DE102019130180A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Offsets eines Winkellagegebers an einer Rotorwelle einer elektrischen Synchronmaschine mit einem Strom- oder Spannungstimingoffsets eines Inverters - Google Patents

Abstract

Verfahren (1) zum Bestimmen eines Offsets eines Winkellagegebers (101), der einem Rotor einer elektrischen Synchronmaschine (100) zugeordnet ist, einen Inverter, der einen Regler und einen mit der elektrischen Synchronmaschine (100) verbundenen Inverterausgang aufweist, umfassend die folgenden Schritte:- Einstellen einer ersten Motordrehzahl mittels einer ersten d-Inverterspannung und einer ersten q- Inverterspannung durch den Regler, wodurch eine erste d-Motorspannung und eine erste q-Motorspannung am Inverterausgang vom Inverter erzeugt werden, undEinstellen eines ersten d-Inverterstroms und eines ersten q- Inverterstroms durch den Regler, wodurch ein erster d-Motorstrom und ein erster q-Motorstrom am Inverterausgang vom Inverter erzeugt werden;- Einstellen des ersten d-Motorstroms und des ersten q- Motorstroms auf null durch den Regler mittels einer zweiten d-Inverterspannung und einer zweiten q- Inverterspannung;- Ermitteln des Offsets aus der zweiten d-Inverterspannung, der zweiten q- Inverterspannung und der ersten Motordrehzahl.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Offsets eines Winkellagegebers an einer Rotorwelle einer elektrischen Synchronmaschine mit einem Strom- oder Spannungstimingoffsets eines Inverters.
• Stand der Technik
• Elektromotoren als elektrische Synchronmaschine sind allgemein bekannt und finden zunehmend Anwendung für den Antrieb von Fahrzeugen. Ein Elektromotor besteht aus einem Stator und einem Rotor.
• Der Stator umfasst eine Vielzahl von Slots, in denen die Windungen geführt werden. Der Rotor befindet sich im Stator und ist mit einer Rotorwelle verbunden. Für die Steuerung der elektrischen Synchronmaschine ist es nötig die genaue Winkellage des Rotors im Stator zu kennen. Mittels eines sogenannten Winkellagegebers kann der Lagewinkel fortlaufend gemessen werden. Der Winkellagegeber kann beispielsweise am Stator oder einem Lagerschild befestigt werden, muss jedoch einen Abstand zum Rotor aufweisen.
• Aus der DE 10 2011 087 396 A1 ist ein Verfahren zur Montage eines Winkellagegebers an einer Rotorwelle eines Elektromotors bekannt. Da die physikalische Lage nie absolut genau ist, muss die Abweichung von der eingebauten zur erwünschten Lage bei jeder elektrischen Maschine bestimmt werden. Diese fertigungsbedingte Lageabweichung wird auch Offset genannt. In dem aus DE '396 bekannten Verfahren wird nach dem Einbau des Winkellagegebers die genaue Lage, also das Offset, bezüglich des Rotors und des am Stator befestigten Winkellagegebers auf einem Motorprüfstand bestimmt.
• Der Betrieb der elektrischen Maschine erfolgt in der Regel an Umrichtern mit Pulsweitenmodulation. Dadurch bedingt kommt es zu Zeitverzögerungen bei der Strommessung und auch bei der Spannungsausgabe, welche systemimmanent sind.
• Bei der Bestimmung des Offsets ist Stand der Technik, dass der Motor auf eine Drehzahl beschleunigt wird und dann das Offset durch die Bestimmung der EMK aus den gestellten Spannungen ermittelt wird. Dabei gibt es verschiedene Randbedingungen zu beachten, um die Lage der EMK und somit den Offset aus den Spannungen zu ermitteln.
• Aufgabe und Lösung
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Bestimmen eines Offsets eines Winkellagegebers an einer Rotorwelle einer elektrischen Synchronmaschine mit einer Strom- oder Spannungsverzögerung eines Inverters bereitzustellen.
• Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zum Bestimmen eines Offsets eines Winkellagegebers, der einem Rotor einer elektrischen Synchronmaschine zugeordnet ist, einen Inverter, der einen Regler und einen mit der elektrischen Synchronmaschine verbundenen Inverterausgang aufweist, die folgenden Schritte: Einstellen einer ersten Motordrehzahl mittels einer ersten d-Inverterspannung und einer ersten q-Inverterspannung durch den Regler, wodurch eine erste d-Motorspannung und eine erste q- Motorspannung am Inverterausgang vom Inverter erzeugt wird, und Einstellen eines ersten d-Inverterstroms und eines ersten q- Inverterstroms durch den Regler, wodurch ein erster d-Motorstrom und ein erster q- Motorstrom am Inverterausgang vom Inverter erzeugt wird; Einstellen der ersten d-Motorspannung, des ersten d-Motorstroms und des ersten q-Motorstroms auf null durch den Regler mittels einer zweiten d-Inverterspannung und einer zweiten q- Inverterspannung; Ermitteln des Offsets aus der zweiten d-Inverterspannung, der zweiten q- Inverterspannung und der ersten Motordrehzahl.
• Der Inverter stellt an seinem Inverterausgang die für den optimalen Betrieb der elektrischen Synchronmaschine benötigten Wechselspannung und -strom bereit (d, q-Motorspannung und d, q-Motorstrom). Dazu weist der Inverter einen Regler auf, der als interne Invertervorgabe jeweils einen d- und q-Sollwert für Strom und Spannung vorgibt (d, q-Inverterspannung, d, q-Inverterstrom).
• Die Umwandlung des 3-phasigen Drehstromfeldes (u, v, w) einer elektrischen Synchronmaschine in ein d, q Koordinatensystem ist dem Fachmann unter anderem aus DE 10 2015 211 863 A1 bekannt. Es ist somit klar, dass an der elektrischen Synchronmaschine tatsächlich eine dreiphasige Wechselspannung und -strom anliegt, wobei diese auch als d, q- Motorspannung und -strom beschrieben werden können.
