DE102011075980A1

DE102011075980A1 - Verfahren und Systeme für die Induktionsmotor-Steuerung

Info

Publication number: DE102011075980A1
Application number: DE102011075980A
Authority: DE
Inventors: Mengwei Campbell; Bon Ho Bae; Milun Perisic; Yo Chan Son
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-05-21
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2012-03-01
Also published as: US8339082B2; US20110285342A1; CN102255599A; CN102255599B

Abstract

Es wird ein Verfahren geliefert, um einen Induktionsmotor zu steuern, welcher einen Rotor besitzt. Das Verfahren beinhaltet: Empfangen eines Drehmomentbefehls, Vergleichen des Drehmomentbefehls mit einem Drehmomentschwellwert; Erzeugen mit einem ersten Schätzmodul, eines ersten geschätzten Rotorwiderstandes, wenn der Drehmomentbefehl kleiner oder gleich dem Drehmomentschwellwert ist; Erzeugen, mit einem zweiten Schätzmodul, eines zweiten geschätzten Rotorwiderstandes, wenn der Drehmomentbefehl größer als der Drehmomentschwellwert ist; und Erzeugen von Steuersignalen für den Induktionsmotor, basierend auf dem ersten geschätzten Rotorwiderstand oder dem zweiten geschätzten Rotorwiderstand.

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf den Bereich von Induktionsmaschinen und spezieller ausgedrückt, auf Verfahren und Systeme, um Induktionsmotore zu steuern
HINTERGRUND
Indirekte Feldorientierte Steuerung (IFOC) wird weit verbreitet für Induktionsmaschinen benutzt, wobei Induktionsmotore von Fahrzeugen beinhaltet sind. Zum Beispiel wird IFOC in einigen Fahrzeugen für die Dreiphaseninduktionsmotorsteuerung für Traktionsanwendungen benutzt. IFOC kann ein wertvolles Werkzeug sein. Zum Beispiel, wenn bestimmte Parameter bekannt sind, reduziert IFOC die komplexe Dynamik des Induktionsmotors auf die Dynamik eines getrennt angelegten Gleichstrommotors. Diese Vorgehensweise gestattet, dass der Fluss und das Drehmoment des Induktionsmotors unabhängig gesteuert werden.
Jedoch wenn die Parameter, welche im IFOC benutzt werden, nicht identisch zu den aktuellen Parametern in der Induktionsmaschine sind, kann der gewünschte Maschinenflusspegel nicht richtig aufrechterhalten werden. Zusätzlich, da das gewünschte Drehmoment basierend auf den aktuellen Parametern geschätzt wird, kann auch die Drehmomentlinearität verloren werden. Zum Beispiel kann es schwierig sein, das Entkoppeln zwischen dem Fluss und dem Drehmoment richtig aufrecht zu erhalten, wenn geringere als ideale Rotorwiderstandswerte in der Berechnung benutzt werden. Demnach können Rotorwiderstandswerte, welche Funktionen der Rotortemperatur sind, einen signifikanten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der IFOC haben. Die Genauigkeit, das Ansprechen und der Wirkungsgrad des Drehmoments kann ähnlich durch die Genauigkeit der Werte des Rotorwiderstandes beeinflusst werden, welche in den Berechnungen benutzt werden.
Entsprechend ist es wünschenswert, bessere Verfahren und Systeme für das Steuern eines Induktionsmotors zu liefern, welche verbesserte Schätzungen des Rotorwiderstandes liefern. Außerdem werden andere wünschenswerte Merkmale und Charakteristika der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den angehängten Ansprüchen ersichtlich, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und dem vorausgegangenen technischen Feld und Hintergrund gegeben werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform wird ein Verfahren zum Steuern eines Induktionsmotors, welcher einen Rotor besitzt, geliefert. Das Verfahren beinhaltet: Empfangen eines Drehmomentbefehls, Vergleichen des Drehmomentbefehls mit einem Schwellwertdrehmomentwert; Erzeugen eines ersten geschätzten Rotorwiderstandes mit einem ersten Schätzmodul, wenn der Drehmomentbefehl geringer oder gleich dem Schwellwertdrehmomentwert ist; Erzeugen eines zweiten geschätzten Rotorwiderstandes mit einem zweiten Schätzmodul, wenn der Drehmomentbefehl größer als der Schwellwertdrehmomentwert ist; und Erzeugen von Steuersignalen für den Induktionsmotor, basierend auf dem ersten geschätzten Rotorwiderstand oder dem zweiten geschätzten Rotorwiderstand.
Entsprechend einer anderen beispielhaften Ausführungsform wird ein System zum Steuern eines Induktionsmotors, welcher einen Rotor besitzt geliefert. Das System beinhaltet ein Übergangsmodul, welches so konfiguriert ist, um eine Rotorgeschwindigkeit des Rotors und einen Drehmomentbefehl zu empfangen; ein erstes Schätzmodul, welches an das Übergangsmodul gekoppelt ist und so konfiguriert ist, um eine erste Widerstandsschätzung zu erzeugen; ein zweites Schätzmodul, welches an das Übergangsmodul gekoppelt ist und so konfiguriert ist, um eine zweite Widerstandsschätzung zu erzeugen; und ein Steuermodul, welches an das erste Schätzmodul und das zweite Schätzmodul gekoppelt ist und so konfiguriert ist, um Steuersignale für den Induktionsmotor zu erzeugen, basierend auf der ersten Widerstandsabschätzung oder der zweiten Widerstandsabschätzung als eine Funktion für den Drehmomentbefehl.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird hier nachfolgend in Verbindung mit den folgenden gezeigten Figuren beschrieben, wobei ähnliche Ziffern, ähnliche Elemente bezeichnen und worin:
1 ein Funktionsblockdiagramm eines Induktionsmotorsystems ist, entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform;
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens für das Betreiben eines Steuergliedes des Induktionsmotorsystems der 1 ist, entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform;
3 ein Funktionsblockdiagramm ist, welches den Betrieb eines Thermischen Modell-Schätz-Moduls darstellt, um die Rotortemperatur in dem Steuerglied der 1 abzuschätzen, entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform;
4 ein Funktionsblockdiagramm ist, welches den Betrieb eines Rotorwiderstands-Schätz-Moduls darstellt, um die Rotortemperatur in dem Steuerglied der 1 abzuschätzen, entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform;
5 ist ein Funktionsblockdiagramm, welches den Betrieb eines IFOC-Moduls des Steuergliedes der 1 darstellt, entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform; und
6–8 sind Graphen, welche graphische Ergebnisse zeigen, welche zu instrumentierten Tests gehören, welche ausgeführt wurden, wobei einige der beispielhaften Ausführungsformen für das Schätzen von Rotortemperaturen und das Steuern von Induktionsmotoren benutzt wurden, wobei das System der 1 unter verschiedenen Zuständen benutzt wurde.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende detaillierte Beschreibung ist nur beispielhaft in ihrer Art und es ist nicht beabsichtigt, die Erfindung oder die Anwendung und das Benutzen der Erfindung zu begrenzen. Außerdem besteht keine Absicht, durch irgendeine Theorie, welche in dem vorausgegangenen Hintergrund oder der folgenden detaillierten Beschreibung dargeboten wird, gebunden zu sein.
