Titel

Verfahren, Vorrichtung und System zum Betreiben einer rotierenden elektrischen Maschine

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer rotierenden elektrischen Maschine. Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zum Berechnen einer Signalverzögerung einer Rotorlage-Erfassungseinrichtung der rotierenden elektrischen Maschine, ein Verfahren zum Berechnen eines Winkeloffsets der Rotorlage- Erfassungseinrichtung und ein Verfahren zum Steuern und/oder Regeln der rotierenden elektrischen Maschine sowie jeweils entsprechende Vorrichtungen. Sie betrifft weiterhin ein System zum Betreiben einer rotierenden elektrischen Maschine.

STAND DER TECHNI K

Bei dem Betreiben von rotierenden elektrischen Maschinen, insbesondere bei dem Regeln oder Steuern, kann es nötig sein, einen Rotorlagewinkel eines Rotors der rotierenden elektrischen Maschine zu bestimmen. Dies ist beispielsweise bei der Steuerung und/oder Regelung von Synchronmaschinen, etwa permanent erregten Synchronmaschinen oder elektrisch erregten Synchronmaschinen der Fall. Solche Synchronmaschinen werden zum Beispiel in Hybrid- und Elektrofahrzeugen eingesetzt. Zum Ermitteln des Rotorlagewinkels sind verschiedene Sensorarten bekannt, beispielsweise digitale Winkelgebersignale, Resolver, etc. Elektronische Schaltungen mit charakteristischen Totzeiten können zu einer Signalverzögerung des Rotorlagewinkel-Signals führen, welches eine Information über den Rotorlagewinkel zur Weiterverarbeitung übermittelt. Signalverzögerungen in der Messkette des Rotorlagewinkelsignals führen je nach Drehzahl der rotierenden elektrischen Maschine zu unterschiedlichen Winkelfehlern oder

Winkeloffsets. Der Winkeloffset ist eine, im Allgemeinen drehzahlabhängige, Differenz zwischen einem tatsächlichen Rotorlagewinkelwert und einem Rotorlagewinkelwert, welcher etwa als Input für eine Steuerung verwendet wird. Dabei ist der Wnkeloffset umso größer, je schneller sich der Rotor der elektrischen Maschine dreht (hohe Drehzahl) und je größer die Signalverzögerung, d.h. die Totzeit, einer entsprechenden Elektronik ist. Insbesondere bei rotierenden elektrischen Maschinen mit einer großen Polpaarzahl ist es vorteilhaft, den Winkeloffset möglichst genau zu bestimmen. Die Signalverzögerung der Rotorlage- Erfassungseinrichtung, welche Rotorlagewinkel-Messwerte des Rotors ermitteln kann, bzw. darin enthaltener Einzelbauteile, ist von Herstellern üblicherweise innerhalb eines bestimmen Toleranzbereichs angegeben. Die Signalverzögerung einer konkreten Rotorlage- Erfassungseinrichtung bzw. ihrer Einzelbauteile variiert in diesem Toleranzbereich, kann aber über die Lebensdauer der Rotorlage-Erfassungseinrichtung im Wesentlichen konstant sein.

Die EP 1 308 696 A2 beschreibt einen Wnkelmesser mit Offset-Kompensation, welcher einen zu messenden Wnkel auf der Grundlage eines entsprechenden Sinus-Signals und Kosinus-Signals bestimmt. Ein weiterhin darin beschriebenes Verfahren zur Offset- Kompensation besteht darin, die Amplitude des Kosinus- und/oder Sinus-Signals zu ermitteln und den zugehörigen Offsetwert auf der Grundlage des ermittelten Amplitudenwertes zu bestimmen.

OFFEN BARUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren mit den Merkmalen des

Patentanspruchs 1 , eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 sowie ein System mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11.

