DE102005041820A1

DE102005041820A1 - Feldabschwächungs-Motorsteuerungssystem und -Verfahren

Info

Publication number: DE102005041820A1
Application number: DE102005041820A
Authority: DE
Inventors: Nitinkumar R. Cypress Patel; Steven E. Torrance Schulz; Seung Ki Sul; Bon-Ho Bae
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-09-13
Filing date: 2005-09-02
Publication date: 2006-03-30
Also published as: US20060055363A1; CN100561854C; CN1937393A; US7023168B1

Abstract

Die Erfindung schafft ein Steuerungssystem für eine Elektromaschine, das ein Flussabschwächungsmodul umfasst, das eine Spannungsgrößen-Berechnungseinheit umfasst, die d-Achsen- und q-Achsen-Befehlsspannungen empfängt und eine Spannungsgröße erzeugt. Eine Fehlerschaltung vergleicht die Spannungsgröße mit einer Referenzspannung und erzeugt ein Fehlersignal. Eine Steuereinrichtung empfängt das Fehlersignal und erzeugt ein Rückkopplungs-Flusskorrektursignal. Ein Begrenzer begrenzt das Rückkopplungs-Flusskorrektursignal auf einen vorgegebenen Flusswert und erzeugt ein begrenztes Rückkopplungs-Flusskorrektursignal. Eine Vorwärtskopplungs-Statorfluss-Erzeugungsschaltung erzeugt ein Vorwärtskopplungs-Statorflusssignal. Eine Summierschaltung summiert das Vorwärtskopplungs-Statorflusssignal und das begrenzte Rückkopplungs-Flusskorrektursignal, um einen Befehl für endgültigen Statorfluss zu erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Steuerung von Permanentmagnet-(PM)-Motoren bzw. -Maschinen sowohl in einem Bereich konstanten Drehmoments als auch in einem Bereich mit Flussabschwächung und insbesondere auf das Einstellen des magnetischen Flusses, um die Leistung von PM-Motoren jenseits einer Grunddrehzahl zu verbessern.
Um einen PM-Motor wie etwa einen Innen-PM-(IPM)-Motor zu erregen, kann ein vektorgesteuerter PWM-Spannungsquellen-Wechselrichter verwendet werden. Das Anwenden dieser Lösung führt zu einer genauen Drehmomentsteuerung, einem verbesserten dynamischen Verhalten und einem höheren Motorwirkungsgrad. Das Verringern des magnetischen Flusses innerhalb des Motors, das auch als Fluss- oder Feldabschwächung bezeichnet wird, kann für eine verbesserte Leistungscharakteristik des PM-Motors bei höheren Drehzahlen sorgen. Eine Flussabschwächung in einem PM-Motor kann durch Einstellen der Statorerregung vorgenommen werden.
Während eines Bereichs konstanten Drehmoments steuern Stromregler die Erregung durch angelegte PWM-Spannung so, dass die unverzögerten Phasenströme ihren befohlenen Werten folgen. Jedoch kann bei höheren Drehzahlen, wenn die Motoranschlussspannung eine maximale Spannung des PWM-Wechselrichters erreicht, eine Sättigung der Stromregler eintreten. Jenseits dieses Punktes sollte der Fluss abgeschwächt werden, um bis hinauf zur maximalen Motordrehzahl eine korrekte Stromregelung aufrechtzuerhalten.
Herkömmliche Feldabschwächungslösungen beruhen auf Spannungssteuerschleifen oder Stromwinkelsteuerschleifen. Die Lösung mit Spannungssteuerschleife ist mit einer geringen dynamischen Leistung behaftet. Außerdem garantiert die Verwendung der Spannungssteuerungsschleife bei IPM-Maschinen mit Reluktanz und magnetischem Fluss kein optimales Drehmoment pro Ampere im Feldabschwächungsbereich.
Die Lösung mit Stromwinkelsteuerschleife funktioniert nicht bei PM-Maschinen mit hohem Rückwärts-EMK, da sie keinerlei Feldabschwächungsstrom injizieren kann, solange das Drehmoment nicht bei höheren Drehzahlen angelegt wird. Außerdem kann die Lösung mit Stromwinkelsteuerschleife bei einem gegebenen Befehl für konstantes Drehmoment kein konstantes entwickeltes Drehmoment (d. h. keine Drehmomentlinearität) aufrechterhalten, wenn der Antrieb in den Feldabschwächungsbereich eintritt und sich der maximalen Drehzahl nähert.
