DE10065237B4

DE10065237B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Momentensteuerung oder -regelung eines Elektromotors

Info

Publication number: DE10065237B4
Application number: DE10065237A
Authority: DE
Inventors: Chi-Thuan Dr. Cao; Wolfgang Pfeiffer; Petra Blessing; Juergen Dr. Schuele
Original assignee: Robert Bosch GmbH; ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2020-12-28
Also published as: DE10065237A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung oder Regelung eines von einem Elektromotor (13) abgegebenen Moments (M), wobei der Momentensteuerung oder -regelung unterlagert der Strom (i₁, i₂, i₃) des Elektromotors (13) geregelt wird und der Elektromotor (13) von einem Umrichter (15) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines der Stromregelung unterlagerten Spannungsreglers (26) die Spannungsausgangsgrößen (u₁, u₂, u₃) des Umrichters (15) derart geregelt werden, dass sie ein vorgebbares dynamisches Verhalten aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung eines von einem Elektromotor abgegebenen Moments. Der Momentensteuerung oder -regelung unterlagert wird der Strom des Elektromotors geregelt. Der Elektromotor wird von einem Umrichter angesteuert.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Steuergerät für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs. Das Steuergerät dient u.a. zur Steuerung oder Regelung eines von einem Aktuator des Steer-by-Wire-Lenksystems abgegebenen Moments. Der Aktuator ist als ein Elektromotor ausgebildet.
Der Momentensteuerung oder -regelung ist eine Stromregelung zur Regelung des Stroms des Elektromotors unterlagert. Der Elektromotor wird von einem Umrichter angesteuert.

Aus der EP 0 778 660 A2 ist ein Servo-Lenksystem mit einem umrichtergespeisten, feldorientiert gesteuerten Drehstrommotor bekannt. An ein Servo-Lenksystem wird jedoch – insbesondere bezüglich der Betriebssicherheit von Elektromotoren und deren Regelungen oder Steuerungen – eine deutlich geringere Anforderung gestellt als an ein Steer-by-Wire-Lenksystem, da ein Steer-by-Wire-Lenksystem keine mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und zu lenkenden Rädern aufweist, die im Falle eines Defekts der Elektronik die Übertragung der Lenkbefehle von dem Lenkrad auf die zu lenkenden Räder übernehmen könnte.

Die Dissertation von Gabriel, R.: Feldorientierte Regelung einer Asynchronmaschine mit einem Mikrorechner, 1982, Technische Universität Braunschweig, S. 46–51 und 67 zeigt in Bild 17 einen feldorientiert geregelten, umrichtergespeisten Drehstromantrieb mit einem Drehmomentregler, dem ein Stromregler unterlagert ist. Bild 18 zeigt einen Spannungsregler für Feldschwächung, der dem Stromregler überlagert ist. Ein Spannungsregler, der einem Stromregler überlagert ist, kann auch Kawabata, T. et. al.: Dead Beat Control of Three Phase PWM Inverter, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 5, No. 1, 1990, S. 21–27 entnommen werden.

Das Verfahren und die Vorrichtung der eingangs genannten Art können zur Momentensteuerung oder -regelung eines in beliebigen Bereichen einsetzbaren Elektromotors eingesetzt werden. Das Verfahren und die Vorrichtung sind insbesondere bei Elektromotoren einsetzbar, bei denen ein momentenbildender Stromanteil und ein flussbildender Stromanteil miteinander verkoppelt sind, wie dies bspw. bei elektrisch kommutierten Drehstrommaschinen der Fall ist. Nachfolgend wird auf einen möglichen Einsatzbereich in einem Steer-by-Wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs Bezug genommen. Dabei wird beispielhaft das von einem als Drehstrommaschine ausgebildeten Aktuator des Steer-by-Wire-Lenksystems abgegebene Moment gesteuert bzw. geregelt.

Es wird ausgegangen von einem Steer-by-Wire-Lenksystem, das einen elektrischen Lenksteller (Ventilaktuator (VA)-Motor) aufweist, der über ein Getriebe oder direkt an einem Drehstab einer Zahnstangen-Hydrolenkung angebracht ist. Ein Fahrerwunsch wird an einem Lenkrad des Lenksystems durch einen geeigneten Sensor abgegriffen. Die Rückwirkungen von der Fahrbahn werden durch einen an dem Lenkrad angebrachten Lenkradsteller (Lenkradaktuator (LRA)-Motor) an den Fahrer übermittelt.

Der Lenksteller und der Lenkradsteller kann grundsätzlich als ein Gleichstrom- oder eine Drehstrommaschine ausgebildet sein. Gleichstrommaschinen haben den Vorteil, dass sie einfach zu regeln sind, da über Anker- und Erregerstromkreis jeweils der momentenbildende und flussbildende Stromanteil getrennt voneinander geregelt werden kann. Nachteilig wirkt sich bei Gleichstrommaschinen jedoch der Verschleiß an den Bürsten aus, wodurch sich die Ausfallwahrscheinlichkeit deutlich erhöhen kann. Aus Gründen der Zuverlässigkeit und Sicherheit werden deshalb in Steer-by-Wire-Lenksystemen zunehmend Drehstrommaschinen als Aktuatoren eingesetzt.

