CN108334119A

CN108334119A - 用于调节电机的转速的方法

Info

Publication number: CN108334119A
Application number: CN201810048623.4A
Authority: CN
Inventors: G.布蒂斯; O.德米尔; P.阿尔特曼; T.阿尔盖尔
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-01-19
Filing date: 2018-01-18
Publication date: 2018-07-27
Also published as: DE102017200839A1

Abstract

本发明涉及一种用于调节电机（20）的转速的方法，在所述方法中使用调节器和动态的预控制器，其中，将控制过程的动态逆模型存储在所述预控制器中，其中，将额定转速和实际转速输入到调节器中，并且，将所述额定转速以及所述额定转速的导数输入到所述预控制器中，从而求得预控制分量和调节器分量，所述预控制分量和调节器分量一起进入到所述控制过程中。

Description

用于调节电机的转速的方法

技术领域

本发明涉及一种用于调节电机的转速的方法以及一种用于执行所述方法的组件。

背景技术

电机是能量转换器，所述能量转换器作为发电机将动能转换成电能，并且，作为电动机将电能转换成动能。所有的电机都具有电回路，所述电回路对于功能来说是至关重要的。

在机动车中，电动机例如作为用于机动车本身的、然而也用于其他的任务的驱动器（例如，作为另外的部件的驱动器）得到使用。这样，就增压的内燃机而言，具有升高的压力的空气被供应到发动机以提高效率。然而，在下部的负载范围中，废气量不足以使废气涡轮增压器的涡轮机或者压缩机置于高的转速。这意味着，压缩机不能够足够高地压缩空气，这导致已知的涡轮孔（Turboloch）。

在这里，附加压缩机进行补救，所述附加压缩机例如能够由电机驱动。压缩机能够被设计为流体机械或者容积式机械。后者由于较大的摩擦能够在调节时引发问题。

从文献DE 101 24 543 A1中已知一种用于控制电动的增压器的方法和设备，所述增压器与废气涡轮增压器协同作用，以压缩供应到内燃机的空气。操控信号用于操控所述增压器，所述操控信号根据预先给定的值而形成，所述值用于电增压器的压缩机压力比。以这种方式可能的是，避免在增压压力提供中的不连续性并且因而避免在内燃机的转矩中的不连续性。

发明内容

在这个背景下，介绍了根据权利要求1的方法以及根据权利要求8的组件。由从属权利要求和说明书中得出实施方式。

所介绍的方法被用于，将电动机的转速动态地调节到所期望的额定值。在此，动态并且精确地（也就是说，无过冲地）达到最终转速。应当注意的是，对调节的要求非常高，使得必要时典型的调节器结构（例如，PID-调节器）是不够的。

为了满足对调整的动态的、高的要求，所介绍的方法使用预控制器，所述预控制器具有控制过程（Regelstrecke）的逆模型。在此，所述模型在方案中基于微分平坦系统（differenziell flachen Systems）的理论。

系统是平坦的，当它具有虚拟的输出时，所述输出与系统输入具有相同的维度，并且，所述输出连同其有限数目的时间导数共同描述所述系统的、所有动态的特性。系统的平坦度能够在以下等式的帮助下来检验：

线性的或者非线性的系统被考虑，所述系统具有状态量x∈Rⁿ和输入量u∈R^m。系统具有平坦度特性，当存在输出量y∈R^m时，所述输出量满足以下等式：

其中，f1和f2描述任意的函数，并且，d^py描述y的第p阶时间导数。

就线性的系统而言，这个特性与系统的能够控制性是同义的。应当注意的是，系统能够具有多个平坦的输出。通常，所有机械的系统（包括非线性的系统）都具有这个系统特性。

在平坦的输出的帮助下，“基于模型的”控制器能够借助前述的等式进行设计。为此，平坦的输出y及其时间导数由额定轨迹y_d替代，所述额定轨迹也能够被p次微分。等式（a和b）能够被用于计算用于系统状态的轨迹以及所需的输入量，以实现所述轨迹。

在此，下置的（unterlagerte）力矩结构是控制过程的部分。模型的不准确性和干扰由附加的调节器调整。典型地，用于转速调节的控制量是在电机处的额定力矩，所述额定力矩被下置地调整或者调节。替代地，待调整的量也能够直接被使用在下置的力矩调节回路中。就PM-同步电机（PM：永磁体）而言，这例如是额定电流。

