DE102013207727A1

DE102013207727A1 - Verfahren zur Ansteuerung eines bürstenlosen Motors

Info

Publication number: DE102013207727A1
Application number: DE102013207727.0A
Authority: DE
Inventors: Tom Kaufmann; Peter Stauder
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2013-04-26
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2014-10-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektronisch kommutierten Synchronmaschine, welche einen Stator mit mindestens zwei, insbesondere drei, Phasenwicklungen, einen mindestens einen Permanentmagnet aufweisenden Rotor sowie mindestens einen Rotorlagesensor umfasst, wobei der drehmomentbildende Strom und der magnetfeldschwächende Strom in einem rotorfesten Koordinatensystem geregelt werden. Erfindungsgemäß wird der Sollwert für den magnetfeldschwächenden Strom nach Maßgabe der gemessenen Drehzahl des Rotors auf einen Maximalwert begrenzt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Ansteuerschaltung für eine elektronisch kommutierte Synchronmaschine und die Verwendung in einem Bremssystem.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff von Anspruch 1, eine Ansteuerschaltung gemäß Oberbegriff von Anspruch 16 sowie die Verwendung der Ansteuerschaltung in einem Bremssystem.
Elektronisch kommutierte permanenterregte Synchronmaschinen, auch als bürstenlose Motoren bekannt, weisen einen Stator mit mindestens zwei, insbesondere drei, Phasenwicklungen und einen Rotor mit mindestens einem senkrecht zur Drehachse angeordneten Polpaar auf, welches durch einen oder mehrere in oder auf dem Rotor angeordnete Permanentmagnete gebildet wird. Wenn eine oder mehrere Phasenwicklungen bestromt werden, so richtet sich der Rotor im entstehenden Magnetfeld aus. Für eine gezielte Ansteuerung muss die Rotorposition ermittelt werden, was beispielsweise mittels eines Resolvers oder Drehencoders erfolgt.
Die Regelung der Phasenströme erfolgt häufig in einem rotorfesten Koordinatensystem, wobei eine d-Achse in Richtung des Rotormagnetfelds und eine um 90° (elektrischer Winkel, über die Polpaarzahl mit dem mechanischen Winkel verknüpft) zu dieser stehenden q-Achse betrachtet werden. Ein in q-Achsen-Richtung fließender Strom bestimmt (in einem Motor ohne Reluktanzmoment) das abgegebene Drehmoment und wird daher als drehmomentbildender Strom (i_q) bezeichnet. Unterhalb einer Grenzdrehzahl wird für eine Maximierung des Wirkungsgrads der in d-Achsen-Richtung fließende feldschwächende Strom (i_d) bei null gehalten. Das rotorfeste Koordinatensystem rotiert gegenüber dem Stator, daher werden über eine geeignete Transformation anhand der Rotorposition die anzulegenden Phasenströme bzw. -spannungen ermittelt.
Bei zunehmender Drehzahl wird in den Phasenwicklungen eine immer größere Gegenspannung induziert, so dass die erreichbare Drehzahl durch die verfügbare Versorgungsspannung begrenzt ist. Es gibt also eine natürliche Spannungsgrenze für die Drehzahl, welche bei Bestromung der Phasenwicklungen ausschließlich mit einem drehmomentbildenden Strom bei voller Aussteuerung erreicht wird, d.h. ohne Verringerung der Spannung mittels einer Pulsweitenmodulation. Durch Anlegen eines geeigneten Stroms in Richtung der negativen d-Achse, also in einem Feldschwächungsbetrieb, können höhere Drehzahlen erreicht werden.
Aus der EP 1 154 922 B1 sind ein Verfahren und ein System zur Ansteuerung einer Bremse eines Fahrzeugs bekannt, die mittels eines Aktuators elektromechanisch betätigbar ist, der aus einem Elektromotor sowie einem dem Elektromotor nachgeschalteten Getriebe besteht, wobei der Elektromotor eine konstruktionsbedingte Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie aufweist, wobei entsprechend der gewünschten Betätigungskraft sowie dem Betätigungskraftgradienten die Steigung der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Elektromotors durch Schwächen von Komponenten des elektromagnetischen Feldes des Elektromotors derart geändert wird, dass bei gleichem Drehmoment eine höhere Drehzahl erreicht wird.
Aus der DE 10 2007 033 145 A1 ist eine Vorrichtung zum Betreiben einer Synchronmaschine mit einem Stator, dem drei Wicklungsstränge zugeordnet sind, und einem Rotor bekannt. Die Vorrichtung ist dazu ausgebildet, einen Sollwert eines magnetfeldbildenden Stroms in einem mit dem Rotor der Synchronmaschine umlaufenden Koordinatensystem abhängig von einer magnetfeldbildenden Rohsollstromkomponente des rotorumlaufenden Koordinatensystems und einer magnetfeldbildenden Stromgrenze des rotorumlaufenden Koordinatensystems zu ermitteln, und zwar derart, dass der Sollwert des magnetfeldbildenden Stroms auf die magnetfeldbildende Stromgrenze begrenzt wird, wobei die magnetfeldbildende Stromgrenze betragsmäßig unter einer für die Synchronmaschine im Feldschwächbetrieb typischen Kippgrenze liegt. Weiterhin ist sie dazu ausgebildet, eine drehmomentbildende Stromgrenze des rotorumlaufenden Koordinatensystems im Bereich der Begrenzung des magnetfeldbildenden Stroms abhängig von der magnetfeldbildenden Rohsollstromkomponente und der magnetfeldbildenden Stromgrenze betragsmäßig zu reduzieren.
