DE102005049070A1

DE102005049070A1 - Verfahren und Vorrichtung zur feldorientierten Regelung einer Drehfeldmaschine

Info

Publication number: DE102005049070A1
Application number: DE102005049070A
Authority: DE
Inventors: Martin Eisenhardt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-10-13
Filing date: 2005-10-13
Publication date: 2007-04-19
Also published as: US20100194316A1; JP2009512411A; WO2007042370A1; EP1941609A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur feldorientierten Regelung einer Drehfeldmaschine. Dabei wird ein Ist-Drehmoment der Drehfeldmaschine ermittelt, das ermittelte Ist-Drehmoment mit einem Solldrehmoment verglichen und bei einem Auftreten von Drehmomentabweichungen die sollwerte für den flussbildenden Strom und den drehmomentbildenden Strom verändert, um das Ist-Drehmoment mit dem Solldrehmoment in Übereinstimmung zu bringen. Das Ist-Drehmoment wird mittels der Leistungsbilanz der Drehfeldmaschine berechnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur feldorientierten Regelung einer Drehfeldmaschine.
Stand der Technik
Es ist bekannt, in elektrischen Antrieben für Hybrid- und Elektromaschinen Drehfeldmaschinen einzusetzen. Diese werden mit einer feldorientierten Regelung betrieben. Dieses Regelungsprinzip zeichnet sich dadurch aus, dass die drei sinusförmigen Phasenströme I_U, I_V und I_W unter Verwendung eines mathematischen Algorithmus in ein Gleichstromsystem mit zwei voneinander unabhängig einstellbaren Gleichströmen umgewandelt werden. Bei diesen Gleichströmen handelt es sich um den flussbildenden Strom I_D und den drehmomentbildenden Strom I_Q. Für das Drehmoment M der Drehfeldmaschine gilt die folgende Beziehung: M = K·ID·IQ (1)
Dabei ist mit dem Buchstaben K eine Maschinenkonstante bezeichnet.
Aus einem Solldrehmoment M_Soll wird ein Sollwertepaar I_D,Soll und I_Q,Soll gebildet. Mittels eines geeigneten Reglers werden die gemessenen Istströme I_D,Ist und I_Q,Ist derart eingeregelt, dass das Ist-Drehmoment dem Solldrehmoment entspricht: MIst = MSoll (2)
Nachteilig bei dieser Vorgehensweise ist, dass Fehler bei der Erfassung der Phasenströme I_U, I_V und I_W zu einem falschen Istwert I_D,Ist für den flussbildenden Strom und einem falschen Istwert I_Q,Ist für den drehmomentbildenden Strom führen. Insbesondere zu kleine Werte für I_D,Ist und I_Q,Ist sind kritisch, da dann der Regler ein zu großes Drehmoment einstellen würde.
Ein weiterer Nachteil bei der bekannten Vorgehensweise, bei der eine übergeordnete Regelstruktur, beispielsweise ein Drehzahlregler, ein Leistungsregler oder ein Zwischenkreisspannungsregler, auf eine Momentenabweichung reagiert, besteht darin, dass die Reaktion der übergeordneten Regelstruktur mit einer Zeitverzögerung behaftet ist.

Vorteile der Erfindung

Bei einem Verfahren zur feldorientierten Regelung einer Drehfeldmaschine mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die übergeordnete Regelstruktur wesentlich schneller auf Momentenabweichungen reagiert als bei bekannten Verfahren. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass vorliegende Drehmomentabweichungen unter Verwendung von Messgrößen erfasst werden, die bei Drehfeldmaschinen ohnehin zu anderen Zwecken gemessen werden. Dadurch wird der Aufwand, der im Zusammenhang mit der Erfassung von Drehmomentabweichungen erbracht werden muss, klein gehalten.

Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren beispielhafter Erläuterung anhand der Figur.

Zeichnung

Die 1 zeigt eine Skizze einer Drehfeldmaschine mit zugehörigem Leistungsteil.