因此，实现了，调节器仅在例外情况下必须进行干预。这是有利的，因为如有必要强烈的调节器干预会引起过冲和其他的、不利的效果。

这里所考虑的系统是动态的系统，也就是说，它能够借助微分方程来描述。因此，系统的、当前的行为取决于现在和过去。

当系统的输入/输出行为在运行期间剧烈变化时，则过程模型（Streckenmodell）也应当相应地被适配。由于就电机而言摩擦力矩在使用寿命中然而也通过环境条件剧烈地变化，调节器行为能够通过适配得到改善。为此能够使用递归的参数估计器（例如，RLS-算法），所述参数估计器在运行期间如有必要在线地通过与测量的平衡（Abgleich）使模型参数适当地适配。因此，真实的过程的输入/输出行为被模拟，并且，在所述行为中的、可能的变化被仿照学习（nachlernen）。为了避免所述适配在难以识别或者无效的状态下发生，取决于状况的激活是必要的。

转速调节器基于现有的力矩调节，其中，能够使用所谓的级联调节器结构（Kaskadenreglerstruktur）。因此，所述方法不仅能够被用于PM-同步电机，也能够被用于具有下置的力矩结构的每个转速调节。

本发明的、其他的优点和方案由说明书和附上的附图得出。

应当理解，前面提到的以及下面待阐述的特征不仅能够以分别给出的组合的形式，也能够以其他的组合的形式或者单独地被使用，而不脱离本发明的框架。

附图说明

图1在示意图中示出具有用于执行所述方法的组件的机动车。

图2在框图中示出用于执行所描述的方法的组件的实施方式。

具体实施方式

参照在附图中的实施方式，示意性地示出了本发明，并且，下面参考附图详细地描述了本发明。

图1在示意图中非常简化地示出了具有内燃机12的机动车10，废气涡轮增压器14配属于所述内燃机，压缩机16又被设置在所述废气涡轮增压器中。为了辅助压缩机16和/或废气涡轮增压器14，提供了附加压缩机18，所述附加压缩机由电机20（在这种情况下，由电动机）驱动。这个电机（Elektrotor）的转速被调节，为此，组件22被设置用于调节、尤其是被设置用于执行在这里所介绍的方法。

图2示出用于执行所描述的方法的组件，所述组件整体上以附图标记50表示。组件50包括预控制器52、调节器54和参数估计器56，逆模型53被存储在所述预控制器中。此外，视图示出用于电机的力矩行为的过程60以及用于电机的转速行为的过程62。

输入到预控制器52中的输入量除其他外是额定转速70以及额定转速70的导数72。输出量是预控制分量74。输入到调节器54中的输入量除其他外是额定转速70以及实际转速76。输出量是调节器分量78。这个调节器分量78连同预控制分量74形成用于力矩行为的过程60的输入量80，在此，两个分量的输出相加，两个信号共同形成额定力矩。过程60的输出量是控制量82，所述控制量进入到参数估计器56和用于转速行为的过程62中。这个过程62的输出量是额定转速76。

控制过程60和62的模型如下：

以普遍的形式，用于转速调节62的过程能够如下地被描述：

其中，w描述转速，J描述惯性力矩，M描述PM-同步电机的力矩，并且，M_v描述损失力矩，所述损失力矩取决于各种量、然而基本上取决于转速w和温度T。当损耗以粘性的摩擦系数k_v并且以恒定的（库仑）摩擦系数k_off被近似时，则得到以下等式：

当人们将等式（2）代入等式（1）中时，通过以下方式得出转速行为的、示例性的近似：

由于力矩M通常不能够直接被调节，而是也经受延迟，所以这种延迟也必须被考虑到。下面，在实际力矩和额定力矩之间的这种延迟例如利用第一阶的延迟单元

被描述，所述延迟单元具有时间常数τ和静态的增益K。就正确设计的力矩调节而言，静态的增益K为1。传递函数的阶数（Ordnung）允许任意地选择，由此，整个系统的阶数自然也发生变化。但是，所介绍的、用于调节的策略总是能够得到应用。

预控制器的设计基于微分平坦系统的理论，其中，转速w是平坦的输出。为此，等式（3）对时间求导，并且，用于和的方程也根据M和被求解。当这些等式被代入等式（4）中时，得到在额定力矩M_soll和角速度w以及其第一和第二时间导数之间的关联：

当存在用于转速变化过程的、能够两次微分的额定轨迹时，借助等式（5）能够以下述方式计算出在预控制器中的、所需的额定力矩u_v：

这意味着，应当为所期望的转速变化过程预先给定能够三重连续微分的轨迹。这个特性能够例如通过使用状态变量过滤器来确保，所述状态变量过滤器用于计算额定转速以及配属的导数。

