Verfahren und Vorrichtung zum Regeln einer elektrischen Maschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln einer elektrischen Maschine.

Bei einer drehgeberlosen Regelung erfolgt eine Regelung einer elektrischen Maschine, ohne dass eine Rotorlage mittels eines Rotorlagewinkelsensors oder einer anderen Sensorik erfasst wird. Die drehgeberlose Regelung von permanentmagneterregten Synchronmaschinen (PMSM) basiert hierbei auf zwei unterschiedlichen Wirkprinzipien, welche abhängig von einer Drehzahl der elektrischen Maschine gewählt werden. Im Bereich höherer Drehzahlen wird eine Gegenspannung der elektrischen Maschine ausgewertet, welche durch eine Rotation der Permanentmagnete hervorgerufen wird. Die Gegenspannung nimmt mit der Drehzahl jedoch ab und ist somit im Bereich kleinerer Drehzahlen bzw. bei einer Drehzahl von Null nicht verfügbar. Im Bereich kleinerer Drehzahlen wird daher stattdessen eine Lageabhängigkeit der Induktivitätsmatrix der elektrischen Maschine ausgewertet. Um eine ausreichende Signalintensität zu erreichen, kann eine hochfrequente Spannungsanregung mit einer Auswertung der resultierenden hochfrequenten Stromantwort vorgesehen sein. Diese hochfrequente Spannungsanregung hat jedoch den Nachteil, dass in der elektrischen Maschine Hochfrequenzverluste entstehen, welche vorwiegend durch Wirbelstromverluste im Rotor und im Stator gekennzeichnet sind. Dies führt zu einer ungewollten Erwärmung der elektrischen Maschine, insbesondere des Rotors. Der Rotor lässt sich nur indirekt kühlen und ein erwärmter Rotor bedeutet in der Regel, dass eine Dauerleistung des Antriebssystems (zumindest für einen Zeitraum) reduziert werden muss. Des Weiteren kann durch die hochfrequente Anregung für Menschen und Tiere eine ungewünschte und störende Geräuschentwicklung aus dem Antriebssystem resultieren.

Aus B. Weber, T. Brandt and A. Mertens, Compensation of switching dead-time effects in voltage-fed PWM inverters using FPGA-based current Oversampling, 2016 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Long Beach, CA, USA, 2016, S. 3172-3179, doi: 10.1109/APEC.2016.7468318, ist ein Verfahren zur Totzeitkompensation bekannt. Aus Bastian Weber, Positionsgeberlose Regelung von permanentmagneterregten Synchronmaschinen bei kleinen Drehzahlen mit überabtastender Stromerfassung, Hannover, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Dissertation, 2018, 163 S., https://doi.org/10.15488/9140, ist ein Verfahren zum Schätzen einer Rotorlage und/oder einer Rotordrehzahl bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln einer elektrischen Maschine zu verbessern, um insbesondere Hochfrequenzverluste zu verringern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Insbesondere wird ein Verfahren zum Regeln einer elektrischen Maschine zur Verfügung gestellt, wobei die elektrische Maschine mittels eines Wechselrichters gespeist und mittels einer drehgeberlosen Regelung geregelt wird, wobei hierzu Strangströme hochfrequent erfasst werden, und wobei Strangspannungen hochfrequent geschätzt werden, wobei, insbesondere in einem unteren Drehzahlbereich der elektrischen Maschine, zum Bestimmen einer für die Regelung benötigten Rotorlage der elektrischen Maschine ein hochfrequentes Testsignal aufgeprägt und eine Systemantwort ausgewertet wird, wobei ein vorgegebenes Solldrehmoment empfangen und ausgewertet wird, und wobei das hochfrequente Testsignal abgeschaltet wird, wenn das vorgegebene Solldrehmoment einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht oder unterschreitet, und wobei das hochfrequente Testsignal eingeschaltet wird, wenn das vorgegebene Solldrehmoment den vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.

Ferner wird insbesondere eine Vorrichtung zum Regeln einer elektrischen Maschine geschaffen, umfassend eine Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, einen die elektrische Maschine speisenden Wechselrichter anzusteuern und die elektrische Maschine mittels einer drehgeberlosen Regelung zu regeln und hierzu hochfrequent erfasste Strangströme zu empfangen und Strangspannungen hochfrequent zu schätzen, und, insbesondere in einem unteren Drehzahlbereich der elektrischen Maschine, zum Bestimmen einer für die Regelung benötigten Rotorlage der elektrischen Maschine ein hochfrequentes Testsignal aufzuprägen und eine Systemantwort auszuwerten; ferner ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, ein vorgegebenes Solldrehmoment zu empfangen und auszuwerten, und das hochfrequente Testsignal abzuschalten, wenn das vorgegebene Solldrehmoment einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht oder unterschreitet, und das hochfrequente Testsignal einzuschalten, wenn das vorgegebene Solldrehmoment den vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.

Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen es, eine Verlustleistung, die durch das Einprägen des hochfrequenten Testsignals hervorgerufen wird, zu reduzieren. Ferner kann auch eine Geräuschentwicklung reduziert werden. Hierzu ist vorgesehen, das hochfrequente Testsignal insbesondere nur dann aufzuprägen, wenn ein vorgegebenes Solldrehmoment einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Erreicht oder unterschreitet das vorgegebene Solldrehmoment hingegen den vorgegebenen Schwellenwert, so wird das hochfrequente Testsignal abgeschaltet. Anders ausgedrückt wird das hochfrequente Testsignal nur aufgeprägt, wenn ein von einem Fahrer oder einer Fahrzeugsteuerung eines teilautomatisierten oder automatisierten Fahrzeugs angefordertes Solldrehmoment den vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. In einem einfachen Beispiel ist der vorgegebene Schwellenwert gleich Null, sodass nur bei einem vorgegebenen Solldrehmoment größer Null das hochfrequente Testsignal eingeschaltet wird. Wenn das hochfrequente Testsignal abgeschaltet ist, können hierdurch weder eine Verlustleistung entstehen, noch Geräusche erzeugt werden.

Das hochfrequente Testsignal wird hierbei insbesondere in eine d-Achse aufgeprägt, sodass alle Stränge der elektrischen Maschine angeregt werden. Es wird hierzu angemerkt, dass die d- Achse hierbei insbesondere stets eine im Rahmen der geberlosen Regelung geschätzte d- Achse ist.

Die Strangströme werden insbesondere mittels einer hierfür geeigneten Sensorik, insbesondere mittels Stromsensoren, an Strängen der elektrischen Maschine erfasst und in Form eines entsprechenden Signals bereitgestellt. Die hochfrequent erfassten Strangströme können insbesondere dazu verwendet werden, zu einer mittensynchronen Abtastung äquivalente Werte der Ausgangsströme bzw. Strangströme zu erzeugen. Das hochfrequente Erfassen der Strangströme bedeutet insbesondere, dass die Ströme überabgetastet erfasst werden. Insbesondere bedeutet dies, dass eine Frequenz der Abtastung deutlich größer ist als eine Modulationsfrequenz des Wechselrichters, insbesondere um einen Faktor 10, 100 oder 1000 größer. Durch das hochaufgelöste Erfassen kann insbesondere ein Rauschen in den äquivalenten Werten verbessert herausgefiltert werden, sodass insbesondere ein Signal-zu- Rauschverhältnis verbessert werden kann. Die Rotorlage ist insbesondere ein (elektrischer) Rotorlagewinkel. Der Wechselrichter ist insbesondere ein Pulswechselrichter.

Die Steuereinrichtung kann einzeln oder zusammengefasst als eine Kombination von Hardware und Software ausgebildet sein, beispielsweise als Programmcode, der auf einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass Teile einzeln oder zusammengefasst als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder feldprogrammierbares Gatterfeld (FPGA) ausgebildet sind. Die Steuereinrichtung umfasst insbesondere mindestens eine Recheneinrichtung und mindestens einen Speicher.

Es ist insbesondere vorgesehen, dass die hochfrequent erfassten, insbesondere überabgetasteten, Ströme, und gegebenenfalls auch andere Größen, mittels eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes (FPGA) ausgewertet werden. Ein feldprogrammierbares Gatterfeld ermöglicht eine hochfrequente Signalerfassung und Signalverarbeitung.

