DE102013209345A1

DE102013209345A1 - Drehgeberfreies, feldorientiertes Regeln einer Drehzahl einer mittels einer gestuften Spannung betreibbaren Asynchronmaschine

Info

Publication number: DE102013209345A1
Application number: DE102013209345.4A
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

Es ist ein Verfahren zum drehgeberfreien, feldorientierten Regeln einer Drehzahl (n) einer Asynchronmaschine (14) beschrieben, die mittels einer eine gestufte Spannung (u_s,1,2,3) ausgebenden Spannungsquelle betrieben wird, mit Erfassen einer Statorspannung (u_s,1,2,3) eines Stators der Asynchronmaschine (14), Erfassen eines Statorstroms (i_s,1,2,3) des Stators, Simulieren zumindest einer feldorientierten Größe (u_s,st,φ#; u_ind,φ; φ_#; ω_s,#; ω_r,#; n_#; i_mg,#) der Asynchronmaschine (14) basierend auf der erfassten Statorspannung (u_s,1,2,3) und dem erfassten Statorstrom (i_s,1,2,3), Erzeugen einer feldorientierten Sollstatorspannung (u_s,*φ) basierend auf der zumindest einen simulierten feldorientierten Größe (u_s,st,φ#; u_ind,φ; φ_#; ω_s,#; ω_r,#; n_#; i_mg,#) und der erfassten Statorspannung (u_s,1,2,3) und Zuführen einer Sollstatorspannung (u_s,*1,2,3) zu der Spannungsquelle basierend auf der erzeugten feldorientierten Sollstatorspannung (u_s,*φ), um die Drehzahl (n) der Asynchronmaschine (14) zu regeln.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum drehgeberfreien, feldorientierten Regeln einer Asynchronmaschine.
Stand der Technik
Aus DE 10 2007 058 209 B4 ist eine Asynchronmaschine bekannt, die mittels einer Netzspannung gespeist wird, die über einen Gleichrichter und einen Wechselrichter der Asynchronmaschine zugeführt wird. Eine drehgeberfreie und feldorientierte Regelung dieser Asynchronmaschine ist dazu eingerichtet, basierend auf einem gemessenen Strom in Statorwicklungen eines Stators der Asynchronmaschine und einer an Ausgangsklemmen des Wechselrichters gemessenen Spannung oder einer erfassten Zwischenkreisspannung einen Stellwert für die Länge eines Statorspannungsvektors zu ermitteln, der dem Wechselrichter zuführbar ist.
Die beschriebene Stromspeisung der Asynchronmaschine kann aufwändig sein und einen großen Bauraum benötigen. Die beschriebene Regelung der Asynchronmaschine kann ferner ungenau arbeiten, da lediglich ein Statorstrom des Stators der Asynchronmaschine erfasst wird.
Offenbarung der Erfindung
Es besteht ein allgemeines Bedürfnis, eine einfache Stromspeisung einer Asynchronmaschine und eine entsprechende Regelung einer derart gespeisten Asynchronmaschine bereitzustellen, die jeweils einen geringen Bauraum benötigen und kostengünstig realisierbar sind.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum drehgeberfreien, feldorientierten Regeln einer Drehzahl einer Asynchronmaschine bereitgestellt, die mittels einer eine gestufte Spannung ausgebenden Spannungsquelle betrieben wird, mit Erfassen einer Statorspannung eines Stators der Asynchronmaschine, Erfassen eines Statorstroms des Stators, Simulieren zumindest einer feldorientierten Größe der Asynchronmaschine basierend auf der erfassten Statorspannung und dem erfassten Statorstrom, Erzeugen einer feldorientierten Sollstatorspannung basierend auf der zumindest einen simulierten feldorientierten Größe und der erfassten Statorspannung und Zuführen einer Sollstatorspannung zu der Spannungsquelle basierend auf der erzeugten feldorientierten Sollstatorspannung, um die Drehzahl der Asynchronmaschine zu regeln.
