WO2014146772A2 - Verfahren zum betreiben einer mehrphasigen elektrischen maschine sowie entsprechende mehrphasige elektrische maschine - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer mehrphasigen elektrischen maschine sowie entsprechende mehrphasige elektrische maschine Download PDF

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    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/182—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using back-emf in windings

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a polyphase electrical machine, which has a rotor and a rotary encoder connected to the rotor, wherein a Istfeldwinkel of the rotor is determined from a determined by means of the rotation angle Meßfitwinkel and a rotation angle offset.
  • the invention further relates to a multi-phase electric machine.
  • the rotary encoder is initially provided. However, because it is often not possible to bring the rotor first in a well-defined position and then to connect the rotary encoder with the rotor, the rotary encoder can only provide the measurement rotation angle, which, however, depending on the rotation angle of the rotor during assembly of the rotary encoder on the Rotor deviates from the actual actual rotation angle by the rotational angle offset.
  • the rotor is brought to a certain speed for determining the Drehwinkeloffsets and then an active short circuit of the electric machine is initiated, wherein an Iststromvektor from the currents of at least two of the phases of the electric machine currents and the determined by means of the rotary encoder Measurement rotation angle is determined by means of a dq transformation, and wherein the rotation angle offset is calculated from the Iststromvektor and a reference current vector.
  • the method is therefore based on the measurement of the phase currents in the active short circuit.
  • the rotor is operated with a certain direction of rotation and brought to the specific speed.
  • the rotary encoder is used, by means of which the currently present speed of the rotor can be determined with high accuracy.
  • a control of the determined by means of the rotary encoder instantaneous speed to the specific speed is performed.
  • the rotor of the active short circuit of the electric machine After reaching the specific speed through the rotor of the active short circuit of the electric machine is initiated. For example, all high-side switches or all low-side switches of an inverter used for driving the phases of the electric machine are closed for this purpose. Then, the currents of the currents flowing in at least two of the phases of the electric machine are determined. For this purpose, for example, has a control device of the electric machine corresponding means.
  • the determination of the current intensities can be carried out immediately after the initiation of the active short circuit or alternatively at the expiration of a defined period of time which begins with the initiation of the active short circuit. , The period of time is preferably selected such that already a transient oscillation of the electric machine has taken place, so that in this respect even trends of the currents are to be expected.
  • the currents are measured in particular simultaneously.
  • the measurement angle of rotation is determined with the aid of the rotary encoder. From the currents determined in this way and the angle of rotation (ie not the actual angle of rotation of the rotor), the actual current vector is determined by performing a dq transformation.
  • the dq transformation can also be called a Park transformation. It serves to convert multiphase, in particular three-phase, quantities into a two-axis coordinate system with the axes d and q.
  • the dq coordinate system formed by the axes d and q rotates in the stationary case with the rotor, so that the Iststromvektor is at least over a certain period of time and / or at constant speed of the rotor is time-invariant and thus represents a constant size.
  • This actual current vector is subsequently compared with the reference current vector, and the rotational angle offset is calculated from the two variables.
  • the rotational angle offset is subsequently used to determine the actual rotational angle from the IVless rotational angle. Accordingly, after the above-described determination of the rotation angle offset, it is possible to determine the currently existing actual rotation angle of the rotor with high accuracy. This allows reliable operation of the electric machine based on the actual rotation angle.
  • the reference current vector is already present, so it is stored in the electrical machine or a control unit of the electric machine. However, it can also be determined while determining the Drehwinkeloffsets.
  • the various possibilities for determining the reference current vector will be discussed below without any claim to completeness. In addition to the possibilities described, there may well be more.
  • the Iststromvektor opposite second rotational direction is determined analogously to the first current vector at a first rotational direction of the rotor and the reference current vector at one of the first direction of rotation.
  • the procedure for determining the actual current vector has been described above.
  • the rotor is first brought to the specific speed and then initiated the active short circuit. Subsequently, the current intensities of the currents flowing in at least two of the phases of the electric machine and the measurement rotation angle are determined. From these quantities, the actual current vector is determined with the aid of the dq transformation.
  • the first direction of rotation of the rotor is present.
  • To determine the reference current vector is analogous procedure, with the difference that here is the second direction of rotation.
  • the rotor in the second direction of rotation brought to the specific speed and in turn initiated the active short circuit.
  • the current intensities of the currents flowing in at least two of the phases of the electrical machine and the measurement rotation angle are determined and the reference current vector is determined from these quantities using the dq transformation.
  • the above-described determination of the rotation angle offset is performed.
  • the same speed is provided in determining the reference current vector, as in the determination of the Iststromvektors, although there are opposite directions of rotation.
  • a further embodiment of the invention provides that the rotational angle offset is determined by adding the angle of the reference current vector and a reference angle, wherein the difference angle corresponds to half the angular difference between the Iststromvektor and the reference current vector.
  • the difference angle corresponds to half the angular difference between the Iststromvektor and the reference current vector.
  • the bisector of the actual current vector and of the reference current vector lies on the d axis of the dq coordinate system.
