DE102009000930A1

DE102009000930A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reduktion von Drehmomentwelligkeiten

Info

Publication number: DE102009000930A1
Application number: DE102009000930A
Authority: DE
Inventors: Steven E. Torrance Schulz; John P. Northville Miller; Khwaja M. Troy Rahman; Soo-Yeol Rancho Palos Verdes Lee
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-04-04
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2009-12-03
Also published as: US7952308B2; CN101552591B; CN101552591A; US20090251096A1

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Anordnung zur Reduktion der Drehmomentwelligkeit in einem Permanentmagnet-Motorsystem angegeben, welches einen an einen Inverter gekoppelten Permanentmagnetmotor umfasst. Das Verfahren umfasst die Schritte: Empfangen eines Drehmoment-Kommandos, Generieren eines Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignals aufgrund des Drehmoment-Kommandos, Modifizieren von Betriebssteuersignalen als Reaktion auf das Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignal, um Welligkeits-reduzierende Betriebssteuersignale zu generieren, und Liefern der Welligkeits-reduzierenden Betriebssteuersignale an den Inverter zur Steuerung des Permanentmagnetmotors.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf Wechselstrom (AC) Motorantriebssysteme, und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduktion von Drehmomentwelligkeiten in AC Motorantriebssystemen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Der primäre Zweck eines Wechselstrom (AC) Motorantriebssystems ist es, ein benötigtes Drehmoment an der Motorwelle bereitzustellen. Idealerweise ist das bereitgestellte Drehmoment konstant und ohne Störung oder Welligkeit. Zu diesem Zweck wird bei einem typischen Motorantrieb versucht, die Statorwicklung des Motors mit einem abgestimmten Satz rein sinusförmiger Ströme zu versorgen. Allerdings existiert eine Drehmomentwelligkeit wegen Einschränkungen der praktischen Ausführung eines AC-Motors selbst bei rein sinusförmiger Statorstromanregung. Motorentwickler versuchen üblicherweise, die vom Motor erzeugten Drehmomentschwankungen zu minimieren. Das kann dadurch bewerkstelligt werden, dass Entwicklungsgesichtspunkten, wie etwa Konfiguration der Wicklung, Geometrie des Statorzahns, Geometrie der Rotorbarriere und Rotorversatz besondere Aufmerksamkeit geschenkt wird. Allerdings gibt es einen Konflikt zwischen Drehmomentwelligkeit und Drehmomentdichte des AC Motors. Daher produziert der AC Motor bei Versorgung mit einem sinusförmigen Strom in allen praktischen Anwendungen etwas an Drehmomentwelligkeit.
Abhängig von der Anwendung können Schwankungen im Drehmoment nachteilige Effekte haben. Zum Beispiel können Drehmomentwelligkeiten Drehzahlschwankungen verursachen oder Resonanzen im Antriebsstrang anregen. Im Fall eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges kann dies zu Schwingungen des Fahrzeugs führen, welche für die Insassen störend sind. Häufig werden Algorithmen zur aktiven Dämpfung eingesetzt, um diesen nachteiligen Einflüssen entgegenzuwirken. Darüber hinaus können durch die den Statorblechen aufgeprägten Radialkräfte Vibrationen des Stators und akustischer Lärm erzeugt werden. Die Milderung des Lärms durch passive Mittel, etwa durch Hinzufügen von Strukturverstärkungen oder schalldämpfenden Materialien, kann eine kostspielige und unerwünschte Lösung sein. Aus diesen Gründen ist es für die Minimierung von Drehmomentschwankungen, Statorvibrationen und Lärm wünschenswert, eine Softwarebasierte Lösung zu entwickeln.
Dementsprechend ist es wünschenswert, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduktion der Radialkräfte im Stator bereitzustellen, um Vibrationen und Lärm zu verringern. Zusätzlich ist es wünschenswert, eine ausgewählte Harmonische der Drehmomentwelligkeit auszulöschen oder zu reduzieren. Darüber hinaus werden andere wünschenswerte Merkmale oder Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der folgenden detailierten Beschreibung oder den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und dem vorhergehenden Technischen Gebiet und dem Hintergrund der Erfindung ersichtlich werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es wird eine Steuerung zur Generierung von Drehmomentwelligkeitsreduzierender, pulsweitenmodulierter Betriebssteuersignale in einem Permanentmagnet-Motorsystem angegeben. Die Steuerung umfasst einen synchronen Regelblock zur Auslöschung von Harmonischen, für den Empfang eines Drehmoment-Kommandos und für die Generierung eines Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignals als Reaktion darauf und eine stromgeregeltes Drehmoment-Steuermodul für den Empfang des Drehmoment-Kommandos und des Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignals und für die Generierung der Drehmomentwelligkeits-reduzierenden, pulsweitenmodulierten Betriebssteuersignale als Reaktion darauf.
Es wird ein Verfahren zur Reduktion einer Drehmomentwelligkeit in einem Permanentmagnet-Motorsystem angegeben, umfassend einen an einen Inverter gekoppelten Permanentmagnetmotor. Das Verfahren umfasst die Schritte: Empfangen eines Drehmoment-Kommandos, Generieren eines Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignals aufgrund des Drehmoment-Kommandos, Modifizieren von Betriebssteuersignalen als Reaktion auf das Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignal, um Welligkeits-reduzierende Betriebssteuersignale zu generieren, und Anlegen der Welligkeits-reduzierenden Betriebssteuersignale an den Inverter, um den Permanentmagnetmotor zu steuern.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden in Verbindung mit den folgenden Figuren beschrieben, wobei ähnliche Bezugszeichen ähnliche Elemente bezeichnen und
1 ein Elektromotorantriebssystem entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung darstellt;
2A ein Zeit-Spannungs-Diagramm der Gegen-Elektromotorischen Kraft (EMK) einer Phase des elektrischen Motorsystems aus 1 entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2B eine schnelle Fouriertransformation der Gegen-EMK-Wellenform aus 2A als ein Diagramm von Harmonischen über dem Betrag der Harmonischen entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
3A ein Zeit-Spannungs-Diagramm der Phasen-Gegen-EMK für die Spannungen der drei Phasen des Elektromotorsystems aus 1 entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
3B ein Zeit-Spannungs-Diagramm der Phasen-Gegen-EMK für die zwei stationären Rahmenspannungen der Gegen-EMK-Wellenformdarstellung aus 3A entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
3C eine schnelle Fouriertransformation der Gegen-EMK-Wellenformdarstellung aus 3B als ein Diagramm von Harmonischen über dem Betrag der Harmonischen entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 einen detaillierteres Blockdiagramm des Elektromotorsystems aus 1 entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 ein Signalisierungsdiagramm der Aktivierungs-/Deaktivierungs-Funktion der Drehmomentwelligkeits-Funktionalität des Elektromotorsystems aus 4 entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 ein Zeitdiagramm der Verzögerung des Phasenweiten-modulierten (PWM) Signals des Elektromotorantriebssystems aus 4 entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
7A ein Diagramm der Drehmoment-Transienten-Antwort des Elektromotorantriebssystems aus 4 ohne Entkopplung des Grundstroms entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
7B ein Diagramm der Drehmoment-Transienten-Antwort des Elektromotorantriebssystems aus 4 mit Entkopplung des Grundstroms entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
8 ein Blockdiagramm des synchronen Rahmenfilters des Elektromotorantriebssystems aus 4 entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
9A ein Diagramm der Frequenz über dem Betrag der Filterantwort des synchronen Rahmenfilters aus 8 entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
9B ein Diagramm der Frequenz über der Phase der Filterantwort des synchronen Rahmenfilters aus 8 entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
10A ein Diagramm der Zeit über der Spannung der Gleichstrom-(DC)Antwort des synchronen Rahmenfilters aus 8 vor einer Phasenkorrektur entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
10B ein Diagramm der Zeit über der Spannung der Gleichstrom-(DC)Antwort des synchronen Rahmenfilters aus 8 nach einer Phasenkorrektur entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
11A eine gemessene Drehmomentwelligkeit des Elektromotorsystems ähnlich dem Elektromotorsystem aus 1 ohne Drehmomentwelligkeitsauslöschung entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
11B eine gemessene Drehmomentwelligkeit des Elektromotorsystems aus 4 mit Drehmomentwelligkeitsauslöschung entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
12 den Anteil einer zwölften Harmonischen an der Drehmomentwelligkeit mit Drehmomentwelligkeitsauslöschung und ohne Drehmomentwelligkeitsauslöschung entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
13 gemessenen akustischen Lärm des Elektromotorsystems aus 4 entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die folgende ausführliche Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft und ist nicht dazu gedacht, die Erfindung oder die Anwendungen und Nutzungen der Erfindung zu limitieren. Darüber hinaus ist es nicht die Absicht, durch irgendeine Theorie gebunden zu sein, welche explizit oder implizit im vorangegangenen Technischen Gebiet, dem Hintergrund, der Kurzen Zusammenfassung oder in der folgenden detaillierten Beschreibung offenbart ist.
