CN115380467A - 用于调节电机的方法和设备 - Google Patents

Abstract

用于调节电机（310）的方法（100），其具有步骤：确定（110）期望开关角（u*）；确定（120）期望状态（y*）；确定（130）实际状态（y）；确定（140）由期望状态（y*）和实际状态（y）构成的差（d）；借助调节器（320），根据所述差（d）来确定（150）开关角调整（delta_u）；借助由期望开关角（u*）和开关角调整（delta_u）构成的和（u）来操控（160）电机（310）。

Description

用于调节电机的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于调节电机的方法和设备。此外，本发明还涉及一种具有相对应的设备的传动系和一种具有传动系的车辆，以及一种计算机程序和一种机器可读的存储介质。

背景技术

在机动车驱动技术领域，例如从DE 10 2010 061897 Al中已知了，将电机用作车辆的驱动装置。在这样的电动车辆中，电机被用作驱动马达。为了操控机动车中的电机，使用功率电子装置，该功率电子装置包含反向换流器，该反向换流器将机动车车载的（高压）电池的直流电压/直流电流转化为交流电流。反向换流器在此通常具有多个可激励的功率开关。借助控制设备，以脉宽调制方式来操控功率开关，以便电机在发动机运行模式中在电机的动力输出轴的确定转速的情况下产生确定的转矩。为了操控用于电机的这样的反向换流器，已知的是，使用面向场的调节（也称作向量调节）。在这种情况下，空间向量（例如电流向量）运动，该空间向量随着电机的动力输出轴旋转。换言之，为了操控电机所需的相电流被换算到转子固定的、随着机器的磁场一起转动的坐标系（所谓的dq系）。在面向场的调节中，代替相电流（交流变量），那么将以这种方式变换过的电流分量Id和Iq调节为直流变量，并计算出针对要在机器上设定的电压的期望值。由于逆变器只能呈现离散的脉动电压变化过程，所以必须将连续的电压转换到功率电子装置的开关模式。置于调节装置下游的调制器承担该任务。调制器负责，在电子装置的一个开关操作循环（Schaltzyklus）期间平均施加正确的电压。该开关操作循环在此显著地短于要设定的电压的电周期。由于这一事实，在调节器系统中可以实现对参考变量（如例如电流期望值或者力矩期望值）的变化的动态响应。开关脉冲或开关动作时间在此例如借助与三角函数的比较（正弦三角形（Sine-Triangle）PWM）或者通过简单的三角学计算（空间向量（Space Vector）PWM）来计算出。这限制了以经过损失优化的方式进行切换的可能性。

能够用来实现高度动态调节的另一方法是基于迟滞的直接切换的调节器。在此，连续地（或高频扫描地）比较：参考变量、如例如电流是否在公差带之内。一旦发生对该带的破坏，就视破坏的类型而定来直接切换功率电子装置。虽然这种方法导致非常动态地跟随参考变量、如电流或者转矩，但是也导致参考变量的几乎不可控的频谱（包括次谐波在内）、不确定的开关频率和按趋势为高的损失。因而，实际使用是不常见的。因此，面向场的调节能够实现对参考变量、如例如转速或者转矩的变化的高度动态响应，以及能够实现尽可能低的损失。

