WO2023208272A1 - Verfahren zur bestimmung einer initialen rotorlage eines rotors, computerprogrammprodukt, steuereinheit, elektrische maschine, prüf- und/oder testverfahren und prüfstand - Google Patents

Verfahren zur bestimmung einer initialen rotorlage eines rotors, computerprogrammprodukt, steuereinheit, elektrische maschine, prüf- und/oder testverfahren und prüfstand Download PDF

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WO2023208272A1
WO2023208272A1 PCT/DE2023/100243 DE2023100243W WO2023208272A1 WO 2023208272 A1 WO2023208272 A1 WO 2023208272A1 DE 2023100243 W DE2023100243 W DE 2023100243W WO 2023208272 A1 WO2023208272 A1 WO 2023208272A1
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electrical machine
rotor
control unit
rotor position
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Erhard Hodrus
Christian Eberle
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
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    • H02P2101/00—Special adaptation of control arrangements for generators
    • H02P2101/45—Special adaptation of control arrangements for generators for motor vehicles, e.g. car alternators

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining an initial rotor position of a rotor of an electrical machine, in particular an electrical synchronous machine.
  • the invention further relates to a computer program product, a control unit, an electrical machine, a testing and/or testing method for checking an electrical machine in a test bench, and a test bench for carrying out a testing and/or testing method for checking an electrical machine.
  • Electric motors are increasingly being used to drive motor vehicles in order to create alternatives to combustion engines that require fossil fuels.
  • Significant efforts have already been made to improve the suitability of electric drives for everyday use and to offer users the usual driving comfort.
  • the control of such an electric motor is achieved by imposing a rotating field in the windings of the motor.
  • the rotating field must be adjusted via a control.
  • the position of the rotor is measured using a rotor position sensor and the determined rotor position angle is passed on to the control of the electric motor.
  • the original alternating variables i_u, i_v, i_w are mapped to equal sizes i_q, i_d as a result of the coordinate system rotating synchronously with the rotor flux.
  • the voltage values or current values of the phases of the stator of the synchronous machine are transformed in a known manner to a two-dimensional coordinate system, the mutually perpendicular axes of which are usually designated d (“direct”) and q (“quadrature”).
  • This coordinate system rotates relative to the stator of the synchronous machine and rests relative to the rotor of the synchronous machine.
  • the transformation itself is called the park transformation
  • the two-dimensional coordinate system to which the transformation is carried out is called the park coordinate system.
  • the park transformation can take place via the intermediate step of a, also known, Clarke transformation, which transforms the voltage values or current values of the phases of the stator of the synchronous machine to a two-dimensional, orthogonal coordinate system that is at rest relative to the stator.
  • the rotor position sensor which is usually used to determine the current angle of the rotor, is dispensed with. For example, current sensor signals and measured or estimated phase voltages are used to use a model to infer the rotor position and the speed of the motor. Below a speed threshold of absolute speed, it is necessary to feed in so-called injection signals, which support the identification of the rotor position and the speed in this speed range. Starting with a stationary rotor, the rotor position must be determined using an initialization routine.
  • the initial rotor position can be determined by specifying an alternating voltage excitation, a high-frequency oscillation in d and q voltage, for a certain number of points on a voltage circuit, in which the exciting voltage amplitude leads to a resulting current amplitude. Due to the d-q coordinates, an ellipse must arise in the d-q plane in the event of a circular excitation in the voltage in the current. The main axis of the ellipse corresponds to the d direction. This direction of the main axis describes the initial value of the rotor position.
  • One way to determine the initial rotor position is to travel through several points on the circular path, which results in several points on an ellipse.
  • the angular position of the semi-axes of the ellipse must then be deduced from these points. If you choose many points, the result is more precise, but takes a certain amount of time because each point with different amplitudes in the d and q directions must be approached and evaluated in a stable manner. If you choose a few points, the process speeds up, but the result may be inaccurate because the angular position of the semi-axes cannot be determined so well from the few points.
  • the measurement data during evaluation is subject to a certain amount of noise, which ultimately distorts the result.
  • the object of the invention is therefore to provide an improved - in particular faster and more precise - method for determining an initial rotor position of a rotor of an electrical machine, in particular an electrical one Synchronous machine to provide. It is also the object of the invention to realize a computer program product for carrying out an improved method for determining an initial rotor position of a rotor of an electrical machine, in particular an electrical synchronous machine. It is also the object of the invention to develop a control unit for carrying out an improved method for determining an initial rotor position of a rotor of an electrical machine, in particular an electrical synchronous machine. Finally, it is also the object of the invention to provide an improved electrical machine. The object of the invention is also to implement an improved testing and/or testing method for checking an electrical machine in a test stand and an optimized test stand for carrying out a testing and/or testing method for checking an electrical machine.
  • a method for determining an initial rotor position of a rotor of an electrical machine, in particular an electrical synchronous machine comprising the following steps: a) providing an electrical machine with a stationary rotor, b) providing a starting value d_est, which represents a first angle represents the rotor position, c) generating a three-phase alternating voltage excitation in the electrical machine by specifying an alternating voltage in the d_est direction, d) converting the three-phase current response to the alternating voltage excitation of the electrical machine for a first modified value d_est-45° into a first alternating current component i_[ d_est- 45°], e) conversion of the three-phase current response to the alternating voltage excitation of the electrical machine for a second modified value d_est+45° into a second alternating current component i_[d_est+45°], f) calculation of the length of a d- and q- Components of the first alternating current vector for the following steps: a
  • the initial rotor position can be determined particularly quickly and reliably using an iterative method without a physical rotor position sensor. Furthermore, the method according to the invention can also prevent the electrical machine from turning in the wrong direction, even for a short time, during motor operation.
  • the first iteration is carried out with a starting value for the angle chosen in particular randomly.
  • the three-phase current response to an alternating voltage excitation of the system in the supposed d direction is then converted into dq currents using the known methods. However, this conversion is not carried out with the assumed angle d_est as such, but with the modified angle d_est-45°, which corresponds to the assumed angle d_est minus 45°.
  • motor vehicles are land vehicles that are moved by mechanical power without being tied to railway tracks.
  • a motor vehicle can, for example, be selected from the group of passenger cars (passenger cars), trucks (lorries), mopeds, light vehicles, motorcycles, motor buses (KOM) or tractors.
  • a hybrid electric vehicle also known as a hybrid electric vehicle (HEV) is an electric vehicle that is powered by at least one electric motor and another energy converter and draws energy from both its electrical storage (battery) and additional fuel.
  • the drive train is one
  • Motor vehicle understood all the components that determine the performance in the motor vehicle for the drive of the motor vehicle and transmitted via the vehicle wheels to the road.
  • an electrical machine is used to convert electrical energy into mechanical energy and/or vice versa.
  • the electrical machine of an axle drive train can be designed as a radial or axial flux machine.
  • axial flux machines are to be preferred.
  • An electrical machine usually includes a stationary part called a stator, stand or armature and a part called a rotor or rotor which is arranged to be movable relative to the stationary part.
  • An electrical machine can be designed to run dry or wet.
  • the electric machine is intended in particular for use within an electrically operable drive train of a motor vehicle.
  • the electric machine is dimensioned such that vehicle speeds greater than 50 km/h, preferably greater than 80 km/h and in particular greater than 100 km/h can be achieved.
