WO2021047949A1 - Verfahren zur steuerung einer motoreinheit und motoreinheit zur durchführung eines solchen verfahrens - Google Patents

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WO2021047949A1
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rotor
actual
target
control
motor
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PCT/EP2020/074317
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Edgar Jerichow
Michael Winkler
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Vitesco Technologies Germany Gmbh
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Priority to US17/654,160 priority patent/US11843345B2/en

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02P6/20—Arrangements for starting
    • H02P6/22—Arrangements for starting in a selected direction of rotation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2203/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the means for detecting the position of the rotor
    • H02P2203/03—Determination of the rotor position, e.g. initial rotor position, during standstill or low speed operation

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a motor unit and a motor unit for carrying out the method.
  • Motor units for example in the form of electrical machines, are known from the prior art.
  • electrical machines are designed as actuators and stator-rotor assemblies.
  • Safety-relevant applications in a vehicle must be put into a safe state in the event of a safety-relevant malfunction.
  • the ISO standard 26262 specifies several ASIL safety requirement levels (short for: Automotive Safety Integrity Level) for safety-relevant electrical / electronic applications in motor vehicles.
  • the invention is based on the object of specifying a novel method for controlling a motor unit and an improved motor unit for carrying out the method, which method enables the motor unit to be controlled reliably.
  • the object is achieved according to the invention by the features specified in claim 1.
  • the object is achieved according to the invention by the features specified in claim 12 or 13.
  • a starting rotor position is first detected.
  • At least one non-safety-critical position tolerance range for a rotor position is then specified and / or determined.
  • the position offset for the rotor is specified or determined as a function of the position tolerance range.
  • the position offset is specified and / or determined in particular within the specified or determined position tolerance range, so that the position offset that can be set on the rotor is always within the position tolerance range.
  • an angular value and / or a sense of direction is specified or determined as the position offset.
  • a fixed position offset for the rotor is specified or determined in the form of a constant angular value and / or a constant sense of direction.
  • a target rotor position is determined based on the starting rotor position and the position offset, on the basis of which a target control pattern is specified, from which a motor control pattern is generated by means of a motor controller and sent to the motor unit to rotate the rotor into the specified target rotor position is created.
  • the method further provides that an actual control pattern controlling the motor unit is recorded at an interface between the motor controller and the motor unit. Furthermore, an actual rotor position resulting from the rotation of the rotor by means of the actual control pattern is detected, both the detected actual control pattern and the detected actual rotor position being fed back to the motor controller for verification.
  • the method according to the invention makes it possible, reliably and simply, for the rotor to always be set to a rotor position which lies in the position tolerance range that is not critical to safety.
  • a non-safety-critical position tolerance range is understood to mean, in particular, a maximum movement range or position tolerance range for the rotor within which the rotor is allowed to move and is controlled accordingly without the motor unit entering a safety-critical state, in particular without causing critical situations that meet the safety requirements of the motor unit affect.
  • the non-safety-critical position tolerance range is characterized by maximum and minimum threshold or limit values for permissible deviations of the rotor position from the starting rotor position.
  • critical situations can lead to failure of the motor unit or at least individual components, for example switching elements of the motor unit, or to a short circuit. This can lead to an undesirably high current flow and thus to heating of the components of the motor unit, as a result of which they can be damaged.
  • the limit values can deviate symmetrically or asymmetrically from the starting rotor position.
  • equally large minimum and maximum limit values can be specified or determined for symmetrical deviations from the starting rotor position.
  • minimum and maximum limit values of different sizes can be specified or determined for asymmetrical deviation.
  • the non-safety-critical position tolerance range, in particular its limit values, for the relevant motor unit is / are stored in a memory, for example.
  • the specified position tolerance range for the rotor is determined and / or specified on the basis of at least one or more upper position limit values and / or at least one or more lower position limit values. For example, when determining the specified position tolerance range and / or a control tolerance range, measurement tolerances of the rotor position sensor, manufacturing tolerances of the motor unit and / or position tolerances of the rotor are taken into account by means of at least one tolerance factor.
  • a movement and / or direction of movement of the rotor is determined continuously.
  • both the actual rotor position and an actual direction of the momentary actual rotor movement are recorded or determined continuously, in particular cyclically, for example every 10 ms or 50 ms.
  • angle values and / or angle range values are determined as rotor position values. For example, a delta or a deviation from two rotor positions becomes the respective one
  • the direction of movement, in particular the direction of rotation, of the rotor is determined.
  • the delta or deviation is or are, for example, a difference, for example angle and / or distance difference, between the starting rotor position and the actual rotor position and / or between the target rotor position and the actual rotor position and / or between two actual Rotor positions determined.
  • a respective opposite direction is excluded by a specified maximum speed.
  • the method according to the invention makes it possible to carry out a diagnosis or check the functionality each time the motor unit is started up.
  • the rotor position must be determined anew each time the motor unit is started up, since, for example, no fixed rotor end positions are fixed or can be fixed.
  • the starting rotor position can be detected by means of a rotor position sensor, for example, before the motor unit is started or when the motor unit is in an idle state or when the motor unit is in an operating state.
  • the motor unit comprises at least one motor controller.
  • the engine control is in particular a control device or a microcomputer, which input signals, such as sensor signals, analog signals, digital signals, are recorded and / or supplied, the input signals being converted to output signals, such as control, information, and safety signals by means of the engine control - and / or control signals are processed.
  • the detected starting rotor position and the ascertained or specified non-safety-critical position tolerance range are fed to the engine control and / or an adaptive control module of the engine control as input signals.
  • the position offset in particular a maximum possible positive or negative position offset, which lies within the non-safety-critical position tolerance range, is determined or specified for the rotor by means of the motor control.
  • a control module is provided that can be part of the engine control or that is adaptively connected upstream.
  • the target rotor position is determined by means of the motor control, on the basis of which the associated target control pattern for controlling the rotor is generated, the rotor being actively controlled and moved into the specified target rotor position by means of the target control pattern becomes.
  • At least one direction of movement of the rotor and compliance with the non-safety-critical position tolerance range can be monitored.
  • a rotor position curve can be monitored.
  • the rotor is controlled, for example, by controlling a stator integrated in the motor unit.
  • the motor unit is an electric motor or an actuator arrangement.
  • a faulty or failed control for example according to the ISO 26262 standard, can be detected reliably and at an early stage in the motor unit.
  • the motor unit is a three-phase motor.
  • the motor unit is a direct current motor, in particular a so-called brushless direct current motor.
  • the rotor position sensor is, for example, a conventional rotation sensor, such as a rotary encoder, angle sensor, angle encoder with internal angular and / or directional detection.
  • the control of the motor unit can be monitored, diagnosed and controlled to ensure that the motor unit is always in a safe operating state. Furthermore, the method enables the motor unit to be actively and controlled to lead or move into a safe operating state in the event of a safety-relevant malfunction.
  • safety requirement levels of the ISO 26262 standard up to level ASIL C can be met.
  • the safe operating state is achieved in that the rotor is moved, in particular driven and rotated, into the specified target rotor position within the non-safety-critical position tolerance range.
  • the method according to the invention advantageously recognizes at an early stage whether a safe operation of the motor unit is possible depending on the starting rotor position and an initial rotor movement or a further rotor movement.
  • a safety signal for the motor unit is generated and / or output and / or transmitted on the basis of the feedback actual control pattern and / or the feedback actual rotor position.
  • the safety signal is, for example, a warning signal, in particular an optical and / or acoustic warning signal, an information signal to the workshop and / or a control signal for the engine control, for example to deactivate the engine control when a critical rotor position and / or rotor control is detected or activate and maintain the engine control when detected safe rotor position and / or rotor control.
  • the control of the rotor can be interrupted by means of a safety signal.
  • the control of the rotor is interrupted.
  • the target rotor position which lies within the non-safety-critical position tolerance range, sets the rotor to a non-safety-critical, verified, checked and controlled position. If no further malfunctions are detected, the rotor or the motor unit can be operated, the rotor position being set to the target rotor position.
  • the setpoint rotor position is a determined optimal rotor position for controlling the rotor, for example when starting up or operating the motor unit.
  • the detected actual control pattern is compared with the target control pattern in a first verification stage, with a first verification signal being generated as a safety signal if the actual control pattern is within a predetermined control tolerance range, otherwise the first verification signal is not generated.
  • the first verification signal is, for example, an activation signal which activates the control of the rotor. Failure to generate the first verification signal deactivates the rotor or ensures that the rotor remains deactivated. A false signal can also be generated.
  • the control tolerance range is, for example, a
  • the control tolerance range is a non-safety-critical control range which limits the generated control signals or control pulses upwards or downwards (with a maximum lower and / or maximum upper deviation).
  • the control tolerance range is determined, for example, on the basis of at least one or more upper control limit values and / or at least one or more lower control limit values for the target control pattern.
  • the control limit values depend, for example, on software / hardware tolerances of the engine control, such as, for example, on switching tolerances of electronic components.
  • the recorded actual control pattern is compared with the setpoint control pattern, the engine control, in particular the setpoint control pattern, being activated if the actual control pattern is within one or the specified control tolerance range remains, otherwise the engine control, in particular the target control pattern, is deactivated (for example interrupted) or remains deactivated.
  • Another aspect provides that, in a second verification stage, the recorded actual rotor position is compared with the target rotor position, wherein if the recorded actual rotor position is the same as the specified target rotor position and / or is within the specified non-safety-critical position tolerance range, as Security signal a second verification signal is generated, otherwise the generation of the second verification signal is omitted or a false signal is generated.
  • the second verification signal can, for example, also be an activation signal which activates the control of the rotor. On Failure to generate the second verification signal can deactivate the rotor or can ensure that the rotor remains deactivated.
  • the recorded actual rotor position is compared with the target rotor position, with the motor control being activated or remaining if the recorded actual rotor position is the same as the predetermined target rotor position and / or is within the predetermined position tolerance range , in particular the setpoint control pattern is or remains activated, otherwise the engine control, in particular the setpoint control pattern, is deactivated (for example interrupted) or remains deactivated.
  • functions of the engine control are checked via a back measurement of the control pattern used.
  • the control pattern is validated by the back measurement.
  • Correct functioning of the motor control, in particular its peripherals, is checked by back-measuring the control pattern created in a motor output stage.
  • an instantaneous actual operating position of the rotor resulting therefrom is recorded, this being compared with the determined target rotor position. If the actual rotor position and the target rotor position are determined to match, taking sensor tolerances into account, the motor control is considered to be validated.
  • the method described above for controlling a motor unit is used in particular for testing and / or monitoring the motor control of the motor unit during a start, during operation or after operation of the motor unit.
  • the actual rotor position is a rotor position corresponding to the control pattern, which is achieved by controlling the stator as a function of the control pattern.
  • the actual rotor position generates a new sensor signal transmitted by means of the rotor position sensor and thus corresponds to a new rotor position.
  • the actual rotor position is understood to mean a position that the rotor, after being controlled, is dependent on the Applied target control pattern assumes.
  • a so-called in-the-loop check of the entire motor unit, in particular the entire motor controller can be carried out by means of the method according to the invention. Furthermore, by means of the back measurement of the applied actual control pattern, it is checked whether the requirements of the target control pattern can be met.