Ein Fluss- bzw. Feldabschwächungsmodul für eine Permanentmagnet-Elektromaschine umfasst einen Vorwärtskopplungs-Statorflussausdruck und einen kompensierenden Rückkopplungs-Flusskorrekturausdruck. Der Vorwärtskopplungs-Statorflussausdruck liefert den vorherrschenden Feldabschwächungsflusswert. Der Rückkopplungs-Flusskorrekturausdruck verbessert unter dynamischen Bedingungen die Stabilität und kompensiert im stationären Zustand Parameterschwankungen. Diese beiden Flussausdrücke werden addiert und begrenzt, um den endgültigen Statorflussbefehl zu ergeben.
Ein Steuerungssystem für eine Permanentmagnet-(PM)-Elektromaschine mit einem Rotor umfasst ein Spannungsbefehlsmodul, das einen Solldrehmomentbefehl, eine Gleichstromverbindungsspannung, eine Winkelgeschwindigkeit eines Rotors der PM-Elektromaschine, einen Befehl für endgültigen Statorfluss und eine Winkelposition des Rotors empfängt Das Spannungsbefehlsmodul erzeugt d-Achsen- und q-Achsen-Befehlsspannungen. Der Befehlsmodulvektor dreht die d-Achsen- und q-Achsen-Befehlsspannungen anhand der Winkelposition des Rotors, um einen ersten und einen zweiten Befehl für stationäre Spannung zu erzeugen. Ein Pulsweitenmodulations-(PWM)-Wechselrichter empfängt den ersten und den zweiten Befehl für stationäre Spannung und erzeugt Phasenspannungssignale für die PM-Elektromaschine. Ein Feldabschwächungsmodul erzeugt den Befehl für endgültigen Statorfluss anhand des Vorwärtskopplungs-Statorflussbefehls und des Rückkopplungs-Flusskorrekturbefehls.
Nach weiteren Merkmalen umfasst das Spannungsbefehlsmodul einen Drehmomentbegrenzer, der den Solldrehmomentbefehl auf einen Bereich zwischen einem oberen und einem unteren Grenzwert begrenzt und einen modifizierten Solldrehmomentbefehl erzeugt. Ein d-Achsen-Strommodul erzeugt anhand des Befehls für berechneten endgültigen Statorfluss und des modifizierten Solldrehmomentbefehls ein d-Achsen-Strombefehlssignal. Ein q-Achsen-Strommodul erzeugt anhand des Befehls für berechneten endgültigen Statorfluss und des modifizierten Solldrehmomentbefehls ein q-Achsen-Strombefehlssignal.
Nach weiteren Merkmalen empfängt ein synchroner Stromregler die d-Achsen- und q-Achsen-Strombefehlssignale und erzeugt die d-Achsen- und q-Achsen-Spannungsbefehlssignale Das Spannungsbefehlsmodul umfasst ein Synchron-zu-stationär-Modul, das die d-Achsen- und q-Achsen-Befehlsspannungen und die Rotorposition empfängt und den ersten und den zweiten Befehl für stationäre Spannung erzeugt.
Nach nochmals weiteren Merkmalen misst ein Rotorpositions-Messwandler die Rotorposition und erzeugt ein Rotorpositionssignal. Alternativ schätzt eine Rotorpositions-Schätzeinrichtung bzw. -funktion die Rotorposition und erzeugt ein Rotorpositionssignal.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigt:
1A einen funktionalen Blockschaltplan eines Motorsteuerungssystems für einen Permanentmagnet-Motor gemäß der Erfindung;
1B einen ausführlicheren funktionalen Blockschaltplan des Motorsteuerungssystems nach 1;
2 eine exemplarische Verweistabelle, die sich auf den direkten Achsenstrom (d-Achsen-Strom) (I_d), das Solldrehmoment und den Befehl für berechneten endgültigen Statorfluss bezieht;
3 eine exemplarische Verweistabelle, die sich auf den um 90° phasenverschobenen Achsenstrom (q-Achsen-Strom) (I_q), das Solldrehmoment und den Befehl für berechneten endgültigen Statorfluss bezieht;
4 einen Graphen, der die Feldabschwächungsleistung während eines Drehmomentübergangs bei konstanter Motordrehzahl für eine exemplarische Implementierung zeigt;
5 einen Graphen, der die Feldabschwächungsleistung während Drehzahlübergängen bei 50 % eines konstanten Befehlsdrehmoments für eine exemplarische Implementierung zeigt;
6 einen Graphen, der die Feldabschwächungsleistung während Drehzahlübergängen bei 100 % eines konstanten Befehlsdrehmoments für eine exemplarische Implementierung zeigt; und
7 einen Graphen, der Betriebsbereiche im Feldabschwächungs-Steuerungssystem gemäß der Erfindung zeigt.
