DE102012209950A1

DE102012209950A1 - Verfahren zum Betrieb einer Drehfeldmaschine

Info

Publication number: DE102012209950A1
Application number: DE201210209950
Authority: DE
Inventors: Hassan Lamsahel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2013-12-19

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Drehfeldmaschine (3) an einem Wechselrichter (4) mittels einer Regelung, insbesondere mittels feldorientierter Regelung. Das Verfahren ist zur Anwendung in einem Betriebszustand der Drehfeldmaschine (3) vorgesehen, in welchem eine Phase (U, V, W) der Drehfeldmaschine (3) relativ zu den weiteren Phasen (U, V, W) der Drehfeldmaschine (3) eine hohe Belastung erfährt. Hierbei wird für eine Regelung auf ein gefordertes Drehmoment der Drehfeldmaschine (3) innerhalb einer elektrischen Periode • periodenbereichsweise je wenigstens ein unmodulierter Referenzwert (IsdRef, IsqRef) als Vorgabewert (IsdRefN, IsqRefN), insbesondere Stromsollwert, bereitgestellt, und • periodenbereichsweise je wenigstens ein Referenzwert (IsdRef, IsqRef) moduliert und als modulierter Vorgabewert (IsdRefN, IsqRefN), insbesondere Stromsollwert, bereitgestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Drehfeldmaschine an einem Wechselrichter gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Wird eine Drehfeldmaschine bei sehr kleinen Drehzahlen oder im Stillstand mit hohem Moment und/oder über längere Zeit betrieben, wird regelmäßig eine Phase der Maschine stärker belastet als die beiden anderen Phasen. Daraus resultierend wird die stark belastete Phase wärmer und es entstehen Unsymmetrien in der Drehfeldmaschine. Nachteilig ist auch, dass hohe Verluste nur in einer Phase entstehen und nicht über die Mehrzahl von Phasen verteilt, wie es der Fall bei hohen Drehzahlen ist. Diese großen Verluste über längere Zeit können zugeordnete Halbleiter bzw. Leistungsschalter der Endstufe zerstören. Um diese Nachteile zu vermeiden, gilt es, die stark belastete Phase zu entlasten.
Aus der Druckschrift DE 10 2008 054 744 A1 und der Druckschrift DE 10 2009 001 427 A1 ist es hierzu je bekannt, das Halbleiterschalterpaar der stark belasteten Phase nicht zu schalten oder alternativ das Halbleiterschalterpaar zunehmend gleichverteilt zu belasten, insbesondere je über eine Modifikation des PWM-Musters, d. h. um die Leistungsbelastung der stark belasteten Phase zu reduzieren.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Drehfeldmaschine vorzuschlagen, welches es alternativ vorteilhaft ermöglicht, die stark belastete Phase zu entlasten, insbesondere unter Bereitstellung des geforderten Drehmoments.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Betrieb einer Drehfeldmaschine an einem Wechselrichter mittels einer Regelung, insbesondere mittels feldorientierter Regelung. Das Verfahren ist zur Verwendung mit einem Kraftfahrzeug, insbesondere einem Automobil vorgesehen, wobei das Verfahren zum Beispiel für einen elektrifizierten Traktionsantrieb oder ein elektrisches Fahrzeug-Lenksystem vorgesehen sein kann, daneben sind weitere Anwendungsmöglichkeiten denkbar, zum Beispiel in Werkzeugmaschinen.
Die Drehfeldmaschine ist bevorzugt eine Synchronmaschine, insbesondere eine permanentmagneterregte Synchronmaschine bzw. PSM / PMSM. Der Wechselrichter ist bevorzugt ein Pulswechselrichter, insbesondere mit Zwischenkreis. Über den Wechselrichter bzw. Leistungsschalter desselben können die Phasen der Drehfeldmaschine bedarfsgerecht bestromt werden, i.e. zur Einstellung des jeweils geforderten Raumzeigers, wozu dem Wechselrichter im Rahmen der Regelung geeignete PWM (Pulsweitenmodulations)-Vorgabewerte bereitgestellt werden.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren ist zur insbesondere kontinuierlichen Anwendung in einem Betriebszustand der Drehfeldmaschine vorgesehen, insbesondere bei geringer Drehzahl und hohem geforderten Drehmoment an der Drehfeldmaschine, in welchem eine Phase der Drehfeldmaschine relativ zu den weiteren Phasen der Drehfeldmaschine eine hohe Belastung erfährt. Vom Begriff „geringe Drehzahl“ sind hierbei auch sehr geringe Drehzahlen mitumfasst. Die Begriffe „geringe Drehzahl“ und „hohes gefordertes Drehmoment“ können hierbei insbesondere in Bezug auf eine Nenndrehzahl bzw. ein Nenndrehmoment oder ein bei der anliegenden Ist-Drehzahl maximal stellbares Drehmoment der Drehfeldmaschine verstanden werden. Folglich können unter geringen Drehzahlen solche Drehzahlen verstanden werden, die deutlich unterhalb der Nenndrehzahl der Drehfeldmaschine liegen, beispielsweise im einstelligen Prozentbereich der Nenndrehzahl, und unter einem hohen Drehmoment können solche Drehmomente verstanden werden, die im Bereich des Nennmomentes der Drehfeldmaschine liegen oder im Bereich des bei der anliegenden Ist-Drehzahl maximal stellbaren Drehmomentes der Drehfeldmaschine, beispielsweise größer 90% des jeweiligen Drehmoments. Das Verfahren ist insbesondere anwendbar, wenn bzw. nachdem die Drehfeldmaschine sich zu drehen beginnt, insbesondere unmittelbar nach Drehbeginn.
