DE10120639B4

DE10120639B4 - Steuersystem für einen Permanentmagnetmotor

Info

Publication number: DE10120639B4
Application number: DE10120639A
Authority: DE
Inventors: Thomas P. Redondo Beach O'Meara; Nitinkumar Buena Park Ratilal Patel
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2000-06-27
Filing date: 2001-04-27
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2021-04-28
Also published as: JP3686596B2; US6304052B1; JP2002058295A; DE10120639A1

Abstract

Steuersystem für einen Innenpermanentmagnetmotor (12) mit einem Rotor (14), der eine Vielzahl von Rotorpolen definiert, einem Stator, der eine Vielzahl von Statorpolen definiert, und zumindest einer Phasenwicklung in Verbindung mit zumindest einem Statorpol, wobei das Steuersystem umfaßt:
einen ersten Regler (38) zur Aufnahme eines Drehmomentanweisungssignales (T_e*) und eines Motordrehmomentsignales (T_e) und zur Lieferung eines Statorstromanweisungssignales (I_s*), das auf die Differenz zwischen dem Motordrehmoment und dem Drehmomentanweisungssignal anspricht, wobei das Statorstromanweisungssignal in ein Anweisungssignal (I_d*) für einen Längsachsenstrom, das mit der Langsachse des Rotors in Ausrichtung ist, und ein Anweisungssignal (I_q*) für einen Querachsenstrom unterteilt ist, das mit einer Querachse des Rotors in Ausrichtung ist;
einem zweiten Regler (40) zur Aufnahme eines modifizierten Anweisungssignales (I_mq) für den Querachsenstrom als Summe des Anweisungssignales (I_q*) für den Querachsenstrom und eines Motorquerachsenstromsignales (I_q), das den tatsächlichen Querachsenstrom des Motors (12) angibt, und zur Lieferung eines geregelten Querachsenstromsignales, das von der Differenz zwischen...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft Steuersysteme für Permanentmagnetmotoren und insbesondere ein Steuersystem für einen Permanentmagnetmotor, der fünf Regler aufweist, um einen optimalen Motorwirkungsgrad unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu erhalten.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es ist in der Technik auf dem Gebiet der Permanentmagnetmotoren bekannt, das Drehmoment des Motors durch Steuerung des an den Motor gelieferten Stromes zu steuern. Typischerweise umfaßt ein Innenpermanentmagnetmotor einen Stator mit Mehrphasenwicklungen und einen Rotor mit Permanentmagneten, die innen angeordnet und von Polstücken umgeben sind. Das Magnetfeld des Stators, das durch die Statorwicklungen erzeugt wird, steht mit dem Magnetfeld des Rotors in Wechselwirkung, wodurch sich der Rotor dreht. Das Rotormagnetfeld wird durch Permanentmagnete erzeugt.
Die Drehung oder das Drehmoment des Motors wird durch Regeln der Größe und Dauer des an die Statorwicklungen angelegten Stromes gesteuert. Um das Magnetfeld zu erzeugen, wird der Statorstrom in jeder Statorphasenwicklung in einer vorbestimmten Folge, die mit der Rotor stellung synchronisiert ist, ein- und ausgeschaltet. Gewöhnlich ist das Statorstromsignal ein pulsbreitenmoduliertes Signal, das durch einen Wechselrichter (Inverter) an die Wicklungen angelegt wird. Ein Anweisungssignal für den Statorstrom kann auf Grundlage einer Trajektorie für maximales Drehmoment pro Stromstärke (Amp.) bestimmt werden. Nachdem die gewünschte Trajektorie bestimmt ist, behalten Stromregler das Stromanweisungssignal an den Statorwicklungen bei. Die Stromregler können Stromregler vom Hysteresetyp oder Proportional-Integral-PI-Stromregler sein. Der Motor läuft bei der Trajektorie für maximales Drehmoment pro Stromstärke (Amp.) am wirksamsten. Daher ist es erwünscht, ein Steuersystem für einen Permanentmagnetmotor zu schaffen, das die Abweichung von der Trajektorie für maximales Drehmoment pro Stromstärke (Amp.) minimiert.