In breitem Maße liefern die beispielhaften Ausführungsformen, welche hier veröffentlicht sind, eine verbesserte Steuerung eines Induktionsmotors. Speziell ausgedrückt, die beispielhaften Systeme und Verfahren liefern eine verbesserte Schätzung der Rotortemperatur, welches umgekehrt eine verbesserte Schätzung des Rotorwiderstandes liefert. Die Rotortemperaturen können zum Beispiel durch thermische Modelle erzeugt werden, wobei der geschätzte Rotorstrom und die Temperatur des Kühlmittels oder Stators benutzt werden, um genauere Schätzungen zu liefern, speziell bei niedrigen Drehmomentzuständen. Der geschätzte Rotorwiderstand wird dann als ein Eingangssignal für ein IFOC-Modul benutzt, um einen verbesserten Betrieb des Induktionsmotors zu liefern.
1 ist ein Funktionsblockdiagramm eines Induktionsmotorsystems 100, entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das System 100 in einem Hybrid-Elektrischen Fahrzeug (HEV) implementiert und beinhaltet: einen Induktionsmotor 110, eine Wechselrichteranordnung 120, eine Leistungsquelle 130, ein Kühlsystem 140, einen oder mehrere Sensoren 150 und ein Steuerglied 160. Wie im größerem Detail nachfolgend beschrieben wird, empfängt während des Betriebes das System 100 einen Drehmomentbefehl (T*), basierend auf, zum Beispiel von Eingaben eines Fahrers. Das Steuerglied 160 empfängt den Drehmomentbefehl (T*) und erzeugt Referenzspannungen (V_a, V_b, V_c), welche die Wechselrichtanordnung 120 steuern, um den Induktionsmotor 110 zu treiben. Der Induktionsmotor 110 erzeugt ein Drehmoment auf einer Antriebswelle (nicht gezeigt) des HEV. Eine detailliertere Beschreibung des Systems 100 wird nun geliefert.
Der Induktionsmotor 110 kann ein Vielphasenwechselstrom-(AC)-Motor sein, welcher im Allgemeinen einen Rotor 112 und einen Stator 114 mit Wicklungen oder Spulen beinhaltet, welche so gruppiert sein können, um den Betriebsphasen zu entsprechen. Die Wechselrichteranordnung 120 treibt den Betrieb des Induktionsmotors 110 und beinhaltet im Allgemeinen einen oder mehrere Wechselrichter, wobei jeder Schalter antiparallele Dioden beinhaltet. In verschiedenen Ausführungsformen sind die Schalter mit isolierten Gate-Bipolar-Transistoren (IGBTs), Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistoren (MOSFETs) und/oder Ähnlichem implementiert. Die Wicklungen des Stators 114 sind elektrisch zwischen den Schaltern der Wechselrichteranordnung 120 gekoppelt, um Strom zu empfangen und das Drehmoment in dem Induktionsmotor 110 zu erzeugen. In einer beispielhaften Ausführungsform liefert die Wechselrichteranordnung 120 Phasenwechselströme (i_a, i_b, i_c), um drei Phasen des Induktionsmotors 110 bei variierenden Geschwindigkeiten zu treiben, basierend auf der Eingangsspannung (V_DC) der Leistungsquelle 130 und auf Steuersignalen von dem Steuerglied 160.
Ein Kühlsystem 140 mit einem Kühlmittel, wie zum Beispiel Motoröl, umgibt und kühlt den Induktionsmotor 110 während des Betriebes. Die Sensoren 150 können einen geeigneten Typ eines Sensors beinhalten, um Information innerhalb des Systems 100 für das Steuerglied zu sammeln. Zum Beispiel können die Sensoren 150 die Kühlmitteltemperaturen (T_COOLANT bzw. T_KÜHLMITTEL), die Rotorpositionen (θ_r), die Rotorgeschwindigkeiten (ω_r), und andere Parameter, welche als Eingangssignale für die Module des Steuergliedes 160 benutzt werden, bestimmen oder in anderer Weise ableiten.
Wie oben aufgeführt, liefert das Steuerglied 160 Steuersignale an die Wechselrichteranordnung 120, basierend auf den Drehmomentbefehlen (T*). In einer beispielhaften Ausführungsform beinhaltet das Steuerglied 160 ein Übergangsmodul 162, ein Indirektes Feldorientiertes Steuerglied-(IFOC)-Modul 164, ein Thermisches Modell-Schätz-Modul 166, um die Rotortemperatur abzuschätzen und ein Rotorwiderstands-Schätzmodul 168, um die Rotortemperatur abzuschätzen. Die Struktur und Funktion des Steuergliedes 160 wird in größeren Details mit weiterem Bezug auf 2–5 beschrieben.