  • the target values such as the target rotor position and / or the target control pattern and / or the position tolerance range and / or the control tolerance range, are stored in a motor controller and / or diagnostic unit coupled to the motor unit.
  • the engine control can use suitable software for this, i. H. have a suitable application program for generating the position tolerance range, the target rotor position, the target control pattern and / or the control tolerance range.
  • the software is configured to carry out the method.
  • the software is set up to monitor the control of the rotor carried out by the motor control.
  • the software is designed to carry out a control, in particular a control, of the entire engine control system.
  • the software transmits the target control pattern to the motor connections via a periphery of the motor control and monitors the actual direction of movement as well as compliance with the position tolerance range of the rotor.
  • a possible embodiment of the method provides that angular values, in particular of, for example, + 30 ° or + 60 °, and angular range values, in particular of ⁇ 30 ° to ⁇ 35 °, are determined or specified as the position tolerance range.
  • the angular range value is ⁇ 30 ° to 35 °, in particular ⁇ 15 ° to 25 °, preferably ⁇ 20 °, in relation to the detected starting rotor position of the rotor.
  • an axis as in the form of a straight line, is formed around which an angular range for defining the position tolerance range and / or the target rotor position is or is determined.
  • the axis of the starting rotor position forms an axis of symmetry.
  • the determined target rotor position is used as a reference position for determining a target control pattern for controlling the rotor.
  • the target control pattern is a control scheme which provides control information for the operation of the rotor unit.
  • the control information is transmitted to the motor unit as output signals, in particular control pulses.
  • the rotor can thus be driven according to the specifications of the target control pattern.
  • the stator is coupled to the motor controller, the motor controller controlling the stator.
  • the determination of the target control pattern and the generation of the resulting motor control pattern (control signals, control pulses) to be applied are carried out, for example, by means of software integrated in the motor control.
  • the software includes stored algorithms to convert stored and / or determined reference values, threshold or limit values and / or target values, such as values for the position offset, limit values for the position tolerance range, the target rotor position located in this area and / or to provide the resulting target control pattern.
  • the setpoint control pattern is transmitted to the motor controller of the motor unit for controlling the rotor.
  • the motor controller comprises a number of hardware components that are designed to operate the motor unit.
  • At least one motor control pattern in particular a control signal / control pulse pattern, for an operating voltage and / or a current flow and / or a speed and / or a rotational speed and / or a rotational angle for controlling the rotor is specified by means of the target control pattern.
  • Range values such as maximum values and / or minimum values, can be specified for the motor control pattern and thus the respective requirement for operating the motor unit.
  • Various parameters of the motor unit such as the maximum permissible rotational speed and / or operating voltage, are taken into account. For example, an optimized control of the rotor has an effect on the efficiency of the motor unit, operating costs, any running noise, service life and energy consumption.
  • the stator such as its stator winding, in particular coils
  • the stator winding in particular coils
  • the rotational speed of the rotor can also be used when determining the operating voltage to be applied must be taken into account.
  • the control pattern is used to set a suitable current flow for the stator as a function of the target rotor position determined as the reference position.
  • the invention also relates to a motor unit for carrying out the method described above.
  • the motor unit is part of a vehicle.
  • the motor unit according to the invention comprises at least one stator and a rotor as well as a rotor position sensor for detecting a rotor position and a motor controller for the rotational movement of the rotor, the motor controller controlling and operating the motor unit by applying a control pattern and a control module is provided which is connected upstream of the motor controller or is part of it the engine controller, and the engine controller and the control module are set up in such a way that before or after an operation or during operation of the engine unit, the engine controller is checked and, if necessary, activated or deactivated.
  • the motor unit can comprise the control module, in particular as a diagnostic unit for determining an operating state relating at least to the rotor.
  • the diagnostic unit is provided, for example, in order to monitor the course of the rotor position when the rotor is activated.
  • the motor unit is designed to carry out what is known as an in-the-loop check.
  • Fig. 1 schematically shows an embodiment of a vehicle with a
  • Motor unit comprising at least one rotor and a stator as well as a motor controller and a control module
  • Fig. 2 schematically shows an embodiment of the motor unit with a
  • Rotor in various possible rotor positions, 3 schematically shows a block diagram for a method for controlling a motor unit.
  • FIG. 1 schematically shows an exemplary embodiment of a vehicle 1 with an engine unit 2.
  • the motor unit 2 is designed to operate the vehicle 1 or at least to operate individual vehicle components.
  • the motor unit 2 is an electric motor unit.
  • the motor unit 2 is an actuator unit or an electric motor, in particular a direct current motor.
  • the motor unit 2 comprises a stator 3 and a rotor 4 coupled to the stator 3.
  • the stator 3 and the rotor 4 are magnetically coupled to one another, the rotor 4 being controllable by energizing the stator 3.
  • a magnetic field is generated, as a result of which the rotor 4 can be set in motion due to mutual magnetic attraction and repulsion forces.
  • the motor unit 2 further comprises a rotor position sensor 5, which detects a rotor position RP, such as a starting rotor position Start-RP and / or an actual rotor position actual RP.
  • a rotor position sensor 5 which detects a rotor position RP, such as a starting rotor position Start-RP and / or an actual rotor position actual RP.
  • the motor unit 2 comprises a motor controller 6 and a control module 7, which is connected upstream of the motor controller 6 or is connected adaptively or is implemented in the motor controller 6.
  • the engine controller 6 and the, in particular, adaptive control module 7 are set up to carry out the method described below for controlling the engine unit 2.
  • At least one non-safety-critical position tolerance range SB is initially specified or determined.
  • At least one position offset ARP for the rotor 4 is determined or specified as a function of the determined or specified position tolerance range SB.
  • a target rotor position target RP is then determined for the rotor 4 by means of the adaptive control module 7, on the basis of which a target control pattern target SM is determined, which is fed to the motor controller 6 .
  • a motor control pattern SI-SM is generated for the motor unit 2 based on the target rotor position Soll-RP and the target control pattern Soll-SM and sent to the motor unit 2 to rotate the rotor 4 into the predetermined target rotor position Soll-RP created.
  • an actual control pattern Ist-SM controlling the motor unit 2 and an actual rotor position actual RP of the rotor 4 resulting from the rotation of the rotor 4 by means of the actual control pattern Ist-SM are recorded and sent to the adaptive control module 7 fed back for their verification.
  • Figure 2 shows schematically an embodiment of the rotor 4 and the stator 3, which are magnetically coupled to one another.
  • the motor unit 2 is, for example, a direct current motor.
  • the motor unit 2 is a brushless DC motor.
  • the motor unit 2 has a three-phase design.
  • the stator 3 comprises a coil arrangement with three electrically and 120 ° offset coils 3.1.
  • the rotatable rotor 4 is arranged in the interior of the stator 3.
  • the rotor 4 comprises a permanent magnet 4.1, which rotates around its own axis of rotation X as a function of the activation of the respective coils 3.1.
  • the motor unit 2 comprises one or more rotor position sensors 5 for detecting one of the rotor positions RP, such as a starting rotor position Start-RP of the rotor 4 in a rest or starting position of the rotor 4 or an actual rotor position actual RP during operation of the rotor 4th
  • FIG. 3 schematically shows a block diagram for a method for operating, in particular for controlling and / or regulating, the motor unit 2 and FIG. 4 shows a time sequence T of the method for operating, in particular for controlling and / or regulating, the motor unit 2.
  • the motor unit 2 comprises the motor controller 6 for operating, in particular for controlling and / or regulating, the motor unit 2.
  • the motor controller 6 is provided in order to control the rotor 4 via the stator 3.
  • the motor controller 6 comprises a number of conventional hardware components, such as a pulse generator and a driver stage, such as a semiconductor, in particular a transistor stage, which are designed to control the stator 3 and the rotor 4.
  • the coils 3.1 of the stator 3 are operated to move the rotor 4, for example excited by means of a current signal.
  • the motor unit 2 comprises the control module 7, which can be adaptively connected upstream of the motor controller 6, as shown. That is, the control module 7 is connected between the motor unit 2 and the motor controller 6 for signaling purposes.
  • the control module 7 can be implemented as a software module or as an electronic circuit in the engine control 6 (not shown in more detail).
  • the control module 7 is designed as a diagnostic and / or monitoring unit for diagnosing or monitoring the engine control 6 and is set up accordingly.
  • the control module 7 includes, for example, a signal processing 7.1 for a setpoint specification for the engine controller 6 and a verifier 7.2 for verifying the current state of the engine unit 2, whether it is in a safe or unsafe operating state.
  • the signal processing 7.1 is on the input side with the at least one rotor position sensor 5 and a memory unit 8 and / or one Input unit 9 and on the output side coupled to the engine control 6 and the verifier 7.2.
  • the starting rotor position Start-RP of the rotor 4 is recorded before the motor unit 2 is put into operation or started.
  • the rotor position sensor 5 for example a Hall sensor, measures the starting rotor position Start-RP in a first step S1 and feeds this to the signal processing 7.1.
  • the non-safety-critical position tolerance range SB is stored in the memory unit 8 and is fed to the signal processing 7.1 via the coupling.
  • the non-safety-critical position tolerance range SB can also be specified via the input unit 9 and fed to the signal processing 7.1.
  • the possible position offset ARP is determined for the rotor position RP of the rotor 4 by means of the signal processing 7.1 as a function of the non-safety-critical position tolerance range SB.
  • the target rotor position target RP is determined by means of the signal processing 7.1 and fed to the verifier 7.2 and the motor controller 6.
  • the signal processing 7.1 is coupled on the output side to the engine control 6 and the verifier 7.2.
  • a target control pattern Soll-SM is determined by means of the signal processing 7.1 in the second step S2, on the basis of which a motor control pattern SI-SM is generated by the motor controller 6 and sent to the motor unit 2 for rotating the rotor 4 is applied to the specified target rotor position target RP.
  • the rotor 4 is actively driven into the specified target rotor position target RP, with at least one direction of movement of the rotor 4 and compliance with the position tolerance range SB being monitored.
  • the motor control pattern SI-SM includes, for each phase of the motor unit 2, an associated control pattern for the relevant magnetic fields and for the control of the relevant coils 3.1.
  • the target rotor position target RP and the target control pattern target SM are also fed to the verifier 7.2.
  • an actual control pattern Ist-SM controlling the motor unit 2 is detected at an interface SS between the motor controller 6 and the motor unit 2.
  • the actual rotor position actual RP resulting from the rotation of the rotor 4 as a result of the controlling actual control pattern Ist-SM is detected by means of the rotor position sensor 5.
  • the detected actual rotor position actual RP and the actual control pattern actual SM are fed back in the third step S3 by feeding them back to the verifier 7.2 or a corresponding one in the third step S3, for example Module of the engine control 6 are supplied.
  • a rotor position profile is monitored, the actuation of the rotor 4 being interrupted in the event that the position tolerance range SB is determined to be imminent and inadmissible.
  • the motor unit 2 is started up, a start-up of the motor unit 2 can be monitored.
  • a rotor movement can also be continuously monitored during operation of the motor unit 2 for compliance with the position tolerance range SB.
  • a safety signal Safe, Not-safe is generated and / or output and / or transmitted on the basis of the feedback actual control pattern Ist-SM and / or the feedback actual rotor position Ist-RP.
