DE19927851B4

DE19927851B4 - Verfahren zum Überwachen eines Drehwinkelaufnehmers an einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE19927851B4
Application number: DE19927851A
Authority: DE
Inventors: Claus Thybo
Original assignee: Danfoss Drives AS
Current assignee: Danfoss Power Electronics AS
Priority date: 1999-06-18
Filing date: 1999-06-18
Publication date: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2019-06-19
Also published as: CN1278673A; FI118164B; DE19927851A1; FI20001434A0; FI20001434A; GB2352100A; US6426633B1; GB0014875D0; GB2352100B

Abstract

Verfahren zum Überwachen eines Drehwinkelaufnehmers an einer elektrischen Maschine, wobei die elektrische Leistung der Maschine gemessen und unter Verwendung des Ausgangssignals des Drehwinkelaufnehmers eine Leistung abgeschätzt wird, wobei aus der gemessenen Leistung und der abgeschätzten Leistung ein Residual gebildet und der zeitliche Verlauf des Residuals überwacht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Drehwinkelaufnehmers an einer elektrischen Maschine.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Motors als Beispiel für eine elektrische Maschine beschrieben. Sie ist aber nicht darauf beschränkt. Die Probleme mit dem Drehwinkelaufnehmer können sich auch bei generatorisch arbeitenden Maschinen ergeben und auf entsprechende Weise gelöst werden.
Um Elektromotoren mit höherer Dynamik und größerer Präzision betreiben zu können, wird vielfach die Winkelposition oder Drehlage des Rotors gegenüber dem Stator benötigt. Dies gilt insbesondere bei umrichtergespeisten Induktionsmaschinen. Um diese Information zu gewinnen, wird ein Drehwinkelaufnehmer verwendet, der mit der Motorachse gekoppelt. Ein solcher Drehwinkelaufneh mer ist auch unter dem Namen "Resolver" oder "Encoder" bekannt. Die Arbeitsweisen können unterschiedlich sein. Gelegentlich wird auch nicht der Drehwinkel, sondern die Winkelgeschwindigkeit gemessen und integriert. Ausschlaggebend ist aber, daß man entweder direkt oder indirekt, beispielsweise durch eine Integration, die Winkelposition des Rotors gegenüber dem Stator ermitteln kann. Die Winkelinformation oder auch die Drehzahlinformation werden dem Frequenzumrichter oder einer anderen elektronischen Motorsteuerung zugeführt und dienen zur Steuerung der Drehzahl und/oder des Drehmoments.
Wenn der Drehwinkelaufnehmer aus irgendeinem Grund versagt, dann bekommt die elektronische Motorsteuerung entweder gar kein Signal oder ein verfälschtes Signal. Unter Versagen sollen alle Zustände verstanden werden, in denen nicht das richtige Drehwinkelsignal an der Motorsteuerung ankommt. Es kann sich also beispielsweise auch um eine Unterbrechung der Signalleitung zwischen dem Drehwinkelaufnehmer und der Motorsteuerung handeln. Wenn die Motorsteuerung nicht das richtige Signal erhält, dann führt dies im Betrieb zu einem falschen Verhalten. Beispielsweise treibt die Motorsteuerung bei Verwendung einer gewöhnlichen U-F-Regelung mit Drehzahlrückführung die Drehzahl des Motors auf sein Maximum, wenn die Signalleitung unterbrochen ist. Es liegt auf der Hand, daß derartige Betriebszustände unerwünscht sind.
