CN113711489A - 用于运行电机的方法、装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于运行尤其机动车的电机（1）的方法，电机具有定子（4）和转子（2），其中定子（4）具有带有至少三个相（U、V、W）的定子绕组（5），并且其中转子（2）布置/能够布置在转子轴（3）上，其中根据对电机（1）建模的时间不变的微分方程求取用于定子绕组（5）的、用来产生所要求的转矩和/或所要求的转数的目标电流值（I Soll,fl ），其中将目标电流值（I Soll,fl ）与定子绕组（5）的、和流过相（U、V、W）的相电流（I U 、I V 、I W ）相对应的实际电流值（I Ist,fl ）比较，并且其中根据比较来给相（U、V、W）通电，使得减小实际电流值（I Ist,fl ）与目标电流值（I Soll,fl ）的偏差。规定了，根据周期性的线性的微分方程借助于弗洛凯变换来求取时间不变的微分方程。

Description

用于运行电机的方法、装置
技术领域
本发明涉及一种用于运行尤其是机动车的电机的方法，所述电机具有定子和转子，其中，所述定子具有带有至少三个相的定子绕组，并且其中，所述转子布置/能够布置在转子轴上，其中，根据对所述电机进行建模的时间不变的微分方程来求取用于所述定子绕组的目标电流值，所述目标电流值用于产生所要求的转矩和/或所要求的转数，其中，将所述目标电流值与所述定子绕组的、和流过所述相的相电流相对应的实际电流值进行比较，并且其中，根据所述比较来如此给所述相通电，从而减小所述实际电流值与所述目标电流值的偏差。
此外，本发明涉及一种用于实施所述方法的装置。
背景技术
电机通常具有转子，所述转子布置/能够布置在转子轴或者说驱动轴上。为了驱动转子而设置具有定子绕组的定子。所述定子绕组通常具有至少三个相，所述相如此围绕着转子分布地布置，使得所述转子通过对所述相的合适的通电能够驱动或者说能够转动。
为了运行或调节电机，由现有技术已知，将用于所述定子绕组的目标电流值与所述定子绕组的实际电流值进行比较，并且根据所述比较来如此给所述定子绕组的相进行通电，使得减小实际电流值与目标电流值的偏差。为此，例如改变加载在所述相上的电压。“实际电流值”在此应当是指与流过所述相的相电流相对应的电流值。所述实际电流值例如是根据相电流来求取的电流矢量。所述目标电流值是一种参量，该参量的维度相应于所述实际电流值的维度。所述目标电流值与下述相电流相对应，所述相电流为了使所述电机产生所要求的转矩和/或所要求的转数而被需要。在此，根据对机器进行建模的时间不变的微分方程来求取所述目标电流值。通过所述时间不变的微分方程来优选地描述所述相电流的在时间上的变化曲线。作为时间变化的参数尤其将电机的电感包含在所述时间不变的微分方程中。在此，根据预先已知的方法通常借助dq变换来求取所述时间不变的微分方程。
发明内容
具有权利要求1的特征的按本发明的方法所具有的优点是，精确地求取所述目标电流值。尤其通过按本发明的方式实现了，所述电机产生无波动的或者恒定的转矩。为此，根据本发明来规定，所述时间不变的微分方程根据周期性的线性的时间变化的微分方程借助于弗洛凯（Floquet）变换来求取。周期性的线性的时间变化的微分方程应当是指下述微分方程，所述微分方程在不同的时间点在进行相同的输入的情况下具有不同的特性。就电机而言，周期性的线性的时间变化的微分方程是T周期性的系统。根据弗洛凯理论于是存在变换、也就是弗洛凯变换，通过该变换能够将周期性的线性的时间变化的微分方程变换成时间不变的微分方程、即在每个时间点在进行相同的输入的情况下具有相同的特性的微分方程。特别地，所述电机具有与三个有别的数量的相。例如，所述电机具有多于三个的相。特别地，所述电机的至少两个相以与120°有别的角度彼此间隔开。不仅所述相的与三个有别的数目而且在所述相之间的与120°有别的角度也都能够通过周期性的线性的时间变化的微分方程来描述。因为为了求取时间不变的微分方程而使用弗洛凯变换，所以在这些情况下也能够根据所述周期性的线性的时间变化的微分方程来求取所述时间不变的微分方程。
