WO2017148720A1 - Überwachung und abgleich des winkels eines rotors bei einer elektrischen maschine mit einem winkelsensor - Google Patents

Überwachung und abgleich des winkels eines rotors bei einer elektrischen maschine mit einem winkelsensor Download PDF

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WO2017148720A1
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angle
angle sensor
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Marcel Kuhn
Roman Nestlinger
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Bayerische Motoren Werke AG
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • H02P21/18—Estimation of position or speed
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2203/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the means for detecting the position of the rotor
    • H02P2203/11—Determination or estimation of the rotor position or other motor parameters based on the analysis of high-frequency signals

Definitions

  • the present invention relates to a monitoring and adjustment of the angle of the rotor in an electrical machine with an angle sensor which determines the actual angle of the rotor.
  • An electrical machine in particular a synchronous machine, usually comprises an angle sensor, by means of which the position of the rotor relative to the stator can be determined.
  • the angle sensor passes the current angle (actual angle) of the rotor to an inverter, which outputs AC signals, such as three-phase signals, depending on the current angle of the rotor to the windings of the stator.
  • AC signals such as three-phase signals
  • the efficiency of the electric machine can be increased.
  • the mode of operation of an electric machine is known to a person skilled in the art and need not be repeated in the sense of conciseness.
  • Angular offset determined by means of complex facilities.
  • the angular offset can be stored as a correction value and taken into account when outputting the three-phase current signals.
  • the angular misalignment can change during the life of the electric machine. Once the angular misalignment has been determined, it can be deleted due to software problems or service misuse.
  • the attachment of the angle sensor may change due to vibration, temperature or aging effects. Furthermore, it may be necessary to replace the angle sensor in the delivered vehicle.
  • DE 10 2012 017 794 A1 discloses a drive with a synchronous machine, in which no angle sensor is used and the position of the rotor by means of a
  • DE 10 2010 01 6 105 A1 discloses an emergency operable
  • Synchronous motor having an angle sensor In an emergency operation, the speed of the motor can be determined on the basis of measured injection currents. In an electric machine for driving a motor vehicle, the efficiency is reduced and a torque delivered with a lower accuracy, if the offset of the angle sensor is not corrected to the actual position of the rotor. To increase the efficiency of the electrical machine, it is necessary to match the angle of the rotor with the angle sensor as long-term stable.
  • the invention has for its object, a method and a
  • the object of the invention is achieved by a method according to claim 1 and an apparatus according to claim 10.
  • the inventive method for monitoring an electric machine of an electrically driven vehicle comprises the step of determining a first value of a position of a rotor by means of an angle sensor when the rotor is in a first position and determining a second value of the position of the rotor by means of a Injection procedure when the rotor is in the first position.
  • the method further includes the step of determining a first difference between the first value and the second value of the position of the rotor for the first position of the rotor. According to the invention, it is checked whether the first difference falls below a predetermined threshold value.
  • the angle sensor can be used to determine the position of the rotor during operation of the electrical machine. As a result, the current angular position of the rotor can be determined in a simple manner.
  • the injection method can be used to determine the offset between the actual angular position of the rotor and the angular position of the rotor determined by the angle sensor. It is understood that this offset in the control, for example in an inverter, can be taken into account in order to generate three-phase signals which take better account of the actual angular position of the rotor to produce higher efficiency and torque with higher accuracy.
  • the injection procedure essentially injects a signal into the d-axis and measures the current response in the q-axis.
  • the injection method is known to the person skilled in the art, so that it need not be described in more detail here in the sense of conciseness.
  • An exemplary implementation of the injection method is described in DE 10 2012 017 794 A1.
  • the electric machine is classified as operable.
  • the first difference may be the angular offset.
  • the method classifies the electric machine as being installable in a vehicle if the first difference is the predetermined threshold
  • the present invention can be applied both to the production of electrical
  • the present invention has the advantage that the offset between the determined by the angle sensor value of the rotational position of the rotor and the actual rotational position of the rotor can be determined easily and quickly and without additional testing equipment.
  • the method further comprises, in another embodiment, the step of rotating the rotor from the first position by a predetermined angle to a second position.
  • the rotor can be rotated by means of currents from the
  • the method determines a first value of a position of the rotor by means of the angle sensor when the rotor is in the second position.
  • the method further determines a second value of the position of the rotor by means of the injection method when the rotor is in the second position. Further, the method determines a second difference between the first value and the second value of the position of the rotor at the second position of the rotor.
  • the first value and at least a second value can be linked by statistical methods to
  • Eliminate measurement inaccuracies such as measurement inaccuracies due to harmonics.
  • an average of the first and the at least one second difference is formed. Furthermore, it is checked whether the mean value of the first and the second difference falls below the predetermined threshold value. By averaging, measurement errors can be eliminated, for example due to harmonics present in the response signal generated by the injection process. By this step harmonics can be eliminated in the measurement result of the injection process.
  • the method can compensate for the harmonics of the response to a signal applied to the windings of the electric machine by the injection method.
  • the predetermined angle by which the rotor is rotated from the first position to the second position may be set to be half the period of one harmonic. Preferably corresponds to
  • the predetermined angle ⁇ can be determined by the following formula:
  • n denotes the nth harmonic and n is a natural number.
  • the harmonic designated n may be the highest amplitude harmonic.
