DE102011002444A1

DE102011002444A1 - Steuerungssysteme und -verfahren für einen Induktionsmotor

Info

Publication number: DE102011002444A1
Application number: DE102011002444A
Authority: DE
Inventors: Min Calif. Dai; Bon Ho Calif. Bae; Leah Calif. Dunbar
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-01-05
Filing date: 2011-01-04
Publication date: 2011-07-28
Anticipated expiration: 2031-01-05
Also published as: CN102122914B; US8294413B2; US20110163709A1; CN102122914A; DE102011002444B4

Abstract

Es wird ein Steuerungssystem für eine Wechselrichteranordnung bereitgestellt, welche einem Induktionsmotor zugeordnet ist. Das System umfasst ein Strombestimmungsmodul, welches eingerichtet ist, um q- und d-Achsen-Strombefehle auf Grundlage eines Drehmomentbefehls zu erzeugen. Das Strombestimmungsmodul ist weiterhin eingerichtet, um den q-Achsen-Strombefehl auf Grundlage einer ermittelten Fluss-Beziehung und eines Flussbeziehungs-Befehles zu erzeugen. Das System umfasst weiterhin ein Motorstrom-Steuerungsmodul, welches mit dem Strombestimmungsmodul gekoppelt und eingerichtet ist, um q- und d-Achsen-Spannungsbefehle auf Grundlage der von dem Strombestimmungsmodul erzeugten q- und d-Achsen-Strombefehle zu erzeugen, und einen mit dem Motorstrom-Steuerungsmodul gekoppelten PWM-Modulator, welcher eingerichtet ist, um Betriebszyklussignale zum Betreiben der Wechselrichteranordnung auf Grundlage der q- und d-Achsen-Spannungsbefehle zu erzeugen, welche von dem Motorstrom-Steuerungsmodul erzeugt worden sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Induktionsmotoren, und insbesondere Systeme und Verfahren zum Steuern von in Hybridfahrzeugen vorzufindenden Induktionsmotoren und anderen Anwendungen.
Hintergrund
In vergangenen Jahren haben Technologiefortschritte und sich entwickelnde Geschmacksrichtungen zu grundsätzlichen Änderungen im Design von Automobilen geführt. Eine dieser Änderungen betrifft die Energienutzung und Komplexität der verschiedenen elektrischen Systeme in Automobilen, insbesondere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoffen, wie zum Beispiel Hybrid-, Elektro- und Brennstoffzellen-Fahrzeuge. Viele dieser Fahrzeuge verwenden Elektromotoren, wie zum Beispiel Induktionsmotoren, um elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln, um so für den Antrieb des Fahrzeuges zu sorgen.
Motorfahrzeuganwendungen verwenden typischerweise einen dreiphasigen AC-Induktionsmotor. In einem Induktionsmotor umfasst ein Stator eine Anzahl von gewickelten Polen, welche einen Versorgungsstrom leiten, um ein Magnetfeld zu induzieren, welches den Rotor durchdringt. Typischerweise erzeugt ein elektronisches Steuerungssystem Betriebszyklusbefehle auf Grundlage des vom Fahrer geforderten Drehmoments und gemessener Systemgrößen. Auf Grundlage dieser Betriebszyklusbefehle legt eine Wechselrichteranordnung dann eine geeignete Spannung an, um Strombefehle für den Induktionsmotor zu erzeugen.
Das elektronische Steuerungssystem bestimmt typischerweise sowohl d- als auch q-Achsen-Ströme. Insbesondere wird der d-Achsen-Strombefehl auf Grundlage eines d-Achsen-Fluss-Beziehungs-Befehles erzeugt, welcher aus dem Drehmomentbefehl und momentanen Betriebszuständen abgeleitet wird. Einige herkömmliche Systeme können eine Verzögerung zwischen dem Drehmomentbefehl und der tatsächlichen Drehmomentantwort aufweisen. Insbesondere während Übergangszeitabschnitten ändert sich die tatsächliche d-Achsen-Fluss-Beziehung langsamer als der d-Achsen-Strom, auf welchem sie als ein Ergebnis der inhärenten Rotor-Zeitkonstanten des Motors aufgebaut ist, was die Drehmomentverzögerungen verursachen kann.
Dementsprechend ist es wünschenswert, verbesserte Steuerungssysteme und -Verfahren bereitzustellen, welche eine Drehmomentverzögerung in Induktionsmotoren reduzieren. Weiterhin werden andere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und dem vorangegangenen technischen Gebiet und Hintergrund ersichtlich.
Kurze Zusammenfassung
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird ein Steuerungssystem für eine Wechselrichteranordnung bereitgestellt, welche einem Induktionsmotor zugeordnet ist. Das System umfasst ein Strombestimmungsmodul, welches eingerichtet ist, um q- und d-Achsen-Strombefehle auf Grundlage eines Drehmomentbefehls zu erzeugen. Das Strombestimmungsmodul ist weiterhin eingerichtet, um den q-Achsen-Strombefehl auf Grundlage einer ermittelten Fluss-Beziehung und eines Fluss-Beziehungs-Befehls zu erzeugen. Das System umfasst weiterhin ein Motorstrom-Steuerungsmodul, welches mit dem Strombestimmungsmodul gekoppelt und eingerichtet ist, um q- und d-Achsen-Spannungsbefehle auf Grundlage der durch das Strombestimmungsmodul erzeugten q- und d-Achsen-Strombefehle zu erzeugen, und einen mit dem Motorstrom-Steuerungsmodul gekoppelten PWM-Modulator, welcher eingerichtet ist, um Betriebszyklussignale zum Betreiben der Wechselrichteranordnung auf Grundlage der durch das Motorstrom-Steuerungsmodul erzeugten q- und d-Achsen-Spannungsbefehle zu erzeugen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird ein Verfahren zum Steuern eines Wechselrichters eines Induktionsmotors bereitgestellt. Das Verfahren umfasst Empfangen eines Drehmomentbefehls; Erzeugen eines Fluss-Beziehungs-Befehles auf Grundlage des Drehmomentbefehls; Empfangen einer ermittelten Fluss-Beziehung; Erzeugen eines q-Achsen-Strombefehls auf Grundlage des Fluss-Beziehungs-Befehls und der ermittelten Fluss-Beziehung; Erzeugen eines d-Achsen-Strombefehls auf Grundlage des Fluss-Beziehungs-Befehls; Erzeugen von q- und d-Achsen-Spannungsbefehlen auf Grundlage des q- und d-Achsen-Strombefehls; und Erzeugen von Betriebszyklussignalen zum Betreiben des Wechselrichters auf Grundlage der q- und d-Achsen-Spannungsbefehle.
