DE102017214363A1

DE102017214363A1 - Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102017214363A1
Application number: DE102017214363.0A
Authority: DE
Inventors: Yi Wang
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-08-17
Filing date: 2017-08-17
Publication date: 2019-02-21
Also published as: US20200200823A1; CN110945373A; CN110945373B; US11269010B2; WO2019034343A1; KR20200041946A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands (100A) einer elektrischen Maschine mit einem Rotor (120), einem Stator (110) und einer mit dem Stator (110) verbundene Gleichrichterschaltung (130), wobei ein zeitlicher Verlauf eines Spannungswerts (UB+) der elektrischen Maschine erfasst wird, wobei aus dem erfassten zeitlichen Verlauf des Spannungswerts (UB+) ein Evaluationswert bestimmt wird, wobei der bestimmte Evaluationswert mit einem Referenzwert verglichen wird und wobei in Abhängigkeit von einem Vergleichsergebnisses dieses Vergleichs bewertet wird, ob ein Fehlerzustand (100A) der elektrischen Maschine vorliegt oder nicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands einer elektrischen Maschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Stand der Technik
Um Netze bzw. Laststromkreise zu versorgen, können verschiedene Arten von Stromerzeugern verwendet werden. Beispielsweise kann mittels Drehstromgeneratoren ein mehrphasiger Strom erzeugt werden. Zur Speisung von Gleichstromnetzen aus derartigen Drehstromgeneratoren können als Gleichrichter betriebene Umrichter eingesetzt werden, um einen von der Drehstromquelle erzeugten mehrphasigen Strom in Gleichstrom zu wandeln. Die Gleichrichtung kann mittels passiver (Dioden) oder aktiver (Halbleiterschalter) Gleichrichterelemente erfolgen. Bei einem aktiven Gleichrichter ist neben dem Feldregler auch eine entsprechende Ansteuerschaltung Teil des Generatorreglers. Oftmals können Drehstromgeneratoren als elektrische Maschinen realisiert sein, welche generatorisch betrieben werden können, um elektrische Energie zu erzeugen, oder motorisch, um elektrische Energie in mechanische zu wandeln.
Beispielsweise können derartige Stromerzeuger in Kraftfahrzeugen zur Versorgung eines Kraftfahrzeugbordnetzes verwendet werden. Eine entsprechende elektrische Maschine kann beispielsweise generatorisch betrieben werden, um das Kraftfahrzeugbordnetz zu versorgen oder eine Kraftfahrzeugbatterie zu laden. Zu diesem Zweck kann die elektrische Maschine über sog. Endstufen bzw. Endstufenschaltung mit dem Bordnetz verbunden oder von diesem getrennt werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands einer elektrischen Maschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die elektrische Maschine kann insbesondere als ein Generator ausgebildet sein, z.B. als Klauenpolgenerator, und/oder insbesondere als eine elektrische Maschine, welche motorisch oder generatorisch betrieben werden kann. Die elektrische Maschine weist insbesondere einen Rotor und einen Stator auf sowie eine mit dem Stator verbundene Gleichrichterschaltung zum Gleichrichten einer an dem Stator anliegenden Wechselspannung. Die Gleichrichterschaltung kann insbesondere Brückenschaltungen aus passiven Schaltelemente, insbesondere Dioden, oder aus aktiven Schaltelementen, insbesondere Halbleiterschalter wie Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET), aufweisen.
Durch die Erfindung wird eine Möglichkeit bereitgestellt, auf einfache Weise unterschiedliche Fehlerzustände der elektrischen Maschine und deren Stärke zu erkennen.
Im Rahmen des Verfahrens wird ein zeitlicher Verlauf eines Spannungswerts der elektrischen Maschine erfasst, insbesondere eines Spannungswerts einer von der elektrischen Maschine bereitgestellten Gleichspannung, insbesondere der gleichgerichteten Generatorspannung. Aus dem erfassten zeitlichen Verlauf des Spannungswerts wird ein Evaluationswert bestimmt. Der bestimmte Evaluationswert wird mit einem Referenzwert verglichen und in Abhängigkeit von einem Vergleichsergebnis dieses Vergleichs wird bewertet, ob ein Fehlerzustand der elektrischen Maschine vorliegt oder nicht.
Insbesondere ist dieser Referenzwert ein theoretischer Wert, der eine fehlerfreie elektrische Maschine beschreibt. Durch den Vergleich von Referenz- und Evaluationswert können insbesondere unterschiedliche Fehlerzustände der elektrischen Maschine erkannt werden. Für die Fehlererkennung wird somit insbesondere nur ein Signal benötigt, nämlich der zeitliche Spannungsverlauf, welcher insbesondere auf konstruktiv einfache Weise messtechnisch erfasst werden kann und insbesondere im Zuge des regulären Betriebs der elektrischen Maschine ohnehin erfasst wird. Zweckmäßigerweise wird somit keine zusätzliche Hardware beispielsweise in der Form von zusätzlichen Messgeräten benötigt.
