Die Erfindung betrifft Verfahren zur Regelung der Lage eines Rotors einer elektrischen Maschine mit mindestens 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 elektrischen Maschine mit mindestens zwei getrennten Wicklungssystemen umfasst. Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Regelung der Lage eines Rotors einer elektrischen Maschine mit mindestens 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.

Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, eine größere Verfügbarkeit einer elektrischen Maschine mit getrennten Wicklungssystemen 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 Regelungseinrichtung geregelt wird, wobei jede der Regelungseinrichtungen einen Drehzahl- Regelkreis umfasst, der eine Drehzahl der elektrischen Maschine regelt, wobei der jeweilige Drehzahl-Regelkreis einen Drehzahl-Regler mit einem P-Anteil und einem I-Anteil aufweist und die Drehzahl-Regelkreise der Regelungseinrichtungen untereinander eine Information betreffend den I-Anteil austauschen, und betreffend den P-Anteil keine Information austauschen.

Unter einem P-Anteil des Drehzahl-Reglers wird ein Proportional-Anteil verstanden, also ein Anteil, der einem proportionalen Regler entspricht. Unter dem I-Anteil des Drehzahl-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. P-Anteile hingegen tolerieren eine gewisse Regelabweichung zwischen dem Sollwert und dem Istwert. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein auf das Nötigste beschränkter Datenaustausch zwischen den Regelungseinrichtungen durchgeführt. Anders als bei dem System nach DE 102020 207 196 A1, sind die Regelungseinrichtungen weniger stark miteinander gekoppelt, da die Drehzahl-Regler der Regelungseinrichtungen untereinander ausschließlich Informationen betreffend den I-Anteil austauschen nicht aber betreffend den P-Anteil. Hierdurch wird es möglich, die elektrische Maschine bei einem Ausfall einer der Regelungseinrichten mit der oder den verbleibenden Regelungseinrichtung(en) weiter zu betreiben.

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 der P-Anteil und der I-Anteil des Drehzahl-Regelkreises parallel gebildet und dann addiert werden. Durch das parallele Bilden des P-Anteils und des I-Anteils ist es möglich, P-Anteil und I-Anteil unterschiedlichen Operationen zu unterziehen. Beispielsweise kann der P-Anteil unverändert der Addition zugeführt werden und der I-Anteil kann nach einer Operation unterzogen werden, die abhängig von dem I-Anteil eines I-Anteils des eines anderen oder der mehreren anderen Regelungseinrichtungen ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Drehzahl-Regelkreis eine Differenz der I-Anteile mehrerer Regelungseinrichtungen gebildet wird, wobei die Differenz als Rückkopplung des I-Anteils verwendet wird. Beispielsweise können genau zwei Regelungseinrichtungen vorgesehen sein und die es kann die Differenz der I-Anteile beider Regelungseinrichtungen gebildet werden. Durch die Bildung der Differenz kann verhindert werden, dass sich Unterschiede der I-Anteile der verschiedenen Regelungseinrichtungen, z. B. durch Toleranzen der Sensoren oder infolge unterschiedlicher Signallaufzeiten akkumulieren.

Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Drehzahl-Regelkreis ein (arithmetischer) Mittelwert der I-Anteile mehrerer Regelungseinrichtungen gebildet wird, wobei eine Differenz des I-Anteils des jeweiligen Drehzahl-Regelkreises minus des gebildeten Mittelwerts als Rückkopplung des I-Anteils verwendet wird. Beispielsweise können genau zwei Regelungseinrichtungen vorgesehen sein und es kann der Mittelwert der I-Anteile beider Regelungseinrichtungen gebildet werden. Zur Bildung der Differenz in der jeweiligen Regelungseinrichtung wird dann der gebildete Mittelwert von dem I-Anteil der Regelungseinrichtung subtrahiert. Die Bildung der Differenz anhand des Mittelwerts kann ein gegenüber der Bildung der Differenz der I-Anteile verbesserte Performance bieten und eignet sich insbesondere für Ausgestaltungen mit mehr als zwei getrennten Wicklungssystemen und Regelungseinrichtungen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder der Regelungseinrichtungen einen dem Drehzahl-Regelkreis übergeordneten Lage-Regelkreis umfasst, der die Lage des Rotors der elektrischen Maschine regelt. Der Lage-Regelkreis umfasst bevorzugt einen Lage-Regler, 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 jede der Regelungseinrichtungen einen Strom-Regelkreis umfasst, der einen Strom der elektrischen Maschine regelt. Bevorzugt 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.

Insofern können 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.

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 eine dem jeweiligen Wicklungssystem zugeordnete Regelungseinrichtung regelbar ist, wobei jede der Regelungseinrichtungen einen Drehzahl-Regelkreis umfasst, durch den eine Drehzahl der elektrischen Maschine regelbar ist, wobei der jeweilige Drehzahl-Regelkreis einen Drehzahl-Regler mit einem P- Anteil und einem I-Anteil aufweist und die Regelungseinrichtungen über eine Kommunikationsverbindung gekoppelt sind, die dazu eingerichtet ist, dass die Drehzahl- Regelkreise der Regelungseinrichtungen untereinander eine Information betreffend den I- Anteil austauschen, und betreffend den P-Anteil keine Information austauschen.

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;

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

Fig. 4 ein zweites 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. 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‘.

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 PI- Regler ausgestalteten Drehzahl-Regler, also einen Regler mit proportionalem Anteil (P- Anteil) 14.1 und integrierendem Anteil (I-Anteil) 14.2. Der P-Anteil 14.1 und der I-Anteil 14.2 werden parallel zueinander ermittelt und dann addiert. Aus den I-Anteilen 14.2 der Drehzahlregler 14 beider Regelungseinrichtungen 11 wird jeweils die Differenz 14.3 gebildet, welche als Rückkopplung des I-Anteils verwendet wird. Durch diesen Datenaustausch zwischen den Regelungseinrichtungen 11 wird sichergestellt, dass die Sollwerte der Strom- Regelkreise zwar nicht unbedingt identisch aber zumindest sehr ähnlich sind und kein „torque fighting“ entsteht. Als Rückführung wird dem Drehzahl-Regler 14 jeweils eine Ist- Winkelgeschwindigkeit SpeedA, SpeedB zugeführt, die durch einen 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.

In Fig. 4 zeigt ein zweites 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. 4 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. 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‘.

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 PI- Regler ausgestalteten Drehzahl-Regler, also einen Regler mit proportionalem Anteil (P- Anteil) 14.1 und integrierendem Anteil (I-Anteil) 14.2. Der P-Anteil 14.1 und der I-Anteil 14.2 werden parallel zueinander ermittelt und dann addiert. Anhand der I-Anteile 14.2 der Drehzahlregler 14 beider Regelungseinrichtungen 11 wird der (arithmetische) Mittelwert 14.4 der I-Anteile 14.2 gebildet. Der Mittelwert 14.4 wird herangezogen, um eine Differenz 14.3 des I-Anteils 14.2 des jeweiligen Drehzahl-Regelkreises 14 minus des Mittelwerts 14.4 zu bilden. Diese Differenz 14.3 wird als Rückkopplung des I-Anteils 14.2 verwendet. Im vorliegenden Fall sind genau zwei Regelungseinrichtungen 11 vorgesehen und der Mittelwert 14.4 der I-Anteile 14.2 beider Regelungseinrichtungen 11 wird gebildet, in dem die Summe der I-Anteile 14.2 durch die Anzahl der Regelungseinrichtungen 11, also durch zwei, geteilt wird. Abweichend von den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen 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.