Ein derartiger Feldschwächregler ermöglicht es, in allen Betriebspunkten des Motors eine Spannungsreserve zum Einprägen neuer Stromsollwerte vorzuhalten. Allerdings bewirkt das Vorhalten einer Spannungsreserve, dass im stationären Zustand immer ein größerer Feldschwächstrom id eingeprägt wird, als zum Erreichen des Arbeitspunktes notwendig ist. Dies erhöht die ohmschen Verluste des Motors und verschlechtert so den Wirkungsgrad des Antriebs. Nachteilig ist außerdem, dass der Feldschwächregler eine gewisse Zeit benötigt, um den notwendigen magnetfeldschwächenden Strom einzustellen, was bei dynamischen lagegeregelten Systemen zu einer Verlängerung der Stellzeit führt.
Beispielsweise in Automobilanwendungen werden Elektromotoren bis 1kW aus einer niedrigen Versorgungsspannung (z.B. 12V) betrieben, so dass der ohmsche Widerstand der Phasenwicklungen gegenüber dem induktiven Blindwiderstand nicht mehr vernachlässigt werden kann. Allgemein können bei hohen Drehzahlen des Rotors durch eine Wechselwirkung zwischen magnetfeldschwächendem und drehmomentbildendem Strom Instabilitäten in der Regelung bzw. Ansteuerung des Motors auftreten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ansteuerung einer elektronisch kommutierten Synchronmaschine anzugeben, welche einen zuverlässigen Betrieb der Maschine mit hoher Dynamik erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
Es wird also ein Verfahren zum Betrieb einer elektronisch kommutierten Synchronmaschine bereitgestellt, welche einen Stator mit mindestens zwei, insbesondere drei, Phasenwicklungen, einen mindestens einen Permanentmagnet aufweisenden Rotor sowie mindestens einen Rotorlagesensor umfasst. Ein drehmomentbildender Strom (iq) und/oder ein magnetfeldschwächender Strom (id) werden in einem rotorfesten Koordinatensystem geregelt, wobei als Stellgrößen Spannungen in dem rotorfesten Koordinatensystem ermittelt werden, welche anhand der gemessenen Rotorlage in einen Spannungszeiger transformiert werden, der für jede Phasenwicklung des Stators eine anzulegende Spannung angibt. Erfindungsgemäß wird ein Sollwert für den magnetfeldschwächenden Strom (id) nach Maßgabe der gemessenen Drehzahl des Rotors auf einen Maximalwert begrenzt, welcher vorzugsweise aus einem vorgegebenen Kennfeld ermittelt wird. Es ist zweckmäßig, wenn unterhalb einer vorgegebenen Mindestdrehzahl der magnetfeldschwächende Strom auf null gesetzt bzw. geregelt wird.
Dadurch, dass der eingeprägte magnetfeldschwächende Strom (bzw. dessen Sollwert) begrenzt wird, können bei hohen Drehzahlen des Rotors auftretende Instabilitäten der Regelung vermieden werden. Eine gemessene Drehzahl lässt sich anhand der Informationen des oder der ohnehin erforderlichen Rotorlagesensoren bestimmen. Indem die Begrenzung des magnetfeldschwächenden Stroms nach Maßgabe der gemessenen Drehzahl erfolgt, wird ein instabiler Betrieb des Motors einfach und schnell vermieden. Somit ist eine zuverlässige Ansteuerung von bürstenlosen Elektromotoren bei hohen Drehzahlen bzw. hoher Dynamik gewährleistet. Wird ein Kennfeld vorgegeben, so kann der Maximalwert für den magnetfeldschwächenden Strom einfach ausgelesen werden.
Bevorzugt wird der Sollwert für den magnetfeldschwächenden Strom weiterhin derart begrenzt, dass er einen nach Maßgabe der gemessenen Drehzahl vorgegebenen Minimalwert nicht unterschreitet. Dies beschleunigt ein Erreichen des Optimums durch den Feldschwächregler.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Sollwert für den magnetfeldschwächenden Strom nach Maßgabe der gemessenen Drehzahl des Rotors aus einem ersten vorgegebenen Kennfeld ermittelt. Dadurch, dass ein Sollwert für den magnetfeldschwächenden Strom anhand einer Kennlinie ermittelt wird, weist die Ansteuerung gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung eine besonders einfache Struktur auf. Ein entsprechendes Verfahren kann daher auch mit Prozessoren geringer Rechenleistung ausgeführt werden. Ferner entfällt eine Verzögerung im Aufbringen des magnetfeldschwächenden Stroms durch den Feldschwächregler, womit also eine besonders hohe Stellgeschwindigkeit erreichbar ist.
Hierbei ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn der Sollwert für den magnetfeldschwächenden Strom anhand des Verhältnisses zwischen einer Referenzspannung und einer momentanen Versorgungsspannung angepasst oder skaliert wird. Die momentane Versorgungsspannung kann beispielsweise von einem externen Steuergerät empfangen werden oder als Zwischenkreisspannung in einer mit einer Phasenwicklung des Stators verbundenen Pulsweitenmodulationsschaltung gemessen werden. Dies ermöglicht es, auch bei Schwankungen in der Versorgungsspannung ein gleichbleibendes Verhalten des Motors beizubehalten.
Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Sollwert für den drehmomentbildenden Strom nach Maßgabe der gemessenen Drehzahl des Rotors auf einen Maximalwert des drehmomentbildenden Stroms begrenzt. Dies verringert den Rechenaufwand für die Durchführung des Verfahrens und ermöglicht eine flexible Anpassung des Motorverhaltens an die gewünschte Anwendung.
Insbesondere können der Sollwert für den magnetfeldschwächenden Strom und der Maximalwert des drehmomentbildenden Stroms derart vorgegeben werden, dass ein vorgegebener Grenzwert für einen Gesamtstrom aus magnetfeldschwächendem Strom und drehmomentbildendem Strom nicht überschritten wird und dass das Drehmoment der elektronisch kommutierten Synchronmaschine unter Einhaltung des Grenzwerts für den Gesamtstrom maximal wird. Dies kann sowohl im Generatorbetrieb als auch im Motorbetrieb der elektronisch kommutierten Synchronmaschine erfolgen. Dann ist der Eingangsgleichstrom bzw. Rückspeisestrom begrenzt, so dass eine übermäßige Erhitzung oder Beschädigung von Batterie und/oder Lade- bzw. Ansteuerelektronik vermieden wird.
Gemäß einer alternativen besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Begrenzung, nachdem der Sollwert für den magnetfeldschwächenden Strom (id) nach Maßgabe einer Differenz zwischen dem Betrag einer vorgegebenen Maximalspannung und dem Betrag eines aus drehmomentbildender Spannung und magnetfeldschwächender Spannung gebildeten Spannungszeigers ermittelt wurde, wobei insbesondere eine Regelung dieser Differenz erfolgt. Die vorgegebene Maximalspannung kann insbesondere einer momentanen Versorgungsspannung abzüglich eines vorgegebenen Spannungsintervalls entsprechen, vorzugsweise einer gemessenen Zwischenkreisspannung einer mit einer Phasenwicklung des Stators verbundenen Pulsweitenmodulationschaltung. Somit kann eine Feldschwächregelung unter Berücksichtigung der momentan verfügbaren Spannung erfolgen.
Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung findet eine Regelung der Differenz zwischen dem Betrag einer vorgegebenen Maximalspannung und dem Betrag eines aus drehmomentbildender Spannung und magnetfeldschwächender Spannung gebildeten Spannungszeigers dann statt, wenn der Betrag des Spannungszeigers einen vorgegebenen Minimalwert unterschreitet. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn eine Vorsteuerung des Sollwerts für den magnetfeldschwächenden Strom erfolgt, insbesondere indem der maximal zulässige feldschwächende Strom vorgegeben wird. Dies ermöglicht es, die erreichte Dynamik der Ansteuerung des Motors zu erhöhen. Besonders zweckmäßig ist es, wenn der Regler den magnetfeldschwächenden Strom auf den aktuell benötigten Wert reduziert. Somit werden unnötige Stromwärmeverluste vermieden.
Zweckmäßigerweise wird ein Sollwert für den drehmomentbildenden Strom (iq) nach Maßgabe einer Abweichung zwischen einer Solldrehzahl und der gemessenen Drehzahl des Rotors ermittelt, wobei der Sollwert für den drehmomentbildenden Stroms nach Maßgabe eines Sollwerts für den magnetfeldschwächenden Strom und/oder eines maximal zulässigen Gesamtstroms und/oder eines maximal zulässigen Motormoments auf einen Maximalwert begrenzt wird.
Es ist vorteilhaft, wenn die Regelung des drehmomentbildenden Stroms derart erfolgt, dass nach Maßgabe der Differenz zwischen einem Sollwert für den drehmomentbildenden Strom und einem gemessenen drehmomentbildenden Strom eine drehmomentbildende Spannung in dem rotorfesten Koordinatensystem ermittelt wird, wobei die drehmomentbildende Spannung vorzugsweise nach Maßgabe einer Differenz zwischen dem Betrag einer vorgegebenen Maximalspannung, insbesondere einer Versorgungsspannung, und dem Betrag einer magnetfeldschwächenden Spannung begrenzt wird.
Vorzugsweise erfolgt die Regelung des magnetfeldschwächenden Stroms derart, dass nach Maßgabe der Differenz zwischen einem Sollwert für den magnetfeldschwächenden Strom und einem gemessenen magnetfeldschwächenden Strom eine magnetfeldschwächende Spannung in dem rotorfesten Koordinatensystem ermittelt wird.
Bevorzugt werden ein gemessener drehmomentbildender Strom und ein gemessener magnetfeldschwächender Strom in einem rotorfesten Koordinatensystem anhand der gemessenen Rotorlage aus gemessenen Strömen durch die Phasenwicklungen des Rotors ermittelt.
Zweckmäßigerweise wird der Sollwert für den magnetfeldschwächenden Strom weiterhin anhand einer gemessenen Rotortemperatur und/oder gemessenen Statortemperatur und/oder einer momentanen Versorgungsspannung begrenzt oder angepasst. Die momentane Versorgungsspannung kann z.B. an einem vorgegebenen Schaltungspunkt gemessen werden.
Es ist vorteilhaft, wenn die Phasenwicklungen des Stators über jeweils eine Pulsweitenmodulationsschaltung mit Strom versorgt werden, wobei eine an eine Phasenwicklung des Stators anzulegende Spannung in einen Aussteuerungsgrad der entsprechenden Pulsweitenmodulationsschaltung umgerechnet wird. Der Aussteuerungsgrad einer Pulsweitenmodulation gibt das Verhältnis zwischen der Zeit, während der die maximale Spannung anliegt, und der Zeit, während der keine Spannung angelegt wird, in einer zyklisch wiederholten Periode an.
