DE102017007427A1 - Controlling an inverter connected to a three-phase permanent magnet electric machine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines an eine dreiphasige permanenterregte elektrische Maschine (10) angeschlossenen Wechselrichters (12), bei dem die elektrische Maschine (10) nach Art einer Vektorreglung mit elektrischer Energie beaufschlagt wird, zu welchem Zweck ein von der elektrischen Maschine (10) bereitzustellendes Drehmoment (14, 16) vorgegeben wird, bezüglich des bereitzustellenden Drehmoments (14, 16) ein erster d-Vektor und ein zugeordneter erster q-Vektor ermittelt werden und abhängig vom ersten d-Vektor und vom ersten q-Vektor Phasenströme (30, 32, 34) der elektrischen Maschine (10) eingestellt werden, wobei für das bereitzustellende Drehmoment (16) wenigstens ein zweiter d-Vektor und ein zugeordneter zweiter q-Vektor ermittelt werden, und die Phasenströme (30, 32, 34) wechselweise gemäß dem ersten d-Vektor und dem zugeordneten ersten q-Vektor oder gemäß dem wenigstens einen zweiten d-Vektor und dem zugeordneten zweiten q-Vektor eingestellt werden.The invention relates to a method for controlling an inverter (12) connected to a three-phase permanent-magnet electric machine (10), in which the electric machine (10) is acted upon in the manner of a vector control by electrical energy, for which purpose one of the electrical machine (12) 10) is provided with respect to the torque to be provided (14, 16), a first d-vector and an associated first q-vector are determined and depending on the first d-vector and the first q-vector phase currents ( 30, 32, 34) of the electric machine (10) are set, wherein for the torque to be provided (16) at least a second d-vector and an associated second q-vector are determined, and the phase currents (30, 32, 34) alternately in accordance with the first d-vector and the associated first q-vector or according to the at least one second d-vector and the associated second q-vector n.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines an eine dreiphasige permanenterregte elektrische Maschine angeschlossenen Wechselrichters, bei dem die elektrische Maschine nach Art einer Vektorregelung mit elektrischer Energie beaufschlagt wird, zu welchem Zweck ein von der elektrischen Maschine bereitzustellendes Drehmoment vorgegeben wird, bezüglich des bereitzustellenden Drehmoments ein erster d-Vektor und ein zugeordneter erster q-Vektor ermittelt werden und abhängig vom ersten d-Vektor und vom ersten q-Vektor Phasenströme der elektrischen Maschine eingestellt werden. Die Erfindung betrifft ferner eine Steuereinrichtung zum Steuern eines an eine dreiphasige permanenterregte elektrische Maschine angeschlossenen Wechselrichters, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, die elektrische Maschine nach Art einer Vektorregelung mit elektrischer Energie zu beaufschlagen, zu welchem Zweck die Steuereinrichtung bezüglich eines von der elektrischen Maschine bereitzustellenden Drehmoments einen ersten d-Vektor und einen zugeordneten ersten q-Vektor ermittelt und abhängig vom ersten d-Vektor und vom ersten q-Vektor Phasenströme der elektrischen Maschine einstellt.The invention relates to a method for controlling an inverter connected to a three-phase permanently excited electrical machine, in which the electric machine is subjected to electrical control in the manner of a vector control, for which purpose a torque to be provided by the electric machine is specified with respect to the torque to be provided first d-vector and an associated first q-vector are determined and dependent on the first d-vector and the first q-vector phase currents of the electric machine can be adjusted. The invention further relates to a control device for controlling an inverter connected to a three-phase permanently excited electric machine, wherein the control device is designed to apply electrical energy to the electric machine in the manner of a vector control, for which purpose the control device makes reference to a torque to be provided by the electric machine determines a first d-vector and an associated first q-vector and adjusts phase currents of the electrical machine depending on the first d-vector and the first q-vector.