Ein solcher Betriebszustand, in welchem eine Phase der Drehfeldmaschine relativ zu den weiteren Phasen der Drehfeldmaschine eine hohe Belastung erfährt, kann in dem vorgeschlagenen Anwendungsbereich zum Beispiel auftreten, wenn – im Falle eines Fahrzeug-Lenksystems – einem Hindernis entgegen gelenkt wird, ohne dass das Lenkrad eine Drehung erfährt bzw. lediglich eine geringe Drehzahl erfährt bzw. sich gerade erst zu drehen beginnt. Im Falle eines Fahrzeug-Antriebes für ein elektrisch, i.e. auch hybridisiert oder teilhybridisiert, angetriebenes Kraftfahrzeug kann eine solcher Betriebszustand auftreten, wenn ein hohes Drehmoment bei stehendem bzw. anfahrendem Fahrzeug benötigt wird, beispielsweise beim Anfahren am Berg oder im Hängerbetrieb.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass für eine Regelung auf das geforderte Drehmoment und insbesondere zur Entlastung der hochbelasteten Phase (d.h. insbesondere derjenigen der Phasen, die relativ zu den weiteren Phasen der Drehfeldmaschine eine hohe Belastung erfährt) in bzw. innerhalb einer jeweiligen elektrischen Periode periodenbereichsweise bzw. periodenabschnittsweise je wenigstens ein Referenzwert, insbesondere je ein Referenzwert, moduliert und als modulierter Vorgabewert, insbesondere Stromsollwert, bereitgestellt wird und periodenbereichsweise bzw. periodenabschnittsweise je ausschließlich zumindest ein unmodulierter Referenzwert als Vorgabewert, insbesondere Stromsollwert, bereitgestellt wird. Die Vorgabewerte dienen insbesondere als Eingangsgrößen für die Regelung. Die Periodenbereiche mit ausschließlich unmodulierten Vorgabewerten (erste Periodenbereiche) und die Periodenbereiche mit modulierten Vorgabewerten (weitere/zweite Periodenbereiche) alternieren hierbei bevorzugt. Die Referenzwerte werden insbesondere von einer übergeordneten Steuer- oder Regeleinrichtung vorgegeben, zum Beispiel fahrerwunschabhängig.
Mittels der Vorgabewerte, welche bevorzugt im d/q-Zweigrößensystem ermittelt bzw. bereitgestellt werden und welche periodenbereichweise je wenigstens einen modulierten Vorgabewert, insbesondere je einen, bzw. periodenbereichsweise ausschließlich unmodulierte Vorgabewerte umfassen, kann erfindungsgemäß sowohl der Phasenstrom in der hochbelasteten Phase verringert als auch das geforderte Moment an der Drehfeldmaschine gestellt werden.
Bevorzugt werden hierbei ausschließlich je unmodulierte Vorgabewerte, i.e. als Eingangsgrößen für die Regelung, bereitgestellt, wenn der elektrische Drehwinkel der Drehfeldmaschine innerhalb der jeweiligen elektrischen Periode in einem aus ersten Periodenbereichen in der Periode liegt, welche für die hochbelastete Phase vorab definiert wurden. Und es wird je wenigstens ein modulierter Vorgabewert als Eingangsgröße bereitgestellt, insbesondere neben je einem weiteren Vorgabewert, wenn der elektrische Drehwinkel außerhalb der ersten Periodenabschnitte in einem weiteren (zweiten) Periodenbereich dieser elektrischen Periode liegt. Unter einer hohen Belastung kann hierbei beispielsweise eine relativ hohe thermische Belastung verstanden werden oder ein relativ starker Stromdurchfluss.
