DE102021200814A1 - Verfahren zur Erfassung wenigstens eines Parameters einer elektrischen Maschine - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Erfassung wenigstens eines Parameters einer elektrischen Maschine (2), insbesondere einer elektrischen Maschine (2) eines Kraftfahrzeugs, wobei die elektrische Maschine (2) in einen Diagnosezustand überführt wird, in dem die elektrische Maschine (2) extern angetrieben und in einen aktiven Kurzschlusszustand versetzt wird, in dem die Phasen der elektrischen Maschine (2) kurzgeschlossen sind, wobei in dem Diagnosezustand der wenigstens eine Parameter der elektrischen Maschine (2) erfasst wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung wenigstens eines Parameters einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs.
• Verfahren zur Erfassung von Parametern von elektrischen Maschinen sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt, insbesondere um die Funktionsfähigkeit der elektrischen Maschine zu überprüfen. Beispielsweise können Fehler der elektrischen Maschine bzw. im Betrieb der elektrischen Maschine auftretende Störungen erfasst werden. Hierzu ist es beispielsweise bekannt, die elektrische Maschine während des Betriebs zu überwachen, zum Beispiel indem verschiedene Parameter der elektrischen Maschine, insbesondere Spannungen oder Ströme und dergleichen, erfasst werden und mit entsprechenden Sollparametern verglichen werden.
• Dabei ist zu berücksichtigen, dass durch den Betrieb der elektrischen Maschine, insbesondere einem von der elektrischen Maschine selbst erzeugten Antrieb, das Verhalten der elektrischen Maschine und der Parameter der elektrischen Maschine beeinflusst werden. Mit anderen Worten ist es dabei nicht möglich, das eigene Verhalten der elektrischen Maschine isoliert zu betrachten, da die elektrische Maschine selbst für den Antrieb verwendet wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein demgegenüber verbessertes Verfahren zur Erfassung wenigstens eines Parameters einer elektrischen Maschine anzugeben.
• Wie zuvor beschrieben, betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erfassung wenigstens eines Parameters einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs. Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine in einen Diagnosezustand überführt wird, in dem die elektrische Maschine extern angetrieben und in einen aktiven Kurzschlusszustand versetzt wird, in dem die Phasen der elektrischen Maschine kurzgeschlossen sind, wobei in dem Diagnosezustand der wenigstens eine Parameter der elektrischen Maschine erfasst wird.
• Die Erfindung beruht sonach auf der Erkenntnis, dass nach dem beschriebenen Verfahren die elektrische Maschine in einen Diagnosezustand überführt wird, um den wenigstens einen Parameter der elektrischen Maschine zu erfassen. In dem Diagnosezustand wird die elektrische Maschine extern angetrieben. D.h., dass beispielsweise ein Rotor der elektrischen Maschine nicht durch das Aufprägen entsprechender Ströme seitens der elektrischen Maschine angetrieben wird, sondern dass der Rotor extern, beispielsweise durch eine externe Drehmomenterzeugungseinrichtung bzw. durch einen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs, im Speziellen in einem Bremszustand, angetrieben wird. Der externe Antrieb bewirkt somit ein Antreiben der elektrischen Maschine, insbesondere eine Drehbewegung des Rotors, ohne dass die elektrische Maschine diesen Antrieb aktiv erzeugt. Vielmehr wird die elektrische Maschine somit passiv bewegt, da die Bewegung extern erzeugt wird und der Rotor der elektrischen Maschine letztlich „von außen“ bewegt wird. Der Rotor kann dazu mit einem Motor oder einer Getriebeeinrichtung einer Anordnung gekoppelt werden. Als Anordnung kann unter anderem ein Kraftfahrzeug oder ein Prüfstand verstanden werden.
• Während die elektrische Maschine extern angetrieben wird, wird die elektrische Maschine in dem Diagnosezustand in einen aktiven Kurzschlusszustand versetzt. Es ist ebenso möglich, den aktiven Kurzschlusszustand vor dem Beginn des externen Antriebs bzw. nach Beginn des externen Antriebs herzustellen. Der aktive Kurzschlusszustand zeichnet sich dadurch aus, dass die Phasen der elektrischen Maschine kurzgeschlossen sind. Beispielsweise sind alle, insbesondere all drei, Phasen der elektrischen Maschine auf einen Punkt geschlossen bzw. zusammengeschaltet. Dabei ist es vorteilhafterweise möglich, den wenigstens einen Parameter der elektrischen Maschine zu erfassen, da die elektrische Maschine letztlich fremd angetrieben ist und somit frei von Veränderungen der Parameter aufgrund eigener Regelung ist. Mit anderen Worten kann der wenigstens eine Parameter der elektrischen Maschine verbessert bestimmt werden, da die elektrische Maschine nicht selbst zum Erzeugen der Bewegung bzw. zum Erzeugen des Antriebs verwendet wird. Stattdessen wird das externe Antreiben der elektrischen Maschine ausgenutzt, um das Verhalten der elektrischen Maschine in dem erzeugten Diagnosezustand zu erfassen bzw. zu beurteilen.