Bezugnehmend auf 1 umfasst ein Elektromotorsystem 100 entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Dreiphasen-Wechselstrom(AC)-Synchronmaschine 110, wie zum Beispiel einen Motor mit einem internen Permanentmagneten (IPM), welcher aufgrund von Signalen von einem Inverter 120 arbeitet. Der Inverter 120, welcher die Steuerung für den Elektromotor 110 bereitstellt, ist zwischen Gleichstrom-Busleitungen 135 einer Energiequelle 140 angeschlossen. Der Inverter 120 umfasst Schalter 122, 123, 124, 125, 126, 127, wobei jeder der Schalter einen Transistor, wie etwa einen Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), mit einer dazu antiparallel geschalteten Diode umfasst. Die Schalter 122, 123, 124, 125, 126, 127 arbeiten aufgrund von Signalen von einer Steuerung 150 an die Gates von Transistoren, welche dem Anlegen einer Spannung an jede Phase 115 des Motors 110 dienen, wobei jedes der Schalterpaare 122/125, 123/126 und 124/127 einen Phasenanschluss des Inverters 120 bildet.
Ein Drehzahlerfassungsschaltkreis 160 misst die Stellung des Rotors sowie die Drehzahl des Motors 110 und umfasst einen an den Motor 110 gekoppelten Drehmelder 162 (oder ein ähnliches Drehzahlmessgerät), um die Stellung eines Rotors des Motors 110 und damit die Drehzahl des Motors 110 zu erfassen. Der Drehzahlerfassungsschaltkreis 160 umfasst auch einen Drehmelder-Zu-Digital-Konverter 164, welcher die Signale vom Drehmelder 162 in digitale Signale wandelt (z. B. in ein digitales Motordrehzahlsignal und ein digitales Rotorwinkelstellungssignal). Der Drehmelder-Zu-Digital-Konverter 164 liefert die digitalen Darstellungen der Winkelposition und der Rotordrehzahl des Elektromotors 110 für die Steuerung 150.
Entsprechend der Ausführungsform umfasst die Steuerung 150 ein stromgeregeltes Drehmomentsteuermodul 170 und einen synchronen Regelblock 175 zur Löschung einer Harmonischen. Der Ausgang des stromgeregelten Drehmomentsteuermoduls 170 ist mit jeweils einem Gate der Transistoren der Schalter 122, 123, 124, 125, 126, 127 verbunden, um für den Inverter 120 ein Motorsteuersignal als Betriebssteuersignale für die Transistoren der Schalter 122, 123, 124, 125, 126, 127 bereitzustellen.
Ein Drehmoment-Kommando (T*) wird an den Eingang der Steuerung 150 und sowohl an das stromgeregelte Drehmomentsteuermodul 170 als auch den synchronen Regelblock 175 zur Löschung einer Harmonischen geliefert. Das stromgeregelte Drehmomentsteuermodul 170 empfängt Stromsignale von jeder Phase 115 des Motors 110. Die Ströme, die an den Phasen 115 abgenommen werden, sind dreiphasige, sinusförmige Stromsignale, welche entsprechend der vorliegenden Ausführungsform ein Grundfrequenz-Signal und eine oder mehrere Harmonische davon umfasst, wobei die Harmonische(n) eine Amplitude entsprechend einer vorbestimmten Drehmomentwelligkeitscharakteristik des Motors 110 hat(haben).
Der synchrone Steuerblock 175 zur Löschung einer Harmonischen erzeugt ein Drehmomentwelligkeitsreduktionssignal aufgrund des Drehmomentkommandos und der vorbestimmten Drehmomentwelligkeitseigenschaften des Elektromotorsystems 100. Entsprechend der vorliegenden Ausführungsform umfasst das Drehmomentwelligkeitsreduktionssignal eine oder mehrere vorbestimmte Harmonische des Stromsignals, welche aufgrund der vorbestimmten Drehmomentwelligkeitseigenschaften des Motors 110 definiert ist oder sind, um in das für den Motor 110 vorgesehene Stromsignal eingekoppelt zu werden.
Entsprechend der vorliegenden Ausführungsform modifiziert das Drehmomentsteuermodul 170 die Ströme, die von den Phasen 115 des Motors abgenommen wurden, aufgrund des Drehmomentsteuersignals und des Drehmomentwelligkeitsreduktionssignals vom synchronen Steuerblock 175 zur Löschung einer Harmonischen, um Welligkeits-reduzierende Betriebssteuersignale zu erzeugen, welche an den Inverter 120 geliefert werden. Dementsprechend werden die Welligkeitsreduzierenden Betriebssteuersignale als Kommandosignale/Gate-Ansteuersignale an die Gates der Transistoren 122, 123, 124, 125, 126, 127 angelegt. Deshalb werden die Ströme an jeder der Phasen 115 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform empfangen und vom stromgeregelten Drehmomentsteuermodul 170 aufgrund des Drehmomentwelligkeitsreduktionssignals modifiziert, um eine passende Verstärkung für die Welligkeits-reduzierenden Betriebssteuersignale bereitzustellen, welche an den Inverter 120 geliefert werden.
Bezugnehmend auf 2A zeigt ein Zeit-Spannungs-Diagramm 200 der Gegen-Elektromotorischen Kraft (EMK) 210 einer Phase des Elektromotorsystems 100 die Gegen-EMK-Messung für den IPM-Motor 110 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform. Aus dem Diagramm 200 wird klar, dass die Zeitbereichs-Wellenform 210 nicht sinusförmig, sondern durch einen harmonischen Anteil gestört ist. In 2B ist ein Diagramm 250 dargestellt, welches die schnelle Fouriertransformation der Zeitbereichs-Gegen-EMK-Wellenform 210 als ein Diagramm 250 von Harmonischen über dem Betrag der Harmonischen zeigt. Die Frequenzachse 255 ist in Form von Harmonischen der elektrischen Grundfrequenz fe 260 des Motors gezeichnet, welche die erste Harmonische (Harmonische Eins) ist und außerhalb des vertikalen Maßstabs liegt. Das Diagramm 250 zeigt auch die Harmonischen Eins bis Dreißig (Harmonische Eins bis Harmonische Dreißig), die verschiedene Harmonische inkludieren, welche in der gestörten Zeitbereichs-Wellenform 210 resultieren. Insbesondere erscheinen signifikante Harmonische der Grundfrequenz 260 beim Fünf-, Sieben-, Elf-, Dreizehn-, Dreiundzwanzig- und Fünfundzwanzigfachen der Grundfrequenz (das sind die Harmonische Fünf 262, die Harmonische Sieben 264, die Harmonische Elf 266, die Harmonische Dreizehn 268, die Harmonische Dreiundzwanzig 270 und die harmonische Fünfundzwanzig 272).