  • the recorded and fed back actual control pattern actual-SM is compared with the target control pattern target-SM, wherein if the actual control pattern actual-SM lies within a predetermined control tolerance range SM-TB, as a safety signal safe a first Verification signal VS1 is generated, otherwise the generation of the first verification signal VS1 is omitted or an error signal Not-safe is generated.
  • the first verification signal VS1 is, for example, an activation signal which activates the control of the rotor 4. Failure to generate the first verification signal VS1 or the error signal Not-safe deactivates the rotor 4 or ensures that the rotor 4 remains deactivated.
  • the control tolerance range SM-TB is, for example, a switching / flardware / operating tolerance range for the motor control pattern SI-SM or the control profile and describes the tolerance (e.g. from +/- 1% to + 1-3%) with which the control signals / pulses may be generated by means of a conventional pulse generator.
  • the control tolerance range SM-TB is thus a non-safety-critical control range, which limits the generated control signals or control pulses upwards or downwards (with a maximum lower and / or maximum upper deviation).
  • the verifier 7.2 can be set up in the fourth step S4 and in particular in the first verification stage to compare the recorded and fed back actual control pattern actual-SM with the target control pattern target-SM, wherein, if the actual control pattern is SM lies within the control tolerance range SM-TB, the motor control 6 is activated or remains, otherwise the motor control 6 is deactivated (for example interrupted).
  • control tolerance range SM-TB can be determined on the basis of at least one or more upper control limit values and / or at least one or more lower control limit values for the target control pattern target SM.
  • a second verification stage is also carried out by means of the verifier 7.2, in which the recorded and fed back actual rotor position actual RP is compared with the target rotor position target RP, with if the recorded actual rotor position actual RP is equal to the specified target rotor position target RP and lies within the specified non-safety-critical position tolerance range SB, a second verification signal VS2 is generated as the safety signal Safe, otherwise the generation of the second verification signal VS2 is omitted or an error signal Not-safe is generated.
  • the verifier 7.2 can be set up to compare the recorded actual rotor position actual RP with the target rotor position target RP in the fourth step S4 and in particular in a second verification stage, with if the recorded actual rotor position actual RP is equal to the specified target rotor position Soll-RP and lies within the specified position tolerance range SB, the motor control 6 is activated or remains, otherwise the motor control 6 is deactivated (for example interrupted) or an error signal Not-safe is generated.
  • the specified position tolerance range SB for the always safe movement of the rotor 4 can be determined and / or specified, for example, on the basis of at least one or more upper position limit values and / or at least one or more lower position limit values. Measurement tolerances of the rotor position sensor 5, manufacturing tolerances of the motor unit 2 and / or position tolerances of the rotor 4 can be taken into account by means of at least one tolerance factor when determining the specified position tolerance range SB as well as the control tolerance range SM-TB.
  • the position tolerance range SB defines, for example, a non-safety-critical movement range of the rotor 4, with the rotor 4 being able to be moved within the position tolerance range SB without causing critical situations that relate, for example, to safety requirements according to ISO 26262.
  • the position tolerance range SB represents a movement tolerance range in which the rotor 4 can be moved upon commissioning, upon start-up and / or during operation.
  • the position tolerance range SB is defined as an angle range, for example.
  • the method according to the invention ensures that a momentary adjustment of the rotor 4 may only be carried out within the position tolerance range SB.
  • the method provides that the control of the rotor 4 is stopped when an impending inadmissible exceeding of the position tolerance range SB is determined. If, on the other hand, it is determined by means of the verifier 7.2 that the current actual rotor position actual RP lies within the position tolerance range SB, possibly also taking sensor, manufacturing and / or control tolerances into account, the control carried out according to the target control pattern Soll-SM applies of the rotor 4 verified as safe.
  • the motor unit 2 may continue to be operated as a safety-relevant system.
  • the method provides that the direction of movement of the rotor 4 is determined continuously.
  • a rotor position RP in particular the actual rotor position actual RP, is recorded continuously so that the direction of movement can be determined.
  • the respective direction of movement, in particular the direction of rotation, of the rotor 4 can be determined from the delta of two actual positions actual RP.
  • the angular position cp of the rotor 4 in the starting rotor position Start-RP is equal to 250 °.
  • the non-safety-critical position tolerance range SB for the rotor 4 is determined.
  • the non-safety-critical position tolerance range SB is specified in angular range values of, for example, 220 ° to 280 °.
  • a possible position offset ARP for example of + 20 °, is determined on the basis of the non-safety-critical position tolerance range SB and the detected starting rotor position Start-RP.
  • the target rotor position target RP is determined, which the rotor 4 can safely assume and which in the example is 270 ° according to:
  • Target RP 270 °.
  • the motor control 6 is deactivated. If, on the other hand, the momentary actual rotor position actual RP lies within the position tolerance range SB, the Motor control 6 is activated or remains activated and the rotor 4 can be adjusted.
  • the motor controller 6 comprises a conventional pulse width modulation unit in a manner not shown in detail.
  • the pulse width modulation unit is designed to control the hardware components of the motor controller 6.
  • the motor control pattern SI-SM is transmitted to the hardware component of the motor control 6 via the pulse width modulation unit.
  • the hardware controls the motor unit 2 on the basis of the specified motor control pattern SI-SM.
  • the motor unit 2 comprises a conventional motor controller, in particular a PI controller, also known as a proportional-integral controller.
  • the PI controller can be part of the motor control 6 or also be part of the signal processing 7.1 and comprises the actual speed of the rotor 4 as the output control variable and the setpoint speed as the reference variable.
  • the present method is adaptively connected upstream of the motor controller and the motor controller 6 and deactivates the motor controller and the motor controller 6 if an unsafe state of the motor controller 6 via the feedback of the actual control pattern Ist-SM and / or the motor unit 2 via the feedback of the actual Rotor position actual RP is determined.
  • a further development provides that the feedback of the actual control pattern Ist-SM and / or the actual rotor position Ist-RP is used to check correct execution of the movement during commissioning or during operation or after operation of the rotor 4, after the rotor has been activated 4, the instantaneous actual rotor position actual RP of the rotor 4 resulting therefrom is detected as a function of the setpoint control pattern setpoint SM and this is compared with the determined setpoint rotor position setpoint RP.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Motoreinheit (2), umfassend zumindest die folgenden Schritte: - Erfassen einer Start-Rotorposition (Start-RP), - Ermittlung oder Vorgabe zumindest eines sicherheitsunkritischen Positionstoleranzbereiches (SB), - Ermittlung oder Vorgabe zumindest eines Positionsversatzes (∆RP) für den Rotor (4) in Abhängigkeit von dem ermittelten bzw. vorgegebenen Positionstoleranzbereich (SB), - Ermittlung einer Soll-Rotorposition (Soll-RP) für den Rotor (4) anhand der Start-Rotorposition (Start-RP) und des Positionsversatzes (∆RP), - Vorgeben eines Soll-Steuerungsmusters (Soll-SM) anhand der ermittelten Soll-Rotorposition (Soll-RP), - Erzeugen und Anlegen eines Motorsteuerungsmusters (SI-SM) an die Motoreinheit (2) zur Drehung des Rotors (4) in die vorgegebene Soll-Rotorposition (Soll-RP) mittels des Soll-Steuerungsmusters (Soll-SM), - Erfassung eines die Motoreinheit (2) steuernden Ist-Steuerungsmusters (Ist-SM) an einer Schnittstelle (SS) zwischen der Motorsteuerung (6) und der Motoreinheit (2), - Erfassung einer aus der Drehung des Rotors (4) mittels des Motorsteuerungsmusters (SI-SM) resultierenden Ist-Rotorposition (Ist-RP) des Rotors (4) und - Rückkopplung sowohl des erfassten Ist-Steuerungsmusters (Ist-SM) als auch der erfassten Ist-Rotorposition (Ist-RP) zu deren Verifizierung. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Motoreinheit (2).

Description

Beschreibung
Verfahren zur Steuerung einer Motoreinheit und Motoreinheit zur Durchführung eines solchen Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Motoreinheit und eine Motoreinheit zur Durchführung des Verfahrens.
Aus dem Stand der Technik sind Motoreinheiten, beispielsweise in Form von elektrischen Maschinen, bekannt. Beispielsweise sind elektrische Maschinen als Aktuatoren und Stator-Rotorbaugruppen ausgebildet.
Elektrische Maschinen, insbesondere Motoreinheiten, werden beispielsweise in Fahrzeugen zu dessen Betrieb eingesetzt und können dabei Teil einer sicherheitsrelevanten Anwendung sein. Sicherheitsrelevante Anwendungen in einem Fahrzeug müssen im Fall einer sicherheitsrelevanten Fehlfunktion in einen sicheren Zustand versetzt werden. Beispielsweise spezifiziert die Norm ISO-Norm 26262 mehrere Sicherheitsanforderungsstufen ASIL (kurz für: Automotive Safety Integrity Level) für sicherheitsrelevante elektrische/elektronische Anwendungen in Kraftfahrzeugen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Verfahren zur Steuerung einer Motoreinheit und eine verbesserte Motoreinheit zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, welche eine sichere Steuerung der Motoreinheit ermöglicht.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Hinsichtlich der Motoreinheit wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 12 oder 13 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Bei einem Verfahren zur Steuerung einer Motoreinheit mit zumindest einem Rotor und einem Stator wird zunächst eine Start-Rotorposition erfasst. Anschließend wird zumindest ein sicherheitsunkritischer Positionstoleranzbereich für eine Rotorposition vorgegeben und/oder ermittelt. Darüber wird zumindest ein Positionsversatz für den Rotor in Abhängigkeit von dem Positionstoleranzbereich vorgegeben bzw. ermittelt. Dabei wird der Positionsversatz insbesondere innerhalb des vorgegebenen oder ermittelten Positionstoleranzbereiches vorgegeben und/oder ermittelt, so dass der an dem Rotor einstellbare Positionsversatz stets innerhalb des Positionstoleranzbereiches liegt. Beispielsweise wird als Positionsversatz ein Winkelwert und/oder ein Richtungssinn vorgegeben oder ermittelt. Insbesondere wird ein fester Positionsversatz für den Rotor in Form eines gleichbleibenden Winkelwertes und/oder eines gleichbleibenden Richtungssinnes vorgegeben oder ermittelt.
In einem nachfolgenden Schritt wird anhand der Start-Rotorposition und des Positionsversatzes eine Soll-Rotorposition ermittelt, anhand welcher ein Soll-Steuerungsmuster vorgegeben wird, aus welchem mittels einer Motorsteuerung ein Motorsteuerungsmuster erzeugt und an die Motoreinheit zur Drehung des Rotors in die vorgegebene Soll-Rotorposition angelegt wird. Dabei sieht das Verfahren weiter vor, dass an einer Schnittstelle zwischen der Motorsteuerung und der Motoreinheit ein die Motoreinheit steuerndes Ist-Steuerungsmuster erfasst wird. Des Weiteren wird eine aus der Drehung des Rotors mittels des Ist-Steuerungsmusters resultierende Ist-Rotorposition erfasst, wobei sowohl das erfasste Ist-Steuerungsmuster als auch die erfasste Ist-Rotorposition zu deren Verifizierung an die Motorsteuerung rückgekoppelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht sicher und einfach, dass der Rotor stets in eine Rotorposition eingestellt wird, die in dem sicherheitsunkritischen Positionstoleranzbereich liegt.
