DE10162170B4

DE10162170B4 - Verfahren zur Steuerung eines Induktionsgenerators

Info

Publication number: DE10162170B4
Application number: DE10162170A
Authority: DE
Inventors: Victor R. Stefanovic; John Michael Saline Miller
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2000-12-13
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2021-12-14
Also published as: GB2374162B; GB0128934D0; US20020070713A1; DE10162170A1; US6417650B1; GB2374162A

Abstract

Verfahren zur Steuerung einer mindestens 3-phasigen Induktionsmaschine eines Kraftfahrzeugs auf der Basis des bei Motorregelungen bekannten Prinzips der direkten Drehmomentregelung (DTC) mit den Schritten:
Messen eines Magnetflusses (λ_FB) im Ständer der Induktionsmaschine unter Verwendung einer Vielzahl von den Magnetfluss abtastenden Spulen zur Bestimmung von Größe und Position des Magnetflusses (λ_FB) im Ständer;
Vergleichen der gemessenen Größe des Magnetflusses (λ_FB) im Ständer mit einem gewünschten Magnetfluss (λ*) zur Bestimmung einer Fehlergröße (Δλ) des Magnetflusses, wobei die Magnetfluss- Fehlergröße (Δλ) in einen Magnetfluss- Regler (MR) eingegeben wird, der als Ausgangsgröße eine Längsachsenspannung (V_d*) liefert, um die Fehlergröße des Magnetflusses (Δλ) zu reduzieren;
Bestimmen der gewünschten Drehmomentgröße (T*, T_EM*) durch Auswahl zwischen den Betriebsarten Spannungs- oder Drehmoment-Regelung der Induktionsmaschine als Motor oder Generator mit den Schritten:
a) Im Generatorbetrieb: Messen einer Spannung (V_DC) eines Wechselrichters, wobei der Wechselrichter mit der Induktionsmaschine funktionswirksam verbunden ist;
Vergleichen einer gewünschten Spannung...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer mindestens 3-phasigen Induktionsmaschine eines Kraftfahrzeugs auf der Basis des bei Motorregelungen bekannten Prinzips der direkten Drehmomentregelung (DTC).
Es gibt viele Verfahren, um die abgegebene Spannung eines Induktionsgenerators, der in einem sehr breiten Drehzahlbereich arbeitet, zu regeln. Die meisten dieser Verfahren berechnen innere Parameter des Generators wie den Magnetfluss aus Strom- und/oder Spannungsmessungen und sind somit empfindlich gegenüber einer Änderung der Parameter des Generators. Bei anderen Verfahren werden Wellenpositions-Sensoren als Teil des Regelkreises genutzt, wobei die sich ergebenden Kosten um den Preis der Zuverlässigkeit hingenommen werden.
Typischerweise sind Verfahren zur Steuerung entwickelt worden, um das Drehmoment eines Induktionsmotors zu regeln. Zuvor wurde zum Beispiel die direkte Drehmomentregelung (DTC) als ein Verfahren zur Drehmomentregelung für Induktionsmotore genutzt. Ein Verfahren dieses Typs einer Drehmomentregelung wurde in Japan entwickelt und ist in einem Beitrag von Takahashi et al. mit dem Titel „A New Quick Response and High Efficiency Strategy of an Induction Motor", Conf. Record, IEEE-IAS 1985 Ann. Meeting, Seiten 495-502 beschrieben. Eine weitere DTC wurde unabhängig davon in Deutschland entwickelt und in einem Beitrag von Depenbrock mit dem Titel „Direct Self Control for High Dynamic Performance of Inverter Fed AC Machines", ETZ Archiv, Vol. 7, Nr. 7, 1985, Seiten 211 bis 218 beschrieben.
Das Ziel dieser Verfahren war es, die Steuerung eines Induktionsmotors zu vereinfachen, während sein dynamisches Verhalten verbessert wird. Während diese Ziele im Allgemeinen erreicht wurden, ergab die Steuerung auch geringfügige stabile Zustandseigenschaften.
Modifizierungen dieses Verfahrens wurden vorgeschlagen von Lascu et al. in einem Beitrag mit dem Titel „A Modified Direct Torque Control (DTC) for Induction Motor Sensorless Drive", IEEE-IAS 1998 Ann. Meeting, Seiten 415-422. Jedoch war auch mit diesen Modifizierungen die Steuerung empfindlich gegenüber einer Änderung in einem Bereich von Motorparametern.
Die direkte Drehmomentregelung (DTC) wurde immer auf eine Motorregelung angewandt, wobei sich die Erfinder aber nicht bewusst sind, dass die DTC zur Steuerung eines Induktionsgenerators angewandt wird. Ferner waren zuvor für DTC vorgeschlagene sensorlose Projekte auch parameterempfindlich, wobei dies bei Anwendung in Kraftfahrzeugen ihre Brauchbarkeit zunichte macht.