T. M. Jahns et al.: "Interior Permanent-Magnet Synchronous Motors for Adjustable-Speed Drives" in IEEE Transactions an Industry Applications, Vol. IA-22, Nr. 4, Juli/August 1986, Seiten 738 bis 747 beschreibt ein Steuer- und Regelsystem für einen Innenpermanentmagnetmotor, bei dem eine Momentensteuerung über eine Kennlinie des maximalen Drehmomentes pro Stromstärke ausgeführt wird, wobei der unterlagerten Stromregelung optimale Sollwerte für den Längsachsenstrom und den Querachsenstrom vorgegeben werden, um ein maximales Motordrehmoment zu erreichen.
DE 44 18 997 C2 zeigt eine feldorientierte Stromregelung für einen Permanentmagnetmotor, welche als Mehrgrößenregler ausgeführt ist. Regler sind vorgesehen für den Längsachsenstrom, den Querachsenstrom, die Längsachsenspannung und die Querachsenspannung. Die Maximalspannung ist begrenzt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Steuersystem für einen Innenpermanentmagnetmotor und ein verbessertes Verfahren zur Steuerung eines Innenpermanentmagnetmotors anzugeben. Diese Aufgabe wird mit einem Steuersystem mit den Merkmalen des Anspruches 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 8 gelöst. Unteransprüche sind auf bevorzugte Ausgestaltungen gerichtet.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Steuersystem zur Steuerung eines Permanentmagnetmotors vor, der fünf Regler umfasst. Der erste Regler empfängt ein Drehmomentanweisungssignal, das das gewünschte Motordrehmoment angibt, und ein tatsächliches Motordrehmomentsignal und liefert in Ansprechen auf die Differenz zwischen dem tatsächlichen Mo tordrehmoment und einem Drehmomentanweisungssignal ein Anweisungssignal für den Statorstrom. Aus dem Drehmomentanweisungssignal wird eine Trajektorie für maximales Drehmoment pro Stromstärke (Amp.) bestimmt. Die Trajektorie ist in eine Sinus- und Kosinuskomponente geteilt und weist einen Winkel β auf, der den Winkel zwischen dem Statorstrom und der Querachse (Quadraturachse) darstellt.
Als nächstes wird das Anweisungssignal für den Statorstrom mit den Sinus- und Kosinusfunktionen multipliziert, um ein Anweisungssignal für den Längsachsenstrom (Direktachsenstrom) bzw. ein Anweisungssignal für den Querachsenstrom (Quadraturachsenstrom) zu erhalten. Die Anweisungssignale der Quer- und Längsachsenströme werden mit Motorquer- und -längsachsenstromsignalen kombiniert, um modifizierte Anweisungssignale für den Längsachsenstrom und den Querachsenstrom zu bilden, die das gewünschte Motordrehmoment angeben. Nachdem die modifizierten Anweisungssignale für den Längsachsenstrom und den Querachsenstrom vorgesehen sind, verhindert eine Begrenzungseinheit, daß das modifizierte Anweisungssignal für den Längsachsenstrom einen maximalen Statorstrom überschreitet, und jeder überschüssige Strom des maximalen Statorstromes wird dem modifizierten Anweisungssignal für den Querachsenstrom hinzugefügt.
Die zweiten und dritten Regler sind Stromregler, die geregelte Anweisungssignale für den Querachsenstrom und den Längsachsenstrom vorsehen, die auf die Differenz zwischen den jeweiligen Stromanweisungssignalen und den Motorstromsignalen ansprechen.
