DE102013203060A1

DE102013203060A1 - Steuerung einer Synchronmaschine

Info

Publication number: DE102013203060A1
Application number: DE201310203060
Authority: DE
Inventors: Dr. Lamsahel Hassan
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2013-02-25
Filing date: 2013-02-25
Publication date: 2014-08-28

Abstract

Ausführungsbeispiele betreffen ein Konzept zum Steuern einer Synchronmaschine (101), welche einen Rotor (102) mit einem im Betrieb magnetischen Bereich (104, 106) und mindestens eine Statorwicklung (144, 146, 148) aufweist. Dabei wird mindestens ein Eingangssignal (109, 111) empfangen, welches indikativ für ein gewünschtes Drehmoment der Synchronmaschine (101) ist. Das Eingangssignal (109, 111) wird gefiltert und mindestens ein Parameter (121) der Synchronmaschine (101) wird in Abhängigkeit von dem gefilterten Eingangssignal (113, 115) bestimmt; Bestimmen (507) eines Steuersignals (123, 125) basierend auf dem bestimmten Parameter (121) und dem Eingangssignal (109, 111).

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Steuern einer Synchronmaschine, welche einen Rotor mit einem im Betrieb magnetischen Bereich und mindestens eine Statorwicklung aufweist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Synchronmaschine mit einer derartigen Vorrichtung zum Steuern der Synchronmaschine.
Eine Synchronmaschine, insbesondere Drehstrom-Synchronmaschine, ist eine rotierende elektrische Maschine, welche prinzipiell sowohl als Motor als auch als Generator betrieben werden kann. Beispielsweise kann ein Synchrongenerator zur Erzeugung von Elektrizität oder elektrischer Energie dienen und ein Synchronmotor kann in der Industrie zum Antrieb verwendet werden, etwa für Fahrzeuge, insbesondere Automobile.
Eine Synchronmaschine weist einen Läufer (auch Rotor genannt) auf, welcher mit einer Frequenz eines von Statorwicklungen, die mit Strom bzw. Spannung beaufschlagt werden können, erzeugten Drehfeldes synchron mitläuft. Zum Betrieb der Synchronmaschine ist ein (magnetisches) Erregerfeld erforderlich, welches von dem Rotor bzw. Läufer bereitgestellt ist. Das Erregerfeld kann dabei z. B. von einem Permanentmagneten bzw. einer Vielzahl von Permanentmagneten bereitgestellt sein, und/oder von einem mittels einer oder mehreren Spulen erzeugten Magnetfelds. Um z.B. einen Synchronmotor in der Drehzahl regeln zu können, können die eine oder die mehreren Statorwicklungen von einem Frequenzumrichter mit Spannung(en) versorgt werden, welcher insbesondere eine Wechselspannung gewünschter Frequenz in mehreren Phasen, z.B. drei Phasen, bereitstellen kann, welche insbesondere an drei unterschiedliche bzw. separate Wicklungsstränge des Stators angelegt werden können. Bei Belastung kann der Läufer oder Rotor des Synchronmotors dem Drehfeld in einem Winkel, dem sogenannten Polradwinkel, hinterherlaufen, welcher im Generatorbetrieb umgekehrtes Vorzeichen haben kann, sodass der Läufer dem Stator um diesen Polradwinkel vorauseilen kann.
Für eine Steuerung einer Synchronmaschine sind im Stand der Technik verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden:
Beispielsweise ist als Motorsteuerungstechnik eine feldorientierte Steuerung zur Steuerung eines Waschmaschinenmotors bekannt. Dabei ist bekannt, wie man den sensorlosen FOC-Algorithmus (Field-Oriented Control) für einen Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) einer Waschmaschine implementiert. Dabei wird die Wechselspannung zunächst über eine Einphasen-Gleichrichterbrücke in Gleichspannung umgewandelt und dann diese Gleichspannung zur Ansteuerung der Motorschaltung in eine variable Spannung mit variabler Frequenz konvertiert. Ferner erfolgt eine Pulsbreitenmodulation derart, dass die Wechselrichter-Brückenschaltung eine sinusförmige Ausgangsspannung produziert.
US 6,870,348B2 offenbart eine Rotorwiderstandsadaptation für indirekte feldorientierte Steuerung einer Induktionsmaschine, wobei ein abgeschätzter Rotorflussgrößenwert basierend auf einem Rotorwiderstandsparameter erzeugt wird und ein Rotorwiderstandseinstellungsmodul den Rotorwiderstandsparameter basierend auf der tatsächlichen und der abgeschätzten Rotorflussgröße aktualisiert. Dabei kann eine wechselseitige Induktivität mit dem Flussniveau variieren und kann unter Benutzung von Lookup-Tabellen kompensiert werden. Ferner ist der Widerstandswert vornehmlich von der Rotortemperatur beeinflusst.
Es ist beobachtet worden, dass herkömmliche Verfahren und Vorrichtungen zum Steuern einer Synchronmaschine, welche als Motor betrieben wird, häufig Ungenauigkeiten in dem von der Synchronmaschine erzeugten Drehmoment aufweisen. Ferner ist beobachtet worden, dass herkömmliche Verfahren und Vorrichtungen zum Steuern einer Synchronmaschine häufig nicht in der Lage sind, gewünschte Ströme, insbesondere gewünschte Statorströme exakt zu erzeugen.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Konzept zum Steuern einer Synchronmaschine sowie eine Synchronmaschine bereitzustellen, wobei eine Erzeugung eines gewünschten Stromes bzw. eines gewünschten mechanischen Drehmoments mit höherer Genauigkeit ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände und Verfahren der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche spezifizieren gewisse Ausführungsformen der Erfindung.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine, bereitgestellt, welche einen Rotor (auch Läufer genannt) mit einem im Betrieb der Synchronmaschine magnetischen Bereich (insbesondere ein mittels einer Wicklung und Stromfluss erzeugtes magnetisches Feld und/oder ein mittels eines Permanentmagneten bereitgestelltes Magnetfeld) und mindestens eine Statorwicklung (z.B. eine Wicklung oder Windung eines elektrischen Leiters, welche am Stator, d.h. einem feststehenden Strukturabschnitt der Synchronmaschine angebracht ist, insbesondere gewickelt um mindestens einen Zahn des Stators) aufweist. Das Verfahren weist einen Schritt des Empfangens mindestens eines Eingangssignals (etwa eines elektrischen und/oder optischen Signals) auf, welches indikativ für ein gewünschtes Drehmoment (insbesondere mechanisches Drehmoment) der Synchronmaschine ist (wobei insbesondere das Eingangssignal ferner indikativ für eine gewünschte Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit der Synchronmaschine ist). Gemäß dem Verfahren wird ferner das Eingangssignal gefiltert (insbesondere zumindest zeitlich verzögert und/oder in seinem zeitlichen Verlauf modifiziert bzw. geändert). Ferner wird gemäß dem erfinderischen Verfahren mindestens ein Parameter (oder mehrere Parameter, insbesondere elektrischer/magnetischer Parameter) der Synchronmaschine in Abhängigkeit von dem gefilterten Eingangssignal (d.h. dem Signal, welches durch Filtern des Eingangssignal erhalten ist) bestimmt, wobei das Bestimmen ein Berechnen und/oder Ableiten und/oder Zugreifen auf gespeicherte Kennwerte, oder Kennlinien oder Kennfelder und/oder Verrechnen der Kennlinien, Kennfeldern oder Kennwerte mit dem gefilterten Eingangssignal umfassen kann. Ferner wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Steuersignal (insbesondere elektrisches Steuersignal, insbesondere Spannungssteuersignal) für die Synchronmaschine basierend auf dem bestimmten bzw. ermittelten Parameter (oder auf einer Vielzahl von bestimmten Parametern) und ferner basierend auf dem Eingangssignal bestimmt (was auch eine Berechnung mittels einer arithmetisch/logischen Einheit umfassen kann, welche insbesondere ein mathematisches/physikalisches Modell von elektrischen/magnetischen Aspekten der Synchronmaschine verwenden kann bzw. implementieren kann).
Die elektrische Maschine, insbesondere Synchronmaschine, kann als ein Generator oder insbesondere als ein Motor verwendet und angesteuert werden. Der magnetische Bereich kann insbesondere durch einen Permanentmagneten bereitgestellt sein, sodass das Verfahren zum Steuern einer Permanentmagnet-Synchronmaschine ausgebildet sein kann. Insbesondere können zwei, drei, vier, fünf, sechs oder noch mehr Statorwicklungen bereitgestellt sein, welche während eines Betriebs mit separaten, unabhängigen Spannungen versorgt werden können. Insbesondere können drei Statorwicklungen (oder drei Gruppen von Statorwicklungen) für drei elektrische Phasen bereitgestellt sein.
Das Eingangssignal kann insbesondere indikativ für ein Soll-Drehmoment und eine Soll-Drehzahl sein. Das Verfahren kann ausgebildet sein, die Synchronmaschine derart anzusteuern, dass ein tatsächliches Drehmoment mit großer Genauigkeit dem Soll-Drehmoment gleicht bzw. entspricht und derart, dass eine tatsächliche Drehzahl (oder (mechanische) Winkelgeschwindigkeit) der Soll-Drehzahl (bzw. Soll-Winkelgeschwindigkeit) mit hoher Genauigkeit gleicht, bzw. entspricht. Dabei kann das Eingangssignal insbesondere mindestens einen Sollstrom der Statorwicklung aufweisen, insbesondere kann das Eingangssignal einen Sollstrom entlang einer d-Achse und einen Sollstrom entlang einer q-Achse aufweisen, wobei ein rotorfestes d-q-Koordinatensystem mit dem Rotor mit rotiert, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Das rotorfeste dq-Koordinatensystem rotiert somit mit der mechanischen Winkelgeschwindigkeit um ein statorfestes αβ-Koordinatensystem. Ein Raumzeiger im dq-Koordinatensystem kann durch die sogenannte d/q-Transformation aus den Phasengrößen berechnet werden. Die d/q-Transformation dient dazu, dreiphasige Größen mit den Achsen U, V, W in ein zweiachsiges Koordinatensystem mit den Achsen d und q zu überführen.
