DE102013208345A1

DE102013208345A1 - Control device and method for controlling a reluctance machine

Info

Publication number: DE102013208345A1
Application number: DE102013208345.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Boeker; Erik Weissenborn; Uwe Vollmer; Henning Hanssen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2014-11-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung zum Regeln einer Reluktanzmaschine, mit einer Schätzeinheit, welche dazu ausgelegt ist, Betriebsparameter der Reluktanzmaschine zu erfassen und in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern eine Schätzgröße für die Radialkraft in den Statorzähnen der Reluktanzmaschine oder für die Oberflächenschnelle an einer Außenfläche des Stators der Reluktanzmaschine zu bilden, einem Summierglied, welches dazu ausgelegt ist, eine erste Führungsgröße für die Radialkraft oder die Oberflächenschnelle entgegen zu nehmen, und von der ersten Führungsgröße die Schätzgröße zur Erzeugung einer Regelabweichung zu subtrahieren, und einem ersten Regler, welcher mit dem Summierglied gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, Treibersignale für die Ansteuerung eines die Reluktanzmaschine mit einer Versorgungsspannung speisenden Umrichters in Abhängigkeit von der Regelabweichung zu erzeugen.The invention relates to a control device for controlling a reluctance machine, comprising an estimation unit which is adapted to detect operating parameters of the reluctance machine and, depending on the detected operating parameters, an estimated value for the radial force in the stator teeth of the reluctance machine or for the surface speed on an outer surface of the stator the reluctance machine, a summing element, which is adapted to take a first command variable for the radial force or the surface speed, and to subtract from the first reference variable, the estimated variable for generating a control deviation, and a first controller, which coupled to the summing is, and which is adapted to generate driver signals for driving a the reluctance machine with a supply voltage supplying inverter as a function of the control deviation.

Description

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung und ein Verfahren zum Regeln einer Reluktanzmaschine, insbesondere einer geschalteten Reluktanzmaschine eines elektrischen Antriebssystems.The invention relates to a control device and a method for controlling a reluctance machine, in particular a switched reluctance machine of an electric drive system.

Stand der TechnikState of the art

Geschaltete Reluktanzmaschinen (GRM) werden häufig als Antriebsmaschinen in elektrischen Antriebssystemen eingesetzt, da sie kostengünstig einzusetzen und robust im Betrieb sind. Im Luftspalt derartiger GRMs können jedoch hohe Radialkräfte abrupt auftreten, was zu erhöhter Schallabstrahlung führen kann. Insbesondere bei Antriebssystemen mit besonderen Anforderungen an Laufruhe und Geräuscharmut des Systems kann diese Schallabstrahlung dem Einsatz von GRMs entgegenstehen.Switched reluctance machines (GRM) are often used as drive machines in electric drive systems, as they are inexpensive to use and robust in operation. In the air gap of such GRMs, however, high radial forces can occur abruptly, which can lead to increased sound radiation. In particular, in drive systems with special requirements for smoothness and quietness of the system, this sound radiation can oppose the use of GRMs.

Die Druckschriften Lin, F.-C.; Yang, S.-M.: „Instantaneous Shaft Radial Force Control with Sinusoidal Excitations for Switched Reluctance Motors”, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 22 (3), September 2007 , und Lin, F.-C.; Yang, S.-M.: “An Approach to Producing Controlled Radial Force in a Switched Reluctance Motor”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 54(4), August 2007 , offenbaren Regelungsverfahren für Ansteuergrößen einer geschalteten Reluktanzmaschine, welche die berechneten Radialkräfte in die Phasenstromregelung einfließen lassen. Dabei können Radialkräfte in den Statorzähnen über Finite-Elemente-Simulationen berechnet und zur Bildung eines Kompensationsdrehmoments für eine Drehmomentenregelung herangezogen werden.The pamphlets Lin, F.-C .; Yang, S.-M .: "Instantaneous Shaft Radial Force Control with Sinusoidal Excitations for Switched Reluctance Motors," IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 22 (3), September 2007 , and Lin, F.-C .; Yang, S.-M .: "Approach to Producing Controlled Radial Force in a Switched Reluctance Motor", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 54 (4), August 2007 , disclose control methods for control variables of a switched reluctance machine, which incorporate the calculated radial forces in the phase current control. In this case, radial forces in the stator teeth can be calculated by finite element simulations and used to form a compensation torque for a torque control.

Die Druckschrift DE 102 45 887 A1 offenbart ein Verfahren zur Geräuschminderung bei geschalteten Reluktanzmaschinen, bei dem eine Ansteuerelektronik Phasenströme derart vorgibt, dass im Radialkraftspektrum der Reluktanzmaschine im Bereich kritischer Resonanzfrequenzen Radialkraftanteile minimiert werden.The publication DE 102 45 887 A1 discloses a method for noise reduction in switched reluctance machines, in which a control electronics phase currents such that in the radial force spectrum of the reluctance machine in the range of critical resonance frequencies radial force components are minimized.