Beschreibung
Die in der 1 dargestellte Drehfeldmaschine 1 umfasst drei in Sternschaltung miteinander verbundene Antriebsstränge, die in der 1 mit S1, S2 und S3 bezeichnet sind.
Die Drehfeldmaschine 1 ist mit einem Pulswechselrichter 2 verbunden, der seinerseits an eine Batterie 3 angeschlossen ist. Die Batterie 3 dient zur Versorgung der elektrischen Verbraucher eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes, die in der Figur nicht dargestellt sind.
Der Pulswechselrichter ist derart verschaltet, dass jeder der Stränge S1, S2, S3 an einen Verbindungspunkt zwischen zwei Pulswechselrichterelementen 5/6, 7/8, 9/10 angeschlossen ist und die jeweils anderen Anschlüsse der Pulswechselrichterelemente miteinander leitend verbunden sind. Die Pulswechselrichterelemente 5, 6, 7, 8, 9, 10 bestehen jeweils aus einer Parallelschaltung eines Schalttransistors T und einer Freilaufdiode D. Die Schalttransistoren der Pulswechselrichterelemente werden jeweils von einem Steuersignal t1, t2, t3, t4, t5, t6 beaufschlagt. Diese Steuersignale werden von einer Steuereinheit 11 bereitgestellt.
Weiterhin ist zwischen die jeweils anderen Anschlüsse der Pulswechselrichterelemente ein Zwischenkreiskondensator 4 geschaltet, über welchem die Zwischenkreisspannung U_Z abfällt. Die beiden Anschlüsse des Zwischenkreiskondensators 4 sind mit dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs verbunden, von welchem in der 1 die Batterie 3 dargestellt ist.
Wie aus der 1 weiterhin hervorgeht, fließt vom Bordnetz in den Pulswechselrichter der Zwischenkreisstrom I_Z. Weiterhin fließt im Strang S1 der Drehfeldmaschine der Phasenstrom I_U, im Strang S2 der Phasenstrom I_V und im Strang S3 der Phasenstrom I_W. Die Drehfeldmaschine 1 weist eine Welle 12 auf, die sich mit der Drehzahl n dreht.
Im Betrieb der Drehfeldmaschine werden die Zwischenkreisspannung U_Z, der Zwischenkreisstrom I_Z und die Drehzahl n gemessen. Dies geschieht bei bekannten Vorrichtungen beispielsweise im Zusammenhang mit einem Energiemanagement, bei welchem die genannten Parameter verwendet werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird folgende Leistungsbilanz aufgestellt und ausgewertet: UZ·IZ = Mist·n·2π·η/60. (3)
Dabei gilt:

U_Z: = Zwischenkreisspannung
I_Z: = Zwischenkreisstrom
M_ist: = Ist-Drehmoment und
η: = Wirkungsgrad der Drehfeldmaschine.