2 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200, um das Steuerglied 160 des Systems 100 der 1 entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform zu betreiben. In der nachfolgenden Beschreibung wird zusätzlich auf 1 Bezug genommen. Im Schritt 205 empfängt das Steuerglied 160 die Position (θ_r) des Rotors 112, und im Schritt 210 empfängt das Steuerglied 160 die Geschwindigkeit (ω_r) des Rotors 112. Die Rotorposition (θ_r) und die Rotorgeschwindigkeit (ω_r), können zum Beispiel durch die Sensoren 150 geliefert werden.
Im Schritt 215 empfängt das Steuerglied 160 den Drehmomentbefehl (T*) von zum Beispiel dem Treiber. Speziell kann der Drehmomentbefehl (T*) durch das Übergangsmodul 162 des Steuergliedes 160 empfangen werden. In Antwort darauf kann das Übergangsmodul 162 Statorstrombefehle (i*_ds, i*_qs) erzeugen, welche dem Drehmomentbefehl (T*) entsprechen, wie im Schritt 220 angezeigt wird.
Im Schritt 225 evaluiert ferner das Übergangsmodul 162 den Drehmomentzustand. Wenn der Drehmomentbefehl (T*) kleiner als oder gleich einem Drehmomentschwellwert ist, benutzt das Steuerglied 160 das Thermische Modell-Schätzmodul 166, wie dies im Schritt 230 angezeigt wird. Wenn jedoch der Drehmomentbefehl (T*) größer als der Schwellwertdrehmomentwert ist, benutzt das Steuerglied 160 das Rotor-Widerstands-Schätzmodul 168, wie dies im Schritt 235 angezeigt wird. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Schwelldrehmomentbefehl, welcher im Schritt 225 benutzt wird, zum Beispiel 5 Nm sein, obwohl beliebige geeignete Schwellwertwerte benutzt werden können. In einer anderen Ausführungsform ist der Schwellwertdrehmomentbefehl 3 Nm. Das Thermische Modell-Schätzmodul des Schrittes 230 und die Rotorwiderstandsschätzung des Schrittes 235 werden im größeren Detail nachfolgend diskutiert. Nach den Schätzungen des Schrittes 230 oder des Schrittes 235, berechnet das IFOC-Modul 164 die Referenzspannungen (V_a, V_b, V_c) im Schritt 240, welche notwendig sind, die Wechselrichteranordnung 120 zu treiben und erzeugen das Drehmoment an dem Induktionsmotor 110. Das Verfahren 200 kehrt in der Schleife zum Schritt 205 zurück.
3 ist ein Funktionsblockdiagramm, welches den Betrieb der Rotortemperaturschätzung darstellt, wobei das Thermische Modell-Schätzmodul 166 des Steuergliedes 160 der 1 entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform benutzt wird und im Allgemeinen dem Schritt 230 des Verfahrens 200 entspricht, welcher oben in 2 diskutiert wurde. Wie oben dargestellt, wird das Thermische Modell-Schätzmodul 166 unter Betriebsbedingungen mit niedrigen Drehmomentwerten benutzt, z. B. bei Drehmomentwerten kleiner als 5 Nm.
Das Thermische Modell-Schätzmodul 166 beinhaltet einen thermischen Modellblock 302, welcher eine Anzahl von Eingangssignalwerten für die Rotortemperaturabschätzung empfängt. Die Eingabesignalwerte beinhalten den befohlenen Wert für die Statorstromkomponenten (i*_ds, i*_qs), wechselseitige Induktivität (L_m), Rotorinduktivität (L_r), Grenzfrequenz des Tiefpassfilters (ω_c), Laplace-Domäne-Operator (s), und Kühltemperatur (T_coolant).
Das thermische Modell basiert auf der Beziehung der (1) wie folgt:
wobei T_r die geschätzte Temperatur des Rotors ist, T_COOLANT die Temperatur des Kühlmittels ist, R_th der thermische Widerstand zwischen dem Rotor und dem Kühlmittel ist; P_r der Leistungsverlust in dem Rotor ist; ω_C die Eckfrequenz des Tiefpassfilters ist und s der Laplace-Domäne-Operator ist.
Die Beziehung der Gleichung (1) kann als Gleichung (2) wie folgt vereinfacht werden:
wobei I_r der geschätzte Rotorstrom ist und K ein von der Geschwindigkeit abhängiger Korrekturfaktor ist.
Zusätzlich kann der Rotorstrom (I_r) als Gleichung (3) wie folgt geschätzt werden:
wobei I_qs der Statorstrom in dem Q-Referenzrahmen ist; L_m die wechselseitige Induktivität ist und L_r die Rotorinduktivität ist.
Der geschätzte Rotorwiderstand (R_r) ist eine Funktion der geschätzten Rotortemperatur (T_r), wie dies in folgender Gleichung (4) ausgedrückt wird: R ⌢_r = f(T_r) (4)
Entsprechend schätzt, basierend auf den Beziehungen in Gleichungen (1)–(3), der thermische Modellblock 302 die Rotortemperatur (T_r) und schätzt dann den Rotorwiderstand (R_r), basierend auf der Rotor-Temperatur (T_r). Der Korrekturfaktor (K) kann von einer Look-Up- bzw. Verweistabelle 304 abgeleitet werden, welche in dem Thermischen Modell-Schätzmodul 166 gespeichert ist, basierend auf der Rotorgeschwindigkeit (ω_r). Die Interpolation (z. B. lineare Interpolation oder andere bekannte Interpolationstechniken), können benutzt werden, um den sich ergebenden Korrekturfaktor (K) zwischen den Geschwindigkeitswerten zu verfeinern. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann die Temperatur des Stators (T_STATOR) zusätzlich oder anstatt der Kühlmitteltemperatur (T_COOLANT) benutzt werden. In diesen Fällen kann der Korrekturfaktor (K) der Gleichung (2) und eine Grenzfrequenz eines Tiefpassfilters relativ zu diesen Werten modifiziert werden, welche mit der Kühltemperatur (T_COOLANT) zusammenhängen.