Der Begriff "Modul", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, eine Steuereinrichtung bzw. einen Regler, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, eigens zugewiesen oder für eine Gruppe) mit Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität besitzen.
Die Spannungsgleichung für den IPM in dem synchronen Drehreferenzrahmen kann wie folgt in Matrixform dargestellt werden:
wobei V e / ds und V e / qs d-Achsen- und q-Achsen-Motoranschlussspannungen in dem synchronen Referenzrahmen sind. i e / ds und i e / qs sind d-Achsen- und q-Achsen-Motoranschlussströme in dem synchronen Referenzrahmen. L_ds und L_qs sind d-Achsen- und q-Achsen-Statorselbstinduktivitäten. R_s ist der Statorwiderstand. ϕ_f ist die Permanentmagnet-Flussverbindung. ω_e ist die elektrische Winkelgeschwindigkeit.
Die Gleichung für entwickeltes Drehmoment des IPM lässt sich wie folgt ausdrücken:
wobei P die Anzahl von Polen ist. Die Gleichstromverbindungsspannung und PWM-Strategien begrenzen die maximale Spannung V_smax. Der Nennstrom des Wechselrichters und die thermische Nennleistung der Maschine bestimmen den maximalen Strom I_smax. Daher haben die Spannung und der Strom des Motors die folgenden Grenzwerte: Veds 2 + Veqs 2 ≤ Vsmax 2 (3) ieds 2 + ieqs 2 ≤ Ismax 2 (4)
Der erfindungsgemäße Feldabschwächungsalgorithmus arbeitet innerhalb der in den Gleichungen (3) und (4) umrissenen Grenzwerte. Obwohl sich die Erfindung auf IPM-Maschinen bezieht, ist Fachleuten klar, dass die Feldabschwächungslösung gemäß der Erfindung auf Maschinen mit innerem (oder vergrabenem) Permanentmagneten, Maschinen mit an der Oberfläche angebrachtem Magneten, synchrone Reluktanz-Maschinen oder ähnliche Maschinen angewandt werden kann.
Die Drehmomentgleichung (2) stellt eine Kurve konstanten Drehmoments in der d-q-Stromebene entsprechend dem gegebenen Drehmoment dar. Auf der Linie konstanten Drehmoments lässt sich die Flussgröße als Funktion des d-Achsen-Stroms wie folgt darstellen:
wobei der tief gestellte Index 'n' den normierten Wert bezeichnet und ρ das Saliency-Ratio L_qn/L_dn ist.
Die Flussgröße in Gleichung (5) nimmt, durch den zweiten Ausdruck bedingt, in Bezug auf die d-Achsen-Stromgröße zu. Außerdem geht sie nach unendlich, wenn der d-Achsen-Strom zur Asymptote I_dn = ϕ_fn/(ρ – 1)L_dn konvergiert, da der Nenner des ersten Ausdrucks nach null konvergiert. Der Arbeitspunkt mit der minimalen Flussgröße auf der Kurve konstanten Drehmoments wird wie folgt aus der Differenzierung von Gleichung (5) hergeleitet:
Die Flussgröße ist für jeden Arbeitspunkt, der (6) genügt, konstant, wobei die Änderung der Spannungsgröße bei einer festen Motordrehzahl null ist. Die Arbeitspunkte mit einer konstanten Ausgangsspannung sind hinsichtlich der Drehzahl durch Ellipsen wiedergegeben, wobei die Änderung der Flussgröße auf den Ellipsen null ist.
7 zeigt die in der d-q-Stromebene aufgezeichneten Spannungs- und Stromgrenzwerte nach den Gleichungen (3) und (4). Die Spannungsgrenzwertellipse besitzt bei einer gegebenen Drehzahl eine konstante Spannungsgröße und einen konstanten Flusspegel. Somit treten die Arbeitspunkte minimaler Flussgröße auf der Kurve konstanten Drehmoments an den Schnittpunkten der Kurven konstanten Drehmoments mit den Ellipsen konstanter Spannung auf. Die Punkte minimaler Flussgröße können durch eine Linie dargestellt werden, die MFPT-Linie (MFPT, Minimum Flux Per Torque = Minimaler Fluss Pro Drehmoment) genannt wird. Auf den Kurven konstanten Drehmoments nimmt die Flussgröße ab, wenn sich die Arbeitspunkte der MFPT-Linie nähern, und umgekehrt.
