DE102006005854A1

DE102006005854A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des Drehmoments einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102006005854A1
Application number: DE102006005854A
Authority: DE
Inventors: Martin Eisenhardt; Stefan Blind; Gunther Götting
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2007-08-23
Also published as: KR20080108083A; WO2007090760A3; WO2007090760A2; KR101056572B1; JP2009526512A; US20090167222A1; US7688012B2; EP1985006A2; CN101379690A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Drehmoments (M) einer elektrischen, insbesondere permanent erregten, elektrischen Maschine (1). Das Drehmoment (M) kann besonders einfach und genau bestimmt werden, wenn eine Phasenspannung (U<SUB>ind</SUB>) und die Drehzahl (n bzw. omega) der elektrischen Maschine (1) gemessen und daraus das Drehmoment (M) berechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Drehmoments einer elektrischen, insbesondere permanent erregten, elektrischen Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 5.
In modernen Hybrid-Fahrzeugen werden i. d. R. permanent erregte Synchronmaschinen als elektrischer Antrieb eingesetzt. Permanent erregte Synchronmaschinen umfassen einen Rotor, in dem die Magnete, die den magnetischen Fluss erzeugen, angeordnet sind, sowie einen Stator mit den Statorwicklungen. Die elektrische Maschine erzeugt ein Drehmoment, das insbesondere vom Phasenstrom und vom magnetischen Fluss in der Maschine abhängt. Das erzeugte Drehmoment bestimmt das Beschleunigungs- bzw. Fahrverhalten des Fahrzeuges und stellt somit eine wichtige Größe dar, die es zu bestimmen gilt.
In herkömmlichen Fahrzeugen wird das Drehmoment der elektrischen Maschine üblicherweise mittels eines mathematischen Modells berechnet. Unter der Voraussetzung, dass kein Reluktanzmzmoment auftritt, gilt für das Drehmoment M: M = K·Iq·ψ,mit:

K:: Maschinenkonstante
I_q:: Querstrom in der Maschine (feldorientierte Regelung)
ψ:: magnetischer Fluss in der Maschine

Die Berechnung des Drehmoments M ist jedoch relativ ungenau, da der magnetische Fluss Ψ nicht konstant ist und insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur variiert. Daraus ergibt sich vielfach ein relativ hoher Fehler.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen des Drehmoments einer elektrischen Maschine, sowie eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen, mittels dem bzw. der das Drehmoment wesentlich genauer bestimmt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 5 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, eine Phasenspannung und die Drehzahl der elektrischen Maschine zu messen und daraus das Drehmoment zu berechnen. Unter der Bezeichnung „Drehzahl" soll dabei auch eine proportionale Größe, wie z.B. die Kreisfrequenz verstanden werden. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass das Drehmoment M der elektrischen Maschine genauer berechnet werden kann und dabei insbesondere Temperatureinflüsse berücksichtigt werden können.

Das Drehmoment wird vorzugsweise gemäß dem mathematischen Modell: M = K·Iq·Ψberechnet, wobei jedoch der magnetische Fluss ψ aus der gemessenen Phasenspannung U_ind und der Drehzahl bzw. Kreisfrequenz der elektrischen Maschine berechnet wird. Für den magnetischen Fluss ψ gilt: Ψ = Uind/ω,mit:

U_ind:: induzierte Spannung
ω:: Kreisfrequenz

Die Phasenspannung U_ind wird vorzugsweise im Leerlauf der elektrischen Maschine 1 gemessen. In diesem Zustand sind sämtliche Schalter eines mit der elektrischen Maschine verbundenen Pulswechselrichters geöffnet und die Phasenspannungen zeigen einen im Wesentlichen sinusförmigen Verlauf. Die Phasenspannung kann daher genau gemessen werden. Für die Berechnung des Moments M wird vorzugsweise der Scheitelwert der Phasenspannung U_ind herangezogen.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen des Drehmoments einer elektrischen, insbesondere permanent erregten, elektrischen Maschine umfasst ein Steuergerät mit einem Algorithmus zum Bestimmen des Drehmoments M, wobei dem Steuergerät ein Phasenspannungs-Signal U_ind und ein Drehzahl-Signal zugeführt wird, und der Algorithmus das Drehmoment M basierend auf diesen Größen berechnet.