Bevorzugt wird das Verfahren angewendet, sobald die Drehfeldmaschine beginnt, sich zu drehen. Um die hochbelastete Phase zu identifizieren wird bevorzugt bei jeder Phase eine jeweils daran anliegende Temperatur ermittelt, insbesondere an dem Wechselrichter und/oder der Drehfeldmaschine. Diese ermittelte Temperatur einer der Phasen kann mit der ermittelten Temperatur wenigstens einer weiteren der Phasen verglichen werden, um aus den Abweichungen die hochbelastete Phase auf vorteilhaft einfache Weise zu ermitteln, i.e. als Phase mit der relativ höchsten gemessenen Temperatur.
Im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens ist vorgesehen, für jede Phase zwei erste Periodenbereiche zu definieren, welche zur Bereitstellung ausschließlich unmodulierter Vorgabewerte herangezogen werden, falls die zugehörige Phase die hochbelastete Phase ist. Zur Definition wird bevorzugt ein Winkeloffset verwendet.
Für die Phase U können erste Periodenbereiche definiert sein gemäß: π / 2 – θ_OffesetU < θ < π / 2 + θ_OffesetU und 3π / 2 – θ_OffesetU < θ < 3π / 2 + θ_OffesetU wobei θ_OffesetU den Winkeloffset für die Phase U ausdrückt.
Für die Phase V können erste Periodenbereiche definiert sein gemäß: 7π / 6 – θ_OffesetV < θ < 7π / 6 + θ_OffesetV und 5π / 3 – θ_OffesetV < θ < 5π / 3 + θ_OffesetV wobei θ_OffesetV den Winkeloffset für die Phase V bezeichnet. Für die Phase W können erste Periodenbereiche definiert sein gemäß: 11π / 6 – θ_OffesetW < θ < 11π / 6 + θ_OffesetW und π / 3 – θ_OffesetW < θ < π / 3 + θ_OffesetW wobei θ_OffesetW den Winkeloffset für die Phase W bezeichnet.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens können für den Fall, dass die Phase U hochbelastet ist und der Drehwinkel, i.e. in einer elektrischen Periode, außerhalb der ersten vorbestimmten Periodenbereiche für die Phase U liegt, die Vorgabewerte gemäß: I_sdRefN = I_sqReftanθ Gleichung 1) und I_sqRefN = I_sqRef Gleichung 2) ermittelt und bereitgestellt werden.
Für den Fall, dass die Phase V hochbelastet ist und der Drehwinkel außerhalb der ersten vorbestimmten Periodenbereiche für die Phase V liegt, i.e. innerhalb einer elektrischen Periode, können die Vorgabewerte gemäß:
ermittelt und bereitgestellt werden.
Für den Fall, dass die Phase W hochbelastet ist und der Drehwinkel außerhalb der ersten vorbestimmten Periodenbereiche für die Phase W liegt, i.e. in einer elektrischen Periode, können die Vorgabewerte gemäß:
ermittelt und bereitgestellt werden. In den Gleichungen 1) bis 6) bezeichnen I_sdRef und I_sqRef hierbei je einen Referenzwert, insbesondere für eine Längsstromkomponente bzw. die Querstromkomponente, I_sdRefN und I_sqRefN die Vorgabewerte, insbesondere für die Längsstromkomponente und die Querstromkomponente und I_sdRefN weiterhin insbesondere einen modulierten Vorgabewert.
Liegt der elektrische Drehwinkel θ der Drehfeldmaschine, entsprechend dem Produkt aus Polpaarzahl und mechanischem Winkel des Rotors, innerhalb des bzw. der vorbestimmten ersten Periodenbereiche, werden insbesondere ausschließlich unmodulierte Vorgabewerte bereitgestellt. Außerhalb des bzw. der ersten Periodenbereiche, i.e. in den weiteren, zweiten Periodenbereichen, wird je wenigstens ein modulierter Vorgabewert bereitgestellt, i.e. je Iteration bzw. Abtastschritt. Basierend auf den modulierten und unmodulierten Vorgabewerten können nachfolgend PWM-Vorgabewerte zur Ansteuerung der Drehfeldmaschine erzeugt werden, insbesondere im Zuge der Regelung.