Der Strom einer Drehstrommaschine kann als Vektor in einem statorfesten αβ-Koordinatensystem oder in einem rotorflussfesten dq-Koordinatensystem dargestellt werden. In dem dq-System hat der Stromvektor eine momentenbildende Stromkomponente und eine flussbildende Stromkomponente. Im Gegensatz zu Gleichstrommaschinen ist die Regelung für elektrisch kommutierte Drehstrommaschinen sehr aufwendig, da hier der momentenbildende Stromanteil und der flussbildende Stromanteil miteinander verkoppelt sind.

Nach dem Stand der Technik wird das Soll-Lenkgefühl durch den Lenkradsteller entweder durch einen festen Zusammenhang (Momentensteuerung) vorgegeben oder durch eine Momentenregelung in einen Sollwert für einen momentenerzeugenden Strom des Lenkradstellers umgewandelt. Dieser Stromsollwert wird dann nach dem Durchlaufen der Stromregelung derart geregelt, dass der Lenkradsteller (LRA-Motor) dem Fahrer das entsprechende (künstlich erzeugte) Gegenmoment am Lenkrad liefert. Dieses bekommt der Fahrer direkt zu spüren. Nachteilig bei der aus dem Stand der Technik bekannten Momentenerzeugung für das Soll-Lenkgefühl ist das ständige Auftreten von Momentenwelligkeit. Dies ist insbesondere bei Steer-by-Wire-Lenksystemen äußerst störend für den Fahrer und kann sogar zu Sicherheitsproblemen führen. Aus diesem Grund sollte das Gegenmoment keine Momentenwelligkeit aufweisen.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Momentensteuerung oder -regelung eines Elektromotors mit einer verminderten Momentenwelligkeit zu realisieren.

Als eine Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von dem Verfahren zur Momentensteuerung oder -regelung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass mittels eines der Stromregelung unterlagerten Spannungsreglers Spannungsausgangsgrößen des Umrichters derart geregelt werden, dass sie ein vorgebbares dynamisches Verhalten aufweisen.

Vorteile der Erfindung

Die Unterlagerung eines Spannungsreglers unter einen Stromregler führt zu einer deutlichen Verminderung der Momentenwelligkeit des Elektromotors.

Bei einem realen Umrichter zur Ansteuerung eines Elektromotors entsteht aufgrund von Verzögerungseffekten und Nichtlinearitäten, z.B. aufgrund von Spannungs- oder Strombegrenzungen, ein Problem, dass der Umrichter eventuell die von einem Stromregler verlangte Stellgröße nicht erbringen kann. Dadurch können Schwankungen in dem Verlauf der Strangspannungen des Elektromotors, d.h. den Spannungsausgangsgrößen des Umrichters, verursacht werden. Ebenso kann es zu Phasenfehlern kommen. Dieses nichtideale Umrichterverhalten wird mit dem Lösungsansatz eines der Stromregelung unterlagerten Spannungsreglers angegangen. Der Spannungsregler ist bspw. als ein Modellfolgeregler ausgebildet.

Ziel der unterlagerten Spannungsregelung ist es, die Spannungsausgangsgrößen des Umrichters derart zu regeln, dass sie einem gewünschten dynamischen Verhalten entsprechen. Die Modellfolgeregelung führt zu einer deutlich verbesserten Dynamik des Umrichters durch geringere Störungen im Spannungsverlauf. Dadurch erhält man einen weniger schwankenden bzw. stärker gedämpften Strom- und damit Momentenverlauf, da das von dem Elektromotor abgegebene Moment dem aufgenommenen Strom direkt proportional ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass eine Spannungsausgangsgröße des Stromreglers einem Referenzmodell des geregelten Umrichters zugeführt wird und aus der Ausgangsgröße des Referenzmodells und einer aus den gemessenen Spannungsausgangsgrößen des Umrichters ermittelten Spannungsgröße eine Differenz gebildet wird, die dem Spannungsregler zugeführt wird, dessen Ausgangsgröße zu der Spannungsausgangsgröße des Stromreglers addiert wird. Das gewünschte dynamische Verhalten für den geregelten Umrichter wird über das Referenzmodell durch eine entsprechende Übertragungsfunktion vorgegeben. Es wird eine Differenz gebildet zwischen der Ausgangsgröße des Referenzmodells und einer Spannungsgröße, die aus den Spannungsausgangsgrößen des Umrichters ermittelt wird. Die Differenz wird dem Spannungsregler zugeführt, dessen Ausgangsgröße zu der Spannungsausgangsgröße des Stromreglers addiert wird. Das führt zu einem weniger schwankenden bzw. stärker gedämpften Stromverlauf.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Spannungsausgangsgrößen des Umrichters mittels mindestens einer Koordinatentransformation in eine momentenbildende Spannungskomponente eines rotorflussfesten dq-Koordinatensystems transformiert werden, wobei die Spannungskomponente als ermittelte Spannungsgröße herangezogen wird. Die Spannungsausgangsgrößen des Umrichters werden zunächst in ein statorfestes αβ-Koordinatensystem und dann in das rotorflussfeste dq-Koordinatensystem transformiert. Der Spannungsvektor im dq-System umfasst eine momentenbildende Spannungskomponente und eine flussbildende Spannungskomponente. Für die der Stromregelung unterlagerte Spannungsregelung wird lediglich die momentenbildende Spannungskomponente herangezogen.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Spannungsausgangsgrößen des Umrichters mittels mindestens einer Koordinatentransformation in eine momentenbildende Spannungskomponente eines rotorflussfesten dq-Koordinatensystems transformiert werden, wobei aus der Spannungskomponente mittels einer Filterung die Spannungsgröße ermittelt wird. Gemäß dieser alternativen Ausführungsform wird also nicht die momentenbildende Spannungskomponente unmittelbar als ermittelte Spannungsgröße herangezogen. Vielmehr wird die Spannungskomponente zunächst gefiltert und dann die gefilterte Spannungskomponente als die ermittelte Spannungsgröße herangezogen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass zur Stromregelung ein Stromregler mit einer endlichen Einstell-Zeit (EEZ-Regler) eingesetzt wird. Dies ist eine weitere Maßnahme zur Reduzierung der Drehmomentwelligkeit des Elektromotors. Gegenüber einem zur Stromregelung häufig eingesetzten Dead-Beat-Regler (DB-Stromregler) hat der EEZ-Stromregler zwar eine geringere Dynamik und eine längere Einschwingzeit. Dafür weist der EEZ-Stromregler ein geringeres Überschwingen auf und tritt infolgedessen nur äußerst selten in die Spannungsbegrenzung ein. Dadurch können Schwankungen in dem Verlauf der Strangspannungen des Elektromotors und damit auch die Drehmomentwelligkeit deutlich reduziert werden. Außerdem hat der EEZ-Stromregler eine wesentlich geringere Stromwelligkeit als ein DB-Stromregler, was sich in einem reduzierten Stromrauschen und einer reduzierten Geräuschbildung des Elektromotors positiv auswirkt.