• Ferner benötigt der Regler Informationen über die Lage des Rotors im Stator der elektrischen Synchronmaschine. Ein Lagesensor am Stator bestimmt die Position des Rotors. Der Lagesensor weist fertigungsbedingt einen Offset auf, der durch den Einbau entsteht. Ferner benötigt der Regler für die Einstellung der Spannung und des Stromes am Inverterausgang eine gewisse Zeit. Diese Zeitverzögerung und der fertigungsbedingte Offset bilden zusammen die Abweichung der tatsächlichen Lage des Rotors von der der Regelung zugrundeliegende Lage, also den Offset des Winkellagegebers. Dieser Offset führt dazu, dass die d- und q- Istwerte am Inverterausgang (Motorstrom und Motorspannung) von den vom Regler vorgegebenen Sollwerten abweichen.
• Der fertigungsbedingte Offset tritt unabhängig von der Regelung im Inverter auf, wogegen die Zeitverzögerung von der Schaltfrequenz des Inverters bzw. der Drehzahl der elektrischen Synchronmaschine abhängig ist.
• Durch das Einstellen des ersten d-Motorstroms und des ersten q- Motorstroms auf null durch den Regler mittels einer zweiten d-Inverterspannung und einer zweiten q-Inverterspannung lässt sich der Offset des Winkellagegebers bestimmen, da dieser nur noch abhängig von der zweiten d-Inverterspannung und der zweiten q- Inverterspannung ist.
• Wäre kein Offset vorhanden, so müsste die zweite d-Inverterspannung und die zweite q- Inverterspannung identisch mit der ersten d-Motorspannung und der ersten q-Motorspannung sein.
• Bevorzugt kann das Offset aus dem Arkustangens des inversen Quotienten der zweiten d-Inverterspannung und der zweiten q- Inverterspannung ermittelt werden, wobei die zweite q-Inverterspannung ungleich Null ist.
• In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das Offset aus einem Hardwareoffset und einem Spannungstimingoffset bestehen und die zusätzlichen Schritten umfassen: Einstellen einer zweiten Motordrehzahl, die sich von der ersten Motordrehzahl unterscheidet, mittels einer dritten d-Inverterspannung und einer dritten q- Inverterspannung durch den Regler, wodurch eine dritte d-Motorspannung und eine dritte q- Motorspannung am Inverterausgang vom Inverter erzeugt wird, und Einstellen eines dritten d-Inverterstroms und eines dritten q- Inverterstroms durch den Regler, wodurch ein dritter d-Motorstrom und ein dritter q- Motorstrom am Inverterausgang vom Inverter erzeugt wird; Einstellen des d-Motorstroms und des q- Motorstroms auf null durch den Regler mittels einer vierten d-Inverterspannung und einer vierten q-Inverterspannung; Ermitteln des Hardwareoffsets und des Spannungtimingoffset aus der zweiten und vierten d-Inverterspannung, der zweiten und vierten q-Inverterspannung und der ersten und zweiten Motordrehzahl.
• Die bereits erwähnte Zeitverzögerung schlägt sich bei einer Stromreglung in einem Spannungstimingoffset nieder und der ebenfalls bereits erwähnte fertigungsbedingte Offset ist als Hardwareoffset bekannt.
• Durch eine zweite Drehzahl kann sowohl der drehzahlabhängige Spannungstimingoffset als auch der drehzahlunabhängige Hardwareoffset bestimmt werden, da der Spannungstimingoffset im Wesentlichen linear mit der Drehzahl steigt. Im Wesentlichen bedeutet, das ungewollte, technisch bedingte Abweichungen unberücksichtigt bleiben sollen, also z.B. Messfehler.
• Bevorzugt kann das Offset aus einem Hardwareoffset und einem Stromtimingoffset bestehen und die zusätzlichen Schritten umfassen: Einstellen eines fünften d-Inverterstroms und eines fünften q- Inverterstroms durch den Regler bei stehendem Motor, wobei der fünfte q-Inverterstrom Null ist, wodurch ein fünfter d-Motorstrom und ein fünfter q- Motorstrom am Inverterausgang vom Inverter erzeugt wird; Bestimmen einer fünften d-Inverterspannung am Regler oder einer fünften d-Motorspannung am Inverterausgang; Einstellen einer dritten Motordrehzahl; Einstellen eines sechsten d-Inverterstroms und eines sechsten q- Inverterstroms durch den Regler bei der dritten Motordrehzahl, wobei der sechsten q-Inverterstrom Null ist; Bestimmen einer sechsten d-Inverterspannung am Regler oder einer sechsten d-Motorspannung am Inverterausgang, Ermitteln des Stromtimingoffset aus dem Unterschied zwischen der fünften und sechsten d-Inverterspannung am Regler oder der fünften und sechsten d-Motorspannung am Inverterausgang.
• Auch bei der Regelung des Stromes entsteht eine Zeitverzögerung, die zu einer Winkeldiffernz, also einem Stromtimingoffset, zwischen Motorstromzeiger und Inverterstromzeiger im d-q-Koordinatensystem führt.
• Zusammengefasst besteht der Offset beim Regeln der Spannung aus dem bauartbedingten Hardwareoffset und der Zeitverzögerung bei der Regelung, also dem Spannungstimingoffset, der zusätzlich drehzahlabhängig ist. Der bauartbedingte Hardwareoffset ist nicht drehzahlabhängig.
• Bei der Berechnung der d-Motorspannung wird eine Besonderheit ausgenutzt. Bei q-Inverterstrom gleich null, ist die d-Motorspannung unabhängig von der elektrischen Kreisfrequenz der elektrischen Synchronmaschine, bzw. der Motordrehzahl.