Aus der DE 198 46 079 A1 sind ein Verfahren und eine Einrichtung zur Abbremsung eines Wechselstrommotors bekannt. Eine Bremsregelungseinrichtung mit einem Brems-Magnetflussregler und einem überlagerten Zwischenkreisspannungsregler regelt die Zwischenkreisspannung auf einen über der ideellen Versorgungsspannung liegenden Sollwert und die momentbildende Querstromkomponente unter Anpassung der magnetisierenden Längsstromkomponente auf einen vom Stellsignal des Zwischenkreisspannungsreglers bestimmten Sollwert. Die optimale Aufteilung des gesamten Motorstroms in geeignete Quer- und Längsstromkomponenten mittels der Bremsregelungseinheit liefert automatisch eine maximal mögliche Bremsleistung.
Nach De Doncker, R.W.: "Parameter sensitivity of indirect universal field-oriented controllers" in Power Electronics, IEEE Transactions on, Volume: 9, Issue: 4, July 1994, Pages: 367-376 erfolgen Untersuchungen der Parameterempfindlichkeit von universellen feldorientierten Regelungen, auch von direkten (DUFO) unter Verwendung eines (Magnet)-Fluss-Sensors. Die Untersuchungen der Parameterempfindlichkeit werden mit Berechnungsformeln, Versuchsschaltungen, mit Bausteinen zur Berechnung von Größen und Diagrammen durchgeführt.
Aus Lyra, R.O.C. et al.: „Direct and indirect flux control of an isolated indiction generator" in Power Electronics and Drive Systems, 1995, Proceedings of 1995 International Conference on, 21-24 Feb. 1995, Pages: 140-145, vol.1 ist ein nach dem Verfahren der direkten Drehmomentregelung betriebener Asynchrongenerator bekannt, bei dem ein stromgesteuerter Wechselrichter von einem Magnetflussregler und einem Zwischenkreisspannungsregler mit den feldorientierten Komponenten in Quer- und Längs-Richtung angesteuert wird.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung einer mindestens 3-phasigen Induktionsmaschine eines Kraftfahrzeugs auf der Basis des bei Motorregelungen bekannten Prinzips der direkten Drehmomentregelung (DTC) so auszuführen, dass es mit geringem Aufwand einen universellen Einsatz der Induktionsmaschine ermöglicht.
Das Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen erfasst.
Die Erfindung betrifft in erster Linie die Steuerung eines Induktionsgenerators mit einer Phasenzahl, die gleich oder größer als 3 ist. Es wird vorgeschlagen, anstelle einer Berechnung des Magnetflusses unter Verwendung von Motorgleichungen wie es im Stand der Technik vorgenommen wird, den Magnetfluss abtastende Spulen zu nutzen, um Größe und Position des Magnetflusses im Ständer zu erzielen. Das liegt daran, dass die Nutzung einer Berechnung des Magnetflusses zu Ergebnissen führt, die von Parametern des Motors abhängig sind.
Die Steuerung des Induktionsgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt durch Verwendung der direkten Drehmomentregelung (DTC). Die DTC weicht von einer Vektorregelung dadurch ab, dass die Vektorregelung Stromregler erforderlich macht, während die DTC dies nicht erfordert. In ihrer ursprünglichen Form benötigte die DTC nur eine Regelung von Drehmoment und Magnetfluss. In dieser Anwendung wird gemäß der Erfindung nicht zwangsläufig das Drehmoment, sondern vielmehr der Magnetfluss der Maschine und die abgegebene Spannung des Generators geregelt.
Die vorliegende Erfindung hat mit der Steuerung von Induktionsgeneratoren zu tun und ist durch bisher nur auf eine Motorregelung angewandte DTC Konzepte inspiriert. Die Merkmale, die diese Erfindung vom Stand der Technik unterscheiden, umfassen:

1) Nutzung von Prinzipien der DTC in einer Generatorsteuerung;
2) Steuerung des Magnetflusses in einer Maschine und der abgegebenen Spannung;
3) Verwendung von den Magnetfluss abtastenden Spulen, um eine Größe und Position des Magnetflusses im Ständer zu erzielen (bestehende DTC Projekte nutzen eine Berechnung des Magnetflusses, der zu Ergebnissen führt, die von den Parametern des Motors abhängig sind).

Eine Anwendung der vorliegenden Erfindung besteht für einen Induktionsgenerator zur Nutzung in Kraftfahrzeugen und speziell für eine Induktionsmaschine einer Anlasser-Drehstromlichtmaschine in einem Kraftfahrzeug. Eine weitere Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung besteht bei einem Windkraftgenerator.
Die Erfindung ist außerdem auf eine Induktionsmaschine mit einer elektronisch auswählbaren Anzahl von Polen anwendbar.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine minimale Ausstattung mit Sensor bei breitem konstanten Leistungsdrehzahlbereich einer ringgewickelten Anlasser-Drehstromlichtmaschine als Induktionsmaschine (S/A) und speziell zur Spannungsregelung in der Generator- Betriebsart zu verwirklichen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, magnetflussabtastende Spulen zu nutzen, um die Empfindlichkeit von Maschinenparametern und Berechnungsfehler zu reduzieren, indem eine Form der Regelung mit Rückführung bereitgestellt wird.
Darüber hinaus ist das Steuerverfahren auf ein System anwendbar, bei dem ein Wechselrichter genutzt wird, um einen Generator zu steuern, wobei die Drehzahl veränderlich ist und nicht geregelt wird. Im Falle einer Kraftfahrzeuganwendung ist die Drehzahl von der Drehzahl des Kraftfahrzeugmotors abhängig und wird somit nicht geregelt. Im Falle eines Windkraftgenerators ist die Drehzahl von der Geschwindigkeit des durch die Flügel des Windrades wehenden Windes abhängig, die ebenfalls nicht geregelt wird.
