DE10035783A1

DE10035783A1 - Vorrichtung zur Überwachung eines Meßsystems eines elektrischen Antriebs

Info

Publication number: DE10035783A1
Application number: DE10035783A
Authority: DE
Inventors: Olaf Kunz; Alfred Punzet; Gerhard Froehlich; Siegfried Melzer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-08-07
Filing date: 2000-07-22
Publication date: 2001-02-08

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Überwachung eines Meßsystems eines elektrischen Antriebs vorgeschlagen, umfassend ein Meßsystem (12) zur Erfassung zumindest einer Meßgröße eines elektrischen Antriebs (10), zumindest einen Regler (78), dem zumindest die von dem Meßsystem (12) erfaßte Meßgröße zugeführt ist, und der zumindest eine Stellgröße zur Ansteuerung des Antriebs (10) erzeugt, wobei zumindest eine Signalerfassung (34, 73, 79, 89, 91, 93) zur Fehlererkennung des Meßsystems (12) vorgesehen ist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Überwachung eines Meßsystems eines elektrischen Antriebs nach der Gat tung des unabhängigen Anspruchs. Aus der DE 43 30 823 C2 ist eine Antriebsvorrichtung mit einer Sicherheitseinrich tung für den Sonderbetrieb bekannt. Hierbei ist zur Überwa chung des Motors eine redundante Sicherheitseinrichtung vor gesehen, welche in einer Sonderbetriebsart die Drehzahl des Motors auf Einhaltung eines vorgegebenen Höchstwertes über wacht und die Energiezufuhr zum Motor unterbricht, wenn die Drehzahl größer ist als der vorgegebene Höchstwert. Zur Be stimmung der Drehzahl werden zwei verschiedene Signale in der Weise erfaßt, daß das erste Signal von einem Drehzahl sensor gewonnen wird, und das zweite Signal aus dem zeit lichen Verlauf des hierfür mittels eines weiteren Sensor erfaßten Stromes in wenigstens einer der Phasenzuleitungen zum Motor abgeleitet wird. Überschreitet die erfaßte Dreh zahl einen vorgegebenen Höchstwert, wird die Energiezufuhr zum Motor durch Schalten eines einem Netzgleichrichter da vorgeschalteten Leistungsschalters sowie durch zusätzliches Abschalten des Wechselrichters unterbrochen. Eine Überwa chung des Drehzahlsensors anhand des Stromverlaufs ist lastabhängig und daher relativ ungenau. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Überwachungssystem über den gesamten Drehzahlbereich hinweg anzugeben, das ohne einen weiteren Drehzahlsensor auskommt.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung eines Meß systems eines elektrischen Antrieb umfaßt zumindest ein Meß system zur Erfassung einer Meßgröße eines elektrischen An triebs sowie zumindest einen Regler, dem zumindest die von dem Meßsystem erfaßte Meßgröße zugeführt ist, und der zumin dest eine Stellgröße zur Ansteuerung des Antriebs erzeugt. Es ist zumindest eine Signalverarbeitung zur Fehlererkennung des Meßsystems vorgesehen. Dadurch wird eine frühzeitige Fehlererkennung des Antriebsystems erreicht, wenn ein Fehler des Meßsystems vorliegt.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Signalverarbeitung zur Fehlererkennung des Meßsystems zumin dest eine von dem Regler erzeugte Größe zugeführt ist. Durch eine geschickte Auswahl der auszuwertenden Reglergröße kann auf eine zusätzliche Signalerfassung zur Fehlererkennung verzichtet werden. Da der Regler ohnehin bei dem Antriebssy stem zur Verfügung steht, kann mit einfachen Mitteln die Störsicherheit des Systems verbessert werden.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist der Signalverarbei tung zur Fehlererkennung des Meßsystems zumindest eine von dem Meßsystem erzeugte und/oder daraus abgeleitete Größe zu geführt. Die Einbeziehung einer weiteren auszuwertenden Grö ße erhöht die Zuverlässigkeit der Fehlererkennung. Werden insbesondere mehrere Fehlererkennungsmöglichkeiten vorgese hen, so kann die Auswertung der von dem Meßsystem bereitge stellten Größe zur Plausibilität der Fehlererkennung heran gezogen werden.

Einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist zur Fehlerer kennung des Meßsystems ein Meßsystemmodell vorgesehen, das zumindest einen für das Meßsystem zu erwartenden Schätzwert erzeugt. Die Berücksichtigung der Schätzgröße des Meßsystem modells erhöht weiterhin die Zuverlässigkeit der Fehlerer kennung und kann ebenfalls zu einer Plausibilitätsüberprü fung herangezogen werden.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung eines Meß systems eines elektrischen Antriebs zeichnet sich dadurch aus, daß eine Signalverarbeitung ein einen Fehler des Meßsystems anzeigendes Fehlersignal erzeugt in Abhängigkeit von der Polradspannung. Die Polradspannung verändert sich, wenn das Meßsystem des elektrischen Antriebs, beispielsweise ein Drehzahl- oder Positionsgeber, schleift und dadurch ein Geberversatz auftritt. Insbesondere die flußbildende Kompo nente der Polradspannung eignet sich als auszuwertende Grö ße. Der gegenüber dem Normalfall auftretende Geberversatz zum Polrad verändert die in Feldrichtung induzierte Spannung und steht auch während des laufenden Betriebs des elektri schen Antriebs zur Verfügung. Es können rechtzeitig Gegen maßnahmen eingeleitet werden, wenn eine fehlerhafte Geber anordnung erkannt wird.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, eine Ausgangsgröße eines Längsstromreglers zur Erzeugung eines Fehlersignals heranzuziehen. Üblicherweise ist zur Regelung einer Synchron- bzw. Asynchronmaschine ein Längsstromregler zur Regelung der flußbildenden Stromkomponente vorgesehen. Aufgrund der zusätzlichen durch den Geberversatz induzierten (Längs)Spannungskomponente bildet sich auch bei dem Längs stromregler eine Regelabweichung. Deshalb kann der Inte gralanteil des Längsstromreglers als eine einen Geberversatz des Meßsystems anzeigende Größe ausgewertet werden, da der Integralanteil ein Maß ist für die zusätzlich durch den Ge berversatz induzierte Längsspannung. Diese Größe steht am Regler ohnehin zur Verfügung und muß nicht eigens erzeugt werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht einen Vergleich der den Geberversatz anzeigenden Größe mit einem Grenzwert vor, der von den Reglerparametern und/oder den Streckenpara metern abhängt. Insbesondere die Totzeitspannung in Folge der Schaltertotzeit der Ansteuerstufe, die induzierte Pol radspannung in Folge der Totzeit des Querstromreglers oder die Parameterabweichungen von Induktivitäten und Widerstän den können zu Regelabweichungen führen, die den Integralan teil des Längsstromreglers zusätzlich beaufschlagen. Da die Regler- und Streckenparameter in etwa bekannt sind, können sie bei der Wahl des Grenzwerts, mit dem der Integralanteil des Längsstromreglers verglichen wird, berücksichtigt wer den. Die Genauigkeit der Fehlererkennung des Meßsystems er höht sich dadurch.

Eine alternative Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß die aus dem Ausgangssignal des Meßsystems abgeleitete Beschleunigung des Antriebs ausgewertet wird. In dem sich anschließenden Vergleich mit bestimmten Grenzwerten wird ei ne fehlende mechanische Verbindung zwischen dem elektrischen Antrieb und dem Geber erkannt. In einer zweckmäßigen Weiter bildung wird diese Überwachung nur aktiv, wenn der von dem Regler des Antriebs vorgegebene Stromsollwert den maximal zulässigen Stromsollwert erreicht. In diesem Fall kann von einer kritischen Betriebssituation ausgegangen werden, die eventuell durch ein fehlerhaftes Meßsystem ausgelöst worden sein könnte. Diese Ausführungsform kann vorzugsweise als Plausibilitätstest zu anderen Geberüberwachungen parallel ausgeführt werden.

In einer alternativen Ausführung ist zur Überwachung eines Meßsystems eines elektrischen Antriebs ein Drehzahlüber wachungsmodell vorgesehen, das in Abhängigkeit von bestimm ten Eingangsgrößen einen Schätzwert des Ausgangssignals des Meßsystems erzeugt. Treten signifikante Abweichungen mit dem tatsächlichen Ausgangssignal des Meßsystems auf, wird auf ein fehlerhaftes Meßsystem geschlossen.

Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung ist eine Auswahlschal tung vorgesehen, die in Abhängigkeit von der geschätzten Drehzahl eine Auswahl der Überwachungsfunktion vorsieht. Bei hohen Drehzahlen kommt das Drehzahlüberwachungsmodell zum Einsatz. Da es bei niedrigen Drehzahlen unwirksam ist, wird für diesen Fall auf die Längsspannungsüberwachung zurückge griffen. Dadurch wird sichergestellt, daß in jedem Drehzahl bereich ein Fehler des Meßsystems sicher erkannt wird.

Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.