• Wird der q-Inverterstrom auf null geregelt, so ist feststellbar, dass die d-Motorspannung keinesfalls unabhängig der Kreisfrequenz ist. Aus dieser Abweichung lässt sich der Offset berechnen.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann die Motordrehzahl im Bereich von zweidrittel einer Motornennendrehzahl liegen.
• Bevorzugt kann die erste Motordrehzahl in einer Drehrichtung der elektrischen Synchronmaschine entgegengesetzt zu einer Drehrichtung der zweiten Motordrehzahl eingestellt werden.
• Besonders bevorzugt kann als zusätzlichen Schritt eine Plausibilisierung der Messerwerte durchgeführt werden.
• Dies kann beispielsweise für ein ASIL-C nötig werden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das Verfahren als End of Line Test einer Serienproduktion durchführbar sein.
• Erfindungsgemäß weist eine Elektrischen Synchronmaschine einen Winkellagegeber und einen Inverter auf, in dem ein Offset gespeichert ist, das gemäß einer der bevorzugten Verfahren bestimmte wurde.
• Erfindungsgemäß weist ein Fahrzeug eine elektrische Synchronmaschine, insbesondere einen Elektromotor, und einen Inverter auf, in dem ein Offset gespeichert ist, das gemäß einer der bevorzugten Verfahren bestimmte wurde.
• Figurenliste
• 1 zeigt einen Inverter mit einer elektrischen Synchronmaschine.
• 2 zeigt ein Verfahren zum Bestimmen eines Spannungstimingoffsets und eines Hardwareoffsets.
• 3 zeigt ein Verfahren zum Bestimmen eines Stromtimingoffsets.
• 4 zeigt ein kombiniertes Verfahren zum Bestimmen eines Spannungs-, Stromtimingoffsets und eines Hardwareoffsets.
• 5 zeigt ein Fahrzeug mit einer elektrischen Synchronmaschine und einen Winkellagegeber.
• In 1 ist eine schematische Darstellung eines Inverters 1, der an einer elektrische Synchronmaschine 3 angeschlossen ist. Die elektrische Synchronmaschine 3, die beispielsweise ein Synchronmotor sein kann, weist einen Winkellagegeber 7 auf, optional ist auch ein Drehzahlmesser 23 vorhanden. Alternativ kann die Drehzahl auch aus der Frequenz der Spannung in der elektrischen Synchronmaschine bestimmt werden.
• Der Inverter 1 umfasst einen Regler 5 für die Ansteuerung der Schalter 19, einen Strommesser am Inverterausgang 9, der optional auch Spannung messen kann. Eine Einheit 15, die die Messwerte 21 des Spannungsmessers über eine Wandler 11 an den Regler 5 weitergibt, selbstverständlich kann der Spannungsmesser auch direkt an den Wandler 11 angebunden sein.
• Der Wandler 11 transformiert die an der elektrischen Synchronmaschine gemessene dreiphasigen Spannungen und Ströme u, v, w über α und β in das bekannte d, q- Modell. Dazu benötigt der Wandler 11 den Lagewinkel α des Rotors in der elektrischen Synchronmaschine 3. Der vom Winkellagegeber 7 gemessenen Lagewinkel α_M weist jedoch einen Offset auf. Beim Einbau des Winkellagegeber 7, der auch Resolver genannt wird, kommt es zu einer bauartbedingten Abweichung, einem sogenannten Hardwareoffset α_Offset. Ferner weist der Inverter 1 im Rahmen seiner Regelung der elektrischen Synchronmaschine 3 ein Timingoffset bei der Spannungs- und Stromregelung auf, das von der Drehzahl (rpm) der elektrischen Synchronmaschine bzw. der Frequenz der Spannung, bzw. des Stroms abhängig ist. Da das Timingoffset von der Spannung oder dem Strom abhängt, ergibt sich ein Spannungstimingoffset α_ΔT,u und ein Stromtimingoffset α_ΔT,i. Der vom Winkellagegeber gemessene Lagewinkel α_M des Rotors muss also um den Hardwareoffset α_Offset und jeweils das Spannungs-, bzw. Stromtimingoffset in Abhängigkeit der Drehzahl angepasst werden, was zu einem Lagewinkel α führt.
• Im Folgenden werden das Bestimmen des Spannungstimingoffsets α_ΔT,u und des Hardwareoffsets α_Offset beschrieben.
• Das Spannungstimingoffset α_ΔT,u wie auch der Hardwareoffset α_Offset kann ermittelt werden, wenn der Inverterstrom i_d,Inv, i_q,Inv am Regler für verschiedene Drehzahlen aufgezeichnet wird, wobei der q- und d-Motorstrom i_d, i_q am Inverterausgang 9 und somit in der elektrischen Synchronmaschine zu 0 A geregelt werden. Die Drehzahl liegt vorzugsweise im mittleren Drehzahlbereich, damit einerseits eine gute Auflösung der Aufzeichnung vorhanden ist und andererseits die Eisenverluste vernachlässigbar bleiben. Hardware- und Spannungstimingoffset werden anhand der d- und q-Inverterspannung u_d,Inv, u_q,Inv am Regler 5 bestimmt.
• Es ist bekannt, dass der Hardwareoffset α_Offset durch die Einbaulage des Winkellagegebers 7 am Rotor über die Drehzahl konstant ist, während das Spannungstimingoffsets α_ΔT,u proportional mit der Frequenz, also der Drehzahl zunimmt. Die Summe beider Offsets ergibt den Spannungsoffset α_ges,u für die Spannungsregelung, also den Unterschied zwischen der am Regler eingestellten Spannung u_d,Inv, u_q,Inv und der am Inverterausgang u_d, u_q, bzw an der elektrischen Synchronmaschine 3, also beispielsweise an einem Motor anliegenden Spannung auch Motorspannung genannt. Der Wandler 11 bekommt vom Winkellagegeber 7 die Rotorposition α_M im Stator mitgeteilt und der Regler regelt daraufhin die Schalter 19. Bedingt durch den Offset α_Offset des Winkellagegebers und die Verzögerung des Inverters, also beispielsweise in der Spannungsmessung 9, Wandler 11, Regler 5 oder Schalter 19, kommt es zu einer Abweichung zwischen dem gewünschten Werten des Reglers 5 und den am Inverterausgang 9, bzw. in der elektrischen Synchronmaschine 3 anliegen Werten. Damit ergeben sich folgende Gleichungen: $${\propto }_{\Delta T,u}=\Delta T_u\cdot {\omega }_{el}$$