Das Ausgangssignal des thermischen Modellblocks 102 wird an den Block 306 geliefert, welcher Gleichung (4) umfasst, um einen endgültig geschätzten Wert für den Rotorwiderstand (R_r) zu liefern, um ihn in dem IFOC-Modul 164 der 1 zu gebrauchen. Obwohl nicht speziell dargestellt, kann das Thermische Modell-Schätzmodul 166 einen oder mehrere Tiefpassfilter, Integrationsglieder oder andere Algorithmen-Prozessoren beinhalten. Zum Beispiel ist der Anfangswert eines Tiefpassfilters des thermischen Modells die letzte Rotortemperatur, welche von dem Rotorwiderstand-Schätzmodul geschätzt ist, minus der vorhandenen Kühlmitteltemperatur (Tr_est-Tcoolant). Das Thermische Modell-Schätzmodul 166 liefert eine genauere Rotortemperatur/Widerstands-Schätzung verglichen zu herkömmlichen Steuergliedern bei niedrigem Drehmoment, speziell zu jenen, bei welchen die Rotorwiderstandsabschätzung auf der Temperatur des Stators basiert.
4 ist ein Funktionsblockdiagramm, welches den Betrieb des Rotorwiderstands-Schätzmoduls 168 des Steuergliedes 160 der 1 entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform darstellt. Wie oben dargelegt wird das Rotorwiderstands-Schätzmodul 168 für die Betriebszustände mit hohen Drehmomentwerten benutzt, zum Beispiel bei Drehmomentwerten größer als 5 Nm.
Das Rotoorwiderstands-Schätzmodul 402 schätzt eine Rotorflussgröße (Ψ ⌢ 2 / r), wobei interne Variable wie zum Beispiel Spannungen (V_a, V_b, V_c), Rotorschlupfwinkel (ω_slip), Phasenströme (i_a, i_b, i_c) und die Rotorgeschwindigkeit (ω_r) benutzt werden. In einer beispielhaften Ausführungsform werden diese Variable von den Sensoren 150 oder anderen Komponenten des Induktionsmotorsystems 100 geliefert oder von ihnen abgeleitet. Zusätzlich können die Spannungen (V_a, V_b, V_c) und die Phasenströme (i_a, i_b, i_c) vielmehr die Befehlsspannungen und Ströme sein, als die gemessenen oder abgeleiteten Ströme, um den Rauschinhalt z. B. das Rauschvolumen zu eliminieren. Außerdem können die Spannungen (V_a, V_b, V_c) und Phasenströme (i_a, i_b, i_c) als dq-Referenzrahmen-Werte (d. h. als V_qs, V_ds und I_qs, I_ds) empfangen oder gewandelt werden.
Speziell wird in dieser beispielhaften Ausführungsform das geschätzte Quadrat des Motorflusses (Ψ ⌢ 2 / r) durch die folgende Gleichung (5) erhalten:
wobei V_d und Vq befohlene Statorspannungen in einem synchronen Referenzrahmen sind, i_d und i_q Statorströme in einem synchronen Rahmen sind (z. B. in welchem befohlene Ströme bevorzugt benutzt werden), L_sσ eine äquivalent Streuinduktivität ist, L_r die Rotorinduktivität ist und ω_e die elektrische Statorfrequenz ist.
In einer beispielhaften Ausführungsform zieht das Quadrat des geschätzten Rotorflusses das aktuelle Quadrat des Flusses. Dieser Fluss kann wie folgt in Gleichung (6) berechnet werden:
In einer beispielhaften Ausführungsform, wenn der Rotorwiderstand (R_r) der aktuelle Rotorwiderstand ist und die geschätzten Flüsse aus den Gleichungen (5) und (6) genau den Motorfluss widergeben, dann sollte der platzierte Rotorflusswert (Ψ ⌢ 2 / r) in Gleichung (5), gleich zu dem aktuellen (Ψ ⌢ 2 / dr) in Gleichung (6) sein. Jedoch kann sich die wechselseitige Induktivität (L_m) signifikant mit dem Maschinenfertigungsgrad ändern. Entsprechend ist der platzierte Rotorflusswert (Ψ ⌢ 2 / r) in Gleichung (5) ein empfindlicher Parameter. Zusätzlich kann eine Streuinduktivitätsänderung beim Maschinenbetrieb auf die Genauigkeit des Wertes für den quadrierten Rotorfluss (Ψ ⌢ 2 / r) beinträchtigen. Entsprechend, sogar wenn der Rotorwiderstand (R_r) benutzt wird, gibt es noch ein Offset zwischen den geschätzten quadrierten Rotorfluss (Ψ ⌢ 2 / r) und dem quadrierten aktuellen Rotorflusswert (Ψ ⌢ 2 / dr) . Dieser Offset bzw. Versatz kann einen Fehler in der Schätzung des Rotorwiderstands (R_r) verursachen, und sollte daher beachtet werden, wie nachfolgend diskutiert wird.
Ein Offsetwert des Rotorflussquadrats (|Ψ_r|²) wird für die Look-Up-Tabelle 404 bestimmt, wobei die Rotorgeschwindigkeit (ω_r) und der Drehmomentbefehl (T*) benutzt werden. Der Flussquadrat-Offset kann durch irgendwelche erwarteten Unterschiede zwischen dem Quadrat der Rotorflusses (Ψ ⌢ 2 / r) und dem Quadrat des aktuellen Rotorflusses (Ψ ⌢ 2 / dr) in Bezug auf den aktuellen Rotorwiderstand (R_r) bedingt sein.
Zusätzlich wird in Block 408 ein Wert des aktuellen Rotorflusses (Ψ_dr) aus Gleichung (6) erhalten und mit sich selbst multipliziert. Der sich ergebende Quadratwert (Ψ ⌢ 2 / dr) wird dann zu dem Flussquadrat-Offsetwert |Ψ_r|² aus der Look-Up-Tabelle 404 in Block 406 addiert, um dadurch einen summierten Offset-Wert zu erzeugen. Als nächstes wird in Block 410 eine Differenz zwischen dem summierten Wert aus dem Block 406 und dem geschätzten Flussquadratwert (Ψ 2 / dr) aus Block 402 berechnet.
