DE102013209335A1

DE102013209335A1 - Simulating and controlling a field-oriented magnetizing current of a rotor of an asynchronous machine

Info

Publication number: DE102013209335A1
Application number: DE201310209335
Authority: DE
Inventors: Holger Fink
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2013-05-21
Filing date: 2013-05-21
Publication date: 2014-11-27

Abstract

Ein Verfahren zum Simulieren eines feldorientierten Magnetisierungsstroms (img,φ#) eines Rotors einer Asynchronmaschine (12) mittels eines Modells, insbesondere eines Maschinenmodells, ist beschrieben. Die Asynchronmaschine (12) wird drehgeberfrei, feldorientiert und mittels einer gestuften Spannung betrieben, Das Verfahren weist Bestimmen einer simulierten feldorientierten in einem Stator der Asynchronmaschine (12) induzierten Statorspannung (uind,φ#), Bestimmen einer simulierten Statorkreisfrequenz (ωs,#), mit dem ein feldorientiertes Koordinatensystem relativ zu einem statororientierten Koordinatensystem rotiert, und Simulieren des feldorientierten Magnetisierungsstroms (img,φ#) des Rotors basierend auf der bestimmten simulierten feldorientierten in dem Stator induzierten Statorspannung (uind,φ#) und der bestimmten simulierten Statorkreisfrequenz (ωs,#) auf. Die Simulation des feldorientierten Magnetisierungsstroms (img,φ#) kann daher auf besonders einfache, effiziente und genaue Weise erfolgen und insbesondere unabhängig von betriebsbedingten Temperaturschwankungen des Rotors und/oder einer betriebsbedingten Eisensättigung des Rotors sein.A method for simulating a field-oriented magnetizing current (img, φ #) of a rotor of an asynchronous machine (12) using a model, in particular a machine model, is described. The asynchronous machine (12) is operated without a rotary encoder, is field-oriented and is operated by means of a stepped voltage. with which a field-oriented coordinate system rotates relative to a stator-oriented coordinate system, and simulating the field-oriented magnetizing current (img, φ #) of the rotor based on the determined simulated field-oriented stator voltage (uind, φ #) and the determined simulated stator angular frequency (ωs, #) on. The field-oriented magnetizing current (img, φ #) can therefore be simulated in a particularly simple, efficient and precise manner and, in particular, be independent of operational temperature fluctuations of the rotor and / or operational iron saturation of the rotor.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum drehgeberfreien, feldorientierten Regeln einer Asynchronmaschine.The invention relates to methods and apparatus for encoder-free, field-oriented rules of an asynchronous machine.

Stand der TechnikState of the art

Es ist aus der Praxis bekannt, dass eine Asynchronmaschine mittels eines feldorientiert arbeitenden Regelsystems beziehungsweise Führungssystems geführt werden kann. Das Regelsystem arbeitet üblicherweise basierend auf einer Erfassung eines Statorstroms eines Stators der Asynchronmaschine, einer Statorspannung des Stators sowie einer Rotorposition und/oder einer Rotordrehzahl eines Rotors der Asynchronmaschine. It is known from practice that an asynchronous machine can be guided by means of a field-oriented regulating system or guidance system. The control system usually operates based on a detection of a stator current of a stator of the asynchronous machine, a stator voltage of the stator and a rotor position and / or a rotor speed of a rotor of the asynchronous machine.

Es ist ebenfalls bekannt, dass eine drehgeberfreie Regelung der Asynchronmaschine mittels eines drehgeberfreien und feldorientierten Regelsystems erfolgen kann, das frei von einer direkten Erfassung der Rotorposition bzw. der Rotordrehzahl arbeiten kann. Eine drehgeberfreie Führung der Asynchronmaschine kann beispielsweise auf das Vorsehen eines teuren Drehgebers verzichten, so dass die Asynchronmaschine kostengünstig und kompakt gefertigt sein kann.It is also known that an encoder-free control of the asynchronous machine can be carried out by means of a rotary encoder-free and field-oriented control system, which can operate freely from a direct detection of the rotor position and the rotor speed. A rotary encoder-free guidance of the asynchronous machine can dispense with the provision of an expensive rotary encoder, for example, so that the asynchronous machine can be manufactured inexpensively and compactly.

DE 195 31 771 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Drehzahl einer geberlosen, feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine. DE 195 31 771 A1 describes a method and an apparatus for determining a rotational speed of an encoderless, field-oriented rotary field machine.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Simulieren eines feldorientierten Magnetisierungsstroms eines Rotors einer Asynchronmaschine mittels eines Modells, insbesondere eines Maschinenmodells, vorgesehen, wobei die Asynchronmaschine drehgeberfrei, feldorientiert und mittels einer gestuften Spannung betrieben wird, mit Bestimmen einer simulierten feldorientierten in einem Stator induzierten Statorspannung, Bestimmen einer simulierten Statorkreisfrequenz, mit dem ein feldorientiertes Koordinatensystem relativ zu einem statororientierten Koordinatensystem rotiert, und Simulieren des feldorientierten Magnetisierungsstroms des Rotors basierend auf der bestimmten simulierten feldorientierten in dem Stator induzierten Statorspannung und der bestimmten simulierten Statorkreisfrequenz.According to the invention, a method for simulating a field-oriented magnetizing current of a rotor of an asynchronous machine by means of a model, in particular a machine model, is provided, wherein the asynchronous machine is operated encoder-free, field-oriented and by means of a stepped voltage, determining a simulated field-oriented stator voltage induced in a stator, determining a simulated stator loop frequency at which a field-oriented coordinate system rotates relative to a stator-oriented coordinate system; and simulating the field-oriented magnetizing current of the rotor based on the determined simulated field-oriented stator voltage induced stator voltage and the determined simulated stator circuit frequency.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein feldorientierter Magnetisierungsstrom simuliert bzw. nachgebildet werden, der bei einer drehgeberfreien, feldorientierten Regelung einer Drehzahl und/oder eines Drehmoments der Asynchronmaschine verwendet werden kann. Die durchgeführte Simulation kann auf Grundlage von lediglich zwei Werten eines jeweils zugeordneten Parameters der Asynchronmaschine, nämlich einer feldorientierten in dem Stator induzierten Statorspannung und einer Statorkreisfrequenz bestimmt werden. Zumindest eine der zuletzt genannten Größen kann beziehungsweise beide Größen können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens als Vorstufe zur Simulation des feldorientierten Magnetisierungsstroms simuliert oder als simulierter Eingangswert für das Verfahren zur Verfügung gestellt werden. Dabei können die feldorientierten Größen in einem feldorientierten Bezugskoordinatensystem definiert sein, das bezüglich eines durch einen Stator der Asynchronmaschine definierten, statororientierten Koordinatensystems um einem Feldwinkel gedreht sein kann. Ein simuliertes feldorientiertes Koordinatensystem kann um einen simulierten Feldwinkel bezüglich des statororienierten und/oder feldorientierten Koordinatensystems gedreht sein, wobei ein Wert des simulierten Feldwinkels insbesondere ungleich zu einem Wert des Feldwinkels sein kann.By means of the method according to the invention, a field-oriented magnetizing current can be simulated or simulated, which can be used in a rotary encoder-free, field-oriented control of a speed and / or torque of the asynchronous machine. The simulation carried out can be determined on the basis of only two values of a respectively assigned parameter of the asynchronous machine, namely a field-oriented stator voltage induced in the stator and a stator circuit frequency. At least one of the last-mentioned variables or both variables can be simulated by means of the method according to the invention as a precursor for simulating the field-oriented magnetization current or made available as a simulated input value for the method. In this case, the field-oriented variables can be defined in a field-oriented reference coordinate system which can be rotated by one field angle with respect to a stator-oriented coordinate system defined by a stator of the asynchronous machine. A simulated field-oriented coordinate system may be rotated by a simulated field angle with respect to the stator-oriented and / or field-oriented coordinate system, wherein a value of the simulated field angle may be in particular unequal to a value of the field angle.

Die Simulation des feldorientierten Magnetisierungsstroms kann daher auf besonders einfache, effiziente und genaue Weise erfolgen und insbesondere unabhängig von betriebsbedingten Temperaturschwankungen des Rotors und/oder einer betriebsbedingten Eisensättigung des Rotors sein.The simulation of the field-oriented magnetization current can therefore be carried out in a particularly simple, efficient and accurate manner and, in particular, be independent of operational temperature fluctuations of the rotor and / or an operational iron saturation of the rotor.

