DE102008042390A1

DE102008042390A1 - Verfahren zur Diagnose von Fehlerzuständen einer im Stern gewickelten Drehfeldmaschine

Info

Publication number: DE102008042390A1
Application number: DE200810042390
Authority: DE
Inventors: Allan Muschel; Hassan Lamsahel; Karl-Hermann Ketteler; Bahram Basiri; Jürgen Kett
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2010-04-01

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Diagnose von Fehlerzuständen einer im Stern gewickelten Drehfeldmaschine (3) vorgeschlagen, im Rahmen dessen die Spannung zwischen dem Sternpunktpotential der Drehfeldmaschine (3) und einem oder mehreren repräsentativen Potentialen des Zwischenkreises der Drehfeldmaschine (3) überwacht wird, wobei ein Fehlerzustand anhand einer unerwarteten Spannungsänderung zwischen dem Sternpunktpotential der Drehfeldmaschine (3) und einem oder mehreren repräsentativen Potentialen des Zwischenkreises der Drehfeldmaschine (3) erkannt wird und wobei zur Erfassung einer unerwarteten Spannungsänderung die gemessene Spannung zwischen dem Sternpunktpotential der Drehfeldmaschine (3) und einem oder mehreren repräsentativen Potentialen des Zwischenkreises mit der erwarteten Spannung zwischen dem Sternpunktpotential der Drehfeldmaschine (3) und einem oder mehreren repräsentativen Potentialen des Zwischenkreises verglichen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Diagnose von Fehlerzuständen einer im Stern gewickelten Drehfeldmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Um den Anforderungen bezüglich der funktionalen Sicherheit zu genügen, ist insbesondere bei sicherheitskritischen Elektromaschinen erforderlich, Ausfälle im Motor, in der Verkabelung und in der Leistungselektronik zuverlässig zu erkennen.
Hierbei sind Kurzschlüsse außerhalb der elektrischen Maschine durch Abtasten der Klemmenspannung der Maschine detektierbar. Probleme, wie Unterbrechungen in den Zuleitungen, Windungsschlüsse, Phasenschlüsse sowie Kurzschlüsse gegen die Gehäusemasse innerhalb einer elektrischen Maschine
Aus dem Stand der Technik ist bekannt zur Diagnose einer Drehfeldmaschine ein modelbasiertes Verfahren durchzuführen, wobei zu diesem Zweck gemessene oder geschätzte Ströme und Spannungen in der Regel in d/q Koordinaten mit modelgestützten Größen verglichen werden.
Beispielsweise ist aus der EP1071982 B1 ein Verfahren zur Steuerung eines Mehrphasen-Hilfsmotors, insbesondere eines Elektromotors in einem elektrischen Servolenksystem bekannt, im Rahmen dessen ein erster Satz von Motorsteuerwerten ansprechend auf das angelegte Lenkdrehmoment und auf die detektierte Position des Elektromotors bestimmt wird, wobei anschließend der Elektromotor ansprechend auf den ersten Satz von Motorsteuerwerten erregt wird und ein Motorsteuerwert aus den Motorbetriebswerten bestimmt wird. Anschließend wird bei dem bekannten Verfahren ein zweiter Satz von Motorsteuerwerten ansprechend auf das angelegte Lenkdrehmoment bestimmt, wobei der Motor abgeschaltet wird, wenn der aus den Motorbetriebswerten bestimmte Motorsteuerwert zu dem zweiter Satz von Motorsteuerwerten ansprechend auf das angelegte Lenkdrehmoment widersprüchlich ist.
Zur Bestimmung des ersten Satzes von Motorsteuerwerten wird eine d/q Transformation verwendet, wobei der Bestimmungsschritt eines Motorsteuerwertes aus den Motorbetriebswerten das Bestimmen von d/q Werten als Funktion zumindest des überwachten Motorstroms und der Position umfasst.
In nachteiliger Weise wird bei dem bekannten Verfahren eine Strommessung benötigt; Strommesseinrichtungen erhöhen die Kosten und verkleinern häufig die Leistungsfähigkeit der Leistungselektronik.