Wechselrichter, die an dreiphasige permanenterregte elektrische Maschinen angeschlossen sind, sowie auch Steuerungsverfahren für derartige Wechselrichter sind im Stand der Technik umfänglich bekannt. Eine dreiphasige permanenterregte elektrische Maschine der gattungsgemäßen Art dient in der Regel zur Realisierung einer Synchronmaschine. Die dreiphasige permanenterregte elektrische Maschine weist in der Regel einen Läufer auf, der in Umfangsrichtung mit Permanentmagneten bestückt ist, wobei die Polaritäten der Permanentmagnete in Bezug auf das durch die Permanentmagnete bereitgestellte Magnetfeld in Umfangsrichtung mit jedem Permanentmagneten alterniert. Die Permanentmagnete sind in der Regel an einem äußeren Umfang des Läufers angeordnet. Sie können darüber hinaus auch in eine äußere Oberfläche des Läufers versenkt angeordnet sein, was im Stand der Technik auch als vergrabene Permanentmagnete bezeichnet wird.Inverters connected to three-phase permanent magnet electrical machines as well as control methods for such inverters are well known in the art. A three-phase permanent-magnet electric machine of the generic type generally serves to realize a synchronous machine. The three-phase permanent magnet electric machine usually has a rotor which is fitted in the circumferential direction with permanent magnets, wherein the polarities of the permanent magnets with respect to the magnetic field provided by the permanent magnets in the circumferential direction with each permanent magnet alternates. The permanent magnets are usually arranged on an outer circumference of the rotor. In addition, they can also be sunk into an outer surface of the rotor, which in the prior art is also referred to as buried permanent magnets.
Der Läufer ist in einer in der Regel zylindrischen Öffnung eines Ständers der elektrischen Maschine drehbar gelagert angeordnet. Der Ständer weist ständerseitige Wicklungen zur Bereitstellung eines ständerseitigen Magnetfeldes auf. Bei einer dreiphasigen elektrischen Maschine sind zumindest drei Wicklungen vorgesehen, die mit elektrischen Wechselströmen beaufschlagt werden können. Die entsprechenden elektrischen Wechselströme, auch Phasenströme genannt, sind üblicherweise gegenüber einander phasenverschoben, beispielsweise um 120°. Dadurch kann ständerseitig ein rotierendes Drehfeld erzeugt werden, welches mit dem Magnetfeld des Läufers verkettet ist und im motorischen Betrieb eine Rotation des Läufers beziehungsweise das Drehmoment bereitstellt.The rotor is rotatably mounted in a generally cylindrical opening of a stator of the electric machine. The stator has stator-side windings for providing a stator-side magnetic field. In a three-phase electric machine at least three windings are provided, which can be acted upon by alternating electrical currents. The corresponding alternating electrical currents, also called phase currents, are usually out of phase with each other, for example by 120 °. As a result, a rotating rotating field can be generated on the stator side, which is linked to the magnetic field of the rotor and, during motor operation, provides rotation of the rotor or torque.
Damit die Phasenströme durch den Wechselrichter in vorgebbarer Weise bereitgestellt werden können, ist die Steuereinrichtung vorgesehen, die vom Wechselrichter umfasst sein kann. Sie kann aber auch als separate Baugruppe vorgesehen sein und an den Wechselrichter angeschlossen sein. Um die Phasenströme bereitstellen zu können, umfasst der Wechselrichter einen Gleichspannungszwischenkreis, an dem phasenweise Reihenschaltungen aus jeweils zwei in Reihe geschalteten Schaltelementen angeschlossen sind. An Mittelanschlüssen der Reihenschaltungen werden die entsprechenden Phasenströme bereitgestellt. Mittels der Steuereinrichtung werden die Schaltelemente in geeigneter Weise gesteuert, sodass sich die Phasenströme wie gewünscht einstellen können.So that the phase currents can be provided by the inverter in a predeterminable manner, the control device is provided, which may be comprised by the inverter. But it can also be provided as a separate module and connected to the inverter. In order to be able to provide the phase currents, the inverter comprises a DC voltage intermediate circuit, to which phased series circuits each consisting of two series-connected switching elements are connected. At the center terminals of the series circuits, the corresponding phase currents are provided. By means of the control device, the switching elements are controlled in a suitable manner, so that the phase currents can be set as desired.
Eine Vektorregelung, die zum Steuern der vorgenannten Anordnung dient, offenbart zum Beispiel die
Dem Grunde nach hat sich der Einsatz der Vektorregelung, auch feldorientierte Regelung genannt, bewährt. Derartige Verfahren und Steuereinrichtungen kommen insbesondere auch bei elektrischen Antriebssystemen, wie sie sich zum Beispiel bei Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen oder dergleichen finden, zum Einsatz. Dabei wird bei Kraftfahrzeugen größtenteils die dreiphasige permanenterregte elektrische Maschine beziehungsweise Synchronmaschine insbesondere mit vergrabenen Permanentmagneten (englisch: Interieur Permanent Magnet Synchronous Machine (IPMSM)) eingesetzt.Basically, the use of vector control, also called field-oriented control, has proven itself. Such methods and control devices are used in particular also in electric drive systems, as they are found, for example, in electric vehicles, hybrid vehicles or the like. In the case of motor vehicles, the three-phase permanent-magnet electric machine or synchronous machine, in particular with buried permanent magnets (English: Interior Permanent Magnet Synchronous Machine (IPMSM)), is used for the most part.