Die Druckschrift US 6,922,036 B1 offenbart computergestützte Verfahren zur Erstellung von Phasenstromprofilen für die Ansteuerung von Reluktanzmaschinen, bei denen Abschaltrampen der Phasenströme derart festgelegt werden, dass die zeitliche Änderung der Radialkräfte beim Poldurchgang der Rotorpole nahezu konstant bleibt.The publication US Pat. No. 6,922,036 B1 discloses computer-assisted methods for generating phase current profiles for the control of reluctance machines in which shutdown ramps of the phase currents are set such that the time change of the radial forces during the pole passage of the rotor poles remains almost constant.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt eine Regelvorrichtung zum Regeln einer Reluktanzmaschine, mit einer Schätzeinheit, welche dazu ausgelegt ist, Betriebsparameter der Reluktanzmaschine zu erfassen und in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern eine Schätzgröße für die Radialkraft in den Statorzähnen der Reluktanzmaschine oder für die Oberflächenschnelle an einer Außenfläche des Stators der Reluktanzmaschine zu bilden, einem Summierglied, welches dazu ausgelegt ist, eine erste Führungsgröße für die Radialkraft oder die Oberflächenschnelle entgegen zu nehmen, und von der ersten Führungsgröße die Schätzgröße zur Erzeugung einer Regelabweichung zu subtrahieren, und einem ersten Regler, welcher mit dem Summierglied gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, Treibersignale für die Ansteuerung eines die Reluktanzmaschine mit einer Versorgungsspannung speisenden Umrichters in Abhängigkeit von der Regelabweichung zu erzeugen.The present invention, in one aspect, provides a control apparatus for controlling a reluctance machine, comprising an estimation unit configured to detect operational parameters of the reluctance machine, and an estimate of the radial force in the stator teeth of the reluctance machine or for surface speed, in dependence on the sensed operating parameters an outer surface of the stator of the reluctance machine, a summing element which is adapted to take a first command variable for the radial force or the surface speed, and to subtract from the first reference variable the estimated variable for generating a control deviation, and a first controller, which is coupled to the summing element, and which is adapted to generate driver signals for driving a the reluctance machine with a supply voltage feeding converter in dependence on the control deviation.

Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem weiteren Aspekt ein elektrisches Antriebssystem mit einer geschalteten Reluktanzmaschine, einem Umrichter, welcher mit der Reluktanzmaschine gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, die Reluktanzmaschine mit Phasenspannungen zu versorgen, und einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung, welche mit der Reluktanzmaschine und dem Umrichter gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, die Phasenströme der Reluktanzmaschine zu erfassen und auf der Basis der erfassten Phasenströme der Reluktanzmaschine Treibersignale zur Ansteuerung des Umrichters auszugeben.The present invention, in another aspect, provides an electric drive system having a switched reluctance machine, a converter coupled to the reluctance machine and configured to supply the reluctance machine with phase voltages, and a control device according to the invention coupled to the reluctance machine and the inverter and which is adapted to detect the phase currents of the reluctance machine and to output drive signals for driving the inverter on the basis of the detected phase currents of the reluctance machine.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Regeln einer Reluktanzmaschine, mit den Schritten des Erfassens von Betriebsparametern der Reluktanzmaschine, des Bildens, in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern, einer Schätzgröße für die Radialkraft in den Statorzähnen der Reluktanzmaschine oder für die Oberflächenschnelle an einer Außenfläche des Stators der Reluktanzmaschine, des Subtrahierens der Schätzgröße von einer ersten Führungsgröße für die Radialkraft oder die Oberflächenschnelle zur Erzeugung einer Regelabweichung, und des Erzeugens von Treibersignalen für die Ansteuerung eines die Reluktanzmaschine mit einer Versorgungsspannung speisenden Umrichters in Abhängigkeit von der Regelabweichung.In another aspect, the present invention provides a method of controlling a reluctance machine, including detecting relays, relays, operating, operating parameters, an estimate of radial force in the stator teeth of the reluctance machine, or surface fastness an outer surface of the stator of the reluctance machine, subtracting the estimated quantity from a first radial force command or surface speed to generate a control deviation, and generating drive signals to drive a converter feeding the reluctance machine with a supply voltage as a function of the control deviation.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, bei der Ansteuerung einer geschalteten Reluktanzmaschine die Geräuschentwicklung durch Vibrationen, welche aufgrund von starken radialen Kraftgradienten in den Statorzähnen entstehen, zu minimieren. Dazu wird zusätzlich zu einer überlagerten Regelung einer Regelgröße wie des Phasenstroms oder des momentanen Drehmoments der Maschine eine unterlagerte Regelung eingesetzt, welche als Regelgrößen die Radialkraft in den Statorzähnen und/oder die Vibrationsbeschleunigung des Maschinengehäuses heranzieht. Durch Berücksichtigung dieser Regelgröße(n) kann eine herkömmliche Regelgröße mit einer Regeleinhüllenden ausgestaltet werden, um die radialen Kraftgradienten in den Statorzähnen zu minimieren.One idea of the present invention is to minimize the noise caused by vibrations due to strong radial force gradients in the stator teeth when driving a switched reluctance machine. For this purpose, a subordinate control is used in addition to a higher-level control of a controlled variable such as the phase current or the instantaneous torque of the machine, which as controlled variables, the radial force in the stator teeth and / or the vibration acceleration of the Machine housing approaches. By considering this controlled variable (s), a conventional controlled variable with a control envelope can be designed to minimize the radial force gradients in the stator teeth.

