DE102016203273A1

DE102016203273A1 - Verfahren und Anordnung zur Überwachung eines Rotorpositionssensors einer PSM-Maschine

Info

Publication number: DE102016203273A1
Application number: DE102016203273.9A
Authority: DE
Inventors: Hassan Lamsahel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2017-08-31
Also published as: CN107134955B; US20170250631A1; US9866158B2; CN107134955A

Abstract

Bereitgestellt wird ein Verfahren zur Überwachung eines Rotorpositionssensors (230) einer PSM-Maschine (100) mit zumindest oder genau drei Phasen (U, V, M), die mittels einer Feldorientierten Steuerung betrieben wird, wobei der elektrische Winkel (Θel) der PSM-Maschine (100) und damit die Rotorposition auf zwei voneinander unabhängigen Wegen ermittelt werden. Im ersten Weg erfolgt eine erste Berechnung des elektrischen Winkels (Θel1) der PSM-Maschine (100) basierend auf einer gemessenen mechanischen Rotorposition (Θmech) und der Polpaarzahl (ZP) der PSM-Maschine (100). Im zweiten Weg erfolgt eine zweite Berechnung des elektrischen Winkels (Θel2) der PSM-Maschine (100) basierend auf dem Phasenstromzeiger und geregelten Sollströmen im d,q-Koordinatensystem. Zur Überwachung des Rotorpositionssensors wird ein Vergleichen der Werte des jeweils im ersten und zweiten Weg ermittelten elektrischen Winkels (Θel1, Θel2) der PSM-Maschine (100) miteinander durchgeführt. Ferner wird eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens bereitgestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Rotorpositionssensors einer PSM-Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Anordnung zur Überwachung eines Rotorpositionssensors einer PSM-Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
Permanenterregte Synchronmaschinen, auch PSM-Maschinen genannt, werden an Bord eines Kraftfahrzeugs für unterschiedliche Zwecke verwendet, z. B. für eine Lenkkraftunterstützung, einen Traktionsantrieb oder andere Antriebe. Eine PSM-Maschine ist eine Drehfeldmaschine mit einem auf oder im Läufer angeordneten Permanentmagneten. Der zumindest eine Stator umfasst Wicklungen dreier oder mehr Phasen und bildet sich aus den mit einem Winkel von 120 Grad verteilten Phasen. Die Spulen der Phasen sind auf einem Umfang um eine Drehachse verteilt, gegenüber der der Rotor bezüglich des Stators drehbar gelagert ist.
Die Zustandsgrößen der PSM-Maschine wie z. B. Strom, Spannung, Fluss etc., können in dem Drei-Koordinatensystem (U, V, W) dargestellt werden, wie in 1 gezeigt. 1 zeigt eine bekannte Drehfeldmaschine 100, insbesondere eine PSM-Maschine, die einen Stator (nicht gezeigt) und einen Rotor 101 umfasst, die bezüglich einer Drehachse 102 drehbar gegeneinander gelagert sind. Am Stator sind wenigstens drei Spulen gleichmäßig um 120 Grad verteilt auf einem Umfang um die Drehachse 102 angebracht. Es sind drei Phasen U, V und W vorgesehen. Jede der Phasen U, V, W ist in der Regel mit gleich vielen Spulen verbunden, die in gleichem Abstand auf dem Umfang verteilt sind. Die Polpaarzahl Z_P und die damit verbundene Anzahl der Spulen ist je nach Anwendung wählbar. Auf dem Rotor 101 ist vorzugsweise zumindest ein Permanentmagnet 103 angeordnet, wobei ein Drehmoment bei Ansteuerung der Phasen U, V, W mit phasenverschobenen Wechselströmen generiert wird, das den Rotor 101 um die Drehachse 102 bezüglich des Stators dreht.
Eine phasenverschobene Ansteuerung der Phasen U, V, W kann in unterschiedlichen Koordinatensystemen dargestellt werden. Im statorfesten U,V,W-Koordinatensystem sind die Koordinatenachsen um 120° gegeneinander verdreht. Da die Ströme der Phasen U, V, W in Summe Null ergeben, kann ein Stromzeiger bzw. Stromvektor I →_s auch in einem statorfesten, zweidimensionalen α/β-Koordinatensystem dargestellt werden. Ferner ist in 1 ein rotorfestes d, q-Koordinatensystem vorgesehen, dessen d-Komponente gleichgerichtet mit dem magnetischen Fluss ΨPM des Permanentmagneten 103 verläuft. Eine q-Komponente verläuft senkrecht dazu. Ein Winkel zwischen der d-Achse und der α- bzw. U-Achse entspricht einem elektrischen Drehwinkel Θd oder Θel der Drehfeldmaschine 100 zwischen dem Rotor 101 und dem Stator. Ein elektrischer Drehwinkel Θd oder Θel entspricht dem mechanischen Drehwinkel Θmech multipliziert mit der Polpaarzahl Z_P. Mit der Transformation der Zustandsgrößen in das d,q-Koordinatensystem vereinfachen sich die differentiellen Gleichungen der PSM-Maschine und die PSM-Maschine kann wie eine Gleichstrommaschine geregelt werden. Dies wird als feldorientierte Regelung oder FOR bezeichnet. Bei einer Feldorientierten Regelung wird ein Gesamt-Soll-Strom, der durch die Drehfeldmaschine fließen soll, bezüglich eines rotor(fluss)festen d,q-Koordinatensystems bestimmt, so dass einige Steuer- bzw. Regelungsvorgänge einfacher durchzuführen sind und einige Berechnungen vereinfacht werden.