Ein von der elektrischen Maschine bereitzustellendes Drehmoment beziehungsweise gefordertes Soll-Drehmoment kann entsprechend der folgenden Gleichung (1) ermittelt werden. Dabei zeigt sich, dass ein Wert für das bereitzustellende Drehmoment durch eine große Vielzahl an Kombinationen von ersten d-Vektoren mit zugeordneten ersten q-Vektoren erreicht werden kann.
Im praktischen Betrieb zeigt sich, dass insbesondere bei kleinen Drehzahlen der elektrischen Maschine, vorzugsweise beim Bereitstellen eines Drehmoments mit einer Drehzahl in einem Bereich von nahezu null oder bei null eine ungleichmäßige Beanspruchung der Schaltelemente des Wechselrichters die Folge sein kann. Da die jeweiligen Phasenströme vom ersten d-Vektor und dem zugeordneten ersten q-Vektor unmittelbar abhängig sind, ergeben sich hierdurch auch die zugeordneten Belastungen für die Schaltelemente des Wechselrichters. Insbesondere bei der Drehzahl null der elektrischen Maschine kann es somit vorkommen, dass die Stromführung für einen großen Zeitraum lediglich von einigen der Schaltelemente des Wechselrichters zu übernehmen ist, wohingegen andere Schaltelemente des Wechselrichters kaum oder überhaupt nicht mit elektrischem Strom beaufschlagt werden. Dies kann eine ungleichmäßige Beanspruchung des Wechselrichters, insbesondere seiner Schaltelemente, zur Folge haben. Hierdurch können in unerwünschter Weise Leistungsgrenzen des Wechselrichters, beispielsweise aufgrund einer thermischen Belastungsgrenze oder dergleichen, erreicht werden oder auch die Zuverlässigkeit des Wechselrichters beziehungsweise seiner Schaltelemente begrenzt werden. In practical operation shows that especially at low speeds of the electric machine, preferably when providing a torque at a speed in a range of almost zero or at zero uneven stress on the switching elements of the inverter can be the result. Since the respective phase currents are directly dependent on the first d-vector and the associated first q-vector, this also results in the associated loads for the switching elements of the inverter. In particular, at the speed zero of the electric machine, it may thus happen that the power supply for a long period of time is to be taken over only by some of the switching elements of the inverter, whereas other switching elements of the inverter are hardly or not at all supplied with electric current. This can result in uneven loading of the inverter, in particular its switching elements. As a result, power limitations of the inverter, for example, due to a thermal load limit or the like can be achieved in an undesirable manner or the reliability of the inverter or its switching elements are limited.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schaltelemente des Wechselrichters gleichmäßiger zu beanspruchen.The invention is based, to claim the switching elements of the inverter uniformly the task.
Als Lösung werden mit der Erfindung ein Verfahren sowie eine Steuereinrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.As a solution, the invention proposes a method and a control device according to the independent claims.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.Advantageous developments will become apparent from the features of the dependent claims.
Verfahrensseitig wird für ein gattungsgemäßes Verfahren insbesondere vorgeschlagen, dass für das bereitzustellende Drehmoment wenigstens ein zweiter d-Vektor und ein zugeordneter zweiter q-Vektor ermittelt werden, und die Phasenströme wechselweise gemäß dem ersten d-Vektor und dem zugeordneten ersten q-Vektor oder gemäß dem wenigstens einen zweiten d-Vektor und dem zugeordneten zweiten q-Vektor eingestellt werden.In terms of the method, it is proposed in particular for a generic method that at least a second d-vector and an associated second q-vector be determined for the torque to be provided, and the phase currents alternately according to the first d-vector and the associated first q-vector or according to FIG at least a second d-vector and the associated second q-vector are set.