Im Stand der Technik sind mehrere Verfahren bekannt, um derartige Fehlersituationen in Verbindung mit dem Drehwinkelaufnehmer zu entdecken oder zu identifizieren, um danach Maßnahmen zur Fehlerkorrektur einzuleiten. Beispielsweise kann man den Drehwinkelaufnehmer redundant ausbilden, d. h. einen zweiten Drehwinkelaufnehmer vor sehen und die Ergebnisse der beiden Drehwinkelaufnehmer miteinander vergleichen. Man kann auch die Funktion des Drehwinkelaufnehmers mit Hilfe einer eingebauten Kontrollelektronik überwachen. Eine andere Art der Überwachung besteht darin, bestimmte Parameter des Motors bzw. der Motorsteuerung zur Überwachung zu verwenden. Die vorliegende Erfindung gehört zur letzteren Art.
Aus US 5 691 611 A ist ein Verfahren zum Überwachen eines Drehwinkelaufnehmers bekannt, bei dem eine durchschnittliche Drehzahl des Motors errechnet wird. Diese Drehzahl wird mit dem Augenblickswert der Drehzahl verglichen, die über den Drehwinkelaufnehmer ermittelt wird. Aus diesen beiden Werten wird eine absolute Differenz gebildet. Falls diese Differenz größer als ein Grenzwert ist, dann nimmt man eine Fehlfunktion des Drehwinkelaufnehmers an.
Dieses Verfahren arbeitet gut bei höheren Drehzahlen. Kritisch wird die Fehlererkennung aber im Bereich von sehr niedrigen Drehzahlen, beispielsweise im Bereich von 0 bis 100 U/min. In diesen Bereich fällt aber auch die besonders kritische Situation der Drehzahl 0 U/min. Wenn eine derartige Drehzahl angezeigt wird, muss man erkennen können, ob der Läufer tatsächlich stillsteht, beispielsweise ob er blockiert ist, oder ob der Drehwinkelaufnehmer defekt ist, beispielsweise die Signalleitung abgerissen oder sonstwie unterbrochen ist.
In der Zeitschrift "Automatisierungstechnische Praxis", 1990, Heft 7, Seiten 372–376, beschreibt H. Schierling in seinem Aufsatz "Selbstinbetriebnahme – eine neue Ei genschaft moderner Drehstromantriebe" eine Tachoüberwachung für eine elektrische Drehfeldmaschine, die von einem Pulswechselrichter angetrieben wird. Dabei erfolgt die Überwachung der Funktion des Tachos durch einen Vergleich des Messsignals mit der Drehzahl, die aufgrund der Signale innerhalb der feldorientierten Regelung zu erwarten ist. Es wird also die zu überwachende Drehzahl der Maschine gemessen und gleichzeitig abgeschätzt. Aus der gemessenen Drehzahl und der abgeschätzten Drehzahl wird anschließend ein Residual gebildet und überwacht.
Aus DE 44 27 697 A1 ist eine Steuervorrichtung für einen Motor mit variabler Drehzahl bekannt, wobei an den Motor über eine elastische Kupplung eine Last angeschlossen ist. Dabei werden der Steuervorrichtung über entsprechende Sensoren Istwerte der Drehzahl und des Ankerstroms zur Verfügung gestellt. Die Steuervorrichtung umfasst dabei einen Drehzahlregler und einen Stromregler. Der Motor soll auf eine bestimmte Drehzahl geregelt werden, was mit Hilfe der Einflussgrößen Ankerstrom und Spannung erfolgt, die mit Hilfe von Regelbausteinen so verändert werden, dass das gewünschte Ergebnis erzielt wird. Eine Überwachung der ordnungsgemäßen Funktion der Sensoren ist dabei nicht vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Überwachen eines Drehwinkelaufnehmers an einer elektrischen Maschine anzugeben, das über einen großen Drehzahlbereich eine Fehlererkennung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die elektrische Leistung der Maschine gemessen und unter Verwendung des Ausgangssignals des Drehwinkelaufnehmers eine Leistung abgeschätzt wird, wobei aus der gemessenen Leistung und der abgeschätzten Leistung ein Residual gebildet und der zeitliche Verlauf des Residuals überwacht wird.
