-
Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Steuern von Wechselstrommotoren
(AC-Motoren), und sie betrifft insbesondere Systeme und Verfahren
zur Steuerung von Synchronmotoren, beispielsweise Permanentmagnetmotoren
und synchrone Reluktanzmotoren.
-
AC-Motoren
werden bei einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, welche Fahrzeuganwendungen
umfassen, und AC-Induktionsmotoren sind wünschenswert, da sie einen einfachen,
robusten Aufbau, eine einfache Wartbarkeit und einen kosteneffektiven
Preis aufweisen. Die bei Fahrzeuganwendungen verwendeten AC-Motoren
werden typischerweise durch einen Spannungszwischenkreisumrichter
derart gesteuert, dass die Phasenströme des Motors sinusförmig sind.
Ein Versorgen des AC-Motors mit einem sinusförmig gestalteten Eingangsstrom
erzeugt typischerweise ein Drehmoment ohne zusätzliche Oberwellen, welche
eine Quelle von Drehmomentpulsen in den AC-Motoren sein können.
-
Bei
Fahrzeuganwendungen besteht eine Entwurfsüberlegung darin, die Verwendung
der verfügbaren
DC-Busspannung (z.B. von einer Batterie bereitgestellt) zu maximieren.
Eine Maximierurig der Busspannungsverwendung verbessert allgemein
die Leistung bei einer hohen Drehzahl und den Wirkungsgrad des Gesamtsystems.
Einige AC-Motoren sind Permanentmagnetmaschinen (PM-Maschinen). PM-Maschinen
weisen typischerweise Eigenschaften einer hohen Energiedichte und
eines hohen Wirkungsgrads auf und sind daher für Fahrzeugvortriebsanwendungen
gut geeignet. Elekt rische Maschinen weisen eine Strombegrenzung
aufgrund der Stromgrenzen des Spannungszwischenkreisumrichters und
eine Spannungsbegrenzung aufgrund der verfügbaren DC-Busspannung auf.
Bei höheren
Drehzahlen erzeugt die PM-Maschine ohne eine Steuerung der Spannung
einen Maschinenfluss oder eine Gegen-EMK, welche(r) über die
DC-Busspannung ansteigen kann. Beispielsweise erhöht sich
die Phasenspannung einer PM-Maschine,
wenn die Drehzahl der Maschine erhöht wird. Über einer vorbestimmten Drehzahl
wird die Phasenspannung der PM-Maschine größer als die Busspannung. Um
eine Stromsteuerung der PM-Maschine zu behalten, wird die Gegen-EMK
unter Verwendung einer Feldabschwächung verringert. Bei PM-Maschinen
kann der Magnetfluss inhärent
nicht verringert werden, sodass typischerweise ein Entmagnetisierungsstrom aufgebracht
wird, um den Magnet- oder Gesamtfluss der PM-Maschine zu verringern.
-
Um
eine wirkungsgradoptimierte Steuerung der PM-Maschine zu implementieren,
können
die nichtlinearen Eigenschaften der PM-Maschine gemessen und verwendet
werden, um ein nichtlineares Maschinenmodell zu entwickeln. Dieses
Modell wird verwendet, um wirkungsgradoptimierte Steuerungsparameter
zu ermitteln, und diese Steuerungsparameter werden typischerweise
als Nachschlagetabellen für
eine wirkungsgradoptimierte Steuerung der Maschine zu dem Controller
hinzugefügt.
Die Steuerungsparameter können
auch innerhalb der Spannungs- und Stromgrenzen ermittelt werden.
Bei einem idealen Betrieb ist eine Optimalwertsteuerung (feed forward
control), welche diese Steuerungsparameter verwendet, im Allgemeinen
ausreichend, um eine stabile Steuerung der PM-Maschine bei stationären Zuständen bereitzustellen.
Um eine Stromsteuerung bei hohen Drehzahlen zu behalten, wenn die
verfügbare
Spannung begrenzt ist, kann eine zusätzliche Unterstützung erforderlich
sein, insbesondere bei transienten Operationen oder im Fall einer Fehlanpassung
zwischen den tatsächlichen
Maschinenparametern und den gemessenen Parametern. Typischerweise
wird eine Feldabschwächungsspannungsschleife
verwendet, um die Fehler zwischen den Modell- und den tatsächlichen
Maschinenparametern für
einen stabilen Maschinenbetrieb zu korrigieren.
-
Einige
PM-Maschinen mit starkem Magnetfluss weisen einen hohen Verlust
ohne eine Last (z.B. einen Wirbelverlust) und Ausfallprobleme auf.
Eine PM-Maschine
mit schwachem Fluss kann gewählt werden,
bei welcher der Magnetfluss absichtlich niedrig gehalten wird, um
die mit den PM-Maschinen verbundenen
Probleme zu vermeiden. Gegenwärtig sind
d-Achsenstromsteuerungstechniken
für eine Feldabschwächung der
Gegen-EMK bei PM-Maschinen
mit starkem Magnetfluss verwendet worden. Beispielsweise kann ein
negativer d-Achsenstrom aufgebracht werden, um eine entmagnetisierende Flusskomponente
zu erzeugen, die den Magnetfluss und die Magnet-Gegen-EMK verringert.
