DE102022112712A1 - Method for operating an electrical machine, computer program product, control unit, electrical machine, hybrid module - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine (1), aufweisend einen Stator (2) und einen gegenüber diesem unter Veränderung einer Drehposition mit einer Rotordrehzahl n drehbaren Rotor (3), wobei die elektrische Maschine (1) in einem ersten Betriebszustand (4) in Abhängigkeit von einer durch einen Drehwinkelsensor (5) gemessenen Drehwinkelposition des Rotors (3) elektrisch gesteuert betrieben ist und in einem zeitlich darauffolgenden zweiten Betriebszustand (6) abhängig von einer ohne die gemessene Drehwinkelposition des Drehwinkelsensors (5) berechneten Drehwinkelposition des Rotors (3) elektrisch geregelt betrieben ist, wobei zwischen dem ersten Betriebszustand (4) und dem zweiten Betriebszustand (6) ein Zeitintervall (7) definiert ist, in welchem mittels einer mathematischen Funktion und/oder eines mathematischen Verfahrens die am Beginn des Zeitintervalls (7) gemessene Drehwinkelposition des Rotors (3) und die am Ende des Zeitintervalls (7) erwartete berechnete Drehwinkelposition des Rotors (3) interpoliert werden, so dass im Betrieb der elektrischen Maschine (1) innerhalb des Zeitintervalls (7) eine Überblendung der gemessenen Drehwinkelposition hin zur berechneten Drehwinkelposition des Rotors (3) erfolgt.The invention relates to a method for operating an electrical machine (1), comprising a stator (2) and a rotor (3) which can be rotated relative to it while changing a rotational position at a rotor speed n, the electrical machine (1) being in a first operating state ( 4) is operated in an electrically controlled manner depending on a rotation angle position of the rotor (3) measured by a rotation angle sensor (5) and in a second operating state (6) which follows in time, depending on a rotation angle position of the rotor which is calculated without the measured rotation angle position of the rotation angle sensor (5). 3) is operated in an electrically controlled manner, a time interval (7) being defined between the first operating state (4) and the second operating state (6), in which, by means of a mathematical function and/or a mathematical method, the time interval at the beginning of the time interval (7) measured angle of rotation position of the rotor (3) and the calculated angle of rotation position of the rotor (3) expected at the end of the time interval (7) are interpolated, so that during operation of the electrical machine (1) within the time interval (7) a fade of the measured angle of rotation position to the calculated rotation angle position of the rotor (3).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine, aufweisend einen Stator und einen gegenüber diesem unter Veränderung einer Drehposition mit einer Rotordrehzahl n drehbaren Rotor, wobei die elektrische Maschine in einem ersten Betriebszustand in Abhängigkeit von einer durch einen Drehwinkelsensor gemessenen Drehwinkelposition des Rotors elektrisch gesteuert betrieben ist und in einem zeitlich darauffolgenden zweiten Betriebszustand abhängig von einer ohne die gemessene Drehwinkelposition des Drehwinkelsensors berechneten Drehwinkelposition des Rotors elektrisch geregelt betrieben ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt, eine Steuereinheit, eine elektrische Maschine und ein Hybridmodul.The present invention relates to a method for operating an electrical machine, comprising a stator and a rotor that can be rotated relative to it while changing a rotational position with a rotor speed n, wherein the electrical machine is electrically in a first operating state depending on a rotation angle position of the rotor measured by a rotation angle sensor is operated in a controlled manner and is operated in an electrically controlled manner in a temporally subsequent second operating state depending on a rotation angle position of the rotor which is calculated without the measured rotation angle position of the rotation angle sensor. The invention further relates to a computer program product, a control unit, an electrical machine and a hybrid module.
Ein wachsender Bedarf an individueller Mobilität, eine zunehmende Anzahl von Autos und steigende Pkw-Dimensionen erfordern Maßnahmen zur Verbesserung der Parksituation in städtischen Gebieten. Neben Aspekten wie städtische Verdichtung und steigende Fahrzeugzahlen führen stetig steigende Fahrzeugabmessungen zu Parkplatzknappheit und komplizierten Parkvorgängen. Ein Weg zur Bewältigung dieser Herausforderung ist die Umsetzung neuer Fahrzeug- und Transportkonzepte, die auf die Substitution konventioneller Pkw abzielen. Alternative Fahrzeugaufbauten und neue Lenkungstechnologien sind in der Lage, spezifische Park- und wichtige Kundenanforderungen gleichzeitig zu erfüllen.A growing need for individual mobility, an increasing number of cars and increasing car dimensions require measures to improve the parking situation in urban areas. In addition to aspects such as urban densification and increasing vehicle numbers, constantly increasing vehicle dimensions lead to a shortage of parking spaces and complicated parking procedures. One way to overcome this challenge is to implement new vehicle and transport concepts that aim to replace conventional cars. Alternative vehicle structures and new steering technologies are able to meet specific parking and important customer requirements simultaneously.
