WO2012104372A2 - Verfahren, vorrichtung und computerprogramm zum ermitteln eines offsetwinkels in einer elektromaschine - Google Patents

Verfahren, vorrichtung und computerprogramm zum ermitteln eines offsetwinkels in einer elektromaschine Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for determining an offset angle in an electric machine.
  • the invention further relates to a device and a
  • Computer program which are designed to carry out the method according to the invention, as well as a computer-readable storage medium with a corresponding computer program stored thereon.
  • Electric machines with high performance potential are used for example in electric and hybrid vehicles.
  • the electric machine can be operated both in a drive mode by acting as a motor and in a generator mode by converting kinetic energy into electrical energy during a deceleration process.
  • a torque can be transmitted from the electric machine to a shaft connected to the electric machine, which in turn is connected, for example, to wheels of the vehicle.
  • the torque can thereby assume positive or negative values, depending on whether the electric machine is operated in drive mode or in generator mode.
  • Phase-locked electrical machines such as electrical
  • Synchronous machines in which a rotor has a same rotational frequency as a stator rotating field, generate a torque that depends strongly on a Wnkelversatz between the rotor and stator rotating field.
  • Zero position of a provided for an electric machine Wnkelsensorsystems differs from the actual zero position of the electric machine by a Wnkel a.
  • This angle ⁇ is referred to herein as the offset angle.
  • This offset angle should be known as accurately as possible and in the control of the electric machine
  • the offset angle should be determined by a calibration method.
  • a possible calibration method is described in DE 10 2008 001 408 A1.
  • Electric machine has a stator and a rotor.
  • the method comprises the following method steps: driving the electric machine into a quasi zero-current state; Determining a voltage vector during the quasi-zero current state; Transform the voltage vector into a rotor-proof one
  • the electric machine is controlled in a so-called quasi-zero-current state.
  • This quasi-zero current state should be defined such that in
  • Electric machine are controlled such that substantially no electric current flows in the electric machine. It can on the windings of the
  • Electric machine applied voltages are chosen such that they are in the
  • Electric machine applied voltages are set such that sets in the windings neither an electric current, the electric machine
  • Windings of the electric machine would be induced.
  • Substantially no electric current can be understood to mean that the electric currents flowing in the circuits of the electric machine are selected to be small enough that essentially no torque is transmitted to the shaft connected to the electric machine, that is to say one Moving state, the coupled with the electric machine shaft is not changed by the electric machine. This is especially true in the event that the
  • Electric machine at low speeds for example below the rated speed of the electric machine, is operated.
  • a current flowing in the windings during the quasi-zero current state can be less than 5%, preferably less than 2%, of the rated current of the electric machine.
  • the quasi-zero-current state can be brought about selectively by actuating the electric machine.
  • the normal operation of the electric machine that is, for example, the driving state of a vehicle desired by a driver and caused by the electric machine, could be interrupted or disturbed, it may be preferable not to selectively drive the electric machine into a quasi-zero current state and then wait until the electric machine is driven to a quasi-zero-current state for other reasons and then take the opportunity to perform the offset-angle detection process.
  • a driver's desired driving situation arise, in which the electric machine in a manner desired by the driver no torque on the shaft, that is, no force on the vehicle wheels to exercise, that is, the vehicle should be able to roll freely without being applied by the electric machine with force.
  • the presented offset angle determination method can be particularly advantageous since the electric machine can be mechanically fixedly coupled to the shaft during the quasi-zero current state. In other words, it is to carry out the
  • a voltage vector indicating a direction of a voltage driven in the electric machine during the quasi-zero current state is determined.
  • the voltage vector is a vectorial quantity, which is a measure of the direction and the strength of the
  • Voltage indicators rotate synchronously with the rotor of the electric machine.
  • Coordinate system that is, in a coordinate system that is fixed relative to the electric machine to avoid, the voltage vector is then transformed into a rotor-fixed coordinate system.
  • the rotor-fixed coordinate system is a coordinate system with respect to the rotating rotor of the
  • Electric machine is fixed, that is, which rotates with the rotor.
  • Voltage vector is transformed into such a rotor-fixed coordinate system, it can be achieved that the voltage vector is also stationary in a stationary state of the electric machine, that is both has a constant absolute value and a constant orientation.