Das Filtern des Eingangssignals (bzw. der mehreren, insbesondere zwei, Komponenten des Eingangssignals) kann ein analoges und/oder digitales Filtern umfassen. Insbesondere kann das gefilterte Eingangssignal (insbesondere komponentenweise jeweils) eine verzögerte Version des empfangenen Eingangssignals repräsentieren. Eine Verzögerungszeit kann dabei derart gewählt sein, dass ein zeitliches Verhalten der Synchronmaschine (bei Spannungsansteuerung) nachgestellt wird. Insbesondere kann das Filtern des Eingangssignals derart erfolgen, dass das gefilterte Eingangssignal (oder die Komponenten des gefilterten Eingangssignals, insbesondere der gefilterte Sollstrom in der d-Achse und der gefilterte Sollstrom in der q-Achse) tatsächlichen Statorströmen in der d-Achse und der q-Achse gleichen oder zumindest ähneln, welche in der zumindest einen Statorwicklung der Synchronmaschine fließen. Diese Verhältnisse können für alle Statorwicklungen der Synchronmaschine erfüllt sein.
Insbesondere können mindestens einer oder alle derjenigen Parameter (Betriebsparameter bzw. Kenngrößen) der Synchronmaschine in Abhängigkeit von dem gefilterten Eingangssignals bestimmt werden, welche eine Abhängigkeit von einem elektrischen Zustand der Synchronmaschine zeigen, welche insbesondere eine Abhängigkeit von tatsächlichen Strömen in der d-Achse und der q-Achse zeigen. Damit ist ermöglicht, diese Abhängigkeit der Parameter der Synchronmaschine von den tatsächlichen Statorströmen aufgrund einer Schätzung der tatsächlichen Statorströme durch Filtern der Eingangsströme zu bestimmen, um somit ein tatsächliches Drehmoment und eine tatsächliche Drehzahl mittels der Synchronmaschine zu erzeugen, welche mit höherer Genauigkeit einem Soll-Drehmoment bzw. einer Soll-Drehzahl entsprechen bzw. gleichen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Filtern des Eingangssignals (oder jeder einzelnen Komponente des Eingangssignals) mittels eines Verzögerungsgliedes, insbesondere eines Verzögerungsgliedes erster Ordnung, erfolgen. Ein Verzögerungsglied erster Ordnung wird auch als PT1-Glied bezeichnet und kann z.B. durch eine Übertragungsfunktion K/(1 + Tf·s) und durch eine Sprungantwort K(1 – e^(–t/Tf)) charakterisiert werden. Ändert sich beispielsweise das Eingangssignal sprunghaft von einem ersten Wert zu einem zweiten Wert, so nähert sich das mittels des Verzögerungsgliedes erster Ordnung gefilterte Eingangssignal langsam beginnend von dem ersten Wert in exponentieller Weise dem zweiten Wert an, wobei die exponentielle Annäherung durch die charakteristische Zeitkonstante Tf gegeben ist. Das Verzögerungsglied erster Ordnung kann als analoges und/oder digitales Verzögerungsglied erster Ordnung ausgeführt sein. Mittels der Verwendung des Verzögerungsgliedes erster Ordnung kann das Filtern des Eingangssignals in einfacher und kostengünstiger Weise durchgeführt werden. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann auch ein Verzögerungsglied zweiter Ordnung eingesetzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Steuersignal, welches basierend auf dem ermittelten Parameter und dem Eingangssignal bestimmt wird, und insbesondere auch an einem Ausgangsanschluss ausgegeben wird, indikativ für eine an die Statorwicklung anzulegende Soll-Statorwicklungsspannung (oder indikativ für eine Mehrzahl an mehrere Statorwicklungen anzulegende Soll-Statorwicklungsspannungen). Insbesondere kann das Steuersignal dabei eine Soll-Statorwicklungsspannung in der d-Achse und eine Soll-Statorwicklungsspannung in der q-Achse aufweisen. Zur Berechnung der Soll-Statorwicklungsspannung aus insbesondere Soll-Statorströmen kann ein mathematisch/physikalisches Modell der Synchronmaschine herangezogen werden. Ferner können dann in vorteilhafter Weise die eine oder die mehreren Soll-Statorwicklungsspannung als Steuersignale für einen Wechselrichter verwendet werden, was somit die Verwendung von herkömmlichen Komponenten ermöglicht. Damit kann das Verfahren vereinfacht werden und kostengünstig implementiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Eingangssignal einen Soll-Statorwicklungsstrom (oder insbesondere mehrere Komponenten des Soll-Statorwicklungsstroms) umfassen, insbesondere repräsentiert in einem d-q-Koordinatensystem, welches synchron mit dem magnetischen Bereich rotiert, wobei das Steuersignal die Soll-Statorwicklungsspannung umfasst, insbesondere repräsentiert in dem d-q-Koordinatensystem, d.h. Komponenten in der d-Achse und der q-Achse aufweisend.
Über Kennlinien, mathematische Formeln oder Tabellen kann der Soll-Statorwicklungsstrom, insbesondere zwei Komponenten in dem d-q-Koordinatensystem umfassend, indikativ für ein Soll-Drehmoment und/oder eine Soll-Drehzahl sein. Eine Verwendung eines Soll-Statorwicklungsstroms hat sich als vorteilhaft für ein Eingangssignal erwiesen. Damit kann das Verfahren vereinfacht werden und es können insbesondere herkömmliche Verfahren auf das erfindungsgemäße Verfahren adaptiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Verzögerungsglied (insbesondere für jede Komponente des Eingangssignals) durch eine Zeitkonstante gekennzeichnet, die in Abhängigkeit mindestens einer Zeitkonstante, insbesondere einer Zeitkonstante in der d-Achse und/oder einer Zeitkonstante der q-Achse, der Synchronmaschine zum Aufbau eines Ist-Statorwicklungsstroms bei Beaufschlagen der Statorwicklung mit der Statorwicklungsspannung bestimmt ist, wobei die Zeitkonstante (insbesondere eine Zeitkonstante pro Komponente des Eingangssignals) des Verzögerungsglieds abhängig von der gewählten Dynamik der Steuerung oder Regelung ist, wobei sie insbesondere in einem Bereich zwischen 0,2 x und 1,5 x der Zeitkonstant(en) der Synchronmaschine liegen kann. Die Zeitkonstante der Synchronmaschine, insbesondere die elektrische Zeitkonstante der Maschine in der d-Achse (TEd) und die elektrische Zeitkonstante der Maschine in der q-Achse (TEq), kann insbesondere als ein Verhältnis der Induktivität in der jeweiligen Richtung und einem Widerstand der Statorwicklung ausgedrückt oder bestimmt sein und insbesondere die Dynamik der Synchronmaschine widerspiegeln. Insbesondere kann die Zeitkonstante der Synchronmaschine selbst abhängig von einem Ist-Statorwicklungsstrom sein. Insbesondere kann das Verzögerungsglied für jede Komponente (des Eingangssignals) in dem d-q-Koordinatensystem durch eine jeweilige Zeitkonstante gekennzeichnet sein und insbesondere können die beiden Komponenten des Eingangssignals mittels zweier Verzögerungsglieder gefiltert werden, welche eine verschiedene Charakteristik aufweisen oder eine gleiche Charakteristik aufweisen können. Auf diese Weise kann eine Charakteristik des Verzögerungsgliedes derart bestimmt werden, dass die tatsächlichen physikalischen Eigenschaften der Synchronmaschine zur Bestimmung des gefilterten Eingangssignals berücksichtigt werden. Auf diese Weise kann das gefilterte Eingangssignal in genauerer Weise beispielsweise einen tatsächlichen Statorwicklungsstrom repräsentieren bzw. diesem gleichen oder ähneln. Damit kann eine Genauigkeit eines erreichten Drehmomentes erhöht werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Filtern derart durchgeführt werden, dass das gefilterte Eingangssignal indikativ für den Ist-Statorwicklungsstrom ist (oder eine Mehrzahl von Ist-Statorwicklungsströmen entlang der d-Achse und der q-Achse). Das Filtern kann insbesondere derart durchgeführt werden, dass das gefilterte Eingangssignal weniger als 10 %, insbesondere weniger als 5 %, von dem Ist-Statorwicklungsstrom (bzw. von den verschiedenen Komponenten des Ist-Statorwicklungsstroms) abweicht. Je besser das gefilterte Eingangssignal mit einem Ist-Statorwicklungsstrom übereinstimmt, mit umso höherer Genauigkeit können die Werte der Parameter der Synchronmaschine eingestellt werden und somit kann mit höherer Genauigkeit ein gewünschtes Drehmoment durch das Ansteuern der Synchronmaschine erhalten werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Abhängigkeit des Parameters (oder der mehreren Parameter) von dem gefilterten Soll-Statorwicklungsstrom (bzw. von einem Ist-Statorwicklungsstrom mit Komponenten in der d-Achse und/oder der q-Achse) im Voraus bestimmt werden, insbesondere gemessen werden. Damit kann der Parameter oder die mehreren Parametern beim gegebenen gefilterten Soll-Statorwicklungsstrom derart eingestellt bzw. nachgeführt werden, dass sie den tatsächlichen Parametern der Synchronmaschine entsprechen, wenn der Ist-Statorwicklungsstrom durch die Statorwicklung fließt. Damit kann das Verfahren weiter verbessert werden und die Genauigkeit gesteigert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Bestimmen bzw. Ermitteln des Steuersignals Auswerten mindestens einer Gleichung (insbesondere einer Gleichung für die d-Achse und einer Gleichung für die q-Achse), wobei in die Gleichung das Eingangssignal (insbesondere jeweils eine Komponente in der d-Achse und der q-Achse aufweisend) und der Parameter (oder die mehreren Parameter) eingehen. Damit kann basierend auf der Gleichung ein Bestimmen des Steuersignals vereinfacht werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt das Bestimmen des Steuersignals ferner basierend auf einer elektrischen Winkelgeschwindigkeit (welche insbesondere aus einer mechanischen Winkelgeschwindigkeit durch Multiplikation mit der Anzahl von Pol-Paaren erhalten werden kann) und/oder einer Temperatur der Statorwicklung und/oder einer Temperatur des magnetischen Bereichs. Auch die Temperatur der Statorwicklung und/oder die Temperatur des magnetischen Bereichs kann etwa einen ohmschen Widerstand der Statorwicklung beeinflussen bzw. einen Polradfluss des magnetischen Bereichs beeinflussen, welche beide eine Auswirkung auf ein tatsächlich erzeugtes Drehmoment haben können. Damit kann das Verfahren zur genaueren Erzeugung eines gewünschten Drehmoments weiter verbessert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Eingangssignal indikativ für eine gewünschte Drehzahl der Synchronmaschine sein. Damit kann das Verfahren auf herkömmliche Verfahren adaptiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Parameter ein elektrischer und/oder magnetischer bzw. elektromagnetischer Parameter der Statorwicklung und/oder des magnetischen Bereichs sein. Damit können Parameter, welche maßgeblich für den Betrieb der Synchronmaschine sein können, hinsichtlich ihrer Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Synchronmaschine bestimmt werden. Damit kann das Verfahren auf wesentliche Parameter der Synchronmaschine begrenzt bzw. angewendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Parameter mindestens eine Induktivität der Statorwicklung umfassen, insbesondere entlang der q-Achse und/oder der d-Achse und/oder einen, insbesondere temperaturabhängig korrigierten, Polradfluss des magnetischen Bereich und/oder einen, insbesondere temperaturabhängig bestimmten, ohmschen Widerstand der Statorwicklung.