Derartige Pulsweitenmodulationsschaltungen sind wegen ihres einfachen Aufbaus und einer hohen Effizienz weit verbreitet und preisgünstig.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Aussteuerungsgrad gemäß einem Verhältnis aus einer Referenzspannung und einer momentanen Versorgungsspannung, insbesondere einer gemessenen Zwischenkreisspannung der Pulsweitenmodulationsschaltung, angepasst oder skaliert wird. Somit ist ein gleichbleibendes Verhalten der elektronisch kommutierten Synchronmaschine gewährleistet.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Ansteuerschaltung für eine elektronisch kommutierte Synchronmaschine, mit einer Recheneinheit und in einer Brückenschaltung angeordneten Halbleiterschaltelementen, wobei die Recheneinheit ein Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche durchführt, und wobei der Maximalwert für den magnetfeldschwächenden Strom anhand von aus einem nichtflüchtigen Speicher ausgelesenen Wertepaaren von gemessener Drehzahl und zugeordnetem Maximalwert ermittelt wird.
Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung in einem elektronisch geregelten, insbesondere elektrohydraulischen, Bremssystem eines Fahrzeugs.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Figuren.
Es zeigen
1 eine schematische Darstellung eines Ansteuerverfahrens bzw. einer Ansteuerschaltung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
2 eine schematische Darstellung eines Ansteuerverfahrens bzw. einer Ansteuerschaltung gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
3 eine schematische Darstellung eines Ansteuerverfahrens bzw. einer Ansteuerschaltung gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung, und
4 den prinzipiellen Aufbau einer Anordnung zum Betrieb einer permanenterregten Synchronmaschine.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren eignet sich besonders zur Ansteuerung von permanenterregten Synchronmaschinen mit beschränkter Induktivität, welche in einem breiten Drehzahlbereich mit einer hohen abgegebenen Leistung betrieben werden sollen. Im Folgenden wird die Ansteuerung von bürstenlosen Motoren mit gleichen Induktivitäten in Richtung der d- und q-Achse beschrieben; prinzipiell sind aber auch Motoren mit einem Reluktanzmoment nach einem erfindungsgemäßen Verfahren ansteuerbar.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der eingeprägte magnetfeldschwächende Strom id nicht von einem Regler eingestellt, sondern so vorgegeben, dass bei einer ermittelten Drehzahl das maximal mögliche Motormoment abgegeben werden kann. Diese Art der Ansteuerung macht sich den Umstand zu Nutze, dass verschiedene angetriebene Aktuatoren, insbesondere in Bremssystemen, überwiegend an Spannungs- und Stromgrenze des Antriebs operieren. Wenn sich der Aktuator im Zielbereich des überlagerten Systems befindet, also z.B. nahezu an der Sollposition, so ist die angeforderte Drehzahl gering und die Arbeitspunkte des Antriebs liegen an der Stromgrenze, so dass dort kein magnetfeldschwächender Strom erforderlich ist. Fordert das überlagerte System eine geänderte Rotorposition an (nicht zwingend aufgrund einer Lagereglung), so soll diese häufig in der kürzesten möglichen Zeit angefahren werden, wodurch die durchlaufenen Arbeitspunkte an der Spannungsgrenze liegen.
Das in 1 schematisch gezeigte Ansteuerverfahren gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung sieht daher vor, dass Sollwerte id* für den magnetfeldschwächenden Strom nach Maßgabe der gemessenen Drehzahl vorgegeben werden. Dies kann zweckmäßigerweise durch Auswertung eines Kennfeldes erfolgen, welches den Verlauf des optimalen magnetfeldschwächenden Stroms, bei dem die maximale Leistung und/oder das maximale Drehmoment abgegeben wird, über der Drehzahl beschreibt. Die Bestimmung des Kennfeldes kann auf Basis von Simulationen und Berechnungen anhand der Motorparameter erfolgen. Alternativ oder ergänzend kann das Kennfeld auch versuchstechnisch bestimmt werden, indem bei verschiedenen festen Drehzahlen bei angefordertem maximalen Phasenstrom der Anteil des magnetfeldschwächenden Strom schrittweise erhöht wird, bis das maximal abgegebene Motormoment erreicht wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Kennfeld zunächst berechnet und dann durch Messungen bestätigt wird.
Von einem Steuergerät des Gesamtsystems wird eine Solldrehzahl n* vorgegeben, welche in Drehzahlregler 1 mit einer gemessenen Motor- bzw. Rotordrehzahl n verglichen wird, um eine Stellgröße zu generieren, die dem angeforderten drehmomentbildenden Strom iq* entspricht. Der Drehzahlregler kann insbesondere als PI-Regler realisiert sein, also einen Proportional- und einen Integralanteil aufweisen.
Die nachgeschaltete iq-Strombegrenzung 5 begrenzt den Stromsollwert iq* so, dass abhängig vom aktuellen Sollwert id* für den magnetfeldschwächenden Strom der Betrag des Gesamtstromzeigers i_gesamt einen vorgegebenen Maximalwert nicht überschreitet, wobei dieser Betrag nach folgender Beziehung berechnet werden kann:
Der jeweilige Maximalwert iq_max für den drehmomentbildenden Strom wird von Modul 17 ermittelt, beispielsweise anhand der Beziehung:
Zusätzlich kann eine weitere Begrenzung des Stromsollwertes iq* derart erfolgen, dass das maximal zulässige Motormoment nicht überschritten wird:
Alternativ kann es auch vorgesehen sein, den Maximalwert iq_max für den drehmomentbildenden Strom durch Auslesen eines Kennfelds nach Maßgabe der Drehzahl zu ermitteln.