Vorteile der Erfindung

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass bei dem Betreiben einer rotierenden elektrischen Maschine das Ermitteln der Signalverzögerung einer Rotorlage-Erfassungseinrichtung eine besonders genaue Berechnung eines

drehzahlabhängigen Winkeloffsets des Rotorlagewinkels ermöglicht. Basierend auf dem besonders genau berechneten Winkeloffsets des Rotorlagewinkels kann die rotierende elektrische Maschine beispielsweise besonders effizient gesteuert und/oder geregelt werden.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Signalverzögerung einer Rotorlage-Erfassungseinrichtung basierend auf Rotorlagewinkel-Messwerten zu bestimmen. Somit können Anforderungen an die Signalverarbeitung des Winkelsignals bezüglich

Totzeiten verringert werden. Dadurch wird die Benutzung kostengünstigerer Bauteile etwa in der Rotorlage-Erfassungseinrichtung möglich. Weiterhin kann durch Kompensation der Totzeit ein wirkungsgradoptimaler Betrieb der rotierenden elektrischen Maschine

sichergestellt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.

Gemäß einer bevorzugen Weiterbildung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt: Berechnen eines konstanten Winkeloffset-Anteils aus dem bestimmten ersten und/oder dem bestimmten zweiten Winkeloffsets unter Verwendung der berechneten

Signalverzögerung. Der konstante Wnkeloffset-Anteil kann maßgeblich durch die Einbaulage des Rotors in einer elektrischen Maschine bestimmt sein. Durch die Berechnungen des konstanten Wnkeloffset-Anteils kann es möglich sein, in bestimmten Fällen eine

Nachjustierung der Einbaulage des Rotors vorzunehmen. Der konstante Wnkeloffset-Anteil kann einmalig, aber auch regelmäßig oder auf Anforderung eines Benutzers berechnet werden. Beispielsweise kann der konstante Wnkeloffset-Anteil neu berechnet werden, wenn das Fahrzeug in einen Unfall verwickelt war.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung kann das Verfahren den Schritt aufweisen: Berechnen eines dritten Wnkeloffsets bei einer dritten Drehzahl des Rotors als Summe des konstanten Wnkeloffset-Anteils und des Produkts aus der ermittelten Signalverzögerung und der dritten Drehzahl des Rotors. Das Berechnen des dritten Offsets kann beliebig oft wiederholt werden und kann somit als Korrekturfaktor für einen Rotorlagewinkel-Messwert der Rotorlage-Erfassungseinrichtung dienen. Das heißt, Funktionen, welche einen möglichst genauen Wert für die Rotorlagewinkel des Rotors bei einer bestimmten Drehzahl benötigen, können einen Rotorlagewinkel-Messwert der Rotorlage-Erfassungseinrichtung verwenden, welcher um den berechneten drehzahlabhängigen dritten Wnkeloffset, welcher mit der bestimmten Drehzahl berechnet wurde, erhöht oder erniedrigt wurde. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt auf: Steuern und/oder Regeln der rotierenden elektrischen Maschine basierend auf dem berechneten dritten Winkeloffset. Somit kann die rotierende elektrische Maschine besonders effizient betrieben werden, da die Steuer- bzw. Regeleinrichtung stets über einen sehr genauen Wert für den Rotorlagewinkel verfügt, welcher dem tatsächlichen

Rotorlagewinkel besonders nahe kommt. Der Wrkungsgrad der rotierenden elektrischen Maschine kann sich dadurch erheblich verbessern. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens ein weiterer Winkeloffset bestimmt, welcher jeweils eine Differenz zwischen je einem weiteren ermittelten Rotorlagewinkel-Messwert und dem Rotorlagewinkel- Referenzwert ist. D.h. es können dritte, vierte, fünfte, usw. Rotorlagewinkel-Messwerte des Rotors bei im Wesentlichen dritten, vierte, fünften, usw. Drehzahlen des Rotors mittels der Rotorlage-Erfassungseinrichtung der rotierenden elektrischen Maschine ermittelt werden. Das Berechnen der Signalverzögerung kann weiterhin auf den bestimmten weiteren

Winkeloffsets basieren.

