DE102011011804A1 - Method for controlling electric machine utilized as e.g. main drive in seemless land vehicle e.g. passenger vehicle, involves orienting stator flux through magnets of machine and energized windings arranged in rotor and/or stator parts - Google Patents

Method for controlling electric machine utilized as e.g. main drive in seemless land vehicle e.g. passenger vehicle, involves orienting stator flux through magnets of machine and energized windings arranged in rotor and/or stator parts Download PDF

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Abstract

The method involves utilizing controlled variables of a stator flux and/or stator current (R) in a rotor part and a stator part. An electric machine is set with stator voltage. Desired values (PSIs*) and actual values (PSIs) of the controlled variables are compared in a coordinate system. A major axis of the coordinate system is set toward the total stator flux. The total stator flux is oriented through magnets of the electric machine arranged in the rotor part and/or the stator part and energized windings arranged at the stator part and/or the rotor part. An independent claim is also included for an electric machine.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.The invention relates to a method for controlling an electric machine according to the preamble of claim 1 and to an electric machine according to the preamble of claim 8.

Hochdynamische Antriebe mit elektrischen Maschinen müssen für viele Anwendungen geregelt werden. Zu diesem Zweck gelangen eine Reihe von Regelungsverfahren zum Einsatz, von denen weit verbreitete in der Monographie „Elektrische Antriebe-Regelung von Antriebssystemen”, (2009, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg) dargestellt sind. Bei der klassischen feldorientierten Regelung wird ein Modell der elektrischen Maschine, insbesondere mit Permanentmagneten als Feldmagnete, in Rotorkoordinaten mit einer Achse in Richtung der durch die Feldmagnete erzeugten Flusskomponente und einer dazu senkrechten Achse (quadrature axis) zugrunde gelegt. Unter der klassischen feldorientierten Regelung ist im Folgenden die feldorientierte Regelung in Rotorkoordinaten zu verstehen. Mit einem Geber erfasste oder auf andere Weise geberlos bestimmte Winkel der Rotorlage dienen der Transformation der relevanten Größen in das Rotorkoordinatensystem, und die Stromkomponenten werden in diesem Koordinatensystem geregelt, wobei die Komponenten der Statorspannung die Stellgrößen sind. Die Rekonstruktion der Rotorlage bei einem geberlosen, auf einer Bestimmung der Elektromotorischen Kraft basierenden Verfahren erfolgt geläufigerweise mittels der offenen Integration der induzierten Statorspannung. Beim so genannten Direct Torque Control Verfahren wird unter der Annahme einer korrekten Statorflussrekonstruktion das Drehmoment direkt geregelt, indem das Schalten der Halbbrücken der Wechselrichter direkt beeinflusst wird.Highly dynamic drives with electric machines have to be regulated for many applications. To this end, a number of regulatory procedures are being used, many of which are widely used in the Monograph "Electric Drives Control of Drive Systems", (2009, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg) are shown. In the classical field-oriented control, a model of the electric machine, in particular with permanent magnets as field magnets, in rotor coordinates with an axis in the direction of the flux component generated by the field magnets and a perpendicular axis (quadrature axis) based. In the following, the field-oriented control in rotor coordinates is to be understood as the classical field-oriented control. Angle of the rotor position detected by a transmitter or determined otherwise by a sensor serves to transform the relevant variables into the rotor coordinate system, and the current components are regulated in this coordinate system, the components of the stator voltage being the manipulated variables. The reconstruction of the rotor position in a sensorless, based on a determination of the electromotive force method is usually carried out by means of the open integration of the induced stator voltage. In the case of the so-called direct torque control method, the torque is directly controlled assuming a correct stator flux reconstruction by directly influencing the switching of the half-bridges of the inverters.

Bei einem feldorientierten Regelungsverfahren müssen zur Bestimmung des Drehmoments eine Reihe von Parametern der elektrischen Maschine, insbesondere Flüsse und Induktivitäten sowie der Statorwiderstand, exakt bekannt sein, wobei die Parameter in der Regel auch vom Betriebszustand abhängen. Insbesondere Anwendungen in Automobilantrieben werden in einem großen Bereich von Temperaturen, Drehzahlen und Strömen genutzt, so dass die Abhängigkeiten präzise bekannt sein müssen. Diese Anforderungen sind in der Praxis in der Regel nur schwer und mit großem Aufwand zu erfüllen.In a field-oriented control method, a number of parameters of the electrical machine, in particular fluxes and inductances, and the stator resistance, must be known exactly for determining the torque, the parameters generally also depending on the operating state. In particular, applications in automotive drives are used in a wide range of temperatures, speeds and currents, so dependencies must be known precisely. These requirements are usually difficult to meet in practice and with great effort.

