Titel

Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer elektrischen mehrphasigen Maschine mit einem Winkelgeber in einem Fahrzeug

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer elektrischen mehrphasigen Maschine mit einem Winkelgeber in einem Fahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang mit einer entsprechenden Vorrichtung und ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang sowie ein Computerprogramm und ein computerlesbares Medium.

Stand der Technik

Aufgrund ihrer Effizienz und Leistungsdichte werden Permanentmagnet-Synchronmotoren (PSM) in Kraftfahrzeuganwendungen, Hybrid-Fahrzeuge oder Batterie elektrische Fahrzeuge, verwendet. Am Rotor sind Permanentmagnete angebracht, die ein konstantes Magnetfeld erzeugen. Der Stator weist bevorzugt eine dreiphasige Wicklung auf. Wenn jede der Phasen mit einer sinusförmigen Spannung mit 120° Phasenverschiebung zwischen ihnen angeregt wird, erzeugt dies ein rotierendes Magnetfeld. Das konstante Magnetfeld des Rotors wird dem rotierenden Magnetfeld folgen und eine Rotation des Rotors resultiert. Eine Erhöhung der Frequenz der angelegten Spannung erhöht die Drehzahl des Rotors. Eine Erhöhung der Spannungsamplitude erhöht den Statorstrom. Somit wird das Statormagnetfeld und resultierend damit das Drehmoment erhöht.

Bevorzugt werden mittels einer feldorientierten Regelung die Motordrehzahl und das Drehmoment geregelt. Ein Teil der feldorientierten Regelung ist die Clark- Transformation. Mittels der Clark-Transformation werden die zu regelnden Phasenströme auf zwei Stromvektoren in einem zweiachsigen Koordinatensystem überführt, wobei das ruhende Koordiantensystem gleich dem ruhenden Stator gewählt wird. Mittels eines ermittelten Rotorwinkels zwischen der Rotorlage und dem Stator, bevorzugt mittels eines Resolvers, überführt die Park-Transformation oder d/q Transformation die Phasenströme in zwei Stromvektoren in einem zweiachsigen Koordinatensystem mit den Achsen d und q. Das d/q-Koordinatensys- tem rotiert im stationären Fall mit dem Rotor und das Strom-Wertepaar id, iq stellt dann zeitlich konstante Größen dar. Diese Ströme werden iq/id genannt. Iq, der Querstrom oder auch der Quadraturstrom genannt, ist die Komponente des Stroms, der das Statorfeld senkrecht zum Radius des Rotors erzeugt und so das Drehmoment erzeugt. Id, der Längsstrom oder auch der Gleichstrom genannt, ist die Komponente des Stroms, die parallel zum Radius des Rotors oder der Richtung der Permanentmagnete wirkt. Id wird speziell dazu verwendet, das Rotorfeld bei hohen Drehzahlen zu schwächen, wodurch eine hohe induzierte Spannung am Stator vermieden wird.

Ist eine Ermittlung des Rotorwinkels nicht möglich, ist die Verwendung der d/q Transformation im Rahmen der Regelung der elektrischen Maschine nicht möglich. Zur feldorientierten Regelung wird ein ermittelter Rotorwinkel benötigt, damit der geregelte Stromvektor des Stators stets senkrecht zum Magnetfeld der Permanentmagnete des Rotors eingestellt wird. Dies führt zu einer maximalen Drehmomenteffizienz. Zusätzlich dreht die elektrische Maschine in die falsche Richtung, falls die elektrische Maschine mittels einer feldorientierten Regelung in Abhängigkeit des Rotorwinkels betrieben wird, wobei der ermittelte Rotorwinkel um mehr als 180° vom tatsächlichen Rotorwinkel abweicht. Bevorzugt wird der Rotorwinkel durch Messen der Position des Statorstromvektors ermittelt. Diese Ermittlung ist jedoch nur möglich, solange der Längstrom Id groß genug ist. In Arbeitspunkten der elektrischen Maschine, in denen beispielsweise zu wenig Drehmoment angefordert wird oder kein Drehmoment oder ein Drehmoment von 0 Nm, ist der Statorstrom minimal oder gleich null und die Ermittlung des Rotorwinkels in Abhängigkeit des Statorstromvektors nicht möglich. Daher werden Lösungen gesucht, die auch in den genannten Arbeitspunkten einer elektrischen Maschine eine Regelung bei Ausfall der Ermittlung des Rotorwinkels ermöglichen. Aus der Druckschrift WO 2020/001945 Al ist ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen mehrphasigen Maschine bekannt.

