BITZER, Matthias (Schoenauer Str. 12a, Stuttgart, 70569, DE)
VOLLMER, Ulrich (Schulstr. 42, Bissingen, 73266, DE)
BITZER, Matthias (Schoenauer Str. 12a, Stuttgart, 70569, DE)
Ansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung von Positionsinformationen der Rotorwelle einer elektrischen Maschine (12), anhand eines dem Drehwinkel zuordenbaren Sensorsignals und mindestens einem Eingangssignals (13, 14) der elektrischen Maschine (12), wobei die Bestimmung durch die folgenden Schritte erfolgt: - Erfassen eines dem Drehwinkel zuordenbaren Sensorsignals und des mindestens einem
Eingangssignals (13, 14) zu einem Zeitpunkt t k ;
Bestimmen der Positionsinformationen der Rotorwelle zu einem Zeitpunkt t k aus dem erfassten Sensorsignal und dem mindestens einen Eingangssignal (13, 14); Erfassen eines dem Drehwinkel zuordenbaren Sensorsignals und des mindestens einem Eingangssignals (13, 14) zu einem Zeitpunkt t k+ i;
Bestimmen der Positionsinformationen der Rotorwelle zu einem Zeitpunkt t k+ i aus dem erfassten Sensorsignal und dem mindestens einen Eingangssignal (13, 14); dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsinformationen der Rotorwelle zwischen den Zeitpunkten t k und t k+ i mittels ei- nes Kaiman-Filters (11, 44), basierend auf dem erfassten, dem Drehwinkel zuordenbaren
Sensorsignal und dem mindestens einen Eingangssignal (13, 14) zu einem Zeitpunkt t k bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Drehwinkel zuorden- baren Sensorsignal ein ereignisdiskretes Signal ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangssignal (13, 14) ein Strangstrom, ein Lastmoment oder eine Drehzahl ist.
4. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (12) eine Synchronmaschine, insbesondere eine permanenterregte Synchronmaschine ist.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Drehwinkel zuordenbare Sensorsignal eine Auflösung zwischen 0,01° - 10° hat.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaiman-Filter (11, 44) ein lineares Modell (45) oder ein nicht- lineares Modell (47) anwendet.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass anstelle des mindestens einen Eingangssignals (13, 14) der elektrischen Maschine (12) mindestens ein Ausgangssignal (15, 16) der elektrischen Maschine (12) verwendet wird.
8. Vorrichtung derart eingerichtet, um die Positionsinformationen der Rotorwelle einer elektri- sehen Maschine (12), entsprechend dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 7 zu bestimmen mit einer Winkelmesseinrichtung, um ein dem Drehwinkel zuordenbaren Sensorsignals zu erfassen, einer Messeinrichtung, um das mindestens eine Eingangssignals (13, 14) der elektrischen Maschine zu erfassen, einer Berechnungseinrichtung, um die Positionsinformationen der Rotorwelle aus dem erfassten Sensorsignal und dem mindestens einen Eingangssignal (13, 14) zu bestimmen, und einem Kaiman-Filter (11, 44), sowie einer
Messeinrichtung für das mindestens eine Eingangssignal (13, 14), um die Positionsinformationen der Rotorwelle zwischen zwei Positions-Erfassungen zu bestimmen.
9. Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 7 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft.
10. Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 7, wenn das Programm auf einem Computer oder Steuergerät ausgeführt wird. |
Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zur Positionserfassung der Rotorwelle einer permanenterregten Synchronmaschine
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur Positionserfassung der Rotorwelle einer permanenterregten Synchronmaschine.