Die simulierte feldorientierte in dem Stator induzierte Statorspannung kann einen Raumvektor mit einer Längskomponente und einer Querkomponente aufweisen, wobei das Verfahren ferner Bestimmen eines Betrags des Raumvektors der simulierten feldorientierten in dem Stator induzierten Statorspannung aufweisen kann, wobei das Simulieren des feldorientierten Magnetisierungsstroms basierend auf dem bestimmten Betrag des Raumvektors durchgeführt werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorteilhafter Weise ausgenutzt werden, dass der feldorientierte Magnetisierungsstrom proportional zu einem Betrag der feldorientierten induzierten Spannung sein kann, die wiederum gleich zum Betrag der simulierten feldorientierten induzierten Statorspannung sein kann. Auf diese Weise kann die Simulation des feldorientierten Magnetisierungsstroms in mathematischer Hinsicht besonders genau durchgeführt werden.The simulated field-oriented stator voltage induced in the stator may include a space vector having a longitudinal component and a transverse component, the method further comprising determining an amount of the space vector of the simulated field-oriented stator voltage induced in the stator, wherein simulating the field-oriented magnetization current based on the determined amount of the space vector can be performed. In the method according to the invention, it can advantageously be exploited that the field-oriented magnetizing current can be proportional to an amount of the field-oriented induced voltage, which in turn can be equal to the amount of the simulated field-oriented induced stator voltage. In this way, the simulation of the field-oriented magnetization current can be performed mathematically particularly accurately.

Das Simulieren des feldorientierten Magnetisierungsstroms kann unter der Annahme erfolgen, dass ein Rotorwiderstand des Rotors im Wesentlichen Null sein kann. Der Erfinder hat erkannt, dass der Raumvektor der induzierten Statorspannungen in dem feldorientierten Koordinatensystem im Wesentlichen eine Querkomponente in Richtung einer Querachse q und keine nennenswerte Längskomponente in Richtung einer Längsachse d des feldorientierten Koordinatensystems aufweisen kann. Folglich kann ein Betrag der feldorientierten induzierten Statorspannung einem Betrag der Querkomponente der feldorientierten induzierten Statorspannung entsprechen, so dass der Simulation des feldorientierten Magnetisierungsstroms eine besonders einfache mathematische Beziehung zwischen dem feldorientierten Magnetisierungsstrom und der induzierten Statorspannung zu Grunde liegen kann.The simulation of the field-oriented magnetizing current may be made on the assumption that a rotor resistance of the rotor may be substantially zero. The inventor has recognized that the space vector of the induced stator voltages in the field-oriented coordinate system can essentially have a transverse component in the direction of a transverse axis q and no appreciable longitudinal component in the direction of a longitudinal axis d of the field-oriented coordinate system. Consequently, an amount of field-oriented induced Stator voltage corresponding to an amount of the transverse component of the field-oriented induced stator voltage, so that the simulation of the field-oriented magnetization current may be based on a particularly simple mathematical relationship between the field-oriented magnetization current and the induced stator voltage.

Das Simulieren des feldorientierten Magnetisierungsstroms kann unter Verwendung eines Zusammenhangs i_mg,φ# = |u_ind,φ#|/(|ω_s,#|K_Lr,#) durchgeführt werden, wobei i_mg,φ# der feldorientierte Magnetisierungsstrom, u_ind,φ# die simulierte feldorientierte in dem Stator induzierte Statorspannung, ω_s,# die simulierte Statorkreisfrequenz und K_Lr,# ein simulierter einem Rotorwiderstand R_r zugeordneter Streckenparameter sein können. Wie zuvor erläutert, kann der simulierte feldorientierte Magnetisierungsstrom mittels einer sehr einfachen Gleichung exakt ermittelt werden.The simulation of the field-oriented magnetization current may be performed using a relationship i _{mg, φ #} = | u _{ind, φ #} | / (| ω _{s, #} | K _{Lr, #} ), where i _{mg, φ # is} the field-oriented magnetization current, and the like _{ind, φ # can be} the simulated field-oriented stator voltage induced in the stator, ω _{s, #} the simulated stator circuit frequency and K _{Lr, #} a simulated path parameter associated with a rotor resistance R _r . As explained above, the simulated field-oriented magnetization current can be determined exactly by means of a very simple equation.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Simulieren einer feldorientierten Rotorflussverkettung eines Rotors einer Asynchronmaschine mittels eines Modells, insbesondere eines Maschinenmodells, wobei die Asynchronmaschine drehgeberfrei, feldorientiert und mittels einer gestuften Spannung betrieben wird, mit Bestimmen eines simulierten feldorientierten Magnetisierungsstroms des Rotors, insbesondere mittels des oben beschriebenen Verfahrens zum Simulieren eines feldorientierten Magnetisierungsstroms, und Simulieren der feldorientierten Rotorflussverkettung basierend auf dem bestimmten simulierten feldorientierten Magnetisierungsstrom. Das Verfahren kann sich insbesondere die Kenntnis zunutze machen, dass der Magnetisierungsstroms proportional zur Rotorflussverkettung des magnetischen Flusses in dem Rotor sein kann. Dieser Zusammenhang kann insbesondere für die entsprechenden simulierten feldorientierten Größen gelten.The invention further relates to a method for simulating a field-oriented rotor flux linkage of a rotor of an asynchronous machine by means of a model, in particular a machine model, wherein the asynchronous machine is operated encoder-less, field-oriented and by means of a stepped voltage, with determining a simulated field-oriented magnetizing current of the rotor, in particular by means of the above described method for simulating a field oriented magnetization current, and simulating the field oriented rotor flux linkage based on the determined simulated field oriented magnetization current. In particular, the method may take advantage of the knowledge that the magnetizing current may be proportional to the rotor flux linkage of the magnetic flux in the rotor. This relationship may apply in particular to the corresponding simulated field-oriented quantities.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum drehgeberfreien, feldorientierten Regeln eines feldorientierten Magnetisierungsstroms einer mittels einer gestuften Spannung betriebenen Asynchronmaschine, mit Bestimmen eines simulierten feldorientierten Magnetisierungsstroms eines Rotors der Asynchronmaschine, insbesondere mittels des oben beschriebenen Verfahrens zum Simulieren eines feldorientierten Magnetisierungsstroms, und Regeln des feldorientierten Magnetisierungsstroms des Rotors basierend auf dem simulierten feldorientierten Magnetisierungsstrom und einem feldorientierten Sollmagnetisierungsstrom. Die Regelung für den Magnetisierungsstrom kann als Eingangsgröße den simulierten feldorientierten Magnetisierungsstrom verwenden und eine Abweichung des simulierten feldorientierten Magnetisierungsstroms vom Sollmagnetisierungsstrom berechnen und als Ausgabegröße einen weiteren Wert des Sollmagnetisierungsstroms ausgeben. The invention further relates to a method for the encoder-free, field-oriented control of a field-oriented magnetizing current of a stepped-voltage asynchronous machine, comprising determining a simulated field-oriented magnetizing current of a rotor of the asynchronous machine, in particular by means of the method described above for simulating a field-oriented magnetizing current, and controlling the field-oriented magnetizing current of the rotor based on the simulated field-oriented magnetizing current and a field-oriented desired magnetizing current. The control for the magnetizing current can use the simulated field-oriented magnetizing current as an input variable and calculate a deviation of the simulated field-oriented magnetizing current from the nominal magnetizing current and output a further value of the nominal magnetizing current as the output variable.

Mittels des Regelns des feldorientierten Magnetisierungsstroms kann eine feldorientierte Rotorflussverkettung des Rotors geregelt werden. Dies kann, wie oben dargestellt, auf der Erkenntnis beruhen, dass die feldorientierte Rotorflussverkettung proportional zum feldorientierten Magnetisierungsstrom sein kann, so dass die feldorientierte Rotorflussverkettung in einfacher Weise indirekt über die Regelung des feldorientierten Magnetisierungsstrom geregelt werden kann.By means of the regulation of the field-oriented magnetization current, a field-oriented rotor flux linkage of the rotor can be regulated. As explained above, this can be based on the knowledge that the field-oriented rotor flux linkage can be proportional to the field-oriented magnetization current, so that the field-oriented rotor flux linkage can be regulated in a simple manner indirectly via the regulation of the field-oriented magnetization current.