  • the electric motor particularly preferably has a power greater than 30 kW, preferably greater than 50 kW and in particular greater than 70 kW. It is further preferred that the electric machine provides speeds greater than 5,000 rpm, particularly preferably greater than 10,000 rpm, most preferably greater than 12,500 rpm.
  • the rotor position sensor is preferably designed as an absolute or relative rotor position sensor for an electrical machine.
  • the rotor position sensor preferably provides a sensor signal representing the rotor position. Most preferably, the sensor signal is sent to a control unit for controlling the electrical machine.
  • An electrical machine can also have a control unit.
  • a control unit as can be used in the present invention, is used in particular for the electronic control and/or regulation of one or more technical systems of the electrical machine.
  • a control unit in particular has a wired or wireless signal input for receiving electrical signals, in particular, such as sensor signals.
  • a control unit also preferably has a wired or wireless signal output for transmitting, in particular, electrical signals.
  • Control operations and/or regulation operations can be carried out within the control unit. It is particularly preferred that the control unit comprises hardware that is designed to execute software.
  • the control unit preferably comprises at least two electronic processors for executing program sequences each defined in software.
  • the two processors can also be structurally integrated into a processor as computer cores, with the corresponding computer cores then each representing a processor in the sense of the invention.
  • the control unit can also have one or more electronic memories in which the data contained in the signals transmitted to the control unit can be stored and read out again. Furthermore, the control unit can have one or more electronic memories in which data can be stored in a changeable and/or unchangeable manner.
  • a control unit can comprise a plurality of control devices, which are arranged in particular spatially separated from one another in the motor vehicle.
  • Control devices are also referred to as Electronic Control Unit (ECU) or Electronic Control Module (ECM) and preferably have electronic microcontrollers for carrying out arithmetic operations to process data, particularly preferably using software.
  • the control devices can preferably be networked with one another, so that wired and/or wireless data exchange between control devices is possible.
  • the control unit has at least one processor and at least one memory, which in particular contains a computer program code, the memory and the computer program code being configured with the processor to cause the control unit to execute the computer program code.
  • the control unit can particularly preferably include power electronics for energizing the stator or rotor.
  • Power electronics is preferably a combination of various components that control or regulate a current to the electrical machine, preferably including the peripheral components required for this, such as cooling elements or power supplies.
  • the power electronics or one or more power electronics components contain which are set up to control or regulate a current. This is particularly preferably one or more circuit breakers, e.g.
  • the power electronics has more than two, particularly preferably three, phases or current paths that are separate from one another, each with at least one separate power electronics component.
  • the power electronics are preferably designed to control or regulate a power per phase with a peak power, preferably continuous power, of at least 10 W, preferably at least 100 W, particularly preferably at least 1000 W.
  • the starting value d_est is selected according to a random principle when the method is run through for the first time.
  • the object of the invention can also be achieved by a computer program product that is stored on a machine-readable carrier, or computer data signal, embodied by an electromagnetic wave, with program code that is suitable for carrying out the method according to claims 1-2.
  • control unit for controlling and energizing an electrical machine, in particular an electrical synchronous machine, comprising a processor and a memory which contains a computer program code, the memory and the computer program code being configured with the processor to cause the control unit to carry out a method according to claims 1-2.
  • the control unit does not have a connection for a rotor position sensor for detecting the rotor position of the rotor, so that the control unit or the electrical machine controlled by it does not require a physical rotor position sensor.
  • an electrical machine in particular an electrical synchronous machine, comprising a stator and a rotor rotatable relative to the stator and a control unit for controlling and energizing the electrical machine, characterized in that the control unit is a control unit according to claim 4 is.
  • the electrical machine does not have a rotor position sensor for detecting the rotor position of the rotor. It may also be advantageous to further develop the invention in such a way that the electric machine is configured for use in an electrically operable or hybrid drive train of a motor vehicle.
  • the method according to the invention during a test and/or inspection cycle of the electrical machine during its production.
  • an electrical machine is usually operated for various tests and inspections, for example Acceptance profile for quality and function control before delivery of the electrical machine.
  • the electric machine usually does not have its own rotor position sensor, since this rotor position sensor is usually only provided in the vehicle when it is assembled.
  • each electric motor to be tested is combined with a rotor position sensor permanently mounted on a corresponding test bench for the corresponding test. With this rotor position sensor, which is not optimally matched to this electric motor, the electric machine has so far been operated in the test bench in order to then complete a test and/or inspection cycle.
  • the offset angle of the rotor position signal is generally not taught in.
  • the electrical machine cannot therefore be operated optimally during these test and/or inspection cycles because the rotor position angle offset cannot be adjusted in production.
  • the electrical machine may have previously had a significant rotor position angle error in a test and/or test cycle.
  • the method according to the invention for determining an initial rotor position of the rotor of an electrical machine therefore proposes - as already explained above - to find the longer skin axis of the ellipse, which corresponds to the d-axis, using an iterative control approach.
  • a current By impressing the injection signal into the voltage, a current can be measured. However, this is not transformed into the imaginary d direction, but rather into the imaginary d-45° direction and imaginary d+45° direction. This means that significantly larger amplitudes in the current can be achieved compared to evaluating the currents in the d and q directions, where the current in the q direction disappears when the real d axis is found. This makes detection more robust against interference, especially in dynamic situations.
  • the amplitude of the injection signal is then determined using bandpass filtering and the two values for +-45° are compared with each other.
  • the assumed angle is then corrected so that the two amplitudes in the direction +45° and -45° become the same length.
  • the sign of the correction is chosen so that the longer semi-axis is found, i.e. the d-axis. If the sign is reversed during the correction, the algorithm finds the shorter semi-axis, i.e. the q-axis. With this approach, not only can the initial angle be found, but the electrical machine can also be operated with it, especially during a test cycle in the production of the electrical machine.
  • the production of the electrical machine also includes in particular the state of the electrical machine that is not installed in a motor vehicle.
  • this also includes operation of the electrical machine for inspection and testing purposes outside of a motor vehicle. This operation for inspection and testing purposes can preferably be carried out on a test stand for the electrical machine.
  • the object of the invention can therefore also be achieved by a testing and / or testing method for checking an electrical machine according to one of claims 6-8 in a test bench, the initial rotor position of the rotor of the electrical machine being used to operate the electrical machine in the test bench is determined by a method according to one of claims 1-2.
  • the object of the invention can further be achieved by a testing and/or testing method for checking an electrical machine in a test bench, the test bench for operating the electrical machine comprising a control unit according to claims 4-5 for controlling and energizing the electrical machine and the Initial rotor position of the rotor of the electrical machine is determined by a method according to one of claims 1 -2.
  • the proposed method does not require any motor parameters; only the filters of the method must be set in a suitable range. Inaccuracies in engine parameters do not play a role.
  • the test items can be operated at the optimal angle. This makes the measurement information better and more comparable.
  • the torque and speed that can actually be generated by the engine can be evaluated.
  • the achievable torque and the speed reached are only of limited significance.
  • the angle learned through sensorless operation can be related to the permanently installed angle. This allows the sensorless angle to be validated, as it should always not leave a certain range of the measured fixed angle after a defined transient response in the sense of a plausibility check.
  • the object of the invention can also be achieved by a test stand for carrying out a testing and/or test method for checking an electrical machine, comprising a receptacle for the electrical machine and a control unit according to claims 4-5 for controlling and energizing the electrical machine.
  • the electric machine can therefore be operated and controlled during production without a rotor position sensor.