Bei der Momentenregelung für elektrische Maschinen, beispielsweise im Bereich der hybriden Antriebstechnik, wird ein hoch aufgelöstes Winkelsignal mit entsprechender Sensorik, z.B. ein hochauflösender Resolver, benötigt. Alternativ kann auch eine niedrig auflösende Winkelsensorik verwendet werden, sofern dann zusätzlich Software-Funktionen eingesetzt werden, die aus der niedrig aufgelösten Positionsinformation ein hochaufgelöstes Winkelsignal extrahieren. Aus dem Stand der Technik sind dazu Verfahren bekannt, welche mittels einer linearen Extrapolation der vergangenen Signale entsprechend geschätzte Signale bis zur nächsten Messung liefern. Aufgrund von Fertigungstoleranzen der einzelnen Winkelsensoren können bei dieser Extrapolation zwi- sehen den einzelnen Messwerten große Fehler entstehen. Diese Fehler können sich wiederum negativ auf die Funktionalität, sowie die Güte der Regelung auswirken.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 weist vorteilhaft eine hohe Genauigkeit bei der Bestimmung der Signale und eine hohe Robustheit gegenüber Störgrößen auf. Dadurch, dass die Positionsinformationen der Rotorwelle zwischen den
Zeitpunkten t k und t k+ i mittels eines Kaiman-Filters, basierend auf dem erfassten, dem Drehwinkel zuordenbaren Sensorsignal und des mindestens einen Eingangssignals zu einem Zeitpunkt t k bestimmt werden, kann auf eine lineare Extrapolation verzichtet werden. Ein Entstehen von großen Fehlern / Abweichungen zwischen den einzelnen Messwerten wird vorteilhaft vermieden. Dies bietet ferner den Vorteil, dass ein niedrig aufgelöster und damit kostengünstiger Winkelsensor verwendet werden kann. Des Weiteren ist durch die Kombination des Winkelsensors mit dem Kaiman-Filter eine Verbesserung der Genauigkeit der Positionsinformationen der Rotorwelle der elektrischen Maschine möglich. Auch ist es möglich, aufgrund der robusten Struktur des Kaiman- Filters, dass bei dem Winkelsensor eine Toleranzaufweitung möglich ist, wodurch die Komplexi- tat und die Fertigungskosten der Vorrichtung weiter verringert werden können.
Vorteilhafte Ausbildungen und Weiterentwicklungen der Erfindung werden durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Maßnahmen ermöglicht.
In einem bevorzugen Ausführungsbeispiel ist das dem Drehwinkel zuordenbaren Sensorsignal ein ereignisdiskretes Signal. Im Sinne der Erfindung bedeutet ereignisdiskretes, dass das Sensorsignal nicht zu festen Zeitpunkten, sondern in Abhängigkeit der Drehgeschwindigkeit der Rotorwelle auftritt.
Das verwendete Eingangssignal kann ein der elektrischen Maschine zugeführter Strangstrom I abc , ein von der elektrischen Maschine abgegebenes Lastmoment M !ast oder eine Drehzahl ω der Rotorwelle sein.
Die zu regelnde elektrische Maschine kann eine Synchronmaschine, insbesondere eine perma- nenterregte Synchronmaschine sein. Eine permanenterregte Synchronmaschine weist den Vorteil auf, dass die Erregung durch Permanentmagneten erfolgt, wodurch keine Erregerwicklung vorgesehen werden muss.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung liefert der Winkelsensor das dem Drehwinkel zuordenbare Sensorsignal mit einer Auflösung zwischen 0,01° - 10°, vorzugsweise mit einer Auflösung zwischen 0,1° - 9°, weiter vorzugsweise mit einer Auflösung zwischen 1° - 7°, weiter vorzugsweise mit einer Auflösung zwischen 2° - 6°, weiter vorzugsweise mit einer Auflösung von 5°.
In einem bevorzugen Ausführungsbeispiel kann das Kaiman-Filter ein lineares Modell verwenden. Im Sinne der Erfindung bedeutet lineares Modell, dass das elektrische Motormoment als bekannte Eingangsgröße betrachtet wird und für dieses Moment ein separates Modell berücksichtigt wird. Dieses Modell für das Motormoment basiert auf den gemessenen Phasenströmen, z.B. I d
und I q
, angegeben in dem aus der Literatur bekannten rotorfesten dq-Koordinaten-System, und kann z.B. mittels folgender Formel berechnet werden:
M mot
= y 2
- Z p
- (M dE
- I E
- I q
+ (L d
- L q
)- I d
- I q
)
wobei Id q Id q (Strangströme I a bc, Winkel φ), d.h. die Ströme Id q sind Funktionen der Strangströme labe und des Drehwinkels φ,
M mot dem Motormoment, z p der Polpaarzahl, dem Fluß,
AL der Induktivität, und
Id, I q den Strömen entspricht.
Für die Berechnung des Motormoments sind auch andere Modellansätze denkbar, die z.B. direkt die gemessenen Strangströme I a b c verwenden.
In einem weiteren, bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Kaiman-Filter ein nicht-lineares Modell verwenden. Verwendet das Kaiman-Filter ein nicht-lineares Modell, so spricht man auch von einem Extended Kaiman-Filter. Erfindungsgemäß bedeutet nicht- lineares Modell, dass das
Modell für das elektrische Motormoment M mot direkt in das Modell für die elektrische Maschine mit eingeht. Für diesen Fall werden dann die gemessenen Strang- oder Phasenströme als bekannte Eingangsgrößen für das Extended Kaiman-Filter betrachtet.