Hochfrequent soll hierbei insbesondere bedeuten, dass ein zugehöriger Frequenzbereich oberhalb einer Modulationsfrequenz einer Pulsdauermodulation des (Puls-)Wechselrichters liegt. Insbesondere bezeichnet hochfrequent eine um einen Faktor 10, bevorzugt um einen Faktor 100, besonders bevorzugt um einen Faktor 1000 größere Frequenz im Vergleich zu der Modulationsfrequenz. Ist eine Modulationsfrequenz beispielsweise 20 kHz, so ist eine Frequenz der Signalerfassung und Signalverarbeitung des feldprogrammierbaren Gatterfeldes beispielsweise 1 MHz. Durch die parallele Signalverarbeitung eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes kann dieses mit Vorteil hochfrequent (insbesondere -MHz) abgetastete Größen verarbeiten. Durch die hochfrequente Abtastung lassen sich Abtast- bzw. Aliasing-Effekte als Störgrößen im Signal reduzieren. Eventuelle Rauschanteile der Sensorik können im feldprogrammierbaren Gatterfeld digital gefiltert werden, sodass ein sehr großes Signal-zu- Rausch-Verhältnis für die digitale Weiterverarbeitung bereitgestellt werden kann. Im Vergleich dazu ist ein Mikrocontroller (z.B. DSP) deutlich weniger geeignet, um hochfrequente Signale zu verarbeiten, da die erfassten Werte des DSP jeweils vom erfassenden internen Analog-Digital- Wandler (ADC) zum Prozessorkern transportiert und verarbeitet werden müssen, was zu signallaufzeitbedingten und vorverarbeitungsbedingten Verzögerungen beim Auswerten führt. Bei einem feldprogrammierbaren Gatterfeld stehen die erfassten Werte des ADC den Logikeinheiten stattdessen unmittelbar, das heißt in Echtzeit, zur Verfügung. Auch können mit feldprogrammierbaren Gatterfeldern kostengünstige ADCs ohne weitere Maßnahmen ausgewertet werden, welche einen hochfrequenten digitalen Datenstrom (Bitstrom) erzeugen können, z.B. Delta-Sigma-Wandler. Das feldprogrammierbare Gatterfeld ist insbesondere Teil eines System-on-Chip (SoC). Das feldprogrammierbare Gatterfeld kann insbesondere ein zur Laufzeit partiell (d.h. teilweise) umkonfigurierbares feldprogrammierbares Gatterfeld sein. Hierdurch ist das feldprogrammierbare Gatterfeld insbesondere updatefähig. Das Umkonfigurieren erfolgt insbesondere im Wege der partiellen Umkonfiguration, bei der nur ein Teil des Gatterfeldes zur Laufzeit umkonfiguriert bzw. umprogrammiert wird, andere Teile des Gatterfeldes jedoch ihre jeweilige Konfiguration bzw. Programmierung beibehalten. Das Umkonfigurieren wird insbesondere mittels einer Konfigurationssteuerung durchgeführt, welche das Umkonfigurieren durchführt und überwacht. Die Konfigurationssteuerung kann mittels eines DSPs oder der Steuereinrichtung der Vorrichtung bereitgestellt werden. Zum Umkonfigurieren des mindestens einen feldprogrammierbaren Gatterfelds können insbesondere Verfahren zur automatischen Codegenerierung eingesetzt werden, wie beispielsweise der „Xilinx System Generator for DSP“, welcher sowohl eine Quellcode-Modellierung als auch eine Funktionsanalyse automatisiert durchführen kann. Der „System Generator for DSP“ ermöglicht beispielsweise die Modellierung von FPGA-Funktionen in einer Matlab Simulink-Umgebung, sodass die Eigenschaften gegenüber weiteren Simulink-Funktionsblöcken getestet werden können. Durch die automatische Codegenerierung kann sichergestellt werden, dass sich das feldprogrammierbare Gatterfeld identisch zur Simulink-Modellierung verhält. Eine Konfiguration eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes umfasst insbesondere Anweisungen, mit denen das feldprogrammierbare Gatterfeld derart programmiert werden kann, dass mittels des programmierten (bzw. konfigurierten oder umkonfigurierten) Teils des feldprogrammierbaren Gatterfeldes eine bestimmte Funktionalität zur Datenverarbeitung bereitgestellt werden kann. Vorliegend umfasst eine solche Funktionalität insbesondere das Durchführen von Maßnahmen der in dieser Offenbarung beschriebenen Verfahren.

Nachfolgend wird das Bestimmen der Rotorlage näher erläutert. Die permanentmagneterregte Synchronmaschine lässt sich durch nachfolgende Statorspannungs-Differentialgleichungen in statorfesten ab-Koordinaten modellieren:

Hierbei sind:

IL = ^ und AL = ^

2 2 - L _d die Induktivität der elektrischen Maschine in Bezug auf die d-Achse des Rotors (engl direct axis),

- L _q die Induktivität der elektrischen Maschine in Bezug auf die q-Achse des Rotors (engl quadrature axis),

- R der Strangwiderstand der elektrischen Maschine,

- y _RM die Flussverkettung des Rotors auf Grund der Permanentmagnete,

- f _ei die elektrische Rotorlage (d.h. der elektrische Rotorlagewinkel),

- u _a ,Uß die Statorspannungen in statorfesten ab-Koordinaten und

- i _a , iß die Statorströme in statorfesten aß-Koordinaten.

Die Strangspannungen und die Strangströme lassen sich in die Statorspannungen und Statorströme in ab-Koordinaten umrechnen.

Unter Annahme eines kleinen Schätzfehlers y _er = g _bί - y _ei lassen sich die Statorspannungs- Differentialgleichungen in geschätzte dq-Koordinaten transformieren:

Mit ergibt sich in Matrix-Vektor-Notation:

Bei kleinen Drehzahlen sind _b1 und w _b1 nahezu Null und die Induktivitätsmatrix bietet über y _er die einzige Möglichkeit zur Rotorlageschätzung. Damit eine zeitliche Ableitung vom Strom eine ausreichende Signalintensität bereitstellt, wird bei kleinen Drehzahlen ein hochfrequentes Testsignal in Form einer hochfrequenten Spannungsanregung der elektrischen Maschine aufgeprägt. Das Aufprägen erfolgt insbesondere in die d-Achse. Aus den hierdurch hervorgerufenen Strömen (insbesondere einem hervorgerufenen d-Strom) lässt sich aus der Ableitung der Ströme anhand der voranstehenden Gleichungen die elektrische Rotorlage g _bί schätzen.