  • the sensorless operation with the method according to the invention for determining the initial rotor position of the rotor of the electric machine can precisely determine the correct motor angle in the shortest possible time and thus enables optimal operation for each motor in the corresponding test and/or inspection cycle.
  • Figure 1 different positions of the d-axis in a d/q coordinate system
  • FIG. 4 shows a first embodiment of a test bench in a schematic block diagram
  • FIG. 5 shows a second embodiment of a test stand in a schematic block diagram
  • an electric machine 2 with a stationary rotor 1 is provided, as shown as an example in FIG.
  • a three-phase alternating voltage excitation is then generated in the electrical machine 2, which is also indicated in FIG. 2 with the three parallel dashed lines between the control unit 3 and the energized stator 7.
  • a random starting value d_est is provided, which represents a first angle of the rotor position.
  • the alternating voltage excitation is applied in the d_est direction.
  • the three-phase current is measured and transformed in the d_est-45° direction; the modified value d_est-45° is calculated.
  • a second modified value d_est+45° is calculated, which corresponds to the starting value d_est plus 45°.
  • the three-phase current response to the alternating voltage excitation of the electrical machine 2 for the first modified value d_est-45° is then converted into a first alternating current component i_[d_est-45°], as well as the three-phase current response to the alternating voltage excitation of the electrical machine is converted for the second modified value d_est+45° into a second alternating current component i_[d_est+45°].
  • corresponding ellipses are shown schematically in the real d-q plane.
  • the “estimated” d-axis (d_est) is drawn and does not correspond to the direction of the d-axis of the d-q plane.
  • the alternating current components i_(d_est+45°) and i_(d_est-45°) are shown.
  • the starting value d_est is adjusted in such a way that the angle representing the rotor position is rotated clockwise by a predetermined amount, which is shown in figures a) and b).
  • the “estimated” d-axis (d_est) must be rotated a little clockwise. This new “estimated” d-direction is then the new starting value for the next iteration.
  • Figure b) of Figure 1 shows one of the next iterations.
  • the process is repeated until the projections of the alternating current components and thus the lengths of the absolute values of the alternating current components are of the same length.
  • the initial angle of the rotor position can then easily be determined from the angle of the “estimated” d-axis. This can be seen in Figure c) of Figure 1. Then, on this basis, the initial rotor angle is provided for energizing the electrical machine and the process is ended.
  • the d-axis is known and the electrical machine 2 can be turned in the desired direction of rotation. This prevents the electrical machine from turning in the wrong direction, even for a short time, during motor operation.
  • a possible “180° error” must still be identified and eliminated using a suitable standard procedure, as is the case with the method known from the prior art.
  • control unit 3 for controlling and energizing the electrical machine 2 comprises a processor 4 and a memory 5, which contains a computer program code, the memory 5 and the computer program code being configured with the processor 4 to cause the control unit 3 to carry out the above method.
  • control unit 3 preferably has no connection for a rotor position sensor 6 for detecting the rotor position of the rotor 1 and can be controlled without a sensor.
  • 2 has a stator 7 that can be energized and a rotor 1 that can be rotated relative to the stator 7, as well as the control unit 3 for controlling and energizing the electrical machine 2 or the stator 7.
  • the electric machine 2 is configured in particular for use in an electrically operable or hybrid drive train 8 of a motor vehicle 9, as also sketched in FIG.
  • the method described can also be used within a test and/or test method for checking an electrical machine 2, as is known from FIG. 2, on a test bench 10.
  • the initial rotor position of the rotor 1 of the electrical machine 2 is then determined by the described method for determining the initial rotor position of the rotor 1 of the electrical machine 2.
  • This structure of the test stand 10 is shown in FIG.
  • the electrical machine 2 is already checked with its control unit 3 and powered via the control unit 3.
  • the test bench 10 it would also be conceivable for the test bench 10 to have a control unit 3 through which the electrical machine 2 is energized, as is sketched in FIG.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer initialen Rotorlage eines Rotors (1) einer elektrischen Maschine (2), insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine.

Description

Verfahren zur Bestimmung einer initialen Rotorlaqe eines Rotors, Computerprogrammprodukt, Steuereinheit, elektrische Maschine, Prüf- und/oder Testverfahren und Prüfstand
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer initialen Rotorlage eines Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt, eine Steuereinheit, eine elektrische Maschine, ein Prüf- und/oder Testverfahren zur Überprüfung einer elektrischen Maschine in einem Prüfstand sowie einen Prüfstand zur Durchführung eines Prüf- und/oder Testverfahrens zur Überprüfung einer elektrischen Maschine.
Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
Bei Elektromotoren kommt es ferner sehr darauf an, wie die vom Magnetfeld durchströmten Teile zueinander positioniert sind. Dies betrifft sowohl die mechanische Struktur des Elektromotors, durch die die Teile gehalten und exakt positioniert werden, als auch die genaue Kenntnis über die Winkellage der sich drehenden Teile, denn die sich beim drehenden Motor ständig ändernde Lage der in dem drehenden Rotor integrierten Magnete (Winkelstellung) muss relativ zu dem in den Stator integrierten Magneten immer exakt bekannt sein, um den Elektromotor richtig ansteuern zu können. Die sich ändernde Winkelposition des Rotors muss zu jedem Zeitpunkt genau bekannt sein, um die Ausrichtung der Rotorkomponenten (z. B. der Rotormagnete, die meist als Permanentmagnete ausgeführt werden) relativ zu den Statorkomponenten (z. B. der Statormagnete, die meist als Elektromagnete ausgeführt werden) zu ermitteln und die Ansteuerung des Motors darauf abstimmen zu können.
Die Ansteuerung eines derartigen Elektromotors wird also durch die Aufprägung eines Drehfeldes in den Wicklungen des Motors erreicht. Abhängig vom Rotorlagewinkel muss hierbei das Drehfeld über eine Regelung nachgeführt werden. In der Regel wird die Lage des Rotors mittels eines Rotorlagesensors gemessen und der ermittelte Rotorlagewinkel an die Ansteuerung des Elektromotors übergeben.
Um Kosten und Bauraum zu sparen, sind jedoch auch bereits geberlose Regelungen bekannt geworden, welche auf einen physischen Rotorlagesensor verzichten. Es wird hierbei lediglich auf die für die feldorientierte Regelung ohnehin unverzichtbaren Stromsensoren zurückgegriffen. Dieses insbesondere bei 3- phasigen permanenterregten Synchronmaschinen weit verbreitete Regelungskonzept beruht auf einer Transformation der 3- phasigen Wechselgrößen in ein zweiachsiges Koordinatensystem, welches synchron mit dem Rotorfluss der Maschine rotiert. In einem derartigen Koordinatensystem, üblicherweise als d/q- Koordinatensystem bezeichnet, werden beispielsweise die drei Phasenströme der Ständerwicklung i_u, i_v, i_w durch einen 2-dimensionalen Stromvektor mit den Komponenten i_q und i_d dargestellt. Bei einem ideal sinusförmigen Rotorfluss und ideal sinusförmigen Phasenströmen werden die ursprünglichen Wechselgrößen i_u, i_v, i_w als Folge des rotorflusssynchron rotierenden Koordinatensystems auf Gleichgroßen i_q, i_d abgebildet.
