MA – Drehmomentenvarianz zwischen den Rädern einer heckangetriebenen Twin-Achse

Simulation, Untersuchung und Kompensation der Drehmomentenvarianz zwischen den Rädern einer heckangetriebenen Twin-Achse

Kurzzusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit wurden Einflussgrößen, die sich negativ auf die Drehmomentgenauigkeit auswirken, analysiert und entsprechende Kompensationsmaßnahmen vorgeschlagen. Dazu wurde im ersten Schritt ein Fahrdynamikmodell erstellt, das den Bezug einer Drehmomentdifferenz an der elektrischen Hinterachse zur Querdynamik herstellt. Mit Wahrnehmungsschwellen aus der Literatur wurde dann eine entsprechende Grenze für die stationäre Drehmomentdifferenz zwischen den Rädern ermittelt und als Anforderung für weitere Untersuchungen genutzt. Anschließend wurde der elektrische Antriebsstrang vorgestellt und die für die Regelung und Steuerung des Drehmoments notwendigen physikalische Größen identifiziert. Anhand einer mathematischen Beschreibung der IPMSM wurden die an der Drehmomentbildung beteiligten Größen ermittelt. Es wurden dabei insbesondere die jeweiligen Flussverkettungen und rotororientierten Ströme als kritische Größen für die Stellung eines hinreichend genauen Drehmoments identifiziert. Im nächsten Schritt wurde deshalb eine Sensitivitätsanalyse für eine Variation von verschiedenen Strom- und Rotorlagefehlern mit der Auswirkung auf die Drehmomentgenauigkeit durchgeführt. So hat sich gezeigt, dass ein Verstärkungsfehler der Stromsensoren, je nach Betriebspunkt der E-Maschine, zu einer unterschiedlichen Abweichung des Drehmoments führt. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass sich ein Offsetfehler des Rotorlagesensors ebenfalls signifikant auf die Drehmomentabweichung auswirkt.
Zur Untersuchung der Auswirkung von veränderten verketteten Flüssen auf die Drehmomentgenauigkeit wurde zunächst eine Betrachtung mithilfe eines vereinfachten Reluktanznetzwerks durchgeführt. Dabei wurde die Luftspaltlänge und die Remanenzflussdichte als kritische Größe für die stationäre Drehmomentgenauigkeit ermittelt. Durch eine FEA wurde im Anschluss gezeigt, dass sich eine veränderte Luftspaltlänge und Remanenzflussdichte aufgrund von Fertigungstoleranzen negativ auf die Drehmomentgenauigkeit auswirkt.

Der nächste Teil der Arbeit beschäftigte sich mit der detaillierten Untersuchung des Rotorlage- und Stromsensors anhand von Messungen. Dazu wurden beim Rotorlagesensor zunächst die systematischen Sensorfehler diskutiert und ein Fehlermodell erstellt. Zur Kompensation dieser Fehler wurden zwei Verfahren vorgestellt. Das erste stützt sich auf die Ermittlung der Extremwerte des jeweiligen Spursignals zur Laufzeit, wodurch der Amplituden- und Offsetfehler effektiv reduziert werden kann. Das zweite Verfahren nutzt ergänzend ein tabellengestütztes Kompensationsverfahren, damit wird der Anteil des Winkelfehlers aufgrund der Harmonischen reduziert. Zur Dämpfung von zufälligen Fehlern wurde für die Ermittlung des Geschwindigkeitssignals ein digitales Filter entwickelt. Die Kompensationsmaßnahmen wurden anschließend durch verschiedene mechanische Fehlstellungen des Sensors auf Robustheit überprüft. Anhand von Simulationen hat sich gezeigt, dass der periodische Winkelfehler des Rotorlagesensors zu einer Drehmomentwelligkeit führt. Die Amplitude der Drehmomentwelligkeit und die stationäre Drehmomentabweichung aufgrund von Laufzeitfehlern kann durch die Kompensationsmaßnahmen effektiv verringert werden.
Bei den vorgestellten Kompensationsverfahren zur Verringerung der Stromsensorfehler wurde anhand der Ausgleichsrechnung eine korrigierte Übertragungsfunktion ermittelt, die aus dem Sensorausgangssignal einen Stromwert berechnet. Dazu wurden vier Methoden vorgestellt, die mit einer unterschiedlichen Anzahl von Stützstellen eine Ausgleichsgerade ermitteln. Alle Methoden reduzieren die Drehmomentabweichung über den gesamten Betriebsbereich der E-Maschine.

