DE102008042978A1

DE102008042978A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen von Phasenströmen einer an einen Umrichter angeschlossenen elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102008042978A1
Application number: DE102008042978A
Authority: DE
Inventors: Ioan Serban; Eckart Mayer; Dirk Lamprecht
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2010-04-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Phasenströmen einer an einen Umrichter (3) angeschlossenen mehrphasigen elektrischen Maschine (2), mit folgenden Schritten: - Durchführen einer Stromregelung, die abhängig von einer Abgabe über Ist-Phasenströme (i*a, i*b, i*c) in der elektrischen Maschine (2) und abhängig von vorgegebenen Soll-Phasenströme (ia_soll, ib_soll, ic_soll) ein oder mehrere Ansteuersignale (A) für den Umrichter (3) generiert; - Ermitteln von Phasenspannungen (ua, ub, uc) abhängig von einer Zwischenkreisspannung (uZK), die eingangsseitig des Umrichters (3) vorliegt, und abhängig von den Ansteuersignalen (A); - Bestimmen der Ist-Phasenströme (i*a, i*b, i*c) abhängig von den ermittelten Phasenspannungen (ua, ub, uc).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, wie z. B. einer Synchronmaschine, mithilfe eines Umrichters und insbesondere ein Verfahren mit dem Phasenströme der elektrischen Maschine bestimmt werden.
Stand der Technik
Elektrische Maschinen, wie z. B. Synchronmaschinen, werden in der Regel als Bestandteil eines Drehfeldantriebs betrieben. Der Drehfeldantrieb wird mithilfe einer Steuereinheit und einer Leistungselektronik realisiert. Der Drehfeldantrieb kann eine Stromregelung umfassen, bei der die Phasenströme, die an die Synchronmaschine angelegt werden, auf von der Steuereinheit vorgegebene Sollwerte geregelt werden. Die elektrische Maschine kann dabei als Motor oder als Generator arbeiten. Der Drehfeldantrieb wird mit Hilfe eines Umrichters realisiert. Der Umrichter kann als Wechselrichter (Motor) oder Gleichrichter (Generator) arbeiten.
Für die Stromregelung der Synchronmaschine ist die Kenntnis der Ist-Werte der Phasenströme notwendig. Diese Ist-Phasenströme werden bislang realisiert, indem Stromdetektoren, wie z. B. Strommesswandler oder Strommess-Shunts, in den Phasenzweigen, d. h. in den Phasenleitungen zwischen dem Umrichter und der Synchronmaschine, angeordnet werden, um die einzelnen Phasenströme zu messen. Dies stellt jedoch einen erhöhten Aufwand bei der Realisierung eines derartigen Antriebssystems dar, da zusätzliche Bauelemente vorgesehen werden müssen, um die Messung durchzuführen.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass ein Stromdetektor in die Verbindungsleitung zwischen dem Umrichter und einer Zwischenkreiskapazität, der eingangsseitig an dem Umrichter angeordnet ist, vorgesehen wird, um dort einen Zwischenkreisstrom zu messen. Die Phasenströme können dann gemessen werden, indem spezifische Ansteuermuster, d. h. Verläufe für Schaltsignale für den Umrichter, an den Umrichter angelegt werden, mit deren Hilfe man aus der Messung des Zwischenkreisstroms auf die Phasenströme schließen kann. Die Ansteuermuster werden dabei vorzugsweise so gewählt, dass der gemessene Zwischenkreisstrom dem jeweiligen zu ermittelnden Phasenstrom entspricht. Diese Variante ist weniger aufwendig als die Messung jedes der Phasenströme durch die zugeordneten Stromdetektoren. Das Anlegen der notwendigen spezifischen Ansteuermuster zur Strommessung verursacht jedoch Geräusche beim Betrieb der Synchronmaschine. Außerdem ist für das Anlegen dieser Ansteuermuster zwischen den regulären Ansteuermustern eine bestimmte Zeit notwendig, die dem regulären Ansteuerverfahren nicht mehr zur Verfügung steht.
Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Phasenströme ist aus DE 10 2006 006 032 A1 bekannt. Darin wird vorgeschlagen, die Phasenströme mithilfe eines Beobachters abhängig von den Sollwerten der Phasenspannungen der Synchronmaschine zu ermitteln. Jedoch ist es für die Schätzung der Phasenströme notwendig, zusätzliche Parameter des Antriebssystems, wie z. B. eine Temperatur der Leistungsendstufe, eine Temperatur der Wicklung und dergleichen, zur Verfügung zu stellen, um die Phasenströme hinreichend genau schätzen zu können.