Ein vierter Regler ist vorgesehen, um ein erstes feldschwächendes Signal zu erzeugen, das das Längsachsenstromsignal erhöht, wenn sich die Spannung der Querachse (Querspannung) einer maximalen Sollspannung annähert. Ein fünfter Regler ist vorgesehen, um ein zweites feldschwächendes Signal zu erzeugen, das das Querachsenstromsignal verringert, wenn sich die Spannung der Längsachse einer maximalen Sollspannung annähert. Die geregelten Signale für den Längsachsenstrom und Querachsenstrom werden kombiniert, um ein pulsbreitenmoduliertes Signal zu bilden, das durch einen Wechselrichter an den Motor angelegt wird. Die vierten und fünften Regler wirken unabhängig voneinander bei der Modifikation der Signale für den Längsachsenstrom und den Querachsenstrom. Jedes feldschwächende Signal arbeitet unabhängig von Motorparametern, was eine stabilere Steuerung des Motors zur Folge hat.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das Motordrehmoment durch eine Drehmomentrechnereinheit berechnet. Die Drehmomentrechnereinheit bestimmt das Motordrehmoment aus den Motorquer- und -längsachsenstromsignalen, der Motordrehzahl und der an den Wechselrichtung gelieferten DC-Spannung. Die Rechnereinheit verwendet bei den Berechnungen eine Äquivalenz zwischen elektrischer Leistung und mechanischer Leistung, so daß gemessene magnetische Kernverluste, Kupferverluste und andere Systemverluste durch Interpolation kompensiert werden. Daher kompensiert dieses Verfahren automatisch Änderungen der Induktivität oder des Magnetflusses mit Last und Temperatur. Die einzige Ausnahme ist jedoch der Statorwiderstand, der sich mit der Temperatur ändert, was kleine Änderungen im Drehmoment zur Folge hat, die unkompensiert bleiben. Somit kann die vorliegende Erfindung ein Drehmoment schaffen, das bei Temperaturänderungen des Motors und bei einer starken Motormagnetsättigung genauer ist. Ferner kann die Erfindung ein Steuersystem schaffen, das den Motor in der Nähe einer Trajektorie für ein optimales Drehmoment pro Stromstärke (Amp.) betreibt, was eine verringerte Wechselrichternennleistung und auch verringerte Wechselrichterkosten zur Folge hat.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand bestimmter Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen nur beispielhaft beschrieben.
ZEICHNUNGSKURZBESCHREIBUNG
1 ist ein Blockdiagramm eines Steuersystemes für einen Permanentmagnetmotor gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Stirnansicht eines Rotors eines Innenpermanentmagnetmotors, die die Querachse und Längsachse zeigt.
3 ist ein Diagramm der Trajektorie für ein maximales Drehmoment pro Stromstärke (Amp.) für einen Innenpermanentmagnetmotor.
4 ist ein Diagramm, das die cos-β-Komponente der Trajektorie für ein maximales Drehmoment pro Stromstärke (Amp.) in Abhängigkeit des Drehmomentes ist.
5 ist ein Diagramm, das die sin-β-Komponente der Trajektorie für ein maximales Drehmoment pro Stromstärke (Amp.) in Abhängigkeit des Drehmomentes darstellt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In den 1 und 2 bezeichnet Bezugszeichen 10 allgemein ein Steuersystem für einen Innenpermanentmagnetmotor 12. Der Motor 12 umfaßt allgemeinen einen Stator (nicht gezeigt) und einen Rotor. Der Rotor dreht sich, wenn ein Magnetfeld des Stators, das durch die Statorwicklungen erzeugt wird, mit dem Magnetfeld des Rotors in Wechselwirkung tritt. Das Rotormagnetfeld wird durch Permanentmagnete erzeugt. Die Permanentmagnete können an der Oberfläche des Rotors oder wie bei einem Innenpermanentmagnetmotor in dem Innenraum des Rotors umgeben durch Polstücke angeordnet sein.
In 2 ist ein Innenpermanentmagnetrotor 14 gezeigt. Der Rotor 14 besteht aus einem Stapel von Rotorlaminierungen (Rotorankerblechen), die mit einer Welle (nicht gezeigt) verbunden sind. Jede Laminierung weist eine Vielzahl von Polstücken 16, 18, 20, 22 auf. Permanentmagnete 24, 26, 28, 30 sind jeweils zwischen Polstücken 16, 18, 20, 22 und dem Rotorlaminierungskern 32 eingesetzt. N und S geben die Nord- bzw. Südpole der Magnete 24, 26, 28, 30 an. Axiale Lücken 34 können mit Aluminium verkleidet sein, um Magnete 24, 26, 28, 30 zu halten und einen Abschnitt eines Anlaßkäfigs (nicht gezeigt) zu bilden.
Die Permanentmagnete 24, 26, 28, 30 sind derart angeordnet, um einen vierpoligen Rotor zu bilden. Der Rotor 14 weist eine Längsachse (Direktachse) oder d-Achse in Linie mit der Nordpolzentrallinie des Rotors auf. Eine Querachse (Quadraturachse) oder q-Achse ist um 90 elektrische Grad von der d-Achse zwischen benachbarten Polen versetzt angeordnet. Bei dem vierpoligen Rotor ist die q-Achse 45 mechanische Grad von der d-Achse versetzt. Obwohl die vorliegende Erfindung für einen vierpoligen Rotor beschrieben wird, kann sie auf andere Anzahlen von Polen (beispielsweise 2,6 etc.) unter der Voraussetzung verallgemeinert werden, daß die q-Achse zwischen benachbarten Polen angeordnet ist.