Die Asynchronmaschine kann insbesondere unabhängig von einem Spannungsnetz mittels einer separaten Spannungsquelle, wie beispielsweise einem Batteriedirektinverter, betrieben werden. Dabei können Umrichtersysteme vermieden werden, die üblicherweise zwischen der Spannungsquelle wie dem Spannungsnetz und der Asynchronmaschine angeordnet sein und einen Gleichspannungszwischenkreis und einen nachgeschalteten, dreiphasigen LC-Ausgangsfilter oder einen Zwischenstromkreis und einen nachgeschalteten, dreiphasigen C-Ausgangsfilter aufweisen können. Dadurch kann die Spannungsspeisung der Asynchronmaschine einfach, genau und kostengünstig durchgeführt werden. Ein Bauraum für eine Anordnung mit der Asynchronmaschine und der Spannungsquelle kann besonders klein sein.
Eine erfindungsgemäße Regelung der Drehzahl der Asynchronmaschine kann drehgeberfrei, d.h. ohne direkte Erfassung einer Rotorposition eines Rotors der Asynchronmaschine und/oder einer Rotordrehzahl des Rotors der Asynchronmaschine, in einem feldorientierten Koordinatensystem erfolgen, das eine sogenannte Längsachse „d“ und eine senkrecht zu dieser Längsachse stehende Querachse „q“ aufweisen kann. Das feldorientierte Koordinatensystem kann an einem Rotorfluss eines Rotors der Asynchronmaschine orientiert sein. Eingangsgröße bzw. zu regelnde Regelgröße für die drehgeberfreie Regelung der Drehzahl der Asynchronmaschine kann eine erfasste Statorspannung und ein erfasster Statorstrom eines Stators der Asynchronmaschine sein, auf deren Basis eine simulierte Größe der Asynchronmaschine mittels eines entsprechenden Maschinenmodells, insbesondere eines mathematischen Maschinenmodells, simuliert oder nachgebildet werden kann. Eine feldorientierte Sollstatorspannung kann als Stellgröße für die Spannungsquelle basierend auf der zumindest einen simulierten Größe, der erfassten Statorspannung und dem erfassten Statorstrom erzeugt werden, die dann nach einer entsprechenden Transformation in ein statororientiertes Koordinatensystem mit entsprechenden zumindest zwei, insbesondere drei, zueinander senkrecht stehenden Achsen als Sollstatorspannung der Spannungsquelle zugeführt werden kann. Die Spannungsquelle kann dann wiederum basierend auf der zugeführten Sollstatorspannung eine entsprechend angepasste gestufte Spannung für die Asynchronmaschine ausgeben, die insbesondere unter Verwenung von entsprechenden Regelverfahren in eine innerste Regelschleife der Regelung, beispielsweise direkt in Maschinenklemmen der Asynchronmaschine, eingespeist oder eingeprägt werden kann. Um Istwerte der gestuften Spannung in der Spanungsquelle einzustellen, kann die Spannungsquelle ein entsprechendes Steuerverfahren implementieren.
Das Verfahren kann folglich eine besonders einfache und genaue drehgeberfreie Regelung der Drehzahl der Asynchronmaschine ermöglichen, da gemessene Größen wie die erfasste Statorspannung und der erfasste Statorstrom in Kombination mit genau simulierten Größen zur Regelung der von der Spannungsquelle ausgegebenen gestuften Spannung verwendet werden können. Eine dem Regelverfahren zugeordnete Vorrichtung zum Regeln der Drehzahl der Asynchronmaschine kann besonders kompakt ausgebildet sein und einen geringen Bauraum aufweisen, da insbesondere im Vergleich zu einer drehgeberbasierten Regelung der Asynchronmaschine ein Drehgeber für die Asynchronmaschine vermieden werden kann. Insgesamt kann das Verfahren auch besonders kostengünstig durchgeführt werden und die Vorrichtung kann besonderes kostengünstig realisiert sein.