Unter einem sicherheitsunkritischen Positionstoleranzbereich wird insbesondere ein maximaler Bewegungsbereich oder Positionstoleranzbereich für den Rotor verstanden, innerhalb welchem der Rotor sich bewegen darf und entsprechend angesteuert wird, ohne dass die Motoreinheit in einen sicherheitskritischen Zustand gelangt, insbesondere ohne kritische Situationen zu verursachen, die die Sicherheitsanforderungen der Motoreinheit betreffen. Der sicherheitsunkritische Positionstoleranzbereich ist gekennzeichnet durch maximale und minimale Schwell- oder Grenzwerte für zulässige Abweichungen der Rotorposition von der Start-Rotorposition. Beispielsweise können kritische Situationen zu einem Ausfall der Motoreinheit oder zumindest von einzelnen Bauelementen, beispielsweise Schaltelementen der Motoreinheit oder zu einem Kurzschluss führen. Dabei kann es zu einem unerwünschten hohen Stromfluss und somit zu einer Erwärmung der Bauelemente der Motoreinheit kommen, wodurch diese beschädigt werden können. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können solche Situationen weitestgehend verringert oder gar vermieden werden. Somit ist eine Erhöhung einer Fahrsicherheit während eines Fahrzeugbetriebs ermöglicht. Des Weiteren können kritische Situationen zu einem ungewollten Einlegen eines Getriebegangs oder zu einer ungewollten Schließung einer Kupplung führen, welche ebenfalls mittels des Verfahrens reduziert oder gar vermieden werden können.
Dabei können die Grenzwerte symmetrisch oder unsymmetrisch von der Start-Rotorposition abweichen. Beispielsweise können für symmetrische Abweichungen von der Start-Rotorposition gleichgroße minimale und maximale Grenzwerte vorgegeben oder ermittelt werden. Alternativ können für unsymmetrische Abweichung unterschiedlich große minimale und maximale Grenzwerte vorgegeben oder ermittelt werden. Der sicherheitsunkritische Positionstoleranzbereich, insbesondere dessen Grenzwerte, für die betreffende Motoreinheit ist/sind beispielsweise in einem Speicher hinterlegt.
In einer möglichen Ausführungsform wird der vorgegebene Positionstoleranzbereich für den Rotor anhand von mindestens einem oder mehreren oberen Positions-Grenzwert/en und/oder mindestens einem oder mehreren unteren Positions-Grenzwert/en bestimmt und/oder vorgegeben. Beispielsweise werden bei der Bestimmung des vorgegebenen Positionstoleranzbereiches und/oder eines Steuerungstoleranzbereiches Messtoleranzen des Rotorpositionssensors, Fertigungstoleranzen der Motoreinheit und/oder Positionstoleranzen des Rotors mittels mindestens eines Toleranzfaktors berücksichtigt.
Darüber hinaus ist vorgesehen, dass eine Bewegung und/oder Bewegungsrichtung des Rotors kontinuierlich bestimmt wird. Beispielsweise werden sowohl die Ist-Rotorposition als auch ein Ist-Richtungssinn der momentanen Ist-Rotorbewegung fortlaufend, insbesondere zyklisch, beispielsweise alle 10 ms oder 50 ms, erfasst oder ermittelt. Als Rotorpositionswerte werden insbesondere Winkelwerte und/oder Winkelbereichswerte ermittelt. Beispielsweise wird aus einem Delta oder einer Abweichung von zwei Rotorpositionen die jeweilige Bewegungsrichtung, insbesondere Drehrichtung, des Rotors ermittelt. Als Delta oder Abweichung wird bzw. werden beispielsweise eine Differenz, beispielsweise Winkel- und/oder Abstandsdifferenz, zwischen der Start-Rotorposition und der Ist-Rotorposition und/oder zwischen der Soll-Rotorposition und der Ist-Rotorposition und/oder zwischen zwei Ist-Rotorpositionen ermittelt. Eine jeweilige Gegenrichtung wird durch eine festgelegte Maximaldrehzahl ausgeschlossen.
Des Weiteren ist mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht, bei jeder Inbetriebnahme der Motoreinheit eine Diagnose bzw. Überprüfung der Funktionalität durchzuführen. Insbesondere muss bei jeder Inbetriebnahme der Motoreinheit die Rotorposition neu ermittelt werden, da beispielsweise keine festen Rotorendpositionen festgelegt oder festlegbar sind.
Die Start-Rotorposition kann beispielsweise vor einem Start der Motoreinheit oder in einem Ruhezustand der Motoreinheit oder in einem Betriebszustand der Motoreinheit mittels eines Rotorpositionssensors erfasst werden.
Darüber hinaus umfasst die Motoreinheit zumindest eine Motorsteuerung. Die Motorsteuerung ist insbesondere ein Steuergerät oder ein Mikrocomputer, welcher/m Eingangssignale, wie zum Beispiel Sensorsignale, analoge Signale, digitale Signale, erfasst und/oder zugeführt werden, wobei die Eingangssignale mittels der Motorsteuerung zu Ausgangssignalen, wie Stell-, Informations-, Sicherheits- und/oder Regelsignale, verarbeitet werden.
So werden der Motorsteuerung und/oder einem adaptiven Steuerungsmodul der Motorsteuerung als Eingangssignale beispielsweise zumindest die erfasste Start-Rotorposition und der ermittelte oder vorgegebene sicherheitsunkritische Positionstoleranzbereich zugeführt. Anhand des sicherheitsunkritischen Positionstoleranzbereichs und/oder der erfassten Start-Rotorposition wird mittels der Motorsteuerung für den Rotor der Positionsversatz, insbesondere ein maximal möglicher positiver oder negativer Positionsversatz, ermittelt oder vorgegeben, der innerhalb des sicherheitsunkritischen Positionstoleranzbereiches liegt. Dazu ist ein Steuerungsmodul vorgesehen, das Teil der Motorsteuerung sein kann oder dieser adaptiv vorgeschaltet ist. Anhand der Start-Rotorposition und des Positionsversatzes wird mittels der Motorsteuerung die Soll-Rotorposition ermittelt, anhand der das zugehörige Soll-Steuerungsmuster zur Ansteuerung des Rotors generiert wird, wobei mittels des Soll-Steuerungsmusters der Rotor aktiv in die vorgegebene Soll-Rotorposition angesteuert und bewegt wird. Dabei können zumindest eine Bewegungsrichtung des Rotors und eine Einhaltung des sicherheitsunkritischen Positionstoleranzbereiches überwacht werden. Insbesondere kann ein Rotorpositionsverlauf überwacht werden. Die Ansteuerung des Rotors wird beispielsweise über eine Ansteuerung eines in der Motoreinheit integrierten Stators ausgeführt.
Beispielsweise ist die Motoreinheit ein Elektromotor oder eine Aktuatoranordnung. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann bei der Motoreinheit eine fehlerhafte oder versagende Ansteuerung, beispielsweise nach Norm ISO 26262, zuverlässig und frühzeitig erkannt werden. Gemäß einer Ausführungsform ist die Motoreinheit ein Drehstrommotor. In einer alternativen Ausführungsform ist die Motoreinheit ein Gleichstrommotor, insbesondere ein so genannter bürstenloser Gleichstrommotor.
Gemäß einer Ausbildung ist der Rotorpositionssensor beispielsweise ein herkömmlicher Rotationssensor, wie beispielsweise ein Drehgeber, Winkelsensor, Winkelgeber mit Winkel- und/oder Richtungssinnerfassung.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Steuerung der Motoreinheit überwacht, diagnostiziert und auf Einhaltung eines stets sicheren Betriebszustandes der Motoreinheit geführt werden. Weiterhin ermöglicht das Verfahren, die Motoreinheit bei einer sicherheitsrelevanten Fehlfunktion aktiv und kontrolliert in einen sicheren Betriebszustand zu führen bzw. versetzen. Insbesondere können dadurch Sicherheitsanforderungsstufen der Norm ISO 26262 bis zur Stufe ASIL C erfüllt werden. Der sichere Betriebszustand wird erreicht, indem der Rotor in die vorgegebene Soll-Rotorposition innerhalb des sicherheitsunkritischen Positionstoleranzbereiches bewegt, insbesondere gefahren und gedreht wird.
Beispielsweise bei Inbetriebnahme, d. h. beim Anlauf der Motoreinheit, und/oder im Betrieb der Motoreinheit wird die Rotorbewegung überwacht. Dabei wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens in vorteilhafter Weise frühzeitig erkannt, ob ein sicherer Betrieb der Motoreinheit in Abhängigkeit der Start-Rotorposition und einer Anfangsrotorbewegung bzw. einer weiteren Rotorbewegung möglich ist.
Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass anhand des rückgekoppelten Ist-Steuerungsmusters und/oder der rückgekoppelten Ist-Rotorposition ein Sicherheitssignal für die Motoreinheit erzeugt und/oder ausgegeben und/oder übertragen wird. Das Sicherheitssignal ist beispielsweise ein Warnsignal, insbesondere ein optisches und/oder akustisches Warnsignal, ein Informationssignal an die Werkstatt und/oder ein Steuersignal für die Motorsteuerung, beispielsweise zur Deaktivierung der Motorsteuerung bei detektierter kritischer Rotorposition und/oder Rotoransteuerung oder Aktivierung und Aufrechterhaltung der Motorsteuerung bei detektierter sicherer Rotorposition und/oder Rotoransteuerung.
Beispielsweise kann im Fall einer ermittelten und möglichen unzulässigen Überschreitung des sicherheitsunkritischen Soll-Positionstoleranzbereiches (auch Soll-Rotorbewegungsbereich genannt) durch eine momentane Rotorbewegung die Ansteuerung des Rotors mittels eines Sicherheitssignals unterbrochen werden.
D. h., bei einer ermittelten Abweichung der Anfangs- oder Ist-Rotorbewegung von einer angeforderten und vom Soll-Steuerungsmuster vorgegebenen Soll-Rotorbewegung wird die Ansteuerung des Rotors unterbrochen. Die Soll-Rotorposition, welche innerhalb des sicherheitsunkritischen Positionstoleranzbereiches liegt, stellt den Rotor somit auf eine sicherheitsunkritische, verifizierte, geprüfte und kontrollierte Position ein. Wenn keine weiteren Fehlfunktionen detektiert werden, kann der Rotor bzw. die Motoreinheit betrieben werden, wobei die Rotorposition auf die Soll-Rotorposition eingestellt wird. Insbesondere ist die Soll-Rotorposition eine ermittelte optimale Rotorposition zur Ansteuerung des Rotors, beispielsweise bei einer Inbetriebnahme oder im Betrieb der Motoreinheit.