Das von dem Innenpermanentmagnetmotor entwickelte Drehmoment kann durch Steuern des Statorstromes gesteuert werden, der an die Statorphasenwicklungen des Motors angelegt wird. Der Statorstrom I_s kann in kartesischen Koordinaten durch eine d-Achsenkomponente I_d und q-Achsenkomponente I_q dargestellt werden, was ausgedrückt werden kann als: Id = Is sin β Iq = Is cos β
Der Winkel β ist der Winkel, um den der Statorstrom von der q-Achse versetzt ist. Es ist möglich, eine gewünschte Trajektorie so zu definieren, daß der Statorstrom I_s in Ansprechen auf eine Drehmomentanforderung folgt, was einen optimalen Motorbetrieb, beispielsweise eine Trajektorie für ein maximales Drehmoment pro Stromstärke (Amp.) zur Folge hat. 3 zeigt eine gewünschte Trajektorie (Solltrajektorie) für ein maximales Drehmoment pro Stromstärke (Amp.) für einen Innenpermanentmagnetmotor. Die x-Achse stellt β (Radiant) dar, und die y-Achse stellt den Statorstrom (Ampere) dar. Die topographischen Linien folgen gleichem Motordrehmoment. Für ein gegebenes Drehmomentanweisungssignal wird das größte Drehmoment pro Stromstärke (Amp.) an dem Punkt erreicht, an dem der Statorstrom für dieses Drehmoment am niedrigsten ist. Um den Motor an diesem Minimalpunkt auf der Linie, die das erwünschte Drehmoment darstellt, zu betreiben, wird der Winkel β eingestellt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung setzt eine Steuerung das Steuersystem der vorliegenden Erfindung um. Die Steuerung kann ein herkömmlicher Mikroprozessor oder Mikrocontroller sein, der Elemente umfaßt, wie beispielsweise eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU), Nurlesespeichervorrichtungen (ROM), Direktzugriffsspeichervorrichtungen (RAM), Eingangs-Ausgangs-Schaltungen (I/O) und einen A/D-Wandler. Allgemein umfaßt das System die Steuerung, die ein Drehmomentanweisungssignal T_e* bestimmt, das das erwünschte Motordrehmoment erzeugt. Aus dem Drehmomentanweisungssignal T_e* wird bei Block 36 eine Trajektorie für ein maximales Drehmoment pro Stromstärke (Amp.) bestimmt. Nachdem die Trajektorie bestimmt ist, behalten fünf Regler 38, 40, 42, 44, 46, wie in 1 gezeigt ist, eine genaue Drehmomenterzeugung unter verschiedenen Betriebsbedingungen auf Grundlage dieser Trajektorie bei. Ein Wechselrichter 48 legt ein moduliertes Stromsignal über Signalleitung 49 an die Statorwicklungen an. Das modulierte Stromsignal wird gemäß den fünf Reglern 38, 40, 42, 44, 46 erzeugt.
Genauer empfängt der erste Regler 38 das Drehmomentanweisungssignal T_e* und ein Motordrehmomentsignal T_e, das das tatsächliche Motordrehmoment angibt, und liefert ein Anweisungssignal I_s* für den Statorstrom. Das Signal I_s* spricht auf die Differenz zwischen dem Drehmomentanweisungssignal T_e* und dem Motordrehmomentsignal T_e an.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das Motordrehmoment T_e durch eine Drehmomentrechnereinheit 50 bestimmt. Die Drehmomentrechnereinheit 50 bestimmt das Motordrehmoment aus den Motorquer- und -längsachsenstromsignalen I_q, I_d, der Motordrehzahl und der DC-Spannung V_DC, die an den Motor geliefert wird. Die Motorquer- und -längsachsenstromsignale I_q, I_d werden von einem Stromsensor 52 gemessen, der mit den Statorphasenwicklungen 54 verbunden ist. Die Motordrehzahl wird durch einen Drehzahldetektor 56 gemessen, und die DC-Spannung 58, die an den Wechselrichter 48 angelegt wird, wird durch den Sensor 60 gemessen. Die Rechnereinheit 50 verwendet bei den Berechnungen eine Äquivalenz zwischen elektrischer Leistung und mechanischer Leistung, so daß gemessene magnetische Kernverluste, Kupferverluste und andere Systemverluste durch Interpolation kompensiert werden. Daher kompensiert dieses Verfahren automatisch Änderungen in der Induktivität und dem Magnetfluß mit Last und Temperatur. Die einzige Ausnahme ist jedoch der Statorwiderstand, der sich mit der Temperatur ändert, was kleine Änderungen des Drehmomentes zur Folge hat, die unkompensiert bleiben. Somit ist das Drehmoment bei Temperaturänderungen des Motors und bei starken Motormagnetsättigungen genauer.