Letztlich ist die Regelung des Arbeitspunktes des Generators und speziell des Lastdrehmomentes, das der Generator auf die Kraftmaschine wie einem Verbrennungsmotor oder einem Windkraftgenerator aufbringt, mit der Erfindung möglich.
Diese und andere Ziele, Aufgaben und Vorteile der Erfindung können durch verschiedene Verfahren zur Steuerung eines Induktionsgenerators erfüllt werden, wie es unten beschrieben wird.
Die Erfindung wird zunächst durch ein Verfahren zur Steuerung eines Induktionsgenerators realisiert, indem nur die Magnetfluss abtastenden Spulen verwendet werden, ohne dass Stromsensoren oder Positionssensoren erforderlich sind. Dieses Verfahren umfasst die Schritte:

– Messen eines Magnetflusses im Ständer des Generators unter Verwendung einer Vielzahl von den Magnetfluss abtastenden Spulen zur Bestimmung einer Größe und Position des Magnetflusses im Ständer;
– Messen einer Gleichspannung eines Wechselrichters, wobei der Wechselrichter mit dem Generator funktionswirksam verbunden ist;
– Vergleichen der gemessenen Größe des Magnetflusses im Ständer mit einem gewünschten Magnetfluss zur Bestimmung einer Fehlergröße des Magnetflusses, wobei die Magnetfluss-Fehlergröße in einen Magnetflussregler eingegeben wird;
– Bestimmen einer Längsachsenspannung als Ausgangswert des Magnetflussreglers, um die Fehlergröße des Magnetflusses zu reduzieren; Vergleichen einer gewünschten Spannung mit der gemessenen Gleichspannung zur Bestimmung einer Fehlergröße der Spannung, wobei die Spannungs-Fehlergröße in einen Spannungsregler eingegeben wird;
– Bestimmen einer Querachsenspannung als Ausgangswert des Spannungsreglers, um die Fehlergröße der Spannung zu reduzieren; und
– Umwandeln der Längsachsenspannung und der Querachsenspannung in Spannungen eines ortsfesten Bezugssystems unter Verwendung der Position des Magnetflusses im Ständer.

Die Erfindung wird auch durch ein Verfahren zur Steuerung eines Induktionsgenerators realisiert, indem Magnetfluss abtastende Spulen und Stromsensoren genutzt werden. Dieses Verfahren umfasst die Schritte:

– Messen eines Magnetflusses im Ständer des Generators unter Verwendung einer Vielzahl von den Magnetfluss abtastenden Spulen zur Bestimmung von Größe und Position des Magnetflusses im Ständer;
– Messen eines Stroms im Generator unter Verwendung von mehreren Stromsensoren; Messen einer Gleichspannung eines Wechselrichters, wobei der Wechselrichter mit dem Generator funktionswirksam verbunden ist; Vergleichen der gemessenen Größe des Magnetflusses im Ständer mit einem gewünschten Magnetfluss zur Bestimmung einer Fehlergröße des Magnetflusses, wobei die Magnetfluss-Fehlergröße in einen Magnetflussregler eingegeben wird;
– Bestimmen eines gewünschten Längsachsenstroms als Ausgangswert des Magnetflussreglers zur Reduzierung der Fehlergröße des Magnetflusses; Vergleichen des gewünschten Längsachsenstroms mit dem gemessenen Strom zur Bestimmung einer Fehlergröße des Längsachsenstroms, wobei die Fehlergröße des Längsachsenstroms in den Längsachsen-Stromregler eingegeben wird;
– Bestimmen einer Längsachsenspannung als Ausgangswert des Längsachsen-Stromreglers, um die Fehlergröße des Längsachsenstroms zu reduzieren; Vergleichen einer gewünschten Gleichspannung mit der gemessenen Gleichspannung zur Bestimmung eines Fehlerwertes der Spannung, wobei der Spannungs- Fehlerwert in einen Spannungsregler eingegeben wird;
– Bestimmen einer Querachsenspannung, um von eirier Drehmoment- Fehlergröße und einer Fehlergröße des Querachsenstroms zumindest eine zu reduzieren; und
– Umwandeln der Längsachsenspannung und der Querachsenspannung in Spannungen eines ortsfesten Bezugssystems unter Verwendung der Position des Magnetflusses im Ständer.

Vor einer Bestimmung der oben erörterten Querachsenspannung ist es möglich, eine Fehlergröße des Drehmoments und eine Fehlergröße des Querachsenstroms zu bestimmen wie es nachstehend erörtert werden wird.
Es ist außerdem möglich, Größe und Position des Magnetflusses im Läufer anstelle von Größe und Position des Magnetflusses im Ständer zu verwenden, da die Größe und die Position des Magnetflusses im Läufer aus der Größe und der Position des Magnetflusses im Ständer berechnet werden kann.
