zu bestimmen, insbesondere die q-Komponenten und die d-Komponenten des Iststromvektors sowie des Referenzstromvektors. Weitere Größen sind nicht notwendig, insbesondere muss kein Kennfeld oder ähnliches vorgesehen sein, in welchem mehrere Referenzwerte einer Referenzmaschine abgespeichert sind.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Referenzstromvektor in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotors aus hinterlegten Referenzdaten bestimmt wird. Dies ist die zweite im Rahmen dieser Anmeldung beschriebene Ausführungsform des Verfahrens. Während es bei der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform notwendig war, die elektrische Maschine zweimal in den aktiven Kurzschluss zu bringen, wobei entgegengesetzte Drehrichtungen vorliegen müssen, reicht es bei der zweiten Ausführungsform aus, lediglich einmal den aktiven Kurzschluss einzuleiten und dabei den Iststromvektor zu ermitteln. Der Referenzstromvektor wird dann in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotors, welche insbesondere mit Hilfe des Drehwinkelgebers ermittelt wird, bestimmt. Zu dem Zweck sind zumindest für die während des Bestimmens des Drehwinkeloffsets vorgesehene bestimmte Drehzahl Referenzdaten abgespeichert, welche beispielsweise zuvor mittels einer Referenzmaschine, insbesondere auf einem Prüfstand, ermittelt wurden. Selbstverständlich kann es auch vorgesehen sein, für mehrere Drehzahlen des Rotors derartige Referenzdaten zu hinterlegen. In diesem Fall kann zum Bestimmen des Drehwinkeloffsets aus dieser Vielzahl von Drehzahlen eine an die jeweiligen Betriebbedingungen angepasste Drehzahl ausgewählt werden. Bevorzugt sind die Referenzdaten jedoch für lediglich eine einzige Drehzahl abgespeichert, um die Menge der Daten so gering wie möglich zu halten. Der aktive Kurzschluss wird in diesem Fall bei dieser Drehzahl eingeleitet.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Drehwinkeloffset durch Subtrahieren des Winkels des Iststromvektors und des Winkels des Referenzstromvektors bestimmt wird. Auf das Bestimmen der Winkel wurde bereits vorstehend eingegangen. Hier kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass der Winkel zwischen dem jeweiligen Vektor und der d-Achse des dq-Koordinatensystems, insbesondere der positiven d-Achse, vorliegt.
In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Drehwinkeloffset mittels der Gleichung $θ_{O f f s e t} = arctan (\frac{I_{2, q}}{I_{2, d}}) - arctan (\frac{I_{1, q}}{I_{1, d}})$
ermittelt wird, wobei I_1,q die q-Komponente und I_1,d die d-Komponente des Iststromvektors sowie I_2,q die q-Komponente und I_2,d die d-Komponente des Referenzstromvektors ist. Stimmt der Messdrehwinkel nicht mit dem Istdrehwinkel des Rotors überein, liegt also der Drehwinkeloffset mit einer Größe von mehr als 0° vor, so fallen der Iststromvektor und der Referenzstromvektor nicht zusammen, während dies der Fall ist, falls keine Abweichung zwischen dem Istdrehwinkel und dem Messdrehwinkel vorliegt. Entsprechend muss lediglich die Winkeldifferenz zwischen dem Iststromvektor und dem Referenzstromvektor ermittelt werden, um den Drehwinkeloffset zu erhalten. Dies kann gemäß der vorstehend genannten Gleichung erfolgen, wobei auch hier deutlich wird, dass lediglich eine geringe Menge an Daten benötigt wird und die Gleichung äußerst einfach aufgebaut ist. Entsprechend kann mit lediglich einer geringen Speichermenge und geringer Rechenleistung ein zuverlässiges Bestimmen des Drehwinkeloffsets und mithin ein nachfolgend genaues Bestimmen des Istdrehwinkels des Rotors vorgenommen werden.
Wird lediglich ein Referenzwinkel in Form der Referenzdaten abgespeichert, so kann auch die Beziehung $θ_{O f f s e t} = θ_{Re f} - arctan (\frac{I_{1, q}}{I_{1, d}})$
herangezogen werden, wobei θ_Ref der Referenzwinkel ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Drehwinkeloffset in Abhängigkeit von der Temperatur korrigiert wird. Die Ströme in dem aktiven Kurzschluss sind stark von der momentan vorliegenden Temperatur abhängig. Entsprechend kann sich bei der Bestimmung des Drehwinkeloffsets ein Fehler ergeben, wenn die Temperatur nicht berücksichtigt wird. Der Fehler ergibt sich insbesondere dann, wenn das Bestimmen des Drehwinkeloffsets bei einer Temperatur durchgeführt wird, welche von der Temperatur während des Ermittelns des Referenzstromvektors abweicht.
Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass das Korrigieren mit dem Korrekturparameter $k (ω, ϑ) = arctan (\frac{ω L_{S} (R_{Re f} - R_{S} (ϑ))}{R_{Re f} R_{S} (ϑ) + ω L_{S}^{2}})$
erfolgt, wobei ω die Winkelgeschwindigkeit des Rotors, Ls die Statorinduktivität, R_Ref ein Referenzwiderstand und Rs der Istwiderstand des Stators ist. Um den Korrekturparameter k zu ermitteln, sind also an veränderlichen Größen zumindest die Winkelgeschwindigkeit ω und der Istwiderstand Rs des Stators notwendig. Der Korrekturparameter hängt zudem insbesondere von der Temperatur ϑ ab oder einer von dieser abhängigen Größe, wie beispielsweise dem Istwiderstand Rs des Stators ab. Der Referenzwiderstand R_Ref ist beispielsweise der Widerstand des Stators der Referenzmaschine bei einer definierten Temperatur. Der Korrekturparameter liegt in Form eines Winkels vor, welcher von dem gemäß den vorstehenden Ausführungen bestimmten Drehwinkeloffset subtrahiert wird.
Die vorstehend angeführte Gleichung für den Korrekturparameter k kann vereinfacht werden, weil bei hohen Drehzahl gilt: $R_{Re f} R_{S} (ϑ) < < ω^{2} L_{S}^{2} .$
Werden beispielsweise die Referenzdaten bei einer Referenztemperatur von T_Ref abgelegt, ergibt sich für die Gleichung des Korrekturparameters Folgendes: $k (ω, ϑ) = arctan (- (ϑ - T_{Re f}) \frac{R_{Re f} * α}{ω L_{S}}) .$
Dabei ist R_Ref der Referenzwiderstand bei der Referenztemperatur T_Ref, α der Widerstandskoeffizient eines Spulenmaterials der elektrischen Maschine, insbesondere des Rotors, und ϑ die momentane Temperatur.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine mehrphasige elektrische Maschine, insbesondere zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, die einen Rotor und einen mit dem Rotor wirkverbundenen Drehwinkelgeber aufweist, wobei vorgesehen ist, einen Istdrehwinkel des Rotors aus einem mittels des Drehwinkelgeber bestimmten Messdrehwinkel und einem Drehwinkeloffset zu bestimmen. Dabei ist die elektrische Maschine dazu ausgebildet, zum Bestimmen des Drehwinkeloffsets den Rotor auf eine bestimmte Drehzahl zu bringen und dann einen aktiven Kurzschluss der elektrischen Maschine einzuleiten, wobei ein Iststromvektor aus den Stromstärken der in mindestens zwei der Phasen der elektrischen Maschine fließenden Ströme sowie dem mittels des Drehwinkelgebers ermittelten Messdrehwinkel mit Hilfe einer dq-Transformation bestimmt wird.
Weiterhin ist vorgesehen, dass der Drehwinkeloffset aus dem Iststromvektor und einem Referenzstromvektor berechnet wird, wobei der Drehwinkeloffset mittels der Gleichung $θ_{O f f s e t} = \frac{1}{2} arctan (\frac{I_{1, q} I_{2, d} - I_{1, d} I_{2, q}}{I_{1, d} I_{2, d} - I_{1, q} I_{2, q}}) + arctan (\frac{I_{2, q}}{I_{2, d}}) - 180 °$
oder mittels der Gleichung $θ_{O f f s e t} = arctan (\frac{I_{2, q}}{I_{2, d}}) - arctan (\frac{I_{1, q}}{I_{1, d}})$
ermittelt wird, wobei I_1,q die q-Komponente und I_1,d die d-Komponente des Iststromvektors sowie I_2,q die q-Komponente und I_2,d die d-Komponente des Referenzstromvektors ist.
Auf die Vorteile einer derartigen Ausgestaltung der elektrischen Maschine sowie der entsprechenden Vorgehensweise wurde bereits hingewiesen. Die elektrische Maschine sowie das entsprechende Verfahren können gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt:

1 ein erstes Diagramm für ein dq-Koordinatensystem, in welchem ein Iststromvektor und ein Referenzstromvektor aufgetragen sind, wobei ein Istdrehwinkel eines Rotors einer elektrischen Maschine von einem mittels eines Drehwinkelgebers bestimmten Messdrehwinkel abweicht,
2 das bereits aus der 1 bekannte Diagramm, wobei jedoch der Istdrehwinkel mit dem Messdrehwinkel übereinstimmt, beziehungsweise der Istdrehwinkel mittels eines Drehwinkeloffsets korrigiert ist, und
3 ein weiteres Diagramm, in welchem ein Iststromvektor und ein Referenzstromvektor in einem dq-Koordinatensystem aufgetragen sind.