Beispielsweise kann die Signalverzögerung oder die Totzeit mit Hilfe eines

Optimierungsalgorithmus berechnet werden. Es können aber auch jeweils zwei ermittelte Rotorlage-Messwerte dazu verwendet werden, einen Signalverzögerungswert zu berechnen, wobei die Signalverzögerung schließlich durch eine Mittelwertbildung der berechneten Signalverzögerungswerte berechnet wird. Die Mittelwertbildung kann dabei auch eine gewichtete Mittelwertbildung sein. Beispielsweise könnte bekannt sein, dass bei einer hohen oder niedrigen Drehzahl besonders genaue Rotorlagewinkel-Messwerte ermittelt werden können. In diesem Fall könnten etwa Signalverzögerungswerte, welche auf ermittelten Rotorlagewinkel-Messwerten bei im Wesentlichen solchen Drehzahlen basieren, bei der gewichteten Mittelwertbildung besonders stark gewichtet werden. Das heißt, die gewichtete Mittelwertbildung kann auf bekannten Messungenauigkeiten der Rotorlage- Erfassungseinrichtung basieren, beispielsweise auf drehzahlabhängigen

Messungenauigkeiten. Es ist auch denkbar, beispielsweise zum Ausgleichen bekannter Messungenauigkeiten der Rotorlage-Erfassungseinrichtung, jeweils solche Rotorlagewinkel-Messwerte zum Berechnen Signalverzögerungswerts heranzuziehen, welche bei im Wesentlichen solchen Drehzahlen ermittelt wurden, dass sich bekannte Messungenauigkeiten der Rotorlage- Erfassungseinrichtung gegenseitig weitgehend aufheben.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird als Rotorlage-Referenzwert eine bekannte Rotorlage an einem Schnittpunkt von zwei verketteten Spannungsverläufen an der rotierenden elektrischen Maschine bestimmt. Bei den Spannungsverläufen kann es sich um Verläufe von Ein- und/oder Ausgangsspannungen der elektrischen Maschine handeln. Es kann sich etwa um Außenleiterspannungen eines Drei-Phasen-Wechselstroms handeln. Der Schnittpunkt von zwei verketteten Spannungsverläufen bei nahezu konstanter Drehzahl des Rotors stellt eine eindeutige Rotorposition da. Damit steht zu diskreten Zeitpunkten ein Referenzsignal für die Rotorlage, also ein Rotorlage-Referenzwert, zur Verfügung, indem ein Phasenspannungsvergleich durchgeführt wird. Alternativ kann der Rotorlage-Referenzwert auch über den Verlauf von Kurzschlussströmen der rotierenden elektrischen Maschine bestimmt werden, da die Kurzschlussströme ähnliche Referenzpunkte bezüglich der Rotorposition aufweisen.

Gemäß einer bevorzugen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die

Recheneinrichtung weiterhin dazu ausgebildet, einenkonstanten Winkeloffset-Anteil aus dem bestimmten ersten und/oder dem bestimmten zweiten Winkeloffset unter Verwendung der berechneten Signalverzögerung zu berechnen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung ist die Recheneinrichtung weiterhin dazu ausgebildet, einen dritten Wnkeloffset bei einer dritten Drehzahl des Rotors als Summe des konstanten Winkeloffset-Anteils und des Produkts aus der ermittelten Signalverzögerung und der dritten Drehzahl des Rotors zu berechnen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Recheneinrichtung weiterhin dazu ausgebildet, die rotierende elektrische Maschine basierend auf dem berechneten dritten Winkeloffset zu steuern. Die rotierende elektrische Maschine kann auch derart ausgebildet sein, dass sie basierend auf dem berechneten dritten Winkeloffset geregelt wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Flussdiagramm zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen

Verfahrens zum Betreiben einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein schematisches Flussdiagram zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen

Verfahrens zum Betreiben einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Systems zum Betrieb einer rotierenden

elektrischen Maschine REM gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 1 zeigt ein schematisches Flussdiagramm zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der Beschreibung der Fig. 1 wird zum Teil auch auf Bezugszeichen verwiesen, welche Elemente der Fig. 3 beschreiben.

Das Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform geht von einem Winkeloffset des

Rotorlagewinkels, d.h. einer Differenz zwischen einem ausgegebenen Rotorlagewinkelwert und dem tatsächlichen elektrischen Rotorlagewinkel aus, welcher durch die folgende Formel beschrieben werden kann: Δφ\ = φοίί+ Tt · ωί.