7 zeigt die durch die MTPA-Linie (MTPA, Maximum Torque Per Ampere = Maximales Drehmoment Pro Ampere), die Stromgrenzwertlinie (d. h. A-B) und die MFPT-Linie unterteilten drei Betriebsbereiche. Der Feldabschwächungsbetrieb in den drei Bereichen kann wie folgt kurz zusammengefasst werden:
Im Bereich 1 (rechts von der Linie O-A) erfordern die Arbeitspunkte bei einem gegebenen Drehmomentbefehl einen höheren Strom als jene auf der MTPA-Linie. Außerdem erfordern die Arbeitspunkte in diesem Bereich eine größere Flussgröße und eine höhere Ausgangsspannung als jene auf der MTPA-Linie. Aus diesem Grund wählt der Feldabschwächungsbetrieb anstatt der Punkte dieses Bereichs die Arbeitspunkte auf der MTPA-Linie als Funktion des Drehmomentbefehls aus.
Im Bereich 2 (zwischen den Linie O-A und B-C) erfordern die Arbeitspunkte bei einem gegebenen Drehmomentbefehl einen höheren Strom als jene auf der MTPA-Linie, jedoch eine kleinere Flussgröße und eine niedrigere Ausgangsspannung, weil sie näher bei der MFPT-Linie liegen. Bei der Feldabschwächungssteuerung werden dann, wenn eine Feldabschwächung gefordert wird, die d-Achsen- und q-Achsen-Stromreferenzen in diesem Bereich zwischen der MTPA-Linie und der MFPT-Linie eingestellt.
Der Bereich 3 (links von der Linie B-C) wird von dem vorgeschlagenen Algorithmus nicht verwendet, da die Arbeitspunkte in diesem Bereich größere Ausgangsstrom- und Ausgangsspannungsgrößen erfordern als jene im Bereich 2.
Bei Normalbetrieb folgt die Stromtrajektorie der MTPA-Linie, wenn der Drehmomentbefehl zunimmt. Falls durch eine ansteigende Motordrehzahl oder eine abnehmende Gleichstromverbindungsspannung bedingt eine Feldabschwächung erforderlich ist, werden die d-Achsen- und q-Achsen-Stromreferenzen längs der Linien konstanten Drehmoments im Bereich zwischen der MTPA-Linie und der MFPT-Linie eingestellt. Durch Verschiebung auf der Kurve konstanten Drehmoments kann das Motordrehmoment selbst im Feldabschwächungsbereich entsprechend dem Drehmomentbefehl gesteuert werden und folglich die korrekte Drehmomentlinearität aufrechterhalten werden. Wenn sich der Arbeitspunkt längs der Linie konstanten Drehmoments nach links verschiebt, nimmt das Drehmoment pro Ampere ab. Wenn die Arbeitspunkte durch den Feldabschwächungsbetrieb die MFPT-Linie erreichen, ist unter Aufrechterhaltung eines konstanten Drehmoments keine weitere Flussverringerung möglich. Stattdessen stellt die vorgeschlagene Steuerung den Arbeitspunkt längs der MFPT-Linie in Richtung des Punkts C ein, um die Flussgröße abzuschwächen und dadurch das Ausgangsdrehmoment zu verkleinern.
In 1 ist ein Motorsteuerungssystem 10 für eine Permanentmagnet-(PM)-Maschine 14 gezeigt. Das Motorsteuerungssystem 10 erbringt während des Hochdrehzahlbetriebs eine verbesserte dynamische Leistung und eine verbesserte Drehmomentlinearität für die PM-Maschine 14. Das Motorsteuerungssystem 10 umfasst einen Pulsweitenmodulations-(PWM) Spannungsquellen-Wechselrichter 18, der den Stator der PM-Maschine 14 mit einer Dreiphasenerregung belegt. Ein Steuermodul 22 kommuniziert mit dem PWM-Wechselrichter 18 und steuert diesen. Der PWM-Wechselrichter 18 gibt Phasenspannungssignale 26a, 26b und 26c aus, die zum Steuern des Betriebs der PM-Maschine 14 verwendet werden.
Das Steuermodul 22 empfängt einen Solldrehmomentbefehl, der einen Soll-Ausgangsdrehmomentpegel angibt. Das Steuermodul 22 verwendet eine Gleichstromverbindungs-Spannungseingabe, eine Rotorwinkelgeschwindigkeitseingabe und den Solldrehmomentbefehl, um einen ersten und einen zweiten Befehl V_α und V_β für stationäre Spannung zu erzeugen. Der erste und der zweite Befehl V_α und V_β für stationäre Spannung werden in den PWM-Wechselrichter 18 eingegeben.