Auch das Verfahren zur Momentensteuerung oder -regelung gemäß dieser Weiterbildung mit dem EEZ-Stromregler weist vorteilhafterweise einen der Stromregelung unterlagerten Spannungsregler zur Regelung der Spannungsausgangsgrößen des Umrichters auf. Der Einsatz eines EEZ-Reglers zur Stromregelung eines Elektromotors hat die angegebenen Vorteile aber auch ohne diese Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs 1.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass der EEZ-Stromregler derart ausgelegt wird, dass die Istgröße der Stromregelung nach mindestens vier Abtastschritten den Stromsollwert erreicht hat.

Gemäß noch einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Auswirkung des magnetischen Flusses des Elektromotors auf die Stromregelung durch eine Störgrößenaufschaltung kompensiert wird. Mit Hilfe einer Fast-Fourier-Transformation (FFT)-Analyse können bei einem vorgebbaren Sollmoment noch weitere Momentenoberwellen erkannt werden. Mittels der Störgrößenaufschaltung wird vorteilhafterweise die Auswirkung eines konstanten Polradflussanteils und einer Schwingungskomponente für eine n-te Oberwelle kompensiert. Die Störgrößenkompensation ist also an die Oberwelle angepasst, deren Schwingungskomponente kompensiert werden soll. Durch eine Verringerung der Amplitude der n-ten Flussoberwelle wird auch die in der FFT-Analyse des an dem Lenkradaktuator anliegenden Handmoments ersichtliche n-te Momentenoberwelle reduziert. Dadurch kann die Drehmomentenwelligkeit des Elektromotors deutlich reduziert werden.

Auch das Verfahren zur Momentensteuerung oder -regelung gemäß dieser Weiterbildung mit der Störgrößenaufschaltung hat vorteilhafterweise einen der Stromregelung unterlagerten Spannungsregler oder einen EEZ-Stromregler. Die Störgrößenaufschaltung bei einer Stromregelung hat die angegebenen Vorteile aber auch ohne diese Merkmale der Kennzeichen der Patentansprüche 1 und 5.

Gemäß noch einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass durch eine vorwärtssteuernde Momentenvorsteuerung eine Grob-Stellgröße und durch eine Momentenregelung mit Rückführungsstruktur eine Fein-Stellgröße zur Feinabstimmung der Momentenregelung geliefert wird. Neben der Rückführungsstruktur (feedback) der Momentenregelung weist die erfindungsgemäße Regelungsstruktur eine zusätzliche vorwärtssteuernde Momentenvorsteuerung (feedforward) auf. Da bspw. ein Steer-by-Wire-Lenksystem im realen Einsatz erheblichen Änderungen der Umgebungsbedingungen (z.B. Temperatur, Feuchtigkeit) und Alterungserscheinungen ausgesetzt ist, kommt es zu einer Änderung der Regelstreckenparameter, die zu erheblichen Abweichungen im Momentenverlauf führen können. Die Änderungen der Regelstreckenparameter werden von der erfindungsgemäßen Momentenregelung berücksichtigt. Die Regelstrecke des Momentenregelkreises umfasst neben dem Umrichter und dem Elektromotor auch den Stromregelkreis zzgl. Mitteln zur Messung bzw. Berechnung des Moments. Der Momentenregler ist bspw. als ein PI-Regler ausgebildet. Die Momentenvorsteuerung gibt einen Grobwert der Stellgröße für die Momentenregelung vor. Der Momentenregler liefet dann die eigentliche Stellgröße, die zur Feinabstimmung der Momentenregelung dient. Bei der vorgeschlagenen Regelungsstruktur folgt der Momentenistverlauf dem Sollwert sowohl bzgl. der Amplitude als auch der Phase besonders schnell und genau.