  • the difference angle is first determined, which corresponds to the half angle difference between the angle of the Iststromvektors and the angle of the reference current vector.
  • the angle is understood to mean the angle between the respective vector and the d-axis, in particular the negative d-axis, of the dq coordinate system.
  • the difference angle determined in this way is added to the angle of the reference current vector.
  • the result is the rotational angle offset between the measurement angle and the actual rotational angle of the rotor.
  • the rotation angle offset by means of the equation
  • the reference current vector is determined as a function of the rotational speed of the rotor from stored reference data.
  • This is the second embodiment of the method described in the context of this application. While it was necessary in the first embodiment described above to bring the electric machine into the active short twice in opposite directions of rotation, it is sufficient in the second embodiment, only once to initiate the active short circuit while determining the Iststromvektor.
  • the reference current vector is then determined as a function of the rotational speed of the rotor, which is determined in particular by means of the rotary encoder.
  • reference data are stored at least for the specific rotational speed provided during the determination of the rotational angle offset, which data were previously determined, for example, beforehand by means of a reference machine, in particular on a test bench.
  • it may also be provided to deposit such reference data for several rotational speeds of the rotor.
  • to determine the Drehwinkeloffsets from this plurality of rotational speeds adapted to the respective Betneb claim speed can be selected.
  • the reference data is stored for only a single speed to keep the amount of data as low as possible.
  • the active short circuit is in this case initiated at this speed.
  • the rotational angle offset is obtained by subtracting the angle of the actual current vector and the angle of reference. flow vector is determined.
  • the determination of the angles has already been discussed above.
  • the angle between the respective vector and the d-axis of the dq coordinate system, in particular the positive d-axis, is present.
  • a development of the invention provides that the rotational angle offset is corrected as a function of the temperature.
  • the currents in the active short circuit are highly dependent on the current temperature. Accordingly, at the Determining the Drehwinkeloffsets result in an error when the temperature is not taken into account. The error arises in particular if the determination of the rotation angle offset is carried out at a temperature which deviates from the temperature during the determination of the reference current vector.
  • the correction with the correction parameter where ⁇ is the angular velocity of the rotor, L s is the stator inductance, R Ref is a reference resistance, and R s is the actual resistance of the stator.
  • the correction parameter also depends, in particular, on the temperature 9 or a variable dependent thereon, such as, for example, the actual resistance R s of the stator.
  • the reference resistance R Ref is, for example, the resistance of the stator of the reference machine at a defined temperature.
  • the correction parameter is in the form of an angle, which is subtracted from the rotational angle offset determined according to the above explanations.
  • R Ref is the reference resistance at the reference temperature T Ref
  • ⁇ is the coefficient of resistance of a coil material of the electric machine, in particular of the rotor
  • 9 is the instantaneous temperature.
  • the invention further relates to a multi-phase electric machine, in particular for carrying out the method described above, which has a rotor and a rotor operatively connected to the rotary encoder, wherein it is provided to determine a Istwarwinkel of the rotor from a determined by means of the rotary encoder Meßmoswinkel and a rotation angle offset.
  • the electric machine is designed to bring the rotor to a certain speed for determining the Drehwinkeloffsets and then initiate an active short circuit of the electric machine, wherein an Iststromvektor from the currents of at least two of the phases of the electric machine flowing currents and the means of the rotational angle sensor determined by means of a dq transformation, and wherein the rotational angle offset is calculated from the Iststromvektor and a reference current vector.
  • 1 shows a first diagram for a dq coordinate system, in which a
  • Iststromvektor and a reference current vector are plotted, wherein an actual rotational angle of a rotor of an electric machine deviates from a determined by means of a rotary encoder Meßfitwinkel,
  • FIG. 2 shows the already known from the figure 1 diagram, but the
  • FIG. 3 shows a further diagram in which an actual current vector and a reference current vector are plotted in a dq coordinate system.
  • FIGS. 1 to 3 A method for operating a multi-phase electric machine is explained with reference to FIGS. 1 to 3, which has a rotor and a rotary encoder coupled to the rotor.
  • a measuring angle of rotation is detected, from which, using an angular offset, the Actual rotational angle of the rotor is determined.
  • the measuring angle of rotation determined with the aid of the rotary encoder does not coincide with the actual angle of rotation of the rotor.
  • the angle of rotation offset must be determined. This represents a difference between the measuring rotation angle and the actual rotation angle. In particular, therefore, the actual rotation angle is determined by adding the measurement rotation angle and the rotation angle offset.
  • determining the Drehwinkeloffsets it is provided to first bring the rotor to a certain speed n or a certain angular velocity co, wherein there is a first direction of rotation. Subsequently, an active short-circuit of the electrical machine is initiated. During the active short-circuit, current intensities of the currents flowing in at least two of the phases of the electric machine and, in addition, the measuring rotational angle determined with the aid of the rotary encoder are detected. From the current strengths and the measurement rotation angle, a dq-
  • FIG. 1 shows a diagram in which both an actual current vector 1 and a reference current vector 2 are plotted in a dq coordinate system. It becomes clear that the rotational angle offset 8 0 ff Se t corresponds to an angle bisector between the reference current vector 2 and the actual current vector 1 or its angular distance to a negative d axis of the dq coordinate system.