Vorgeschlagen wird auch eine Vorrichtung zum Betrieb einer Drehfeldmaschine, welche zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist. Die Vorrichtung weist insbesondere eine Reglerstruktur auf, bevorzugt zur feldorientierten Regelung, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Modulationseinheit umfasst, mittels derer die Vorgabewerte für die Regelung bereitgestellt werden können, d.h. modulierte und/oder unmodulierte. Vorgesehen ist hierbei auch, dass der Modulationseinheit die Referenzwerte, eine Drehzahl der Drehfeldmaschine, der elektrische Drehwinkel und insbesondere auch eine jeweilige Temperatur an einer Phase an einem Eingang derselben bereitgestellt sind. Die Vorrichtung wie auch die Modulationseinheit kann weitgehend oder sämtlich computerisiert gebildet sein, z.B. mittels wenigstens eines µControllers oder Prozessors, insbesondere als Teil eines Steuergeräts, insbesondere eines Kraftfahrzeugs.
Mittels der Vorrichtung kann ein Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug gebildet sein, wobei das Antriebssystem ferner eine Drehfeldmaschine sowie einen Wechselrichter aufweist. Der Wechselrichter kann hierbei basierend auf den periodenbereichsweise bereitgestellten Vorgabewerten seitens der Vorrichtung angesteuert werden.
Das Verfahren kann computerisiert durchgeführt werden, z.B. mittels geeigneter Programmcode-Instruktionen, welche software- und/oder hardwaregestützt implementiert werden, z.B. in der Vorrichtung bzw. dem Antriebssystem, insbesondere mittels eines Computerprogrammprodukts, welches derartige Instruktionen zur Ausführung enthält.
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 Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie ein damit gebildetes Antriebssystem gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung; und
2 exemplarisch und schematisch ein Strukturdiagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens.
In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 sowie ein Antriebssystem 2 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Antriebssystem 2 mittels der Vorrichtung 1 sowie einer Drehfeldmaschine 3 und einem Wechselrichter 4 gebildet ist. Mittels der Vorrichtung 1, welche eine Reglerstruktur zur feldorientierten Regelung ausbildet, kann der Wechselrichter 4 zu einem Betrieb der Drehfeldmaschine 3 mit PWM(Pulsweitenmodulations)-Signalen PWM1, PWM2, PWM3 angesteuert werden, i.e. um einen jeweiligen Raumzeiger zu stellen.
Der Wechselrichter 4 umfasst einen Spannungszwischenkreis, welcher mittels eines Zwischenkreiskondensators gebildet ist. Der Wechselrichter 4 beinhaltet ferner insbesondere eine B6-Brückenschaltung, deren Mittenabgriffe je mit einer Phase U bzw. V bzw. W der Drehfeldmaschine 3 des Antriebssystems 2 in Form einer permanenterregten Synchronmaschine (PMSM) elektrisch verbunden sind. Weiterhin ist der Wechselrichter 4 über seine Treiberstufe, nicht dargestellt, steuerbar.
Die Drehfeldmaschine 3, PMSM, welche insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist, z.B. in einem hybridisierten oder elektrischen Antriebsstrang, alternativ insbesondere für ein Fahrzeug-Lenkunterstützungssystem bzw. eine Fahrzeug-Servolenkung oder eine Werkzeugmaschine, weist einen Stator mit einer Ständerwicklung, insbesondere mit den drei Wicklungssträngen U, V, W auf, welche vorzugsweise symmetrisch gewickelt und um 120 Grad versetzt angeordnet sind, und weiterhin insbesondere einen permanentmagnetbestückten Rotor. Die Drehfeldmaschine 3 ist bevorzugt als Innenpolmaschine, insbesondere als Schenkelpolmaschine ausgebildet.
Zur feldorientierten Regelung bzw. FOR weist die Vorrichtung 1 geeignet ausgebildete Funktionseinheiten auf. PI-Reglern 5 bzw. 6 zur Modellierung der Längs- und Querstromvektoren nachfolgend wird mittels der Funktionseinheit 7 eine inverse Clarke-Transformation durchgeführt und mittels einer nachfolgenden Raumzeigermodulation, Funktionseinheit 8, PWM-Ansteuersignale PWM1, PWM2, PWM3 für den Wechselrichter erzeugt.
An den Eingang eines jeweiligen PI-Reglers 5 bzw. 6 werden die in das d/q-System rücktransformierten Phasenstrom-Istwerte im Rahmen einer Regelkreis-Rückkopplung rückgeführt, wozu die Vorrichtung 1 Phasenströme I_s1, I_s2, I_s3 ermittelt und nach einer Park- und einer Clarke-Transformation, Funktionseinheiten 9 bzw. 10, geeignet bereitstellt, I_sd, I_sq. Die Ermittlung der Phasenströme I_s1, I_s2, I_s3 kann beispielsweise ausschließlich messtechnisch erfolgen oder durch Messung zweier der Phasenströme I_s1, I_s2, I_s3 und Berechnung des dritten der Phasenströme I_s1, I_s2, I_s3.