Auch das Verfahren zur Momentenregelung gemäß dieser Weiterbildung hat vorteilhafterweise eine der Stromregelung unterlagerte Spannungsregelung, einen EEZ-Stromregler oder eine Störgrößenaufschaltung. Der Einsatz der vorgeschlagenen Regelungsstruktur mit Momentenregelung und Momentenvorsteuerung hat die angegebenen Vorteile aber auch ohne diese Merkmale der Kennzeichen der Patentansprüche 1, 5 oder 7.

Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von der Vorrichtung zur Momentensteuerung oder -regelung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass die Vorrichtung ein Computerprogramm zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist.

Als noch eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von dem Steuergerät für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass in dem Steuergerät ein Computerprogramm abgespeichert ist, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, des Steuergeräts ablauffähig und zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Computerprogramm auf einem Speicherelement, insbesondere auf einem Read-Only-Memory, einem Random-Access-Memory oder einem Flash-Memory, abgespeichert ist.

Zeichnungen
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Steer-by-Wire-Lenksystems;
2 eine Struktur einer Momentensteuerung eines Lenkradreglers des Steer-by-Wire-Lenksystems aus 1;
3 eine Regelkreisstruktur einer der Momentensteuerung aus 2 unterlagerten Stromregelung;
4 eine FFT-Analyse eines Drehmomentverlaufs eines als Drehstrommaschine ausgebildeten Aktuators des Steer-by-Wire-Lenksystems aus 1;
5 eine Regelkreisstruktur einer der Momentensteuerung aus 2 unterlagerten Stromregelung mit Spannungskorrektur; und
6 eine Regelkreisstruktur einer erfindungsgemäßen Momentenregelung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist eine schematische Darstellung eines Steer-by-Wire-Lenksystems für ein Kraftfahrzeug in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Bei dem Steer-by-Wire-Lenksystem 1 wird auf eine konventionelle mechanische Lenksäule verzichtet. Die Aufgabe der mechanischen Lenksäule wird vielmehr mit Hilfe eines Lenkstellers 2 (Ventilaktuator (VA)-Motor) elektronisch realisiert. Über den Lenksteller 2 wird ein Ventil einer hydraulischen Lenkunterstützung betätigt. Zur Realisierung der hydraulischen Lenkunterstützung weist das Lenksystem 1 eine Hydraulikpumpe 3 auf, die eine Hydraulikflüssigkeit in einem Hydraulikkreislauf 4 fördert.
Ein Fahrer des Kraftfahrzeugs teilt dem Lenksystem 1 seinen Lenkwunsch mittels eines Lenkrades 5 mit. Lenkwinkelsensoren 6, 7 erfassen den Fahrerlenkwunsch δ_LR und geben diesen an einen Block 8 "Sollwertbildung" weiter. In dem Block 8 wird der Fahrerlenkwunsch δ_LR in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit v modifiziert. Dadurch kann eine geschwindigkeitsabhängige Lenkunterstützung realisiert werden. Am Ausgang des Blocks 8 liegt der Sollwert δ_LR ^* an und wird an einen Lenkregler 9 weitergeleitet. Der Lenksteller 2 ist über ein Getriebe oder direkt an einem Drehstab 10 einer Zahnstangenlenkung angebracht. Der Lenksteller 2 ist als eine elektrisch kommutierte Drehstrommaschine ausgebildet. Er wird von dem Lenkregler 9 mit Hilfe eines Umrichters 11 (VA-Umrichter) angesteuert.
Das durch den Wegfall der Lenksäule fehlende Straßengefühl, das durch das Rückstellmoment an den gelenkten Rädern 12 bzw. durch das Handmoment M an dem Lenkrad 5 ausgedrückt wird und von dem der Fahrerlenkwunsch stark abhängt, wird mit Hilfe eines Lenkradstellers 13 (Lenkradaktuator (LRA)-Motor) wieder hergestellt. Der Lenkradsteller 13 ist als eine elektrisch kommutierte Drehstrommaschine ausgebildet. Der Lenkradsteller 13 ist über ein Getriebe oder direkt an das Lenkrad 5 gekoppelt. Er wird von einem Lenkradregler 14 mittels eines Umrichters 15 (LRA-Umrichter) geregelt.
Das Sollhandmoment M^* wird mit Hilfe der Winkeldifferenz δ_VA–δ_Ritzel ermittelt. δ_VA ist der mit einem Winkelsensor 16 gemessene Winkel an dem Lenksteller 2. δ_Ritzel ist der an einem Ritzel der Zahnstangenlenkung gemessene Winkel. Der Ritzelwinkel δ_Ritzel wird mit einem an dem Ritzel angebrachten Winkelsensor 17 und/oder mit einem an einer Zahnstange der Zahnstangenlenkung angebrachten Weg- bzw. Winkelsensor 18 gemessen. Alternativ wird das Sollhandmoment M^* aus dem Strom i_VA des Lenkstellers 2 ermittelt. Das Sollhandmoment M^* wird dem Lenkradregler 14 zugeführt, der den Lenkradsteller 13 derart ansteuert, dass das Handmoment M auf das Lenkrad 5 übertragen wird. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Momentensteuerung oder -regelung einer Drehstrommaschine, insbesondere eines Aktuators für ein Steer-by-Wire-Lenksystem, die eine reduzierte Drehmomentenwelligkeit der Drehmomentmaschine ermöglicht.
Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Steer-by-Wire-Lenksystem 1 ein Steuergerät 34 mit einem Mikroprozessor 35 auf. Auf dem Mikroprozessor 35 ist ein Computerprogramm ablauffähig, das zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Das Computerprogramm ist auf einem als Flash-Memory ausgebildeten Speicherelement 36 des Steuergeräts 34 abgespeichert und wird vor oder während der Ausführung des Verfahrens über eine Datenleitung 37 in den Mikroprozessor 35 geladen. Das Steuergerät 34 erhält eine Vielzahl von Zustandsgrößen 38 sowohl des Lenksystems 1 als auch anderer Komponenten des Kraftfahrzeugs, wie bspw. der Brennkraftmaschine. Anhand dieser Zustandsgrößen 38 erzeugt das Steuergerät 34 während der Abarbeitung des Computerprogramms bzw. während der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Ansteuersignale 39 für Aktuatoren 2, 13 des Lenksystems 1 und unter Umständen auch für Aktoren anderer Fahrzeugkomponenten.
Der Strom einer Drehstrommaschine kann als Vektor in einem statorfesten αβ-Koordinatensystem oder in einem rotorflussfesten dq-Koordinatensystem beschrieben werden. In dem dq-System hat der Stromvektor eine momentenbildende Stromkomponente i_sq und eine flussbildende Stromkomponente i_sd. Der Vorteil einer Betrachtung des Stroms in einem rotorflussfesten dq-System ist, dass die momenten- und flussbestimmenden Größen unabhängig voneinander vorgegeben werden können. In 2 ist die Struktur einer Momentensteuerung des Lenkradstellers 13 dargestellt. Eine solche Momentensteuerung ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Sie wird erfindungsgemäß durch eine Reihe von Maßnahmen zur Reduzierung der Drehmomentenwelligkeit erweitert. Diese Maßnahmen werden unten ausführlich beschrieben. Die Momentensteuerung ist bspw. in dem Lenkradregler 14 realisiert. Eingangsgröße der Momentensteuerung ist die Führungsgröße (Sollwert) des Moments M^*, die z.B. von dem Lenksteller 2 vorgegeben wird. In einem mit 19 bezeichneten Funktionsblock wird eine Stromregelung in dem rotorflussfesten dq-Koordinatensystem durchgeführt. Eine Flussregelung ist nur für Assynchronmaschinen notwendig und entfällt für die hier betrachtete permanentmagneterregte Synchronmaschine (PMSM), da bei Synchronmaschinen die Rotorflusskomponenten konstant sind. Die Führungsgröße der Stromregelung ist der Statorstromvektor i_s ^*, der eine flussbildende Stromkomponente i_sd ^* und eine momentenbildende Stromkomponente i_sq aufweist.
In einem Funktionsblock 20 der Momentensteuerung wird die Führungsgröße für die flussbildende Komponente i_sd ^* zu Null gesetzt. Die Führungsgröße für den momentenbildenden Stromanteil i_sq ^* des Lenkradstellers 13 ergibt sich aus
Hierin beschreibt z_p die Polpaarzahl und Ψ_p charakterisiert den zunächst als konstant angenommenen Polradfluss des Lenkradstellers 13.
In einem Mehrgrößenregler 21 der Stromregelung 19 wird aus der vektoriellen Führungsgröße i_s ^* und der vektoriellen Regelgröße i_s eine vektorielle Stellgröße u_s gebildet, die auf die Regelstrecke 22 wirkt. Die Regelstrecke 22 umfasst den Umrichter 15, der zunächst mit einem idealen Proportionalverhalten angenommen wird, und den Lenkradsteller 13. Zusammen mit der Stromregelung 19 haben der Umrichter 15 und der Lenkradsteller 13 einen erheblichen Einfluss auf die Drehmomentenwelligkeit des abgegebenen Drehmoments.
Für die Momentensteuerung 20 ist lediglich der momentenbildende Stromanteil i_sq der Regelgröße von Bedeutung. Das auftretende Moment M am Lenkrad 5 wird entweder direkt an dem Lenkradsteller 13 mit Hilfe eines in 1 nicht dargestellten Momentensensors gemessen oder in einem Funktionsblock 23 aus der Stromkomponente i_sq nach folgender Gleichung
berechnet. Das am Ausgang der Momentensteuerung auftretende Moment M spürt der Fahrer am Lenkrad 5 als Gegenmoment bei einer vorgegebenen Winkeländerung des Lenkrads 5.
Anhand 3 wird die Stromregelung 19 aus 2 näher erläutert. Die Regelstrecke 22 ist ein ideales PMSM-Modell in dem rotorflussfesten dq-Koordinatensystem. Das PMSM-Modell lässt sich durch ein zeitvariantes System 2. Ordnung beschreiben.