Bei einer fehlerfreien elektrischen Maschine weist der entsprechende Spannungsverlauf insbesondere charakteristische Eigenschaften auf. Der Evaluationswert besitzt dabei einen charakteristischen Wert, welcher insbesondere dem Referenzwert entspricht. Bei Fehlerzuständen der elektrischen Maschine verändern sich die Eigenschaften des Spannungsverlaufs. Je nach vorliegendem Fehlerzustand verändern sich die Eigenschaften auf eine unterschiedliche Art und Weise und somit auch insbesondere der Evaluationswert. Durch Auswerten des Spannungsverlaufs bzw. des Evaluationswerts kann somit auf einen vorliegenden Fehlerzustand rückgeschlossen werden. Insbesondere ist die Fehlererkennung unabhängig von einer Drehzahl und Belastung der elektrischen Maschine, ein Fehlerzustand kann also bei beliebiger Drehzahl und Belastung zuverlässig erkannt werden.
Vorteilhafterweise wird ein statistischer Wert des zeitlichen Verlaufs des Spannungswerts als der Evaluationswert bestimmt. Bevorzugt werden eine Standardabweichung und/oder eine Varianz eines aus dem zeitlichen Verlauf des Spannungswerts bestimmbaren wiederkehrenden Merkmals als der Evaluationswert bestimmt.
Bei fehlerfreiem Betrieb der elektrischen Maschine besitzt der zeitliche Spannungsverlauf insbesondere eine charakteristische, sich periodisch wiederholende Form. Ein statistischer Wert des bestimmbaren wiederkehrenden Merkmals, insbesondere eine Standardabweichung bzw. Varianz, ist somit bei einer fehlerfreien elektrischen Maschine insbesondere vergleichsweise gering und wird zweckmäßigerweise als Referenzwert verwendet.
Bei einem Fehlerzustand der elektrischen Maschine weicht der Spannungsverlauf von dieser charakteristischen Form ab. Bei einem Fehlerzustand ist der statistische Wert des bestimmbaren wiederkehrenden Merkmals des Spannungsverlaufs, insbesondere die Standardabweichung bzw. Varianz, somit zweckmäßigerweise größer als im fehlerfreien Fall. In Abhängigkeit von dem statistischen Wert, insbesondere der Standardabweichung bzw. Varianz kann somit auf einfache und zuverlässige Weise auf einen Fehlerzustand rückgeschlossen werden.
Da die Fehlererkennung somit auf Statistik basiert, ist die Genauigkeit der Fehlererkennung insbesondere abhängig von der Menge der Messdaten. Je mehr Messdaten berücksichtig werden, desto genauer die Ergebnisse. Vorzugsweise umfasst die Menge der Messdaten mindestens 90 Ausführungen des bestimmbaren wiederkehrenden Merkmals, insbesondere mindestens 100. Zweckmäßigerweise wird der Spannungsverlauf daher für eine Zeitdauer von zwischen 90 ms und 150 ms erfasst, besonders bevorzugt für eine Zeitdauer von genau 100 ms oder zumindest im Wesentlichen 100 ms, bei einer Abtastrate von beispielsweise 10kHz.
Insbesondere ist die Anzahl der bestimmten Ausführungen des wiederkehrenden Merkmals abhängig von der Zeitdauer und einer aktuellen Drehzahl der elektrischen Maschine. Beispielsweise können bei einer Drehzahl von 3000 rpm über eine Zeitdauer von 100 ms 180 Ausführungen des Merkmals bestimmt werden. Bei einer Drehzahl von 1800 rpm können über eine Zeitdauer von 100 ms beispielsweise 108 Ausführungen bestimmt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden in dem zeitlichen Verlauf des Spannungswerts Positionen von lokalen Extrema als das bestimmbare wiederkehrende Merkmal bestimmt bzw. erkannt, insbesondere von lokalen Peaks des Spannungsverlaufs. Als Position sei insbesondere ihre zeitliche Position oder ihr zeitlicher Abstand voneinander oder ihre Winkelposition oder ihr Winkelabstand voneinander verstanden. Aus diesen Positionen der erkannten lokalen Extrema wird vorteilhafterweise der Evaluationswert bestimmt. Insbesondere besitzt der zeitliche Verlauf des Spannungswerts bei einer fehlerfreien elektrischen Maschine in jeder Periode ein lokales Extremum bzw. einen lokalen Peak an insbesondere der gleichen oder zumindest im Wesentlichen gleichen Position. Insbesondere entspricht dieser lokale Peak einem Maximalwert einer Halbwelle in dieser Anwendung. Bei einem Fehlerzustand verändert sich die Form des Spannungsverlaufs insbesondere je nach vorliegendem Fehler und der Stärke des Fehlers. Insbesondere verändert sich dabei die Verteilung der lokalen Extrema bzw. der lokalen Peaks. Bei einer Veränderung der Verteilung der lokalen Extrema im Vergleich zum fehlerfeien Fall kann somit ein vorliegender Fehlerzustand erkannt werden. Der Evaluationswert beschreibt daher zweckmäßigerweise die Positionen der erkannten lokalen Extrema des Spannungsverlaufs, insbesondere deren Verteilung.