Dafür sind jedoch Sensoren, wie z. B. Temperatursensoren, an der Leistungs-Endstufe und/oder der elektrischen Maschine notwendig, die einen zusätzlichen Aufwand beim Aufbau eines derartigen Antriebssystems darstellen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben eines Drehfeldantriebs für eine Synchronmaschine vorzusehen, wobei die Phasenströme geschätzt werden und wobei der Realisierungsaufwand möglichst gering ist.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Bestimmen von Phasenströmen in einem Antriebssystem gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung zum Bestimmen von bereitgestellten Phasenströmen und ein Antriebssystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Bestimmen von Phasenströmen eines Umrichters zum Ansteuern einer mehrphasigen elektrischen Maschine vorgesehen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

– Durchführen einer Stromregelung, die abhängig von einer Angabe über Ist-Phasenströme in der elektrischen Maschine und abhängig von vorgegebenen Soll-Phasenströme ein oder mehrere Ansteuersignale für den Umrichter generiert;
– Ermitteln von Phasenspannungen abhängig von einer Zwischenkreisspannung, die eingangsseitig des Wechselrichters vorliegt, und abhängig von den Ansteuersignalen;
– Bestimmen der Ist-Phasenströme abhängig von den ermittelten Phasenspannungen.

Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, die Ist-Phasenströme über die Phasenspannungen zu schätzen. Dabei werden die Phasenspannungen mit Hilfe einer Angabe über eine Zwischenkreisspannung und abhängig von Ansteuersignalen rekonstruiert.
Weiterhin können die Phasenspannungen abhängig von einer korrigierten Zwischenkreisspannung ermittelt werden, wobei die korrigierte Zwischenkreisspannung abhängig von einer gemessenen Zwischenkreisspannung, die über einer dem Umrichter vorgeschalteten Zwischenkreiskapazität anliegt, und einem Korrekturwert ermittelt wird, wobei der Korrekturwert abhängig von einem Zwischenkreisstrom, der eingangsseitig des Umrichters fließt, bestimmt wird.
Um Einflüsse z. B. der Temperatur, der elektrischen Maschine und dergleichen zu eliminieren, ist eine Korrektur der für die Rekonstruktion der Phasenspannung benötigten Zwischenkreisspannung vorgesehen, die abhängig von einem rekonstruierten Zwischenkreisstrom, der aus den geschätzten Phasenströmen abgeleitet wird und dem tatsächlichen Zwischenkreisstrom ermittelt wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Zwischenkreisspannung zu korrigieren, sodass Parameteränderungen des Antriebssystems berücksichtigt werden können, ohne diese in einem Modell für die Berechnung der Phasenströme aus den Phasenspannungen berücksichtigen zu müssen. Entsprechend entfällt auch der Bedarf, die entsprechenden Parameteränderungen in geeigneter Weise zu erfassen, z. B. durch Temperatursensoren und dergleichen.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Zwischenkreisstrom gemessen werden oder mit Hilfe der Zwischenkreisspannung und eines Versorgungsstroms ermittelt werden.
Insbesondere kann der Korrekturwert abhängig von einem aus den geschätzten Phasenströmen bestimmten, geschätzten Zwischenkreisstrom mit Hilfe eines Regelungsgliedes bestimmt werden.
Ferner können die Phasenspannungen mit Hilfe von induzierten Phasenspannungen, die von aus einer Rotorwinkellage eines Rotors der elektrischen Maschine und einer Drehgeschwindigkeit des Rotors ermittelt werden, berechnet werden.