Ein erheblicher Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass besonders Oberflächenvibrationen der GRM reduziert werden können, was wiederum in einer verminderten Schallabstrahlung durch die GRM resultiert. Dies beruht darauf, dass beim Durchgang des Rotors durch die Achse der Statorzähne mit geeigneter Ansteuerung der Maschine, insbesondere in Bezug auf optimierte Phasenströme, sowohl Betrag als auch Gradient und Oberschwingungsgehalt der Radialkraft im Luftspalt zwischen Rotor und betreffendem Statorzahn minimiert werden können.A significant advantage of this approach is that especially surface vibrations of the GRM can be reduced, which in turn results in a reduced noise emission by the GRM. This is because, as the rotor passes through the axis of the stator teeth with proper machine control, particularly with respect to optimized phase currents, both the magnitude and the gradient and harmonic content of the radial force in the air gap between the rotor and the respective stator tooth can be minimized.

Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung kann die Reluktanzmaschine eine geschaltete Reluktanzmaschine aufweisen. Derartige Reluktanzmaschinen sind insbesondere im niedrigen Drehzahlbereich besonders für die Erzeugung hoher Drehmomente gut geeignet.According to one embodiment of the control device according to the invention, the reluctance machine may have a switched reluctance machine. Such reluctance machines are particularly well suited in the low speed range, especially for the generation of high torques.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung können die Betriebsparameter der Reluktanzmaschine Phasenströme und/oder Rotorlagewinkel der Reluktanzmaschine umfassen.According to a further embodiment of the control device according to the invention, the operating parameters of the reluctance machine may comprise phase currents and / or rotor position angles of the reluctance machine.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung kann die Regelvorrichtung weiterhin einen zweiten Regler aufweisen, welcher dazu ausgelegt ist, eine zweite Führungsgröße für den Phasenstrom oder das angeforderte Drehmoment der Reluktanzmaschine entgegen zu nehmen, und in Abhängigkeit von der zweiten Führungsgröße und einem Radialkraftmodell der Reluktanzmaschine die erste Führungsgröße zu bilden.According to a further embodiment of the control device according to the invention, the control device may further comprise a second controller which is adapted to receive a second reference variable for the phase current or the requested torque of the reluctance machine, and in dependence on the second reference variable and a radial force model of the reluctance machine to form the first reference variable.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung kann der zweite Regler dazu ausgelegt sein, Phasenströme und/oder Rotorlagewinkel der Reluktanzmaschine als Betriebsparameter der Reluktanzmaschine zu erfassen.According to a further embodiment of the control device according to the invention, the second controller can be designed to detect phase currents and / or rotor position angles of the reluctance machine as operating parameters of the reluctance machine.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung kann die erste Führungsgröße einen Referenzverlauf in Form einer sinusförmigen Halbwelle zwischen der unausgerichteten Rotorposition und der ausgerichteten Rotorposition eines Rotorpols mit einem Statorzahn aufweisen.According to a further embodiment of the control device according to the invention, the first reference variable may have a reference curve in the form of a sinusoidal half-wave between the unaligned rotor position and the aligned rotor position of a rotor pole with a stator tooth.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.Further features and advantages of embodiments of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Schnittbilds durch eine Reluktanzmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 1 a schematic representation of a sectional view through a reluctance machine according to an embodiment of the present invention;

2 eine schematisches Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einer Reluktanzmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 2 a schematic representation of an electric drive system with a reluctance machine according to another embodiment of the present invention;

3 schematische Parameterverläufe von Betriebsparametern und Regelgrößen einer Reluktanzmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 3 schematic parameter curves of operating parameters and controlled variables of a reluctance machine according to another embodiment of the present invention;

4 ein schematisches Diagramm für eine beispielhafte Radialkraftregelgröße für eine Reluktanzmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 4 a schematic diagram of an exemplary radial force control variable for a reluctance machine according to another embodiment of the present invention;

5 eine schematische Darstellung einer Regelvorrichtung für eine Reluktanzmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und 5 a schematic representation of a control device for a reluctance machine according to another embodiment of the present invention; and

6 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Regeln einer Reluktanzmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 6 a schematic representation of a method for controlling a reluctance machine according to another embodiment of the present invention.

Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Allgemeinen gleichartige oder gleich wirkende Komponenten. Die in den Figuren gezeigten schematischen Signal- und Parameterverläufe sind nur beispielhafter Natur, die aus Gründen der Übersichtlichkeit idealisiert abgebildet sind. Es versteht sich, dass sich in der Praxis aufgrund von abweichenden Randbedingungen abweichende Signal- und Parameterverläufe ergeben können, und dass die dargestellten Signal- und Parameterverläufe lediglich zur Veranschaulichung von Prinzipien und funktionellen Aspekten der vorliegenden Erfindung dienen.Like reference numerals generally designate like or equivalent components. The schematic signal and parameter profiles shown in the figures are only exemplary in nature, which are idealized for reasons of clarity. It will be understood that in practice, deviating signal and parameter characteristics may result due to deviating boundary conditions, and that the illustrated signal and parameter traces are merely illustrative of principles and functional aspects of the present invention.

Reluktanzmaschinen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind elektrische Maschinen, bei denen ein weichmagnetischer Läufer oder Rotor von einem magnetischen Drehfeld im umgebenden Ständer oder Stator durch magnetische Wechselwirkung angetrieben wird. Der Stator derartiger Reluktanzmaschinen weist dabei eine Vielzahl von paarweisen Statorzähnen aus magnetischem Material auf, die jeweils mit separat bestrombaren Phasenspulen umwickelt sind. Ein spezieller Typ sind dabei geschaltete Reluktanzmaschinen, deren Statorspulen, jeweils wechselweise ab- und anschaltbar sind. Dadurch ziehen die jeweils bestromten Statorzähne bzw. deren Statorspulen die jeweils nächstgelegenen Zähne des Rotors an.Reluctance machines according to the present invention are electrical machines in which a soft magnetic rotor or rotor is driven by a magnetic rotating field in the surrounding stator or stator by magnetic interaction. The stator of such reluctance machines in this case has a plurality of paired stator teeth of magnetic material, which are each wrapped with separately energizable phase coils. A special type are switched reluctance machines whose stator coils can be alternately switched off and on. As a result, the respectively energized stator teeth or their pull Stators coils to the nearest teeth of the rotor.

1 zeigt ein Schnittbild durch ein Rotor/Stator-System einer geschalteten Reluktanzmaschine 14. Der Rotor R aus weichmagnetischem Material weist in der beispielhaften Maschine 14 ein Polpaar auf. Durch geeignetes Ab- und Zuschalten der Statorspulen W an den Statorzähnen Z des Stators S bewegt sich der Rotor mit einem seiner nächstgelegenen Pole auf den jeweiligen Statorzahn Z zu, um den magnetischen Widerstand, die sogenannte Reluktanz, zu verringern. Kurz bevor der Rotorpol direkt gegenüberliegend dem Statorzahn Z zu liegen kommt, wird der Strom in der Statorspule W wieder abgeschaltet, und der nächste Statorzahn Z in Bewegungsrichtung des Rotors R aktiviert. 1 shows a sectional view through a rotor / stator system of a switched reluctance machine 14 , The rotor R of soft magnetic material has in the exemplary machine 14 a pole pair. By suitably switching off and on the stator coils W on the stator teeth Z of the stator S, the rotor moves with one of its nearest poles to the respective stator tooth Z in order to reduce the magnetic resistance, the so-called reluctance. Shortly before the rotor pole comes to rest directly opposite the stator tooth Z, the current in the stator coil W is switched off again, and the next stator tooth Z is activated in the direction of movement of the rotor R.

Im Allgemeinen hat ein geschalteter Reluktanzmotor drei oder mehr Phasen; beispielhaft sind in 1 drei Phasen gezeigt, wobei jedoch jede andere Anzahl an Phasen ebenso möglich ist. Wenn durch die Bewegung des Rotors R an den Statorzähnen Z vorbei zu einem Minimum des Luftspalts zwischen Rotorpol und Statorzahn Z führt, können sehr hohe Radialkräfte F_r auftreten, deren Änderung mit der Drehung des Rotors R ebenfalls erhebliche Beträge annehmen kann. Dies führt zu Oberflächenschnellen a_r an der Außenfläche des Stators S, wodurch hochfrequente Oberflächenvibrationen ausgelöst werden können, die wiederum zu entsprechender unerwünschter Geräuschentwicklung führen.In general, a switched reluctance motor has three or more phases; are exemplary in 1 shown three phases, but any other number of phases is also possible. If the movement of the rotor R past the stator teeth Z leads to a minimum of the air gap between the rotor pole and the stator tooth Z, very high radial forces F _r may occur whose change with the rotation of the rotor R can likewise assume significant amounts. This leads to surface speed a _r on the outer surface of the stator S, whereby high-frequency surface vibrations can be triggered, which in turn lead to corresponding undesirable noise.