Zeichnung

Die Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen Fig. 1 eine Reglerstruktur mit Überwachungsein richtung einer Synchronmaschine, Fig. 2 eine Reglerstruktur mit Überwachungseinrichtung einer Asynchronmaschine, Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Längsspannungsüberwachung, Fig. 4 ein regelungstechnisches Ersatzschaltbild der Synchronma schine im Normalfall, Fig. 5 ein regelungstechnisches Er satzschaltbild der Synchronmaschine im Fehlerfall, Fig. 6 ein Blockschaltbild der Überwachungseinrichtung für die Asynchronmaschine sowie Fig. 7 ein Drehzahlüberwachungsmo dell.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Ein Drehzahl-Lage-Geber 12 als Meßsystem erfaßt den Polrad winkel eines elektrischen Antriebs 10, in dem ersten Aus führungsbeispiel gemäß Fig. 1 ein Synchronmotor. Ein Um richter 14, der von einem Pulsweitenmodulator 16 angesteuert wird, bestromt die drei Phasen des elektrischen Antriebs 10. Bei zwei der drei Phasen sind jeweils Stromsensoren 20 vor gesehen, deren Ausgangssignale 11, 13 einer Eingangstrans formation 22 zugeführt sind. Die Eingangstransformation 22 erzeugt einen Querstrom-Istwert IQ_IST und einen Längsstrom- Istwert ID_IST. Über den ersten Differenzierer 30, dem der Polradwinkel zugeführt wird, entsteht die Größe ω, aus der durch einen Integrator 26 ein Richtungswinkel ϕ gebil det wird. Aus dem Richtungswinkel ϕ stellt ein Sinus- Cosinus-Generator 28 die entsprechenden sin(ϕ)- und cos(ϕ)-Werte der Eingangstransformation 22 und der Ausgang stransformation 18 zur Verfügung. Aus der Ausgangsgröße des ersten Diffenzieres 30 wird über einen Umsetzer 31 ein Sen sor-Drehzahlistwert n_sensor gebildet, der sowohl einem zweiten Differenzierer 32 als auch einem zweiten Summations punkt 42 (mit negativem Vorzeichen) zugeführt wird. Das Aus gangssignal des zweiten Differenzierers 32 dient einem als Plausibilitätstest 34 bezeichneten Schaltungsteil als Ein gangsgröße. Der Plausiblitätstest 34 erzeugt ein Plausibili täts-Fehlersignal 35. Aus der am zweiten Summationspunkt 42 zur Verfügung stehenden Drehzahlabweichung aus Drehzahsoll wert n_soll und Sensor-Drehzahlistwert n_sensor bildet ein Drehzahlregler 44 einen Querstrom-Sollwert IQ_SOLL, der ei nem dritten Summationspunkt 46, dem Plausibilitätstest 34 sowie einer Entkopplung 50 zugeführt wird. Der von der Ein gangstransformation 22 gebildete Querstrom-Istwert IQ_IST dient als Eingangsgröße für den Plausibilitätstest 34 sowie - mit negativem Vorzeichen - für den dritten Summationspunkt 46. Die Regelabweichung von Querstrom-Sollwert IQ_SOLL und Querstrom-Istwert IQ_IST wird einem Querstromregler 48 zuge führt, der als PI-Regler ausgeführt ist. An einem vierten Summationspunkt 52 steht die Regelabweichung von Längsstrom sollwert ID_SOLL und Längsstrom-Istwert ID_IST, von der Ein gangstransformation 22 erzeugt, als Eingangsgröße für einen Längsstromregler 54 - ebenfalls als PI-Regler ausgeführt - zur Verfügung. Der Längsstrom-Sollwert ID_SOLL nimmt für die Synchronmaschine den Wert Null an. Er ist ebenfalls der Ent kopplung 50 zugeführt. In einem fünften Summationspunkt 56 wird eine Ausgangsgröße der Entkopplung 50 von dem Ausgangs signal des Querstromreglers 48 abgezogen, wodurch man einen Querspannungs-Sollwert UQ_SOLL erhält. Analog wird an einem sechsten Summationspunkt 58 ein Längsspannungs-Sollwert UD_SOLL erzeugt. Querspannungs- und Längsspannungs-Sollwerte UQ_SOLL, UD_SOLL bilden die Eingangsgrößen für die Ausgangs transformation 18. Die Ausgangstransformation 28 setzt die se Werte zusammen mit sin(ϕ) und cos(ϕ) in zwei weitere Spannungs-Sollwerte US1_Soll, US2_Soll um, die dem Pulswei tenmodulator 16 zugeführt sind.

