DE102012205371A1

DE102012205371A1 - Reglerstruktur und Verfahren zur feldorientierten Regelung einer Drehfeldmaschine bei Feldschwächung

Info

Publication number: DE102012205371A1
Application number: DE201210205371
Authority: DE
Inventors: Jan Reiners; Notker Amann
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2012-04-02
Filing date: 2012-04-02
Publication date: 2013-10-02

Abstract

Reglerstruktur (1) zur feldorientierten Regelung einer Drehfeldmaschine (2) bei Feldschwächung, wobei die Reglerstruktur (1) einen Längsstrom- (3) und einen Querstromregler (4) zur Einstellung eines Spannungsraumzeigers (uact) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Reglerstruktur (1) weiterhin einen dem Längsstrom- (3) und einen dem Querstromregler (4) zugeordneten Längsstrom- (12) bzw. Querstrom- (13) Sollwertregler aufweist, insbesondere je einen PI-Regler, mittels welcher Sollwerte (idref, iqref) für den Längsstromregler (3) bzw. den Querstromregler (4) zur Minimierung des Phasenstromes (IS) bei vorgegebenem Moment (Mref, iqref_kenn) eingestellt werden, insbesondere in Abhängigkeit einer aktuell gestellten Spannung (uact). Vorgeschlagen wird auch ein Verfahren, welches mittels der Reglerstruktur ausführbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Reglerstruktur zur feldorientierten Regelung einer Drehfeldmaschine bei Feldschwächung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur feldorientierten Regelung einer Drehfeldmaschine bei Feldschwächung mit einer derartigen Reglerstruktur gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 13.
Im Stand der Technik sind verschiedene Ansätze insbesondere zur Regelung permanenterregter Synchronmaschinen an der Spannungsdecke bzw. für den Fall der Spannungsbegrenzung bekannt, i.e. um die Maschinen bei Feldschwächung zu betreiben. Üblicherweise sind in diesen Ansätzen zur Vereinfachung der Lösungsansätze einige Maschinenparameter vernachlässigt, zum Beispiel der Statorwiderstand R_S, oder es werden symmetrische Maschinen angenommen, etc.
Derartige vereinfachte Regelungsmodelle sind bei Einsatz einer Drehfeldmaschine im Kraftfahrzeug, insbesondere zu Antriebszwecken, und der Absicht, bei einem maximalen Moment eine geringstmögliche Belastung des Bordnetzes zu erzielen, bzw. ein maximales Moment bei minimalem Phasenstrom – so dass sich die Strom, Wärme-Verluste in der Maschine und im Umrichter vorteilhaft reduzieren lassen – oftmals nicht nutzbar.
Im Stand der Technik ist es auch bekannt, zum Beispiel aus der Druckschrift EP 0 840 441 B1 , eine Begrenzungsstruktur je Spannungsrichtung zu nutzen, welche über Kennlinien abgebildet werden und abhängig vom Betriebszustand, insbesondere der aktuellen Zwischenkreisspannung, im Controller hinterlegt sein müssen. Angesichts der mitunter variierenden Zwischenkreisspannung in elektrisch betriebenen oder elektrisch unterstützten Fahrzeugen ist diese Herangehensweise für diese Anwendung sehr aufwändig, da für die unterschiedlichen Spannungsniveaus jeweils eigene Kennlinien abgelegt werden müssen.
Eine weitere Möglichkeit zur Regelung der PSM an der Spannungsgrenze ist in der Druckschrift EP 2 192 682 A1 beschrieben. Vor dem Hintergrund, dass das maximale Moment der Maschine bei einem Polradwinkel von 90° erreicht wird, wird im Begrenzungsfall versucht, die Sollwerte bei der Stromregler über einen weiteren Regler so zu manipulieren, dass sich ein Polradwinkel von 90° einstellt. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, dass die Herangehensweise, über den Polradwinkel die Sollwerte beider Stromregler zu manipulieren, immer zu einer gleichzeitigen Reaktion beider Stromregler führt, wobei beide wiederum auf den Polradwinkel wirken. Abhängig von der gewählten Dynamik kann dies zu lang anhaltenden Einschwingvorgängen bzw. zur Instabilität des Systems führen. Ferner ist ein Polradwinkel von 90° in der Praxis nur bei Vernachlässigung des Statorwiderstands Rs zu erreichen, welcher abhängig von der Maschinenauslegung maßgeblichen Einfluss auf die Stromeinprägung der Maschine haben kann.
Die bekannten Lösungen sind also insoweit nachteilig, als sie

– auf der Vernachlässigung einiger Maschinenparameter basieren, insbesondere dem Statorwiderstand R_s, welcher zu Strom-Wärme-Verlusten in der Maschine und im Umrichter führt, und daher bei der energieeeffizienten Regelung berücksichtigt werden muss;
– die Hinterlegung aufwändig zu generierender, speicherintensiver sowie schwierig zu bestimmender Kennlinien abhängig vom Betriebszustand des Systems im Controller erfordern;
– zu einer verkoppelten Beeinflussung der Stromregler der feldorientierten Regelung führen und daher stark schwingungsanfällig sind.

Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Reglerstruktur sowie ein Verfahren anzugeben, welche diese Nachteile überwinden.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Reglerstruktur erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 13.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß eine Reglerstruktur zur feldorientierten Regelung einer Drehfeldmaschine bei Feldschwächung, insbesondere für einen Betrieb derselben an der Spannungsdecke / bei Spannungsbegrenzung, i.e. an der Aussteuergrenze. Ein Betrieb im Feldschwächbereich ermöglicht über den Betrieb bis zur Nenndrehzahl hinaus eine hohe Ausnutzung der Drehfeldmaschine, wobei die Drehfeldmaschine insbesondere eine Asynchronmaschine oder eine Synchronmaschine sein kann, bevorzugt eine permanentmagneterregte Synchronmaschine.
Die Reglerstruktur weist auf an sich bekannte Weise einen Längsstrom- und einen Querstromregler auf, mittels derer ein Spannungsraumzeiger eingestellt wird, i.e. über eine ausgegebene Längs- bzw. Querspannungskomponente. Mittels des Spannungsraumzeigers werden die Strangspannungen für die Drehfeldmaschine eingestellt, welche insbesondere über einen – neben der Drehfeldmaschine ebenfalls in die Reglerstruktur einbezogenen – Umrichter darauf basierend geeignet gespeist werden kann. Der Spannungsraumzeiger kann hierzu über ein Entkopplungsnetzwerk der Reglerstruktur, welches ebenfalls auf bekannte Weise gebildet sein kann, transformiert werden, durch das Entkopplungsnetzwerk insbesondere in ein ständerbezogenes Drehfeld.
Dem Längsstromregler werden je Sollwerte vorgegeben, i.e. Längsstromsollwerte, welche insbesondere auf einen Vergleicher geführt sind, der im Zuge des Soll-Ist-Vergleichs mit einem tatsächlichen Längsstrom die ermittelte Regelabweichung als Eingangsgröße dem Längsstromregler zuführt. In gleicher Weise wird eine Regelabweichung zwischen einem Querstromsollwert für den Querstromregler und einem Ist-Querstromwert dem Querstromregler als Eingangsgröße zur Verfügung gestellt.
Um zu ermöglichen, das maximal mögliche Moment unter Ausnutzung der verfügbaren Spannung, entsprechend der Einstellung eines Spannungsraumzeigers maximal möglicher Länge, i.e. eines Raumzeigers, welcher auf der Aussteuergrenze geführt ist, insbesondere bei Betrieb bei Feldschwächung einzustellen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Reglerstruktur weiterhin einen dem Längsstromregler zugeordneten Längsstrom-Sollwertregler und einen dem Querstromregler zugeordneten Querstrom-Sollwertregler aufweist. Der Längsstrom- und/oder der Querstrom-Sollwertregler ist hierbei insbesondere ein PI-Regler weiterhin insbesondere ein begrenzend wirkender PI-Regler.
Mittels des Längsstrom-Sollwertreglers sowie des Querstrom-Sollwertreglers werden Sollwerte für den Längsstromregler bzw. den Querstromregler zur Minimierung des Phasenstromes bei vorgegebenem Moment bzw. Maschinenmoment generiert bzw. eingestellt, insbesondere in Abhängigkeit bzw. unter Berücksichtigung einer gestellten Spannung, i.e. einer aktuell gestellten Spannung. Hierbei ist die Reglerstruktur bevorzugt derart gebildet, dass die mittels eines Sollwertreglers jeweils eingestellten Sollwerte – d.h. für die beabsichtigte Regelung an der Aussteuergrenze bzw. bei Feldschwächung – je unabhängig von denen des anderen Sollwertreglers eingestellt werden. Hierdurch kann vorteilhaft eine entkoppelte Beeinflussung der Stromregler-Sollwerte erzielt werden.
Zur Einstellung der Längsstrom-Sollwerte bzw. Querstrom-Sollwerte, welche insbesondere im d/q-Zweigrößensystem bereitgestellt werden, d.h. vektoriell, kann die Reglerstruktur vorteilhaft einfach derart gebildet sein, dass jedem der beiden Sollwertregler als Eingangsgröße lediglich die Regelabweichung bzw. Regeldifferenz aus einer je diesem als Sollwert vorgegebenen Spannung, welche je einer Komponente des maximal stellbaren Spannungsraumzeigers entspricht, sowie der tatsächlich gestellten Spannung, entsprechend insbesondere der aktuell von der feldorientierten Regelung gestellten Spannungsraumzeigerlänge, zugeführt wird. Eine jeweilige Spannungskomponente zur Einstellung des beabsichtigten, auf der Aussteuergrenze geführten Spannungsvektors kann aus der einzustellenden, maximal ausgesteuerten Ständerspannung, berechnet sein, d.h. einschließlich einer Begrenzung. Beachtlich ist hierbei, dass der Sollwert für den Längsstrom-Sollwertregler stets kleiner als der Sollwert für den Querstrom-Sollwertregler gewählt werden sollte, so dass eine Regelreserve für den d-Stromregler vorgehalten werden kann.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es insofern nicht erforderlich, Sollwertkennlinien oder ähnliche Strukturen in einem Controller zu hinterlegen, wobei Maschinenparameter und deren Abweichungen vom erwarteten Wert in der Gesamtheit in der Ausgangsspannung der Stromregler berücksichtigt sind und deshalb nicht gesondert betrachtet werden müssen.