Die Parameter können dabei jeweils eine Induktivität jeder vorhandenen Statorwicklung, den Polradfluss jedes magnetischen Bereichs und den ohmschen Widerstand jeder Statorwicklung umfassen. Damit können Parameter, welche einen maßgeblichen Einfluss auf den Betrieb der Synchronmaschine haben, gezielt in ihrer Abhängigkeit von einem tatsächlichen Statorwicklungsstrom nachgeführt werden, um eine Genauigkeit eines erreichten tatsächlichen Drehmoments zu erhöhen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren ferner einen Schritt des Transformierens (insbesondere mittels einer Park-Transformation) der Soll-Wicklungsspannung von einem d-q-Koordinatensystem in ein oktogonales Alpha-Beta-System aufweisen, einen Schritt des Bestimmens von Pulsweitenmodulationssignalen, insbesondere für drei Phasen, aus der Soll-Wicklungsspannung, einen Schritt des Ansteuerns von Leistungsschaltern (insbesondere Leistungstransistoren, etwa IGBTs) eines, insbesondere drei-phasigen, Wechselrichters mittels der Pulsweitenmodulationssignale und einen Schritt des Anlegens von mindestens einer Ausgangsspannung (insbesondere dreier Ausgangsspannungen für drei Phasen) des Wechselrichters an die mindestens eine Statorwicklung (insbesondere die drei Statorwicklungen) der Synchronmaschine. Damit basiert letztendlich die zumindest eine Ausgangsspannung des Wechselrichters auf dem Eingangssignal, welches erfindungsgemäß gefiltert worden ist. Damit kann die Statorwicklung der Synchronmaschine angelegte Ausgangsspannung derart bestimmt sein, dass ein gewünschtes Drehmoment mit höherer Genauigkeit tatsächlich erzeugt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren ferner ein Messen des Ist-Statorwicklungsstroms und ein Korrigieren des gemessenen Ist-Statorwicklungsstroms basierend auf dem gefilterten Eingangssignal auf. Insbesondere ist zum Durchführen des Verfahrens ein Messen des Ist-Statorwicklungsstroms nicht erforderlich, um einen Messaufwand zu begrenzen. Ein Ist-Statorwicklungsstrom kann jedoch für andere Zwecke gemessen bzw. verwendet werden, wobei die Messung Ungenauigkeiten aufweisen kann, etwa wenn der Ist-Statorwicklungsstrom sehr verrauscht ist oder ein geringes Signal-zu-Rausch-Verhältnis aufweist. In einem solchen Fall kann es vorteilhaft sein, das gefilterte Eingangssignal heranzuziehen, welches als eine Schätzung des Ist-Statorwicklungsstroms aufgefasst werden kann. Unter Zuhilfenahme dieser Schätzung des Ist-Statorwicklungsstrom, d.h. des gefilterten Eingangssignals, kann eine verrauschte Messung eines Ist-Statorwicklungsstroms korrigiert werden, um einen korrigierten gemessenen Ist-Statorwicklungsstrom zu erhalten, welcher mit höherer Genauigkeit einem tatsächlichen Statorwicklungsstrom entsprechen, bzw. gleichen kann. Damit können andere Verfahren und Vorrichtungen, welche einen tatsächlichen Statorwicklungsstrom benötigen, durch Korrektur des gemessenen Statorwicklungsstrom verbessert werden.
Es sollte verstanden werden, dass Merkmale, welche individuell oder in irgendeiner Kombination im Zusammenhang mit einem Verfahren zum Steuern einer Synchronmaschine genannt, beschrieben, erwähnt oder angewendet worden sind, gleichwohl auch individuell oder in einer irgendeiner Kombination für eine Vorrichtung zum Steuern einer Synchronmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet, eingesetzt oder bereitgestellt werden können und umgekehrt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird auch eine Vorrichtung zum Steuern einer Synchronmaschine bereitgestellt, welche einen Rotor mit einem in Betrieb magnetischen Bereich und mindestens eine Statorwicklung aufweist. Insbesondere ist die Vorrichtung ausgebildet, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Steuern einer Synchronmaschine auszuführen. Dabei weist die Vorrichtung einen Eingang zum Empfangen mindestens eines Eingangssignals auf, welches indikativ für ein gewünschtes Drehmoment der Synchronmaschine ist. Ferner weist die Vorrichtung ein Filter auf, welches zum Filtern des Eingangssignals ausgebildet ist, insbesondere ein Verzögerungsglied erster oder zweiter Ordnung. Ferner weist die Vorrichtung einen Prozessor (oder Rechenanlage, insbesondere einen elektronischen Speicher aufweisend) auf, welcher ausgebildet ist, um mindestens einen Parameter der Synchronmaschine in Abhängigkeit von dem gefilterten Eingangssignal zu bestimmen und ein Steuersignal basierend auf dem bestimmten Parameter und dem Eingangssignal zu ermitteln.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Synchronmaschine, insbesondere Permanentmagnet-Synchronmaschine bereitgestellt, die eine Vorrichtung zum Steuern der Synchronmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist. Die Synchronmaschine kann dabei insbesondere als ein Motor verwendet werden, welcher beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeuges, etwa Automobils, verwendet werden kann.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen oder illustrierten Ausführungsformen begrenzt.
1 illustriert ein Blockschaltbild einer feldorientierten Steuerung (FOS), welche eine Vorrichtung zum Steuern einer Synchronmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
2 illustriert eine Abhängigkeit von Induktivitäten einer Statorwicklung von einem Startorwicklungsstrom, welche gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei der Steuerung der Synchronmaschine berücksichtigt wird;
3 illustriert eine Charakteristik eines Filters, welches gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Vorrichtung zur Steuerung einer Synchronmaschine verwendet wird;
4 illustriert ein Blockschaltbild einer feldorientierten Steuerung gemäß einer alternativen Ausführungsform; und
5 illustriert ein Flussdiagramm eines Steuerverfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1 illustriert eine Vorrichtung 100 zum Steuern einer Synchronmaschine 101 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die von einer feldorientierten Steuerung (FOS) 150 umfasst ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Permanentmagnet-Synchronmaschine 101 gesteuert.
Die Permanentmagnet-Synchronmaschine 101 weist einen Stator mit Statorwicklungen 144, 146, 148 auf sowie einen Rotor 102 mit einem im Betrieb magnetischen Bereich 104, 106. Die PSM-Maschine 101 ist eine Drehfeldmaschine mit einem auf oder im Läufer 102 montierten Permanentmagnet 104, 106. Der Stator bildet sich aus der um jeweils 120° versetzt verteilen Spulen 144, 146, 148. Die Zustandsgrößen der PSM (Strom, Spannung, Fluss, etc.) können in dem Drei-Koordinatensystem (u, v, w) dargestellt werden. Für die Regelung der Maschine 101 werden die Zustandsgrößen der Maschine in ein mit dem Rotor drehendem Koordinatensystem (d, q) transformiert, wobei die d-Achse in gleichem Sinn des Permanentflusses des Läufers 102 gerichtet wird.
Mit der Transformation der Zustandsgrößen in das d,q-Koordinatensystem vereinfachen sich die differentiellen Gleichungen der Maschine. Damit kann die Maschine wie eine Gleichstrommaschine geregelt werden. Dies wird im Folgenden als feldorientierte Regelung (FOR) der PSM bezeichnet. Für die Durchführung der FOR sind neben einer Rotorposition und einer Zwischenkreisspannung Informationen über die Phasenströme erforderlich, um eine Rückkopplung des Regelkreises zu gewährleisten. Dies bedeutet, dass Strommesssensoren zur Messung der Ströme benötigt werden.
Verzichtet man auf die Strommesssensoren bzw. Stromsensoren, wie in einer Ausführungsform der Erfindung, können Sensorkosten gespart sowie der damit verbundenen Aufwand (Leitungen, Platine, ...) reduziert werden. In Low-Cost Varianten (z.B. Servolenkungen) können Shunts bzw. Messwiderstände als Stromsensoren eingesetzt werden. Wegen des Schwingverhaltens des Stromes beim Ein- und Ausschalten des Halbleiters in einer Endstufe (verursacht durch Streuinduktivitäten in Endstufe), kann der Strom nicht richtig gemessen werden. Deswegen wird bei der Messung des Stromes eine Verschiebung der Spannung an die jeweilige gemessene Phase durch eine Totzeit in der Endstufe eingeführt, um nicht während des Schwingens des Stromes zu messen. Diese Totzeit kann zum Spannungsverlust führen, was einen unerwünschten Leistungsverlust verursacht. Wenn man auf die Strommessung verzichtet, wie in einer Ausführungsform der Erfindung, kann dieser Nachteil aufgehoben werden.
Für die Ansteuerung der PSM 101 mit nur dem Positionssensor 149 und dem Zwischenkreisspannungssensor und ohne die Stromsensoren kann eine Feldorientierte Steuerung (FOS) mit einstellbarer Dynamik gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendet werden. Hier kann auf die Messung der Ströme verzichtet werden und man kann die gleiche Dynamik wie mit der FOR erreichen.
Die beiden folgenden Gleichungen GL. 1 und GL. 2 sind die durch die FOS berechneten Spannungen in d- und q-Achse, um die gewünschte Ströme Isd und Isq einzustellen:
Dabei bedeuten:

ωel:: die elektrische Winkelgeschwindigkeit
θm:: der mechanische Winkel
θel:: der elektrische Winkel
Zp:: die Polpaarzahl der Maschine
Usα, Usβ:: die Spannungen in α,β-Koordinatensystem
Usd_k, Usq_k:: die geforderten Spannungen in d,q-Koordinatensystem (aktuell)
Usd_k – 1, Usq_k – 1:: die geforderten Spannungen in d,q-Koordinatensystem (ein Abtastschritt zuvor)
Isd_k, Isq_k:: die Sollströme in d,q-Koordinatensystem (aktuell)
Isd_k – 1, Isq_k – 1:: die Sollströme in d,q-Koordinatensystem (ein Abtastschritt zuvor)
R:: (= Rs) der Statorswiderstand der Maschine
Ψ:: (= ΨPM) der Polradfluss der Maschine
TEd:: die elektrische Zeitkonstante der Maschine in d-Achse (= Lsd/R)
TEq:: die elektrische Zeitkonstante der Maschine in q-Achse (= Lsq/R)
T1:: die gewünschte Zeitkonstante in d-Achse
T2:: die gewünschte Zeitkonstante in q-Achse
T:: die verwendete Abtastzeit
Udc:: die Zwischenkreisspannung (entspricht in manchen Anwendungen im Automobilindustrie die Batteriespannung)
PWM123:: die PWM-Werte zur Ansteuerung des Wechselrichters