  • time-constant voltage vector can be used much more easily for deriving further information about the state of the electric machine than would be the case with a time-varying, circulating voltage vector.
  • Transforming the voltage vector can be done using common mathematical methods.
  • the voltage vector can be transformed into the rotor-fixed coordinate system in such a way that a component d and a component q can be assigned to the voltage vector in a stationary state.
  • the transformed voltage vector should be able to be decomposed into two components, in which a component d indicates the vectorial component of the voltage vector pointing in the direction of electrical flux, and a component q indicates the vectorial component which is perpendicular thereto.
  • the offset angle may be based on the transformed
  • the offset angle can in particular be calculated from the component d or the component q of the transformed voltage vector.
  • an angle error of the offset angle can be calculated from the component q and the component d by forming an arctangent value.
  • the determined angular error of the offset angle can be used for the subsequent plausibility of the offset angle.
  • a computer program can be provided which, as software, can cause a corresponding control device to carry out the method steps described above.
  • a corresponding control device can be performed by a device that is designed to control the electric machine.
  • a computer program can be provided which, as software, can cause a corresponding control device to carry out the method steps described above.
  • Computer-readable storage medium such as a programmable microchip, for example an EEPROM, or a CD or DVD may include a corresponding computer program stored thereon, such that the computer program possibly also be subsequently implemented in a programmable controller.
  • the device designed to carry out the method described above should be able to detect when an electric machine is driven into a quasi zero-current state, and then to detect a voltage vector and transform it into a rotor-fixed coordinate system to subsequently obtain an offset angle Calculate electric machine based on the transformed voltage vector.
  • the method described above or the device described above can be used particularly advantageously in electric vehicles or hybrid vehicles that are driven by a synchronous electric machine.
  • Fig. 1 shows a cross section through an electric machine.
  • Fig. 2 shows a voltage indicator in a rotor-fixed coordinate system.
  • Fig. 3 shows an electric vehicle with a device according to the invention for
  • FIG. 1 an electric machine 1 with a stator 10, which has a plurality of stator windings 15, and a rotor 20 is shown.
  • An electrical current flowing through the stator windings 15 emerges from the drawing plane in a winding section shown on the left and enters a winding section on the drawing plane shown on the right.
  • a magnetic field generated thereby has the direction of the arrow A.
  • only a single stator winding 15 is shown, and usually stator windings are arranged uniformly along the entire circumference of the stator.
  • the rotor 20 is for example by means of
  • Permanent magnet or rotor windings (not shown) is energized and has a magnetic field which is oriented in the longitudinal direction of the rotor, as shown by the arrow B.
  • a force between the stator 10 and the rotor 20 is proportional to sin (a), where ⁇ corresponds to the curvature between the magnetic field A generated by the stator 10 and the magnetic field B generated by the rotor 20.
  • a current orientation of the rotor 20 or of the magnetic field B generated by it can be determined with the aid of a worm sensor system 30. Since the actual mounting position of the angle sensor system 30 within the electric machine 1 may deviate from a desired mounting position, the orientation angle determined by the angle sensor system 30, which differs from that of FIG.
  • Angle sensor system 30 is passed, for example, to a controller of the electric machine 1, different from the actual orientation angle of the rotor. This angle difference is referred to as the offset angle and can be determined after calibration of the electric machine 1 with the Wnkelsensorsystem 30 for the first time by calibration.
  • Electric machine 1 each controlled by means of a controller such that a strength and orientation of the generated by the stator 10 and the rotor 20
  • Corrading voltage in the electric machine correspond, so that substantially no electric currents should flow in the Wcklept.
  • a voltage indicator is transformed into a rotor-fixed coordinate system 40, as shown in Fig. 2.
  • the voltage indicator can be represented as a vector X.
  • the voltage vector X should be aligned along the ordinate, that is, have only one component q. However, if the assumed offset is subject to a fault, results in the
  • Transformation of the voltage vector in the rotor fixed coordinate system 40 also a component d.
  • the angle ⁇ which results from the deviation of the angle ß of the voltage vector X within the coordinate system 40 of 90 °
  • FIG. 3 schematically shows an electric vehicle 50 in which an electric machine 1 is controlled by a control device 60 to generate a desired torque and to transmit it via a shaft 70 to wheels 80 of the vehicle.