  • FIG. 3 describes a further embodiment of the method for operating the electric machine. Here is now at a certain direction of rotation of the electric machine.
  • Iststromvektor 1 determined.
  • the reference current vector or a reference angle is stored in the form of reference data as a function of the rotational speed of the electrical machine. With the aid of this stored reference current vector 2 and the actual current vector 1 determined from the measured data, it is possible to deduce the rotational angle offset, in particular by subtracting the angle of the actual current vector 1 from the angle of the reference current vector 2.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mehrphasigen elektrischen Maschine, die einen Rotor und einen mit dem Rotor wirkverbundenen Drehwinkelgeber aufweist, wobei ein Istdrehwinkel des Rotors aus einem mittels des Drehwinkelgebers bestimmten Messdrehwinkel und einem Drehwinkeloffset (θOffset) bestimmt wird. Dabei ist vorgesehen, dass zum Bestimmen des Drehwinkeloffsets (θOffset) der Rotor auf eine bestimmte Drehzahl gebracht und dann ein aktiver Kurzschluss der elektrischen Maschine eingeleitet wird, wobei ein Iststrom vektor (1) aus den Stromstärken der in wenigstens zwei der Phasen der elektrischen Maschine fließenden Ströme sowie dem mittels des Drehwinkelgebers ermittelten Messdrehwinkel mit Hilfe einer dq-Transformation bestimmt wird, und wobei der Drehwinkeloffset (θOffset) aus dem Iststromvektor (1) und einem Referenzstromvektor (2) berechnet wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine mehrphasige elektrische Maschine.

Description

Verfahren zum Betreiben einer mehrphasigen elektrischen Maschine sowie entsprechende mehrphasige elektrische Maschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mehrphasigen elektrischen Maschine, die einen Rotor und einen mit dem Rotor verbundenen Drehwinkelgeber aufweist, wobei ein Istdrehwinkel des Rotors aus einem mittels des Drehwinkels bestimmten Messdrehwinkel und einem Drehwinkeloffset bestimmt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine mehrphasige elektrische Maschine.
Bei einer Vielzahl von Anwendungen ist es notwendig, die (mehreren) Phasen der - beispielsweise als Synchronmaschine ausgebildeten - elektrischen Maschine in Abhängigkeit von dem momentan vorliegenden Istdrehwinkel des Rotors anzusteuern. Entsprechend ist es notwendig, den Istdrehwinkel mit hoher Genauigkeit zu ermitteln. Zu diesem Zweck ist zunächst der Drehwinkelgeber vorgesehen. Weil jedoch häufig nicht die Möglichkeit besteht, den Rotor zuerst in eine genau definierte Position zu bringen und anschließend den Drehwinkelgeber mit dem Rotor zu verbinden, kann der Drehwinkelgeber lediglich den Messdrehwinkel bereitstellen, welcher jedoch je nach Drehwinkel des Rotors bei der Montage des Drehwinkelgebers an dem Rotor von dem tatsächlichen Istdrehwinkel um dem Drehwinkeloffset abweicht.
Es ist also notwendig, diesen Drehwinkeloffset zu bestimmen, um anhand des Messdrehwinkels auf den tatsächlich vorliegenden Istdrehwinkel des Rotors zu schließen. Eine Möglichkeit dabei ist beispielsweise die Messung von den in den Phasen der elektrischen Maschine vorliegenden Phasenspannungen, weil die Phasenlage dieser Phasenspannungen einen Hinweis auf den Istdrehwinkel des Rotors geben kann. Zu diesem Zweck müsste jedoch die Möglichkeit zur Messung dieser Phasenspannungen bestehen, was häufig nicht der Fall ist. Dies gilt insbesondere, wenn die elektrische Maschine zum Antreiben eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs verwendet wird. Die dort zum Ansteuern der einzelnen Phasen der elektrischen Maschine verwendete Leistungselektronik bietet in den meisten Fällen schlichtweg nicht die Möglichkeit zur Ermittelung der Phasenspannungen. Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift DE 10 2011 089 341 A1 bekannt. Diese zeigt ein Verfahren zum Bestimmen eines Winkels zwischen einem Stator und einem Rotor einer fremderregten Synchronmaschine. Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer mehrphasigen elektrischen Maschine vorzuschlagen, bei welchem auf einfache Art und Weise der Istdrehwinkel des Rotors mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann, insbesondere ohne das Vorhalten und/oder Abspeichern von umfangreichen, auf einem Prüfstand bestimmten Referenzdaten.
