DE102017201215A1

DE102017201215A1 - Überwachung eines Drehmoments einer Asynchronmaschine

Info

Publication number: DE102017201215A1
Application number: DE102017201215.3A
Authority: DE
Inventors: Oussama Jabloun; Notker Amann
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2017-01-26
Filing date: 2017-01-26
Publication date: 2018-08-09

Abstract

Eine elektrische Asynchronmaschine (105) umfasst mehrere Phasen (U, V, W). Ein Verfahren (400) zum Bestimmen eines Überwachungsmoments (M_E2) der Asynchronmaschine (105) umfasst Schritte des Bestimmens von Phasenströmen (Is), die durch die Phasen (U, V, W) fließen, und einer Drehzahl (n) und/oder eines Drehwinkels der Asynchronmaschine (105); des Transformierens (405, 410) der Phasenströme (Is) vom uvw-System ins dq-System; und des Bestimmens (430) des Überwachungsmoments (M_E2) auf der Basis einer q-Komponente der transformierten Phasenströme.

Description

Die Erfindung betrifft die Überwachung einer Asynchronmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung die Überwachung eines Drehmoments einer feldorientiert geregelten bzw. gesteuerten Asynchronmaschine.
Eine Asynchronmaschine kann beispielsweise mittels einer feldorientierten Regelung (FOR) oder feldorientierten Steuerung (FOS) gesteuert werden. Wird die Asynchronmaschine für eine sicherheitsrelevante Aufgabe, etwa zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs verwendet, so ist sicherzustellen, dass die Asynchronmaschine einer Steuervorgabe genau folgt. Eine gewünschte Beschleunigung (antreibend oder abbremsend) darf nicht ausbleiben und eine ungewünschte Beschleunigung (antreibend oder abbremsend) darf nicht erfolgen. Ein durch die Asynchronmaschine erbrachtes Drehmoment muss daher überwacht werden, um einen Fehlerzustand zu verhindern, der einen Insassen des Kraftfahrzeugs oder einen anderen Verkehrsteilnehmer außerhalb des Kraftfahrzeugs gefährden kann.
Das Drehmoment kann im Rahmen der FOS oder FOR bereits bestimmt werden oder ist mit geringem Aufwand aus Parametern der Steuerung bestimmbar. Die Steuerebene der Asynchronmaschine kann auch Ebene 1 genannt werden. Aus Sicherheitsgründen muss das Drehmoment noch auf einer davon getrennten Ebene 2 bestimmt werden, wobei bevorzugt ausschließlich Signale verwendet werden, die aus Quellen stammen, die eine vorbestimmte Sicherheitsanforderungsstufe erfüllen. Eine solche Stufe kann beispielsweise nach den ASIL-Vorgaben (z.B. ASIL-A, ASIL-B oder ASIL-C) bestimmt sein. Die Signale der ersten Ebene können nach dem ASIL-System hingegen auch der Stufe QM (quality management) zugeordnete sein, für die keine besonderen Auflagen zu erfüllen sind. Das in Ebene 2 bestimmte Drehmoment wird auch Überwachungsmoment genannt.
Die Bestimmung des Drehmoments der Asynchronmaschine kann unter bestimmten Umständen schwierig sein. Wird das Drehmoment beispielsweise auf der Basis von Statorgrößen bestimmt, so kann ein drastisch falsches Drehmoment bestimmt werden, wenn eine Winkelgeschwindigkeit des Rotors nahe null liegt. Ähnlich große Fehler können auftreten, wenn eine an einer Phase der Asynchronmaschine anliegende Spannung sehr klein ist, insbesondere im Bereich einer Schleusenspannung eines im Wechselrichter verwendeten Stromventils liegt. Das Stromventil kann beispielsweise einen Halbleiter des IGBT- oder FET-Typs umfassen und die Schleusenspannung kann um ca. 1 V betragen.
Eine der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, eine verbesserte Technik zur Bestimmung eines Überwachungsmoments einer Asynchronmaschine bereitzustellen. Die Erfindung löst dieses Problem mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Eine elektrische Asynchronmaschine umfasst mehrere Phasen. Ein Verfahren zum Bestimmen eines Überwachungsmoments der Asynchronmaschine umfasst Schritte des Bestimmens von Phasenströmen, die durch die Phasen fließen, und einer Drehzahl und/oder eines Drehwinkels (Rotorwinkel) der Asynchronmaschine; des Transformierens der Phasenströme vom uvw-System ins dq-System; und des Bestimmens des Überwachungsmoments auf der Basis einer q-Komponente der transformierten Phasenströme.
Es wird von der Modellvorstellung ausgegangen, dass die d-Komponente des durch die Asynchronmaschine fließenden Stroms das magnetische Feld in der Maschine aufbaut und die q-Komponente das Drehmoment erzeugt. Die q-Komponente kann relativ einfach durch eine oder mehrere passende Transformationen der bestimmten Phasenströme bestimmt werden, sodass das Überwachungsmoment rasch und zuverlässig bestimmt werden kann. Durch Verwenden der Drehzahl bzw. des Drehwinkes oder einer daraus ableitbaren Größe kann das Verfahren verbessert robust sein.