2 zeigt die FOR einer PSM-Maschine im Überblick. Eine Steuerkomponente 205 generiert auf der Basis von vorgegebenen d- und q-Komponenten eines Gesamt-Sollstroms I_sd, I_sq der Drehfeldmaschine 100 d- und q-Komponenten einer Spannung U_sd, U_sq. Die d- und q-Komponenten I_sd, I_sq spannen einen Stromvektor auf, der dem Gesamt-Sollstrom entspricht. Die in der Steuerkomponente 205 generierte und durch die d- und q-Komponenten U_sd, U_sq ausgedrückte Spannung wird mittels eines Umsetzers 210 vom d, q-Koordinatensystem in ein dreidimensionales Koordinatensystem, insbesondere das U, V, W-Koordinatensystem, umgesetzt. Dabei ergeben sich drei Spannungen U_s1, U_s2, U_s3, die mittels eines Vektormodulators 215 auf der Basis einer Zwischenkreisspannung U_dc in drei korrespondierende Pulsweitenmodulationssignale PWM₁, PWM₂, und PWM₃ umgesetzt werden. Die Zwischenkreisspannung U_dc kann bei Einsatz in einem Kraftfahrzeug einer Bordspannung oder auch einer Batteriespannung entsprechen. Ein Pulswechselrichter 220 ist dazu eingerichtet, jede der Phasen U, V, W abwechselnd mit einem hohen und einem niedrigen Potential der Zwischenkreisspannung U_dc zu verbinden, sodass sich an der Phase U, V, W eine gewünschte Spannung einstellt. Die angelegten Spannungen bewirken Ist-Phasenströme durch die Phasen U, V und W. Mindestens ein Ist-Phasenstrom wird mittels zumindest einer Abtasteinrichtung 225 abgetastet, welche auch Stromsensoren umfasst. Über einen Positionssensor 230 wird der elektrische Winkel Θel der PSM basierend auf der gemessenen mechanischen Rotorposition Θmech und der Polpaarzahl ZP wie folgt ermittelt: θ_el = Z_p·θ_mech (Gl.1),
Um die gegenseitige Wirkung der beiden Ströme Isd und Isq zu kompensieren, können Entkopplungen 240 eingeführt werden.
Abgesehen von der Drehfeldmaschine 100, dem Pulswechselrichter 220, der Abtasteinrichtung mit dem bzw. den Stromsensoren 225 und dem Positionssensor 230 sind die dargestellten Elemente bzw. Blöcke üblicherweise als Verfahrensschritte eines Verfahrens ausgeführt, das auf einer Verarbeitungseinrichtung abläuft, die vorzugsweise einen programmierbaren Mikrocomputer umfasst. Eingehende Signale werden üblicherweise mittels Analog-Digital-Wandlern abgetastet und bereitzustellende Signale werden entweder digital mittels eines Treiberbausteins oder analog mittels eines Digital-Analog-Wandlers ausgegeben. Insofern kann die Steuervorrichtung auch als Darstellung eines Verfahrens begriffen werden.
Für die Durchführung der FOR sind neben den Stromsensoren und der Zwischenkreisspannung Informationen über die Rotorposition erforderlich, um die Transformationen in den Koordinatensystemen nach 1 zu gewährleisten. Dies ist wichtig, um die richtige Position des Permanentflusses ermitteln zu können und eine genaue Bildung des Drehmomentes mit geringem Phasenstrombetrag (und damit mit hohem Wirkungsgrad) zu erreichen. Ist die Position des Rotors falsch, kann es zur Erzeugung eines kleinen Drehmoments oder im schlimmsten Fall zu entgegengesetztem Drehmoment kommen. Dies ist sehr gefährlich für manche Anwendungen, z. B. bei Lenkung oder Elektromobilität etc., da hier durch einen falschen Winkel eine Maschine anstatt in eine Richtung beschleunigt zu werden abgebremst und in die entgegengesetzte Richtung bewegt werden kann, was zu Unfällen etc. führen kann. Aus diesem Grund ist ein Positionssensor (bzw. und Drehzahlsensor) zur Messung der Position des Rotors sehr wichtig und unverzichtbar.
Die Funktionalität des Positionssensors kann allerdings durch verschiedene Effekte beeinträchtigt werden. Bei einem totalen Ausfall des Sensors oder bei einem Teilausfall, z. B. einem Ausfall eines Kanals des Sensors, kann die Position des Rotors nicht oder nicht richtig ermittelt werden. Auch kann ein Verrutschen des Sensors auf der Welle, was einen häufigen Fehlerfall darstellt, zu einem Offset im mechanischen Winkel des Rotors führen, was ein falsches Koordinatensystem liefert und damit zu einem unkontrollierten Zustand führen kann.
