DE102004030974A1

DE102004030974A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung der Momentwelligkeit eines Drehmoments einer direkt geregelten elektrischen Drehfeldmaschine

Info

Publication number: DE102004030974A1
Application number: DE200410030974
Authority: DE
Inventors: Martin Gustmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-06-26
Filing date: 2004-06-26
Publication date: 2006-02-09

Abstract

Vorgestellt werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung der Momentwelligkeit (W) eines Drehmoments (M) einer direkt geregelten elektrischen Drehfeldmaschine (10), wobei die Momentwelligkeit (W) des Drehmoments (M) durch Eliminierung eines Gleichanteils DOLLAR I1 einer Statorflussverkettung DOLLAR I2 reduziert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Reduzierung der Momentwelligkeit eines Drehmoments einer direkt geregelten elektrischen Drehfeldmaschine nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.

Zur Regelung der Drehzahl, des Drehmoments sowie der Wirk- oder Blindleistung einer elektrischen Drehfeldmaschine, beispielsweise eines mittels eines Wechselrichters angesteuerten Synchronmotors, ist oftmals die Kenntnis des Drehwinkels der elektrischen Drehfeldmaschine erforderlich, für dessen Ermittlung in der Regel teure Sensoren oder rechenaufwändige Winkelmodelle benötigt werden. Ein bekanntes Verfahren, die Notwendigkeit derartiger Sensoren oder aufwändiger Rechenmodelle zu umgehen, ist die direkte Drehmomentregelung (Direct Torque Control – DTC), bei der in Abhängigkeit von der tatsächlichen Spannung und dem tatsächlichen Strom der elektrischen Drehfeldmaschine das Drehmoment sowie die Statorflussverkettung berechnet und direkt zur Regelung der Soll-Spannung verwendet werden können. Die Kenntnis über den Drehwinkel wird also bei der DTC nicht mehr benötigt. Ein derartiges Verfahren ist zum Beispiel aus der TW-A-494 612 bekannt.

Störeinflüsse, wie eine ungenaue Spannungsansteuerung sowie eine Temperaturabhängigkeit des Statorwicklungswiderstandes der elektrischen Drehfeldmaschine, können bei der DTC jedoch zu einer verbleibenden Momentwelligkeit des geregelten Drehmoments führen, die es zu reduzieren gilt. Ein Verfahren zur Reduzierung der Drehmomentwelligkeit für eine Asynchronmaschine ist aus der KR-A-2003002979 bekannt. Dabei wird ein Zeitpunkt mit minimaler Drehmomentwelligkeit durch partielle Differenzierung eines sich aus einem Momentregler und einem Flussverkettungsregler berechenbaren Änderungszeitpunktes eines resultierenden Spannungsvektors gefunden und der optimale Schaltzeitpunkt unter Berücksichtigung einer Momentveränderung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Asynchronmaschine bestimmt.

Vorteile der Erfindung

Gegenüber dem Stand der Technik weisen das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil auf, dass die Reduzierung der Momentwelligkeit des Drehmoments einer direkt geregelten elektrischen Drehfeldmaschine durch Eliminierung eines Gleichanteils der Statorflussverkettung zu einer Energie-, Raum- und Kosteneinsparung infolge der Vermeidung aufwändiger Rechenprozessoren führt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Gleichanteil der Statorflussverkettung mit Hilfe eines mathematischen Strommodells zur Berechnung der Statorflussverkettung unter Berücksichtigung einer Statorinduktivität und eines Statorstromes der direkt geregelten elektrischen Drehfeldmaschine durch eine zeitliche Mittelwertbildung des Statorstromes berechnet, wobei die zeitliche Mittelwertbildung des Statorstromes durch eine Filterung mittels eines Tiefpasses erfolgt. Auf diese Weise können durch die zusätzliche Verwendung rein passiver Bauelemente statt aufwändiger Rechenprozessoren weitere mögliche Fehlerquellen vermieden werden.

Weiterhin ist vorgesehen, dass zur Reduzierung der Momentwelligkeit des Drehmoments der Gleichanteil der Statorflussverkettung zu definierten Zeitpunkten einem Integralspeicher eines mathematischen Spannungsmodells zur Berechnung der Statorflussverkettung hinzuaddiert wird. Alternativ kann der Gleichanteil der Statorflussverkettung auch zunächst integriert und anschließend dem Ergebnis des mathematischen Spannungsmodells hinzuaddiert werden. In besonders vorteilhafter Weise ergeben sich die definierten Zeitpunkte dabei entweder in äquidistanten Abständen, d.h. regelmäßig, oder können aus einer so genannten Look-Up-Tabelle, in der die definierten Zeitpunkte abgelegt sind, ausgelesen werden. Die Verwendung einer Look-Up-Tabelle erlaubt beispielsweise eine verbesserte Korrektur der Drehmomentwelligkeit in Abhängigkeit von der Drehzahl der direkt geregelten elektrischen Drehfeldmaschine.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Maßnahmen sowie aus der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung.

Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 und 2 beispielhaft erläutert. Es zeigen
1: ein Diagramm der gewünschten und der tatsächlichen Statorflussverkettungstrajektorie sowie ein Diagramm des gewünschten und des tatsächlichen Drehmomentverlaufs in Abhängigkeit von der Zeit,
2: ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reduzierung der Momentwelligkeit des Drehmoments einer direkt geregelten elektrischen Drehfeldmaschine.
Beschreibung
1 zeigt zum Einen ein Diagramm der Trajektorien der Vektoren der erwarteten Statorflussverkettung ψ →_est und der tatsächlichen Statorflussverkettung ψ → und zum Anderen ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs des erwarteten Drehmoments M_est und des tatsächlichen Drehmoments
nach der Anwendung des mathematischen Spannungsmodells
zur direkten Drehmomentregelung einer in 2 dargestellten, elektrischen Drehfeldmaschine 10, wobei p eine Polpaarzahl, I → einen Vektor des tatsächlichen Statorstromes, U → einen Vektor der tatsächlichen Statorspannung und R einen Statorwicklungswiderstand der elektrischen Drehfeldmaschine 10 beschreiben. Weiterhin definiert × das Kreuzprodukt zweier Vektoren, während t die Zeit symbolisiert. Die Statorflussverkettung ψ → lässt sich über eine Windungsanzahl w einer Statorinduktivität L der elektrischen Drehfeldmaschine 10 unmittelbar aus dem magnetischen Fluss Φ → nach der Beziehung ψ → = w·Φ → berechnen.
Aus 1 ist nun zu erkennen, dass die tatsächliche Statorflussverkettung ψ → aufgrund einer ungenauen Spannungsansteuerung oder einer Temperaturabhängigkeit des Statorwicklungswiderstandes R von der erwarteten Statorflussverkettung ψ →_est derart abweicht, dass es zu einer Verschiebung des charakteristischen Kreises der Statorflussverkettungstrajektorie aus dem Ursprung des Koordinatensystems kommt. Diese Dezentrierung führt zu einer unerwünschten, sinusförmigen Momentwelligkeit W des tatsächlichen Drehmoments M, deren Frequenz unmittelbar von der Drehzahl der elektrischen Drehfeldmaschine 10 abhängt. Das erwartete Drehmoment M_est weist dagegen den gewünschten, linearen Verlauf über die Zeit t auf.
Die Verschiebung der Statorflussverkettungstrajektorie bzw. die Entstehung der Momentwelligkeit W des Drehmoments M liegt in der Integration des mathematischen Spannungsmodells begründet, da sich kleinste Störeinflüsse akkumulieren und mit der Zeit zu relativ großen Abweichungen führen können.
Eine Möglichkeit zur Reduzierung der Momentwelligkeit W ergibt sich durch Anwendung des mathematischen Strommodells zur Berechnung der Statorflussverkettung ψ → = L·I → + ψ →Rotor,wobei ψ →_Rotor den Vektor einer Permanentflussverkettung eines Rotors 12 der in 2 gezeigten, elektrischen Drehfeldmaschine 10 beschreibt. Da bei dem mathematischen Strommodell im Gegensatz zum mathematischen Spannungsmodell keine Integration zur Berechnung der Statorflussverkettung ψ → erforderlich ist, kann hier auch nicht das Problem der Dezentrierung der Statorflussverkettungstrajektorie auftreten. Dass das mathematische Strommodell trotzdem nicht unmittelbar für die DTC verwendet wird, ergibt sich aus der Notwendigkeit eines Sensors zur Ermittlung der Permanentflussverkettung ψ →_Rotor des Rotors 12 und den damit verbundenen Mehrkosten. Für die Reduzierung der Momentwelligkeit W des mathematischen Spannungsmodells ist jedoch lediglich der Gleichanteil
des mathematischen Strommodells erforderlich. Dieser lässt sich direkt ohne zusätzlichen Sensor berechnen, da der Gleichanteil der Permanentflussverkettung ψ →_Rotor bei gleichförmig rotierendem Rotor 12 verschwindet und folglich die Beziehung
gilt.
Der mit Hilfe des mathematischen Strommodells berechnete Gleichanteil
der Statorflussverkettung ψ → muss schließlich in definierten Zeitpunkten einem Integralspeicher 14 des mathematischen Spannungsmodells hinzuaddiert werden. Alternativ kann der Gleichanteil
der Statorflussverkettung ψ → auch direkt integriert und anschließend zu definierten Zeitpunkten dem Ergebnis des mathematischen Spannungsmodells hinzuaddiert werden. Die definierten Zeitpunkte können dabei äquidistante Abstände aufweisen, so dass die Addition regelmäßig erfolgt. Da es sich bei dem Integrationsfehler des mathematischen Spannungsmodells um ein relativ langsames Phänomen handelt, kann die Korrektur mittels des Gleichanteils
des mathematischen Strommodells in verhältnismäßig großen Abständen, z.B. alle 100 bis 1000 ms, erfolgen. Weiterhin ist es aber auch möglich, die definierten Zeitpunkte in eine Look-Up-Tabelle abzulegen und in Abhängigkeit von der Drehzahl der elektrischen Drehfeldmaschine auszulesen.