Das Verfahren kann nur wenige Messgrößen erfordern, sodass es mit überschaubarem Aufwand an einer Asynchronmaschine physisch realisiert werden kann. Die Durchführung des Verfahrens ist wenig aufwändig und kann bereits mittels einer Verarbeitungseinrichtung mit überschaubarer Verarbeitungskapazität erfolgen. Das Verfahren kann dadurch auch für den Einsatz in einer echtzeitfähigen Umgebung geeignet sein oder mittels einer kostengünstigen Steuervorrichtung durchgeführt werden. Die Steuervorrichtung kann insbesondere noch eine zusätzliche Steueraufgabe erledigen, beispielsweise eine FOS oder FOR der Asynchronmaschine.
Weiter verwendet das Verfahren analytische Formeln anstelle einer Heuristik oder experimenteller Werte, sodass auf eine Modifikation oder Abänderung von Eingangsparametern leicht durch entsprechende Anpassung der Verarbeitung eingegangen werden kann. Beispielsweise kann das Verfahren ein Umwandeln der Drehzahl bzw. des Drehwinkels in eine Winkelgeschwindigkeit umfassen. Wird anstelle eines Drehzahl- oder Drehwinkelsensors ein Sensor zur Abtastung der Winkelgeschwindigkeit verwendet, so kann dieser Schritt des Verfahrens einfach entfallen. Die Drehzahl und die Winkelgeschwindigkeit können in an sich bekannter Weise aus dem Drehwinkel ermittelt sein (wenn beispielsweise ein Drehwinkelsensor genutzt wird), beispielsweise durch zeitliches Ableiten.
Das Überwachungsmoment kann zusätzlich auf der Basis eines Magnetisierungsstroms und Maschinenparametern der Asynchronmaschine bestimmt werden. Die Maschinenparameter können in einer Ausführungsform der Erfindung als konstant angesehen werden. Der Magnetisierungsstrom kann einfach gebildet werden, insbesondere auf der Basis der d-Komponente der transformierten Phasenströme.
Die Phasenströme können zunächst vom uvw-System ins aß-System und von dort ins dq-System transformiert werden. Die erste Transformation kann mittels fester Größen durchgeführt werden. Für die zweite Transformation kann ein Transformationswinkel einfach bestimmt werden.
Der Transformationswinkel kann insbesondere der mittels Integrieren über eine Funktion bestimmt wird, die die Drehzahl, die q-Komponente der transformierten Phasenströme, einen Magnetisierungsstrom und einen Maschinenparameter der Asynchronmaschine umfasst. Durch den Schritt des Integrierens kann das Verfahren eine verbesserte Robustheit erlangen.
Der Maschinenparameter kann wenigstens eines von einer Induktivität des Rotors, einem elektrischen Widerstand des Rotors, einer Induktivität des Stators oder einer Polpaarzahl der Asynchronmaschine umfassen. Der oder die Maschinenparameter können in einer einfachen Ausführungsform für eine gegebene Asynchronmaschine fest vorbestimmt sein. In einer anderen Ausführungsform kann wenigstens einer der Maschinenparameter einer Temperatur der Asynchronmaschine nachgeführt werden. Dazu kann ein Maschinenmodell der Asynchronmaschine eingesetzt werden, sodass der Maschinenparameter auf der Basis der bestimmten Temperatur bestimmt oder ein vorbestimmter Maschinenparameter an die Temperatur angepasst werden kann.
Die Phasenströme und die Drehzahl bzw. der Drehwinkel können jeweils auf der Basis von Messwerten von Sensoren bestimmt werden, die eine vorbestimmte Sicherheitsanforderungsstufe erfüllen. Eine solche Sicherheitsanforderungsstufe kann beispielsweise als ASIL-Stufe angegeben sein. Das Verfahren kann dadurch insbesondere zur Sicherung einer Asynchronmaschine verwendet werden, deren Betrieb sicherheitsrelevant für eine Person oder eine Einrichtung ist. Beispielsweise kann die Asynchronmaschine als Traktionsantrieb eines Kraftfahrzeugs Verwendung finden und das Kraftfahrzeug kann zur Beförderung einer Person eingerichtet sein oder zum Betrieb in einem Straßenverkehr, in dem sich weitere Personen aufhalten oder bewegen.
Es ist weiter bevorzugt, dass die Drehzahl der Asynchronmaschine unter einem vorbestimmten Schwellenwert liegt, während das Verfahren durchgeführt wird. Anders ausgedrückt ist bevorzugt, dass eine Bestimmung des Drehmoments nur unterhalb der Drehzahlschwelle mittels des beschriebenen Verfahrens erfolgt. Steigt die Drehzahl über die Drehzahlschwelle, kann das Drehmoment in der zweiten Ebene mittels eines anderen Verfahrens bestimmt werden, das für höhere Drehzahlen besser geeignet ist und das beispielsweise auf der Basis von Statorgrößen funktioniert. Sinkt die Drehzahl wieder unter die Drehzahlschwelle ab, so kann umgekehrt auf das oben beschriebene Rotorfluss-basierende Verfahren zurückgewechselt werden.