Aus diesem Grund werden derartige PKWs beispielsweise auch zunehmend mit einer Hinterachslenkung versehen, was die Manövrierbarkeit dieser Fahrzeuge deutlich verbessert und insbesondere auch ein automatisches Einparken des PKWs unterstützt. Zur Aktuierung der Hinterachslenkung werden üblicherweise elektrisch und/oder hydraulisch betätigbare Aktoren eingesetzt, wobei es zur Steuerung der Hinterachslenkung aus ersichtlichen sicherheitsrelevanten Überlegungen wichtig ist, die genaue Position des Aktors bzw. der Hinterachslenkung sicher und möglichst exakt zu detektieren.For this reason, such cars are increasingly being equipped with rear-axle steering, which significantly improves the maneuverability of these vehicles and, in particular, also supports automatic parking of the car. Electrically and/or hydraulically actuated actuators are usually used to actuate the rear axle steering. For obvious safety-relevant reasons, it is important to detect the exact position of the actuator or the rear axle steering safely and as accurately as possible.
Aus der
Neben verschiedener Aktuatorikfunktionen, wie beispielsweise der genannten Lenkaktuatorik, werden elektrische Maschinen, insbesondere permanenterregte Synchronmotoren, bei Kraftfahrzeugen auch zunehmend für den Antrieb eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.In addition to various actuator functions, such as the steering actuator system mentioned, electric machines, in particular permanently excited synchronous motors, are also increasingly being used for driving motor vehicles in order to create alternatives to internal combustion engines that require fossil fuels. Significant efforts have already been made to improve the suitability of electric drives for everyday use and to offer users the usual driving comfort.
Bei permanenterregten Synchronmotoren kommt es ferner sehr darauf an, wie die vom Magnetfeld durchströmten Teile zueinander positioniert sind. Dies betrifft auch die genaue Kenntnis über die Winkellage der sich drehenden Teile, denn die sich beim drehenden Motor ständig ändernde Lage der in dem drehenden Rotor integrierten Magnete (Winkelstellung) muss relativ zu dem in den Stator integrierten Wicklungen immer exakt bekannt sein, um den Elektromotor richtig ansteuern zu können. Die sich ändernde Winkelposition des Rotors muss zu jedem Zeitpunkt genau bekannt sein, um die Ausrichtung der Rotorkomponenten (z. B. der Rotormagnete, die meist als Permanentmagnete ausgeführt werden) relativ zu den Statorkomponenten (z. B. der Statormagnete, die meist als Elektromagnete/ Statorwicklungen ausgeführt werden) zu ermitteln und die Ansteuerung des Motors darauf abstimmen zu können.With permanently excited synchronous motors, it is also very important how the parts through which the magnetic field flows are positioned relative to one another. This also applies to the exact knowledge of the angular position of the rotating parts, because the constantly changing position of the magnets integrated in the rotating rotor (angular position) in the rotating motor must always be known exactly relative to the windings integrated in the stator in order to control the electric motor to be able to navigate correctly. The changing angular position of the rotor must be known exactly at any time in order to align the rotor components (e.g. the rotor magnets, which are usually designed as permanent magnets) relative to the stator components (e.g. the stator magnets, which are usually designed as electromagnets / stator windings) and to be able to adjust the motor control accordingly.
Die Ansteuerung eines derartigen Elektromotors wird also durch die Aufprägung eines Drehfeldes in den Wicklungen des Motors erreicht. Abhängig vom Rotorlagewinkel muss hierbei das Drehfeld über eine Regelung nachgeführt werden. In der Regel wird die Lage des Rotors mittels eines Rotorlagesensors gemessen und der ermittelte Rotorlagewinkel an die Ansteuerung des Elektromotors übergeben.The control of such an electric motor is achieved by imposing a rotating field in the windings of the motor. Depending on the rotor position angle, the rotating field must be adjusted via a control system. As a rule, the position of the rotor is measured using a rotor position sensor and the determined rotor position angle is passed on to the control of the electric motor.
Um Kosten und Bauraum zu sparen, sind jedoch auch bereits geberlosen Regelungen bekannt geworden, welche auf einen physischen Rotorlagesensor verzichten. Es wird hierbei lediglich auf die für die feldorientierte Regelung ohnehin unverzichtbaren Stromsensoren zurückgegriffen. Dieses insbesondere bei 3-phasigen permanenterregten Synchronmaschinen weit verbreitete Regelungskonzept beruht auf einer Transformation der 3- phasigen Wechselgrößen in ein zweiachsiges Koordinatensystem, welches synchron mit dem Rotorfluss der Maschine rotiert. In einem derartigen Koordinatensystem, üblicherweise als d/q-Koordinatensystem bezeichnet, werden beispielsweise die drei Phasenströme der Ständerwicklung i_u, i_v, i_w durch einen 2-dimensionalen Stromvektor mit den Komponenten i_q und i_d dargestellt. Bei einem ideal sinusförmigen Rotorfluss und ideal sinusförmigen Phasenströmen werden die ursprünglichen Wechselgrößen i_u, i_v, i_w als Folge des rotorflusssynchron rotierenden Koordinatensystems auf Gleichgroßen i_q, i_d abgebildet.In order to save costs and installation space, encoderless controls have already become known, which do not require a physical rotor position sensor. In this case, only the current sensors, which are indispensable for field-oriented control, are used. This control concept, which is particularly widespread in 3-phase permanently excited synchronous machines, is based on a transformation of the 3-phase alternating variables into a two-axis coordinate system, which rotates synchronously with the rotor flux of the machine. In such a coordinate system, usually referred to as a d/q coordinate system, for example the three phase currents of the stator winding i_u, i_v, i_w are represented by a 2-dimensional current vector with the components i_q and i_d. With an ideally sinusoidal rotor flux and ideally sinusoidal phase currents, the original alternating variables i_u, i_v, i_w are mapped to equal sizes i_q, i_d as a result of the coordinate system rotating synchronously with the rotor flux.