Beschreibung der Figuren
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bedeuten, und wobei:
1 eine schematische Ansicht eines beispielhaften Automobils ist, welches ein Induktionsmotor-Steuerungssystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform umfasst;
2 ein schematisches Blockdiagramm des beispielhaften Steuerungssystems aus 1 ist;
3 eine Kurve ist, welche angeforderte und ermittelte Drehmomente über der Zeit unter Verwendung eines herkömmlichen Steuerungssystems darstellt; und
4 eine Kurve ist, welche angeforderte und ermittelte Drehmomente über Zeit unter Verwendung des beispielhaften Steuerungssystems aus 2 darstellt.
Detaillierte Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen
Die folgende detaillierte Beschreibung ist lediglich beispielhaft und soll die Erfindung oder Anwendung und Verwendungen der Erfindung nicht beschränken. Weiterhin soll es keine Einschränkung durch eine ausdrücklich oder implizit in dem vorangegangenen technischen Gebiet, Hintergrund, kurzer Zusammenfassung oder der folgenden detaillierten Beschreibung dargestellten Theorie geben.
Allgemein betreffen hierin beschriebene beispielhafte Ausführungsformen ein Steuerungssystem für eine Wechselrichteranordnung eines Induktionsmotors. Das Steuerungssystem verwendet eine dynamische Iq-Steuerung, um Drehmomentverzögerung zu reduzieren, insbesondere während Übergangszeitabschnitten. In einer beispielhaften Ausführungsform modifiziert das Steuerungssystem den q-Achsen-Strombefehl mit einem Skalierungsfaktor, welcher auf Grundlage von ermittelten und vorgegebenen Fluss-Beziehungen ausgewählt wird.
1 zeigt ein Fahrzeug oder Automobil 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform, welches einen Induktionsmotor 102 umfasst, eine Energiequelle 104, eine Wechselrichteranordnung 106, ein elektronisches Steuerungssystem 108, und eine Antriebswelle 110. In einer beispielhaften Ausführungsform steht die Energiequelle 104 in betrieblicher Verbindung und/oder ist elektrische gekoppelt mit dem Steuerungssystem 108 und der Wechselrichteranordnung 106. Die Wechselrichteranordnung 106 ist mit dem Induktionsmotor 102 gekoppelt, welcher wiederum mit der Antriebswelle 110 gekoppelt ist. Die Wechselrichteranordnung 106 ist in betrieblicher Verbindung und/oder elektrisch gekoppelt mit dem Steuerungssystem 108 und ist eingerichtet, um den Induktionsmotor 102 mit elektrischer Energie und/oder Energie aus der Energiequelle 104 zu versorgen, wie detaillierter unten beschrieben wird.
In Abhängigkeit von der Ausführungsform kann das Automobil 100 eines einer Anzahl von verschiedenen Arten von Automobilen sein, wie zum Beispiel ein Motorrad, ein Motorroller, eine Limousine, ein Kombi, ein Lastwagen oder ein Sports Utility Vehicle (SUV), und kann zweiradgetrieben (2WD) (das heißt Hinterradantrieb oder Vorderradantrieb), vierradgetrieben (4WD) oder allradgetrieben (AWD) sein. Das Automobil 100 kann ebenso eine oder eine Kombination einer Anzahl von verschiedenen Arten von Antrieben aufweisen, wie zum Beispiel eine mit Benzin- oder Diesel-Kraftstoff betriebene Verbrennungskraftmaschine, eine „Gemischt-Kraftstoff-Fahrzeug”(FFV = Flex Fuel Vehicle)-Verbrennungskraftmaschine (das heißt eine Mischung von Benzin und Alkohol verwendend), eine Brennstoffzellen-Fahrzeug-Verbrennungskraftmaschine, eine mit einem Gasgemisch (zum Beispiel Wasserstoff und Erdgas) betriebene Verbrennungskraftmaschine, eine Verbrennungs-/Elektromotor-Hybridmaschine oder einen Elektromotor.
In der in 1 dargestellten beispielhaften Ausführungsform kann der Induktionsmotor 102 einen Generator, einen Antriebsmotor oder einen anderen im Stand der Technik bekannten geeigneten Motor umfassen. Der Induktionsmotor 102 kann ein Viel-Phasen-Wechselstrom(AC)-Motor sein und einen Satz von Wicklungen (oder Spulen) umfassen, welche jeweils einer Phase des Induktionsmotors 102 entsprechen. Obwohl nicht in 1 dargestellt ist, umfasst der Induktionsmotor 102 eine Stator-Anordnung (oder Stator) und eine Rotor-Anordnung (oder Rotor), wie es dem Fachmann bekannt ist. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Induktionsmotor 102 außerdem ein darin integriertes Getriebe umfassen, so dass der Induktionsmotor 102 und das Getriebe mechanisch mit wenigstens einem der Räder durch die Antriebswellen 110 gekoppelt sind.