Bezüglich einer gattungsgemäßen Steuereinrichtung wird insbesondere vorgeschlagen, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, für das bereitzustellende Drehmoment wenigstens einen zweiten d-Vektor und einen zugeordneten zweiten q-Vektor zu ermitteln, und die Phasenströme wechselweise gemäß dem ersten d-Vektor und dem zugeordneten ersten q-Vektor oder dem wenigstens einen zweiten d-Vektor und dem zugeordneten zweiten q-Vektor einzustellen.With regard to a generic control device, it is proposed, in particular, that the control device is designed to determine at least one second d-vector and an associated second q-vector for the torque to be provided, and the phase currents alternately according to the first d-vector and the associated first q-vector. Vector or the at least one second d-vector and the associated second q-vector set.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit Antriebseinrichtung, die eine dreiphasige permanenterregte elektrische Maschine sowie einen Wechselrichter aufweist, der an die elektrische Maschine angeschlossen ist und mittels einer Steuereinrichtung gemäß der Erfindung gesteuert wird.In addition, the invention also relates to a motor vehicle with drive means comprising a three-phase permanent magnet electric machine and an inverter which is connected to the electric machine and is controlled by means of a control device according to the invention.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass für ein durch die elektrische Maschine bereitzustellendes Drehmoment eine Mehrzahl, insbesondere eine nahezu unendliche Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten von d-Vektoren und zugeordneten q-Vektoren zur Verfügung stehen kann, um das gewünschte bereitzustellende Drehmoment mittels der elektrischen Maschine zu realisieren. Da jedem Vektorpaar aus dem jeweiligen d-Vektor und dem zugeordneten q-Vektor die Phasenströme entsprechend zugeordnet werden können, sind die Phasenströme von dem jeweiligen ausgewählten Wertepaar des d-Vektors und des zugeordneten q-Vektors abhängig. Durch das wechselweise Schalten zwischen den Wertepaaren von d-Vektoren mit zugeordneten q-Vektoren können somit auch die Phasenströme beeinflusst werden, sodass auch die Strombeaufschlagung der Schaltelemente des Wechselrichters entsprechend variiert. Auswirkungen auf das Drehmoment können dagegen weitgehend vermieden werden. Dadurch ist es möglich, die ansonsten ungleichmäßige Strombelastung der Schaltelemente zu vermeiden oder zu reduzieren, sondern diese auf möglichst viele Schaltelemente, vorzugsweise alle Schaltelemente des Wechselrichters zu verteilen. Dadurch kann nicht nur eine gleichmäßigere thermische Belastung des Wechselrichters insgesamt erreicht werden, sondern es können darüber hinaus auch vorzeitige Alterungen einzelner Schaltelemente aufgrund von einer hohen Strombeaufschlagung reduziert werden. Insgesamt ergibt sich eine verbesserte Zuverlässigkeit des Wechselrichters sowie auch des Antriebssystems und des mit dem Antriebssystem ausgerüsteten Kraftfahrzeugs.The invention is based on the idea that, for a torque to be provided by the electric machine, a plurality, in particular an almost infinite, multiplicity of possible combinations of d vectors and associated q vectors can be available in order to obtain the desired torque to be provided by means of the electric machine realize. Since the phase currents can be correspondingly assigned to each vector pair from the respective d-vector and the associated q-vector, the phase currents are dependent on the respective selected value pair of the d-vector and the associated q-vector. By alternately switching between the value pairs of d vectors with associated q vectors thus the phase currents can be influenced, so that the current applied to the switching elements of the inverter varies accordingly. In contrast, effects on the torque can be largely avoided. This makes it possible to avoid or reduce the otherwise uneven current load on the switching elements, but to distribute them to as many switching elements, preferably all switching elements of the inverter. This not only a more uniform thermal load of the inverter can be achieved in total, but it can also be reduced premature aging of individual switching elements due to a high current load. Overall, there is an improved reliability of the inverter as well as the drive system and equipped with the drive system motor vehicle.
Der d-Vektor und der zugeordnete q-Vektor können jeweils einem jeweiligen entsprechenden Strom zugeordnet werden, weshalb dies auch als d-Strom und zugeordneter q-Strom bezeichnet wird.The d-vector and the associated q-vector can each be assigned to a respective corresponding current, which is why this is also referred to as d-current and associated q-current.