Offenbarung der Erfindung Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen mehrphasigen Maschine mit einem Winkelgeber in einem Fahrzeug bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte: Ermitteln der Rotorlage des Rotors der elektrischen Maschine in Abhängigkeit des Signals des Winkelgebers; Ansteuern der elektrischen Maschine mittels einer, bevorzugt feldorientierten, Regelung in Abhängigkeit der erfassten Rotorlage; Ermitteln der Nichtverfügbarkeit des Signals des Winkelgebers; Ansteuern der elektrischen Maschine in einem Fehlerbetriebsmodus. Das Verfahren kennzeichnet sich durch die Schritte: Ansteuern der elektrischen Maschine mittels der Regelung in Abhängigkeit der zuletzt erfassten Rotorlage; Vorgeben eines minimalen Längsstrom bei dem weiteren Betrieb der elektrischen Maschine; Ermitteln der Rotorlage des Rotors der elektrischen Maschine in Abhängigkeit des Statorstromvektors; Ansteuern der elektrischen Maschine mittels der Regelung in Abhängigkeit der in Abhängigkeit des Statorstromvektors erfassten Rotorlage.

Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen mehrphasigen Maschine mit einem Winkelgeber in einem Fahrzeug bereitgestellt: Mittels eines Signals eines Winkelgebers wird die Rotorlage ermittelt. Mittels einer Regelung, bevorzugt einer feldorientierten Regelung wird die elektrische Maschine angesteuert. Bevorzugt erfolgt die Ansteuerung der mehrphasigen elektrischen Maschine mittels Versorgung der mehrphasigen elektrischen Maschine mit einer mehrphasigen Wechselspannung, welche durch einen mittels der Regelung angesteuerten Wechselrichter ausgangsseitig des Wechselrichters bereitgestellt wird. Bevorzugt ist der Wechselrichter eingangsseitig mit einer Gleichspannungsquelle, einer Batterie oder Traktionsbatterie verbunden. Bevorzugt wird die eingangsseitige Gleichspannung mittels des Wechselrichters in Abhängigkeit der Regelung in eine ausgangsseitig bereitgestellte mehrphasige Wechselspannung gewandelt. Die Regelung erfolgt in Abhängigkeit der ermittelten Rotorlage. Weiter wird eine Nichtverfügbarkeit des Signals des Winkelgebers ermittelt. Im Anschluss an die Ermittlung der Nichtverfügbarkeit des Signals des Winkelgebers wird die elektrische Maschine in einem Fehlerbetriebsmodus angesteuert. Der Fehlerbetriebsmodus umfasst die Ansteuerung der elektrischen Maschine mittels der Regelung in Abhängigkeit der zuletzt noch ermittelten Rotorlage des Winkelgebers. Bevorzugt übernimmt dabei die Regelung den zuletzt verfügbaren Rotorlagewert des Winkelgebers. Es wird ein, bevorzugt minimaler, Längsstrom für den weiteren Betrieb der elektrischen Maschine vorgegeben. Somit wird für den weiteren Betrieb, bevorzugt dauerhaft während des Fehlerbetriebsmodus, ein Längsstrom vorgegeben. Der vorgegebene Längsstrom wird bei dem weiteren Betrieb der elektrischen Maschine nicht unterschritten. So wird sichergestellt, dass stets ein Statorstromvektor, basierend auf den messbaren Phasenströmen, ermittelt werden kann. In Abhängigkeit des, bevorzugt aktuellen, Statorstromvektors wird die Rotorlage der elektrischen Maschine ermittelt. Zur Ermittlung des Statorstromvektors werden die Phasenströme ermittelt, bevorzugt gemessen. Mittels der Clark-Transformation werden aus den ermittelten Phasenströme die statororien- tieren Ströme (alpha, beta) ermittelt und daraus der Statorstromvektor bestimmt. Die Richtung des Statorstromvektors ist ein Maß für die Rotorlage. In Abhängigkeit der ermittelten Rotorlage auf Basis des Statorstromvektors wird die elektrische Maschine angesteuert. Da im Fehlerbetriebsmodus stets ein Längsstrom vorgegeben wird, sind im Fehlerbetriebsmodus kontinuierlich Phasenströme und somit der Statorstromvektor ermittelbar. Dadurch ist im Fehlerbetriebsmodus eine kontinuierliche Bestimmung der Rotorlage, selbst bei Stillstand des Rotors der elektrischen Maschine, möglich. Mittels der kontinuierlichen Bestimmung der Rotorlage kann eine fehlerhafte Bestimmung der Rotorlage um 180 Grad bei Wiederanlauf des Rotors der elektrischen Maschine nach einem Stillstand zuverlässig vermieden werden. Eine Ansteuerung der elektrischen Maschine für ein zu stellendes Drehmoment wird in Abhängigkeit der im Fehlerbetriebsmodus ermittelten Rotorlage ermittelt. Vorteilhaft wird somit ein ungewolltes Beschleunigen vermieden.