Anhand des ersten und des zweiten Befehls V_α und V_β für stationäre Spannung gibt der PWM-Wechselrichter 18 drei Phasenspannungssignale 26a, 26b und 26c aus. Die Spannungssignale 26a, 26b und 26c steuern den Betrieb der PM-Maschine 14. Genauer erzeugt das Steuermodul 22 den ersten und den zweiten Befehl V_α und V_β für stationäre Spannung in der Weise, dass die Spannungssignale 26a, 26b und 26c den Statorfluss der PM-Maschine 14 reduzieren und die Rotordrehzahl unter Aufrechterhaltung einer durch den Motor erzeugten Spannung auf oder unterhalb einer maximalen Spannungsabgabe des PWM-Wechselrichters 18 erhöhen.
Wie in 1B gezeigt ist, ist die Eingabe in das Steuerungssystem ein Drehmomentbefehl (T_e*). Der Drehmomentbefehl T_e* wird in einen Drehmomentbegrenzer 42 eingegeben, der den Drehmomentbefehl auf einen Bereich zwischen dem oberen und dem unteren Drehmomentgrenzwert begrenzt. Die Grenzwerte basieren auf der Gleichstromverbindungsspannung V_dc (die der Batteriespannung oder einer anderen Gleichstrom-Spannungsquelle des Wechselrichters entspricht) und der Rotorwinkelgeschwindigkeit ω_r. Der Begrenzer 42 erzeugt einen modifizierten Drehmomentbefehl (T_e**). Der modifizierte Drehmomentbefehl (T_e**) und der Befehl für berechneten Statorfluss (ψ*_s) (der durch ein weiter unten näher be schriebenes Feldabschwächungsmodul 44 erzeugt wird) werden als Indizes für d-Achsen- und q-Achsen-Verweistabellen 46 bzw. 48 verwendet.
Die Achsen- und q-Achsen-Verweistabellen 46 und 48 erzeugen d-Achsen- und q-Achsen-Statorstrombefehle (I_d* bzw. I_q*). Diese Strombefehle werden dann dem synchronen Anti-Windup-Stromregelungsmodul 60 zugeführt, um Befehlsspannungen V_d* und V_q* zu erzeugen. Die Befehlsspannungen V_d* und V_q* werden durch den Synchron-zu-stationär-Transformationsmodul 70 anhand einer Rotorwinkelposition (θ_r) im Vektorraum gedreht, wobei die Rotorwinkelposition (θ_r) durch einen Rotorpositionssensor erzeugt und/oder durch Anwendung von sensorlosen Techniken geschätzt wird (gekennzeichnet durch das Rotorpositionsmodul 64). Die stationären Ausgangsspannungen V_α* und V_β* werden dem PWM-Wechselrichter 18 zugeführt, der sich abwechselnde Dreiphasenspannungen an die Statorwicklungen der PM-Maschine 14 anlegt.
Die Synchron-Referenzrahmen-Spannungsbefehle V_d* und V_q* werden einer Spannungsgrößen-(V_mod)-Berechnungseinheit 80 zugeführt, die eine Ausgabe V_mod erzeugt, die mit einer Referenzspannung (V_ref) verglichen wird, um ein Fehlersignal E_f zu erzeugen, falls eine weitere Feldabschwächung gefordert wird. Die Größenberechnungseinheit 80 berechnet die Statorspannungsgröße aus den beiden orthogonalen d-q-Spannungskomponenten, wie durch Gleichung (7) gezeigt ist:
Das Fehlersignal E_f, das durch das Summationsmodul 84 berechnet wird, wird dem Anti-Windup-Proportional-Integral-(PI)-Regler 90 zugeführt.
Die Ausgabe des Anti-Windup-PI-Reglers 90 wird durch einen Begrenzer 94 verarbeitet, um eine sichere Reduktion des Felds zu gewährleisten. Mit anderen Worten, der Begrenzer 94 begrenzt die Feldabschwächung auf einen vorgegebenen Wert. Zum Berechnen des Vorwärtskopplungs-Statorflusses (ψ*_st) anhand der Referenzspannung V_ref und der Winkelgeschwindigkeit ω_r wird ein Teiler 96 verwendet. Die Ausgabe des Begrenzers 94 wird durch einen Summierer 100 zur Ausgabe einer Dividiereinheit 96 addiert, um einen Befehl für endgültigen Statorfluss zu erzeugen. Bei Normalbetrieb liefert der durch die Dividiereinheit 96 berechnete Vorwärtskopplungs-Statorfluss die Soll-Feldabschwächung zur Beibehaltung der Stromsteuerung. Wenn jedoch der durch die Dividiereinheit 96 berechnete Vorwärtskopplungs-Statorflussbefehl keine hinreichende Feldabschwächung verschafft, werden automatisch die Elemente 80, 84, 90 und 94 aktiviert, um den Feldabschwächungsvorgang zu stabilisieren. Die Ausgabe des Summierers 100 wird in einen Begrenzer 110 eingegeben, der bei niedriger Drehzahl den maximalen Fluss begrenzt und im Bereich konstanten Drehmoments einen konstanten Fluss garantiert.