在此，由于谐波，或者由于电子装置的开关，然而完全不能或者仅能有条件地监控损失。与此相反，通过针对功率电子装置应用经过优化的脉冲模式，可以固定地实现对损失的准确设定。在此，利用经过离线预优化的脉冲模式来运行该机器。脉冲模式是功率半导体在一个电周期期间的接通/关断状态序列，所述接通/关断状态序列经由功率半导体在一个电周期期间的接通和关断时刻或者开关角（Schaltwinkel）来定义或者由此得出。在一个电周期期间，关于任意成本函数来优化开关模式。如果选择该成本函数来使得该成本函数表征经过加权的损失，则通过脉冲模式可以实现损失最优性。与利用PWM生成的模式相比，电压在此仅仅在一个电周期期间被正确设定，并且不经由短的扫描步骤来正确设定。出于这个原因，在瞬态情况下，在模式突然变化（或快速遍历模式序列）时，在机器上发生不期望的电压模式。这些电压模式引起线圈上的强烈扭曲的伏特-秒平衡，并因此一般而言引起过强的超调。这不仅可能持久地损坏功率电子装置，而且同样导致长设定时间。因而，这种方法不可合理地应用。因此，基于这种模式的调节系统关于参考变量的动态性或者强超调显出相当大的缺点。示例性地针对直接切换的和高度动态的、而且基于最优的固定脉冲模式的方法，出版物“GEYER，Tobias等人的‘Model predictive pulse pattern control’（IEEETransactions on Industry Applications，2011年，第48年度，第2期，第663-676页）”表明对离线生成的开关模式进行在线调整，以便满足动态要求。在线地解决如下优化问题：该优化问题调整（功率半导体的关于电基波的）开关角。在此，在优化函数中考虑与离线计算出的变量的偏差。从开关模式中计算出针对ASM的定子通量的轨迹，这些轨迹应尽可能无偏差地以经过调节的方式被跟踪。对于在线优化，在此使用在忽略电阻的情况下由ASM的定子通量等式构成的经过强烈简化的模型。优化函数在此对与离线计算出的变量的偏差进行惩罚，以便这样实现静止状态中的最优性。优化的结果是如下开关时刻：所述开关时刻直接由调节器被给到功率电子装置上。

有针对如下方法的需求：该方法联合两种方法、亦即面向磁场的调节和经过离线预优化的脉冲模式或者开关模式的优点。

发明内容

提供了一种用于调节电机的方法，该方法具有步骤：

确定期望开关角；

确定期望状态；

确定实际状态；

确定由期望状态和实际状态构成的差；

借助调节器，根据所述差来确定开关角调整；

借助由期望开关角和开关角调整构成的和来操控电机。

提供了一种用于调节电机的方法。为了确定至少一个期望开关角，优选地借助机器的尽可能精确的模型，并基于例如描述机器的不同加权损失项的成本函数，离线地计算出最优脉冲模式（OPP）。这种优化的结果是在一个电周期期间的期望开关时刻或期望开关角。以此明确地表征期望开关角变化过程。优选地，根据当前的转子位置或者转子角度，读出该期望切换变化过程。术语“期望开关时刻（0...1）或期望开关角（0...360°）”在下文就内容而言被认为是意义相同的，因为它们都与一个电周期相关，并且因此可以明确地相互转换。优选地，期望开关角由角速度和期望开关时刻的乘积得出。为了确定至少一个期望状态，所确定的期望开关角优选地被给到区段的模型G上，该模型G又尽可能精确地表示真实区段的特性、优选地表示驱动装置或者传动系的特性，以便获得期望状态（也就是说电流或者磁通量）。优选地，在合适的参照系（dq，

，abc）中生成期望状态。因此，该方法并不限于使用确定的参考变量。期望状态的计算优选地离线进行，使得这不成为控制单元的所需的计算能力的负担来进行。优选地，从以查找表形式存储的离线计算的结果中读出期望状态。为了确定至少一个实际状态，优选地确定真实区段的状态变量。借助求差，确定由期望状态和实际状态构成的差。为了借助调节器根据所述差来确定开关角调整，优选地将由期望状态和实际状态构成的差输送给调节器，优选地输送给模型预测调节器。根据所确定的开关角调整，优选地借助由期望开关角和开关角调整构成的和，操控电机，优选地借助逆变器来操控电机。

重复地、优选地在时间上交错地确定期望开关角导致对期望开关角变化过程的确定。这意味着，为了确定期望开关角变化过程或者期望开关角轨迹，优选地重复执行该方法。相对应的内容适用于确定期望状态或实际状态。优选地重复地、优选地在时间上交错地确定期望状态或实际状态导致对期望状态变化过程或实际状态变化过程或者对期望状态轨迹或实际状态轨迹的确定。相对应的内容适用于对开关角调整的确定。优选地重复地、优选地在时间上交错地确定开关角调整导致了对开关角调整变化过程或者开关角调整轨迹的确定。