In einer weiteren Ausführungsform wird in einer ersten Verifizierungsstufe das erfasste Ist-Steuerungsmuster mit dem Soll-Steuerungsmuster verglichen, wobei, wenn das Ist-Steuerungsmuster innerhalb eines vorgegebenen Steuerungstoleranzbereiches liegt, als Sicherheitssignal ein erstes Verifizierungssignal erzeugt wird, anderenfalls die Erzeugung des ersten Verifizierungssignals unterbleibt. Das erste Verifizierungssignal ist beispielsweise ein Aktivierungssignal, welches die Ansteuerung des Rotors aktiviert. Ein Unterbleiben der Erzeugung des ersten Verifizierungssignals deaktiviert den Rotor oder stellt sicher, dass der Rotor deaktiviert bleibt. Auch kann ein Fehlsignal erzeugt werden.
Der Steuerungstoleranzbereich ist beispielsweise ein
Schalt-/Hardware-/Betriebs-Toleranzbereich für das Steuerungsmuster oder das Steuerungsprofil und beschreibt, mit welcher Toleranz (zum Beispiel von +/- 1 % bis +1-3%) die Steuersignale/-impulse erzeugt werden dürfen. Der Steuerungstoleranzbereich ist ein sicherheitsunkritischer Steuerungsbereich, welcher die erzeugten Steuersignale oder Steuerimpulse nach oben oder unten (mit einer maximalen unteren und/oder maximalen oberen Abweichung) begrenzt. Der Steuerungstoleranzbereich wird beispielsweise anhand von mindestens einem oder mehreren oberen Steuerungsgrenzwerten und/oder mindestens einem oder mehreren unteren Steuerungsgrenzwerten für das Soll-Ansteuerungsmuster bestimmt. Die Steuerungsgrenzwerte hängen beispielsweise von Software-/Hardwaretoleranzen der Motorsteuerung, wie zum Beispiel von Schalttoleranzen von elektronischen Bauteilen, ab.
Alternativ oder zusätzlich wird in einer oder in der ersten Verifizierungsstufe das erfasste Ist-Steuerungsmuster mit dem Soll-Steuerungsmuster verglichen, wobei, wenn das Ist-Steuerungsmuster innerhalb eines oder des vorgegebenen Steuerungstoleranzbereiches liegt, die Motorsteuerung, insbesondere das Soll-Steuerungsmuster, aktiviert wird oder bleibt, anderenfalls die Motorsteuerung, insbesondere das Soll-Steuerungsmuster, deaktiviert (beispielsweise unterbrochen) wird bzw. deaktiviert bleibt.
Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass in einer zweiten Verifizierungsstufe die erfasste Ist-Rotorposition mit der Soll-Rotorposition verglichen wird, wobei, wenn die erfasste Ist-Rotorposition gleich der vorgegebenen Soll-Rotorposition ist und/oder innerhalb des vorgegebenen sicherheitsunkritischen Positionstoleranzbereiches liegt, als Sicherheitssignal ein zweites Verifizierungssignal erzeugt wird, anderenfalls die Erzeugung des zweiten Verifizierungssignals unterbleibt oder ein Fehlsignal erzeugt wird.
Das zweite Verifizierungssignal kann beispielsweise ebenfalls ein Aktivierungssignal sein, welches die Ansteuerung des Rotors aktiviert. Ein Unterbleiben der Erzeugung des zweiten Verifizierungssignals kann den Rotor deaktivieren oder kann sicherstellen, dass der Rotor deaktiviert bleibt.
Alternativ oder zusätzlich wird in der zweiten Verifizierungsstufe die erfasste Ist-Rotorposition mit der Soll-Rotorposition verglichen, wobei, wenn die erfasste Ist-Rotorposition gleich der vorgegebenen Soll-Rotorposition ist und/oder innerhalb des vorgegebenen Positionstoleranzbereiches liegt, die Motorsteuerung aktiviert wird oder bleibt, insbesondere das Soll-Steuerungsmuster aktiviert wird oder bleibt, anderenfalls die Motorsteuerung, insbesondere das Soll-Steuerungsmuster, deaktiviert (beispielsweise unterbrochen) wird bzw. deaktiviert bleibt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden Funktionen der Motorsteuerung über eine Rückmessung des angewandten Steuerungsmusters überprüft. Insbesondere wird das Steuerungsmuster durch die Rückmessung validiert. Eine korrekte Funktion der Motorsteuerung, insbesondere ihrer Peripherie, wird durch die Rückmessung des in einer Motorendstufe entstandenen Steuerungsmusters überprüft.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird nach aktiver Ansteuerung des Rotors in Abhängigkeit des Steuerungsmusters eine daraus resultierende momentane Betriebs-Ist-Position des Rotors erfasst, wobei diese mit der ermittelten Soll-Rotorposition verglichen wird. Bei Ermittlung einer Übereinstimmung der Ist-Rotorposition und der Soll-Rotorposition unter Berücksichtigung von Sensortoleranzen gilt die Motorsteuerung als validiert.
Das oben beschriebene Verfahren zur Steuerung einer Motoreinheit wird insbesondere für eine Prüfung und/oder Überwachung der Motorsteuerung der Motoreinheit während eines Starts, im Betrieb oder nach einem Betrieb der Motoreinheit verwendet.
Insbesondere wird über eine Rückmessung der Ist-Rotorposition und des Ist-Steuerungsmusters des Rotors eine korrekte Bewegungsausführung des Rotors geprüft und überwacht. Die Ist-Rotorposition ist eine dem Steuerungsmuster entsprechende Rotorposition, die durch Ansteuerung des Stators in Abhängigkeit des Steuerungsmusters erreicht wird. Die Ist-Rotorposition erzeugt ein neues, mittels des Rotorpositionssensors übermitteltes Sensorsignal und entspricht somit einer neuen Rotorposition. Beispielsweise wird unter der Ist-Rotorposition eine Position verstanden, die der Rotor nach Ansteuerung in Abhängigkeit des angelegten Soll-Steuerungsmusters einnimmt. Wenn sich der Rotor der Soll-Rotorposition annähert und sich innerhalb des anfangs ermittelten Positionstoleranzbereichs befindet, wird die Bewegungsausführung als fehlerfrei und damit korrekt eingestuft.
Insbesondere ist mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ein sogenannter In-The-Loop-Check der gesamten Motoreinheit, insbesondere der gesamten Motorsteuerung, durchführbar. Weiterhin wird mittels der Rückmessung des angewandten Ist-Steuerungsmusters überprüft, ob die Anforderungen des Soll-Steuerungsmusters erfüllt werden können.
Beispielsweise sind die Soll-Werte, wie Soll-Rotorposition und/oder Soll-Steuerungsmuster und/oder Positionstoleranzbereich und/oder Steuerungstoleranzbereich, in einer mit der Motoreinheit gekoppelten Motorsteuerung und/oder Diagnoseeinheit hinterlegt. Die Motorsteuerung kann hierfür eine geeignete Software, d. h. ein geeignetes Anwendungsprogramm zur Generierung des Positionstoleranzbereichs, der Soll-Rotorposition, des Soll-Steuerungsmusters und/oder des Steuerungstoleranzbereiches aufweisen.
Insbesondere ist die Software zur Ausführung des Verfahrens konfiguriert. Die Software ist eingerichtet, die von der Motorsteuerung ausgeführte Ansteuerung des Rotors zu überwachen. Insbesondere ist die Software ausgebildet, eine Steuerung, insbesondere Kontrolle, der gesamten Motorsteuerung durchzuführen. Die Software übermittelt das Soll-Steuerungsmuster über eine Peripherie der Motorsteuerung an Motoranschlüsse und überwacht die Ist-Bewegungsrichtung sowie die Einhaltung des Positionstoleranzbereichs des Rotors.
Eine mögliche Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass als Soll-Rotorposition Winkelwerte, insbesondere von beispielsweise +30° oder +60°, und als Positionstoleranzbereich Winkelbereichswerte, insbesondere von ± 30° bis ± 35°, ermittelt oder vorgegeben werden. Beispielsweise beträgt der Winkelbereichswert ± 30° bis 35°, insbesondere ± 15° bis 25°, bevorzugt ± 20°, in Bezug auf die erfasste Start-Rotorposition des Rotors. Beispielsweise wird anhand der erfassten Start-Rotorposition des Rotors eine Achse, wie in Form einer Geraden, gebildet, um welche ein Winkelbereich zur Definierung des Positionstoleranzbereichs und/oder der Soll-Rotorposition bestimmt werden bzw. wird. Zum Beispiel bildet die Achse der Start-Rotorposition eine Symmetrieachse. In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die ermittelte Soll-Rotorposition als Referenzposition zur Ermittlung eines Soll-Steuerungsmusters zur Ansteuerung des Rotors verwendet. Beispielsweise ist das Soll-Steuerungsmuster ein Kontrollschema, welches Steuerungs-Informationen zum Betrieb der Rotoreinheit bereitstellt. Dabei werden die Steuerungsinformationen als Ausgangssignale, insbesondere Steuerungsimpulse, an die Motoreinheit übermittelt. Somit kann der Rotor nach Vorgaben des Soll-Steuerungsmusters angetrieben werden. Beispielsweise ist der Stator mit der Motorsteuerung gekoppelt, wobei die Motorsteuerung den Stator steuert.
Die Ermittlung des Soll-Steuerungsmusters und die Erzeugung des daraus resultierenden anzulegenden Motorsteuerungsmusters (Steuersignale, -impulse) wird beispielsweise mittels einer in der Motorsteuerung integrierten Software ausgeführt. Insbesondere umfasst die Software hinterlegte Algorithmen, um hinterlegte und/oder ermittelte Referenzwerte, Schwell- oder Grenzwerte und/oder Soll-Werte, wie zum Beispiel Werte für den Positionsversatz, Grenzwerte für den Positionstoleranzbereich, die in diesem Bereich befindliche Soll-Rotorposition und/oder das daraus resultierende Soll-Steuerungsmuster, bereitzustellen.
In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird das Soll-Steuerungsmuster an die Motorsteuerung der Motoreinheit zur Ansteuerung des Rotors übertragen. Beispielsweise umfasst die Motorsteuerung eine Anzahl von Hardwarekomponenten, die zum Betrieb der Motoreinheit ausgebildet sind.