Der Elektromotor 110 ist ein Dreiphasenmotor und die vorliegende Ausführungsform wird im Hinblick auf drei Phasen erörtert. Dennoch ist die vorliegende Erfindung gleichermaßen auf die meisten Multiphasen-Elektromotorsysteme anwendbar. Bezugnehmend auf 3A zeigt ein Zeit-Spannungs-Diagramm 300 der Phasen-Gegen-EMK für die Spannungen der drei Phasen des Elektromotorsystems 100 Wellenformen 302, 304, 306 für jede der drei Phasen 115 des Motors 110.
Entsprechend der Prinzipien der Motoranalyse für die Identifizierung, welche Harmonische der Wellenformen 302, 304, 306 reduziert werden können, um die Drehmomentwelligkeit im Motorsystem 100 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform zu reduzieren, werden die die Dreiphasen-Wellenformen in Zweiphasen-Wellenformen transformiert bevor eine komplexe FFT Operation auf die Zweiphasen-Wellenformen angewandt wird. Durch Ausführen einer dem Fachmann wohlbekannten, herkömmlichen Dreiphasen-Zu-Zweiphasen-Transformation ist in dem Diagramm 330 der 3B eine äquivalente Zweiphasen-Darstellung der Dreiphasen-Gegen-EMK-Wellenformen 302, 304, 306 gezeigt. Die Zweiphasen-Komponenten-Wellenformen 332, 334 sind orthogonal und als Alpha- und Betakomponenten der Dreiphasen-Gegen-EMK-Wellenformen 302, 304, 306 bezeichnet.
Im Diagramm 360 in 3C ist eine komplexe FFT des Schwingungsverlaufs 332, 334, der zweiphasigen Alpha- und Betakomponenten dargestellt. Die komplexe FFT-Operation löst die Harmonischen der dreiphasigen Gegen-EMK-Schwingungsverläufe 302, 304, 306 in ihre passende Sequenz auf, entweder positiv oder negativ. Die positive Frequenzachse 362 repräsentiert positive Komponenten der Reihe, wohingegen die negative Frequenzachse 364 negative Komponenten der Reihe repräsentiert. Wir können nun sehen, dass die fünfte Harmonische 372, elfte 374 und dreiundzwanzigste Harmonische 376 negativ gereiht sind, wohingegen die siebente 382, dreizehnte 384 und fünfundzwanzigste 386 positiv gereiht sind.
Drehmomentwelligkeit wird bei den verschiedenen Frequenzen zwischen der Gegen-EMK-Harmonischen und dem Grundstromsignal erzeugt. Nachdem der Grundstrom ein erstes positives Sequenz-Signal 375 ist, wird erwartet, dass Drehmomentwelligkeit bei der sechsten, zwölften und vierundzwanzigsten Harmonischen davon erzeugt wird.
Entsprechend der vorliegenden Ausführungsform wird Strom bei der n + 1 (positive Reihe) Harmonischen, der 1 – n (negative Reihe) Harmonischen oder beiden eingekoppelt, um die n-te Harmonische der Drehmomentwelligkeit auszulöschen. Während die vorliegende Ausführungsform ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auslöschen einer einzelnen Harmonischen beschreibt, können dieselben Prinzipien wenn nötig auf die Auslöschung mehrerer Harmonischer ausgedehnt werden.
Bezugnehmend auf 4 reduziert ein detaillierteres Block-Diagramm 400 des Elektromotorsystems 100 die Drehmomentwelligkeit bei einer vorbestimmten Harmonischen. Die vorbestimmte Harmonische ist diejenige, welche aus der Vielzahl von Harmonischen gewählt wird, um die Drehmomentwelligkeit entsprechend der vorliegenden Ausführungsform zu reduzieren, etwa die sechste, zwölfte oder vierundzwanzigste Harmonische der Grundharmonischen.
Das stromgeregelte Drehmomentsteuermodul 170 ist um die synchronen Rahmenstrom-Regler 402 angeordnet, welche den Grundstrom regeln (d. h. den Strom bei der Grundharmonischen, Harmonische Eins). Das Drehmoment-Kommando-Signal T* wird in einen Optimalstrom-Kommando-Bestimmungsblock 404 des stromgeregelten Drehmomentsteuermoduls 170 eingespeist, welches daraus zwei Stromkommandos im synchronen Referenzrahmen der Grundharmonischen, I e* / ds und I e* / qs erzeugt. Die Strom-Kommandos für den Synchronrahmen der Grundharmonischen I e* / ds und I e* / qs. werden jeweils an einen Summierknoten 406 und 408 geführt. Rückgekoppelte Grundströme I e / ds_fb und I e / qs_fb werden ebenfalls an die Summierknoten 406. 408 geführt. Den Ausgang der Summierknoten 406, 408 bilden die Synchronrahmen-Fehlersignale der Grundharmonischen, welche an Eingänge Synchronrahmen-Stromregler 402 geführt werden.
Die Ausgänge der Stromregler 402 für die Grundharmonische sind Spannungs-Zwischenkommandos V e* / ds_1 und V e* / qs_1, welche an die Summierknoten 410 und 412 übergeben werden. Die Summierer 410 und 412 verbinden die Spannungs-Zwischenkommandos von den Synchronrahmen-Stromreglern 402 der Grundharmonischen mit synchronen Referenzrahmen-Spannungs-Kommandos für die vorbestimmten Harmonische V e* / ds_H und V e* / qs_H vom synchronen Regelblock 175 zur Auslöschung einer Harmonischen. Dort sind die synchronen Referenzrahmen-Spannungskommandos V e* / ds_H und V e* / qs_H ein Auslöschungssignal für die Harmonische, und die Summierer 410, 412 speisen das Auslöschungssignal für die Harmonische ein, um die endgültige synchrone Rahmen-Spannungs-Kommandos V e* / ds und V e* / qs der Grundharmonischen zu erzeugen. Diese Spannungs-Kommandos V e* / ds und V e* / qs werden von einem Synchron-zu-Stationär-Transformationsmodul 414 verarbeitet, welches die Rotorstellung θ_r benutzt, um die Spannungs-Kommandos entsprechend einer konventionellen Koordinatentransformation vom synchronen Referenzrahmen der Grundharmonischen zum stationären Referenzrahmen zu transformieren.
Die Ausgänge des Transformationsmoduls 414 sind zweiphasige Stationärrahmen-Alpha/Beta-Spannungskommandos V * / α und V * / β. Die Alpha/Beta-Spannungs-Kommandos werden dann zum Zweiphasen-zu-Dreiphasen-Transformationsblock 416 übergeben, welcher die Alpha/Beta-Kommandos auf äquivalente Dreiphasen-Signale V * / a, V * / b und V * / c umwandelt. Die dreiphasigen Stationärrahmen-Spannungskommandos V * / a, V * / b und V * / c sind die Welligkeits-reduzierenden Betriebssteuersignale, welche an den dreiphasigen Spannungsquelleninverter 120 weitergereicht werden, welcher die Spannungs-Kommandos verarbeitet und die angeforderten Spannungen an die Statorwindungen des Dreiphasen-IPM-Motors 110 anlegt.
Der Drehmelder 162 ermöglicht die Abtastung einer absoluten Stellung, so wie dies für Synchronmotoren benötigt wird. Die Ausgangssignale des Drehmelders 162 werden vom Drehmelder-zu-Digital-Konverter 164 verarbeitet, welcher die analogen Drehmeldersignale in ein digitales Wort wandelt, welches die elektrische Winkelposition θ_r des Rotors repräsentiert. Zwei (oder drei) Stator-Phasenströme werden abgenommen und an ein Drei-zu-Zweiphasen-Transformationsmodul 417 des stromgeregelten Drehmomentsteuermoduls 170 weitergeleitet. Das Drei-zu-Zweiphasen-Transformationsmodul 417 wandelt die Dreiphasenströme I_a, I_b und I_c. auf äquvivalente zweiphasige Alpha/Beta-Ströme I_α und I_β um, und ein Stationär-zu-Synchron-Tranformationsmodul 418 transformiert die Alpha/Beta-Ströme in Synchronrahmen-Quantitäten
der Grundharmonischen.