Anschließend wird bei Block 36 die Trajektorie für das maximale Drehmoment pro Stromstärke (Amp.) bestimmt und in zwei Komponenten sin β und cos β geteilt. 4 zeigt den gewünschten cos β in Abhängigkeit des Drehmomentanweisungssignales, und 5 zeigt den gewünschten sin β in Abhängigkeit des Drehmomentanweisungssignales. Ein Anweisungssignal I_d* für den Längsachsenstrom wird durch Multiplizieren des Statorstromanweisungssignales I_s* mit sin β in der Multipliziereinheit 62 vorgesehen, und ein Anweisungssignal I_q* für den Querachsenstrom wird durch Multiplizieren des Statorstromanweisungssignales I_s* mit cos β in der Multipliziereinheit 64 vorgesehen. Diese beiden Komponenten erzeugen die richtige Stromgröße und den richtigen Winkel für die gewünschte Trajektorie.
Die Anweisungssignale I_q*, I_d* für den Querachsenstrom und den Längsachsenstrom werden mit Motorquer- und -längsachsenstromsignalen I_q und I_d an Summiereinheiten 66, 68 kombiniert, um modifizierte Anweisungssignale I_md, I_mq für den Längsachsenstrom und den Querachsenstrom zu bilden. Ferner wird an der Begrenzungseinheit 70 verhindert, daß das modifizierte Anweisungssignal I_md für den Längsachsenstrom einen maximalen Statorstrom I_max überschreitet, und den maximalen Statorstrom übersteigende Teil wird bei Begrenzungseinheit 72 dem Anweisungssignal I_mq für den Querachsenstrom hinzugefügt. Der maximale Statorstrom läßt sich aus der folgenden Gleichung ableiten.
Der zweite Regler 40 empfängt das modifizierte Anweisungssignal für den Querachsenstrom über Signalleitung 41 und liefert ein geregeltes Anweisungssignal für den Querachsenstrom, das auf die Differenz zwischen dem modifizierten Anweisungssignal I_mq für den Querachsenstrom und dem Motorquerachsenstromsignal I_q anspricht. Der dritte Regler 42 empfängt das modifizierte Anweisungssignal für den Querachsenstrom über Signalleitung 43 und liefert ein geregeltes Anweisungssignal für den Längsachsenstrom, das auf die Differenz zwischen dem modifizierten Anweisungssignal I_md für den Längsachsenstrom und dem Motorlängsachsenstromsignal I_d anspricht.
Die vierten und fünften Regler 44, 46 sind feldschwächende Regelschleifen. Die Größe der Feldschwächung, die von den Reglern 44, 46 vorgesehen wird, wird durch vorbestimmte Spannungsgrenzen bezüglich der Längsachse und Querachse und ferner durch die Motorstabilität bestimmt. Die Stabilität erfordert, daß der Längsachsenspannung (Längsspannung, Direktspannung) gegenüber der Querachsenspannung (Querspannung, Quadraturspannung) Priorität gegeben wird. Somit nimmt die Längsachsenspannung an Begrenzungseinheit 74 eine maximale Spannung auf, und überschüssige Spannung wird von der Querachsenspannung an Begrenzungseinheit 76 aufgenommen.