Bei der feldorientierten Stromregelung werden die Spannungswerte bzw. Stromwerte der Phasen des Stators der Synchronmaschine also in bekannter Weise auf ein zweidimensionales Koordinatensystem, dessen zueinander senkrechte Achsen üblicherweise mit d („direct“) und q („quadrature“) bezeichnet werden, transformiert. Dieses Koordinatensystem rotiert relativ zum Stator der Synchronmaschine und ruht relativ zum Rotor der Synchronmaschine. Die Transformation selbst heißt Park- Transformation, das zweidimensionale Koordinatensystem, auf das transformiert wird, heißt Park-Koordinatensystem. Die Park-Transformation kann über den Zwischenschritt einer, ebenfalls bekannten, Clarke-Transformation erfolgen, welche die Spannungswerte bzw. Stromwerte der Phasen des Stators der Synchronmaschine auf ein zweidimensionales, orthogonales, relativ zum Stator ruhendes Koordinatensystem transformiert. Beim sensorlosen Betrieb eines Elektromotors wird - wie oben bereits erwähnt - auf den Rotorlagesensor, mit dem gewöhnlich der aktuelle Winkel des Rotors bestimmt wird, verzichtet. Man nutzt beispielsweise Stromsensorsignale und gemessene bez. geschätzte Phasenspannungen, um über ein Modell auf die Rotorlage und die Geschwindigkeit des Motors zu schließen. Unter einer Drehzahlschwelle der absoluten Drehzahl ist es notwendig sogenannte Injektionssignale einzuspeisen, welche die Identifikation der Rotorlage und der Geschwindigkeit in diesem Drehzahlbereich unterstützen. Beginnend mit einem stehenden Rotor muss durch eine Initialisierungsroutine die Rotorlage bestimmt werden.
Die initiale Rotorlage kann durch Vorgabe einer Wechselspannungsanregung, einer hochfrequenten Schwingung in d- und q-Spannung, für eine bestimmte Anzahl von Punkten auf einer Spannungskreisbahn ermittelt werden, indem die anregende Spannungsamplitude in eine resultierende Stromamplitude mündet. Durch die d- q- Koordinaten muss bei einer kreisförmigen Anregung in der Spannung im Strom eine Ellipse in der d-q-Ebene entstehen. Die Hauptachse der Ellipse entspricht dabei der d- Richtung. Diese Richtung der Hauptachse beschreibt damit den initialen Wert der Rotorlage.
Eine Möglichkeit der Bestimmung der initialen Rotorlage besteht darin, mehrere Punkte auf der Kreisbahn abzufahren, was in mehreren Punkten auf einer Ellipse resultiert. Aus diesen Punkten muss dann auf die Winkellage der Halbachsen der Ellipse geschlossen werden. Wählt man viele Punkte, dann ist das Ergebnis genauer, dauert aber eine bestimmte Zeit, da jeder Punkt mit unterschiedlicher Amplitude in d- und q- Richtung stabil angefahren und ausgewertet werden muss. Wählt man wenige Punkte beschleunigt sich das Verfahren zwar, das Ergebnis kann aber dann unter Umständen ungenau werden, da aus den wenigen Punkten die Winkellage der Halbachsen nicht so gut ermittelt werden kann. Die Messdaten bei der Auswertung unterliegen einem bestimmten Rauschanteil, was letztendlich das Ergebnis verfälscht.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes - insbesondere schnelleres und genaueres - Verfahren zur Bestimmung einer initialen Rotorlage eines Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, bereitzustellen. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines verbesserten Verfahrens zur Bestimmung einer initialen Rotorlage eines Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, zu realisieren. Es ist auch die Aufgabe der Erfindung eine Steuereinheit zur Durchführung eines verbesserten Verfahrens zur Bestimmung einer initialen Rotorlage eines Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, zu entwickeln. Schließlich ist es auch die Aufgabe der Erfindung eine verbesserte elektrische Maschine bereitzustellen. Auch besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein verbessertes Prüf- und/oder Testverfahren zur Überprüfung einer elektrischen Maschine in einem Prüfstand sowie einen optimierten Prüfstand zur Durchführung eines Prüf- und/oder Testverfahrens zur Überprüfung einer elektrischen Maschine zu realisieren.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung einer initialen Rotorlage eines Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellung einer elektrischen Maschine mit einem ruhenden Rotor, b) Bereitstellung eines Startwerts d_est, welcher einen ersten Winkel der Rotorlage repräsentiert, c) Erzeugung einer dreiphasigen Wechselspannungsanregung in der elektrischen Maschine durch Vorgabe einer Wechselspannung in d_est- Richtung, d) Umrechnung der dreiphasigen Stromantwort auf die Wechselspannungsanregung der elektrischen Maschine für einen ersten modifizierten Wert d_est-45° in einen ersten Wechselstromanteil i_[d_est- 45°], e) Umrechnung der dreiphasigen Stromantwort auf die Wechselspannungsanregung der elektrischen Maschine für einen zweiten modifizierten Wert d_est+45° in einen zweiten Wechselstromanteil i_[d_est+45°], f) Berechnung der Länge eines d- und q-Anteile aufweisenden ersten Wechselstromvektors für den ersten Wechselstromanteil i_[d_est-45°], g) Berechnung der Länge eines d- und q-Anteile aufweisenden zweiten Wechselstromvektors für den zweiten Wechselstromanteil i_[d_est+45°], h) Bestimmung der Differenz der Beträge der Längen zwischen dem ersten Wechselstromvektor und dem zweiten Wechselstromvektor gemäß de lta_i = | i_d_est+45° | -| i_d_est-45° | , i) Bei Vorliegen der Bedingung, dass die Differenz der Beträge der Längen zwischen dem ersten Wechselstromvektor und dem zweiten Wechselstromvektor innerhalb eines definierten Intervalls zwischen und einem definierten Fehlertoleranzwerts FTW liegt, gemäß delta_i=| i_d_est+45°|-|i_d_est-45°| =[0-FTW], Bereitstellung des initialen Rotorwinkels zur Bestromung der elektrischen Maschine und Beendigung des Verfahrens, j) Bei Vorliegen der Bedingung, dass die Differenz der Beträge der Längen zwischen dem ersten Wechselstromvektor und dem zweiten Wechselstromvektor delta_i=| i_d_est+45°|-| i_d_est-45°| > 0 beträgt, k) Für den Fall, dass |i_d_est+45°|>|i_d_est-45°|, Anpassung des Startwerts d_est in der Art, dass der die Rotorlage repräsentierende Winkel im Uhrzeigersinn um einen vorbestimmten Betrag gedreht ist und l) Für den Fall, dass |i_d_est+45°|<|i_d_est-45°|, Anpassung des Startwerts d_est in der Art, dass der die Rotorlage repräsentierende Winkel gegen den Uhrzeigersinn um einen vorbestimmten Betrag gedreht ist, m) Wiederholen der Schritte c)-l).
Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass die initiale Rotorlage ohne einen physischen Rotorlagesensor besonders schnell und sicher mittels eines iterativen Verfahrens bestimmt werden kann. Ferner kann durch das erfindungsgemäße Verfahren auch verhindert werden, dass ein auch nur kurzzeitiges Drehen der elektrischen Maschine im motorischen Betrieb in eine falsche Richtung erfolgen kann. Zu Beginn des iterativen Lösungsalgorithmus wird mit einem insbesondere zufällig gewählten Startwert für den Winkel die erste Iteration ausgeführt. Die dreiphasige Stromantwort auf eine Wechselspannungsanregung des Systems in die vermeintliche d-Richtung wird dann mittels der bekannten Verfahren in d-q-Ströme umgerechnet. Diese Umrechnung wird aber nicht mit dem angenommenen Winkel d_est als solches durchgeführt, sondern mit dem modifizierten Winkel d_est-45°, welcher dem angenommen Winkel d_est minus 45° entspricht. Es ergibt sich so ein Wechselstromanteil i_(d_est-45°) in dieser Richtung. Es werden auch für den angenommen Winkel plus 45° die zugehörigen Ströme in d-q-Ebene berechnet, woraus sich so der Wechselstromanteil i_(d_est+45°) ergibt. Mit der Differenz der Länge des Wechselstromvektors, der Anteile in d- und q-Komponenten aufweist, wird zum Ende der Iteration die Richtung der vermeintlich „richtigen“ d-Achse angepasst. Nach wenigen Iterationen sind beide Vektoren i_(d_est-45°) und i_(d_est+45°) in etwa gleich lang. Die d-Achse ist dann ermittelt worden und aus dieser Richtung lässt sich dann der initiale Rotorwinkel ablesen. Dies wird anhand der Figuren in den Ausführungsbeschreibungen noch näher erläutert.
Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
Als Kraftfahrzeuge im Sinne dieser Anmeldung gelten Landfahrzeuge, die durch Maschinenkraft bewegt werden, ohne an Bahngleise gebunden zu sein. Ein Kraftfahrzeug kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der Personenkraftwagen (PKW), Lastkraftwagen (LKW), Kleinkrafträder, Leichtkraftfahrzeuge, Krafträder, Kraftomnibusse (KOM) oder Zugmaschinen. Ein Hybridelektrokraftfahrzeug, auch als Hybrid Electric Vehicle (HEV) bezeichnet, ist ein Elektrofahrzeug, das von mindestens einem Elektromotor sowie einem weiteren Energiewandler angetrieben wird und Energie sowohl aus seinem elektrischen Speicher (Akku) als auch einem zusätzlich mitgeführten Kraftstoff bezieht.
Im Sinne dieser Anmeldung werden unter dem Antriebsstrang eines
Kraftfahrzeuges alle Komponenten verstanden, die im Kraftfahrzeug die Leistung für den Antrieb des Kraftfahrzeugs generieren und über die Fahrzeugräder bis auf die Straße übertragen.
Eine elektrische Maschine dient zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt. Im Zusammenhang mit der Erfindung kann die elektrische Maschine eines Achsantriebsstrangs als Radial- oder Axialflussmaschine ausgebildet sein. Um einen axial besonders kompakt bauende Achsantriebsstrang auszubilden, sind Axialflussmaschinen zu bevorzugen.
Eine elektrische Maschine umfasst in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil. Eine elektrische Maschine kann trocken- oder nasslaufend ausgeführt sein.
Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines elektrisch betreibbaren Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist der Elektromotor eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.
Der Rotorlagesensor ist bevorzugt als ein absoluter oder relativer Rotorlagesensor für eine elektrische Maschine ausgeführt. Der Rotorlagesensor stellt bevorzugt ein die Rotorlage repräsentierendes Sensorsignal zur Verfügung. Höchst bevorzugt wird das Sensorsignal an eine Steuereinheit zur Steuerung der elektrischen Maschine geleitet.
Eine elektrische Maschine kann ferner eine Steuereinheit aufweisen. Eine Steuereinheit, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, dient insbesondere der elektronischen Steuerung und/oder Reglung eines oder mehrerer technischer Systeme der elektrischen Maschine. Eine Steuereinheit weist insbesondere einen kabelgebundenen oder kabellosen Signaleingang zum Empfang von insbesondere elektrischen Signalen, wie beispielsweise Sensorsignalen, auf. Ferner besitzt eine Steuereinheit ebenfalls bevorzugt einen kabelgebundenen oder kabellosen Signalausgang zur Übermittlung von insbesondere elektrischen Signalen.
Innerhalb der Steuereinheit können Steuerungsoperationen und/oder Reglungsoperationen durchgeführt werden. Ganz besonders bevorzugt ist es, dass die Steuereinheit eine Hardware umfasst, die ausgebildet ist, eine Software auszuführen. Bevorzugt umfasst die Steuereinheit wenigstens zwei elektronischen Prozessoren zur Ausführung von in jeweils einer Software definierten Programmabläufen. Die beiden Prozessoren können als Rechnerkerne auch baulich in einem Prozessor integriert sein, wobei die entsprechenden Rechnerkerne dann jeweils einen Prozessor im Sinne der Erfindung darstellen.
Die Steuereinheit kann ferner einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen die in den an die Steuereinheit übermittelten Signalen enthaltenen Daten gespeichert und wieder ausgelesen werden können. Ferner kann die Steuereinheit einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen Daten veränderbar und/oder unveränderbar gespeichert werden können.
Eine Steuereinheit kann eine Mehrzahl von Steuergeräten umfassen, welche insbesondere räumlich getrennt voneinander im Kraftfahrzeug angeordnet sind. Steuergeräte werden auch als Electronic Control Unit (ECU) oder Electronic Control Module (ECM) bezeichnet und besitzen bevorzugt elektronische Mikrocontroller zur Durchführung von Rechenoperationen zur Verarbeitung von Daten, besonders bevorzugt mittels einer Software. Die Steuergeräte können bevorzugt miteinander vernetzt sein, so dass ein kabelgebundener und/oder kabelloser Datenaustausch zwischen Steuergeräten ermöglicht ist. Insbesondere ist es auch möglich, die Steuergeräte über im Kraftfahrzeug vorhandene Bus-Systeme, wie beispielsweise CAN-Bus oder LIN-Bus, miteinander zu vernetzen. Ganz besonders bevorzugt besitzt die Steuereinheit wenigstens einen Prozessor und wenigstens einen Speicher, der insbesondere einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor, die Steuereinheit zur Ausführung des Computerprogrammcodes zu veranlassen.
Die Steuereinheit kann besonders bevorzugt eine Leistungselektronik zur Bestromung des Stators oder Rotors umfassen. Eine Leistungselektronik ist bevorzugt ein Verbund verschiedener Komponenten, welche einen Strom an die elektrische Maschine steuern oder regeln, bevorzugt inklusive hierzu benötigter peripherer Bauteile wie Kühlelemente oder Netzteile. Insbesondere enthält die Leistungselektronik bzw. ein oder mehrere Leistungselektronikbauteile, welche zur Steuerung oder Regelung eines Stroms eingerichtet sind. Dabei handelt es sich besonders bevorzugt um einen oder mehrere Leistungsschalter, z.B.
Leistungstransistoren. Besonders bevorzugt weist die Leistungselektronik mehr als zwei, besonders bevorzugt drei voneinander getrennte Phasen bzw. Strompfade mit mindestens je einem eigenen Leistungselektronikbauteil auf. Die Leistungselektronik ist bevorzugt ausgelegt, pro Phase eine Leistung mit einer Spitzenleistung, bevorzugt Dauerleistung, von mindestens 10 W, bevorzugt mindestens 100 W besonders bevorzugt mindestens 1000 W zu steuern oder regeln.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Startwerts d_est beim erstmaligen Durchlaufen des Verfahrens nach einem Zufallsprinzip gewählt ist. Die Aufgabe der Erfindung kann auch gelöst sein durch ein Computerprogrammprodukt, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, oder Computer-Datensignal, verkörpert durch eine elektromagnetische Welle, mit Programmcode, der geeignet ist zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1-2.