• Insbesondere ist es dabei möglich, einen Zusammenhang der in dem aktiven Kurzschlusszustand erzeugten Strom mit der Drehzahl der elektrischen Maschine, die durch den externen Antrieb erzeugt wird, zu erfassen. Für die elektrische Maschine charakteristische Zusammenhänge bzw. Verläufe, beispielsweise der beschriebene Zusammenhang zwischen Drehzahl und Strom bzw. der Verlauf von Strömen, insbesondere in d-q-Koordinaten über der Drehzahl können in dem aktiven Kurzschlusszustand untersucht werden.
• Vorteilhafterweise ermöglicht dies eine Erkennung von potenziellen Fehlern in der elektrischen Maschine oder der Sensorik bzw. der Steuerungseinrichtung der elektrischen Maschine. Dadurch können kritische Betriebszustände bzw. Fehlerzustände der elektrischen Maschine frühzeitig erkannt werden, beispielsweise bereits während der Montage oder in verschiedenen Betriebszuständen während der Nutzung. Letztlich ist es möglich, ohne nennenswerten zusätzlichen Aufwand, insbesondere Hardware-Aufwand den Diagnosezustand herzustellen. Dabei wird der aktive Kurzschlusszustand ausgenutzt, um Fehler im elektrischen Antrieb bzw. in der elektrischen Maschine und der ihr zugeordneten Sensorik, Steuerungseinrichtung bzw. Wechselrichter, zu detektieren. Dabei kann eine Vielzahl potenzieller Fehler in der elektrischen Maschine erfasst werden, zum Beispiel Kurzschlüsse, Phasenabrisse, Entmagnetisierungen, Fehler in Stromsensoren, Positionssensoren und dergleichen.
• Nach einer Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der wenigstens eine in dem Diagnosezustand erfasste Parameter der elektrischen Maschine mit einem Sollparameter verglichen wird, wobei in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses ein Zustandsparameter erzeugt wird. Dabei ist es möglich, den Zustandsparameter nur dann auszugeben, wenn der Zustand der elektrischen Maschine auf einen Fehler bzw. eine Störung hindeutet. Selbstverständlich ist es ebenso möglich, den Zustandsparameter der elektrischen Maschine stets auszugeben. Als Fehlerzustand bzw. Störung der elektrischen Maschine kann dabei insbesondere ein Zustand verstanden werden, bei dem der erfasste Parameter signifikant von einem Sollparameter abweicht. Dafür kann eine Grenze definiert werden, die angibt, ab wann die elektrische Maschine ausreichend von ihrem Sollverhalten abweicht, um einen Fehlerzustand festzustellen.
• Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Sensorwert erfasst und mit wenigstens einem Sollwert verglichen wird, insbesondere einen Fluss und/oder eine Induktivität und/oder eine Magnetisierung betreffend. Nach dieser Ausgestaltung können Sensorwerte erfasst bzw. ausgelesen werden, die einen Fluss, insbesondere den Statorfluss oder den Rotorfluss, Induktivitäten, die Magnetisierung oder Ähnliches betreffen. Dadurch können Kurzschlüsse, Offsets in Sensoren, Gain-Fehler und dergleichen entdeckt bzw. ermittelt werden. Liegt keine derartige Störung bzw. kein derartiger Fehler vor, ist es ebenso möglich, den fehlerfreien Betrieb und Zustand der elektrischen Maschine zu verifizieren.
• Wie zuvor beschrieben, ist es möglich, einen Grenzwert festzulegen, insbesondere ein Toleranzband für den wenigstens einen Parameter. Der Grenzwert kann dabei insbesondere berechnet oder definiert werden. Der Grenzwert kann dafür vorgesehen sein, Abweichungen bzw. Streuungen in der Herstellung der elektrischen Maschine bzw. im Betrieb auftretende Abweichungen zu berücksichtigen. Ein entsprechendes Toleranzband kann daher dazu beitragen, Fehlalarme zu reduzieren, da die Streuungen in der Herstellung und im Betrieb der elektrischen Maschine berücksichtigt werden können. Ferner können Abweichungen in Sensoren, beispielsweise Erwärmung während des Betriebs, elektromagnetische Störungen oder sonstige Abweichungen und Offsets einbezogen werden.
• Dabei ist es möglich, den Grenzwert absolut oder prozentual, beispielsweise 5 % des Sensorwerts, zu definieren. Ebenso ist es möglich, den Grenzwert empirisch festzulegen. Zum Beispiel kann in Kenntnis eines Normverhaltens einer ähnlichen oder baugleichen elektrischen Maschine ein entsprechender Grenzwert festgelegt werden, der angibt, bis zu welchem Wert des jeweiligen Parameters die elektrische Maschine als „in Ordnung“ bzw. „funktionierend“ erachtet wird. Zum Beispiel kann eine für die jeweiligen Parameter ermittelte Kurve anhand einer solchen für gut befundenen Maschine ermittelt werden. Selbstverständlich können eine Vielzahl von Parametern ermittelt und entsprechende Grenzen bzw. Grenzwerte festgelegt werden.
• Bei der zuvor beschriebenen Ausgestaltung ist es insbesondere möglich, dass bei Überschreiten und/oder Unterschreiten des festgelegten Grenzwerts unmittelbar oder nach einer Mindestdauer oder bei Übersteigen eines definierten Integratorwerts eine Aktion ausgelöst wird, insbesondere eine Fehlermeldung ausgegeben und/oder in den Betrieb der elektrischen Maschine eingegriffen, insbesondere die elektrische Maschine abgestellt, wird. Mit anderen Worten ist es somit möglich, wie zuvor beschrieben, den wenigstens einen Parameter der elektrischen Maschine zu erfassen und festzustellen, wie der ermittelte Parameter in Bezug auf den festgelegten Grenzwert liegt. Dabei kann der Grenzwert eine Obergrenze bzw. eine Untergrenze oder ein Toleranzband für den Parameter darstellen bzw. vorsehen. Überschreitet bzw. unterschreitet der erfasste Parameter den festgelegten Grenzwert ist es möglich, eine entsprechende Aktion auszulösen. Die Aktion kann beispielsweise in der Ausgabe einer Fehlermeldung bestehen bzw. es kann ein Eingriff in den Betrieb der elektrischen Maschine ausgelöst werden, zum Beispiel eine Korrektur wenigstens eines Betriebsparameters. Deutet das Verletzen des Grenzwerts auf eine signifikante Störung im Betrieb der elektrischen Maschine hin, ist es auch möglich, die elektrische Maschine abzustellen bzw. stillzulegen.