Der vierte Regler 44 empfängt das geregelte Querachsenstromsignal über Signalleitung 45 und erzeugt ein erstes feldschwächendes Signal I_qf-w, das das Längsachsenstromsignal an der Summiereinheit 68 erhöht, wenn sich die Querachsenspannung einer gewünschten maximalen Spannung annähert, die durch die Begrenzungseinheit 74 festgelegt ist. Ein fünfter Regler 46 empfängt das geregelte Längsachsenstromsignal über Signalleitung 47 und erzeugt ein zweites feldschwächendes Signal I_df-w, das das Querachsenstromsignal an Summiereinheit 66 verringert, wenn sich die Längsachsenspannung einer gewünschten maximalen Spannung annähert, die durch die Begrenzungseinheit 76 festgelegt ist. Die vierten und fünften Regler 44, 46 wirken unabhängig voneinander bei der Modifikation der Längsachsen- und Querachsenstromsignale. Jedes feldschwächende Signal wirkt unabhängig von Motorparametern, was eine stabilere Steuerung des Motors zur Folge hat.
Die geregelten Längsachsen- und Querachsenstromsignale werden bei Block 78 kombiniert, um ein pulsbreitenmoduliertes Signal zu bilden, das über Signalleitung 49 an den Motor angelegt wird. Vorzugsweise wird eine Raumvektormodulation verwendet, um das modulierte Signal zu erhalten. Das modulierte Signal wird von dem Wechselrichter 48 aufgenommen, und der Wechselrichter 48 legt das Signal an den Motor 12 an. Der Wechselrichter 48 kann ein Isolierschicht-Bipolartransistor-(IGBT)-Wechselrichter sein, der sechs Transistoren umfaßt, die durch das modulierte Stromsignal an- und ausgeschaltet werden, um in jeder der Phasenwicklungen 54 einen Strom in einer vorbestimmten Folge zu bilden, die mit der Winkelstellung des Rotors 14 synchronisiert ist. Das Steuersystem 10 der vorliegenden Erfindung sieht eine nahezu optimale Trajektorie für ein Drehmoment pro Stromstärke (Amp.) vor, was eine verringerte Wechselrichternennleistung und auch verringerte Wechselrichterkosten zur Folge hat.
Es ist ein Steuersystem für einen Innenpermanentmagnetmotor vorgesehen, der fünf Regler umfaßt, um eine wirksame Steuerung des Motors zu schaffen. Eine Abweichung von einer gewünschten Trajektorie (Solltrajektorie) für ein maximales Drehmoment pro Stromstärke (Amp.) wird dadurch minimiert, daß zwei der fünf Regler als feldschwächende Regler ausgebildet werden. Erste und zweite Regler sehen eine Stromsteuerung des Querachsenstromes bzw. des Längsachsenstromes vor. Eine Begrenzungseinheit begrenzt den Längsachsenstrom vor einer Überschreitung des maximal zulässigen Statorstromes, und überschüssiger Strom wird dem Querachsenstrom hinzugefügt. Vierte und fünfte Regler sind feldschwächende Regler. Der vierte Regler erzeugt ein erstes feldschwächendes Signal, das das Längsachsensignal erhöht, wenn sich die Querachsenspannung einer erwünschten maximalen Spannung annähert. Der fünfte Regler erzeugt ein zweites feldschwächendes Signal, das das Querachsenstromsignal verringert, wenn sich die Längsachsenspannung einer gewünschten maximalen Spannung annähert. Eine Wechselrichter schaltung legt gemäß den fünf Reglern ein moduliertes Stromsignal an den Motor an.