Die Rotorlage wird hierbei insbesondere mittels eines Beobachters geschätzt. Ein Beobachter ist insbesondere ein regelungstechnischer Beobachter (engl state observer), der ausgehend von einem Modell der elektrischen Maschine einen Zustand der elektrischen Maschine schätzt. Der geschätzte Zustand der elektrischen Maschine wird mit einem Istzustand der elektrischen Maschine verglichen und bei Abweichungen wird mindestens ein Parameter des Modells so lange angepasst, bis der geschätzte Zustand und der Istzustand wieder übereinstimmen. Der angepasste Parameter ist vorliegend insbesondere die Rotorlage.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass beim Schätzen der Strangspannungen eine Totzeitkompensation berücksichtigt wird. Dies erfolgt insbesondere mit einem Verfahren zur Totzeitkompensation, bei dem in dem Wechselrichter aufgrund von Schaltverzugszeiten auftretende Totzeiteffekte mittels der Totzeitkompensation kompensiert werden. Dies erfolgt insbesondere mittels der Steuereinrichtung, insbesondere mittels mindestens eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes der Steuereinrichtung. Die Totzeitkompensation versucht, einen Totzeiteffekt zu kompensieren. Der Totzeiteffekt tritt auf, weil es aufgrund von Schaltzeiten von Leistungshalbleitern des (Puls-)Wechselrichters zu einem Abbildungsfehler zwischen einer geschätzten aktuellen Spannung und einer realen Spannung kommt. Zum Kompensieren des Totzeiteffekts werden Schaltflanken von Leistungshalbleitern angepasst, das heißt, hinsichtlich eines Schaltzeitpunkts verschoben. Hierdurch können tatsächlich vorliegende aktuelle Strangspannungen unter Berücksichtigung von den hochfrequent erfassten Strangströmen präzise bestimmt, insbesondere geschätzt werden. Die Totzeitkompensation wird beispielsweise mittels des in B. Weber, T. Brandt and A. Mertens, Compensation of switching dead-time effects in voltage-fed PWM inverters using FPGA-based current Oversampling, 2016 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Long Beach, CA, USA, 2016, S. 3172-3179, doi: 10.1109/APEC.2016.7468318, beschriebenen Verfahrens durchgeführt.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei einem vorgegebenen Solldrehmoment oberhalb des vorgegebenen Schwellenwertes überprüft wird, ob eine Drehzahl der elektrischen Maschine Null ist, wobei hierzu ein Nullspannungszustand eingestellt wird, und wobei ausgehend von den hochfrequent erfassten Strangströmen bestimmt wird, ob die elektrische Maschine ruht oder nicht. Ein Nullspannungszustand ist insbesondere ein Zustand, in dem alle Stränge der elektrischen Maschine kurzgeschlossen sind. Die Erkennung, ob die elektrische Maschine ruht oder sich bereits in Rotation befindet, entscheidet insbesondere über die Wahl des Verfahrens der geberlosen Regelung. Im Bereich kleiner Drehzahlen (bzw. unterhalb einer vorgegebenen, beispielsweise empirisch bestimmten, Drehzahlschwelle) verwendet man die hochfrequente Anregung und eine hochfrequente Auswertung der Systemantwort. Im Bereich hoher Drehzahlen wird hingegen die Gegenspannung des Rotors, hervorgerufen durch die rotierenden Permanentmagnete, ausgewertet. Durch das initiale Erfassen von Stromsteigungen in den hochfrequent erfassten Strangströmen während der Nullspannungszustände kann erkannt werden, dass sich der Rotor derart langsam dreht, dass das Verfahren mit der hochfrequenten Anregung geeignet ist.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass nach dem Einschalten des hochfrequenten Testsignals ein Beobachter der geberlosen Regelung aufsynchronisiert wird. Hierdurch kann eine Rotorlage geschätzt werden, sobald ein Solldrehmoment angefordert wird, das den vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.