Das Verfahren kann ferner ein Bestimmen eines Fehlerzustands umfassen, falls das Überwachungsmoment um mehr als ein vorbestimmtes Maß von einem Sollmoment abweicht. Das Sollmoment kann insbesondere als q-Komponente eines Raumzeigers im dq-System vorgegeben sein. Der Raumzeiger kann zur Steuerung der Asynchronmaschine mittels einer FOS oder FOR bereitgestellt sein.
Die Asynchronmaschine kann mittels einer FOR gesteuert werden, wobei im Rahmen der feldorientierten Steuerung ein Drehmoment der Asynchronmaschine bestimmt wird und ein Fehlerzustand bestimmt wird, falls das bestimmte Drehmoment um mehr als ein vorbestimmtes Maß vom Überwachungsmoment abweicht.
Eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Überwachungsmoments einer Asynchronmaschine mit mehreren Phasen umfasst Schnittstellen für Sensoren zur Abtastung von Phasenströmen, die durch die Phasen fließen, und einer Drehzahl und/oder eines Drehwinkels der Asynchronmaschine; und eine Verarbeitungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Phasenströme vom uvw-System ins dq-System zu transformieren; und das Überwachungsmoment auf der Basis einer q-Komponente der transformierten Phasenströme zu bestimmen.
Die Verarbeitungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, wenigstens einen Teil des oben beschriebenen Verfahrens durchzuführen. Ferner kann die Verarbeitungseinrichtung einen programmierbaren Mikrocomputer oder Mikrocontroller umfassen und das Verfahren kann als Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln auf der Verarbeitungseinrichtung ablaufen oder auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sein. Vorteile oder Merkmale, die bezüglich des Verfahrens genannt oder beschrieben sind, können auf die Vorrichtung übertragen werden und umgekehrt.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:

1 ein Schaltbild einer feldorientierten Regelung (FOR) für eine Asynchronmaschine;
2 ein System zur überwachten Steuerung einer Asynchronmaschine;
3 einen Stromzeiger in verschiedenen Koordinatensystemen;
4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen eines Überwachungsmoments der Asynchronmaschine im System von 2; und
5 einen Zusammenhang zwischen Drehmoment und Schlupf an einer Asynchronmaschine

1 zeigt eine beispielhafte feldorientierte Regelung 100 für eine Asynchronmaschine 105. Die Asynchronmaschine 105 kann zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug vorgesehen sein kann, zum Beispiel in einem elektrischen oder hybridisierten Antriebsstrang, in einer Servolenkung oder als Stellmotor. Insbesondere bei Einsatz der Asynchronmaschine 105 in einer sicherheitsrelevanten Anwendung, wo ein Steuerfehler einen materiellen Schaden oder einen Personenschaden hervorrufen kann, sollte die feldorientierte Regelung 100 überwacht werden, wie unten mit Bezug auf 2 noch genauer erläutert wird.
Die Asynchronmaschine 105 umfasst einen Stator 110, an dem drei exemplarische Phasen U, V und W angebracht sind, und einen Rotor 115, der drehbar bezüglich des Stators 110 gelagert ist. Jede Phase U, V, W (bzw. 1, 2, 3) umfasst eine Wicklung in der Asynchronmaschine 105 und ist mit einem Wechselrichter 102 verbunden, der bevorzugt in B6-Brückenschaltung mit drei Halbbrücken gebildet ist, um die Phasen U, V, W jeweils alternierend mit einem hohen und einem niedrigen Potential einer Zwischenkreisspannung Udc zu verbinden, sodass sich in Abhängigkeit eines Tastverhältnisses eine vorbestimmte Spannung an der jeweiligen Phase U, V, W einstellt. Der Wechselrichter 102 wird bevorzugt mittels PWM-Signalen (Pulsweitenmodulations-Signalen) angesteuert, die in der dargestellten Ausführungsform durch die feldorientierte Regelung 100 bereitgestellt werden.
Die feldorientierte Regelung kann als Vorrichtung 100 ausgeführt sein, um eine Steuerung des Drehverhaltens der Asynchronmaschine 105 auf der Basis eines vorgegebenen Raumzeigers i nach Art einer Vektorregelung durchzuführen. Dazu können Teile der Vorrichtung 100 insbesondere von einem programmierbaren Mikrocomputer umfasst sein und die Verarbeitung kann digital durchgeführt werden. Dabei werden die dargestellten Funktionsblöcke üblicherweise sequentiell durchlaufen. Die dargestellte feldorientierte Regelung 100 kann somit auch als Ablaufdiagramm für ein Verfahren 100 zum feldorientierten Steuern der Asynchronmaschine 105 aufgefasst werden.
Der Raumzeiger i ist in dq-Darstellung mit Komponenten IsdRef und IsqRef gegeben und liegt als Eingangsgröße vor. Die d-Komponente des Raumzeigers i ist einem magnetischen Fluss, und die q-Komponente einem Drehmoment der Asynchronmaschine 105 zugeordnet. Unterschiedliche Koordinatensysteme für den Raumzeiger i werden unten mit Bezug auf 3 noch genauer beschrieben.