• Dabei kann die entsprechende Aktion direkt bei Überschreiten bzw. Unterschreiten des festgelegten Grenzwerts ausgelöst werden, wobei die Aktion unmittelbar oder nach einer Mindestdauer ausgelöst werden kann. Bei Berücksichtigung einer Mindestdauer kann berücksichtigt werden, dass kurzzeitige Schwankungen im Betrieb der elektrischen Maschine bzw. Messfehler verbessert berücksichtigt werden können, sodass diese nicht unnötigerweise zu einem Fehlalarm oder einem unnötigen Eingriff in den Betrieb der elektrischen Maschine führen. Ebenso können die Überschreitungen bzw. Unterschreitungen eines festgelegten Grenzwerts zu einem Integratorwert aufsummierten bzw. aufintegriert werden, wobei das Auslösen der Aktion an das Übersteigen des definierten Integratorwerts gekoppelt werden kann. Dabei können für wenigstens zwei verschiedene Parameter wenigstens zwei verschiedene Auslösemechanismen der Aktion festgelegt werden. Beispielsweise kann für einen ersten Parameter unmittelbar bei Überschreiten oder Unterschreiten des festgelegten Grenzwerts eine Aktion ausgelöst werden, wobei bei wenigstens einem zweiten Parameter eine Mindestdauer abgewartet werden kann bzw. das Übersteigen eines definierten Integratorwerts abgewartet werden kann.
• Das Verfahren kann insbesondere während einer Montage der elektrischen Maschine, insbesondere manuell oder zumindest teilweise automatisiert, durchgeführt werden. Zum Beispiel kann dies in einem definierten Verfahrensschritt während des Montageverfahrens der elektrischen Maschine, beispielsweise im Rahmen einer sogenannten „End-of-line“-Prüfung durchgeführt werden. Dabei kann der Kurzschlusszustand manuell durch entsprechendes Kurzschließen der Phasen der elektrischen Maschine hergestellt werden oder es ist möglich, den Kurzschlusszustand steuerungseinrichtungsseitig herzustellen, beispielsweise durch Erzeugen entsprechender PWM-Signale auf die Phasen der elektrischen Maschine. Da man für die entsprechende Erzeugung des d-Stroms und des q-Stroms die Position des Rotors der elektrischen Maschine benötigt, ist es vorteilhaft, wenn zu dem bestimmten Schritt in dem Montageverfahren die Steuerungseinrichtung bereits mit der elektrischen Maschine verbunden ist. Beispielsweise können alle drei Phasen mit dem gleichen PWM-Wert beaufschlagt werden, sodass der aktive Kurzschlusszustand hergestellt werden kann.
• Nach einer weiteren Alternative des Verfahrens kann das Verfahren während eines Betriebs der elektrischen Maschine, insbesondere in einem Bremszustand, durchgeführt werden. Dabei ist es möglich, während des Betriebs des Kraftfahrzeugs, beispielsweise in einem Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs, das die elektrische Maschine aufweist, den zuvor beschriebenen Diagnosezustand herzustellen, d.h., dass die elektrische Maschine extern angetrieben und in den aktiven Kurzschlusszustand versetzt wird. Dabei können insbesondere Zustände der elektrischen Maschine bzw. Betriebszustände des Kraftfahrzeugs ausgenutzt werden, in denen die elektrische Maschine ohnehin kurzgeschlossen werden soll, beispielsweise um eine überhöhte Drehzahl oder eine Überlastung zu vermeiden. Der aktive Kurzschlusszustand der elektrischen Maschine kann dabei für die vorgesehene Zeit ausgenutzt werden, um den Zustand der elektrischen Maschine zu bewerten bzw. Fehler in der elektrischen Maschine, der Sensorik oder der Steuerungseinrichtung zu detektieren.
• Bei einer Ausführung des Verfahrens während des Betriebs der elektrischen Maschine, insbesondere bei einem Wechsel von einer feldorientierten Regelung in den zuvor beschriebenen Diagnosezustand, kann die Erfassung des wenigstens einen Parameters nach einer Einschwingzeit durchgeführt werden. Mit anderen Worten wird eine Einschwingzeit abgewartet, bis der Diagnosezustand hergestellt wird bzw. bis der wenigstens eine Parameter in dem Diagnosezustand erfasst wird. Dies ermöglicht vorteilhafterweise, dass ein Einschwingverhalten abgewartet werden kann bzw. eine Einschwingung abklingen kann, bevor die Erfassung des Parameters erfolgt. Dadurch kann die Erfassung des Parameters verbessert werden, da die Phase, in der die entsprechenden Werte der Parameter bei einem Wechsel in den Diagnosezustand verzerrt vorliegen, abgewartet werden kann. Insbesondere können dabei bei einem Umschalten auf den aktiven Kurzschlusszustand während eines normalen Betriebszustands der elektrischen Maschine bei hohen Drehzahlen Sprünge in den Strömen der elektrischen Maschine entstehen, die erst nach einem definierten Zeitabstand einen stationären Verlauf annehmen.
• Die Sollströme können nach dem beschriebenen Verfahren insbesondere basierend auf $I_{sdAKS\left(k\right)}=\frac{\left(2\ast T_{Ed}-T\right)}{\left(2\ast T_{Ed}+T\right)}\ast I_{sdAKS\left(k-1\right)}+\frac{T_{Eq}\ast T}{\left(2\ast T_{Ed}+T\right)}\ast {\omega }_s\ast \left(I_{sqAKS\left(k-1\right)}+I_{sqAKS\left(k-1\right)}\right)$