In Abhängigkeit von der Ausführungsform kann die Energiequelle 104 eine Batterie, eine Brennstoffzelle oder eine andere geeignete Spannungsquelle umfassen. Es wird vorausgesetzt, dass, obwohl 1 ein Automobil 100 mit einer Energiequelle 104 darstellt, die hierin diskutierten Prinzipien und der Gegenstand unabhängig von der Anzahl oder Art von Energiequelle sind, und für Fahrzeuge mit mehreren Energiequellen zutreffen.
In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst die Wechselrichteranordnung 106 einen oder mehrere Wechselrichter, wobei jeder Schaltvorrichtungen mit antiparallelen Dioden umfasst. In verschiedenen Ausführungsformen sind die Schaltvorrichtungen mit Bipolartransistoren mit isolierter Mittelelektrode (IGBTs), Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) und dergleichen versehen. Die Wicklungen des Induktionsmotors 102 sind elektrisch mit den Schaltvorrichtungen verbunden, um eine Spannung bereitzustellen und Drehmoment in dem Induktionsmotor 102 zu erzeugen.
Wie zuvor erwähnt steht das Steuerungssystem 108 in betrieblicher Verbindung und/oder ist elektrisch gekoppelt mit der Wechselrichteranordnung 106. Im Allgemeinen kann das Steuerungssystem 108 eine beliebige Vorrichtung, Modul, Schaltkreis, Logik und/oder dergleichen sein, welche in der Lage ist, Steuerungssignale für die verschiedenen Komponenten der Wechselrichteranordnung 106 bereitzustellen. Das Steuerungssystem 108 kann außerdem verschiedene Sensoren und Fahrzeugsteuerungsmodule umfassen, und kann weiterhin einen Prozessor und/oder einen Speicher umfassen, welcher darin gespeicherte (oder in einem anderen computerlesbaren Medium) Anweisungen zum Ausführen der wie unten beschriebenen Abläufe und Verfahren enthält. Insbesondere reagiert das Steuerungssystem 108 auf von dem Fahrer des Automobils 100 empfangene Befehle (das heißt mittels eines Beschleunigungspedals) und stellt Befehle für die Wechselrichteranordnung 106 bereit, um eine Hochfrequenz-Pulsbreitenmodulation (PWM) zu verwenden, um die für den Induktionsmotor 102 durch die Wechselrichteranordnung 106 bereitgestellte Spannung zu verarbeiten. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform beinhaltet das Steuerungssystem 108 eine dynamische Iq-Steuerung, um eine Drehmomentantwort des Induktionsmotors 102 zu verbessern, insbesondere während Übergangszeitabschnitten, wie weiter unten detaillierter beschrieben ist.
2 ist ein schematisches Blockdiagramm, welches das Steuerungssystem 108 detaillierter zeigt. Wie oben erwähnt, ist die Energiequelle 104 mit der Wechselrichteranordnung 106 gekoppelt, welche wiederum mit dem Induktionsmotor 102 gekoppelt ist. Das Steuerungssystem 108 ist mit der Wechselrichteranordnung 106 gekoppelt und ist dazu eingerichtet, um Betriebszyklusbefehle für die Wechselrichteranordnung 106 bereitzustellen.
In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst das Steuerungssystem 108 ein Strombestimmungsmodul 210, ein Motorstrom-Steuerungsmodul 250, einen PWM-Modulator 260 und ein Motorgeschwindigkeits-Positionsmodul 270. Das Steuerungssystem 108 kann zusätzlich weitere Module zum Steuern anderer Eigenschaften des Induktionsmotors 102 und des Automobils 100 (1) umfassen. Wie hierin verwendet, sind die tiefgestellten d- und q-Größen im kartesischen Bezugssystem in Synchronität mit der Rotation eines Rotors in einem Induktionsmotor, wobei die q-Achse (oder Quadraturachse) orthogonal zu der Rotor-Pol-Achse (das heißt Drehmomenterzeugung) und die d-Achse (oder Direktachse) parallel zu der Rotor-Pol-Achse (das heißt Nicht-Drehmomenterzeugung) sind.
Wie in 2 dargestellt, empfängt das Strombestimmungsmodul 210 einen Drehmomentbefehl (T_e*), welcher eine Vorgabe für das Maß an Drehmoment ist, welches vom Induktionsmotor 102 gefordert wird, und wird beispielsweise vom Fahrer bereitgestellt. Zunächst stellt eine Rotor-Fluss-Bezugstabelle 212 einen d-Achsen-Fluss-Beziehungs-Befehl (λ^e* _dr) auf Grundlage der Spannung der Energiequelle 104 (V_dc) und der Rotor-Geschwindigkeit (ω_r) des Induktionsmotors 102 dar. Die Rotor-Geschwindigkeit (ω_r) und Spannung (V_dc) kann beispielsweise durch Sensoren oder eine andere geeignete Bestimmung bereitgestellt werden.