Die Komponenten des Raumzeigers i werden über optionale Proportional-Integral-Glieder PI an eine Transformationseinrichtung 120 weitergegeben, die die Eingangsgrößen in drei Spannungen Us1, Us2, Us3 transformiert, die an den Phasen U, V, W der Asynchronmaschine 105 einzustellen sind. Optional können die bestimmten Spannungen anschließend mittels eines Begrenzers auf gültige Werte begrenzt werden, bevor ein PWM-Generator 125 auf der Basis der bestimmten Spannungen PWM-Signale PWM1, PWM2, PWM3 für den Wechselrichter 102 bestimmt, um die gewünschten Spannungen an den Phasen U, V, W der Asynchronmaschine 105 bereitzustellen.
Für die Regelung ist es erforderlich, Phasenströme Is1, Is2, Is3, die durch die Phasen U, V, W fließen, zu bestimmen. Dazu sind unterschiedliche Herangehensweisen möglich. In der dargestellten Ausführungsform werden die Phasenströme mittels Stromfühlern 135 abgetastet. Die Phasenströme Is1, Is2, Is3 werden auf der Basis eines Drehwinkels ω der Asynchronmaschine 105 mittels einer weiteren Transformationseinrichtung 170 ins dq-Koordinatensystem transformiert. Vorliegend wird der mechanische Drehwinkel Θ_mech der Asynchronmaschine 105 mittels eines Positionssensors 140 abgetastet, der beispielsweise als Anordnung von Hall-Sensoren oder Inkrementalgebern am Rotor 115 angebracht sein kann. Durch Multiplikation des mechanischen Drehwinkels Θ_mech mit der Polpaarzahl pz der Asynchronmaschine 105 kann der elektrische Drehwinkel Θ_el werden. Die mechanische Drehgeschwindigkeit ω_mech kann durch Ableiten des mechanischen Drehwinkels Θ_mech nach der Zeit bestimmt werden. Wird dieser Wert mit der Polpaarzahl pz multipliziert, so ergibt sich die elektrische Drehgeschwindigkeit ω_el.
Die transformierten Werte Isd, Isq der Phasenströme Is1, Is2, Is3 werden auf die Komponenten Isd_ref und Isq_ref des vorgegebenen Raumzeigers i addiert, bevor die entstehenden Summen an die PI-Glieder und dann an die Transformationseinrichtung 120 geführt werden. Die Zwischenkreisspannung Udc, die in verschiedenen Bestimmungsschritten verwendet wird, kann auf eine beliebige, bekannte Weise bestimmt werden.
Optional können die additiv zum Raumzeiger i rückgekoppelten Komponenten Isd, Isq mittels eines Entkopplers 145 auf der Basis der Drehgeschwindigkeit ω_el voneinander entkoppelt und als EMKd und EMKq additiv an den Eingang der Transformationseinrichtung 120 geführt werden. Ein optionales Positionsschätzmodell 150 stellt auf der Basis der PWM-Signale und der Phasenströme Is1, Is2, Is3 eine geschätzte Drehgeschwindigkeit _ω̂ und einen geschätzten Drehwinkel Θ̂ der Asynchronmaschine 105 bereit.
Bevorzugt ist ferner ein Temperatursensor 155 an der Asynchronmaschine 105 vorgesehen. Der Temperatursensor 155 ist bevorzugt zur Bestimmung der am Stator 110 herrschenden Temperatur eingerichtet. Der Temperatursensor 155 und die Stromsensoren 135 erfüllen bevorzugt eine vorbestimmte Sicherheitsanforderungsstufe, etwa ASIL-A, ASIL-B oder bevorzugt ASIL-C.
Die dargestellte feldorientierte Regelung 100 ist als beispielhaft zu verstehen. Es sind zahlreiche Varianten und Modifikationen der dargestellten Regelung 100 bekannt, die jedoch sämtlich auf das Grundprinzip der Vektorregelung der Asynchronmaschine 105 zurückgeführt werden können. Es ist zu beachten, dass auch andere Konzepte der Regelung der Asynchronmaschine 105 möglich sind, beispielsweise die direkte Selbstregelung (DSR), bei der Maschinenfluss und Drehmoment direkt und unabhängig voneinander geregelt werden können.
2 zeigt ein System 200 zur Steuerung der Asynchronmaschine 105. Das System 200 umfasst die oben beschriebene feldorientierte Regelung 100 sowie eine Vorrichtung 205 oder ein Verfahren 210 zur Überwachung oder Auswertung der feldorientierten Regelung 100. Die Vorrichtung 205 ist bevorzugt dazu eingerichtet, ein korrespondierendes Verfahren 210 zur Überwachung durchzuführen und kann insbesondere als programmierbarer Mikrocomputer realisiert sein. Mikrocomputer, die die feldorientierte Regelung 100 und die Vorrichtung 205 realisieren, können miteinander integriert oder voneinander getrennt ausgeführt sein.