Diese d-Achsenstromsteuerungstechniken weisen bei PM-Maschinen mit
schwachem Fluss aufgrund des schwachen Einflusses des d-Achsenstroms
auf die Maschinenspannung einen begrenzten Erfolg auf. Beispielsweise
kann der schwächere
Einfluss des d-Achsenstroms auf den Maschinenfluss in dem nichtlinearen Übermodulationsbetriebsbereich
einen Betrieb mit einem abgeschwächten
Feld der PM-Maschine mit schwachem Fluss beeinträchtigen, indem er die Größe der Gesamtspannung
erhöht
anstelle sie zu verringern. Eine d-Achsenstromsteuerung kann auch bei einer
Maschine mit starkem Fluss versagen, die bei einer hohen Drehzahl
mit einem großen
Entmagnetisierungsstrom arbeitet. Bei einem großen Entmagnetisierungsstrom
kann der d-Achsenfluss bei einer Maschine mit starker Fluss das
Vorzeichen umkehren (d.h. negativ werden). Das Umkehren des d-Achsenflusses
tritt bei einer Maschine mit schwachem Fluss bei einem viel geringeren
Entmagnetisierungsstrom und damit bei einer niedrigeren Drehzahl
auf. Wie voranstehend erwähnt
wurde, weist der d-Achsenstrom bei einer Maschine mit schwachem
Fluss einen schwachen Einfluss auf die Spannung auf. Darüber hin aus
erhöht
ein Versuch zur Verringerung der Spannung durch ein Aufbringen von
mehr d-Achsenstrom aufgrund der Vorzeichenumkehr des d-Achsenflusses, welche
auch bei einer Maschine mit starkem Fluss auftreten kann, allgemein
die Maschinenanschlussspannung, wodurch die Entmagnetisierungssteuerung
destabilisiert wird.
-
Durch
ein Überwinden
von Maschinenspannungen kann ein Strom in der Maschine erzeugt werden.
Zusätzlich
zu der Gegen-EMK sollte der Stromregler den Widerstandsabfall und
den induktiven Abfall überwinden.
Der induktive Abfall kann hoch sein, insbesondere bei der q-Achse
für eine
Maschine mit Reluktanz (z.B. eine PM-Maschine mit innenliegenden
Magneten oder eine synchrone Reluktanzmaschine). Durch ein Absenken
der Maschinenanschlussspannung kann eine Stromsteuerung beibehalten
werden. Bei einigen PM-Maschinen mit einem hohen Fluss verringert
ein Absenken der PM-Gegen-EMK bei einer hohen Drehzahl durch ein
Injizieren eines Entmagnetisierungsstroms (z.B. ein negativer d-Achsenstrom)
indirekt die Maschinenanschlussspannung aufgrund eines starken Einflusses auf
die Spannung (z.B. PM-Feld). Bei anderen Maschinen jedoch, wie zum
Beispiel bei PM-Maschinen mit schwachem Fluss, synchronen Reluktanzmaschinen,
oder sogar bei einigen PM-Maschinen mit starkem Fluss, kann es sein,
dass ein Steuern des d-Achsenstroms zur Verringerung der Gegen-EMK nicht
die gewünschte
Auswirkung auf die Maschinenanschlussspannung aufweist.
-
Dementsprechend
ist es wünschenswert,
ein Verfahren zur Steuerung von Antriebssystemen für Permanentmagnet-
oder synchrone Reluktanzmotoren bereitzustellen, das die Maschinenanschlussspannung
verringert, während
es eine Stromsteuerung insbesondere bei hohen Drehzahlen beibehält. Zusätzlich ist
es wünschenswert,
ein Steuerungssystem für
Antriebssysteme für
PM-Motoren oder synchrone Reluktanzmotoren bereitzustellen, das
die Maschinenanschlussspannung verringert, während es eine Stromsteuerung
insbesondere bei hohen Drehzahlen beibehält.
-
Erfindungsgemäß werden
Verfahren und ein System zur Steuerung einer Synchronmaschine bereitgestellt,
welche umfasst, aber nicht notwendigerweise beschränkt ist
auf, eine Permanentmagnetmaschine oder eine synchrone Reluktanzmaschine.
Bei einer Ausführungsform
wird ein Verfahren zur Steuerung einer Synchronmaschine bereitgestellt.
Im Betrieb erzeugt die Synchronmaschine eine Anschlussspannung und
das Verfahren umfasst die Schritte eines Erzeugens eines d-Achsenstrombefehls
und eines q-Achsenstrombefehls,
eines Erzeugens eines modifizierten Strombefehls aus dem q-Achsenstrombefehl,
ein Umwandeln des ersten Strombefehls in einen ersten Spannungsbefehl,
ein Umwandeln des modifizierten Strombefehls in einen zweiten Spannungsbefehl
und ein Versorgen der Synchronmaschine mit den ersten und zweiten
Spannungsbefehlen. Der modifizierte Strombefehl begrenzt die von
der Synchronmaschine erzeugte Anschlussspannung.