Des weiteren ist aus dem Stand der Technik ein Verfahren zur online – modelbasierten Diagnose eines Gleichstrom-Elektromotors bekannt, bei dem basierend auf einer Modelbildung des Motors Paritätsgleichungen und Parameterschätzungsmethoden zur Fehlererkennung eingesetzt werden. Dadurch sollen Ausfälle in den Zuleitungen und innerhalb eines Elektromotors erkannt werden.
Bei modelbasierten Diagnoseverfahren erweist sich als nachteilig, dass dynamische Abweichungen zwischen den Messwerten und den Ergebnissen des Models auftreten können. Dies kann dazu führen, dass sie Verfügbarkeit der Elektromotoren unnötigerweise negativ beeinflusst wird oder dass die Fehlererkennung zeitlich entprellt werden muss.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Diagnose von Fehlerzuständen einer im Stern gewickelten Drehfeldmaschine mit vorzugsweise annähernd symmetrisch aufgebauten Strängen anzugeben, dessen Durchführung keine Strommessung benötigt. Des werteren sollen durch das erfindungsgemäße Verfahren bei geringem Zusatzaufwand ohne zusätzliche Sensorik Fehlerzustände einer Drehfeldmaschine schnell und zuverlässig erkannt werden.
Insbesondere sollen Fehlerzustände erkannt werden, die außerhalb der Motor Control Unit (Motorsteuerung, MCU), beispielsweise in der Schnittstelle zwischen MCU und Drehfeldmaschine oder in der Drehfeldmaschine auftreten. Derartige Zustände sind eine Phasenunterbrechung einer oder mehrerer Phasen, ein Phasenkurzschluss in der Drehfeldmaschine, ein Windungsschluss oder ein Erdschluss der Wicklung zum Gehäuse der Drehfeldmaschine.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Demnach wird ein Verfahren zur Diagnose von Fehlerzuständen einer im Stern gewickelten Drehfeldmaschine vorgeschlagen, im Rahmen dessen die Spannung zwischen dem Sternpunktpotential der Drehfeldmaschine und einem oder mehreren repräsentativen Potentialen des Zwischenkreises der Drehfeldmaschine überwacht wird, wobei ein Fehlerzustand anhand einer unerwarteten Spannungsänderung zwischen dem Sternpunktpotential der Drehfeldmaschine und einem oder mehreren repräsentativen Potentialen des Zwischenkreises der Drehfeldmaschine erkannt wird.
Gemäß der Erfindung wird zur Erfassung einer unerwarteten Spannungsänderung die gemessene Spannung zwischen dem Sternpunktpotential der Drehfeldmaschine und einem oder mehreren repräsentativen Potentialen des Zwischenkreises mit der erwarteten Spannung zwischen dem Sternpunktpotential der Drehfeldmaschine und einem oder mehreren repräsentativen Potentialen des Zwischenkreises verglichen.
Vorzugsweise werden als zu überwachende Spannungen die Phasenspannungen der Drehfeldmaschine verwendet. Ferner kann vorgesehen sein, dass im Fehlerfall die Drehfeldmaschine über eine geeignete Vorrichtung abgeschaltet wird.
Die Diagnose erfolgt hierbei beispielsweise mittels einer Vorrichtung zum Erfassen der Phasenspannungen, einer Logik, die diese vergleicht und einer geeigneten Vorrichtung zur Ansteuerung der Drehfeldmaschine, auf deren Steuersignale zugegriffen werden kann.
Solange kein Fehlerzustand an der Drehfeldmaschine vorliegt, sind die gemessenen Phasenspannungen gleich den erwarteten Phasenspannungen, wobei die erwartete Phasenspannung aus der Klemmenspannung und den Daten der Drehfeldmaschine berechnet wird und die Phasenspannung aus den Werten der Leistungselektronik gemessen werden kann. Wenn ein Fehlerzustand vorliegt, weicht die gemessene Phasenspannung von der erwarteten Phasenspannung ab, was durch die Durchführung des Verfahrens detektiert werden kann.
Durch die erfindungsgemäße Konzeption wird die Symmetrie des Aufbaus einer im Stern gewickelten Drehfeldmaschine genutzt, um ohne die Notwendigkeit einer Strommessung sowie der Kenntnis des Widerstandes und der Induktivität einer Drehfeldmaschine Fehlerzustände anhand einer Spannungsmessung schnell und zuverlässig zu erkennen. Die Reaktionszeit auf einen Fehlerzustand ist hierbei deutlich geringer als bei einer modelbasierten Diagnose.