  

  und $I_{sqAKS\left(k\right)}=\frac{\left(2\ast T_{Eq}-T\right)}{\left(2\ast T_{Eq}+T\right)}\ast I_{sdAKS\left(k-1\right)}-\frac{T_{Ed}\ast T}{\left(2\ast T_{Eq}+T\right)}\ast {\omega }_s\ast \left(I_{sdAKS\left(k-1\right)}+I_{sdAKS\left(k-1\right)}\right)-$

  

  $-\frac{{\psi }_{PM}\ast T}{R_s\ast \left(2\ast T_{Eq}+T\right)}\ast 2\ast {\omega }_{s\left(k\right)}$

  

  berechnet werden. Wobei
• - I_sdAKS(k): die Stromkomponente der elektrischen Maschine entlang der d-Achse während des aktiven Kurzschlusszustands zum aktuellen Zeitpunkt (k),
• - I_sdAKS(k-1): die Stromkomponente der elektrischen Maschine entlang der d-Achse während des aktiven Kurzschlusszustands beim vorherigen Abtastschritt (k-1),
• - I_sqAKS(k): die Stromkomponente der elektrischen Maschine entlang der q-Achse während des aktiven Kurzschlusszustands zum aktuellen Zeitpunkt (k), und
• - I_sqAKS(k-1): die Stromkomponente der elektrischen Maschine entlang der q-Achse während des aktiven Kurzschlusszustands beim vorherigen Abtastschritt (k-1) betrifft.
• Dabei wird mit „(k-1)“ ein zuvor vorliegender bzw. alter Wert aus einem zuvor vorliegenden bzw. alten Abtastschritt bezeichnet. Für das Umschalten von normalem Betrieb auf aktiven Kurzschlusszustand braucht man Startwerte (I_sdAKs(k-1), I_sqAKS(k-1)), damit der ideale berechnete Strom in dem aktiven Kurzschlusszustand unmittelbar korrekt ermittelt wird. Die Berechnung der Ströme soll nur beim Umschalten auf einen aktiven Kurzschlusszustand durchgeführt werden, damit man keinen unnötigen Rechenaufwand während des normalen Betriebs der elektrischen Maschine verursacht.
• Die Startwerte der Ströme in dem aktiven Kurzschlusszustand können insbesondere durch Umformen der Gleichungen $$0=R_s\ast I_{sd}+L_{sd}\ast \frac{d{I}_{sd}}{dt}-L_{sq}\ast {\omega }_s\ast I_{sq}$$

  

  $$0=R_s\ast I_{sq}+L_{sq}\ast \frac{d{I}_{sq}}{dt}-L_{sd}\ast {\omega }_s\ast I_{sd}+{\psi }_{PM}\ast {\omega }_s$$

  

  in Annahme eines stationären Zustands ermittelt werden. Die Startwerte berechnen sich somit für die d-Achse bzw. die q-Achse nach: $$I_{sdStart}=-\frac{{\psi }_{PM}\ast {\omega }_s^2\ast L_{sq}}{R_s^2+L_{sd}\ast L_{sq}\ast {\omega }_s^2,}{I}_{sqStart}=-\frac{{\psi }_{PM}\ast {\omega }_s\ast R_s}{R_s^2+L_{sd}\ast L_{sq}\ast {\omega }_{s.}^2}$$

  
• Transformiert man die beiden zuvor genannten Gleichungen im s-Bereich, erhält man $$I_{sd}\ast \left(R_s+L_{sd}\ast s\right)=L_{sq}\ast {\omega }_s\ast I_{sq}{\text{und I}}_{sq}\ast \left(R_s+L_{sq}\ast s\right)=-L_{sd}\ast {\omega }_s\ast I_{sd}-{\psi }_{PM}\ast {\omega }_s.$$

  
• Durch Einfügen der elektrischen Zeitkonstanten T_Ed, T_Eq in beiden Achsen ergibt sich $$I_{sd}\ast R_s\ast \left(1+E_E{}_d\ast s\right)=L_{sq}\ast {\omega }_s\ast I_{sq}$$

  

  und $$I_{sq}\ast R_s\ast \left(1+T_{Eq}\ast s\right)=-L_{sd}\ast {\omega }_s\ast I_{sd}-{\psi }_{PM}\ast {\omega }_s.$$