Zur Überwachung der Funktionalität des Positionssensors kann ein redundanter Sensor verbaut werden, so dass sich die beiden Sensoren gegenseitig überwachen. Allerdings erhöhen sich dadurch die Kosten des Gesamtsystems. Alternativ können, auch zur Einsparung von Kosten, Rechenmodelle verwendet werden, die die Position ermitteln, die dann mit der gemessenen Sensorposition verglichen wird. In der Literatur (z. B. Prof. Dr.-Ing. Dierk Schröder: „Elektrische Antriebe Regelung von Antriebssystemen", 3. Auflage, Springer Verlag, TU-München 2001) gibt es zahlreiche Verfahren zur Ermittlung der Position (Matsui, Wallmarkt, Leonbergerbeobachter, Kalmannfilter ...). Die bekannten Verfahren sind auf EMK (Elektromagnetische Kraft) basierend, d. h. sie benötigen die induzierte Spannung der Maschine aufgrund des Permanentflusses und die Drehzahl für ihre Berechnungen. Bei kleinen Drehzahlen und im Stillstand ist die EMK sehr klein und liefert keine vernünftigen Ergebnisse. Deshalb werden diese Verfahren erst ab einer bestimmten Mindestdrehzahl eingesetzt. Diese Mindestdrehzahl hängt von Antrieb und Sensorik ab. Sie liegt üblicherweise im Bereich von 10 bis 15% der maximalen Drehzahl. Für kleinere Drehzahlen als diese Mindestdrehzahl kann die Ermittlung der Rotorposition mit diesen Verfahren fehlerhaft sein. Gemäß dem Stand der Technik können Injektionsverfahren, die Signale mit hoher Frequenz in der Maschine einprägen, die Position in diesem kleinen Drehzahlbereich ermitteln. Nachteilig sind die akustischen Probleme, die durch die hohen Frequenzen im Strom Rauschen verursachen.
Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung bereitzustellen, durch welche die Position des Rotors einer PSM im kleinen Drehzahlbereich sowie im Stillstand ermittelt werden kann. Dabei sollen akustische Probleme vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Überwachung eines Rotorpositionssensors einer PSM-Maschine mit zumindest oder genau drei Phasen, die mittels einer Feldorientierten Regelung bzw. Steuerung betrieben wird, wobei der elektrische Winkel der PSM-Maschine und damit die Rotorposition auf zwei voneinander unabhängigen Wegen ermittelt wird, wobei im ersten Weg eine erste Berechnung des elektrischen Winkels der PSM-Maschine basierend auf einer gemessenen mechanischen Rotorposition und der Polpaarzahl der PSM-Maschine erfolgt, im zweiten Weg eine zweite Berechnung des elektrischen Winkels der PSM-Maschine basierend auf der Phase des Phasenstromzeigers und geregelten Sollströmen im d, q-Koordinatensystem erfolgt, und wobei zur Überwachung des Rotorpositionssensors ein Vergleichen der Werte des jeweils im ersten und zweiten Weg ermittelten elektrischen Winkels der PSM-Maschine miteinander durchgeführt wird.
Durch die vorgeschlagene Berechnung des elektrischen Winkels auf dem zweiten Weg kann die Rotorposition auch bei geringen Drehzahlen oder im Stillstand überwacht werden. Auch sind keine störenden Einflüsse vorhanden, welche bei bisher bekannten Verfahren aufgrund der Einprägung von hochfrequenten Signalen auftraten.
In einer Ausgestaltung wird in dem ersten Weg der elektrische Winkel wie folgt berechnet: Θ_el1 = Z_P·Θ_mech (Gl.1), wobei ZP die Anzahl der Polpaare der PSM-Maschine und Θmech der gemessene mechanische Winkel bzw. die gemessene mechanische Rotorposition ist, und wobei im zweiten Weg der elektrische Winkel wie folgt berechnet wird: Θ_el2 = Θ_Is – Θ_Last (Gl.3), wobei Θ_Last der Lastwinkel der gefilterten d,q-Sollströme und Θ_Is der Winkel (bzw. die Phase) des Stromzeigers der PSM-Maschine ist.
In einer weiteren Ausgestaltung wird der Lastwinkel wie folgt berechnet: Θ_Last = arctan( IsqRefF / IsdRefF) (Gl.4), wobei IsdRefF und IsqRefF die verzögerten Sollwerte der d, q-Ströme sind, und die Phase des Stromzeigers Θ_Is wie folgt berechnet wird, wenn z. B. nur I_su und I_sv gemessen werden: Isw = –Isu – Isv (Gl.5), wobei I_sw, I_su, und I_sv die Phasenströme der zumindest drei Phasen (U, V, W) sind, und aus der Transformation der Phasenströme der PSM-Maschine (100) die Stromkomponenten I_sα und I_sβ im α,β-Koordinatensystem wie folgt erhalten werden:
(Gl.6), und wobei daraus die Phase des Stromzeigers e_Is wie folgt ermittelt wird:
In einer weiteren Ausgestaltung wird zur Ermittlung des Lastwinkels und der Phase des Stromzeigers ein vorgegebener Mindeststrom an die Maschine angelegt, wobei der Mindeststrom basierend auf der Stromamplitude der PSM-Maschine und den d, q-Sollströmen wie folgt berechnet wird:
wobei wenn I_sAmpl < I_sAmplMin ist, wird ein neuer I_sd-Sollstrom definiert:
wobei wenn Is_Ampl > I_sAmplMin ist, wird der neue I_sd-Sollstrom wie folgt definiert: I_sdRefNeu = I_sdRef (Gl.11).
Dabei sind I_sdRef der ursprünglich geforderte d-Sollstrom und I_sdRefNeu der neue berechnete d-Sollstrom zur Einhaltung des Mindeststroms I_sAmplMin in der Maschine.
Durch das Bereitstellen eines Mindeststroms wird gewährleistet, dass der Lastwinkel und die Phase des Stromzeigers ohne oder mit nur geringem Störeinfluss, z. B. durch Rauschen, ermittelt werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung erfolgt der Vergleich der beiden ermittelten elektrischen Winkel durch Bilden einer Differenz der in der ersten und der zweiten Berechnung ermittelten Werte für den elektrischen Winkel. In einer weiteren Ausgestaltung erfolgt, wobei wenn erkannt wird, dass eine Abweichung zwischen den ermittelten elektrischen Winkeln besteht, ein Auswerten der Abweichungen, welcher Fehler vorliegt. Bevorzugt erfolgt basierend auf dem erkannten Fehler zumindest eine Maßnahme aus Senden eines Fehlersignals, Ausschalten der Maschine, Ändern der Maschinenparameter.