  

  $${\propto }_{ges,u}={\propto }_{\Delta T,u}+{\propto }_{Offset}$$

  
• Wie dem Fachmann bekannt ist, ist die elektrische Kreisfrequenz von der Drehzahl der Synchronmaschine abhängig.
• Unter der Voraussetzung, dass die Motorströme i_d, i_q am Inverterausgang 9 bzw. in der elektrischen Synchronmaschine 3 aufgrund der Regelung 0 A betragen, gelten für die stationären Spannungsgleichungen der Synchronmaschine 3 folgende Gleichungen: $$u_q\stackrel{\text{!}}{=}OV$$

  

  $$u_q={\Psi }_{PM}\cdot {\omega }_{el}$$

  
• Aus diesen Gleichungen ergibt sich wiederum: $$\Delta T_u\cdot {\omega }_{el}=\Delta T_u\cdot \frac{u_q}{{\Psi }_{PM}}=\frac{\Delta T}{{\Psi }_{PM}}\cdot u_q$$

  
• Wie bereits erwähnt, setzt sich der Spannungsoffset α_ges,u aus zwei Anteilen zusammen. Dieser Spannungsoffset führt zu einer Verdrehung der am Inverterausgang 9 gemessenen Spannungen u_d, u_q womit sich folgendes ergibt: $$\left[\begin{array}{c}{u}_{d,inv}\\ u_{q,Inv}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\text{cos}\left({\propto }_{ges,u}\right)& -\text{sin}\left({\propto }_{ges,u}\right)\\ \text{sin}\left({\propto }_{ges,u}\right)& \text{cos}\left({\propto }_{ges,u}\right)\end{array}\right]\cdot \left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]$$