2 zeigt eine schematische Illustration eines elektrischen Antriebssystems 100 mit einer Reluktanzmaschine 14, einem Umrichter 13, welcher eine n-phasige Versorgungsspannung für die Reluktanzmaschine 14 bereitstellt, einem Gleichspannungszwischenkreis 12, welcher den Umrichter 13 speist, sowie eine Gleichspannungsquelle 11, welche den Gleichspannungszwischenkreis 12 speist. Für die Steuerung des Umrichters 13 ist eine Regelvorrichtung 10 verantwortlich, die zur Regelung Betriebsparameter der Reluktanzmaschine 14 erfassen und auswerten kann. Beispielsweise kann die Regelvorrichtung die Phasenströme der Reluktanzmaschine 14, das Drehmoment der Reluktanzmaschine 14 und/oder die Rotorlage des Rotors R der Reluktanzmaschine 14 erfassen. Generell sind zur Auswertung Rotorlage des Rotors R sowohl Verfahren mit einem Rotorlagegeber als auch geberlose Verfahren denkbar, die auf einer entsprechenden Auswertung von Betriebsparametern der Reluktanzmaschine 14 wie zum Beispiel der Phasenspannungen oder der Phasenströme als Systemantwort auf Testsignale, die in die Reluktanzmaschine 14 eingespeist werden, beruhen. 2 shows a schematic illustration of an electric drive system 100 with a reluctance machine 14 , an inverter 13 , which is an n-phase supply voltage for the reluctance machine 14 provides a DC link 12 which the inverter 13 feeds, as well as a DC voltage source 11 , which the DC voltage intermediate circuit 12 fed. For the control of the inverter 13 is a control device 10 responsible for regulating the operating parameters of the reluctance machine 14 capture and evaluate. For example, the control device may be the phase currents of the reluctance machine 14 , the torque of the reluctance machine 14 and / or the rotor position of the rotor R of the reluctance machine 14 to capture. In general, for evaluating the rotor position of the rotor R, both methods with a rotor position sensor and encoderless methods are conceivable which are based on a corresponding evaluation of operating parameters of the reluctance machine 14 such as the phase voltages or the phase currents as a system response to test signals entering the reluctance machine 14 be fed.

Der Umrichter 13 kann beispielsweise ein Pulswechselrichter mit asymmetrischen Halbbrücken sein, deren aktive Schaltelemente jeweils Halbleiterschalter sind, die in verschiedenen Ansteuerungszuständen geschaltet werden können. Beispielsweise können beide Schalter einer Halbbrücke für ein Aufmagnetisieren des Statorzahns geschlossen werden. Im Freilaufzustand kann lediglich einer der beiden Halbleiterschalter geschlossen werden, während der jeweils andere geöffnet bleibt. Schließlich kann ein Abmagnetisieren des Statorzahns dadurch erfolgen, dass beide Halbleiterschalter einer Halbbrücke geöffnet werden.The inverter 13 For example, it may be a pulse inverter with asymmetrical half-bridges whose active switching elements are each semiconductor switches which can be switched in different drive states. For example, both switches of a half-bridge can be closed for magnetizing the stator tooth. In the freewheeling state, only one of the two semiconductor switches can be closed while the other one remains open. Finally, a demagnetization of the stator tooth can take place in that both semiconductor switches of a half-bridge are opened.

Die einfachste Ansteuerung einer Reluktanzmaschine ist eine Stromtoleranzbandregelung. Dabei wird ein meist konstanter Stromsollwert vorgegeben, welcher durch Wechsel zwischen den Betriebszuständen des Freilaufs und der Aufmagnetisierung im Umrichter zwischen einem oberen und einem unteren Stromschwellwert gehalten wird. Nach Erreichen des drehmomentabhängigen und gegebenenfalls drehzahlabhängigen Abschaltwinkels wird die jeweilige Phase abmagnetisiert, bis der Strom in der Statorwicklung auf Null zurückgeht.The simplest control of a reluctance machine is a current tolerance band control. In this case, a usually constant current setpoint is predetermined, which is held by switching between the operating states of the freewheel and the magnetization in the inverter between an upper and a lower current threshold. After reaching the torque-dependent and possibly speed-dependent turn-off, the respective phase is demagnetized until the current in the stator winding goes back to zero.

Neben der Stromtoleranzbandregelung existieren auch weitere Regelverfahren wie das direkte Momentandrehmomentregelverfahren, welches nicht den Phasenstrom, sondern direkt das geschätzte Drehmoment als Regelgröße nutzt. Die Momentandrehmomentregelverfahren haben dabei den Vorteil, dass die Drehmomentenwelligkeit der Reluktanzmaschine minimiert werden kann.In addition to the current tolerance band control, there are also other control methods, such as the direct instantaneous torque control method, which does not use the phase current but directly the estimated torque as a controlled variable. The instantaneous torque control methods have the advantage that the torque ripple of the reluctance machine can be minimized.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist zusätzlich zu dem überlagerten Regelungsverfahren, welches beispielsweise auf der Stromtoleranzbandregelung oder der Momentandrehmomentregelung basieren kann, eine unterlagerte Radialkraftregelung vorgesehen. Dabei kann eine der beiden Größen der Radialkraft auf den Statorzahn in Radialrichtung oder der Oberflächenschnelle am dem Statorzahn gegenüberliegenden äußeren Gehäusepunkt des Stators als Regelgröße verwendet werden.According to the present invention, in addition to the superimposed control method, which may for example be based on the current tolerance band control or the instantaneous torque control, a subordinate radial force control is provided. In this case, one of the two magnitudes of the radial force on the stator tooth in the radial direction or the surface speed on the stator tooth opposite outer housing point of the stator can be used as a controlled variable.