Die Erfindung betrifft ferner eine Simulationsvorrichtung zum Simulieren eines feldorientierten Magnetisierungsstroms eines Rotors einer Asynchronmaschine mittels eines Modells, insbesondere eines Maschinenmodells, wobei die Asynchronmaschine drehgeberfrei, feldorientiert und mittels einer gestuften Spannung betreibbar ist, mit einer Einheit zum Bestimmen einer simulierten feldorientierten in einem Stator der Asynchronmaschine induzierten Statorspannung, einer Einheit zum Bestimmen einer simulierten Statorkreisfrequenz, mit dem ein feldorientiertes Koordinatensystem relativ zu einem statororientierten Koordinatensystem rotierbar ist, und einer Simulationseinheit zum Simulieren des feldorientierten Magnetisierungsstroms des Rotors basierend auf der bestimmten simulierten feldorientierten in dem Stator induzierten Statorspannung und der bestimmten simulierten Statorkreisfrequenz. Die Simulationsvorrichtung kann zum Durchführen des oben beschriebenen Verfahrens eingerichtet sein und entsprechende Einheiten aufweisen. Die Simulationseinheit und/oder die Simulationsvorrichtung können Teil einer Verarbeitungseinheit, insbesondere eines Prozessors, sein und/oder mittels Integrations-, Verstärkungs-, Additions- und/oder Subtraktionseinheiten oder -glieder realisiert sein.The invention further relates to a simulation device for simulating a field-oriented magnetization current of a rotor of an asynchronous machine by means of a model, wherein the asynchronous machine is encoder-free, field-oriented and operated by means of a stepped voltage, comprising a unit for determining a simulated field-oriented in a stator of the asynchronous machine induced stator voltage, a unit for determining a simulated stator circuit frequency with which a field-oriented coordinate system is rotatable relative to a stator-oriented coordinate system, and a simulation unit for simulating the field-oriented magnetization current of the rotor based on the determined simulated field-oriented stator voltage induced in the stator and the determined simulated stator circuit frequency , The simulation device can be designed to carry out the method described above and have corresponding units. The simulation unit and / or the simulation device may be part of a processing unit, in particular a processor, and / or realized by means of integration, amplification, addition and / or subtraction units or members.

Die Erfindung betrifft ferner eine Simulationsvorrichtung zum Simulieren einer feldorientierten Rotorflussverkettung eines Rotors einer Asynchronmaschine mittels eines Modells, insbesondere eines Maschinenmodells, wobei die Asynchronmaschine drehgeberfrei, feldorientiert und mittels einer gestuften Spannung betreibbar ist, mit einer Einheit zum Bestimmen eines simulierten feldorientierten Magnetisierungsstroms des Rotors, insbesondere mittels des oben beschriebenen Verfahrens zum Simulieren eines feldorientierten Magnetisierungsstroms, und einer Simulationseinheit zum Simulieren der feldorientierten Rotorflussverkettung basierend auf dem bestimmten simulierten feldorientierten Magnetisierungsstrom. Die Simulationsvorrichtung kann zum Durchführen des oben beschriebenen Verfahrens eingerichtet sein und entsprechende Einheiten aufweisen. Insbesondere kann die Einheit zum Bestimmen des simulierten feldorientierten Magnetisierungsstroms die oben beschriebene Simulationseinheit zum Simulieren des feldorientierten Magnetisierungsstroms und/oder die die oben beschriebene Simulationsvorrichtung zum Simulieren des feldorientierten Magnetisierungsstroms aufweisen. Die Simulationseinheit und/oder die Simulationsvorrichtung können Teil einer Verarbeitungseinheit, insbesondere eines Prozessors, sein und/oder mittels Integrations-, Verstärkungs-, Additions- und/oder Subtraktionseinheiten oder -glieder realisiert sein.The invention further relates to a simulation device for simulating a field-oriented rotor flux linkage of a rotor of an asynchronous machine by means of a model, wherein the asynchronous machine is encoder-free, field-oriented and operated by means of a stepped voltage, with a unit for determining a simulated field-oriented magnetizing current of the rotor, in particular by the method described above for simulating a field-oriented magnetization current, and a simulation unit for simulating the field-oriented rotor flux linkage based on the determined simulated field-oriented magnetizing current. The simulation device can be designed to carry out the method described above and have corresponding units. In particular, the unit for determining the simulated field-oriented Magnetizing current, the simulation unit described above for simulating the field-oriented magnetizing current and / or having the above-described simulation device for simulating the field-oriented magnetizing current. The simulation unit and / or the simulation device may be part of a processing unit, in particular a processor, and / or realized by means of integration, amplification, addition and / or subtraction units or members.

Die Erfindung betrifft ferner eine Regelungsvorrichtung zum drehgeberfreien, feldorientierten Regeln eines feldorientierten Magnetisierungsstroms einer mittels einer gestuften Spannung betreibbaren Asynchronmaschine, mit einer Einheit zum Bestimmen eines simulierten feldorientierten Magnetisierungsstroms des Rotors, insbesondere mittels des oben beschriebenen Verfahrens zum Simulieren eines feldorientierten Magnetisierungsstroms, und einer Regeleinheit zum Regeln des feldorientierten Magnetisierungsstroms des Rotors basierend auf dem bestimmten simulierten feldorientierten Magnetisierungsstroms, wobei die Regeleinheit zum Ausgeben eines feldorientierten Sollmagnetisierungsstroms eingerichtet ist. Die Regelungsvorrichtung kann zum Durchführen des oben beschriebenen Verfahrens eingerichtet sein und entsprechende Einheiten aufweisen. Die Einheit zum Bestimmen des simulierten feldorientierten Magnetisierungsstroms kann insbesondere die oben beschriebene Simulationseinheit zum Simulieren des feldorientierten Magnetisierungsstroms und/oder die oben beschriebene Simulationsvorrichtung zum Simulieren des feldorientierten Magnetisierungsstroms aufweisen. Die Regelungsvorrichtung kann insbesondere Teil eines Drehzahlreglers eines Regelsystems zum drehgeberfreien, feldorientierten Regeln der mittels der gestuften Spannung betreibbaren Asynchronmaschine sein und insbesondere als Magnetisierungsstromregler ausgebildet sein. Zusätzlich oder alternativ können die Regeleinheit und/oder die Regelungsvorrichtung Teil einer Verarbeitungseinheit, insbesondere eines Prozessors, sein.The invention further relates to a control device for encoder-free, field-oriented control of a field-oriented magnetization current of a stepped voltage operable asynchronous, comprising a unit for determining a simulated field-oriented magnetizing current of the rotor, in particular by means of the above-described method for simulating a field-oriented magnetizing current, and a control unit for Controlling the field-oriented magnetizing current of the rotor based on the determined simulated field-oriented magnetizing current, wherein the regulating unit is arranged to output a field-oriented target magnetizing current. The control device may be configured to carry out the method described above and have corresponding units. In particular, the unit for determining the simulated field-oriented magnetizing current may comprise the above-described simulation unit for simulating the field-oriented magnetizing current and / or the simulation apparatus described above for simulating the field-oriented magnetizing current. The control device may in particular be part of a speed controller of a control system for encoder-free, field-oriented control of the asynchronous machine which can be operated by means of the stepped voltage and be designed in particular as a magnetizing current regulator. Additionally or alternatively, the control unit and / or the control device may be part of a processing unit, in particular a processor.

Die Erfindung betrifft ferner ein Regelsystem zum drehgeberfreien, feldorientierten Regeln einer Drehzahl und/oder eines Drehmoments eines Rotors einer mittels einer gestuften Spannung betreibbaren Asynchronmaschine, die eine oder beide der oben beschriebenen Simulationsvorrichtungen und/oder die oben beschriebene Regelungsvorrichtung aufweist.The invention further relates to a control system for the encoder-free, field-oriented control of a rotational speed and / or a torque of a rotor operated by a stepped voltage asynchronous machine having one or both of the simulation devices described above and / or the control device described above.