Entsprechend der vorliegenden Ausführungsform, sind die Welligkeitsreduzierenden Betriebssteuersignale dazu vorbereitet, den Strom einer vorbestimmten Harmonischen in den Stator einzuspeisen, um so eine der vorbestimmten Harmonischen entsprechende, spezifische Drehmomentwelligkeit zu entfernen. Ein Synchronrahmenfilter 422 agiert als eine Bandbegrenzung für die benötigte, eingespeiste Harmonische zur Löschung einer Drehmomentwelligkeit (das heißt für die vorbestimmte Harmonische) und ist Teil des synchronen Regelblocks 175 zur Löschung einer Harmonischen (das heißt ist nicht Teil des konventionellen stromgeregelten Drehmomentsteuermoduls 170).
Das Bandbegrenzungsfilter 422 hat eine Mittenfrequenz bei der vorbestimmten Harmonischen und filtert die vorbestimmte Harmonische aus den Synchronrahmen-Strömen I e / ds und I e / qs, aus, um die Grundrahmen-Rückkopplungsströme I e / ds_fb und I e / qs_fb zu erzeugen und an die Summierknoten 406, 408 zu liefern. Auf diese Weise verhindert das Bandbegrenzungsfilter 422, dass der Synchronrahmen-Stromregler 402 auf den Strom reagiert, welcher bei der vorbestimmten Harmonischen eingespeist wurde, um die gewünschte Drehmomentwelligkeits-Komponente aus den Betriebssteuersignalen zu entfernen. Zusätzlich hilft das Bandbegrenzungsfilter 422, die beiden Steuerungs-Referenzrahmen zu entkoppeln. Die Rotorstellung θ_r und die elektrische Winkelgeschwindigkeit ω_e in rad/sek werden dem Bandbegrenzungsfilter 422 ebenfalls zugeführt. Zusätzlich zu anderen Merkmalen des Bandbegrenzungsfilters 422, ist dieses dazu vorbereitet, eine Phasenverzögerung wie nachfolgend beschrieben zu minimieren.
Bezugnehmend auf den synchronen Regelblock 175 zur Auslöschung einer Harmonischen misst ein Grundfrequenz-Entkopplungsblock 425 die Synchronrahmen-Ströme I e / ds und I e / qs der Grundharmonischen und subtrahiert die Grundstrom-Kommandos I e* / ds und I e* / qs, womit die dynamische Drehmoment-Antwort der Steuerung 150 wie nachfolgend beschrieben wesentlich verbessert wird.
Ein Hochpassfilter 430 und ein Transformationsblock 432 bilden gemeinsam ein Bandbegrenzungsfilter für die Grundharmonische. Das Hochpassfilter (HPF) 430 blockt die DC-Komponente der Synchronrahmen-Ströme I e / ds und I e / qs der Grundharmonischen ab, womit die Komponente der Grundfrequenz eliminiert wird. Harmonische mit höherer Frequenz, über der Knickfrequenz des Filters, können das Hochpassfilter 430 ohne Abschwächung passieren. Der Transformationsblock 432 transformiert die Signale vom synchronen Referenzrahmen der Grundharmonischen in die synchronen Referenzrahmenströme I He / ds_H und I He / qs_H der vorbestimmten Harmonischen, wobei die diesem zugeführte Rotorstellung θ_r und die elektrische Winkelgeschwindigkeit ω_e dazu benutzt werden, die vom Hochpassfilter 430 verursachte Phasenverzögerung zu eliminieren.
Skalierte Stromkommandos I He** / ds_H und I He** / qs_H der vorbestimmten Harmonischen werden an den Summierknoten 434 und 436 mit den rückgekoppelten Strömen I He / ds_H und I He / qs_H verglichen. Die Ausgänge der Summierknoten 434, 436 sind synchrone Referenzrahmen-Stromfehler bei der vorbestimmten Harmonischen. Diese Signale werden an synchrone Rahmen-Stromregler 438 der vorbestimmten Harmonischen weitergegeben. Der Ausgang der synchronen Rahmen-Regler 438 sind die Spannungskommandos V He* / ds_H und V He* / qs_H. Diese Spannungskommandos werden dann mit Hilfe eines Referenzrahmen-Koordinatentransformationsblocks 440 vom Referenzrahmen der vorbestimmten Harmonischen auf den Referenzrahmen der Grundharmonischen transformiert. Die Ausgänge dieses Blocks sind die Regler-Spannungskommandos der vorbestimmten Harmonischen im Referenzrahmen der Grundharmonischen V e* / ds_H und V e* / qs_H, welche dann an die Summierer 410, 412 geführt werden, um mit den Ausgängen der Grundrahmen-Stromregler 402 kombiniert zu werden. Der Referenzrahmen-Koordinatentransformationsblock 440 beinhaltet eine PWM-Verzögerungskompensation im Transformationswinkel wie nachfolgend beschrieben wird.
Ein Drehzahlsteuerblock 450 arbeitet, um die Drehmomentwelligkeitsreduktion entsprechend der vorliegenden Erfindung zu aktivieren und zu deaktivieren, und beinhaltet einen Kommandoerzeugungsblock 452 zum Löschen einer Welligkeit, welcher ein Drehmoment-Kommando T* und ein Motordrehzahlsignal n_r empfängt und die Stromkommandos I He* / ds_H und I He* / qs_H der D- und Q-Achse für den synchronen Referenzrahmenregler 438 der vorbestimmten Harmonischen berechnet. Die Stromkommandos I He* / ds_H und I He* / qs_H repräsentieren den gewünschten Strom-Einkopplungs-Vektor, welcher für das Löschen der gewählten Harmonischen der Drehmomentwelligkeit benutzt wird. Die Kommandos können auf vielfältige Art gespeichert werden: abhängig von der Anwendung in ein- oder zweidimensionalen Tabellen oder als Kurven-Annäherungs-Funktionen. Der Drehzahlregelblock 450 beinhaltet auch einen Kommando-Skalierungsblock 454, welcher mit dem Kommando-Erzeugungsblock 452 zur Löschung einer Welligkeit gekoppelt ist, um eingehende Stromkommandos als eine Funktion der Drehzahl zu skalieren (d. h. Definieren einer Signalamplitude des Löschsignals für die Harmonische entsprechend der Drehzahl des Motors 100). So wird der Übergang der Stromkommandos geglättet, sobald die Motordrehzahl in die oder aus der aktiven Region des Algorithmus übergeht, womit das Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignal aufgrund des Motordrehzahlsignals ein- oder ausgeblendet wird. Die Ausgänge des Kommando-Skalierungsblocks 454 sind die skalierten Stromkommandos I He** / ds_H und I He** / qs_H der vorbestimmten Harmonischen, welche zu den Summierern 434, 436 geführt werden, um mit den rückgekoppelten Strömen I He / ds_H und I He / qs_H kombiniert zu werden.
Entsprechend der vorliegenden Ausführungsform werden die Komponenten des synchronen Regelblocks 175 zur Auslöschung einer Harmonischen, welcher die Module 422, 425, 430, 432, 434, 436, 438 und 440 beinhaltet, bei der Frequenz der schnellen Software-Ausführungsschleife der Steuerung 150 (z. B. zehn Kilohertz (10 kHz)) betrieben, während die Komponenten des Drehzahlsteuerblocks 450 (d. h. der Kommandoerzeugungsblock 452 zum Löschen einer Welligkeit und der Kommando-Skalierungsblock 454) bei einer geringeren Frequenz betrieben werden (typisch dieselbe Frequenz, bei welcher die synchronen Rahmenstrom-Kommandos der Grundharmonischen aktualisiert werden (z. B. eine Millisekunde (1 msek))).