Ferner kann in einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel das Kaiman-Filter als ein Uns- cented Kaiman-Filter oder als ein Luenberger-Beobachter ausgebildet sein.
- A -
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung, um die Positionsinformationen der Rotorwelle einer elektrischen Maschine zu bestimmen, mit einer Winkelmesseinrichtung, um ein dem Drehwinkel zuordenbaren Sensorsignals zu erfassen, einer Messeinrichtung, um das mindestens eine Eingangssignals der elektrischen Maschine zu erfassen, einer Berechnungseinrichtung, um die Positionsinformationen der Rotorwelle aus dem erfassten Sensorsignal und dem mindestens einen Eingangssignal zu bestimmen, und/oder einem Kaiman-Filter, um die Positionsinformationen der Rotorwelle zwischen zwei Positions-Erfassungen zu bestimmen.
Ferner kann die Vorrichtung noch eine Messeinrichtung für das mindestens eine Eingangssignal aufweisen, um das mindestens eine Eingangssignal mit einer ggf. hohen Abtastrate zwischen zwei Positions-Erfassungen zu bestimmen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kaiman-Filters,
Fig. 2 eine Prädiktor-Korrektur- Struktur,
Figs. 3a-c einen Vergleich zwischen dem Kaiman-Filter und einer linearen Extrapolation,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Kaiman-Filters, und
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines nicht- linearen Extended Kaiman-Filters.
Ausführungsformen der Erfindung
In Fig. 1 ist ein schematischer Aufbau eines Kaiman-Filters 11 dargestellt, welcher mit einem zu beobachtenden System 12 verbunden ist. Das zu beobachtende System 12 weist mindestens zwei Eingänge für die Eingangssignale 13, 14, sowie mindestens zwei Ausgänge für die Ausgangssig-
nale 15, 16 auf. Das Eingangssignal 13 kann einem Lastmoment entsprechen, und das Eingangssignal 14 einem oder mehreren Strangströmen. Das Ausgangssignal 15 kann mindestens einem Systemzustand entsprechen, und das Ausgangssignal 16 einer Messgröße wie z.B. dem Drehwinkel φ des Rotors. Das Kaiman-Filter 11 besteht aus einem Simulatoranteil 17 und einem Kor- rekturanteil 18. Der Simulatoranteil 17 stellt ein dynamisches Parallelmodell des zu beobachtenden Systems 12 dar. Der Simulatoranteil 17 wird mit dem gleichen Eingangssignal 14 beaufschlagt, wie das zu beobachtende System 12. Der Simulatoranteil 17 gibt zwei Signale aus, ein rekonstruiertes Ausgangssignal 19, das einer geschätzten Messgröße entspricht, und ein rekonstruiertes Ausgangssignal 22, das den geschätzten Systemzuständen entspricht. Sind die Parame- ter im Parallelmodell und dem zu beobachtenden System 12 identisch, dann ist das rekonstruierte Ausgangssignal 19 gleich dem Ausgangssignal 16 des zu beobachtenden Systems 12. Da das Parallelmodell im Simulatoranteil 17 aber nicht exakt das zu beobachtende System 12 abbildet, ergibt sich ein Fehlersignal 20 zwischen dem rekonstruierten Ausgangssignal 19 und dem Ausgangssignal 16, welches über eine Subtraktion 21 aus dem rekonstruierten Ausgangssignal 19 und dem Ausgangssignal 16 berechnet wird. Dieses Fehlersignal 20 wird nun dem Korrekturanteil 18 zugeführt. Der Korrekturanteil 18 berechnet ein Korrektursignal 21 , das wiederum dem Simulatoranteil 17 zugeführt wird. Durch das Korrektursignal 21 kann das rekonstruierte Ausgangssignal 19 und das rekonstruierte Ausgangssignal 22 des Simulatoranteils 17 beeinflusst werden. Dies geschieht solange, bis das Fehlersignal 20 gegen einen Grenzwert konvergiert.
Nachfolgend wird der Entwurf des Kaiman-Filters beschrieben. Das Kaiman-Filter wird in zwei Schritten entworfen. Zunächst wird ein physikalisch / dynamisches Modell (Simulatoranteil 17) des mechanischen Anteils (Rotor) der elektrischen Maschine erstellt. Der Drehwinkel φ ergibt sich durch Integration der Winkelgeschwindigkeit ω, die mittels des Drallsatzes formuliert wird. Da das am Rotor anliegende Lastmoment Mι ast nicht bekannt ist, wird hierfür ein Störgrößenmodell angesetzt.