  • the control device 60 can be software-controlled and instructed by a corresponding computer program to use the method described above for determining an offset angle as required or to a suitable one Opportunity to perform.

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Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln bzw. Plausibilisieren eines Offsetwinkels zwischen einer angenommenen Orientierung und einer tatsächlichen Orientierung eines Rotors (20) zu einem Stator (10) in einer Elektromaschine (1) vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird die Elektromaschine zunächst in einen Quasi-Nullstrom-Zustand angesteuert, in dem in den Wicklungen der Elektromaschine im Wesentlichen kein elektrischer Strom fließen soll. Anschließend wird ein Spannungsanzeiger, der eine Richtung einer in der Elektromaschine während des Quasi-Nullstrom-Zustands angesteuerten Spannung angibt, bestimmt und nachfolgend in ein rotorfestes Koordinatensystem transformiert. Basierend auf dem transformierten Spannungszeiger kann der Offsetwinkel bzw. ein Winkelfehler in Bezug auf einen zuvor angenommenen, kalibrierten Offsetwinkel bestimmt werden.

Description

BESCHREIBUNG
Verfahren, Vorrichtung und Computerprogramm zum Ermitteln eines Offsetwinkels in einer Elektromaschine
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Offsetwinkels in einer Elektromaschine. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung und ein
Computerprogramm, die zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt sind, sowie ein computerlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten entsprechenden Computerprogramm.
STAND DER TECHNIK
Elektromaschinen mit hohem Leistungspotential werden beispielsweise in Elektro- und Hybridfahrzeugen eingesetzt. Hierbei kann die elektrische Maschine sowohl in einem Antriebsmodus, indem sie als Motor wirkt, als auch in einem Generatormodus, indem sie während eines Abbremsvorganges kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt, betrieben werden. Dabei kann von der Elektromaschine ein Drehmoment auf eine mit der Elektromaschine verbundene Welle, die wiederum beispielsweise mit Rädern des Fahrzeugs verbunden ist, übertragen werden. Das Drehmoment kann dabei je nachdem, ob die Elektromaschine im Antriebsmodus oder im Generatormodus betrieben wird, positive oder negative Werte annehmen.
Phasenstarre elektrische Maschinen wie beispielsweise elektrische
Synchronmaschinen, bei denen ein Rotor eine gleiche Drehfrequenz aufweist wie ein Statordrehfeld, erzeugen ein Drehmoment, das stark von einem Wnkelversatz zwischen Rotor und Statordrehfeld abhängt. Ferner gibt es eine Vielzahl von
Anwendungen für Elektromaschinen, bei denen eine Wnkelstellung einer Antriebswelle der Elektromaschine mit einem Abtrieb synchronisiert sein muss, das heißt die
Winkelstellung genau bekannt sein muss.
Um die Wnkelstellung, d.h. eine Orientierung des Rotors relativ zu dem Stator der Elektromaschine, erfassen zu können, sind verschiedene Wnkelsensorsysteme bekannt. Diese werden in der Regel erst nach einer Fertigstellung der Elektromaschine an dieser montiert, um im nachfolgenden Betrieb der Elektromaschine stets eine Information z.B. über die aktuelle Wnkelstellung der Antriebswelle ermitteln zu können. Bei der Montage der Winkelsensoren kann nicht immer sichergestellt werden, dass die Winkelsensoren exakt an gewünschten Positionen, bezogen auf die Geometrie der Elektromaschine, fixiert werden können. Daher kann es vorkommen, dass eine
Nulllage eines für eine Elektromaschine vorgesehenen Wnkelsensorsystems sich von der tatsächlichen Nulllage der Elektromaschine um einen Wnkel α unterscheidet.
Dieser Winkel α wird hierin als Offsetwinkel bezeichnet. Dieser Offsetwinkel sollte möglichst genau bekannt sein und bei der Steuerung der Elektromaschine
berücksichtigt werden, um z.B. einen gewünschten Drehmomentverlauf realisieren zu können.
