Betrieb eines Aktuators eines Steer-By-Wi re-Systems

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Lage eines Rotors einer elektrischen Maschine mit zwei getrennten Wicklungssystemen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Aktuators eines Steer-By-Wire-Systems, insbesondere eines Feedback-Aktuators oder eines Lenk-Aktuators, der eine elektrische Maschine mit zwei getrennten Wicklungssystemen umfasst. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Regelung der Lage eines Rotors einer elektrischen Maschine mit zwei getrennten Wicklungssystemen.

Elektrische Maschinen mit getrennten Wicklungssystemen werden typischerweise in solchen Anwendungen eingesetzt, die besonders hohe Anforderungen an die Betriebssicherheit und Verfügbarkeit haben, wie beispielsweise Steer-by-Wire-Systeme für Kraftfahrzeuge. Bei derartigen Steer-by-Wire-Systemen handelt es sich um Lenksystemen mit einem elektrischen Aktuator, dem Lenkbefehle ausschließlich auf elektronischem Weg übermittelt werden.

Zur Ansteuerung von elektrischen Maschinen mit getrennten Wicklungssystemen ist es aus der Dissertation „J.W. Bennett. Fault Tolerant Electromechanical Actuators for Aircraft. PhD Thesis. Newcastle University, 2010“ bekannt, jedes der Wicklungssysteme durch eine dem jeweiligen Wicklungssystem zugeordnete Kaskadenregelung zu regeln. Die Kaskadenregelungen umfassen dabei einen inneren Strom-Regelkreis, der einen Strom der elektrischen Maschine regelt, einen dem inneren Strom-Regelkreis übergeordneten mittleren Drehzahl-Regelkreis, der eine Drehzahl der elektrischen Maschine regelt, und einen dem mittleren Drehzahl-Regelkreis übergeordneten äußeren Lage-Regelkreis, der die Lage des Rotors der elektrischen Maschine bzw. die Lage eines mit dem Rotor gekoppelten Aktorelements regelt.

Bei einer derartigen elektrischen Maschine, bei der die beiden Wicklungssysteme dieselbe mechanische Achse antreiben, ergeben sich typischerweise schon bei einer geringen Abweichung des Regelverhaltens der beiden Kaskadenregelungen größere Unterschiede bei den eingestellten Strömen und Drehmomenten, die an der gemeinsamen Achse angreifen. Hierbei können gegeneinander wirkende Drehmomente (so genanntes „torque fighting“) entstehen, welches die Stabilität der Regelung der elektrischen Maschine negativ beeinflusst, so dass das Gesamtsystem nicht mehr funktionsfähig ist. Die oben genannte Dissertation schlägt zur Abhilfe einen kontinuierlichen Abgleich der beiden Kaskadenreglungen vor, bei welchem die Ausgänge der Regler der jeweiligen Drehzahl- Reglungskreise addiert werden. Diese Summe wird halbiert und den Strom-Regelkreisen beider Kaskadenregelungen zugeführt.

Ein Verfahren zur Regelung der Lage eines Rotors einer elektrischen Maschine mit mindestens zwei getrennten Wicklungssystemen in einem Lenksystem ist aus DE 10 2020 207 196 A1 bekannt. Die DE 102020207 196 A1 schlägt zum Vermeiden gegeneinander wirkender Steuerungspfade vor, dass Stellgrößen der Regelungseinrichtungen gemittelt werden und eine Soll-Stellgröße durch jede Regelungseinrichtung abhängig von der gemittelten Stellgröße bereitgestellt wird. Diese Lösung kann zwar zu einer Reduktion des „torque fighting“ führen, geht aber mit einer starken Kopplung der Regelungseinrichtungen einher. Dieser Datenaustausch widerspricht aber dem Gedanken, getrennte Wicklungssysteme vorzusehen, um Redundanz bereitzustellen, beispielsweise derart, dass bei Ausfall eines Wicklungssystems das andere Wicklungssystem den Betrieb der elektrischen Maschine, ggf. mit Einschränkungen, aufrechterhalten kann. Zudem führt der Datenaustausch zu einer erhöhten Auslastung der verwendeten Regelungshardware. Denn die Kommunikation zwischen den beiden Regelungseinrichtungen stellt hohe Ansprüche an die Synchronisierung der Regelungsalgorithmen.

Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, eine größere Verfügbarkeit einer elektrischen Maschine mit getrennten Wicklungssystemen mit gleichzeitig reduzierter Auslastung der erforderlichen Regelungshardware zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Regelung der Lage eines Rotors einer elektrischen Maschine mit mindestens zwei getrennten Wicklungssystemen, wobei jedes der Wicklungssysteme durch eine dem jeweiligen Wicklungssystem zugeordnete unabhängige Regelungseinrichtung geregelt wird, wobei jede der Regelungseinrichtungen mindestens einen P-Regler aufweist, und wobei jede der Regelungseinrichtungen einen Drehmomentsensor aufweist, mit dem ein Drehmoment am Rotor der elektrischen Maschine ermittelt und als Störgröße aufgeschaltet wird.

Durch das Aufschalten des ermittelten Drehmoments können externe Lasten kompensiert werden. So kann eine im Vergleich zu einem P-Regler verbesserte Performance und Regelgenauigkeit ermöglicht werden. Unter einem P-Anteil des Reglers wird ein Proportional-Anteil verstanden, also ein Anteil, der einem proportionalen Regler entspricht. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auf einen Datenaustausch zwischen den Regelungseinrichtungen verzichtet werden, da der P-Regler eine gewisse Regelabweichung zwischen dem Sollwert und dem Istwert toleriert und im zeitlichen Verlauf nicht akkumuliert wird. Kleinere Unsymmetrien der Regelungseinrichtungen, also beispielsweise Differenzen zwischen den Drehzahl-Rückführungen der Regelungseinrichtungen, führen dann nicht zu einem instabilen Verhalten. Anders als im Stand der Technik bekannt, sind die Regelungseinrichtungen unabhängig voneinander ausgebildet. Hierdurch wird es möglich, die elektrische Maschine bei einem Ausfall einer der Regelungseinrichtungen mit der verbleibenden Regelungseinrichtungen weiter zu betreiben. Zudem entfällt durch die unabhängige Ausbildung der Regelungseinrichtungen der Aufwand für die Kommunikation zwischen den Regelungseinrichtungen, so dass die Regelungshardware entlastet wird.

Unter der Lage des Rotors wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt eine Winkelstellung des Rotors verstanden. Die Lage bzw. Winkelstellung des Rotors kann beispielsweise relativ zu einer Nulllage des Rotors angegeben werden, beispielsweise durch Angabe eines Winkels relativ zu der Nulllage.

Bevorzugt sind genau zwei getrennte Wicklungssysteme und genau zwei Regelungseinrichtungen vorgesehen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das in der Regelungseinrichtung aufgeschaltete Drehmoment mit einem Gewichtungsfaktor multipliziert wird, welcher dem Kehrwert der Anzahl an Regelungseinrichtungen entspricht. Hierdurch kann eine ausgewogene Lastverteilung erreicht werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass jede der Regelungseinrichtungen frei von Reglern mit einem I-Anteil und insbesondere frei von Reglern mit einem D-Anteil ist. Unter dem I-Anteil des Reglers wird ein Integral-Anteil verstanden, also ein Anteil, der einem integrierenden Regler entspricht. Es hat sich herausgestellt, dass I-Anteile unerwünschtes „torque fighting“ verursachen, da sie keine stationären Regelabweichungen tolerieren und immer bestrebt sind, solche Regelabweichungen auf null auszuregeln. Unter einem D-Anteil des Reglers wird ein Differential-Anteil verstanden, also ein Anteil, der einem differenzierenden Regler entspricht.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Regelungseinrichtungen identisch ausgebildet sind. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drehmomentsensoren als kombinierte Drehmoment- und Lagesensoren ausgebildet sind. Die Drehmomentsensoren können somit zusätzlich eine Lage des Rotors, insbesondere eine Winkelstellung des Rotors, ermitteln. Es ist daher möglich, entweder auf separate Lage- bzw. Drehwinkelsensoren zu verzichten oder zusätzlich zu vorhandenen Lage- bzw. Drehwinkelsensoren eine weitere Lage- bzw. Drehwinkelermittlung bereitzustellen, um die Redundanz zu erhöhen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Regelungseinrichtungen jeweils eine Kaskadenregelung implementieren, mit