Vorteilhafterweise wird ein statistischer Wert der Positionen der erkannten lokalen Extrema als der Evaluationswert bestimmt, besonders bevorzugt eine Standardabweichung und/oder eine Varianz. Bei einer fehlerfreien elektrischen Maschine sollten die Positionen der lokalen Extrema eine Normalverteilung mit kleiner Standardabweichung besitzen. Bei einem vorliegenden Fehlerzustand weist die Verteilung der lokalen Extrema eine größere Standardabweichung auf. Daher beschreibt der Evaluationswert zweckmäßigerweise diese Standardabweichung bzw. die Standardabweichung wird vorzugsweise selbst als der Evaluationswert bestimmt.
Der Referenzwert wird vorzugsweise aus einem Referenzverlauf des Spannungswerts bei einer fehlerfreien elektrischen Maschine bestimmt. Dieser Referenzverlauf kann während eines fehlerfreien Betriebs der elektrischen Maschine, beispielsweise im Zuge eines Herstellungsprozesses, messtechnisch erfasst oder im Zuge eines theoretischen Modells der elektrischen Maschine rechnerisch bestimmt werden und beispielsweise in einem Steuergerät zur Ansteuerung der elektrischen Maschine hinterlegt werden.
Vorzugsweise wird der Referenzwert als ein statistischer Wert, besonders bevorzugt als eine Standardabweichung und/oder Varianz, desselben bestimmbaren Merkmals, d.h. insbesondere der Positionen von lokalen Extrema, des Referenzverlaufs des Spannungswerts bestimmt. Analog zu obiger Erläuterung unterscheidet sich dieser Referenzwert von entsprechenden Werten bei einer fehlerbehafteten elektrischen Maschine.
Vorzugsweise wird im Zuge des Vergleichs des Evaluationswerts und des Referenzwerts ein Schwellwertvergleich durchgeführt, wobei der Referenzwert zweckmäßigerweise als Schwellwert verwendet wird. Vorzugsweise wird dabei überprüft, ob der Evaluationswert den Referenzwert überschreitet. Wenn der Evaluationswert den Referenzwert nicht überschreitet, wird insbesondere erkannt, dass kein Fehlerzustand der elektrischen Maschine vorliegt. Überschreitet der Evaluationswert den Referenzwert hingegen, wird insbesondere erkannt, dass ein Fehlerzustand der elektrischen Maschine vorliegt. Beispielsweise lässt eine über der Referenz-Varianz liegende Evaluations-Varianz auf einen Fehler schließen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird im Zuge des Vergleichs des Evaluationswerts und des Referenzwerts eine Abweichung des Evaluationswerts von dem Referenzwert bestimmt. In Abhängigkeit von dieser Abweichung wird vorzugsweise eine Stärke eines vorliegenden Fehlers bewertet.
Vorteilhafterweise wird in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis bewertet, ob als Fehlerzustand der elektrischen Maschine einer oder mehrere der folgenden Zustände vorliegen:

- eine Unterbrechung in einer Phase, wobei ein erhöhter Widerstand zwischen einem Phasenanschluss des Stators und der Gleichrichterschaltung, insbesondere einem Mittelabgriff einer Halbbrücke der Gleichrichterschaltung, vorliegt;
- ein Kurzschluss zwischen zwei Phasen der elektrischen Maschine, wobei ein verringerter, insbesondere verschwindender Widerstand zwischen zwei Phasenanschlüssen des Stators vorliegt;
- eine Unterbrechung in einem Schaltelementpfad, wobei ein erhöhter Widerstand zwischen zwei Schaltelementen einer Halbbrücke der Gleichrichterschaltung vorliegt;
- ein Kurzschluss in einem Schaltelementpfad, wobei ein verringerter insbesondere verschwindender Widerstand über einem Schaltelement der Gleichrichterschaltung vorliegt.