因此，提供了一种用于针对驱动系统的高度动态的和在静止情况下损失最优的运行而调节电机的方法。借助考虑由期望状态和实际状态构成的差、亦即该系统的Delta表达（Formulierung），在任意先前计算的标准、如例如损失、中间电路波动方面设定静止的最优性。因此，调节器优选地不观测绝对变量（如通量、电流等），而只观测参考值的或者与参考变化过程的偏差（亦即delta变量）。调节器仅仅将delta变量调节到零，并且由此使这些偏差最小化至经过离线优化的值。这显著地减少了调节器的在线计算时的开销，并同时改善了性能。因而，优选地在标称条件下，调节是高度动态的，并且是静止最优的。该方法直接预先给定了功率电子装置的开关时刻，也就是说取消了置于中间的调制器。该方法可以借助不同的参考变量（电流或者通量）来运行。调节器工作和设计所基于的动态模型是在Delta或误差坐标中的模型，所述模型仅仅描述由期望状态和实际状态构成的差或者由期望状态轨迹和实际状态轨迹构成的差（与轨迹的偏差），以便以时间离散或者角度离散的方式事先模拟和调节误差。通过进行结构调整并且也进行建模技术的调整，Delta调节器的这种方法的应用得以改善。利用普遍有效的Delta表达，该方案可以同样用电流而不是通量作为参考变量来被应用。此外，可以使用任意模型。当必须摒弃理想化的假设时，例如在耦合的6相PSM的情况下，可是也针对宽范围的其他机器，这是有利的。通过普遍有效的在误差坐标中的表达，优选地在采用预测调节器的情况下，调节变量与参考变量的偏差被包括在模型预测调节器的每个单个预测步骤内，并且在优化中进行惩罚。由此提高了如下可能性：有针对性地设定调节器，和降低调节器动态性与预测时域（Prädiktionshorizont）的相关性。此外，时变系统通过逐步线性化得到明显更好地调节，因为逐步线性化在时域上进行。

有利地，提供了一种联合这两种方法的优点的方法，其方式是：经过离线优化的脉冲模式或开关时刻动态地通过模型预测的调节而在线地被调整。这通过在Delta/误差坐标中的表达由简单模型和短时域来实现。调节概念以静止损失最优的方式并且尽管如此高度动态地进行调节。

就整个电驱动系统而言，在成本函数意义上有利地得出损失最优性。该应用情况的特点（例如变速器噪声）在离线优化中被考虑，而没有调节的动态损失。闭环性能不受建模时的简化影响，使得从调节方面，在制造中的甚至高的公差优选地不损害闭环性能。

在本发明的另一构建方案中，实际状态表征通过电机的实际相电流，而期望状态表征通过电机的期望相电流。

借助实际状态，优选地表征通过电机的实际相电流，所述实际相电流优选地借助合适的测量装置来确定；并且借助期望状态，优选地表征期望相电流，该期望相电流优选地根据转矩预给定来确定。有利地，给状态或者轨迹分配能够实现对电机的调节的特定变型的变量。

在本发明的另一构建方案中，至少一个期望状态根据参数转矩、转速和转子角度被存放在特性曲线族中。针对该调节，根据参数转矩、转速和转子角度，针对所述调节从特性曲线族中确定至少一个期望状态。