3 zeigt schematische Parameterverläufe von Betriebsparametern und Regelgrößen einer Reluktanzmaschine, beispielsweise der Reluktanzmaschine 14 in 2. Gezeigt ist jeweils der zeitliche Verlauf über eine Aufmagnetisierungsperiode für einen der Statorzähne. Der Phasenstromverlauf I folgt dabei nicht einem konstanten Stromverlauf, sondern wird an einen optimalen Verlauf der Radialkraft Fr angepasst, das heißt, einen Verlauf mit minimaler Amplitude der Radialkraft Fr. Selbstverständlich kann statt der Radialkraft Fr hierfür auch die Oberflächenschnelle ar als Regelgröße verwendet werden. 3 shows schematic parameter profiles of operating parameters and controlled variables of a reluctance machine, for example the reluctance machine 14 in 2 , Shown in each case is the time course over a magnetization period for one of the stator teeth. The phase current profile I does not follow a constant current flow, but is adapted to an optimal course of the radial force Fr, that is, a curve with a minimum amplitude of the radial force Fr. Of course, instead of the radial force Fr also the surface speed ar be used as a controlled variable.

In jedem Fall wird durch die überlagerte Regelung ein Radialkraftsollwert vorgegeben, der von dem erwarteten Radialkraftverlauf in Abhängigkeit von der Rotorlage und der Phasenstromhöhe gebildet wird. Für den Radialkraftsollwert können in der unterlagerten Regelung dann obere und untere Radialkraftschwellwerte eingestellt werden, innerhalb deren Grenzen die Radialkraft dann durch geeigneten Wechsel zwischen Aufmagnetisierungs- und Freilaufzustand in dem Umrichter gehalten wird. Wie in 3 weiterhin gezeigt, weist auch das momentane Drehmoment M dadurch eine höhere Welligkeit auf, die aber zugunsten der verminderten Geräuschabstrahlung in Kauf genommen werden kann.In any case, the superposed control sets a radial force setpoint, which depends on the expected radial force curve is formed by the rotor position and the phase current height. For the radial force setpoint, upper and lower radial force threshold values can then be set in the subordinate control, within the limits of which the radial force is then maintained in the converter by a suitable change between the magnetization and freewheeling state. As in 3 Furthermore, shown also, the instantaneous torque M thereby has a higher ripple, but which can be accepted in favor of the reduced noise emission.

Zur Berechnung des Kraftverlaufs der Radialkraft Fr können elektromagnetische zweidimensionale oder dreidimensionale Finite-Elemente-Berechnungen herangezogen werden, um den Zusammenhang zwischen Radialkraftverlauf und Phasenstromverlauf herzustellen. Für die Berechnung der Oberflächenschnelle kann es zusätzlich notwendig sein, die strukturdynamische Transferfunktion des Stators zu ermitteln, beispielsweise durch Finite-Elemente-Simulationen oder durch messtechnische Bestimmung.To calculate the force curve of the radial force Fr, electromagnetic two-dimensional or three-dimensional finite element calculations can be used to establish the relationship between the radial force curve and the phase current profile. In addition, it may be necessary to determine the structure-dynamic transfer function of the stator for the calculation of the surface velocity, for example by finite element simulations or by metrological determination.

4 zeigt ein schematisches Diagramm für eine beispielhafte Radialkraftregelgröße für eine Reluktanzmaschine, beispielsweise die Reluktanzmaschine 14 in 2. Der Radialkraftsollwert wird dabei durch die überlagerte Regelung vorgegeben, beispielsweise als sinusförmige Halbwelle zwischen der unausgerichteten und der vollständig ausgerichteten Rotorposition des Rotors in Bezug auf den jeweiligen Statorzahn. Selbstverständlich sind jedoch auch andere Formen und Regelverläufe für den Radialkraftsollwert denkbar. Der Radialkraftsollwert wird dabei zwischen einem unteren Radialkraftschwellwert Fd und einem oberen Radialkraftschwellwert Fu eingeregelt. 4 shows a schematic diagram of an exemplary radial force control variable for a reluctance machine, such as the reluctance machine 14 in 2 , The radial force setpoint is predetermined by the superimposed control, for example, as a sinusoidal half-wave between the unaligned and the fully aligned rotor position of the rotor with respect to the respective stator tooth. Of course, however, other forms and control curves for the radial force setpoint are conceivable. The radial force setpoint is adjusted between a lower radial force threshold Fd and an upper radial force threshold Fu.