Die Erfindung basiert also auf dem Gedanken, neben dem ersten Wertepaar aus dem ersten d-Vektor und dem zugeordneten ersten q-Vektor wenigstens ein zweites Wertepaar aus dem zweiten d-Vektor und dem zugeordneten zweiten q-Vektor bereitzustellen, zwischen denen wechselweise umgeschaltet werden kann. Natürlich können auch weitere Wertepaare ergänzend vorgesehen sein, sodass eine Umschaltung zwischen einer Mehrzahl von Wertepaaren möglich ist. Dabei wird mit jedem der vorgegebenen Wertepaare gewährleistet, dass die elektrische Maschine das bereitzustellende Drehmoment auch tatsächlich zu realisieren vermag.The invention is therefore based on the idea of providing, in addition to the first value pair from the first d-vector and the associated first q-vector, at least one second value pair from the second d-vector and the associated second q-vector, between which it is possible to switch alternately , Of course, further value pairs can be provided in addition, so that a switch between a plurality of value pairs is possible. It is ensured with each of the predetermined value pairs, that the electric machine is able to actually realize the torque to be provided.
Auch wenn die Erfindung sich zunächst an eine dreiphasige permanenterregte elektrische Maschine richtet, kann natürlich vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine ein Vielfaches von drei Phasen aufweist, so zum Beispiel eine sechsphasige permanenterregte elektrische Maschine, eine neunphasige elektrische permanenterregte Maschine oder dergleichen. Mit der Zunahme der Anzahl der Phasen steigt natürlich auch der Aufwand bezüglich des Wechselrichters und der Vektorregelung. Der Fachmann wird dies entsprechend anpassen.Although the invention is initially directed to a three-phase permanent magnet electric machine, it can of course be provided that the electrical machine has a multiple of three phases, such as a six-phase permanent magnet electric machine, a nine-phase permanent magnet electric machine or the like. Of course, with the increase in the number of phases also increases the cost of the inverter and the vector control. The person skilled in the art will adapt this accordingly.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten natürlich gleichermaßen auch für die erfindungsgemäße Steuereinrichtung sowie das mit der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung ausgerüstete Kraftfahrzeug und umgekehrt. Entsprechend können für Verfahrensmerkmale auch Vorrichtungsmerkmale und umgekehrt formuliert sein.The advantages and effects stated for the method according to the invention naturally also apply equally to the control device according to the invention and to the motor vehicle equipped with the control device according to the invention and vice versa. Accordingly, device characteristics and vice versa can be formulated for process characteristics.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and from the drawings. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.
Dabei zeigen:Showing:
In den Fig. bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.In the figures, like reference numerals designate like features and functions.
In
Zum Bereitstellen von kleineren Drehmomenten als das maximale Drehmoment
Indem nun zwischen ausgewählten Wertepaaren aus einem jeweiligen d-Strom mit einem jeweiligen zugeordneten q-Strom geschaltet wird, kann somit trotz unterschiedlicher Phasenströme
In einer der
Durch das Verfahren der Erfindung sowie die entsprechend ausgerüstete Steuereinrichtung kann unter anderem eine thermische Beanspruchung der Schaltelemente
Damit eine gute Wirkung der Erfindung erreicht werden kann, sollte ein jeweiliges Einstellen der Phasenströme
Es kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass das Verfahren erst bei Unterschreiten einer vorgegebenen Drehzahl ausgeführt wird, so zum Beispiel bei einer Drehzahl von weniger als 100 Umdrehungen pro Minute, vorzugsweise weniger als 5 Umdrehungen pro Minute.It can also be provided that the method is performed only when falling below a predetermined speed, for example at a speed of less than 100 revolutions per minute, preferably less than 5 revolutions per minute.
Die Erfindung kann aber auch vorsehen, dass ein Einstellbereich für den d-Vektor und den zugeordneten q-Vektor bestimmt wird und der Einstellbereich kontinuierlich durchfahren wird. In diesem Fall ändern sich natürlich auch die Phasenströme
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Synchronmaschinesynchronous machine
- 1212
- Wechselrichterinverter
- 1414
- maximales Drehmomentmaximum torque
- 1616
- bereitzustellendes Drehmomenttorque to be provided
- 1818
- Vektorvector
- 2020
- Vektorvector
- 2222
- Vektorvector
- 2424
- Vektorvector
- 2626
- Kreiscircle
- 2828
- Ellipseellipse
- 3030
- Phasenstromphase current
- 3232
- Phasenstromphase current
- 3434
- Phasenstromphase current
- 36 36
- Wertebereichvalue range
- 3838
- Schaltelementswitching element
- 4040
- Betriebspunktoperating point
- 4242
- Winkelbereichangle range
- Id I d
- d-Stromd flow
- Iq I q
- q-Stromq-current
- Imax I max
- maximaler Strommaximum current
- Umax U max
- Maximale SpannungMaximum tension
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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