Insbesondere können die Einheiten zum Bestimmen der jeweiligen Größe eine Schnittstelle zum Erfassen der jeweiligen Größe und/oder, wie oben erläutert, eine Simulationseinheit zum Simulieren der jeweiligen Größe aufweisen oder als solche ausgebildet sein.In particular, the units for determining the respective size may have an interface for detecting the respective size and / or, as explained above, a simulation unit for simulating the respective size or may be designed as such.

Insbesondere kann die Asynchronmaschine mit einem Batterie-Direktinverter verbunden sein, der die gestufte Spannung an die Asynchronmaschine ausgeben kann. Die ausgegebene gestufte Spannung kann mittels des Regelsystems regelbar sein. Die Asynchronmaschine kann als Käfigläufer ausgebildet sein.In particular, the asynchronous machine can be connected to a battery direct inverter, which can output the stepped voltage to the asynchronous machine. The output stepped voltage can be regulated by means of the control system. The asynchronous machine can be designed as a squirrel cage.

Insbesondere können die oben genannten Größen oder Parameter als, insbesondere als Vektor definerter, Wert bestimmt oder simuliert werden. Es ist ebenfalls möglich, dass basierend auf mehreren Werten einer Größe ein zeitabhängiges Verhalten der jeweiligen Größe bestimmt bzw. simuliert werden kann.In particular, the above-mentioned quantities or parameters can be determined or simulated as, in particular as a vector, defined value. It is also possible that a time-dependent behavior of the respective variable can be determined or simulated based on several values of a variable.

Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung, insbesondere ein Antriebssystem, mit einer Asynchronmaschine, einer Spannungsquelle, die zum Ausgeben einer gestuften Spannung an die Asynchronmaschine eingerichtet ist, und dem oben beschriebenen Regelsystem. Die Spannungsquelle kann insbesondere eingerichtet sein, die der Asynchronmaschine zuführbare Ausgabespannung stufig oder in Stufen einzustellen und/oder als Batteriedirektinverter ausgebildet sein.The invention further relates to an arrangement, in particular a drive system, with an asynchronous machine, a voltage source which is adapted to output a stepped voltage to the asynchronous machine, and the control system described above. In particular, the voltage source can be set up to adjust the output voltage which can be supplied to the asynchronous machine in stages or in stages and / or be designed as a battery direct inverter.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert.The invention will be explained by way of example with reference to the accompanying drawings based on preferred embodiments.

Es zeigen:Show it:

1 ein schematisches Blockschaltbild einer Anordnung mit einer Asynchronmaschine und eines Regelsystems zum drehgeberfreien, feldorientierten Regeln einer Drehzahl der Asynchronmaschine; 1 a schematic block diagram of an arrangement with an asynchronous machine and a control system for encoder-free, field-oriented rules of a speed of the asynchronous machine;

2 eine schematische Blockdarstellung des Regelsystems in 1; 2 a schematic block diagram of the control system in 1 ;

3 eine schematische Darstellung eines Ersatzschaltbildes der Asynchronmaschine in 1 in einem feldorientierten Koordinatensystem; 3 a schematic representation of an equivalent circuit diagram of the induction machine in 1 in a field-oriented coordinate system;

4 eine schematische Darstellung eines Raumvektors der in einem Stator der Asynchronmaschine in 1 induzierten Statorspannungen in einem statororientierten Koordinatensystem, in einem feldorientierten Koordinatensystem und in einem simulierten feldorientierten Koordinatensystem; und 4 a schematic representation of a space vector in a stator of the asynchronous in 1 induced stator voltages in a stator-oriented coordinate system, in a field-oriented coordinate system and in a simulated field-oriented coordinate system; and

5 ein schematisches Blockschaltbild einer feldorientierten Magnetisierungsstrom-Regelstrecke des Regelsystems in 2. 5 a schematic block diagram of a field-oriented magnetizing current controlled system of the control system in 2 ,

Eine in 1 gezeigte Anordnung 10 weist eine als Käfigläufer ausgebildete Asynchronmaschine 12, ein Regelsystem 14 zum drehgeberfreien, feldorientierten Regeln der Asynchronmaschine 12 und eine als einen eine gestufte, dreiphasige Spannung ausgebenden Batteriedirektinverter ausgebildete Spannungsquelle 16 auf, der mit drei Spannungszweigen 17a, 17b, 17c versehen ist. Die Anordnung 10 ist Teil eines Elektroantriebs, der in statischen Anlagen, wie beispielsweise in einem Windkraftwerk, oder in einem Fahrzeug, beispielsweise in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug, verwendet werden kann. Die Anordnung 10 kann auch Teil eines Transaktionsantriebs sein. An in 1 shown arrangement 10 has a trained as a squirrel cage asynchronous 12 , a rule system 14 to the encoder-free, field-oriented rules of the asynchronous machine 12 and a voltage source configured as a battery direct inverter outputting a stepped three-phase voltage 16 up, with three voltage branches 17a . 17b . 17c is provided. The order 10 is part of an electric drive that can be used in static equipment, such as in a wind power plant, or in a vehicle, such as a hybrid or electric vehicle. The order 10 can also be part of a transaction drive.

Die mit den drei Spannungszweigen 17a, 17b, 17c ausgebildete Spannungsquelle 16 ist dazu eingerichtet, gestufte Ausgabespannungen über einen jeweiligen Pluspol U, V, W der Asynchronmaschine 12 zuzuführen. Jeder Spannungszweig 17a, 17b, 17c ist mit einer Vielzahl von Batteriemodulen mit Koppeleinrichtungen versehen, die der Übersicht halber lediglich in dem Spannungszweig 17c mit den Bezugszeichen 18a bzw. 18b bezeichnet sind. Optionale Trenneinrichtungen 20a und optionale Lade- und Trenneinrichtungen 20b der Spannungszweige 17a, 17b, 17c sind jeweils mit einem Batteriemodul 18a bzw. 18b der Spannungszweige 17a, 17b, 17c gekoppelt. Minuspole des Batteriedirektinverters 16 sind zu einem Sternpunkt verbunden, können allerdings auch elektrisch voneinander getrennt sein. Obwohl die Spannungsquelle 16 als wiederaufladbar ausgebildet ist und einen Akkumulator bzw. ein Akkumulatorsystem darstellt, wird die Spannungsquelle 16 entsprechend des üblichen Sprachgebrauchs als Batterie bzw. als Batteriesystem bezeichnet.The with the three voltage branches 17a . 17b . 17c trained voltage source 16 is configured to have stepped output voltages across a respective plus pole U, V, W of the asynchronous machine 12 supply. Every branch of tension 17a . 17b . 17c is provided with a plurality of battery modules with coupling devices, the sake of clarity only in the voltage branch 17c with the reference numerals 18a respectively. 18b are designated. Optional separators 20a and optional loading and separating devices 20b the voltage branches 17a . 17b . 17c each with a battery module 18a respectively. 18b the voltage branches 17a . 17b . 17c coupled. Negative poles of the battery direct inverter 16 are connected to a star point, but can also be separated from each other electrically. Although the voltage source 16 is designed to be rechargeable and represents an accumulator or an accumulator system, the voltage source 16 according to common usage as a battery or as a battery system called.