Aus dem Dokument EP 1 653 601 A1 geht die Verwendung eines adaptiven Beobachters zur Bestimmung der Rotorlage und der Drehgeschwindigkeit hervor. Durch ein Spannungsmodell und ein Flussmodell werden zwei Werte für den Statorfluss in Rotorkoordinaten berechnet. Geschätzte Werte für die Rotorlage und Drehgeschwindigkeit werden durch einen Regler angepasst, bis die Abweichung der beiden berechneten Statorflüsse verschwindet. Für eine Bestimmung der Rotorlage bei niedrigen Drehzahlen wird der Beobachter um ein Verfahren auf Basis von Signalinjektion erweitert, um den durch den adaptiven Beobachter ermittelten Wert für die Rotorlage zu korrigieren. Nachteilig dabei ist, dass die genauen Parameter der elektrischen Maschine in Rotorkoordinaten benötigt werden, welche eine erhöhte Komplexität bei nicht konstantem Verhalten aufweisen können, wie es bei Traktionsantrieben häufig der Fall ist.From the document EP 1 653 601 A1 shows the use of an adaptive observer to determine the rotor position and the rotational speed. A voltage model and a flow model are used to calculate two values for the stator flux in rotor coordinates. Estimated values for rotor position and rotational speed are adjusted by a controller until the deviation of the two calculated stator fluxes disappears. For rotor position determination at low speeds, the observer is augmented by a signal injection based method to correct the rotor position value determined by the adaptive observer. The disadvantage here is that the exact parameters of the electric machine are needed in rotor coordinates, which can have an increased complexity with non-constant behavior, as is often the case with traction drives.

Im Dokument EP 1 944 860 A1 wird ein injektionsbasiertes Verfahren zur Generierung der Rotorlage aus der Messung eines DC-Stromes, insbesondere mittels eines Umrichters in einer besonderen Topologie, beschrieben. Der für die feldorientierte Regelung benötigte Phasenstrom wird aus der Messung des DC-Stromes und der DC-Spannung berechnet beziehungsweise geschätzt. Kombiniert wird das Injektionsverfahren mit einem adaptiven Beobachter des Statorflusses, welcher auf Basis eines Modells der elektrischen Maschine in Rotorkoordinaten die Rotorlage und Drehgeschwindigkeit bestimmt. Auch bei diesem Verfahren werden die genauen Parameter der elektrischen Maschine in Rotorkoordinaten benötigt.In the document EP 1 944 860 A1 an injection-based method for generating the rotor position from the measurement of a DC current, in particular by means of an inverter in a particular topology is described. The phase current required for the field-oriented control is calculated or estimated from the measurement of the DC current and the DC voltage. The injection method is combined with an adaptive observer of the stator flux, which determines the rotor position and rotational speed on the basis of a model of the electric machine in rotor coordinates. Also in this method, the exact parameters of the electric machine in rotor coordinates are needed.

Das Dokument EP 1 198 059 A2 betrifft ein Injektionsverfahren, welches auf ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis zur Bestimmung der Rotorlage und geringe Geräuschentwicklung ausgelegt ist. Zum Einsatz kommt auch hier eine Regelstruktur in den bereits beschriebenen Rotorkoordinaten wobei die Parameter der elektrischen Maschine bekannt sein müssen.The document EP 1 198 059 A2 relates to an injection method, which is designed for a high signal-to-noise ratio for determining the rotor position and low noise. Here too, a control structure is used in the rotor coordinates already described, whereby the parameters of the electrical machine must be known.

Im Dokument DE 10 2006 042 702 A1 wird ein EMK-basiertes Verfahren beschrieben, bei welchem auf Basis einer Messung der Statorströme und Statorspannungen und einem Modell in Rotorkoordinaten die Rotorlage geschätzt wird. Auch die darauf aufbauende Regelung ist in den üblichen Rotorkoordinaten ausgeführt.In the document DE 10 2006 042 702 A1 An EMF-based method is described in which the rotor position is estimated on the basis of a measurement of the stator currents and stator voltages and a model in rotor coordinates. The regulation based on this is also carried out in the usual rotor coordinates.

Weiterer Stand der Technik geht aus den Dokumenten JP 2008-289316 und KR 2010-036889 A hervor, welche Regelstrukturen und Modellgleichungen in Rotorkoordinaten betreffen.Further prior art is based on the documents JP 2008-289316 and KR 2010-036889 A show which rule structures and model equations in rotor coordinates apply.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfache und/oder robuste und/oder genaue elektromotorische Regelung für eine elektrische Maschine zu schaffen.The object of the present invention is to provide a simple and / or robust and / or precise electromotive control for an electrical machine.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert.This object is achieved by a method for controlling an electric machine having the features according to claim 1 solved. Advantageous developments of the invention are characterized in the dependent claims.

Im erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine, mit einem Rotorteil und einem Statorteil werden als Regelgrößen der Statorfluss und/oder der Statorstrom, insbesondere die drehmomentbildenden Statorstromkomponente, genutzt. Ein Stellen oder eine Ansteuerung der elektrischen Maschine erfolgt durch eine Statorspannung, insbesondere mittels einer Mehrzahl von Phasenspannungen. Erfindungsgemäß werden die Sollwerte und die Istwerte der Regelgrößen in einem Koordinatensystem verglichen, dessen eine Hauptachse in Richtung des Gesamt-Statorflusses, welcher den durch im Rotorteil und/oder im Statorteil angeordneten Magnete der elektrischen Maschine und den durch bestromte von am Statorteil und/oder am Rotorteil angeordneten Wicklungen im Statorteil erzeugten Fluss umfasst, orientiert ist.In the method according to the invention for controlling an electrical machine, in particular a synchronous machine, having a rotor part and a stator part, the stator flux and / or the stator current, in particular the torque-forming stator current component, are used as controlled variables. A position or a control of the electrical machine is effected by a stator voltage, in particular by means of a plurality of phase voltages. According to the invention, the setpoint values and the actual values of the controlled variables are compared in a coordinate system whose one main axis in the direction of the total stator flux, which is the magnets of the electric machine arranged in the rotor part and / or in the stator part and which is energized by on the stator part and / or on Rotor part arranged windings in the stator part generated flow comprises, is oriented.