Die Erfindungsvarianten werden aus der folgenden Beschreibung mit Bezug auf Ausführungsbeispiele noch klarer in Verbindung mit der Zeichnung bzw. Diagrammen. Es zeigen:
1 die schematische Darstellung eines Verfahrens zur Bestimmung der Spannung in der Längsachse und der Spannung in der Querachse für einen Induktionsgenerator nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 die schematische Darstellung eines weiteren Verfahrens zur Bestimmung der Spannung in der Längsachse und der Spannung in der Querachse für einen Induktionsgenerator nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 die schematische Darstellung eines weiteren Verfahrens zur Bestimmung der Spannung in der Querachse für einen Induktionsgenerator nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 die schematische Darstellung eines weiteren Verfahrens zur Bestimmung der Spannung in der Querachse für einen Induktionsgenerator nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 die schematische Darstellung eines weiteren Verfahrens zur Bestimmung der Spannung in der Längsachse und der Spannung in der Querachse für einen Induktionsgenerator nach einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Steuerung eines Induktionsgenerators mit einem Läufer und einem Ständer, der eine Vielzahl von Phasenwicklungen aufweist. Die Anzahl der Phasen entspricht oder ist größer als 3. Eine Anzahl von Magnetfluss abtastenden Spulen ist mit dem Induktionsgenerator funktionswirksam verbunden, um die Größe und Position des Magnetflusses im Ständer bereitzustellen. Ein Wechselrichter mit mehreren elektronischen Schaltern und eine Regelung werden ebenfalls mit dem Induktionsgenerator verwendet. Der Wechselrichter kann die gleiche Anzahl von Phasen wie der Induktionsgenerator aufweisen. Der Wechselrichter ist so angeschlossen, um die Phasenwicklungen selektiv unter Strom zu setzen. Ein programmierbarer Mikroprozessor wie ein digitaler Signalprozessor ist mit dem Wechselrichter funktionswirksam verbunden und enthält ein Programm, um die Steuerung des Induktionsgenerators durchzuführen.
In ein Ausführungsbeispiel ist ein Spannungsregelkreis einbezogen. In diesem Ausführungsbeispiel sind keine Sensoren zur Messung des Stroms erforderlich, da die Ströme nicht direkt geregelt werden. Stattdessen wird die Magnetfluss-Rückkopplung von Magnetfluss abtastenden Spulen erzielt, während die Spannungsrückkopplung eine Gleichspannung des Wechselrichters oder die in der Gleichstromleitung (Batterie) gemessene Spannung darstellt.
Ein weiterer Nutzen der Verwendung von Magnetfluss abtastenden Spulen ist die direkte Messung des Magnetflusses während einer Feldschwächung. Dies kann zu einer verbesserten Leistungsfähigkeit der Drehstromlichtmaschine in Kraftfahrzeuganwendungen führen, was die Anforderung an eine exakte Modellierung von magnetischen Nichtlinearitäten der Maschine reduziert.
In 1 ist ein Verfahren zur Steuerung eines Induktionsgenerators gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Zur Steuerung des Induktionsgenerators muss eine Längsachsenspannung und eine Querachsenspannung berechnet und in Spannungen des ortsfesten Bezugssystems umgeformt werden.
Die Größe und Position des Magnetflusses im Ständer des Generators λ_FB bzw. θ_λ werden durch Verwendung einer Vielzahl von den Magnetfluss abtastenden Spulen (nicht gezeigt) bestimmt. Die Gleichspannung V_DC (gemessen) des mit dem Generator funktionswirksam verbundenen Wechselrichters (nicht gezeigt) wird ebenfalls gemessen. Dann wird die Größe des Magnetflusses λ_FB im Ständer mit einem gewünschten Magnetfluss λ* verglichen, um eine Magnetfluss-Fehlergröße Δλ zu bestimmen. Die Längsachsenspannung V*_d wird anschließend als Ausgangswert des Magnetflussreglers MR gewählt, um die Fehlergröße Δλ des Magnetflusses zu reduzieren.
In der Beschreibung sind durchweg verschiedene Verfahren der Regelung einschließlich der Verwendung eines Proportional-Integralreglers, eines Abtastreglers, eines Reglers mit Prädiktion, eines nichtlinearen Reglers und Typen von anderen, an sich bekannten Reglern in Erwägung gezogen. Außerdem wird in jedem Regelkreis der spezifische Fehlertyp (Magnetfluss, Spannung, Drehmoment oder Strom) vorzugsweise auf Null reduziert, um den gewünschten Ausgangswert zu erzielen, der in dem Steuerverfahren weiter genutzt wird.
1 zeigt außerdem den grundlegenden Vorgang zur Bestimmung der Querachsenspannung V_q*. Eine gewünschte oder angewiesene Spannung V_DC* wird zu Anfang mit der gemessenen Gleichspannung V_FB verglichen, um eine Fehlergröße ΔV der Spannung zu bestimmen. Eine Möglichkeit, die gemessene Gleichspannung V_FB zu erzielen, besteht darin, die am Wechselrichter gemessene, eingegebene Gleichspannung zu nutzen. Anschließend wird die Querachsenspannung V_q* als Ausgangswert des Spannungsreglers VR gewählt, um die Fehlergröße ΔV der Spannung zu reduzieren.