Entwurfsmodell für Filterentwurf (inklusive Störgrößenmodell für Mι ast ): φ = ω ώ = y {M mot - Dω -M last )
M last = 0
Das Modell lässt sich in Zustandsdarstellung wie folgt angeben, wobei der Zustandsvektor x die Systemzustände (φ = Winkel, ω = Drehzahl/Winkelgeschwindigkeit, M !ast = Lastmoment) repräsentiert:
Mit Xi = φ, x 2
= ω, X 3
= M !ast
, und x = [xj, X 2
, X 3
] 1
x = Ax + bM mot (φ,I d ,I )
T V = C X
Mit Blick auf die Umsetzung in einem Steuergerät wird das Modell in diskreter Zustandsform angegeben, wobei die Variable u für die Ausprägungsform des linearen Kaiman-Filters das Motormoment M mot repräsentiert:
x k = A d X k -ι + b d u k _ ι + w k _ ι y k = c τ χ k +v k _ ι
wobei W k dem Prozessrauschen, und
V k dem Messrauschen entspricht.
Fig. 2 stellt die unter Berücksichtigung der ereignisdiskreten Messung aus dem Kaiman-Filter erhaltene Prädiktor-Korrektur- Struktur dar. Die Korrektur 25 wird immer dann durchgeführt, wenn ein neuer Messwert vorliegt. Somit hängt die Ausführungsfrequenz der Korrektur 25 von der Drehzahl des Motors, bzw. der Rotorwelle ab. Zwischen zwei Messzeitpunkten 26, beispielsweise zu den Zeitpunkten t k und t k+ i oder t k+ i und t k+2 erfolgt eine durch das Eingangssignal 14 getriebene Prädiktion 27 mit Hilfe des im Simulationsanteil 17 abgebildeten physikalischen Mo- dells des Rotors. Hierzu wird das in diskreter Zustandsform angegebene Modell rekursiv als Online-Simulator in Abhängigkeit des hoch abgetasteten Eingangssignals 14 und mit einer für die Anwendung nötigen hohen Abtastrate berechnet. Somit steht zu jedem Zeitpunkt entweder ein realer Messwert oder ein auf dem Kaiman-Filter basierender Schätzwert zur Verfügung.
Während der Prädiktion wird der Zustand x k wie folgt unter Zuhilfenahme des geschätzten Zu- standes x k _ y aus dem vorherigen Korrekturschritt k-1 oder eines vorangegangenen rekursiven Rechenschritts, der Zustandsübergangsmatrix A d und eines Steuereingriffes b d u k _ ι (apriori- Schätzung) berechnet:
Der Steuereingriff erfolgt über die Messung des Eingangssignals 14 mit einer auf die rekursive Berechnung der Prädiktionsformel abgestimmten hohen Abtastrate.
Die für die Prädiktion erwartete Fehlerkovarianzmatrix P k ~ errechnet sich aus:
P k - = A d - P k + _ r A d τ + Q
wobei Q die Kovarianzmatrix für das Prozessrauschen darstellt und damit einem Modellfehler entspricht, der die Abweichung des Modellverhaltens von der Realität beschreibt.
Die beschriebenen beiden Prädiktionsschritte werden solange auf Basis einer vorgegebenen konstanten Abtastschrittweite rekursiv berechnet, vgl. 27 in Fig. 2, bis eine neue Messung in Abhängigkeit der Positionsflanken des niedrig auflösenden Winkelgebers neu detektiert wird, vgl. 25, 26 in Fig. 2.
An den Messzeitpunkten 26 wird eine Korrektur der Prädiktion durchgeführt. Die Gewichtung der Korrektur gegenüber der Prädiktion bestimmt der sogenannte Kalman-Gain entsprechend der Prä- diktionsfehlerkovarianzmatrix P k
und der Messfehlerkovarianzmatrix R:
Der Innovationsschritt verknüpft nun die ereignisdiskrete Messung y^ und die rekursiv mit fester Abtastschrittweite berechnete Prädiktion x k
gewichtet zu einer neuen (a posteriori-) Schätzung:
Die dieser Schätzung zugehörige Fehlerkovarianzmatrix lautet z.B.
P k + = (l -K k c τ )p ~
wobei / der Einheitsmatrix entspricht. Die Gleichung zur Bestimmung der a posteriori Fehlerko- varianzmatrix kann auch in anderen Ausprägungsformen durchgeführt werden, alternativ kann sie z.B. mit der etwas aufwändigeren und aus der Literatur bekannten Joseph-Form berechnet werden. Beide a posteriori Schätzwerte bilden nun die Grundlage für einen erneuten Durchlauf zur Schätzung des nächsten Systemzustands und der Ablauf beginnt von vorn.