Mit dieser Vorgehensweise ist man in der Lage, eine Fehlererkennung auch bei niedrigen und sogar bei extrem niedrigen Drehzahlen durchzuführen. Auch eine Blockierung des Rotors wird erkannt, d. h. man kann eine Fehlererkennung auch bei Drehzahl 0 durchführen. Darüber hinaus ist die Fehlererkennung wesentlich schneller. Man kann dasselbe Verfahren über den gesamten Drehzahlbereich nutzen. Darüber hinaus kann mit diesem Verfahren ein relativ gutes Verhältnis von Signal zu Störungen (Signal/Rausch-Verhältnis) erzielen. Außerdem ist das Verfahren relativ robust, weil es von Parametern im Motormodell abhängig ist, die eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Störeinflüssen zeigen. Im einfachsten Fall wird das Residual aus der Differenz zwischen der gemessenen Leistung und der abgeschätzten Leistung gebildet. Wenn die gemessene Leistung und die abgeschätzte Leistung einen zeitlich unterschiedlichen Verlauf haben, dann hat auch die Differenz einen zeitlichen Verlauf, der nicht konstant ist. Man kann nun diese Differenz, die im folgenden Residual genannt wird, verwenden, um die Funktion des Drehwinkelaufnehmers zu überprüfen. Die elektrische Leistung kann man mit relativ geringem Aufwand messen, beispielsweise aus dem Produkt aus Strom und Spannung. Die abgeschätzte Leistung wird errechnet und zwar teilweise aus Werten, wie durch Messung ermittelt werden, die beispielsweise Ströme oder eben die Drehzahl, und andererseits aus Ma schinenparametern, beispielsweise Induktivität oder ähnlichem. Im ungestörten Fall sollten dann beide Leistungen, d. h. die gemessene Leistung und die abgeschätzte oder errechnete Leistung, miteinander übereinstimmen. Sollte der Drehwinkelaufnehmer oder seine Ausgangsleitung gestört sein, dann verändert sich zwangsläufig der Anteil der abgeschätzten Leistung, der auf diesem Signal, d. h. auf der Drehzahl oder dem Drehwinkel, beruht. Damit ergibt sich eine Differenz, also ein Residual, zwischen der gemessenen und der abgeschätzten Leistung, die einen Fehler anzeigt. Diese Vorgehensweise funktioniert auch dann, wenn der Rotor stillsteht, weil er beispielsweise blockiert wird. In diesem Fall läßt sich die von der Maschine aufgenommene elektrische Leistung messen. Diese Leistung ist aber eine reine Verlustleistung, weil keine mechanische Leistung abgegeben wird. Bei einem entsprechend gewählten Maschinenmodell ergibt sich auch für die abgeschätzte Leistung der gleiche Wert. Da das Drehzahlsignal Null ist, dürften auch hier nur die Verlustleistungskomponenten mit einfließen. Anders sieht es aus, wenn der Drehwinkelaufnehmer defekt ist und eine Drehzahl Null anzeigt, obwohl sich der Rotor tatsächlich dreht. In diesem Fall ist die gemessene elektrische Leistung um den Betrag höher, der an der Welle des Rotors mechanisch abgegeben wird. Bei blockiertem Läufer ergibt sich vielfach kein völliger Stillstand, sondern der Läufer wird sich ein kleines bißchen drehen. Auch diese kleine Drehung genügt, um überprüfen zu können, ob der Drehwinkelaufnehmer funktioniert, denn sowohl die gemessene als auch die abgeschätzte Leistung wachsen gleichermaßen an. Das Resultat ist, daß das Residual im fehlerfreien Fall Null bleibt.
Vorzugsweise wird eine Fehlerschwelle vorgegeben und der Fehler im Ausgangssignal wird angenommen, wenn das Residual die Fehlerschwelle überschreitet. Dies ist eine quasi statische Vorgehensweise. Kleinere Abweichungen zwischen der gemessenen und der abgeschätzten Leistung werden sich im Betrieb nicht vermeiden lassen, insbesondere bei Drehzahländerungen. Diese sind aber unkritisch, solange sie eine gewisse Größe nicht überschreiten. Wenn eine derartige Größe überschritten wird, nimmt man einen Fehler an.
In einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung kann ein Fehler angenommen werden, wenn die Steigung des Residuals über der Zeit einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet. Wenn also die Änderung der Differenz zwischen der gemessenen und der abgeschätzten Leistung zu groß wird, ist dies in der Regel ein deutliches Zeichen für das Vorliegen eines Fehlers.
Vorzugsweise wird das Residual nach Überschreiten der Fehlerschwelle nicht mehr verwendet. Man kann nämlich beobachten, dass das Residual in einigen Fällen einen Verlauf hat, der zunächst ansteigt und nach Erreichen eines Maximums wieder abfällt, und zwar unter den Null-Wert. Dies liegt unter anderem daran, dass beispielsweise bei einer Steuerung, die auf der Rückführung des Drehwinkels beruht, der Strom falsch berechnet wird. Der falsch berechnete Strom geht aber auch in die Berechnung der abgeschätzten Leistung mit ein, so dass sich hier ein noch größerer Fehler ergeben kann. Um zu vermeiden, dass beim Überqueren der Null-Linie versehentlich ein fehlerfreier Zustand detektiert wird, verwirft man das Residual über einen vorbestimmten Zeitraum. Vorzugsweise wird man ohnehin die Maschine stillsetzen oder auf ein anderes Steuer- oder Regelungsverfahren übergehen, das die Rückführung des Winkelsignales nicht mehr benötigt.
Vorzugsweise wird dementsprechend bei Auftreten eines Fehlers das Ausgangssignal des Drehwinkelaufnehmers nicht mehr zur Steuerung der Maschine verwendet. Damit vermeidet man weitere Fehler.
Bevorzugterweise wird die abgeschätzte Leistung gebildet durch einen Lastanteil, einen Rotorverlustanteil, einen Statorverlustanteil und einen Magnetisierungsanteil. Dieses Modell gibt mit ausreichender Genauigkeit die elektrische Leistungsaufnahme wieder und kann dementsprechend zur Bildung des Residuals verwendet werden.
Hierbei ist besonders bevorzugt, daß das Ausgangssignal des Drehwinkelaufnehmers nur in den Lastanteil einfließt. Dies erleichtert die Berechnung. Man kann eine klare Trennung der Signale vornehmen. Auch die Berechnung wird vereinfacht.
Bevorzugterweise wird nach Auftreten eines Fehlers eine sanfte Abschaltung der Maschine vorgenommen. Die Maschine wird also mit anderen Worten nicht abrupt abgebremst, was gelegentlich zu weiteren Schäden führt, sondern langsam heruntergefahren. Alternativ dazu kann in einen Sicherheits-Betriebsmodus gewechselt werden, in dem die Leistungsfähigkeit herabgesetzt ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung zum Überwachen eines Drehwinkelaufnehmers,
2 einen Verlauf eines Residuals bei einem ersten Betriebszustand,
3 einen Verlauf eines Residuals bei einem zweiten Betriebszustand und
4 verschiedene Stromverläufe.
1 zeigt einen dreiphasigen Induktionsmotor 1, der von einem Wechselrichter 2 gesteuert ist. An der Ausgangswelle 3 des Motors 1 ist ein nur schematisch dargestellter Drehwinkelaufnehmer 4 vorgesehen. Der Frequenzumrichter 2 erhält seine Eingangssignale u₁, u₂, u₃ von einem 2-3-Umformer 5, der Eingangsignale u_sd, u_sq aus einem zweiachsigen System in ein dreiachsiges System umformt. Der Inverter wiederum gibt Ausgangssignale i₁, i₂, i₃ an einen 3-2-Umformer 6 ab, der diese Signale aus einem dreiachsigen System in Signale î_sd, î_sq umformt, wobei die letztgenannten Signale sich wiederum auf ein zweiachsiges Koordinatensystem beziehen. Wenn im folgenden Größen mit einem ^ versehen sind, bedeutet dies, daß es sich um meßbare Größen bzw. davon abgeleitete Größen handelt, deren Wert möglicherweise von einem Fehler beeinflußt ist. Bei anderen Größen kann es sich auch um reine Rechengrößen handeln.