Das Blockschaltbild gemäß Fig. 2 zeigt die Reglerstruktur einer Asynchronmaschine. Sie ist im wesentlichen identisch mit der in Fig. 1 gezeigten Reglerstruktur der Synchron- Maschine, allerdings ist der Längsstrom-Sollwert ID_SOLL nicht mehr auf den Wert Null festgelegt, sondern eine Aus gangsgröße eines Spannungsreglers 85. Der Spannungsregler 85 erhält als Eingangsgrößen den Querstromsollwert IQ_SOLL, den Querspannungssollwert UQ_SOLL und den Längsspannungssollwert UD_SOLL. Der Integralanteil I_ANTEIL_D des Längsstromreglers 54 wird einem Längsspannungsregler 87 zugeführt, dessen Aus gangsgröße neben dem Schlupf w.s und der Ausgangsgröße des Flußmodells 24 dem Summationspunkt 25 als Eingangsgröße dient.

Das Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 und 2 wird nun präzisiert und erweitert in Fig. 3. Der Querstromregler 48 läßt sich darstellen durch eine Parallelschaltung eines Proportionalanteils 60 und eines Integralanteils 61 des Querstromreglers 48. Auch der Längsstromregler 54 besteht aus einem parallel geschalteten Proportionalanteil 63 und einem Integralanteil 64. Der Ausgang des Integrators 64 des Längsstromreglers 54 wird einem Komparator 73 zugeführt, der einen Grenzwert G erhält und ein Längsspannungs-Fehlersignal 75 erzeugt. Aus der Multiplikation der Winkelgeschwindigkeit ω (Winkelgeschwindigkeit des d-q-Koordinatensystems) mit dem verketteten Fluß ψp ergibt sich die Polradspannung Up, die dem fünften Summationspunkt 56 zugeführt wird. Die Entkopp lung 50 wird realisiert durch ein erstes Proportionalglied 69 (Ständerwiderstand R_s), ein zweites Proportionalglied 70 (Ständerinduktivität L_s) und ein drittes Proportionalglied 71 (Ständerwiderstand R_s) sowie zwei Multiplizierer 66, 67.

Bei dem regelungstechnischen Ersatzschaltbild der Synchron maschine im Normalfall gemäß Fig. 4 wird einem zehnten Sum mationspunkt 110 eine Antriebs-Längsspannung Ud zugeführt. Aus der Ausgangsgröße des zehnten Summationspunktes 110 bil det ein PT1-Längsanteil 115 einen Antriebs-Längsstrom Isd, der neben der Winkelgeschwindigkeit ω (Winkelgeschwindigkeit des d-q-Koordinatensystems) einem dritten Multiplizierer 113 als Eingangsgröße dient. Die mit der Ständerinduktivität Ls gewichtete Ausgangsgröße des dritten Multiplizierers 113 dient einem elften Summationspunkt 111 neben einer Antriebs- Querspannung Uq und der negativen Polradspannung Up (gebil det aus dem Produkt von Winkelgeschwindigkeit ω und einem ma gnetischen Fluß ψ_P) mit negativem Vorzeichen als Eingangsgröße. Ein PT1-Queranteil 116 ermittelt aus der Ausgangsgröße des elften Summationspunktes 111 einen Antriebs-Querstrom Isq. Daraus bildet ein die Polpaarzahl p und den magnetischen Fluß ψ_P berücksichti gender Proportionalitätsfaktor 118 (3/2.p.ψ_P) eine elektri sches Moment Mel, von dem in einem zwölften Summationspunkt 112 ein Lastmoment Mi abgezogen wird. Die resultierende Grö ße verarbeitet ein Integrator 119, gewichtet mit einem rezi proken Massenträgheitsmoment J, zu einer Winkelgeschwindig keit ωm des Läufers. Wird die Winkelgeschwindigkeit ωm des Läu fers mit der Polpaarzahl p (Bezugszeichen 120) multipliziert, er gibt sich die Winkelgeschwindigkeit ω (Winkelgeschwindigkeit des d-q-Koordinatensystems). Diese wird den beiden Multipli zierern 113, 114 jeweils als zweite Eingangsgröße zugeführt. Die mit der Ständerinduktivität Ls gewichtete Ausgangsgröße des vierten Multiplizierers 114 verwendet der zehnte Summa tionspunkt 110 als Eingangsgröße.

Das regelungstechnische Ersatzschaltbild der Synchronmaschi ne im Fehlerfall gemäß Fig. 5 unterscheidet sich von dem in Fig. 4 dargestellten Normalfall in folgender Weise. An den elften Summationspunkt 111 wird nunmehr lediglich die mit einem Faktor cos(α) 117' gewichtete Polradspannung Up (Up = ω.ψ_p) negativ zurückgeführt. α ist der Versatzwinkel des Drehzahl-Lage-Gebers 12, bezogen auf seine ursprüngliche An ordnung im fehlerfreien Betrieb. Durch den Geberversatz α gelangt auch an den zehnten Summationspunkt 110 eine mit dem Faktor sin(α) 121' gewichtete Polradspannung Up. Die Auswir kungen des Geberversatzes α schlagen sich auch in dem Pro portionalitätsfaktor 118' mit dem Faktor cos(α) nieder.