  
• Durch Anwendung des Tustin-Verfahrens mit Gleichung $s=\frac{2}{T}\frac{z-1}{z+1}$

  

  kann von einem kontinuierlichen System zu einem diskreten System übergegangen werden. Durch die Diskretisierung der kontinuierlichen Gleichungen mit dem Abtastschritt T (entspricht in der Regel dem Regler-Zyklus) erhält man nach Einsetzung in die vorhergehenden Gleichungen für die d-Achse $$I_{sd}\ast R_s\ast \left(1+T_{Ed}\ast \left(\frac{2}{T}\ast \frac{1-Z^{-1}}{1+Z^{-1}}\right)\right)=L_{sq}\ast {\omega }_s\ast I_{sq}$$

  

  und für die q-Achse $$I_{sd}\ast R_s\ast \left(1+T_{Eq}\ast \left(\frac{2}{T}\ast \frac{1-Z^{-1}}{1+Z^{-1}}\right)\right)=-L_{sd}\ast {\omega }_s\ast I_{sd}-{\psi }_{PM}*{\omega }_s$$

  
• Auflösen nach I_sd und I_sq unter Berücksichtigung, dass die Drehzahl bzw. die Winkelgeschwindigkeit für die Stromänderung innerhalb eines Abtastschrittes T quasikonstant bleiben, ergibt: $$I_{sd\left(k\right)}=\frac{\left(2\ast T_{Ed}-T\right)}{\left(2\ast T_{Ed}+T\right)}\ast I_{sd\left(k-1\right)}+\frac{T_{Eq}\ast T}{\left(2\ast T_{Ed}+T\right)}\ast {\omega }_s\ast \left(I_{sq\left(k\right)}+I_{sq\left(k-1\right)}\right)$$

  

  und $$\begin{array}{l}{I}_{sd\left(k\right)}=\frac{\left(2\ast T_{Eq}-T\right)}{\left(2\ast T_{Eq}+T\right)}\ast I_{sq\left(k-1\right)}-\frac{T_{Ed}\ast T}{\left(2\ast T_{Eq}+T\right)}\ast {\omega }_s\ast \left(I_{sq\left(k\right)}+I_{sq\left(k-1\right)}\right)\\ -\frac{{\psi }_{PM}\ast T}{R_s\ast \left(2\ast T_{Eq}+T\right)}\ast 2\ast {\omega }_{s\left(k\right)}\end{array}$$

  
• Dabei bezeichnet:
• - I_sd(k): die Stromkomponente der elektrischen Maschine entlang der d-Achse zum aktuellen Zeitpunkt (k)
• - Isd (k-1): die Stromkomponente der elektrischen Maschine entlang der d-Achse beim vorherigen Abtastschritt (k-1)
• - Isq (k): die Stromkomponente der elektrischen Maschine entlang der q-Achse zum aktuellen Zeitpunkt (k)
• - Isq (k-1): die Stromkomponente der elektrischen Maschine entlang der q-Achse beim vorherigen Abtastschritt (k-1).
• Die vorhergehenden Gleichungen betreffen die Kurzschlussströme der elektrischen Maschine und sind abhängig von der Drehzahl. Für eine bessere Berechnung der Ströme in dem aktiven Kurzschlusszustand unter Berücksichtigung des diskreten Systems im Mikrocontroller und unter Vermeidung von algebraischen Schleifen, wird nur der Strom I_sq(k-1) vom alten Abtastschritt und nur der Strom I_sd(k-1) vom alten Abtastschritt verwendet. Dadurch werden die beiden Achsen bei der Berechnung besser entkoppelt, da in der Regel nur sehr kleine Abtastschritte T verwendet werden.
• Daneben betrifft die Erfindung eine Steuerungseinrichtung für eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs, welche Steuerungseinrichtung zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung, umfassend eine elektrische Maschine und eine zuvor beschriebene Steuerungseinrichtung. Die Anordnung kann dabei insbesondere ein Kraftfahrzeug betreffen, das eine elektrische Maschine und eine Steuerungseinrichtung aufweist, wobei das Verfahren beispielsweise bei einem Betrieb des Kraftfahrzeugs durchgeführt werden kann. Daneben kann die Anordnung auch einen Prüfstand betreffen, der beispielsweise im Rahmen eines Montageverfahrens der elektrischen Maschine eingesetzt werden kann. Dabei kann der Prüfstand wenigstens ein Mittel vorsehen, das derart mit der elektrischen Maschine gekoppelt wird, dass diese durch das Mittel, zum Beispiel eine Antriebseinrichtung, extern angetrieben wird. Auf der Steuerungseinrichtung kann, wie zuvor beschrieben, das Verfahren durchgeführt werden, sodass der wenigstens eine Parameter der elektrischen Maschine in dem Diagnosezustand ermittelt werden kann.
• Ersichtlich sind sämtliche Vorteile, Einzelheiten und Merkmale, die in Bezug auf das Verfahren beschrieben wurden, vollständig auf die Steuerungseinrichtung und auf die Anordnung übertragbar.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Die Figuren sind schematische Darstellungen und zeigen:
• 1 eine Anordnung, umfassend eine elektrische Maschine und eine Steuerungseinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel; und
• 2 ein Schaltbild des Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel.
• 1 zeigt eine Anordnung 1, umfassend eine elektrische Maschine 2, eine Steuerungseinrichtung 3 und eine externe Antriebseinrichtung 4. Die Anordnung 1 kann beispielsweise als Prüfstand verstanden werden, wobei die elektrische Maschine 2 mit ihrer Steuerungseinrichtung 3 verbunden ist und wenigstens ein Parameter der elektrischen Maschine 2 erfasst werden kann. Die elektrische Maschine 2 kann dazu in einen Diagnosezustand überführt werden, in dem die elektrische Maschine 2 von der externen Antriebseinrichtung 4 angetrieben werden kann. Beispielsweise kann ein Rotor, der nicht näher dargestellt ist, der elektrischen Maschine 2 mit der Antriebseinrichtung 4 verbunden werden und somit extern angetrieben werden.
• Die Anordnung 1 kann ebenso als Kraftfahrzeug verstanden werden, bei der die elektrische Maschine 2 mit einer externen Antriebseinrichtung 4 gekoppelt ist, beispielsweise mit einem Motor oder einem Getriebe bzw. einer Getriebeeinrichtung des Kraftfahrzeugs. Dadurch kann der Rotor der elektrischen Maschine 2 auf entsprechende Drehzahlen beschleunigt werden, sodass ein externer Antrieb der elektrischen Maschine 2, bei der die elektrische Maschine 2 den Rotor nicht selbst aktiv antreibt, vorliegt. Ferner kann in einem solchen Diagnosezustand die elektrische Maschine 2 aktiv kurzgeschlossen werden, d.h., dass die Phasen der elektrischen Maschine 2 auf denselben Punkt geschaltet bzw. miteinander zusammengeschaltet sind.
• 2 zeigt eine Darstellung zum Ablauf des Verfahrens. Dabei werden zunächst die Ströme I_sdAKS und I_sqAKS in dem Kurzschlusszustand in dq-Koordinaten berechnet. Dies erfolgt anhand von Parametern der elektrischen Maschine, insbesondere anhand des Statorwiderstands R_s, der Induktivitäten I_sd und L_sq, sowie des Flusses Ψ und der Winkelgeschwindigkeit ω_s. Die Berechnung erfolgt dabei insbesondere basierend auf den Gleichungen: $$I_{sdAKS\left(k\right)}=\frac{\left(2\ast T_{Ed}-T\right)}{2\ast T_{Ed}+T}\ast I_{sdAKS\left(k-1\right)}+\frac{T_{Eq}\ast T}{\left(2\ast T_{Ed}+T\right)}\ast {\omega }_s\ast \left(I_{sqAKS\left(k-1\right)}+I_{sqAKS\left(k-1\right)}\right),$$