Auf die Regelstrecke 22 wirkt als Eingangsgröße der Statorspannungsvektor u_s und des Weiteren eine als konstant angenommene Störgröße Ψ_p. Ausgangsgröße der Regelstrecke 22 ist der Statorstromvektor i_s im rotorflussfesten dq-Koordinatensystem. Die Regelstrecke 22 lässt sich am besten durch einen vektoriellen Mehrgrößen-Stromregler 21 beherrschen. Er beinhaltet eine Störgrößenkompensation 24 und den eigentlichen Stromregler 25. Der Stromregler 25 kann ein sogenanntes Dead-Beat-Verhalten (DB-Regler) oder ein endliches Einschwingzeit (EEZ)-Verhalten aufweisen. Der als konstant angenommene Fluss Ψ_P wird als Störgröße aufgeschaltet und mit Hilfe der Störgrößenkompensation 24 ausgeregelt.
Der als Mehrgrößenregler 21 konzipierte Stromregler hat den entscheidenden Vorteil, dass er sowohl Längs- als auch Querregler besitzt, die automatisch eine dynamische Entkopplung der momentenbildenden und der flussbildenden Stromgrößen i_sq, i_sd bewirkt. Der Reglerentwurf ist analytisch herleitbar und geschlossen. Bezüglich des Mehrgrößenreglers 21 wird ausdrücklich auf eine weitere Patentanmeldung mit dem Titel "Verfahren und Regelkreis zur Regelung des Stroms eines Elektromotors" derselben Anmelder Bezug genommen ( DE 100 63 895 A1 ).
Zur Verringerung der Drehmomentenwelligkeit des von dem Lenkradsteller 13 abgegebenen Moments M werden verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen, die entweder einzeln oder aber in einer beliebigen Kombination miteinander realisiert werden können.
Eine erste Maßnahme betrifft eine in 5 dargestellte als Modellfolgeregelung ausgebildete Spannungsregelung 26 zur Verbesserung der Dynamik des Umrichters 15. Die Spannungsregelung 26 ist der Stromregelung 19 unterlagert. Aufgrund von Verzögerungseffekten und Nichtlinearitäten, z.B. einer Spannungs- oder Strombegrenzung, entsteht bei einem realen Umrichter 15 das Problem, dass der Umrichter 15 u.U. die von dem Lenkradregler 14 geforderte Stellgröße nicht erbringen kann. Dies verursacht Schwankungen im Verlauf der Strangspannungen des Lenkradstellers 13. Ebenso kann es zu Phasenfehlern kommen.
Dieses nichtideale Verhalten des Umrichters 15 wird mit der Spannungsregelung 26 deutlich verbessert. Ziel ist dabei, die Spannungsausgangsgrößen des Umrichters 15 derart zu regeln, dass sie einem gewünschten dynamischen Verhalten entsprechen. Dieses Verhalten wird über ein Referenzmodell 27 durch eine Übertragungsfunktion G_r(s) vorgegeben. Ein Funktionsblock 28 mit einer Übertragungsfunktion G_F(s) dient zur Filterung der gemessenen und anschließend in das rotorflussfeste dq-Koordinatensystem transformierten momentenbildenden Spannungskomponente u_sq. Die gefilterte momentenbildende Spannungskomponente ist mit u_sqf bezeichnet.
In einem Funktionsblock 29 werden die Spannungen am Ausgang des Umrichters 15 erfasst. Dabei stellen u_u, u_v, u_w, u_st die Spannungen der Stränge u, v, w (bzw. 1, 2, 3) und des Sternpunktes gegen Masse dar. Mit Blöcken "K0", "K1_u" und "K2_u" werden die physikalischen Spannungen in die rotorflussfeste Spannungsgröße u_sq transformiert. Aus der von dem Stromregler 25 geforderten Spannungskomponente u_sq0 ^* wird mit Hilfe des Referenzmodells 27 die Spannung u_sqr berechnet, diese mit der gefilterten Spannung u_sqf verglichen und einem Reglerblock 30 mit einer Übertragungsfunktion G_uq(s) zugeführt. Der Reglerblock 30 erzeugt daraus ein Signal Δu_sq, das zur Verbesserung der Dynamik des Umrichters 15 zu der Spannungskomponente u_sq0 ^* addiert wird. Das Ergebnis der Modellfolgeregelung 26 ist eine bessere Dynamik des Umrichters 15 durch geringere Störungen im Spannungsverlauf. Dadurch erhält einen weniger schwankenden bzw. stärker gedämpften Stromverlauf und damit auch Momentenverlauf, da das Moment dem Strom direkt proportional ist.
Als eine weitere Maßnahme zur Verringerung der Drehmomentenwelligkeit wird vorgeschlagen, den Stromregler 25 nicht als einen Dead-Beat (DB)-Stromregler, sondern als einen auf endliche Einstell-Zeit (EEZ) entworfenen Stromregler auszubilden. Ein Vergleich der beiden Reglertypen in der nachfolgenden Tabelle verdeutlicht die Vorteile eines EEZ-Stromreglers gegenüber dem DB-Regler.
Wichtigstes Kriterium ist das geforderte Führungsübertragungsverhalten. Für den DB-Stromregler gilt
Hierin ist i_s die Statorstromregelgröße und i_s ^* die entsprechende Führungsgröße. Dies bedeutet, dass der Stromistverlauf den vorgegebenen Stromsollverlauf bei dem betrachteten System 2. Ordnung nach zwei Abtastschritten erreicht.