Die feldorientierte Regelung 100 bildet zusammen mit der Asynchronmaschine 105 und dem Wechselrichter 102 eine erste Ebene 215 des Systems 200, und die Überwachung 205 bzw. 210 bildet zusammen mit einer Auswertung 225 eine zweite Ebene 220. Die zweite Ebene 220 ist bevorzugt dazu eingerichtet, die erste Ebene 215 zu kontrollieren oder funktional zu überwachen und ist von dieser möglichst unabhängig aufgebaut, sodass eine Fehlfunktion in der ersten Ebene 215 die Funktion der Überwachung der zweiten Ebene 220 möglichst nicht beeinträchtigt. Die Auswertung 225 kann ebenfalls als Verfahren oder als Vorrichtung angesehen werden. Die Vorrichtung 210 und die Überwachung 225 sind in diesem Sinne bevorzugt von einer gemeinsamen Steuervorrichtung 228 umfasst bzw. das Verfahren 210 und die Auswertung 225 sind bevorzugt dazu eingerichtet, mittels der gleichen Verarbeitungseinrichtung 228 durchgeführt zu werden.
In der ersten Ebene 215 wird auf der Basis eines vorbestimmten Sollmoments M_Soll die Asynchronmaschine 105 gesteuert, wie oben mit Bezug auf 1 genauer beschrieben ist. Das Sollmoment M_Soll kann insbesondere als q-Komponente des Raumzeigers i vorbestimmt sein, der zur Steuerung der Asynchronmaschine 105 vorgegeben ist. In der ersten Ebene 215 wird bevorzugt durch die feldorientierte Regelung 100 ein erstes Istmoment M_E1 bestimmt, das eine Berechnung des von der Asynchronmaschine 105 bereitgestellten Drehmoments ausdrückt. Die Bestimmung des ersten Istmoments M_E1 erfolgt auf der Basis von Mess- und Verarbeitungswerten der feldorientierten Steuerung 100 sowie gegebenenfalls Parametern der Asynchronmaschine 105.
In der zweiten Ebene 220 wird das von der Asynchronmaschine 105 bereitgestellte Drehmoment als M_E2 bestimmt. Dabei werden bevorzugt nur Mess- und Verarbeitungswerte verwendet, die auf der Basis von gesicherten Quellen bestimmt wurden, insbesondere Sensoren, die eine vorbestimmte Sicherheitsanforderungsstufe erfüllen. In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung 205 eine erste Schnittstelle 230 zur Verbindung mit dem Sensor 140 zur Abtastung eines auf eine Drehzahl der Asynchronmaschine 105 hinweisenden Signals, etwa eines Drehwinkels, einer Winkelgeschwindigkeit oder der Drehzahl; eine zweite Schnittstelle 235 zur Verbindung mit dem Sensor 135 zur Abtastung der Phasenströme Is bzw. IsMeas an den Phasen U, V, W (entsprechend den Strömen Is1, Is2, Is3 bzw. Isu, Isv, Isw) und optional eine dritte Schnittstelle 240 zur Verbindung mit dem Temperatursensor 155 zur Bestimmung einer Temperatur der Asynchronmaschine 105, insbesondere ihres Stators 110. Die Sensoren 135, 140 oder 155 stellen Messwerte bereit, die sowohl der ersten Ebene 215 als auch der zweiten Ebene 220 zur Verfügung gestellt werden können.
Die Auswertung 225 vergleicht das in der zweiten Ebene 220 bestimmte Überwachungsmoment M_E2 mit dem Sollmoment M_Soll oder dem in der ersten Ebene 215 bestimmte Istmoment M_E1. In einer weiteren Ausführungsform kann die Auswertung 225 auch dazu eingerichtet sein, das Sollmoment M_Soll mit dem Überwachungsmoment M_E2 zu vergleichen. Wird bei einem der Vergleiche eine Abweichung festgestellt, die über einem vorbestimmten Maß oder Schwellenwert liegt, so kann ein Fehler im System 200 bestimmt werden. Der Schwellenwert kann absolut, beispielsweise als eine Anzahl Nm (Newton mal Meter), oder relativ bezüglich des jeweiligen Vergleichsmoments oder eines maximalen Moments der Asynchronmaschine 105 bestimmt sein. Im Fehlerfall kann eine entsprechende Nachricht ausgegeben werden, um das Problem geeignet behandeln zu können. Die Nachricht kann die bestimmte Abweichung umfassen und es können auch noch weitere Parameter bereitgestellt werden. Es kann auch eine unmittelbare Reaktion in Form eines Eingriffs in die feldorientierte Steuerung 100 gesteuert werden, beispielsweise indem die Asynchronmaschine 105 angehalten oder in den Leerlauf gebracht wird. Beispielsweise kann der Wechselrichter 102 abgeschaltet werden, etwa indem die PWM-Eingänge des Wechselrichters 102 mit geeigneten Signalen überlagert oder von Ausgängen der feldorientierten Steuerung 100 getrennt werden.