期望状态根据多个参数被存放在特性曲线族中，并针对该方法根据多个参数从特性曲线族中被确定。有利地，提供了一种能够实现对多个目标或者维度的考虑的方法。

在本发明的另一构建方案中，借助机器模型来确定至少一个期望状态，其中该机器模型考虑电机的电感矩阵、电阻矩阵、磁通量和/或角速度。

有利地，提供了一种考虑机器模型的方法。

在本发明的另一构建方案中，借助调节器来解决优化问题。优选地，该调节器是模型预测调节器。

借助调节器来解决优化问题，优选地解决凸二次优化问题（QP）。有利地，提供了一种利用调节器的方法，用于对电机进行高效的多变量调节。

此外，本发明还涉及一种计算机程序，该计算机程序包括如下指令：所述指令在通过计算机执行时促使该计算机，执行目前所描述的方法的步骤。

此外，本发明还涉及一种计算机可读的存储介质，该计算机可读的存储介质包括如下指令：所述指令在通过计算机执行时促使该计算机，执行目前所描述的方法的步骤。

此外，本发明还涉及一种用于调节电机的设备，该设备具有调节装置。该调节装置设立为，确定期望开关角，确定期望状态，确定实际状态，确定由期望状态和实际状态构成的差，借助调节器根据所述差来确定开关角调整，并借助由期望开关角和开关角调整构成的和来操控电机。

提供一种设备，该设备具有调节装置，其中该调节装置包括调节器和优选地包括模型。该调节装置设立为，确定期望开关角，优选地借助待调节的区段的尽可能精确的模型并基于成本函数来确定期望开关角。该调节装置进一步设立为，根据所确定的期望开关角来确定期望状态。该调节装置进一步设立为，确定实际状态。该调节装置设立为，借助求差来确定由期望状态和实际状态构成的差。调节装置设立为，借助调节器，根据所述差来确定开关角调整。该调节装置进一步设立为，根据所确定的开关角调整来操控电机，优选地借助逆变器来操控电机。

有利地，提供了一种用于有效调节电机的设备。

此外，本发明还涉及一种带有电机和所描述的设备的传动系。例如，这样的电传动系用于驱动电车辆。借助所述方法和所述设备，能够实现传动系的优化运行。

此外，本发明还涉及一种具有所描述的传动系的车辆。有利地，因此提供了一种车辆，该车辆包括用来有效地调节电机的设备。

应理解的是，根据本发明的方法的特征、特点和优点相对应地适合或可应用于所述设备或所述传动系和所述车辆，反之亦然。

附图说明

本发明的其他特征和优点从随后参考附上的附图的描述中得出。

图1示出了针对用于调节电机的方法的调节器结构的示意图，

图2示出了示意性示出的带有传动系的车辆，

图3示出了针对用于调节电机的方法的示意性示出的流程图。

具体实施方式

图1示出了针对用于调节电机310的方法的调节器结构300、即Delta调节器，该调节器结构300具有调节装置340。调节装置340包括调节器320，并且优选地包括模型330、差分点322和/或求和点324。确定期望开关角u*，并且该期望开关角u*被输送给调节器320和模型330，优选地被输送给要调节的区段的物理模型或者输送给机器模型。借助该模型，根据所确定的期望开关角度u*来确定期望状态y*。进一步确定实际状态y，该实际状态y优选地在要调节的真实区段上借助合适的测量装置来确定。借助差分点322中的求差，确定由期望状态y*和实际状态y构成的差d，并且该差d被输送给调节器320。调节器320根据差d确定开关角调整delta_u，其中优选地由调节器320也考虑期望开关角u*。确定开关角调整delta_u优选地以模型预测的方式来进行。期望开关角变化过程u*优选在此被考虑，以便避免如下开关角调整delta_u：所述开关角度调整delta_u（例如由于考虑功率半导体的所需的死区时间或者最小接通和关断时间）导致不允许的开关模式。优选地，调节器320将这样的条件考虑为辅助条件。借助调节器320，优选地开发直接切换的调节概念，该直接切换的调节概念基于在经过优化的期望状态y*与实际状态y（优选地对真实机器、优选地永磁同步机PSM上的变量的测量）之间的差d的偏差计算出开关角调整delta_u或者开关时刻的调整，并且这样调节现有偏差。这通过按照“滚动时域（receding horizon）”原理解决优化问题来发生，亦即涉及模型预测（MPC）方案。在调节器320中优选地使用的模型或者该方案在此并不用于在预测时域上对整个系统进行正向模拟的意图，而是仅仅用于对差d进行正向模拟的意图。这种借助由期望状态y*和实际状态y构成的差d、亦即在“Delta/误差坐标”中的表达在调节时引起极大的优点，因为与电机的完整模型相比，该模型显著更简单。