  
• Da die Voraussetzung gilt, dass der Motorstrom i_d, i_q im Motor 0 A ist, muss die d-Motorspannung u_d im Motor null sein. Damit ergibt sich: $$u_{d,inv}=-\text{sin}\left(a_{ges,u}\right)\cdot u_q$$

  

  $$u_{q,inv}=\text{cos}\left(a_{ges,u}\right)\cdot u_q$$

  

  $$\begin{array}{l}\to u_{d,inv}=-\text{sin}\left(a_{ges,u}\right)\cdot \frac{u_{q,Inv}}{\text{cos}\left({\alpha }_{ges,u}\right)}=-\text{tan}{\alpha }_{ges,u}\cdot u_{q,Inv}\\ =-\text{tan}\left(\Delta T_u\cdot {\omega }_{el}+{\alpha }_{Offset}\right)\cdot u_{q,Inv}\end{array}$$

  
• Eine weitere Umformung führt zu: $${\text{tan}}^{-1}\left(-\frac{u_{d,Inv}}{u_{q,Inv}}\right)=\Delta T_u\cdot {\omega }_{el}+{\alpha }_{Offset}$$

  
• Das Ergebnis kann als eine lineare Funktion von ω_el interpretiert werden, in welcher die Koeffizienten genau die gesuchten Größen Spannungstimingoffset α_ΔT,u und Hardwareoffset α_Offset darstellen. $${\text{tan}}^{-1}\left(-\frac{u_{d,Inv}}{u_{q,Inv}}\right)={\alpha }_{\Delta T,u}\cdot {\omega }_{el}+{\alpha }_{Offset}$$

  
• Mittels einer Messdatenreihe, welche durch eine State-Machine im entsprechenden Vermessungsmodus aufgenommen wird, können die Koeffizienten a_ΔT,u und α_Offset bestimmen werden, z.B. durch ein Least-Square-Verfahren.
• Vorteilhafterweise werden als Messwerte keine q-Inverterspannungen u_d,Inv nahe 0 V verwendet werden, da sonst die Koeffizientenbestimmung fehlschlagen könnte.
• Im Folgenden wird das Bestimmen des Stromtimingoffsets α_ΔT,i beschrieben
• Es soll angenommen werden, dass der Hardwareoffset α_Offset wie auch der Spannungstimingoffset α_ΔT,u kompensiert wurde. Für das Stromtiming werden die linearen Spannungsgleichungen im stationären Betrieb betrachtet: $$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_s& -{\omega }_{el}{L}_q\\ {\omega }_{el}{L}_d& R_s\end{array}\right]\cdot \left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ w_{el}{\Psi }_{PM}\end{array}\right]$$

  
• Wird der q-Inverterstrom i_q,Inv zu 0 A und der d-Inverterstrom i_d,Inv zu einem konstanten Wert ungleich 0 A geregelt, so ergibt sich der folgende Zusammenhang. Es ist zu sehen, dass für diesen Fall die d-Motorspannung u_d am Inverterausgang 9 bzw. in der Synchronmaschine 3 unabhängig von der elektrischen Kreisfrequenz ω_el und somit der Drehzahl der elektrischen Synchronmaschine ist. Damit kann der Stromtimingoffset α_ΔT,i durch verschiedenen d-Motorspannungen u_d bei verschiedenen ω_el, also verschiedenen Drehzahlen, bestimmt werden. $$i_q\stackrel{\text{!}}{=}0A$$

  

  $$\to u_d=R_S\cdot i_d$$

  

  $$\to u_q={\omega }_{el}{L}_d\cdot i_d+{\varpi }_{el}{\Psi }_{PM}$$

  
• Der am Inverterausgang 9 bzw. an der Synchronmaschine 3 anliegende d- und q-Motorstrom u_d, u_q kann nur aufwendig gemessen werden, womit der Regler 5 im Inverter lediglich seine Regelvorgaben einregeln kann (q-Inverterstrom i_q,Inv zu 0 A und d-Inverterstrom i_d,Inv konstant), die durch den Invertausgang 9 zur Synchronmaschine 3 fließenden Ströme aber aufgrund eines Stromtimingoffsets α_ΔT,i abweichen können. Dabei ergibt sich eine Verdrehung der d-, q-Motorströme u_d, u_q um den Stromtimimgoffset α_ΔT,i, abhängig vom Timingfehler ΔT_i und der aktuellen elektrischen Kreisfrequenz ω_el, bzw. der Drehzahl: $${\propto }_{\Delta T,i}=\Delta T_i\cdot {\varpi }_{el}$$

  
• Damit ergibt sich für den Zusammenhang zwischen den Motorströmen (i_d, i_q) und den Inverterströmen (i_d,Inv, i_q,Inv) der folgende Zusammenhang: $$\left[\begin{array}{c}{i}_{d,inv}\\ i_{q,Inv}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\text{cos}\left({\propto }_{\Delta T,i}\right)& -\text{sin}\left({\propto }_{\Delta T,i}\right)\\ \text{sin}\left({\propto }_{\Delta T,i}\right)& \text{cos}\left({\propto }_{\Delta T,i}\right)\end{array}\right]\cdot \left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]$$