Die Magnete der elektrischen Maschine sind insbesondere Festkörpermagnete, Permanentmagnete. Bevorzugt ist die elektrische Maschine ein Permanentmagnet-Synchronmotor. Der Gesamt-Statorfluss, die vektorielle Summe der einzelnen Flüsse, wird auch als verketteter Statorfluss bezeichnet. Das Koordinatensystem mit einer Hauptachse in Richtung des Gesamt-Statorflusses wird auch abgekürzt im Zusammenhang dieser Darstellung als Flusskoordinatensystem bezeichnet. Es ist verschieden vom Koordinatensystem in Rotorkoordinaten, welches für eine klassische feldorientierte Regelung Verwendung findet und dessen Hauptachse in Richtung der nur durch die Feldmagnete erzeugten Flusskomponente orientiert ist. Der Fluss ergibt sich aus der Integration der Flussdichte über die Fläche, welche durch die jeweilige Motorwicklung gebildet wird.The magnets of the electric machine are in particular solid-state magnets, permanent magnets. Preferably, the electric machine is a permanent magnet synchronous motor. The total stator flux, the vectorial sum of the individual flows, is also referred to as a concatenated stator flux. The coordinate system with a major axis in the direction of the total stator flux is also abbreviated in the context of this representation referred to as a flux coordinate system. It is different from the coordinate system in rotor coordinates, which is used for a classical field-oriented control and whose main axis is oriented in the direction of the flux component generated only by the field magnets. The flux results from the integration of the flux density over the area which is formed by the respective motor winding.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann bevorzugt geberlos zum Einsatz gelangen. Anders gesagt, es ist keine messtechnische Erfassung der Rotorwinkellage erforderlich. Auf diese Weise kann eine einfache, robuste und genaue elektromotorische Regelung geschaffen werden. Da ein Geber nicht notwendig ist, kann eine vergleichsweise kostengünstige, wenig komplexe und mit geringerer Fehleranfälligkeit behaftete Regelung realisiert werden. Der Produktionsaufwand beziehungsweise der Wartungsaufwand können verringert werden. Insbesondere sind vergleichsweise weniger Bauraum sowie weniger Schnittstellen und Signalleitungen erforderlich.The inventive method can preferably be used without encoder. In other words, no metrological detection of the rotor angle position is required. In this way, a simple, robust and accurate electromotive control can be created. Since a donor is not necessary, a relatively inexpensive, less complex and less prone to error control can be realized. The production costs and maintenance costs can be reduced. In particular, comparatively less installation space and fewer interfaces and signal lines are required.

Die erfindungsgemäße Regelung ermöglicht eine direkte Regelung des Statorflusses sowie der drehmomentbildenden Stromkomponente und somit eine direkte Regelung des Drehmoments, welche im Vergleich zu den üblichen Verfahren nur eine minimale Parameterkenntnis der elektrischen Maschine, insbesondere des Permanentmagnet-Synchronmotors (PMSM), erfordert. In vorteilhafter Konsequenz wird die Regelgüte verbessert, insbesondere die Drehmomentgenauigkeit über einen großen Bereich von Betriebsparametern.The regulation according to the invention makes possible a direct regulation of the stator flux as well as of the torque-forming current component and thus a direct regulation of the torque, which requires only a minimal parameter knowledge of the electric machine, in particular of the permanent magnet synchronous motor (PMSM), in comparison to the usual methods. In an advantageous consequence, the control quality is improved, in particular the torque accuracy over a wide range of operating parameters.

In einer Gruppe von in der Praxis besonders bedeutsamen Ausführungsformen erfolgt die Ansteuerung der elektrischen Maschine unter Einschluss einer Pulsweiten Modulation (PWM). Bei einer Pulsweiten Modulation wird das Schaltverhältnis oder der Tastgrad des in Relation zu den Zeitkonstanten der Motorwicklungen hochfrequenten Spannungswechsels verändert, insbesondere zyklisch variiert.In a group of embodiments which are particularly significant in practice, the control of the electrical machine takes place with the inclusion of pulse width modulation (PWM). In the case of pulse width modulation, the switching ratio or the duty cycle of the high-frequency voltage change in relation to the time constants of the motor windings is changed, in particular cyclically varied.