Die Eingangs geforderte stationäre Drehmomentgenauigkeit kann durch die Kompensationsmaßnahmen der Rotorlage- und Stromsensoren erfüllt werden. Inwieweit sich die Drehmomentwelligkeit auf das Fahrverhalten und die Geräuschentwicklung auswirkt, wurde nicht untersucht. Dazu ist eine detaillierte Betrachtung des mechanischen Antriebsstrangs mit der Steifigkeit der Komponenten notwendig. Weiterhin entstehen aufgrund von fertigungsbedingten Toleranzen der E-Maschine hohe Drehmomentabweichungen. Die Identifikation und Kompensation der Toleranzen einer individuellen E-Maschine ist daher ratsam. Dazu stellt [Ott19] verschiedene Kompensationsmethoden vor, die basierend auf einer Kurzschlussstrom- und Leerlaufspannungsmessung EOL eine Anpassung des Flusskennfelds durchführen. Durch die Adaption der Flusskennfelder in der Vorsteuerung kann die Drehmomentgenauigkeit erhöht werden.

Abstract

In the present work, influencing variables that have a negative effect on torque accuracy were analyzed and corresponding compensation measures were proposed. To this end, the first step was to create a vehicle dynamics model that relates a torque difference at the electric rear axle to lateral dynamics. Perception thresholds from the literature were then used to determine a corresponding limit for the steady-state torque difference between the wheels and used as a requirement for further investigations. The electric drivetrain was then presented and the physical quantities required for torque control and regulation were identified. Using a mathematical description of the IPMSM, the variables involved in torque formation were determined. In particular, the respective flux linkages and rotor-oriented currents were identified as critical variables for the generation of a sufficiently accurate torque. The next step was therefore to perform a sensitivity analysis was performed for a variation of different current and rotor position errors with the effect on the torque accuracy. Thus, it has been shown that a gain error of the current sensors, depending on the operating point of the electric machine, leads to a different deviation of the torque. Furthermore, it has been shown that an offset error of the rotor position sensor also has a significant effect on the torque deviation. To investigate the effect of changing chained fluxes on torque accuracy, an observation was first made using a simplified reluctance network. Here, the air gap length and the remanence flux density were determined to be the critical variables for steady-state torque accuracy. Subsequently, an FEA was used to show that a air gap length and remanence flux density due to manufacturing tolerances has a negative effect on the torque accuracy.

The next part of the work dealt with the detailed investigation of the rotor position and current sensor on the basis of measurements. For this purpose, in the case of the rotor position sensor, the systematic sensor errors were first discussed and an error model was created. Two methods were presented to compensate for these errors. The first relies on the determination of the extreme values of the respective track signal at runtime, which can effectively reduce the amplitude and offset error. The second method uses a table-basedompensation method as a supplement, thus reducing the portion of the angular error due to the harmonics. To attenuate random errors, a digital filter was developed for the determination of the velocity signal. The compensation measures were then tested for robustness by various mechanical misalignments of the sensor. Based on simulations, it has been shown that the periodic angular error of the rotor position sensor results in torque ripple. The amplitude of torque ripple and the steady-state torque deviation due to transit time error can be effectively reduced by the compensation measures. In the presented compensation methods for reducing the current sensor errors, a corrected transfer function was determined based on the compensation calculation, which calculates a current value from the sensor output signal. For this purpose, four methods were presented, which determine a compensation line with a different number of interpolation points. All methods reduce the torque deviation over the entire operating range of the electric machine.

The steady-state torque accuracy required at the input can be satisfied by the compensation measures of the rotor position and current sensors. The extent to which torque ripple affects driving behavior and noise generation was not investigated. This requires a detailed examination of the mechanical drive rain with the stiffness of the components. Furthermore, high torque deviations occur due to anufacturing-related tolerances of the e-machine. The identification and compensation of the tolerances of an individual e-machine is therefore advisable. For this purpose, [Ott19] presents different compensation methods, which perform an adaptation of the flux map based on a short-circuit current and open-circuit voltage measurement EOL. By adapting the flux maps in the feedforward control, the torque accuracy can be increased.

Bearbeiter: Marvin Schlachter

Betreuer: Dr. Maximilian Hofmann (Fraunhofer IISB) – Telefon: 09131-761385; Email: Maximilian.Hofmann@iisb.fraunhofer.de;
Matthias Kreß (Schaeffler)

Für Studienfächer: EEI, Mechatronik, Energietechnik

Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März