In 2 ist das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reduzierung der Momentwelligkeit W des Drehmoments M einer direkt geregelten elektrischen Drehfeldmaschine 10 mit der Statorinduktivität L, dem Statorwicklungswiderstand R sowie dem Rotor 12 gezeigt. Für den Betrieb der elektrischen Drehfeldmaschine 10 wird ein gewünschtes Soll-Drehmoment M_soll vorgegeben. Um Abweichungen von dem Soll-Drehmoment M_soll zu vermeiden, erfolgt eine direkte Drehmomentregelung mittels eines Drehmomentreglers 16 und eines unterlagerten Flussverkettungsreglers 18. Während der Drehmomentregler 16 beispielsweise als PI-Regler zur Lieferung einer Soll-Statorflussverkettung ψ →_soll ausgeführt sein kann, gilt für den Flussverkettungsregler 18 zur Lieferung der erforderlichen Soll-Statorspannung U →_soll die Beziehung
wobei Δψ → eine Statorflussverkettungsdifferenz definiert, die sich aus der Soll-Statorflussverkettung ψ →_soll und der tatsächlichen Statorflussverkettung ψ → gemäß der Beziehung Δψ → = ψ →_soll – ψ → ergibt.
Die DTC nach dem Stand der Technik funktioniert nun derart, dass sowohl die tatsächliche Statorspannung U → als auch der tatsächliche Statorstrom I → gemessen und an den Integralspeicher 14 des mathematischen Spannungsmodells zur Berechnung der tatsächlichen Statorflussverkettung
übergeben werden. Die anhand des mathematischen Spannungsmodells innerhalb des Integralspeichers 14 berechnete, tatsächliche Statorflussverkettung ψ → dient dann zusammen mit dem gemessenen, tatsächlichen Statorstrom I → zur Berechnung des tatsächlichen Drehmoments
in einem Momentberechnungsblock 20.
Für die DTC werden nun einerseits eine sich aus dem Soll-Drehmoment M_soll und dem tatsächliche Drehmoment M ergebende Drehmomentdifferenz ΔM = M_soll – M mittels des Momentreglers 16 in die Soll-Statorflussverkettung ψ →_soll und andererseits die Statorflussverkettungsdifferenz Δψ → mittels des Flussverkettungsreglers 18 in die Soll-Statorspannung U →_soll zur Versorgung der elektrischen Drehfeldmaschine 10 überführt. Auf diese Weise ist es sehr einfach möglich, eventuelle Abweichungen zwischen der tatsächlichen Statorspannung U → und der Soll-Statorspannung U →_soll auszuregeln. Allerdings kann die Berechnung der tatsächlichen Statorflussverkettung ψ → mittels des mathematischen Spannungsmodells aufgrund der Integration innerhalb des Integralspeichers 14 zu einer Momentwelligkeit W des tatsächlichen Drehmoments M in der bereits geschilderten und in 1 dargestellten Weise führen.
Zur Reduzierung der Momentwelligkeit W sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung in 2 daher einen Tiefpass 22 für eine zeitliche Mittelwertbildung des tatsächlichen Statorstromes I → zur Berechnung des Gleichanteils ψ → der mittels des mathematischen Strommodells berechneten Statorflussverkettung ψ → nach der Beziehung
vor, der anschließend zu definierten Zeitpunkten dem Integralspeicher 14 des mathematischen Spannungsmodells übergeben wird. Auf diese Weise erhält der Flussverkettungsregler 18 einen korrigierten Wert Δψ →, dessen Gleichanteil nicht mehr Null ist. Die vom Flussverkettungsregler 18 durchgeführte Gegenregelung führt damit zu einer Reduzierung der Momentwelligkeit W. Im besten Fall kann die Momentwelligkeit W des Drehmoments M auch vollständig verschwinden.
Neben der Realisierungsmöglichkeit, den Integralspeicher 14 und den Tiefpass 22 elektrisch leitend miteinander zu verbinden, kann es alternativ auch angedacht sein, dass der Integralspeicher 14 und der Tiefpass 22 als Programmstrukturen eines mathematischen Algorithmus innerhalb eines nicht gezeigten Mikroprozessors ausgebildet sind. Im letzteren Fall umfasst der Algorithmus natürlich auch den Drehmomentregler 16, den Flussverkettungsregler 18 und den Momentberechnungsblock 20, so dass die gesamte DTC per mathematischem Algorithmus auf einem DSP, ASIC oder dergleichen durchgeführt werden kann.
Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass das gezeigte Ausführungsbeispiel weder auf die 1 und 2 noch auf die genannten Werte für die Additionszeitpunkte des Gleichanteils
beschränkt ist. Weiterhin sei erwähnt, dass unter einer direkten Drehmomentregelung nicht zwingend eine Drehmomentregelung mit unterlagerter Flussverkettungsregelung zu verstehen ist. Ebenso lässt sich die Erfindung auch auf andersgeartete direkte Drehmomentregelungen anwenden.