Gemäß einer Ausführungsform können die Phasenspannungen mit Hilfe von Schaltzuständen von Schaltern im Umrichter ermittelt werden, wobei die Schaftzustände abhängig von den Ansteuersignalen unter Berücksichtigung des Schaltverhaltens der Schalter im Umrichter berechnet werden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Phasenströme abhängig von Parameter der elektrischen Maschine und/oder des Umrichters, insbesondere einer Temperatur der elektrischen Maschine und/oder des Umrichters ermittelt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Bestimmen von Phasenströmen eines Umrichters zum Ansteuern einer mehrphasigen elektrischen Maschine vorgesehen, wobei der Umrichter über einen Zwischenkreis, insbesondere mit einer Zwischenkreiskapazität, mit einer elektrischen Versorgungsquelle verbunden ist. Die Vorrichtung umfasst:

– eine Stromregelungseinheit zum Durchführen einer Stromregelung, um abhängig von einer Angabe über Ist-Phasenströme in der elektrischen Maschine und abhängig von vorgegebenen Soll-Phasenströme ein oder mehrere Ansteuersignale für den Umrichter zu generieren;
– eine Phasenspannungs-Rekonstruktionseinheit zum Ermitteln von Phasenspannungen abhängig von einer Zwischenkreisspannung, die eingangsseitig des Umrichters vorliegt, und abhängig von den Ansteuersignalen;
– eine Phasenstrom-Berechnungseinheit zum Bestimmen der Ist-Phasenströme abhängig von den ermittelten Phasenspannungen.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Phasenspannungs-Rekonstruktionseinheit ausgebildet sein, um die Phasenspannungen abhängig von einer korrigierten Zwischenkreisspannung, die von einer bereitgestellten aktuellen Zwischenkreisspannung und von einem Korrekturwert abhängt, zu ermitteln, wobei eine Regelungseinheit vorgesehen ist, um den Korrekturwert als Stellgröße abhängig von einer Angabe zu einem aktuellen Zwischenkreisstrom und abhängig von einem geschätzten Zwischenkreisstrom zu ermitteln.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Antriebssystem vorgesehen, das umfasst:

– einen Umrichter, der über einen Zwischenkreis, insbesondere. mit einer Zwischenkreiskapazität, mit einer elektrischen Versorgungsquelle verbunden ist;
– eine elektrische Maschine, die von dem Umrichter über Phasenverbindungen angesteuert wird;
– die obige Vorrichtung zum Bestimmen von Phasenströmen.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, das obige Verfahren ausführt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Folgende Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Antriebssystems mit einem Umrichter zum Ansteuern einer Synchronmaschine mit einer Phasenstromregelung und Messung des Zwischenkreisstroms;
2 eine detailliertere Darstellung des Umrichters und der Synchronmaschine;
3 eine schematische Darstellung eines weiteren Antriebssystems mit einem Umrichter zum Ansteuern einer Synchronmaschine mit einer Phasenstromregelung und Messung des Versorgungsstroms;
4 eine schematische Darstellung eines weiteren Antriebssystems mit einem Umrichter zum Ansteuern einer Synchronmaschine mit einer Regelung der transformierten Phasenströme und Messung des Zwischenkreisstroms;
5 eine schematische Darstellung eines weiteren Antriebssystems mit einem Umrichter zum Ansteuern einer Synchronmaschine mit einer Phasenstromregelung und Messung des Versorgungsstroms mit Berechnung des Zwischenstromkreisstroms; und
6 eine schematische Darstellung eines weiteren Antriebssystems mit einem Umrichter zum Ansteuern einer Synchronmaschine mit einer Phasenstromregelung ohne Korrektur über gemessene Größen.
Beschreibung von Ausführungsformen
In den nachfolgenden Figuren bezeichnen Elemente, die mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktionen.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Antriebssystems 1 mit Drehfeldantrieb zum Betreiben einer Synchronmaschine 2, um z. B. ein Drehmoment für eine Lenkunterstützung und dergleichen bereitzustellen. Zur Realisierung des Drehfeldantriebs findet eine Stromregelung statt, die eine Ansteuerung der Synchronmaschine 2 über einen Umrichter 3 abhängig von Soll-Phasenströmen i_{a_soll}, i_{b_soll}, i_{c_soll} und abhängig von Ist-Phasenströmen i*_a, i*_b, i*_c durchführt. Die Soll-Phasenströme i_{a_soll}, i_{b_soll}, i_{c_soll} werden von einer (nicht gezeigten) Steuereinheit zur Durchführung einer Lage-, Drehzahl- oder Drehmomentenregelung bereitgestellt. Die Ist-Phasenströme i*_a, i*_b, i*_c werden abhängig von einer Zwischenkreisspannung und einem Zwischenkreisstrom geschätzt. Abhängig von den Soll-Phasenströmen i_{a_soll}, i_{b_soll}, i_{c_soll} und den geschätzten Ist-Phasenströmen i*_a, i*_b, i*_c werden in einer Stromregelungseinheit 4 Ansteuersignale A für den Umrichter 3 generiert.