Das Ausgangssignal des Blockes 410 wird dann über ein Filter 412 verarbeitet (z. B. ein Tiefpassfilter), ein Integrationsglied 414 wird mit einem ersten Anfangsrotorwiderstandswert als eine Funktion der Statortemperatur initialisiert, dann wird der zuvor geschätzte Rotorwiderstandswert als ein Anfangswert des Integrationsgliedes 414 benutzt, und eine Grenzfunktion oder ein Algorithmus 416, welcher bekannte Temperaturgrenzen für den Induktionsmotor 110 berücksichtigt, um einen geschätzten Endwert für den Rotorwiderstand (R_r) zu liefern, um ihn in dem IFOC-Modul 164 der 1 zu gebrauchen. Da der geschätzte quadratische Rotorflusswert (|Ψ_r|²) empfindlich gegenüber dem Rotorwiderstand (R_r) ist, kann eine beliebige Differenz zwischen dem aktuellen Rotorwiderstandswert (R_r) und dem geschätzten Widerstandswert (R_r) einen Nicht-Null-Fehler erzeugen. Der Nicht-Null-Fehler führt in dem Rotorwiderstand (R_r), welcher in IFOC-Modul 1 bis 4 benutzt wird, dazu, dass dieser sich ändert.
5 ist ein Funktionsblockdiagramm, welches den Betrieb des IFOC-Modus 164 des Steuergliedes 160 der 1 entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform darstellt. Das IFOC-Modul 164 benutzt den befohlenen Wert für Statorstrom-Komponenten (i*_ds, i*_qs) den geschätzten Rotorwiderstand (R_r), die wechselseitige Induktivität (L_m) und die Rotorgeschwindigkeit (ω_r), um einen Schlupfwinkel (ω*_s) und einen Flusswinkel (θ*_e) zu berechnen. Ein Stationär-zu-Synchron-Wechselrichter 502 transformiert den Flusswinkel (θ*_e), zusammen mit den Stromkomponentenwerten (i_a, i_b, i_c) von einem stationären Referenzrahmen in einen synchronen Referenzrahmen, um aktuelle Statorstrom-Komponenten (i*_ds, i*_qs) zu erzeugen. Der befohlene Wert für die Statorstrom-Komponenten (i*_ds, i*_qs) und die aktuellen Statorstrom-Komponenten ((i*_ds, i*_qs), werden an das Stromregulierglied 504 geliefert, um aktuelle Strombefehle zu erzeugen und werden von dem synchronen Referenzrahmen zurück zu dem stationären Referenzrahmen in einem Synchron-zu-stationär-Wandler 506 transformiert, um die Ausgangsreferenzspannungen (V_a, V_b, V_c) zu erzeugen, welche nachfolgend an die Wechselrichteranordnung 120 geliefert werden, für den Gebrauch zum Steuern des Induktionsmotors 110.
Entsprechend liefert das Steuerglied 160 eine genauere Schätzung der Rotortemperaturen (T_r) und Rotorwiderstände (R_r), um einen effizienteren und verbesserten Betrieb des Induktionsmotors 110 zu liefern. Wendet man sich nun den 6 und 7 zu, so werden Graphen von graphischen Ergebnissen geliefert, welche die instrumentierten Tests betreffen, welche ausgeführt wurden, wobei einige der beispielhaften Ausführungsformen benutzt wurden, um den Rotorwiderstand zu schätzen und die Induktionsmotore unter verschiedenen Bedingungen zu steuern.
6 ist ein Vergleich zwischen gemessenen Temperaturen des Stators 602, gemessenen Temperaturen des Rotors 604 und geschätzten Rotortemperaturen 606, welche über einen Zeitbereich in Sekunden ausgedruckt sind. Die geschätzten Rotortemperaturen wurden entsprechend den beispielhaften Ausführungsformen, welche oben diskutiert sind, erzeugt. Entsprechend, in 6, steigt die Rotortemperatur bei 2.000 UPM und bei einem Anfangsdrehmoment von 30 Nm an. Dann wird ein Null-Drehmoment angelegt, um dem Motor zu gestatten, herunterzukühlen. Wenn das Drehmoment null ist, wird das thermische Modell benutzt, um die Rotortemperatur zu schätzen. Wie in 6 gezeigt wird, schätzt die geschätzte Rotortemperatur 606 genau die gemessenen Rotortemperaturen 604 bei dem Null-Drehmoment, speziell im Vergleich zu den Statortemperaturen 602. Wie oben dargelegt, benutzen einige herkömmliche Steuerglieder die gemessene Statortemperatur als eine Schätzung für die Rotortemperatur.
7 ist ein Vergleich zwischen gemessenen Temperaturen des Stators 702, gemessenen Temperaturen des Rotors 704 und geschätzten Rotortemperaturen 706, aufgetragen über einen Zeitbereich in Sekunden. Die geschätzten Rotortemperaturen wurden entsprechend zu den beispielhaften Ausführungsformen, welche oben diskutiert wurden, geschätzt. Entsprechend sind in 7 die Rotortemperaturen 706 in dem Thermischen Modell-Schätzmodul 166 für den gesamten Zeitbereich geschätzt, da das Drehmoment relativ niedrig ist. Wie in 7 gezeigt wird, schätzen die geschätzten Rotortemperaturen 706 genau die gemessenen Rotortemperaturen 704, speziell im Vergleich zu den Statortemperaturen 702. Obwohl 6 und 7 anzeigen, dass die Rotortemperatur-Schätzungen im stationären Zustand genau sind, liefert das Steuerglied 160 in ähnlicher Weise Rotor-Temperaturschätzungen in Übergangszuständen, wenn der Drehmomentbefehl fluktuiert.
8 ist ein Vergleich der Rotor-Temperaturabschätzung über einen weiten Drehmomentbereich hinweg. Die geschätzte Rotortemperatur wird durch die Linie 802 angezeigt. Die Rotortemperatur wird durch die Linie 804 angezeigt. Die Statortemperatur wird durch die Linie 806 angezeigt und das Drehmoment wird durch die Linie 808 angezeigt. Wie oben dargelegt, wenn das Drehmoment 808 größer als ein Schwellwert (5 Nm in diesem Beispiel) ist, wird die Rotorwiderstandsschätzung benutzt, um die Rotortemperatur 802 zu schätzen. Wenn das Drehmoment 808 kleiner als der Schwellwert ist, wird das thermische Modell benutzt, um die Rotortemperatur 802 zu schätzen. Wie in 8 gezeigt wird, folgt die geschätzte Rotortemperatur 802 der gemessenen Rotortemperatur 804 genauer als die Statortemperatur 806.