Nach dem Zusammenbau der Elektromaschine und des Winkelsensorsystems sollte daher der Offsetwinkel durch ein Kalibrierungsverfahren bestimmt werden. Ein mögliches Kalibrierungsverfahren ist in DE 10 2008 001 408 A1 beschrieben.
Da sich der Offsetwinkel während der Lebensdauer der Elektromaschine
beispielsweise aufgrund von starken mechanischen Beanspruchungen ändern kann, sollte er während des Betriebs der Elektromaschine von Zeit zu Zeit überprüft werden.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es kann daher ein Bedarf dafür bestehen, einen Offsetwinkel einer Elektromaschine während des Betriebs der Elektromaschine überprüfen zu können bzw. einen zuvor durch Kalibrieren erhaltenen Wert eines Offsetwinkels zu einem späteren Zeitpunkt plausibilisieren zu können. Einem solchen Bedarf kann durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche entsprochen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Ermitteln eines Offsetwinkels einer Elektromaschine vorgeschlagen. Die
Elektromaschine weist dabei einen Stator und einen Rotor auf. Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte: Ansteuern der Elektromaschine in einen Quasi- Nullstrom-Zustand; Bestimmen eines Spannungszeigers während des Quasi- Nullstrom-Zustands; Transformieren des Spannungszeigers in ein rotorfestes
Koordinatensystem; und Bestimmen des Offsetwinkels basierend auf dem
transformierten Spannungszeiger.
Mögliche Merkmale und Vorteile des vorgestellten Verfahrens werden nachfolgend detailliert beschrieben.
Zunächst wird die Elektromaschine in einen sogenannten Quasi-Nullstrom-Zustand angesteuert. Dieser Quasi-Nullstrom-Zustand soll derart definiert sein, dass im
Wesentlichen kein Strom in den Wicklungen der Elektromaschine fließen soll. Mit anderen Worten kann zum Erreichen des Quasi-Nullstrom-Zustands die
Elektromaschine derart angesteuert werden, dass im Wesentlichen kein elektrischer Strom in der Elektromaschine fließt. Dabei können die an den Wicklungen der
Elektromaschine angelegten Spannungen derart gewählt werden, dass sie im
Wesentlichen der in der Elektromaschine aktuell herrschenden induzierten
Polradspannung entsprechen. Anders ausgedrückt sollen die an den Wcklungen der
Elektromaschine angelegten Spannungen derart eingestellt werden, dass sich in den Wicklungen weder ein elektrischer Strom einstellt, der die Elektromaschine
beschleunigen würde, noch dass aufgrund des sich im Magnetfeld der
Elektromaschine drehenden Rotors ein wesentlicher elektrischer Strom in den
Wicklungen der Elektromaschine induziert würde.
„Im Wesentlichen kein elektrischer Strom" kann dabei dahingehend verstanden werden, dass die in den Wcklungen der Elektromaschine fließenden elektrischen Ströme klein genug gewählt sind, dass im Wesentlichen kein Drehmoment auf die mit der Elektromaschine verbundene Welle übertragen wird, das heißt ein Bewegungszustand, der mit der Elektromaschine gekoppelten Welle nicht durch die Elektromaschine verändert wird. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass die
Elektromaschine bei geringen Drehzahlen, beispielsweise unterhalb der Nenndrehzahl der Elektromaschine, betrieben wird. Beispielsweise kann ein während des Quasi- Nullstrom-Zustand in den Wicklungen fließender Strom kleiner als 5%, vorzugsweise kleiner als 2% des Nennstromes der Elektromaschine sein.