-
Bei
einer anderen Ausführungsform
umfasst ein Verfahren zum Antreiben einer Permanentmagnetmaschine
die Schritte eines Erzeugens erster und zweiter Strombefehle aus
einer Strombefehlstabelle, eines Erzeugens eines modifizierten Strombefehls aus
dem zweiten Strombefehl, eines Vergleichens des ersten Strombefehls
mit einem ersten gemessenen Strom, um eine erste nachgestellte Spannung
zu erzeugen, eines Vergleichens des modifizierten Strombefehls mit
einem zweiten gemessenen Strom, um eine zweite nachgestellte Spannung
zu erzeugen, und eines Versorgens der Permanentmagnetmaschine mit
den ersten und zweiten nachgestellten Spannungen. Der modifizierte
Strombefehl begrenzt eine Anschlussspannung der Permanentmagnetmaschine
bei einem nichtlinearen Betrieb der Permanentrnagnetmaschine.
-
Bei
einer anderen Ausführungsform
umfasst ein System zur Steuerung eines Synchronmotors über Spannungsbefehle
ein erstes Modul, welches einen Eingang zum Empfang eines ersten
Strombefehls und eines modifizierten Strombefehls aufweist, ein
zweites Modul, welches einen Eingang zum Empfang einer Versorgungsspannung
und der Spannungsbefehle aufweist, einen mit den ersten und zweiten
Modulen gekoppelten Wandler, der ausgestaltet ist, um einen Rückkopplungsstrom
zu erzeugen, und einen Strombegrenzer, der mit dem Vergleicher gekoppelt
ist und ausgestaltet ist, um aus dem Rückkopplungsstrom einen begrenzten
Strom zu erzeugen. Der modifizierte Strombefehl wird aus einer Summe
aus einem zweiten Strombefehl und dem begrenzten Strom abgeleitet.
Das erste Modul ist ausgestaltet, um aus dem ersten Strombefehl
eine erste Flusskopplung zu ermitteln und aus dem modifizierten
Strombefehl eine zweite Flusskopplung zu ermitteln und aus den ersten
und zweiten Flusskopplungen einen Modulationsindexbefehl zu erzeugen.
Das zweite Modul ist ausgestaltet, um aus den Spannungsbefehlen
und der Versorgungsspannung einen Modulationsindex zu ermitteln.
Auf der Grundlage des Modulationsindexbefehls wird eine Modulationsreferenz
erzeugt. Der Rückkopplungsstrom
gleicht den Modulationsindex mit der Modulationsreferenz ab.
-
Nachfolgend
wird die Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften
Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung beschrieben, in der:
-
1 ein
Blockdiagramm eines Antriebssystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist, das eine Permanentmagnetmaschine umfasst;
-
2 ein
Blockdiagramm ist, das ein Stromsteuerungssystem des in 1 gezeigten
Antriebssystems darstellt;
-
3 ein
Blockdiagramm ist, welches das in 2 gezeigte
Stromsteuerungssystem genauer darstellt; und
-
4 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens zur Steuerung einer Permanentmagnetmaschine
gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
-
Die
nachfolgende genaue Beschreibung ist rein darstellender Natur und
ist nicht dazu gedacht, die Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen
der Erfindung zu beschränken.
Darüber
hinaus besteht nicht die Absicht, durch irgendeine explizite oder
implizite Theorie gebunden zu sein, die in dem voranstehenden technischen
Gebiet, dem Hintergrund, der Kurzzusammenfassung oder der nachfolgenden
genauen Beschreibung dargestellt ist.
-
Die
vorliegende Erfindung ist ein System und ein Verfahren zur Steuerung
einer Synchronmaschine, welche umfasst, aber nicht notwendigerweise
begrenzt ist auf, eine Permanentmagnetmaschine (PM-Maschine) und
eine synchrone Reluktanzmaschine. Das System umfasst allgemein eine
Strombefehlsquelle, einen mit der Strombefehlsquelle gekoppelten
Stromregler und ein Feldabschwächungs-Spannungssteuerungsmodul,
das mit dem Stromregler und der Strombefehlsquelle gekoppelt ist.
Die Strombefehlsquelle erzeugt d- und q-Achsenstrombefehle unter
Verwendung einer Strombefehlstabelle, die für einen vorbestimmten Steuerungsparameter
(z.B. den Systemwirkungsgrad) optimiert sein kann. Das Feldabschwächungs-Spannungssteuerungsmodul
erzeugt einen Rückkopplungsstrom
zur Verwendung bei einem Modifizieren des q-Achsenstrombefehls,
um es dem Stromregler zu ermöglichen,
in einem nichtlinearen Übermodulationsbereich
ohne den Verlust der Stromregelung zu arbeiten. Der Stromregler
wandelt die Strombefehle, welche den modifizierten q-Achsenstrombefehl
umfassen, um und versorgt einen Spannungszwischenkreisumrichter
mit Arbeitszyklen, welcher wiederum die angemessene Spannung (z.B.
Dreiphasenspannungen) an die PM-Maschine anlegt, um den befohlenen
Strom für
die PM-Maschine
zu erzeugen. Das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung
können
auch auf eine synchrone Reluktanzmaschine angewendet werden.