按照一种优选的实施方式来规定，所述周期性的线性的时间变化的微分方程根据所述电机的转数和/或转矩来求取。即使所述周期性的线性的时间变化的微分方程根据与转数相对应的参量和/或与转矩相对应的参量来求取，也认为：所述周期性的线性的时间变化的微分方程根据所述电机的转数或者说转矩来求取。通过在求取所述周期性的线性的时间变化的微分方程时考虑转数和/或转矩而提高了所述方法的精度。
优选地，所述周期性的线性的时间变化的微分方程根据所述电机的系统矩阵来求取，所述系统矩阵描述了定子绕组的依赖于角度的电感。通过所述系统矩阵能够精确地描述所述依赖于角度的电感。特别地，通过所述系统矩阵能够描述在所述相之间的有别于120°的角度和有别于三个的数量的相。
优选地，所述电机的系统矩阵在此根据所述电机的有限元模型来求取。通过所述有限元模型能够精确地用数字来描述通过定子绕组所产生的磁场的或者定子绕组的电感的模拟的模型。为此，将所述定子绕组的模型划分为大量小的部分、所谓的有限元。
按照一种优选的实施方式来规定，为了执行弗洛凯变换而预先给定初始值，其中，时间不变的微分方程根据所述初始值来求取。优选地，为实值矩阵预先给定所述初始值，所述实值矩阵是时间不变的微分方程的一部分。通过预先给定所述初始值，将所述弗洛凯变换的执行或者求解回溯为初始值问题。
按照一种优选的实施方式来规定，作为初始值来预先给定所述系统矩阵的平均值。在此涉及到在求取时间不变的微分方程时的特别有利的初始化。
按照一种优选的实施方式来规定，对根据初始值所求取的时间不变的微分方程的误差进行求取，并且一直对所述时间不变的微分方程进行修正，直至所述误差小于预先给定的阈值。也就是说求取经修正的时间不变的微分方程。一方面由此保证了，求取至少基本上正确的时间不变的微分方程。此外，通过预先给定阈值而在修正时降低计算耗费，因为一旦确定了所述误差小于阈值就结束所述修正。
优选地，所述时间不变的微分方程根据搜索法、尤其是下降单纯形法（Downhill-Simplex-Verfahren）来修正。由此，所述时间不变的微分方程能够被可靠地修正。如果执行所述下降单纯形法，则优选放弃对所述时间不变的微分方程的导数的求取。由此在修正所述时间不变的微分方程时减小了计算耗费。
作为替代方案，所述时间不变的微分方程根据梯度法、尤其是拟牛顿法来修正。所述时间不变的微分方程也能够通过所述梯度法被可靠地修正。如果所述时间不变的微分方程根据拟牛顿法来修正，则优选放弃对所述时间不变的微分方程的海塞（Hesse）矩阵的求取或者说计算。由此，在修正所述时间不变的微分方程时也减小了计算开销。
所述按本发明的装置用于具有定子和转子的电机，其中，所述定子具有带有至少三个相的定子绕组，并且其中，所述转子布置/能够布置在转子轴上，所述装置利用权利要求10的特征而特征在于，所述装置作为控制器被专门地安排用于在按照规定的使用的情况下执行所述按本发明的方法。由此也得到已经被提到的优点。另外的优选的特征和特征组合由前述说明以及由权利要求来得到。
附图说明
下面借助于附图对本发明进行详细解释。为此：
图1示出了电机；
图2示出了流过电机的相的相电流的变化曲线；
图3示出了电机的电机力矩的变化曲线；
图4示出了用于运行电机的方法。
具体实施方式
图1以示意图示出了电机1。例如，所述电机1是永磁激励的同步电机。所述电机1具有转子2，该转子布置在转子轴3上。所述转子轴3在此是未被示出的机动车的驱动轴。此外，所述电机1具有带有定子绕组5的定子4。根据在图1中示出的实施例，所述定子绕组包括三个相U、V和W。所述相U、V和W在此通过三角形电路来彼此联接。所述相U、V和W如此围绕着所述转子2分布地布置，使得所述转子2通过给相U、V和W的合适的通电而能够驱动或者说能够转动。根据另外的实施例，设置不同于三个的数量的相。此外，根据另外的实施例，所述相通过其他电路、例如星形电路来彼此联接。
为所述电机1分配了电蓄能器6。所述蓄能器6借助于功率电子装置7与相U、V和W相连接。通过所述功率电子装置7，由所述蓄能器6所提供的直流电压能够转换为交流电压，以用于给相U、V和W通电。