Mit Bezug auf die d-Achse ist der d-Achsen-Fluss-Beziehungs-Befehl (λ^e* _dr) eine Eingabe für eine Stromtabelle 218, welche einen d-Achsen-Strombefehl (I_d*) entsprechend dem d-Achsen-Fluss-Beziehungs-Befehl (λ^e* _dr) darstellt. Nunmehr mit Bezug auf Bearbeitungsblock 222 werden die Quadratwurzel der Summe der Quadrate der d-Achsen- und q-Achsen-Spannungen (V_d, V_q) einem Low-Pass-Filterelement 224 bereitgestellt. Die d-Achsen- und q-Achsen-Spannungen (V_d, V_q) können beispielsweise durch ein Motorstrom-Steuerungsmodul 250 bereitgestellt werden, welches detaillierter weiter unten beschrieben wird. Der Ausgang des Low-Pass-Filterelements 224 wird von einer Bezugsspannung (V_ref) in einem Differenzelement 226 subtrahiert, wobei das Ergebnis davon in einen Proportional-Integral-(PI)-Regler 228 eingegeben wird, um einen Rückkopplungs-d-Achsen-Strombefehl (I_{d_FB}*) zu erzeugen. Im Summierungselement 230 erzeugt die Summe aus Rückkopplungs-d-Achsen-Strombefehl (I_{d_FB}*) vom PI-Regler 228 und dem d-Achsen-Strombefehl (I_d*) aus der Stromtabelle 218 einen modifizierten d-Achsen-Strombefehl (I_d**). Der modifizierte d-Achsen-Strombefehl (I_d**) wird als eine Eingabe für einen Verzögerungsratenbegrenzer 232 bereitgestellt, welcher die Änderungsrate des d-Achsen-Stroms begrenzt, um einen d-Achsen-Strombefehl-Ausgabewert (I_d**_slew) zu erzeugen.
Der modifizierte d-Achsen-Strombefehl (I_d**) aus Element 230 wird ebenso einem Fluss-Überwachungselement 234 bereitgestellt, um eine ermittelte d-Achsen-Fluss-Beziehung (λ ^^e _dr) zu erzeugen. Die ermittelte d-Achsen-Fluss-Beziehung (λ ^^e _dr) wird detaillierter weiter unten beschrieben.
Bezüglich der q-Achse wird der Drehmomentbefehl (T_e*) durch den d-Achsen-Fluss-Beziehungs-Befehl (λ^e ^* _dr) in Teilerelement 236 geteilt und dann im Bearbeitungselement 238 mit 2L_r/(3L_mPP) multipliziert, um einen q-Achsen-Strombefehl (I_q*) zu erzeugen, wobei L_r die Selbstinduktivität des Induktionsmotor-Rotors ist, L_m die gegenseitige Induktivität zwischen dem Stator und dem Rotor im Induktionsmotor und PP die Anzahl an Polpaaren ist. Elemente 236, 238 entsprechen allgemein der unten aufgeführten Drehmomentgleichung (1):
In Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform wird der q-Achsen-Strombefehl (I_q*) durch einen Skalierungsfaktor (K) vom dynamischen Iq-Steuerungselement 240 modifiziert. Wie weiter unten detaillierter beschrieben wird, verbessert der Skalierungsfaktor die Drehmomentantwort des Induktionsmotors 102. In jedem Fall empfängt das dynamische Iq-Steuerungselement 240 den d-Achsen-Fluss-Beziehungs-Befehl (λ e* / dr) von Element 216 und die ermittelte d-Achsen-Fluss-Beziehung (λ ^^e _dr) von dem Fluss-Überwachungselement 234. Das dynamische Iq-Steuerungselement 240 umfasst vorbestimmt K_max- und K_min-Werte. Die K_max- und K_min-Werte können empirisch und experimentell bestimmt und verändert werden, um zufriedenstellende dynamische Drehmomentantworten bei verschiedenen Betriebszuständen zu erzielen. Falls das Verhältnis des d-Achsen-Fluss-Beziehungs-Befehles (λ e* / dr) zu der ermittelten d-Achsen-Fluss-Beziehung (λ ^^edr) größer als K_max ist, dann gibt das dynamische Iq-Steuerungselement 240 K_max als den Skalierungsfaktor (K) aus. Falls das Verhältnis des d-Achsen-Fluss-Beziehungs-Befehles (λ e* / dr) zu der ermittelten d-Achsen-Fluss-Beziehung (λ ^^e _dr) zwischen K_min und K_max liegt, dann gibt das dynamische Iq-Steuerungselement 240 den Wert des Verhältnisses als den Skalierungsfaktor (K) aus. Während eines stabilen Zustandes kann dieses Verhältnis einen Wert von etwa 1 aufweisen. Schließlich, falls das Verhältnis des d-Achsen-Fluss-Beziehungs-Befehles (λ e* / dr) zu der ermittelten d-Achsen-Fluss-Beziehung (λ ^^e _dr) kleiner ist als K_min, dann gibt das dynamische Iq-Steuerungselement 240 K_min als den Skalierungsfaktor (K) aus. Dementsprechend kann der Algorithmus des dynamischen Iq-Steuerungselementes wie folgt in Gleichung (2) zusammengefasst werden:
Der q-Achsen-Strombefehl (I_q*) wird im Element 242 mit dem Skalierungsfaktor (K) multipliziert, um einen modifizierten q-Achsen-Strombefehl (I_q**) zu erzeugen. Der modifizierte d-Achsen-Strombefehl (I_q**) ist eine Eingabe an Verzögerungsratenbegrenzer 244, welcher die Änderungsrate des q-Achsen-Stroms begrenzt, um einen q-Achsen-Strombefehl-Ausgabewert (I_q**_slew) zu erzeugen.