Das Regelsystem 14 weist eine erste und zweite Parktransformationseinheit 22, 24 zum Transformieren von Werten vektorieller Größen zwischen einem statororientierten Koordinatensystem und einem feldorientierten Koordinatensystem, einen ersten und zweiten Sensor 26, 28 zum Erfassen einer feldorientierten Statorspannung u_s,φ bzw. eines feldorientierten Statorstroms i_s,φ, eine Statorstromregelstrecke 30 zum Regeln des feldorientierten Statorstroms i_s,φ, eine Drehzahlregelstrecke 32 zum Regeln eines Magnetisierungsstrom i_mg und einer Drehzahl n eines Rotors der Asynchronmaschine 12, einen Drehzahlregler bzw. -regel-vorrichtung 34 zum feldorientierten Regeln des Magnetisierungsstroms i_mg und der Drehzahl n des Rotors der Asynchronmaschine 12 und einen Statorstromregler bzw. -regelvorrichtung 36 zum feldorientierten Regeln des Statorstroms i_s,φ auf. Die Statorstromregelstrecke 30 und die Drehzahlregelstrecke 32 bilden die Asynchronmaschine 14 mittels der entsprechenden Zusammenhänge zwischen jeweiligen Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen der Regelstrecken 30, 32 nach. Obwohl die Sensoren 26, 28 schaltungstechnisch dargestellt sind, als dass sie zum Erfassen der feldorientierten Größen eingerichtet sind, versteht es sich, dass die Sensoren Werte im statororientierten Koordinatensystem erfassen, die in entsprechende Größen im feldorientierten Koordinatensystem bzw. im simulierten feldorientierten Koordinatensystem umgewandelt werden. The control system 14 has a first and second parking transformation unit 22 . 24 for transforming values of vector magnitude between a stator-oriented coordinate system and a field-oriented coordinate system, a first and a second sensor 26 . 28 for detecting a field-oriented stator voltage u _{s, φ} or of a field-oriented stator current i _{s, φ} , a stator current control path 30 for controlling the field-oriented stator current i _{s, φ} , a speed control path 32 for controlling a magnetizing current i _mg and a rotational speed n of a rotor of the asynchronous machine 12 , a speed controller 34 for field-oriented regulation of the magnetizing current i _mg and the rotational speed n of the rotor of the asynchronous machine 12 and a stator current regulator 36 for field-oriented regulation of the stator current i _{s, φ} . The stator current control system 30 and the speed control line 32 make up the asynchronous machine 14 by means of the corresponding relationships between the respective input variables and output variables of the controlled systems 30 . 32 to. Although the sensors 26 . 28 circuit-wise, as they are arranged to detect the field-oriented quantities, it is understood that the sensors detect values in the stator-oriented coordinate system, which are converted into corresponding sizes in the field-oriented coordinate system or in the simulated field-oriented coordinate system.

Eine erste Simulationsvorrichtung 38 des Regelsystems 14 ist zum Simulieren einer feldorientierten, im Betrieb der Asynchronmaschine 12 stationär erforderlichen Statorspannung u_s,st,φ# sowie einer feldorientierten, im Stator induzierten Statorspannung u_ind,φ# basierend auf der vom ersten Sensor 26 gemessenen und entsprechend transformierten feldorientierten Statorspannung u_s,φ und des vom zweiten Sensor 28 gemessenen und entsprechend transformieriten feldorientierten Statorstroms i_s,φ unter Verwendung eines die Asynchronmaschine 12 nachbildenden Maschinenmodells eingerichtet. Eine zweite Simulationsvorrichtung 40 des Regelsystems 14 ist dazu eingerichtet, eine Statorkreisfrequenz ω_s,#, einen feldorientierten Magnetisierungsstrom i_mg,φ# sowie eine feldorientierte Rotorflussverkettung Ψ_r,φ# mittels des Maschinenmodells zu simulieren. Eine dritte Simulationsvorrichtung 42 des Regelsystems 14 ist zum Simulieren einer Drehzahl n_φ des Rotors der Asynchronmaschine 12 basierend auf der vom ersten Sensor 26 gemessenen und transformierten feldorientierten Statorspannung u_s,φ und des vom zweiten Sensor 28 gemessenen und transformierten feldorientierten Statorstroms i_s,φ unter Verwendung des Maschinenmodells eingerichtet. Über ein Stellglied 43 des Regelsystems 14 ist die vom Batteriedirektinverter 16 ausgebbare gestufte Ausgabespannung regelbar, die an Maschinenklemmen der Asynchronmaschine 12 einspeisbar ist. A first simulation device 38 of the control system 14 is for simulating a field-oriented, in the operation of the asynchronous machine 12 stationary required stator voltage u _{s, st, φ #} and a field-oriented, stator-induced stator voltage u _{ind, φ #} based on that of the first sensor 26 measured and correspondingly transformed field-oriented stator voltage u _{s, φ} and that of the second sensor 28 measured and correspondingly transformed field-oriented stator current i _{s, φ} using an asynchronous machine 12 set up replicating machine model. A second simulation device 40 of the control system 14 is configured to simulate a stator loop frequency ω _{s, #} , a field-oriented magnetization current i _{mg, φ #} and a field-oriented rotor flux linkage Ψ _{r, φ #} by means of the machine model. A third simulation device 42 of the control system 14 is for simulating a speed n _{φ of} the rotor of the asynchronous machine 12 based on the first sensor 26 measured and transformed field-oriented stator voltage u _{s, φ} and that of the second sensor 28 measured and transformed field-oriented stator current i _{s, φ} set up using the machine model. About an actuator 43 of the control system 14 is the one from the battery direct inverter 16 Distributable stepped output voltage controllable, on machine clamps of the asynchronous machine 12 can be fed.

Die zweite Simulationsvorrichtung 40 weist eine erste Schnittstelleneinheit 44 zum Empfangen der vom ersten Sensor 26 gemessenen und transformierten feldorientierten Statorspannung u_s,φ, des vom zweiten Sensor 28 gemessenen und transformierten feldorientierten Statorstroms i_s,φ und der mittels der ersten Simulationsvorrichtung 38 simulierten feldorientierten induzierten Statorspannung u_ind,φ# auf. Eine erste Simulationseinheit 46 der zweiten Simulationsvorrichtung 40 ist kommunikativ mit der ersten Schnittstelleneinheit 44 gekoppelt und zum Simulieren der Statorkreisfrequenz ω_s,# basierend auf der simulierten feldorientierten induzierten Statorspannung u_ind,φ# eingerichtet. Eine zweite Simulationseinheit 48 der zweiten Simulationsvorrichtung 40 ist kommunikativ mit der ersten Schnittstelleneinheit 44 und der ersten Simulationseinheit 46 gekoppelt und zum Simulieren des feldorientierten Magnetisierungsstroms i_mg,φ# basierend auf der simulierten feldorientierten induzierten Statorspannung u_ind,φ# und der simulierten Statorkreisfrequenz ω_s,# eingerichtet. Eine dritte Simulationseinheit 50 der zweiten Simulationsvorrichtung 40 ist kommunikativ mit der zweiten Simulationseinheit 48 gekoppelt und zum Simulieren der feldorientierten Rotorflussverkettung Ψ_r,φ# basierend auf dem simulierten feldorientierten Magnetisierungsstrom i_mg,φ# eingerichtet. Eine zweite Schnittstelleneinheit 52 der zweiten Simulationsvorrichtung 40 ist zum Ausgeben des mittels der zweiten Simulationseinheit 48 simulierten feldorientierten Magnetisierungsstroms i_mg,φ# an den Drehzahlregler 34 eingerichtet. Eine dritte Schnittstelleneinheit 54 der zweiten Simulationsvorrichtung 40 ist zum Ausgeben der mittels der dritten Simulationseinheit 50 simulierten feldorientierten Rotorflussverkettung Ψ_r,φ# eingerichtet. The second simulation device 40 has a first interface unit 44 to receive the from the first sensor 26 measured and transformed field-oriented stator voltage u _{s, φ} , that of the second sensor 28 measured and transformed field-oriented stator current i _{s, φ} and the means of the first simulation device 38 simulated field-oriented induced stator voltage u _{ind, φ #} . A first simulation unit 46 the second simulation device 40 is communicative with the first interface unit 44 coupled and adapted to simulate the stator loop frequency ω _{s, #} based on the simulated field oriented induced stator voltage u _{ind, φ #} . A second simulation unit 48 the second simulation device 40 is communicative with the first interface unit 44 and the first simulation unit 46 coupled and simulated for simulating the field-oriented magnetizing current i _{mg, φ #} based on the simulated field-oriented induced stator voltage u _{ind, φ #} and the simulated stator loop frequency ω _{s, #} . A third simulation unit 50 the second simulation device 40 is communicative with the second simulation unit 48 coupled and to simulate the field-oriented Rotor flux linkage Ψ _{r, φ #} based on the simulated field-oriented magnetization current i _{mg, φ #} set up. A second interface unit 52 the second simulation device 40 is for outputting by means of the second simulation unit 48 simulated field-oriented magnetization current i _{mg, φ #} to the speed controller 34 set up. A third interface unit 54 the second simulation device 40 is to output the means of the third simulation unit 50 simulated field-oriented rotor flux linkage Ψ _{r, φ #} set up.