Um das Verfahren zum Ermitteln des Offsetwinkels durchführen zu können, kann hierbei der Quasi-Nullstrom-Zustand durch Ansteuern der Elektromaschine gezielt herbeigeführt werden. Da hierzu jedoch der normale Betrieb der Elektromaschine, das heißt zum Beispiel der von einem Fahrer gewünschte und von der Elektromaschine bewirkte Fahrzustand eines Fahrzeugs, unterbrochen bzw. gestört werden könnte, kann es bevorzugt sein, die Elektromaschine nicht gezielt in einen Quasi-Nullstrom- Zustand zu bringen, um dann das Offsetwinkelermittlungsverfahren durchzuführen, sondern umgekehrt abzuwarten, bis die Elektromaschine aus anderen Gründen in einen Quasi-Nullstrom-Zustand angesteuert wird und dann die Gelegenheit nutzen, um das Offsetwinkelermittlungsverfahren durchzuführen. Beispielsweise kann sich bei einem Elektrofahrzeug eine von dem Fahrer gewünschte Fahrsituation ergeben, bei dem die Elektromaschine in einer vom Fahrer gewollten Weise kein Drehmoment auf die Welle, das heißt keine Kraft auf die Fahrzeugräder, ausüben soll, das heißt, das Fahrzeug frei rollen können soll, ohne von der Elektromaschine mit Kraft beaufschlagt zu werden.
Das vorgestellte Offsetwinkelermittlungsverfahren kann besonders vorteilhaft sein, da die Elektromaschine während des Quasi-Nullstrom-Zustand mechanisch fest mit der Welle gekoppelt sein kann. Mit anderen Worten ist es zur Durchführung des
Offsetwinkelermittlungsverfahrens nicht nötig, die Elektromaschine von der Welle abzukoppeln, sondern es genügt, zu überwachen, wann der gewünschte Quasi- Nullstrom-Zustand durch eine entsprechende Ansteuerung der Elektromaschine angesteuert wird. Nachdem der Quasi-Nullstrom-Zustand angesteuert wurde, wird ein Spannungszeiger, der eine Richtung einer in der Elektromaschine während des Quasi-Nullstrom- Zustands angesteuerten Spannung angibt, bestimmt. Der Spannungszeiger ist dabei eine vektorielle Größe, die ein Maß für die Richtung und die Stärke der
Spannungsverteilung an den Wicklungen des Stators der Elektromaschine darstellt. Während des rotierenden Betriebes der Elektromaschine wird dabei der
Spannungszeiger synchron mit dem Rotor der Elektromaschine umlaufen.
Um ein solches Umlaufen des Spannungszeigers in einem globalen
Koordinatensystem, das heißt in einem Koordinatensystem, das bezogen auf die Elektromaschine fest ist, zu vermeiden, wird der Spannungszeiger anschließend in ein rotorfestes Koordinatensystem transformiert. Das rotorfeste Koordinatensystem ist dabei ein Koordinatensystem, das in Bezug auf den rotierenden Rotor der
Elektromaschine fest ist, das heißt, das mit dem Rotor mit rotiert. Indem der
Spannungszeiger in ein solches rotorfestes Koordinatensystem transformiert wird, kann erreicht werden, dass der Spannungszeiger in einem stationären Zustand der Elektromaschine ebenfalls stationär ist, das heißt sowohl einen konstanten Absolutwert als auch eine konstante Orientierung aufweist. Somit kann nachfolgend ein derart transformierter, zeitlich konstanter Spannungszeiger wesentlich einfacher zur Ableitung weiterer Informationen über den Zustand der Elektromaschine verwendet werden, als dies bei einem zeitlich variierenden, umlaufenden Spannungszeiger der Fall wäre. Das Transformieren des Spannungszeigers kann mit gebräuchlichen mathematischen Methoden durchgeführt werden.
Der Spannungszeiger kann insbesondere derart in das rotorfeste Koordinatensystem transformiert werden, dass dem Spannungszeiger in einem stationären Zustand eine Komponente d und eine Komponente q zuzuordnen sind. Mit anderen Worten soll der transformierte Spannungszeiger in zwei Komponenten zerlegt werden können, bei denen eine Komponente d den vektoriellen Anteil des Spannungszeigers angibt, der in Richtung des elektrischen Flusses zeigt, und eine Komponente q den vektoriellen Anteil angibt, der senkrecht dazu ist.