  

  $$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\text{cos}\left({\propto }_{\Delta T,i}\right)& -\text{sin}\left({\propto }_{\Delta T,i}\right)\\ \text{sin}\left({\propto }_{\Delta T,i}\right)& \text{cos}\left({\propto }_{\Delta T,i}\right)\end{array}\right]\cdot \left[\begin{array}{c}{i}_{d,inv}\\ i_{q,inv}\end{array}\right]$$

  
• Wenn der Regler 5 im Inverter 1 den q-Inverterstrom (i_q,Inv) zu 0 A regelt, ergibt sich folgende Gleichung für die Motorströme (i_d, i_q) am Inverterausgang 9, bzw. in der elektrischen Synchronmaschine 3. $$i_d=\text{cos}\left({\propto }_{\Delta T,i}\right)\cdot i_{d,inv}$$

  

  $$i_q=-\text{sin}\left({\propto }_{\Delta T,i}\right)\cdot i_{d,inv}$$

  
• Setzt man nun diese Gleichungen in die Spannungsgleichungen im stationären Betrieb ein, ergeben sich folgende Gleichungen. $$u_d=R_S\cdot \text{cos}\left({\propto }_{\Delta T,i}\right)\cdot i_{d,Inv}+{\omega }_{el}{L}_q\text{sin}\left({\propto }_{\Delta T,i}\right)\cdot i_{d,Inv}$$

  

  $$u_d=-R_S\cdot \text{sin}\left({\propto }_{\Delta T,i}\right)\cdot i_{d,Inv}+{\omega }_{el}{L}_q\text{cos}\left({\propto }_{\Delta T,i}\right)\cdot i_{d,Inv}+{\omega }_{el}{\Psi }_{PM}$$

  
• Nach dem Auflösen der Spannungsgleichungen nach dem Stromtimingoffset α_ΔT,i ist ersichtlich, dass der Winkel - und damit auch der Stromtimingoffset - nur berechnet werden kann, wenn die Induktivitäten, der Permanentfluss und der Strangwiderstand der elektrischen Synchronmaschine bekannt sind. Dies ist in der Regel nicht der Fall.
• Eine online-Einstellung des Stromtimingoffsets kann beispielsweise mithilfe einer State-Machine erfolgen. Während also die Regelung 5 reinen d-Inverterstrom i_d,Inv einregelt, wird der Stromtimingoffset α_ΔT,i solange angepasst, bis die d-Motorspannung u_d bei einer TestDrehzahl identisch der d-Motorspannung u_d bei stehender Synchronmaschine 3 ist, da bei Drehzahl 0 der drehzahlabhängige Stromtimingoffset α_ΔT,i nicht wirkt. Es ist zu beachten, dass der d-Inverterstrom i_d,Inv bei stehendem Motor gleich dem d-Inverterstrom i_d,Inv bei der Testdrehzahl ist.
• Beispielsweise kann bei einer Drehzahl adaptiert werden. Die Drehzahl sollte möglichst hoch sein, damit der Einfluss des Stromtimingoffsets groß ist, aber nicht so hoch, dass der Regler 5 an die Spannungsgrenze stößt oder Eisenverluste eine Rolle spielen. Die State-Machine kann dabei die Drehzahl überwachen und nachregeln, damit diese in einem gewünschten Band bleibt, da bei einem fehlerhaften Stromtimingoffset ein q-Motorstrom fließt und so die Synchronmaschine gebremst oder beschleunigt wird.
• Mit Bezug zu 2 wird im Folgenden ein Verfahren 200 zum Bestimmen eines Spannungstimingoffset eines Inverters beschrieben.
• In einem ersten Schritt 201 wird eine positive Drehzahl mit der elektrischen Synchronmaschine angefahren und nach Erreichen der Drehzahl der d-Inverterstrom i_d,Inv und der q-Inverterstrom i_q,Inv zu 0A geregelt. In deren Folge wird die d-Motorspannung u_d in der elektrischen Synchronmaschine null. Die vom Regler im Inverter eingeregelten d-, q-Inverterspannungen u_d,Inv, u_q,Inv werden aufgezeichnet.
• Der erste Schritt 201 wird als zweiter Schritt 203 mit einer negativen Drehzahl wiederholt. Die negative Drehzahl ist dabei genau entgegengesetzt der Drehrichtung der positiven Drehzahl. Es kann sinnvoll sein, dass die positive und negative Drehzahl bei unterschiedlichen Drehrichtungen identisch sind und sich lediglich in der Drehrichtung unterscheiden. Es ist aber auch möglich eine zweite, positive Drehzahl, die sich von der ersten Drehzahl unterscheidet, zu verwenden. Die zwei Werte für d-, q-Inverterspannungen u_d,Inv, u_q,Inv werden aufgezeichnet.
• In einem dritten Schritt 205 werden aus den aufgezeichneten Werten, also die beiden Messpunkte für die d-, q-Inverterspannung und der jeweiligen Drehzahl, bzw.
• Kreisfrequenz, das Hardwareoffset α_Offset und das Spannungtimingoffset α_ΔT,u gemäß folgender Formel bestimmt: $$ta{n}^{-1}\left(-\frac{u_{d,Inv}}{u_{q,Inv}}\right)={\alpha }_{\Delta T,u}\cdot {\omega }_{el}+{\alpha }_{Offset}$$