Der Drehzahlregler 34 weist eine erste Schnittstelleneinheit 56 zum Empfangen des simulierten feldorientierten Magnetisierungsstroms i_mg,φ# der von der dritten Simulationsvorrichtung 42 ausgegebenen simulierten Drehzahl n_# und einem Drehzahlsteuerwert n_* auf und ist kommunikativ mit einem in dem Drehzahlregler 34 aufgenommenen Magnetisierungsstromregler 58 zum feldorientierten Regeln des Magnetisierungsstroms i_mg,φ des Rotors basierend auf dem simulierten feldorientierten Magnetisierungsstrom i_mg,φ# gekoppelt. Der Magnetisierungsstromregler bzw. -regeleinheit 58 ist dazu eingerichtet, eine Längskomponente i_sd eines feldorientierten Sollstatorstroms i_s,*φ an den Statorstromregler 36 auszugeben, der zusammen mit einer Querkomponente i_sq als Sollstatorstrom i_s,*φ über eine zweite Schnittstelleneinheit 60 des Drehzahlreglers 34 dem Statorstromregler 36 zuführbar ist. Dadurch ergibt sich ein Regelkreis für den feldorientierten Magnetisierungsstrom i_mg,φ und den feldorientierten Rotorfluss Ψ_r,φ der Asynchronmaschine 12. Eine von dem Statorstromregler 36 ausgegebene Sollstatorspannung u_s,*φ ist als Sollstatorspannung u_s,*1,2,3 dem Stellglied 43 des Regelsystems 14 für die Asynchronmaschine 12 zuführbar.The speed controller 34 has a first interface unit 56 for receiving the simulated field-oriented magnetization current i _{mg, φ #} from the third simulation device 42 outputted simulated speed n _# and a speed control value n _* and is communicative with one in the speed controller 34 recorded magnetization current controller 58 for field-oriented regulation of the magnetization current i _{mg, φ of} the rotor based on the simulated field-oriented magnetization current i _{mg, φ #} . The magnetizing current regulator or regulating unit 58 is configured to supply a longitudinal component i _{sd of} a field-oriented nominal stator current i _{s, * φ} to the stator current regulator 36 output together with a transverse component i _sq as nominal stator current i _{s, * φ} via a second interface unit 60 of the speed controller 34 the stator current regulator 36 can be fed. This results in a control loop for the field-oriented magnetization current i _{mg, φ} and the field-oriented rotor flux Ψ _{r, φ of} the asynchronous machine 12 , One of the stator current regulator 36 output nominal stator voltage u _{s, * φ} is the setpoint stator voltage u _{s, * 1,2,3} the actuator 43 of the control system 14 for the asynchronous machine 12 fed.

Zumindest eine der ersten, zweiten und dritten Simulationsvorrichtung 36, 38, 40 ist mittels Hardware und/oder Software realisiert. Zumindest zwei Vorrichtungen der ersten, zweiten und dritten Simulationsvorrichtung 38, 40, 42 können einstückig bzw. als gemeinsamer Code realisiert sein.At least one of the first, second and third simulation device 36 . 38 . 40 is realized by hardware and / or software. At least two devices of the first, second and third simulation device 38 . 40 . 42 can be implemented in one piece or as a common code.

Es wird angemerkt, dass vektorielle Größen in den 2 bis 5 mittels eines Pfeils gekennzeichnet sind, während diese Größen in der Beschreibung ohne Pfeil gekennzeichnet sind.It is noted that vectorial quantities in the 2 to 5 are indicated by an arrow, while these sizes are indicated in the description without an arrow.

Ein in 3 dargestelltes Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine 12 weist einen Statorzweig 64 mit einer Induktivität 66, einem Statorwiderstand 68 und einer Einheit 70 auf. Ein Rotorzweig 72 des Ersatzschaltbildes weist eine Rotorinduktivität 74, einen Rotorwiderstand 76 sowie zwei Einheiten 78, 80 auf. An in 3 illustrated equivalent circuit diagram of the induction machine 12 has a stator branch 64 with an inductance 66 , a stator resistance 68 and one unit 70 on. A rotor branch 72 the equivalent circuit diagram has a rotor inductance 74 , a rotor resistance 76 as well as two units 78 . 80 on.

Unter Berücksichtigung von 3 verwendet die zweite Simulationseinheit 48 den mathematischen Zusammenhang u_ind,φ = T_Lr·d/dt i_mg,φ + ω_s·K_Lr·R(π/2)·i_mg,φ = (K_Rr·(i_sd – i_mg), ω_s·K_Lr·i_mg)^t. Dabei gelten T_Lr = L_r·i_B/u_B, K_Lr = T_Lr/T_B = (L_r·i_B)/(u_B·T_B), K_Rr = (R_r·i_B)/u_B, wobei i_B, u_B und T_B die Bezugsgrößen bzw. Normierungsgrößen für Ströme, Spannungen und Zeitkonstanten des Regelsysttems 14 sind und R(π/2) eine Drehmatrix für den Wert (π/2) und (a, b) einen transponierten Vektor bezeichnen. Für die Längskomponente u_indd der feldorientierten Statorspannung u_ind,φ und die Querkomponente u_indq der feldorientierten Statorspannung u_ind,φ gilt entsprechend u_indd = T_Lr·d/dt i_mg = K_Rr·(i_sd – i_mg) und u_indq = ω_s·K_Lr·i_mg.Taking into account 3 uses the second simulation unit 48 the mathematical relationship u _{ind, φ} = T _Lr · d / dt i _{mg, φ} + ω _s · K _Lr · R (π / 2) · i _{mg, φ} = (K _Rr · (i _sd -i _mg ), ω _s · K _Lr · i _mg ) ^t . In this case, T _Lr = L _r * i _B / u _B , K _Lr = T _Lr / T _B = (L _r * i _B ) / (u _B * T _B ), K _Rr = (R _r * i _B ) / u _B , where i _B , u _B and T _{B are} the reference quantities or normalization quantities for currents, voltages and time constants of the control system 14 and R (π / 2) denote a rotation matrix for the value (π / 2) and (a, b) a transposed vector. For the longitudinal component u _{indd of} the field-oriented stator voltage u _{ind, φ} and the _{transverse component} u _{indq of} the field-oriented stator voltage u _{ind, φ} , u _indd = T _Lr * d / dt i _mg = K _Rr * (i _sd -i _mg ) and u _indq = ω _s * K _Lr * i _mg .

Da der Rotorwiderstand R_r und damit der Streckenparameter K_Rr bei Käfigläufer-Asynchronmaschinen 12 kleine Werte aufweisen, kann die Längskomponente u_indd der feldorientierten Statorspannung u_ind,φ bei Ausgleichsvorgängen im Regelsystem 14 für den Magnetisierungsstrom i_mg,φ, also wenn die Längskomponente i_sd des feldorientierten Statorstroms i_s,φ ungleich zum feldorientierten Magnetisierungsstrom i_mg ist (i_s,φ ≠ i_mg,φ), mit sehr guter Näherung zu Null angenommen werden (u_indd = 0). Der Raumvektor der feldorientierten induzierten Statorspannung u_ind,φ weist somit im Vergleich zum in 4 dargestellten und im Folgenden mit dem Bezugszeichen 82 versehenen statororientierten Koordinatensystem, das mittels einer ersten Achse a und einer zweiten Achse b definiert ist, im feldorientierten Koordinatensystem 84, das mittels einer Längsachse d und einer Querachse q definiert ist, im Wesentlichen nur eine Querkomponente u_indq in Richtung der Querachse q auf (u_ind,φ = (0, u_indq)^t). In einem nachgebildeten feldorientierten Koordinatensystem 86, das mittels einer Simulationslängsachse d# und einer Simulationsquerachse q# definiert ist, gilt für den Raumvektor der induzierten Spannungen u_ind,φ# = (u_indd,#, u_indq,#)^t = R(Δφ)·u_ind,φ = u_indq·(–sin(Δφ), cos(Δφ))^t. Dabei gelten tan(Δφ) = –u_indd,#/u_indq,# und Δφ ≈ –u_indd,#/u_indq,#.Since the rotor resistance R _r and thus the line parameters K _Rr in squirrel cage asynchronous machines 12 have small values, the longitudinal component u _{indd of} the field-oriented stator voltage u _{ind, φ} in compensation processes in the control system 14 for the magnetizing current i _{mg, φ} , ie when the longitudinal component i _{sd of} the field-oriented stator current i _{s, φ is} not equal to the field-oriented magnetizing current i _mg (i _{s, φ} i _{mg, φ} ), are assumed to be very close to zero (u _indd = 0). The space vector of the field-oriented induced stator voltage u _{ind, φ} thus has in comparison to in 4 shown and in the following by the reference numeral 82 provided stator-oriented coordinate system, which is defined by a first axis a and a second axis b, in the field-oriented coordinate system 84 , which is defined by means of a longitudinal axis d and a transverse axis q, substantially only a transverse _component u _indq in the direction of the transverse axis q on (u _{ind, φ} = (0, u _indq ) ^t ). In a replicated field-oriented coordinate system 86 , which is defined by means of a simulation _{longitudinal axis} d # and a simulation _{transverse axis} q #, applies to the space vector of the induced voltages u _{ind, φ #} = (u _{indd, #} , u _{indq, #} ) ^t = R (Δφ) · u _{ind, φ} = u _indq · (-sin (Δφ), cos (Δφ)) ^t . Tan (Δφ) = -u _{indd, #} / u _{indq, #} and Δφ ≈ -u _{indd, #} / u _{indq, #} .