Die Rahmenstromregler 438 der vorbestimmten Harmonischen dürfen wegen der endlichen Begrenzungen der Schaltfrequenz des Inverters 120 und der Abtastrate des Reglers 150 nicht dazu in der Lage sein, den Strom der Harmonischen bis zur maximalen Drehzahl des Motors 110 zu regeln. Für die Regelbarkeit muss typischerweise ein Pulsverhältnis (definiert als die Schaltfrequenz dividiert durch die Frequenz des zu regelnden Stroms) von zirka zehn oder größer erhalten bleiben. Die Frequenz der Harmonischen, die entsprechend der vorliegenden Ausführungsform für die Reduktion der Drehmomentwelligkeit gewählt wurde (d. h. die Frequenz bei der vorbestimmten Harmonischen), könnte ein großes Vielfaches der Grundfrequenz sein, etwa 12 mal oder 24 mal die Grundfrequenz. Deshalb wird die Frequenz bei der vorbestimmten Harmonischen bei hohen Drehzahlen des Motors 110 ziemlich hoch, und es ist möglich, dass ein ausreichendes Pulsverhältnis nicht aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend ist der Drehzahlsteuerblock 450 bei hohen Drehzahlen in Betrieb, um den Betrieb der Rahmenstromregler 438 der vorbestimmten Harmonischen zu unterbinden.
Auch konvergieren die Harmonischen des Motors, wenn die Drehzahl des Motors 110 auf Null sinkt. Bei der Drehzahl Null gibt es keine Unterscheidung zwischen der Vielzahl an Harmonischen, und deshalb arbeitet der synchrone Regelblock 175 zur Auslöschung einer Harmonischen entsprechend der vorliegenden Ausführungsform nicht korrekt. Deshalb ist der Drehzahlregelblock 450 in Betrieb, um den Betrieb des synchronen Regelblocks 175 zur Auslöschung einer Harmonischen bei sehr niedrigen Drehzahlen zu unterbinden.
Bezugnehmend auf 5 stellen drei Signalisierungs-Diagramme 502, 504, 506 die Aktivierungs-/Deaktivierungsfunktion der Drehmomentwelligkeits-Funktionalität des Elektromotorsystems 100 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform dar. Das erste Signalisierungsdiagramm 502 zeigt ein Aktivierungs-Flag TrgCancSw 510 als eine Funktion der Drehzahl des Motors 110, welches vom Drehzahlsteuerblock 450 dazu benutzt wird, die Eingänge der synchronen Stromregler 438 für den vorbestimmten Rahmen zu aktivieren oder zu deaktivieren. Bei sehr niedrigen und sehr hohen Motordrehzahlen wird das Flag 502 auf AUS (oder deaktivieren) gesetzt. Eine Hysterese 512 wird benutzt, um zu verhindern, dass der Regler zwischen EIN und AUS oszilliert, wenn die Drehzahl langsam durch den EIN-AUS-Übergangsbereich wandert. Typische Stopppunkte für die Drehzahl könnten 100 U/min am unteren und 1000 U/min am oberen Ende mit einer Hysterese von 50 U/min sein. Wenn das Flag TrgCancSw 510 hoch (oder EIN) ist, dann werden die Regler 438 für die vorbestimmte Harmonische aktiviert, und wenn das Flag TrgCancSw 510 niedrig (oder AUS) ist, dann werden die Regler 438 für die vorbestimmte Harmonische deaktiviert.
Um zu verhindern, dass die Auslöschkommandos abrupt wechseln, wenn sich die Motordrehzahl über die Aktivierungs/Deaktivierungs-Übergangsgrenze bewegt, werden die Stromkommandos durch Skalierung mit einem Multiplikator IsHxCmdSpdScale 520 wie im zweiten Signalisierungsdiagramm dargestellt mit der Drehzahl ein- und ausgephast. Diese Skalierung wird durch den Kommando-Skalierungsblock 454 des Drehzahlregelblocks 450 wie mit Gleichung 1 beschrieben durchgeführt:
Nachdem die Filter 422 und 433 eine gewisse Einschwingzeit aufweisen, werden die Filter 422 und 430 aktiviert und deaktiviert, um Störungen zu verhindern, wenn die Stromregler 438 der vorbestimmten Harmonischen als Funktion der Drehzahl des Motors 110 aktiviert oder deaktiviert werden. Deshalb bleiben die Filter 422 und 430 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform bei bestimmten Drehzahlen in Betrieb, selbst wenn das TrgCancSw-Flag 510 die Stromregler 438 der vorbestimmten Harmonischen deaktiviert. Allerdings werden die Filter 422 und 433 deaktiviert, wenn die Drehzahl des Motors 110 einen bestimmten Schwellwert überschreitet, um die Verschwendung von Laufzeit der Steuerung 150 bei sehr hohen Drehzahlen des Motors 110 zu verhindern. Das Signalisierungsdiagramm 506 zeigt das Filter-Aktivierungs/Deaktivieruns-Flag 530. Beachte, dass die Filter 422, 430 nur für n_r > n_r9 deaktiviert werden. Deshalb können für hohe Drehzahlen des Motors 110 alle Funktionen im synchronen Regelblock 175 zur Auslöschung einer Harmonischen sowie der Drehzahlregelblock 450 deaktiviert werden.
Sobald der Motor 110 sich unter n_r9 verlangsamt, werden die zwei Filter 422 und 430 aktiviert. Und sobald die Drehzahl des Motors 110 unter n_r7 fällt, werden die Stromregler 438 der vorbestimmten Harmonischen mit Hilfe von Null-Strom-Kommandos aktiviert. Zwischen den Drehzahlen n_r6 und n_r5 werden die Kommandos linear eingephast. Der umgekehrte Prozess findet statt, sobald die Drehzahl des Motors 110 Null erreicht, mit der Ausnahme, dass die zwei Filter 422, 430 in Betrieb bleiben.
6 stellt ein Zeitdiagramm 600 des Motorsystems 100 dar und zeigt den Zusammenhang zwischen Stromabtastung, Spannungskommando-Berechnungen und der PWM-Implementation der Spannungskommandos. Die vertikalen, schwarzen Pfeile 602 geben die idealen Stromabtastpunkte an. Die Prozessor-Berechnungen inklusive der Berechnung des nächsten Tastverhältnisses folgen auf die Abtastpunkte 602. Alle schnellen Berechnungen für den synchronen Regelblock 175 zur Auslöschung einer Harmonischen müssen innerhalb der Zeitspanne Tsamp 604 abgeschlossen sein. Nachdem die Berechnung des Tastverhältnisses im folgenden Zyklus erfolgt und die durchschnittliche Ausgangsspannung in der Mitte der PWM-Periode ist, wird die PWM-Verzögerung wie in Gleichung (2) dargestellt modelliert. Konventionelle Regler kompensieren diese Verzögerung bereits im Transformationsblock 414, indem, so wie in Gleichung (3) beschrieben, ein Kompensationswinkel zum Transformationswinkel hinzuaddiert wird. Allerdings rotiert die vorbestimmte Harmonische bei einer anderen und höheren elektrischen Winkelgeschwindigkeit. Entsprechend der vorliegenden Ausführungsform wird die Reglerspannungs-Kommandotransformation der vorbestimmten Harmonischen im Transformationsblock 440 mit der passenden Winkelkorrektur wie in Gleichung (4) definiert kompensiert, um schlechte dynamische Reaktion und mögliche Instabilität zu vermeiden. Mit anderen Worten wird das Löschsignal für die Harmonische aufgrund eines pulsweitenmodulierten (PWM) Verzögerungs-Kompensationssignals, welches entsprechend der Gleichung (4) aufgrund einer vorherbestimmten PWM-Signalverzögerung abgeleitet wird, in das Betriebssteuersignal eingekoppelt. tdelay = 1.5·Tsamp (2) θdelay_H1 = 1.5·Tsamp ϖe (3) θdelay_Hx = 1.5·Tsamp·(Hx – 1)·ϖe (4)
Wie zuvor festgehalten wurde, führt der Grund-Entkopplungsblock 425 die Entkopplung des Grundstroms durch. Während Drehmomentübergängen sind die Referenzrahmen-Ströme der vorbestimmten Harmonischen nicht länger bloß DC-Signale, sondern haben wegen der Transienten auch einen AC-Inhalt. Der AC-Inhalt des Signals passiert das Filter 430 und ungewollter Weise auch den Rahmenstrom-Regler 438 der vorbestimmten Harmonischen, was in einer wie im Diagramm 700 der 7A gezeigt sehr schlechten Drehmomentdynamik resultiert. Im Diagramm 700 (7A) sind die Stromkommandos der Synchronrahmen der Grundharmonischen I e* / ds und I e* / qs, welche vom Kommando-Bestimmungsblock 404 für den optimalen Strom ausgegeben werden, als Graphen 702 beziehungsweise 704 dargestellt. Die rückgekoppelten Grundströme I e / ds_fb und I e / qs_fb vom Ausgang des Bandbegrenzungsfilters 422 sind als Graphen 706 beziehungsweise 708 dargestellt.