Im erfindungsgemäßen Verfahren können Darstellungen von Spannungswerten und/oder Stromwerten von einem Statorkoordinatensystem in das Koordinatensystem, dessen eine Hauptachse in Richtung des Gesamt-Statorflusses orientiert ist, oder vom Koordinatensystem, dessen eine Hauptachse in Richtung des Gesamt-Statorflusses orientiert ist, in das Statorkoordinatensystem umgerechnet werden. Bevorzugt werden Spannungswerte zum Stellen oder zur Ansteuerung der elektrischen Maschine und/oder gemessene Stromwerte der elektrischen Maschine im Statorkoordinatensystem dargestellt.In the method according to the invention, representations of voltage values and / or current values from a stator coordinate system into the coordinate system whose one main axis is oriented in the direction of the total stator flux or from the coordinate system whose one main axis is oriented in the direction of the total stator flux can be converted into the stator coordinate system become. Preferably, voltage values for setting or controlling the electrical machine and / or measured current values of the electric machine in the stator coordinate system are shown.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in Gruppen von Ausführungsformen des Weiteren oder alternativ dazu die folgenden Merkmale einzeln oder in Kombination miteinander umfassen: Der Gesamt-Statorfluss kann aus wenigstens einem gemessenen oder berechneten Wert des Statorstromes und/oder aus wenigstens einem berechneten oder gemessenen Wert der Statorspannung berechnet werden. Als Gesamtstatorfluss, Statorstrom und Statorspannung werden vektorielle Größen beschrieben, welche sich aus den Statorflüssen, Strömen beziehungsweise Spannungen der einzelnen Motorwicklungen (Phasen) zusammensetzen. Ein gewünschter Statorfluss und/oder ein gewünschtes Drehmoment der elektrischen Maschine können vorgegeben werden. Der Einfluss der Elektromotorischen Kraft auf die Spannungskomponente in Richtung des Gesamt-Statorflusses und/oder der Einfluss des Spannungsabfalls über den Statorwiderstand auf die Spannungskomponente in Richtung der Drehmoment bildenden Komponente kann kompensiert werden.The method according to the invention may further comprise, in groups of embodiments, or alternatively the following features individually or in combination: The total stator flux may be calculated from at least one measured or calculated value of the stator current and / or at least one calculated or measured value of the stator voltage become. As total stator flux, stator current and stator voltage vectorial variables are described, which are composed of the stator fluxes, currents or voltages of the individual motor windings (phases). A desired stator flux and / or a desired torque of the electric machine can be specified. The influence of the electromotive force on the voltage component in the direction of the total stator flux and / or the influence of the voltage drop across the stator resistance on the voltage component in the direction of the torque-forming component can be compensated.

Alternativ zur Ermittlung des Gesamt-Statorflusses aus Statorstrom und/oder Statorspannung kann auch ein Sensorsystem zur direkten Gesamt-Statorflussmessung, beispielsweise eine oder mehrere Hall-Sonden genutzt werden.As an alternative to determining the total stator flux from the stator current and / or stator voltage, it is also possible to use a sensor system for the direct total stator flux measurement, for example one or more Hall probes.

Im Zusammenhang des erfinderischen Gedankens steht auch eine elektrische Maschine. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist ein Rotorteil, ein Statorteil und eine wenigstens einen Rechner und einen Speicher umfassende Regelungseinrichtung auf. Die elektrische Maschine kann insbesondere einen elektrischen Motor und/oder wenigstens einen Umrichter umfassen. Dabei kann die Regelungseinrichtung auch räumlich von der elektrischen Maschine getrennt sein, das heißt dieser zugeordnet sein, und mit dieser in Wirkverbindung stehen. Im Speicher ist erfindungsgemäß ein mittels des Rechners lesbares Rechenprogramm abgelegt, welches wenigstens einen Abschnitt zur Durchführung eines Verfahrens zur Regelung mit den Merkmalen gemäß dieser Darstellung mittels der Regelungseinrichtung umfasst. In the context of the inventive idea is also an electric machine. The electric machine according to the invention has a rotor part, a stator part and a control device comprising at least one computer and a memory. The electric machine may in particular comprise an electric motor and / or at least one converter. In this case, the control device may also be spatially separated from the electrical machine, that is to be assigned to this, and be in operative connection with this. According to the invention, a computer program which can be read by means of the computer is stored in the memory and comprises at least one section for carrying out a method for controlling the features according to this representation by means of the control device.

Die elektrische Maschine kann insbesondere eine Synchronmaschine sein. Insbesondere kann die elektrische Maschine ein Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) mit einem feststehenden Stator mit einer verteilten Wicklung und einem Rotor mit Permanentmagneten sein. PMSM können Rotoroberflächenmagnete oder vergrabene Magnete aufweisen. Letztere werden auch als Interior Permanentmagnet Synchronous Motors bezeichnet (IPMSM).The electric machine may in particular be a synchronous machine. In particular, the electric machine may be a permanent magnet synchronous motor (PMSM) having a fixed stator with a distributed winding and a rotor with permanent magnets. PMSMs may include rotor surface magnets or buried magnets. The latter are also referred to as Interior Permanent Magnet Synchronous Motors (IPMSM).

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische Maschine geberlos. In vorteilhafter Weise ist die Erfassung von Winkelpositionsdaten bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht erforderlich. In diesem Zusammenhang werden elektrische Maschinen im Stillstand oder niedrigen Drehzahlbereich mit Injektionsströmen oder Injektionsspannungen betrieben, um die Lage des Rotors oder zweckmäßigerweise die Lage des Gesamt-Statorflusses zu bestimmen.In a particularly preferred embodiment, the electric machine is encoderless. Advantageously, the detection of angular position data in carrying out the method according to the invention is not required. In this context, electric machines are operated at standstill or low speed range with injection currents or injection voltages to determine the position of the rotor or conveniently the location of the total stator flux.

Bevorzugte Anwendung finden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschinen für schienenlose Landfahrzeuge, insbesondere Personenfahrzeuge oder Nutzfahrzeuge, bevorzugt Radfahrzeuge. Zu diesem Zweck sind derartige Ausführungsformen von erfindungsgemäßen elektrischen Maschinen im schienenlosen Landfahrzeug angeordnet und als Hauptantrieb des schienenlosen Landfahrzeuges ausgelegt.Embodiments of the electric machines according to the invention for trackless land vehicles, in particular passenger vehicles or commercial vehicles, preferably wheeled vehicles, are preferred. For this purpose, such embodiments of electric machines according to the invention are arranged in the trackless land vehicle and designed as the main drive of the trackless land vehicle.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Es zeigt im Einzelnen:Further advantages and advantageous embodiments and developments of the invention will be described with reference to the following description with reference to the figures. It shows in detail:

1 eine Ausführungsform einer Regelungsstruktur für eine direkte Statorflussregelung 1 an embodiment of a control structure for a direct Statorflussregelung

2 eine Ausführungsform einer Regelungsstruktur für eine indirekte Statorflussregelung, 2 an embodiment of a control structure for an indirect stator flux control,

3 eine Ausführungsform einer Regelungsstruktur für eine Regelung der drehmomentbildenden Statorstromkomponente, und 3 an embodiment of a control structure for controlling the torque-forming Statorstromkomponente, and

4 eine Gesamtstruktur einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Regelung in Flusskoordinaten. 4 an overall structure of a preferred embodiment of a control according to the invention in flow coordinates.