此外，所述电机1具有装置8，该装置作为控制器8被构造用于操控功率电子装置7或者说切换所述功率电子装置7的未被示出的开关元件。
图2示出了两个图表，在所述图表中示出了通过所述电机1的相U、V和W流动的相电流I U 、I V 和I W 的变化曲线。相电流I U 在此是流过相U的相电流。相电流I V 是流过相V的相电流。相电流I W 是流过相W的相电流。在此，在图表的Y轴上以安培示出了相电流的电流值I。在图表的X轴上以弧度示出了转子2的旋转角φ。
根据在图2中在左边所示出的第一图表，所述相电流I U 、I V 和I W 的分别具有正弦形的变化曲线。此外，所述相电流I U 、I V 和I W 分别相对于彼此错开120°或
Figure 426922DEST_PATH_IMAGE002
弧度。所述相电流I U 、I V 和I W 的总和相对于每个旋转角φ是相同的。
根据在图2中在右边所示出的第二图表，所述相电流I U 、I V 和I W 分别具有下述变化曲线，该变化曲线具有一个基波和至少一个谐波。因此，所述变化曲线偏离正弦形状。所述相电流I U 、I V 和I W 的总和根据旋转角φ而不同。
图3借助于图表示出了所述电机1的电机力矩的变化曲线。在此，在所述图表的Y轴上以牛顿米示出了电机力矩M，并且在X轴上以秒示出了时间t。如果在图2的第一图表中所示出的正弦形的相电流I U 、I V 和I W 流过相U、V和W，则由此产生所述电机力矩变化曲线M 1 。如能够从图3中看出的那样，所述电机力矩变化曲线M 1 是波形的。所述波形的电机力矩变化曲线由在电机1的电感中的谐波产生。该谐波由电机1的几何结构并且/或者由饱和效应决定。因此，如果如此操控所述功率电子装置7，使得所述相电流I U 、I V 和I W 的变化曲线是正弦形的并且分别以120°为幅度相对于彼此错开，则通过所述电机1不产生恒定的或者无波动的转矩。
如果在图2的第二图表中所示出的相电流I U 、I V 和I W 流过相U、V和W，则由此产生电机力矩变化曲线M 2 。所述电机力矩变化曲线M 2 基本上是无波动的或者说恒定的。在图2的第二图表中所示出的相电流I U 、I V 和I W 也就是说相应于下述相电流，所述相电流为了使所述电机1产生无波动的转矩而被需要。
下面参照图4来描述一种用于运行所述电机1的方法。通过所述方法来保证如此控制或调节所述相电流I U 、I V 和I W ，从而通过所述电机1来产生无波动的转矩。
在步骤S1中，求取所述转子2的转数ω或者与所述转数ω相对应的参量、例如所述转子2的旋转速度。所述转数ω例如是转子2的当前的转数ω。作为替代方案涉及到所述转子2的与当前转数ω不同的可能的转数ω。此外，在步骤S1中提供所求取的转数ω或者说装置8的参量。作为转数的替代方案或补充方案，在步骤S1中求取所述转子2的转矩并且将其提供给所述装置8。
在步骤S2中，所述装置8一方面根据转数ω或者参量并且另一方面根据电机1的系统矩阵A abc（t）利用以下方程（1.1）来求取周期性的线性的时间变化的微分方程：
Figure 900628DEST_PATH_IMAGE004
。
在此，“系统矩阵A abc（t）”应当是指一种矩阵，该矩阵描述所述电机1的依赖于角度的电感。尤其在所述系统矩阵A abc（t）与所述电机1的电感之间存在非线性的关系。I abc是与相电流I U 、I V 和I W 相对应的电流值。所述电流值I abc表示在相（Strang）坐标或相位坐标中的相电流I U 、I V 和I W 。特别地，在周期性的线性的时间变化的微分方程中，除了在方程（1.1）中所列举的参数之外还包含描述电压的输入项和/或描述电机1的永磁体的电磁力的干扰项。所述输入项和干扰项根据在图4中所示出的方法优选地不被考虑并且因此在此在方程（1.1）中未被列出。优选地，所述装置8根据电机1的有限元模型来求取系统矩阵A abc（t）。特别地，通过所述有限元模型、系统矩阵A abc（t）和周期性的线性的时间变化的微分方程也描述了所述电机1的电感谐波和在所述相U、V和W之间的偏离120°的角。因此，所述周期性的线性的时间变化的微分方程是所述电机1的用于所选择的工作点、即转数ω、与转数ω相对应的参量或转矩的精确的特性模型。