Abschließend kann der Offsetwinkel basierend auf dem transformierten
Spannungszeiger bestimmt werden. Hierbei kann ermittelt werden, ob der
transformierte Spannungszeiger, der sich bei Ansteuern der Elektromaschine in einem Quasi-Nullstrom-Zustand tatsächlich ergibt, mit einem gewünschten Spannungsanzeiger bzw. einem Spannungsanzeiger, der aufgrund des zuvor durch eine Kalibrierung erhaltenen Wissens über den Offsetwinkel eingestellt wurde, übereinstimmt. Für den Fall, dass der basierend auf einer vorhergehenden Kalibrierung angenommene Offsetwinkel nicht mit dem nun tatsächlich bestimmten Offsetwinkel übereinstimmt, kann aus der Differenz des angenommenen und des tatsächlich bestimmten Offsetwinkels ein Winkelfehler ermittelt werden. Dieser Winkelfehler kann bei einem nachfolgenden Ansteuern der Elektromaschine berücksichtigt werden, das heißt der Offsetwinkel, der von einer Steuerung der Elektromaschine zur Ansteuerung der Elektromaschine verwendet wird, kann um den Winkelfehler korrigiert werden.
Der Offsetwinkel kann insbesondere aus der Komponente d bzw. der Komponente q des transformierten Spannungszeigers berechnet werden. Insbesondere kann ein Winkelfehler des Offsetwinkels aus der Komponente q und der Komponente d durch Bilden eines Arkustangens-Wertes berechnet werden.
Der ermittelte Wnkelfehler des Offsetwinkels kann zur nachträglichen Plausibilisierung des Offsetwinkels herangezogen werden. Je kleiner der ermittelte Winkelfehler ist, desto weniger weicht der von der Steuerung der Elektromaschine angenommene, zu einem früheren Zeitpunkt durch Kalibrierung erhaltene Offsetwinkel von dem
tatsächlich in der Elektromaschine und dem damit gekoppelten Winkelsensorsystem herrschenden Offsetwinkel ab. Sollte der ermittelte Winkelfehler einen vorgegebenen Grenzwert überschreiten, können geeignete Maßnahmen, wie zum Beispiel eine Korrektur des in der Maschinensteuerung hinterlegten Offsetwinkels, vorgenommen werden, um eine Schädigung der Elektromaschine oder einen suboptimale
Drehmomentsteuerung zu vermeiden.
Das oben beschriebene Verfahren zum Ermitteln des Offsetwinkels kann
beispielsweise von einer Vorrichtung durchgeführt werden, die dazu ausgelegt ist, die Elektromaschine zu steuern. Hierzu kann ein Computerprogramm vorgesehen sein, das als Software ein entsprechendes Steuergerät dazu veranlassen kann, die oben beschriebenen Verfahrensschritte durchzuführen. Ein entsprechendes
computerlesbares Speichermedium, wie zum Beispiel ein programmierbarer Mikrochip, zum Beispiel ein EEPROM, oder eine CD oder DVD kann ein entsprechendes darauf gespeichertes Computerprogramm enthalten, so dass das Computerprogramm eventuell auch nachträglich in ein programmierbares Steuergerät implementiert werden kann.
Die zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens ausgelegte Vorrichtung sollte in der Lage sein, zu erkennen, wenn eine Elektromaschine in einen Quasi- Nullstrom-Zustand angesteuert wird, und dann einen Spannungszeiger zu ermitteln und in ein rotorfestes Koordinatensystem zu transformieren, um nachfolgend einen Offsetwinkel der Elektromaschine basierend auf dem transformierten Spannungszeiger berechnen zu können.
Das oben beschriebene Verfahren bzw. die oben beschriebene Vorrichtung kann besonders vorteilhaft in Elektrofahrzeugen bzw. Hybridfahrzeugen, die von einer elektrischen Synchronmaschine angetrieben werden, verwendet werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung hierin teilweise in Bezug auf das vorgeschlagene Verfahren zum Ermitteln eines Offsetwinkels und teilweise in Bezug auf eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens beschrieben sind. In für einen Fachmann erkennbarer Weise können die Merkmale jedoch in beliebiger weise miteinander kombiniert bzw.
ausgetauscht werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend in nicht einschränkend auszulegender Weise mit Bezug auf die beiliegenden Figuren beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Elektromaschine.
Fig. 2 zeigt einen Spannungsanzeiger in einem rotorfesten Koordinatensystem.
Fig. 3 zeigt ein Elektrofahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum
Ermitteln eines Offsetwinkels einer Elektromaschine.