Da die Sollstatorspannung direkt der Spannungsquelle zugeführt werden kann, kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Regeln von normal drehenden und schnell drehenden Asynchronmaschinen geeignet sein, deren Drehfrequenz größer als einige Kilohertz sein kann. Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere frei von einer ungenauen Regelung von Kondensatorströmen der oben beschriebenen dreiphasigen Ausgangsfilter von üblichen Regelsystemen sein und nicht auf dem aufwändig realisierbaren Prinzip der zeitdiskreten Schaltzustandsänderung basieren.
Die zumindest eine feldorientierte Größe kann einem simulierten Magnetisierungsstrom eines Rotors der Asynchronmaschine entsprechen, und das Verfahren kann ferner Simulieren einer weiteren feldorientierten Größe der Asynchronmaschine basierend auf der erfassten Statorspannung und dem erfassten Statorstrom aufweisen, die einer simulierten Drehzahl des Rotors entsprechen kann, wobei die feldorientierte Sollstatorspannung mittels Regeln eines feldorientierten Magnetisierungsstroms des Rotors unter Verwendung der simulierten Drehzahl erzeugt werden kann. Die Funktionsweise der Asynchronmaschine kann bei dem Verfahren mittels einer Drehzahlregelstrecke im feldorientierten Koordinatensystem beschrieben werden, die basierend auf einer Statorspannung, insbesondere einem Statorstrom, arbeiten und eine Drehzahl des Rotors der Asynchronmaschine ausgeben kann. Die Vorrichtung kann dabei einen feldorientiert arbeitenden Drehzahlregler aufweisen, der dazu eingerichtet sein kann, einen Magnetisierungsstrom des Rotors und somit eine Drehzahl des Rotors zu regeln.
Das Verfahren kann ferner Simulieren einer noch weiteren feldorientierten Größe der Asynchronmaschine basierend auf der erfassten Statorspannung und dem erfassten Statorstrom aufweisen, die einer in einem Betrieb der Asynchronmaschine stationär erforderlichen Statorspannung des Stators entsprechen kann, wobei die feldorientierte Sollstatorspannung mittels Regeln eines feldorientierten Statorstroms unter Verwendung der simulierten, in dem Betrieb der Asynchronmaschine stationär erforderlichen feldorientierten Statorspannung, einem feldorientierten Sollstatorstrom und der erfassten feldorientierten Statorspannung erzeugt werden kann, wobei der feldorientierte Sollstatorstrom mittels des Regelns des Magnetisierungsstroms erzeugt werden kann. Dabei kann eine Führungsgröße, die auch als Störgröße für den Statorstromregler interpretiert werden kann, durch die in dem Betrieb stationär erforderliche feldorientierte Statorspannung gebildet sein. Anschaulich kann sich die im Betrieb stationär erforderliche feldorientierte Statorspannung dadurch erklären lassen, dass diese mittels in das feldorientierte Koordinatensystem transformierten Drehspannungen mit konstanter Amplitude und Frequenz an Klemmen der Asynchronmaschine gebildet sein kann, die wiederum durch einen konstanten Statorstromraumvektor im feldorientierten Koordinatensystem gefordert sein können. Bei der Vorrichtung kann der Regler einen feldorientierten Statorstromregler zum Regeln des Statorstroms aufweisen, dessen Eingangsgröße der eingestellte feldorientierte Sollstatorstrom und dessen Ausgangsgröße die feldorientierte Sollstatorspannung darstellen und der insbesondere ein echtes Integralverhalten aufweisen kann. Insbesondere kann der Statorstromregler dazu eingerichtet sein, die vorgegebenen Statorstromsollwerte unabhängig von einem Betriebszustand der Asynchronmaschine ohne nennenswerte Regelabweichungen schnellstmöglich als Ist-Werte einzustellen. Ein zugeordneter in dem Statorstromregler integrierter Führungsgrößengenerator für die im Betrieb stationär erforderliche Statorspannung kann, insbesondere bei sehr schnell drehenden Asynchronmaschinen, eine Führung der Asynchronmaschine erleichtern, da lediglich ein Grundprinzip einer zugeordneten vom Statorstromregler zu führenden Regelstrecke, die die Funktionsweise der Asynchronmaschine im feldorientierten Koordinatensystem beschreiben kann, nachgebildet werden muss und eine genaue Strukturnachbildung dieser Regelstrecke mit teilweise von der Drehzahl bzw. der Statorkreisfrquenz abhängigen Größen unterbleiben kann. Die Statorstromregelstrecke kann auf der erfassten feldorientierten Statorspannung arbeiten und einen zu erfassenden feldorientierten Statorstrom ausgeben. Folglich kann das Verfahren und die Vorrichtung eine zweistufig kaskadierte Regelung der Asynchronmaschine ermöglichen, bei der in einer ersten Stufe eine Magnetisierungsstromregelung und somit eine Drehzahlregelung erfolgt, der in einer zweite Stufe eine Statorstromregelung nachgeschaltet sein kann. Insbesondere kann die Statorstromregelstrecke stromaufwärts der Magnetisierungsregelstrecke bzw. der Drehzahlregelstrecke angeordnet sein.