Bezugnehmend auf das Diagramm 750 (7B) sind die Stromkommandos für den Synchronrahmen der Grundharmonischen I e* / ds und I e* / qs und die rückgekoppelten Grundströme I e / ds_fb und I e / qs_fb als Graphen 752, 754, 756 beziehungsweise 758 dargestellt. Entsprechend der vorliegenden Ausführungsform erbringt die Substraktion der Stromkommandos für die Grundharmonische von den gemessenen Strömen (d. h. Entkopplung der Grundströme davon) wie in Diagramm 750 dargestellt eine enorm verbesserte dynamische Reaktion.
8 zeigt ein Blockdiagramm eines synchronen Rahmenfilters 422. Das Filter besteht aus einem Block 805 zur Transformation einer Grundharmonischen in eine vorbestimmte Harmonische (H1 to Hx), einem Hochpassfilter (HPF) 810, und einem Block 815 zur Transformation einer vorbestimmten Harmonischen in eine Grundharmonische (Hx zu H1). Ein Transformationswinkelsignal (H – 1)·θ_r wird an den H1-zu-Hx-Transformationsblock 805 zur dortigen Transformation des Signals geführt. Ein Korrekturwinkelsignal θ_corr entsprechend einer Phasennachlaufverzögerung des HPF 810 wird beim Summierer 820 zum Transformationswinkelsignal addiert, um ein Phasenverzögerungs-kompensiertes Transformationswinkelsignal für den Hx-zu-H1-Transformationsblock 815 bereitzustellen. Damit wird die vom HPF 810 eingebrachte Phasenverzögerung kompensiert, wobei das Löschsignal für eine Harmonische aufgrund der Phasennachlaufverzögerung in die Betriebssteuersignale eingekoppelt wird. Das Korrekturwinkelsignal θ_corr hat einen vorbestimmten Phasenfehlerwinkel-Korrekturwert entsprechend der vom HPF 810 eingebrachten Phasenverzögerung.
Der Text über der Signallinie in 8 gibt die Laufrichtung des Signals für die Grundharmonische (H1) durch das Filter 422 an. Das H1-Signal tritt in das Filter 422 als eine DC-Quantität ein, denn das in das Filter 422 geführte Signal ist im synchronen H1-Referenzrahmen. Nach der ersten Transformation im Block 805 wird das Signal zu (H – 1)·f_e. Wenn wir beispielsweise die dreizehnte Harmonische (d. h. die vorbestimmte Harmonische (Hx) ist Dreizehn) einkoppeln, dann wird das Signal zu 12 f_e transformiert. Das transformierte Signal passiert den HPF 810, da entsprechend der vorliegenden Ausführungsform die vorbestimmte Harmonische ausgewählt wird und der HPF 810 dafür vorbereitet ist, den Filterpol des HPF 810 ausreichend unter der Frequenz der vorbestimmten Harmonischen zu platzieren. Während das Signal das Filter 810 passiert, wird dem Signal eine Phasenverschiebung aufgeprägt. Der zweite Transformationsblock 815 transformiert das Signal dann unter Kompensation der Phasenverschiebung zurück zum synchronen Grundreferenzrahmen (H1). Der Strom der vorbestimmten Harmonischen, der unter der Signallinie der 8 gezeigt ist, tritt in das Filter bei der Frequenz (H_x – 1)·f_e ein. Nach der ersten Transformation im Block 805 ist das Signal ein DC-Signal. Der HPF 810 eliminiert diese DC-Komponente komplett aus dem Signal, wobei das Signal der vorbestimmten Harmonischen (Hx) beim Ausgang des Filters 810 auf Null abgeschwächt wird (d. h. unendliche Abschwächung bei der Sperrfrequenz des Filters).
Bezugnehmend auf 9 zeigt 9A entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Diagramm 900 der Frequenz über dem Betrag der Filterantwort des synchronen Rahmenfilters 422. 9B zeigt entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Diagramm 905 der Frequenz über der Phase der Filterantwort des synchronen Rahmenfilters 422. Bezugnehmend auf 9A wird entsprechend der vorliegenden Ausführungsform eine Kurve 910 des Betrags der Frequenzantwort des Filters 422 dargestellt. Bei DC und bei hohen Frequenzen weist das Filter die Verstärkung Eins auf. Bei der Sperrfrequenz 910 weist das Filter unendliche Abschwächung auf, während das Filter für DC-Eingangssignale eine endliche Phasenverschiebung aufweist.
Wie zuvor erörtert wurde, bringt das Filter 422 eine Phasenverzögerung ein. Die Phasenverzögerung des Filters 422 kann wie in Gleichung (5) gezeigt berechnet werden:
wobei f_c die Mittenfrequenz des Filters, f_in die Eingangsfrequenz des Filters und ω_p der Filterpol in rad/sek ist. Die Phasenverzögerung kann in 9B in der Kurve 930 der Phase der Frequenzantwort des Filters gesehen werden. Wie in den Diagrammen 900 und 905 gesehen werden kann, liefert Gleichung (5) ein genaues Modell bis hinauf zur Sperrfrequenz 920. Deswegen kann aufgrund des harmonischen Zusammenhangs zwischen der elektrischen Grundfrequenz und der Sperrfrequenz der Korrekturwinkel wie in Gleichung (6) gezeigt berechnet werden:
Deswegen wird Gleichung (6) entsprechend der vorliegenden Ausführungsform benutzt, um den Korrekturfaktor, welcher beim Summierer 820 zum zweiten Transformationsblock 815 des Filters 422 addiert wird, zu berechnen.
Bezugnehmend auf 10A zeigt ein Diagramm 1000 der Frequenz über dem Betrag der Filterantwort des synchronen Rahmenfilters 422 ohne Kompensation der Phasenverzögerung aus Gleichung (5) die Ein- und Ausgangssignale des Filters 422, wenn ein DC-Signal in dieses eingespeist wird (d. h. mit D-Achsen-Eingang 1002 von Null und einem Q-Achsen-Eingang 1004 von minus Eins). Ohne die Phasenverzögerungskompensation bringt das Filter 422 eine Störung ein, welche den D-Ausgang 1006 und den Q-Ausgang 1006 ausgehend von ihren Eingangswerten 1002, 1004 modifiziert. Diese Störung ist in der D-Achse mehr ausgeprägt (d. h. die Trennung zwischen dem D-Eingang 1002 und dem D-Ausgang 1006 ist größer als die Trennung zwischen Q-Eingang 1004 und Q-Ausgang 1008) da die Phasenverschiebung die D-Komponente 1002 des Eingangsvektorwinkels mehr beeinflusst als dessen Q-Komponente 1004, nachdem der Eingangsvektor mit der Q-Achse ausgerichtet, aber rechtwinkelig zur D-Achse ist.
10B zeigt den Ausgang des Filters 422 nachdem der entsprechend Gleichung (6) berechnete Korrekturfaktor angewandt wurde, wobei der Filter-Phasenverzögerungs-Effekt eliminiert wurde. Ohne Anwendung von Gleichung (6) im Filter 422 resultiert eine Phasenverschiebung des rückgekoppelten Grundstroms, welche wiederum zu Drehmoment-Fehlern äquivalent zu einem Winkelfehler in der grundlegenden Signalverarbeitung führen.