Durch die Bereitstellung von zwei unterschiedlich erhaltenen elektrischen Winkeln können auf einfache Weise, z. B. durch Bilden einer Differenz, Abweichungen vom Normalzustand der Maschine erkannt, ausgewertet und Maßnahmen ergriffen werden, um die Fehler zu beheben. Die Art der Auswertung, welcher Fehler vorliegt, hängt dabei von der Anwendung ab. Es kann durch Bilden eines Mittelwerts, durch Integration oder andere Methoden zur Fehlererkennung, erkannt werden, welcher Fehler vorliegt. Abhängig von der Art des Fehlers können dann Maßnahmen eingeleitet werden, vom Ausgeben eines Warnsignals bis hin zur sofortigen Abschaltung der Anwendung, in der der Fehler vorliegt. Welche Maßnahme ergriffen wird, hängt dabei von der Anwendung, der Art und der Gewichtung des Fehlers ab und wird vom Fachmann bestimmt.
Vorgesehen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung des Weiteren eine Anordnung zur Überwachung einer PSM-Maschine mit zumindest oder genau drei Phasen, die mittels einer Feldorientierten Steuerung betrieben wird, zumindest umfassend einen Positionssensor, der dazu eingerichtet ist, die Rotorposition der PSM-Maschine zu bestimmen, eine Abtasteinrichtung zur Abtastung des Phasenstroms zumindest einer der Phasen; eine Einrichtung zur Durchführung des vorher beschriebenen Verfahrens, eine Überwachungsebene, die dazu eingerichtet ist, bei Erkennen einer Abweichung zwischen den Werten des im ersten Weg bestimmten elektrischen Winkels, und den Werten des im zweiten Weg bestimmten elektrischen Winkels, den Fehler auszuwerten.
Bevorzugt umfasst die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zumindest eine Einrichtung zur Durchführung der ersten Berechnung des elektrischen Winkels, eine Einrichtung zur Durchführung der zweiten Berechnung des elektrischen Winkels, eine Vergleichseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die jeweiligen bei der ersten und bei der zweiten Berechnung berechneten elektrischen Winkel miteinander zu vergleichen.
Bevorzugt umfasst die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ferner zumindest eine Auswerteeinrichtung zur Bestimmung eines erkannten Fehlers.
Der Vorteil bei der Bereitstellung der Anordnung ist, dass sowohl mehrere Hardwarekomponenten als auch eine einzige Komponente, wie beispielsweise ein Mikrochip, auf dem die einzelnen Verfahrensschritte z. B. als Software implementiert sind, verwendet werden können. Ferner weist die Anordnung und deren Ausgestaltungen dieselben Vorteile wie vorher für das Verfahren beschrieben auf.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
1 zeigt eine Darstellung unterschiedlicher Koordinatensysteme für eine PSM.
2 zeigt ein Strukturbild einer FOR einer PSM mit Entkopplung.
3 zeigt eine Darstellung unterschiedlicher Winkel beim Verlauf des Stromvektors Is der PSM.
4 zeigt ein Strukturbild einer FOR einer PSM mit Überwachung des Rotorpositionssensors gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt Verläufe einer Simulation an der Steuerung von 4 ohne Fehler gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt Verläufe einer Simulation an der Steuerung von 4 mit einem Offset-Fehler von 180° im elektrischen Winkel gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt Verläufe einer Simulation an der Steuerung von 4 mit einem Fehler im Wechselrichter gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
3 zeigt eine Darstellung unterschiedlicher Winkel beim Verlauf des Stromvektors I →_s der PSM, wobei θ_el der Winkel der elektrische Winkel der Maschine, θ_Last der Lastwinkel der gefilterten d und q-Sollströme und θ_Is die Phase des Stromzeigers der Maschine sind. Aus 3 ist der Zusammenhang zwischen dem Lastwinkel θ_Last, dem elektrischen Winkel θ_el und der Phase (bzw. dem Winkel) θ_Is des Phasenstromzeigers Is zu entnehmen: θ_Is = θ_el + θ_Last (Gl.2).
Somit kann der geschätzte elektrische Winkel θ_el in Abhängigkeit der beiden Winkel, die über den Strom berechnet werden, ermittelt werden: θ ^_el = θ_Is – θ_Last (Gl.3).
Der Lastwinkel θ_Last wird aus den gefilterten Sollströmen in d und q-Achse ermittelt. Die FOR hat eine gewählte Dynamik, d. h. die geforderten d,q-Ströme werden erst nach einer gewissen Zeit eingestellt, wobei die Verzögerung der d,q-Ströme beispielsweise mit einem Tiefpassfilter 250 (oder einem anderen geeigneten Filter) nachgebildet werden kann. Die Zeitkonstante des Tiefpassfilters 250 für jeden Strom (d oder q) sollte so gewählt werden, dass die Dynamik der FOR in der jeweiligen Achse (d oder q) nachgebildet wird. Das heißt, dass der mit diesem Tiefpassfilter 250 gefilterte d-(bzw. q-)Sollstrom den gleichen Verlauf wie der transformierte d-(bzw. q-)Strom aus den gemessenen Phasenströmen der Maschine haben sollte. Durch die verzögerten Sollwerte der d,q-Ströme I_sdRefF und I_sqRefF erhält man die nachgebildeten, in das d, q-Koordinatensystem transformierten Phasenströme der Maschine. Aus den beiden Strömen i_sdRefF und i_sqRefF kann der erwartete Lastwinkel berechnet werden:
Für die Berechnung der Phase des Stromzeigers der Maschine können zwei Phasenströme (z. B. Isu und Isv) ausreichend sein. Die dritte Phase (z. B. Isw) kann aus den beiden bekannten Phasenströmen ermittelt werden, z. B.: I_sw = –I_su – I_sv (Gl.5).