Der Umrichter 3 kann beispielsweise als B6-Brückenschaltung als H-Brücke und dergleichen ausgebildet sein. In 2 ist der Umrichter 3 und die Synchronmaschine 2 detaillierter dargestellt. Im vorliegenden Beispiel umfasst der Umrichter 3 drei Inverterbrücken jeweils mit einer Reihenschaltung mit einem Pull-High-Schalter T_{a_o}, T_{b_o}, T_{c_o} und mit einem Pull-Low-Schalter T_{a_u}, T_{b_u}, T_{c_u}. Die Pull-High-Schalter T_{a_o}, T_{b_o}, T_{c_o} und die Pull-Low-Schalter T_{a_u}, T_{b_u}, T_{c_u} sind z. B. als Halbleiter-Schalter, wie z. B. als Feldeffekttransistoren, als Thyristoren und dergleichen ausgebildet. Die Inverterbrücken sind parallel zueinander an einer Zwischenkreisspannung U_ZK angeschlossen. Zwischen dem Pull-High-Schalter T_{a_o}, T_{b_o}, T_{c_o} und dem Pull-Low-Schalter T_{a_u}, T_{b_u}, T_{c_u} einer Inverterbrücke liegt der jeweilige Phasenausgang.
Der Synchronmaschine 2 kann dreiphasig oder allgemein mehrphasig ausgebildet sein und in einer Stern- bzw. Dreiecksverschaltung ausgebildet sein. Die Synchronmaschine 2 kann weiterhin permanentmagneterregt oder fremderregt sein. Nachfolgend wird, wie in 2 gezeigt, der einfacheren Verständlichkeit halber, von einer dreiphasigen, in Sternschaltung verschalteten Synchronmaschine 2 ausgegangen.
Wie in dem Ersatzschaltbild der 2 gezeigt, weist jeder Phasenstrang der Synchronmaschine 2 einen Spulenwiderstand R und eine Spuleninduktivität L auf. Die Spulen jeder Phase sind über einen zugeordneten Phasenanschluss mit einem entsprechenden Phasenausgang des Umrichters 3 und mit einem gemeinsamen Sternpunkt SP verbunden.
Die Stromregelungseinheit 4 kann die Halbleiterschalter im Umrichter 3 ansteuern, so dass der in der Synchronmaschine 4 fließenden Ströme sinusförmig oder blockförmig sind.
Dem Umrichter 3 ist eingangsseitig eine Zwischenkreiskapazität 5 zugeordnet, die zu den Versorgungsspannungsanschlüssen des Umrichters 3 parallel geschaltet ist, d. h. an einen ersten und einen zweiten Versorgungsspannungsanschluss des Umrichters 3 angeschlossen ist. Weiterhin sind die Versorgungsspannungsanschlüsse des Umrichters 3 mit einem Bordnetz 6 eines Fahrzeugs oder einer Energiequelle, wie z. B. einer Brennstoffzelle oder einem Akkumulator, verbunden.
Die Ist-Phasenströme i*_a*, i*_b, i*_c werden berechnet, indem aus einer gemessenen Zwischenkreisspannung u_ZK zunächst die Phasenspannungen u_a, u_b, u_c ermittelt werden und anschließend aus den Phasenspannungen u_a, u_b, u_c die Ist-Phasenströme i*_a*, i*_b, i*_c errechnet werden.
Die Phasenspannungen u_a, u_b, u_c werden in einer Phasenspannungs-Rekonstruktionseinheit 11 berechnet. Dazu werden der Phasenspannungs-Rekonstruktionseinheit 11 Angaben über die induzierten Phasenspannungen u_{ind_a}, u_{ind_b}, u_{ind_c} und eine korrigierte Zwischenkreisspannung u'_ZK bereitgestellt. Weiterhin erhält die Phasenspannungs-Rekonstruktionseinheit 11 Angaben über die Schaltzustände der Schalter des Umrichters 3 in Form von Schaltzustandssignalen S_a, S_b, S_c. Diese Schaltzustandssignale S_a, S_b, S_c geben an, an welche der Phasen die entsprechende Phasenspannung angelegt ist und an welchen nicht. Die Phasenspannungen u_a, u_b, u_c werden gemäß folgender Formeln rekonstruiert:
wobei K die Anzahl der gleichzeitig stromführenden Phasen angibt, d. h. K = 3 bei sinusförmiger Bestromung und K = 2, wenn nur zwei Phasen gleichzeitig Strom führen, z. B. bei blockförmiger Bestromung.