Das Signal î_sd wird einer Magnetisierungsstromberechnungseinrichtung 7 zugeführt, die einen Magnetisierungsstrom î_mr errechnet und diesen einem Subtraktionseingang eines Additionspunktes 8 zuführt. Dem anderen Additions-Eingang dieses Additionspunktes 8 wird ein vorgegebener Referenzwert des Magnetisierungsstromes I_mr zugeführt. Die Differenz aus diesen beiden Magnetisierungsströmen wird einem Magnetisierungsstromregler 9 zugeführt, an dessen Ausgang ein Signal i_sdset abgegeben wird. An einem weiteren Summationspunkt 10 wird die Differenz zwischen den Größen i_sdset und î_sd gebildet und einem i_sd Kontroller 11 zugeführt, der das Eingangssignal u_sd bildet. Vereinfacht gesagt ist die Spannung u_sd für die Magnetisierung zuständig und wird auf die direkten Achse (d-Achse) bezogen.
Das Ausgangssignal des Drehwinkelaufnehmers 4 wird einem Differenzierer 12 zugeführt, an dessen Ausgang eine Winkelgeschwindigkeit ω ^_m ausgegeben wird, die dem negativen Eingang eines Summationspunktes 13 zugeführt wird. Dem Summationspunkt 13 wird ein Geschwindigkeitsreferenzsignal ω_set zugeführt. Der Ausgang des Summationspunktes 13 wird einem Geschwindigkeitskontroller 14 zugeführt, an dessen Ausgang die Größe i_sqset ausgegeben wird. Diese Größe wird um die eine Ausgangsgröße des 3-2-Umformers 6, nämlich die Größe î_sq vermindert und das Ergebnis einem i_sq Kontroller zugeführt, an dessen Ausgang die Spannung u_sq abgegeben wird, die wiederum dem 2-3-Umformer 5 zugeführt wird. Vereinfacht gesagt ist die Spannung u_sq für das Moment zuständig und wird auf die Quer-Achse (q-Achse) bezogen.
Es ist erkennbar, daß der Drehwinkel θ nicht nur dem Differenzierer 12 zugeführt wird, sondern auch den beiden 2-3- und 3-2-Umformern 5, 6. Darüber hinaus wird das differenzierte Drehwinkelsignal θ, d. h. das Signal ω ^(t), einer Kontrolleinrichtung 16 zugeführt. Diese Kontrolleinrichtung 16 enthält auch die Ausgangssignale u₁, u₂, u₃ des 2-3-Umformers 5 und die Eingangssignale i₁, i₂, i₃ des 3-2-Umformers 6.
Anstelle der dargestellten feldorientierten Regelung könnte man auch eine gewöhnliche Spannungs-Frequenz-Regelung (U-F-Regelung) verwenden.
Die Leistung am Motor 1 wird mit Hilfe einer gewöhnlichen Multiplikation der auf den Wicklungen auftretenden Ströme und Spannungen ermittelt und kann somit als gemessene Leistung angesehen werden.
In bekannter Weise kann die Gleichung (1) in ein zweiachsiges statororientiertes Koordinatensystem umgerechnet werden, bei dem u_sa den Real-Teil und u_sb den imaginären Teil beschreiben:
Unter Verwendung eines Transformationswinkels ρ kann Gleichung (2) auch in ein rotorflußorientiertes Koordinatensystem transformiert werden, in dem i_sd und i_sq den realen Teil bzw. den imaginären Teil des Statorstromes beschreibt:
Diese Größen finden sich auch in der schematischen Darstellung der 1.