Anhand der 1 bis 3 wird ein Verfahren zum Betreiben einer mehrphasigen elektrischen Maschine erläutert, welche einen Rotor und eine mit dem Rotor gekoppelten Drehwinkelgeber aufweist. Mit Hilfe des Drehwinkelgebers wird ein Messdrehwinkel erfasst, aus welchem anschließend unter Verwendung eines Drehwinkeloffsets der Istdrehwinkel des Rotors ermittelt wird. Dies ist insbesondere notwendig, weil bei einer Montage des Drehwinkelgebers an dem Rotor beziehungsweise dem Herstellen einer Wirkverbindung zwischen diesen beiden Elementen, häufig keine definierte Rotorlage des Rotors vorliegt. Mithin stimmt der mit Hilfe des Drehwinkelgebers bestimmte Messdrehwinkel nicht mit dem Istdrehwinkel des Rotors überein. Im Rahmen einer Kalibrierung muss daher der Drehwinkeloffset ermittelt werden. Dieser gibt eine Differenz zwischen dem Messdrehwinkel und dem Istdrehwinkel wieder. Insbesondere wird also der Istdrehwinkel durch Addition des Messdrehwinkels und des Drehwinkeloffsets bestimmt.
Bei dem Bestimmen des Drehwinkeloffsets ist es vorgesehen, den Rotor zunächst auf eine bestimme Drehzahl n beziehungsweise eine bestimmte Winkelgeschwindigkeit ω zu bringen, wobei eine erste Drehrichtung vorliegt. Anschließend wird ein aktiver Kurzschluss der elektrischen Maschine eingeleitet. Während des aktiven Kurzschlusses werden Stromstärken der in wenigstens zwei der Phasen der elektrischen Maschine fließenden Ströme und zusätzlich der mit der Hilfe des Drehwinkelgebers ermittelte Messdrehwinkel erfasst. Aus den Stromstärken und dem Messdrehwinkel wird mit Hilfe einer dq-Transformation ein Iststromvektor ermittelt, welcher bezüglich des Rotors ortsfest ist, also zusammen mit diesem rotiert. Unter Verwendung eines Referenzstromvektors und des Iststromvektors wird nun auf den Drehwinkeloffset geschlossen und nachfolgend die elektrische Maschine mit einem korrigierten Istdrehwinkel betrieben.
Die 1 zeigt ein Diagramm, in welchem in einem dq-Koordinatensystem sowohl ein Iststromvektor 1 als auch ein Referenzstromvektor 2 aufgetragen ist. Es wird deutlich, dass der Drehwinkeloffset θ_Offset einer Winkelhalbierenden zwischen dem Referenzstromvektor 2 und dem Iststromvektor 1 beziehungsweise deren Winkelabstand zu einer negativen d-Achse des dq-Koordinatensystems entspricht.
Dies wird anhand der 2 weiter verdeutlicht. Während in dem in der 1 dargestellten Fall der Drehwinkeloffset θ_Offset größer als 0° ist, entspricht er im Falle der 2 gleich 0°. Das bedeutet, dass der Istdrehwinkel dem Messdrehwinkel entspricht. In diesem Fall liegt die Winkelhalbierende von Iststromvektor 1 und Referenzstromvektor 2 auf der negativen d-Achse. Dieser Umstand wird nun zum Bestimmen des Drehwinkeloffsets ausgenutzt, indem zunächst die elektrische Maschine bei einer ersten Drehrichtung und anschließend bei einer der ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung betrieben wird. In einem aktiven Kurzschluss wird bei der ersten Drehrichtung der Iststromvektor 1 und bei der zweiten Drehrichtung der Referenzstromvektor 2 ermittelt. Nachfolgend wird ein Referenzwinkel bestimmt, welcher der halben Winkeldifferenz zwischen dem Iststromvektor 1 und dem Referenzstromvektor 2 entspricht. Der Drehwinkeloffset wird nun durch Addieren des Winkelreferenzstromvektors 2 und dem Referenzwinkels ermittelt.
Die 3 beschreibt eine weitere Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben der elektrischen Maschine. Hier wird nun bei einer bestimmten Drehrichtung der Iststromvektor 1 ermittelt. Der Referenzstromvektor oder ein Referenzwinkel ist in Form von Referenzdaten in Abhängigkeit von der Drehzahl der elektrischen Maschine hinterlegt. Mit Hilfe dieses hinterlegten Referenzstromvektors 2 und dem aus dem Messdaten bestimmten Iststromvektor 1 kann auf den Drehwinkeloffset geschlossen werden, insbesondere indem der Winkel des Iststromvektors 1 von dem Winkel des Referenzstromvektors 2 subtrahiert wird.