  • the method may perform the step of determining the first value of a position of the rotor by means of the angle sensor at a first position of the rotor at the beginning and / or during a drive of the vehicle and the step of determining the second value of the position of the rotor by means of the
  • the method may include the step of determining the first difference between the first value and the second value of the first difference Position the rotor at the first position of the rotor. Subsequently, at the beginning and / or during a journey of the vehicle, the method may perform the step of checking whether the first difference falls below a predetermined threshold value. Further, at the beginning and / or during a drive of the vehicle, the method may perform the step of storing the first difference in a difference memory in which a plurality of values of the first difference are stored. Thereby, the method, the offset between the detected by the angle sensor rotational position of the rotor and the
  • Injection determined rotational position of the rotor permanently control and adjust.
  • the actual angle of the rotor can be verified by means of the injection method, since in the measurement by means of the injection method mechanical tolerances between the rotor and the angle sensor have no influence on the result. Thereby, the angular offset between the measured position of the rotor with the sensor and the actual position of the rotor can be adjusted.
  • the method may be the values of the first differences that in the first
  • Difference memory are stored, one to obtain an average value of the first difference.
  • the method may provide a correction value for correcting the first values of the position of the rotor determined by the angle sensor on the basis of the mean value of the first difference.
  • the correction value can be added or subtracted from the first values determined by the angle sensor.
  • the method can check whether of all the angle sensors of a redundant
  • the redundant angle sensors can be, for example, a GMR sensor (giant magnetoresistance sensor) and / or an AMR sensor (anisotropic sensor)
  • the method determines whether the first difference between the first value determined by the angle sensor with the proper angle signal and the second value determined by means of the injection method falls below a predetermined value , That of the angle sensor with the orderly angle signal determined first value is therefore in a tolerance band to the second value determined by the injection method. If it is determined that the first difference is below a predetermined value, the method may allow an emergency operation of the electric machine. For controlling the electric machine, therefore, only the values of that
  • Used angle sensor of the redundant angle sensors which correspond substantially to the actual rotational position of the rotor.
  • the values of the other angle sensor of the redundant angle sensors are not considered any further. As a result, the availability of the electrical machine can be increased.
  • the method can determine which of the angle sensors of the redundant angle sensors.
  • Angle sensor system outputs a proper angle signal.
  • the invention also relates to a monitoring device which is designed to monitor the operation of an electrical machine.
  • Monitoring device comprises a determination device, which is designed to determine a first value of a position of a rotor by means of an angle sensor at a first position of the rotor, to determine a second value of the position of the rotor by means of an injection method at the first position of the rotor and a first Determine difference between the first value and the second value of the position of the rotor at the first position of the rotor.
  • Monitoring device further comprises a test device, which is designed to check whether the first difference has a predetermined threshold value
  • the monitoring device can be developed as described above with regard to the method.
  • the invention also relates to an electric drive with an electrical machine and the monitoring device.
  • the invention also relates to a vehicle with the electric drive.
  • FIG. 1 shows a flowchart of the method according to the invention
  • Figure 2 shows harmonic compensation
  • step 102 after the electrical machine has been manufactured, the rotor angle is determined by means of a sensor installed in the electric machine and by means of an injection method. As mentioned previously, in the injection method, an RF signal is injected into the electric machine in the d-axis. Furthermore, the current response in the q-axis is detected. The determined by the injection method value of the rotational position of the rotor can be compared with the value determined by the angle sensor value of the position of the rotor and / or compensated. This can on the one hand
  • the rotor of the electric machine can be rotated at least once.
  • the rotor is rotated by an angular amount ⁇ , which is determined by the following formula:
  • n is a natural number and n denotes the highest amplitude harmonic.
  • step 105 This makes it possible to perform harmonic compensation in step 105, for example by statistically processing a plurality of values obtained by means of the angle sensor and the injection method.
  • the mean value may be determined from the difference values of the pairs of values determined by the angle sensor and the injection method were.
  • step 106 it is checked whether the difference between the value of
  • the rotational position, which was determined by means of the injection method, and the value of the rotational position, which was determined by means of the angle sensor, are within a predetermined tolerance band or smaller than a predetermined one
  • Threshold is. If the difference is within a predetermined tolerance band, it is checked in step 108 whether all signals of the angle sensors are present.
  • step 10 becomes 10
  • the electric machine can be installed in a vehicle. Furthermore, the value of the rotational position of the rotor detected by means of the angle sensor can be corrected by means of the value of the rotational position of the rotor determined by the injection method.
  • step 1 12 after the electrical machine has been installed in the vehicle at the beginning of a drive cycle or at any other time in the drive cycle, the value of the rotational position of the rotor determined by the angle sensor can be compared with the value of the rotational position of the rotor determined by the injection method. Furthermore, possible errors can be compensated, for example, by the value of the rotational position of the rotor determined by means of the angle sensor being corrected by the difference between the value determined by means of the injection method and the value determined by means of the angle sensor. The method then returns to steps 106 and 108, in which it is checked whether the difference between the value determined by the angle sensor and the value of the rotational position of the rotor determined by the injection method is within the tolerance band, and it is checked whether all angle signals are present.
  • step 1 10 If the difference between the two detected angle values is within the tolerance band and if all the angle signals are present, the system returns to step 1 10 where it is determined that the electrical
  • a compensation value for the value of the rotational position which is determined by means of the angle sensor.