Claims

Steuersystem für einen Innenpermanentmagnetmotor (12) mit einem Rotor (14), der eine Vielzahl von Rotorpolen definiert, einem Stator, der eine Vielzahl von Statorpolen definiert, und zumindest einer Phasenwicklung in Verbindung mit zumindest einem Statorpol, wobei das Steuersystem umfaßt: einen ersten Regler (38) zur Aufnahme eines Drehmomentanweisungssignales (T_e*) und eines Motordrehmomentsignales (T_e) und zur Lieferung eines Statorstromanweisungssignales (I_s*), das auf die Differenz zwischen dem Motordrehmoment und dem Drehmomentanweisungssignal anspricht, wobei das Statorstromanweisungssignal in ein Anweisungssignal (I_d*) für einen Längsachsenstrom, das mit der Langsachse des Rotors in Ausrichtung ist, und ein Anweisungssignal (I_q*) für einen Querachsenstrom unterteilt ist, das mit einer Querachse des Rotors in Ausrichtung ist; einem zweiten Regler (40) zur Aufnahme eines modifizierten Anweisungssignales (I_mq) für den Querachsenstrom als Summe des Anweisungssignales (I_q*) für den Querachsenstrom und eines Motorquerachsenstromsignales (I_q), das den tatsächlichen Querachsenstrom des Motors (12) angibt, und zur Lieferung eines geregelten Querachsenstromsignales, das von der Differenz zwischen dem modifizierten Anweisungssignal (I_mq) für den Querachsenstrom und dem Motorquerachsenstromsignal (I_q) abhängt; einem dritten Regler (42) zur Aufnahme eines modifizierten Anweisungssignals (I_md) für den Längsachsenstrom als Summe des An weisungssignals (I_d*) für den Längsachsenstrom und eines Motorlängsachsenstromsignales (I_d), das einen tatsächlichen Längsachsenstrom des Motors (12) angibt, und zur Lieferung eines geregelten Längsachsenstromsignals, das von der Differenz zwischen dem modifizierten Anweisungssignal (I_md) für den Längsachsenstrom und dem Motorlängsachsenstromsignal (I_d) abhängt; einer Begrenzungseinheit (70), um zu verhindern, daß das modifizierte Anweisungssignal (I_md) für den Längsachsenstrom einen maximalen Statorstrom überschreitet, und um zuzulassen, daß den maximalen Statorstrom übersteigender Strom dem modifizierten Anweisungssignal (I_mq) für den Querachsenstrom hinzugefügt wird; einem vierten Regler (44) zur Aufnahme des geregelten Querachsenstromsignales (45) und zur Lieferung eines ersten feldschwächenden Signales (I_qf-w), das das Anweisungssignal (I_d*) für den Längsachsenstrom erhöht, wenn sich eine Querachsenspannung einer erwünschten Maximalspannung annähert, wobei der vierte Regler ein Proportional-Integral-(PI)-Regler ist; einem fünften Regler (46) zur Aufnahme des geregelten Längsachsenstromsignales (47) und zur Lieferung eines zweiten feldschwächenden Signales (I_df-w), das das Anweisungssignal (I_q*) für den Querachsenstrom verringert, wenn sich eine Längsachsenspannung einer erwünschten Maximalspannung annähert, wobei der fünfte Regler ein Proportional-Integral-(PI)-Regler ist; und einer Wechselrichterschaltung (48), die mit dem Motor (12) gekoppelt ist, um ein moduliertes Stromsignal (49), das eine Funktion des geregelten Längsachsenstromsignales und des geregelten Querachsenstromsignales darstellt, an die Statorwicklungen des Motors (12) in einer vorgewählten Folge anzulegen, um den Rotor (14) zu drehen.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei das Anweisungssignal (I_q*) für den Querachsenstrom durch Multiplikation des Statorstromanweisungssignales (I_s*) mit einer Kosinuskomponente einer Trajektorie für ein maximales Drehmoment pro Stromstärke (Amp.) erhalten wird, die einen Winkel β aufweist, wobei β der Winkel zwischen dem Statorstromanweisungssignal (I_s*) und der Querachse des Rotors (14) ist.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei das Anweisungssignal (I_d*) für den Längsachsenstrom durch Multiplikation des Statorstromanweisungssignales (I_s*) mit einer Sinuskomponente einer Trajektorie für ein maximales Drehmoment pro Stromstärke (Amp.) erhalten wird, die einen Winkel β aufweist, wobei β der Winkel zwischen dem Statorstromanweisungssignal (I_s*) und der Querachse des Rotors (14) ist.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei der maximale Statorstrom aus einer Quadratwurzel der Summe des Längsachsenstromes (I_d) im Quadrat und des Querachsenstromes (I_q) im Quadrat abgeleitet ist.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei der erste, zweite und dritte Regler (38, 40, 42) Proportional-Integral-(PI)-Regler sind.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei das Motordrehmomentsignal (T_e) von einer Drehmomentrechnereinheit (50) bestimmt wird.
Steuersystem nach Anspruch 6, wobei die Drehmomentrechnereinheit (50) das Motordrehmoment (T_e) gemäß dem Motorlängsachsenstromsignal (I_d), dem Motorquerachsenstromsignal (I_q), der Motordrehzahl und einer an den Motor angelegten DC-Spannung (V_dc) bestimmt.