Weiterbildend ist vorgesehen, dass zum Aufsynchronisieren eine aktuelle Rotorlage bestimmt wird, indem eine aktuelle Lage einer d-Achse durch Einprägen des hochfrequenten Testsignals bestimmt wird, wobei anschließend ein weiteres hochfrequentes Testsignal mit größerer Amplitude unter Berücksichtigung der bestimmten aktuellen Lage aufgeprägt wird, wobei ein Versatz einer Amplitude eines d-Stroms bestimmt wird, wobei eine Richtung der d-Achse ausgehend von dem bestimmten Versatz bestimmt wird, und wobei die drehgeberlose Regelung auf Grundlage der aus der bestimmten Lage und Richtung der d-Achse bestimmten Rotorlage betrieben wird. Da die Induktivitätsmatrix bei mehreren Winkeln gleich ist, ist die Lage mit einer Unsicherheit behaftet. Ist die Induktivitätsmatrix beispielsweise bei einer mechanischen Drehung des Rotors um 90° die gleiche und ist eine Polpaarzahl gleich zwei, so ist eine Unsicherheit beim Bestimmen der Lage d-Achse gleich 180° (= 2x die mechanische Unsicherheit aufgrund der Polpaarzahl). Mittels dieser Ausführungsform kann insbesondere nicht nur eine Lage der d-Achse bestimmt werden, die mit einer im voranstehenden Beispiel 180°-Unsicherheit bezüglich der Richtung behaftet ist, sondern es kann auch die Richtung der d-Achse bestimmt werden. Aus der bestimmten Lage und der bestimmten Richtung wird die aktuelle Rotorlage bestimmt. Hierbei wird insbesondere ausgenutzt, dass die Induktivität L _d abhängig ist vom d-Strom i _d . Bei bekannter Abhängigkeit kann aus einem beim Aufprägen des weiteren hochfrequenten Testsignals bestimmten Versatz in der Systemantwort im d-Strom die Richtung der d-Achse bestimmt werden.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das hochfrequente Testsignal und/oder das weitere hochfrequente Testsignal mehrere Frequenzanteile umfassen. Hierdurch kann eine Leistung der einzelnen Frequenzen in den Frequenzanteilen reduziert werden, sodass eine störende Geräuschentwicklung verringert werden kann.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das hochfrequente Testsignal und/oder das weitere hochfrequente Testsignal als breitbandiges Signal ausgebildet sind. Hierdurch kann eine Leistung der einzelnen Frequenzen in dem breitbandigen Signal reduziert werden, sodass eine störende Geräuschentwicklung verringert werden kann.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das hochfrequente Testsignal und/oder das weitere hochfrequente Testsignal als Rauschsignal ausgebildet sind. Hierdurch kann eine Leistung der einzelnen Frequenzen in dem Rauschsignal reduziert werden, sodass eine störende Geräuschentwicklung verringert werden kann.

Weitere Merkmale zur Ausgestaltung der Vorrichtung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausgestaltungen des Verfahrens. Die Vorteile der Vorrichtung sind hierbei jeweils die gleichen wie bei den Ausgestaltungen des Verfahrens.

Ferner wird insbesondere auch ein Fahrzeug geschaffen, umfassend mindestens eine Vorrichtung nach einer der beschriebenen Ausführungsformen. Das Fahrzeug ist insbesondere ein Kraftfahrzeug. Das Fahrzeug kann jedoch auch ein anderes Land-, Schienen-, Wasser-, Luft- oder Raumfahrzeug sein, beispielsweise eine Drohne oder ein Lufttaxi.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Regeln einer elektrischen Maschine;

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung einer Abhängigkeit der Induktivität vom d-Strom; Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung einer Abhängigkeit der Induktivität vom q-Strom;

Fig. 4 eine schematische Darstellung des hochfrequenten Testsignals, das in die

(geschätzte) d-Achse aufgeprägt wird, und einer Systemantwort des d-Stroms im zeitlichen Verlauf;

Fig. 5 eine schematische Darstellung des weiteren hochfrequenten Testsignals und einer Systemantwort des d-Stroms im zeitlichen Verlauf;

Fig. 6 ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens zum Regeln einer elektrischen Maschine.

In der Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung 1 zum Regeln einer elektrischen Maschine 20 gezeigt. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Steuereinrichtung 2. Die Steuereinrichtung 2 umfasst in der gezeigten Ausführungsform einen Digitalen Signalprozessor 3 und ein feldprogrammierbares Gatterfeld 4. Das feldprogrammierbare Gatterfeld 4 erlaubt eine hochfrequente Signalverarbeitung und Signalauswertung. Der Digitale Signalprozessor 3 und das feldprogrammierbare Gatterfeld 4 sind insbesondere als System-on-Chip-(SoC) ausgebildet. Grundsätzlich kann die Steuereinrichtung 2 zusätzlich oder alternativ aber auch eine andere Form von Recheneinrichtung umfassen, beispielsweise mindestens ein ASIC oder einem Mikroprozessor mit einem Speicher. Die Vorrichtung 1 führt das in dieser Offenbarung beschriebene Verfahren aus, welches nachfolgend anhand der Vorrichtung 1 erläutert wird.

Die Vorrichtung 1 kann beispielsweise in einem Fahrzeug 50 angeordnet sein und dort einer Regelung einer elektrischen Maschine 20 eines Antriebsstrangs dienen.

Das feldprogrammierbare Gatterfeld 4 umfasst insbesondere mehrere Module 4-x, die unterschiedliche Funktionen ausführen, wie nachfolgend erläutert wird.