Dies ist besonders deshalb vorteilhaft, weil in Modul 18 der Sollwert id* für den magnetfeldschwächenden Strom in diesem Ausführungsbeispiel aus einem Kennfeld nach Maßgabe der Drehzahl ermittelt wird und somit für die Durchführung des Verfahrens nur eine geringe Rechenleistung erforderlich ist.
Das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs kann je nach Fahrzustand und Ladestand der Batterie wechselnde Versorgungsspannungen aufweisen. Soll der angesteuerte Motor unabhängig von der momentanen Versorgungsspannung ein gleichbleibendes Verhalten zeigen, so ist es vorteilhaft, die Kennlinie für eine vorgegebene Referenzspannung, insbesondere einen minimalen zulässigen Wert für die Versorgungsspannung, vorzugeben und bei der Ermittlung eines Sollwerts id* für den magnetfeldschwächenden Strom eine Skalierung gemäß des Verhältnisses aus Referenzspannung und momentaner bzw. gemessener Versorgungspannung vorzunehmen.
Werden sowohl Sollwert id* für den magnetfeldschwächenden Strom als auch Maximalwert iq_max für den drehmomentbildenden Strom anhand eines Kennfelds nach Maßgabe der Drehzahl ermittelt, so kann die Charakteristik des Motors je nach vorgesehener Anwendung angepasst werden, indem geeignete Kennfelder vorgegeben werden.
Stellt eine Applikation die Anforderung, dass im motorischen Betrieb ein bestimmter Eingangsgleichstrom nicht überschritten wird, können die Werte von id* und iq_max nach Maßgabe der Drehzahl derart vorgegeben werden, dass das abgegebene Motormoment bei Einhaltung der Grenze für den Eingangsgleichstrom maximal ist.
Stellt eine Applikation die Anforderung, dass im generatorischen Betrieb ein bestimmter Rückspeisestrom nicht überschritten wird, können die Werte von id* und iq_max nach Maßgabe der Drehzahl derart vorgegeben werden, dass das abgegebene Motorbremsmoment bei Einhaltung der Grenze für den Rückspeisestrom maximal ist.
Stellt eine Applikation die Anforderung, dass der aufgenommene maximale Eingangsgleichstrom bei Versorgungsspannungen unterhalb des Nennspannungsbereichs bzw. der Referenzspannung verringert wird, so kann dies derart gelöst werden, dass der Maximalwert iq_max abhängig von der gemessenen bzw. verfügbaren Versorgungsspannung reduziert wird.
Je nach Applikation können ergänzend auch Magnettemperatur und Wicklungstemperatur bei der Ermittlung der Werte von id* und iq_max berücksichtigt werden.
Der ermittelte Sollwert id* wird Stromregler 3 zugeführt, welche anhand des Vergleichs von id* mit dem gemessenen magnetfeldschwächenden Strom id eine gewünschte magnetfeldschwächende Spannung ud in Richtung der d-Achse ermittelt. Es ist vorteilhaft, wenn Stromregler 2 als PI-Regler realisiert ist, also einen Proportional- und einen Integralanteil aufweist.
Die gewünschte magnetfeldschwächende Spannung du darf maximal der verfügbaren Spannung Umax im Zwischenkreis bzw. der Versorgungsspannung entsprechen und wird daher in Begrenzer 7 auf einen entsprechenden Wert limitiert.
Der Stromregler 2 für den drehmomentbildenden Strom vergleicht den Stromsollwert iq* mit einem aktuell gemessenen drehmomentbildenden Strom iq und generiert eine Stellgröße, die der gewünschten Spannung uq in Richtung der q-Achse entspricht. Zweckmäßigerweise kann Stromregler 2 als PI-Regler realisiert sein, also einen Proportional- und einen Integralanteil aufweisen.
Die gewünschte drehmomentbildende Spannung wird einem Begrenzer 8 zugeführt, welcher verhindert, dass der Betrag ugesamt des Gesamtspannungszeigers aus drehmomentbildender Spannung und magnetfeldschwächender Spannung die maximal verfügbare Spannung Umax überschreitet:
Der Maximalwert uq_max für die drehmomentbildende Spannung wird in Modul 15 zweckmäßigerweise anhand folgender Beziehung ermittelt:
Alternativ kann es auch vorgesehen, den Maximalwert für Begrenzer 8 aus einem Kennfeld auszulesen.
Die gewünschten Werte für die drehmomentbildende Spannung uq und für die magnetfeldschwächende Spannung ud, also der Spannungszeiger im rotorfesten Koordinatensystem wird in Modul 10 anhand der gemessenen Rotorposition in das statorfeste Koordinatensystem transformiert und in Modul 11 in einen Spannungszeiger umgewandelt, welcher die an die einzelnen Phasenwicklungen anzulegenden Spannungen uu, uv, uw angibt. Dies kann mit einer geeigneten Transformation erfolgen, wie der inverse Clarke- und Park-Transformation; Verfahren für eine derartige Koordinatentransformation sind an sich bekannt.