在将该方案优选地应用于2×3星形接线的六相PSM的情况下，针对用于作为参考变量的电流的调节器的创建和建模得出：y=x=iabc。使用基于在真实机器和参考轨迹上的电流的如下瞬时偏差的调节：

。如也在一般表示中那样，利用开关角调整delta_u描述开关时刻的校正（这些开关时刻可以明确地映射到开关角，反之亦然）。优选地，对于相电流的动态性，作为时间连续的状态模型得出：

。

在该等式中，Labc描述了该机器的全部被占的6×6电感矩阵，R描述了（定子）电阻矩阵，ψpm,abc描述了该机器的永磁磁通量，并且ωel描述了带有所属角度φel的电角速度。矩阵S包含如下矩阵的组合：所述矩阵的使用允许在模型中使用端电压uuvw而不是相电压uabc。这两个电压仅通过其参考电位进行区别，并且适用uuvw=uabc + u*，其中u*描述了电机的中性点电位。随后，在离散坐标中实现了相对应的重新表达。此外，除了电阻之外，所有出现的矩阵都是时变的。借助上面描述的模型，计算经过优化的脉冲模式或电压变化过程，从所述经过优化的脉冲模式或电压变化过程中通过正向模拟和扫描（假设静止）来计算电流轨迹。所计算出的脉冲模式以及被扫描的轨迹被存放为关于转速和转矩的特性曲线族，并且可以根据机器的运行状态被加载和被使用。因此，在线生成参考或者期望状态y*不是必要的，这使计算开销最小化。最终得到的所计算的在一个电周期期间的电压和电流变化过程得到脉动电压模式，该脉动电压模式跟随正弦状基波并具有突出的谐波成分。该脉动电压模式与机器的损失最优运行相对应。因而，在受调节的运行中应跟踪电流变化过程。这通过借助调节器320使电压边沿最优地偏移来发生。通过过渡到在Δ/误差坐标中的描述：

，

得出系统：

。

在此，

描述了在真实机器上的电流和期望状态轨迹的期望状态或者参考轨迹的瞬时偏差，并且

描述了与经过优化的脉冲模式相比所施加的电压差。清楚的是，略去所有与iabc(t)和uuvw(t)无关的项，并且因此减小了调节的参数相关性。通过时间离散化，得出下列模型：

。

对输入电压在扫描时刻tk与tk+1之间的积分可以被求解，以便获得所要求的表达作为开关动作时间（或其偏移或者开关角）的线性模型：

。

通过逐相观测，针对相p，这引到下列表达上：

向量

在此包含电压

和

在切换过程j或j+1之前的差，并且适用

，其中np描述相p中在时段[tk, tk+1]期间的切换过程的数目。变量

描述了相p中的开关时刻j。因此，

描述了针对相p的参考开关时刻

和真实的开关时刻

的差的向量。通过对于所有相应用这种关系和以矩阵书写方式进行概括，得出：

。

清楚的是，与图1中的示意图相比，设置

和

。在扫描周期Ts的情况下，测量机器的目前的转速/角度和电流。基于转速/角度和转矩预给定，随后从所存放的特性曲线族中读出合适的、先前计算的最优脉冲模式。在此，特别提取参考电流和参考开关时刻。计算出电流与参考值的偏差，并且该偏差与要修改的开关角序列一起被给到MPC调节器或者调节器320上。在所述调节器中，基于优化问题来确定开关时刻的合适调整或者开关角的开关角调整delta_u。

借助在求和点324中的求和，由期望开关角u*和开关角调整delta_u形成和u。和u包括要应用的开关序列。借助和u，操控电机310，所述电机310优选地包括逆变器312和电驱动机器314。

在之前的解释中，已隐含地从可测量的状态、也就是说y=x出发。如果情况不是如此，则必须表达观测器。如果使用通量而不是电流作为参考变量，则在所描述的应用中，情况如此。用误差坐标也可能表达观测器，并且该观测器的表达也是有利的。