Die erfindungsgemäße Reglerstruktur, welche insofern eine mittels der Längsstrom- und Querstrom-Sollwertregler gebildete, den Längsstrom- und Querstrom-Stromreglern überlagerte Reglerstruktur aufweist, kann somit anhand des Betriebszustands der Maschine selbsttätig den aktuellen minimal möglichen Längsstrom-Sollwertbetrag einprägen, so dass sich eine vorteilhaft gute Ausnutzung der Maschine durch Verwendung des Feldschwächbereichs erzielen lässt, wobei der Phasenstrom und damit auch die Strom-Wärme-Verluste in Maschine und Umrichter minimiert werden. Der Querstrom-Sollwertregler wirkt auf den Drehmoment- bzw. Querstrom-Sollwert und regelt diesen an der aktuellen Aussteuergrenze entlang. Bei geeigneter Parametrisierung können die Einsetzpunkte dieser beiden Regler so eingestellt werden, dass sich eine entkoppelte Beeinflussung von d- und q-Stromsollwertregler einstellt.
Bevorzugt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung mittels des Längsstrom-Sollwertreglers der Reglerstruktur ein Längsstrom derart eingestellt, insbesondere ein minimal möglicher Längsstrombetrag, dass der zu stellende Spannungsraumzeiger korrespondierend mit einer Trajektorie einer maximal stellbaren Spannung geführt ist, d.h. an der Aussteuergrenze. Bevorzugt wird eine Aussteuergrenze entsprechend dem inneren Kreis des Wechselrichters gewählt, alternativ z.B. das äußere Sechseck.
Insbesondere dann, wenn die stellbare Spannung trotz der mittels des Solllängsstrom-Sollwerts erreichten Feldschwächung nicht ausreicht, kann mittels des Querstrom-Sollwertreglers der Reglerstruktur bevorzugt ein Sollwert für den Querstromregler eingestellt werden, welcher dazu vorgesehen ist, den gestellten Spannungszeiger korrespondierend mit der Trajektorie der maximal stellbaren Spannung zu führen, d.h. an der Aussteuergrenze.
Beachtlich ist, dass die Reglerstruktur bevorzugt derart ausgebildet ist, dass der Querstrom-Sollwertregler aktiviert wird, falls der Längsstrom-Sollwertregler im Zuge einer Sollwertregelung in eine Begrenzung läuft. Die Aktivierung des Querstrom-Sollwertreglers kann zum Beispiel über einen Aktivierungs-Signalgeber der Reglerstruktur erfolgen.
In Abhängigkeit des vorgegebenen Moments bzw. einer aktuellen Momentanforderung wird durch die Reglerstruktur hierbei mittels des eingestellten Längsstrom- und/oder Querstromsollwerts das maximal mögliche Moment bei der Regelung bei Feldschwächung eingestellt. Mit anderen Worten wird für den Fall, dass das geforderte Moment nicht stellbar ist, das maximal mögliche Moment gestellt.
Das maximal mögliche stellbare Moment kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung hierbei vorteilhaft einfach berechnet werden, wobei weder Kennlinien noch numerische Verfahren, welche mit erheblichem Aufwand einhergehen, erforderlich sind. Mittels des Querstrom-Sollwertreglers kann folglich auf das maximale Moment hin geregelt werden. Bevorzugt wird hierbei der Ausgang des Querstrom-Sollwertreglers vorzeichenrichtig auf die das maximale Moment repräsentierende Größe aufaddiert, der derart mittels des Querstrom-Sollwertreglers gebildete Sollwert hiernach zur Stromregelung mittels des Querstromreglers genutzt.
Vorgeschlagen wird, die Reglerstruktur derart auszubilden, dass der Stellbereich des Längsstrom-Sollwertreglers auf einen Bereich zwischen 0A und dem negativen Betrag des stationären Kurzschlussstromes der Drehfeldmaschine begrenzt ist und/oder der Stellbereich des Querstrom-Sollwertreglers auf einen Bereich zwischen 0A und minus unendlich begrenzt ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zur feldorientierten Regelung einer Drehfeldmaschine bei Feldschwächung mit einer wie vorstehend beschriebenen Reglerstruktur vorgeschlagen. Hierbei wird in einem ersten Schritt ein Längsstrom-Sollwert für den Längsstromregler mittels des Längsstrom-Sollwertreglers generiert bzw. eingestellt, um den zu stellenden Spannungszeiger korrespondierend mit einer Trajektorie der maximal stellbaren Spannung bei vorgegebenem Moment zu führen, d.h. an der Aussteuergrenze.
In einem zweiten Schritt, welcher nach dem ersten Schritt vorgesehen ist, wird ein Querstrom-Sollwert für den Querstromregler mittels des Querstrom-Sollwertreglers generiert bzw. eingestellt, um den gestellten Spannungszeiger korrespondierend mit der Trajektorie der maximal stellbaren Spannung bei vorgegebenem Moment zu führen, d.h. an der Aussteuergrenze.