Gezeigt ist ferner ein Pulswechselrichter 10, der im Beispiel als Zweipunktwechselrichter ausgebildet ist, sowie eine Sensorik 12 zum Erfassen von Strangströmen i-x, umfassend Stromsensoren 12-1, 12-2, 12-3 und einen Analog-Digital-Wandler 12-4. Die Sensorik 12 kann auch Teil der Vorrichtung 1 sein. Weiter ist eine elektrische Maschine 20 gezeigt, die von dem Pulswechselrichter 10 über drei Stränge 11-1, 11-2, 11-3 gespeist wird. Zum Speisen erzeugt der Pulswechselrichter 10 in an sich bekannter Weise ein Drehfeld und wird hierzu von einem Modul 4-1 angesteuert. Insbesondere stellt das Modul 4-1 eine Modulationssteuerung bereit.

Mittels der Sensorik 12 werden die Strangströme i-x der elektrischen Maschine 20 hochfrequent erfasst, von der Steuereinrichtung 2 empfangen und von dem Modul 4-2 verarbeitet. Insbesondere werden die Strangströme i-x überabgetastet mit einer Abtastfrequenz erfasst, die um einen Faktor 10, 100 oder 1000 über einer Modulationsfrequenz des Pulswechselrichters 10 liegt. Insbesondere unter Berücksichtigung einer Totzeitkompensation werden, ebenfalls mittels des Moduls 4-2, zugehörige Strangspannungen unter Berücksichtigung der erfassten Strangströme i-x und der Pulsweitenmodulation bestimmt.

Eine zum Regeln der elektrischen Maschine 20 benötigte Rotorlage 14 wird im Rahmen einer drehgeberlosen Regelung ausgehend von den erfassten Strangströmen i-x geschätzt. Das Schätzen erfolgt beispielsweise mittels des Moduls 4-2.

Hierzu wird mittels des Moduls 4-1 der Pulswechselrichter 10, insbesondere in einem unteren Drehzahlbereich, derart angesteuert, dass dieser ein hochfrequentes Testsignal 30 bezüglich der Strangspannungen durch Modulation erzeugt und aufgeprägt. Hierzu wird der Pulswechselrichter 10 mittels des Moduls 4-1 derart angesteuert, dass eine hochfrequente Schwingung, insbesondere im Bereich von 3 bis 5 kHz oder darüber, beispielsweise mit einer Amplitude von einigen Volt in die d-Achse eingeprägt wird. Hierdurch werden alle drei Stränge 11-x angeregt.

Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass ein Beobachter 5 der geberlosen Regelung die Rotorlage 14 der elektrischen Maschine 20 schätzt. Der Beobachter 5 wird beispielsweise mittels des Moduls 4-3 bereitgestellt.

Neben dem Bereitstellen des Beobachters 5 stellt das Modul 4-3 insbesondere auch die geberlose Regelung der elektrischen Maschine 20 bereit, wobei insbesondere mit den Modulen 4-1 und 4-2 zusammen die Regelschleife realisiert wird. Die geschätzte Rotorlage 14 wird beim Regeln der elektrischen Maschine 20 verwendet und hierfür dem Modul 4-3 zugeführt. Insbesondere wird hierbei ein Drehmoment der elektrischen Maschine 20 geregelt.

Es ist vorgesehen, dass ein vorgegebenes Solldrehmoment 40 empfangen und ausgewertet wird. Wird die Vorrichtung 1 in einem Fahrzeug 50 eingesetzt, so wird das Solldrehmoment 40 beispielsweise von einem Fahrer des Fahrzeugs 50 oder, beim teilautomatisierten oder automatisierten Fahren, von einer Fahrzeugsteuerung 51 vorgegeben. Das vorgegebene Solldrehmoment 40 dient insbesondere auch als Führungsgröße beim Regeln der elektrischen Maschine 20.

Ausgehend von einem Auswertungsergebnis ist vorgesehen, dass das hochfrequente Testsignal 30 abgeschaltet wird, wenn das vorgegebene Solldrehmoment 40 einen vorgegebenen Schwellenwert 41 erreicht oder unterschreitet. Ferner ist vorgesehen, dass das hochfrequente Testsignal 30 eingeschaltet wird, wenn das vorgegebene Solldrehmoment 40 den vorgegebenen Schwellenwert 41 überschreitet.

Es kann vorgesehen sein, dass bei einem vorgegebenen Solldrehmoment 40 oberhalb des vorgegebenen Schwellenwertes 41 überprüft wird, ob eine Drehzahl der elektrischen Maschine 20 Null ist, wobei hierzu ein Nullspannungszustand eingestellt wird, und wobei ausgehend von den hochfrequent erfassten Strangströmen i-x bestimmt wird, ob die elektrische Maschine 20 ruht oder nicht. Beim Nullspannungszustand werden die Stränge 11-x der elektrischen Maschine 20 insbesondere kurzgeschlossen. Rotiert ein Rotor noch, werden Ströme induziert, welche hochfrequent erfasst und ausgewertet werden können. Das Überprüfen erfolgt beispielsweise in einem Modul 3-1.