Durch eine Transformation der Phasenströme der Maschine anhand der Gleichung GL.6 können Isα und Isβ, also die Ströme im α,β-Koordinatensystem, ermittelt werden:
Daraus kann die Phase (bzw. der Winkel) θ_Is des Phasenstromzeigers (bzw. Stromvektors) der Maschine ermittelt werden:
Bei Gleichung 4 und Gleichung 7 ist zu beachten, dass der Nenner gleich Null sein kann, so dass in solchen Fällen die Arkustangente in Abhängigkeit des Vorzeichens vom Zähler auch ohne Division ermittelt werden kann.
Damit kann der elektrische Winkel θ_el2 über einen zweiten Weg und unabhängig vom mechanischen Winkel θ_mech des Rotors berechnet und mit dem berechneten elektrischen Winkel θ_el1 aus Gleichung 1 verglichen werden. Durch Vergleich der beiden elektrischen Winkel θ_el1 und θ_el2 aus Gleichung 1 und Gleichung 3 kann das Verhalten der Maschine, insbesondere des Rotorpositionssensors, überwacht werden. Sind die beiden elektrischen Winkel θ_el1 und θ_el2 gleich oder haben nur gering fügige Abweichungen, so ist der Positionssensor in Ordnung. Sind Abweichungen zu beobachten, d. h. zum Beispiel, dass ein vorgegebener Schwellenwert überschritten wird, so können diese Abweichungen durch eine Überwachungsebene ausgewertet werden. Es gibt unterschiedliche Methoden zur Auswertung von Abweichungen, z. B. Bilden des Mittelwerts, Integration der Abweichungen über die Zeit etc., um eine Fehlfunktionalität zur detektieren. Die gewählte Methode ist abhängig von der Anwendung und wird vom Fachmann bestimmt.
Ferner ist bei der Ermittlung des Lastwinkels θ_Last der gefilterten d und q-Sollströme und der Phase des Phasenstromzeigers θ_Is zu beachten, dass ein ausreichend hoher Phasenstrom vorhanden sein sollte. Deswegen sollte der Strom der Maschine so erhöht werden, dass sich einerseits das Drehmoment nicht ändert, und anderseits in der Maschine genügend Phasenstrom fließt. Dies wird durch Einprägen eines Blindstromes I_sd erreicht. Da der Blindstrom I_sd nicht bzw. vernachlässigbar an der Erzeugung des Drehmoments beteiligt ist, kann seine Erhöhung zu einer Erhöhung der Phasenströme der Maschine führen. Abhängig von Signalmessrauschen der Stromsensoren kann die richtige Auflösung des Maschinenstromes erst bei einem Mindestphasenstrom I_sAmplMin erfolgen, so dass dieses Minimum an Strom immer zu halten bzw. zu gewährleisten ist, damit der Einfluss des Rauschen auf die Ermittlung der Stromzeigerphase θ_Is und des erwarteten Lastwinkels θ_Last gering gehalten werden kann. Dies kann erfolgen, indem eine Strom-Vorgabe abhängig von der Stromamplitude I_SAmpl berechnet wird, um zu gewährleisten, dass einerseits die Stromamplitude groß genug ist und sich andererseits das Drehmoment nicht ändert. Die Berechnung des elektrischen Drehmoments T_el erfolgt über Gleichung 8: T_el = 3 / 2·Z_p·Ψ_PM·I_sq + 3 / 2·Z_P·(L_sd – L_sq)·I_sd·I_sq (Gl.8).
Da der verkettete Fluss Ψ_PM >> (L_sd – L_sq)·I_sd und für kleine Ströme Isd (L_sd – L_sq)I_sd ≈ 0 ist, ist das elektrische Drehmoment der Maschine nur von Isq abhängig und der Reluktanzterm [3/2*Zp*(Lsd – Lsq)*Isd*Isq] des Drehmoments ist vernachlässigbar.
Wenn eine Maschine die Bedingung Lsd = Lsq erfüllt, entsteht sogar kein Reluktanzterm des Drehmomentes. Das Drehmoment kann nicht durch Isd beeinträchtigt werden. Wenn die Maschine über einen Relunktanzanteil verfügt (Lsd ≠ Lsq), kann man Gleichung 8 das gewünschte Drehmoment über die beiden Ströme so ausgewählt werden, dass der Mindeststrombetrag erreicht wird. Dies ist nur bei sehr kleinem Drehmoment nötig. Ab einem Drehmomentsollwert ist der Strom Isq von vorne herein groß genug, um den Mindestbetrag der Phasenstromamplitude einzuhalten.
Die Phasenstromamplitude I_SAmpl kann wie folgt berechnet werden:
Zur Gewährleistung eines Mindeststromes I_sAmplMin in der Maschine kann der Isd-Sollwert I_sdRefNeu anhand folgender Gleichungen neu definiert werden:
I_sAmpl ≥ I_sAmplMin ⇒ I_sdRefNeu = I_sdRef (Gl.11), wobei I_sdRef der ursprünglich durch die FOR geforderte d-Sollstrom ist.