In einem dritten Schritt des Verfahrens, welcher insbesondere nach dem ersten Schritt vorgesehen ist, kann abhängig von dem Erreichen einer Regelgrenze des Längsstrom-Sollwertreglers im Zuge einer Sollwerteinstellung der Querstrom-Sollwertregler aktiviert werden.
Im Rahmen des vorliegenden Verfahrens ist vorgesehen, dass, insbesondere in Abhängigkeit des vorgegebenen Moments, jeweils der minimal mögliche Längsstrom mittels des Längsstrom-Sollwertreglers eingestellt wird. Hierbei ist vorteilhaft ermöglicht, dass der eingestellte, insbesondere optimierte Längsstrom-Sollwert bei Erreichen der Regelgrenze des Längsstrom-Sollwertreglers gehalten werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Reglerstruktur wird bevorzugt in einem Kraftfahrzeug zur Regelung einer Traktionsantriebs-Drehfeldmaschine, d.h. einer Drehfeldmaschine welche ein Drehmoment für den Kraftfahrzeugvortrieb bereitstellt, eingesetzt. Alternativ wird das Verfahren bzw. die Reglerstruktur bevorzugt zur Regelung einer Drehfeldmaschine eines Kraftfahrzeugaktors eingesetzt, insbesondere einer Drehfeldmaschine zur Lenkkraftunterstützung (elektrische Servolenkung) oder zur Ausführung von Kraftfahrzeuggetriebefunktionen, wie insbesondere dem Ein- und/oder Auslegen von Übersetzungen/Gängen eines mehrgängigen Kraftfahrzeuggetriebes oder dem Koppel/Entkoppeln von Abtrieben eines Kraftfahrzeuggetriebes (z.B. für eine Zapfwelle oder einen Achsantrieb).
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 exemplarisch und schematisch eine Reglerstruktur gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung.
2 exemplarisch eine Darstellung zur Veranschaulichung der Minimierung eines Stromzeigers;
3a) bis 3e) Darstellungen zur Veranschaulichung des Regelverhaltens der Reglerstruktur.
In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt exemplarisch und schematisch eine Reglerstruktur 1 zur feldorientierten Regelung einer als permanentmagneterregte Synchronmaschine gebildeten Drehfeldmaschine 2 an der Spannungsgrenze / Spannungsdecke, i.e. an der Aussteuergrenze bzw. bei Feldschwächung, wobei die in 1 gezeigten Komponenten insbesondere sämtlich in die Reglerstruktur 1 einbezogen sind. Die Drehfeldmaschine 2 weist auf an sich bekannte Weise einen Ständer bzw. Stator und einen Rotor auf, wobei der Ständer eine Ständer-Drehfeldwicklung trägt, der Rotor die zur magnetischen Erregung vorgesehenen Permanentmagnete. Die maximal mögliche Ständerspannung ist durch die Höhe der Zwischenkreisspannung begrenzt.
In einem inneren Regelkreis weist die Reglerstruktur 1 einen Längsstromregler 3 und einen Querstromregler 4 auf. Diese erzeugen Ausgangsgrößen u_dStr bzw. u_qStr, über welche der zu stellende Spannungsraumzeiger festgelegt wird. Die Größen u_dStr bzw. u_qStr werden in einem nachgeordneten Entkopplungsnetzwerk 5 der Reglerstruktur 1, welches auf bekannte Weise gebildet sein kann, in ein ständerbezogenes Koordinatensystem transformiert. Über eine Transformationseinheit 6, welche eine 2/3-Transformation durchführt, werden die d/q-Ständer-Spannungskomponenten u_d, u_q in Vorgaben u_S123 für die Strangspannungen an einen Umrichter 7 ausgegeben, welcher darauf basierend die permanentmagneterregte Synchronmaschine 2 geeignet ansteuert, insbesondere pulsweitenmoduliert, d.h. den zu stellenden Spannungsraumzeiger U_S an der Drehfeldmaschine 2 stellt.
An der Synchronmaschine 2 werden der Polradwinkel φ_r und die aktuellen Ständer-Strangströme i_S123 zur weiteren Verwendung in der Reglerstruktur 1 abgegriffen. Mittels der Winkel oder – insbesondere nach einer Differentiation, Bz. 8, – erhaltenen Drehzahlinformation können die ermittelten Vorgabegrößen u_S123 betrags- und phasenrichtig an den Umrichter 7 ausgegeben werden. Die ermittelten Strangströme i_S123 werden einer weiteren 2/3-Transformation mittels einer Transformationseinheit 9 unterzogen, um Ist-Stromkomponenten i_d, i_q im d/q-Zweigrößensystem für die Stromregelung zur Verfügung zu stellen. Je eine Ist-Komponente i_d bzw. i_q wird hierbei an ein korrespondierendes Differenzglied 10 bzw. 11 eines d- bzw. eines q-Zweigs geführt, welches zusammen mit einem Soll-Wert i_dref bzw. i_qref je eine Regeldifferenz als Eingangsgröße für einen Stromregler bildet, d.h. für den Längsstromregler 3 bzw. den Querstromregler 4 des jeweiligen Zweigs.