Für den Fall, dass die Drehfeldmaschine unsymmetrisch ausgeführt ist, müssen die aus der unsymmetrischen Anordnung resultierenden Effekte kompensiert werden.
Dadurch, dass Windungsschlüsse zuverlässig erkannt werden, kann die Konstruktion einer Drehfeldmaschine in sicherheitskritischen Systemen vereinfacht werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1: ein Ablaufdiagramm, welches die wesentlichen Schritte einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht;
2: Ein Diagramm, welches den zeitlichen Verlauf der Phasenspannung und des Phasenstroms bei einer Phasenunterbrechung darstellt;
3: Diagramme, welche den zeitlichen Verlauf der Phasenspannungen und der Sternpunktspannung im fehlerfreien Fall darstellen; und
4: Diagramme, welche den zeitlichen Verlauf der Phasenspannungen und der Sternpunktspannung für den Fall einer Phasenunterbrechung in einem Strang der Drehfeldmaschine darstellen.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens und bezugnehmend auf 1 werden die Phasenspannungen der Drehfeldmaschine 3 aus der von der Motorsteuerung 1 gelieferten Klemmenspannung und den Daten der Drehfeldmaschine berechnet und mit den gemessenen Phasenspannungen verglichen, was beispielsweise mittels eines Komparators (d. h. Vergleichers) 2 erfolgen kann. Die Phasenspannung wird anhand der Werte der Leistungselektronik 4 der Drehfeldmaschine 3 gemessen.
Bei einer unerwarteten Änderung einer Phasenspannung aufgrund eines Defektes in einem Strang wird ein Fehlerzustand der Drehfeldmaschine erkannt und eine Fehlerreaktion eingeleitet; beispielsweise erfolgt bei Erkennung eines Fehlerzustandes eine Sternpunkttrennung oder ein aktiver Kurzschluss.
Ein Beispiel eines Fehlerzustandes ist Gegenstand der 2, in der ein Diagramm gezeigt ist, welches den zeitlichen Verlauf einer Phasenspannung und des Phasenstroms bei einer Phasenunterbrechung darstellt. Kurve A entspricht hierbei dem Verlauf des Phasenstroms und Kurve B dem Verlauf der Phasenspannung. Zum Zeitpunkt 0,1102 sec wird eine Phase unterbrochen, was dazu führt, dass der Phasenstrom schnell gegen Null kommutiert, wodurch ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens diagnostizierbarer Peak C im Spannungsverlauf entsteht.
Weitere Fehlerzustandsfälle können analog dazu anhand einer Potentialverschiebung des Sternpunktes der Drehfeldmaschine erkannt werden; beispielsweise verursacht ein Windungsschluss eine Widerstands- und Induktivitätsänderung sowie eine Änderung der elektromotorischen Kraft (EMK) im fehlerhaften Strang, was in einer verfahrensgemäß detektierbaren Verschiebung des Sternpunktpotentials resultiert.
In 3 sind die zeitlichen Verläufe der Phasenspannung U anhand Kurve D, der Phasenspannung V anhand Kurve E, der Phasenspannung W anhand Kurve F und der Sternpunktspannung anhand Kurve G im fehlerfreien Fall dargestellt. Wie aus 3 ersichtlich, springt die Sternpunktspannung in Abhängigkeit von der Phasenspannung auf Erdpotential GND, auf die Zwischenkreisspannung Uzk, auf 1/3 Uzk oder auf 2/3 Uzk.
Bei einer Phasenunterbrechung eines Stranges springt die Sternpunktspannung in Abhängigkeit von der Phasenspannung auf Erdpotential GND, auf die Zwischenkreisspannung Uzk oder auf 1/2 Uzk, wie anhand 4 veranschaulicht; dieser Unterschied im Verlauf der Sternpunktspannung wird durch das erfindungsgemäße Verfahren detektiert.
Bei dem Beispiel gemäß 4 wird der zeitliche Verlauf der Phasenspannung U anhand Kurve D, der Phasenspannung V anhand Kurve E, der Phasenspannung W anhand Kurve F und der Sternpunktspannung anhand Kurve G für den Fall einer Unterbrechung im Strang U dargestellt.