Nunmehr mit Bezug auf Element 246 und Element 248 wird der q-Achsen-Strombefehl-Ausgabewert (I_q**_slew) von Begrenzer 244 im Bearbeitungselement 246 mit L_R/L_N multipliziert und die resultierende Ausgabe wird im Teilungselement 248 in die geschätzte d-Achsen-Fluss-Beziehung (λ ^^e _dr) geteilt, um eine vorgegebene Rotorschlupfgeschwindigkeit (ω*_slip) zu erzeugen, welche an das Motorgeschwindigkeits-Positionsmodul 270 ausgegeben wird.
Das Motorgeschwindigkeits-Positionsmodul 270 addiert im Summationselement 272 die vorgegebene Rotorschlupfgeschwindigkeit (ω*_slip) zu der Rotorgeschwindigkeit (ω_r), um eine elektrische Rotorgeschwindigkeits-Einheit (ω_e) zu erzeugen. Zusätzlich integriert das Motorgeschwindigkeits-Positionsmodul 270 im Element 274 die vorgegebene Rotorschlupfgeschwindigkeit (ω*_slip), um einen Rotorschlupfwinkel (θ_slip) zu erzeugen, welcher dann zu dem relativen Rotorwinkel (θ_r) in Element 276 addiert wird, um eine elektrische Winkeleinheit der Rotationsposition (θ_e) zu erzeugen.
Das Motorstrom-Steuerungsmodul 250 empfängt den q-Achsen-Strombefehl-Ausgabewert (I_q**_slew) und den d-Achsen-Strombefehl-Ausgabewert (I_d**_slew) als Eingaben, um q-Achsen-Spannungsbefehle (V_q*) und d-Achsen-Spannungsbefehle (V_d*) zu erzeugen. Der PWM-Modulator 260 empfängt q-Achsen-Spannungsbefehle (V_q*) und d-Achsen-Spannungsbefehle (V_d*) und erzeugt die Betriebszyklus-Befehle (D_A, D_B, D_C) für die Wechselrichteranordnung 106. Unter Verwendung der Betriebszyklus-Befehle (D_A, D_B, D_C) produziert die Wechselrichteranordnung 106 dreiphasige AC-Spannungen (zum Beispiel V_A, V_B, V_C) aus einem Versorgungspotential (zum Beispiel einem Batteriepotential oder einer DC-Bus-Spannung (VDC)) und treibt den Induktionsmotor 102 mit den dreiphasigen Spannungen an. Dementsprechend verwendet in beispielhaften Ausführungsformen Steuerungssystem 108 eine dynamische Iq-Steuerung, um die Drehmomentantwort des Induktionsmotors 102 zu verbessern. In herkömmlichen Steuerungssystemen kann die Drehmomentantwort als eine Folge der inhärenten Rotorzeitkonstanten verzögert sein, welche als τ_r = L_r/r_r ausgedrückt werden kann. Die Beziehung zwischen ermittelter Fluss-Beziehung und Strom kann wie folgt in Gleichung (3) ausgedrückt werden:
Wie oben in Gleichung (1) erwähnt ist, resultiert eine verzögerte Antwort in der Fluss-Beziehung (λ e* / dr) in einer verzögerten Drehmomentantwort. Diese Drehmomentverzögerung kann in hohen Drehmoment-/Strom-Bereichen geringer sein, und zwar aufgrund der mit L_r abnehmenden Rotor-Zeitkonstanten τ_r, wenn Sättigung eintritt. Jedoch kann die Antwort in herkömmlichen Steuerungssystemen in niedrigen Drehmoment-/Strom-Bereichen geringer sein, das heißt eine höhere Rotor-Zeitkonstante τ_r resultiert in einer geringeren Fluss-Beziehung (λ e* / dr) .
Ein Vergleich zwischen den herkömmlichen und beispielhaften Steuerungssystemen wird in 3 und 4 gezeigt. 3 ist eine Kurve, welche vorgegebene und ermittelte Drehmomente über Zeit unter Verwendung eines herkömmlichen Steuerungssystems darstellt; und 4 ist eine Kurve, welche vorgegebene und ermittelte Drehmomente über Zeit unter Verwendung des Steuerungssystems aus 2 zeigt. Sowohl in 3 als auch in 4 springt der Drehmomentbefehl auf ein Ziel-Drehmoment in etwa 0,5 Sekunden. Wie in 3 dargestellt ist, erreicht der dem herkömmlichen Steuerungssystem zugeordnete Induktionsmotor das Ziel-Drehmoment nicht innerhalb etwa einer Sekunde. Im Gegensatz, wie in 4 dargestellt ist, erreicht der dem oben beschriebenen elektronischen Steuerungssystem zugeordnete Induktionsmotor das Ziel-Drehmoment viel schneller, und zwar weniger als 0,1 Sekunde nach dem Drehmomentbefehl. In beispielhaften Ausführungsformen bestätigen sich diese Testfälle bei geringen, mittleren und hohen Geschwindigkeiten (zum Beispiel 0, 4095 und 8190 U/min) und niedrigen und hohen Drehmomentübergängen (zum Beispiel 0–10% und 0–100%) sowohl beim Heraufschalten als auch beim Herunterschalten.
Aus Gründen der Kürze werden herkömmliche Techniken, welche AC-Motoren, AC-Motorsteuerungen und weitere funktionale Aspekte der Systeme (sowie die individuellen Betriebskomponenten der Systeme) betreffen, hier nicht im Detail beschrieben. Weiterhin sollen in den verschiedenen Figuren enthaltene Verbindungslinien beispielhafte funktionelle Beziehungen und/oder physische Verbindungen zwischen den verschiedenen darstellen. Es wird angenommen, dass viele alternative oder zusätzliche funktionelle Beziehungen oder physische Verbindungen in einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden sein können.