Bevor im Detail auf die bevorzugten vorteilhaften Ausführungsformen eingegangen wird, seien einige Vorzüge des Flusskoordinatensystems im Vergleich zum Statorkoordinatensystem erläutert. Im Folgenden werden die Komponenten des kartesischen Statorkoordinatorsystems mit den Indices α und β bezeichnet. Demgegenüber zeichnet sich das kartesische Flusskoordinatensystem mit den Indices p und t dadurch aus, dass die Hauptachse p in Richtung der Gesamt-Statorflusses orientiert ist. Durch diese Wahl des Koordinatensystems sind die Statorspannungsgleichungen wesentlich vereinfacht up = Rip + d/dtψ ut = Rit + ψωψ, wobei u die Spannung, i den Strom, R den Wicklungswiderstand, ψ den Betrag des Gesamt-Statorflusses und ωψ die Winkelgeschwindigkeit des Gesamt-Statorflusses bezeichnen ψωψ stellt die elektromotorische Kraft, die EMK, des Motors dar. up wird auch als Spannungskomponente in Flussrichtung (flussbildende Komponente) und als ut als Spannungskomponente senkrecht zur Flussrichtung (drehmomentbildende Komponente) bezeichnet. Für das innere Drehmoment T einer elektrischen Maschine vom Typ IPMSM gilt als Funktion der Statorgrößen: T = 3/2pψit, wobei p die Anzahl der Pole bezeichnet.Before discussing the preferred advantageous embodiments in detail, some advantages of the flux coordinate system compared to the stator coordinate system will be explained. In the following, the components of the Cartesian stator coordinator system are denoted by the indices α and β. In contrast, the Cartesian flux coordinate system with the indices p and t is characterized in that the main axis p is oriented in the direction of the total stator flux. By this choice of the coordinate system, the stator voltage equations are considerably simplified u p = Ri p + d / dtψ u t = R i t + ψω ψ , where u is the voltage, i the current, R the winding resistance, ψ the magnitude of the total stator flux and ω ψ the angular velocity of the total stator flux ψω ψ represents the electromotive force, the emf, of the motor. u p is also called the stress component in the flow direction (flow-forming component) and as u t as a voltage component perpendicular to the flow direction (torque-forming component). For the internal torque T of an IPMSM electrical machine, the following applies as a function of the stator sizes: T = 3 / 2pψi t , where p denotes the number of poles.

Die 1 zeigt eine Ausführungsform einer Regelungsstruktur für eine direkte Statorflussregelung. Für die Fälle, dass der Spannungsabfall über dem Statorwiderstand vernachlässigbar ist oder kompensiert werden kann, folgt aus den Statorspannungsgleichungen als Übertragungsfunktion der Regelstrecke ein einfaches I-Glied mit Beiwert 1, so dass G(s) = 1/s gilt. Der Regel kann daher unabhängig von den Parametern der elektrischen Maschine ausgelegt werden. In der 1 ist dargestellt, dass eine direkte Statorflussregelung für einen gewünschten Wert ψ*s einen Vergleichspunkt mit dem Ist-Wert ψs und eine Kompensation für den Spannungsabfall Rip umfasst. Zur Beaufschlagung wird die p-Komponente der Statorspannung herangezogen.The 1 shows an embodiment of a control structure for a direct Statorflussregelung. For the cases where the voltage drop across the stator resistance is negligible or can be compensated, a simple I-element with coefficient 1 follows from the stator voltage equations as transfer function of the controlled system, so that G (s) = 1 / s. The rule can therefore be designed independently of the parameters of the electrical machine. In the 1 It is shown that a direct stator flux control for a desired value ψ * s comprises a comparison point with the actual value ψ s and a compensation for the voltage drop Ri p . For loading the p-component of the stator voltage is used.

Die 2 ist die Darstellung einer Ausführungsform einer Regelungsstruktur für eine indirekte Statorflussregelung, welche alternativ zur Regelungsstruktur der 1 zu sehen ist. Aufgrund der Rotorgeometrie und unter Berücksichtigung von Sättigungseffekten ist der Statorfluss eine Funktion der Statorstromkomponenten ip und it. Je nach Ausführungsform des Elektromotors kann für die zeitliche Ableitung des Statorflusses gelten, dass diese vom Term der zeitlichen Ableitung der Komponente in Richtung der p-Koordinate dominiert wird: d/dtψ ≈ Lpd/dtip, wobei Lp in der Regel nicht konstant ist, so dass der Regler robust oder adaptiv ausgelegt werden muss. Nach Einsetzen des dominierenden Terms in die Statorflussgleichung für die flussbildende Komponente folgt für die Übertragungsfunktion der Regelstrecke: G(s) = (1/R)/(sL/R + 1). The 2 FIG. 4 is an illustration of one embodiment of a control structure for indirect stator flux control which is alternative to Regulatory structure of 1 you can see. Due to the rotor geometry and taking into account saturation effects, the stator flux is a function of the stator current components i p and i t . Depending on the embodiment of the electric motor, it may be true for the time derivative of the stator flux that it is dominated by the term of the time derivative of the component in the direction of the p coordinate: d / p L dtψ ≈ d / dt i p, where L p is usually not constant, so that the controller must be designed robust or adaptive. After inserting the dominant term in the Statorflussgleichung for the flow-forming component follows for the transfer function of the controlled system: G (s) = (1 / R) / (sL / R + 1).