  

  $$\begin{array}{l}{I}_{sqAKS\left(k\right)}=\frac{\left(2\ast T_{Eq}-T\right)}{2\ast T_{Eq}+T}\ast I_{sqAKS\left(k-1\right)}-\frac{T_{Ed}\ast T}{\left(2\ast T_{Eq}+T\right)}\ast {\omega }_s\ast \left(I_{sdAKS\left(k-1\right)}+I_{sdAKS\left(k-1\right)}\right)\\ -\frac{{\psi }_{PM}\ast T}{R_s\ast \left(2\ast T_{Eq}+T\right)}\ast 2\ast {\omega }_{s\left(k\right)}\end{array}$$

  
• Dadurch kann der d-Strom und der q-Strom der elektrischen Maschine 2 zu jedem Zeitpunkt und mit jeder Drehzahl der elektrischen Maschine 2 bei einem aktiven Kurzschluss berechnet werden. Dabei kann insbesondere die Streuung der Parameter der elektrischen Maschine 2 sowie eine Streuung in der Sensorik, beispielsweise eines Stromsensors 6 und eines Positionssensors 7 berücksichtigt werden. Dazu kann ein Grenzwert für den d-Strom und den q-Strom ermittelt oder festgelegt werden. Der Grenzwert kann entweder eine Obergrenze oder Untergrenze darstellen oder als Toleranzband um den ermittelten idealen Verlauf der d-q-Ströme aus zuvor beschriebenen Gleichungen festgelegt werden. Ebenso ist es möglich, eine Kennlinie in Abhängigkeit der Drehzahl empirisch zu ermitteln, beispielsweise anhand einer zuvor als für in Ordnung befundenen elektrischen Maschine 2, die baugleich oder ähnlich zu der zu testenden elektrischen Maschine 2 ist.
• Anhand der ermittelten Grenzwerte für die d,q-Ströme ist es möglich, zu entscheiden, ob die entsprechend erfassten Ströme während des aktiven Kurzschlusszustands in einem durch die Toleranz der elektrischen Maschine 2 und deren Sensorik bzw. Steuerungseinrichtung 3 bedingten Rahmen liegen oder ob eine Störung bzw. ein Fehler der elektrischen Maschine 2, der Sensorik oder der Steuerungseinrichtung 3 vorliegt.
• Zu Beginn des Verfahrens können die zuvor genannten Maschinenparameter, die Drehzahl, die Winkelgeschwindigkeit und die Ströme einem Block 5 zugeführt werden, der für den aktiven Kurzschlusszustand steht. Wird, wie zuvor beschrieben, der Diagnosezustand während des Herstellungsverfahrens bzw. während des Montageverfahrens der elektrischen Maschine 2 durchgeführt, kann zunächst ein Signal „AKS_Case“ auf 1 gesetzt und die elektrische Maschine 2 kann anhand eines Setzens eines PWM-Signals PWM_1,2,3 auf einen gleichen Wert (z.B. 50%) für die einzelnen Phasen in den aktiven Kurzschlusszustand versetzt bzw. in diesem betrieben werden.
• Während der Beschleunigung der elektrischen Maschine 2 auf unterschiedliche Drehzahlen werden auch gleichzeitig die aktuellen d,q-Ströme der elektrischen Maschine 2 aus den gemessenen Phasenströmen I_su, I_sv und I_sw und dem elektrischen Winkel ermittelt. Diese können von beispielhaft dargestellten Stromsensoren 6 bzw. einem Positionssensor 7 einem Block 8 zugeführt werden. Dabei soll die Sensorik 6, 7 (für Position und Strom) bereits in einem vorherigen Schritt abgestimmt sein.
• Anschließend kann ermittelt werden, ob die gemessenen Ströme I_sdAKSMeas, I_sqAKSMeas innerhalb ermittelter Grenzen I_sdAKS-Max, I_sdAKSMin (für den d-Strom) und I_sqAKSMax, I_sqAKSMin (für den q-Strom) liegen. Ist dies der Fall, so zeigt die elektrische Maschine 2 sowie die Sensorik 6, 7 (Position, Strom) zumindest keine kritischen Fehler. Liegen die gemessenen Ströme I_sdAKSMeas und I_sqAKsMeas außerhalb dieser Grenzen, so werden die Abweichungen in einer zusätzlichen Auswertungsebene bearbeitet, um eine Aussage über Fehler in der elektrischen Maschine 2 oder Sensorik 6, 7 zu treffen. Die Auswertungsebene kann durch einen entsprechenden Algorithmus gebildet werden.
• Hier werden als Beispiel drei Alternativen erläutert:
• Als erste Alternative kann die d,q-Grenze in dem aktiven Kurzschlusszustand überwacht werden. Dabei kann erfasst werden, ob die Grenze (I_sdAKSMin/Max sowie I_{sqAKS-Min/Max}) durch die gemessenen Ströme I_sdAKS und I_sqAKS überschritten wird. Trifft dies zu, so kann sofort ein Fehlersignal „Fault-Signal“ auf 1 gesetzt und damit einen Fehler an eine übergeordnete Überwachungsebene gemeldet werden.