Ausführungsformen der Erfindung wurden hierin mit Bezug auf funktionelle und/oder logische Blockkomponenten und verschiedene Bearbeitungsschritte beschrieben. Es wird bevorzugt, dass solche Blockkomponenten durch eine beliebige Anzahl von Hardware-, Software- und/oder Firmware-Komponenten ausgeführt werden können, welche dazu eingerichtet sind, um die spezifizierten Funktionen auszuführen. Beispielsweise kann eine Ausführungsform der Erfindung verschiedene integrierte Schaltkreiskomponenten, zum Beispiel Speicherelemente, digitale Signalbearbeitungselemente, Logik-Elemente, Look-up-Tabellen oder dergleichen verwenden, welche eine Vielzahl von Funktionen unter der Steuerung eines oder mehrerer Mikroprozessoren oder anderer Steuerungsvorrichtungen ausführen können. Zusätzlich wird der Fachmann bevorzugt, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einer beliebigen Anzahl von Elektromotor-Anwendungen ausgeführt werden können, und dass das hierin beschriebene System lediglich eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung ist. Äquivalente Konzepte können jedoch in einfacher Weise in anderen Fahrzeug-, Industrie-, Luftfahrt- und/oder anderen -Umgebungen angewendet werden. Tatsächlich können die hierin beschriebenen verschiedenen Konzepte in einfacher Weise an beliebige modulare Wechselrichtersysteme angepasst werden.
Während mehrere beispielhafte Ausführungsformen in der vorangegangenen detaillierten Beschreibung dargestellt wurden, wird darauf hingewiesen, dass eine große Anzahl von Variationen existiert. Es wird außerdem darauf hingewiesen, dass die beispielhaften Ausführungsformen lediglich Beispiele sind, und nicht den Umfang, Anwendbarkeit oder Konfiguration der Erfindung in irgendeiner Weise beschränken sollen. Vielmehr wird die vorangegangene detaillierte Beschreibung dem Fachmann eine praktische Anleitung zum Ausführen der beispielhaften Ausführungsform oder beispielhaften Ausführungsformen geben. Es wird davon ausgegangen, dass verschiedene Änderungen hinsichtlich Funktion und Anordnung der Elemente vorgenommen werden können, ohne den Umfang der Erfindung wie in den angefügten Ansprüchen und den gesetzlichen Äquivalenten davon zu verlassen.
Weitere Ausführungsformen

1. Steuerungssystem für eine einem Induktionsmotor zugeordnete Wechselrichteranordnung, wobei das System umfasst: ein Strombestimmungsmodul, welches dazu eingerichtet ist, um q- und d-Achsen-Strombefehle auf Grundlage eines Drehmomentbefehls zu erzeugen, wobei das Strombestimmungsmodul weiterhin eingerichtet ist, um den q-Achsen-Strombefehl auf Grundlage einer ermittelten Fluss-Beziehung und eines Fluss-Beziehungs-Befehls zu erzeugen; ein Motorstrom-Steuerungsmodul, welches mit dem Strombestimmungsmodul gekoppelt und dazu eingerichtet ist, um q- und d-Achsen-Spannungsbefehle auf Grundlage der q- und d-Achsen-Strombefehle zu erzeugen, welche von dem Strombestimmungsmodul erzeugt worden sind; und ein PWM-Modulator, welcher mit dem Motorstrom-Steuerungsmodul gekoppelt und dazu eingerichtet ist, um Betriebszyklus-Signale zum Betreiben der Wechselrichteranordnung auf Grundlage der q- und d-Achsen-Spannungsbefehle zu erzeugen, welche von dem Motorstrom-Steuerungsmodul erzeugt worden sind.
2. Steuerungssystem nach Ausführungsform 1, wobei das Strombestimmungsmodul eingerichtet ist, um den q-Achsen-Strom-Befehl auf Grundlage eines Skalierungsfaktors zu erzeugen.
3. Steuerungssystem nach Ausführungsform 2, wobei das Strombestimmungsmodul dazu eingerichtet ist, um den Skalierungsfaktor auf Grundlage des Fluss-Beziehungs-Befehls und der ermittelten Fluss-Beziehung zu bestimmen.
4. Steuerungssystem nach Ausführungsform 3, wobei das Strombestimmungsmodul dazu eingerichtet ist, um den Skalierungsfaktor auf Grundlage eines Verhältnisses des Fluss-Beziehungs-Befehls und der ermittelten Fluss-Beziehung auszuwählen.
5. Steuerungssystem nach Ausführungsform 4, wobei das Strombestimmungsmodul dazu eingerichtet ist, um einen ersten Skalierungsfaktor auszuwählen, falls das Verhältnis des Fluss-Beziehungs-Befehls und der ermittelten Fluss-Beziehung größer als der erste Skalierungsfaktor ist.
6. Steuerungssystem nach Ausführungsform 5, wobei das Strombestimmungsmodul dazu eingerichtet ist, um einen zweiten Skalierungsfaktor auszuwählen, falls das Verhältnis des Fluss-Beziehungs-Befehls und der ermittelten Fluss-Beziehung kleiner ist als der zweite Skalierungsfaktor.
7. Steuerungssystem nach Ausführungsform 6, wobei das Strombestimmungsmodul eingerichtet ist, um einen dritten Skalierungsfaktor auszuwählen, falls das Verhältnis des Fluss-Beziehungs-Befehles und der ermittelten Fluss-Beziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Skalierungsfaktor ist.
8. Steuerungssystem nach Ausführungsform 7, wobei der dritte Skalierungsfaktor einen Wert von etwa 1 aufweist.
9. Steuerungssystem nach Ausführungsform 1, wobei das Strombestimmungsmodul eingerichtet ist, um den q-Achsen-Strombefehl durch Modifizieren eines berechneten q-Achsen-Strombefehles mit einem Skalierungsfaktor zu erzeugen.