  
• In einem optionalen Schritt 207 ist eine Plausibilisierung des ermittelten Hardwareoffset α_Offset und des Spannungtimingoffset α_ΔT,u möglich.
• Man kann die Plausibilisierung wie folgt aufteilen:
• Spannungstiming und Offset: Durch die Einprägung von negativem d-Strom und durch die Drehzahlbeobachtung kann der Offset und die Spannungstimings plausibilisieren werden, da die d-Motorspannung bei Drehzahl gleich der d-Motorspannung im Stillstand sein muss.
• Mit Bezug zu 3 wird im Folgenden ein Verfahren 300 zum Bestimmen eines Offsets eines Winkellagegebers bestehend aus einem Stromtimingoffset α_ΔT,i und einem Hardwareoffset α_Offset beschrieben, wobei der Hardwareoffset α_Offset und der Spannungstimingoffset α_ΔT,u beispielsweise aus dem Verfahren, das mit Bezug zur 2 beschrieben ist, bekannt ist.
• In einem ersten Schritt 301 wird ein d-Motorstrom i_d bei stehender elektrischen Synchronmaschine eingeprägt. Beim Stillstand der elektrischen Synchronmaschine kann es keinen Timimngoffset, also weder Spannungs- noch Stromtimimngoffset geben, sodass die Spannung des Inverters U_d,Inv gleich der d-Motorspannung u_d ist.
• Der Rotor in der elektrischen Synchronmaschine richtet sich dabei in der d-Achse aus und es ist zusätzlich möglich einen groben Lagegeberoffset zu bestimmen. Gleichzeitig wird die d-Motorspannung u_d als spätere Referenz bestimmt.
• In einem zweiten Schritt 303 wird die elektrische Synchronmaschine auf Drehzahl gebracht, um den d-Inverterstrom i_d,Inv wie im ersten Schritt 301 einzuprägen. Das Stromtimingoffset α_ΔT,i wird in einem dritten Schritt 305 nun solange verändert, bis die beiden d-Inverterspannungen u_d,Inv aus dem ersten und zweiten Schritt 301, 303 übereinstimmen. Der so ermittelte Stromtimingoffset α_ΔT,i wird danach abgespeichert.
• Während dieser Variation muss der Motor auf Drehzahl gehalten werden. Gegebenenfalls muss der dritte Schritt 305 bei unterschreiten der Drehzahl abgebrochen und nach Erreichen der Drehzahl wiederholt werden.
• In einem optionalen Schritt 307 ist eine Plausibilisierung des ermittelten Stromtimingoffset α_ΔT,i möglich.
• Die Synchronmaschine kann dafür auf eine höhere Drehzahl, als beispielsweise zweidrittel der Nenndrehzahl gebracht werden. Dann wird ein negativer d-Inverterstrom i_d,Inv, am Regeler eingestellt und die Drehzahl der Synchronmaschine überwacht. Aufgrund der Reibung sollte sich die Drehzahl verringern. Ist dies der Fall, so kann der im Schritt 205 ermittelte Stromoffset als plausibel angenommen werden.
• Mit Bezug zu 4 wird im Folgenden ein kombiniertes Verfahren 400 zum Bestimmen eines Offsets α eines Winkellagegebers bestehend aus einem Spannungstimingoffset α_ΔT,u, einem Stromtimingoffsets α_ΔT,i und einem Hardwareoffset α_Offset beschrieben.
• Das Verfahren 200 bestimmt im Schritt 205 das Hardwareoffset α_Offset und das Spannungtimingoffset α_ΔT,u gemäß der in Verbindung mit 2 beschriebenen Formel. Das Hardwareoffset α_Offset und das Spannungtimingoffset aAT'', kann in einem optionalem Schritt 207 plausibilisiert werden oder direkt in einem Schritt 401 an den nächsten Schritt 301 übergeben werden. Die weiteren Schritte 301- 307 laufen dann wie in Verbindung mit 3 beschrieben ab.
• 5 ist eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines Fahrzeugs 100, beispielsweise eines Hybridfahrzeugs oder eines Elektrofahrzeugs, umfassend eine elektrische Synchronmaschine 3, insbesondere einen Elektromotor zum Antreiben des Fahrzeugs 100, mit einem Winkellagegeber 7, dessen Offset mittels des erfindungsgemäßen Verfahren im Inverter 1 bestimmt wird.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102011087396 A1 [0004]
• DE 102015211863 A1 [0010]