Das Steuergerät erzeugt vorzugsweise ein Ausgangssignal zum Ansteuern eines Pulswechselrichters (PWR), mit dem insbesondere die Leistung der elektrischen Maschine verändert werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer dreiphasigen elektrischen Maschine 1 mit einem daran angeschlossenen Pulswechselrichter 2. Der Pulswechselrichter (PWR) 2 umfasst Leistungsschalter 6a–6f, die mit den einzelnen Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 1 verbunden sind und die Phasen U, V, W entweder gegen ein hohes Versorgungspotential (Zwischenkreisspannung U_Z) oder ein niedriges Bezugspotential (Masse) schalten. Die mit dem hohen Versorgungspotential U_Z verbundenen Schalter 6a–6c werden dabei auch als „High-Side-Schalter" und die mit Masse verbundenen Schalter 6d–6f als „Low-Side-Schalter" bezeichnet. Der Pulswechselrichter 2 umfasst ferner mehrere Freilaufdioden 7a–7f, die jeweils parallel zu einem der Schalter 6a–6f angeordnet sind.
Der PWR 2 bestimmt Leistung und Betriebsart der elektrischen Maschine 1 und wird von einem Steuergerät 12 entsprechend angesteuert. Die elektrische Maschine 1 kann somit wahlweise im Motor- oder Generatorbetrieb betrieben werden.
Der Pulswechselrichter 2 umfasst außerdem einen so genannten Zwischenkreis-Kondensator 8, der im Wesentlichen zur Stabilisierung einer Batteriespannung dient. Das Bordnetz des Fahrzeugs mit einer Batterie 9 ist parallel zum Zwischenkreis-Kondensator 8 geschaltet.
Die elektrische Maschine 1 ist hier dreiphasig ausgeführt und umfasst einen Stator mit drei Strängen 3a–3c und einen Rotor mit mehreren Permanentmagneten 11. Die Ohm'schen Widerstände der Stränge 3a–3c sind durch die Elemente 10a–10c dargestellt.
Die elektrische Maschine 1 erzeugt ein Drehmoment M, das insbesondere vom Phasenstrom I_U, I_V, I_W bzw. vom Querstrom 1q (feldorientierte Regelung) und dem in der elektrischen Maschine 1 vorherrschenden magnetischen Fluss Ψ abhängt. Das aktuelle Drehmoment M der elektrischen Maschine wird mittels eines mathematischen Modells berechnet, das im Steuergerät 12 hinterlegt ist. Dieses Modell bzw. Algorithmus berechnet das Drehmoment M anhand folgender Beziehung: M = K·Iq·ψ
Dabei wird der magnetische Fluss ψ über das Induktionsgesetz ermittelt, mit Uind = ω·ψ bzw. ψ = Uind/ω
Mit:

U_ind:: induzierte Spannung der Maschine im Leerlauf
ω:: elektrische Kreisfrequenz

Die Kreisfrequenz ω der elektrischen Maschine 1 wird hier mittels eines Drehzahlsensors 5 gemessen. Die in den Ständerwicklungen 3a–3c induzierte Spannung U_ind ist durch Spannungsquellen 4a–4c schematisch dargestellt und kann mittels eines einfachen Spannungssensors gemessen werden. Als induzierte Spannung U_ind kann beispielsweise die Spannung zwischen zwei der Phasen, z.B. U und V, oder die Spannung zwischen einer der Phasen U, V, W und einem Bezugspotential gemessen werden. Diese Spannung U_ind ist im Leerlauf der elektrischen Maschine 1 sinusförmig und wird daher vorzugsweise in diesem Zustand gemessen. (Im Leerlauf sind alle sechs Leistungsschalter 6a–6f des Pulswechselrichters 2 geöffnet.)
Die Drehzahl der elektrischen Maschine 1 sollte bei der Messung hinreichend groß sein, darf aber andererseits auch eine maximale Drehzahl, ab der die Freilaufdioden 7a–7f als Gleichrichterbrücke wirken, nicht überschreiten. Die Phasenspannungen U, V, W wären andernfalls verzerrt und nicht mehr sinusförmig.
Die Spannungs- und Drehzahl-Signale U_ind, n werden dem Steuergerät 12 an dessen Eingang zugeführt. Aus dem Spannungs-Signal wird der Scheitelwert errechnet. Dieser entspricht der vorstehend genannten induzierten Spannung U_ind.
Der im Steuergerät 12 hinterlegte Algorithmus verarbeitet diese Größen und bestimmt daraus das aktuelle Drehmoment M der elektrischen Maschine 1.
Das mathematische Modell zur Berechnung des Drehmoments M kann entweder analytisch oder z.B. auch als Kennfeld im Steuergerät 12 hinterlegt sein. Das Drehmoment M lässt sich auf diese Weise besonders genau und einfach bestimmen.

Claims

Verfahren zum Bestimmen des Drehmoments (M) einer elektrischen, insbesondere einer permanent erregten, elektrischen Maschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass eine Phasenspannung (U_ind) und die Drehzahl (n, ω) der elektrischen Maschine (1) gemessen und daraus das Drehmoment (M) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenspannung (U_ind) im Leerlauf der elektrischen Maschine (1) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheitelwert der Phasenspannung (U_ind) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment (M) anhand einer Funktion M = f(K, Iq, Uind, ω bzw. n)berechnet wird.
Vorrichtung zum Bestimmen des Drehmoments (M) einer elektrischen, insbesondere permanent erregten, elektrischen Maschine (1), gekennzeichnet durch ein Steuergerät (12) mit einem Algorithmus zum Bestimmen des Drehmoments (M), der aus einem Phasenspannungs-Signal (U_ind) und einem Drehzahl-Signal (n, ω), die dem Steuergerät (12) zugeführt werden, das Drehmoment (M) der elektrischen Maschine (1) bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (12) ein Ausgangs-Signal (A) zum Ansteuern eines Pulswechselrichters (2) erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Algorithmus das Drehmoment (M) anhand einer Funktion M = f(K, Iq, Uind, ω)berechnet.