Um die Schaltzustandssignale S_a, S_b, S_c an den Ansteuersignalen, die von der Regelungseinheit 4 bereitgestellt werden, zu ermitteln, ist eine Schaltzustandsermittlungseinheit 9 vorgesehen, die abhängig von den von der Stromregelungseinheit 4 bereitgestellten Ansteuersignalen A und den geschätzten Ist-Phasenströmen i*_a, i*_b, i*_c die entsprechenden Schaltzustandssignale S_a, S_b, S_c ermittelt.
Die Schaltzustandssignale S_a, S_b, S_c werden bei Verwendung einer B6-Brücke als Wechselrichter, der beispielhaft in 2 dargestellt ist, wie folgt angenommen:
S_a = 1 falls T_{a_o} = eingeschaltet und T_{a_u} = ausgeschaltet; oder
T_{a_o} = ausgeschaltet und Tau = ausgeschaltet bei i_a < 0;
S_a = –1 falls T_{a_o} = ausgeschaltet und T_{a_u} = eingeschaltet; oder
T_{a_o} = ausgeschaltet und T_{a_u} = ausgeschaltet bei i_a > 0;
S_a = 0 falls T_{a_o} = ausgeschaltet und T_{a_u} = ausgeschaltet bei i_a = 0.
Dies gilt für die Schaltzustandssignale S_b, S_c entsprechend.
Die induzierten Phasenspannungen u_{ind_a}, u_{ind_b}, u_{ind_c} werden von einer Induzierte-Phasenspannungs-Einheit 12 abhängig von einem Rotorlagewinkel φ und einer Rotordrehzahl ω mithilfe von z. B. Kennlinien ermittelt. Die Rotorlage φ und die Rotordrehzahl ω werden durch geeignete Sensoren oder durch eine (nicht gezeigte) Auswertung eines oder mehrerer gemessener Phasenströme der Synchronmaschine 2 ermittelt und der Induzierte-Phasenspannungs-Einheit 12 bereitgestellt. Die induzierten Spannungen u_{ind_a}, u_{ind_b}, u_{ind_c} können berechnet werden wie folgt:

wobei k_e einer maschinenabhängigen Konstante, N einer Polpaarzahl der Maschine, la(φ), lb(φ), lc(φ) maschinenabhängigen Funktionen bzw. Kennlinien und φ dem elektrischen Rotorlagewinkel entsprechen.
Die Ist-Phasenströme i*_a, i*_b, i*_c können in einer Phasenstrom-Berechnungseinheit 10 aus den Phasenspannungen u_a, u_b, u_c und den induzierten Phasenspannungen u_{ind_a}, u_{ind_b}, u_{ind_c} gemäß folgender Formel ermittelt werden:
Diese Differenzialgleichungen können zur Berechnung jedes Ist-Phasenstroms i*_a, i*_b, i*_c gelöst werden, da die Phasenspannungen u_a, u_b, u_c und die induzierten Spannungen u_{ind_a}, u_{ind_b}, u_{ind_c} bekannt sind.
Die der Phasenspannungsberechnungseinheit 11 bereitgestellte Zwischenkreisspannung u'_ZK wird entsprechend einem Korrekturwert Δu_ZK korrigiert, der abhängig von einem gemessenen Zwischenkreisstrom i_ZK und abhängig von einem geschätzten, aus den geschätzten Ist-Phasenströmen i*_a, i*_b, i*_c in einer Rekonstruktionseinheit 13 rekonstruierten Zwischenkreisstrom i*_ZK ermittelt wird. Die Rekonstruktion des Zwischenkreisstroms i*_ZK erfolgt mithilfe der Schaltzustandssignale S_a, S_b, S_c und der geschätzten Phasenströme i*_a, i*_b, durch folgende Formel:
Der aus den geschätzten Ist-Phasenströmen i*_a, i*_b, i*_c geschätzte Zwischenkreisstrom i*_ZK und ein gemessener Zwischenkreisstrom i_ZK werden einem Subtraktionsglied 14 zugeführt und das Resultat, d. h. die Differenz zwischen dem gemessenen Zwischenkreisstrom i_ZK und dem geschätzten Zwischenkreisstrom i*_ZK wird einer Korrektureinheit 15 zugeführt. Der Zwischenkreisstrom kann mit Hilfe eines Strommesselements 17, wie z. B. einem Strommesswandler oder einem Strommess-Shunt, bestimmt werden Die Korrektureinheit 15 kann einen P-Regler aufweisen, der gemäß folgender Formel arbeitet: ΔuZK = Kp(iZK – i*ZK)wobei K_P der Verstärkung des P-Reglers entspricht.