-
Auf 1 Bezug
nehmend ist gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ein Antriebssystem 10 gezeigt,
das eine PM-Maschine 16 aufweist. Das Antriebssystem 10 umfasst
einen Controller 12, einen Spannungszwischenkreisumrichter 14,
der mit dem Controller 12 gekoppelt ist, die mit dem Spannungszwischenkreisumrichter 14 gekoppelte
PM-Maschine 16 und einen Detektor 30, der einen
mit dem Spannungszwischenkreisumrichter 14 gekoppelten
ersten Eingang, einen mit der PM-Maschine 16 gekoppelten
zweiten Eingang und einen mit dem Controller 12 gekoppelten
Ausgang aufweist, der den Controller mit gemessenen Größen einer
Vielzahl von Systemausgängen
versorgt. Der Controller 12 erzeugt Arbeitszyklusbefehle
aus den gemessenen Größen und
versorgt den Spannungszwischenkreisumrichter 14 mit den
Arbeitszyklusbefehlen. Unter Verwendung der Arbeitszyklusbefehle erzeugt
der Spannungszwischenkreisumrichter 14 Dreiphasenspannungen
(z.B. Va, Vb, Vc) aus einem Versorgungspotenzial (z.B. einem
Batteriepotenzial oder einer DC-Busspannung (Vdc))
und treibt die PM-Maschine 16 mit den Dreiphasenspannungen an.
Der Detektor 30 nimmt die gemessenen Größen auf, welche umfassen, aber
nicht notwendigerweise beschrankt sind auf, die Versorgungsspannung
(Vdc), gemessene Phasenströme (z.B.
Ia, Ib und Ic, obwohl eine Messung von zwei Phasenströmen für eine Maschine
mit einem Y-Anschluss ohne einen Neutralanschluss ausreichend sein
kann), eine Rotordrehzahl ((ωr) und einen Rotorphasenwinkel (θr).
-
Der
Spannungszwischenkreisumrichter 14 wandelt die Versorgungsspannung
(Vdc) in eine AC-Spannung um, welche verwendet
wird, um die PM-Maschine 16 anzutreiben.
Der Spannungszwischenkreisumrichter 14 kann auch den an
die PM-Maschine 16 angelegten Spannungsbetrag variieren,
wodurch er dem Controller 12 ermöglicht, den Strom der PM-Maschine
zu steuern. Der Spannungsbetrag, den der Spannungszwischenkreisumrichter 14 an
die PM-Maschine anlegt, wird durch einen Modulationsindex angezeigt.
Beispielsweise zeigt ein Modulationsindex von Null an, dass die
angelegte Spannung Null ist, und ein Modulationsindex von Eins zeigt
an, dass der Spannungszwischenkreisumrichter 14 die volle
Batteriespannung an die PM-Maschine angelegt hat (z.B. über einen
sechsstufigen Betrieb). Zwischen diesen Modulationsindexwerten kann
der Spannungszwischenkreisumrichter 14 die Spannung variieren,
beispielsweise durch eine Pulsweitenmodulation (PWM). Bis zu einem
Modulationsindex von etwa 0,9069 (z.B. etwa 90,6 % der Busspannung)
steuert der Spannungszwischenkreisumrichter 14 die Spannung
der PM-Maschine linear. Über
dem Modulationsindex von etwa 0,9069 arbeitet der Spannungszwischenkreisumrichter 14 in
einem Übermodulationsbereich,
in dem die Steuerung der Spannung nichtlinear ist.
-
Unter
Verwendung der gemessenen Größen erzeugt
der Controller 12 die Arbeitszyklusbefehle. Der Controller 12 umfasst
einen Prozessor 18, einen Prozessorspeicher 20,
einen Speicher 22 für
Maschineneigenschaften, einen Eingangspuffer 28, einen Ausgangspuffer 24 und
einen temporären
Speicher 26, die alle miteinander gekoppelt sind. Die gemessenen
Größen werden
von dem Eingangspuffer 28 empfangen und können während eines
Betriebs des Controllers 12 in dem Speicher für Maschineneigenschaften,
dem Prozessorspeicher oder dem temporären Speicher 26 gespeichert
werden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform führt der
Controller 12 ein oder mehrere Programme aus (z.B. um Strombefehle
für einen
vorbestimmten Steuerungsparameter zu optimieren, um einen Betrieb
der Permanentmagnetmaschine in einem Übermodulationsbereich zu berücksichtigen
und dergleichen), um jegliche Vorläuferelemente zu ermitteln (z.B.
modifizierte Strombefehle, Spannungsbefehle und dergleichen), welche
zum Ermitteln der Arbeitszyklusbefehle verwendet werden.
-
Auf 1 und 2 Bezug
nehmend ist 2 ein Blockdiagramm, das ein
Stromsteuerungssystem 40 des Antriebssystems 10 gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt. Das Stromsteuerungssystem 40 ist durch
den Controller 12 implementiert. Eine oder mehrere der
Komponenten des Stromsteuerungssystems 40 können in
Software oder Firmware, Hardware, wie zum Beispiel einem anwendungsspezifischen
integrierten Schaltkreis (ASIC), einem elektronischen Schaltkreis,
einem Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert, oder Gruppe) und
einem Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme
ausführen,
einem Schaltungslogikschaltkreis und/oder anderen geeigneten Komponenten oder
Kombinationen davon ausgeführt
sein.
-
Das
Stromsteuerungssystem 40 umfasst allgemein eine Strombefehlstabelle 42,
einen Strombefehlsummierblock 48, ein Feldabschwächungsmodul 46 und
einen Stromregler 44. Ein erster Ausgang der Strombefehlstabelle 42 ist
mit einem ersten Eingang des Summierblocks 48 gekoppelt.