Über einen Geber 11 des Antriebssystems 2 bzw. der Vorrichtung 1 wird ferner ein mechanischer Winkel θ_m des Rotors der Drehfeldmaschine 3 ermittelt, auf Basis dessen weiterhin eine Drehzahl ω_el und ein elektrischer Drehwinkel θ ermittelt werden, wozu je die Polpaarzahl z_p der Drehfeldmaschine 3 herangezogen wird. Die Drehzahl ω_el wird an einem Ausgang der Funktionseinheit 12 bereitgestellt, der elektrische Drehwinkel der Maschine 3 an einem Ausgang der Funktionseinheit 13.
Die Reglerstruktur der Vorrichtung 1 bzw. des Antriebssystems 2 weist weiterhin ein Entkopplungsnetzwerk 14 auf, mittels welchem die Ständerspannungskomponenten u_sd und u_sq unter Einbeziehung der Reglerausgangsgrößen der PI-Regler 5 bzw. 6 ermittelt werden. Hierzu sind der Entkopplung 14 die Drehzahl ω_el sowie die rückgeführten Ist-Ströme I_sd, I_sq bekannt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung 1 bzw. das Antriebssystem 2 weiterhin eine Modulationseinheit 15 auf.
Der Modulationseinheit 15 werden die Referenzwerte I_sdRef und I_sqRef als Solllängs- bzw. Sollquerstromkomponenten, i.e. im d/q-Zweigrößensystem zugeführt, i.e. von einer übergeordneten Steuer- und Regeleinrichtung. Die zugeführten Referenzwerte I_sdRef, I_sqRef liegen an einem Eingang 16 der Modulationseinheit 15 an.
An einem weiteren Eingang 17 der Modulationseinheit 15 sind Temperatursignale bereitgestellt, welche Information über die jeweilige Temperatur an einer Phase U, V, W beinhalten. Die Temperatur einer jeweiligen Phase U, V, W wird am Wechselrichter 4 ermittelt, alternativ z.B. an der Maschine 3. Des Weiteren sind der elektrische Drehwinkel θ und die Drehzahl itere Eingänge 18 ω_el an jeweilige we bzw. 19 der Modulationseinheit 15 geführt.
Seitens des Ausgangs 20 der Modulationseinheit 15 werden Vorgabewerte I_sdRefN und I_sqRefN für die Längs- und Querstromkomponente als Führungsgrößen bereitgestellt, i.e. zu einem Soll-Ist-Vergleich mit den rückgekoppelten Ist-Werten I_sd, I_sq. Die von der Modulationseinheit 15 bereitgestellten Vorgabewerte I_sdRefN und I_sqRefN umfassen hierbei periodenbereichsweise je wenigstens einen modulierten Vorgabewert, i.e. je Abtastschritt, welcher durch die Modulationseinheit 15 generiert wird, oder periodenbereichsweise je ausschließlich Vorgabewerte in Form der Referenzwerte, i.e. unmodulierte Vorgabewerte, i.e. je Abtastschritt.
Das derart ausgestaltete Antriebssystem 2 bzw. die Vorrichtung 1 ist zur Durchführung des nachfolgend näher erläuterten Verfahrens ausgebildet.
2 zeigt ein Strukturbild zur Veranschaulichung des Verfahrens, welches zum Betrieb der Drehfeldmaschine 3 an dem Wechselrichter 4 zur Anwendung in einem Betriebszustand der Drehfeldmaschine 3 vorgesehen ist, bei welcher die Drehfeldmaschine 3 geringe, i.e. niedrige oder sehr niedrige, Drehzahl aufweist und ein hohes Drehmoment gefordert ist. In einem derartigen Betriebszustand erfährt eine Phase U bzw. V bzw. W der Drehfeldmaschine 3 relativ zu den weiteren Phasen V, W bzw. U, W bzw. U, V der Drehfeldmaschine 3 regelmäßig eine hohe Belastung. Bevorzugt kann das Verfahren nach Einsetzen einer Rotationsbewegung des Rotors durchgeführt werden.
Um den vorstehend beschriebenen Betriebszustand zu ermitteln, ist zunächst vorgesehen, die Temperatur an den Phasen U, V, W zu vergleichen, siehe Bezugszeichen 21. Die Betrachtung bzw. der Vergleich erfolgt mittels der Modulationseinheit 15, welcher der Temperaturwert je Phase U, V, W über den Eingang 17 bekannt ist.