Verfahren zur Steuerung eines Innenpermanentmagnetmotors (12) mit einem Rotor (14), der eine Vielzahl von Rotorpolen definiert, einem Stator, der eine Vielzahl von Statorpolen definiert, und zumindest einer Phasenwicklung in Verbindung mit zumindest einem Statorpol, wobei das Verfahren zumindest die Schritte umfaßt: Bildung eines Statorstromanweisungssignales (I_s*), das auf eine Differenz zwischen einem Motordrehmomentsignal (T_e) und einem Drehmomentanweisungssignal (T_e*) anspricht; Trennen des Statorstromanweisungssignales (I_s*) in ein Anweisungssignal (I_d*) für einen Längsachsenstrom, das mit einer Längsachse des Rotors (14) in Ausrichtung ist, und ein Anweisungssignal (I_q*) für einen Querachsenstrom, das mit einer Querachse des Rotors (14) in Ausrichtung ist; Summieren des Anweisungssignales (I_q*) für den Querachsenstrom und eines Motorquerachsenstromsignales (I_q), um ein modifiziertes Anweisungssignal (I_mq) für den Querachsenstrom zu bilden; Summieren des Anweisungssignal (I_d*) für den Längsachsenstrom und eines Motorlängsachsenstromsignales (I_d), um ein modifiziertes Anweisungssignal (I_md) für den Längsachsenstrom zu bilden; Begrenzen des modifizierten Anweisungssignales (I_md) für den Längsachsenstrom vor einem Überschreiten eines maximalen Statorstromes und Zulassen eines Hinzufügens von den maximalen Sta torstrom übersteigendem Strom an das modifizierte Anweisungssignal (I_mq) für den Querachsenstrom; Bereitstellen eines geregelten Querachsenstromsignales (45), das von einer Differenz zwischen dem Motorquerachsenstromsignal (I_q) und dem modifizierten Anweisungssignal (I_mq) für den Querachsenstrom abhängt; Bereitstellen eines geregelten Längsachsenstromsignales (47), das von einer Differenz zwischen dem Motorlängsachsenstromsignal (I_d) und dem modifizierten Anweisungssignal (I_md) für den Längsachsenstrom abhängt; Bereitstellen eines ersten feldschwächenden Signales (I_qf-w) mit Hilfe eines Proportional-Integral-(PI)-Algorithmus, das das Anweisungssignal (I_d*) für den Längsachsenstrom erhöht, wenn sich eine Querachsenspannung einer gewünschten maximalen Spannung annähert; Bereitstellen eines zweiten feldschwächenden Signals (I_df-w) mit Hilfe eines Proportional-Integral-(PI)-Algorithmus, das das Anweisungssignal (I_q*) für den Querachsenstrom verringert, wenn sich eine Längsachsenspannung einer gewünschten maximalen Spannung annähert; Kombinieren des geregelten Längsachsenstromsignales und des geregelten Querachsenstromsignales, um ein moduliertes Stromsignal (49) zu bilden; und Anlegen des modulierten Stromsignales an die Statorwicklungen in einer vorgewählten Folge, um den Rotor (14) zu drehen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt zum Trennen des Statorstromanweisungssignales (I_s*) eine Multiplikation des Statorstro manweisungssignales (I_s*) mit einer Kosinuskomponente einer Trajektorie für ein maximales Drehmoment pro Stromstärke (Amp.) umfaßt, die einen Winkel β aufweist, wobei β der Winkel zwischen dem Statorstromanweisungssignal (I_s*) und der Querachse des Rotors (14) ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt zum Trennen des Statorstromanweisungssignales (I_s*) eine Multiplikation des Statorstromanweisungssignales (I_s*) mit einer Sinuskomponente einer Trajektorie für ein maximales Drehmoment pro Stromstärke (Amp.) umfaßt, die einen Winkel β aufweist, wobei β der Winkel zwischen dem Statorstromanweisungssignal (I_s*) und der Querachse des Rotors (14) ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das modulierte Stromsignal, das an den Motor (12) angelegt wird, ein vektorraummoduliertes Signal ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Motordrehmomentsignal (T_e) von einer Drehmomentrechnereinheit (50) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Drehmomentrechnereinheit (50) das Motordrehmoment (T_e) gemäß dem Motorlängsachsenstromsignal (I_d), dem Motorquerachsenstromsignal (I_q), der Motordrehzahl und einer an den Motor angelegten DC-Spannung (V_dc) bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der maximale Statorstrom als die Quadratwurzel aus der Summe des Längsachsenstromes (I_d) im Quadrat und des Querachsenstromes (I_q) im Quadrat bestimmt wird.