4 zeigt die in 2 gezeigte FOR mit der erweiterten Überwachung des Rotorpositionssensors und des Verhaltens des Antriebes über den Vergleich des elektrischen Winkels der Maschine im kleinen Drehzahlbereich sowie im Stillstand. Dabei wird anhand der Gleichung 1 GL.1 der elektrische Winkel θ_el1 der Maschine über die gemessene mechanische Rotorposition θ_mech und die Polpaarzahl Z_P der PSM-Maschine 100 über einen ersten Weg direkt berechnet.
Über einen zweiten Weg wird der elektrische Winkel θ_el2 der Maschine 100 anhand der Phasenströme I_su, I_sv, I_sw und der mittels dem Filter 250 gefilterten Stromsollwerte I_sdRefF, I_sqRefF bzw. des über Gleichungen 9 bis 11 GL.9, GL.10, GL.11 korrigierten neuen Sollstromwerts I_sdRefNeu anstelle des Sollstromwerts I_sdRefF der Maschine im d, q-Koordinatensystem über GL.4, GL.6 und GL.7 berechnet. Da die FOR im kleinen Drehzahlbereich und Stillstand immer über genügend Spannungsreserve verfügt, werden die geforderten d, q-Sollströme mit einer eingestellten Wunsch-Dynamik eingeregelt. Um bei der zweiten Berechnung des elektrischen Winkels θ_el keine Information des mechanischen Winkels θ_mech zu verwenden, werden die nachgebildeten d, q-Ströme I_sdRefF, I_sqRefF verwendet. Die Nachbildung der d,q-Ströme wird über zumindest einen Filter 250, der bzw. die die gleiche Dynamik des Reglers in der jeweiligen Achse (d, q) darstellen, erzielt. Mit den gefilterten d,q-Sollströmen I_sdRefF, I_sqRefF können die erwarteten d,q-Ströme und damit auch der erwartete Lastwinkel, ermittelt werden (siehe Gleichung 4). Mittels der gemessenen Phasenströme ermittelt man anhand der Gleichungen 5 bis 7 den Winkel (bzw. die Phase) des Phasenstromzeigers θ_Is. Mittels Gleichung 3 GL.3 erhält man den geschätzten elektrischen Winkel θ_el2 der Maschine, der mit dem direkt berechneten elektrischen Winkel θ aus Gleichung 1 GL.1 verglichen 260 wird. Sind die beiden Winkel identisch bzw. haben nur sehr geringe Abweichungen, d. h. sind innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen, so ist der Rotorpositionssensor 230 in Ordnung und die Regelung der Maschine 100 funktioniert fehlerfrei.
Sind größere Abweichungen zu beobachten, d. h. es wird beispielsweise ein vorgegebener Schwellenwert überschritten, kann diese Abweichung durch eine Überwachungsebene 300 ausgewertet werden. Es gibt unterschiedliche Methoden zur Auswertung der Abweichungen, z. B. Mittelwert bilden, Integration der Abweichungen über die Zeit etc., um eine Fehlfunktionalität zur detektieren und auch unterschiedliche Reaktionen auf die jeweils erkannte Abweichung bzw. den erkannten Fehler. Bei der Entdeckung eines Fehlverhaltens kann der Antrieb ausgeschaltet werden, um keine unkontrollierten Zustände zu verursachen, oder es kann eine Nachregelung erfolgen. Die zu ergreifenden Maßnahmen sind abhängig von der Anwendung und werden durch den Fachmann bestimmt.
5 zeigt Verläufe einer Simulation an der Steuerung von 4 ohne Fehler gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Die Einheit der X-Achse ist in 5–7 Sekunden. In 5 ist zu sehen, dass die d,q-Ströme aus der Maschine (zweite und dritte Abbildung) den Sollwert verfolgen und mit den gefilterten d, q-Strömen übereinstimmen. Der d-Stromsollwert wird zeitweise erhöht, um den Mindestbetrag der Phasenstromamplitude einzuhalten. Die beiden elektrischen Winkel aus GL.1 und GL.3 sind identisch und haben nur sehr geringe Abweichungen (vierte und fünfte Abbildung). Dasselbe gilt für die geschätzte und mit der direkt aus dem Positionssensor berechneten Drehzahl (sechste Abbildung). Die Abweichungen sind vernachlässigbar.
6 zeigt Verläufe einer Simulation an der Steuerung von 4 mit einem Offset-Fehler von 180° im elektrischen Winkel gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Die Reihenfolge der Abbildungen der Messungen entspricht der in 5. Die Simulation verläuft unter gleichen Bedingungen wie 5, wobei zusätzlich ein Fehler im Rotorpositionssensor zum Zeitpunkt t = 0,1 s in der Simulationslaufzeit nachgebildet wird. Durch das Rutschen des Sensors auf die Welle der Maschine kann so ein Offset im Winkel entstehen. Bei diesem Fall wurde der extreme Fall dargestellt und ein Offset von 180° im elektrischen Winkel simuliert, was einem Offset von 36° der mechanischen Rotorposition bei einer Polpaarzahl von Zp = 5 entspricht. Es ist erkennbar, dass die d, q-Istströme der Maschine ab t = 0,1 s in entgegengesetzter Richtung im Vergleich zu den d, q-Sollströmen verlaufen, obwohl die gefilterten Sollströme die gleiche Richtung wie die Sollströme haben. Dies kann zu einem gefährlichen Zustand führen, d. h. dass z. B. statt einer Beschleunigung eine Bremsung erfolgt, d. h. die Maschine läuft in die falsche Richtung. Ferner ist zu sehen, dass der geschätzte elektrische Winkel eine Differenz von +–180° aufweist, was an die Überwachungsebene geleitet wird, so dass eine schnelle Reaktion der Überwachungsebene auf diesen Zustand ermöglicht wird und rechtzeitig eine geeignete Maßnahme ergriffen werden kann.