Die Bestimmungen 205, 210 des Überwachungsmoments M_E2 und die Auswertung 225 können mittels einer gemeinsamen Verarbeitungseinrichtung 230 durchgeführt werden. Die Verarbeitungseinrichtung ist bevorzugt von einer Verarbeitungseinrichtung für die feldorientierte Regelung 100 verschieden aufgebaut, sodass eine gemeinsame Fehlerquelle („common cause error“) vermieden werden kann. Die Verarbeitungseinrichtung 230 kann insbesondere einen programmierbaren Mikrocomputer, Mikrocontroller oder ein FPGA umfassen und dazu eingerichtet sein, ein Verfahren in Form eines Computerprogrammprodukts abzuarbeiten. Das in dieser Anmeldung geschilderte Verfahren und die korrespondierende Vorrichtung sind zwei Ausprägungen der gleichen Idee, sodass Merkmale und Vorteile jeweils auch dem Gegenstand der anderen Kategorie zugeordnet werden können.
3 zeigt einen Stromzeiger i in verschiedenen Koordinatensystemen 300. Ein statorfestes Koordinatensystem 305 wird aß-Koordinatensystem 305 genannt und ist bezüglich des Stators 110 der Asynchronmaschine 105 definiert. Ein rotorfestes Koordinatensystem 310 wird auch kl-Koordinatensystem 310 genannt und ist bezüglich des Rotors 115 der Asynchronmaschine 105 definiert. Ein rotorflussfestes Koordinatensystem 315 wird auch dq-Koordinatensystem 315 genannt und ist bezüglich eines magnetischen Flusses Ψ_rd im Rotor 115 der Asynchronmaschine 105 definiert. Eine d-Achse des dq-Koordinatensystems 315 verläuft entlang des magnetischen Flusses Ψ_rd.
Zwischen der α-Achse des αβ-Koordinatensystems 305 und der k-Achse des kl-Koordinatensystems 315 liegt ein Winkel ϑ_r,el . Zwischen der α-Achse des αβ-Koordinatensystems 305 und der d-Achse des dq-Koordinatensystems 315 wird ein Winkel ϑ_s aufgespannt. Zwischen dem Stromzeiger i und der α-Achse des aß-Koordinatensystems 305 ist ein Winkel ϑ_i eingeschlossen.
I_sd, die d-Komponente des durch die Drehfeldmaschine 100 fließenden Stroms, wird als feldbildender Strom, und I_sq, die q-Komponente des durch die Drehfeldmaschine 100 fließenden Stroms, als drehmomentbildender Strom aufgefasst. Es wird vorgeschlagen, die Phasenströme aus dem uvw-System zunächst ins aß-System und von dort ins dq-System zu transformieren. Die q-Komponente der transformierten Phasenströme entspricht dann dem Drehmoment der Asynchronmaschine 105. Die erste Transformation kann mittels eines konstanten Transformationswinkels durchgeführt werden, für die zweite Transformation muss zunächst der Winkel ϑ_s zwischen der α-Achse des aß-Koordinatensystems 305 und der d-Achse des dq-Koordinatensystems 315 bestimmt werden. Es wird vorgeschlagen, den Transformationswinkel ϑ_s auf der Basis eines magnetischen Flusses im Rotor 115 der Asynchronmaschine 105 zu bestimmen.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zur Bestimmung des Überwachungsmoments M_E2 der Asynchronmaschine 105 des Systems 300 von 3. Das Verfahren 300 ist eine bevorzugte Implementation der Bestimmung 205 210 im System 300. Das Verfahren 300 kann insbesondere auf der Vorrichtung 205 des Systems 200 ausgeführt werden bzw. vom Verfahren 210 umfasst sein.
Das Verfahren 400 ist dazu eingerichtet, das durch die Asynchronmaschine 105 bereitgestellte Drehmoment in der zweiten Ebene 220 zu bestimmen. Für die Bestimmung werden bevorzugt ausschließlich Messwerte verwendet, deren Erhebung jeweils eine vorbestimmte Sicherheitsanforderungsstufe erfüllt. Insbesondere können entsprechend zertifizierte Sensoren verwendet werden. Die Sicherheitsanforderungsstufe kann beispielsweise als ASIL-Stufe angegeben sein und etwa ASIL-A oder höher (ASIL-B, ASIL-C etc.) betreffen. In der dargestellten Ausführungsform sind als abgesicherte Messwerte die Phasenströme I_su, I_sv und I_sw und die Drehzahl n bzw. der Drehwinkel der Asynchronmaschine 105 vorgesehen. Zusätzlich kann eine Temperatur TempSt der Asynchronmaschine 105, insbesondere ihres Stators 110, verwendet werden. Bestimmte Werte der zweiten Ebene 220, also Zwischenergebnisse, die auf gesicherten Messwerten oder Signalen basieren und somit selbst als gesichert gelten können, sind im Folgenden mit dem Index E2 oder ASIL gekennzeichnet (vgl. 2) und gelten bevorzugt ebenfalls als gesichert.