  • the compensation value can be determined by means of an average of a plurality of differences of the pairs of angle values, wherein each pair of angle values has the value of the rotational position of the rotor, which was determined by means of the injection method, and the value of the rotational position of the rotor, which by means of Angle sensor was determined at the same time and / or the same rotational position of the rotor. This makes it possible to compensate harmonics and reduce the influence of measurement errors.
  • step 106 If it is determined in step 106 that the difference has been determined from the value determined by means of the injection method and the value determined by means of the injection method
  • Angle sensor was detected, outside the tolerance band is or exceeds a predetermined threshold, the method determines that the electric machine is not operable and goes to the state 1 14, in which it is indicated that the electric machine is not operable. If it is determined in step 108 that not all angle signals are present, it is checked whether the angle sensor has a plurality of redundant angle sensors, for example a combination of GMR sensor and AMR sensor, as described above. If it is determined in step 1 16 that the
  • Angle sensor has no redundant angle sensors or none of the redundant sensors generates an angle signal, the method goes to step 1 14, in which it is indicated that the electric machine is not operable. If it is determined in step 1 1 6 that at least one angle sensor of the redundant angle sensors generates an angle signal, the method goes to step 1 18, in which it is indicated that an emergency operation with the electric machine is possible.
  • Figure 2 is an exemplary method for
  • Compensating harmonics in the injection process shows.
  • the abscissa shows the rotor angle q> R.
  • On the ordinate is the measurement error of the
  • the method according to the invention determines a first value of the angle of the rotor at the first rotational position cpm of the rotor by means of the injection method. In this case, a value including measurement error due to harmonics in the height of cpn at the first rotational position of the rotor is measured. Subsequently, the rotor is rotated by the angle ⁇ in the second rotational position c R2.
  • the method determines the rotor rotation angle q> R2 by means of the
  • a second value of the angle of the rotor for the second rotational position of the rotor by means of the injection method is measured in the amount of ⁇ 2 for the second rotational position of the rotor.
  • the difference of the angles q> Ri and q> R2 detected with the angle sensor is preferably ⁇ , where ⁇ is selected as follows:
  • Difference .DELTA. ⁇ 2 calculates a second value for the offset of the angle sensor forms the rotor position. By forming the mean value from the first difference and the second difference, the offset of the angle sensor to the rotor position can be determined more accurately.
  • the present invention has the advantage that after the manufacture of the electrical machine, the verification of the accuracy of the angle sensor is possible almost without external testing means. Furthermore, the accuracy of the angle sensor can be monitored during operation.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen und Abgleichen einer elektrischen Maschine eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges, aufweisend die folgenden Schritte: - Ermitteln eines ersten Wertes einer Stellung eines Rotors mittels eines Winkelsensors, wenn sich der Rotor in einer ersten Stellung befindet; - Ermitteln eines zweiten Wertes der Stellung des Rotors mittels eines Injektionsverfahrens, wenn sich der Rotor in der ersten Stellung befindet; - Ermitteln einer ersten Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert der Stellung des Rotors an der ersten Stellung des Rotors; und - Prüfen, ob die erste Differenz einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet.

Description

Überwachung und Abgleich des Winkels eines Rotors bei einer elektrischen
Maschine mit einem Winkelsensor
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überwachung und einen Abgleich des Winkels des Rotors bei einer elektrischen Maschine mit einem Winkelsensor, der den Ist- Winkel des Rotors ermittelt.
Eine elektrische Maschine, insbesondere eine Synchronmaschine, umfasst üblicherweise einen Winkelsensor, mittels dem die Stellung des Rotors gegenüber dem Stator ermittelt werden kann. Der Winkelsensor übergibt den aktuellen Winkel (Ist-Winkel) des Rotors an einen Wechselrichter, der Wechselstromsignale, beispielsweise Drehstromsignale, in Abhängigkeit vom aktuellen Winkel des Rotors an die Wicklungen des Stators abgibt. Durch Anpassen der Drehstromsignale auf Grundlage des Winkels des Rotors mit Magneten kann die Effizienz der elektrischen Maschine erhöht werden. Die Funktionsweise einer elektrischen Maschine ist einem Fachmann bekannt und muss im Sinne der Prägnanz nicht wiederholt werden.
Aufgrund von Herstelltoleranzen ergibt sich ein Winkelversatz zwischen der vom Winkelsensor gemessenen Stellung des Rotors und der tatsächlichen Stellung des Rotors. Derzeit wird nach der Herstellung der elektrischen Maschine der
Winkelversatz mittels aufwändiger Einrichtungen ermittelt. Der Winkelversatz kann als Korrekturwert gespeichert werden und beim Ausgeben der Drehstromsignale berücksichtigt werden. Der Winkelversatz kann sich während der Lebensdauer der elektrischen Maschine verändern. Der einmal ermittelte Winkelversatz kann aufgrund Softwareproblemen oder einer Fehlbedienung beim Service gelöscht werden. Die Befestigung des Winkelsensors kann sich aufgrund Vibration, Temperatur oder Alterungseffekte verändern. Ferner kann es erforderlich sein, den Winkelsensor beim ausgelieferten Fahrzeug auszutauschen.