Die Selbstinduktivitäten L_ds und L_qs werden zunächst durch Maschinencharakterisierung mittels der oben dargelegten Gleichungen (1) und (2) erhalten. Aus den erhaltenen Induktivitäten werden mittels Datenverarbeitung die d-Achsen- und q-Achsen-Strom-Verweistabellen 46 und 48 in 1B als Funktion des modifizierten Drehmomentbefehls T_e** und des Befehls für endgültigen Statorfluss ψ*_s hergeleitet. Die 2 und 3 zeigen eine beispielhafte Beziehung zwischen d-Achsen- und q-Achsen-Strömen, Drehmoment und Statorfluss für eine Implementierung.
Die in den 2 und 3 gezeigten d-Achsen- und q-Achsen-Verweistabellen liefern für jede gegebene Drehzahl, jedes Solldrehmoment und jede Span nung des Gleichstromverbindungsbusses passende d-Achsen- und q-Achsen-Befehlsströme. Mit anderen Worten, diese Tabellen funktionieren sowohl im Bereich konstanten Drehmoments als auch im Bereich konstanter Leistung ausgezeichnet. Während im Bereich konstanten Drehmoments (d. h. unterhalb der Grunddrehzahl) die d-Achsen- und q-Achsen-Strombefehle mit zunehmendem Drehmomentbefehl gemäß einer in den 2 und 3 gezeigten Trajektorie "A" zunehmen, nehmen im Bereich konstanter Leistung (Feldabschwächungsbereich oder oberhalb der Grunddrehzahl) die d-Achsen- und q-Achsen-Strom-Befehle bei gegebenem konstanten Drehmomentbefehl gemäß einer in den 2 und 3 gezeigten Trajektorie "B" ab. Da für den Bereich konstanten Drehmoments und den Bereich konstanter Leistung ähnliche Verweistabellen verwendet werden, sind der Eintritt und Austritt zwischen den zwei Bereichen unter Lastbedingungen und Bedingungen ohne Last transparent.
Die beschriebene Feldabschwächungslösung gemäß der Erfindung wurde mittels einer 70-kW-IPM-Maschine implementiert und geprüft. Die durch die Feldabschwächungslösung erhaltenen Versuchsergebnisse sind in den 4, 5 und 6 gezeigt.
In 4 ist zunächst das verbesserte dynamische Verhalten der Feldabschwächungslösung der Erfindung gezeigt. Während dieser Prüfung wurde die Drehzahl der zu prüfenden Einheit konstant gehalten und ein von 0 auf 100 % übergehendes Drehmoment an den Antrieb angelegt. Wie in 4 gezeigt ist, fällt der Gleichstromverbindungsbus dem Drehmomentübergang folgend auf etwa 20 % ab. Das Abfallen beeinflusste die Übergangsfunktion in den d-Achsen- und q-Achsen-Strömen. Jedoch wurden die optimalen Strombefehle innerhalb von etwa 100 ms aufgebaut.
In 5 ist nun die Feldabschwächungslösung für Motordrehzahlen zwischen 3000 min^–1 und 5000 min^–1 bei angelegtem Lastdrehmoment gezeigt. Wie in 5 gezeigt ist, begann die Ausgangsgröße der Reglerspannung V_mod, wenn der Antrieb beschleunigte, zuzunehmen. V_mod nahm zu bis etwa 3700 min^–1 und blieb dann konstant. Gleichzeitig wurde der Statorfluss, wenn sich die Drehzahl 5000 min^–1 annäherte, unter der Voraussetzung, dass die Feldabschwächung die Wechselrichter-Ausgangsspannung auf den vorgegebenen Referenzpegel V_ref regelte, kontinuierlich reduziert. Der Austritt aus der Feldabschwächung konnte beobachtet werden, wenn der Antrieb mit dem Verzögern von 5000 min^–1 auf 3000 min^–1 begann. Wie außerdem aus 5 ersichtlich ist, ist das entwickelte Drehmoment T_fdbk sowohl während des Bereichs konstanten Drehmoments als auch während des Bereichs konstanter Leistung konstant, was zu einer guten Drehmomentlinearität führt, solange das befohlene Drehmoment kleiner oder gleich dem Solldrehmoment-Grenzwert der Maschine ist. Falls bei der Beschleunigung des Antriebs von 0 auf die maximale Drehzahl 100 % des Nenndrehmoments befohlen werden, wird das verfügbare maximale Drehmoment im Bereich konstanter Leistung verkleinert, um die Maschine vor einer Überhitzung und einem mechanischen Fehler zu schützen.