In einem Schritt 405 wird bevorzugt eine aß-Transformation der Phasenströme I_suvw durchgeführt. Die allgemeine aß-Transformation lautet: $[\begin{matrix} x_{α} \\ x β \end{matrix}] = \frac{2}{3} [\begin{matrix} 0 & - \frac{1}{2} & - \frac{1}{2} \\ 0 & \frac{\sqrt{3}}{2} & - \frac{\sqrt{3}}{2} \end{matrix}] {[\begin{matrix} x_{u} \\ x_{v} \\ x_{w} \end{matrix}]}_{.}$
Dabei ist x eine allgemeine Größe, für die hier der Phasenstrom Is eingesetzt wird.
In einem Schritt 410 werden die aß-Ströme mittels einer passiven Drehung (sinusförmig) zu dq-Gleichströmen transformiert. $[\begin{matrix} x_{d} \\ x_{q} \end{matrix}] = \frac{2}{3} [\begin{matrix} cos ϑ_{s} (t) & sin ϑ_{s} (t) \\ - sin ϑ_{s} (t) & cos ϑ_{s} (t) \end{matrix}] {[\begin{matrix} x_{α} \\ x_{β} \end{matrix}]}_{.}$
Auch hier ist x eine allgemeine Größe, für die der Phasenstrom Is eingesetzt wird.
Zur Durchführung dieser Drehung ist der Rotorflusswinkel ϑ_s erforderlich (vgl. 3), dessen Bestimmung im Folgenden genauer beschrieben wird.
In einem Schritt 415 wird ein Magnetisierungsstrom I_mE2 geschätzt. Es gilt: $τ_{r} = \frac{L_{r}}{R_{r_{,}}}$
wobei L_r die Induktivität des Rotors 115 und R_r der elektrische Widerstand des Rotors 115 ist. Für die Berechnung des Magnetisierungsstroms wird folgender Zusammenhang ausgenutzt: $\frac{d}{d t} I_{m E 2} = \frac{1}{τ_{r}} {(I_{s d E 2} - I_{m E 2})}_{_{_{.}}}$
Im Laplace-Bereich gilt außerdem: $I_{m E 2} = \frac{1}{s τ_{r} + 1} I_{s d E 2_{_{_{,}}}}$
wobei s der Laplace-Operator ist.
In einem Schritt 420 wird der Transformationswinkel ϑ_s bestimmt. Es gilt: $\frac{d}{d t} ϑ_{s} = ω_{s} = ω_{m} + \frac{1}{τ_{r}} \frac{I_{s q E 2}}{I_{m E 2}}$
und ϑ_s=∫ω_sdt.
Die hierfür benötigte Rotorkreisfrequenz ω_m lässt sich mittels eines Umrechnungsfaktors K aus der Drehzahl der Drehfeldmaschine 100 bestimmen: $K = p z {\frac{2 π}{60}}_{_{.}}$
Dabei ist pz die Polpaarzahl der Maschine 100.
Typischerweise hängt die Drehmomentberechnung von der Parametergüte der Drehfeldmaschine 100 ab. Deren Parameter wie τ_r, L_r, L_m oder R_r können über die Zeit variieren und insbesondere von einer Temperatur der Maschine 100 abhängig sein. Es ist daher bevorzugt, dass die Temperatur mittels des Temperatursensors 155 abgetastet wird, der eine vorbestimmte Sicherheitsanforderungsstufe, etwa ASIL-A, ASIL-B oder ASIL-C, erfüllt. Die Maschinenparameter können dann in einem Schritt 425 bestimmt bzw. nachgeführt werden. Für die Berechnung von R_r kann ein Rotortemperaturmodell in der Ebene 2 verwendet werden. Die Induktivitäten L_r oder L_m werden bevorzugt auf der Basis eines Sättigungsmodells der Maschine 100 nachgebildet.
Das Ebene-2-Drehmoment kann dann in einem Schritt 430 bestimmt werden: $M_{E 2} = \frac{3}{2} p z \frac{L_{m}^{2}}{L_{r}} I_{m E 2} \cdot I_{s q E 2}_{_{_{_{.}}}}$
Das in der zweiten Ebene 220 bestimmte Drehmoment M_E2 kann auf die gezeigte Weise vollständig auf der Basis von Messwerten bestimmt werden, die mittels Sensoren aufgenommen sind, die eine vorbestimmte Sicherheitsanforderungsstufe, etwa eine der Stufen ASIL-A bis ASIL-D, erfüllen. Dabei kann die Bestimmung unabhängig von der in der ersten Ebene 215 sein, sodass eine für beide Bestimmungen relevante gemeinsame Fehlerquelle vermieden sein kann.
Das Ebene-2-Drehmoment kann in der Auswertung 225 verwendet werden, um die Plausibilität des Ebene-1-Drehmoments zu überprüfen. Weichen die bestimmten Drehmomente M_E1 und M_E2 um mehr als ein vorbestimmtes Maß voneinander ab, so kann ein Fehler bestimmt werden. In diesem Fall kann die Drehfeldmaschine 100 in einen sicheren Zustand gebracht werden, beispielsweise durch Abschalten.