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält das Bestimmungsmodul 119 die diskreten Gleichungen Gl.1 und GL. 2 für die beiden geforderten Spannungen in d- und q-Achse Usd_k und Usq_k, wie unten ausgeführt ist.
Um das Ansteuerverfahren FOS auf einem Mikrokontroller zu verwirklichen, kann dies diskret mit einer ausgewählten Abtastzeit T implementiert werden. Zu Anfang jeder Abtastzeit werden analoge Messgrößen (Spannung, Winkel ...) abgetastet und andere Größen (PWM123 ...) an andere Antriebsystemteile ausgegeben. Während der Abtastzeit bzw. dem Abtastintervall werden interne Größen (Drehzahl ...) und andere Algorithmen (GL. 1 und GL.2 ...) berechnet. Die meist eingesetzten Maschinen zeigen Sättigungseffekte, d.h. ihre Längs- und Querinduktivität (Lsd und Lsq) sind nicht in allen Betriebszustände konstant. Sie sind abhängig von den Strömen Isd und Isq. Dazu ist eine Abhängigkeit des Polradflusses von der Temperatur sowie von den Strömen Isd und Isq zu berücksichtigen. Der Widerstand Rs ist abhängig von der Temperatur, wie mit Bezug auf 2 unten ausgeführt wird, welche die Abhängigkeit der Maschineninduktivitäten (Lsd und Lsq) von den Strömen in d,q-Koordinatensystem (Isd und Isq) bei einer ausgewählten Maschine zeigt.
Wegen diesen Abhängigkeiten der Motorparameter entstehen Spannungsabweichungen in der Ansteuerung der Maschine. Diese Spannungsabweichungen führen zur Stromabweichungen. Ein anderer Nachteil ist die Entstehung von Oberschwingungen in der Maschine, die bestimmte Resonanzfrequenzen anregen können, was zum Geräusch und Schwingungen im Antriebssystem führen. Um diese Parameterabhängigkeit in der Maschine zu kompensieren, können die nachzuführenden Parameter der Maschine abhängig von den gemessenen Strömen (vor allem die d,q-Ströme) und der Temperatur kompensiert werden.
Bei der Regelung der Drehfeldmaschinen können die Phasenströme gemessen werden, um eine Rückkopplung der Maschinenströme im Regelkreis aufzubauen. Damit können die gemessenen Phasenströme durch entsprechen Transformation in d,q-Ströme umgeschrieben und für die Kompensation der Parameterabhängigkeit verwendet werden.
Bei anderen Ansteuerverfahren (z.B. Feldorientierte Steuerung FOS oder FOR mit Maschinenstromschätzer) braucht oder kann kein Phasenstrom benötigt sein. Eine Messeinrichtung der Phasenströme kann entfallen. Somit kann keine Standard-Kompensation der Parameterabhängigkeit der Maschine verwendet werden.
Wenn die Maschine nur gesteuert (FOS) und nicht geregelt wird, wie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, so können in konventionellen Verfahren die Abweichungen wegen der Parameterabhängigkeiten nicht ausgeregelt werden. Wegen dieser Abweichungen entsteht in konventionellen Verfahren eine Änderung des gewünschten Spannungsvektors, was zu Verzerrungen der Eingangsspannungen an der Maschine und zu Drehmomentungenauigkeiten führen kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Konzept zur Kompensation der Parameterabhängigkeit bei der FOS aufgezeigt, um die gewünschten Ströme (bzw. Drehmomente) genauer einzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Kompensation der Parameterabhängigkeit der Maschine basierend auf den Stromsollwerten statt über gemessene Ströme der Maschine durchgeführt. Die Strommessung ist dabei nicht essentiell notwendig oder entfällt. Die FOS hat eine gewählte Dynamik, d.h. die geforderten d,q-Ströme werden erst nach einer gewissen Zeit eingestellt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Verzögerung der d,q,-Ströme mit einem Tiefpassfilter (oder anderes Filter) nachgebildet. Die Zeitkonstante Tf des Tiefpassfilters kann so gewählt werden, dass die Dynamik der FOS nachgebildet wird, d.h. die mit diesem Tiefpassfilter gefilterten Sollströme sollen möglichst den gleichen Verlauf wie die Ströme in der Maschine 101 haben.
Durch die verzögerten Sollwerte der d,q-Ströme IsdRefF und IsqRefF kann man die nachgebildeten in dq-Koordinatensystem transformierten Phasenströme der Maschine erhalten. Mit den beiden Strömen IsdRefF und IsqRefF kann die Kompensation der Parameterabhängigkeit der Maschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung durchgeführt werden.
Die Vorrichtung 100 weist einen Eingang 103 zum Empfangen eines Sollstatorwicklungsstroms bzw. Sollstatorwicklungsstromwerts 109 in der d-Achse (Isd_k) und einem Eingang 105 zum Empfangen eines Sollstatorwicklungsstroms bzw. Sollstatorwicklungsstromwerts 111 in der q-Achse (Isq-k) auf, wobei die beiden Sollstartorwicklungsströme bzw. Sollstatorwicklungsstromwerte indikativ für ein gewünschtes Drehmoment sind, welches mittels der Synchronmaschine 101, welche hier als Motor fungiert, zu erzeugen ist.
Mit Hilfe der Vorrichtung 100 zum Steuern einer Synchronmaschine 101 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung führt die feldorientierte Steuerung 150 die Steuerung der Synchronmaschine 101 durch.
Die Vorrichtung 100 weist ferner ein Filter 107 auf, welchem die Eingangsstromsignale 109 und 111 zugeführt werden und welches ausgebildet ist, die Eingangssignale 109 und 111 zu filtern, insbesondere zeitlich zu verzögern, um entsprechende gefilterte Eingangssignale 113 bzw. 115 auszugeben. Die Vorrichtung 100 weist ferner einen Prozessor 116 auf, welcher aus einem Nachführungsmodul 117 und einem Bestimmungs- bzw. Ermittlungsmodul 119 aufgebaut ist. Dabei empfängt der Prozessor 116 in seinem Nachführungsmodul 117 die gefilterten Eingangssignale 113 und 115 (IsqrefF, IsdrefF) wobei das Nachführungsmodul 117 mindestens einen Parameter der Synchronmaschine in Abhängigkeit von den gefilterten Eingangssignalen 113, 115 bestimmt bzw. ermittelt. Insbesondere bestimmt das Nachführungsmodul die Induktivitäten Lsq, Lsd einer Statorwicklung der Synchronmaschine 101, bestimmt einen Widerstand Rs der Statorwicklung der Synchronmaschine 101 und bestimmt einen Polradfluss, ψ_PM eines magnetischen Bereiches bzw. eines Permanentmagneten der Permanentmagnet-Synchronmaschine 101 basierend auf den gefilterten Eingangssignalen 113, 115.
Die bestimmten bzw. ermittelten Parameter, welche allgemein auch mit Bezugszeichen 121 referenziert werden, werden dem Bestimmungsmodul 119 zugeführt, welches weiterhin die Eingangssignale 109 und 111 erhält, welche den Sollstatorwicklungsströmen in der d-Achse bzw. der q-Achse entsprechen. Das Bestimmungsmodul 119 bestimmt unter Verwendung der Gleichungen 1 und 2, die oben aufgeführt sind, zwei Steuersignale 123 (Usd_k) und 125 (Usq_k), welche von der Vorrichtung 100 zur weiteren Verarbeitung mittels eines Transformatormoduls 127, eines Vektormodulators 129 und eines Wechselrichters 131 ausgegeben werden. Der Wechselrichter 131 wird mit einem Netzteil oder einer Batterie versorgt. Direkt an dem Wechselrichterzwischenkreis sind üblicherweise Kondensatoren zur Stabilisierung der Spannung angeschlossen. U_DC ist die gemessene Zwischenkreisgleichspannung. Die gemessene Zwischenkreisgleichspannung UDC wird von dem Wechselrichter 131 zum Vektormodulator 129 zurückgeführt.
Das Transformatormodul 127 transformiert dabei die Steuersignale 123, 125, welche Sollstatorwicklungsspannungen in der d-Achse, bzw. der q-Achse darstellen, von dem mit dem Rotor mitlaufenden d-q-Koordinatensystem in ein statorfestes orthogonales αβ-Koordinatensystem, gibt entsprechende Steuerspannungen 133 bzw. 135 der α-Komponente bzw. der β-Komponente aus und übergibt diese an den Vektormodulators 129, welcher Pulsweite-Modulationssignale 137 (PWM1), 139 (PWM2) und 141 (PWM3), welche drei elektrischen Phasen entsprechen, an den Wechselrichter 131 ausgibt. Aufgrund der pulsweiten Modulationssignale 137, 139, 141 werden im Wechselrichter entsprechende Leistungstransistoren, welche zwischen einer Zwischengleichspannung angeordnet sind, ansteuert, um drei Ausgangsspannungssignale 143, 145, 147 zu erzeugen, welche an drei Statorwicklungen 144, 146, 148 der Permantmagnetsynchronmaschine 101 angelegt werden, um ein Drehmoment zu erzeugen, welches aus den Eingangssollstatorwicklungsströmen 109, 111 ableitbar ist.
Eine Nachführung bzw. eine Bestimmung der elektrischen/magnetischen Parameter 121 der Permanentmagnet-Synchronmaschine 101 können notwendig sein, da diese Parameter von den tatsächlichen Statorwicklungsströmen in der Permanentmagnet-Synchronmaschine 101 abhängen können.
In 1 ist ferner ersichtlich, dass das Nachführungsmodul ferner eine Temperatur empfängt, insbesondere eine Temperatur der Statorwicklung, insbesondere um einen ohmschen Widerstand Rs in Abhängigkeit von der Temperatur zu bestimmen.
Wie ferner aus 1 ersichtlich ist, wird mittels eines Gebers 149 ein mechanischer Winkel 151 (Θm) bestimmt. Durch ein Ableitungsglied 154 wird der mechanische Winkel 151 zeitlich abgeleitet, um eine mechanische Winkelgeschwindigkeit 153 zu bestimmen, welche einem Multiplikationsglied 155 zugeführt wird, welches die mechanische Winkelgeschwindigkeit 153 mit der Anzahl der Polpaare Zp multipliziert, um eine elektrische Winkelgeschwindigkeit 157 (ωel) zu erhalten. Die elektrische Winkelgeschwindigkeit 157 wird dem Bestimmungsmodul 119 zugeführt, um in den Gleichungen 1 und 2 eingehen zu können.
Mittels eines weiteres Multiplikationsglieds 155 wird aus dem mechanischen Winkel 151 ein elektrischer Winkel 152 (Θel) berechnet, welcher dem Transformationsmodul 127 zur Durchführung der Transformation von dem d-q-Koordinatensystem auf das Alpha-Beta-Koordinatensystem verwendet wird.
2 illustriert einen Graphen zur Veranschaulichung einer solchen Parameterabhängigkeit von einem Statorwicklungsstrom als ein nicht beschränkendes Beispiel. Auf einer Abszisse 201 ist eine Größe I-RMS in Ampere aufgetragen, welche indikativ für einen Betrag eines Statorwicklungsstromes in der d-Achse bzw. der q-Achse ist. Auf einer Ordinate 203 ist die Induktivität in Micro-Henry (µH) aufgetragen, wobei eine Kurve 205 die Statorwicklungsinduktivität Ld in der d-Achse illustriert und die Kurve 207 die Statorwicklungsinduktivität Lq in der q-Achse repräsentiert, etwa die Induktivitäten einer der Wicklungen 144, 146, 148. Hierbei bezeichnet insbesondere die Kurve 205 die Abhängigkeit der Induktivität Ld von dem Statorwicklungsstrom in der d-Achse und die Kurve 207 illustriert die Abhängigkeit der Induktivität Lq von dem Statorwicklungsstrom in der q-Achse. Wie aus den Kurven 205 und 207 ersichtlich ist, ändern sich die jeweiligen Induktivitäten bei Änderung des jeweiligen Stromes um bis zu 10 % (für die Induktivität Ld) bzw. um mehr als 10 % für die Induktivität Lq.
Wie aus der obigen Auflistung der Quantitäten in den Gleichungen 1 und 2 hervorgeht, kann damit beispielsweise auch die elektrische Zeitkonstante der Maschine in d-Achse (T_Ed) sowohl wie auch die elektrische Zeitkonstante der Maschine in der q-Achse (T_Eq) von dem Statorwicklungsstrom bzw. den Statorwicklungsströmen in der q-Achse, bzw. der d-Achse einzeln oder in Kombination abhängen. Die aufgrund des gefilterten Eingangssignals 113, 115 bestimmten Parameter 121 können dabei basierend etwa auf Kennfeldern bzw. Kennlinien bestimmt werden, wie im Folgenden im Detail beschrieben wird.
Die beiden Induktivitäten der Maschine können abhängig von den Strömen in d,q-Achse nachgeführt werden. Abhängig vom Motor können Sie entweder