Durch eine Umwandlung der vorstehenden Gleichung erhält man das an der Welle 12 der Drehfeldmaschine wirksame Ist-Drehmoment: Mist = (UZ·IZ·60)/(2π·n·η). (4)
Folglich kann das Ist-Drehmoment ermittelt werden, wenn zunächst die Zwischenkreisspannung U_Z, der Zwischenkreisstrom I_Z und die Drehzahl n gemessen werden und dann in der Steuereinheit 11, welcher die gemessenen Werte zugeführt werden, eine Berechnung des Ist-Drehmomentes gemäß der angegebenen Beziehung vorgenommen wird. Der Wirkungs grad η der Drehfeldmaschine ist bekannt und in einem Speicher der Steuereinheit 11 hinterlegt.
Das auf diese Weise ermittelte Ist-Drehmoment M_ist wird mit dem jeweils vorliegenden Solldrehmoment in der Steuereinheit 11 verglichen. Unterscheidet sich das Ist-Drehmoment M_ist vom Solldrehmoment M_Soll um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert, dann wirkt die Steuereinheit 11 auf die Sollgrößen für den flussbildenden Strom I_D,Soll und den drehmomentbildenden Strom I_Q,Soll derart ein, dass das Ist-Drehmoment Mist mit dem Solldrehmoment M_Soll in Übereinstimmung gebracht wird. Zu diesem Zweck generiert die Steuereinheit 11 die Steuersignale t1, t2, t3, t4, t5, t6 für die Schalttransistoren der Pulswechselelemente 5, 6, 7, 7, 8, 9, 10 derart, dass sich die benötigten Phasenströme I_V, I_U und I_W einstellen.
Die Vorteile dieser Vorgehensweise bestehen darin, dass die Reaktion des Systems auf das Vorliegen von Drehmomentabweichungen im Vergleich zu bekannten Verfahren wesentlich schneller erfolgt, und dass eine Messung der Phasenströme I_U, I_V und I_W zum Zwecke einer Berechnung des Ist-Drehmomentes nicht mehr benötigt wird. Damit wird in vorteilhafter Weise vermieden, dass bei der Messung der Phasenströme auftretende Messfehler zu falschen Ergebnissen bei der Berechnung des Drehmoments führen. Ein weitere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie einfach realisierbar ist, da die zur Berechnung des Ist-Drehmomentes benötigten Parameter Zwischenkreisspannung, Zwischenkreisstrom und Drehzahl der Drehfeldmaschine in vielen Fällen zu anderen Zwecken ohnehin gemessen werden.
Gelingt es mittels einer derartigen Regelung nicht, der Abweichung des Ist-Drehmomentes vom Soll-Drehmoment entgegen zu wirken, dann wird von der Steuereinheit 11 ein sicherer Zustand des Antriebs und damit der Drehfeldmaschine herbeigeführt. Dies geschieht dadurch, dass die Steuereinheit 11 die Schalttransistoren T der Pulswech selrichterelemente 5, 6, 7, 8, 9, 10 jeweils in ihren gesperrten Zustand bringt. Dies hat zur Folge, dass die Phasenströme I_U, I_V und I_W zu Null werden und kein Drehmoment mehr erzeugt wird.
Der Gegenstand der Erfindung kann beispielsweise im Zusammenhang mit Steuergeräten für den elektrischen Antrieb bei Hybridfahrzeugen verwendet werden.

Claims

Verfahren zur feldorientierten Regelung einer Drehfeldmaschine, bei welchem das Ist-Drehmoment der Drehfeldmaschine ermittelt, das ermittelte Ist-Drehmoment mit einem Soll-Drehmoment verglichen und bei einem Auftreten von Drehmomentabweichungen die Sollwerte für den flussbildenden Strom und den drehmomentbildenden Strom verändert werden, um das Ist-Drehmoment mit dem Solldrehmoment in Übereinstimmung zu bringen, dadurch gekennzeichnet, dass das Ist-Drehmoment mittels der Leistungsbilanz der Drehfeldmaschine berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ist-Drehmoment gemäß der folgenden Beziehung ermittelt wird: Mist = (UZ·IZ·60)/(2π·n·η),wobei U_Z die Zwischenkreisspannung, I_Z der Zwischenkreisstrom, n die Drehzahl und η der Wirkungsgrad ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn es nicht gelingt, der Abweichung des Ist-Drehmomentes vom Soll-Drehmoment entgegen zu wirken, ein sicherer Zustand der Drehfeldmaschine eingestellt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Recheneinheit (11) aufweist, die das Ist-Drehmoment der Drehfeldmaschine mittels der Leistungsbilanz der Drehfeldmaschine berechnet.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (11) das Ist-Drehmoment der Drehfeldmaschine gemäß der folgenden Beziehung berechnet: Mist = (UZ·IZ·60)/(2·π·n·η)wobei U_Z die Zwischenkreisspannung, I_Z der Zwischenkreisstrom, n die Drehzahl und η der Wirkungsgrad ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn es nicht gelingt, der Abweichung des Ist-Drehmomentes vom Soll-Drehmoment entgegen zu wirken, die Steuereinheit (11) die Schalttransistoren der Pulswechselrichterelemente (5, 6, 7, 8, 9, 10) in ihren gesperrten Zustand bringt.