Dies wir erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass zum Bestimmen des Drehwinkeloffsets der Rotor auf eine bestimmte Drehzahl gebracht und dann ein aktiver Kurzschluss der elektrischen Maschine eingeleitete wird, wobei ein Iststromvektor aus den Stromstärken der in wenigstens zwei der Phasen der elektrischen Maschine fließenden Ströme sowie dem mittels des Drehwinkelgebers ermittelten Messdrehwinkel mit Hilfe einer dq-Transformation bestimmt wird, und wobei der Drehwinkeloffset aus dem Iststromvektor und einem Referenzstromvektor berechnet wird. Das Verfahren basiert demnach auf der Messung der Phasenströme im aktiven Kurzschluss. Dabei wird zunächst der Rotor mit einer bestimmten Drehrichtung betrieben und auf die bestimmte Drehzahl gebracht. Zu diesem Zweck wird beispielsweise der Drehwinkelgeber verwendet, mittels welchem die momentan vorliegende Drehzahl des Rotors mit hoher Genauigkeit ermittelt werden kann. Insbesondere wird eine Regelung der mittels des Drehwinkelgebers bestimmten momentanen Drehzahl auf die bestimmte Drehzahl durchgeführt.
Nach dem Erreichen der bestimmten Drehzahl durch den Rotor wird der aktive Kurzschluss der elektrischen Maschine eingeleitet. Zu diesem Zweck werden beispielsweise alle High-Side-Schalter oder alle Low-Side-Schalter eines zum Ansteuern der Phasen der elektrischen Maschine verwendeten Wechselrichters geschlossen. Dann werden die Stromstärken der Ströme bestimmt, die in zumindest zwei der Phasen der elektrischen Maschine fließen. Zu diesem Zweck weist beispielsweise ein Steuergerät der elektrischen Maschine entsprechende Mittel auf. Das Bestimmen der Stromstärken kann unmittelbar nach dem Einleiten des aktiven Kurzschlusses oder aber alternativ bei Ablauf einer definierten Zeitspanne, die mit dem Einleiten des aktiven Kurzschlusses beginnt, durchgeführt werden. ,Die Zeitspanne ist dabei vorzugsweise derart gewählt, dass bereits ein Einschwingen der elektrischen Maschine stattgefunden hat, so dass insoweit gleichmäßige Verläufe der Stromstärken zu erwarten sind. Die Stromstärken werden insbesondere gleichzeitig gemessen. Zusätzlich wird, insbesondere ebenfalls gleichzeitig, der Messdrehwinkel mit Hilfe des Drehwinkelgebers ermittelt. Aus den auf diese Art und Weise bestimmten Stromstärken und dem IVlessdrehwinkel (also nicht dem Istdrehwinkel des Rotors) wird der Iststromvektor ermittelt, indem eine dq-Transformation durchgeführt wird. Die dq-Transformation kann auch als Park- Transformation bezeichnet werden. Sie dient dazu, mehrphasige, insbesondere dreiphasige, Größen in ein zweiachsiges Koordinatensystem mit den Achsen d und q zu überführen. Das von den Achsen d und q gebildete dq-Koordinatensystem rotiert im stationären Fall mit dem Rotor, sodass der Iststromvektor zumindest über eine bestimmte Zeitspanne und/oder bei gleichbleibender Drehzahl des Rotors zeitlich invariant ist und mithin eine konstante Größe darstellt.
Dieser Iststromvektor wird nachfolgend mit dem Referenzstromvektor verglichen und aus den beiden Größen der Drehwinkeloffset berechnet. Der Drehwinkeloffset wird nachfolgend vorzugsweise zur Bestimmung des Istdrehwinkels aus dem IVlessdrehwinkel herangezogen. Entsprechend besteht nach dem vorstehend beschriebenen Bestimmen des Drehwinkeloffsets die Möglichkeit, den momentan vorliegenden Istdrehwinkel des Rotors mit hoher Genauigkeit zu ermitteln. Dies lässt ein zuverlässiges Betreiben der elektrischen Maschine auf Grundlage des Istdrehwinkels zu.
Grundsätzlich stehen verschiedene Vorgehensweisen zur Verfügung, um den Referenzstromvektor zu bestimmen. Beispielsweise liegt der Referenzstromvektor bereits vor, ist also in der elektrischen Maschine beziehungsweise einem Steuergerät der elektrischen Maschine abgespeichert. Er kann jedoch auch während des Bestimmens des Drehwinkeloffsets ermittelt werden. Auf die verschiedenen Möglichkeiten zum Bestimmen des Referenzstromvektors wird nachfolgend ohne Anspruch auf Vollständigkeit eingegangen. Neben den beschriebenen Möglichkeiten können also durchaus weitere existieren.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,' dass der Iststromvektor bei einer ersten Drehrichtung des Rotors und der Referenzstromvektor bei einer der ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung analog zu dem ersten Stromvektor ermittelt wird. Vorstehend wurde die Vorgehensweise zum Bestimmen des Iststromvektors beschrieben. Dabei wird der Rotor zunächst auf die bestimmte Drehzahl gebracht und dann der aktive Kurzschluss eingeleitet. Nachfolgend werden die Stromstärken der in wenigstens zwei der Phasen der elektrischen Maschine fließenden Ströme sowie der Messdrehwinkel ermittelt. Aus diesen Größen wird mit Hilfe der dq- Transformation der Iststromvektor bestimmt. Dabei liegt die erste Drehrichtung des Rotors vor. Zum Ermitteln des Referenzstromvektors wird analog vorgegangen, mit dem Unterschied, dass hier die zweite Drehrichtung