Claims (10)

1. Verfahren (1) zum Bestimmen eines Offsets eines Winkellagegebers (101), der einem Rotor einer elektrischen Synchronmaschine (100) zugeordnet ist, einen Inverter, der einen Regler und einen mit der elektrischen Synchronmaschine (100) verbundenen Inverterausgang aufweist, umfassend die folgenden Schritte: - Einstellen einer ersten Motordrehzahl mittels einer ersten d-Inverterspannung und einer ersten q- Inverterspannung durch den Regler, wodurch eine erste d-Motorspannung und eine erste q-Motorspannung am Inverterausgang vom Inverter erzeugt werden, und Einstellen eines ersten d-Inverterstroms und eines ersten q- Inverterstroms durch den Regler, wodurch ein erster d-Motorstrom und ein erster q-Motorstrom am Inverterausgang vom Inverter erzeugt werden; - Einstellen des ersten d-Motorstroms und des ersten q- Motorstroms auf null durch den Regler mittels einer zweiten d-Inverterspannung und einer zweiten q- Inverterspannung; - Ermitteln des Offsets aus der zweiten d-Inverterspannung, der zweiten q- Inverterspannung und der ersten Motordrehzahl.
2. Verfahren (1) gemäß Anspruch 1, wobei das Offset aus dem Arkustangens des inversen Quotienten der zweiten d-Inverterspannung und der zweiten q-Inverterspannung ermittelt wird, wobei die zweite q-Inverterspannung ungleich Null ist.
3. Verfahren (1) gemäß einer der vorherigen Ansprüche, wobei das Offset aus einem Hardwareoffset und einem Spannungtimingoffset besteht, mit den zusätzlichen Schritten: - Einstellen einer zweiten Motordrehzahl, die sich von der ersten Motordrehzahl unterscheidet, mittels einer dritten d-Inverterspannung und einer dritten q- Inverterspannung durch den Regler, wodurch eine dritte d-Motorspannung und eine dritte q- Motorspannung am Inverterausgang vom Inverter erzeugt werden, und Einstellen eines dritten d-Inverterstroms und eines dritten q- Inverterstroms durch den Regler, wodurch ein dritter d-Motorstrom und ein dritter q- Motorstrom am Inverterausgang vom Inverter erzeugt werden; - Einstellen des d-Motorstroms und des q-Motorstroms auf null durch den Regler mittels einer vierten d-Inverterspannung und einer vierten q- Inverterspannung; - Ermitteln des Hardwareoffsets und des Spannungtimingoffset aus der zweiten und vierten d-Inverterspannung, der zweiten und vierten q-Inverterspannung und der ersten und zweiten Motordrehzahl.
4. Verfahren (1) gemäß einer der vorherigen Ansprüche, wobei das Offset aus einem Hardwareoffset und einem Stromtimingoffset besteht, mit den zusätzlichen Schritten: - Einstellen eines fünften d-Inverterstroms und eines fünften q- Inverterstroms durch den Regler bei stehendem Motor, wobei der fünfte q-Inverterstrom Null ist, wodurch ein fünfter d-Motorstrom und ein fünfter q- Motorstrom am Inverterausgang vom Inverter erzeugt wird; - Bestimmen einer fünften d-Inverterspannung am Regler oder einer fünften d-Motorspannung am Inverterausgang; - Einstellen einer dritten Motordrehzahl; - Einstellen des fünftend-Inverterstroms und des sechsten q- Inverterstroms durch den Regler bei der dritten Motordrehzahl, wobei der fünfte q-Inverterstrom Null ist; - Bestimmen einer sechsten d-Motorspannung am Inverterausgang; - Ermitteln des Stromtimingoffset aus dem Unterschied zwischen der fünften d-Inverterspannung am Regler oder der fünften d-Motorspannung am Inverterausgang und der sechsten d-Motorspannung am Inverterausgang.
5. Verfahren (1) gemäß einer der vorherigen Ansprüche, wobei die Motordrehzahl im Bereich von zweidrittel einer Motornennendrehzahl liegt.
6. Verfahren (1) gemäß einer der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Motordrehzahl in einer Drehrichtung der elektrischen Synchronmaschine entgegengesetzt zu einer Drehrichtung der zweiten Motordrehzahl eingestellt wird.
7. Verfahren (1) gemäß einer der vorherigen Ansprüche, mit dem zusätzlichen Schritt: - Plausibilisierung der Messerwerte.
8. Verfahren (1) gemäß einer der vorherigen Ansprüche, wobei das Verfahren als End of Line Test einer Serienproduktion durchführbar ist.
9. Elektrischen Synchronmaschine (3) mit einem Winkellagegeber (7) und einem Inverter (1) in dem ein drehzahlabhängiges Offset der gemäß einer der vorherigen Verfahren bestimmt wurde, verwendet wird.
10. Fahrzeug (100) mit einer elektrischen Synchronmaschine (3), insbesondere einem Elektromotor, und einem Inverter (1) gemäß Anspruch 9.

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