10. Steuerungssystem nach Ausführungsform 9, wobei das Strombestimmungsmodul eingerichtet ist, um den berechneten q-Achsen-Strombefehl mit dem Skalierungsfaktor während Übergangszeitabschnitten zu modifizieren.
11. Steuerungssystem nach Ausführungsform 1, wobei das Strombestimmungsmodul eingerichtet ist, um den q-Achsen-Strombefehl auf Grundlage des Verhältnisses des Fluss-Beziehungs-Befehles und der ermittelten Fluss-Beziehung derart zu erzeugen, dass die Übergangs-Drehmomentantwort des Motors reduziert ist.
12. Verfahren zum Steuern eines Wechselrichters eines Induktionsmotors, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Empfangen eines Drehmomentbefehls; Erzeugen eines Fluss-Beziehungs-Befehles auf Grundlage des Drehmomentbefehls; Empfangen einer ermittelten Fluss-Beziehung; Erzeugen eines q-Achsen-Strombefehles auf Grundlage des Fluss-Beziehungs-Befehls und der ermittelten Fluss-Beziehung; Erzeugen eines d-Achsen-Strombefehles auf Grundlage des Fluss-Beziehungs-Befehles; Erzeugen von q- und d-Achsen-Spannungsbefehlen auf Grundlage des q- und d-Achsen-Strombefehls; und Erzeugen von Betriebszyklussignalen zum Betreiben des Wechselrichters auf Grundlage der q- und d-Achsen-Spannungsbefehle.
13. Verfahren nach Ausführungsform 12, wobei das Erzeugen des q-Achsen-Strombefehls-Schritts ein Erzeugen des q-Achsen-Strombefehls auf Grundlage eines Skalierungsfaktors umfasst.
14. Verfahren nach Ausführungsform 13, wobei das Erzeugen des q-Achsen-Strombefehls-Schritts ein Auswählen des Skalierungsfaktors auf Grundlage des Verhältnisses des Fluss-Beziehungsbefehls und der ermittelten Fluss-Beziehung umfasst.
15. Verfahren nach Ausführungsform 14, wobei der Auswahlschritt ein Auswählen eines ersten Skalierungsfaktors umfasst, falls das Verhältnis des Fluss-Beziehungs-Befehles und der ermittelten Fluss-Beziehung größer als der erste Skalierungsfaktor ist.
16. Verfahren nach Ausführungsform 15, wobei der Auswahlschritt ein Auswählen eines zweiten Skalierungsfaktors umfasst, falls das Verhältnis des Fluss-Beziehungs-Befehles und der ermittelten Fluss-Beziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Skalierungsfaktor ist.
17. Verfahren nach Ausführungsform 16, wobei der Auswahlschritt ein Auswählen eines dritten Skalierungsfaktors umfasst, wenn das Verhältnis des Fluss-Beziehungs-Befehles und der ermittelten Fluss-Beziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Skalierungsfaktor ist.
18. Verfahren nach Ausführungsform 17, wobei der dritte Skalierungsfaktor einen Wert von etwa 1 hat.
19. Verfahren nach Ausführungsform 12, wobei das Erzeugen des q-Achsen-Strombefehl-Schrittes ein Modifizieren eines berechneten q-Achsen-Strombefehles mit einem Skalierungsfaktor während Übergangszeitabschnitten umfasst.
20. Steuerungssystem für einen Wechselrichter eines Induktionsmotors, wobei das Steuerungssystem umfasst: ein Strombestimmungsmodul, welches dazu eingerichtet ist, q- und d-Achsen-Strombefehle auf Grundlage eines Drehmomentbefehles zu erzeugen, wobei das Strombestimmungsmodul weiterhin eingerichtet ist, um den q-Achsen-Strombefehl durch Modifizieren eines berechneten q-Achsen-Strombefehles mit einem Skalierungsfaktor auf Grundlage des Verhältnisses des Fluss-Beziehungs-Befehles zu der ermittelten Fluss-Beziehung zu erzeugen, wobei das Strombestimmungsmodul eingerichtet ist, um einen ersten Skalierungsfaktor auszuwählen, falls das Verhältnis des Fluss-Beziehungs-Befehles zu der ermittelten Fluss-Beziehung größer ist als der erste Skalierungsfaktor, einen zweiten Skalierungsfaktor, falls das Verhältnis des Fluss-Beziehungs-Befehles zu der ermittelten Fluss-Beziehung geringer ist als der zweite Skalierungsfaktor, und einen dritten Skalierungsfaktor, falls das Verhältnis des Fluss-Beziehungs-Befehles zu der ermittelten Fluss-Beziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Skalierungsfaktor ist; ein Motorstrom-Steuerungsmodul, welches mit dem Strombestimmungsmodul gekoppelt und dazu eingerichtet ist, um q- und d-Achsen-Spannungsbefehle auf Grundlage der durch das Strombestimmungsmodul erzeugten q- und d-Achsen-Strombefehle zu erzeugen; und einen mit dem Motorstrom-Steuerungsmodul gekoppelten PWM-Modulator, welcher eingerichtet ist, um Betriebszyklussignale zum Betreiben des Wechselrichters auf Grundlage der durch das Motorstrom-Steuerungsmodul erzeugten q- und d-Achsen-Spannungsbefehle zu erzeugen.