vorliegt. Es wird also zunächst (vor beziehungsweise während dem Bestimmen des Drehwinkeloffsets gemäß den vorstehenden Ausführungen) der Rotor in der zweiten Drehrichtung auf die bestimmte Drehzahl gebracht und wiederum der aktive Kurzschluss eingeleitet. Nachfolgend werden die Stromstärken der in wenigstens zwei der Phasen der elektrischen Maschine fließenden Ströme sowie der Messdrehwinkel bestimmt und aus diesen Größen unter Verwendung der dq-Transformation der Referenzstromvektor ermittelt. Anschließend wird das vorstehend beschriebene Bestimmen des Drehwinkeloffsets durchgeführt. Besonders bevorzugt ist bei dem Ermitteln des Referenzstromvektors dieselbe Drehzahl vorgesehen, wie bei dem Ermitteln des Iststromvektors, wobei allerdings entgegengesetzte Drehrichtungen vorliegen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Drehwinkeloffset durch Addieren des Winkels des Referenzstromvektors und eines Referenzwinkels bestimmt wird, wobei der Differenzwinkel der halben Winkeldifferenz zwischen dem Iststromvektor und den Referenzstromvektor entspricht. Bei vorzugsweise identischen Betriebspunkten, also derselben Drehzahl, jedoch entgegengesetzten Drehrichtungen, bleibt im Idealfall der d-Anteil der Stromstärken in dem dq-Koordinatensystem für Iststromvektor und Referenzstromvektor gleich, während der q-Anteil des Referenzstromvektors im Vergleich mit dem des Iststromvektors negiert ist. Wird die Ermittlung des Iststromvektors und des Referenzstromvektors nicht mit dem Messdrehwinkel, sondern bei bereits bestimmtem Drehwinkeloffset mit dem Istdrehwinkel des Rotors ermittelt, so liegt die Winkelhalbierende des Iststromvektors und des Referenzstromvektors auf der d-Achse des dq- Koordinatensystems. Durch Kenntnis dieses Zusammenhangs lässt sich nun der Drehwinkeloffset auf einfache Art und Weise ermitteln.
Zu diesem Zweck wird zunächst der Differenzwinkel ermittelt, welcher der halben Winkeldifferenz zwischen dem Winkel des Iststromvektors und dem Winkel des Referenzstromvektors entspricht. Unter dem Winkel ist dabei beispielsweise der Winkel zwischen dem jeweiligen Vektor und der d-Achse, insbesondere der negativen d-Achse, des dq- Koordinatensystems zu verstehen. Im Wesentlichen wird also insbesondere die kleinere der Winkeldifferenzen zwischen den beiden Vektoren, nämlich dem Iststromvektor und dem Referenzstromvektor, ermittelt und halbiert, sodass sich der Differenzwinkel ergibt. Der auf diese Art und Weise bestimmte Differenzwinkel wird zu dem Winkel des Referenzstromvektors addiert. Das Resultat ist der Drehwinkeloffset zwischen dem Messdrehwinkel und dem Istdrehwinkel des Rotors. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Drehwinkel- offset mittels der Gleichung
Θ,
Figure imgf000007_0001
ermittelt wird, wobei li,q die q-Komponente und l1 id die d-Komponente des Iststromvektors sowie I2,q die q-Komponente und l2,d die d-Komponente des Referenzstromvektors ist. Es ist zu erkennen, dass lediglich eine geringe Anzahl von Größen vorgehalten werden muss, um den Drehwinkeloffset zu bestimmen, insbesondere die q- Komponenten und die d-Komponenten des Iststromvektors sowie des Referenzstromvektors. Weitere Größen sind nicht notwendig, insbesondere muss kein Kennfeld oder ähnliches vorgesehen sein, in welchem mehrere Referenzwerte einer Referenzmaschine abgespeichert sind.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Referenzstromvektor in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotors aus hinterlegten Referenzdaten bestimmt wird. Dies ist die zweite im Rahmen dieser Anmeldung beschriebene Ausführungsform des Verfahrens. Während es bei der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform notwendig war, die elektrische Maschine zweimal in den aktiven Kurzschluss zu bringen, wobei entgegengesetzte Drehrichtungen vorliegen müssen, reicht es bei der zweiten Ausführungsform aus, lediglich einmal den aktiven Kurzschluss einzuleiten und dabei den Iststromvektor zu ermitteln. Der Referenzstromvektor wird dann in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotors, welche insbesondere mit Hilfe des Drehwinkelgebers ermittelt wird, bestimmt. Zu dem Zweck sind zumindest für die während des Bestimmens des Drehwinkeloffsets vorgesehene bestimmte Drehzahl Referenzdaten abgespeichert, welche beispielsweise zuvor mittels einer Referenzmaschine, insbesondere auf einem Prüfstand, ermittelt wurden. Selbstverständlich kann es auch vorgesehen sein, für mehrere Drehzahlen des Rotors derartige Referenzdaten zu hinterlegen. In diesem Fall kann zum Bestimmen des Drehwinkeloffsets aus dieser Vielzahl von Drehzahlen eine an die jeweiligen Betnebbedingungen angepasste Drehzahl ausgewählt werden. Bevorzugt sind die Referenzdaten jedoch für lediglich eine einzige Drehzahl abgespeichert, um die Menge der Daten so gering wie möglich zu halten. Der aktive Kurzschluss wird in diesem Fall bei dieser Drehzahl eingeleitet.