Für den gewählten EEZ-Stromregler ist die geforderte Führungsübertragungsfunktion
Darin ist zu erkennen, dass die Ist-Größe i_s zum Zeitpunkt k aus den Sollwerten i_s ^* der Zeitpunkte k-2, k-3 und k-4 bestimmt wird.
Die Dynamik ist bei dem DB-Regler höher als bei dem EEZ-Regler. Damit ist die Einschwingzeit des DB-Reglers kürzer als bei dem EEZ-Regler. Die Reglerkoeffizienten des DB-Reglers sind relativ groß, was zu einem starken Überschwingen und somit zu einem häufigen Eintritt in die Spannungsbegrenzung führt. Der EEZ-Regler hat dagegen kleinere Reglerkoeffizienten. Er zeigt daher nur ein mittleres Überschwingverhalten und tritt nur selten in die Spannungsbegrenzung ein.
Aufgrund des häufigen Eintretens in die Spannungsbegrenzung hat der DB-Regler eine hohe Stromwelligkeit, was zu einem Stromrauschen und zu einer hohen Geräuschbildung führt. Diese Nachteile werden durch den EEZ-Stromregler behoben, der nur selten in die Spannungsbegrenzung kommt. Er weist eine geringe Drehmomentenwelligkeit und damit ein stark reduziertes Stromrauschen und eine geringe Geräuschentwicklung auf.
Eine weitere erfindungsgemäße Maßnahme zur Reduzierung der Drehmomentenwelligkeit besteht in einer Störgrößenaufschaltung zur Kompensation der Auswirkung des magnetischen Flusses Ψ des Elektromotors 13 auf die Stromregelung 19. Die Störgrößenaufschaltung ist in 3 mit dem Bezugszeichen 24 bezeichnet. Mit der Störgrößenaufschaltung 24 lassen sich beliebige n-te Momentenoberwellen kompensieren. Mit Hilfe einer in 4 dargestellten Fast-Fourier-Transformation (FFT)-Analyse wird z.B. bei einem gewählten Sollmoment von 1 Nm noch eine weitere Momentenoberwelle bei etwa 57 Hz ersichtlich.
Die Störgrößenkompensation 24 des magnetischen Flusses Ψ_n wird so angesetzt, dass sich der Fluss Ψ_n aus der Summe des konstanten Polradflussanteils Ψ_p und einer zusätzlichen Schwingungskomponente für die n-te Oberwelle zusammensetzt.
wobei A_n die Amplitude der n-ten Oberwelle ist.
Wenn diese zusätzlich auftretende n-te Flussoberwelle gefunden ist, kann sie mit Hilfe einer darauf angepassten Störgrößenkompensation 24 ausgeregelt werden. Wenn die Reduktion der Flussoberwelle gelingt, reduziert sich auch die in der FFT-Analyse des Handmoments M ersichtliche Momentenoberwelle bei 57 Hz.
Als eine letzte Maßnahme zur Reduzierung der Drehmomentenwelligkeit wird erfindungsgemäß eine besondere in 6 dargestellte Momentenregelung vorgeschlagen. Eine nach dem Stand der Technik übliche und in 2 dargestellte reine Momentensteuerung wird durch die Momentenregelung ersetzt. Da das betrachtete Lenksystem 1 im realen Einsatz erhebliche Änderungen der Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit, Luftdruck) und Alterungserscheinungen ausgesetzt ist, kann es zu Änderungen der Regelstreckenparameter kommen. Das führt zu erheblichen Abweichungen im Drehmomentenverlauf. Die Änderungen der Regelstreckenparameter werden von einer Momentensteuerung nicht berücksichtigt, wohl aber von einer erfindungsgemäßen Momentenregelung der in 6 dargestellten Art. Die Momentenregelung kann bspw. in dem Lenkradregler 14 realisiert sein.
Eine Regelstrecke 31 des Momentenregelkreises umfasst neben dem Umrichter 15 und dem Lenkradsteller 13, den aus der Momentensteuerung (vgl. 2) bekannten Stromzegelkreis 19 einschließlich eines Übertragungsblockes zur Messung bzw. zur Berechnung 23 des Momentes M. Die in 6 dargestellte Momentenregelung stellt eine Kombination aus einer Rückführungsstruktur (Feedback-Struktur) und einer zusätzlich vorwärtssteuerenden Momentenvorsteuerung (Feedforward-Struktur) dar.
Die Momentenregelung umfasst einen z.B. als PI-Glied ausgebildeten Momentenregler 32. Die Momentenvorsteuerung 33 ist als P-Glied ausgebildet. Die Momentenvorsteuerung 33 gibt einen Grobwert i_sq,v ^* der Stellgröße vor. Der Momentenregler 32 liefert eine Stellgröße i_sq,r ^*, die zur Feinabstimmung der Momentenregelung dient. Aus der Summe der Grob-Stellgröße i_sq,v ^* und der Fein-Stellgröße i_sq,r ^* wird die eigentliche Stellgröße i_sq* für die Regelstrecke 31 gebildet. Aus der Differenz der Momenten-Führungsgröße M^* und dem Momenten-Istwert M wird die Regelabweichung ΔM für den Momentenregler 32 gebildet. Der Verlauf des Momentenistwertes M folgt gegenüber der reinen Vorsteuerung dem Sollwert M^* sowohl von der Amplitude als auch von der Phase her deutlich besser.