In 6 ist die Feldabschwächungsleistung während Drehzahlübergängen zwischen 3000 min^–1 und 5000 min^–1 unter Volllastbedingungen gezeigt. Die Absenkung des entwickelten Drehmoments konnte beobachtet werden, wenn der Antrieb in einen Bereich konstanter Leistung eintrat. Daher demonstrieren die 4, 5 und 6 eindrucksvoll die Vorzüge der erfindungsgemäßen Feldabschwächungslösung unter Bedingungen einer schnellen Dynamik.
Die erfindungsgemäße Feldabschwächungslösung erzielt ein verbessertes dynamisches Verhalten im Feldabschwächungsbereich und bewahrt während der Feldabschwächung die Drehmomentlinearität. Die Feldabschwächungslösung ist für Änderungen der Gleichstromverbindungsspannung unempfindlich und funktioniert sowohl bei Maschinen mit niedriger und mit hoher Rückwärts-EMK.
Zusammengefasst betrifft die Erfindung ein Steuerungssystem für eine Elektromaschine, das ein Flussabschwächungsmodulumfasst, das eine Spannungsgrößen-Berechnungseinheit umfasst, die d-Achsen- und q-Achsen-Befehlsspannungen empfängt und eine Spannungsgröße erzeugt. Eine Fehlerschaltung vergleicht die Spannungsgröße mit einer Referenzspannung und erzeugt ein Fehlersignal. Eine Steuereinrichtung empfängt das Fehlersignal und erzeugt ein Rückkopplungs-Flusskorrektursignal. Ein Begrenzer begrenzt das Rückkopplungs-Flusskorrektursignal auf einen vorgegebenen Flusswert und erzeugt ein begrenztes Rückkopplungs-Flusskorrektursignal. Eine Vorwärtskopplungs-Statorfluss-Erzeugungsschaltung erzeugt ein Vorwärtskopplungs-Statorflusssignal. Eine Summierschaltung summiert das Vorwärtskopplungs-Statorflusssignal und das begrenzte Rückkopplungs-Flusskorrektursignal, um einen Befehl für endgültigen Statorfluss zu erzeugen.

Claims

Flussabschwächungsmodul (44) für eine Permanentmagnet-Elektromaschine (14), umfassend: eine Spannungsgrößen-Berechnungseinheit (80), die d-Achsen- und q-Achsen-Befehlsspannungen empfängt und eine Statorspannungsgröße erzeugt; eine Fehlerschaltung (84), die die Spannungsgröße mit einer Referenzspannung vergleicht und ein Fehlersignal erzeugt; eine Steuereinrichtung (90), die das Fehlersignal empfängt und ein Rückkopplungs-Flusskorrektursignal erzeugt; einen Begrenzer (94), der das Rückkopplungs-Flusskorrektursignal auf einen vorgegebenen Flusswert begrenzt und ein begrenztes Rückkopplungs-Flusskorrektursignal erzeugt; eine Vorwärtskopplungs-Statorfluss-Erzeugungsschaltung (96), die einen Vorwärtskopplungs-Statorfluss erzeugt; und eine Summierschaltung (100), die den Vorwärtskopplungs-Statorfluss und das begrenzte Rückkopplungs-Flusskorrektursignal summiert, um einen Befehl für berechneten endgültigen Statorfluss zu erzeugen.
Flussabschwächungsmodul (44) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner einen Begrenzer (110) umfasst, der den Befehl für berechneten endgültigen Statorfluss begrenzt.
Flussabschwächungsmodul (44) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (90) ein Anti-Windup-Proportional-Integral-Regler ist.
Flussabschwächungsmodul (44) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärtskopplungs-Statorfluss-Erzeugungsschaltung (96) den Vorwärtskopplungs-Statorflussbefehl anhand der Referenzspannung und einer Winkelgeschwindigkeit eines Rotors der PM-Elektromaschine (14) erzeugt.