Claims

Steuerungssystem für eine einem Induktionsmotor zugeordnete Wechselrichteranordnung, wobei das System umfasst: ein Strombestimmungsmodul, welches dazu eingerichtet ist, um q- und d-Achsen-Strombefehle auf Grundlage eines Drehmomentbefehls zu erzeugen, wobei das Strombestimmungsmodul weiterhin eingerichtet ist, um den q-Achsen-Strombefehl auf Grundlage einer ermittelten Fluss-Beziehung und eines Fluss-Beziehungs-Befehls zu erzeugen; ein Motorstrom-Steuerungsmodul, welches mit dem Strombestimmungsmodul gekoppelt und dazu eingerichtet ist, um q- und d-Achsen-Spannungsbefehle auf Grundlage der q- und d-Achsen-Strombefehle zu erzeugen, welche von dem Strombestimmungsmodul erzeugt worden sind; und ein PWM-Modulator, welcher mit dem Motorstrom-Steuerungsmodul gekoppelt und dazu eingerichtet ist, um Betriebszyklus-Signale zum Betreiben der Wechselrichteranordnung auf Grundlage der q- und d-Achsen-Spannungsbefehle zu erzeugen, welche von dem Motorstrom-Steuerungsmodul erzeugt worden sind.
Steuerungssystem nach Anspruch 1, wobei das Strombestimmungsmodul eingerichtet ist, um den q-Achsen-Strom-Befehl auf Grundlage eines Skalierungsfaktors zu erzeugen.
Steuerungssystem nach Anspruch 2, wobei das Strombestimmungsmodul dazu eingerichtet ist, um den Skalierungsfaktor auf Grundlage des Fluss-Beziehungs-Befehls und der ermittelten Fluss-Beziehung zu bestimmen.
Steuerungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Strombestimmungsmodul dazu eingerichtet ist, um den q-Achsen-Strombefehl auf Grundlage des Verhältnisses des Fluss-Beziehungs-Befehls und der ermittelten Fluss-Beziehung auszuwählen, so dass eine Übergangs-Drehmomentantwort des Motors reduziert ist.
Verfahren zum Steuern eines Wechselrichters eines Induktionsmotors, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Empfangen eines Drehmomentbefehls; Erzeugen eines Fluss-Beziehungs-Befehles auf Grundlage des Drehmomentbefehls; Empfangen einer ermittelten Fluss-Beziehung; Erzeugen eines q-Achsen-Strombefehles auf Grundlage des Fluss-Beziehungs-Befehls und der ermittelten Fluss-Beziehung; Erzeugen eines d-Achsen-Strombefehles auf Grundlage des Fluss-Beziehungs-Befehles; Erzeugen von q- und d-Achsen-Spannungsbefehlen auf Grundlage des q- und d-Achsen-Strombefehls; und Erzeugen von Betriebszyklussignalen zum Betreiben des Wechselrichters auf Grundlage der q- und d-Achsen-Spannungsbefehle.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Erzeugen des q-Achsen-Strombefehls-Schritts ein Erzeugen des q-Achsen-Strombefehls auf Grundlage eines Skalierungsfaktors umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Erzeugen des q-Achsen-Strombefehls-Schritts ein Auswählen des Skalierungsfaktors auf Grundlage des Verhältnisses des Fluss-Beziehungsbefehls und der ermittelten Fluss-Beziehung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Auswahlschritt ein Auswählen eines ersten Skalierungsfaktors umfasst, falls das Verhältnis des Fluss-Beziehungs-Befehles und der ermittelten Fluss-Beziehung größer als der erste Skalierungsfaktor ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das Erzeugen des q-Achsen-Strombefehl-Schrittes ein Modifizieren eines berechneten q-Achsen-Strombefehles mit einem Skalierungsfaktor während Übergangszeitabschnitten umfasst.
Steuerungssystem für einen Wechselrichter eines Induktionsmotors, wobei das Steuerungssystem umfasst: ein Strombestimmungsmodul, welches dazu eingerichtet ist, q- und d-Achsen-Strombefehle auf Grundlage eines Drehmomentbefehles zu erzeugen, wobei das Strombestimmungsmodul weiterhin eingerichtet ist, um den q-Achsen-Strombefehl durch Modifizieren eines berechneten q-Achsen-Strombefehles mit einem Skalierungsfaktor auf Grundlage des Verhältnisses des Fluss-Beziehungs-Befehles zu der ermittelten Fluss-Beziehung zu erzeugen, wobei das Strombestimmungsmodul eingerichtet ist, um einen ersten Skalierungsfaktor auszuwählen, falls das Verhältnis des Fluss-Beziehungs-Befehles zu der ermittelten Fluss-Beziehung größer ist als der erste Skalierungsfaktor, einen zweiten Skalierungsfaktor, falls das Verhältnis des Fluss-Beziehungs-Befehles zu der ermittelten Fluss-Beziehung geringer ist als der zweite Skalierungsfaktor, und einen dritten Skalierungsfaktor, falls das Verhältnis des Fluss-Beziehungs-Befehles zu der ermittelten Fluss-Beziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Skalierungsfaktor ist; ein Motorstrom-Steuerungsmodul, welches mit dem Strombestimmungsmodul gekoppelt und dazu eingerichtet ist, um q- und d-Achsen-Spannungsbefehle auf Grundlage der durch das Strombestimmungsmodul erzeugten q- und d-Achsen-Strombefehle zu erzeugen; und einen mit dem Motorstrom-Steuerungsmodul gekoppelten PWM-Modulator, welcher eingerichtet ist, um Betriebszyklussignale zum Betreiben des Wechselrichters auf Grundlage der durch das Motorstrom-Steuerungsmodul erzeugten q- und d-Achsen-Spannungsbefehle zu erzeugen.