Claims

Verfahren zur Steuerung oder Regelung eines von einem Elektromotor (13) abgegebenen Moments (M), wobei der Momentensteuerung oder -regelung unterlagert der Strom (i₁, i₂, i₃) des Elektromotors (13) geregelt wird und der Elektromotor (13) von einem Umrichter (15) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines der Stromregelung unterlagerten Spannungsreglers (26) die Spannungsausgangsgrößen (u₁, u₂, u₃) des Umrichters (15) derart geregelt werden, dass sie ein vorgebbares dynamisches Verhalten aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsausgangsgröße (u_sq0 ^*) eines Stromreglers (21) einem Referenzmodell (27) des Umrichters (15) zugeführt wird und aus der Ausgangsgröße (u_sqr) des Referenzmodells (27) und einer aus den gemessenen Spannungsausgangsgrößen (u_u, u_v, u_w, u_st) des Umrichters (15) ermittelten Spannungsgröße (u_sqf) eine Differenz gebildet wird, die dem Spannungsregler (30) zugeführt wird, dessen Ausgangsgröße (Δu_sq) zu der Spannungsausgangsgröße (u_sq0 ^*) des Stromreglers (21) addiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsausgangsgrößen (u_u, u_v, u_w, u_st) des Umrichters (15) mittels mindestens einer Koordinatentransformation (K0, K1_u, K2_u) in eine momentenbildende Spannungskomponente (u_sq) eines rotorflussfesten dq-Koordinatensystems transformiert werden, wobei die Spannungskomponente (u_sq) als ermittelte Spannungsgröße (u_sqf) herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsausgangsgrößen (u_u, u_v, u_w, u_st) des Umrichters (15) mittels mindestens einer Koordinatentransformation (K0, K1_u, K2_u) in eine momentenbildende Spannungskomponente (u_sq) eines rotorflussfesten dq-Koordinatensystems transformiert werden, wobei aus der Spannungskomponente (u_sq) mittels einer Filterung (30) die Spannungsgröße (u_sqf) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Stromregelung ein Stromregler (21) mit einer endlichen Einstell-Zeit (EEZ-Regler) eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der EEZ-Stromregler derart ausgelegt wird, dass die Istgröße (i_s) der Stromregelung nach mindestens vier Abtastschritten den Stromsollwert (i_s ^*) erreicht hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswirkung des magnetischen Flusses (Ψ_n) des Elektromotors (13) auf die Stromregelung durch eine Störgrößenaufschaltung kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Störgrößenaufschaltung die Auswirkung eines konstanten Polradflussanteils (Ψ_p) und einer Schwingungskomponente (A_ncos(nω_st)) für eine n-te Oberwelle kompensiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine vorwärtssteuernde Momentenvorsteuerung (33) eine Grob-Stellgröße (i_sq,v ^*) und durch eine Momentenregelung (32) mit Rückführungsstruktur eine Fein-Stellgröße (i_sq,r ^*) zur Feinabstimmung der Momentenregelung geliefert wird.
Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung eines von einem Elektromotor (13) abgegebenen Moments (M), mit einer der Momentensteuerung oder -regelung unterlagerten Stromregelung zur Regelung des Stroms (i₁, i₂, i₃) des Elektromotors (13), wobei der Elektromotor (13) von einem Umrichter (15) ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Computerprogramm zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.
Steuergerät (34) für ein Steer-by-Wire-Lenksystem (1) eines Kraftfahrzeugs zur Steuerung oder Regelung eines von einem als Elektromotor (13) ausgebildeten Aktuator des Steer-by-Wire-Lenksystems (1) abgegebenen Moments (M), wobei der Momentensteuerung oder -regelung eine Stromregelung zur Regelung des Stroms (i₁, i₂, i₃) des Elektromotors (13) unterlagert ist und der Elektromotor (13) von einem Umrichter (15) ansteuerbar ist, wobei in dem Steuergerät (34) ein Computerprogramm abgespeichert ist, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor (35), des Steuergeräts (34) ablauffähig und zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 geeignet ist.
Steuergerät (34) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm auf einem Speicherelement (36), insbesondere einem Read-Only-Memory, Random-Access-Memory oder Flash-Memory, abgespeichert ist.