Das Feldabschwächungsmodul 46 weist
einen ersten Eingang, der mit einem Ausgang des Summierblocks 48 gekoppelt
ist, einen zweiten Eingang, der mit einem zweiten Ausgang der Strombefehlstabelle 42 gekoppelt
ist, und einen Ausgang auf, der mit einem zweiten Eingang des Summierblocks 48 gekoppelt
ist. Der Stromregler weist einen ersten Eingang, der mit dem ersten Ausgang
der Strombefehlstabelle 42 gekoppelt ist, einen zweiten
Eingang, der mit dem Ausgang des Summierblocks 48 gekoppelt
ist, einen ersten Aus gang, der mit dem Spannungszwischenkreisumrichter 14 gekoppelt
ist, und einen zweiten Ausgang auf, der mit dem Feldabschwächungsmodul 46 gekoppelt ist.
Optimierte Strombefehle (z.B. ein d-Achsenstrombefehl (I*d) und ein q-Achsenstrombefehl (I*q)) werden von der Strombefehlstabelle 42 erzeugt,
und das Feldabschwächungsmodul 46 erzeugt
einen Rückkopplungsstrom
(ΔI*q), um den q-Achsenstrombefehl über den
Summierblock 48 zu modifizieren (wenn nötig). Der resultierende modifizierte
q-Achsenstrombefehl
(I**q) wird in Verbindung mit dem d-Achsenstrombefehl
(I*d) dem Stromregler 44 bereitgestellt
und ermöglicht
es dem Stromregler 44, bei Bedarf in einem nichtlinearen Übermodulationsbereich
ohne den Verlust einer Stromregelungsstabilität auch bei transienten Operationen
zu arbeiten.
-
Die
Strombefehlstabelle 42 kann (z.B. als eine Nachschlagetabelle)
in dem Prozessorspeicher 20 gespeichert sein und ist vorzugsweise
für einen vorbestimmten
Steuerungsparameter (z.B. den Systemwirkungsgrad) optimiert. Die
Strombefehlstabelle 42 kann von einer beliebigen Anzahl
von Modellen zur Optimierung eines gewünschten Steuerungsparameters
abgeleitet sein und auch die Spannungs- und Stromgrenzen der PM-Maschine 16 verwenden, um
einen angemessenen Betrag an d- und q-Achsenströmen an die PM-Maschine anzulegen,
um das gewünschte
Drehmoment mit einem hohen Wirkungsgrad zu erzeugen und die Stromregelungsstabilität durch
ein Steuern der Maschinenanschlussspannung aufrecht zu erhalten.
Für einen
speziellen Drehmomentbefehl (T*), eine spezielle Rotordrehzahl (ωr) und das Versorgungspotenzial (Vdc), wie sie beispielsweise von dem Detektor 30 aufgenommen und
dem Controller 12 bereitgestellt werden, werden aus der
Strombefehlstabelle 42 ein optimierter d-Achsenstrombefehl
(I*d) und ein optimierter q-Achsenstrombefehl
(I*q) ermittelt.
-
Um
den Rückkopplungsstrom
(ΔI*q) zu erzeugen, tastet das Feldabschwächungsmodul 46 die Strombefehle
(z.B. den optimierten d-Achsenstrombefehl (I*d)
und den modifizierten q-Achsenstrombefehl (I**q))
ab, mit welchen der Stromregler 44 versorgt wird. Zusätzlich tastet
das Feldabschwächungsmodul 46 synchrone
Rahmenspannungsbefehle ab, die in dem Stromregler 44 erzeugt
werden. Aus den abgetasteten Strombefehlen, den abgetasteten synchronen
Rahmenspannungsbefehlen, der gemessenen Rotordrehzahl (ωr), dem gemessenen Rotorphasenwinkel (θr) und einem Maschinenwiderstand (Rs) je Phase der PM-Maschine 16 ermittelt
das Feldabschwächungsmodul 46 den
Rückkopplungsstrom
(ΔI*q). Bei einem idealen Betrieb wäre der Rückkopplungsstrombefehl
(ΔI*q) gleich Null und es wäre keine Modifikation des q-Achsenstrombefehls I*q notwendig, da die Steuerungstabelle 42 bei
einem Betrieb innerhalb der Spannungs- und Stromgrenzen des Umrichters
erzeugt wird. In dem nicht-idealen Fall jedoch korrigiert der Rückkopplungsstrom ΔI*q Fehler zwischen den tatsächlichen
Maschinenparametern und den modellierten Maschinenparametern, wodurch
eine stabile Stromsteuerung bei allen Drehzahlen und Maschinendrehmomentpegeln
ermöglicht
wird.
-
Auf 2 und 3 Bezug
nehmend ist 3 ein Blockdiagramm, welches
das Stromsteuerungssystem 40 genauer darstellt. Bei dieser
beispielhaften Ausführungsform
umfasst der Stromregler 44 Vergleicher 50 und 52,
Proportional-Integral-Controller (PI-Controller) 54 und 56,
die mit den Vergleichern 50 bzw. 52 gekoppelt
sind, Summierblöcke 58 und 60,
die mit den PI-Controllern 54 bzw. 56 gekoppelt
sind, ein Übermodulationsmodul 62,
das mit den Summierblöcken 58 und 60 gekoppelt
ist, ein Umformungsmodul 64, das mit dem Übermodulationsmodul 62 gekoppelt
ist, und ein Arbeitszyklusmodul 66, das mit dem Umformungsmodul 64 gekoppelt ist.