Eine Längskomponente des feldorientierten Sollstatorstroms kann erzeugt werden, indem ein Solldrehmoment des Rotors bestimmt, für das bestimmte Solldrehmoment des Rotors ein feldorientierter Sollmagnetisierungsstrom des Rotors unter Verwendung der simulierten Drehzahl des Rotors bestimmt, wobei der feldorientierte Sollmagnetisierungsstrom unter Verwendung des simulierten Magnetisierungsstroms eingestellt werden kann, und die Längskomponente des feldorientierten Sollstatorstroms basierend auf dem eingestellten Sollmagnetisierungsstrom bestimmt werden kann, wobei eine Querkomponente des feldorientierten Sollstatorstroms für das bestimmte Solldrehmoment des Rotors basierend auf dem simulierten Magnetisierungsstrom des Rotors bestimmt werden kann. Diese Maßnahme kann auf einer Erkenntnis beruhen, dass bei einer feldorientierten Führung einer Asynchronmaschine Regelstrecken für das innere Drehmoment des Rotors und für den Magnetisierungsstrom des Rotors entkoppelt sein können, da eine Querkomponente des feldorientierten Statorstroms sich unmittelbar auf das Drehmoment des Rotors auswirken, aber frei von einer Auswirkung auf den Magnetisierungsstrom sein kann. Die Längskomponente des feldorientierten Statorstroms kann den Magnetisierungsstrom und über diesen das Drehmoment beeinflussen. Die von dem Drehzahlregler eingestellten, ausgegebenen Sollwerte der Längskomponente und der Querkomponente des Sollstatorstroms werden dem Statorstromregler zugeführt. Bei dem Bestimmen oder Einstellen des Sollmagnetisierungsstroms kann folglich ein Betriebspunkt der Asynchronmaschine unter Verwendung der simulierten Drehzahl des Rotors, des aktuellen Solldrehmoments des Rotors sowie der bei dynamischen Vorgängen schnell abrufbaren Drehmomentstellreserven berücksichtigt werden.
Das Verfahren kann ferner Vergleichen der simulierten Drehzahl des Rotors mit einem Drehzahlschwellwert und Regeln der Drehzahl des Rotors, wenn die simulierte Drehzahl größer als der oder gleich dem Drehzahlschwellwert ist, oder Steuern der Drehzahl des Rotors mittels einer Steuerdrehzahl des Rotors aufweisen, wenn die simulierte Drehzahl kleiner als der Drehzahlschwellwert sein kann. Der Drehzahlschwellwert kann insbesondere fest vorgegeben sein oder während des Betriebs der Asynchronmaschine einstellbar sein. Die Vorrichtung kann insbesondere eine entsprechende Umschalteinheit aufweisen, die dazu eingerichtet sein kann, die Drehzahl des Rotors mit dem Drehzahlschwellwert zu vergleichen und in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Vergleichs zwischen der Drehzahlregelung und einer Drehzahlsteuerung umzuschalten. Die Drehzahl Steuerung kann durch eine entsprechende Drehzahlsteuereinheit verwirklicht sein, die Teil des Drehzahlreglers oder als separate Einheit ausgeführt sein kann. Diese Maßnahme kann es ermöglichen, dass bei Stillstand der Asynchronmaschine und/oder bei sehr kleinen Drehzahlen des Rotors der Asynchronmaschine anstelle einer drehgeberfreien Drehzahlregelung, die aufgrund entsprechend sehr kleinen in dem Stator aufgrund von Rotorflussverkettungen induzierten Spannungen nicht möglich sein kann, in eine Drehzahlsteuerung überführt werden kann.