In einer weiteren Ausgestaltung ist es beispielsweise vorgesehen, dass der Drehwinkeloffset durch Subtrahieren des Winkels des Iststromvektors und des Winkels des Refe- renzstromvektors bestimmt wird. Auf das Bestimmen der Winkel wurde bereits vorstehend eingegangen. Hier kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass der Winkel zwischen dem jeweiligen Vektor und der d-Achse des dq-Koordinatensystems, insbesondere der positiven d-Achse, vorliegt.
In einer weiteren Ausgestaltung kann es dabei vorgesehen sein, dass der Drehwinkeloff- set mittels der Gleichung
Figure imgf000008_0002
ermittelt wird, wobei l1iq die q-Komponente und l1 d die d-Komponente des
Iststromvektors sowie l2,q die q-Komponente und l2,d die d-Komponente des Referenzstromvektors ist. Stimmt der Messdrehwinkel nicht mit dem Istdrehwinkel des Rotors überein, liegt also der Drehwinkeloffset mit einer Größe von mehr als 0° vor, so fallen der Iststromvektor und der Referenzstromvektor nicht zusammen, während dies der Fall ist, falls keine Abweichung zwischen dem Istdrehwinkel und dem Messdrehwinkel vorliegt. Entsprechend muss lediglich die Winkeldifferenz zwischen dem Iststromvektor und dem Referenzstromvektor ermittelt werden, um den Drehwinkeloffset zu erhalten.. Dies kann gemäß der vorstehend genannten Gleichung erfolgen, wobei auch hier deutlich wird, dass lediglich eine geringe Menge an Daten benötigt wird und die Gleichung äußerst einfach aufgebaut ist. Entsprechend kann mit lediglich einer geringen Speichermenge und geringer Rechenleistung ein zuverlässiges Bestimmen des Drehwinkeloffsets und mithin ein nachfolgend genaues Bestimmen des Istdrehwinkels des Rotors vorgenommen werden.
Wird lediglich ein Referenzwinkel in Form der Referenzdaten abgespeichert, so kann auch die Beziehung
Figure imgf000008_0001
herangezogen werden, wobei 6Ref der Referenzwinkel ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Drehwinkeloffset in Abhängigkeit von der Temperatur korrigiert wird. Die Ströme in dem aktiven Kurzschluss sind stark von der momentan vorliegenden Temperatur abhängig. Entsprechend kann sich bei der Bestimmung des Drehwinkeloffsets ein Fehler ergeben, wenn die Temperatur nicht berücksichtigt wird. Der Fehler ergibt sich insbesondere dann, wenn das Bestimmen des Drehwinkeloffsets bei einer Temperatur durchgeführt wird, welche von der Temperatur während des Ermitteins des Referenzstromvektors abweicht.
Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass das Korrigieren mit dem Korrekturparameter
Figure imgf000009_0001
erfolgt, wobei ω die Winkelgeschwindigkeit des Rotors, Ls die Statorinduktivität, RRef ein Referenzwiderstand und Rs der Istwiderstand des Stators ist. Um den Korrekturparameter k zu ermitteln, sind also an veränderlichen Größen zumindest die Winkelgeschwindigkeit ω und der Istwiderstand Rs des Stators notwendig. Der Korrekturparameter hängt zudem insbesondere von der Temperatur 9 ab oder einer von dieser abhängigen Größe, wie beispielsweise dem Istwiderstand Rs des Stators ab. Der Referenzwiderstand RRef ist beispielsweise der Widerstand des Stators der Referenzmaschine bei einer definierten Temperatur. Der Korrekturparameter liegt in Form eines Winkels vor, welcher von dem gemäß den vorstehenden Ausführungen bestimmten Drehwinkeloffset subtrahiert wird.