Die Figuren sind lediglich grob schematisch und nicht maßstabsgetreu. AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
In Fig. 1 ist eine Elektromaschine 1 mit einem Stator 10, der mehrere Statorwicklungen 15 aufweist, und einem Rotor 20 dargestellt. Ein durch die Statorwicklungen 15 fließender elektrischer Strom tritt in einem links dargestellten Wicklungsabschnitt aus der Zeichenebene heraus und tritt in einen rechts dargestellten Wicklungsabschnitt in der Zeichenebene ein. Ein hierdurch erzeugtes magnetisches Feld hat die Richtung des Pfeils A. Aus Gründen der Klarheit ist nur eine einzelne Statorwicklung 15 dargestellt, wobei üblicherweise Statorwicklungen entlang des gesamten Umfangs des Stators gleichmäßig angeordnet sind. Der Rotor 20 ist beispielsweise mittels
Permanentmagneten oder Rotorwicklungen (nicht dargestellt) erregt und weist ein Magnetfeld auf, das in Längsrichtung des Rotors orientiert ist, wie durch den Pfeil B dargestellt. Eine Kraft zwischen dem Stator 10 und dem Rotor 20 ist proportional zu sin(a), wobei α dem Wnkel zwischen dem von dem Stator 10 erzeugten magnetischen Feld A und dem von dem Rotor 20 erzeugten magnetischen Feld B entspricht.
Eine aktuelle Orientierung des Rotors 20 bzw. des von ihm erzeugten Magnetfeldes B kann mit Hilfe eines Wnkelsensorsystems 30 ermittelt werden. Da die tatsächliche Montageposition des Wnkelsensorsystems 30 innerhalb der Elektromaschine 1 von einer gewünschten Montageposition abweichen kann, kann sich auch der von dem Winkelsensorsystem 30 ermittelte Orientierungswinkel, der von dem
Winkelsensorsystem 30 beispielsweise an eine Steuerung der Elektromaschine 1 weitergegeben wird, von dem tatsächlichen Orientierungswinkel des Rotors unterscheiden. Dieser Winkelunterschied wird als Offsetwinkel bezeichnet und kann nach einem Zusammenbau der Elektromaschine 1 mit dem Wnkelsensorsystem 30 erstmals durch Kalibrieren bestimmt werden.
Während des nachfolgenden Betriebes der Elektromaschine 1 wird die
Elektromaschine 1 jeweils mit Hilfe einer Steuerung derart angesteuert, dass sich eine Stärke und Orientierung der von dem Stator 10 und dem Rotor 20 erzeugten
Magnetfelder A, B zueinander derart einstellen, dass gewünschte Drehmomente von der Elektromaschine 1 erzeugt werden. Zur Steuerung der Elektromaschine 1 werden hierbei die von dem Wnkelsensorsystem 30 bereitgestellten Informationen über den aktuellen Orientierungswinkel des Rotors 20 unter Berücksichtigung des Offsetwinkels herangezogen. Um den Offsetwinkel zu einem späteren Zeitpunkt zu ermitteln bzw. den bisher angenommenen Offsetwinkel zu plausibilisieren, wird abgewartet, bis die Steuerung versucht, die Elektromaschine in einen Quasi-Nullstrom-Zustand zu versetzen. Die Steuerung wird hierzu die Spannungen, die an den Wicklungen der Elektromaschine angelegt werden, derart einstellen, dass sie gerade der aktuell herrschenden
Polradspannung in der Elektromaschine entsprechen, so dass im Wesentlichen keine elektrischen Ströme in den Wcklungen fließen sollten. Um zu überprüfen, ob der von der Steuerung angewiesene Quasi-Nullstrom-Zustand tatsächlich erreicht wird, das heißt, ob der von der Steuerung angenommene
Offsetwinkel noch dem tatsächlich in der Elektromaschine herrschenden Offsetwinkel entspricht, wird ein Spannungsanzeiger in ein rotorfestes Koordinatensystem 40 transformiert, wie in Fig. 2 dargestellt. In einem solchen rotorfesten Koordinatensystem 40 lässt sich der Spannungsanzeiger als Vektor X darstellen. Das Koordinatensystem
40 gibt auf seiner Abszisse eine Komponente d und auf seiner Ordinate eine
Komponente q des Spannungszeigers X an. Sofern der von der Steuerung
angenommene Offsetwinkel korrekt ist, sollte der Spannungszeiger X entlang der Ordinate ausgerichtet sein, das heißt nur eine Komponente q aufweisen. Ist der angenommene Offset jedoch mit einem Wnkelfehler behaftet, resultiert bei der