- einem inneren Strom-Regelkreis, der einen Strom der elektrischen Maschine regelt,

- einem dem inneren Strom-Regelkreis übergeordneten mittleren Drehzahl-Regelkreis, der eine Drehzahl der elektrischen Maschine regelt, und

- einem dem mittleren Drehzahl-Regelkreis übergeordneten äußeren Lage-Regelkreis, der die Lage des Rotors der elektrischen Maschine regelt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Lage- Regelkreis einen Lage-Regler umfasst, der als P-Regler ausgestaltet ist. Die Lage des Rotors kann abhängig sein von der Lage eines mit dem Rotor, beispielsweise über ein Getriebe, gekoppelten Aktorelements. Bei einer derartigen Ausgestaltung mit einem Aktorelement kann der dem Drehzahl-Regelkreis übergeordnete Lage-Regelkreis die Lage des mit dem Rotor der elektrischen Maschine gekoppelten Aktorelements regeln. In diesem Fall regelt das erfindungsgemäße Verfahren unmittelbar die Lage des Aktorelements und mittelbar die Lage des Rotors der elektrischen Maschine. Bevorzugt ist vorgesehen, dass den Lage-Regelkreisen der Regelungseinrichtungen ein identischer Lage-Sollwert zugeführt wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Drehzahl- Regelkreis einen Drehzahl-Regler umfasst, der als P-Regler ausgestaltet ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Strom- Regelkreis den Strom durch eine Vektorregelung regelt. Eine solche Regelung kann auch als feldorientierte Regelung bezeichnet werden. Die Vektorregelung nutzt eine rotorbezogene Raumzeigerdarstellung mit zwei Komponenten, der d-Komponente und der q-Komponente. Hierbei werden die gemessenen Phasenströme in die rotorbezogene Raumzeigerdarstellung transformiert und als Rückführung einem geschlossenen Regelkreis für die d-Komponente und die q-Komponente zugeführt.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Aktuators eines Steer-By-Wire-Systems, insbesondere eines Feedback-Aktuators oder eines Lenk-Aktuators, der eine elektrischen Maschine mit mindestens zwei getrennten Wicklungssystemen umfasst, wobei eine Lage eines Rotors der elektrischen Maschine nach einem vorstehend erläuterten Verfahren eingestellt wird.

Bei dem Verfahren zum Betrieb des Aktuators können dieselben Vorteile erreicht werden wie sie im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung der Lage eines Rotors einer elektrischen Maschine mit mindestens zwei getrennten Wicklungssystemen beschrieben worden sind.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine eine permanenterregte Synchronmaschine oder eine Reluktanzmaschine ist.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Regelung der Lage eines Rotors einer elektrischen Maschine mit mindestens zwei getrennten Wicklungssystemen, wobei jedes der Wicklungssysteme durch einen dem jeweiligen Wicklungssystem zugeordneten unabhängige Regelungseinrichtungen regelbar ist, wobei jede der Regelungseinrichtungen mindestens einen P-Regler aufweist, und wobei jede der Regelungseinrichtungen einen Drehmomentsensor aufweist, der dazu eingerichtet ist ein Drehmoment am Rotor der elektrischen Maschine zu ermitteln, wobei die Regelungseinrichtung dazu konfiguriert ist, das Drehmoment als Störgröße aufzuschalten.

Bei der Vorrichtung zur Regelung der Lage können dieselben Vorteile erreicht werden, die bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Regelung der Lage eines Rotors einer elektrischen Maschine mit zwei getrennten Wicklungssystemen erläutert worden sind. Es können auch die in diesem Zusammenhang beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und Merkmale bei dem Verfahren zum Betrieb eines Aktuators und der Regelungseinrichtung zur Anwendung kommen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Steer-By-Wire-Systems mit einem Aktuator, der zwei getrennte Wicklungssysteme umfasst;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Steer-By-Wire-Systems mit einem Aktuator, der zwei getrennte Wicklungssysteme umfasst; und

Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Regelung der Lage eines Rotors.