DE 10 2012 017 794 A1 offenbart einen Antrieb mit einer Synchronmaschine, bei der kein Winkelsensor verwendet wird und die Stellung des Rotors mittels einer
Injektionseinrichtung bestimmt wird. Die DE 10 2010 01 6 105 A1 offenbart eine notbetriebesfähige
Pitchantriebsvorrichtung für eine Wind- oder Wasserkraftanlage mit einem
Synchronmotor, der einen Winkelsensor aufweist. Bei einem Notbetrieb kann die Drehzahl des Motors auf Basis gemessener Injektionsströme ermittelt werden. Bei einer elektrischen Maschine für den Antrieb eines Kraftfahrzeuges wird der Wirkungsgrad reduziert sowie ein Drehmoment mit einer niedrigeren Genauigkeit abgegeben, falls der Versatz des Winkelsensors zur tatsächlichen Stellung des Rotors nicht korrigiert wird. Zur Erhöhung der Effizienz der elektrischen Maschine ist es erforderlich, den Winkel des Rotors mit dem Winkelsensor möglichst langzeitstabil abzugleichen. Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Ermitteln des Versatzes eines Winkelsensors zum Rotor einer elektrischen Maschine zu schaffen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 10 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Überwachen einer elektrischen Maschine eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges umfasst den Schritt des Ermitteins eines ersten Wertes einer Stellung eines Rotors mittels eines Winkelsensors, wenn sich der Rotor in einer ersten Stellung befindet, und das Ermitteln eines zweiten Wertes der Stellung des Rotors mittels eines Injektionsverfahrens, wenn sich der Rotor in der ersten Stellung befindet. Das Verfahren umfasst ferner den Schritt des Ermitteins einer ersten Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert der Stellung des Rotors für die erste Stellung des Rotors. Erfindungsgemäß wird geprüft, ob die erste Differenz einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet.
Der Winkelsensor kann verwendet werden, um die Stellung des Rotors während des Betriebes der elektrischen Maschine zu ermitteln. Dadurch kann auf einfache Weise die aktuelle Winkelstellung des Rotors ermittelt werden. Das Injektionsverfahren kann verwendet werden, um den Offset zwischen der tatsächlichen Winkellage des Rotors und der durch den Winkelsensor ermittelten Winkellage des Rotors zu ermitteln. Es versteht sich, dass dieser Offset in der Steuerung, beispielsweise bei einem Wechselrichter, berücksichtigt werden kann, um Drehstromsignale zu erzeugen, die die tatsächliche Winkellage des Rotors besser berücksichtigen, um eine höhere Effizienz und ein Drehmoment mit einer höheren Genauigkeit zu erzeugen.
Das Injektionsverfahren injiziert im Wesentlichen ein Signal in die d-Achse und misst die Strom-Antwort in der q-Achse. Das Injektionsverfahren ist dem Fachmann bekannt, so dass es hierin im Sinne der Prägnanz nicht detaillierter beschrieben werden muss. Eine beispielhafte Implementierung des Injektionsverfahrens ist in der DE 10 2012 017 794 A1 beschrieben.
Falls die erste Differenz einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet, wird die elektrische Maschine als betriebsfähig eingestuft. Die erste Differenz kann der Winkelversatz sein. Das Verfahren stuft die elektrische Maschine als in ein Fahrzeug einbaubar ein, falls die erste Differenz den vorbestimmten Schwellenwert
unterschreitet.
Die vorliegende Erfindung kann sowohl nach der Herstellung der elektrischen
Maschine als auch während des laufenden Betriebes der elektrischen Maschine eingesetzt werden. Die vorliegende Erfindung weist den Vorteil auf, dass der Versatz zwischen dem von dem Winkelsensor ermittelten Wert der Drehstellung des Rotors und der tatsächlichen Drehstellung des Rotors einfach und schnell und ohne zusätzliche Prüfgeräte ermittelt werden kann.
Das Verfahren umfasst bei einer weiteren Ausführungsform ferner den Schritt des Drehens des Rotors von der ersten Stellung um einen vorbestimmten Winkel in eine zweite Stellung. Der Rotor kann mittels Ströme gedreht werden, die vom
Wechselrichter in die Wicklungen der elektrischen Maschine fließen. Das Verfahren ermittelt einen ersten Wert einer Stellung des Rotors mittels des Winkelsensors, wenn sich der Rotor in der zweiten Stellung befindet. Das Verfahren ermittelt ferner einen zweiten Wert der Stellung des Rotors mittels des Injektionsverfahrens, wenn sich der Rotor in der zweiten Stellung befindet. Ferner ermittelt das Verfahren eine zweite Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert der Stellung des Rotors an der zweiten Stellung des Rotors. Der erste Wert und zumindest ein zweiter Wert können mittels statistischer Verfahren verknüpft werden, um
Messungenauigkeiten zu eliminieren, beispielsweise Messungenauigkeiten aufgrund von Oberwellen. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird ein Mittelwert aus der ersten und der zumindest einen zweiten Differenz gebildet. Ferner wird geprüft, ob der Mittelwert aus der ersten und der zweiten Differenz den vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet. Durch die Mittelwertbildung können Messfehler eliminiert werden, beispielsweise aufgrund von Oberwellen, die sich im Antwortsignal befinden, das durch das Injektionsverfahren erzeugt wird. Durch diesen Schritt können Oberwellen im Messergebnis des Injektionsverfahrens eliminiert werden.