Die Leistung P_total(t) gibt die tatsächlich von dem Motor 1 aufgenommene Leistung wieder.
Mit Hilfe eines Motor-Modells kann man nun eine Leistung P_est(t) berechnen oder abschätzen Pest(t) = Pload(t) + Protorloss(t) + Pstatorloss(t) + Pmag.(t) (4)
Die Glieder der Gleichung (4) können auch folgendermaßen ausgedrückt werden:
Hierbei gibt die Gleichung (5) den Lastanteil, die Gleichung (6) den Rotorverlustanteil, die Gleichungen (7) und (8) den Statorverlustanteil (bezogen auf Statorsystem) und die Gleichung (9) den Magnetisierungsverlustanteil an. σ_r und σ_s geben die Läufer- bzw. Statorstreuinduktivität an. R_r und R_s beschreiben den Läufer- bzw. Statorwiderstand. L_s ist die statische Induktivität, L_h ist die statische Hauptinduktivität. Die Gleichung (9) beschreibt daher im Grunde genommen die in den Induktivitäten gespeicherte Energie.
Die Winkelgeschwindigkeit ω_m(t) in Gleichung (5) ist eine vom Differenzierer 12 laufend aktualisierte Winkelgeschwindigkeit. Das bedeutet, daß P_load = 0 ist, wenn ω_m = 0 ist.
Es sei nun angenommen, daß vom Differenzierer 12 kein Positionssignal oder Winkelgeschwindigkeitssignal kommt. Das kann entweder bedeuten, daß der Läufer völlig abgebremst ist, weil er beispielsweise blockiert ist, oder daß der Drehwinkelgeber 4 oder der Differenzierer 12 defekt ist. Um dies zu entscheiden, kann nun die Leistung P_total zum Motor gemessen werden und mit der abgeschätzten Leistung P_est verglichen werden.
Subtrahiert man die abgeschätzte Leistung P_est von der gemessenen Leistung P_total, dann entsteht ein Leistungsresidual r_l. In der Kontrolleinrichtung 16 kann man nun dieses Leistungsresidual r_l überwachen und damit eine Diagnose bezüglich des Drehwinkelaufnehmers stellen. rl(t) = Ptotal(t) – (Pload(t) + Protorloss(t) + Pstatorloss(t) + Pmag.(t)) (10)
Gleichung (11) beschreibt die Amplitude von r_l kurz nachdem das gemessene Signal ω ^_m verschwindet, d. h. auf den Wert Null fällt. Danach ändert r_l seinen Wert, weil den beiden Umformern 5, 6 und auch der Kontrolleinrichtung 16 ein falsches Drehwinkelsignal θ bzw. ein fal sches Winkelgeschwindigkeitssignal ω ^(t) zugeführt wird.
Solange aber die Kontrolleinrichtung 16 ein Leistungsresidual r_l mit dem Wert Null registriert, kann man davon ausgehen, daß der Drehwinkelaufnehmer 4, 12 richtig arbeitet.
Im anderen Fall, d. h. wenn der Drehwinkelaufnehmer 4 oder der Differenzierer 12 defekt sind oder die Signalleitung unterbrochen ist, d. h. wenn ω ^_m(t), d. h. der Signalwert gleich Null ist, der Rotor sich aber in Wirklichkeit noch dreht, wird immer noch elektrische Leistung für die Motorachse benötigt. In diesem Fall hat sich die gemessene Leistung p_total nicht geändert.
Die abgeschätzte Leistung ist jedoch um den Betrag P_load kleiner geworden, denn das abgeschätzte P_load ist proportional ω ^_m(t) und diese Größe ist jetzt Null. Es ist zu beachten, daß im vorliegenden Fall ω ^_m nur für den Lastanteil P_load verwendet wird. Dies erleichtert die Auswertung.