In Fig. 6 ist das Überwachungskonzept der Asynchronmaschine gezeigt. In der Regelung 78 gemäß Fig. 2 ist die in Fig. 3 dargestellte Längsspannungsüberwachung 79 integriert. Zu sätzlich ist ein Drehzahlüberwachungsmodell 89 als Meßsy stemmodell vorgesehen, dem die Querspannungs- und Querstrom- Sollwerte UQ_SOLL, IQ_SOLL, der Längsspannungs-Istwert ID_IST sowie der Fluß-Istwert zugeführt sind. Als Ausgangs größe stellt das Drehzahlüberwachungsmodell 89 die Schätz drehzahl n_modell einem Vergleicher 91 sowie einem Umschal ter 93 zur Verfügung. Der Umschalter 93 erhält ein Modell- Fehlersignal 92 als Ausgangssignal des Vergleichers 91 und das Längsspannungs-Fehlersignal 75 als Ausgangsgröße des Komparators 73 der Längsspannungsüberwachung 79 gemäß Fig. 3.

In Fig. 7 ist das Drehzahlüberwachungsmodell 89 näher ge zeigt. Der Querstrom-Sollwert IQ_SOLL gelangt, mit einem Proportionalglied "Rotorwiderstand" 96 gewichtet, an einen ersten Dividierer 99 und über ein Proportionalglied "Stator widerstand" 95 mit negativem Vorzeichen an einen siebten Summationspunkt 102. Der siebte Summationspunkt 102 erhält außerdem den Querspannungs-Sollwert UQ_SOLL als Eingangsgrö ße und liefert die resultierende Ausgangsgröße einem achten Summationspunkt 103. Dem ersten Dividierer 99 und einem zweiten Dividierer 100 wird der Fluß-Istwert zugeführt. Die Ausgangsgröße des ersten Dividierers 99 wird einem neunten Summationspunkt 104 invertiert aufgeschaltet. Der zweite Di vidierer 100 erhält als weitere Eingangsgröße die Ausgangs größe des achten Summationspunktes 103 und liefert seine Ausgangsgröße sowohl an den neunten Summationspunkt 104 (mit negativem Vorzeichen) als auch - gewichtet mit einem Propor tionalglied "Steuinduktivität" 97 - an einen Multiplizierer 105. Der Multiplizierer 105 erhält als weitere Eingangsgröße den Querstrom-Istwert IQ_IST und gibt die resultierende Aus gangsgröße mit negativem Vorzeichen an den achten Summati onspunkt 103 ab. Ein Integrierer 107 verarbeitet die Aus gangsgröße des neunten Summationspunktes 104 zu einer Schätzdrehzahl n_modell.

Gemäß der Theorie der feldorientierten Regelung einer Syn chron- bzw. Asynchronmaschine kann der von den Stromsensoren 20 erfaßte Ständerstrom I1, I3 nach Überführung in ein ro torbezogenes orthogonales Zweiphasensystem (d-q- Koordinatensystem) in zwei Komponenten, nämlich dem Quer strom-Istwert IQ_IST, und dem Längsstrom-Istwert ID_IST auf geteilt werden. Die Längsstromkomponente ID baut das magne tische Feld der Maschine auf und ist in der gleichen Rich tung wie das Feld orientiert. Der Querstrom IQ steht recht winklig auf dem Längsstrom ID und bildet mit diesem den Sum menstrom, der mit der Umlauffrequenz ω des Felds umläuft. Der Querstrom IQ_IST bildet das Drehmoment des elektrischen Antriebs 10, während der Längsstrom ID_IST die flußbildende Stromkomponente darstellt.