• Als zweite Alternative der Auswertung kann erst dann ein Fehler gemeldet werden, wenn die Grenzen (I_{sdAKS-Min/Max} sowie I_sqAKSMin/Max) eine Mindestzeit ΔT_fault lang von den gemessenen Strömen I_sdAKS und I_sqAKS überschritten wurden, um einzelne Peaks in den Messungen nicht überzubewerten. Letztlich wird dabei untersucht, ob ein erfasster Fehler eine Mindestzeit vorliegt oder ob es sich dabei um eine Signalschwankung bzw. nur eine kurzzeitig auftretende Abweichung von einem Sollsignal handelt. Dadurch ist es insbesondere möglich, dass Fehlalarme bzw. fälschlicherweise gemeldete oder ausgegebene Fehler vermieden werden können.
• Als dritte Alternative der Auswertung kann die Differenz der beiden Ströme (I_sdAKS-I_{s-dAKSMax/Min} sowie I_sqAKS-I_sqMax/Min) aufintegriert werden, wenn die zuvor festgelegte Grenze überschritten wird. Erst bei Überschreiten eines zuvor definierten Integrator-Wertes einer schon definierten Grenze (InteglsdMax, InteglsqMax) wird ein Fehler gemeldet. Mit anderen Worten wird hierbei bei Überschreiten der definierten Grenze bzw. des Grenzwerts ein Fehler erfasst, wobei bei jeder Überschreitung ein entsprechender Integratorwert aufaddiert wird. Erst wenn eine zuvor definierte Grenze für den Integratorwert überschritten wird, kann ein Fehler ausgegeben werden. Dies trägt ebenfalls dazu bei, dass erst bei einem tatsächlich vorliegenden Fehler in der elektrischen Maschine 2 bzw. einer längeren Abweichung von einem Normverhalten ein entsprechender Fehler ausgegeben bzw. in den Betrieb der elektrischen Maschine 2 eingegriffen wird.
• Für den Fall, dass die Diagnose während des normalen Betriebs der elektrischen Maschine 2, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug in einem Fahrzustand, eingesetzt wird, können zusätzliche Faktoren berücksichtigen werden. Zunächst ist es möglich, dass standardmäßig während des normalen Betriebes kein Diagnosezustand und auch kein aktiver Kurzschlusszustand eingenommen wird. Erst bei einem notwendigen Einsatz des Verfahrens, beispielsweise wenn betriebsbedingt ohnehin ein aktiver Kurzschlusszustand eingenommen werden soll, insbesondere bei einer Abbremsung der elektrischen Maschine 2, zum Beispiel wegen Derating in der Drehzahl oder der Ströme, kann die elektrische Maschine 2 bzw. die Steuerungseinrichtung 3 in den Diagnosezustand und somit in den aktiven Kurzschlusszustand überführt werden. Selbstverständlich ist es dabei möglich, den Diagnosezustand unabhängig von dem Vorliegen eines Bremszustands zu verwenden. Vorteilhafterweise wird jedoch ein ohnehin auszuführender Bremszustand dazu verwendet, das Verfahren zur Erfassung des wenigstens einen Parameters durchzuführen, da die elektrische Maschine 2 ohnehin in den Kurzschlusszustand überführt wird. Der Kurzschlusszustand kann somit zur Erfassung verwendet werden, sodass zur Erfassung kein zusätzlicher Zeitraum verloren geht.
• Dabei werden zum Zeitpunkt der Aktivierung bzw. zum Einnehmen des aktiven Kurzschlusszustands oder Herstellen des aktiven Kurzschlusszustands die d,q-Ströme (I_sdstart, I_sqStart) aus den zuvor beschriebenen Gleichungen als Startwerte für die Ströme IsdAKS(k-1) und IsqAKS(k-1) in Abhängigkeit der Drehzahl der elektrischen Maschine 2 verwendet. Danach werden die erwarteten d,q-Ströme in dem aktiven Kurzschlusszustand in der fehlerfreien bzw. idealen elektrischen Maschine 2 und deren Sensorik 6, 7 bzw. Steuerungseinrichtung 3 berechnet.
• Mit den bereits bekannten Grenzwerten bzw. Toleranzbändern können die Grenzen (I_sdAKSMax, I_sdAKSMin) sowie (I_sqAKSMax, I_sqAKSMin) für die konkret vorliegende elektrische Maschine 2, Steuerungseinrichtung 3 und Sensorik 6, 7 ermittelt werden. Wegen der Einschwingzeit der Ströme in der elektrischen Maschine 2 bei einem Umschalten aus einem normalen Betrieb, beispielsweise einer feldorientierten Regelung auf einen aktiven Kurzschlusszustand, ist eine Mindestzeitabstand ΔT_einschw zu berücksichtigen, bis sich stationäre Ströme in der elektrischen Maschine 2 einstellen. Erst nach diesem Mindestzeitabstand kann der Vergleich der gemessenen d,q-Ströme mit den erlaubten Grenzen durchgeführt werden. Die Auswertung der Abweichungen kann dabei wie zuvor beschrieben durchgeführt werden.
• Bezugszeichenliste