Bei der feldorientierten Stromregelung werden die Spannungswerte bzw. Stromwerte der Phasen des Stators der Synchronmaschine also in bekannter Weise auf ein zweidimensionales Koordinatensystem, dessen zueinander senkrechte Achsen üblicherweise mit d („direct“) und q („quadrature“) bezeichnet werden, transformiert. Dieses Koordinatensystem rotiert relativ zum Stator der Synchronmaschine und ruht relativ zum Rotor der Synchronmaschine. Die Transformation selbst heißt Park- Transformation, das zweidimensionale Koordinatensystem, auf das transformiert wird, heißt Park-Koordinatensystem. Die Park-Transformation kann über den Zwischenschritt einer, ebenfalls bekannten, Clarke-Transformation erfolgen, welche die Spannungswerte bzw. Stromwerte der Phasen des Stators der Synchronmaschine auf ein zweidimensionales, orthogonales, relativ zum Stator ruhendes Koordinatensystem transformiert.In field-oriented current control, the voltage values or current values of the phases of the stator of the synchronous machine are transformed in a known manner to a two-dimensional coordinate system, the mutually perpendicular axes of which are usually designated d (“direct”) and q (“quadrature”). This coordinate system rotates relative to the stator of the synchronous machine and rests relative to the rotor of the synchronous machine. The transformation itself is called the park transformation, the two-dimensional coordinate system to which the transformation is carried out is called the park coordinate system. The park transformation can take place via the intermediate step of a, also known, Clarke transformation, which transforms the voltage values or current values of the phases of the stator of the synchronous machine to a two-dimensional, orthogonal coordinate system that is at rest relative to the stator.
Beim sensorlosen Betrieb eines Elektromotors wird - wie oben bereits erwähnt - auf den Rotorlagesensor, mit dem gewöhnlich der aktuelle Winkel des Rotors bestimmt wird, verzichtet. Man nutzt beispielsweise Stromsensorsignale und gemessene bez. geschätzte Phasenspannungen, um über ein Modell auf die Rotorlage und die Geschwindigkeit des Motors zu schließen. Unter einer Drehzahlschwelle der absoluten Drehzahl ist es notwendig sogenannte Injektionssignale einzuspeisen, welche die Identifikation der Rotorlage und der Geschwindigkeit in diesem Drehzahlbereich unterstützen.When operating an electric motor without sensors - as already mentioned above - the rotor position sensor, which is usually used to determine the current angle of the rotor, is dispensed with. For example, current sensor signals and measured or estimated phase voltages are used to use a model to infer the rotor position and the speed of the motor. Below a speed threshold of absolute speed, it is necessary to feed in so-called injection signals, which support the identification of the rotor position and the speed in this speed range.
In
In
In Elektrofahrzeugen hat sich der geberlose Betrieb von elektrischen Maschinen noch nicht durchgesetzt. Ursache hierfür ist, dass der geberlose Betrieb nachweislich gut bei höheren Drehzahlen stabil funktioniert. Für Drehzahlen nahe Null Umdrehungen ist der Betrieb nur unter Hinzunahme von Injektionssignalen möglich. Die Wahl geeigneter Injektionssingale stellt aber eine sehr große Herausforderung dar, da die Auswirkungen von Injektionssingale nicht immer positiv auf das System sind. Zum einen kann es wegen den Injektionssignalen zu störenden Geräuschentwicklungen kommen, zum anderen ist es bei der Wahl der Injektionssignale in Frequenz und Amplitude schwer eine stabile und robuste Kombination zu finden.Sensorless operation of electrical machines has not yet become established in electric vehicles. The reason for this is that sensorless operation has been proven to work well and stably at higher speeds. For speeds close to zero, operation is only possible with the addition of injection signals. However, choosing suitable injection signals represents a very big challenge, as the effects of injection signals are not always positive on the system. On the one hand, the injection signals can lead to disturbing noise developments, and on the other hand, it is difficult to find a stable and robust combination when choosing the injection signals in terms of frequency and amplitude.
Die Verwendung eines sicherheitszertifizieren Drehwinkelsensors für die Drehwinkelposition des Rotors hilft jedoch grundsätzlich auch bei der Diskussion sicherheitskritischen Szenarien in der funktionalen Sicherheit. Beispielsweise für Pumpenantriebe, Kompressoren oder Ventilatoren gehört der geberlose Betrieb entsprechender elektrischer Maschinen bereits zum Stand der Technik. Eine beliebte Vorgehensweise für den Start des Motors ist hierbei der Wechsel von einem rein gesteuerten Hochlauf des Elektromotors durch Vorgabe eines Drehfeldes hin zu einem sensorlos geregelten Elektromotor. Durch diesen Ansatz lässt sich der Einsatz von Injektionssignalen für Drehzahlen nahe Null vermeiden.However, the use of a safety-certified rotation angle sensor for the rotation angle position of the rotor also fundamentally helps when discussing safety-critical scenarios in functional safety. For example, for pump drives, compressors or fans, sensorless operation of corresponding electrical machines is already part of the state of the art. A popular procedure for starting the engine is to switch from a purely controlled start-up of the electric motor by specifying a rotating field to a sensorless controlled electric motor. This approach avoids the use of injection signals for speeds close to zero.