Dem inneren Regelkreis überlagert weist die Reglerstruktur 1 einen Längsstrom-Sollwertregler 12, i.e. dem d-Zweig zugehörig, sowie einen Querstrom-Sollwertregler 13, i.e. dem q-Zweig zugehörig, auf, welche jeweils als begrenzend wirkende PI-Regler ausgeführt sind. Der Längsstrom-Sollwertregler 12 kann hierbei gemäß seiner vorgegebenen Regelfunktionalität bzw. Begrenzung, Bz. 14, Werte zwischen 0A und dem maximal sinnvollen d-Strom bzw. Strombetrag von I_Sdmax = –|i_k|, wobei i_K dem Kurzschlussstrom der Maschine 2 entspricht, ausgeben, der Querstrom-Sollwertregler Werte zwischen 0 und minus unendlich, Bz. 15.
Den Sollwertreglern 12 bzw. 13 werden jeweils Sollwerte U_Smaxd bzw. U_Smaxq vorgegeben, welche Spannungskomponenten des an der Aussteuergrenze geführten einzustellenden Spannungszeigers U_Smax darstellen. Zur Vorgabe der Sollwerte U_Smaxd bzw. U_Smaxq für jeweils den Längsstrom- bzw. Querstrom-Sollwertregler 12 bzw. 13 wird vorliegend die Spannung U_S auf den inneren Kreis bzw. die Aussteuergrenze
begrenzt, wobei unter Berücksichtigung von Übermodulation, Blocktaktung und weiteren Einflüssen auf die reale Spannungsbildung im Wechselrichter bzw. Umrichter 7 ein Faktor x Eingang finden kann, so dass sich die maximal verfügbare Spannung ergibt zu:
wobei U_d je die Zwischenkreisspannung am Umrichter 7 bezeichnet.
Basierend auf dieser maximal verfügbaren Spannung U_Smax wird ein Soll wert U_Smaxd als stellbare Spannung für den Längsstrom-Sollwertregler generiert, insbesonder berechnet, welcher kleiner als U_Smax gewählt ist. Vorteilhaft ist U_Smaxd gleich 0,95·U_Smax gewählt, so dass eine ausreichende Regelreserve zum Einregeln von I_sd und I_sq, das heißt der Längs- und Querstromkomponenten des Ständerstromzeigers I_s, erhalten bleibt.
Ebenfalls basierend auf der maximal verfügbaren Spannung U_Smax wird als Sollwert für den Querstrom-Sollwertregler ein Sollwert U_Smaxq als stellbare Spannung vorgegeben, welcher kleiner oder gleich U_Smax gewählt sein kann, vorliegend gleich U_Smax. Für den Fall, dass U_Smaxq alternativ kleiner als U_Smax gewählt ist, kann die eingestellte Spannungsdifferenz als Regelreserve für den q-Stromregler vorgehalten werden.
Die Reglerstruktur 1 weist je Sollwert-Regler 12, 13 ein eingangsseitiges Differenzglied 16 bzw. 17 auf, an welches der Sollwert U_smaxd bzw. U_Smaxq für den Längsstrom- bzw. den Querstrom-Sollwertregler 14 bzw. 15 geführt ist. Als weitere Größe ist hierbei die aktuell gestellte Spannung u_act als Spannungszeigerlänge auf das jeweilige Differenzglied 16 bzw. 17 geführt, welche aus den Spannungs-Vorgabewerten u_d, u_q am Ausgang des Entkopplungsnetzwerks 5 mittels eines Vektoradditionsglieds 18 ermittelt wird. Aus dem jeweiligen Sollwert U_smaxd bzw. U_Smaxq sowie der aktuell gestellten Spannungszeigerlänge u_act wird für jeden Sollwertregler 12 bzw. 13 eine Regelabweichung mittels des jeweiligen Differenzglieds 16 bzw. 17 eine Regeldifferenz ermittelt, welche jeweils die Eingangsgröße für den Längsstrom- 14 bzw. Querstrom- 15 Sollwertregler bildet.
Die Reglerstruktur 1 weist ferner einen Vergleicher 19 einschließlich einer „Hold“-Funktionalität auf, mittels welchem zur Beeinflussung der Querstrom-Komponente i_q der Querstrom-Sollwertregler 13 selektiv aktivierbar ist. Eine Aktivierung erfolgt hierbei, wenn der Längsstrom-Sollwertregler 13 den maximal sinnvollen d-Strombetrag erreicht hat und eine weitere Beeinflussung des Sollwerts i_qref nicht mehr möglich ist. Über die Halte- bzw. „Hold“-Funktionalität kann zudem der Längsstrom-Sollwertregler 13 angehalten werden, um diesen optimierten Wert für eine Dauer auszugeben.