Insbesondere kann in Abhängigkeit von der Abweichung des Evaluationswerts von dem Referenzwert die Stärke dieser Fehlerzustände bewertet werden. Je größer der Widerstandwert bei einer Unterbrechung, umso stärker ist der entsprechende Fehlerzustand. Je kleiner der Widerstandwert bei einem Kurzschluss, umso stärker ist dieser entsprechende Fehlerzustand.
Vorteilhafterweise wird ein zeitlicher Verlauf eines Spannungswerts einer an einer Gleichrichterschaltung der elektrischen Maschine anliegenden Gleichspannung der elektrischen Maschine erfasst. Der Spannungswert kann insbesondere zwischen Gleichspannungsanschlüssen der elektrischen Maschine bzw. der Gleichrichterschaltung messtechnisch erfasst werden und wird zumeist ohnehin für den regulären Betrieb der elektrischen Maschine erfasst.
Besonders vorteilhaft eignet sich die Erfindung für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Durch die elektrische Maschine kann dabei beispielsweise ein Kraftfahrzeugbordnetz gespeist und/oder eine Kraftfahrzeugbatterie geladen werden. Ein Kraftfahrzeugbordnetz kann dabei an Gleichspannungsanschlüsse der Gleichrichterschaltung angeschlossen werden. Insbesondere wird im Rahmen des Verfahrens ein zeitlicher Verlauf einer zwischen diesen Gleichspannungsanschlüssen anliegenden Gleichspannung erfasst und aus diesem Gleichspannungsverlauf wird der Evaluationswert bestimmt. Das Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands kann dabei beispielsweise von einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs durchgeführt werden. Die Erfindung eignet sich beispielsweise besonders für Fahrzeuge mit Funktionen, die erhöhte Sicherheitsanforderungen besitzen, z.B. automatisiertes oder autonomes Fahren, oder für Fahrzeuge mit langen Wartungsintervallen, z.B. Nutzfahrzeuge.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine mit einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
2 zeigt schematisch ein Spannungs-Zeit-Diagramm eines zeitlichen Verlaufs eines Spannungswerts, welcher im Zuge einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden kann.
3 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens als ein Blockdiagramm.
4 bis 7 zeigen jeweils schematisch eine elektrische Maschine in einem Fehlerzustand und jeweils schematisch ein Spannungs-Zeit-Diagramm eines zeitlichen Verlaufs eines Spannungswerts, welcher im Zuge einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in dem jeweiligen Fehlerzustand der elektrischen Maschine bestimmt werden kann.
8 zeigt schematisch Spannungs-Zeit-Diagramme von gefilterten, normierten zeitlichen Verläufen von Spannungswerten, die im Zuge bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden können.
9 zeigt schematisch Normalverteilungen von Positionen von lokalen Extrema gefilterter, normierter zeitlicher Verläufe von Spannungswerten, die im Zuge bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden können.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist eine elektrische Maschine in Form eines Generators schematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet.
Die elektrische Maschine 100 ist in diesem Beispiel als eine dreiphasige elektrische Maschine ausgeführt, wobei Ständerinduktivitäten (Phasen) eines Stators 110 zu einer Dreieckschaltung verbunden sind. Ein Rotor 120 weist eine Erregerwicklung 121 mit einer parallel geschalteten Diode auf. In einem Erregerstromkreis kann weiterhin ein Erregertransistor 122 vorgesehen sein. Durch Ein- und Ausschalten des Erregertransistors 122, üblicherweise mittels PWM-Betriebs, wird an die Erregerwicklung 121 eine Spannung (hier die gleichgerichtete Generatorspannung) intermittierend angelegt, worauf sich ein Erregerstrom einstellt. Durch Verändern der Tastrate des PWM-Betriebs sind insbesondere die Höhe des Erregerstroms und damit die Höhe der Generatorspannung veränderbar.
Die elektrische Maschine 100 weist weiterhin eine mit dem Stator 110 verbundene Gleichrichterschaltung 130 mit drei Halbbrücken zum Gleichrichten einer an dem Stator 110 anliegenden dreiphasigen Wechselspannung auf. Jede Halbbrücke weist zwischen ihren zwei hier als Dioden ausgebildeten Gleichrichtelementen jeweils einen Mittelabgriff auf, über welchen die jeweilige Halbbrücke mit einem Phasenanschluss des Stators 110 verbunden ist.
Zwischen zwei Gleichspannungsanschlüssen 140 der Gleichrichterschaltung 130 wird eine Gleichspannung UB+ als gleichgerichtete Generatorspannung bereitgestellt. Die elektrische Maschine 100 kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug zum Versorgen eines Kraftfahrzeugbordnetzes verwendet werden, welches mit den Gleichspannungsanschlüssen 140 verbunden ist.