Insbesondere kann zumindest eine der oben beschriebenen Simulationen auf der feldorientierten erfassten Statorspanung und/oder dem feldorientierten Statorstrom durchgeführt werden.
Es wird angemerkt, dass das Verfahren unter Vewendung der jeweilgen Komponentenwerte des genannten Parameters, wie beispielsweise des Statorstroms oder der Statorspannung, in dem statororientierten, feldorientierten und/oder simulierten Koordinatensystem arbeiten kann. Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung von Werten dieser Größen durchgeführt werden und/oder einen zeitabhängigen Verlauf dieser Größen berücksichtigen, bei dem eine Vielzahl der entsprechenden Werte betrachtet werden kann. Insbesondere können diese Parameter bis auf den Magnetisierungstrom vektorielle Größen darstellen.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum drehgeberfreien, feldorientierten Regeln einer Drehzahl einer Asynchronmaschine, die mittels einer eine gestufte Spannung ausgebenden Spannungsquelle betreibbar ist, mit einem ersten Sensor zum Erfassen einer Statorspannung eines Stators der Asynchronmaschine, einem zweiten Sensor zum Erfassen eines Statorstroms des Stators, einer Simulationseinheit zum Simulieren zumindest einer feldorienierten Größe der Asynchronmaschine basierend auf der erfassten Statorspannung und dem erfassten Statorstrom, einem feldorientiert arbeitenden Regler zum Erzeugen einer feldorientierten Sollstatorspannung basierend auf der zumindest einen simulierten feldorientierten Größe und der erfassten Statorspannung und einem Stellglied zum Zuführen einer Sollstatorspannung zu der Spannungsquelle basierend auf der erzeugten feldorientierten Sollstatorspannung, um die Drehzahl der Asynchronmaschine zu regeln. Insbesondere können die zuvor genannte Simulationseinheit und/oder die zuvor genannten Simulationseinheiten und/oder der Regler Teil einer Verarbeitungseinheit, insbesondere eines Prozessors, sein und/oder mittels Integrations-, Verstärkungs-, Divisions-, Additions- und/oder Subtraktionseinheiten oder -glieder realisiert sein.
Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung, insbesondere ein Antriebssystem, mit einer Asynchronmaschine und einer Spannungsquelle, die zum Ausgeben einer gestuften Spannung an die Asynchronmaschine eingerichtet ist. Die Anordnung kann eine Vorrichtung zum drehgeberfreien, feldorientierten Regeln einer Drehzahl der Asynchronmaschine aufweisen, die oben beschrieben ist. Die Spanungsquelle kann insbesondere eingerichtet sein, die der Asynchronmaschine zuführbare Ausgabespannung stufig oder in Stufen einzustellen und/oder als Batteriedirektinverter ausgebildet sein.
Die mit Bezug auf das Verfahren, die Vorrichtung und die Anordnung beschriebenen Ausführungsformen gelten auch für die jeweils anderen Gegenstände.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert.
Es zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild einer Anordnung mit einer Asynchronmaschine, einem Batteriedirektinverter und einer Vorrichtung zum drehgeberfreien, feldorientierten Regeln einer Drehzahl einer Asynchronmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 ein schematisches Diagramm, das eine Ausgangsspannung des Batteriedirektinverters in 1 zeigt;
3 ein schematisches Blockschaltbild der Vorrichtung in 1;
4 ein schematisches Blockschaltbild eines Teils der Vorrichtung in 3;
5 ein schematisches Blockschaltbild einer Drehzahlregelstrecke zum Regeln der Drehzahl der Asynchronmaschine in 3; und
6 ein schematisches Blockschaltbild einer ersten und zweiten Simulationseinheit der Vorrichtung in 3 und 4.