Vorteilhaft wird ein Fehlerbetriebsmodus bereitgestellt, der eine Ansteuerung der elektrischen Maschine auch bei defektem Winkelgeber ermöglicht.

In einer Ausgestaltung wird beim Ansteuern der elektrischen Maschine mittels der Regelung in Abhängigkeit der in Abhängigkeit des Statorstromvektors erfassten Rotorlage, eine angeforderte Änderung eines Drehmomentsollwerts auf einen Gradienten limitiert wird, der kleiner als ein vorgebbarer erster Gradientenwert ist, oder eine angeforderte Änderung eines Sollstromwertes auf einen Gradienten limitiert wird, der kleiner als ein vorgebbarer zweiter Gradientenwert ist. Bei der Ansteuerung im Fehlerbetriebsmodus werden die Gradienten der Sollwertänderungen für Drehmoment oder Sollstrom mittels zweier unabhängiger Schwellwerten begrenzt. Vorteilhaft wird die Dynamik der Regelung reduziert und damit eine stabilere Regelung bereitgestellt. Vorteilhaft wird ein sichererer Betrieb der elektrischen Maschine ermöglicht.

In einer anderen Ausgestaltung erfolgt, beim Ansteuern der elektrischen Maschine mittels der Regelung in Abhängigkeit der in Abhängigkeit des Statorstromvektors erfassten Rotorlage, ein angefordertes Bremsen mittels einer hydraulischen Bremse, oder eine angeforderte Beschleunigung wird auf einen Wert limitiert, der kleiner als ein vorgebbarer dritter Grenzwert ist.

Bei der Ansteuerung im Fehlerbetriebsmodus wird ein Bremsen mittels einer hydraulischen Bremse umgesetzt. Vorteilhaft wird somit sichergestellt, dass ein Bremsen entsprechend einem gewünschten Bremsmoment umgesetzt wird. Im Fehlerbetriebsmodus ist die Genauigkeit und die Dynamik der Regelung der Ansteuerung der elektrischen Maschine reduziert, sodass vorteilhaft ein potentiell sicherheitsrelevantes Bremsen mittels der von der elektrischen Maschine unabhängigen und problemlos funktionierenden hydraulischen Bremse umgesetzt wird. Bei einer angeforderten Beschleunigung wird diese auf einen Wert limitiert, der kleiner als ein vorgebbarer dritter Grenzwert ist. Vorteilhaft wird die Dynamik der Regelung reduziert und damit eine stabilere Regelung bereitgestellt. Vorteilhaft wird ein sichererer Betrieb der elektrischen Maschine ermöglicht.

In einer anderen Ausgestaltung ist die Regelung eine feldorientierte Regelung, eine Blockkommutierung-Regelung oder eine Raumzeigervektor-Regelung.

Unabhängig davon, ob die elektrische Maschine in Abhängigkeit einer Rotorlage, die in Abhängigkeit des Signals des Winkelgebers oder in Abhängigkeit einer Rotorlage, die in Abhängigkeit Statorstromvektors ermittelt wurde, geregelt wird, wird die Maschine mittels einer feldorientierten-Regelung, einer Blockkommutierung-Regelung oder einer Raumzeigervektorregelung-Regelung geregelt. Vorteilhaft werden unterschiedliche Regelungsverfahren zur Regelung der Ansteuerung der elektrischen Maschine bereitgestellt. In einer anderen Ausgestaltung umfasst das Ermitteln der Nichtverfügbarkeit mindestens einen der folgenden Schritte: Ermitteln, dass das Signal fehlerhaft ist; Ermitteln, dass das Signal nicht übertragen wird; Ermitteln, dass der Winkelgeber fehlerhaft ist; Ermitteln, dass der Winkelgeber nicht vorhanden ist.