Im Gegensatz zur in der 1 gezeigten direkten Statorflussregelung ist die Reglerauslegung dieser Ausführungsform von den Parametern der elektrischen Maschine abhängig. Bei der in der 2 gezeigten Regelung des Statorflusses handelt es sich um eines kaskadierte Regelungsstruktur. In einem inneren Regelkreis wird die flussbildende p-Komponente des Statorstroms ip ausgelegt. Diesem überlagert ist ein äußerer Regelkreis für den Statorfluss ψs, wobei ψ*s den gewünschten Statorflusswert (Soll-Wert) und i*p den daraus abgeleiteten gewünschten Statorstromwert (Soll-Wert) bezeichnen.Unlike in the 1 As shown in the direct stator flux control shown, the controller design of this embodiment depends on the parameters of the electric machine. When in the 2 The regulation of the stator flux shown is a cascaded control structure. In an inner control loop, the flux-forming p-component of the stator current i p is designed. Superimposed on this is an external control loop for the stator flux ψ s , where ψ * s designates the desired stator flux value (setpoint value) and i * p the desired stator current value (setpoint value) derived therefrom.

Die 3 bezieht sich schematisch auf eine Ausführungsform einer Regelungsstruktur für eine Regelung der drehmomentbildenden Statorstromkomponente it. Für die Fälle, dass der Einfluss der EMK ψωψ kompensiert wird, folgt als Übertragungsfunktion für die Regelstrecke ein einfaches P-Glied: G(s) = 1/R. Damit ist unter der Voraussetzung einer robusten Reglerauslegung der Regler nur von einem Parameter der elektrischen Maschine, dem Statorwiderstand R, abhängig. In der 3 ist dargestellt, dass eine direkte Stromkomponentenregelung für einen gewünschten Wert i*t einen Vergleichspunkt mit dem Ist-Wert it und eine Kompensation für den Einfluss der EMK ψωψ umfasst. Zur Beaufschlagung wird die t-Komponente der Statorspannung herangezogen.The 3 refers schematically to an embodiment of a control structure for controlling the torque-forming stator current i t . For the cases that the influence of the EMF ψω ψ is compensated, follows as a transfer function for the controlled system a simple P-term: G (s) = 1 / R. Thus, assuming a robust controller design, the controller is only dependent on one parameter of the electrical machine, the stator resistance R. In the 3 It is shown that a direct current component control for a desired value i * t comprises a comparison point with the actual value i t and a compensation for the influence of the emf ψω ψ . For loading the t-component of the stator voltage is used.

Den in den 1 bis 3 gezeigten Strukturen der bevorzugten Ausführungsformen ist gemeinsam, dass die Regeldifferenz den Eingang des Reglers bildet. Alternativ dazu kann auch eine Struktur zum Einsatz gelangen, in welcher der Regler in der Rückführung der Regelgröße angeordnet ist und an einem Subtraktionspunkt die verarbeitete Regelgröße mit dem in einer Vorsteuerung S bearbeiteten Eingang verbunden wird. Darüber hinaus kann auch die mit dem Führungsübertragungsverhalten T verarbeitete Eingangsgröße dem Reglereingang an einem weiteren Subtraktionspunkt beaufschlagt werden.The in the 1 to 3 shown structures of the preferred embodiments have in common that the control difference forms the input of the regulator. Alternatively, a structure can be used in which the controller is arranged in the feedback of the controlled variable and at a subtraction point, the processed controlled variable is connected to the processed in a feedforward control S input. In addition, the input variable processed with the guide transmission behavior T can also be applied to the regulator input at a further subtraction point.

In der 4 ist eine Gesamtstruktur einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Regelung in Flusskoordinaten für eine elektrische Maschine I/PMSM mit Phasen a, b und c gezeigt. Die I/PMSM wird über mit einer Spannung UDC versorgte Wechselrichter mit Leistungselektronik, die Steuerungsimpulse Sabc erhalten, angesteuert, wobei auch eine Pulsweitenmodulation PWM aufgeschaltet ist.In the 4 FIG. 3 shows an overall structure of a preferred embodiment of a regulation according to the invention in flow coordinates for an electric machine I / PMSM with phases a, b and c. The I / PMSM is driven by power inverters supplied with a voltage U DC , which receive control pulses S abc , whereby a pulse width modulation PWM is also applied.