Für den Fall, dass keine unzulässig hohe Temperaturdifferenz zwischen wenigstens zwei Phasen U, V, W erkannt werden kann, der vorstehend beschriebene Betriebszustand offensichtlich nicht vorliegt, werden die am Eingang 16 anliegenden Referenzwerte I_sdRef und I_sqRef als unmodulierte Vorgabewerte I_sdRefN und I_sqRefN von der Modulationseinheit 15 an den Ausgang 20 gelegt, i.e. durchgeschleift, siehe Bezugszeichen 22.
Ergibt der Vergleich 21 eine Schwellwertüberschreitung, wird die temperaturüberhöhte Phase U bzw. V bzw. W durch die Modulationseinheit 15 identifiziert, i.e. durch Vergleich der Temperatur einer der Phasen U, V, W mit je den Temperaturen der weiteren der Phasen U, V, W. Weiterhin ermittelt die Modulationseinheit 15, ob die Drehzahl n, welche direkt aus ω_el am Eingang 19 ermittelt wird, ungleich Null ist, siehe Bezugszeichen 23. Falls die Drehzahl n zu ungleich Null ermittelt wird, liegt vorstehend erläuterter Betriebszustand offensichtlich vor, d.h. die identifizierte temperaturüberhöhte Phase ist offensichtlich eine hochbelastete Phase im Sinne der Erfindung.
Für diesen Fall ist nunmehr vorgesehen, in einer jeweiligen elektrischen Periode periodenbereichsweise je Vorgabewertepaare I_sdRefN, I_sqRefN mit wenigstens je einem modulierten Vorgabewert als auch periodenbereichsweise je Vorgabewertepaare I_sdRefN, I_sqRefN mit ausschließlich unmodulierten Vorgabewerten für eine Regelung auf das geforderte Moment und zur Entlastung der identifizierten hochbelasteten Phase bereitzustellen, i.e. je Abtastschritt.
Hierzu sind geeignete Periodenbereiche, i.e. Winkelbereiche aus dem Winkel 2, einer elektrischen Periode, für die jeweiligen Phasen verschieden in der Modulationseinheit 15 hinterlegt.
Für die Phase U sind erste Periodenbereiche definiert gemäß: π / 2 – θ_OffesetU < θ < π / 2 + θ_OffesetU und 3π / 2 – θ_OffesetU < θ < 3π / 2 + θ_OffesetU wobei θ_OffesetU den Winkeloffset für die Phase U ausdrückt.
Für die Phase V sind erste Periodenbereiche definiert gemäß: 7π / 6 – θ_OffesetV < θ < 7π / 6 + θ_OffesetV und 5π / 3 – θ_OffesetV < θ < 5π / 3 + θ_OffesetV wobei θ_OffesetV den Winkeloffset für die Phase V ausdrückt.
Für die Phase W sind erste Periodenbereiche definiert gemäß: 11π / 6 – θ_OffesetW < θ < 11π / 6 + θ_OffesetW und π / 3 – θ_OffesetW < θ < π / 3 + θ_OffesetW wobei θ_OffesetW den Winkeloffset für die Phase W bezeichnet.
Als Winkeloffset ist hierbei ein Winkelbereich bezeichnet, welcher anwendungsspezifisch definiert werden kann, z.B. als π/8. Zweite Periodenbereiche für die jeweilige Phase ergeben sich folglich innerhalb einer elektrischen Periode je außerhalb der ersten definierten Periodenbereiche für die Phase.
In Zusammenschau mit obigen Ausführungen zeigt 2 nunmehr, siehe Bezugszeichen 24, dass für die hochbelastete Phase U bzw. V bzw. W nachfolgend betrachtet wird, i.e. in einem jeweiligen Iterations- bzw. Abtastschritt, ob der elektrische Drehwinkel θ in einem ersten wie vorstehend definierten Periodenbereich liegt.
Für den Fall, dass der Drehwinkel θ in einem ersten vorbestimmten Periodenbereich für die jeweilige Phase liegt, werden hierbei ausschließlich unmodulierte Vorgabewerte I_sdRefN, I_sqRefN zur Regelung bereitgestellt, welche den Referenzwerten I_sdRef bzw. I_sqRef entsprechen, siehe Bezugszeichen 25. Diese liegen am Ausgang 20 an.