An den Eingang des Vergleichers 19 werden als Eingangsgrößen der maximal sinnvolle d-Strom entsprechend
und der aktuelle Sollwert i_dref für den d-Stromregler geführt. Wird durch den Vergleich erkannt, dass eine weitere Beeinflussung der d-Komponente des Ständerstromes I_S gemäß der vorgesehenen Begrenzung nicht mehr zweckmäßig ist, wird der Querstrom-Sollwertregler 13 über die Aktivierungsleitung 20 aktiviert, welcher nunmehr die q-Komponente des Ständerstromes I_S reduzieren kann. Die Aktivierung kann alternativ entfallen.
Der Ausgang des Längsstrom-Sollwertreglers 12, mittels welchem gemäß 1 der Sollwert i_dref für den Längsstromregler 3 eingestellt ist, ist auf oben beschriebenes Differenzglied 10 geführt. Für den Fall, dass der I-Anteil des PI-Reglers 12 schnell genug ist, kann eine Feldsteuerung zur Einstellung des Sollwerts i_dref hierbei vorteilhaft entfallen, Bz. 21. Zur Entlastung der Regler 12 bzw. 3 im d-Zweig kann die Fluss- bzw. Feldsteuerung 21 optional zusätzlich als Störgrößenaufschaltung vorgesehen sein, z.B. über das Summierglied 22.
Der Ausgang des Querstrom-Sollwertreglers 13 ist vorzeichenrichtig, dargestellt durch „±“, auf ein Summierglied 23 geführt. Auf das Summierglied 23 ist weiterhin – das bei der aktuellen Betriebssituation bzw. Momentanforderung maximal stellbare Moment M_ref repräsentierend, welches im Rahmen der vorliegenden Erfindung rechnerisch ermittelbar ist, die Stromgröße i_{qref_kenn} geführt. Alternativ kann die Reglerstruktur 1 hierbei eine Momentenkennlinie vorsehen, Bz. 24, welche das stellbare Momente in Abhängigkeit des angeforderten Moments als i_{qref_kenn} an das Summierglied 23 ausgibt. Mittels der Ausgangsgröße des Querstrom-Sollwertreglers 13 sowie dem stellbaren Moment wird hierbei der Sollwert i_qref für den Querstromregler 4 gebildet, welcher auf oben beschriebenes Differenzglied 11 geführt ist.
Zur Berechnung des stellbaren Moments, entsprechend der Querstrom-Grenzkennlinie der Drehfeldmaschine können die Gleichungen:
m_M = 3 / 2Z_pΨ_Pi_Sq 2) gelöst werden, wobei die Lösungen von Gl. 1) abhängig vom Betriebsquadranten die motorische und generatorische Querstrom-Grenzkennlinie, der Maschine angeben. Unter Verwendung von Gleichung 2) kann hiernach die Momenten-Grenzkennlinie der Maschine berechnet werden, i.e. in Abhängigkeit von der Drehfrequenz ω_S, der Ständerspannung U_Smax und Parametern des Grundwellenmodells kann hiernach das maximal einstellbare Moment m_M bzw. M_ref ermittelt werden. In den Gleichungen 1) und 2) bezeichnet Ψ_P weiterhin den Polradfluss, R_Sden Statorwiderstand, L_Sd und L_Sq Wirkinduktivitäten in Längs- und Querachse, die Querkomponente des Ständerstromes.
Nachfolgend wird noch näher auf die Funktionalität der Reglerstruktur 1 eingegangen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass der minimal mögliche Längsstrombetrag = |I_Sdmin| genau dann stellbar ist, wenn die gestellte Spannungszeigertrajektorie mit der Trajektorie der stellbaren Spannung, d.h. der Aussteuergrenze, zusammenfällt. Hierauf basierend ist angestrebt, abhängig von der aktuell gestellten Spannungszeigerlänge u_act zunächst den Längsstrom i_sd derart einzustellen, dass der gestellte Spannungszeiger auf der Trajektorie der stellbaren Spannung U_Smax geführt wird. Reicht hierbei die stellbare Spannung trotz maximal zulässiger Feldschwächung nicht aus, so wird zusätzlich der Querstrom i_sq beeinflusst, bis die aktuell gestellte Spannung u_act der maximal stellbaren Spannung U_Smax entspricht.
2 veranschaulicht hierbei einen Stromzeiger I_s, welcher im Feldschwächbetrieb mittels der vorgeschlagenen Reglerstruktur minimiert wird. Aus 2 ist ersichtlich, dass bei unveränderter Momentenforderung, korrespondierend unveränderlichem I_sq, als Stellgröße der Stromzeigerlänge I_S lediglich der Längsstrom I_sd zur Minimierung verbleibt.
Um den Längsstrombetrag zu minimieren, versucht die Reglerstruktur 1, die Regeldifferenz am Differenzglied 16 möglichst klein zu halten, wobei i_dref in Abhängigkeit der Regeldifferenz mittels des Sollwert-Reglers 12 im Betrag reduziert wird. Mit abnehmendem i_dref wird hierbei auch u_sact verkleinert. Ist eine Reduzierung von i_dref über den maximal sinnvollen
hinaus nicht mehr möglich, insofern keine weitere Spannungsverringerung der Spannung u_act mittels des Reglers 12, beispielsweise aufgrund eines geforderten Moments, wird der Reglerausgang des Reglers 12 auf diesem Wert gehalten, d.h. mittels der hold-Funktionalität, welche durch das Funktionsglied 19 bereitgestellt ist.