Gemäß einer Ausführungsform wird mittels des Soll-Steuerungsmusters zumindest ein Motorsteuerungsmuster, insbesondere ein Steuersignal-/Steuerimpulsmuster, für eine Betriebsspannung und/oder einen Stromfluss und/oder eine Drehzahl und/oder eine Drehgeschwindigkeit und/oder einen Drehwinkel zur Ansteuerung des Rotors vorgegeben. Dabei können Bereichswerte, wie Maximalwerte und/oder Minimalwerte, für das Motorsteuerungsmuster und damit die jeweilige Anforderung zum Betrieb der Motoreinheit vorgegeben werden. Dabei werden verschiedene Parameter der Motoreinheit, wie maximal zulässige Drehgeschwindigkeit und/oder Betriebsspannung berücksichtigt. Beispielsweise hat eine optimierte Ansteuerung des Rotors Auswirkung auf einen Wirkungsgrad der Motoreinheit, Betriebskosten, etwaige Laufgeräusche, Lebensdauer und Energieverbrauch. Beispielsweise wird der Stator, wie beispielsweise dessen Statorwicklung, insbesondere Spulen, mit einem maximal zulässigen Strom betrieben oder mit einer Betriebsspannung beaufschlagt. Auch kann die Drehgeschwindigkeit des Rotors bei der Ermittlung der anzulegenden Betriebsspannung berücksichtigt werden. Insbesondere wird mittels des Steuerungsmusters ein geeigneter Stromfluss für den Stator in Abhängigkeit der als Referenzposition ermittelten Soll-Rotorposition eingestellt.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Motoreinheit zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens. Insbesondere ist die Motoreinheit Teil eines Fahrzeugs. Die erfindungsgemäße Motoreinheit umfasst zumindest einen Stator und einen Rotor sowie einen Rotorpositionssensor zur Erfassung einer Rotorposition und eine Motorsteuerung zur Drehbewegung des Rotors, wobei die Motorsteuerung die Motoreinheit durch Anlegen eines Steuerungsmusters ansteuert und betreibt und ein Steuerungsmodul vorgesehen ist, das der Motorsteuerung vorgeschaltet ist oder Teil der Motorsteuerung ist, und die Motorsteuerung und das Steuerungsmodul derart eingerichtet sind, vor oder nach einem Betrieb oder während eines Betriebs der Motoreinheit die Motorsteuerung zu prüfen und gegebenenfalls zu aktivieren oder zu deaktivieren.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Motoreinheit das Steuerungsmodul insbesondere als eine Diagnoseeinheit zur Ermittlung eines zumindest den Rotor betreffenden Betriebszustands umfassen. Die Diagnoseeinheit ist beispielsweise vorgesehen, um bei einer Ansteuerung des Rotors den Rotorpositionsverlauf zu überwachen.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Motoreinheit zur Ausführung eines sogenannten In-The-Loop-Checks ausgebildet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugs mit einer
Motoreinheit, umfassend zumindest einen Rotor und einen Stator sowie eine Motorsteuerung und ein Steuerungsmodul,
Fig. 2 schematisch ein Ausführungsbeispiel der Motoreinheit mit einem
Rotor in verschiedenen möglichen Rotorpositionen, Fig. 3 schematisch ein Blockschaltbild für ein Verfahren zur Steuerung einer Motoreinheit.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugs 1 mit einer Motoreinheit 2.
Die Motoreinheit 2 ist zum Betrieb des Fahrzeugs 1 oder zumindest zum Betrieb einzelner Fahrzeugkomponenten ausgebildet. Beispielsweise ist die Motoreinheit 2 eine Elektromotoreneinheit. Beispielsweise ist die Motoreinheit 2 eine Aktuatoreinheit oder ein elektrischer Motor, insbesondere ein Gleichstrommotor.
Die Motoreinheit 2 umfasst einen Stator 3 und einen mit dem Stator 3 gekoppelten Rotor 4. Insbesondere sind der Stator 3 und der Rotor 4 magnetisch miteinander gekoppelt, wobei der Rotor 4 durch Bestromung des Stators 3 steuerbar ist. Insbesondere wird bei einer Beaufschlagung des Stators 3 mit elektrischer Energie ein Magnetfeld erzeugt, wodurch der Rotor 4 aufgrund von gegenseitigen magnetischen Anziehungs- und Abstoßungskräften in Bewegung versetzbar ist.
Die Motoreinheit 2 umfasst des Weiteren einen Rotorpositionssensor 5, der eine Rotorposition RP, wie zum Beispiel eine Start-Rotorposition Start-RP und/oder eine Ist-Rotorposition Ist-RP, erfasst.
Darüber hinaus umfasst die Motoreinheit 2 eine Motorsteuerung 6 und ein Steuerungsmodul 7, das der Motorsteuerung 6 vorgeschaltet oder adaptiv zugeschaltet ist oder in die Motorsteuerung 6 implementiert ist.
Die Motorsteuerung 6 und das insbesondere adaptive Steuerungsmodul 7 sind eingerichtet, das nachfolgend beschriebene Verfahren zur Steuerung der Motoreinheit 2 auszuführen.
Dabei wird zunächst zumindest ein sicherheitsunkritischer Positionstoleranzbereich SB vorgegeben oder ermittelt. In Abhängigkeit von dem ermittelten bzw. vorgegebenen Positionstoleranzbereich SB wird zumindest ein Positionsversatzes ARP für den Rotor 4 bestimmt oder vorgegeben. Anhand der Start-Rotorposition Start-RP und des Positionsversatzes ARP wird dann mittels des adaptiven Steuerungsmoduls 7 für den Rotor 4 eine Soll-Rotorposition Soll-RP ermittelt, anhand der ein Soll-Steuerungsmuster Soll-SM bestimmt wird, das der Motorsteuerung 6 zugeführt wird. Mittels der Motorsteuerung 6 wird anhand der Soll-Rotorposition Soll-RP und des Soll-Steuerungsmusters Soll-SM ein Motorsteuerungsmuster SI-SM für die Motoreinheit 2 erzeugt und an die Motoreinheit 2 zur Drehung des Rotors 4 in die vorgegebene Soll-Rotorposition Soll-RP angelegt.
In einem nächsten Schritt werden dann ein die Motoreinheit 2 steuerndes Ist-Steuerungsmuster Ist-SM und eine aus der Drehung des Rotors 4 mittels des Ist-Steuerungsmusters Ist-SM resultierende Ist-Rotorposition Ist-RP des Rotors 4 erfasst und an das adaptive Steuerungsmodul 7 zu deren Verifizierung zurückgekoppelt.
Figuren 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel des Rotors 4 und des Stators 3, die magnetisch miteinander gekoppelt sind.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Motoreinheit 2 beispielsweise ein Gleichstrommotor. Zum Beispiel ist die Motoreinheit 2 ein bürstenloser Gleichstrommotor. Insbesondere ist die Motoreinheit 2 dreiphasig ausgeführt.
Der Stator 3 umfasst eine Spulenanordnung mit drei elektrisch und um jeweils 120° versetzten Spulen 3.1. Im Inneren des Stators 3 ist der drehbare Rotor 4 angeordnet. Beispielsweise umfasst der Rotor 4 ein Permanentmagnet 4.1 , der in Abhängigkeit einer Ansteuerung der jeweiligen Spulen 3.1 um die eigene Rotationsachse X rotiert.
Des Weiteren umfasst die Motoreinheit 2 ein oder mehrere Rotorpositionssensoren 5 zur Erfassung einer der Rotorpositionen RP, wie einer Start-Rotorposition Start-RP des Rotors 4 in einer Ruhe- oder Startstellung des Rotors 4 oder einer Ist-Rotorposition Ist-RP im Betrieb des Rotors 4.
Darüber hinaus ist in Figur 2 im Vergleich mit der Start-Rotorposition Start-RP und der Ist-Rotorposition Ist-RP die Soll-Rotorposition Soll-RP dargestellt, welche anhand der Start-Rotorposition Start-RP und des Positionsversatzes ARP ermittelt wird und welche innerhalb des vorgegebenen oder ermittelten sicherheitsunkritischen Positionstoleranzbereiches SB liegt. Figur 3 zeigt schematisch ein Blockschaltbild für ein Verfahren zum Betreiben, insbesondere zur Steuerung und/oder Regelung, der Motoreinheit 2 und Figur 4 zeigt einen zeitlichen Ablauf T des Verfahrens zum Betreiben, insbesondere zur Steuerung und/oder Regelung, der Motoreinheit 2.
Das Verfahren zum Betreiben, insbesondere zur Steuerung und/oder Regelung, der Motoreinheit 2 wird nachfolgend näher beschrieben.
Die Motoreinheit 2 umfasst die Motorsteuerung 6 zum Betreiben, insbesondere zur Steuerung und/oder Regelung, der Motoreinheit 2. Insbesondere ist die Motorsteuerung 6 vorgesehen, um den Rotor 4 über den Stator 3 anzusteuern. Insbesondere umfasst die Motorsteuerung 6 eine Anzahl von herkömmlichen Hardwarekomponenten, wie zum Beispiel einen Pulsgenerator und eine Treiberstufe, wie einen Halbleiter, insbesondere eine Transistorstufe, welche ausgebildet sind, den Stator 3 und den Rotor 4 zu steuern. Insbesondere werden die Spulen 3.1 des Stators 3 zur Bewegung des Rotors 4 betrieben, beispielsweise mittels eines Stromsignals erregt.
Darüber hinaus umfasst die Motoreinheit 2 das Steuerungsmodul 7, das adaptiv der Motorsteuerung 6 vorgeschaltet sein kann, wie dargestellt. Das heißt, das Steuerungsmodul 7 ist zwischen der Motoreinheit 2 und der Motorsteuerung 6 signaltechnisch geschaltet. Alternativ kann das Steuerungsmodul 7 als Softwaremodul oder als elektronische Schaltung in die Motorsteuerung 6 implementiert sein (nicht näher dargestellt).
Das Steuerungsmodul 7 ist als eine Diagnose- und/oder Überwachungseinheit zur Diagnose bzw. Überwachung der Motorsteuerung 6 ausgebildet und entsprechend eingerichtet.
Das Steuerungsmodul 7 umfasst beispielsweise eine Signalverarbeitung 7.1 für eine Sollwertvorgabe für die Motorsteuerung 6 und einen Verifikator 7.2 zur Verifikation des momentanen Zustands der Motoreinheit 2, ob diese in einem sicheren oder unsicheren Betriebszustand ist.
Die Signalverarbeitung 7.1 ist eingangsseitig mit dem zumindest einen Rotorpositionssensor 5 und einer Speichereinheit 8 und/oder einer Eingabeeinheit 9 und ausgangsseitig mit der Motorsteuerung 6 und dem Verifikator 7.2 gekoppelt.
Zum sicheren Betrieb der Motoreinheit 2 wird vor Inbetriebnahme oder eines Starts der Motoreinheit 2 die Start-Rotorposition Start-RP des Rotors 4 erfasst. Hierzu misst der Rotorpositionssensor 5, beispielsweise ein Hall-Sensor, in einem ersten Schritt S1 die Start-Rotorposition Start-RP und führt diese der Signalverarbeitung 7.1 zu. In der Speichereinheit 8 ist beispielsweise der sicherheitsunkritische Positionstoleranzbereich SB hinterlegt, der der Signalverarbeitung 7.1 über die Kopplung zugeführt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der sicherheitsunkritische Positionstoleranzbereich SB auch über die Eingabeeinheit 9 vorgegeben und der Signalverarbeitung 7.1 zugeführt werden.
In einem zweiten Schritt S2 wird in Abhängigkeit von dem sicherheitsunkritischen Positionstoleranzbereich SB für die Rotorposition RP des Rotors 4 mittels der Signalverarbeitung 7.1 der mögliche Positionsversatz ARP ermittelt. Darüber hinaus wird anhand des ermittelten Positionsversatzes ARP und der erfassten Start-Rotorposition Start-RP mittels der Signalverarbeitung 7.1 die Soll-Rotorposition Soll-RP ermittelt und dem Verifikator 7.2 und der Motorsteuerung 6 zugeführt. Dazu ist die Signalverarbeitung 7.1 ausgangsseitig mit der Motorsteuerung 6 und dem Verifikator 7.2 gekoppelt.