Bezugszeichenliste

1: Iststromvektor
2: Referenzstromvektor

Claims

Verfahren zum Betreiben einer mehrphasigen elektrischen Maschine, die einen Rotor und einen mit dem Rotor wirkverbundenen Drehwinkelgeber aufweist, wobei ein Istdrehwinkel des Rotors aus einem mittels des Drehwinkelgebers bestimmten Messdrehwinkel und einem Drehwinkeloffset (θ_Offset) bestimmt wird, wobei zum Bestimmen des Drehwinkeloffsets (θ_Offset) der Rotor auf eine bestimmte Drehzahl gebracht und dann ein aktiver Kurzschluss der elektrischen Maschine eingeleitet wird, wobei ein Iststromvektor (1) aus den Stromstärken der in wenigstens zwei der Phasen der elektrischen Maschine fließenden Ströme sowie dem mittels des Drehwinkelgebers ermittelten Messdrehwinkel mit Hilfe einer dq-Transformation bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkeloffset (θ_Offset) aus dem Iststromvektor (1) und einem Referenzstromvektor (2) berechnet wird, wobei der Drehwinkeloffset (θ_Offset) mittels der Gleichung $θ_{O f f s e t} = \frac{1}{2} arctan (\frac{I_{1, q} I_{2, d} - I_{1, d} I_{2, q}}{I_{1, d} I_{2, d} - I_{1, q} I_{2, q}}) + arctan (\frac{I_{2, q}}{I_{2, d}}) - 180 °$
oder mittels der Gleichung $θ_{O f f s e t} = arctan (\frac{I_{2, q}}{I_{2, d}}) - arctan (\frac{I_{1, q}}{I_{1, d}})$
ermittelt wird, wobei I_1,q die q-Komponente und I_1,d die d-Komponente des Iststromvektors (1) sowie I_2,q die q-Komponente und I_2,d die d-Komponente des Referenzstromvektors (2) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Iststromvektor (1) bei einer ersten Drehrichtung des Rotors und der Referenzstromvektor (2) bei einer der ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung analog zu dem Iststromvektor (1) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzstromvektor (2) in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotors aus hinterlegten Referenzdaten bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkeloffset (θ_Offset) in Abhängigkeit von der Temperatur korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Korrigieren mit dem Korrekturparameter $k (ω, ϑ) = arctan (\frac{ω L_{S} (R_{Re f} - R_{S} (ϑ))}{R_{Re f} R_{S} (ϑ) + ω L_{S}^{2}})$
erfolgt, wobei ω die Winkelgeschwindigkeit des Rotors, Ls die Statorinduktivität, R_Ref ein Referenzwiderstand und R_s der Istwiderstand des Stators ist.
Mehrphasige elektrische Maschine, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, die einen Rotor und einen mit dem Rotor wirkverbundenen Drehwinkelgeber aufweist, wobei vorgesehen ist, einen Istdrehwinkel des Rotors aus einem mittels des Drehwinkelgebers bestimmten Messdrehwinkel und einem Drehwinkeloffset (θ_Offset) zu bestimmen, wobei die elektrische Maschine dazu ausgebildet ist, zum Bestimmen des Drehwinkeloffsets (θ_Offset) den Rotor auf eine bestimmte Drehzahl zu bringen und dann einen aktiven Kurzschluss der elektrischen Maschine einzuleiten, wobei ein Iststromvektor (1) aus den Stromstärken der in wenigstens zwei der Phasen der elektrischen Maschine fließenden Ströme sowie dem mittels des Drehwinkelgebers ermittelten Messdrehwinkel mit Hilfe einer dq-Transformation bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkeloffset (θ_Offset) aus dem Iststromvektor (1) und einem Referenzstromvektor (2) berechnet wird, wobei der Drehwinkeloffset (θ_Offset) mittels der Gleichung $θ_{O f f s e t} = \frac{1}{2} arctan (\frac{I_{1, q} I_{2, d} - I_{1, d} I_{2, q}}{I_{1, d} I_{2, d} - I_{1, q} I_{2, q}}) + arctan (\frac{I_{2, q}}{I_{2, d}}) - 180 °$
oder mittels der Gleichung $θ_{O f f s e t} = arctan (\frac{I_{2, q}}{I_{2, d}}) - arctan (\frac{I_{1, q}}{I_{1, d}})$
ermittelt wird, wobei I_1,q die q-Komponente und I_1,d die d-Komponente des Iststromvektors (1) sowie I_2,q die q-Komponente und I_2,d die d-Komponente des Referenzstromvektors (2) ist.