Die vorstehend angeführte Gleichung für den Korrekturparameter k kann vereinfacht werden, weil bei hohen Drehzahl gilt:
Figure imgf000009_0002
Werden beispielsweise die Referenzdaten bei einer Referenztemperatur von TRef abgelegt, ergibt sich für die Gleichung des Korrekturparameters Folgendes: k(co, 3) = arctan(-(,9 - ■
Figure imgf000009_0003
Dabei ist RRef der Referenzwiderstand bei der Referenztemperatur TRef, α der Widerstandskoeffizient eines Spulenmaterials der elektrischen Maschine, insbesondere des Rotors, und 9 die momentane Temperatur. Die Erfindung betrifft weiterhin eine mehrphasige elektrische Maschine, insbesondere zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, die einen Rotor und einen mit dem Rotor wirkverbundenen Drehwinkelgeber aufweist, wobei vorgesehen ist, einen Istdrehwinkel des Rotors aus einem mittels des Drehwinkelgeber bestimmten Messdrehwinkel und einem Drehwinkeloffset zu bestimmen. Dabei ist die elektrische Maschine dazu ausgebildet, zum Bestimmen des Drehwinkeloffsets den Rotor auf eine bestimmte Drehzahl zu bringen und dann einen aktiven Kurzschluss der elektrischen Maschine einzuleiten, wobei ein Iststromvektor aus den Stromstärken der in mindestens zwei der Phasen der elektrischen Maschine fließenden Ströme sowie dem mittels des Drehwinkelgebers ermittelten Messdrehwinkel mit Hilfe einer dq-Transformation bestimmt wird, und wobei der Drehwinkeloffset aus dem Iststromvektor und einem Referenzstromvektor berechnet wird. Auf die Vorteile einer derartigen Ausgestaltung der elektrischen Maschine sowie der entsprechenden Vorgehensweise wurde bereits hingewiesen. Die elektrische Maschine sowie das entsprechende Verfahren können gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt:
Figur 1 ein erstes Diagramm für ein dq-Koordinatensystem, in welchem ein
Iststromvektor und ein Referenzstromvektor aufgetragen sind, wobei ein Istdrehwinkel eines Rotors einer elektrischen Maschine von einem mittels eines Drehwinkelgebers bestimmten Messdrehwinkel abweicht,
Figur 2 das bereits aus der Figur 1 bekannte Diagramm, wobei jedoch der
Istdrehwinkel mit dem Messdrehwinkel übereinstimmt, beziehungsweise der Istdrehwinkel mittels eines Drehwinkeloffsets korrigiert ist, und
Figur 3 ein weiteres Diagramm, in welchem ein Iststromvektor und ein Referenzstromvektor in einem dq-Koordinatensystem aufgetragen sind.
Anhand der Figuren 1 bis 3 wird ein Verfahren zum Betreiben einer mehrphasigen elektrischen Maschine erläutert, welche einen Rotor und eine mit dem Rotor gekoppelten Drehwinkelgeber aufweist. Mit Hilfe des Drehwinkelgebers wird ein Messdrehwinkel er- fasst, aus welchem anschließend unter Verwendung eines Drehwinkeloffsets der Istdrehwinkel des Rotors ermittelt wird. Dies ist insbesondere notwendig, weil bei einer Montage des Drehwinkelgebers an dem Rotor beziehungsweise dem Herstellen einer Wirkverbindung zwischen diesen beiden Elementen, häufig keine definierte Rotorlage des Rotors vorliegt. Mithin stimmt der mit Hilfe des Drehwinkelgebers bestimmte Messdrehwinkel nicht mit dem Istdrehwinkel des Rotors überein. Im Rahmen einer Kalibrierung muss daher der Drehwinkeloffset ermittelt werden. Dieser gibt eine Differenz zwischen dem Messdrehwinkel und dem Istdrehwinkel wieder. Insbesondere wird also der Istdrehwinkel durch Addition des Messdrehwinkels und des Drehwinkeloffsets bestimmt.
Bei dem Bestimmen des Drehwinkeloffsets ist es vorgesehen, den Rotor zunächst auf eine bestimme Drehzahl n beziehungsweise eine bestimmte Winkelgeschwindigkeit co zu bringen, wobei eine erste Drehrichtung vorliegt. Anschließend wird ein aktiver Kurz- schluss der elektrischen Maschine eingeleitet. Während des aktiven Kurzschlusses werden Stromstärken der in wenigstens zwei der Phasen der elektrischen Maschine fließenden Ströme und zusätzlich der mit der Hilfe des Drehwinkelgebers ermittelte Messdrehwinkel erfasst. Aus den Stromstärken und dem Messdrehwinkel wird mit Hilfe einer dq-
«
Transformation ein Iststromvektor ermittelt, welcher bezüglich des Rotors ortsfest ist, also zusammen mit diesem rotiert. Unter Verwendung eines Referenzstromvektors und des Iststromvektors wird nun auf den Drehwinkeloffset geschlossen und nachfolgend die elektrische Maschine mit einem korrigierten Istdrehwinkel betrieben.
Die Figur 1 zeigt ein Diagramm, in welchem in einem dq-Koordinatensystem sowohl ein Iststromvektor 1 als auch ein Referenzstromvektor 2 aufgetragen ist. Es wird deutlich, dass der Drehwinkeloffset 80ffSet einer Winkelhalbierenden zwischen dem Referenzstromvektor 2 und dem Iststromvektor 1 beziehungsweise deren Winkelabstand zu einer negativen d-Achse des dq-Koordinatensystems entspricht.
Dies wird anhand der Figur 2 weiter verdeutlicht. Während in dem in der Figur 1 dargestellten Fall der Drehwinkeloffset 60ffSet größer als 0° ist, entspricht er im Falle der Figur 2 gleich 0°. Das bedeutet, dass der Istdrehwinkel dem Messdrehwinkel entspricht. In diesem Fall liegt die Winkelhalbierende von Iststromvektor 1 und Referenzstromvektor 2 auf der negativen d-Achse. Dieser Umstand wird nun zum Bestimmen des Drehwinkeloffsets ausgenutzt, indem zunächst die elektrische Maschine bei einer ersten Drehrichtung und anschließend bei einer der ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung betrieben wird. In einem aktiven Kurzschluss wird bei der ersten Drehrichtung der Iststromvektor 1 und bei der zweiten Drehrichtung der Referenzstromvektor 2 ermittelt. Nachfolgend wird ein Referenzwinkel bestimmt, welcher der halben Winkeldifferenz zwi- sehen dem Iststromvektor 1 und dem Referenzstromvektor 2 entspricht. Der Drehwinkeloffset wird nun durch Addieren des Winkelreferenzstromvektors 2 und dem Referenzwinkels ermittelt.