Die veröffentlichten Verfahren und Systeme liefern eine verbesserte Schätzung des Rotorwiderstandes in Induktionsmotoren und eine verbesserte Steuerung der Induktionsmotoren. Zum Beispiel liefern die veröffentlichten Verfahren und Systeme potenziell eine genauere Schätzung und Steuerung des Rotorwiderstandes von Induktionsmotoren. Die veröffentlichten Verfahren und das System gestatten auch eine derartige Schätzung und Steuerung des Rotorwiderstandes von Induktionsmotoren, wobei potenziell weniger teure Sensoren und/oder eine andere Ausstattung benutzt werden, und/oder gestatten, dass eine derartige Schätzung und Steuerung des Rotorwiderstandes von Induktionsmotoren schneller und/oder kosteneffizienter ausgeführt werden kann. Zusätzlich liefern die veröffentlichten Verfahren und das System eine derartige Schätzung und Steuerung des Rotorwiderstandes von Induktionsmotoren, dass sie zuverlässig sowohl im stationären Zustand als auch bei Übergangsbedingungen sind.
Die veröffentlichten Ausführungsformen können an beliebigen Typen von Induktionsmotorsystemen angewendet werden, wie zum Beispiel an einem elektrischen Hybridfahrzeug (HEV) oder einem beliebigen Typ von Fahrzeug. Beispiele derartiger Fahrzeuge beinhalten Automobile wie zum Beispiel Omnibusse, Autos, Lastwagen, Fahrzeuge für den Sportgebrauch, Vans, Fahrzeuge, welche nicht auf dem Land fahren, wie zum Beispiel mechanische Wasserfahrzeuge, wobei Wasserkraft, Hovercraft, Segelkraft, Boote und Schiffe, mechanische Unterwasserfahrzeuge, welche Unterseeboote beinhalten, mechanische Luftfahrzeuge, welche Flugzeuge und Raumfahrzeuge beinhalten, mechanische Schienenfahrzeuge, wie zum Beispiel Züge, Straßenbahnen und Oberleitungsbusse, etc. beinhaltet sind. Zusätzlich ist der Term Fahrzeug nicht durch eine spezielle Antriebstechnologie, wie zum Beispiel Benzin oder Dieselkraftstoff begrenzt. Vielmehr beinhalten die Fahrzeuge auch Hybridfahrzeuge, Batterieelektrische Fahrzeuge, Wasserstofffahrzeuge und Fahrzeuge, welche betrieben werden, indem verschiedene andere alternative Brennstoffe benutzt werden.
Es sollte beobachtet werden, dass die veröffentlichten Ausführungsformen primär auf den Kombinationen von Verfahrensschritten und Apparatebauteilen beruhen. Fachleute werden ferner würdigen, dass die verschiedenen dargestellten logischen Blöcke, Module, Schaltungen und Algorithmen-Schritte, welche in Verbindung mit den Ausführungsformen beschrieben sind, welche hier veröffentlicht sind, als elektronische Hardware, Computersoftware oder Kombinationen von beiden implementiert werden können. Die verschiedenen erläuternden logischen Blöcke, Module und Schaltungen, welche in Verbindung mit den hier veröffentlichten Ausführungsformen beschrieben sind, können mit einem Prozessor für allgemeine Zwecke, einem Digital-Signal-Prozessor (DSP), einer Anwendungsspezifischen Integrierten Schaltung (ASIC), einem Feld-Programmierbaren-Gate-Array (FPGA) oder einer anderen programmierbaren logischen Einrichtung einer diskreten Gate- oder Transistor-Logik, diskreten Hardwarekomponenten, oder irgendeiner Kombination davon gestaltet sein, um die hier beschriebenen Funktionen auszuführen. Ein Softwaremodul kann in dem RAM-Speicher, Flash-Speicher, ROM-Speicher, EPROM-Speicher, EEPROM-Speicher, in Registern, einer Festplatte, einer entfernbaren Platte, einer CD-ROM oder in irgendeiner anderen Form von Speichermedium, welches in der Fachwelt bekannt ist, angesiedelt sein. Ein beispielhaftes Speichermedium ist an den Prozessor derart gekoppelt, dass der Prozessor Information von dem Speichermedium und auf dieses schreiben kann. In der Alternative kann das Speichermedium integral mit dem Prozessor sein. Der Prozessor und das Speichermedium können in einem ASIC angeordnet sein.
Während wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform in der vorausgegangenen detaillierten Beschreibung präsentiert wurde, sollte gewürdigt werden, dass eine große Anzahl von Variationen existiert. Es sollte auch gewürdigt werden, dass die beispielhafte Ausführungsform oder beispielhafte Ausführungsformen nur Beispiele sind und es ist nicht beabsichtigt, dass diese den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der Erfindung in irgendeiner Weise begrenzen. Vielmehr wird die vorausgegangene detaillierte Beschreibung Fachleuten eine bequeme Anleitung für das Implementieren der beispielhaften Ausführungsform oder beispielhafter Ausführungsformen liefern. Es sollte davon ausgegangen werden, dass verschiedene Veränderungen in der Funktion und in der Anordnung der Elemente durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in der angehängten Ansprüchen und den rechtlichen Äquivalenten davon dargelegt ist.
Ausführungsformen

1. Verfahren zum Steuern eines Induktionsmotors, welcher einen Rotor besitzt, welches die Schritte aufweist von: Empfangen eines Drehmomentbefehls; Vergleichen des Drehmomentbefehls mit einem Drehmomentschwellwert; Erzeugen mit einem ersten Schätzmodul, eines ersten geschätzten Rotorwiderstands, wenn der Drehmomentbefehl kleiner oder gleich zu dem Drehmomentschwellwert ist; Erzeugen, mit einem zweiten Schätzmodul, eines zweiten geschätzten Rotorwiderstandes, wenn der Drehmomentbefehl größer als der Drehmomentschwellwert ist; und Erzeugen von Steuersignalen für den Induktionsmotor, basierend auf dem ersten geschätzten Rotorwiderstand oder dem zweiten geschätzten Rotorwiderstand.