Die in Fig. 3 dargestellte Verläufe zeigen einen Vergleich zwischen dem Kaiman-Filter und dem bisherigen auf linearer Extrapolation basierenden Algorithmus, wobei auf der Abszisse die Zeit aufgetragen ist. In Fig. 3a ist der wahre Winkel φ 31 des Motors, der durch lineare Extrapolation berechnete Winkel qWar 32, und der mittels des Kaiman-Filter geschätzte Winkel (pkaiman 33 aufgetragen. Dabei ist zu erkennen, dass der geschätzte Winkel (p k ai m a n 33 im Wesentlichen dem wahren Winkel φ 31 des Motors mit einer geringen Abweichung folgt, wohingegen der durch lineare Extrapolation berechnete Winkel qWa r 32 teilweise sehr stark von dem wahren Winkel φ 31 des Motors abweicht. Selbst nach einem Einschwingzeitraum bleibt eine nicht unerhebliche Abweichung zwischen dem durch lineare Extrapolation berechneten Winkel qWa r 32 und dem wahren Winkel φ 31 des Motors bestehen. Die Abweichung zwischen dem geschätzten Winkel (p k ai m a n 33 und dem wahren Winkel φ 31 des Motors nimmt nach einem Einschwingzeitraum bis auf eine geringe verbleibende Abweichung ab.
Fig. 3b stellt die Abweichungen zwischen der wahren Drehzahl ω 34 des Motors, der durch lineare Extrapolation berechneten Drehzahl ωi me a r 35, und der mittels des Kaiman-Filters geschätzten Drehzahl ookaiman 34 dar. Während sich die mittels des Kaiman-Filters geschätzte Drehzahl ookaiman 34 der wahren Drehzahl ω 34 des Motors nach einem Einschwingvorgang sehr gut annähert, kann bei der durch lineare Extrapolation berechneten Drehzahl ωi me a r 35 keine Konvergenz zu der wahren Drehzahl ω 34 des Motors festgestellt werden.
Der in Fig. 3c dargestellte Verlauf stellt den Schätzfehler ei me a r 37 bzw. die Abweichung zwischen dem wahren Winkel φ 31 des Motors und dem durch lineare Extrapolation berechnete Winkel
(pi m ea r 32 dar, sowie den Schätzfehler e k ai m a n 38 zwischen dem wahren Winkel φ 31 des Motors und dem mittels des Kaiman-Filters geschätzten Winkel (p k ai m a n 33. Auch hier ist klar zu erkennen, dass der Schätzfehler e k ai m a n 38 im Gegensatz zu dem Schätzfehler ei me a r 37 einerseits wesentlich geringer ist, und andererseits sich mit der Laufzeit des Systems auch noch verkleinert.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines linearen Kaiman-Filters 44. Der Unterschied zu dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau besteht darin, dass die elektrische Maschine 41 in einen elektrischen Anteil 42 und einen mechanischen Anteil 43 aufgeteilt wird. Der mechanische Anteil 43 wird durch einen Simulatoranteil 45 abgebildet. Der Simulatoranteil 45 wird wie oben beschrieben durch den Korrekturanteil 46 korrigiert. Anstelle den Simulatoranteil 45 direkt mit dem Motormoment M mot bzw. dem elektrischen Moment M el zu beaufschlagen wird in Fig. 4 das Motormoment der oben hergeleiteten Formel M mot = yL ■ Z ■ (k m + AL ■ I d )• / aus den Strangströmen
'2 und dem geschätzten Winkel berechnet und anschließend in den Simulatoranteil 45 eingegeben.
In Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines nicht- linearen Extended Kaiman-Filters 44 dargestellt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche Funktionseinheiten. Der Unterschied zwischen dem in Fig. 4 und Fig. 5 dargestellten Modellen besteht darin, dass das Modell für das Motormoment in den Simulatoranteil 47 integriert wurde und nun die Strangströme als Eingangs- großen für das Kaiman-Filter verwendet werden. Dadurch erhöht sich zwar die Komplexität des Simulatoranteils 47, dieser kann jedoch nun auf die unterschiedlichsten Ausprägungsformen von permanenterregten Synchronmaschinen mit entsprechenden stark nicht- linearen Modellansätzen für das Motormoment sowie u.a. auch auf nicht permanenterregte Synchronmaschinen angewendet werden.
Next Patent: SUPPORT ELEMENT ARRANGEMENT AND METHOD FOR PRODUCING A SUPPORT ELEMENT ARRANGEMENT