Der nachfolgend beschriebene Plausibilitätstest 34 überwacht den Drehzahlregelkreis auf plausible Beschleunigungsdaten dann, wenn der Querstrom-Sollwert IQ_SOLL den Maximalstrom I_max erreicht, den der Drehzahlregler 44 gerade noch ausgeben darf. Das Antriebssystem wird mit einem maximalen Moment be aufschlagt. Durch zweimaliges Differenzieren des Ausgangs signals des Drehzahl-Lage-Gebers 12 wird die Ist- Beschleunigung a_ist ermittelt. Ist die Ist-Beschleunigung a_ist kleiner als eine vorgebbare Minimalbeschleunigung, wird ein Fehlersignal generiert. Der elektrische Antrieb 10 könnte sich im Blockierzustand befinden. Eine entsprechende Anzeige mit der Fehlermeldung "blockiert" kann vorgesehen werden. Besitzt die Istbeschleunigung a_ist im Vergleich zu dem Querstrom-Sollwert IQ_SOLL ein nicht korrespondierendes Vorzeichen, wird ebenfalls eine Fehlermeldung erzeugt. In diesem Fall könnte der Drehzahl-Lage-Geber 12 verdreht, oder die Motorzuleitungen falsch angeschlossen sein. Anhand des Querstrom-Istwerts IQ_IST kann eine Unterbrechung der Ener gieversorgung des Antriebs 10 festgestellt werden, wenn trotz maximal zulässigem Querstrom-Sollwert IQ_SOLL kein Querstrom-Tstwert IQ_IST ermittelt werden kann. Der Plausi bilitätstest 34 dient insbesondere der schnellen Reaktion auf einen nicht korrekt justierten Drehzahl-Lage-Geber 12 oder auf eine fehlende mechanische Kopplung zwischen Dreh zahl-Lage-Geber 12 und Antrieb 10.

Die nachfolgende Längsspannungsüberwachung 79 nach Fig. 3 dient insbesondere der Ermittlung eines schleifenden Dreh zahl-Lage-Gebers 12. Ein schleifender Drehzahl-Lage-Geber 12 zeigt eine von der tatsächlichen Drehzahl des Antriebs 10 abweichende Drehzahl an. Für die Synchronmachine wird im Normalfall der Drehzahl-Lage-Geber 12 so auf den Antrieb 10 eingestellt, daß sich bei einem gemessenen Polradwinkel von 0° das Polrad und die Ständerwiderstandsachse der Phase U gegenüberstehen. Eine lockere Verschraubung des Drehzahl- Lage-Gebers 12 führt nun dazu, daß die Polradlage nicht mehr mit der gedachten Längsachse der Stromregelung überein stimmt. In diesem Fall ist das auf auf das Polrad bezogene Koordinatensystem der Stromregelung um den Geberversatz α zum Polrad hin verdreht. Für die weitere Berechnung wird zur Vereinfachung angenommen, daß sich der Geberversatz α bezo gen auf den Polradwinkel ε kaum ändert (α = konst).

Ständerbezogenes Koordinatensystem

Polradbezogenes Koordinatensystem

Regelungstechnisches Modell in polradfesten Komponenten

Unter Bezugnahme auf die Fig. 4 (regelungstechnisches Ersatz schaltbild der Synchronmaschine im Normalfall) und Fig. 5 (re gelungstechnisches Ersatzschaltbild der Synchronmaschine im Feh lerfall) ergeben sich für die beiden Fälle folgende Gleichungen:

- mit I_sqU_q Antriebs-Querstrom- bzw. -spannungskomponente,
I_sd, U_d Antriebs-Längsstrom- bzw. -spannungskomponente
ω: Winkelgeschwindigkeit des d-q-Koordinatensystems
ψ_p: Magnetische Fluß, erzeugt durch das permanent erregte Polrad
Ls: Ständerinduktivität
Rs: Statorwiderstand

Im Normalfall (α = 0, kein Versatz des Drehzahl-Lage-Gebers 12) sind die d-q-Koordinatensysteme von Regler 78 und An trieb 10 identisch. Bei Vernachlässigung des Übertragungs verhaltens des Umrichters 14 stimmen die von der Regelung 78 vorgegebenen Komponenten UD_SOLL bzw. UQ_SOLL mit den Span nungs-Komponenten im Antrieb 10 Ud bzw. Uq überein.

Im Fehlerfall (α ≠ 0) sind die d-q-Koordinatensysteme von Regler 78 und Antrieb 10 nicht mehr identisch. Die Quer- und Längskomponenten im Antrieb (Ud, Isd, Uq, Isq) weichen auf grund des Geberversatzes (α ≠ 0) von denen im Regler 78 (UD_SOLL, ID_SOLL, UQ_SOLL, IQ_SOLL) ab. Die Winkelgeschwin digkeit ωm des Läufers wird von dem schleifenden Drehzahl-Lage- Geber 12 erfaßt und nach Multiplikation mit der Polpaarzahl p der Längsspannungsüberwachung 79 gemäß Fig. 3 als Winkelge schwindigkeit ω zugeführt. Die induzierte Spannung Ψ_P.ω (Polradspannung Up) tritt nicht mehr allein in der q-Achse im Regler 78 auf. Dadurch ergibt sich eine signifikante Än derung der Spannung Ud in der d-Achse (um - Up.sin(α)). Da der Längsstromregler 54 weiterhin den Längsstrom I_D auf Null regelt, ist die Änderung der Spannung Ud in der d-Achse im Spannungssollwert erkennbar. Aufgrund der Beschaffenheit des Längsstromreglers 54 spiegelt sich diese vom Geberversatz (α ≠ 0) herrührende Spannungsänderung im Integrator 64 wieder.