Gleichzeitig mit dem Anhalten des Reglers 12 wird nunmehr der Regler 13 aktiviert, d.h. über die Aktivierungs-Signalleitung 20. Dies bewirkt, dass nunmehr der Regler 13 anstrebt, den Querstrom über den Sollwert i_qref zu beeinflussen bis die aktuell gestellte Spannung u_sact der maximal stellbaren Spannung U_Smax entspricht. Basierend auf der Regelabweichung am Eingang des Reglers 13 wird das via i_{qref_kenn} geforderte Moment hierbei über den Ausgang des Reglers 13 zur Einstellung des Sollwerts i_qref solange beeinflusst, bis die gestellte Spannung u_Sact der stellbaren Spannung U_Smax entspricht.
Anhand der 3a bis 3e wird nachfolgend noch beispielhaft auf das Regelverhalten der Reglerstruktur 1, einschließlich deren Umrichter bzw. Leistungselektronik 7 und Drehfeldmaschine 2 eingegangen. Hierbei dienen die in den 3c und 3d eingetragenen Min-Max-Kennlinien (M_max, M_min; I_max, I_min) lediglich zur Verdeutlichung der Funktion und sind nicht auf die Regelung zurückgeführt.
Zwischen dem Zeitpunkt T1 und T2 wird ein aus der aktuellen Spannung stellbares linear ansteigendes Moment der Drehfeldmaschine M_ref gefordert, vgl. Min-Max-Kennlinien in 3c und 3d. D.h. das geforderte Moment M_ref liegt hierbei zwischen den Min-Max-Momenten-Kennlinien M_max und M_min; das tatsächlich von der Drehfeldmaschine zur Verfügung gestellte Moment M_act folgt dem geforderten Moment M_ref unmittelbar. Der Längsstrom-Sollwertregler regelt den d-Strom I_sd derart ein, dass eine Spannungsreserve erhalten bleibt, vgl. 3e.
Ab dem Zeitpunkt T3 wird ein negatives Moment gefordert, welches mit der zulässigen Spannung U_smax nicht stellbar ist. D.h. das geforderte Moment M_ref liegt unterhalb der Min-Momenten-Kennlinie M_min, während das tatsächlich gestellte Moment M_act der Min-Momenten-Kennlinie M_min folgt. Der Längsstrom-Sollwertregler versucht, den Spannungszeiger auf U_smaxd einzugrenzen und stellt den maximal zulässigen d-Strombetrag, vgl. 3b. Ist U_smax nun immer noch größer U_smaxq, so reduziert der Querstrom-Sollwertregler den geforderten Querstrombetrag I_sqref', vgl. 3d, und damit auch das gestellte Moment, vgl. 3c, bis der ausgegebene Spannungszeiger zu U_smax = U_smaxq reduziert ist, vgl. 3e.
Ab dem Zeitpunkt T4 ist das geforderte Moment M_ref wieder stellbar (d.h. M_min < M_ref< M_max), der Querstrom-Sollwertregler nimmt die q-Strombetragsreduktion zurück, mit reduzierender Drehzahl und Polradspannung reduziert der Längsstrom-Sollwertregler den d-Strombetrag I_sdref bis hin zu I_sdref = 0.
Angemerkt sei, dass vorstehend beschriebene Erfindung auch für Asynchronmaschinen anwendbar ist. Hierbei muss jedoch die in 1 gestrichelt dargestellte bzw. optionale Flusssteuerung/Sollwert obligatorisch verwendet werden, um den Maschinenfluss bereitzustellen. Daneben muss die Begrenzung des Längsstromreglers modifiziert werden. Mit der Erfindung wird eine zweistufige Sollwert-Reglerstruktur geschaffen, welche als Regelgröße die aktuelle Ausgangsspannungs-Raumzeigerlänge, i.e. von u_Sact, verwendet, um die verfügbare Spannung optimal auszunutzen.
Bezugszeichenliste

1: Reglerstruktur
2: Drehfeldmaschine
3: d-Stromregler
4: q-Stromregler
5: Entkopplungsnetzwerk
6: Transformationsglied
7: Leistungselektronik / Umrichter
8: Differenzierglied
9: Transformationsglied
10: Differenzglied
11: Differenzlied
12: Längsstrom-Sollwertregler
13: Querstrom-Sollwertregler
14: Regelbereich
15: Regelbereich
16: Differenzglied
17: Differenzglied
18: Vektoraddition
19: Vergleichsglied
20: Aktivierungs-Signal
21: Feldsteuerung
22: Summationspunkt
23: Summationspunkt
24: Momentenkennlinie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0840441 B1 [0004]
EP 2192682 A1 [0005]

Claims

Reglerstruktur (1) zur feldorientierten Regelung einer Drehfeldmaschine (2) bei Feldschwächung, wobei die Reglerstruktur (1) einen Längsstrom- (3) und einen Querstromregler (4) zur Einstellung eines Spannungsraumzeigers (u_act) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Reglerstruktur (1) weiterhin einen dem Längsstrom- (3) und einen dem Querstromregler (4) zugeordneten Längsstrom- (12) bzw. Querstrom- (13) Sollwertregler aufweist, insbesondere je einen PI-Regler, mittels welcher Sollwerte (i_dref, i_qref) für den Längsstromregler (3) bzw. den Querstromregler (4) zur Minimierung des Phasenstromes (I_S) bei vorgegebenem Moment (M_ref, i_{qref_kenn}) eingestellt werden, insbesondere in Abhängigkeit einer aktuell gestellten Spannung (u_act).