Der Vergleicher 50 empfängt
den d-Achsenstrombefehl (I*d) von der Befehlstabel le 42 und
vergleicht den d-Achsenstrombefehl (I*d)
mit einem gemessenen d-Achsenstrom
(Id), um einen d-Achsenstromfehler zu erzeugen.
Der Vergleicher 52 empfangt den modifizierten q-Achsenstrombefehl
(I**q) und vergleicht den modifizierten
q-Achsenstrombefehl (I**q) mit einem gemessenen
q-Achsenstrom (Iq), um einen q-Achsenstromfehler zu erzeugen.
Die PI-Controller 54 und 56 wandeln
die Stromfehler (z.B. d- bzw. q-Achsenstromfehler)
in synchrone Rahmenspannungsbefehle um (z.B. synchrone d- bzw. q-Achsen-Rahmenspannungsbefehle),
und die Summierblöcke 58 und 60 addieren
einen entsprechenden Optimalwertausdruck zu jedem der synchronen
Rahmenspannungsbefehle. Bei einer beispielhaften Ausführungsform
ist der Optimalwertausdruck die Summe der Drehzahlspannung und eines
Widerstandsabfalls über
den Stator und wird zu dem Ausgang der PI-Controller 54 und 56 addiert,
um die transiente Leistungsfähigkeit
des Antriebssystems 10 zu verbessern. Beispielsweise addiert
der Summierblock 58 einen Optimalwertausdruck (–ωrψ*q + I*dRs)
zu dem synchronen d-Achsen-Rahmenspannungsbefehl, und der Summierblock 60 addiert
einen Optimalwertausdruck (ωrψ*d + I*qRs)
zu dem synchronen q-Achsen-Rahmenspannungsbefehl, wobei ψ*q ein q-Achsenflusskopplungsbefehl
ist und ψ*d ein d-Achsenflusskopplungsbefehl ist. Ein
Antidrall-Stromregler kann auch implementiert werden, um ein Stromüberschwingen
zu minimieren.
-
Die
Ausgänge
der Summierblöcke 58, 60 werden
dem Übenmodulationsmodul 62 bereitgestellt,
und das Übermodulationsmodul 62 implementiert
einen Steuerungsalgorithmus, der die nichtlineare Steuerung der
synchronen Rahmenspannungsbefehle berücksichtigt. Das Umformungsmodul 64 wandelt
die von dem Übermodulationsmodul 62 empfangenen
synchronen Rahmenspannungsbefehle (U* sd und U* sq) unter Verwendung der gemessenen Rotorphasenposition
(θr) in stationäre Rahmenspannungsbefehle (U*α und
U*β)
um. Das Arbeitszyklusmodul 66 empfangt die stationären Rahmenspannungsbefehle (U*α und
U*β)
von dem Umformungsmodul 64 und die Versorgungsspannung
(Vdc) (z.B. die gemessene DC-Busspannung).
Unter Verwendung von PWM begründet
die Breite oder der Arbeitszyklus der Signale die von dem Spannungszwischenkreisumrichter 14 an
die PM-Maschine 16 angelegte
Spannungsgröße, und
das Arbeitszyklusmodul 66 ermittelt diese Arbeitszyklen
aus den stationären
Rahmenspannungsbefehlen.
-
Die
durch den Spannungszwischenkreisumrichter
14 erzeugte angemessene
Spannungsgröße erzeugt
die befohlenen d- und die q-Achsenstrombefehle in den Maschinenphasen,
und das Feldabschwächungsmodul
46 modifiziert
die q-Achsenstrombefehle, um die Maschinenanschlussspannung zu steuern.
Bei dieser beispielhaften Ausführungsform
umfasst das Feldabschwächungsmodul
46 eine statische
Flusstabelle
68, ein Modul
70 für den befohlenen
Modulationsindex, der unter Verwendung der befohlenen d- und q-Achsenflusskopplungen
aus der statischen Flusstabelle
68 berechnet wird, ein
Modul
72 für
den tatsächlichen
Modulationsindex, der unter Verwendung der genauen (in dem nächsten PWM-Zyklus)
an den Maschinenanschluss anzulegenden Spannungen berechnet wird,
einen mit dem Modulationsindexmodul
72 gekoppelten Vergleicher
74,
einen mit dem Vergleicher
74 gekoppelten PI-Controller
76 und
einen mit dem PI-Controller
76 gekoppelten Strombegrenzer
78.
Die Ausgänge
der Summierblöcke
58 und
60 (z.B.
synchrone Rahmenspannungsbefehle mit den addierten Optimalwertausdrücken) werden
von dem Modulationsindexmodul
72 abgetastet, und ein Modulationsindex
(M
index) wird unter Verwendung der Versorgungsspannung (V
dc) berechnet. Die d- und q-Achsenflusskopplungsbefehle
(ψ*
d und ψ*
q) werden unter Verwendung der statischen
Flusstabelle
68, des abgetasteten d-Achsenstrombefehls
(I*
d) und des modifizierten q- Achsenstrombefehls
(I**
q) ermittelt und dem Modulationsindexmodul
70 bereitgestellt.