Durch das Umschalten vom gesteuerten Betrieb in den geberlos geregelten Betrieb kommt es zwangsläufig zu starken Impulsen in den Strom bzw. Spannungssignalen, da das für die Regelung des Elektromotors benötigte Winkelsignal in der Regel zwischen dem gesteuerten Betrieb und dem geregelten Betrieb eine Unstetigkeit aufweist. Das aktuelle Winkelsignal ist während des Hochlaufs so z.B. einer bestimmten Winkellage im rotorfesten Koordinatensystem zugeordnet, z.B. d-Richtung. Abweichend davon ist die Winkellage, die sich im geberlos geregelten Betrieb einstellt, da dann zu d-Richtungskomponenten auch q-Richtungskomponenten hinzukommen.Switching from controlled operation to sensorless-controlled operation inevitably results in strong pulses in the current or voltage signals, since the angle signal required to control the electric motor usually has a discontinuity between controlled operation and regulated operation. During startup, the current angle signal is assigned to a specific angular position in the rotor-fixed coordinate system, e.g. d-direction. The angular position that occurs in sensorless controlled operation differs from this, since q-direction components are then added to the d-direction components.
Aufgabe der Erfindung ist es die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren und ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine bereitzustellen. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Computerprogrammprodukt, eine optimierte Steuereinheit, eine verbesserte elektrische Maschine und ein verbessertes Hybridmodul zu realisieren.The object of the invention is to avoid or at least reduce the disadvantages known from the prior art and to provide an improved method for operating an electrical machine. Furthermore, it is the task the invention to realize an improved computer program product, an optimized control unit, an improved electrical machine and an improved hybrid module.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine, aufweisend einen Stator und einen gegenüber diesem unter Veränderung einer Drehposition mit einer Rotordrehzahl n drehbaren Rotor, wobei die elektrische Maschine in einem ersten Betriebszustand in Abhängigkeit von einer durch einen Drehwinkelsensor gemessenen Drehwinkelposition des Rotors elektrisch gesteuert betrieben ist und in einem zeitlich darauffolgenden zweiten Betriebszustand abhängig von einer ohne die gemessene Drehwinkelposition des Drehwinkelsensors berechneten Drehwinkelposition des Rotors elektrisch geregelt betrieben ist, wobei zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand ein Zeitintervall definiert ist, in welchem mittels einer mathematischen Funktion und/oder eines mathematischen Verfahrens die am Beginn des Zeitintervalls gemessene Drehwinkelposition des Rotors und die am Ende des Zeitintervalls erwartete berechnete Drehwinkelposition des Rotors interpoliert werden, so dass im Betrieb der elektrischen Maschine innerhalb des Zeitintervalls eine Überblendung der gemessenen Drehwinkelposition hin zur berechneten Drehwinkelposition des Rotors erfolgt.This object is achieved by a method for operating an electrical machine, having a stator and a rotor that can be rotated relative to it while changing a rotational position with a rotor speed n, the electrical machine being in a first operating state depending on a rotation angle position of the rotor measured by a rotation angle sensor is operated in an electrically controlled manner and is operated in an electrically controlled manner in a temporally subsequent second operating state depending on a rotation angle position of the rotor calculated without the measured rotation angle position of the rotation angle sensor, a time interval being defined between the first operating state and the second operating state, in which a mathematical function and / or a mathematical method, the rotation angle position of the rotor measured at the beginning of the time interval and the calculated rotation angle position of the rotor expected at the end of the time interval are interpolated, so that during operation of the electrical machine within the time interval, a fade of the measured rotation angle position to the calculated rotation angle position of the rotor takes place .
Es wird also erfindungsgemäß vorgeschlagen, den gesteuerten Betrieb in den geregelten Betrieb in einem definierten Zeitintervall zu überblenden.
Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass die für den Betrieb des Motors notwendigen Signale einen weiterhin glatten Verlauf zeigen und Schwingungen im Gesamtsystem vermieden werden können.According to the invention, it is therefore proposed to fade the controlled operation into the regulated operation in a defined time interval.
This has the advantage that the signals necessary for operating the engine continue to flow smoothly and vibrations in the overall system can be avoided.
Als geberloser Betrieb wird ein Betrieb ohne Einbezug einer mit einem Sensor, beispielsweise einem Drehwinkelsensor, gemessenen Drehposition verstanden.Sensorless operation is understood to mean operation without taking into account a rotational position measured with a sensor, for example a rotation angle sensor.
Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.First, the individual elements of the claimed subject matter of the invention are explained in the order in which they are mentioned in the claim sentence and particularly preferred embodiments of the subject matter of the invention are described below.