Δφ beschreibt dabei einen i-ten Winkeloffset, <poff einen konstanten Wnkeloffset-Anteil, Tt eine Totzeit, d.h. eine Signalverzögerung, und ooi eine i-te Drehzahl des Rotors der rotierenden elektrischen Maschine REM.

In einem Verfahrensschritt S01 wird ein Rotorlage-Referenzwert <pref eines Rotors einer rotierenden elektrischen Maschine REM, etwa einer Synchronmaschine, bestimmt. Dazu wird ein Schnittpunkt von zwei verketteten Spannungsverläufen bei nahezu konstanter Drehzahl ω des Rotors ermittelt, welche eindeutig einer Rotorposition, d.h. einem

Rotorlagewinkelwert zugeordnet werden kann. Der zugeordnete Rotorlagewinkelwert wird zu dem Rotorlagewinkel-Referenzwert <pref bestimmt. Es kann beispielsweise ein Schnittpunkt verwendet werden, welcher zeitlich am wenigsten zurück liegt. In einem weiteren Schritt S02 wird ein erster Rotorlagewinkel-Messwerts φ1 des Rotors im Betrieb mit im Wesentlichen einer ersten Drehzahl ω1 des Rotors mittels der Rotorlage- Erfassungseinrichtung REE der rotierenden elektrischen Maschine REM ermittelt. Mit„im Wesentlichen" ist dabei gemeint, dass die erste Drehzahl ω1 - und alle weiteren Drehzahlen ooi - technisch bedingt im Rahmen eines kleinen Fehlers variieren können.

In einem weiteren Schritt S03 wird ein zweiter Rotorlagewinkel-Messwerts ψ2 des Rotors im Betrieb mit im Wesentlichen einer zweiten Drehzahl ω2 des Rotors mittels der Rotorlage- Erfassungseinrichtung REE der rotierenden elektrischen Maschine REM ermittelt.

In einem weiteren Schritt S04 wird ein erster Winkeloffset Δφ1 als Differenz zwischen dem ersten Rotorlagewinkel-Messwert <p1 und dem Rotorlagewinkel-Referenzwert <pref bestimmt. Das heißt, Δφ1 = ψ - <pref. Dies kann durch eine Recheneinrichtung CAL erfolgen, welche mit der Rotorlage-Erfassungseinrichtung REE gekoppelt ist.

In einem weiteren Schritt S05 wird ein zweiter Wnkeloffset Ä<p2 als Differenz zwischen dem zweiten Rotorlagewinkel-Messwert ψ2 und dem Rotorlagewinkel-Referenzwert <pref bestimmt. Das heißt, Δφ2 = ψ2 - <pref. Dieses Bestimmen kann ebenfalls durch die

Recheneinrichtung CAL erfolgen.

In einem weiteren Schritt S06 wird eine Signalverzögerung, genauer eine Totzeit Tt der Rotorlage-Erfassungseinrichtung REE, basierend auf dem bestimmten ersten Wnkeloffset Δφ1 , dem bestimmten zweiten Winkeloffset Δφ2, der ersten Drehzahl ω1 des Rotors und der zweiten Drehzahl ω2 des Rotors berechnet. Gemäß der ersten Ausführungsform erfolgt das Berechnen S06 mittels der Formel: Tt = (Δφ1 - Δφ2)/(ω1 -ω2).

Dieses Bestimmen kann ebenfalls durch die Recheneinrichtung CAL erfolgen.

Das Berechnen S06 der Totzeit, etwa durch die Recheneinrichtung CAL, kann für die Rotor- lage-Erfassungseinrichtung REE beispielsweise einmalig, aber auch kontinuierlich, in regelmäßigen Abständen oder auf Anforderung eines Benutzers durchgeführt werden. Erfolgt das Berechnen S06 in regelmäßigen Abständen, kann beispielsweise auch eine sich mit zunehmendem Alter der Rotorlage-Erfassungseinrichtung REE verändernde