Anhand der Soll-Rotorposition Soll-RP wird mittels der Signalverarbeitung 7.1 darüber hinaus in dem zweiten Schritt S2 ein Soll-Steuerungsmuster Soll-SM ermittelt, anhand dessen ein Motorsteuerungsmusters SI-SM mittels der Motorsteuerung 6 erzeugt und an die Motoreinheit 2 zur Drehung des Rotors 4 in die vorgegebene Soll-Rotorposition Soll-RP angelegt wird.
Mittels des Motorsteuerungsmusters SI-SM wird der Rotor 4 aktiv in die vorgegebene Soll-Rotorposition Soll-RP angesteuert, wobei zumindest eine Bewegungsrichtung des Rotors 4 und eine Einhaltung des Positionstoleranzbereichs SB überwacht werden. Das Motorsteuerungsmuster SI-SM umfasst je Phase der Motoreinheit 2 ein zugehöriges Ansteuerungsmuster für die betreffenden Magnetfelder und zur Ansteuerung der betreffenden Spulen 3.1. Zur Diagnose und Überwachung der Motorsteuerung 6 werden die Soll-Rotorposition Soll-RP und das Soll-Steuerungsmuster Soll-SM darüber hinaus dem Verifikator 7.2 zugeführt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Bewegungsrichtung des Rotors 4, insbesondere Rotationsrichtung R durch einen Pfeil in Figuren 2 und 3 dargestellt.
In einem dritten Schritt S3 wird an einer Schnittstelle SS zwischen der Motorsteuerung 6 und der Motoreinheit 2 ein die Motoreinheit 2 steuerndes Ist-Steuerungsmuster Ist-SM erfasst. Darüber hinaus wird die aus der Drehung des Rotors 4 infolge des steuernden Ist-Steuerungsmusters Ist-SM resultierende Ist-Rotorposition Ist-RP mittels des Rotorpositionssensors 5 erfasst.
Zur Verifizierung des momentanen Zustands der Motorsteuerung 6 und/oder der Motoreinheit 2 werden die erfasste Ist-Rotorposition Ist-RP und das Ist-Steuerungsmuster Ist-SM im dritten Schritt S3 rückgekoppelt, indem diese im dritten Schritt S3 beispielsweise dem Verifikator 7.2 oder einem entsprechenden Modul der Motorsteuerung 6 zugeführt werden.
Insbesondere wird bei einer Ansteuerung des Rotors 4 mittels des Soll-Steuerungsmusters Soll-SM ein Rotorpositionsverlauf überwacht, wobei im Fall einer ermittelten bevorstehenden unzulässigen Überschreitung des Positionstoleranzbereichs SB die Ansteuerung des Rotors 4 unterbrochen wird. So kann beispielsweise bei Inbetriebnahme der Motoreinheit 2 ein Anlauf der Motoreinheit 2 überwacht werden. Darüber hinaus kann eine Rotorbewegung auch während des Betriebes der Motoreinheit 2 fortlaufend auf Einhaltung des Positionstoleranzbereichs SB überwacht werden.
In einem vierten Schritt S4 wird beispielsweise anhand des rückgekoppelten Ist-Steuerungsmusters Ist-SM und/oder der rückgekoppelten Ist-Rotorposition Ist-RP ein Sicherheitssignal Safe, Not-safe erzeugt und/oder ausgegeben und/oder übertragen.
Dazu wird beispielsweise in einer ersten Verifizierungsstufe mittels des Verifikators 7.2 das erfasste und rückgekoppelte Ist-Steuerungsmuster Ist-SM mit dem Soll-Steuerungsmuster Soll-SM verglichen, wobei, wenn das Ist-Steuerungsmuster Ist-SM innerhalb eines vorgegebenen Steuerungstoleranzbereiches SM-TB liegt, als Sicherheitssignal Safe ein erstes Verifizierungssignal VS1 erzeugt wird, anderenfalls die Erzeugung des ersten Verifizierungssignals VS1 unterbleibt oder ein Fehlersignal Not-safe erzeugt wird.
Das erste Verifizierungssignal VS1 ist beispielsweise ein Aktivierungssignal, welches die Ansteuerung des Rotors 4 aktiviert. Ein Unterbleiben der Erzeugung des ersten Verifizierungssignals VS1 oder des Fehlersignals Not-safe deaktiviert den Rotor 4 oder stellt sicher, dass der Rotor 4 deaktiviert bleibt.
Der Steuerungstoleranzbereich SM-TB ist beispielsweise ein Schalt-/Flardware-/Betriebs-Toleranzbereich für das Motorsteuerungsmuster SI-SM oder das Steuerungsprofil und beschreibt, mit welcher Toleranz (zum Beispiel von +/-1 % bis +1-3%) die Steuersignale/-impulse mittels eines herkömmlichen Pulsgenerators erzeugt werden dürfen. Der Steuerungstoleranz-bereich SM-TB ist somit ein sicherheitsunkritischer Steuerungsbereich, welcher die erzeugten Steuersignale oder Steuerimpulse nach oben oder unten (mit einer maximalen unteren und/oder maximalen oberen Abweichung) begrenzt.
Alternativ oder zusätzlich kann der Verifikator 7.2 eingerichtet sein, im vierten Schritt S4 und insbesondere in der ersten Verifizierungsstufe das erfasste und rückgekoppelte Ist-Steuerungsmuster Ist-SM mit dem Soll-Steuerungsmuster Soll-SM zu vergleichen, wobei, wenn das Ist-Steuerungsmuster Ist-SM innerhalb des Steuerungstoleranz-bereiches SM-TB liegt, die Motorsteuerung 6 aktiviert wird oder bleibt, anderenfalls die Motorsteuerung 6 deaktiviert (beispielsweise unterbrochen) wird.
Wie oben bereits im allgemeinen Teil beschrieben, kann der Steuerungstoleranzbereich SM-TB anhand von mindestens einem oder mehreren oberen Steuerungsgrenzwerten und/oder mindestens einem oder mehreren unteren Steuerungsgrenz-werten für das Soll-Steuerungsmuster Soll-SM bestimmt werden.
Im vierten Schritt S4 wird darüber hinaus mittels des Verifikators 7.2 eine zweite Verifizierungsstufe ausgeführt, in welcher die erfasste und rückgekoppelte Ist-Rotorposition Ist-RP mit der Soll-Rotorposition Soll-RP verglichen wird, wobei, wenn die erfasste Ist-Rotorposition Ist-RP gleich der vorgegebenen Soll-Rotorposition Soll-RP ist und innerhalb des vorgegebenen sicherheitsunkritischen Positionstoleranzbereiches SB liegt, als Sicherheitssignal Safe ein zweites Verifizierungssignal VS2 erzeugt wird, anderenfalls die Erzeugung des zweiten Verifizierungssignals VS2 unterbleibt oder ein Fehlersignal Not-safe erzeugt wird.
Alternativ oder zusätzlich kann der Verifikator 7.2 eingerichtet sein, im vierten Schritt S4 und insbesondere in einer zweiten Verifizierungsstufe die erfasste Ist-Rotorposition Ist-RP mit der Soll-Rotorposition Soll-RP zu vergleichen, wobei, wenn die erfasste Ist-Rotorposition Ist-RP gleich der vorgegebenen Soll-Rotorposition Soll-RP ist und innerhalb des vorgegebenen Positionstoleranzbereiches SB liegt, die Motorsteuerung 6 aktiviert wird oder bleibt, anderenfalls die Motorsteuerung 6 deaktiviert (beispielsweise unterbrochen) wird oder ein Fehlersignal Not-safe erzeugt wird.
Der vorgegebene Positionstoleranzbereich SB für die stets sichere Bewegung des Rotors 4 kann beispielsweise anhand von mindestens einem oder mehreren oberen Positions-Grenz-wert/en und/oder mindestens einem oder mehreren unteren Positions-Grenzwert/en bestimmt und/oder vorgegeben werden. Sowohl bei der Bestimmung des vorgegebenen Positionstoleranzbereiches SB als auch des Steuerungstoleranzbereiches SM-TB können Messtoleranzen des Rotorpositionssensors 5, Fertigungstoleranzen der Motoreinheit 2 und/oder Positionstoleranzen des Rotors 4 mittels mindestens eines Toleranzfaktors berücksichtigt werden.
Der Positionstoleranzbereich SB definiert beispielsweise einen sicherheitsunkritischen Bewegungsbereich des Rotors 4, wobei innerhalb des Positionstoleranzbereichs SB der Rotor 4 bewegt werden kann, ohne kritische Situationen zu verursachen, die beispielsweise Sicherheitsanforderungen nach Norm ISO 26262 betreffen. Insbesondere stellt der Positionstoleranzbereich SB ein Bewegungstoleranzbereich dar, in welchem der Rotor 4 bei Inbetriebnahme, bei einem Start und/oder während des Betriebs bewegt werden kann. Der Positionstoleranzbereich SB ist beispielsweise als ein Winkelbereich definiert.
Für die momentane Bewegung, insbesondere Verstellung und Rotation, des Rotors 4 gilt dasselbe. Das heißt, dass erfindungsgemäße Verfahren stellt sicher, dass eine momentane Verstellung des Rotors 4 nur innerhalb des Positionstoleranzbereichs SB ausgeführt werden darf. Flierzu sieht das Verfahren vor, dass die Ansteuerung des Rotors 4 bei Ermittlung einer bevorstehenden unzulässigen Überschreitung des Positionstoleranzbereichs SB gestoppt wird. Wird hingegen mittels des Verifikators 7.2 ermittelt, dass die momentane Ist-Rotorposition Ist-RP innerhalb des Positionstoleranzbereiches SB liegt, auch gegebenenfalls unter Berücksichtigung von Sensor-, Fertigungs- und/oder Steuerungstoleranzen, gilt die gemäß dem Soll-Steuerungsmuster Soll-SM durchgeführte Ansteuerung des Rotors 4 als sicher verifiziert. Die Motoreinheit 2 darf als sicherheitsrelevantes System weiter betrieben werden.
Darüber hinaus sieht das Verfahren vor, dass die Bewegungsrichtung des Rotors 4 kontinuierlich bestimmt wird. Insbesondere wird eine Rotorposition RP, insbesondere die Ist-Rotorposition Ist-RP, kontinuierlich erfasst, so dass die Bewegungsrichtung bestimmt werden kann. Aus dem Delta zweier Ist-Positionen Ist-RP kann die jeweilige Bewegungsrichtung, insbesondere Drehrichtung, des Rotors 4 ermittelt werden.
Zum Beispiel beträgt die Winkelstellung cp des Rotors 4 in der Start-Rotorposition Start-RP gleich 250°.
Darüber hinaus wird der sicherheitsunkritische Positionstoleranzbereich SB für den Rotor 4 bestimmt. Beispielsweise wird der sicherheitsunkritische Positionstoleranzbereich SB in Winkelbereichswerten von beispielsweise 220° bis 280° vorgegeben.
Anhand des sicherheitsunkritischen Positionstoleranzbereichs SB und der erfassten Start-Rotorposition Start-RP wird ein möglicher Positionsversatz ARP bestimmt, beispielsweise von + 20°.
Aus der Start-Rotorposition Start-RP und dem ermittelten Positionsversatz ARP wird die Soll-Rotorposition Soll-RP ermittelt, die der Rotor 4 sicher einnehmen kann und die im Beispiel 270° beträgt gemäß:
Soll-RP = Start-RP + ARP = 250° + 20°
Soll-RP = 270°.