Alternativ kann die Korrektureinheit 15 auch einen PI-Regler aufweisen, der gemäß folgender Gleichung arbeitet, um den Korrekturwert Δu_ZK zu ermitteln. ΔuZK = Kp(iZK – i*ZK) + KI∫(iZK – i*ZK)dtwobei K_I der Integrationskonstanten des I-Anteils des PI-Reglers entspricht. Der Korrekturwert Δu_ZK wird zu der gemessenen Zwischenkreisspannung u_ZK in einem Summierglied 16 hinzuaddiert, um die korrigierte Zwischenkreisspannung u'_ZK zu erhalten.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, die sich von der Ausführungsform der 1 dadurch unterscheidet, dass anstelle des gemessenen Zwischenkreisstroms i_ZK ein gemessener Versorgungsstrom i_VERS an das Subtraktionsglied 14 bereitgestellt wird. Dabei wird der Versorgungsstrom i_VERS näherungsweise als der Zwischenkreisstrom i_ZK angenommen. Dies gilt insbesondere, wenn die Kapazität der Zwischenkreiskapazität 5 gering ist. Diese Ausführungsform vermeidet das Vorsehen eines Strommesselements, wie z. B. einen Messwiderstand zwischen dem Umrichter 3 und der Zwischenkreiskapazität 5, das als parasitäre Induktivität wirken würde und damit die Spannungsbelastung der Halbleiterschalter im Wechselrichter 3 erhöhen würde.
Bei einer der 3 ähnlichen Ausführungsform kann alternativ vorgesehen sein, aus dem gemessenen Versorgungsstrom i_VERS die korrigierte Zwischenkreisspannung zu ermitteln, indem anstelle des geschätzten Zwischenkreisstroms i*_ZK, der aus den Phasenströmen rekonstruiert wird, in der Rekonstruktionseinheit 13 ein geschätzter Versorgungsstrom i*_VERS rekonstruiert wird. Die Differenz aus dem gemessenen Versorgungsstrom i_VERS und dem rekonstruierten Versorgungsstrom i*_VERS wird in dem Korrekturglied 15 in einen Korrekturwert Δu_VERS umgerechnet und mit der als konstant angenommenen Batteriespannung U_VERS beaufschlagt (z. B. durch Addition) und die so errechnete korrigierte Versorgungsspannung u'_VERS einem Modell des Bordnetzes und des Zwischenkreises (das z. B. in Form eines Kennfeldes vorliegt) zugeführt, um die Zwischenkreisspannung u_ZK zu ermitteln.
In 4 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der die Stromregelung in der Stromregelungseinheit 4 basierend auf rotorfesten transformierenden Phasenströmen i_d und i_q in einem rotorfesten Koordinatensystem durchgeführt wird. Anstelle der Soll-Phasenströme i_{a_soll}, i_{b_soll}, i_{c_soll} werden transformierte Phasenströme i_{d_soll} und i_{q_soll} und der Rotorlagewinkel φ bereitgestellt. Dazu werden die Phasenspannungen u_a, u_b, u_c, die in der Ausführungsform der 1 in der Phasenspannungs-Rekonstruktionseinheit 11 rekonstruiert jedoch ohne Verwendung der induzierten Spannungen u_{ind_a}, u_{ind_b}, u_{ind_c} und in einer ersten Konvertereinheit 19 in ein rotorfestes Koordinatensystem transformiert, um transformierte Phasenspannungen u_d, u_q zu erhalten. Die transformierten Ist-Phasenströme i*_d und i*_q werden in der Phasenstrom-Berechnungseinheit 10 aus den transformierten Phasenspannungen u_d, u_q berechnet. Vor der Rekonstruktion des Zwischenkreisstromes i_ZK in der Rekonstruktionseinheit 13 werden geschätzte transformierte Phasenströme i*_d, i*_q in einer zweiten Konvertierungseinheit 20 wieder in nicht rotorfeste Ist-Phasenströme i*_a, i*_b, i*_c umgewandelt.