Eine Wunschvorgabe (auch als Sollwertvorgabe zu bezeichnen) erfolgt für den Gesamtstatorfluss ψ*s und für das Drehmoment T*. Geregelt werden sowohl der Gesamtstatorfluss als auch die drehmomentbildende Komponenten des Statorstromes gemäß den weiter oben dargestellten Prinzipien der in den 1 und 3 gezeigten Strukturen. Aus den Vorgaben ψ*s und T* wird der Sollwert i*t für die drehmomentbildende Statorstromkomponente it bestimmt, wobei in dieser Ausführungsform der Regelung zusätzlich eine Strombegrenzung vorgesehen ist. Aus den Ist-Werten der Phasenströme ia, ib und ic werden die Stromkomponenten iα und iβ im Statorkoordinatensystem bestimmt. Unter Verwendung der ansteuernden Statorspannung (im Statorkoordinatensystem) wird aus diesen Ist-Werten der aktuelle Statorfluss ψs durch offene Integration errechnet, wobei auch der aktuelle Winkel εψ bestimmt wird. Des Weiteren werden aus den Stromkomponenten iα und iβ im Statorkoordinatensystem mittels einer Koordinatentransformation (α, β) → (p, t) unter dem Winkel εψ die Stromkomponenten pi und it im Flusskoordinatensystem errechnet.A desired specification (also referred to as setpoint specification) is made for the total stator flux ψ * s and for the torque T *. Both the total stator flux and the torque-forming components of the stator current are regulated in accordance with the principles described above in FIGS 1 and 3 shown structures. From the specifications ψ * s and T *, the setpoint i * t for the torque-forming stator current component i t is determined, wherein in this embodiment of the control additionally a current limit is provided. From the actual values of the phase currents i a , i b and i c , the current components i α and i β are determined in the stator coordinate system. Using the actuating stator voltage (in the stator coordinate system), the actual stator flux ψ s is calculated from these actual values by open integration, wherein the current angle ε ψ is also determined. Furthermore, the current components p i and i t in the flux coordinate system are calculated from the current components i α and i β in the stator coordinate system by means of a coordinate transformation (α, β) → (p, t) at the angle ε ψ .

Gemäß dem bereits in der 1 dargestellten Prinzips ist eine direkte Flussregelung realisiert. Es wird die Differenz der Vorgabe ψ*s mit dem aktuellen Wert ψs gebildet. Im Inneren des Regelkreis erfolgt kompensierend die Aufschaltung des aktuellen Spannungsabfalls Δup = Rip. Gemäß dem bereits in der 3 dargestellten Prinzips ist eine Regelung der drehmomentbildenden Statorstromkomponente realisiert. Es wird die Differenz des Sollwerts i*t mit dem aktuellen Wert it bestimmt. Im Inneren dieses Regelkreises erfolgt zur Kompensation des Einflusses der aktuellen EMK die Aufschaltung des aktuellen Spannungsabfalls Δut = ψωψ.According to the already in the 1 illustrated principle, a direct flow control is realized. The difference between the specification ψ * s and the current value ψ s is calculated. In the interior of the control loop, the connection of the current voltage drop Δu p = Ri p occurs compensatingly. According to the already in the 3 illustrated principle, a control of the torque-forming Statorstromkomponente is realized. The difference between the setpoint value i * t and the current value i t is determined. Inside this control loop, the current voltage drop Δu t = ψω ψ is applied to compensate for the influence of the current EMF.

Der erhaltene Sollwert für up wird gemeinsam mit dem erhaltenen Sollwert für ut mittels einer Koordinatentransformation (p, t) → (α, β) in das Statorkoordinatensystem, in welchem die Ansteuerung der IPMSM erfolgt, umgerechnet, wofür der aktuelle Winkel εψ notwendig ist. Optional ist dabei in der gezeigten Ausführungsform noch vorgesehen, dass ein Winkelvorhalt Δεψ beaufschlagt werden kann.The obtained setpoint value for u p is converted together with the obtained setpoint value for u t by means of a coordinate transformation (p, t) → (α, β) into the stator coordinate system, in which the control of the IPMSM takes place, for which the current angle ε ψ becomes necessary is. Optionally, it is also provided in the illustrated embodiment that an angular reserve Δε ψ can be applied.

Auf diese Weise ist eine erfindungsgemäße Regelung im Koordinatensystem des Gesamt-Statorflusses realisiert. In this way, a control according to the invention in the coordinate system of the total stator flux is realized.

Der Einsatz eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regelung in Flusskoordinaten kann beispielsweise durch den folgenden Test, welcher den vorteilhaft geringen Applikationsaufwand des erfindungsgemäßen Verfahrens nutzt, für den Fachmann unmittelbar und eindeutig festgestellt werden: Aufgrund der weiten Parameterunabhängigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders hinsichtlich der Drehmomentgenauigkeit kann bei einem zu prüfenden Umrichter der applizierte Elektromotor durch einen anderen ausgetauscht werden, der einen ähnlichen Wicklungswiderstand hat, sich aber in den magnetischen Eigenschaften, insbesondere der Induktivität und der permanenten Magnetisierung, in der Form unterscheidet, dass das Einregeln eines gewünschten Drehmomentes bei einer klassischen feldorientierten Regelung zu einer ausreichend detektierbaren Drehmomentungenauigkeit führen würde. Bei der Verwendung einer erfindungsgemäßen Regelung wird auch beim ausgetauschten Motor eine hohe Drehmomentgenauigkeit erzielt. Eine bleibend hohe Regelstabilität des Statorflusses ist ein starker Hinweis auf das erfindungsgemäße Verfahren. Mit Bezug auf ein klassisches Direct Torque Control Verfahren ist das Unterscheidungsmerkmal insbesondere eine feste Frequenz der Pulsweiten Modulation. Mit Bezug auf eine geberlose Regelung in Rotorkoordinaten sind als Unterscheidungsmerkmale die vergleichsweise kurze Rechenzeit und der geringe Speicherbedarf zu nennen.The use of a method according to the invention for regulating in flux coordinates can be determined directly and unambiguously by the person skilled in the art, for example, by the following test, which is particularly advantageous in terms of torque accuracy the applied electric motor can be replaced by another having a similar winding resistance, but in the magnetic properties, in particular the inductance and the permanent magnetization, differs in the form that adjusting a desired torque in a conventional field-oriented control to a sufficiently detectable torque inaccuracy would result. When using a control according to the invention a high torque accuracy is achieved even when replaced motor. A consistently high control stability of the stator flux is a strong indication of the method according to the invention. With reference to a classical direct torque control method, the distinguishing feature is in particular a fixed frequency of the pulse width modulation. With reference to encoderless control in rotor coordinates, the distinguishing features are the comparatively short computing time and the low memory requirement.