Claims

Verfahren zur Reduzierung der Momentwelligkeit (W) eines Drehmoments (M) einer direkt geregelten elektrischen Drehfeldmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Momentwelligkeit (W) des Drehmoments (M) durch Eliminierung eines Gleichanteils
einer Statorflussverkettung (ψ →) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichanteil
der Statorflussverkettung (ψ →) mit Hilfe eines mathematischen Strommodells zur Berechnung der Statorflussverkettung (ψ →) unter Berücksichtigung einer Statorinduktivität (L) und eines Statorstromes (I →) der direkt geregelten elektrischen Drehfeldmaschine (10) durch eine zeitliche Mittelwertbildung des Statorstromes (I →) nach der Beziehung
berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Mittelwertbildung des Statorstroms (I →) durch eine Filterung mittels eines Tiefpasses (22) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung der Momentwelligkeit (W) des Drehmoments (M) der Gleichanteil
der Statorflussverkettung (ψ →) zu definierten Zeitpunkten einem Integralspeicher (14) eines mathematischen Spannungsmodells zur Berechnung der Statorflussverkettung (ψ →) hinzuaddiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung der Momentwelligkeit (W) des Drehmoments (M) der Gleichanteil
der Statorflussverkettung (ψ →) zu definierten Zeitpunkten integriert und zu dem Ergebnis des mathematischen Spannungsmodells hinzuaddiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die definierten Zeitpunkte äquidistante Abstände aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die definierten Zeitpunkte in einer Look-Up-Tabelle abgelegt sind.
Vorrichtung zur Reduzierung der Momentwelligkeit (W) eines Drehmoments (M) einer direkt geregelten elektrischen Drehfeldmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (14, 16, 18, 20, 22) vorhanden sind, die die Momentwelligkeit (W) des Drehmoments (M) durch Eliminierung eines Gleichanteils
einer berechneten Statorflussverkettung (ψ →) reduzieren.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (14, 16, 18, 20, 22) zur Reduzierung der Momentwelligkeit (W) des Drehmoments (M) einen Integralspeicher (14) und einen Tiefpass (22) umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Integralspeicher (14) und der Tiefpass (22) elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Integralspeicher (14) und der Tiefpass (22) als Programmstrukturen eines mathematischen Algorithmus innerhalb eines Mikroprozessors ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 mit einer Statorinduktivität (L), dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Tiefpasses (22) eine zeitliche Mittelwertbildung eines Statorstromes (I →) zur Berechnung eines Gleichanteils (
) einer mittels eines mathematischen Strommodells berechneten Statorflussverkettung (ψ →) nach der Beziehung
erfolgt und der Integralspeicher (14) den Gleichanteil (ψ →) der mittels des mathematischen Strommodells berechneten Statorflussverkettung (ψ →) der mittels eines mathematischen Spannungsmodells berechneten Statorflussverkettung (ψ →) hinzuaddiert.