Die Phasenwicklungen des Stators werden mittels einer aus Leistungshalbleitern bestehenden Brückenschaltung bestromt, wobei zweckmäßigerweise eine Pulsweitenmodulation stattfindet. Die Halbleiterschalter können beispielsweise als Sense-FETs ausgebildet sein, um eine Messung des durch die Phasenwicklungen fließenden Stroms zu ermöglichen. Alternativ ist auch die direkte Messung über einen Shunt oder einen induktiven Stromsensor möglich. Die erhalten Ströme iu, iv, iw werden in Modul 13 in das statorfeste Koordinatensystem umgerechnet und in Modul 12 anhand der gemessenen Rotorposition in das rotorfeste Koordinatensystem transformiert (bzw. alternativ in einem Schritt transformiert).
Zur Messung der Rotorposition dient zweckmäßigerweise ein Resolver, aus dessen Signalen ein (elektrischer) Rotorwinkel θ bestimmt werden kann. Dieser wird Modul 14 zugeführt, welches (insbesondere aus einer Änderung der Signale) eine Motor- bzw. Rotordrehzahl ermittelt.
Dadurch, dass ein Sollwert für den magnetfeldschwächenden Strom anhand einer Kennlinie ermittelt wird, weist die Ansteuerung gemäß dieser Ausführung der Erfindung eine ganz besonders einfache Struktur auf.
Gemäß eines alternativen Ausführungsbeispiels der Erfindung, welches in 2 dargestellt ist, wird auch der magnetfeldschwächende Strom geregelt, wobei der Sollwert id* für den magnetfeldschwächenden Strom nach Maßgabe der gemessenen Drehzahl begrenzt wird. Module, welche in dieser Ausführungsform eine identische Funktion wie im ersten Ausführungsbeispiel bereitstellen, werden mit demselben Bezugszeichen versehen und für eine detaillierte Beschreibung wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Drehzahlregler 1 vergleicht Solldrehzahl n* und aktuelle Rotordrehzahl n und generiert als Stellgröße einen Sollwert iq* für den drehmomentbildenden Strom. Der nachgeschaltete Begrenzer 5 begrenzt Stromsollwert iq* so, dass abhängig vom aktuellen Stromsollwert id* der zulässige Betrag des Gesamtstromzeigers nicht überschritten wird. Hierfür wird in Modul 17 durch Berechnen oder Auslesen eines Kennfelds ein Maximalwert iq_max ermittelt und dem Begrenzer vorgegeben. Stromregler 2 vergleicht Stromsollwert iq* und den aktuell vorliegenden drehmomentbildenden Strom iq und gibt eine gewünschte Spannung uq an, welche im nachgeschalteten Begrenzer 8 anhand der Versorgungsspannung und der gewünschten magnetfeldbildenden Spannung du begrenzt wird. Hierbei wird in Modul 15 der Maximalwert so vorgegeben, dass der Betrag des Spannungszeigers die verfügbare Versorgungsspannung nicht überschreitet.
Der im rotorfesten Koordinatensystem ermittelten Spannungszeiger aus drehmomentbildender Spannung und magnetfeldschwächender Spannung wird in den Modulen 10 und 11 (oder einem zusammengefassten Modul) einer geeigneten Transformation, wie einer inversen Clarke- und Park-Transformation, unterzogen, um den Spannungszeiger aus den an die einzelnen Phasenwicklungen anzulegenden Spannungen zu erhalten.
Weiterhin werden die drehmomentbildende Spannung uq und die magnetfeldschwächende Spannung ud einem Modul 16 zur Spannungsüberwachung zugeführt, welches den Abstand des Spannungszeigers zu einer Grenzspannung Ures ermittelt, bzw. den quadrierten Spannungszeiger von dem Quadrat der Grenzspannung subtrahiert (ggfs. anschließend die Quadratwurzel bildet). Die Grenzspannung ist zweckmäßigerweise um eine vorgegebene Spannungsdifferenz kleiner als die verfügbare Spannung Umax, so dass eine Spannungsreserve zum Einprägen neuer Stromsollwerte vorgehalten wird. ∆ = Ures² – ud² – uq²
Die ermittelte Differenz Δ kann in Begrenzer 9 auf in einem vorgegebenen Intervall liegende Werte eingeschränkt werden, bevor sie als Regeldifferenz einem Feldschwächregler 4 zugeführt wird. Dieser kann zweckmäßigerweise als I- oder PI-Regler ausgeführt sein, d.h. Integral- und ggfs. Proportionalterme aufweisen. Der Feldschwächregler erzeugt anhand der Regeldifferenz einen Sollwert id* für den magnetfeldschwächenden Strom als Stellgröße.
Diese wird in Begrenzer 6 in negativer Richtung auf einen vorgegebenen Maximalwert id_max begrenzt. Die Ermittlung dieses Maximalwerts für id* erfolgt in Modul 18 anhand eines Kennfelds nach Maßgabe der Drehzahl. Anders als in dem ersten Ausführungsbeispiel wird also nicht ein Sollwert, sondern nur ein Maximalwert idmax anhand eines Kennfelds ermittelt. Das vorgegebene Kennfeld kann anhand von Simulationen berechnet und/oder in Versuchen gemessen bzw. verifiziert werden. In Begrenzer 6 wird weiterhin der Sollwert id* in positiver Richtung auf null begrenzt. Somit ist sichergestellt, dass der in Richtung der d-Achse angelegte Strom magnetfeldschwächend wirkt.