Weiterbildend kann vorgesehen sein, dass zum Aufsynchronisieren eine aktuelle Rotorlage 14 bestimmt wird, indem eine aktuelle Lage einer d-Achse durch Einprägen des hochfrequenten Testsignals 30 bestimmt wird, wobei anschließend ein weiteres hochfrequentes Testsignal 31 mit größerer Amplitude unter Berücksichtigung der bestimmten aktuellen Lage aufgeprägt wird, wobei ein Versatz 35 einer Amplitude eines d-Stroms bestimmt wird, wobei eine Richtung der d- Achse ausgehend von dem bestimmten Versatz 35 bestimmt wird, und wobei die drehgeberlose Regelung auf Grundlage der aus der bestimmten Lage und Richtung der d-Achse bestimmten Rotorlage 14 betrieben wird. Diese Ausführungsform wird anhand der Figuren 2, 3, 4 und 5 näher erläutert.

Die Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung einer Abhängigkeit der Induktivität L _d von dem d-Strom i _d . Eine Steigung ist hierbei negativ. In Fig. 3 ist eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung einer Abhängigkeit der Induktivität L _q von dem Strom i _q .

In der Fig. 4 ist eine schematische Darstellung des hochfrequenten Testsignals 30, das in die (geschätzte) d-Achse aufgeprägt wird, und einer resultierenden Systemantwort 32 des d-Stroms i _d im zeitlichen Verlauf gezeigt. Auf der x-Achse ist die Zeit t in Sekunden dargestellt, auf einer y-Achse oben eine d-Spannung u _d in Volt und der d-Strom i _d in A. Eine Frequenz des hochfrequenten Testsignals beträgt beispielsweise ~32 kHz. Eine Amplitude des hochfrequenten Testsignals 30 ist mit 4 V zu klein, als dass ein Effekt der d-stromabhängigen Induktivität L _d (vgl. Fig. 2) in der Systemantwort 32 sichtbar wäre. Die Maxima und Minima in der Systemantwort 32 sind daher betragsmäßig gleich (ca. 30 mA). Mit Hilfe dieses Testsignals 30 kann die Lage der d-Achse bestimmt werden. Aufgrund der winkelsymmetrischen Eigenschaften der Induktivitätsmatrix ist die Lage jedoch mit einer Unsicherheit behaftet.

Um auch die Richtung der d-Achse zu bestimmen, ist eine Amplitude des Testsignals 30 zu klein. Die Amplitude muss daher erhöht werden, um einen Effekt der d-stromabhängigen Induktivität L _d beobachten zu können und hieraus die Richtung der d-Achse bestimmen zu können. In der Fig. 5 ist eine schematische Darstellung des weiteren hochfrequenten Testsignals 31 und einer Systemantwort 32 des d-Stroms i _d im zeitlichen Verlauf gezeigt. Eine Amplitude des weiteren Testsignals 31 ist hierbei deutlich erhöht (auf ca. 35 V), eine Frequenz ist hingegen verringert auf ~3 kHz. Die Frequenz wird beim weiteren Testsignal abgesenkt, da ansonsten bei ~32 kHz auf Grund des induktiven Verhaltens der elektrischen Maschine eine deutlich zu große Amplitude der hochfrequenten Anregung gestellt werden müsste. Das weitere Testsignal wird auch nur für einen kurzen Zeitraum für die Identifikation der Richtung (bzw. der 180°-Unsicherheit) der d-Achse eingeprägt. In der Systemantwort 32 des d-Stroms i _d ist ein Versatz 35 zu erkennen, da Maxima und Minima betragsmäßig nicht mehr gleich sind. Der Versatz 35 ist ein Resultat der d-stromabhängigen Induktivität L _d (vgl. Fig. 2). Die Richtung, in der der Versatz 35 auftritt, ist die Richtung der Flussverkettung. Tritt der Versatz 35 also bei den Maxima auf, so weist die bereits bestimmte Lage die richtige Richtung auf (wie in Fig. 5 beispielhaft dargestellt). Tritt der Versatz 35 hingegen bei den Minima auf (nicht gezeigt), so weist die bestimmte Lage einen Fehler auf, beispielsweise von (elektrisch) 180° (bei einer Winkelsymmetrie der Induktivitätsmatrix von mechanisch 90° und aufgrund einer Polpaarzahl von zwei), sodass die geschätzte Rotorlage 14 (Fig. 1) um diesen Fehler korrigiert werden muss (im Beispiel wird ein Wnkel von 180° hinzuaddiert), um die korrekte Richtung zu erhalten. Anders ausgedrückt muss die geschätzte Rotorlage 14 korrigiert werden, wenn die Minima betragsmäßig größer sind als die Maxima. Sind hingegen die Maxima betragsmäßig größer als die Minima, weist die Lage bereits die richtige Richtung auf und es muss keine Korrektur erfolgen. Anschließend wird insbesondere wieder das hochfrequente Testsignal 30 mit der kleineren Amplitude verwendet, um die Rotorlage 14 fortlaufend weiter zu schätzen. Es kann vorgesehen sein, dass das hochfrequente Testsignal 30 und/oder das weitere hochfrequente Testsignal 31 mehrere Frequenzanteile umfassen.