Als Kraftfahrzeuge im Sinne dieser Anmeldung gelten Landfahrzeuge, die durch Maschinenkraft bewegt werden, ohne an Bahngleise gebunden zu sein. Ein Kraftfahrzeug kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der Personenkraftwagen (PKW), Lastkraftwagen (LKW), Kleinkrafträder, Leichtkraftfahrzeuge, Krafträder, Kraftomnibusse (KOM) oder Zugmaschinen. Ein Hybridelektrokraftfahrzeug, auch als Hybrid Electric Vehicle (HEV) bezeichnet, ist ein Elektrofahrzeug, das von mindestens einem Elektromotor sowie einem weiteren Energiewandler angetrieben wird und Energie sowohl aus seinem elektrischen Speicher (Akku) als auch einem zusätzlich mitgeführten Kraftstoff bezieht.For the purposes of this application, motor vehicles are land vehicles that are moved by mechanical power without being tied to railway tracks. A motor vehicle can, for example, be selected from the group of passenger cars (passenger cars), trucks (lorries), mopeds, light vehicles, motorcycles, motor buses (KOM) or tractors. A hybrid electric vehicle, also known as a hybrid electric vehicle (HEV), is an electric vehicle that is powered by at least one electric motor and another energy converter and draws energy from both its electrical storage (battery) and additional fuel.
Im Sinne dieser Anmeldung werden unter dem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges alle Komponenten verstanden, die im Kraftfahrzeug die Leistung für den Antrieb des Kraftfahrzeugs generieren und über die Fahrzeugräder bis auf die Straße übertragen.For the purposes of this application, the drive train of a motor vehicle is understood to mean all components that generate the power in the motor vehicle to drive the motor vehicle and transmit it to the road via the vehicle wheels.
Eine elektrische Maschine dient zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt. Im Zusammenhang mit der Erfindung kann die elektrische Maschine als Radial- oder Axialflussmaschine ausgebildet sein. Eine elektrische Maschine umfasst in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil. Eine elektrische Maschine kann trocken- oder nasslaufend ausgeführt sein.An electrical machine is used to convert electrical energy into mechanical energy and/or vice versa. In connection with the invention, the electrical machine can be designed as a radial or axial flux machine. An electrical machine usually includes a stationary part called a stator, stand or armature and a part called a rotor or rotor which is arranged to be movable relative to the stationary part. An electrical machine can be designed to run dry or wet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine als eine permanenterregte Synchronmaschine ausgeführt ist.According to an advantageous embodiment of the invention, it can be provided that the electrical machine is designed as a permanently excited synchronous machine.
Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines elektrisch betreibbaren Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs vorgesehen.
Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist der Elektromotor eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.The electric machine is intended in particular for use within an electrically operable drive train of a motor vehicle.
In particular, the electric machine is dimensioned such that vehicle speeds greater than 50 km/h, preferably greater than 80 km/h and in particular greater than 100 km/h can be achieved. The electric motor particularly preferably has a power greater than 30 kW, preferably greater than 50 kW and in particular greater than 70 kW. It is further preferred that the electric machine provides speeds greater than 5,000 rpm, particularly preferably greater than 10,000 rpm, most preferably greater than 12,500 rpm.
Der Drehwinkelsensor ist bevorzugt als ein absoluter Drehwinkelsensor für eine elektrische Maschine ausgeführt. Der Drehwinkelsensor stellt bevorzugt ein die Rotorwinkellage repräsentierendes Sensorsignal zur Verfügung. Höchst bevorzugt wird das Sensorsignal an eine Steuereinrichtung zur Steuerung der elektrischen Maschine geleitet.The angle of rotation sensor is preferably designed as an absolute angle of rotation sensor for an electrical machine. The rotation angle sensor preferably provides a sensor signal representing the rotor angular position. Most preferably, the sensor signal is sent to a control device for controlling the electrical machine.
Eine elektrische Maschine kann ferner eine Steuereinrichtung aufweisen. Eine Steuereinrichtung, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, dient insbesondere der elektronischen Steuerung und/oder Reglung eines oder mehrerer technischer Systeme der elektrischen Maschine.An electrical machine can also have a control device. A control device as used in the present invention can be det, serves in particular for the electronic control and / or regulation of one or more technical systems of the electrical machine.
Eine Steuereinrichtung weist insbesondere einen kabelgebundenen oder kabellosen Signaleingang zum Empfang von insbesondere elektrischen Signalen, wie beispielsweise Sensorsignalen, auf. Ferner besitzt eine Steuereinrichtung ebenfalls bevorzugt einen kabelgebundenen oder kabellosen Signalausgang zur Übermittlung von insbesondere elektrischen Signalen.A control device has in particular a wired or wireless signal input for receiving, in particular, electrical signals, such as sensor signals. Furthermore, a control device also preferably has a wired or wireless signal output for transmitting, in particular, electrical signals.