Eine Recheneinheit 150 ist zum Ansteuern der elektrischen Maschine 100 vorgesehen. Beispielsweise kann die Recheneinheit 150 als ein Steuergerät des entsprechenden Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Die Recheneinheit 150 ist dazu eingerichtet, eine Erkennung von Fehlerzuständen der elektrischen Maschine durchzuführen. Zu diesem Zweck ist die Recheneinheit 150, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
In 2 ist in einem Spannungs-Zeit-Diagramm der zeitliche Verlauf 200 der Gleichspannung UB+ bei einem fehlerfreien Zustand der elektrischen Maschine 100 schematisch dargestellt.
Dieser Spannungsverlauf 200 stellt insbesondere einen Referenzverlauf der Gleichspannung UB+ im fehlerfreien Zustand der elektrischen Maschine 100 dar und kann beispielsweise während eines fehlerfreien Betriebs der elektrischen Maschine 100, beispielsweise im Zuge eines Herstellungsprozesses, messtechnisch erfasst oder im Zuge eines theoretischen Modells der elektrischen Maschine 100 rechnerisch bestimmt werden.
Der zeitliche Verlauf 200 der Gleichspannung UB+ hat eine typische Form, die insbesondere von der Anzahl der Phasen n_phase, der Anzahl der Polpaare n_pol und der Drehzahl n_gen der elektrischen Maschine 100 abhängig ist. Insbesondere kann eine Periode T_el des zeitlichen Verlaufs dieser Gleichspannung wie folgt berechnet werden: $\frac{1}{T_{e l}} = \frac{2 * n_{p o l} * n_{p h a s e} * n_{g e n}}{60}$
Wie in 2 zu erkennen ist, besitzt der zeitliche Verlauf 200 der Gleichspannung UB+ bei fehlerfreiem Zustand der elektrischen Maschine 100 in jeder Periode ein lokales Extremum bzw. einen lokalen Peak an derselben oder im Wesentlichen derselben Position. Insbesondere entspricht dieser lokale Peak einem Maximalwert einer Halbwelle in dieser Anwendung. Bei gleichbleibender Drehzahl ist der Abstand zwischen zwei benachbarten lokalen Extrema idealerweise konstant bzw. die Extrema liegen immer an derselben Position. Wegen Toleranzen, Messabweichungen und zufälligen Störungen sollten die Positionen bzw. Abstände dieser lokalen Peaks (als bestimmbares wiederkehrendes Merkmal) eine Normalverteilung mit einer kleinen Standardabweichung besitzen (siehe auch 9).
Bei einem Fehlerzustand der elektrischen Maschine 100 verändert sich die Form des Spannungsverlaufs der Gleichspannung UB+ in Abhängigkeit von dem vorliegenden Fehlerzustand und der Stärke des Fehlers. Somit verändert sich ebenfalls die Verteilung der lokalen Peaks. Eine Veränderung der Abstands-Verteilung der lokalen Extrema im Vergleich zu dem Referenzverlauf 200 deutet somit auf einen Fehlerzustand der elektrischen Maschine 100 hin.
Ein statistischer Wert, welcher von der aktuellen Verteilung der lokalen Extrema des Spannungsverlaufs abhängt, besonders bevorzugt die Standardabweichung dieser Verteilung, wird daher im Rahmen des Verfahrens bestimmt, um einen vorliegenden Fehlerzustand der elektrischen Maschine 100 erkennen zu können. Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche zweckmäßigerweise von dem Steuergerät 150 durchgeführt werden kann, ist in 3 schematisch als ein Blockdiagramm dargestellt.
Im laufenden Betrieb der elektrischen Maschine 100 wird in Schritt 310 der zeitliche Verlauf der Gleichspannung UB+ beispielsweise für eine Zeitdauer von 100 ms erfasst.
In Schritt 320 wird aus diesem erfassten zeitlichen Verlauf der Gleichspannung UB+ ein Evaluationswert bestimmt. Da die Rohdaten der Messung mit Störung und Rauschen behaftet sein können, werden die Rohdaten, also der erfasste zeitliche Verlauf der Gleichspannung UB+, zunächst in einem optionalen Schritt 321 durch ein Filter geglättet. Die geglätteten Daten werden in Schritt 322 mittels ihres Mittelwerts optional normiert, beispielsweise durch Subtraktion ihres Mittelwerts, damit die Signalverläufe deutlicher werden.
Anschließend werden in dem geglätteten und normierten zeitlichen Verlauf der Gleichspannung UB+ in Schritt 323 lokale Extrema bzw. lokale Peaks erkannt und deren Positionen innerhalb einer Periode bestimmt. Insbesondere wird zu diesem Zweck ein theoretischer Wert für die Periode T_el bei der aktuellen Drehzahl der elektrischen Maschine 100 gemäß obiger Formel bestimmt. Die lokalen Extrema werden in Schritt 323 insbesondere mit dieser Periode T_el detektiert.