Sobald die Längsachsenspannung V_d* und die Querachsenspannung V_q*, wie es in 1 gezeigt wird, erzielt sind, werden sie in Spannungen des ortsfesten Bezugssystems umgewandelt, indem die Position des Magnetflusses θ_λ im Ständer genutzt wird wie es an sich bekannt ist. Die Umwandlung in ortsfestes physikalisches Bezugssystem ist symbolisiert durch Kästchen U. Die Ausgangswerte für diese Umwandlung sind die jeweiligen Spannungen V₁ bis V_n, wobei n die Anzahl der Phasen des Generators ist. Für einen Drehstromgenerator würden diese Spannungen V₁, V₂ und V₃ (manchmal auch als V_a, V_b und V_c bezeichnet) sein.
Die 2 bis 4 stellen ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar, bei dem die Längsachsenspannung V_d* und Querachsenspannung V_q* erzielt werden können, wenn den Magnetfluss abtastende Spulen und Stromsensoren in einer Kombination genutzt werden. In dieser Art der Realisierung der Erfindung ist die Ergänzung von Stromsensoren nicht erforderlich, da durch solche Sensoren zusätzliche Kosten entstehen; jedoch wird durch die Ergänzung von Stromsensoren den Schutz für das Systems etwas erhöht und die Leistungsfähigkeit des Systems verbessert.
2 zeigt ein Verfahren zur Erzielung der Längsachsenspannung V_d*, wenn Stromsensoren mit den Magnetfluss abtastenden Spulen ebenfalls in Kombination genutzt werden. Wie es in 2 gezeigt wird, werden Größe und Position des Magnetflusses λ_FB bzw. θ_λ im Ständer des Generators (nicht gezeigt) bestimmt, indem mehrere Magnetfluss abtastende Spulen genutzt werden. Die Größe des gemessenen Magnetflusses λ_FB im Ständer wird anschließend mit einem gewünschten Magnetfluss λ* verglichen, um eine Fehlergröße Δλ des Magnetflusses zu bestimmen. Der Längsachsenstrom I_d* wird dann gewählt, um die Fehlergröße Δλ des Magnetflusses zu reduzieren. Der Längsachsenstrom I_d* wird dann mit dem gemessenen Längsachsenstrom I_d verglichen, um eine Fehlergröße ΔI_d des Längsachsenstroms zu bestimmen. Die Längsachsenspannung V*_d wird dann als Ausgangswert des Längsachsenstromreglers CR gewählt, um die Fehlergröße ΔI_d des Längsachsenstroms zu reduzieren.
Die 2 bis 4 zeigen drei unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung der Querachsenspannung V_q*. Diese Verfahren können miteinander vertauscht werden. In 2 wird die gewünschte Gleichspannung V_DC* am Anfang mit der gemessenen Gleichspannung V_DC verglichen, um eine Fehlergröße ΔV der Spannung zu bestimmen. Die Fehlergröße ΔV der Spannung wird anschließend in einen Gleichspannungsregler DC VR eingegeben. Hier wird eine gewünschte Drehmomentgröße T* bestimmt, indem der Ausgangswert des Spannungsreglers durch die Geschwindigkeit ω_e des Magnetflusses im Generator dividiert wird, um die Fehlergröße ΔV der Spannung zu reduzieren. Die gewünschte Drehmomentgröße T* wird dann mit der geschätzten Drehmomentgröße T verglichen, um die Fehlergröße ΔT des Drehmoments zu bestimmen. Die Fehlergröße ΔT des Drehmoments wird anschließend in einen Drehmomentregler TR eingegeben. Die Querachsenspannung V_q* wird dann als Ausgangswert des Drehmomentreglers TR bestimmt, um die Fehlergröße ΔT des Drehmoments zu reduzieren. Sobald die Längsachsenspannung V_d* und die Querachsenspannung V_q* nach diesem Verfahren bestimmt sind, werden sie in Spannungen V₁ bis V_n des ortsfesten Bezugssystems unter Verwendung der Position des Magnetflusses im Ständer umgewandelt wie es in Verbindung mit 1 beschrieben ist.
In der 3 ist ein alternatives Verfahren zur Berechnung der Querachsenspannung V_q* beschrieben. In 3 wird die gewünschte Gleichspannung V_DC* zu Anfang mit der gemessenen Gleichspannung V_DC verglichen, um eine Fehlergröße ΔV der Spannung zu bestimmen. Die Fehlergröße ΔV der Spannung wird anschließend in einen Gleichspannungsregler DC VR eingegeben. Dann wird, wie zuvor beschrieben, eine gewünschte Drehmomentgröße T* bestimmt, um die Fehlergröße ΔV der Spannung zu reduzieren. Die gewünschte Drehmomentgröße T* wird anschließend mit einem Verstärkungsfaktor K genutzt, um die Größe des gewünschten Querachsenstroms I_q* zu berechnen. Ein Verfahren zur Berechnung der Verstärkung kann die Läuferinduktivität L_R, die Gegeninduktivität L_m, den Magnetfluss AR im Läufer und die Anzahl der Polpaare pp. einbeziehen. Unter Verwendung dieser Parameter kann die Verstärkung berechnet werden durch: K = (2/3pp)·(LR/Lm)·(1/λR)
Andere Verfahren zur Berechnung der Verstärkung sind bekannt und möglich und diese anderen Verfahren können in Verbindung mit diesem Ausführungsbeispiel verwendet werden.