Der ggfs. begrenzte Sollwert id* wird in Stromregler 3 mit dem gemessenen magnetfeldschwächenden Strom verglichen, wobei als Stellgröße ein Sollwert ud für die Spannung in Richtung der d-Achse generiert wird. Die weiteren Module, wie Begrenzer 7, Modul 14 zur Ermittlung der Drehzahl und die Module 12 und 13 für die Clarke- und Park-Transformation der gemessenen Ströme durch die Phasenwicklungen funktionieren wie bereits beschrieben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der magnetfeldschwächende Strom derart begrenzt, dass auch ein minimaler Strom in negativer d-Achsen-Richtung vorgegeben wird und auf den Ausgang des Feldschwächreglers 4 aufgeschaltet wird. Dieser minimale Strom kann zweckmäßigerweise ebenfalls anhand eines Kennfelds nach Maßgabe der Drehzahl ermittelt werden.
3 zeigt ein derartiges Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches auf der Ausführung gemäß 2 aufbaut. Module, welche in dieser Ausführungsform eine identische Funktion wie im ersten Ausführungsbeispiel bereitstellen, werden mit demselben Bezugszeichen versehen und für eine detaillierte Beschreibung wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Um die erreichbare Systemdynamik weiter zu erhöhen, wird zweckmäßigerweise der maximal zulässige feldschwächende Strom idmax als Vorsteuergröße auf den Reglerausgang des Feldschwächreglers 4 aufgeschaltet, welcher den magnetfeldschwächenden Strom auf den benötigten Wert reduziert. Es ist vorteilhaft, wenn die Vorsteuergröße nach einer vorgegebenen Zeit kontinuierlich auf null reduziert wird. Somit kann beim Betrieb des Motors im Feldschwächbereich, also bei hohen Drehzahlen mit reduziertem Drehmoment, verhindert werden, dass für lange Zeit ein unnötig großer magnetfeldschwächender Strom eingeprägt wird und unnötige Stromwärmeverluste auftreten.
Der Ausgang dieses Reglers kann drehzahlabhängig derart begrenzt werden, dass er nie kleiner als Null und nie größer als die Differenz zwischen maximal zulässigem magnetfeldschwächendem Strom id und bei einer Drehzahl mindestens notwendigen magnetfeldschwächenden Strom id wird. Zu diesem Zweck kann Modul 19 anhand eines Kennfelds nach Maßgabe der Drehzahl ermittelte Werte an Begrenzer 6 vorgegeben.
Im Falle einer dynamischen Sollwertanforderung bei eingeschwungenem Regler können Ausgangswert und I-Anteil des Reglers in geeigneter Weise manipuliert werden. Es kann vorgesehen sein, den I-Anteil des Reglers nach Maßgabe der Sollwertanforderung auf einen vorgegebenen Startwert zu setzen.
Durch geeignet angepasste Kennfelder ist somit ein besonders dynamischer Betrieb der elektronisch kommutierten Synchronmaschine gewährleistet, wobei Stellanforderungen also in minimaler Zeit umgesetzt werden.
4 zeigt den schematischen Aufbau einer Anordnung zum Betrieb einer permanenterregten Synchronmaschine, welche ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführen kann.
Ansteuerschaltung 41 umfasst eine Recheneinheit 40, einen Speicher 48 und eine Brückenschaltung bzw. Leistungsendstufe 42. Insbesondere kann die Recheneinheit 40 als Mikrocontroller ausgeführt sein, der einen integrierten Arbeitsspeicher und einen nichtflüchtigen Programmspeicher 47 aufweist. Ein entsprechender Mikrocontroller kann auch Speicher 48 umfassen, der beispielsweise als Flash-Speicher ausgeführt sein kann. Es ist vorteilhaft, wenn der Mikrocontroller einen oder mehrere Analog-Digitalwandler aufweist, die mit Messeinrichtungen an Leistungsendstufe oder Rotor verbunden sind. Die Leistungsendstufe kann z.B. Sense-FETs umfassen, um eine Strommessung zu ermöglichen. Auch ist es zweckmäßig, wenn Mittel zur Spannungsmessung vorgesehen sind. Prinzipiell können externe Sensoren auch über einen Datenbus angebunden sein.
Die permanenterregte Synchronmaschine 44 weist einen Stator mit Phasenwicklungen, die von der Leistungsendstufe 42 bestromt werden, und einen Rotor auf, welcher mit der nicht gezeigten Last mechanisch verbunden ist. Die Position des Rotors wird von einem Sensor 46 ermittelt, der beispielsweise als Resolver oder optischer Drehencorder ausgeführt ist. Ferner ist es zweckmäßig, wenn Sensoren zur Messung der Temperatur von Phasenwicklungen, Magneten oder allgemein der Umgebung vorgesehen sind.