Bevorzugt umfasst ein Winkelgeber, beispw. ein Resolver, zwei Spulen, in denen bei drehendem Rotor eine sinus- bzw. cosinus-förmige Spannung induziert wird. Bevorzugt wird in Abhängigkeit der Spannungsamplituden die Rotorlage bestimmt. Bevorzugt führt eine Überwachungssoftware Plausibilitätsprüfungen für die Werte der Spannungssignale durch. Bevorzugt umfassen dieses auch elektrische Diagnosen, wie beispw. ein Kurzschluss zur Batterie, zur Masse oder eine offene Leitung. Bei Auftreten nicht plausibler Signale wird die Nichtverfügbarkeit des Signals des Winkelgebers erkannt.

Vorteilhaft werden einige Verfahrensschritte bereitgestellt, die das Ermitteln der Nichtverfügbarkeit des Signals des Winkelgebers ermöglichen.

In einer anderen Ausgestaltung umfasst das Ermitteln der Rotorlage des Rotors der elektrischen Maschine in Abhängigkeit des Statorstromvektors mindestens einen der folgenden Schritte umfasst: Ermitteln der Phasenströme der elektrischen Maschine; Ermitteln des Statorstromvektors mittels der Clark-Transforma- tion aus den Phasenströmen; Ermitteln der Rotorlage als Richtung des Statorstromvektors.

Vorteilhaft werden Verfahrensschritte zur Ermittlung der Rotorlage des Rotors der elektrischen Maschine in Abhängigkeit des Statorstromvektors bereitgestellt.

Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Betrieb einer elektrischen mehrphasigen Maschine mit einem Winkelgeber in einem Fahrzeug. Die Vorrichtung ist dazu eingerichtet, die oben beschriebenen Verfahren auszuführen.

Vorteilhaft wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die dazu eingerichtet ist, auch bei einem defekten Winkelgeber, eine Ansteuerung der elektrischen Maschine in einem Fehlerbetriebsmodus auszuführen Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang mit einer beschriebenen Vorrichtung und insbesondere mit einer Leistungselektronik und/ oder einem elektrischen Antrieb. Ein derartiger Antriebsstrang dient beispielsweise dem Antrieb eines elektrischen Fahrzeugs. Mittels des Verfahrens und der Vorrichtung wird ein sicherer Betrieb des Antriebstrangs ermöglicht.

Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, mit einem beschriebenen Antriebsstrang. Vorteilhaft wird somit ein Fahrzeug bereitgestellt, welches eine Vorrichtung umfasst, mit der auch bei einem defekten Winkelgeber, eine Ansteuerung der elektrischen Maschine in einem Fehlerbetriebsmodus ausgeführt wird.

Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass die beschriebene Vorrichtung die beschriebenen Verfahrensschritte ausführt.

Ferner betrifft die Erfindung ein computerlesbares Medium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch die beschriebene Vorrichtung diese veranlassen, die beschriebenen Verfahrensschritte auszuführen.

Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend auf die Vorrichtung bzw. den Antriebsstrang und das Fahrzeug und umgekehrt zutreffen bzw. anwendbar sind.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden, dazu zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Betrieb einer elektrischen mehrphasigen Maschine mit einem Winkelgeber in einem Fahrzeug, Figur 2 ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen mehrphasigen Maschine mit einem Winkelgeber in einem Fahrzeug.