Für den gegenteiligen Fall, dass der Drehwinkel θ in einem zweiten vorbestimmten Periodenbereich für die jeweilige Phase liegt, i.e. außerhalb der ersten Periodenbereiche, werden Vorgabewerte I_sdRefN, I_sqRefN mit einem modulierten Vorgabewert von der Modulationseinheit 15 erzeugt und am Ausgang 20 bereitgestellt, siehe Bezugszeichen 26.
Vorgabewerte werden für den Fall einer hochbelasteten Phase U erzeugt gemäß: I_sdRefN = I_sqReftanθ Gleichung 1) und I_sqRefN = I_sqRef Gleichung 2)
Wenn die Phase V hochbelastet ist, werden die Vorgabewerte erzeugt gemäß:
und für den Fall, dass die Phase W hochbelastet ist werden die Vorgabewerte erzeugt bzw. bereitgestellt gemäß:
In den Gleichungen 1) bis 6) bezeichnen I_sdRef und I_sqRef je einen Referenzwert für Längs- bzw. Querstrom und I_sdRefN und I_sqRefN die Vorgabewerte für Längs- bzw. Querstrom, wobei I_sdRefN modulierter Vorgabewert ist. θ bezeichnet den elektrischen Winkel der Drehfeldmaschine 3.
Mittels des Verfahrens, welches kontinuierlich über eine Vielzahl von Abtastschritten ausgeführt werden kann, bzw. mittels der Vorrichtung / des Antriebssystems ist eine optimale Reduktion der Verluste bei einer hochbelasteten Phase in der Maschine ohne Drehmomentverlust ermöglicht. Unerwünschte Unsymmetrien, welche zu Diagnosefehlern führen können, werden wirksam vermieden. Unerwünschte Unsymmetrien in der Drehfeldmaschine können ohne Beeinträchtigung des Regelverhaltens kompensiert werden. Unerwünschte Maßnahmen, z.B. bei einer Fahrzeug-Lenkung, wie eine Leistungsreduktion oder ein Notausschalten können umgangen werden. Die Lebensdauer einer Leistungsendstufe kann durch Überwachung der einzelnen Phasen und Verteilung der Verluste auf alle drei Phasen verlängert werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Antriebssystem
3: Drehfeldmaschine
4: Wechselrichter
5: PI-Regler
6: PI-Regler
7: Funktionseinheit
8: Funktionseinheit
9: Funktionseinheit
10: Funktionseinheit
11: Geber
12: Funktionseinheit
13: Funktionseinheit
14: Entkopplung
15: Modulationseinheit
16: Eingang 15
17: Eingang 15
18: Eingang 15
19: Eingang 15
20: Ausgang 15
21: Vergleich
22: Durchschleifen
23: Ermittlung Phase / Drehzahl
24: Drehwinkelbetrachtung
25: Bereitstellung unmodulierter Vorgabewerte
26: Bereitstellung modulierter Stromsollwerte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008054744 A1 [0003]
DE 102009001427 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Drehfeldmaschine (3) an einem Wechselrichter (4) mittels einer Regelung, insbesondere mittels feldorientierter Regelung, wobei das Verfahren zur Anwendung in einem Betriebszustand der Drehfeldmaschine (3) vorgesehen ist, in welchem eine Phase (U, V, W) der Drehfeldmaschine (3) relativ zu den weiteren Phasen (U, V, W) der Drehfeldmaschine (3) eine hohe Belastung erfährt, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Regelung auf ein gefordertes Drehmoment der Drehfeldmaschine (3) innerhalb einer elektrischen Periode • periodenbereichsweise je wenigstens ein unmodulierter Referenzwert (I_sdRef, I_sqRef) als Vorgabewert (I_sdRefN, I_sqRefN), insbesondere Stromsollwert, bereitgestellt wird, und • periodenbereichsweise je wenigstens ein Referenzwert (I_sdRef, I_sqRef) moduliert und als modulierter Vorgabewert (I_sdRefN, I_sqRefN), insbesondere Stromsollwert, bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass • ausschließlich unmodulierte Referenzwerte (I_sdRef, I_sqRef) als Vorgabewerte (I_sdRefN, I_sqRefN) bereitgestellt werden, wenn der elektrische Drehwinkel (θ) der Drehfeldmaschine (3) innerhalb der elektrischen Periode in einem aus ersten Periodenbereichen der Periode liegt, wobei die ersten Periodenbereiche zumindest für die hochbelastete Phase (U, V, W) vorab definiert wurden und • ein modulierter Vorgabewert (I_sdRefN, I_sqRefN) bereitgestellt wird, wenn der elektrische Drehwinkel außerhalb der ersten Periodenbereiche in einem weiteren Periodenbereich der Periode liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die hochbelastete Phase (U, V, W) je zwei erste Periodenbereiche innerhalb der jeweiligen Periode definiert sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der Periodenbereiche Referenzwerte (I_sdRef, I_sqRef) paarweise für die Regelung bereitgestellt werden, insbesondere ein Soll-Längsstromwert und ein Soll-Querstromwert, wobei der jeweilige modulierte Vorgabewert (I_sdRefN, I_sqRefN) insbesondere ein Soll-Längsstromwert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Identifikation der hochbelasteten Phase (U, V, W) je Phase (U, V, W) eine Temperatur an dieser Phase (U, V, W) ermittelt wird, insbesondere an dem Wechselrichter (4) und/oder der Drehfeldmaschine (3), wobei die ermittelte Temperatur einer der Phasen (U, V, W) mit der ermittelten Temperatur wenigstens einer weiteren der Phasen (U, V, W) verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Definition der ersten Periodenbereiche ein vorbestimmter Winkeloffset verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ausgeführt wird sobald oder unmittelbar nachdem die Drehfeldmaschine (3) sich nach einem Stillstand zu drehen beginnt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die modulierten und unmodulierten Vorgabewerte (I_sdRefN, I_sqRefN) im d/q-System bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass die Phase U hochbelastet ist und der Drehwinkel θ außerhalb der ersten vorbestimmten Periodenbereiche für die Phase U liegt, die Vorgabewerte (I_sdRefN, I_sqRefN) gemäß: I_sdRefN = I_sqReftanθ Gleichung 1) und I_sqRefN = I_sqRef Gleichung 2) ermittelt werden, und/oder für den Fall, dass die Phase V hochbelastet ist und der Drehwinkel θ außerhalb der ersten vorbestimmten Periodenbereiche für die Phase V liegt, die Vorgabewerte (I_sdRefN, I_sqRefN) gemäß:
ermittelt werden, und/oder für den Fall, dass die Phase W hochbelastet ist und der Drehwinkel θ außerhalb der ersten vorbestimmten Periodenbereiche für die Phase W liegt, die Vorgabewerte (I_sdRefN, I_sqRefN) gemäß:
ermittelt werden, wobei jeweils I_sdRef und I nen Referenzwert bezeichnet, _sqRef einen I_sdRefN und I_sqRefN einen Vorgabewert bezeichnet und I_sdRefN den modulierten Vorgabewert bezeichnen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der elektrischen Phase für die Phase U erste Periodenbereiche definiert sind zu π / 2 – θ_OffesetU < θ < π / 2 + θ_OffesetU und 3π / 2 – θ_OffesetU < θ < 3π / 2 + θ_OffesetU und/oder für die Phase V erste Periodenbereiche definiert sind zu 7π / 6 – θ_OffesetV < θ < 7π / 6 + θ_OffesetV und 5π / 3 – θ_OffesetV < θ < 5π / 3 + θ_OffesetV und/oder für die Phase V erste Periodenbereiche definiert sind zu 11π / 6 – θ_OffesetW < θ < 11π / 6 + θ_OffesetW und π / 3 – θ_OffesetW < θ < π / 3 + θ_OffesetW den elektrischen Drehwinkel der Drehfeldmaschine und einen Winkeloffset bezeichnet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf den modulierten und unmodulierten Vorgabewerten (I_sdRefN, I_sqRefN) PWM-Vorgabewerte (PWM1, PWM2, PWM3) zur Ansteuerung der Drehfeldmaschine (3) erzeugt werden.
Vorrichtung (1) zum Betrieb einer Drehfeldmaschine (3), insbesondere mit einem Wechselrichter (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung (1) eine Modulationseinheit (15) zur Bereitstellung der modulierten, insbesondere auch unmodulierten Vorgabewerte (I_sdRefN, I_sqRefN) aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Reglerstruktur, insbesondere zur feldorientierten Regelung, zum Betrieb der Drehfeldmaschine (3) mit der Modulationseinheit (15) aufweist, insbesondere mit einer Modulationseinheit (15).
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulationseinheit (15) die Referenzwerte (I_sdRef, I_sqRef), eine Drehzahl der Drehfeldmaschine (3), der elektrische Drehwinkel und insbesondere eine jeweilige Temperatur an einer Phase (U, V, W) an wenigstens einem Eingang (16, 17, 18, 19) der Modulationseinheit (15) bereitgestellt sind.
Antriebssystem (2), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Drehfeldmaschine (3) und einem Wechselrichter (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (2) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist, insbesondere mittels einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14.