借助调节器320，解决优化问题，该优化问题如下：

索引p在此描述了机器的各个相，并且取在1到3倍系统数目之间的值。对于2×3接线的优选地六相的机器，适用Nsys=2，因为存在两个三相系统。配备有索引Q和R的范数是式

或

的平方加权2-范数。在此，Q和R是MPC调节器设计的常用矩阵。最后两个表达为等式的辅助条件表征上面经过可信性检验的误差动态性。优选地，要考虑其他辅助条件、优选地针对状态限制的其他辅助条件。针对上面描述的应用，

必须被设置用于将电流用作参考变量，以及必须采用上面推导出的矩阵Ar、Br（上面用索引k标明）和Cr=I、dr=0。该优化问题是凸二次优化问题（QP）。该优化问题可以利用标准方法、如“有效集（Active Set-）”或者“内点（Interior Point-）”方法来解决。

图2示出了示意性示出的带有传动系400的车辆500。传动系400包括电机（310）和带有调节装置340的设备。该图示例性地示出了带有四个轮子的车辆，其中本发明同样可以采用在陆地、水上和空中的带有任意数目的轮子的任意车辆中。

图3示出了用于调节电机310的方法100的示意性流程。该方法以步骤105开始。在步骤110中，确定期望开关角u*。在步骤120中，确定期望状态y*。在步骤130中，确定实际状态y。在步骤140中，由期望状态y*和实际状态y确定差d。在步骤150中，借助调节器320，根据所述差d来确定开关角调整delta_u。在步骤160中，借助由期望开关角u*和开关角调整delta_u构成的和u，操控电机310。该方法以步骤195结束。

Claims (10)

1.一种用于调节电机（310）的方法（100），其具有步骤：

确定（110）期望开关角（u*）；

确定（120）期望状态（y*）；

确定（130）实际状态（y）；

确定（140）由所述期望状态（y*）和所述实际状态（y）构成的差（d）；

借助调节器（320），根据所述差（d），确定（150）开关角调整（delta_u）；

借助由期望开关角（u*）和开关角调整（delta_u）构成的和（u），操控（160）所述电机（310）。

2.根据权利要求1所述的用于调节电机的方法，其中，所述实际状态（y）表征通过所述电机的实际相电流（i_a,b,c），并且所述期望状态（y*）表征通过所述电机的期望相电流（i*_a,b,c）。

3.根据上述权利要求中任一项所述的用于调节电机的方法，其中，所述期望状态（y*）根据参数转矩、转速和转子角度而存放在特性曲线族中，并且根据所述参数转矩、转速和转子角，针对所述调节从所述特性曲线族中确定所述期望状态（y*）。

4.根据权利要求3所述的用于调节电机的方法，其中，借助机器模型（330）来确定所述期望状态（y*），其中所述机器模型（330）考虑所述电机的电感矩阵、电阻矩阵、磁通量和/或角速度。

5.根据上述权利要求中任一项所述的用于调节电机的方法，其中，借助所述调节器（320）来解决优化问题。

6.一种计算机程序，其包括指令，所述指令在通过计算机执行所述程序时促使所述计算机，执行根据权利要求1至5所述的方法（100）的步骤/方法。

7.一种计算机可读的存储介质，其包括指令，所述指令在通过计算机执行时促使所述计算机，执行根据权利要求1至5所述的方法（100）的步骤/方法。

8.一种用于调节电机（310）的设备（300），其具有调节装置（340），其中所述调节装置（340）包括调节器（320），

并且其中所述调节装置（340）设立为，

确定期望开关角（u*）；

确定期望状态（y*）；

确定实际状态（y）；

确定由所述期望状态（y*）和所述实际状态（y）构成的差（d）；

借助调节器（320），根据所述差（d），确定开关角调整（delta_u）；

借助由期望开关角（u*）和开关角调整（delta_u）构成的和（u），操控所述电机（310）。

9.一种传动系（400），其具有电机（310）和根据权利要求8所述的设备（300）。

10.一种车辆（500），其具有根据权利要求9所述的传动系（400）。

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