Daher eignet sich die Ausgangsgröße des Integrators 64 zur Ermittlung, ob ein Geberversatz aufgetreten ist. Hierzu wird der Ausgangswert des Integrators 64 in dem Komparator 73 mit dem Grenzwert G verglichen. Im Idealfall (Geberver satz α = 0, keine Systemtotzeiten, gleichbleibend genaue Angaben der Modellparameter L_S und R_S) nimmt der Integrator 64 den Wert Null an. Im Normalfall jedoch gibt der Integra tor 64 auch ohne Geberversatz (α = 0) ein konstantes Signal ab, das durch die Totzeitspannung (Schaltertotzeit der PWM- Stufe), die induzierte Polradspannung (in Folge der Totzeit des Längsstromreglers 54) und durch schwankende Modellpara meter bedingt ist. Die genannten Parameter können jedoch vorab berechnet werden und in Form des Grenzwerts G berück sichtigt werden. Wird der Grenzwert G um einen bestimmten Wert überschritten, so resultiert der Fehler aus dem Geber versatz α. In diesem Fall wird ein Fehlersignal 75 erzeugt, beispielsweise verbunden mit der Meldung "Schleifender Ge ber".

Prinzipiell könnte zwar auch der I-Anteil des Querstromreg lers 48 zur Geberversatzauswertung herangezogen werden. Un ter Umständen wird jedoch eine Vorausberechnung durch einen schwankenden Querstromsollwert IQ_{_}SOLL erschwert.

Fig. 2 zeigt die Reglerstruktur einer Asynchronmaschine. Der wesentliche Unterschied zur Synchronmaschine besteht darin, daß der Längsstrom-Sollwert ID_SOLL nicht fest auf dem Wert Null liegt, sondern in der gezeigten Weise erzeugt wird. Für die Erfindung ist die Art der Erzeugung jedoch nicht wesentlich, sondern soll nur im Zuge der Vollständig keit erwähnt werden, da sie als Eingangsgrößen der Längs spannungsüberwachung 79 nach Fig. 2 dienen. Damit können die Längsspannungsüberwachung 79 gemäß Fig. 3 und der Plau sibilitätstest 34 auch für die Asynchronmaschine zum Einsatz kommen.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 ist für die Asynchronmaschine ein duales Meßsystemüberwachungskonzept realisiert. Die Längsspannungsüberwachung 79 ist bei niedri gen Frequenzen identisch mit der der Fig. 3.

Aufgrund von Parametertoleranzen (Temperaturabhängigkeit des Läuferwiderstandes, Sättigungserscheinungen) kann dieses Verfahren bei höheren Frequenzen nur fehlerbehaftet angewen det werden. Kompensiert werden diese Parameterabweichungen über eine zusätzliche Regelung, die den Transformationswinkel ϕ so verstellt, daß die induzierte Spannung in der d-Achse Null ist. Dies führt einerseits dazu, daß das Verfahren der Längsspannungsüberwachung 79 bei hohen Drehzahlen nicht an gewendet werden kann, anderseits daß auch bei schleifendem Geber 12 die d-q-Koordinatensysteme in der Regelung 78 und im Antrieb 10 ausreichend gut übereinstimmen. Dadurch ist es möglich, aus den internen Größen des Reglers 79 über ein Drehzahlüberwachungsmodell 89 eine ausreichend genaue Dreh zahlinformation n_modell zu gewinnen. Das Ausgangssignal des Komparators 73 gelangt als Längsspannungs-Fehlersignal 75 an den Umschalter 93. Bei niedrigen Werten des Schätzwertes n_modell leitet der Umschalter 93 das Fehlersignal 75 der Längsspannungsüberwachung 79 an den Ausgang als resultieren des Fehlersignal 94 weiter. Andernfalls leitet der Umschal ter 93 das von dem Vergleicher 91 generierte Modell- Fehlersignal 92 weiter. Der Vergleicher 91 ermittelt eine signifikante Abweichung des von dem Drehzahl-Lage-Gebers 12 abgegebenen Signals mit dem Ausgangssignal des Drehzahlüber wachungsmodells 89, der Schätzgröße n_modell der Ist- Drehzahl. Der Umschalter 93 wird in Abhängigkeit von der Schätzgröße n_modell angesteuert.