Reglerstruktur (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Sollwertreglers (12, 13) Sollwerte (i_dref, i_qref) für den zugeordneten Stromregler (3, 4) unabhängig von den Sollwerten (i_qref, i_dref) für den jeweils anderen Stromregler (4, 3) eingestellt werden.
Reglerstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Längsstrom-Sollwertreglers (12), insbesondere in einer ersten Stufe einer mittels der Reglerstruktur (1) durchführbaren zweistufigen Regelung, ein Sollwert (i_dref) mit einem minimal möglichen Längsstrombetrag für den Längsstromregler (3) eingestellt wird, welcher dazu vorgesehen ist, den gestellten Spannungszeiger (u_act) an einer Aussteuergrenze zu führen.
Reglerstruktur (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Querstrom-Sollwertreglers (13), insbesondere in einer zweiten Stufe einer mittels der Reglerstruktur (1) durchführbaren zweistufigen Regelung, ein Sollwert (i_qref) für den Querstromregler (4) eingestellt wird, welcher dazu vorgesehen ist, den gestellten Spannungszeiger (u_act) an der Aussteuergrenze zu führen.
Reglerstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querstrom-Sollwertregler (13) aktiviert wird, falls der Längsstrom-Sollwertregler (12) im Zuge einer Sollwertregelung eine Regelgrenze erreicht.
Reglerstruktur (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Längsstrom-Sollwertreglers (12) konstant gehalten wird, insbesondere zur Aufrechterhaltung eines minimierten Längsstromes, falls dessen Regelgrenze erreicht ist.
Reglerstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des eingestellten Querstromsollwerts (iqref) das maximal mögliche Moment bei der Regelung an der Aussteuergrenze eingestellt wird.
Reglerstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Längsstrom-Sollwertregler (12) und für den Querstrom-Sollwertregler (13) als Sollwert je eine Spannungskomponente (U_Smaxd, U_Smaxq) vorgegeben wird, welche je einer Komponente des maximal stellbaren Spannungsraumzeigers (U_Smax) entspricht.
Reglerstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellbereich des Längsstrom-Sollwertreglers (12) auf einen Bereich zwischen 0A und dem negativen Betrag des stationären Kurzschlussstromes (i_k) der Drehfeldmaschine (2) begrenzt ist und/oder der Stellbereich des Querstrom-Sollwertreglers (13) auf einen Bereich zwischen 0A und minus unendlich begrenzt ist.
Reglerstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelabweichung aus der je diesem als Sollwert vorgegebenen Spannungskomponente (U_Smax, U_Qmax) und der tatsächlich gestellten Spannung (u_act) gebildete Eingangsgröße an den Eingang des Längsstrom- und/oder des Querstrom-Sollwertreglers (12, 13) geführt ist.
Reglerstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Längsstrom- und/oder der Querstrom-Sollwertregler (12, 13) ein PI-Regler ist, insbesondere ein begrenzend wirkender.
Reglerstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das maximal stellbare Moment (M_ref, i_{qref_kenn}) rechnerisch ermittelt wird, insbesondere ohne Verwendung eines numerischen Verfahrens oder einer Kennlinie.
Verfahren zur feldorientierten Regelung einer Drehfeldmaschine (2) bei Feldschwächung mit einer Reglerstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt ein Längsstrom-Sollwert (i_dref) für den Längsstromregler (3) mittels des Längsstrom-Sollwertreglers (12) eingestellt wird, um den gestellten Spannungszeiger (u_act) bei vorgegebenem Moment (M_ref, i_{qref_kenn}) an der Aussteuergrenze zu führen.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Schritt, welcher insbesondere nach dem ersten Schritt durchgeführt wird, ein Querstrom-Sollwert (i_qref) mittels des Querstrom-Sollwertreglers (13) eingestellt wird, um den gestellten Spannungszeiger (u_act) bei vorgegebenem Moment an der Aussteuergrenze zu führen.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Schritt, welcher insbesondere nach dem ersten Schritt durchgeführt wird, abhängig von dem Erreichen einer Regelgrenze des Längsstrom-Sollwertreglers (12) im Zuge einer Sollwerteinstellung der Querstrom-Sollwertregler (13) aktiviert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der, insbesondere bei gegebener Momentanforderung, minimal mögliche Längsstrombetrag mittels des Längsstrom-Sollwertreglers (12) eingestellt wird, weiterhin insbesondere bei Erreichen der Regelgrenze des Längsstrom-Sollwertreglers gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Schritt mittels des Querstrom-Sollwertreglers (13) das maximal mögliche Moment eingestellt wird.