Das Verfahren kann die Oberwellen der Antwort auf ein Signal kompensieren, das durch das Injektionsverfahrens an die Wicklungen der elektrischen Maschine angelegt wird. Der vorbestimmte Winkel, um den der Rotor von der erste Stellung in die zweite Stellung gedreht wird, kann derart festgelegt werden, dass er der halben Periodendauer einer Oberwelle entspricht. Vorzugsweise entspricht der
vorbestimmte Winkel der halben Periodendauer der Oberwelle mit der größten Amplitude. Der vorbestimmte Winkel φ kann mittels folgender Formel ermittelt werden:
φ = 360° / (η x 2);
wobei n die n-te Oberwelle bezeichnet und wobei n eine natürliche Zahl ist. Die mit n bezeichnete Oberwelle kann die Oberwelle mit der höchsten Amplitude sein.
Das Verfahren kann am Beginn und/oder während einer Fahrt des Fahrzeuges den Schritt des Ermitteins des ersten Wertes einer Stellung des Rotors mittels des Winkelsensors an einer ersten Stellung des Rotors durchführen und den Schritt des Ermitteins des zweiten Wertes der Stellung des Rotors mittels des
Injektionsverfahrens an der ersten Stellung des Rotors durchführen. Das Verfahren kann beim Beginn und/oder während der Fahrt des Fahrzeuges den Schritt des Ermitteins der ersten Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert der Stellung des Rotors an der ersten Stellung des Rotors durchführen. Anschließend kann das Verfahren am Beginn und/oder während einer Fahrt des Fahrzeuges den Schritt des Prüfens, ob die erste Differenz einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet durchführen. Ferner kann das Verfahren am Beginn und/oder während einer Fahrt des Fahrzeuges den Schritt des Speicherns der ersten Differenz in einem Differenzspeicher, in dem eine Mehrzahl Werte der ersten Differenz gespeichert werden, durchführen. Dadurch kann das Verfahren den Versatz zwischen der durch den Winkelsensor erfassten Drehstellung des Rotors und der durch das
Injektionsverfahrens ermittelten Drehstellung des Rotors permanent kontrollieren und anpassen. Bei der vorliegenden Erfindung wird davon ausgegangen, dass mittels des Injektionsverfahrens der tatsächliche Winkel des Rotors verifiziert werden kann, da bei der Messung mittels des Injektionsverfahrens mechanischer Toleranzen zwischen dem Rotor und dem Winkelsensor keinen Einfluss auf das Ergebnis aufweisen. Dadurch kann der Winkelversatz zwischen der mit dem Sensor gemessenen Stellung des Rotors und der tatsächlichen Stellung des Rotors abgeglichen werden.
Das Verfahren kann die Werte der ersten Differenzen, die im ersten
Differenzspeicher gespeichert sind, mittein, um einen Mittelwert der ersten Differenz zu erhalten. Das Verfahren kann einen Korrekturwert zum Korrigieren der vom Winkelsensor ermittelten ersten Werte der Stellung des Rotors auf Grundlage des Mittelwertes der ersten Differenz bereitstellen. Der Korrekturwert kann zu den vom Winkelsensor ermittelten ersten Werten addiert bzw. subtrahiert werden.
Das Verfahren kann prüfen, ob von allen Winkelsensoren eines redundanten
Winkelsensorsystems ordnungsgemäße Winkelsignale vorhanden sind. Die redundanten Winkelsensoren können beispielsweise einen GMR-Sensor (Giant- Magnetowiderstand-Sensor) und/oder einen AMR-Sensor (Anisotroper
Magnetowiderstand-Sensor) umfassen. Falls ermittelt wird, dass lediglich von einem Winkelsensor des redundanten Winkelsensorsystems ein ordnungsgemäßes Winkelsignal vorhanden ist, ermittelt das Verfahren, ob die erste Differenz zwischen den von dem Winkelsensor mit dem ordnungsgemäßen Winkelsignal ermittelten ersten Wert und den mittels des Injektionsverfahrens ermittelten zweiten Wert einen vorbestimmten Wert unterschreitet. Der von dem Winkelsensor mit dem ordnungsgemäßen Winkelsignal ermittelte erste Wert befindet sich folglich in einem Toleranzband um den mittels des Injektionsverfahrens ermittelten zweiten Wert. Falls ermittelt wird, dass die erste Differenz einen vorbestimmten Wert unterschreitet, kann das Verfahren einen Notbetrieb der elektrischen Maschine zulassen. Zum Steuern der elektrischen Maschine werden folglich lediglich die Werte desjenigen
Winkelsensors der redundanten Winkelsensoren verwendet, die im Wesentlichen der tatsächlichen Drehstellung des Rotors entsprechen. Die Werte des jeweils anderen Winkelsensors der redundanten Winkelsensoren werden nicht weiter betrachtet. Dadurch kann die Verfügbarkeit der elektrischen Maschine erhöht werden. Das Verfahren kann ermitteln, welcher der Winkelsensoren des redundanten
Winkelsensorsystems ein ordnungsgemäßes Winkelsignal abgibt.