Somit entspricht der Betrag der simulierten feldorientierten induzierten Statorspannung u_ind,φ# dem Betrag der feldorientierten induzierten Statorspannung u_ind,φ, also es gilt |u_ind,φ#| = ((u_indd,#)² + (u_indq,#)²)^1/2 = |u_ind,φ|. Da die induzierten Spannung u_ind,φ im Wesentlichen lediglich die Querkomponente u_indq aufweist, gilt mit guter Näherung für den Betrag der feldorientierten induzierten Statorspannung |u_ind,φ| = |u_indq| = |ω_s·K_Lr·i_mg| = |ω_s|·K_Lr·i_mg. Der simulierte feld orientierte Magnetisierungsstrom ergibt sich zu i_mg,φ = ((u_indd,#)² + (u_indq,#)²)^1/2/(|ω_s|·K_Lr). Thus, the amount of the simulated field-oriented induced stator voltage u _{ind, φ #} corresponds to the amount of the field-oriented induced stator voltage u _{ind, φ} , that is, | u _{ind, φ #} | = ((u _{indd, #} ) ² + (u _{indq, #} ) ² ) ^1/2 = | u _{ind, φ} |. Since the induced voltage u _{ind, φ has} essentially only the _transverse component u _indq , the value of the field-oriented induced stator voltage | u _{ind, φ} | applies to a good approximation = | u _indq | = | ω _s · K _Lr · i _mg | = | ω _s | · K _Lr · i _mg . The simulated field-oriented magnetization _current results in i _{mg, φ} = ((u _{indd, #} ) ² + (u _{indq, #} ) ² ) ^1/2 / (| ω _s | · K _Lr ).

Unter der Annahme, dass ein hochwertiges Signal für die Nachbildung der Statorkreisfrequenz ω_s vorhanden und die Nachbildung besonders exakt ist, kann die Simulationseinheit 48 den simulierten feldorientierten Magnetisierungs stroms i_mg,# unter Verwendung von i_mg,# = ((u_indd,#)² + (u_indq,#)²)^1/2/(|ω_s,#|·K_Lr,#) errechnen.Assuming that a high-quality signal for the simulation of the stator loop frequency ω _{s is} present and the replica is particularly exact, the simulation unit can 48 the simulated field-oriented magnetization current i _{mg, #} using i _{mg, #} = ((u _{indd, #} ) ² + (u _{indq, #} ) ² ) ^1/2 / (| ω _{s, #} | * K _{Lr, #} calculate).

Die dritte Simulationseinheit 50 berechnet die simulierte Rotorflussverkettung Ψ_r,# mit sehr guter Näherung zu Ψ_r,# = K_Lr,#·i_mg,# = Ψ_r = K_Lr·i_mg. The third simulation unit 50 calculates the simulated rotor flux linkage Ψ _{r, #} with a very good approximation to Ψ _{r, #} = K _{Lr, #} · i _{mg, #} = Ψ _r = K _Lr · i _mg .

Die in 5 gezeigte Drehzahlregelstrecke 32 weist für die Längskomponente i_sd des Raumvektors des feldorientierten Statorstroms i_s,φ ein Substraktionsglied 90, das den Magnetisierungsstrom i_mg von der Längskomponente i_sd subtrahiert, und ein Integrierglied 92 erster Ordnung mit einer durch die Rotorzeitkonstante T_r gebildeten Verzögerungszeitkonstante auf, das den Magnetisierungsstrom i_mg ausgibt. Der Magnetisierungsstrom i_mg wird einem Dividierglied 93 zugeführt, das als nicht lineare Kopplung der beiden Komponenten i_sd, i_sq des Statorstroms i_s,φ einen Quotienten zwischen der Querkomponente i_sq des Raumvektors des feldorientierten Statorstroms i_s,φ und dem Magnetisierungsstrom i_mg bildet. Ein Ausgabewert des Dividierglieds 93 wird einem Verstärkungsglied 94 zugeführt, das einen Proportionalitätsfaktor 1/K_Tr zu dem Ausgabesignal multipliziert und als Ausgabewert die Schlupfkreisfrequenz ω_r ausgibt. Ein Addierglied 96 addiert die Schlupfkreisfrequenz ω_r zu einer Drehzahl n und gibt die Statorkreisfrequenz ω_s aus, die mittels eines Integrierglieds 98 mit einer Bezugszeitkonstanten T_B integriert wird, so dass der Feldwinkel φ erzeugt wird. Die Querkomponente i_sq des Raumvektors des feldorientierten Statorstroms i_s,φ wird neben dem Dividierglied 93 einem Multiplikationsglied 100 zugeführt, das als nicht lineare Kopplung der beiden Komponenten i_sd, i_sq des Statorstroms i_s,φ den von dem Integrierglied 92 ausgegebenen Magnetisierungsstrom i_mg mit der Querkomponente i_sq multipliziert. Der Ausgabewert des Multiplikationsglied 100 wird einem Verstärkungsglied 102 zugeführt, das einen Proportionalitätsfaktor K_mi zu dem Ausgabesignal multipliziert und ein Drehmoment m_i an ein Substraktionsglied 104 ausgibt, das ein Drehmoment oder Widerstandsmoment m_w von dem Drehmoment m_i abzieht. Der Ausgabewert des Subtraktionsglied 104 wird einem Integrierglied 106 mit einer Zeitkonstanten T_j, die das Trägheitmoment des Asynchronmaschine 12 repräsentiert, zugeführt, dessen Ausgabesignal die Drehfrequenz Ω des Rotors im statororientierten Koordinatensystem 82 ist. Die Drehfrequenz Ω wird einem Verstärkungsglied 108 zugeführt, das die Drehfrequenz Ω mit einer Proportionalitätskonstante Z_p, einer Polpaarzahl der Asynchronmaschine 12, multipliziert und die Drehzahl n ausgibt, die als nicht lineare Kopplung zwischen den beiden Komponenten i_sd, i_sq des Statorstroms i_s,φ dem Additionsglied 96 zugeführt wird.In the 5 shown speed control line 32 has a Substraktionsglied for the longitudinal component i _{sd of} the space vector of the field-oriented stator current i _{s, φ} 90 which subtracts the magnetizing current i _mg from the longitudinal component i _sd , and an integrating member 92 first order with a delay time constant formed by the rotor time constant T _r , which outputs the magnetizing current i _mg . The magnetizing current i _mg becomes a divider 93 supplied as non-linear coupling of the two components i _sd , i _{sq of} the stator current i _{s, φ} forms a quotient between the transverse component i _{sq of} the space vector of the field-oriented stator current i _{s, φ} and the magnetizing current i _mg . An output value of the divider 93 becomes a reinforcing member 94 which multiplies a proportionality factor 1 / K _Tr to the output signal and outputs the slip angular frequency ω _r as the output value. An adder 96 adds the slip circuit frequency ω _r to a speed n and outputs the stator loop frequency ω _s , by means of an integrator 98 is integrated with a reference time constant T _B , so that the field angle φ is generated. The transverse component i _{sq of} the space vector of the field-oriented stator current i _{s, φ} is next to the divider 93 a multiplier 100 supplied as a non-linear coupling of the two components i _sd , i _{sq of} the stator current i _{s, φ} from the integrator 92 output magnetizing current i _mg multiplied by the transverse component i _sq . The output value of the multiplication element 100 becomes a reinforcing member 102 which multiplies a proportionality factor K _mi to the output signal and a torque m _i to a subtractor 104 outputs that subtracts a torque or resistance torque m _w from the torque m _i . The output value of the subtraction element 104 becomes an integrator 106 with a time constant T _j , which is the moment of inertia of the asynchronous machine 12 represents, supplied, whose output signal, the rotational frequency Ω of the rotor in the stator-oriented coordinate system 82 is. The rotational frequency Ω becomes a reinforcing member 108 supplied, the rotational frequency Ω with a proportionality constant Z _p , a pole pair number of the asynchronous machine 12 multiplied and outputs the speed n, which is a non-linear coupling between the two components i _sd , i _{sq of} the stator current i _{s, φ} the adder 96 is supplied.