用于预控制的摩擦力矩的估计如此进行：

在等式（1）中说明在无损耗或者理想的力矩和速度变化之间的关系。就永久激励的同步电机而言，理想的加速力矩取决于电流和马达参数，并且，能够通过以下方式在D/Q-坐标中被说明：

其中，N_p描述同步电机的极对数，Psi描述链接的磁通，L_d描述在D-坐标（直轴）中的马达电感，L_q描述在Q-坐标（正交轴）中的马达电感，并且，I_d和I_q描述在D-坐标和Q-坐标中的、所测量的电流。重要的是，应当知道，马达参数的测量误差以及不准确性也作为损耗力矩出现并且在预控制器中以这种方式得到补偿。

利用线性的摩擦模型（在等式（2）中给出），等式（1）能够通过以下方式来说明：

如果惯性力矩j是已知的并且不应当被估计，则它能够由参数向量消除并且得出以下等式：

即使惯性力矩应当被估计并且因此使用等式（8），以适当的方式来计算第一时间导数也是重要的，因为角加速度通常是不可用的。当再次进行过滤时，则应当利用相同的过滤器来过滤所有的输入信号和输出信号，以便避免相位偏移。

在两种情况下，最小平方误差（Fehlerquadrate）法能够被用于确定未知的参数。为此，等式（8）或者（9）首先被置于矩阵-形式中，通过等式在不同的时刻相互被书写的方式，如下面对于一般情况来说所示出的：

在这里，n描述测量的次数，因为m描述未知的参数的数目（对于等式（8）来说，m为3，并且，对于等式（9）来说，m为4）。

借助伪逆（Pseudoinverse），能够通过以下方式解出等式：

理论上来说，当测量的次数大于或者等于未知参数的数目时，就足以求解。然而，为了所述估计具有良好的品质并且因此没有数值问题出现，测量的次数基本上应当高于未知参数的数目，并且，不同单元（Zeilen）的、线性的独立性应当被确保。

特别是当摩擦参数示出强的时间相关性和/或工作点相关性时，以递归的方式求解等式是适宜的。在文献中，为此提供了可能的方法，一种可能的实施可能性被如下说明：

在这里，λ描述遗忘因子（Vergessensfaktor），并且，P描述协方差矩阵。较新的测量能够通过遗忘因子在等式中被较高地优先化。协方差矩阵的初始-值描述了起始值的、假定的品质。

为了补偿建模误差以及为了抑制干扰量，被设计的预控制在等式（6）中还补充有附加的调节器分量，例如，以这种形式：

它以k3=0对应PID-调节器。如果控制量限制是重要的，则用于集成分量的抗-饱和-机制（Anti-Windup-Mechanismus）能够被使用在控制器中。

在预控制器中的过程的、基于模型的逆转（Invertierung）能够由在转速调节中的操控信号重新构建，并且，因而被证明。预控制器导致操控信号的、特征的成型，所述成型仅通过调节、尤其是PID-调节器的调节是不存在的。

一般而言，所介绍的方法能够被使用在具有下置的力矩结构的转速调节中。这意味着，调节器能够被设计成级联结构。

此外，就具有下置的电流调节器的转速调节器而言，所述方法能够被用于电的附加涡轮增压器。另外的应用领域是调节到零转速的速度调节，当电动机应当尽可能快地被置于被动的模式中时。

Claims

1.用于调节电机（20）的转速的方法，在所述方法中使用调节器（54）和动态的预控制器（52），其中，将控制过程（60、62）的动态逆模型（53）存储在所述预控制器（52）中，其中，将额定转速（70）和实际转速（76）输入到调节器（54）中，并且，将所述额定转速（70）和所述额定转速（70）的导数（72）输入到所述预控制器（52）中，从而获取预控制分量（74）和调节器分量（78），所述预控制分量和调节器分量一起进入到所述控制过程（60、62）中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制过程（60、62）的所述逆模型（53）基于微分平坦模型的理论。

3.根据权利要求1或者2所述的方法，其中，存储在所述预控制器（52）中的、所述控制过程（60、62）的所述模型（53）是时变模型。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，利用参数估计器（56）来确定所述时变模型的参数。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述控制过程（60、62）包括用于力矩行为的过程（60）和用于转速行为的过程（62）。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述电机（20）设置用于驱动附加压缩机（18）。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，在所述调节器（54）中使用级联调节器结构。

8.用于调节电机（20）的转速的组件，所述组件尤其被设置用于执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法。

9.根据权利要求8所述的组件，其中，所述控制过程（60、62）的动态逆模型（53）被存储在所述预控制器（52）中。