1: Motorsteuerung
2: Komparator
3: Drehfeldmaschine
4: Leistungselektronik
A: Verlauf der Phasenspannung als Funktion der Zeit
B: Verlauf des Phasenstromes als Funktion der Zeit
C: Peak im Spannungsverlauf
D: Verlauf der Phasenspannung U als Funktion der Zeit
E: Verlauf der Phasenspannung V als Funktion der Zeit
F: Verlauf der Phasenspannung W als Funktion der Zeit
G: Verlauf der Sternpunktspannung als Funktion der Zeit
GND: Erdpotential
Uzk: Zwischenkreisspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1071982 B1 [0005]

Claims

Verfahren zur Diagnose von Fehlerzuständen einer im Stern gewickelten Drehfeldmaschine (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung zwischen dem Sternpunktpotential der Drehfeldmaschine (3) und einem oder mehreren repräsentativen Potentialen des Zwischenkreises der Drehfeldmaschine (3) überwacht wird, wobei ein Fehlerzustand anhand einer unerwarteten Spannungsänderung zwischen dem Sternpunktpotential der Drehfeldmaschine (3) und einem oder mehreren repräsentativen Potentialen des Zwischenkreises der Drehfeldmaschine (3) erkannt wird und wobei zur Erfassung einer unerwarteten Spannungsänderung die gemessene Spannung zwischen dem Sternpunktpotential der Drehfeldmaschine (3) und einem oder mehreren repräsentativen Potentialen des Zwischenkreises mit der erwarteten Spannung zwischen dem Sternpunktpotential der Drehfeldmaschine (3) und einem oder mehreren repräsentativen Potentialen des Zwischenkreises verglichen wird.
Verfahren zur Diagnose von Fehlerzuständen einer im Stern gewickelten Drehfeldmaschine, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als zu überwachende Spannungen die Phasenspannungen der Drehfeldmaschine (3) verwendet werden.
Verfahren zur Diagnose von Fehlerzuständen einer im Stern gewickelten Drehfeldmaschine, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erwarteten Phasenspannungen der Drehfeldmaschine (3) aus der von der Motorsteuerung (1) gelieferten Klemmenspannung und den Daten der Drehfeldmaschine (3) berechnet und mit den gemessenen Phasenspannungen verglichen werden, wobei die Phasenspannungen anhand der Werte der Leistungselektronik (4) der Drehfeldmaschine (3) gemessen werden.
Verfahren zur Diagnose von Fehlerzuständen einer im Stern gewickelten Drehfeldmaschine, nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich der erwarteten Phasenspannungen mit den gemessenen Phasenspannungen mittels eines Komparators erfolgt.
Verfahren zur Diagnose von Fehlerzuständen einer im Stern gewickelten Drehfeldmaschine, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennung eines Fehlerzustandes eine Sternpunkttrennung oder ein aktiver Kurzschluss durchgeführt wird.