2. Verfahren nach Ausführungsform 1, wobei der Schritt des Erzeugens, mit dem ersten Schätzmodul, des ersten geschätzten Rotorwiderstandes beinhaltet, das Schätzen einer Rotortemperatur.
3. Verfahren nach Ausführungsform 2, wobei der Induktionsmotor durch ein Kühlmittel gekühlt wird und wobei der Schätzschritt beinhaltet Schätzen eines Leistungsverlustes in dem Rotor; und Schätzen eines thermischen Widerstandes zwischen dem Rotor und dem Kühlmittel.
4. Verfahren nach Schritt 2, wobei der Schätzschritt das Schätzen eines Rotorstromes beinhaltet.
5. Verfahren nach Ausführungsform 4, wobei der Schritt des Schätzens des Rotorstromes beinhaltet Schätzen des Rotorstromes als eine Funktion einer Induktivität des Rotors.
6. Verfahren nach Ausführungsform 4, wobei der Schritt des Schätzens des Rotorstromes beinhaltet Bestimmen eines Korrekturfaktors, basierend auf der Rotorgeschwindigkeit.
7. Verfahren nach Ausführungsform 6, wobei der Schritt des Bestimmens des Korrekturfaktors beinhaltet Aufrufen des Korrekturfaktors von einer Look-Up- bzw. Verweistabelle, basierend auf der Rotorgeschwindigkeit.
8. Verfahren nach Ausführungsform 1, wobei der Schritt des Erzeugens mit dem zweiten Schätzmodul, des zweiten geschätzten Rotorwiderstandes beinhaltet Berechnen eines geschätzten quadrierten Wertes des Flusses des Rotors, wobei der Drehmomentbefehl benutzt wird; Bestimmen eines Widerstand-Offsets bzw. -Versatzes des Rotors; und Erzeugen einer aktualisierten Messung des zweiten geschätzten Rotorwiderstandes, wobei der geschätzte quadrierte Wert und der Widerstand-Offset benutzt werden.
9. Verfahren nach Ausführungsform 8, wobei der Schritt des Bestimmens eines Widerstand-Offsets beinhaltet Bestimmen des Widerstand-Offsets, wobei der Drehmomentbefehl und eine Look-Up-Tabelle benutzt werden.
10. Verfahren nach Ausführungsform 9, wobei der Schritt des Bestimmens eines Widerstand-Offsets ferner beinhaltet Bestimmen des Widerstand-Offsets, wobei die Rotorgeschwindigkeit benutzt wird.
11. Verfahren nach Ausführungsform 10, welches ferner den Schritt aufweist von: Bestimmen einer Rotorposition des Rotors, und wobei der Schritt des Berechnens eines geschätzten quadrierten Wertes beinhaltet Berechnen des geschätzten quadrierten Wertes, wobei die Rotorgeschwindigkeit und die Rotorposition benutzt werden.
12. System zum Steuern eines Induktionsmotors, welcher einen Rotor besitzt, wobei das System aufweist: ein Übergangsmodul, welches so konfiguriert ist, um eine Rotorgeschwindigkeit des Rotors und einen Drehmomentbefehl zu empfangen; ein erstes Schätzmodul, welches an das Übergangsmodul gekoppelt ist und so konfiguriert ist, um eine erste Widerstandsschätzung zu erzeugen; ein zweites Schätzmodul, welches an das Übergangsmodul gekoppelt ist und so konfiguriert ist, um eine zweite Widerstandsschätzung zu erzeugen; und ein Steuermodul, welches an das erste Schätzmodul und das zweite Schätzmodul gekoppelt ist und so konfiguriert ist, um Steuersignale für den Induktionsmotor zu erzeugen, basierend auf der ersten Widerstandsschätzung oder der zweiten Widerstandsschätzung als eine Funktion des Drehmomentbefehls.
13. System nach Ausführungsform 12, wobei das Steuergliedmodul so konfiguriert ist, um die Steuersignale basierend auf der ersten Widerstandsschätzung zu erzeugen, wenn der Drehmomentbefehl kleiner als ein oder gleich einem Drehmomentschwellwert ist, und die Steuersignale basierend auf der zweiten Widerstandsschätzung zu erzeugen, wenn der Drehmomentbefehl größer als der Drehmomentschwellwert ist.
14. System nach Ausführungsform 13, wobei das erste Schätzmodul so konfiguriert ist, um die erste Widerstandsschätzung basierend auf einer Rotortemperatur zu erzeugen.
15. System nach Ausführungsform 14, welches ferner ein Kühlsystem mit Kühlmittel aufweist, welches so konfiguriert ist, um das Induktionsmotor zu kühlen, und wobei das erste Schätzmodul so konfiguriert ist, um die erste Widerstandsschätzung zu erzeugen, basierend auf einem Leistungsverlust in dem Rotor und einem thermischen Widerstand zwischen dem Rotor und dem Kühlmittel.
16. System nach Schritt 15, wobei das erste Schätzmodul so konfiguriert ist, um die erste Widerstandsschätzung basierend auf einem Rotorstrom zu erzeugen.
17. System nach Ausführungsform 16, wobei das erste Schätzmodul so konfiguriert ist, um den Rotorstrom als eine Funktion einer Induktivität des Rotors zu schätzen.
18. System nach Ausführungsform 17, wobei das erste Schätzmodul so konfiguriert ist, um den Rotorstrom zu schätzen, basierend auf einem Korrekturfaktor, welcher eine Funktion der Rotorgeschwindigkeit ist.