Innerhalb der Steuereinrichtung können Steuerungsoperationen und/oder Reglungsoperationen durchgeführt werden. Ganz besonders bevorzugt ist es, dass die Steuereinrichtung eine Hardware umfasst, die ausgebildet ist, eine Software auszuführen. Bevorzugt umfasst die Steuereinrichtung wenigstens einen, bevorzugt zwei elektronische Prozessoren zur Ausführung von in jeweils einer Software definierten Programmabläufen. Die beiden Prozessoren können als Rechnerkerne auch baulich in einem Prozessor integriert sein, wobei die entsprechenden Rechnerkerne dann jeweils einen Prozessor im Sinne der Erfindung darstellen.Control operations and/or regulation operations can be carried out within the control device. It is particularly preferred that the control device comprises hardware that is designed to execute software. The control device preferably comprises at least one, preferably two, electronic processors for executing program sequences defined in software. The two processors can also be structurally integrated into a processor as computer cores, with the corresponding computer cores then each representing a processor in the sense of the invention.
Die Steuereinrichtung kann ferner einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen die in den an die Steuereinrichtung übermittelten Signalen enthaltenen Daten gespeichert und wieder ausgelesen werden können. Ferner kann die Steuereinrichtung einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen Daten veränderbar und/oder unveränderbar gespeichert werden können.The control device can also have one or more electronic memories in which the data contained in the signals transmitted to the control device can be stored and read out again. Furthermore, the control device can have one or more electronic memories in which data can be stored in a changeable and/or unchangeable manner.
Eine Steuereinrichtung kann eine Mehrzahl von Steuergeräten umfassen, welche insbesondere räumlich getrennt voneinander im Kraftfahrzeug angeordnet sind. Steuergeräte werden auch als Electronic Control Unit (ECU) oder Electronic Control Module (ECM) bezeichnet und besitzen bevorzugt elektronische Mikrocontroller zur Durchführung von Rechenoperationen zur Verarbeitung von Daten, besonders bevorzugt mittels einer Software. Die Steuergeräte können bevorzugt miteinander vernetzt sein, so dass ein kabelgebundener und/oder kabelloser Datenaustausch zwischen Steuergeräten ermöglicht ist. Insbesondere ist es auch möglich, die Steuergeräte über im Kraftfahrzeug vorhandene Bus-Systeme, wie beispielsweise CAN-Bus oder LIN-Bus, miteinander zu vernetzen.A control device can comprise a plurality of control devices, which are arranged in particular spatially separated from one another in the motor vehicle. Control devices are also referred to as Electronic Control Unit (ECU) or Electronic Control Module (ECM) and preferably have electronic microcontrollers for carrying out arithmetic operations to process data, particularly preferably using software. The control devices can preferably be networked with one another, so that wired and/or wireless data exchange between control devices is possible. In particular, it is also possible to network the control devices with one another via bus systems present in the motor vehicle, such as CAN bus or LIN bus.
Ganz besonders bevorzugt besitzt die Steuereinrichtung wenigstens einen Prozessor und wenigstens einen Speicher, der insbesondere einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor, die Steuereinrichtung zur Ausführung des Computerprogrammcodes zu veranlassen.Very particularly preferably, the control device has at least one processor and at least one memory, which in particular contains a computer program code, the memory and the computer program code being configured with the processor to cause the control device to execute the computer program code.
Die Steuereinheit kann besonders bevorzugt eine Leistungselektronik zur Bestromung des Stators oder Rotors umfassen. Eine Leistungselektronik ist bevorzugt ein Verbund verschiedener Komponenten, welche einen Strom an die elektrische Maschine steuern oder regeln, bevorzugt inklusive hierzu benötigter peripherer Bauteile wie Kühlelemente oder Netzteile. Insbesondere enthält die Leistungselektronik bzw. ein oder mehrere Leistungselektronikbauteile, welche zur Steuerung oder Regelung eines Stroms eingerichtet sind. Dabei handelt es sich besonders bevorzugt um einen oder mehrere Leistungsschalter, z.B. Leistungstransistoren. Besonders bevorzugt weist die Leistungselektronik mehr als zwei, besonders bevorzugt drei voneinander getrennte Phasen bzw. Strompfade mit mindestens je einem eigenen Leistungselektronikbauteil auf. Die Leistungselektronik ist bevorzugt ausgelegt, pro Phase eine Leistung mit einer Spitzenleistung, bevorzugt Dauerleistung, von mindestens 10 W, bevorzugt mindestens 100 W besonders bevorzugt mindestens 1000 W zu steuern oder regeln.The control unit can particularly preferably include power electronics for energizing the stator or rotor. Power electronics is preferably a combination of various components that control or regulate a current to the electrical machine, preferably including the peripheral components required for this, such as cooling elements or power supplies. In particular, the power electronics or one or more power electronics components contain which are set up to control or regulate a current. This is particularly preferably one or more power switches, for example power transistors. Particularly preferably, the power electronics has more than two, particularly preferably three, phases or current paths that are separate from one another, each with at least one separate power electronics component. The power electronics are preferably designed to control or regulate a power per phase with a peak power, preferably continuous power, of at least 10 W, preferably at least 100 W, particularly preferably at least 1000 W.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.Advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims. The features listed individually in the dependent claims can be combined with one another in a technologically sensible manner and can define further embodiments of the invention. In addition, the features specified in the claims are specified and explained in more detail in the description, with further preferred embodiments of the invention being presented.