Steuerungssystem (10) für eine Permanentmagnet-(PM)-Elektromaschine (14) mit einem Rotor, umfassend: ein Spannungsbefehlsmodul (22), das einen Solldrehmomentbefehl, eine Gleichstromverbindungsspannung, eine Winkelgeschwindigkeit eines Rotors der PM-Elektromaschine (14), einen berechneten endgültigen Statorfluss und eine Rotorposition empfängt, d-Achsen- und q-Achsen-Befehlsspannungen erzeugt und die d-Achsen- und q-Achsen-Befehlsspannungen anhand der Winkelposition des Rotors in diesem Vektorraum dreht, um einen ersten und einen zweiten Befehl für stationäre Spannung zu erzeugen; ein Feld- bzw. Flussabschwächungsmodul (44), das die d-Achsen- und q-Achsen-Befehlsspannungen empfängt und eine Rückkopplungs-Statorflusskorrektur erzeugt; und einen Pulsweitenmodulations-(PWM)-Wechselrichter (18), der den ersten und den zweiten Befehl für stationäre Spannung empfängt und Phasenspannungssignale für die PM-Elektromaschine (14) erzeugt.
Steuerungssystem (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungsbefehlsmodul (22) einen Drehmomentbegrenzer (42) umfasst, der den Solldrehmomentbefehl auf einen Bereich zwischen einem oberen und einem unteren Grenzwert begrenzt und einen modifizierten Solldrehmomentbefehl erzeugt.
Steuerungssystem (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungsbefehlsmodul (22) umfasst: ein d-Achsen-Strommodul (46), das anhand des berechneten endgültigen Statorflusses und des modifizierten Solldrehmomentbefehls ein d-Achsen-Strombefehlssignal erzeugt; und ein q-Achsen-Strommodul (48), das anhand des berechneten endgültigen Statorflusses und des modifizierten Solldrehmomentbefehls ein q-Achsen-Strombefehlssignal erzeugt.
Steuerungssystem (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das d-Achsen-Strommodul (46) und/oder das q-Achsen-Strommodul (48) eine Verweistabelle ist.
Steuerungssystem (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungsbefehlsmodul (22) ferner umfasst: einen synchronen Stromregler (60), der die d-Achsen- und q-Achsen-Strombefehlssignale empfängt und die d-Achsen- und q-Achsen-Spannungsbefehlssignale erzeugt.
Steuerungssystem (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungsbefehlsmodul (22) ein Synchron-zu-stationär-Modul (70) umfasst, das die d-Achsen- und q-Achsen-Befehlsspannungen und die Rotorposition empfängt und einen ersten und einen zweiten Befehl für stationäre Spannung erzeugt.
Steuerungssystem (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner einen Rotorpositions-Messwandler (64) umfasst, der die Rotorposition misst und ein Rotorpositionssignal erzeugt.
Steuerungssystem (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner eine Rotorpositions-Schätzeinrichtung bzw. -funktion (64) umfasst, die die Rotorposition schätzt und ein Rotorpositionssignal erzeugt.
Steuerungssystem (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Flussabschwächungsmodul (44) umfasst: eine Spannungsgrößen-Berechnungseinheit (80), die d-Achsen- und q-Achsen-Befehlsspannungen empfängt und eine Statorspannungsgröße erzeugt; eine Fehlerschaltung (84), die die Spannungsgröße mit einer Referenzspannung vergleicht und ein Fehlersignal erzeugt; eine Steuereinrichtung (90), die das Fehlersignal empfängt und ein Rückkopplungs-Flusskorrektursignal erzeugt; einen Begrenzer (94), der das Rückkopplungs-Flusskorrektursignal auf einen vorgegebenen Flusswert begrenzt und ein begrenztes Rückkopplungs-Flusskorrektursignal erzeugt; eine Vorwärtskopplungs-Statorfluss-Erzeugungsschaltung (96), die ein Vorwärtskopplungs-Statorflusssignal erzeugt; und eine Summierschaltung (100), die den Vorwärtskopplungs-Statorfluss und das begrenzte Rückkopplungs-Flusskorrektursignal summiert, um einen Befehl für endgültigen Statorfluss zu erzeugen.
Steuerungssystem (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner einen Begrenzer (110) umfasst, der den Befehl für endgültigen Statorfluss begrenzt.
Steuerungssystem (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (90) ein Anti-Windup-Proportional-Integral-Regler ist.
Steuerungssystem (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärtskopplungs-Statorfluss-Erzeugungsschaltung (96) den Vorwärtskopplungs-Statorflussbefehl anhand der Referenzspannung und einer Winkelgeschwindigkeit eines Rotors der PM-Elektromaschine (14) erzeugt.