在步骤S3中，所述装置8根据周期性的线性的时间变化的微分方程借助于弗洛凯变换来求取时间不变的微分方程。该时间不变的微分方程通过以下方程（1.2）来描述：
Figure 745087DEST_PATH_IMAGE006
。
在此，Q描述了实值的矩阵并且I fl描述了与相电流I U 、I V 和I W 相对应的电流值。所述电流值I fl表示在弗洛凯坐标中的相电流I U 、I V 和I W 。因为所述周期性的线性的时间变化的微分方程是T周期性的微分方程，所以该微分方程能够根据弗洛凯理论变换成时间不变的微分方程。而后存在能够通过以下方程（1.3）来描述的变换：
Figure 696863DEST_PATH_IMAGE008
。
在此，P（t）是变换矩阵。该变换矩阵由基本矩阵φ（t）产生，该基本矩阵针对周期性的系统能够按照以下方程（1.4）来表述：
Figure 575957DEST_PATH_IMAGE010
。
此外，由通过以下方程（1.5）所描述的数学关系来得出方程（1.6）：
Figure 220565DEST_PATH_IMAGE012
。
为了实施或者计算弗洛凯变换而对所述方程（1.6）求解。为此，为所述矩阵Q预先给定初始值。也就是说，为时间不变的微分方程的一部分预先给定初始值。优选地，作为初始值来预先给定所述系统矩阵A abc（t）的平均值。
在步骤S4中，所述装置8对根据初始值所求取的时间不变的微分方程的误差J进行求取。所述误差J根据以下的公式（1.7）来求取：
Figure 817900DEST_PATH_IMAGE014
。
在此，E描述了P（t）的维数的单位矩阵。由于所述系统的周期性而认为，所述变换矩阵P（t）在时间点t＝0和t＝2T相应于单位矩阵E。
在步骤S5中，通过所述装置8一直对所述时间不变的微分方程或者说矩阵Q进行修正，直到所述误差J小于预先给定的阈值。为此，在步骤S5中例如使用搜索法、尤其是下降单纯形法或者梯度法、尤其是拟牛顿法。
在步骤S6中，所述装置8一方面根据经修正的时间不变的微分方程并且另一方面根据预先给定的转矩或预先给定的转数来求取目标电流值I Soll,fl 。所述目标电流值I Soll,fl 与必须流过相U、V或者W的相电流I U 、I V 和I W 相对应，以便通过所述电机1来产生预先给定的转矩或者说预先给定的转数。所述目标电流值I Soll,fl 表示在弗洛凯坐标中的相电流I U 、I V 和I W 。
在步骤S7中求取当前的相电流I U 、I V 和I W 。例如，当前的相电流I U 、I V 和I W 中的每个相电流分别通过电流测量机构来检测并且被提供给所述装置8。
在步骤S8中，所述装置8根据当前的相电流I U 、I V 和I W 来求取实际电流值I Ist,fl 。所述实际电流值I Ist,fl 与当前的相电流I U 、I V 和I W 相对应并且表示在弗洛凯坐标中的当前的相电流I U 、I V 和I W 。在此，所述实际电流值I Ist,fl 和所述目标电流值I Soll,fl 具有相同的维度或物理单位。
在步骤S9中，所述装置8将所述目标电流值I Soll,fl 与所述实际电流值I Ist,fl 进行比较。为此，所述装置8例如计算来自所述目标电流值I Soll,fl 和所述实际电流值I Ist,fl 的差。
在步骤S10中，所述装置8根据比较来求取目标电压值U Soll,fl，所述目标电压值与必须被加载在相U、V或W上的电压相对应，因此减小在所述实际电流值I Ist,fl 与所述目标电流值I Soll,fl 之间的差。所述目标电压值U Soll,fl表示在弗洛凯坐标中的有待加载的电压。
在步骤S11中，所述装置8根据目标电压值U Soll,fl来求取目标电压值U Soll,abc。所述目标电压值U Soll,abc表示在相坐标或者说相位坐标中的有待加载的电压。
然后在步骤S12中，所述装置8如此操控功率电子装置7，使得将有待加载的电压加载到所述相U、V和W上。