Transformation des Spannungszeigers in das rotorfeste Koordinatensystem 40 auch eine Komponente d. Der Winkel γ, welcher sich aus der Abweichung des Winkels ß des Spannungszeigers X innerhalb des Koordinatensystems 40 von 90° ergibt
(also γ = 90°- ß), entspricht dann dem Wnkelfehler und kann durch eine
Arkustangensfunktion mit einem oder zwei Argumenten, d.h. arctan (z) oder arctan2 (y, x), berechnet werden, beispielsweise γ= arctan d/q. Dies ermöglicht die
Plausibilisierung und Korrektur des kalibrierten bzw. des vom Winkelsensorsystem gelieferten Offsetwinkels. Fig. 3 zeigt schematisch ein Elektrofahrzeug 50, bei dem eine Elektromaschine 1 von einer Steuerungsvorrichtung 60 gesteuert wird, um ein gewünschtes Drehmoment zu erzeugen und über eine Welle 70 an Räder 80 des Fahrzeugs zu übertragen. Die Steuerungsvorrichtung 60 kann hierbei softwaregesteuert sein und durch ein entsprechendes Computerprogramm dazu instruiert werden, das oben beschriebene Verfahren zum Ermitteln eines Offsetwinkels bei Bedarf bzw. zu einer passenden Gelegenheit durchzuführen.

Claims

Ansprüche
Verfahren zum Ermitteln eines Offsetwinkels in einer Elektromaschine (1) mit einem Stator (10) und einem Rotor (20), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Ansteuern der Elektromaschine in einen Quasi-Nullstrom-Zustand derart, dass im Wesentlichen kein Strom in den Wicklungen der Elektromaschine fließt;
Bestimmen eines Spannungszeigers (X), der eine Richtung einer in der Elektromaschine während des Quasi-Nullstrom-Zustands angesteuerten Spannung angibt;
Transformieren des Spannungszeigers in ein rotorfestes Koordinatensystem (40);
Bestimmen des Offsetwinkels basierend auf dem transformierten
Spannungszeiger.
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Spannungszeiger derart in das rotorfeste Koordinatensystem transformiert wird, dass dem Spannungszeiger in einem stationären Zustand eine Komponente d und eine Komponente q zuzuordnen sind, wobei der Offsetwinkel aus mindestens einer der
Komponente d und der Komponente q berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein Wnkelfehler (γ) des Offsetwinkels aus der Komponente d und der Komponente q durch Bilden eines
Arkustangenswertes berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Elektromaschine während des Quasi-Nullstrom-Zustands derart angesteuert wird, dass von der Elektromaschine im Wesentlichen kein Drehmoment auf eine mit der Elektromaschine verbundene Welle (70) übertragen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Elektromaschine während des Quasi-Nullstrom-Zustands mechanisch fest mit der Welle gekoppelt ist.
6. Vorrichtung (60) zum Ermitteln eines Offsetwinkels in einer Elektromaschine (1) mit einem Stator (10) und einem Rotor (20), wobei die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, zu erkennen, wenn die Elektromaschine in einen Quasi-Nullstrom-Zustand derart angesteuert wird, dass im Wesentlichen kein Strom in den Wicklungen der Elektromaschine fließt, und die ferner dazu ausgelegt ist, einen
Spannungszeiger zu ermitteln, den Spannungszeiger in ein rotorfestes Koordinatensystem zu transformieren und einen Offsetwinkel der
Elektromaschine basierend auf dem transformierten Spannungszeiger zu berechnen.
8. Elektrofahrzeug (50) mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7.
9. Computerprogramm, das dazu ausgelegt ist, bei dessen Ausführung auf einem Computer einen Offsetwinkel einer Elektromaschine gemäß einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 zu ermitteln.
10. Computerlesbares Speichermedium mit darauf gespeichertem
Computerprogramm gemäß Anspruch 9.
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