Die Figur 3 beschreibt eine weitere Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben der elektrischen Maschine. Hier wird nun bei einer bestimmten Drehrichtung der
Iststromvektor 1 ermittelt. Der Referenzstromvektor oder ein Referenzwinkel ist in Form von Referenzdaten in Abhängigkeit von der Drehzahl der elektrischen Maschine hinterlegt. Mit Hilfe dieses hinterlegten Referenzstromvektors 2 und dem aus dem Messdaten bestimmten Iststromvektor 1 kann auf den Drehwinkeloffset geschlossen werden, insbesondere indem der Winkel des Iststromvektors 1 von dem Winkel des Referenzstromvektors 2 subtrahiert wird.
BEZUGSZEICHENLISTE
Iststromvektor
Referenzstromvektor

Claims

PAT E N TA N S P R Ü C H E
1. Verfahren zum Betreiben einer mehrphasigen elektrischen Maschine, die einen Rotor und einen mit dem Rotor wirkverbundenen Drehwinkelgeber aufweist, wobei ein Istdrehwinkel des Rotors aus einem mittels des Drehwinkelgebers bestimmten Messdrehwinkel und einem Drehwinkeloffset (e0ffset) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen des Drehwinkeloffsets (80ffSet) der Rotor auf eine bestimmte Drehzahl gebracht und dann ein aktiver Kurzschluss der elektrischen Maschine eingeleitet wird, wobei ein Iststromvektor (1) aus den Stromstärken der in wenigstens zwei der Phasen der elektrischen Maschine fließenden Ströme sowie dem mittels des Drehwinkelgebers ermittelten Messdrehwinkel mit Hilfe einer dq-Transformation bestimmt wird, und wobei der Drehwin- keloffset (e0ffSet) aus dem Iststromvektor (1) und einem Referenzstromvektor (2) berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Iststromvektor (1) bei einer ersten Drehrichtung des Rotors und der Refere zstromvektor (2) bei einer der ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung analog zu dem Iststromvektor (1) ermittelt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkeloffset (90ffSet) durch Addieren des Winkels des Referenzstromvektors (2) und eines Differenzwinkels bestimmt wird, wobei der Differenzwinkel der halben Winkeldifferenz zwischen dem Iststromvektor (1) und dem Referenzstromvektor (2) entspricht.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkeloffset (e0ffSet) mittels der Gleichung θο « ■180°
Figure imgf000014_0001
ermittelt wird, wobei ,q die q-Komponente und l1 id die d-Komponente des
Iststromvektors (1) sowie l2,q die q-Komponente und l2id die d-Komponente des Referenzstromvektors (2) ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzstromvektor (2) in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotors aus hinterlegten Referenzdaten bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkeloffset (0Offeet) durch Subtrahieren des Winkels des Iststrom vektors (1) und des Winkels des Referenzstromvektors (2) bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem, der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkeloffset (60ffset) mittels der Gleichung
Figure imgf000015_0002
ermittelt wird, wobei l1iq die q-Komponente und l1 id die d-Komponente des
Iststromvektors (1) sowie \2A die q-Komponente und l2,d die d-Komponente des Referenzstromvektors (2) ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkeloffset (90ffSet) in Abhängigkeit von der Temperatur korrigiert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Korrigieren mit dem Korrekturparameter
Figure imgf000015_0001
erfolgt, wobei ω die Winkelgeschwindigkeit des Rotors, Ls die Statorinduktivität, RRef ein Referenzwiderstand und Rs der Istwiderstand des Stators ist.
10. Mehrphasige elektrische Maschine, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, die einen Rotor und einen mit dem Rotor wirkverbundenen Drehwinkelgeber aufweist, wobei vorgesehen ist, einen Istdrehwinkel des Rotors aus einem mittels des Drehwinkelgebers bestimmten Messdrehwinkel und einem Drehwinkeloffset (60ffset) zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine dazu ausgebildet ist, zum Bestimmen des Drehwinkeloffsets (90ffSet) den Rotor auf eine bestimmte Drehzahl zu bringen und dann einen aktiven Kurzschluss der elektrischen Maschine einzuleiten, wobei ein Iststromvektor (1) aus den Stromstärken der in wenigstens zwei der Phasen der elektrischen Maschine fließenden Ströme sowie dem mittels des Drehwinkelgebers ermittelten Messdrehwinkel mit Hilfe einer dq- Transformation bestimmt wird, und wobei der Drehwinkeloffset (90ffSet) aus dem Iststromvektor (1) und einem Referenzstromvektor (2) berechnet wird.
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