Bezugszeichenliste

100: feldorientierte Regelung (Vorrichtung bzw. Verfahren)
102: Wechselrichter
105: Asynchronmaschine
110: Stator
115: Rotor
120: Transformationseinrichtung
125: PWM-Generator
135: Stromfühler
140: Positionssensor
145: Entkoppler
150: Positionsschätzmodell
155: Temperatursensor
U, V, W: Phase bzw. Strang
200: System
205: Vorrichtung zur Überwachung
210: Verfahren zur Überwachung
215: erste Ebene (E1)
220: zweite Ebene (E2)
225: Auswertung
228: Vorrichtung
230: erste Schnittstelle (Drehzahl)
235: zweite Schnittstelle (Phasenströme)
240: dritte Schnittstelle (Temperatur)
M_Soll: Sollmoment
M_E1: Istmoment aus Ebene 1
M_E2: Überwachungsmoment (= Istmoment aus Ebene 2)
300: Koordinatensysteme
305: statorfestes Koordinatensystem (αβ)
310: rotorfestes Koordinatensystem (kl)
315: rotorflussfestes Koordinatensystem (dq)
400: Verfahren
405: αβ-transformieren
410: in dq-Gleichströme transformieren
415: Magnetisierungsstrom schätzen
420: Transformationswinkel bestimmen (Integrator)
425: Maschinenparameter nachführen
430: Drehmoment bestimmen

Claims

Verfahren (400) zum Bestimmen eines Überwachungsmoments (M_E2) einer elektrischen Asynchronmaschine (105) mit mehreren Phasen (U, V, W); wobei das Verfahren (400) folgende Schritte umfasst: Bestimmen von Phasenströmen (Is), die durch die Phasen fließen, und einer Drehzahl (n) und/oder eines Drehwinkels der Asynchronmaschine (105); Transformieren (405, 410) der Phasenströme vom uvw-System ins dq-System; und Bestimmen (430) des Überwachungsmoments (M_E2) auf der Basis einer q-Komponente der transformierten Phasenströme.
Verfahren (400) nach Anspruch 1, wobei das Überwachungsmoment (M_E2) zusätzlich auf der Basis eines Magnetisierungsstroms (Im) und wenigstens einem Maschinenparameter (L_r, R_r, L_m, zp) der Asynchronmaschine (105) bestimmt (425) wird.
Verfahren (400) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Phasenströme (Is) vom uvw-System zunächst ins aß-System (405) und von dort ins dq-System transformiert (410) werden.
Verfahren (400) nach Anspruch 3, wobei das Transformieren (410) mittels eines Transformationswinkels ₍ϑ_s) erfolgt, der mittels Integrieren (415) über eine Funktion bestimmt wird, die die Drehzahl (n), die q-Komponente der transformierten Phasenströme (Is), einen Magnetisierungsstrom (Im) und einen Maschinenparameter (L_r, R_r, L_m, zp) der Asynchronmaschine (105) umfasst.
Verfahren (400) nach Anspruch 4, wobei der Maschinenparameter wenigstens eines von einer Induktivität des Rotors (L_r), einem elektrischen Widerstand (R_r) des Rotors (115), einer Induktivität (L_r) des Stators (115) oder einer Polpaarzahl (zp) der Asynchronmaschine (105) umfasst.
Verfahren (400) nach Anspruch 5, wobei wenigstens einer der Maschinenparameter (L_r, R_r, L_m, zp) einer Temperatur (TempSt) der Asynchronmaschine (105) nachgeführt wird.
Verfahren (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Phasenströme (Is) und die Drehzahl (n) und/oder der Drehwinkel jeweils auf der Basis von Messwerten von Sensoren(135, 140, 155) bestimmt werden, die eine vorbestimmte Sicherheitsanforderungsstufe erfüllen.
Verfahren (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Drehzahl (n) der Asynchronmaschine (105) unter einem vorbestimmten Schwellenwert liegt.
Verfahren (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Bestimmen (225) eines Fehlerzustands, falls das Überwachungsmoment (M_E2) um mehr als ein vorbestimmtes Maß von einem Sollmoment abweicht.
Verfahren (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Asynchronmaschine (105) mittels einer feldorientierten Steuerung (100) gesteuert wird, im Rahmen der feldorientierten Steuerung (100) ein Drehmoment (M_E1) der Asynchronmaschine (105) bestimmt wird und ein Fehlerzustand bestimmt wird, falls das bestimmte Drehmoment (M_E1) um mehr als ein vorbestimmtes Maß vom Überwachungsmoment (M_E2) abweicht.
Vorrichtung zur Bestimmung eines Überwachungsmoments (M_E2) einer Asynchronmaschine (105) mit mehreren Phasen, wobei die Vorrichtung folgendes umfasst: Schnittstellen (230, 235, 240) für Sensoren (135, 140, 155) zur Abtastung von Phasenströmen (Is), die durch die Phasen (U, V, W) fließen, und einer Drehzahl (n) und/oder eines Drehwinkels der Asynchronmaschine (105); und eine Verarbeitungseinrichtung (228), die dazu eingerichtet ist, die Phasenströme (Is) vom uvw-System ins dq-System zu transformieren; sowie das Überwachungsmoment (M_E2) auf der Basis einer q-Komponente der transformierten Phasenströme zu bestimmen.