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Claims (10)

Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine mit einem Rotorteil und einem Statorteil, in welchem als Regelgrößen der Statorfluss und/oder der Statorstrom genutzt werden und ein Stellen der elektrischen Maschine durch eine Statorspannung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwerte und die Istwerte der Regelgrößen in einem Koordinatensystem verglichen werden, dessen eine Hauptachse in Richtung des Gesamt-Statorflusses, welcher den durch im Rotorteil und/oder im Statorteil angeordneten Magnete der elektrischen Maschine und den durch bestromte von am Statorteil und/oder am Rotorteil angeordneten Wicklungen im Statorteil erzeugten Fluss umfasst, orientiert ist.Method for controlling an electrical machine having a rotor part and a stator part, in which the stator flux and / or the stator current are used as controlled variables and the electrical machine is set by a stator voltage, characterized in that the setpoint values and the actual values of the controlled variables are in one Coordinate system to be compared, whose one major axis in the direction of the total stator flux, which comprises the arranged in the rotor part and / or stator in the stator of the electric machine and the flow generated by energized arranged on the stator and / or on the rotor part windings in the stator part oriented is. Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der elektrischen Maschine unter Einschluss einer Pulsweiten Modulation erfolgt.Method for controlling an electrical machine according to claim 1, characterized in that the control of the electric machine is carried out including a pulse width modulation. Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Darstellungen von Spannungswerten und/oder Stromwerten von einem Statorkoordinatensystem in das Koordinatensystem, dessen eine Hauptachse in Richtung des Gesamt-Statorflusses orientiert ist, oder vom Koordinatensystem, dessen eine Hauptachse in Richtung des Gesamt-Statorflusses orientiert ist, in das Statorkoordinatensystem umgerechnet werden.Method for controlling an electrical machine according to claim 1 or 2, characterized in that representations of voltage values and / or current values from a stator coordinate system in the coordinate system, whose one major axis is oriented in the direction of the total stator flux, or by the coordinate system, one major axis in Direction of the total stator flux is oriented, are converted into the stator coordinate system. Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Spannungswerte zum Stellen der elektrischen Maschine und/oder gemessene Stromwerte der elektrischen Maschine im Statorkoordinatensystem dargestellt werden.Method for controlling an electrical machine according to claim 3, characterized in that voltage values for setting the electrical machine and / or measured current values of the electric machine are represented in the stator coordinate system. Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamt-Statorfluss aus wenigstens einem gemessenen oder berechneten Wert des Statorstromes und/oder wenigstens einem berechneten oder gemessenen Wert der Statorspannung berechnet wird.Method for controlling an electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the total stator flux is calculated from at least one measured or calculated value of the stator current and / or at least one calculated or measured value of the stator voltage. Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein gewünschter Statorfluss und/oder ein gewünschtes Drehmoment der elektrischen Maschine vorgegeben werden.Method for controlling an electric machine according to one of the preceding claims, characterized in that a desired stator flux and / or a desired torque of the electric machine are specified. Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfluss der Elektromotorischen Kraft auf die Spannungskomponente in Richtung des Gesamt-Statorflusses und/oder der Einfluss des Spannungsabfalls über den Statorwiderstand auf die Spannungskomponente in Richtung der Drehmoment bildenden Komponente kompensiert werden.Method for controlling an electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the influence of the electromotive force on the voltage component in the direction of the total stator flux and / or the influence of the voltage drop across the stator resistance compensates for the voltage component in the direction of the torque-forming component become. Elektrische Maschine mit einem Rotorteil, einem Statorteil und einer wenigstens einen Rechner und einen Speicher umfassender Regelungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass im Speicher ein mittels des Rechners lesbares Rechenprogramm abgelegt ist, welches wenigstens einen Abschnitt zur Durchführung eines Verfahrens zur Regelung mit den Merkmalen gemäß einem der vorstehenden Ansprüche mittels der Regelungseinrichtung umfasst.Electrical machine having a rotor part, a stator part and a control device comprising at least one computer and a memory, characterized in that a computer program readable by the computer is stored in the memory, which at least one section for carrying out a method for controlling with the features according to one of the preceding claims by means of the control device comprises. Elektrische Maschine gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine geberlos ist.Electrical machine according to claim 8, characterized in that the electric machine is encoderless. Elektrische Maschine gemäß Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch die Anordnung der elektrischen Maschine in einem schienenlosen Landfahrzeug und Auslegung der elektrischen Maschine als Hauptantrieb des schienenlosen Landfahrzeuges.Electrical machine according to claim 8 or 9, characterized by the arrangement of the electric machine in a railless land vehicle and interpretation of the electric machine as the main drive of the railless land vehicle.
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