Nachdem die Größe des gewünschten Querachsenstroms I_q* bestimmt ist, wird sie mit dem gemessenen Querachsenstrom I_q verglichen, um eine Fehlergröße ΔI_q des Querachsenstroms zu bestimmen. Die Fehlergröße ΔI_q des Querachsenstroms wird dann in einen Querachsenstromregler Q-CR eingegeben. Anschließend wird die Querachsenspannung V_q* als Ausgangswert des Querachsenstromreglers bestimmt, um die Fehlergröße ΔI_q des Querachsenstroms zu reduzieren. Sobald die Querachsenspannung V_q* nach diesem Verfahren bestimmt ist, wird sie in Verbindung mit der in der oberen Hälfte von 2 bestimmten Längsachsenspannung V_d* genutzt. Beide Spannungen werden dann unter Verwendung der Position des Magnetflusses im Ständer wie oben beschrieben in Spannungen V₁ bis V_n des ortsfesten Bezugssystems umgewandelt.
In der 4 ist ein weiteres alternatives Verfahren zur Berechnung der Querachsenspannung V_q* beschrieben. In 4 wird die gewünschte Gleichspannung V_DC* zu Anfang mit der gemessenen Gleichspannung V_DC verglichen, um eine Fehlergröße ΔV der Spannung zu bestimmen. Die Fehlergröße ΔV der Spannung wird dann in einen Gleichspannungsregler DC VR eingegeben. Anschließend wird, wie zuvor beschrieben, eine gewünschte Drehmomentgröße T* bestimmt, um die Fehlergröße ΔV der Spannung zu reduzieren. Die gewünschte Drehmomentgröße T* wird dann mit einer geschätzten Drehmomentgröße T verglichen, um die Fehlergröße ΔV des Drehmoments zu bestimmen. Die Drehmoment- Fehlergröße ΔV wird anschließend in einen Drehmomentregler TR eingegeben.
Der gewünschte Querachsenstrom I_q* wird dann bestimmt, um die Fehlergröße ΔT des Drehmoments zu reduzieren. Nachdem die Größe des gewünschten Querachsenstroms I_q* bestimmt ist, wird sie mit dem gemessenen Querachsenstrom I_q verglichen, um eine Fehlergröße ΔI_q des Querachsenstroms zu bestimmen. Die Fehlergröße ΔI_q des Querachsenstroms wird anschließend in einen Querachsenstromregler Q-CR eingegeben. Die Querachsenspannung V_q* wird dann als Ausgangswert des Querachsenstromreglers bestimmt, um die Fehlergröße ΔI_q des Querachsenstroms zu reduzieren. Sobald die Querachsenspannung V_q* nach diesem Verfahren bestimmt ist, wird sie in Verbindung mit der in der oberen Hälfte der 2 bestimmten Längsachsenspannung V_d* genutzt. Beide Spannungen werden anschließend in Spannungen V₁ bis V_n des ortsfesten Bezugssystems unter Verwendung der Position des Magnetflusses im Ständer wie oben beschrieben umgewandelt.
Die in den 2 und 4 beschriebene Größe des geschätzten Drehmoments T kann unter Verwendung verschiedener Verfahren berechnet werden. Ein Verfahren zur Berechnung der Größe des geschätzten Drehmoments T kann die Läuferinduktivität L_R, die Gegeninduktivität L_m, den Magnetfluss λ_R im Läufer, den gemessenen Strom I_q und die Anzahl der Polpaare pp. einbeziehen. Unter Verwendung dieser Parameter kann die Größe des geschätzten Drehmoments T berechnet werden durch: T = (3/2)·pp·(Lm/LR)·λR·Iq
Es ist an sich bekannt, dass andere Verfahren zur Berechnung der Größe des geschätzten Drehmoments möglich sind und diese Verfahren in Verbindung mit diesem Ausführungsbeispiel verwendet werden können.
5 veranschaulicht zusätzliche Verfahren zur Bestimmung der Längsachsenspannung V_d* und der Querachsenspannung V_q*. Dies ist eine Modifizierung des in 2 gezeigten Verfahrens, wobei die Elemente, welche die gleichen von 2 sind, wegen der Kürze nicht wieder beschrieben werden. Es ist außerdem möglich, die nachstehend beschriebene Schalt- und Abbildungsfunktion durch Bestimmung der Querachsenspannung V_q* mit den in Bezug auf die 3 und 4 dargestellten und beschriebenen Verfahren einzubeziehen.
In der Leitung der Längsachsenspannung kann ein Verfahren zur Bestimmung des gewünschten Magnetflusses λ* die Drehzahl der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors oder eines Windkraftgenerators (nicht gezeigt) nutzen, die mit einem Generator verbunden sind. Wie in 5 gezeigt ist, wird die Drehzahl n in den gewünschten Magnetfluss abgebildet, der einer Drehzahl-Magnetflusskurve zugrunde gelegt ist. Es ist außerdem möglich, andere Drehzahlmessungen zum Beispiel die Drehzahl einer Generatorwelle zu nutzen. Diese erzeugt den gewünschten Magnetfluss λ*, der anschließend mit dem gemessenen Magnetfluss λ_FB verglichen wird. Die restlichen Schritte zur Berechnung der gewünschten Längsachsenspannung sind oben in Verbindung mit 2 beschrieben.