Bei dem betrachteten Störfall ist das Leistungsresidual r_l größer als Null. Damit kann man feststellen, daß die Winkelgeschwindigkeit und auch die Drehwinkelangabe nicht korrekt ist. Irgendeines der Teile Drehwinkelaufnahme 4, Differenzierer 12 oder Leitung sind defekt.
Die Kontrolleinrichtung 16 hat die nötigen Motorparameter z. B. L_h gespeichert und errechnet aufgrund der Statorspannungsvorgaben u_s1-3 und der Meßwerte der Statorströme i_s1-3 die Werte der erwähnten Gleichungen. Sie überwacht r_l. Sobald die Drehwinkelerfassung betriebs unfähig wird, wird am Ausgang S die entsprechende Maßnahme eingeleitet, z. B. der Wechselrichter 2 abgeschaltet.
Vorzugsweise wird man den Wechselrichter jedoch sanft herrunterfahren, d. h. der Motor wird nicht abrupt abgebremst, sondern kann gesteuert auslaufen.
Wenn der Drehwinkelaufnehmer mit seinen angeschlossenen Einheiten korrekt funktioniert, der Läufer aber stillsteht, dann steigen die absoluten Werte von P_total und P_est an, da i_sq und somit der Motorstrom wegen des blockierten Läufers ansteigt. Da aber beide Werte P_total und P_est proportional ansteigen, ist die Differenz, d. h. das Leistungsresidual r_l immer noch Null. Die Drehwinkelaufnahme bleibt funktionsfähig.
Man kann das Verfahren auch verwenden, wenn der Drehwinkelaufnehmer 4 nicht vollständig funktionsunfähig ist, sondern beispielsweise nur intermittierend funktioniert. Dies kann der Fall sein bei teilweise abgedeckten oder verschmutzten Löchern bei einem optischen Aufnehmer. Auch bei einem verfälschten ω ^_m wird das Leistungsresidual r_l von Null verschieden sein. Man kann somit eine Fehlfunktion des Drehwinkelaufnehmers anzeigen.
2 zeigt nun den Verlauf des Residuals r_l für hohe Drehzahlen, nämlich für 100 rad pro Sekunde. Man kann erkennen, daß bis zum Zeitpunkt t = 2 s das Residual r_l um den Wert Null schwankt. Eine kleine Welligkeit ist hierbei unvermeidlich. Zum Zeitpunkt t = 2 s tritt ein Fehler F auf, beispielsweise reißt die Leitung ab. Bereits nach 3/1000 sek. ist das Leistungsresidual deut lich von Null verschieden, so daß eine Fehlererfassung leicht möglich ist.
Schwieriger ist dagegen normalerweise die Erkennung eines derartigen Fehlers bei niedrigen Drehzahlen, z. B. bei 5 rad/s. Wie man anhand von 3 erkennen kann, weist das Leistungsresidual r_l aber auch hier ein deutliches Verhalten auf. Verglichen mit dem Anstieg von r_l beim Abbruch F bei 100 rad/s ist hier der Anstieg langsamer. Eine Fehlererkennung ist hier bei ebenfalls bereits nach 1/100 s oder spätestens nach 4/100 s möglich. Verglichen mit dem Stand der Technik sind diese Zeiten wesentlich kürzer.
Das Verhalten von r_l über der Zeit läßt sich auf den Transformationswinkel ρ ^ und den Momentstrom î_sq zurückführen. ρ ^ drückt den elektrischen Winkel zwischen dem Rotorfluß-orientierten und dem Statorfluß-orientierten Koordinantensystem aus und kann in bekannter Weise folgendermaßen ausgedrückt werden:
wobei tr eine Läuferzeitkonstante ist und Z_p der Anzahl der Polpaaren im Stator entspricht. Das erste Glied entspricht hier dem Schlupf des Motors und das zweite Glied der Achsendrehzahl, berechnet in elektrischen Koordinaten. Beim totalen Ausfall der Drehwinkelaufnahme wird das zweite Glied Null. Damit wird der Transformationswinkel fehlerhaft. Dies ist auch der Fall bei verschmutzten Löchern oder Masken im Drehwinkelaufnehmer 4. Das zweite Glied weicht dann vom richtigen Wert ab.