Die Erfindung betrifft auch eine Überwachungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, den Betrieb einer elektrischen Maschine zu überwachen. Die
Überwachungseinrichtung umfasst eine Ermittlungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, einen ersten Wert einer Stellung eines Rotors mittels eines Winkelsensors an einer ersten Stellung des Rotors zu ermitteln, einen zweiten Wert der Stellung des Rotors mittels eines Injektionsverfahrens an der ersten Stellung des Rotors zu ermitteln und eine erste Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert der Stellung des Rotors an der ersten Stellung des Rotors zu ermitteln. Die
Überwachungseinrichtung umfasst ferner eine Prüfeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, zu prüfen, ob die erste Differenz einen vorbestimmten Schwellenwert
unterschreitet.
Die Überwachungseinrichtung kann so weitergebildet sein, wie zuvor hinsichtlich des Verfahrens beschrieben wurde. Die Erfindung betrifft auch einen elektrischen Antrieb mit einer elektrischen Maschine und der Überwachungseinrichtung. Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug mit dem elektrischen Antrieb.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Figuren, die eine nicht
beschränkende Ausführungsform der Erfindung zeigen, detaillierter beschrieben, wobei Figur 1 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt; und Figur 2 eine Oberwellenkompensation zeigt.
Die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 werden unter Bezugnahme auf Figur 1 detaillierter beschrieben. Im Schritt 102 erfolgt nach der Herstellung der elektrischen Maschine eine Bestimmung des Rotorwinkels mittels eines in der elektrischen Maschine eingebauten Sensors und mittels eines Injektionsverfahrens. Wie zuvor erwähnt wurde, wird bei dem Injektionsverfahrens ein HF-Signal in die elektrische Maschine in die d-Achse injiziert. Ferner wird die Stromantwort in der q- Achse erfasst. Der mittels des Injektionsverfahrens ermittelte Wert der Drehstellung des Rotors kann mit dem von dem Winkelsensor ermittelten Wert der Stellung des Rotors verglichen und/oder kompensiert werden. Dadurch kann einerseits
sichergestellt werden, dass der Winkelsensor so in der elektrischen Maschine montiert wurde, dass sich der ermittelte Winkelwert innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbandes befindet. Ferner können Herstelltoleranzen kompensiert werden, wodurch die Effizienz der elektrischen Maschine erhöht werden kann.
Im optionalen Schritt 104 kann der Rotor der elektrischen Maschine zumindest einmal gedreht werden. Vorzugsweise wird der Rotor um einen Winkelbetrag φ gedreht, der mittels folgender Formel ermittelt wird:
φ = 360/(η χ 2);
wobei n eine natürliche Zahl ist und n die Oberwelle mit der höchsten Amplitude bezeichnet.
Dadurch ist es möglich, im Schritt 105 eine Oberwellenkompensation durchzuführen, beispielsweise indem eine Mehrzahl von Werten, die mittels des Winkelsensors und des Injektionsverfahrens ermittelt wurden, statistisch verarbeitet werden. Bei einer Ausführungsform kann der Mittelwert aus den Differenzwerten der Paare von Werten ermittelt werden, die mittels des Winkelsensors und des Injektionsverfahrens ermittelt wurden. Im Allgemeinen sind zwei Möglichkeiten vorhanden, um die Oberwellen zu kompensieren: Wenn die Oberwelle bekannt ist, kann die elektrischen Maschine definiert gedreht werden. In diesen Fall muss die elektrische Maschine lediglich um den Winkel φ gedreht werden und ein Mittelwert aus zwei Messungen gebildet werden. Die zweite Möglichkeit ist, über Laufzeit den Winkelversatz bei
verschiedenen nicht definierten Rotorstellungen der elektrischen Maschine den Winkelversatz bzw. die zweiten Differenzen zu bestimmen. Unter der Annahme, dass der Mittelwert dem exakten Wert entspricht, kann sich ein Mittelwert aus der ersten Differenz und einer Mehrzahl zweiter Differenzen dem tatsächlichen Wert annähern. Im Schritt 106 wird geprüft, ob sich die Differenz zwischen dem Wert der
Drehstellung, der mittels des Injektionsverfahrens ermittelt wurde, und des Wertes der Drehstellung, der mittels des Winkelsensors ermittelt wurde, innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbandes befinden bzw. kleiner als ein vorbestimmter
Schwellenwert ist. Falls sich die Differenz innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbandes befindet, wird im Schritt 108 überprüft, ob alle Signale der Winkelsensoren vorhanden sind.
Falls alle Signale der Winkelsensoren vorhanden sind, wird im Schritt 1 10
festgestellt, dass die elektrische Maschine in ein Fahrzeug eingebaut werden kann. Ferner kann der mittels des Winkelsensors erfasste Wert der Drehstellung des Rotors mittels des mit dem Injektionsverfahren ermittelten Wertes der Drehstellung des Rotors korrigiert werden.
Im Schritt 1 12 kann nach dem Einbau der elektrischen Maschine in das Fahrzeug am Anfang eines Fahrzyklus oder zu einem beliebigen anderen Zeitpunkt des Fahrzyklus der mittels des Winkelsensors ermittelte Wert der Drehstellung des Rotors mit dem mittels des Injektionsverfahrens ermittelten Wert der Drehstellung des Rotors verglichen werden. Ferner können eventuelle Fehler kompensiert werden, beispielsweise indem der mittels des Winkelsensors ermittelte Wert der Drehstellung des Rotors um die Differenz zwischen dem mittels des Injektionsverfahrens und des mittels des Winkelsensors ermittelten Wertes korrigiert wird. Anschließend kehrt das Verfahren wieder zu den Schritten 106 und 108 zurück, in denen geprüft wird, ob sich die Differenz zwischen dem mittels des Winkelsensors ermittelten Wert und dem mittels des Injektionsverfahrens ermittelten Wert der Drehstellung des Rotors innerhalb des Toleranzbandes befinden, und geprüft wird, ob alle Winkelsignale vorhanden sind.