• über Kennfelder (ausführlich, gilt für stark gesättigte Maschine)
• oder über Kennlinie (vereinfachte Form, gilt für nicht stark gesättigte Maschine)

Für den Fall von Kennfeldern können die Induktivitäten nach folgenden Gleichungen ermittelt werden: Lsd = f(IsdRefF, IsqRefF) GL.3 Lsq = f(IsdRefF, IsqRefF) GL.4
Für den vereinfachten Fall werden können folgende Kennlinien eingesetzt werden: Lsd = f(IsdRefF) GL.5 Lsq = f(IsqRefF) GL.6
Diese Kennfelder oder Kennlinien können Offline, d.h. separat von einer aktuellen Steuerung, gemessen (bzw. ermittelt) werden und im Mikrokontroller in einem Speicher hinter gelegt werden.
Der Polradfluss der Maschine kann abhängig von den Strömen in d,q-Achse nachgeführt werden. Abhängig vom Motor kann er entweder über Kennfeld oder über Kennlinie ermittelt werden.
Für den Fall vom Kennfeld kann der Polradfluss nach folgender Gleichung ermittelt werden: ΨPM = f(IsdRefF, IsqRefF) GL.7
Für den vereinfachten Fall kann eine Kennlinie eingesetzt werden: ΨPM = f(IsqRefF) GL.8
Das Kennfeld oder die Kennlinie können Offline gemessen (bzw. ermittelt) werden und im Mikrocontroller in einem Speicher hinterlegt werden. Da der Polradfluss auch von der Temperatur abhängig ist, wird er zusätzlich über diese nachgeführt. Ein Änderungsfaktor des Polradfluss PsiFakTem kann abhängig von der Temperatur ermittelt werden: PsiFakTem = f(Temperatur) GL.9
Der ermittelte Faktor PsiFakTem kann mit dem Polradfluss aus GL.7 oder GL.8 multipliziert werden, um den neuen aktuellen Polradfluss zu ermitteln. ΨPM = ΨPM·PsiFakTem GL.10
Der Widerstand Rs kann über die Temperatur nachgeführt werden. Es gibt zahlreiche Literatur für die Ermittlung dieser Abhängigkeit. Die Temperatur des Motors kann über Temperaturmodelle ermittelt oder direkt gemessen werden. Der Widerstand kann sich als Kennlinie oder eine Gleichung ergeben, die die Kupferkonstante und die Temperatur enthält. Rs = f(Temperatur) GL.11
Im Filter 107 der 1 können zwei Filterkomponenten für IsdRef und IsqRef die Dynamik der FOS nachbilden. Im Nachführungsmodul 117 werden die Nachführungen für die Induktivitäten Lsd, Lsq entweder über GL. 3 und GL. 4 oder über GL. 5 und GL. 6 durchgeführt. Der Polradfluss kann entweder über GL. 7 oder GL. 8 ermittelt werden und anschließend mit Hilfe der beiden Gleichungen GL. 9 und GL. 10 auf Temperaturänderungen angepasst werden. Der Widerstand Rs kann über Temperatur nach GL. 11 nachgeführt werden.
Folgende Vorteile können mittels Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung erreicht werden:

– Man kann auf Stromsensoren verzichten.
– Kompensation der Parameterabhängigkeit der Maschine kann zu besserer Akustik führen (bestimmte Oberschwingungen im Strom können gedämpft werden).
– Durch die Kompensation der Parameterabhängigkeit der Maschine kann die Momentgenauigkeit erhöht werden.
– Der Aufwand (Sensoren, A/D-Wandler, Platine-Fläche ...) und damit auch die Kosten (bei Millionen Stückzahlen im Automobil-Industrie: z.B. Servolenkungen) können reduziert werden.
– Die Kompensation der Parameterabhängigkeiten über die gefilterten Sollwerte kann auch bei Regelung mit Strommessungen verwendet werden, falls die Ströme sehr verrauscht sind.
– Durch den Verzicht auf die Stromsensoren können zum Beispiel manche Probleme bei der Strommessungen mit Shunt-Widerstand vermieden werden, z.B. Totzeit der Messung, die zum Spannungs- und Leistungsverlust in der Maschine führen kann.
– Kann bei Traktionsantrieben mit ungenauer oder verrauschter Strommessung in bestimmten Betriebsbereichen verwendet werden.

3 illustriert exemplarisch einen Graphen zur Veranschaulichung einer Charakteristik eines Verzögerungsgliedes erster Ordnung, welches beispielsweise als ein Filter 107 in der Vorrichtung 100 zum Steuern der Synchronmaschine Verwendung finden kann.
Auf der Abszisse 301 ist die Zeit t aufgetragen und auf der Ordinate 303 ist ein Ausgangssignal des Filters aufgetragen. Hierbei wird angenommen, dass an einem Eingangsanschluss des Filters ein sich sprunghaft änderndes Eingangssignal anliegt, welches bei der Zeit t = 0 von dem Wert 0 zu dem Wert K sprunghaft ansteigt. Die Kurve 305 zeigt das Ausgangssignal, welches von dem Filter ausgegeben wird, wenn das sich sprunghaft ändernde Eingangssignal an den Eingangsanschluss angelegt wird. Das Verzögerungsglied erster Ordnung weist eine charakteristische Zeitkonstante Tf auf. Wie aus 3 ersichtlich ist, beträgt das Ausgangssignal bei einem Zeitpunkt 307, welcher um das Zeitintervall Tf zeitlich nach dem Erfolgen des Sprungs des Eingangssignals bei t = 0 liegt, gemäß Ausführungsbeispielen das 0,63-fache des Eingangssignals nach dem erfolgten Sprung, das heißt 0,63 × K. Im weiteren Verlauf steigt das Ausgangssignal 305 des Filters exponentiell an und zwar gemäß der Formel h (t) = K (1 – e^(–t/Tf)). Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die charakteristische Zeitkonstante Tf des Filters, etwa des Filters 107 in 1, in Abhängigkeit von einer charakteristischen Zeitkonstante der Permanentmagnet-Synchronmaschine 101 gewählt. Wenn die Sollwerte der Ströme Isd und Isq vorgegeben werden, können erst nach einer gewissen Zeit die Ströme in der Maschine eingestellt werden. Die Zeitkonstante Tf des Filters 107 zur Nachbildung des Stromverlaufes, kann so ausgewählt werden, dass nach der Zeit t = Tf der gefilterte Strom 0,5 bis 0,8, insbesondere 0,63, des Stromsollwertes beträgt. Das betrifft Sprungantworten der Maschine, die ein gedämpftes Verhalten haben. Ist eine Sprungantwort mit Überschwinger im Istwert vorhanden, so kann z.B. ein Verzögerungsglied zweiter Ordnung gemäß
gewählt werden, bei dem die Variablen, die Zeitkonstante T und die Dämpfung d, so ausgewählt werden können, dass die gemessenen Ströme mit den gefilterten übereinstimmen. d beeinflusst dabei die Höhe der Überschwingung und T die Dynamik
4 illustriert eine feldorientierte Steuerung 450 gemäß einer Ausführungsform, wobei Komponenten, Signale oder Strukturen, welche in Struktur und/oder Funktion ähnlich zu denen sind, die in 1 illustriert sind, mit Bezugszeichen bezeichnet sind, welche sich lediglich in der ersten Ziffer unterscheiden.
Die feldorientiere Steuerung 450 der 4 umfasst dabei keinen Filter und auch kein Nachführungsmodul 117. Die Berechnung der Steuersignale 423, 425 erfolgt in analoger Weise unter Benutzung der Gleichungen 1 und 2, wobei jedoch hierbei die Parameter oder zumindest einige Parameter der Synchronmaschine, wie etwa die Induktivitäten der Statorwicklung, der ohmsche Widerstand der Statorwicklung und/oder der Polradfluss nicht aufgrund den gefilterten Eingangssignalen nachgestellt bzw. bestimmt werden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und in den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
Obwohl manche Aspekte der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit einer Vorrichtung zum Steuern einer Synchronmaschine beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung eines entsprechenden Verfahrens zum Steuern einer Synchronmaschine darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschritts zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details bzw. Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
5 illustriert ein Flussdiagramm eines Verfahrens 500 zum Steuern einer Synchronmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Synchronmaschine einen Rotor mit einem im Betrieb magnetischen Bereich und mindestens eine Statorwicklung aufweist. In Schritt 501 wird mindestens ein Eingangssignal, welches indikativ für ein gewünschtes Drehmoment der Synchronmaschine ist, empfangen. In Schritt 503 wird das Eingangssignal gefiltert. In Schritt 505 wird mindestens ein Parameter der Synchronmaschine in Abhängigkeit von dem gefilterten Eingangssignal bestimmt. In Schritt 507 wird ein Steuersignal basierend auf dem bestimmten Parameter und dem Eingangssignal bestimmt.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einer programmierbaren Hardwarekomponente derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird.
Eine programmierbare Hardwarekomponente kann durch ein Steuergerät, einen Prozessor, ein Computerprozessor (CPU = Central Processing Unit) einen Computer, ein Computersystem, einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC = Application-specific Integrated Circuit), einen integrierten Schaltkreis (IC = Integrated Circuit), ein Ein-Chip-System (SOC = System on Chip), ein programmierbares Logikelement oder ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor (FPGA = Field Programmable Gate Array) gebildet sein.
Das digitale Speichermedium kann daher maschinen- oder computerlesbar sein. Manche Ausführungsbeispiele umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem oder einer programmierbare Hardwarekomponente derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird. Ein Ausführungsbeispiel ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Programm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Programm, Firmware, Computerprogramm oder Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode oder als Daten implementiert sein, wobei der Programmcode oder die Daten dahin gehend wirksam ist bzw. sind, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Programm auf einem Prozessor oder einer programmierbare Hardwarekomponente abläuft. Der Programmcode oder die Daten kann bzw. können beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger oder Datenträger gespeichert sein. Der Programmcode oder die Daten können unter anderem als Quellcode, Maschinencode oder Bytecode sowie als anderer Zwischencode vorliegen.
Ein Programm gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eines der Verfahren während seiner Durchführung beispielsweise dadurch umsetzen, dass dieses Speicherstellen ausliest oder in diese ein Datum oder mehrere Daten hinein schreibt, wodurch gegebenenfalls Schaltvorgänge oder andere Vorgänge in Transistorstrukturen, in Verstärkerstrukturen oder in anderen elektrischen, optischen, magnetischen oder nach einem anderen Funktionsprinzip arbeitenden Bauteile hervorgerufen werden. Entsprechend können durch ein Auslesen einer Speicherstelle Daten, Werte, Sensorwerte oder andere Informationen von einem Programm erfasst, bestimmt oder gemessen werden. Ein Programm kann daher durch eine Auslesen von einer oder mehreren Speicherstellen Größen, Werte, Messgrößen und andere Informationen erfassen, bestimmen oder messen, sowie durch ein Schreiben in eine oder mehrere Speicherstellen eine Aktion bewirken, veranlassen oder durchführen sowie andere Geräte, Maschinen und Komponenten ansteuern.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele präsentiert wurden, beschränkt ist.
Bezugszeichenliste