Das Modulationsindexmodul
70 ermittelt einen Modulationsindexbefehl (M*
index) mit den d- und q-Achsenflusskopplungsbefehlen
(ψ*
d und ψ*
q), dem d-Achsenstrombefehl (I*
d), dem
modifizierten q-Achsenstrombefehl (I**
q),
dem Maschinenwiderstand (R
s) je Phase der
PM-Maschine
16, dem Versorgungspotenzial (V
dc)
und der gemessenen Rotordrehzahl (ω
r).
Der Modulationsindexbefehl (M*
index) wird
beispielsweise durch die folgenden Gleichungen ermittelt:
-
Unter
Verwendung des Modulationsindexbefehls (M*index)
begründet
der Controller 12 einen Wert für eine Modulationsreferenz
(Mref). In dem Fall, dass der Modulationsindexbefehl
(M*index) kleiner als eine vorbestimmte
untere Modulationsindexgrenze (Mlower) oder
größer als
eine vorbestimmte obere Modulationsindexgrenze (Mupper)
ist, wird der Modulationsreferenz (Mref)
die obere Modulationsindexgrenze (Mupper) zugewiesen.
Die untere Modulationsindexgrenze (Mlower)
und die obere Modulationsindexgrenze (Mupper)
begründen
die Betriebsgrenzen in dem Übermodulationsbereich
der PM-Maschine 16.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform
wird die obere Modulationsindexgrenze (Mupper)
auf etwa fünfundneunzig Prozent
(95 %) des sechsstufigen Betriebswertes gesetzt, um einen Grenzbereich
zur allgemeinen Berücksichtigung
eines transienten Betriebs zu schaffen und die Stromstabilität aufrecht
zu erhalten. In dem Fall, dass der Modulationsindexbefehl (M*index) nicht kleiner als die untere Modulationsindexgrenze
(Mlower) und nicht größer als die obere Modulationsindexgrenze
(Mupper) ist, wird der Modulationsreferenz
(Mref) der Modulationsindexbefehl (M*index) zugewiesen. Wenn der Modulationsindexbefehl
(M*index) kleiner als die untere Modulationsindexgrenze
(Mlower) ist, ist die Spannungsschleife
nicht aktiv. Wenn der Modulationsindexbefehl (M*index)
größer als
die untere Modulationsindexgrenze (Mlower)
und kleiner als die obere Modulationsindexgrenze (Mupper)
ist, ist die Spannungsschleife aktiv. Wenn der Modulationsindexbefehl
(M*index) größer als die obere Modulationsindexgrenze
(Mupper) ist, ist die Spannungsschleife
aktiv.
-
Zusätzlich begründet der
Controller 12 unter Verwendung des Modulationsindexbefehls
(M*index) eine positive Sättigungsgrenze
(Ipos qsat) und eine
negative Sättigungsgrenze
(Ineg qsat) für den Strombegrenzer 78.
In dem Fall, dass der Modulationsindexbefehl (M*index)
größer als
die untere Modulationsindexgrenze (Mlower)
ist, wird der positiven Sättigungsgrenze
(Ipos qsat) K1 × I*q zugeordnet und der negativen Sättigungsgrenze
(Ineg qsat) wird –K2 × I*q zugewiesen, wobei K1 und
K2 vorbestimmte Konstanten zwischen Null
und Eins sind. In dem Fall, dass der Modulationsindexbefehl (M*index) kleiner oder gleich der unteren Modulationsindexgrenze
(Mlower) ist, wird der positiven Sättigungsgrenze
(Ipos qsat) Null
zugewiesen und der negativen Sättigungsgrenze
(Ineg qsat) wird –K2 × I*q zugewiesen. Das Setzen der Grenzen in dem
Strombegrenzer 78 zusammen mit der Wahl von Mref deaktiviert
die Spannungsschleife, wenn M*index kleiner
als Mlower ist. Bei einer beispielhaften
Ausführungsform
ist K1 ≤ 0,2
und K2 ≤ 0,4.
-
Der
Vergleicher 74 erzeugt eine Differenz zwischen dem Quadrat
des Absolutwerts der Modulationsreferenz (Mref)
und dem Quadrat des Absolutwerts des Modulationsindex (Mindex), die Differenz zwischen dem befohlenen
und dem tatsächlichen (z.B.
an die Maschine angelegten) Modulationsindex im Quadrat. Der PI-Controller 76 erzeugt
die angemessene q- Achsenstromrückkopplung,
um den Modulationsindex (Mindex) mit der
Modulationsreferenz (Mref) abzugleichen.
Der Strombegrenzer 78 begründet die oberen und unteren
Grenzen (z.B. die positive Sättigungsgrenze
(Ipos qsat) und die
negative Sättigungsgrenze
(Ineg qsat)) für den Rückkopplungsstrom (ΔI*q). Ein Verwenden des Feldabschwächungsmoduls 46 in
einer Rückkopplungsschleifenkonfiguration
berücksichtigt
Variationen zwischen dem Maschinenmodell, das zur Ermittlung der
optimalen Steuerungsparameter verwendet wird, und der tatsächlichen
Betriebsmerkmale der Maschine.