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die mathematische Funktion eine lineare Funktion ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass eine lineare Funktion mit kleinem Aufwand realisierbar ist.According to an advantageous embodiment of the invention, it can be provided that the mathematical function is a linear function. The advantage of this design is that a linear function can be implemented with little effort.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Überblendung zwischen der am Beginn des Zeitintervalls gemessenen Drehwinkelposition des Rotors und der am Ende des Zeitintervalls erwarteten berechneten Drehwinkelposition des Rotors durch eine sich ändernde Gewichtung der zwei Drehwinkelpositionen durchgeführt wird, indem zu jedem Zeitpunkt innerhalb des Zeitintervalls die Summe der beiden gewichteten Drehwinkelpositionen dem Wert entspricht, wobei am Beginn des Zeitintervalls die gemessene Drehwinkelposition des Rotors den gewichteten Wert und die erwartete berechnete Drehwinkelposition des Rotors den gewichteten Wert aufweist und am Ende des Zeitintervalls die gemessene Drehwinkelposition des Rotors den gewichteten Wert und die erwartete berechnete Drehwinkelposition des Rotors den gewichteten Wert aufweist. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass durch die Gewichtung mit stetig verlaufenden Funktionen ein stetig verlaufendes Winkelsignal erreicht wird.Furthermore, according to a likewise advantageous embodiment of the invention, it can be provided that the blending between the rotation angle position of the rotor measured at the beginning of the time interval and the calculated rotation angle position of the rotor expected at the end of the time interval is carried out by changing the weighting of the two rotation angle positions at any time within the time interval, the sum of the two weighted rotation angle positions corresponds to the value, whereby at the beginning of the time interval the measured rotation angle position of the rotor has the weighted value and the expected calculated rotation angle position of the rotor has the weighted value and at the end of the time interval the measured rotation angle position of the rotor the weighted value and the expected calculated rotation angle position of the rotor has the weighted value. The advantageous effect of this embodiment is that a continuous angle signal is achieved by weighting with continuously running functions.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Zeitintervall eine Zeitdauer zwischen 0.001-0.1 sec. aufweist. Hierdurch lässt sich insbesondere der Wirkung erzielen, dass die lineare Interpolation eine unterschiedliche Steigung aufweist. Die maximale Anregung im Signalverlauf kann so beeinflusst werden und kann über Simulationen und Tests bestimmt werden.According to a further particularly preferred embodiment of the invention, it can be provided that the time interval has a duration between 0.001-0.1 sec. This makes it possible, in particular, to achieve the effect that the linear interpolation has a different slope. The maximum excitation in the signal curve can be influenced in this way and can be determined via simulations and tests.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass das Verfahren beim Hochlaufen des Rotors verwendet wird. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass auf die Verwendung von Injektionssignalen verzichtet werden kann.Furthermore, the invention can also be further developed in such a way that the method is used when the rotor starts up. The advantage of this configuration is that the use of injection signals can be dispensed with.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Computerprogrammprodukt, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, oder Computer-Datensignal, verkörpert durch eine elektromagnetische Welle, mit Programmcode, der geeignet ist zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1-5.The object of the invention is further achieved by a computer program product which is stored on a machine-readable carrier, or computer data signal, embodied by an electromagnetic wave, with program code which is suitable for carrying out the method according to claims 1-5.
Auch kann die Aufgabe der Erfindung gelöst sein durch eine Steuereinheit zur Steuerung und Bestromung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, umfassend einen Prozessor und einen Speicher, der einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor, die Steuereinheit zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1-5 zu veranlassen.The object of the invention can also be achieved by a control unit for controlling and powering an electrical machine, in particular an electrical synchronous machine, comprising a processor and a memory which contains a computer program code, the memory and the computer program code being configured with the processor To cause the control unit to carry out a method according to claims 1-5.
Die Aufgabe der Erfindung kann ferner gelöst werden durch eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Antriebsstrang eines elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs umfassend eine Steuereinheit nach Anspruch 7.The object of the invention can further be achieved by an electric machine, in particular for a drive train of an electrically operated motor vehicle, comprising a control unit according to
Schließlich kann die Aufgabe der Erfindung auch gelöst sein, durch ein Hybridmodul für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine elektrische Maschine nach Anspruch 8.Finally, the object of the invention can also be achieved by a hybrid module for a drive train of a motor vehicle, comprising an electric machine according to
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below using figures without restricting the general idea of the invention.
Es zeigt:
-
1 ein Rotorwinkellage-Zeit-Diagramm, -
2 eine Messung zur Überblendung der gemessenen Drehwinkelposition hin zur berechneten Drehwinkelposition des Rotors, -
3 den zeitlichen Ablauf des Hochlaufs ohne Überblenden am gleichen Testaufbau wie der, der für die2 verwendet wurde, -
4 den zeitlichen Ablauf des Hochlaufs ohne Überblenden am gleichen Testaufbau wie der, der für2 -3 verwendet wurde, -