In der Fig. 1 ist ein Steer-By-Wire-System 1 dargestellt, bei welchem die Erfindung Anwendung finden kann. Das Steer-By-Wire System 1 ist als Ergänzungssystem für ein Lenksystem 2, hier ein Lenksystem 2 mit einer Servolenkung 3, ausgestaltet. Das Steer-By- Wire-System 1 umfasst einen an einer Lenksäule 4 des Lenksystems 2 angeordneten Aktuator 5 mit einer elektrischen Maschine 6. Der Aktuator 5 kann als Lenk-Aktuator oder als Feedback-Aktuator ausgestaltet sein. Die elektrische Maschine 6 umfasst dabei mehrere, hier genau zwei, getrennte Wicklungssysteme, die unabhängig voneinander ansteuerbar sind.

Das Steer-By-Wire System 1 umfasst ferner eine erfindungsgemäße Vorrichtung 7 zur Regelung der Lage eines Rotors der elektrischen Maschine 6. Die Vorrichtung 7 ist dazu eingerichtet, die getrennten Wicklungssysteme der elektrischen Maschine 6 anzusteuern. Hierzu umfasst die Vorrichtung 10 mehrere Regelungseinrichtungen 11, wobei jedem Wicklungssystem jeweils eine dieser Regelungseinrichtungen 11 zugeordnet ist.

Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Steer-By-Wire-Systems 1 , bei welchem die Erfindung Anwendung finden kann. Das Steer-By-Wire System 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist als Lenksystem für eine Achse eines Fahrzeugs ausgebildet, beispielsweise als Vorderachslenksystem oder Hinterachslenksystem. Das Steer-By-Wire- System 1 umfasst einen mit einer Stange 7 gekoppelten Lenk-Aktuator 5 mit einer elektrischen Maschine 6. Die elektrische Maschine 6 umfasst dabei mehrere, hier genau zwei, getrennte Wicklungssysteme, die unabhängig voneinander ansteuerbar sind.

Bei dem Steer-By-Wire System 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann ebenfalls eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Regelung der Lage eines Rotors der elektrischen Maschine 6 Anwendung finden. Die Vorrichtung 10 ist dazu eingerichtet, die getrennten Wicklungssysteme der elektrischen Maschine 6 anzusteuern. Hierzu umfasst die Vorrichtung 10 mehrere Regelungseinrichtungen 11, wobei jedem Wicklungssystem jeweils eine dieser Regelungseinrichtungen 11 zugeordnet ist.

Die Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 10 zur Regelung der Lage eines Rotors der elektrischen Maschine 6. Die elektrische Maschine umfasst zwei voneinander getrennt ausgebildete Wicklungssysteme, weshalb die elektrische Maschine 6 in Fig. 3 als zwei getrennte Teilmaschinen 6‘ dargestellt ist. Jede dieser Teilmaschinen 6‘ umfasst genau ein Wicklungssystem, hier ein dreiphasiges Wicklungssystem. Die Teilmaschinen 2 wirken auf eine gemeinsame Welle bzw. einen gemeinsamen Rotor 6“ ein, dessen Lage bzw. Winkelstellung geregelt wird.

Hierzu wird der Vorrichtung 10 jeweils ein Lage-Sollwert 12 vorgegeben, welcher zwei als Kaskadenregelungen ausgebildeten Regelungseinrichtungen 11 zugeführt wird. Die Regelungseinrichtungen 11 sind identisch ausgebildet. Jede der Regelungseinrichtungen 11 ist jeweils einem der beiden Wicklungssysteme der elektrischen Maschine 6 zugeordnet, also jeweils einer Teilmaschine 6‘. Die Regelungseinrichtungen 11 umfassen einen dreistufigen Aufbau mit einem inneren Strom-Regelkreis 15, einem mittleren Drehzahl- Regelkreis 14 und einem äußeren Lage-Regelkreis 13.

Der innere Strom-Regelkreis 15 regelt die der elektrischen Teilmaschine 6‘ zugeführten Phasenströme und darüber das Drehmoment der Teilmaschine 6‘.