Signalverzögerung berücksichtigt und somit kompensiert werden. Die ersten und zweiten Drehzahlen ω1 , ω2 können vorbestimmte Drehzahlen sein, sie können aber auch zufällig ausgewählt werden, beispielsweise bei jedem erneuten Berechnen der Totzeit aufs Neue. Das Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform - oder ein anderes erfindungsgemäßes Verfahren - kann auch jeweils mehrmals hintereinander, etwa mit immer wieder

unterschiedlichen ersten und zweiten Drehzahlen ω1 , ω2 erfolgen, wobei beispielsweise ein Mittelwert aus den einzelnen berechneten Totzeitwerten gebildet wird, um ein Endergebnis für die Totzeit zu erhalten. Fig. 2 zeigt ein schematisches Flussdiagram zur Erläuterung eines Verfahrens zum

Betreiben einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Das Verfahren gemäß der zweiten Ausführungsform weist dieselben Schritte auf wie das Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform und weist zusätzlich die folgenden Schritte auf: In einem Schritt S07 wird ein konstanter Winkeloffset-Anteil <poff aus dem bestimmten ersten und/oder dem bestimmten zweiten Winkeloffset Δφ1 , Δφ2 unter Verwendung der

berechneten Signalverzögerung Tt berechnet. Gemäß der zweiten Ausführungsform erfolgt dies mittels der Formel Δφ1 = <poff+Tt · ω1 , also <poff = Δφ1 - Tt · ω1. Alternativ könnte auch die Formel <poff = Δφ2 - Tt · ω2 verwendet werden. Es können auch beide Formeln verwendet werden. Es kann etwa ein genauerer konstanter Wnkeloffset-Anteil <poff bestimmt werden, indem ein Mittelwert aus den Ergebnissen der beiden Formeln berechnet wird. Wrd eine Vielzahl von Winkeloffsets Δφ bestimmt, kann auch ein - gewichteter oder

ungewichteter - Mittelwert von Einzelergebnissen berechnet werden, um einen besonders genauen konstanten Winkeloffset-Anteil zu berechnen. Die Berechnungen können durch die Recheneinrichtung CAL erfolgen.

In einem weiteren Schritt S08 wird ein dritter Wnkeloffset Ä<p3 bei einer dritten Drehzahl ω3 des Rotors als Summe des konstanten Winkeloffset-Anteils <poff und des Produkts aus der ermittelten Signalverzögerung Tt und der dritten Drehzahl des Rotors ω3 berechnet. Das heißt, Δψ2> = <poff + Tt · ω3. Wrd alternativ eine andere Formel für die Berechnung eines Winkeloffsets verwendet, kann auch diese andere Formel dazu verwendet werden, den dritten Winkeloffset Δψ2> zu berechnen. Dies kann ebenfalls durch die Recheneinrichtung CAL erfolgen. In einem weiteren Schritt S09 wird die rotierende elektrische Maschine REM basierend auf dem berechneten dritten Winkeloffset Δψ2> gesteuert und/oder geregelt. Das Steuern S09 kann durch eine Steuereinrichtung CTR erfolgen, welche mit der Rotorlage- Erfassungseinrichtung REE und/oder mit der Recheneinrichtung CAL gekoppelt ist.

Insbesondere kann eine permanenterregte Synchronmaschine oder eine elektrisch erregte Synchronmaschine, deren Rotor sich mit der dritten Drehzahl ω3 dreht, basierend auf einem Rotorlagewinkel gesteuert werden, welcher sich aus dem Summieren eines mittels der Rotorlage-Erfassungseinrichtung REE ermittelten dritten Rotorlagewinkel-Messwerts und des berechneten dritten Winkeloffsets Δφ3 ergibt. Das heißt, der dritte Winkeloffset Δφ3, welcher mit der dritten Drehzahl ω3 berechnet wurde, kann zum Betreiben der

Synchronmaschine bei der dritten Drehzahl ω3 kompensiert werden.

Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht eines Systems zum Betrieb einer rotierenden elektrischen Maschine REM gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß Fig. 3 sind mit der rotierenden elektrischen Maschine REM die Rotorlage- Erfassungseinrichtung REE, die Steuereinrichtung CTR und die Recheneinrichtung CAL gekoppelt.