Falls sich die Differenz zwischen den beiden ermittelten Winkelwerten innerhalb des Toleranzbandes befindet und falls alle Winkelsignale vorhanden sind, kehrt das System zum Schritt 1 10 zurück in dem festgestellt wird, dass die elektrische
Maschine funktionsfähig ist und die Freigabe für den Fahrzyklus erfolgt. Ferner ist es möglich, im Schritt 1 10 einen Kompensationswert für den Wert der Drehstellung zu ermitteln, die mittels des Winkelsensors ermittelt wird. Beispielsweise kann der Kompensationswert mittels eines Mittelwertes einer Mehrzahl von Differenzen der Paaren von Winkelwerten ermittelt werden, wobei jedes Paar von Winkelwerten den Wert der Drehstellung des Rotors aufweist, der mittels des Injektionsverfahrens ermittelt wurde, und den Wert der Drehstellung des Rotors aufweist, der mittels des Winkelsensors zum gleichen Zeitpunkt und/oder der gleichen Drehstellung des Rotors ermittelt wurde. Dadurch ist es möglich, Oberwellen zu kompensieren und den Einfluss von Messfehlern zu reduzieren.
Falls im Schritt 106 ermittelt wird, dass sich die Differenz aus dem Wert, der mittels des Injektionsverfahrens ermittelt wurde, und dem Wert, der mittels des
Winkelsensors ermittelt wurde, außerhalb des Toleranzbandes befindet bzw. einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, stellt das Verfahren fest, dass die elektrische Maschine nicht betriebsfähig ist und geht in den Zustand 1 14 über, in dem angezeigt wird, dass die elektrische Maschine nicht betriebsfähig ist. Falls im Schritt 108 festgestellt wird, dass nicht alle Winkelsignale vorhanden sind, wird geprüft, ob der Winkelsensor eine Mehrzahl redundante Winkelsensoren aufweist, beispielsweise eine Kombination aus GMR-Sensor und AMR-Sensor, wie zuvor beschrieben wurde. Falls im Schritt 1 16 festgestellt wird, dass der
Winkelsensor keine redundanten Winkelsensoren aufweist oder keiner der redundanten Sensoren ein Winkelsignal erzeugt, geht das Verfahren in den Schritt 1 14 über, in dem angezeigt wird, dass die elektrische Maschine nicht betriebsfähig ist. Falls im Schritt 1 1 6 festgestellt wird, dass zumindest ein Winkelsensor der redundanten Winkelsensoren ein Winkelsignal erzeugt, geht das Verfahren in den Schritt 1 18 über, in dem angezeigt wird, dass ein Notbetrieb mit der elektrischen Maschine möglich ist. Es wird auf Figur 2 Bezug genommen, die ein beispielhaftes Verfahren zum
Kompensieren von Oberwellen beim Injektionsverfahren zeigt. Auf der Abszisse ist der Rotorwinkel q>R aufgetragen. Auf der Ordinate ist der Messfehler des
Injektionsverfahrens aufgrund von Oberwellen gezeigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren bestimmt einen ersten Wert des Winkels des Rotors bei der ersten Drehstellung cpm des Rotors mittels des Injektionsverfahrens. Dabei wird ein Wert einschließlich Messfehler aufgrund von Oberwellen in der Höhe von cpn bei der ersten Drehstellung des Rotors gemessen. Anschließend wird der Rotor um den Winkel φ in die zweite Drehstellung c R2 gedreht.
Anschließend bestimmt das Verfahren beim Rotordrehwinkel q>R2 mittels des
Injektionsverfahrens einen zweiten Wert des Winkels des Rotors für die zweite Drehstellung des Rotors mittels des Injektionsverfahrens. Folglich wird ein Wert einschließlich Messfehler aufgrund von Oberwellen in der Höhe von φΐ2 für die zweite Drehstellung des Rotors gemessen. Die Differenz der Winkel q>Ri und q>R2, die mit dem Winkelsensor erfasst werden, beträgt vorzugsweise φ, wobei φ wie folgt ausgewählt wird:
φ = 360° / (η χ 2);
wobei n die n-te Oberwelle bezeichnet und wobei n eine natürliche Zahl ist. Aus den beiden gemessenen Werten cpn und q>Ri wird die erste Differenz Δφι
berechnet, die einen ersten Wert für den Versatz des Winkelsensors zur
Rotorstellung bildet. Aus den beiden gemessenen Werten cpi2 und c R2 wird die zweite
Differenz Δψ2 berechnet, die einen zweiten Wert für den Versatz des Winkelsensors zur Rotorstellung bildet. Durch Bildung des Mittelwertes aus der ersten Differenz und der zweiten Differenz kann der Versatz des Winkelsensors zur Rotorstellung genauer ermittelt werden.
Die vorliegende Erfindung hat einerseits den Vorteil, dass nach der Herstellung der elektrischen Maschine die Überprüfung der Genauigkeit des Winkelsensors nahezu ohne externe Prüfmittel möglich ist. Ferner kann die Genauigkeit des Winkelsensors im Betrieb überwacht werden.