Eine ähnliche Situation liegt bei dem aus den Blöcken 430 und 432 aufgebauten Filter vor. Die anfängliche Rahmentransformation ist unnötig, weil die Eingangssignale bereits im selben Referenzrahmen sind wie die Komponenten, die eliminiert werden sollen (d. h. die Grundkomponente H1). Deswegen werden dem Signal für die vorbestimmte Harmonische ungewollte Phasenverschiebungen aufgeprägt, welche Stabilitätsprobleme verursachen und eine Phasenverschiebung als eine Funktion der Drehzahl des Motors 110 zu den Lösch-Strömen für die Harmonische addieren können, was in einer schlechten Drehmomentwelligkeits-Auslöschung resultiert. Um diese ungewollten Effekte zu eliminieren, wird Gleichung (6) entsprechend der vorliegenden Ausführungsform beim Transformationsblock 432 während einer Transformation angewandt, um dem Transformationsblock 432 ein Phasennachlaufverzögerungs-Kompensationssignal zur Verfügung zu stellen, welches aufgrund einer dem Transformationsblock 432 zugeordneten, vorbestimmten Filter-Phasennachlaufverzögerung abgeleitet wird.
Bezugnehmend auf 11, welche die 11A und 11B umfasst, wird die gemessene Leistung des Elektromotorsystems 110 im Bezug auf Drehmomentwelligkeitsauslöschung entsprechend der vorliegenden Erfindung gezeigt, wobei der Graph 1102 aus 11A die gemessene Drehmomentwelligkeit 1112 des Elektromotorsystems 110 ohne Drehmomentwelligkeitsauslöschung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform und der Graph 1104 aus 11B die gemessene Drehmomentwelligkeit 1114 des Elektromotorsystems 110 mit Drehmomentwelligkeitsauslöschung entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Bezugnehmend auf Graph 1102 (11A) wendet die Steuerung 150 keine Drehmomentwelligkeitsauslöschung an, und der Phasenstrom 1122 ist eine sehr klare Sinuswelle. Dennoch offenbart die gemessene Drehmomentwellenform 1112 einen signifikanten Welligkeitsanteil (die Stellung des Rotors des Motors 110 ist im Graphen 1132 gezeigt). Die Math1-Wellenform 1142 ist die berechnete FFT des gemessenen Drehmomentsignals 1112, worin die zwölfte Harmonische 1152 einen großen Betrag hat.
Deswegen wird die Drehmomentwelligkeit der zwölften Harmonischen der Grundfrequenz entsprechend der vorliegenden Erfindung reduziert, indem ein Lösch-Strom für die Harmonische in den Stator des Motors 110 eingekoppelt wird. Das Resultat der Drehmomentwelligkeitsreduktion ist im Graph 1104 (11B) dargestellt, worin der Strom der dreizehnten Harmonischen benutzt wird, um den Lösch-Strom der Harmonischen abzuleiten. Die gemessene Drehmoment-Wellenform 1114 zeigt die verringerte Welligkeit und der Lösch-Strom der Harmonischen kann als Welligkeit in der Phasenstrom-Wellenform 1114 gesehen werden. Die Rotorstellung ist im Graphen 1134 gezeigt, und die berechnete FFT des gemessenen Drehmomentsignals 1114 wird als Math1-Wellenform 1144 gezeigt, worin die zwölfte Harmonische 1154 einen viel geringeren Betrag aufweist, was anzeigt, dass die angepeilte Komponente der Drehmomentwelligkeit beinahe vollständig aus dem Drehmomentspektrum eliminiert wurde.
Bezugnehmend auf 12 zeigt ein Graph 1200 einen Anteil der zwölften Harmonischen an einer Drehmomentwelligkeit ohne Drehmomentwelligkeitsauslöschung 1202 und einen Anteil der zwölften Harmonischen an einer Drehmomentwelligkeit mit Drehmomentwelligkeitsauslöschung 1204 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform, was die Leistung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform über den vollen Drehmoment-Kommando-Bereich belegt. Nachdem die dominante Harmonische die zwölfte Harmonische ist, wird diese als die vorbestimmte aus der Vielzahl der Harmonischen für die Auslöschung ausgewählt. Aus dem Graph 1200 ist ersichtlich, dass die Drehmomentauslöschung entsprechend der vorliegenden Erfindung sehr gut beim Eliminieren der gewählten Harmonischen (d. h. der zwölften Harmonischen) der Drehmomentwelligkeit arbeitet, sowohl für positive als auch negative Drehmomente.
Bezugnehmend auf 13 zeigt ein Graph 1300 den gemessenen akustischen Lärm des Elektromotorsystems aus 4 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Messungen wurden durchgeführt während der Motor 110 bei konstantem Drehmoment betrieben wurde, wobei die Drehzahl zwischen 200 und 2000 U/min variiert wurde. Die Kurve 1302 zeigt den gemessenen akustischen Lärm ohne Anwendung der Drehmomentwelligkeitsauslöschung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform, und die Kurve 1304 zeigt den gemessenen akustischen Lärm bei Anwendung der Drehmomentwelligkeitsauslöschung bei der zwölften Harmonischen der Frequenz des Grundstroms entsprechend der vorliegenden Ausführungsform. Der Algorithmus zur Drehmomentwelligkeitslöschung war im Bereich zwischen 150 und 1200 U/min aktiv, mit einer oberen Drehzahlbegrenzung 1308 wo der Drehzahlsteuerblock 450 die Drehmomentwelligkeitsreduktion deaktiviert. Wenn der Algorithmus aktiv ist, kann er ungefähr 3 bis 10 dB an Reduktion der akustischen Lärmabstrahlung liefern, und ähnliche Resultate wurden für die radialen Vibrationen des Stators nachgewiesen. Obgleich die Drehmomentwelligkeitsauslöschung für höhere Frequenzen deaktiviert ist, wird der Betrieb dadurch nicht beeinflusst, da die Kurve 1302 ohne Drehmomentwelligkeitsauslöschung und die Kurve 1304 mit Drehmomentwelligkeitsauslöschung bei höheren Frequenzen ineinander übergehen.
Deswegen ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung eine Technik zum Einkoppeln von harmonischen Strömen in den Stator einer AC-Maschine liefert, um spezifische Harmonische der Drehmomentwelligkeit auszulöschen. Während die vorliegende Erfindung die Auslöschung einer einzelnen Harmonischen darstellt, kann dasselbe Prinzip auf die Auslöschung mehrerer Harmonischer ausgeweitet werden. Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung, wie etwa PWM-Verzögerungs-Kompensation, Einkopplung des Grundstroms und Filterverzögerungskompensation stellen eine exzellente Reaktion, welche bei Hochleistungs-AC-Motorantrieben erwartet wird, bereit.