Des Weiteren kann die Aufgabe der Erfindung auch gelöst sein durch eine Steuereinheit zur Steuerung und Bestromung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, umfassend einen Prozessor und einen Speicher, der einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor, die Steuereinheit zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1-2 zu veranlassen. Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Steuereinheit keinen Anschluss für einen Rotorlagesensor zur Erfassung der Rotorlage des Rotors aufweist, so dass die Steuereinheit bzw. die von ihr geregelte elektrische Maschine ohne einen physischen Rotorlagesensor auskommt.
Schließlich kann die Aufgabe der Erfindung auch gelöst sein durch eine elektrische Maschine, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, umfassend einen Stator und einen relativ zum Stator drehbaren Rotor sowie einer Steuereinheit zur Steuerung und Bestromung der elektrischen Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit eine Steuereinheit nach Anspruch 4 ist. In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine keinen Rotorlagesensor zur Erfassung der Rotorlage des Rotors aufweist. Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die elektrische Maschine zur Verwendung in einem elektrisch betreibbaren oder hybriden Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs konfiguriert ist.
Ferner kann es besonders bevorzugt sein, das erfindungsgemäße Verfahren während eines Test- und/oder Prüfzykluses der elektrischen Maschine bei deren Herstellung zu verwenden. Bei der Produktion wird eine elektrische Maschine in der Regel für diverse Tests und Prüfungen betrieben werden, um beispielsweise ein Abnahmeprofil zur Qualitäts- und Funktionskontrolle vor Auslieferung der elektrischen Maschine abzufahren. Die elektrische Maschine verfügt in diesem Zustand üblicherweise über keinen eigenen Rotorlagesensor, da dieser Rotorlagesensor in der Regel erst im Zusammenbau im Fahrzeug beigestellt wird. Bei der Abnahme wird so jeder zu prüfende Elektromotor mit einem fest an einem entsprechenden Prüfstand montierten Rotorlagesensor für den entsprechenden Test zusammengeführt. Mit diesem nicht optimal auf diesen Elektromotor abgestimmten Rotorlagesensor wird die elektrische Maschine bislang in dem Prüfstand betrieben, um dann einen Test- und/oder Prüfzyklus zu absolvieren. Aus Zeitgründen wird der Offsetwinkel des Rotorlagesignals in aller Regel nicht eingelernt. Die elektrische Maschine kann während dieser Test- und/oder Prüfzyklen somit nicht optimal betrieben werden, da der Rotorlagewinkeloffset in der Produktion nicht angepasst werden kann. Somit kann die elektrische Maschine in einem Test- und/oder Prüfzyklus bislang einen erheblichen Rotorlagewinkelfehler aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung einer initialen Rotorlage des Rotors einer elektrischen Maschine schlägt daher - wie oben bereits erläutert - vor, die längere Hautachse der Ellipse, die der d-Achse entspricht, durch einen iterativen Regleransatz zu finden. Durch Aufprägen des Injektionssignals in der Spannung kann ein Strom gemessen werden. Dieser wird dabei aber nicht in die gedachte d-Richtung transformiert, sondern in die gedachte d-45°-Richtung und gedachte d+45°-Richtung. Dadurch können deutlich größere Amplituden im Strom erreicht werden im Vergleich zu einer Auswertung der Ströme in d- und q-Richtung, dort verschwindet der Strom in q-Richtung bei Finden der realen d-Achse. Die Erkennung wird so robuster gegenüber Störungen, speziell in dynamischen Situationen. Mit einer Bandpassfilterung wird anschließend die Amplitude des Injektionssignals bestimmt und die beiden Werte für +-45° miteinander verglichen. Der angenommenen Winkel wird dann so korrigiert, dass die beiden Amplituden in die Richtung +45° und -45° gleich lang werden. Die Korrektur wird im Vorzeichen so gewählt, dass dabei die längere Halbachse gefunden wird, also die d-Achse. Wird das Vorzeichen bei der Korrektur umgedreht, so findet der Algorithmus die kürzere Halbachse, also die q-Achse. Mit diesem Ansatz kann nicht nur der initiale Winkel gefunden, sondern auch die elektrische Maschine damit betrieben werden, insbesondere während eines Prüfzyklus in der Produktion der elektrischen Maschine.
Die Produktion der elektrischen Maschine umfasst insbesondere auch den nicht in einem Kraftfahrzeug verbauten Zustand der elektrische Maschine. Insbesondere wird hierunter auch ein Betrieb der elektrischen Maschine zu Prüf- und Testzwecken außerhalb eines Kraftfahrzeugs verstanden. Dieser Betrieb zu Prüf- und Testzwecken kann bevorzugt auf einem Prüfstand für die elektrische Maschine durchführbar sein.
Die Aufgabe der Erfindung kann somit auch gelöst werden durch ein Prüf- und/oder Testverfahren zur Überprüfung einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 6-8 in einem Prüfstand, wobei zum Betrieb der elektrischen Maschine in dem Prüfstand die initiale Rotorlage des Rotors der elektrischen Maschine durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -2 bestimmt wird.
Die Aufgabe der Erfindung kann ferner gelöst werden durch ein Prüf- und/oder Testverfahren zur Überprüfung einer elektrischen Maschine in einem Prüfstand, wobei der Prüfstand zum Betrieb der elektrischen Maschine eine Steuereinheit nach Anspruch 4-5 zur Steuerung und Bestromung der elektrischen Maschine umfasst und die initiale Rotorlage des Rotors der elektrischen Maschine durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -2 bestimmt wird.
Die vorgeschlagenen Verfahren benötigt im Gegensatz zu Back-EMF basierten Verfahren keine Motorparameter, lediglich die Filter des Verfahrens müssen in einem geeigneten Bereich eingestellt werden. Ungenauigkeiten aus Motorparametern spielen so keine Rolle.
Durch den sensorlosen Betrieb können die Prüflinge mit dem jeweils optimalem Winkel betrieben werden. Die Aussage der Messung wird damit besser und vergleichbarer. Das wirklich vom Motor erzeugbare Moment und Drehzahl können bewertet werden. Bei der Variante mit nicht eingelerntem Rotorlagesensor sind das erreichbares Moment und die erreichte Drehzahl nur bedingt aussagekräftig. Der durch den sensorlosen Betrieb gelernte Winkel kann mit dem fest installierten Winkel in Relation gesetzt werden. Damit kann der sensorlose Winkel validiert werden, da dieser immer einen bestimmten Bereich zum gemessenen festen Winkel nach einem definierten Einschwingvorgang, nicht verlassen sollte im Sinne einer Plausibilitätsprüfung.
Auch kann die Aufgabe der Erfindung gelöst sein durch einen Prüfstand zur Durchführung eines Prüf- und/oder Testverfahrens zur Überprüfung einer elektrischen Maschine umfassend eine Aufnahme für die elektrische Maschine sowie eine Steuereinheit nach Anspruch 4-5 zur Steuerung und Bestromung der elektrischen Maschine.