Dadurch ist es einerseits möglich, die Herstellkosten und die Zeit zum Herstellen der elektrischen Maschine zu reduzieren. Andererseits ist es möglich, die Effizienz der elektrischen Maschine aufgrund der verbesserten Genauigkeit bei der Ermittlung des Ist-Winkels des Rotors zu verbessern.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Überwachen einer elektrischen Maschine eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges, aufweisend die folgenden Schritte:
- Ermitteln eines ersten Wertes einer Stellung eines Rotors mittels eines Winkelsensor, wenn sich der Rotor in einer ersten Stellung befindet (102);
- Ermitteln eines zweiten Wertes der Stellung des Rotors mittels eines
Injektionsverfahrens, wenn sich der Rotor in der ersten Stellung befindet (102);
- Ermitteln einer ersten Differenz zwischen dem ersten Wert und dem
zweiten Wert der Stellung des Rotors an der ersten Stellung des Rotors;
- Prüfen, ob die erste Differenz einen vorbestimmten Schwellenwert
unterschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine als betriebsfähig und/oder in ein Fahrzeug einbaubar eingestuft wird (106), falls die erste Differenz den vorbestimmten Schwellenwert
unterschreitet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- Drehen des Rotors um einen vorbestimmten Winkel in eine zweite Stellung
(104) ;
- Ermitteln eines ersten Wertes einer Stellung des Rotors mittels des
Winkelsensors, wenn sich der Rotor in der zweiten Stellung befindet,
(105) ;
- Ermitteln eines zweiten Wertes der Stellung des Rotors mittels des
Injektionsverfahrens, wenn sich der Rotor in der zweiten Stellung befindet (105); und - Ermitteln einer zweiten Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert der Stellung des Rotors an der zweiten Stellung des Rotors (105).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die
folgenden Schritte:
- Bilden eines Mittelwertes aus der ersten und der zweiten Differenz (105); und
- Prüfen, ob der Mittelwert aus der ersten und der zweite Differenz einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet.
5. Verfahren Schritt 3 oder 4, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- Ermitteln der Oberwellen der Antwort auf ein Signal, das durch das
Injektionsverfahrens an die Wicklungen der elektrischen Maschine angelegt wird; und
- Festlegen des vorbestimmten Winkels derart, dass er der halben
Periodendauer einer Oberwelle entspricht.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Winkel φ wie folgt bestimmt wird: cp = 360 ° / (n *2); wobei n die n-te Oberwelle bezeichnet und wobei n eine natürliche Zahl ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die
folgenden Schritte am Beginn und/oder während einer Fahrt des Fahrzeuges: - Durchführen des Schrittes des Ermitteins des ersten Wertes einer Stellung des Rotors mittels eines, wenn sich der Rotor in der ersten Stellung befindets (1 12);
- Durchführen des Schrittes des Ermitteins des zweiten Wertes der Stellung des Rotors mittels eines Injektionsverfahrens, wenn sich der Rotor in der ersten Stellung befindet (1 12);
- Durchführen des Schrittes des Ermitteins der ersten Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert der Stellung des Rotors an der ersten Stellung des Rotors;
- Durchführen des Schrittes des Prüfens, ob die erste Differenz einen
vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet (1 12); und
- Speichern der ersten Differenz in einem Differenzspeicher, in dem eine Mehrzahl Werte der ersten Differenz gespeichert werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch folgenden Schritt:
- Mitteln der Werte der ersten Differenz, die im ersten Differenzspeicher gespeichert sind, um einen Mittelwert der Differenz zu erhalten; und
- Bereitstellen eines Korrekturwertes zum Korrigieren der vom Winkelsensor ermittelten ersten Werte der Stellung des Rotors auf Grundlage des Mittelwerts der ersten Differenz.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- Prüfen, ob von allen Winkelsensoren eines redundanten
Winkelsensorsystems ordnungsgemäße Winkelsignale vorhanden sind (108, 1 10);
- falls ermittelt wird, dass lediglich von einem Winkelsensor des redundanten Winkelsensorsystems ein ordnungsgemäßes Winkelsignal vorhanden ist
(108, 1 10), Prüfen, ob die erste Differenz zwischen dem von dem
Winkelsensor mit dem ordnungsgemäßen Winkelsignal ermittelten ersten Wert und dem mittels des Injektionsverfahrens ermittelten zweiten Wert einen vorbestimmten Wert unterschreitet;
- falls ermittelt wird, dass die erste Differenz einen vorbestimmten Wert unterschreitet, Zulassen eines Notbetriebes der elektrischen Maschine.
10. Überwachungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, den Betrieb einer
elektrischen Maschine zu überwachen, aufweisend:
- eine Ermittlungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist,
- einen ersten Wert einer Stellung eines Rotors mittels eines Winkelsensors an einer ersten Stellung des Rotors zu ermitteln;
- einen zweiten Wert der Stellung des Rotors mittels eines
Injektionsverfahrens an der ersten Stellung des Rotors zu ermitteln; und
- eine erste Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert der Stellung des Rotors an der ersten Stellung des Rotors zu ermitteln; und
- eine Prüfeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, zu prüfen, ob die erste
Differenz einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet.
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