Wenn der Transformationswinkel ρ ^ in Gleichung (12) inkorrekt wird, bedeutet dies, daß die Transformationen in den Umformern 5, 6 (1) ebenfalls nicht korrekt sein werden und unter anderem einen falschen, sich stark ändernden Wert von i_sq zur Folge hat. Dies ist beispielsweise aus 4 ersichtlich, wo mit durchgezogenen Linien der "wahre" Wert von i_sq aufgetragen ist, während gestrichelt der abgeschätzte Wert î_sq aufgetragen ist. Nach 3/100 s hat i_sq eine Amplitude von fast –20 Ampere.
Neben i_sq sind auch i_mr und i_sd in allen Gliedern der Gleichungen 5 bis (9) vorhanden. Diese haben damit ebenfalls eine starke Auswirkung von r_l.
In 2 steigt r_l sehr schnell bis auf etwa 400 W an, was durch das Glied P_load bedingt ist, das sofort zu Null wird. Weiter steigt r_l bis auf 950 W an und fällt dann kontinuierlich auf einen Wert von –2000 W ab. Das entspricht etwa dem Zeitpunkt der Amplitude von –20 A in 4. Um zu verhindern, daß beim erneuten Nulldurchgang von r_l fälschlicherweise angenommen wird, nun sei alles in Ordnung, wird man unmittelbar bei Auftreten eines Fehlers dafür Sorge tragen, daß alle nachfolgenden Werte verworfen werden.
Vorzugsweise wird man eine Änderung des Leistungsresiduals r_l schon vor dem Maximum erfassen. Diese Erfassung kann entweder beim Überschreiten eines Grenzwertes erfolgen oder bei einer zu großen Steigung der r_l-Kurve.
Das Verfahren ist relativ robust bezogen auf das Verhältnis zwischen Leistungsresidual und Störungen. Es ist nur gegenüber relativ wenigen Parametern im Motormodell empfindlich (L_h, L_s, σ_s, σ_r, R_r, R_s) in den Gleichungen (5) bis (9) und im Bezug auf Sprungantworten haben Simmulationen gezeigt, daß das Leistungsresidual r_l beim Sprung von 100 rad/s auf 5 rad/s innerhalb von 1,9 s wieder auf Null eingeschwungen ist.

Claims

Verfahren zum Überwachen eines Drehwinkelaufnehmers an einer elektrischen Maschine, wobei die elektrische Leistung der Maschine gemessen und unter Verwendung des Ausgangssignals des Drehwinkelaufnehmers eine Leistung abgeschätzt wird, wobei aus der gemessenen Leistung und der abgeschätzten Leistung ein Residual gebildet und der zeitliche Verlauf des Residuals überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fehlerschwelle vorgegeben wird und der Fehler im Ausgangssignal des Drehwinkelaufnehmers angenommen wird, wenn das Residual die Fehlerschwelle überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fehler angenommen wird, wenn die Steigung des Residuals über der Zeit einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Residual nach Überschreiten der Fehlerschwelle nicht mehr verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Auftreten eines Fehlers das Ausgangssignal des Drehwinkelaufnehmers nicht mehr zur Steuerung der Maschine verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeschätzte Leistung gebildet wird durch einen Lastanteil, einen Rotorverlustanteil, einen Statorverlustanteil und einen Magnetisierungsanteil.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Drehwinkelaufnehmers nur in den Lastanteil einfließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach Auftreten eines Fehlers eine sanfte Abschaltung der Maschine vorgenommen wird.