Die elektrische Maschine kann somit auch bereits in der Produktion ohne einen Rotorlagesensor betrieben und angesteuert werden. Der sensorlose Betrieb mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung der initialen Rotorlage des Rotors der elektrischen Maschine kann den richtigen Motorwinkel in kürzester Zeit genau bestimmen und ermöglicht so einen für jeden Motor optimalen Betrieb im entsprechenden Test- und/oder Prüfzyklus.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
Es zeigt:
Figur 1 verschiedene Lagen der d-Achse in einem d/q-Koordinatensystem,
Figur 2 elektrische Maschine in einer schematischen Darstellung,
Figur 3 Kraftfahrzeuge mit je einem hybriden und einem vollelektrisch betreibbaren Antriebsstrang in einer schematischen Darstellung,
Figur 4 eine erste Ausführungsform eines Prüfstands in einer schematischen Blockschaltansicht,
Figur 5 eine zweite Ausführungsform eines Prüfstands in einer schematischen Blockschaltansicht,
Anhand der Figur 1 wird nachfolgend das Verfahren zur Bestimmung einer initialen Rotorlage eines Rotors 1 einer elektrischen Maschine 2, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, näher erläutert.
Zunächst erfolgt eine Bereitstellung einer elektrischen Maschine 2 mit einem ruhenden Rotor 1 , wie es exemplarisch auf in der Figur 2 gezeigt ist. Mittels der Steuereinheit 3 wird in der elektrischen Maschine 2 dann eine dreiphasige Wechselspannungsanregung in der elektrischen Maschine 2 erzeugt, was in der Figur 2 auch mit den drei parallel verlaufenden gestrichelten Linien zwischen der Steuereinheit 3 und dem bestromten Stator 7 angedeutet ist.
Zuerst erfolgt die Bereitstellung eines zufälligen Startwerts d_est, welcher einen ersten Winkel der Rotorlage repräsentiert. Auf der Basis dieses Startwerts d_est wird die Wechselspannungsanregung in d_est-Richtung angelegt. Der dreiphasige Strom wird gemessen und in die d_est-45°-Richtung transformiert, es wird der modifizierte Wert d_est-45° berechnet. Analog hierzu erfolgt die Berechnung eines zweiten modifizierten Werts d_est+45° welcher dem Startwert d_est plus 45° entspricht. Anschließend erfolgt eine Umrechnung der dreiphasigen Stromantwort auf die Wechselspannungsanregung der elektrischen Maschine 2 für den ersten modifizierten Wert d_est-45° in einen ersten Wechselstromanteil i_[d_est-45°], sowie die Umrechnung der dreiphasigen Stromantwort auf die Wechselspannungsanregung der elektrischen Maschine für den zweiten modifizierten Wert d_est+45° in einen zweiten Wechselstromanteil i_[d_est+45°].
Diese beiden Wechselstromanteile sind in den Abbildungen a)-c) der Figur 1 abgebildet. Nun wird die Berechnung der Länge eines d- und q-Anteile aufweisenden ersten Wechselstromvektors für den ersten Wechselstromanteil i_[d_est-45°] durchgeführt, sowie die Berechnung der Länge eines d- und q-Anteile aufweisenden zweiten Wechselstromvektors für den zweiten Wechselstromanteil i_[d_est+45°].
In der Figur 1 sind schematisch entsprechende Ellipsen in der realen d-q-Ebene dargestellt. Die „geschätzte“ d-Achse (d_est) ist eingezeichnet und stimmt dabei nicht mit der Richtung der d-Achse der d-q-Ebene überein. Passend zur geschätzten Richtung der d-Achse, sind die Wechselstromanteile i_(d_est+45°) und i_(d_est-45°) eingezeichnet.
Dann wird die Differenz der Beträge der Längen zwischen dem ersten Wechselstromvektor und dem zweiten Wechselstromvektor gemäß delta_i=|i_d_est+45°|-|i_d_est-45°| bestimmt.
Bei Vorliegen der Bedingung, dass die Differenz der Beträge der Längen zwischen dem ersten Wechselstromvektor und dem zweiten Wechselstromvektor delta_i=|i_d_est+45°|-|i_d_est-45°| >0 beträgt, was in den Abbildungen a) und b) der Figur 1 zu sehen ist, wird zwischen zwei weiteren Alternativen unterschieden.
Für den ersten Fall, dass |i_d_est+45°|>|i_d_est-45°| ist, erfolgt eine Anpassung des Startwerts d_est in der Art, dass der die Rotorlage repräsentierende Winkel im Uhrzeigersinn um einen vorbestimmten Betrag gedreht ist, was in den Abbildungen a) und b) gezeigt ist. Anhand der Abbildungen a) und b) in der Figur 1 ist also gut zu erkennen, dass die Längen der Wechselstromanteile unterschiedlich lang sind. Daher muss die „geschätzte“ d-Achse (d_est) um ein Stück im Uhrzeigersinn verdreht werden. Diese neue „geschätzte“ d-Richtung ist dann der neue Startwert für die nächste Iteration. In Abbildung b) der Figur 1 ist eine der nächsten Iterationen dargestellt. Für den zweiten Fall, dass |i_d_est+45°|<|i_d_est-45°| ist, wird eine Anpassung des Startwerts d_est in der Art vorgenommen, dass der die Rotorlage repräsentierende Winkel gegen den Uhrzeigersinn um einen vorbestimmten Betrag gedreht wird, was aber nicht in der Figur 1 gezeigt ist.
Diese Iterationen wird so lange durchgeführt, bis die Bedingung erfüllt wird, dass die Differenz der Beträge der Längen zwischen dem ersten Wechselstromvektor und dem zweiten Wechselstromvektor innerhalb eines definierten Intervalls zwischen 0 und einem definierten Fehlertoleranzwerts FTW liegt, gemäß delta_i= | i_d_est+45° | -| i_d_est-45° | =[0-FTW] .
Mit anderen Worten wird der Vorgang so lange wiederholt, bis die Projektionen der Wechselstromanteile und damit die längen der Absolutwerte der Wechselstromanteile gleich lang sind. Aus dem Winkel der „geschätzten“ d-Achse lässt sich dann einfach der initiale Winkel der Rotorlage ermitteln. Dies ist in der Abbildung c) der Figur 1 zu erkennen. Dann erfolgt auf dieser Grundlage die Bereitstellung des initialen Rotorwinkels zur Bestromung der elektrischen Maschine und Beendigung des Verfahrens.
Nach dieser initialen Winkelbestimmung ist die d-Achse bekannt und die elektrische Maschine 2 kann in die gewollte Drehrichtung angedreht werden. Ein auch nur kurzzeitiges Drehen der elektrischen Maschine im motorischen Betrieb in eine falsche Richtung kann so verhindert werden. Einen möglichen „180° Fehler“ muss - wie beim aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren - noch mit einem geeigneten Standardverfahren ermittelt und beseitigt werden.
Wie in der Figur 2 dargestellt ist, umfasst die Steuereinheit 3 zur Steuerung und Bestromung der elektrischen Maschine 2 einen Prozessor 4 und einen Speicher 5, der einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher 5 und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor 4, die Steuereinheit 3 zur Durchführung des oben stehenden Verfahrens zu veranlassen.
Anders als in der Figur 2 gezeigt, weist die Steuereinheit 3 bevorzugt keinen Anschluss für einen Rotorlagesensor 6 zur Erfassung der Rotorlage des Rotors 1 auf und kann geberlos geregelt werden. Die in der Figur 2 dargestellte elektrische Maschine 2 besitzt einen bestrombaren Stator 7 und einen relativ zum Stator 7 drehbaren Rotor 1 sowie die Steuereinheit 3 zur Steuerung und Bestromung der elektrischen Maschine 2 bzw. des Stators 7.