Die Phasenstrom-Berechnungseinheit 10 berechnet die rotorfesten transformierten Ist-Phasenströme i_d, i_q aus den transformierten Phasenspannungen u_d, u_q im rotorfesten Koordinatensystem wie folgt:
wobei ω der Drehzahl, Ψ dem Permanentmagnetfluss, L_d und L_q Induktivitäten und N der Polpaarzahl entsprechen. Die Berechnung der rotorfesten transformierten phasenströme i_d und i_q erfolgt wie oben beschrieben durch Lösen der obigen Differentialgleichung.
Grundsätzlich steht die Variante, die Stromregelung basierend auf rotorfesten transformierten Phasenströmen i_d und i_q in einem rotorfesten Koordinatensystem durchzuführen für alle hierin beschriebenen Ausführungsformen zur Verfügung. In der Ausführungsform der 1 kann, wie in 5 dargestellt ist, die Korrektur der Zwischenkreisspannung u_ZK anhand eines nicht durch direkte Messung ermittelten Zwischenkreisstromes i_ZK durchgeführt werden. Der Zwischenkreisstrom i_ZK wird dann aus der Zwischenkreisspannung u_ZK und dem Versorgungsstrom i_VERS wie folgt in einer Zwischenkreisstrom-Einheit 18 ermittelt:
Wobei i_c der Strom durch die Zwischenkreiskapazität 5 und C dem Kapazitätswert C der Zwischenkreiskapazität 5 entsprechen.
Bei den obigen Ausführungsformen kann in der Phasenstrom-Berechnungseinheit 10 weiterhin eine Parameterschätzung für den Phasenwiderstand R, bei starker Sättigung der Synchronmaschine 2 auch für die Phaseninduktivität L und bei starker magnetischer Kopplung auch für die Koppelinduktivitäten M vorgesehen werden. Die Parameterschätzung kann auf einer Messung einer Temperatur der Synchronmaschine 2 basieren, so dass R, L und M als temperaturabhängig angenommen werden.
In 6 ist ein Antreibssystem gezeigt, bei dem im Unterschied zur Ausführungsform der 1 keine Korrektur der Zwischenkreisspannung u_ZK durchgeführt wird. Hier entfallen die Rekonstruktionseinheit 13, das Subtraktionsglied 14, die Korrektureinheit 15 und die Strommessung im Zwischenkreis bzw. in der Stromversorgung der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Eine im vorangehenden Abschnitt beschriebene Parameterschätzung ist in diesem Fall jedoch notwendig, um Einflüsse der Temperatur oder eines Sättigungsbetriebs auf die Phasenströme berücksichtigen zu können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006006032 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Bestimmen von Phasenströmen einer an einen Umrichter angeschlossenen mehrphasigen elektrischen Maschine (2), mit folgenden Schritten: – Durchführen einer Stromregelung, die abhängig von einer Angabe über Ist-Phasenströme (i*_a, i*_b, i*_c) in der elektrischen Maschine (2) und abhängig von vorgegebenen Soll-Phasenströme (i_{a_soll}, i_{b_soll}, i_{c_soll}) ein oder mehrere Ansteuersignale (A) für den Umrichter generiert; – Ermitteln von Phasenspannungen (u_a, u_b, u_c,) abhängig von einer Zwischenkreisspannung (u_ZK') die eingangsseitig des Umrichters (3) vorliegt, und abhängig von den Ansteuersignalen (A); – Bestimmen der Ist-Phasenströme (i*_a, i*_b, i*_c) abhängig von den ermittelten Phasenspannungen (u_a, u_b, u_c,).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Phasenspannungen (u_a, u_b, u_c,) abhängig von einer korrigierten Zwischenkreisspannung (u_ZK') ermittelt werden, wobei die korrigierte Zwischenkreisspannung (u_ZK') abhängig von einer gemessenen Zwischenkreisspannung (u_ZK), die über einer dem Umrichter vorgeschalteten Zwischenkreiskapazität (5) anliegt, und einem Korrekturwert (Δu_ZK) ermittelt wird, wobei der Korrekturwert (Δu_ZK) abhängig von einem Zwischenkreisstrom (i_ZK), der eingangsseitig des Umrichters fließt, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Zwischenkreisstrom (i_ZK) gemessen wird oder mit Hilfe der Zwischenkreisspannung (u_ZK), und eines Versorgungsstroms (i_VERS), der über den Zwischenkreis zu dem Umrichter ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Korrekturwert (Δu_ZK) abhängig von einem aus den geschätzten Phasenströmen bestimmten, geschätzten Zwischenkreisstrom (i_ZK) mit Hilfe eines Regelungsgliedes bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Phasenspannungen (u_a, u_b, u_c,) mit Hilfe von induzierten Phasenspannungen (u_{ind_a}, u_{ind_b}, u_{ind_c}), die aus einer Rotorwinkellage (f) eines Rotors der elektrischen Maschine (2) und einer Drehgeschwindigkeit (w) des Rotors ermittelt werden, berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Phasenspannungen (u_a, u_b, u_c,) mit Hilfe von Schaltzuständen (S_a, S_b, S_c) von Schaltern (T_a-o, T_a-u, T_b-o, T_b-u, T_c-o, T_c-u) im Umrichter (3) ermittelt werden, wobei die Schaltzustände (S_a, S_b, S_c) abhängig von den Ansteuersignalen (A) unter Berücksichtigung des Schaltverhaltens der Schalter (T_a-o, T_a-u, T_b-o, T_b-u, T_c-o, T_c-u) im Umrichter (3) und abhängig von den geschätzten Phasenströmen berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Phasenströme abhängig von Parametern der elektrischen Maschine (2) und/oder des Umrichters (3), insbesondere einer Temperatur der elektrischen Maschine (2) und/oder des Umrichters (3) ermittelt werden.
Vorrichtung zum Bestimmen von Phasenströmen (i*_a, i*_b, i*_c) einer an einen Umrichter angeschlossenen mehrphasigen elektrischen Maschine (2), wobei der Umrichter (3) über einen Zwischenkreis, insbesondere mit einer Zwischenkreiskapazität (5), mit einer elektrischen Versorgungsquelle (6) verbunden ist, umfassend: – eine Stromregelungseinheit (4) zum Durchführen einer Stromregelung, um abhängig von einer Angabe über Ist-Phasenströme (i*_a, i*_b, i*_c) in der elektrischen Maschine (2) und abhängig von vorgegebenen Soll-Phasenströme (i_{a_soll}, i_{b_soll}, i_{c_soll}) ein oder mehrere Ansteuersignale (A) für den Umrichter (3) zu generieren; – eine Phasenspannungs-Rekonstruktionseinheit (10) zum Ermitteln von Phasenspannungen (u_a, u_b, u_c,) abhängig von einer Zwischenkreisspannung (u_ZK), die eingangsseitig des Umrichters (3) vorliegt, und abhängig von den Ansteuersignalen (A); – eine Phasenstrom-Berechnungseinheit (10) zum Bestimmen der Ist- Phasenströme (i*_a, i*_b, i*_c) abhängig von den ermittelten Phasenspannungen (u_a, u_b, u_c,).
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Phasenspannungs-Rekonstruktionseinheit (11) ausgebildet ist, um die Phasenspannungen (u_a, u_b, u_c,) abhängig von einer korrigierten Zwischenkreisspannung (u_ZK'), die von einer bereitgestellten aktuellen Zwischenkreisspannung (u_ZK) und von einem Korrekturwert (Δu_ZK) abhängt, zu ermitteln, wobei eine Regelungseinheit vorgesehen ist, um den Korrekturwert (Δu_ZK) als Stellgröße abhängig von einer Angabe zu einem aktuellen Zwischenkreisstrom (i_ZK) und abhängig von einem geschätzten Zwischenkreisstrom (i_ZK*) zu ermitteln.
Antriebssystem (1) umfassend: – einen Umrichter (3), der über einen Zwischenkreis, insbesondere mit einer Zwischenkreiskapazität, mit einer elektrischen Versorgungsquelle verbunden ist; – eine elektrische Maschine (2), die von dem Umrichter über Phasenverbindungen angesteuert wird; – eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 und 9.
Computerprogrammprodukt, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführt.
Verwendung des Antriebssystems (1) nach Anspruch 10 in einer elektrischen (Servo-)Lenkung, in einem Hybridantrieb, in einem Elektrowerkzeug, in einem Industrieantrieb oder in einem Kraftfahrzeug.