100: Vorrichtung zum Steuern einer Synchronmaschine
101: Synchronmaschine
103, 105: Eingangsanschlüsse
107: Filter
109, 111: Eingangssollstatorwicklungsströme
113, 115: gefilterte Eingangssignale
117: Nachführungsmodul
119: Bestimmungsmodul
121: Parameter der Synchronmaschine
122: Temperatur der Statorwicklung bzw. des magnetischen Bereichs, bzw. des Permanentmagneten der Synchronmaschine
123, 125: Steuersignale, insbesondere Sollspannungssteuersignale
127: Transformationsblock
129: Vektormodulator
131: Wechselrichter
133, 135: Steuersignale in dem Alpha-Beta-Koordinatensystem
137, 139, 141: Pulsweiten-Modulationssignale
143, 145, 147: Spannungsausgangssignale
149: Geber
150: feldorientierte Steuerung
151: mechanischer Winkel
152: elektrischer Winkel
154: Ableitungselement
153: mechanische Winkelgeschwindigkeit
157: elektrische Winkelgeschwindigkeit
201: Abszisse
203: Ordinate
205: Induktivität in der d-Achse
207: Induktivität in der q-Achse
301: Abszisse
303: Ausgangssignal des Filters
305: Filtercharakteristik bei Eingangssprungsignal
307: Zeitpunkt nach Verstreichen der charakteristischen Zeit T
450: feldorientierte Steuerung
500: Steuerverfahren
501, 503, 505, 507: Verfahrensschritte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6870348 B2 [0005]

Claims

Verfahren (500) zum Steuern einer Synchronmaschine (101), welche einen Rotor (102) mit einem im Betrieb magnetischen Bereich (104, 106) und mindestens eine Statorwicklung (144, 146, 148) aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Empfangen (501) mindestens eines Eingangssignals (109, 111), welches indikativ für ein gewünschtes Drehmoment der Synchronmaschine (101) ist; Filtern (503) des Eingangssignals (109, 111); Bestimmen (505) mindestens eines Parameters (121) der Synchronmaschine (101) in Abhängigkeit von dem gefilterten Eingangssignal (113, 115); und Bestimmen (507) eines Steuersignals (123, 125) basierend auf dem bestimmten Parameter (121) und dem Eingangssignal (109, 111).
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Filtern des Eingangssignals (109, 111) mittels eines Verzögerungsgliedes (107), insbesondere eines Verzögerungsgliedes erster Ordnung, ausgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Steuersignal (123, 125) indikativ für eine an die Statorwicklung (144, 146, 148) anzulegende Sollstatorwicklungsspannung ist.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Eingangssignal (109, 111) einen Sollstatorwicklungsstrom (109, 111, Isd_k, Isq_k) umfasst, insbesondere repräsentiert in einem d-q-Koordinatensystem, welches synchron mit dem magnetischen Bereich (104, 106) rotiert, wobei das Steuersignal die Sollstatorwicklungsspannung (123, 125, Usd_k, Usq_k) umfasst, insbesondere repräsentiert in dem d-q-Koordinatensystem.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei das Verzögerungsglied durch eine Zeitkonstante (Tf) gekennzeichnet ist, die in Abhängigkeit mindestens einer Zeitkonstante der Synchronmaschine (TEq, TEd) und einer FOS-Zeitkonstante (T1, T2) zum Aufbau eines Iststatorwicklungsstromes bei Beaufschlagen der Statorwicklung (144, 146, 148) mit der Sollstatorwicklungsspannung bestimmt ist, wobei die Zeitkonstante (Tf) des Verzögerungsglieds insbesondere in einem Bereich zwischen 0,2 mal und 1,5 mal der Zeitkonstante der Synchronmaschine liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei das Filtern (503) durchgeführt wird, derart dass das gefilterte Eingangssignal (113, 115) indikativ für den Iststatorwicklungsstrom ist, insbesondere derart dass das gefilterte Eingangssignal weniger als 10%, insbesondere weniger als 5%, von dem Iststatorwicklungsstrom abweicht.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 4 bis 6, wobei eine Abhängigkeit (205, 207) des Parameters (121, Lsd, Lsd, Rs, ψPM) von dem gefilterten Sollstatorwicklungsstrom (113, 115) und/oder dem Iststatorwicklungsstrom mit Komponenten in d-Achse und/oder q-Achse im Voraus bestimmt, insbesondere gemessen, wurde.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen des Steuersignals Auswerten mindestens einer Gleichung (Gl. 1, Gl. 2) umfasst, in die das Eingangssignal (Isd_k, Isq_k) und der Parameter (Lsd, Lsd, Rs,ψPM) eingehen.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen des Steuersignals ferner basierend auf einer elektrischen Winkelgeschwindigkeit (ωel) und/oder einer Temperatur (Ts) der Statorwicklung (144, 146, 148) und/oder einer Temperatur des magnetischen Bereichs (104, 106) erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Eingangssignal indikativ für eine gewünschte Drehzahl (153) der Synchronmaschine (101) ist.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Parameter (121) ein elektrischer und/oder magnetischer Parameter (Lsd, Lsd, Rs, ψPM) der Statorwicklung (144, 146, 148) und/oder des magnetischen Bereichs (104, 106) ist.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Parameter (121) umfasst: mindestens eine Induktivität (Lsd, Lsd) der Statorwicklung (144, 146, 148), insbesondere entlang der q-Achse und/oder der d-Achse; und/oder einen, insbesondere temperaturabhängig korrigierten, Polradfluss (ψPM) des magnetischen Bereichs (104, 106); und/oder einen, insbesondere temperaturabhängig bestimmten, ohmschen Widerstand (Rs) der Statorwicklung (144, 146, 148).
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend: Transformieren der Sollwicklungsspannung von dem d-q-Koordinatensystem in ein orthogonales alpha-beta-System; Bestimmen von Pulsweitemodulationssignalen (137, 139, 141), insbesondere für drei Phasen, aus der Sollwicklungsspannung; Ansteuern von Leistungsschaltern eines, insbesondere drei-phasigen, Wechselrichters (131) mittels der Pulsweitemodulationssignale; und Anlegen von mindestens einer Ausgangsspannung (143, 145, 147) des Wechselrichters (131) an die mindestens eine Statorwicklung (144, 146, 148) der Synchronmaschine (101).
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend: Messen des Iststatorwicklungsstroms und Korrigieren des gemessenen Iststatorwicklungsstroms basierend auf dem gefilterten Eingangssignal.
Vorrichtung (100) zum Steuern einer Synchronmaschine (101), welche einen Rotor (102) mit einem im Betrieb magnetischen Bereich (104, 106) und mindestens eine Statorwicklung (144, 146, 148) aufweist, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Eingang (103, 105) zum Empfangen mindestens eines Eingangssignals (109, 111), welches indikativ für ein gewünschtes Drehmoment der Synchronmaschine (101) ist; ein Filter (107), welches zum Filtern des Eingangssignals (109, 111) ausgebildet ist; und einen Prozessor (116), welcher ausgebildet ist, um mindestens einen Parameter (121) der Synchronmaschine (101) in Abhängigkeit von dem gefilterten Eingangssignal (113, 115) zu bestimmen und ein Steuersignal (123, 125) basierend auf dem bestimmten Parameter (121) und dem Eingangssignal (109, 111) zu bestimmen.