Die zweite Simulationseinheit 48 und die dritte Simulationseinheit 50 arbeiten unabhängig von der Rotorzeitkonstanten T_r, die sich bei Betrieb der Asynchronmaschine 12 temperaturbedingt und aufgrund ändernder Eisensättigung ändern kann. Bei Ausgleichsvorgängen des Magnetisierungsstromreglers 58 kann daher vermieden werden, dass eine Abweichung zwischen dem simulierten Wert des Magnetisierungsstroms i_mg,# vom tatsächlichen Wert des Magnetisierungsstroms i_mg auftreten kann. Somit ist die Simulierung des feldorientierten Magnetisierungsstroms i_mg,φ# und der Rotorflussverkettung Ψ_r,# besonders exakt.The second simulation unit 48 and the third simulation unit 50 operate independently of the rotor time constant T _r arising during operation of the asynchronous machine 12 temperature-related and may change due to changing iron saturation. For compensation processes of the magnetizing current controller 58 Therefore, it can be avoided that a deviation between the simulated value of the magnetizing current i _{mg, #} from the actual value of the magnetizing current i _mg can occur. Thus, the simulation of the field-oriented magnetization current i _{mg, φ #} and the rotor flux linkage Ψ _{r, # is} particularly accurate.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19531771 A1 [0004]

Claims

Method for simulating a field-oriented magnetizing current (i _mg , _{φ #} ) of a rotor of an asynchronous machine ( 12 ) by means of a model, in particular a machine model, wherein the asynchronous machine ( 12 ) is encoder-free, field-oriented and operated by means of a stepped voltage, comprising: - determining a simulated field-oriented in a stator of the asynchronous machine ( 12 ) induced stator voltage (u _{ind, φ #} ), - determining a simulated stator circuit frequency (ω _{s, #} ), with which a field-oriented coordinate system ( 84 ) relative to a stator-oriented coordinate system ( 82 ), and simulating the field oriented magnetization current (i _mg , _{φ #} ) of the rotor based on the determined simulated field oriented stator induced voltage in the stator (u _{ind, φ #} ) and the determined simulated stator circuit frequency (ω _{s, #} ).

The method of claim 1, wherein the simulated field-oriented stator voltage induced in the stator (u _{ind, φ #} ) _comprises a space vector having a longitudinal component (u _{indd, φ #} ) and a _{lateral component} (u _{indq, φ #} ), further _comprising : - determining an amount of the space vector of the simulated field-oriented stator voltage induced in the stator (u _{ind, φ #} ), wherein the simulation of the field-oriented magnetizing current (i _mg , _{φ #} ) is performed based on the determined amount of the space vector.

The method of claim 2, wherein simulating the field-oriented magnetizing current (i _mg , _{φ #} ) is made assuming that a rotor resistance (R _r ) of the rotor is substantially zero.

The method of any of claims 1 to 3, wherein simulating the field-oriented magnetization current (i _mg , _{φ #} ) using a relationship

i _{mg, φ #} = | u _{ind, φ #} | / (| ω _{s, #} | K _{Lr, #} )

where i _{mg, φ # is} the simulated field-oriented magnetizing current, u _{ind, φ # is} the simulated field-oriented stator induced stator voltage, ω _{s, #} the simulated stator circuit frequency, and K _{Lr, # is} a simulated path parameter associated with a rotor resistance R _r .

Method for simulating a field-oriented rotor flux linkage (Ψ _{r, φ #} ) of a rotor of an asynchronous machine ( 12 ) by means of a model, in particular a machine model, wherein the asynchronous machine ( 12 ) is encoder-free, field-oriented and operated by means of a stepped voltage, comprising: - determining a simulated field-oriented magnetization current (i _{mg, φ #} ) of the rotor, in particular by means of a method according to one of claims 1 to 4, and - simulating the field-oriented rotor flux linkage (Ψ _{r, φ #} ) based on the determined simulated field-oriented magnetizing current (i _{mg, φ #} ).

Method for the encoder-free, field-oriented control of a field-oriented magnetizing current (i _{mg, φ #} ) of a step-by-step driven asynchronous machine ( 12 ), comprising: - determining a simulated field-oriented magnetizing current (i _{mg, φ #} ) of a rotor of the asynchronous machine ( 12 ), in particular by means of a method according to one of claims 1 to 4, and - controlling the field-oriented magnetization current (i _{mg, φ #} ) of the rotor based on the determined simulated field-oriented magnetization current (i _{mg, φ #} ) and a field-oriented desired magnetization current.

The method of claim 6, wherein a field-oriented rotor flux linkage (Ψ _{r, φ #} ) of the rotor is controlled by means of the control of the field-oriented magnetization current (i _{mg, φ #} ).

Simulation device ( 40 ) for simulating a field-oriented magnetization current (i _{mg, φ #} ) of a rotor of an asynchronous machine ( 12 ) by means of a model, in particular a machine model, wherein the asynchronous machine ( 12 ) is encoder-free, field-oriented and operable by means of a stepped voltage, comprising: - a unit ( 38 . 44 ) for determining a simulated field-oriented in a stator of the asynchronous machine ( 12 ) induced stator voltage (u _{ind, φ #} ), - a unit ( 46 ) for determining a simulated stator circuit frequency (ω _{s, #} ), with which a field-oriented coordinate system ( 84 ) relative to a stator-oriented coordinate system ( 82 ), and - a simulation unit ( 48 ) for simulating the field-oriented magnetization current (i _{mg, φ #} ) of the rotor based on the determined simulated field-oriented stator voltage induced in the stator (u _{ind, φ #} ) and the determined simulated stator circuit frequency (ω _{s, #} ).

Simulation device ( 40 ) for simulating a field-oriented rotor flux linkage (Ψ _{r, φ #} ) of a rotor of an asynchronous machine ( 12 ) by means of a model, in particular a machine model, wherein the asynchronous machine ( 12 ) is encoder-free, field-oriented and operable by means of a stepped voltage, comprising: - a unit ( 48 ) for determining a simulated field-oriented magnetization current (i _{mg, φ #} ) of the rotor, in particular by means of a method according to one of claims 1 to 4, and - a simulation unit ( 50 ) for simulating the field-oriented rotor flux linkage (Ψ _{r, φ #} ) based on the determined simulated field-oriented magnetization current (i _{mg, φ #} ).

Regulating device ( 34 ) for the encoder-free, field-oriented control of a field-oriented magnetizing current (i _{mg, φ #} ) of a rotor of an asynchronous machine which can be operated by means of a stepped voltage ( 12 ), with: - a unit ( 40 . 48 . 56 ) for determining a simulated field-oriented magnetization current (i _{mg, φ #} ) of the rotor, in particular by means of a method according to one of claims 1 to 4, and - a control unit ( 58 ) for controlling the field-oriented magnetization current (i _{mg, φ} ) of the rotor based on the determined simulated field-oriented magnetizing current (i _{mg, φ #} ), wherein the control unit ( 58 ) is arranged to output a field-oriented desired magnetization current.