Während zumindest eine exemplarische Ausführungsform in der vorangegangen, detaillierten Beschreibung präsentiert wurde, sollte anerkannt werden, dass eine enorme Anzahl an Variationen existiert. Es sollte auch anerkannt werden, dass die exemplarische Ausführungsform oder die exemplarischen Ausführungsformen bloß Beispiele sind, und nicht dafür bestimmt sind, den Bereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr liefert die vorangegangene, detaillierte Beschreibung dem Fachmann eine bequeme Vorgangsweise, um die exemplarische Ausführungsform oder die exemplarischen Ausführungsformen zu implementieren. Es sollte einsehbar sein, dass verschiedene Änderungen der Funktion und der Anordnung der Elemente durchgeführt werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung wie sie in den beigefügten Ansprüchen und den legalen Äquivalenten davon dargelegt ist, zu verlassen

Claims

Verfahren zur Reduktion einer Drehmomentwelligkeit in einem Permanentmagnet-Motorsystem, umfassend einen an einen Inverter gekoppelten Permanentmagnet-Motor, umfassend die Schritte: Empfangen eines Drehmoment-Kommandos; Generieren eines Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignals aufgrund des Drehmoment-Kommandos; Modifizieren von Betriebssteuersignalen aufgrund des Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignals, um Welligkeits-reduzierende Betriebssteuersignale zu erzeugen; und Liefern der Welligkeits-reduzierenden Betriebssteuersignale an den Inverter, um den Permanentmagnet-Motor zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Generierens des Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignals den Schritt des Generierens eines Löschsignals für eine Harmonische aufgrund des Drehmoment-Kommandos und einer vorbestimmten Drehmomentwelligkeitscharakteristik des Permanentmagnet-Motors umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Betriebssteuersignale ein sinusförmiges Signal mit einer Vielzahl an Harmonischen umfassen, und wobei die vorbestimmte Drehmomentwelligkeitscharakteristik des Permanentmagnet-Motorsystems eine vorbestimmte der Harmonischen umfasst, und wobei der Schritt des Generierens des Löschsignals für eine Harmonische die Schritte umfasst: Generieren des Löschsignals für eine Harmonische, um die vorbestimmte der Vielzahl von Harmonischen des Betriebssteuersignals aufgrund des Drehmoment-Kommandos und der vorbestimmten der Vielzahl von Harmonischen zu reduzieren; und Einkoppeln des Löschsignals der Harmonischen in Betriebssteuersignale, um die Welligkeits-reduzierenden Betriebssteuersignale zu erzeugen, wobei die Welligkeitsreduzierenden Betriebssteuersignale an den Inverter geliefert werden, um ein Löschsignal für eine Harmonische in die Statorströme des Permanentmagnetmotors einzukoppeln.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Generierens des Löschsignals für die Harmonische den Schritt des Generierens des Löschsignals für die Harmonische mit einer Signalamplitude, welche entsprechend einer Drehzahl des Permanentmagnet-Motors definiert wird, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Einkoppelns des Löschsignals für die Harmonische in das Betriebssteuersignal den Schritt des Einkoppelns des Löschsignals für die Harmonische in das Betriebssteuersignal aufgrund eines pulsweitenmodulierten (PWM) Verzögerungskompensationssignals umfasst, welches aufgrund einer vorbestimmten PWM Signalverzögerung abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Einkoppelns des Löschsignals für die Harmonische in die Betriebssteuersignale den Schritt des Einkoppelns des Löschsignals für die Harmonische in die Betriebssteuersignale aufgrund eines Phasenverzögerungs-Verzögerungskompensationssignals umfasst, welches aufgrund einer vorbestimmten Filter-Phasenverzögerung abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Generierens des Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignals den Schritt des Generierens des Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignals aufgrund des Drehmoment-Kommandos und einer Drehzahl des Permanentmagnet-Motors umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Generierens des Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignals den Schritt des Deaktivierens des Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignals aufgrund der Drehzahl des Permanentmagnet-Motors umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Generierens des Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignals den Schritt des Generierens des Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignals aufgrund des Drehmoment-Kommandos und eines Rotorstellungssignals umfasst, welches aufgrund einer detektierten Stellung des Rotors des Permanentmagnet-Motorsystems und eines vorbestimmten Phasenfehlerwinkel-Korrekturwertes generiert wird.
Steuerung für das Erzeugen Drehmomentwelligkeits-reduzierender, pulsweitenmodulierter Betriebssteuersignale in einem Permanentmagnet-Motorsystem, umfassend: einen synchronen Regelblock zur Auslöschung einer Harmonischen für den Empfang eines Drehmomentkommandos und das Generieren eines Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignals als Reaktion darauf und ein stromgeregeltes Drehmoment-Steuermodul für den Empfang des Drehmomentkommandos und des Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignals und für das Generieren Drehmomentwelligkeits-reduzierender, pulsweitenmodulierter Betriebssteuersignale als Reaktion darauf.
Steuerung nach Anspruch 10, wobei der synchrone Regelblock zur Auslöschung einer Harmonischen das Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignal aufgrund des Drehmoment-Kommandos und einer vorherbestimmten Drehmomentwelligkeits-Charakteristik des Permanentmagnet-Motorsystems generiert.
Steuerung nach Anspruch 11, wobei das Drehmoment-Kommando ein sinusförmiges Stromsignal mit einem Grundfrequenzsignal und einer Vielzahl von Harmonischen davon umfasst, und wobei die vorbestimmte Drehmomentwelligkeits-Charakteristik des Permanentmagnet-Motorsystems eine vorbestimmte aus der Vielzahl der Harmonischen umfasst, und wobei der synchrone Regelblock zur Auslöschung einer Harmonischen ein Löschsignal für eine Harmonische in einem synchronen Referenzrahmen für das Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignal generiert.
Steuerung nach Anspruch 12, wobei der synchrone Regelblock zur Auslöschung einer Harmonischen einen Entkopplungsblock für eine Grundfrequenz umfasst, welcher das Grundfrequenzsignal des Drehmoment-Kommandos von der Vielzahl dessen Harmonischer entkoppelt, um das Löschsignal für die Harmonische zu generieren.
Steuerung nach Anspruch 10, wobei der synchrone Regelblock zur Auslöschung einer Harmonischen das Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignal aufgrund des Drehmoment-Kommandos und einer Drehzahl des Permanentmagnetmotors generiert, wobei die Steuerung zusätzlich einen Drehzahlsteuerblock für die Deaktivierung des Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignals aufgrund der Drehzahl des Permanentmagnetmotors umfasst.
Steuerung nach Anspruch 10, wobei der synchrone Regelblock zur Auslöschung einer Harmonischen sowohl die Frequenz als auch die Amplitude des Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignals aufgrund der Drehzahl des Permanentmagnetmotors variiert.
Elektromotorsystem, umfassend: einen Permanentmagnet-Elektromotor; einen mit dem Permanentmagnet-Elektromotor gekoppelten Inverter, welcher die Steuerung desselben liefert, und eine mit dem Inverter verbundene Steuerung, welche diesem Betriebssteuersignale für den Betrieb des Permanentmagnet-Elektromotors liefert, wobei die Steuerung einen synchronen Regelblock zur Auslöschung einer Harmonischen zur Generierung eines Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignal aufgrund eines davon empfangenen Drehmoment-Kommandos umfasst, wobei die Steuerung zusätzlich ein stromgeregeltes Drehmoment-Steuermodul für die Modifizierung der für den Inverter vorgesehenen Betriebssteuersignale aufgrund des Drehmoment-Kommandos und des Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignals umfasst.
Elektromotorsystem nach Anspruch 16, zusätzlich umfassend einen an den Permanentmagnet-Elektromotor gekoppelten Drehzahl-Ertassungsschaltkreis zur Erfassung einer Drehzahl des Permanentmagnet-Elektromotors und zur Generierung eines Motordrehzahlsignais als Reaktion darauf, wobei der synchrone Regelblock zur Löschung einer Harmonischen der Steuerung an den Drehzahl-Ertassungsschaltkreis gekoppelt ist und das Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignal aufgrund des Drehmoment-Kommandos und des Motordrehzahlsignais generiert.
Elektromotorsystem nach Anspruch 17, wobei die Steuerung zusätzlich einen Drehzahl-Steuerblock umfasst, welcher an den Drehzahl-Erfassungsschaltkreis gekoppelt ist und für die Deaktivierung der Generierung des Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignals aufgrund des Motordrehzahlsignals betrieben wird.
Elektromotorsystem nach Anspruch 18, wobei der Drehzahl-Steuerblock zusätzlich für das Ein- oder Ausblenden des Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignals aufgrund des Motordrehzahlsignals betrieben wird.
Elektromotorsystem nach Anspruch 16, wobei das Drehmoment-Kommando ein sinusförmiges Stromsignal mit einem Grundfrequenzsignal und einer Vielzahl von Harmonischen davon umfasst, und wobei der synchrone Regelblock zur Auslöschung einer Harmonischen in einem synchronen Referenzrahmen für das Drehmomentwelligkeits-Reduktionssignal ein Löschsignal für eine Harmonische generiert, wobei das Löschsignal für die Harmonische einen Löschstrom für eine Harmonische produziert, um die Betriebssteuersignale zwecks Einkopplung eines Löschstroms für eine Harmonische in den Permanentmagnet-Elektromotor zu modifizieren und von diesem die Drehmomentwelligkeit zu reduzieren.