Die elektrische Maschine 2 ist insbesondere zur Verwendung in einem elektrisch betreibbaren oder hybriden Antriebsstrang 8 eines Kraftfahrzeugs 9 konfiguriert, wie es auch in der Figur 3 skizziert ist.
Das beschriebene Verfahren kann auch innerhalb eines Prüf- und/oder Testverfahrens zur Überprüfung einer elektrischen Maschine 2, wie sie aus der Figur 2 bekannt ist, einem Prüfstand 10 verwendet werden. Hierbei wird dann zum Betrieb der elektrischen Maschine 2 in dem Prüfstand 10 die initiale Rotorlage des Rotors 1 der elektrischen Maschine 2 durch das beschriebene Verfahren zur Bestimmung der initialen Rotorlage des Rotors 1 der elektrischen Maschine 2, ermittelt. Dieser Aufbau des Prüfstandes 10 ist in der Figur 4 gezeigt. Die elektrische Maschine 2 wird dabei bereits mit ihrer Steuereinheit 3 geprüft und über die Steuereinheit 3 bestromt. Es wäre jedoch auch denkbar, dass der Prüfstand 10 über eine Steuereinheit 3 verfügt, über die die elektrische Maschine 2 bestromt wird, so wie es in der Figur 5 skizziert ist.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung 'erste' und 'zweite' Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
Bezuqszeichenliste
1 Rotor
2 elektrische Maschine 3 Steuereinheit
4 Prozessor
5 Speicher
6 Rotorlagesensor
7 Stator 8 Antriebsstrang
9 Kraftfahrzeug
10 Prüfstand

Claims
Ansprüche Verfahren zur Bestimmung einer initialen Rotorlage eines Rotors (1 ) einer elektrischen Maschine (2), insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellung einer elektrischen Maschine mit einem ruhenden Rotor, b) Bereitstellung eines Startwerts d_est, welcher einen ersten Winkel der Rotorlage repräsentiert, c) Erzeugung einer dreiphasigen Wechselspannungsanregung in der elektrischen Maschine durch Vorgabe einer Wechselspannung in d_est- Richtung, d) Umrechnung der dreiphasigen Stromantwort auf die Wechselspannungsanregung der elektrischen Maschine für den ersten modifizierten Wert d_est-45° in einen ersten Wechselstromanteil i_[d_est- 45°], e) Umrechnung der dreiphasigen Stromantwort auf die Wechselspannungsanregung der elektrischen Maschine für den zweiten modifizierten Wert d_est+45° in einen zweiten Wechselstromanteil i_[d_est+45°], f) Berechnung der Länge eines d- und q-Anteile aufweisenden ersten Wechselstromvektors für den ersten Wechselstromanteil i_[d_est-45°], g) Berechnung der Länge eines d- und q-Anteile aufweisenden zweiten Wechselstromvektors für den zweiten Wechselstromanteil i_[d_est+45°], h) Bestimmung der Differenz der Beträge der Längen zwischen dem ersten Wechselstromvektor und dem zweiten Wechselstromvektor gemäß delta_i=|i_d_est+45°|-|i_d_est-45°|, i) Bei Vorliegen der Bedingung, dass die Differenz der Beträge der Längen zwischen dem ersten Wechselstromvektor und dem zweiten Wechselstromvektor innerhalb eines definierten Intervalls zwischen und einem definierten Fehlertoleranzwerts FTW liegt, gemäß delta_i=|i_d_est+45°|-|i_d_est-45°| =[0-FTW], Bereitstellung des initialen
Rotorwinkels zur Bestromung der elektrischen Maschine und Beendigung des Verfahrens, j) Bei Vorliegen der Bedingung, dass die Differenz der Beträge der Längen zwischen dem ersten Wechselstromvektor und dem zweiten Wechselstromvektor delta_i=|i_d_est+45°|-|i_d_est-45°| > 0 beträgt, k) Für den Fall, dass |i_d_est+45°|>|i_d_est-45°|, Anpassung des Startwerts d_est in der Art, dass der die Rotorlage repräsentierende Winkel im Uhrzeigersinn um einen vorbestimmten Betrag gedreht ist und l) Für den Fall, dass |i_d_est+45°|<|i_d_est-45°|, Anpassung des Startwerts d_est in der Art, dass der die Rotorlage repräsentierende Winkel gegen den Uhrzeigersinn um einen vorbestimmten Betrag gedreht ist, m) Wiederholen der Schritte c)-l). Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Startwerts d_est beim erstmaligen Durchlaufen des Verfahrens nach einem Zufallsprinzip gewählt ist. Computerprogrammprodukt, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, oder Computer-Datensignal, verkörpert durch eine elektromagnetische Welle, mit Programmcode, der geeignet ist zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 -2.
4. Steuereinheit (3) zur Steuerung und Bestromung einer elektrischen Maschine (2), insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, umfassend einen Prozessor (4) und einen Speicher (5), der einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor (4), die Steuereinheit (3) zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 -2 zu veranlassen.
5. Steuereinheit (3) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (3) keinen Anschluss für einen Rotorlagesensor (6) zur Erfassung der Rotorlage des Rotors (1 ) aufweist.
6. Elektrische Maschine (2), insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, umfassend einen Stator (7) und einen relativ zum Stator (7) drehbaren Rotor (1 ) sowie einer Steuereinheit (3) zur Steuerung und Bestromung der elektrischen Maschine (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (3) eine Steuereinheit (3) nach Anspruch 4 ist.
7. Elektrische Maschine (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (2) keinen Rotorlagesensor (6) zur Erfassung der Rotorlage des Rotors (1 ) aufweist.
8. Elektrische Maschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (2) zur Verwendung in einem elektrisch betreibbaren oder hybriden Antriebsstrang (8) eines Kraftfahrzeugs (9) konfiguriert ist. Prüf- und/oder Testverfahren zur Überprüfung einer elektrischen Maschine (2), nach einem der Ansprüche 6-8 in einem Prüfstand (10), dadurch gekennzeichnet, dass zum Betrieb der elektrischen Maschine (2) in dem Prüfstand (10) die initiale Rotorlage des Rotors (1 ) der elektrischen Maschine (2) durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -2 bestimmt wird. Prüf- und/oder Testverfahren zur Überprüfung einer elektrischen Maschine (2), in einem Prüfstand (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfstand (10) zum Betrieb der elektrischen Maschine (2) eine Steuereinheit (3) nach Anspruch 4-5 zur Steuerung und Bestromung der elektrischen Maschine (2) umfasst und die initiale Rotorlage des Rotors (1 ) der elektrischen Maschine (2) durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -2 bestimmt wird. Prüfstand (10) zur Durchführung eines Prüf- und/oder Testverfahrens zur Überprüfung einer elektrischen Maschine (2) umfassend eine Aufnahme für die elektrische Maschine (2) sowie eine Steuereinheit (3) nach Anspruch 4-5 zur Steuerung und Bestromung der elektrischen Maschine (2).
PCT/DE2023/100243 2022-04-28 2023-03-29 Verfahren zur bestimmung einer initialen rotorlage eines rotors, computerprogrammprodukt, steuereinheit, elektrische maschine, prüf- und/oder testverfahren und prüfstand WO2023208272A1 (de)

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DE102022110304.8 2022-04-28
DE102022110304.8A DE102022110304A1 (de) 2022-04-28 2022-04-28 Verfahren zur Bestimmung einer initialen Rotorlage eines Rotors, Computerprogrammprodukt, Steuereinheit und elektrische Maschine

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