Damit Verteilungen der lokalen Peaks miteinander vergleichbar werden, werden die in Schritt 323 bestimmten Positionen der erkannten lokalen Peaks in Schritt 324 durch Subtraktion ihres Mittelwerts normiert. Auf diese Weise erhält man eine Dichtefunktion der Verteilung der Positionen der erkannten lokalen Peaks, welche als eine Normalverteilung angenommen werden kann.
In Schritt 325 wird eine Standardabweichung dieser Verteilung der erkannten lokalen Peaks als Evaluationswert bestimmt.
In Schritt 330 wird dieser bestimmte Evaluationswert in Form der Standardabweichung mit einem Referenzwert verglichen. Dieser Referenzwert wird in Schritt 331 aus einem Referenzverlauf der Gleichspannung UB+ bestimmt, wie er beispielsweise in 2 dargestellt ist. Der Referenzverlauf bei der aktuellen Drehzahl der elektrischen Maschine 100 kann dabei mit Hilfe von Kennfeldern in dem Steuergerät 150 hinterlegt sein oder kann von dem Steuergerät 150 mittels eines theoretischen Models bestimmt werden. Als Referenzwert wird in Schritt 331 eine Standardabweichung einer Positions-Verteilung von lokalen Peaks dieses Referenzverlaufs bestimmt.
Insbesondere wird in Schritt 330 ein Schwellwertvergleich durchgeführt und überprüft, ob der Evaluationswert den Referenzwert, vorzugsweise zusätzlich einer sinnvollen Toleranzschwelle, überschreitet. Wenn der Evaluationswert den Referenzwert (ggf. zzgl. der Toleranzschwelle) nicht überschreitet und unterhalb des Referenzwerts (ggf. zzgl. der Toleranzschwelle) liegt (d.h. die Standardabweichung der Messung ist höchstens so groß wie die Standardabweichung (ggf. zzgl. der Toleranzschwelle) der Referenz), wird in Schritt 341 erkannt, dass kein Fehlerzustand der elektrischen Maschine 100 vorliegt.
Überschreitet der Evaluationswert den Referenzwert (ggf. zzgl. der Toleranzschwelle) hingegen, wird in Schritt 342 erkannt, dass ein Fehlerzustand der elektrischen Maschine 100 vorliegt. In diesem Fall wird in Schritt 343 eine Stärke des Fehlerzustands in Abhängigkeit davon bestimmt, wie stark der Evaluationswert von dem Referenzwert (ggf. zzgl. der Toleranzschwelle) abweicht. Insbesondere wird bei Erkennen eines Fehlerzustands in Schritt 342 eine Sicherheits- bzw. Selbstschutz-Maßnahme durchgeführt, beispielsweise eine Begrenzung der Belastung der elektrischen Maschine 100 durch einen begrenzten Erregerstrom.
Im Nachfolgenden werden in Bezug auf die 4 bis 9 unterschiedliche Fehlerzustände der elektrischen Maschine beschrieben und wie diese Fehlerzustände im Rahmen des Verfahrens erkannt werden können.
In den 4 bis 7 ist die elektrische Maschine aus 1 schematisch in unterschiedlichen Fehlerzuständen dargestellt. Weiterhin sind in den 4 bis 7 analog zu 2 Spannungsverläufe der Gleichspannung UB+ schematisch dargestellt, welche in diesen Fehlerzuständen im Rahmen des Verfahrens in Schritt 310 erfasst werden können.
In 4a ist die elektrische Maschine aus 1 in einem ersten Fehlerzustand 100A schematisch dargestellt. In diesem ersten Fehlerzustand 100A liegt eine Unterbrechung in einer Phase vor, wobei ein erhöhter (ggf. unendlicher) Widerstand R₁ zwischen einem Phasenanschluss des Stators 110 und einem Mittelabgriff einer Halbbrücke der Gleichrichterschaltung 130 vorliegt. In 4b ist ein zeitlicher Verlauf 200A der Gleichspannung UB+ dargestellt, welcher in einem derartigen Fehlerzustand 100A im Rahmen des Verfahrens in Schritt 310 erfasst werden kann.
In 5a ist die elektrische Maschine in einem zweiten Fehlerzustand 100B schematisch dargestellt, in welchem ein Kurzschluss zwischen zwei Phasen der elektrischen Maschine 100 vorliegt, wobei ein verringerter, insbesondere verschwindender Widerstand R₂ zwischen zwei Phasenanschlüssen des Stators 110 vorliegt. In 5b ist ein zeitlicher Verlauf 200B der Gleichspannung UB+ dargestellt, welcher in diesem zweiten Fehlerzustand 100B im Rahmen des Verfahrens in Schritt 310 erfasst werden kann.