Wird aufgrund der Rückkopplung der momentanen Ist-Rotorposition Ist-RP eine Rotorposition RP außerhalb des Positionstoleranzbereiches SB ermittelt, so wird die Motorsteuerung 6 deaktiviert. Liegt hingegen die momentane Ist-Rotorposition Ist-RP innerhalb des Positionstoleranzbereiches SB, so wird die Motorsteuerung 6 aktiviert oder bleibt aktiviert und der Rotor 4 kann verstellt werden.
Die Motorsteuerung 6 umfasst in nicht näher dargestellter Art und Weise eine herkömmliche Pulsweitenmodulationseinheit. Zum Beispiel ist die Pulsweitenmodulationseinheit zur Steuerung der Hardwarekomponenten der Motorsteuerung 6 ausgebildet. Zum Beispiel wird das Motorsteuerungsmuster SI-SM über die Pulsweitenmodulationseinheit an die Hardwarekomponente der Motorsteuerung 6 übermittelt. Die Hardware führt anhand des vorgegebenen Motorsteuerungsmusters SI-SM die Ansteuerung der Motoreinheit 2 durch.
Weiterhin umfasst die Motoreinheit 2 einen herkömmlichen Motorregler, insbesondere einen PI-Regler, auch als proportional-integral Controller, bekannt. Der PI-Regler kann Teil der Motorsteuerung 6 sein oder auch der Signalverarbeitung 7.1 sein und umfasst als ausgegebene Regelgröße die Ist-Drehzahl des Rotors 4 und als Führungsgröße die Soll-Drehzahl. Das vorliegende Verfahren ist adaptiv dem Motorregler und der Motorsteuerung 6 vorgeschaltet und deaktiviert den Motorregler und die Motorsteuerung 6, wenn ein unsicherer Zustand der Motorsteuerung 6 über die Rückkopplung des Ist-Steuerungsmusters Ist-SM und/oder der Motoreinheit 2 über die Rückkopplung des Ist-Rotorposition Ist-RP ermittelt wird.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass über die Rückkopplung des Ist-Steuerungsmusters Ist-SM und/oder der Ist-Rotorposition Ist-RP eine korrekte Bewegungsausführung bei Inbetriebnahme oder während des Betriebs oder nach einem Betrieb des Rotors 4 überprüft wird, wobei nach Ansteuerung des Rotors 4 in Abhängigkeit des Soll-Steuerungsmusters Soll-SM die daraus resultierende momentane Ist-Rotorposition Ist-RP des Rotors 4 erfasst wird und diese mit der ermittelten Soll-Rotorposition Soll-RP verglichen wird. D. h., dass über die Rückkopplung und insbesondere Rückmessung der Ist-Rotorposition Ist-RP, die der Rotorpositionssensor 5 nach Anlegen des Motorsteuerungsmusters SI-SM erfasst, die korrekte Bewegungsausführung der Motoreinheit 2, beispielsweise in Abhängigkeit einer korrekten Ansteuerung, insbesondere Bestromung der Spulen 3.1 , überprüft werden kann. Bezugszeichenliste
1 Fahrzeug
2 Motoreinheit
3 Stator
3.1 Spule
4 Rotor
4.1 Permanentmagnet
5 Rotorpositionssensor
6 Motorsteuerung
7 Steuerungsmodul
7.1 Signalverarbeitung
7.2 Verifikator
8 Speichereinheit
9 Eingabeeinheit
ARP Positionsversatz
Ist-SM Ist-Steuerungsmuster
Ist-RP Ist-Rotorposition
Not-Safe Fehlersignal
R Rotationsrichtung
RP Rotorposition
Safe Sicherheitssignal
SB [sicherheitsunkritischer] Positionstoleranzbereich
SI-SM [angelegtes] Motorsteuerungsmuster
SM-TB Steuerungstoleranzbereich
Soll-SM Soll-Steuerungsmuster
Soll-RP Soll-Rotorposition
Start-RP Start-Rotorposition
SS Schnittstelle
S1 bis S4 Schritte T zeitlicher Ablauf
VS1 erstes Verifizierungssignal
VS2 zweites Verifizierungssignal

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steuerung einer Motoreinheit (2) mit einem Rotor (4) und einem Stator (3), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Erfassen einer Start-Rotorposition (Start-RP),
- Ermittlung oder Vorgabe zumindest eines sicherheitsunkritischen Positionstoleranzbereiches (SB),
- Ermittlung oder Vorgabe zumindest eines Positionsversatzes (ARP) für den Rotor (4) in Abhängigkeit von dem ermittelten bzw. vorgegebenen Positionstoleranzbereich (SB),
- Ermittlung einer Soll-Rotorposition (Soll-RP) für den Rotor (4) anhand der Start-Rotorposition (Start-RP) und des Positionsversatzes (ARP),
- Vorgeben eines Soll-Steuerungsmusters (Soll-SM) anhand der ermittelten Soll-Rotorposition (Soll-RP),
- Erzeugen und Anlegen eines Motorsteuerungsmusters (SI-SM) an die Motoreinheit (2) zur Drehung des Rotors (4) in die vorgegebene Soll-Rotorposition (Soll-RP) mittels des Soll-Steuerungsmusters (Soll-SM),
- Erfassung eines die Motoreinheit (2) steuernden Ist-Steuerungsmusters (Ist-SM) an einer Schnittstelle (SS) zwischen der Motorsteuerung (6) und der Motoreinheit (2),
- Erfassung einer aus der Drehung des Rotors (4) mittels des Motorsteuerungsmusters (SI-SM) resultierenden Ist-Rotorposition (Ist-RP) des Rotors (4) und
- Rückkopplung sowohl des erfassten Ist-Steuerungsmusters (Ist-SM) als auch der erfassten Ist-Rotorposition (Ist-RP) zu deren Verifizierung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei anhand des rückgekoppelten Ist-Steuerungsmusters (Ist-SM) und/oder der rückgekoppelten Ist-Rotorposition (Ist-RP) ein Sicherheitssignal (Safe) und/oder ein Fehlersignal (Not-safe) erzeugt und/oder ausgegeben und/oder übertragen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in einer ersten Verifizierungsstufe das erfasste Ist-Steuerungsmuster (Ist-SM) mit dem Soll-Steuerungsmuster (Soll-SM) verglichen wird, wobei, wenn das Ist-Steuerungsmuster (Ist-SM) innerhalb eines vorgegebenen Steuerungstoleranzbereiches (SM-TB) liegt, als Sicherheitssignal (Safe) ein erstes Verifizierungssignal (VS1) erzeugt wird, anderenfalls die Erzeugung des ersten Verifizierungssignals (VS1) unterbleibt oder das Fehlersignal (Not-safe) erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einer oder in der ersten Verifizierungsstufe das erfasste Ist-Steuerungsmuster (Ist-SM) mit dem Soll-Steuerungsmuster (Soll-SM) verglichen wird, wobei, wenn das Ist-Steuerungsmuster (Ist-SM) innerhalb eines oder des vorgegebenen Steuerungstoleranzbereiches (SM-TB) liegt, die Motorsteuerung (6) aktiviert wird oder aktiviert bleibt, anderenfalls die Motorsteuerung (6) deaktiviert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Steuerungstoleranzbereich (SM-TB) anhand von mindestens einem oder mehreren oberen Steuerungsgrenzwerten und/oder mindestens einem oder mehreren unteren Steuerungsgrenzwerten für das Soll-Steuerungsmuster (Soll-SM) bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einer zweiten Verifizierungsstufe die erfasste Ist-Rotorposition (Ist-RP) mit der Soll-Rotorposition (Soll-RP) verglichen wird, wobei, wenn die erfasste Ist-Rotorposition (Ist-RP) gleich der vorgegebenen Soll-Rotorposition (Soll-RP) ist und/oder innerhalb des vorgegebenen sicherheitsunkritischen Positionstoleranzbereiches (SB) liegt, als Sicherheitssignal (Safe) ein zweites Verifizierungssignal (VS2) erzeugt wird, anderenfalls die Erzeugung des zweiten Verifizierungssignals (VS2) unterbleibt oder ein Fehlersignal (Not-safe) erzeugt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einer zweiten Verifizierungsstufe die erfasste Ist-Rotorposition (Ist-RP) mit der Soll-Rotorposition (Soll-RP) verglichen wird, wobei, wenn die erfasste Ist-Rotorposition (Ist-RP) gleich der vorgegebenen Soll-Rotorposition (Soll-RP) ist und/oder innerhalb des vorgegebenen Positionstoleranzbereiches (SB) liegt, die Motorsteuerung (6) aktiviert wird oder bleibt, anderenfalls die Motorsteuerung (6) deaktiviert wird oder ein Fehlersignal (Not-safe) erzeugt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei der vorgegebene Positionstoleranzbereich (SB) für den Rotor (4) anhand von mindestens einem oder mehreren oberen Positions-Grenzwert/en und/oder mindestens einem oder mehreren unteren Positions-Grenzwert/en bestimmt und/oder vorgegeben wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei bei der Bestimmung des vorgegebenen Positionstoleranzbereiches (SB) und/oder des Steuerungstoleranzbereiches (SM-TB) Messtoleranzen des Rotorpositionssensors (5), Fertigungstoleranzen der Motoreinheit (2) und/oder Positionstoleranzen des Rotors (4) mittels mindestens eines Toleranzfaktors berücksichtigt werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Bewegungsrichtung des Rotors (4) kontinuierlich bestimmt wird.
11. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche für eine Prüfung der Motorsteuerung (6) der Motoreinheit (2).
12. Motoreinheit (2) mit zumindest
- einem Stator (3) und einem Rotor (4),
- einem Rotorpositionssensor (5) zur Erfassung einer Rotorposition (RP) und
- einer Motorsteuerung (6) zur Drehbewegung des Rotors (4), wobei
- die Motorsteuerung (6) die Motoreinheit (2) durch Anlegen eines Motorsteuerungsmusters (SI-SM) ansteuert und betreibt und ein Steuerungsmodul (7) vorgesehen ist, das der Motorsteuerung (6) vorgeschaltet ist oder Teil der Motorsteuerung (6) ist, und
- die Motorsteuerung (6) und das Steuerungsmodul (7) derart eingerichtet sind, vor oder nach einem Betrieb oder während eines Betriebs der Motoreinheit (2) die Motorsteuerung (6) nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen zu prüfen und gegebenenfalls zu aktivieren oder zu deaktivieren.
13. Motoreinheit (2) mit zumindest
- einem Stator (3) und einem Rotor (4),
- einem Rotorpositionssensor (5) zur Erfassung einer Rotorposition (RP) und
- einer Motorsteuerung (6) zur Drehbewegung des Rotors (4), wobei die Motorsteuerung (6) die Motoreinheit (2) durch Anlegen eines Motorsteuerungsmusters (SI-SM) ansteuert und betreibt und ein Steuerungsmodul (7) vorgesehen ist, das der Motorsteuerung (6) vorgeschaltet ist oder Teil der Motorsteuerung (6) ist, wobei das Steuerungsmodul (7) die Ist-Rotorposition (Ist-RP) und/oder das Ist-Steuerungsmuster (Ist-SM) an die Motorsteuerung (6) rückkoppelt.
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