Wie sich im Vergleich zu einer reinen Stromtoleranzbandregelung ergibt, ist bei der erfindungsgemäßen Regelung zunächst eine Verlängerung der Aufmagnetisierungsphase vorgesehen, so dass ein entsprechend höherer Phasenstrom in derjenigen Rotorposition eingeprägt wird, in der durch die geringe Ausrichtung zwischen Rotorpol und Statorzahn nur geringe Radialkräfte auftreten. Erst in Bereichen höherer Ausrichtung wird der Phasenstrom im Vergleich zu einer herkömmlichen Stromtoleranzbandregelung verringert, so dass geringere Radialkräfte auftreten. Zudem treten neben den verringerten Beträgen der Radialkräfte auch verringerte Oberwellenanteile der Radialkräfte auf.As results in comparison to a pure current tolerance band regulation, an extension of the magnetization phase is initially provided in the control according to the invention, so that a correspondingly higher phase current is impressed in that rotor position in which only slight radial forces occur due to the low alignment between rotor pole and stator tooth. Only in regions of higher alignment is the phase current reduced compared to a conventional current tolerance band control, so that lower radial forces occur. In addition, in addition to the reduced amounts of radial forces and reduced harmonic components of the radial forces occur.

5 zeigt eine beispielhafte Regelungsstruktur mit einer Regelvorrichtung 10, welche mit einem Umrichter 13 und einer Reluktanzmaschine 14, wie beispielsweise in 2 gezeigt, gekoppelt ist. Ein überlagerter Regler 1 wird dabei mit einem Stromsollwert Is (oder alternativ einem Drehmomentensollwert) als Führungsgröße gespeist. Der überlagerte Regler 1 erzeugt gemäß eines gespeicherten Radialkraftmodells der Reluktanzmaschine 14 einen Radialkraftsollwert Fs, welcher als Führungsgröße in eine unterlagerte Regelung eingespeist wird. Die unterlagerte Regelung umfasst dabei ein Summierglied 2, einen unterlagerten Regler 3 und einen Radialkraftschätzer 4. Die Schätzeinheit 4 erfasst dabei Betriebsparameter wie Phasenströme Ip und Rotorlage wp der Reluktanzmaschine 14 und erzeugt daraus eine Radialkraftschätzung DF. Die Radialkraftschätzung DF wird in dem Summierglied 2 von der Führungsgröße Fs subtrahiert und als Regelabweichung Fg in den unterlagerten Regler 4 eingespeist, der daraus unter Berücksichtigung der vorgebbaren Start- und Endwinkel ws für die Aufmagnetisierungsphase Treibersignale G für den Umrichter 13 bzw. dessen aktive Schaltelemente erzeugt. Durch Ansteuerung des Umrichters 13 mit den Treibersignalen G kann die Reluktanzmaschine 14 geräuscharm betrieben werden. 5 shows an exemplary control structure with a control device 10 , which with a converter 13 and a reluctance machine 14 , such as in 2 shown is coupled. A superimposed regulator 1 is supplied with a current setpoint Is (or alternatively a torque setpoint) as a reference variable. The superimposed controller 1 generated according to a stored radial force model of the reluctance machine 14 a radial force setpoint Fs, which is fed as a reference variable in a subordinate control. The subordinate control comprises a summing element 2 , a subordinate controller 3 and a radial force estimator 4 , The treasure unit 4 detects operating parameters such as phase currents Ip and rotor position wp of the reluctance machine 14 and generates a radial force estimate DF from this. The radial force estimate DF is in the summer 2 subtracted from the reference variable Fs and as a control error Fg in the subordinate controller 4 fed therefrom, taking into account the predeterminable start and end angle ws for the Aufmagnetisierungsphase drive signals G for the inverter 13 or generates its active switching elements. By controlling the inverter 13 with the driver signals G, the reluctance machine 14 be operated quietly.

Die beispielhafte Regelungsstruktur in 5 kann selbstverständlich auch mit der Oberflächenschnelle ar als Regelgröße betrieben werden. Es ist ebenso möglich, sowohl die Oberflächenschnelle a_r als auch die Radialkraft F_r in die Regelung des unterlagerten Reglers 3 miteinzubeziehen.The exemplary control structure in 5 can of course also be operated with the surface speed ar as a controlled variable. It is also possible, both the surface speed a _r and the radial force F _r in the control of the subordinate controller 3 involve.

6 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 20 zum Regeln einer Reluktanzmaschine, insbesondere einer geschalteten Reluktanzmaschine 14 wie beispielsweise der Reluktanzmaschine 14 in 2 und 5. Das Verfahren 20 kann beispielsweise in der Regelungsvorrichtung 10 gemäß 5 implementiert werden. 6 shows a schematic representation of a method 20 for controlling a reluctance machine, in particular a switched reluctance machine 14 such as the reluctance machine 14 in 2 and 5 , The procedure 20 For example, in the control device 10 according to 5 be implemented.