19. System nach Ausführungsform 18, wobei das erste Schätzmodul eine Look-Up-Tabelle mit dem Korrekturfaktor beinhaltet.
20. Induktionsmotorsystem, welches aufweist: einen Motor, welcher einen Rotor und einen Stator aufweist; eine Wechselrichteranordnung, welche an den Motor gekoppelt ist und so konfiguriert ist, um den Motor basierend auf den Steuersignalen zu treiben; und ein Steuerglied, welches an die Wechselrichteranordnung gekoppelt ist, und so konfiguriert ist, um die Steuersignale zu erzeugen, wobei das Steuersignal ausweist: ein Übergangsmodul, welches so konfiguriert ist, um ein Rotorgeschwindigkeit des Rotors und einen Drehmomentbefehl zu empfangen, ein erstes Schätzmodul, welches an das Übergangsmodul gekoppelt ist und so konfiguriert ist, um eine erste Widerstandsschätzung zu erzeugen, ein zweites Schätzmodul, welches an das Übergangsmodul gekoppelt ist und so konfiguriert ist, um eine zweite Widerstandsschätzung zu erzeugen, und ein Steuergliedmodul, welches an das erste Schätzmodul und das zweite Schätzmodul gekoppelt ist und so konfiguriert ist, um Steuersignale für den Induktionsmotor zu erzeugen, basierend auf der ersten Widerstandsschätzung oder der zweiten Widerstandsschätzung als eine Funktion des Drehmomentbefehls.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Induktionsmotors, welcher einen Rotor besitzt, welches die Schritte aufweist von: Empfangen eines Drehmomentbefehls; Vergleichen des Drehmomentbefehls mit einem Drehmomentschwellwert; Erzeugen mit einem ersten Schätzmodul, eines ersten geschätzten Rotorwiderstands, wenn der Drehmomentbefehl kleiner oder gleich zu dem Drehmomentschwellwert ist; Erzeugen, mit einem zweiten Schätzmodul, eines zweiten geschätzten Rotorwiderstandes, wenn der Drehmomentbefehl größer als der Drehmomentschwellwert ist; und Erzeugen von Steuersignalen für den Induktionsmotor, basierend auf dem ersten geschätzten Rotorwiderstand oder dem zweiten geschätzten Rotorwiderstand.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Erzeugens, mit dem ersten Schätzmodul, des ersten geschätzten Rotorwiderstandes beinhaltet, das Schätzen einer Rotortemperatur.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Induktionsmotor durch ein Kühlmittel gekühlt wird und wobei der Schätzschritt beinhaltet Schätzen eines Leistungsverlustes in dem Rotor; und Schätzen eines thermischen Widerstandes zwischen dem Rotor und dem Kühlmittel.
Verfahren nach Schritt 2, wobei der Schätzschritt das Schätzen eines Rotorstromes beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Schätzens des Rotorstromes beinhaltet: Schätzen des Rotorstromes als eine Funktion einer Induktivität des Rotors und/oder. Bestimmen eines Korrekturfaktors, basierend auf der Rotorgeschwindigkeit, speziell durch Aufrufen des Korrekturfaktors von einer Look-Up- bzw. Verweistabelle, basierend auf der Rotorgeschwindigkeit.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Erzeugens mit dem zweiten Schätzmodul, des zweiten geschätzten Rotorwiderstandes beinhaltet Berechnen eines geschätzten quadrierten Wertes des Flusses des Rotors, wobei der Drehmomentbefehl benutzt wird; Bestimmen eines Widerstand-Offsets bzw. -Versatzes des Rotors; und Erzeugen einer aktualisierten Messung des zweiten geschätzten Rotorwiderstandes, wobei der geschätzte quadrierte Wert und der Widerstand-Offset benutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Bestimmens eines Widerstand-Offsets ferner beinhaltet Bestimmen des Widerstand-Offsets, wobei der Drehmomentbefehl und eine Look-up-Tabelle benutzt werden, und/oder Bestimmen des Widerstand-Offsets, wobei die Rotorgeschwindigkeit benutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, welches ferner den Schritt aufweist von: Bestimmen einer Rotorposition des Rotors, und wobei der Schritt des Berechnens eines geschätzten quadrierten Wertes beinhaltet Berechnen des geschätzten quadrierten Wertes, wobei die Rotorgeschwindigkeit und die Rotorposition benutzt werden.
System zum Steuern eines Induktionsmotors, welcher einen Rotor besitzt, wobei das System aufweist: ein Übergangsmodul, welches so konfiguriert ist, um eine Rotorgeschwindigkeit des Rotors und einen Drehmomentbefehl zu empfangen; ein erstes Schätzmodul, welches an das Übergangsmodul gekoppelt ist und so konfiguriert ist, um eine erste Widerstandsschätzung zu erzeugen; ein zweites Schätzmodul, welches an das Übergangsmodul gekoppelt ist und so konfiguriert ist, um eine zweite Widerstandsschätzung zu erzeugen; und ein Steuermodul, welches an das erste Schätzmodul und das zweite Schätzmodul gekoppelt ist und so konfiguriert ist, um Steuersignale für den Induktionsmotor zu erzeugen, basierend auf der ersten Widerstandsschätzung oder der zweiten Widerstandsschätzung als eine Funktion des Drehmomentbefehls.
Induktionsmotorsystem, welches aufweist: einen Motor, welcher einen Rotor und einen Stator aufweist; eine Wechselrichteranordnung, welche an den Motor gekoppelt ist und so konfiguriert ist, um den Motor basierend auf den Steuersignalen zu treiben; und ein Steuerglied, welches an die Wechselrichteranordnung gekoppelt ist, und so konfiguriert ist, um die Steuersignale zu erzeugen, wobei das Steuersignal ausweist: ein Übergangsmodul, welches so konfiguriert ist, um ein Rotorgeschwindigkeit des Rotors und einen Drehmomentbefehl zu empfangen, ein erstes Schätzmodul, welches an das Übergangsmodul gekoppelt ist und so konfiguriert ist, um eine erste Widerstandsschätzung zu erzeugen, ein zweites Schätzmodul, welches an das Übergangsmodul gekoppelt ist und so konfiguriert ist, um eine zweite Widerstandsschätzung zu erzeugen, und ein Steuergliedmodul, welches an das erste Schätzmodul und das zweite Schätzmodul gekoppelt ist und so konfiguriert ist, um Steuersignale für den Induktionsmotor zu erzeugen, basierend auf der ersten Widerstandsschätzung oder der zweiten Widerstandsschätzung als eine Funktion des Drehmomentbefehls.