-
4 ist
ein Flussdiagramm eines Verfahrens 100 zur Steuerung einer
Synchronmaschine, beispielsweise einer Permanentmagnetmaschine,
einer synchronen Reluktanzmaschine und dergleichen gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Bei Schritt 105 werden ein d-Achsenstrombefehl
und ein q-Achsenstrombefehl erzeugt. Die d- und q-Achsenstrombefehle
werden vorzugsweise unter Verwendung einer optimierten Strombefehlstabelle
auf der Grundlage des Drehmomentbefehls, der Rotordrehzahl (ωr) der Synchronmaschine und einer Versorgungsspannung
(Vdc) erzeugt. Bei Schritt 110 wird
aus dem q-Achsenstrombefehl ein modifizierter Strombefehl erzeugt,
der die durch die Synchronmaschine erzeugte Maschinenanschlussspannung
durch eine Feldabschwächung begrenzt.
Bei einer Ausführungsform
wird ein Modulationsindex aus den ersten und zweiten modifizierten
Spannungsbefehlen abgeleitet, ein Referenzmodulationsindex wird
aus der d-Achsenflusskopplung (ψ*d) und der q-Achsenflusskopplung (ψ*q) ermittelt, durch ein Vergleichen des Modulationsindex
mit einem Referenzmodulationsindex wird ein Fehler ermittelt, der
Fehler wird in einen ersten Wert umgewandelt, der erste Wert wird
zwischen einem positiven Wert und einem negativen Wert begrenzt,
um einen zweiten Wert zu erzeugen, und der zweite Wert wird zu dem
zweiten Strombefehl addiert, um den modifizieren Strombefehl zu
erzeugen. Um den Fehler zu ermitteln, wird aus dem d-Achsenstrombefehl, dem
q-Achsenstrombefehl, der d-Achsenflusskopplung
(ψ*d), der q-Achsenflusskopplung (ψ*q), dem Maschinenwiderstand (Rs)
je Phase der Synchronmaschine, einer DC-Versorgungsspannung und
der Rotordrehzahl (ωr) der Synchronmaschine ein Modulationsindexbefehl
erzeugt. In dem Fall, dass der Modulationsindexbefehl nicht kleiner
als eine Untergrenze und der Modulationsindexbefehl nicht größer als eine
Obergrenze ist, wird dem Referenzmodulationsindex der Modulationsindexbefehl
zugewiesen. In dem Fall, dass der Modulationsindexbefehl kleiner als
eine Untergrenze ist oder dass der Modulationsindexbefehl größer als
eine Obergrenze ist, wird dem Referenzmodulationsindex die Obergrenze
zugewiesen. Um den ersten Wert zu begrenzen, wird in dem Fall, dass
der Modulationsindexbefehl größer als eine
vorbestimmte Untergrenze ist, dem Maximalwert K1 × I*q zugewiesen und dem Minimalwert wird –K2 × I*q zugewiesen, und in dem Fall, dass der Modulationsindexbefehl
nicht größer als
die Untergrenze ist, wird dem Maximalwert Null zugewiesen und dem
Minimalwert wird –K2 × I*q zugewiesen.
-
Bei
Schritt 115 wird der erste Strombefehl in einen ersten
Spannungsbefehl umgewandelt. Der modifizierte Strombefehl wird bei
Schritt 120 in einen zweiten Spannungsbefehl umgewandelt.
Bei Schritt 125 wird die Synchronmaschine (z.B. über einen Spannungszwischenkreisumrichter)
mit den ersten und zweiten Spannungsbefehlen versorgt.
-
Bei
einer anderen Ausführungsform
wird ein erster modifizierter Spannungsbefehl aus einer Summe des
ersten Spannungsbefehls und eines Optimalwertausdrucks (–ωrψ*q + I*dRs)
erzeugt, und ein zweiter modifizierter Spannungsbefehl wird aus
einer Summe des zweiten Spannungsbefehls und eines Optimalwertausdrucks
(ωrψ*d + I*qRs)
erzeugt. Die d- Achsenflusskopplung
(ψ*d) wird aus dem d-Achsenstrombefehl abgeleitet
und die q-Achsenflusskopplung (ψ*q) aus dem q-Achsenstrombefehl.
-
Bei
einer anderen Ausführungsform
wird ein erster Synchronbefehl aus der ersten nachgestellten Spannung
erzeugt, ein zweiter Synchronbefehl wird aus der zweiten nachgestellten
Spannung erzeugt, die ersten und zweiten Synchronbefehle werden
in erste und zweite stationäre
Befehle umgewandelt, erste, zweite und dritte Arbeitszyklen werden
aus den ersten und zweiten stationären Befehlen ermittelt, und
die ersten, zweiten und dritten Arbeitszyklen werden einem Spannungszwischenkreisumrichter
bereitgestellt. Der Spannungszwischenkreisumrichter steuert die
Synchronmaschine.
-
Zusammengefasst
werden Verfahren und Systeme zur Steuerung von Synchronmaschinen
bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Erzeugen eines d-Achsenstrombefehls
und eines q-Achsenstrombefehls, ein Erzeugen eines modifizierten Strombefehls
aus dem q-Achsenstrombefehl, ein Umwandeln des d-Achsenstrombefehls
in einen ersten Spannungsbefehl, ein Umwandeln des modifizierten
Strombefehls in einen zweiten Spannungsbefehl und ein Versorgen
der Synchronmaschine mit den ersten und zweiten Spannungsbefehlen.
Der modifizierte Strombefehl begrenzt eine durch die Permanentmagnetmaschine
erzeugte Anschlussspannung.