Unter Berücksichtigung der Leitung der Querachsenspannung ist es möglich, einen Schalter S1 (Hardware- oder Softwareschalter) einzubeziehen, der ausgewählt werden kann, um den Ablauf des Steuerungsverfahrens in Abhängigkeit von einer gewünschten Betriebsart zu führen. Wenn sich der Schalter S1 in der Position 1 kontaktiert, arbeitet die Leitung der Querachsenspannung in einer Art und Weise wie es in Verbindung mit 2 oben beschrieben ist. Wenn sich der Schalter S1 in der Position 0, der dargestellten Stellung, befindet, umgeht das Steuersystem den Spannungsvergleich und die Schritte des Gleichspannungsreglers. Stattdessen nutzt das Verfahren das vom Generator gewünschte Wellendrehmoment T_shaft und berechnet in der Recheneinrichtung R das gewünschte elektromagnetische Drehmoment T_EM* durch eine Interpolations-Abbildungsfunktion, die eine Kompensierung wegen der Drehmomentverluste im Generator einschließt. Es sind auch andere an sich bekannte Verfahren zur Berechnung des gewünschten elektromagnetischen Drehmoments T_EM* aus dem gewünschten Drehmoment der Generatorwelle möglich. Das gewünschte elektromagnetische Drehmoment T_EM* wird dann mit dem geschätzten Drehmoment verglichen, und das Verfahren setzt sich fort wie es oben in Verbindung mit 2 beschrieben wurde. Dies ermöglicht eine Wahl der Spannungsregelung oder Drehmomentregelung auf dem Niveau des Systems speziell für den Fall einer integrierten Anlasser-Lichtmaschine.
Die vorliegende Erfindung wurde mit Bezug auf einige Ausführungsbeispiele beschrieben, aber es ist klar, dass der Fachmann andere Varianten erkennt, die vom Umfang der Patentansprüche abgedeckt werden.

Claims

Verfahren zur Steuerung einer mindestens 3-phasigen Induktionsmaschine eines Kraftfahrzeugs auf der Basis des bei Motorregelungen bekannten Prinzips der direkten Drehmomentregelung (DTC) mit den Schritten: Messen eines Magnetflusses (λ_FB) im Ständer der Induktionsmaschine unter Verwendung einer Vielzahl von den Magnetfluss abtastenden Spulen zur Bestimmung von Größe und Position des Magnetflusses (λ_FB) im Ständer; Vergleichen der gemessenen Größe des Magnetflusses (λ_FB) im Ständer mit einem gewünschten Magnetfluss (λ*) zur Bestimmung einer Fehlergröße (Δλ) des Magnetflusses, wobei die Magnetfluss- Fehlergröße (Δλ) in einen Magnetfluss- Regler (MR) eingegeben wird, der als Ausgangsgröße eine Längsachsenspannung (V_d*) liefert, um die Fehlergröße des Magnetflusses (Δλ) zu reduzieren; Bestimmen der gewünschten Drehmomentgröße (T*, T_EM*) durch Auswahl zwischen den Betriebsarten Spannungs- oder Drehmoment-Regelung der Induktionsmaschine als Motor oder Generator mit den Schritten: a) Im Generatorbetrieb: Messen einer Spannung (V_DC) eines Wechselrichters, wobei der Wechselrichter mit der Induktionsmaschine funktionswirksam verbunden ist; Vergleichen einer gewünschten Spannung (V_DC*) mit der gemessenen Spannung (V_DC) zur Bestimmung einer Fehlergröße der Spannung (ΔV) und Bestimmen der gewünschten Drehmomentgröße (T*, T_EM*) als Ausgangswert des Spannungsreglers (VR), um die Spannungs- Fehlergröße (ΔV) zu reduzieren oder b) Im Motorbetrieb: Bestimmen der gewünschten Drehmomentgröße (T_EM*), aus einer gewünschten Drehmomentgröße (T_shaft*) an der Generatorwelle und Umwandeln der Drehmomentgröße (T_shaft*) an der Generatorwelle in die gewünschte Drehmomentgröße (T_EM*) durch eine Interpolations-Abbildungsfunktion in einer Reiheneinrichtung (R) und Bestimmen einer Querachsenspannung (V_q*) mittels eines Drehmomentreglers (TR), um die Spannungs- Fehlergröße (ΔV) im Generatorbetrieb zu reduzieren oder die gewünschte Drehmomentgröße (T_EM*) im Motorbetrieb zu regeln; und Umwandeln der Längsachsenspannung (V_d*) und der Querachsenspannung (V_q*) zu Spannungen im ortsfesten Bezugssystem (U₁, U₂, ...U_n) unter Verwendung der Position des Magnetflusses (λ_FB) im Ständer.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt des Berechnens der Größe und Position eines Magnetflusses im Läufer aus dem Magnetfluss (λ_FB) im Ständer; Vergleichen des Magnetflusses (λ_FB) im Ständer und/oder des Magnetflusses im Läufer zur Bestimmung einer Fehlergröße (Δλ) des Magnetflusses und beim Umwandeln Verwenden der Position des Magnetflusses (λ_FB) im Ständer und der Position des Magnetflusses im Läufer.