7 zeigt Verläufe einer Simulation an der Steuerung von 4 mit einem Fehler im Wechselrichter gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Die Simulation verläuft unter gleichen Bedingungen wie 5, wobei zusätzlich ein Fehler in Wechselrichter zum Zeitpunkt t = 0,2 s in der Simulationslaufzeit nachgebildet wird. Die Reihenfolge der Abbildungen der Messungen entspricht der in 5 und 6. Dabei wird hier zum Zeitpunkt t = 0,2 s der obere MOSFET in Phase U dauerhaft kurzgeschlossen. Es ist erkennbar, dass die d,q-Istströme der Maschine ab t = 0,2 s einen unkontrollierten Zustand erreichen, sie verfolgen die d,q-Sollströme nicht mehr. Dies kann zu einem gefährlichen Zustand führen, z. B. dass die Maschine in die falsche Richtung läuft. Die Phasenströme werden größer, was zur Zerstörung des Wechselrichters führen kann. Ferner kann die Maschine dauerhaften Schaden durch Teil- oder Voll-Entmagnetisierung des Rotors erleiden. Der geschätzte elektrische Winkel weist eine große Differenz auf, die an die Überwachungsebene geleitet wird, wodurch eine schnelle Reaktion der Überwachungsebene auf diesen Zustand ermöglicht wird, so dass ein schneller Schutz des Antriebs ermöglicht wird.
Wie aus den beispielhaften Simulationen ersichtlich ist, kann das entwickelte Konzept zur Überwachung des elektrischen Winkels der Maschine nicht nur Fehler im Rotorpositionssensor, sondern auch Fehler im Wechselrichter (z. B. MOSFET-Kurzschluss, MOSFETs-Ausfall etc.) oder der Maschine (z. B. Phasenabriss, Kurzschlüsse in der Wicklungen etc.) feststellen, so dass auch entsprechende Maßnahmen zum Schutz des Antriebes rechtzeitig ergriffen werden können.
Diagnosemöglichkeiten zur Überwachung des gesamten Antriebes sind wichtig für die Sicherheit des Produktes sowie zur Erfüllung bestimmter Normen für die Zulassung. Mit dem vorliegenden Konzept kann der elektrische Winkel der Maschine (und damit der Rotorpositionssensor) auch im Stillstand und im kleinen Drehzahlbereich überwacht werden, was durch die bisher bekannten Verfahren nicht in einfacher und störfreier Art und Weise machbar ist. Durch das vorliegende Konzept ist keine Einprägung von hochfrequenten Signalen (Akustik-Problem) wie bei Injektionsverfahren nötig. Damit entfallen Kosten für z. B. teure Stromsensoren, schnelle und teure A/D-Wandler und Mikrokontroller etc.. Durch die Überwachung des elektrischen Winkels der Maschine im gesamten Drehzahlbereich, d. h. auch bei kleinen Drehzahlen und im Stillstand, wird eine sicherere und verbesserte Überwachung gegenüber herkömmlichen EMK-basierten Verfahren erreicht. Zusätzlich kann die Funktionalität des Rotorpositionssensors gut überwacht und Fehler rechtzeitig erkannt werden, so dass schnell geeignete Maßnahmen ergriffen werden können, um unkontrollierte und gefährliche Zustände aufgrund auftretender Fehler oder durch einen Ausfall des Rotorpositionssensors zu vermeiden.