Über separate Drehmomentsensoren 20 wird ein Drehmoment am Rotor 6“ der elektrischen Maschine 6 ermittelt. Die Drehmomentsensoren sind als kombinierte Drehmoment- und Lagesensoren (TAS oder Torque and Angle Sensor) ausgebildet. Diese kombinierten Drehmoment- und Lagesensoren stellen neben der Lage und dem Drehmoment auch eine Drehzahl des Rotors bereit. Bevorzugt sind zusätzlich in Fig. 3 nicht dargestellte separate Drehwinkelsensoren pro Wicklungssystem bzw. Teilmaschine 6‘ vorgesehen. Diese zusätzlichen Drehwinkelsensoren können weitere Messwerte der Lage und der Drehzahl bereitstellen und damit eine Redundanz in der Messwerterfassung ermöglichen.

Dem Strom-Regelkreis 15 jeder der Regelungseinrichtungen 11 wird das von dem jeweiligen Drehmomentsensor 20 ermittelte Drehmoment als Störgröße aufgeschaltet. Um eine ausgewogene Lastverteilung zu erreichen, wird das aufgeschaltete Drehmoment mit einem Gewichtungsfaktor multipliziert wird, welcher dem Kehrwert der Anzahl an Regelungseinrichtungen entspricht. Da im vorliegenden Fall genau zwei Regelungseinrichtungen 11 vorhanden sind, wird der Wert des ermittelten Drehmoments halbiert.

Der mittlere Drehzahl-Regelkreis 14 ist dem inneren Strom-Regelkreis 15 übergeordnet und regelt die Drehzahl der Teilmaschine 6‘. Der Drehzahl-Regelkreis 6‘ umfasst einen als P- Regler ausgestalteten Drehzahl-Regler, also einen Regler ausschließlich mit einem proportionalen Anteil (P-Anteil). Als Rückführung wird dem Drehzahl-Regler 14 jeweils eine Ist-Winkelgeschwindigkeit SpeedA, SpeedB zugeführt, die durch einen jeweiligen Sensor 20 bestimmt wird.

Der äußere Lage-Regelkreis 13 ist dem mittleren Drehzahl-Regelkreis 14 übergeordnet und regelt die Lage des Rotors 6“ der elektrischen Maschine 6. Hierzu umfasst der Lage- Regelkreis 13 einen Lage-Regler, der als P-Regler ausgestaltet ist und welchem die durch den Sensor 20 ermittelte Lage des Rotors PositionA, Positions rückgeführt wird.

Die Regelungseinrichtungen 11 umfassen also ausschließlich P-Regler. Insofern sind die Regelungseinrichtungen 11 frei von Reglern mit einem I-Anteil und insbesondere frei von Reglern mit einem D-Anteil.

Abweichend von den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel kann der Rotor 6“ der elektrischen Maschine mit einem Aktorelement gekoppelt sein, beispielsweise über ein Getriebe. Bei einer solchen Ausgestaltung mit einem Aktorelement kann der dem mittleren Drehzahl-Regelkreis 14 übergeordnete äußeren Lage-Regelkreis 13 die Lage des mit dem Rotor 6“ der elektrischen Maschine 6 gekoppelten Aktorelements regeln. In diesem Fall regelt das erfindungsgemäße Verfahren unmittelbar die Lage des Aktorelements und mittelbar die Lage des Rotors 6“ der elektrischen Maschine 6.

Die vorstehend erläuterte Vorrichtung 10 und das mit dieser implementierte Verfahren zur Regelung der Lage des Rotors 6“ der elektrischen Maschine 6 mit zwei getrennten Wicklungssystemen kann zum Betrieb eines Aktuators eines Steer-By-Wire-Systems Anwendung finden. Insbesondere kann ein Feedback-Aktuator oder eine Lenk-Aktuator eines solchen Steer-by-Wire-Systems geregelt werden. Die Erfindung ermöglicht eine größere Verfügbarkeit der elektrischen Maschine 6 mit gleichzeitig reduzierter Auslastung der erforderlichen Regelungshardware.