优选地，所述步骤S7至S12构成调节回路9。继步骤S12之后，优选回到步骤S7。
优选地，所述步骤S1至S5在时间上与步骤S6至S12间隔开地进行。例如，按照步骤S1至S5，根据转子2的转数ω或者与转子2的转数ω相对应的参量来求取时间不变的微分方程，并且将所求取的时间不变的微分方程存储在数据存储器中。优选地，针对所述转子2的多个转数ω或者说与转子2的转数ω相对应的参量分别求取时间不变的微分方程，并且将所求取的时间不变的微分方程存储在数据存储器中。为了在时间上错开地执行方法步骤S6至S12，于是将所存储的时间不变的微分方程或者说所存储的时间不变的微分方程中的一个时间不变的微分方程提供给所述装置8。

Claims (10)

1.用于运行尤其是机动车的电机（1）的方法，所述电机具有定子（4）和转子（2），其中，所述定子（4）具有带有至少三个相（U、V、W）的定子绕组（5），并且其中，所述转子（2）布置/能够布置在转子轴（3）上，其中，根据对所述电机（1）进行建模的时间不变的微分方程来求取用于所述定子绕组（5）的目标电流值（I Soll,fl ），所述目标电流值用于产生所要求的转矩和/或所要求的转数，其中，将所述目标电流值（I Soll,fl ）与所述定子绕组（5）的实际电流值（I Ist,fl ）进行比较，所述实际电流值与流过所述相（U、V、W）的相电流（I U 、I V 、I W ）相对应，并且其中，根据所述比较来如此给所述相（U、V、W）通电，使得减小所述实际电流值（I Ist,fl ）与所述目标电流值（I Soll,fl ）的偏差，其特征在于，时间不变的微分方程根据周期性的线性的时间变化的微分方程借助于弗洛凯变换来求取。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述周期性的线性的时间变化的微分方程根据所述电机（1）的转数（ω）和/或转矩来求取。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述周期性的线性的时间变化的微分方程根据所述电机（1）的系统矩阵（A abc（t））来求取，所述系统矩阵描述了所述定子绕组（5）的依赖于角度的电感。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电机（1）的系统矩阵（A abc（t））根据所述电机（1）的有限元模型来求取。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了实施弗洛凯变换而预先给定初始值，其中，所述时间不变的微分方程根据所述初始值来求取。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，作为初始值来预先给定所述系统矩阵（A abc（t））的平均值。
7.根据权利要求5和6中任一项所述的方法，其特征在于，对根据所述初始值所求取的时间不变的微分方程的误差（J）进行求取，并且一直对所述时间不变的微分方程进行修正，直到所述误差（J）小于预先给定的阈值。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述时间不变的微分方程根据搜索法、尤其是下坡单纯形法来修正。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述时间不变的微分方程根据梯度法、尤其是拟牛顿法来修正。
10.用于尤其是机动车的电机（1）的装置（8），其中，所述电机（1）具有定子（4）和转子（2），其中，所述定子（4）具有带有至少三个相（U、V、W）的定子绕组（5），并且其中，所述转子（2）布置/能够布置在转子轴（3）上，其特征在于，所述装置（8）作为控制器（8）被专门地安排用于在按照规定的使用的情况下执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法。
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