Bezugszeichenliste

100: Drehfeldmaschine
101: Rotor
102: Drehachse
103: Permanentmagnet
I →_S: Stromzeiger bzw. Stromvektor U, V, W Phasen
Ψ_PM: Fluss des Permanentmagneten
Θ_el1: elektrischer Winkel der Maschine, über GL.1 berechnet
D_el2: elektrischer Winkel der Maschine, über GL.4–7 berechnet
Θ_mech: mechanischer Winkel der Maschine
205: Steuerkomponente
210: Umsetzer
215: Vektormodulator
220: Pulswechselrichter
225: Abtasteinrichtung/Stromsensoren
230: Positionssensor
240: Entkopplungseinrichtung
250: Filter
260: Vergleichseinrichtung
300: Überwachungsebene
Z_P: Polpaarzahl der Maschine
GL.1: Berechnung von Θ_el1 basierend auf Θ_mech und Polpaarzahl Z_P
GL.3–7: Berechnung von Θ_el2 basierend auf dem Phasenstrom und geregelten Sollströmen im d, q-Koordinatensystem
GL.9–11: Berechnung des neuen Isd-Sollwerts I_sdRefNeu basierend auf dem Mindeststrom I_sAmplMin in der Maschine

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Prof. Dr.-Ing. Dierk Schröder: „Elektrische Antriebe Regelung von Antriebssystemen”, 3. Auflage, Springer Verlag, TU-München 2001 [0010]

Claims

Verfahren zur Überwachung eines Rotorpositionssensors (230) einer PSM-Maschine (100) mit zumindest oder genau drei Phasen (U, V, W), die mittels einer Feldorientierten Regelung bzw. Steuerung betrieben wird, wobei der elektrische Winkel (Θel) der PSM-Maschine (100) und damit die Rotorposition auf zwei voneinander unabhängigen Wegen ermittelt wird, wobei im ersten Weg eine erste Berechnung des elektrischen Winkels (Θ_el1) der PSM-Maschine (100) basierend auf einer gemessenen mechanischen Rotorposition (Θmech) und der Polpaarzahl (Z_P) der PSM-Maschine (100) erfolgt, im zweiten Weg eine zweite Berechnung des elektrischen Winkels (Θ_el2) der PSM-Maschine (100) basierend auf der Phase des Phasenstromzeigers und geregelten Sollströmen im d, q-Koordinatensystem erfolgt, und wobei zur Überwachung des Rotorpositionssensors ein Vergleichen der Werte des jeweils im ersten und zweiten Weg ermittelten elektrischen Winkels (Θ_el1, Θ_el2) der PSM-Maschine (100) miteinander durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem ersten Weg der elektrische Winkel (Θel1) wie folgt berechnet wird: Θ_el1 = Z_P·Θ_mech (Gl. 1), wobei Z_P die Anzahl der Polpaare der PSM-Maschine und Θ_mech der gemessene mechanische Winkel bzw. die gemessene mechanische Rotorposition ist, und wobei im zweiten Weg der elektrische Winkel (Θ_el2) wie folgt berechnet wird: Θ_el2 = Θ_Is – Θ_Last (Gl. 3), wobei Θ_Last der Lastwinkel der gefilterten d, q-Sollströme und, Θ_Is die Phase des Stromzeigers der PSM-Maschine ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Lastwinkel Θ_Last wie folgt berechnet wird: Θ_Last = arctan( IsqRefF / IsdRefF) (Gl.4), wobei I_sdRefF und i_sqRefF die verzögerten Sollwerte der d, q-Ströme sind, und die Phase des Stromzeigers Θ_Is wie folgt berechnet wird: I_sw = –I_su – I_sv (Gl.5), wobei I_sw, I_su, und I_sv die Phasenströme der zumindest drei Phasen (U, V, W) sind, und aus der Transformation der Phasenströme der PSM-Maschine (100) die Stromkomponenten I_sα und I_sβ im α,β-Koordinatensystem wie folgt erhalten werden:
und wobei daraus die Phase des Stromzeigers Θ_Is wie folgt ermittelt wird:
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Ermittlung des Lastwinkels Θ_Last und des Stromzeigers Θ_Is ein vorgegebener Mindeststrom (I_sAmplMin) an die Maschine angelegt wird, wobei der Mindeststrom (I_sAmplMin) basierend auf der Stromamplitude (I_sAmpl) der PSM-Maschine (100) und den d,q-Sollströmen (I_sdRef, I_sqRef) wie folgt berechnet wird:
wobei wenn I_sAmpl < I_sAmplMin ist, wird ein neuer I_sd-Sollstrom definiert:
wobei wenn I_sAmpl > I_sAmplMin ist, wird der neue I_sd-Sollstrom wie folgt definiert: I_sdRefNeu = I_sdRef (Gl.11), wobei _IsdRef der ursprünglich geforderte d-Sollstrom und I_sdRefNeu der neue berechnete d-Sollstrom zur Einhaltung des Mindeststroms _IsAmpiMin in der Maschine sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Vergleich der beiden ermittelten elektrischen Winkel (Θ_el1, Θ_el2) durch Bilden einer Differenz der in der ersten und der zweiten Berechnung ermittelten Werte für den elektrischen Winkel (Θ_el1, Θ_el2) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenn erkannt wird, dass eine Abweichung zwischen den ermittelten elektrischen Winkeln (Θ_el1, Θ_el2) besteht, ein Auswerten der Abweichungen erfolgt, welcher Fehler vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei basierend auf dem erkannten Fehler zumindest eine Maßnahme aus Senden eines Fehlersignals, Ausschalten der Maschine, Ändern der Maschinenparameter erfolgt.
Anordnung zur Überwachung einer PSM-Maschine (100) mit zumindest oder genau drei Phasen (U, V, W), die mittels einer Feldorientierten Steuerung betrieben wird, zumindest umfassend: – zumindest einen Positionssensor (230), der dazu eingerichtet ist, die Rotorposition (Θmech) der PSM-Maschine (100) zu bestimmen, – eine Abtasteinrichtung (225) zur Abtastung des Phasenstroms (Isu, Isv, Isw) zumindest einer der Phasen (U, V, W); – eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, – eine Überwachungsebene (300), die dazu eingerichtet ist, bei Erkennen einer Abweichung zwischen den Werten des im ersten Weg bestimmten elektrischen Winkels (Θel1), und den Werten des im zweiten Weg bestimmten elektrischen Winkels (Θel2), den Fehler auszuwerten.
Anordnung nach Anspruch 8, wobei die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zumindest umfasst: eine Einrichtung zur Durchführung der ersten Berechnung des elektrischen Winkels (Θel1), eine Einrichtung zur Durchführung der zweiten Berechnung des elektrischen Winkels (Θel2), eine Vergleichseinrichtung (260), die dazu eingerichtet ist, die jeweiligen bei der ersten und bei der zweiten Berechnung berechneten elektrischen Winkels (Θel1, Θel2) miteinander zu vergleichen.
Anordnung nach Anspruch 9, wobei die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ferner zumindest umfasst: eine Auswerteeinrichtung zur Bestimmung eines erkannten Fehlers.