Prinzipiell kann das erfindungsgemäße Verfahren auch von einer kundenspezifischen Schaltung ausgeführt werden, welche speziell angepasste Bauteile aufweist und insbesondere auf einem Halbleitersubstrat integriert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1154922 B1 [0005]
DE 102007033145 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer elektronisch kommutierten Synchronmaschine, welche einen Stator mit mindestens zwei, insbesondere drei, Phasenwicklungen, einen mindestens einen Permanentmagnet aufweisenden Rotor sowie mindestens einen Rotorlagesensor umfasst, wobei ein drehmomentbildender Strom (iq) und/oder ein magnetfeldschwächender Strom (id) in einem rotorfesten Koordinatensystem geregelt werden, wobei als Stellgrößen Spannungen in dem rotorfesten Koordinatensystem ermittelt werden, welche anhand der gemessenen Rotorlage in einen Spannungszeiger transformiert werden, der für jede Phasenwicklung des Stators eine anzulegende Spannung angibt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sollwert für den magnetfeldschwächenden Strom (id) nach Maßgabe der gemessenen Drehzahl des Rotors auf einen Maximalwert begrenzt wird, welcher vorzugsweise aus einem vorgegebenen Kennfeld ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert für den magnetfeldschwächenden Strom weiterhin derart begrenzt wird, dass er einen nach Maßgabe der gemessenen Drehzahl vorgegebenen Minimalwert nicht unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sollwert für den magnetfeldschwächenden Strom nach Maßgabe der gemessenen Drehzahl des Rotors aus einem ersten vorgegebenen Kennfeld ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert für den magnetfeldschwächenden Strom anhand des Verhältnisses zwischen einer Referenzspannung und einer momentanen Versorgungsspannung angepasst oder skaliert wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sollwert für den drehmomentbildenden Strom nach Maßgabe der gemessenen Drehzahl des Rotors auf einen Maximalwert des drehmomentbildenden Stroms begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert für den magnetfeldschwächenden Strom und der Maximalwert des drehmomentbildenden Stroms derart vorgegeben werden, dass ein vorgegebener Grenzwert für einen Gesamtstrom aus magnetfeldschwächendem Strom und drehmomentbildendem Strom nicht überschritten wird und dass das Drehmoment der elektronisch kommutierten Synchronmaschine unter Einhaltung des Grenzwerts für den Gesamtstrom maximal wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzung erfolgt, nachdem der Sollwert für den magnetfeldschwächenden Strom (id) nach Maßgabe einer Differenz zwischen dem Betrag einer vorgegebenen Maximalspannung, welche insbesondere einer momentanen Versorgungsspannung abzüglich eines vorgegebenen Spannungsintervalls entspricht, und dem Betrag eines aus drehmomentbildender Spannung und magnetfeldschwächender Spannung gebildeten Spannungszeigers ermittelt wurde, wobei insbesondere eine Regelung dieser Differenz erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung der Differenz zwischen dem Betrag einer vorgegebenen Maximalspannung und dem Betrag eines aus drehmomentbildender Spannung und magnetfeldschwächender Spannung gebildeten Spannungszeigers dann stattfindet, wenn der Betrag des Spannungszeigers einen vorgegebenen Minimalwert unterschreitet, wobei eine Vorsteuerung des Sollwerts für den magnetfeldschwächenden Strom erfolgt, insbesondere indem der maximal zulässige feldschwächende Strom vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sollwert für den drehmomentbildenden Strom (iq) nach Maßgabe einer Abweichung zwischen einer Solldrehzahl und der gemessenen Drehzahl des Rotors ermittelt wird, wobei der Sollwert für den drehmomentbildenden Stroms nach Maßgabe eines Sollwerts für den magnetfeldschwächenden Strom und/oder eines maximal zulässigen Gesamtstroms und/oder eines maximal zulässigen Motormoments auf einen Maximalwert begrenzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des drehmomentbildenden Stroms derart erfolgt, dass nach Maßgabe der Differenz zwischen einem Sollwert für den drehmomentbildenden Strom und einem gemessenen drehmomentbildenden Strom eine drehmomentbildende Spannung in dem rotorfesten Koordinatensystem ermittelt wird, wobei die drehmomentbildende Spannung vorzugsweise nach Maßgabe einer Differenz zwischen dem Betrag einer vorgegebenen Maximalspannung, insbesondere einer Versorgungsspannung, und dem Betrag einer magnetfeldschwächenden Spannung begrenzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des magnetfeldschwächenden Stroms derart erfolgt, dass nach Maßgabe der Differenz zwischen einem Sollwert für den magnetfeldschwächenden Strom und einem gemessenen magnetfeldschwächenden Strom eine magnetfeldschwächende Spannung in dem rotorfesten Koordinatensystem ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemessener drehmomentbildender Strom und ein gemessener magnetfeldschwächender Strom in einem rotorfesten Koordinatensystem anhand der gemessenen Rotorlage aus gemessenen Strömen durch die Phasenwicklungen des Rotors ermittelt werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert für den magnetfeldschwächenden Strom weiterhin anhand einer gemessenen Rotortemperatur und/oder gemessenen Statortemperatur und/oder einer momentanen Versorgungsspannung begrenzt oder angepasst wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenwicklungen des Stators über jeweils eine Pulsweitenmodulationsschaltung mit Strom versorgt werden, wobei eine an eine Phasenwicklung des Stators anzulegende Spannung in einen Aussteuerungsgrad der entsprechenden Pulsweitenmodulationsschaltung umgerechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussteuerungsgrad gemäß einem Verhältnis aus einer Referenzspannung und einer momentanen Versorgungsspannung, insbesondere einer gemessenen Zwischenkreisspannung der Pulsweitenmodulationsschaltung, angepasst oder skaliert wird.
Ansteuerschaltung für eine elektronisch kommutierte Synchronmaschine, mit einer Recheneinheit und in einer Brückenschaltung angeordneten Halbleiterschaltelementen, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit ein Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche durchführt, wobei der Maximalwert für den magnetfeldschwächenden Strom anhand von aus einem nichtflüchtigen Speicher ausgelesenen Wertepaaren von gemessener Drehzahl und zugeordnetem Maximalwert ermittelt wird.
Verwendung einer Ansteuerschaltung nach Anspruch 16 in einem elektronisch geregelten, insbesondere elektrohydraulischen, Bremssystem eines Fahrzeugs.