Das Drehzahlüberwachungsmodell 89 läßt sich der Fig. 7 ent nehmen. Es bildet im wesentlichen die Regelstrecke des An triebs 10 nach. Als Eingangsgrößen werden von dem Regler 78 gebildete Größen verwendet wie der Querstrom-Sollwert IQ_SOLL, der Querspannungs-Sollwert UQ_SOLL, der Längsstrom- Istwert ID_IST und der Fluss-Istwert FLUSS_IST. Außerdem fließen Parameter des Antriebs 10 wie Ständerwiderstand 95, Rotorwiderstand 96 oder Ständerindukktivität 97 ein.

Claims

1. Vorrichtung zur Überwachung eines Meßsystems eines elektri schen Antriebs, umfassend zumindest ein Meßsystem (12) zur Erfassung zumindest einer Meßgröße eines elektrischen An triebs (10), zumindest einen Regler (78), dem zumindest die von dem Meßsystem (12) erfaßte Meßgröße zugeführt ist, und der zumindest eine Stellgröße zur Ansteuerung des Antriebs (10) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Si gnalverarbeitung (34, 73, 79, 89, 91, 93) zur Fehlererkennung des Meßsystems (12) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalverarbeitung (34, 73, 79, 89, 91, 93) zur Fehlererken nung des Meßsystems (12) zumindest eine von dem Regler (78) erzeugte Größe (IQ_SOLL, IQ_IST, UQ_SOLL, FLUSS_IST, 65) zu geführt ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalverarbeitung (34, 73, 79, 89, 91, 93) zur Fehlererkennung des Meßsystems (12) zumindest ei ne von dem Meßsystem (12) erzeugte und/oder daraus abgeleite te Größe (a_ist) zugeführt ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitung (34, 73, 79, 89, 91, 93) zur Fehlererkennung des Meßsystems (12) eine für ei nen Fehlerfall des Meßsystems (12) charakteristische Größe mit einem Grenzwert (G, n_modell, n_sensor) vergleicht und in Abhängigkeit von dem Vergleich ein einen Fehler des Meßsy stems (12) anzeigendes Fehlersignal (35, 75, 92, 94) erzeugt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Signalverarbeitung (34, 73, 79, 89, 91, 93) als die für einen Fehlerfall des Meßsystems (12) charakteristische Größe ein Maß für eine Änderung der Polrad spannung (Up) des Antriebs (10) zugeführt ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß als eine vom Regler (78) erzeugte Größe ein in einem Längsstromregler (54) und/oder Querstrom regler (48) gebildetes Signal (65) und/oder ein Integralan teil (65) der Signalverarbeitung (34, 73, 79, 89, 91, 93) zu geführt ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Grenzwert (G) von zumindest ei nem Streckenparameter abhängt, der eine Regelabweichung in dem Regler (78) bewirkt.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß zur Fehlererkennung des Meßsystems ein Meßsystemmodell (89) vorgesehen ist, das zumindest einen für das Meßsystem (12) zu erwartenden Schätzwert (n_modell) erzeugt.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß ein Umschalter (93) das Fehlersi gnal (75) der Signalverarbeitung (79) in Abhängigkeit von dem zu erwartenden Schätzwert (n_modell) weiterleitet.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitung (34) akti viert wird in Abhängigkeit von einer von dem Regler (78) er zeugten Größe (IQ_SOLL) und/oder dann, wenn eine vom Regler (78) erzeugte Größe (IQ_SOLL) einen bestimmten. Wert (IQ_MAX) annimmt, vorzugsweise einen maximal zulässigen Sollwert.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitung (34, 73, 79, 89, 91, 93) ein Vergleicher (91) umfaßt, der ein Fehler signal (92, 94) erzeugt abhängig von einem Ausgangssignal des Meßsystems (12) und dem zu erwartenden Schätzwert (n_modell).

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß eine Auswahlvorrichtung (93) vor gesehen ist, die in Abhängigkeit von einer Auswahlgröße eine Auswahl trifft zwischen einer ersten Fehlerüberwachung (79) und einer zweiten Fehlerüberwachung (89, 91).

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahlvorrichtung (93) in Abhängigkeit von dem zu erwartenden Schätzwert (n_modell) eine Auswahl trifft zwi schen einer ersten Fehlerüberwachung (79) und einer zweiten Fehlerüberwachung (89, 91).

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das Meßsystemmodell (89) den Schätzwert (n_modell) in Abhängigkeit von zumindest einer von dem Regler (78) erzeugten oder davon abhängenden Regler größe (IQ_SOLL, UQ_SOLL, ID_IST, FLUSS_IST) bildet.

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