Ausführungsformen der Erfindung

Die Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Betrieb einer elektrischen mehrphasigen Maschine 110 mit einem Winkelgeber 120 in einem Fahrzeug 300. Die Vorrichtung 100 ist dazu eingerichtet, die Rotorlage des Rotors der elektrischen Maschine 110 in Abhängigkeit des Signals des Winkelgebers 120 zu ermitteln; die elektrische Maschine 110 mittels einer Regelung 130 in Abhängigkeit der erfassten Rotorlage anzusteuern; die Nichtverfügbarkeit des Signals des Winkelgebers 120 zu ermitteln und anschließend die elektrische Maschine 110 in einem Fehlerbetriebsmodus anzusteuern. Bevorzugt in einem Fehlerbetriebsmodus ist die Vorrichtung 100 dazu eingerichtet, die elektrische Maschine 110 mittels der Regelung 130 in Abhängigkeit der zuletzt ermittelten Rotorlage anzusteuern; einen minimalen Längsstrom für den weiteren Betrieb der elektrischen Maschine 110 vorzugeben; die Rotorlage des Rotors der elektrischen Maschine 110 in Abhängigkeit des Statorstromvektors zu ermitteln; und die elektrische Maschine 110 mittels der Regelung 130 in Abhängigkeit der in Abhängigkeit des Statorstromvektors erfassten Rotorlage anzusteuern. Bevorzugt erfolgt die Ansteuerung der mehrphasigen elektrischen Maschine 110 mittels Versorgung der mehrphasigen elektrischen Maschine 110 mit einer mehrphasigen Wechselspannung, welche durch einen mittels der Regelung 130 angesteuerten Wechselrichter ausgangsseitig des Wechselrichters bereitgestellt wird. Bevorzugt ist der Wechselrichter eingangsseitig mit einer Gleichspannungsquelle 140, einer Batterie oder Traktionsbatterie verbunden. Bevorzugt ist die Regelung 130 in den Wechselrichter integriert. Das Fahrzeug 300 umfasst einen Antriebsstrang 200. Der Antriebsstrang 200 umfasst eine Vorrichtung 100 und insbesondere die elektrische Maschine 110, eine Energiequelle 140 und oder einen Wechselrichter. Die Darstellung zeigt beispielhaft ein Fahrzeug mit vier Rädern 302, wobei die Erfindung gleichermaßen in beliebigen Fahrzeugen mit einer beliebigen Anzahl an Rädern zu Lande, zu Wasser und in der Luft einsetzbar ist. Figur 2 zeigt ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen mehrphasigen Maschine mit einem Winkelgeber in einem Fahrzeug. Das Verfahren 400 beginnt mit Schritt 405. In Schritt 410 wird die Rotorlage des Rotors der elektrischen Maschine 110 in Abhängigkeit des Signals des Winkelgebers 120 ermittelt. Es folgt in Schritt 420 das Ansteuern der elektrischen Maschine 110 mittels einer Regelung 130 in Abhängigkeit der erfassten Rotorlage. In Schritt 430 wird die Nichtverfügbarkeit des Signals des Winkelgebers 120 ermittelt. Darauf erfolgt in Schritt 440 das Ansteuern der elektrischen Maschine 110 in einem Fehlerbetriebsmodus. Das Ansteuern der elektrischen Maschine 110 mittels der Regelung 130 in Abhängigkeit der zuletzt ermittelten Rotorlage erfolgt in Schritt 450. In Schritt 460 wird ein minimaler Längs- strom für den weiteren Betrieb der elektrischen Maschine 110 vorgegeben. Das Ermitteln der Rotorlage des Rotors der elektrischen Maschine 110 in Abhängigkeit des Statorstromvektors erfolgt in Schritt 470. In Schritt 480 wird die elektrische Maschine 110 mittels der Regelung 130 in Abhängigkeit der in Abhängigkeit des Statorstromvektors erfassten Rotorlage angesteuert. Mit Schritt 485 endet das Verfahren. Bevorzugt springt das Verfahren zurück zu Schritt 410, falls in Schritt 430 nicht die Nichtverfügbarkeit des Signals des Winkelgebers 120 ermittelt wird. Zur Ermittlung 430 der Nichtverfügbarkeit des Signals des Winkelgebers kann bevorzugt mindestens einer der Schritte: Ermitteln 432, dass das Signal fehlerhaft ist; Ermitteln 434, dass das Signal nicht übertragen wird; Ermitteln 436, dass der Winkelgeber fehlerhaft ist; oder Ermitteln 438, dass der Winkelgeber nicht vorhanden ist, ausgeführt werden. Zur Ermittlung 470 der Rotorlage des Rotors der elektrischen Maschine 110 in Abhängigkeit des Statorstromvektors kann bevorzugt mindestens einer der Schritte: Ermitteln 472 der Phasenströme der elektrischen Maschine, Ermitteln 474 des Statorstromvektors mittels der Clark-Transformation aus den Phasenströmen und oder Ermitteln 476 der Rotorlage als Richtung des Statorstromvektors, ausgeführt werden.