Ein dritter Fehlerzustand 100C der elektrischen Maschine ist in 6a dargestellt, wobei eine Unterbrechung in einem Schaltelementpfad der Gleichrichterschaltung 130 vorliegt. Dabei liegt ein erhöhter Widerstand (ggf. unendlicher) R₃ zwischen zwei Schaltelementen einer der Halbbrücke der Gleichrichterschaltung 130 vor. Ein entsprechender Verlauf 200C der Gleichspannung UB+, welcher in diesem dritten Fehlerzustand 100C erfasst werden kann, ist schematisch in 6b dargestellt.
In einem vierten Fehlerzustand 100D der elektrischen Maschine, der in 7a dargestellt ist, liegt ein Kurzschluss in einem Schaltelementpfad vor mit einem verringerten, insbesondere verschwindenden Widerstand R₄ über einem Schaltelement der Gleichrichterschaltung 130. 7b zeigt einen entsprechenden Verlauf 200D der Gleichspannung UB+, welcher in diesem vierten Fehlerzustand 100D erfasst werden kann
Analog zu obigen Erläuterungen in Bezug auf 3 können diese Verläufe 200A bzw. 200B bzw. 200C bzw. 200D in Schritt 310 des Verfahrens bestimmt werden, wenn der entsprechende Fehlerzustand 100A bzw. 100B bzw. 100C bzw. 100D der elektrischen Maschine vorliegt. Gemäß Schritt 321 bis 323 werden diese Verläufe 200A bzw. 200B bzw. 200C bzw. 200D gefiltert und normiert, um lokale Peaks mit Hilfe der Periode T_el zu erkennen.
In 8 sind schematisch in Spannungs-Zeit-Diagrammen entsprechende gefilterte, normierte zeitliche Verläufe 200A bzw. 200B bzw. 200C bzw. 200D dargestellt, die im Zuge bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden. Die einzelnen erkannten lokalen Extrema bzw. lokalen Peaks sind dabei jeweils mit einem Asteriskus dargestellt.
8a zeigt einen gefilterten und normierten zeitlichen Verlauf 300 des in 2 dargestellten Referenzverlaufs 200.
8b zeigt einen gefilterten und normierten zeitlichen Verlauf 300A des Spannungsverlaufs 200A aus 4b, der im Zuge des ersten Fehlerzustands 100A bestimmt werden kann.
8c zeigt einen gefilterten und normierten zeitlichen Verlauf 300B des in 5b gezeigten Spannungsverlaufs 200B, der im Zuge des zweiten Fehlerzustands 100B bestimmt werden kann.
Ein gefilterter, normierter Verlauf 300C des in 6b gezeigten Spannungsverlaufs 200C des dritten Fehlerzustands 100C ist in 8d dargestellt.
In 8e ist ein gefilterter, normierter Verlauf 300D des in 7b gezeigten Spannungsverlaufs 200D im vierten Fehlerzustands 100D dargestellt.
Wie oben erläutert, werden die in Schritt 323 die Positionen der erkannten lokalen Peaks in Schritt 324 durch Subtraktion ihres Mittelwerts normiert, wodurch eine Dichtefunktion der Positions-Verteilung der erkannten lokalen Peaks bestimmt wird, welche als eine Normalverteilung angenommen werden kann, insbesondere mit einem Mittelwert von null.
In 9 sind entsprechende Normalverteilungen der Peakpositionen dargestellt, die in den gefilterten, normierten zeitlichen Verläufen 300, 300A, 300B, 300C, 300D der 8a bis 8e erkannt wurden.
Kurve 400 ist dabei eine Normalverteilung der erkannten lokalen Peaks des in 8a gezeigten gefilterten, normierten Verlaufs 300 des Referenzverlaufs 200 aus 2.
Kurve 400A ist eine Normalverteilung der Positionen der erkannten lokalen Peaks des gefilterten, normierten Verlaufs 300A aus 8b im ersten Fehlerzustand 100A.
Kurve 400B ist eine Normalverteilung der Positionen der erkannten lokalen Peaks des in 8c gezeigten gefilterten, normierten Verlaufs 300B im zweiten Fehlerzustand 100B.
Kurve 400C ist eine Normalverteilung der Positionen der erkannten lokalen Peaks des in 8d gezeigten gefilterten, normierten Verlaufs 300C im dritten Fehlerzustand 100C.
Kurve 400D ist eine Normalverteilung der Positionen der erkannten lokalen Peaks des in 8e gezeigten gefilterten, normierten Verlaufs 300D im vierten Fehlerzustand 100D.