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt der Reduzierung der Magnetfluss-Fehlergröße (Δλ) auf Null in dem Schritt der Bestimmung einer Längsachsenspannung (V_d*) und/oder der Verfahrensschritt der Reduzierung der Fehlergröße der Spannung (ΔV), auf Null in dem Schritt der Bestimmung einer Querachsenspannung (V_q*) angewendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die zusätzlichen Schritte: Messen eines Stroms (I_d) im Generator unter Verwendung einer Vielzahl von Stromsensoren; Bestimmen eines gewünschten Längsachsenstroms (I_d*), um die Magnetfluss-Fehlergröße (Δλ) zu reduzieren; Vergleichen des gewünschten Längsachsenstroms (I_d*) mit dem gemessenen Strom (I_d) zur Bestimmung einer Fehlergröße des Längsachsenstroms (ΔI_d), wobei die Längsachsenstrom- Fehlergröße (ΔI_d) in einen Längsachsenstromregler (CR) eingegeben wird; und die alternativen Schritte: Bestimmen einer Längsachsenspannung (V_d*) um die Fehlergröße (ΔI_d) des Längsachsenstroms zu reduzieren; Bestimmen einer Querachsenspannung (V_q*), um die Drehmoment- Fehlergröße (ΔT) und/oder die Querachsenstrom- Fehlergröße (ΔI_q) zu reduzieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: Bestimmen einer gewünschten Drehmomentgröße (T*), um die Fehlergröße (ΔV) der Spannung zu reduzieren; Vergleichen der gewünschten Drehmomentgröße (T*) mit einer geschätzten Drehmomentgröße (T) zur Bestimmung einer Fehlergröße (ΔT) des Drehmoments, wobei die Drehmoment-Fehlergröße (ΔT) in einen Drehmomentregler (TR) eingegeben wird; und in dem der Schritt zur Bestimmung der Querachsenspannung (V_q*) die Drehmoment-Fehlergröße (ΔT) reduziert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: Bestimmen einer gewünschten Drehmomentgröße (T*) als Ausgangswert des Spannungsreglers (VR), um die Fehlergröße (ΔV) der Spannung zu reduzieren; Berechnen einer gewünschten Größe des Querachsenstroms (I_q*), aus der gewünschten Drehmomentgröße (T*); Vergleichen der gewünschten Größe des Querachsenstroms (I_q*), mit einer gemessenen Größe des Querachsenstroms (I_q) zur Bestimmung einer Fehlergröße (ΔI_q) des Querachsenstroms, wobei die Querachsenstrom- Fehlergröße (ΔI_q) in einen Querachsenstromregler (QCR) eingegeben wird; und bei dem der Schritt zur Bestimmung der Querachsenspannung (V_q*) die Fehlergröße (ΔI_q) des Querachsenstroms reduziert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: Bestimmen einer gewünschten Drehmomentgröße (T*), um die Spannungs-Fehlergröße (ΔV) zu reduzieren; Vergleichen der gewünschten Drehmomentgröße (T*) mit einer geschätzten Drehmomentgröße (T) zur Bestimmung der Fehlergröße (ΔT) des Drehmoments, wobei die Drehmoment- Fehlergröße (ΔT) in einen Drehmomentregler (TR) eingegeben wird; Bestimmen einer gewünschten Querachsenstromgröße (I_q*) zur Reduzierung der Fehlergröße (ΔT) des Drehmoments; Vergleichen der gewünschten Querachsenstromgröße (I_q*) mit einer gemessenen Querachsenstromgröße (I_q) zur Bestimmung der Fehlergröße (ΔI_q) des Querachsenstroms, wobei die Querachsenstromgröße in einen Querachsenstromregler (QCR) eingegeben wird; und bei dem der Schritt zur Bestimmung der Querachsenspannung (V_q*) die Fehlergröße (ΔI_q) des Querachsenstroms reduziert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: Bestimmen der gewünschten Drehmomentgröße (T_EM*) durch Schalten zwischen den Schritten a) Vergleichen einer gewünschten Gleichspannung (V_DC*) mit der gemessenen Gleichspannung (V_DC) zur Festlegung einer Spannungs- Fehlergröße (ΔV) und Bestimmen einer gewünschten Drehmomentgröße (T_EM*) als Ausgangswert des Spannungsreglers (VR), um die Spannungs- Fehlergröße (ΔV) zu reduzieren und b) Bestimmen der gewünschten Drehmomentgröße (T_EM*), indem eine gewünschte Drehmomentgröße (T_shaft*) an der Generatorwelle erzielt wird und Umwandeln der Drehmomentgröße (T_shaft*) an der Generatorwelle in die gewünschte Drehmomentgröße (T_EM*) durch eine Abbildungsfunktion.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Messens einer Gleichspannung (V_DC) das Messen einer Batteriegleichspannung umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Steuerung eines ringförmig gewickelten Generators umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Regelung einer Längsachsenspannung (V_d*) und der Regelung einer Querachsenspannung (V_q*) die Verwendung eines Proportional-Integralreglers einschließt.