1

Anordnung

2

elektrische Maschine

3

Steuerungseinrichtung

4

externe Antriebseinrichtung

5

Block

6

Stromsensor

7

Positionssensor

8

Block

Claims (11)

1. Verfahren zur Erfassung wenigstens eines Parameters einer elektrischen Maschine (2), insbesondere einer elektrischen Maschine (2) eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (2) in einen Diagnosezustand überführt wird, in dem die elektrische Maschine (2) extern angetrieben und in einen aktiven Kurzschlusszustand versetzt wird, in dem die Phasen der elektrischen Maschine (2) kurzgeschlossen sind, wobei in dem Diagnosezustand der wenigstens eine Parameter der elektrischen Maschine (2) erfasst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine in dem Diagnosezustand erfasste Parameter der elektrischen Maschine (2) mit einem Sollparameter verglichen wird, wobei in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses ein Zustandsparameter erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sensorwert erfasst und mit wenigstens einem Sollwert verglichen wird, insbesondere einen Fluss und/oder eine Induktivität und/oder eine Magnetisierung betreffend.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Grenzwert, insbesondere ein Toleranzband für den wenigstens einen Parameter festgelegt, insbesondere berechnet oder definiert, wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten und/oder Unterschreiten des festgelegten Grenzwerts unmittelbar oder nach einer Mindestdauer oder bei Übersteigen eines definierten Integratorwerts eine Aktion ausgelöst wird, insbesondere eine Fehlermeldung ausgegeben und/oder in den Betrieb der elektrischen Maschine (2) eingegriffen, insbesondere die elektrische Maschine (2) abgestellt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren während einer Montage der elektrischen Maschine (2), insbesondere manuell oder zumindest teilweise automatisiert, durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren während eines Betriebs der elektrischen Maschine (2), insbesondere in einem Bremszustand, durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere bei einem Wechsel von einer feldorientierten Regelung in den Diagnosezustand, die Erfassung des wenigstens einen Parameters nach einer Einschwingzeit durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sollströme basierend auf $$I_{sdAKS\left(k\right)}=\frac{\left(2\ast T_{Ed}-T\right)}{\left(2\ast T_{Ed}+T\right)}\ast I_{sdAKS\left(k-1\right)}+\frac{T_{Eq}\ast T}{\left(2\ast T_{Ed}+T\right)}\ast {\omega }_s\ast \left(I_{sqAKS\left(k-1\right)}+I_{sqAKS\left(k-1\right)}\right)\text{und}$$

   

   $$I_{sqAKS\left(k\right)}=\frac{\left(2\ast T_{Eq}-T\right)}{\left(2\ast T_{Eq}+T\right)}\ast I_{sqAKS\left(k-1\right)}-\frac{T_{Ed}\ast T}{\left(2\ast T_{Eq}+T\right)}\ast {\omega }_s\ast \left(I_{sdAKS\left(k-1\right)}+I_{sdAKS\left(k-1\right)}\right)-$$

   

   $$\frac{{\psi }_{PM}\ast T}{R_s\ast \left(2\ast T_{Eq}+T\right)}\ast 2\ast {\omega }_{s\left(k\right)}$$

   

   berechnet werden.
10. Steuerungseinrichtung (3) für eine elektrische Maschine (2) eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (3) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist.
11. Anordnung (1), umfassend eine elektrische Maschine (2) und eine Steuerungseinrichtung (3) nach dem vorangehenden Anspruch.

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