5 eine elektrische Maschine in einer schematischen Axialschnittdarstellung, -
6 Hybridmodul in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs in einer schematischen Blockschaltdarstellung.
-
1 a rotor angular position-time diagram, -
2 a measurement to blend the measured angle of rotation position into the calculated angle of rotation position of the rotor, -
3 the timing of the startup without fading on the same test setup as that for the2 has been used, -
4 the timing of the startup without fading on the same test setup as that for2 -3 has been used, -
5 an electrical machine in a schematic axial sectional representation, -
6 Hybrid module in a drive train of a motor vehicle in a schematic block diagram.
Anhand der
Die elektrische Maschine 1 weist einen Stator 2 und einen gegenüber diesem unter Veränderung einer Drehposition mit einer Rotordrehzahl n drehbaren Rotor 3, was gut aus der
Die elektrische Maschine 1 ist in einem ersten Betriebszustand 4 in Abhängigkeit von einer durch einen Drehwinkelsensor 5 gemessenen Drehwinkelposition des Rotors 3 elektrisch gesteuert betrieben und in einem zeitlich darauffolgenden zweiten Betriebszustand 6 abhängig von einer ohne die gemessene Drehwinkelposition des Drehwinkelsensors 5 berechneten Drehwinkelposition des Rotors 3 elektrisch geregelt betrieben ist.The
Wie man anhand der
Der Drehwinkel, der sich letztendlich dadurch ergibt, ist als hervorgehobene Linie dargestellt. Vor dem Zeitintervall 7, das auch als Überblendungsintervall bezeichnet werden kann, stimmt dieser mit der gesteuerten Drehwinkelposition überein, während er nach dem Zeitintervall 7 mit dem geschätzten Wert der Drehwinkelposition übereinstimmt. Aus der
Die Überblendung zwischen der am Beginn des Zeitintervalls 7 gemessenen Drehwinkelposition des Rotors 3 und der am Ende des Zeitintervalls 7 erwarteten berechneten Drehwinkelposition des Rotors 3 kann beispielsweise durch eine sich ändernde Gewichtung der zwei Drehwinkelpositionen durchgeführt werden, indem zu jedem Zeitpunkt innerhalb des Zeitintervalls 7 die Summe der beiden gewichteten Drehwinkelpositionen dem Wert 1 entspricht, wobei am Beginn des Zeitintervalls 7 die gemessene Drehwinkelposition des Rotors 3 den gewichteten Wert 1 und die erwartete berechnete Drehwinkelposition des Rotors 3 den gewichteten Wert 0 aufweist und am Ende des Zeitintervalls 7 die gemessene Drehwinkelposition des Rotors 3 den gewichteten Wert 0 und die erwartete berechnete Drehwinkelposition des Rotors 3 den gewichteten Wert 1 aufweist.The blending between the rotation angle position of the
Das geschilderte Verfahren kann insbesondere beim Hochlaufen des Rotors 3 verwendet werden.The method described can be used in particular when the
In
Im zweiten Diagramm sind die Drehzahlen dargestellt. Durch den Wechsel von gesteuert auf geberlos geregelt kann man hier ein leichtes Absinken der Drehzahl beobachtet werden.The speeds are shown in the second diagram. By changing from controlled to sensorless control, a slight drop in speed can be observed.
Im dritten Diagramm sind die Phasenspannungen dargestellt. Im vierten der fünf Diagramme ist der Sollstrom dargestellt. Da der gesteuerte Hochlauf mit reinem d-Strom durchgeführt wird, ist der q-Strom Null. Aus der Geschwindigkeit lässt sich ein Wunschsollstrom in d-und q-Richtung für die Zeit nach der Überblendung innerhalb des Zeitintervalls 7 bestimmen. Zum Zeitpunkt des Starts der Überblendung wird so das gesteuerte i-q-Strompaar auf den Wert nach der Überblendung durch lineare Interpolation berechnet. Im fünften Diagramm sind die Phasenströme dargestellt.The phase voltages are shown in the third diagram. The target current is shown in the fourth of the five diagrams. Since the controlled startup is carried out with pure d current, the q current is zero. From the speed, a desired target current in the d and q directions can be determined for the time after the crossfade within the
In
In
Deutlich lässt sich aus der Zusammenschau der
Schließlich zeigt die
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.The invention is not limited to the embodiments shown in the figures. The foregoing description is therefore not to be viewed as limiting but rather as illustrative. The following patent claims are to be understood as meaning that a stated feature is present in at least one embodiment of the invention. This does not exclude the presence of other features. If the patent claims and the above description define 'first' and 'second' features, this designation serves to distinguish two similar features without establishing a ranking.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- elektrische Maschineelectric machine
- 22
- Statorstator
- 33
- Rotorrotor
- 44
- BetriebszustandOperating condition
- 55
- DrehwinkelsensorRotation angle sensor
- 66
- BetriebszustandOperating condition
- 77
- Zeitintervalltime interval
- 88th
- WinkelverlaufAngle course
- 99
- WinkelverlaufAngle course
- 1010
- WinkelverlaufAngle course
- 1111
- Winkelverlauf Angle course
- 1313
- SteuereinheitControl unit
- 1414
- Prozessorprocessor
- 1515
- Speicher Storage
- 2020
- HybridmodulHybrid module
- 2121
- AntriebsstrangDrivetrain
- 2222
- Kraftfahrzeugmotor vehicle
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- WO 2020001681 A1 [0011]WO 2020001681 A1 [0011]
- DE 102018120421 A1 [0012]DE 102018120421 A1 [0012]
Claims (9)
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