Wie in 9 zu erkennen ist, ist die Verteilung 400 der lokalen Peaks im Referenzfall die schlankeste und besitzt die geringste Standardabweichung bzw. die geringste Varianz. Daher wird die Standardabweichung dieser Verteilung 400 als Referenzwert bestimmt. Die Standardabweichungen der übrigen Verteilungen 400A, 400B, 400D, 400D sind jeweils größer als die Standardabweichung der Verteilung 400.
Je mehr die Standardabweichungen der Verteilungen 400A, 400B, 400D, 400D als Evaluationswerte von der Standardabweichung der Verteilung 400 als Referenzfall abweichen, desto stärker ist der entsprechende Fehlerzustand der elektrischen Maschine, wodurch in Schritt 343 die Stärke des jeweiligen Fehlers bestimmt werden kann.
Je größer dabei der Widerstandwert R₁ bzw. R₃ bei einer Unterbrechung im ersten bzw. dritten Fehlerzustand, umso stärker ist der entsprechende Fehlerzustand. Je kleiner der Widerstandwert R₂ bzw. R₄ bei einem Kurzschluss im zweiten bzw. vierten Fehlerzustand, umso stärker ist dieser entsprechende Fehlerzustand.

Claims

Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands (100A, 100B, 100C, 100D) einer elektrischen Maschine (100) mit einem Rotor (120), einem Stator (110) und einer mit dem Stator (110) verbundenen Gleichrichterschaltung (130), wobei ein zeitlicher Verlauf (200A, 200B, 200C, 200D) eines Spannungswerts (UB+) der elektrischen Maschine (100) erfasst wird (310), wobei aus dem erfassten zeitlichen Verlauf (200A, 200B, 200C, 200D) des Spannungswerts (UB+) ein Evaluationswert bestimmt wird (320), wobei der bestimmte Evaluationswert mit einem Referenzwert verglichen wird (330) und wobei in Abhängigkeit von einem Vergleichsergebnis bewertet wird, ob ein Fehlerzustand (100A, 100B, 100C, 100D) der elektrischen Maschine vorliegt (341) oder nicht (342).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein statistischer Wert des zeitlichen Verlaufs (200A, 200B, 200C, 200D) des Spannungswerts (UB+) als der Evaluationswert bestimmt wird (325).
Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine Standardabweichung und/oder eine Varianz eines aus dem zeitlichen Verlauf (200A, 200B, 200C, 200D) des Spannungswerts (UB+) bestimmbaren wiederkehrenden Merkmals als der Evaluationswert bestimmt werden (325).
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei in dem zeitlichen Verlauf (200A, 200B, 200C, 200D) des Spannungswerts (UB+) Positionen von lokalen Extrema als bestimmbare wiederkehrende Merkmale bestimmt werden (324) und wobei aus diesen erkannten lokalen Extrema der Evaluationswert bestimmt wird (325).
Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein statistischer Wert der Positionen der erkannten lokalen Extrema als der Evaluationswert bestimmt wird (325).
Verfahren nach Anspruch 5, wobei eine Standardabweichung und/oder eine Varianz der Positionen der erkannten lokalen Extrema als der Evaluationswert bestimmt werden (325).
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Referenzwert aus einem Referenzverlauf (200) des Spannungswerts (UB+) bei einer fehlerfreien elektrischen Maschine (100) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Referenzwert als statistischer Wert, insbesondere als eine Standardabweichung und/oder Varianz, von Positionen von lokalen Extrema des Referenzverlaufs (200) des Spannungswerts (UB+) bestimmt wird (331).
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei im Zuge des Vergleichs des Evaluationswerts und des Referenzwerts ein Schwellwertvergleich durchgeführt wird und überprüft wird, ob der Evaluationswert den Referenzwert überschreitet (330).
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei im Zuge des Vergleichs des Evaluationswerts und des Referenzwerts eine Abweichung des Evaluationswerts von dem Referenzwert bestimmt wird und wobei in Abhängigkeit von dieser Abweichung eine Stärke eines vorliegenden Fehlers bewertet wird (343).
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis bewertet wird, ob als Fehlerzustand der elektrischen Maschine eine Unterbrechung in einer Phase (100A) und/oder ein Kurzschluss zwischen zwei Phasen (100B) und/oder eine Unterbrechung in einem Schaltelementpfad (100C) und/oder ein Kurzschluss in einem Schaltelementpfad (100D) vorliegt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei ein zeitlicher Verlauf (200A, 200B, 200C, 200D) eines Spannungswerts (UB+) einer an der Gleichrichterschaltung (130) der elektrischen Maschine (100) anliegenden Gleichspannung erfasst wird (310).
Recheneinheit (150), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit (150) dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (150) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 14.