In einem ersten Schritt 21 erfolgt ein Erfassen von Betriebsparametern der Reluktanzmaschine. Danach erfolgt in einem Schritt 22 ein Bilden, in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern, einer Schätzgröße für die Radialkraft in den Statorzähnen der Reluktanzmaschine oder für die Oberflächenschnelle an einer Außenfläche des Stators der Reluktanzmaschine. Die Schätzgröße kann in einem Schritt 23 dann von einer ersten Führungsgröße für die Radialkraft oder die Oberflächenschnelle zur Erzeugung einer Regelabweichung subtrahiert werden. Schließlich erfolgt in einem Schritt 24 ein Erzeugen von Treibersignalen für die Ansteuerung eines die Reluktanzmaschine mit einer Versorgungsspannung speisenden Umrichters in Abhängigkeit von der Regelabweichung.In a first step 21 there is a detection of operating parameters of the reluctance machine. This is done in one step 22 forming, depending on the detected operating parameters, an estimated value for the radial force in the stator teeth of the reluctance machine or for the surface speed on an outer surface of the stator of the reluctance machine. The estimated size can be in one step 23 then subtracted from a first radial force or surface speed command variable to produce a control deviation. Finally, in one step 24 generating driver signals for driving an inverter supplying the reluctance machine with a supply voltage as a function of the control deviation.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10245887 A1 [0004]
US Pat. No. 6922036 B1 [0005]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Lin, F.-C .; Yang, S.-M .: "Instantaneous Shaft Radial Force Control with Sinusoidal Excitations for Switched Reluctance Motors," IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 22 (3), September 2007 [0003]
Lin, F.-C .; Yang, S.-M .: "Approach to Producing Controlled Radial Force in a Switched Reluctance Motor", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 54 (4), August 2007 [0003]

Claims

Regulating device ( 10 ) for controlling a reluctance machine ( 14 ), comprising: an estimation unit ( 4 ) which is adapted to operating parameters (Ip; wp) of the reluctance machine ( 14 ) and, depending on the detected operating parameters (Ip; wp), an estimated value (DF) for the radial force (Fr) in the stator teeth (Z) of the reluctance machine (FIG. 14 ) or for the surface speed (ar) on an outer surface of the stator (S) of the reluctance machine ( 14 ) to build; a summing element ( 2 ), which is designed to receive a first reference variable (Fs) for the radial force (F _r ) or the surface velocity (a _r ), and from the first reference variable (Fs) the estimated variable (DF) for generating a control deviation (Fg to subtract; and a first controller ( 3 ), which with the summing element ( 2 ), and which is adapted to drive signals (G) for driving a reluctance machine ( 14 ) with a supply voltage supplying converter ( 13 ) as a function of the control deviation (Fg).

Regulating device ( 10 ) according to claim 1, wherein the reluctance machine ( 14 ) a switched reluctance machine ( 14 ).

Regulating device ( 10 ) according to one of claims 1 and 2, wherein the operating parameters (Ip; wp) of the reluctance machine ( 14 ) Phase currents and / or rotor position angle of the reluctance machine ( 14 ).

Regulating device ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, further comprising: a second controller ( 1 ), which is adapted to a second reference variable (Is) for the phase current or the requested torque of the reluctance machine ( 14 ), and in dependence on the second reference variable (Is) and a radial force model of the reluctance machine ( 14 ) to form the first reference variable (Fs).

Regulating device ( 10 ) according to claim 4, wherein the second controller ( 1 ) is adapted to phase currents and / or rotor position angle of the reluctance machine ( 14 ) as the operating parameter (Ip; wp) of the reluctance machine ( 14 ) capture.

Regulating device ( 10 ) according to one of claims 1 to 5, wherein the first reference variable (Fs) has a reference curve in the form of a sinusoidal half-wave between the unaligned rotor position and the aligned rotor position of a rotor pole with a stator tooth (Z).

Electric drive system ( 100 ), comprising: a switched reluctance machine ( 14 ); a converter ( 13 ), which with the reluctance machine ( 14 ) and is adapted to the reluctance machine ( 14 ) to supply with phase voltages; and a control device ( 10 ) according to one of claims 1 to 6, which with the reluctance machine ( 14 ) and the inverter ( 13 ) and which is adapted to the phase currents (Ip) of the reluctance machine ( 14 ) and on the basis of the detected phase currents (Ip) of the reluctance machine ( 14 ) Driver signals (G) for controlling the inverter ( 13 ).

Procedure ( 20 ) for controlling a reluctance machine ( 14 ), with the steps: Capture ( 21 ) of operating parameters (Ip; wp) of the reluctance machine ( 14 ); Form ( 22 ), depending on the detected operating parameters (Ip; wp), an estimated value (DF) for the radial force (F _r ) in the stator teeth (Z) of the reluctance machine ( 14 ) or for the surface speed (a _r ) on an outer surface of the stator (S) of the reluctance machine ( 14 ); Subtract ( 23 ) the estimated value (DF) of a first reference variable (Fs) for the radial force (F _r ) or the surface velocity (a _r ) for generating a control deviation (Fg); and generating ( 24 ) of driver signals (G) for driving a reluctance machine ( 14 ) with a supply voltage supplying converter ( 13 ) as a function of the control deviation (Fg).