Es kann ferner vorgesehen sein, dass das hochfrequente Testsignal 30 und/oder das weitere hochfrequente Testsignal 31 als breitbandiges Signal ausgebildet sind.

Weiter kann vorgesehen sein, dass das hochfrequente Testsignal 30 und/oder das weitere hochfrequente Testsignal 31 als Rauschsignal ausgebildet sind.

In Fig. 6 ist ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens zum Regeln einer elektrischen Maschine gezeigt.

In Maßnahme 100a werden Strangströme hochfrequent, insbesondere überabgetastet, mittels mittels Stromsensoren an Strängen der elektrischen Maschine erfasst.

In einer Maßnahme 100b werden Strangspannungen ausgehend von den erfassten Strangströmen und einer Pulsweitenmodulation des (Puls-)Wechselrichters hochfrequent geschätzt, insbesondere unter Verwendung einer Totzeitkompensation.

In einer Maßnahme 101 wird ein vorgegebenes Solldrehmoment, beispielsweise von einem Fahrer eines Fahrzeugs, oder beim teilautomatisierten oder automatisierten Fahren von einer Fahrzeugsteuerung, empfangen.

In einer Maßnahme 102 wird das empfangene Solldrehmoment ausgewertet, wobei hierzu überprüft wird, ob das vorgegebene Solldrehmoment einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht oder unterschreitet.

Ist dies der Fall, so wird in einer Maßnahme 103 ein hochfrequentes Testsignal, das insbesondere in einem unteren Drehzahlbereich der elektrischen Maschine, zum Bestimmen einer für die Regelung benötigten Rotorlage der elektrischen Maschine verwendet wird, abgeschaltet bzw. bleibt abgeschaltet.

Ist dies hingegen nicht der Fall, so wird in einer Maßnahme 104 das hochfrequente Testsignal eingeschaltet bzw. so bleibt das hochfrequente Testsignal eingeschaltet. In einer Maßnahme 105 wird in dem unteren Drehzahlbereich der elektrischen Maschine zum Bestimmen der für die Regelung benötigten Rotorlage der elektrischen Maschine das hochfrequente Testsignal aufgeprägt und eine Systemantwort ausgewertet.

In einer Maßnahme 106 wird die elektrische Maschine mittels einer drehgeberlosen Regelung ausgehend von der bestimmten Rotorlage geregelt.

Es kann vorgesehen sein, dass bei einem vorgegebenen Solldrehmoment oberhalb des vorgegebenen Schwellenwertes in Maßnahme 104 überprüft wird, ob eine Drehzahl der elektrischen Maschine Null ist, wobei hierzu ein Nullspannungszustand eingestellt wird, und wobei ausgehend von den hochfrequent erfassten Strangströmen bestimmt wird, ob die elektrische Maschine ruht oder nicht.

Insbesondere ist vorgesehen, dass nach dem Einschalten des hochfrequenten Testsignals in Maßnahme 104 ein Beobachter der geberlosen Regelung aufsynchronisiert wird.

Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass zum Aufsynchronisieren eine aktuelle Rotorlage bestimmt wird, indem eine aktuelle Lage einer d-Achse durch Einprägen des hochfrequenten Testsignals bestimmt wird, wobei anschließend ein weiteres hochfrequentes Testsignal mit größerer Amplitude unter Berücksichtigung der bestimmten aktuellen Lage aufgeprägt wird, wobei ein Versatz einer Amplitude eines d-Stroms bestimmt wird, wobei eine Richtung der d- Achse ausgehend von dem bestimmten Versatz bestimmt wird, und wobei die drehgeberlose Regelung auf Grundlage der aus der bestimmten Lage und Richtung der d-Achse bestimmten Rotorlage betrieben wird.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung

2 Steuereinrichtung

3 Digitaler Signalprozessor

3-x Modul

4 feldprogrammierbares Gatterfeld

4-x Modul

5 Beobachter 10 (Puls-)Wechselrichter

11-x Strang 12 Sensorik

12-x Stromsensor 12-4 Analog-Digital-Wandler 14 Rotorlage 20 elektrische Maschine

30 hochfrequentes Testsignal

31 weiteres hochfrequentes Testsignal

32 Systemantwort 35 Versatz

40 Solldrehmoment

41 Schwellenwert

50 Fahrzeug

51 Fahrzeugsteuerung

100-106 Maßnahmen des Verfahrens i-x Strangstrom ia d-Strom q q-Strom

La Induktivität (d-Achse)

Lq Induktivität (q-Achse)

U _d d-Spannung