Eine in 1 gezeigte Anordnung in Form eines Transaktionsantriebs weist eine als Batteriedirektinverter ausgebildete Spanungsquelle 12 auf, die ein dreiphasiges, stufig einstellbares Spannungssystem bildet und mit einer Asynchronmaschine 14 der Anordnung 10 verbunden ist. Die Asynchronmaschine 14 ist als Käfigläufer mit einem außenliegenden stationären Stator in Form eines Ständers und einem innenliegenden, rotierbaren Rotor in Form eines Läufers ausgebildet. Die Anordnung 10 kann auch Teil eines Elektroantriebs sein, der in stationären Anlagen, wie beispielsweise in einem Windkraftwerk, oder in einem Fahrzeug, beispielsweise in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug, verwendet werden kann.
Eine Vorrichtung 16 der Anordnung 10 zum drehgeberfreien, feldorientierten Regeln einer Drehzahl der Asynchronmaschine 14 ist mit der Asynchronmaschine 14 und dem Batteriedirektinverter 12 elektrisch gekoppelt. Pluspole dreier Zweige 17a, 17b, 17c des Batteriedirektinverters 12 sind mit U, V, W bezeichnet. Minuspole der drei Zweige 17a, 17b, 17c des Batteriedirektinverters 12 sind elektrisch als Sternpunkt verbunden. Alternativ können die Minuspole der drei Zweige 17a, 17b, 17c des Batteriedirektinverters 12 elektrisch voneinander isoliert sein. In jedem Zweig 17a, 17b, 17c des Batteriedirektinverters 12 sind eine Mehrzahl von Batteriemodulen mit jeweiligen Koppeleinrichtungen vorgesehen, die in 1 der Übersicht halber lediglich im Zweig 17c mit den Bezugszeichen 18a, 18b versehen sind und jeweils mit einer optionalen Trenneinrichtung 20a bzw. einer optionalen Lade- und Trenneinrichtung 20b verbunden sein können. Obwohl die Spannungsquelle 12 als wiederaufladbar ausgebildet ist und einen Akkumulator bzw. ein Akkumulatorsystem darstellt, wird die Spannungsquelle 12 entsprechend des üblichen Sprachgebrauchs als Batterie bzw. als Batteriesystem bezeichnet.
2 zeigt eine entlang einer Ordinate 22 eines Diagramms aufgetragene Ausgangsspannung des Batteriedirektinverters 12 in Abhängigkeit einer entlang einer Abszisse 24 aufgetragenen Anzahl n der Batteriemodule 28a, 28b des Batteriedirektinverters 12. U_Module bezeichnet dabei die Ausgangsspannung eines Batteriemoduls 18a, 18b. Wie aus einer Kurve 26 entnommen werden kann, skaliert die Ausgangsspannung des Batteriedirektinverters 12 mit der Anzahl n der Batteriemodule 28a, 28b des Batteriedirektinverters 12.
Die in 3 gezeigte Vorrichtung 16 weist einen ersten Sensor 28 zum Erfassen einer Statorspannung u_s,1,2,3 des Stators der Asynchronmaschine 14, einen zweiten Sensor 30 zum Erfassen eines Statorstroms i_s,1,2,3 des Stators, eine erste Simulationseinheit 32 zum Simulieren einer bei einem Betrieb der Asynchronmaschine 14 stationär erforderlichen feldorientierten Statorspannung u_s,st,φ# des Stators und einer durch Rotorflussverkettungen im Stator induzierten feldorientierten Statorspannung u_ind,# unter Verwendung eines die Asynchronmaschine 14 nachbildenden Maschinenmodells, eine zweite Simulationseinheit 34 zum Simulieren eines feldorientierten Magnetisierungsstroms i_mg,#, einer feldorientierten Drehzahl n_#, einem Feldwinkel φ_#, einer feldorientierten induzierten Spannung u_ind,φ# des Stators, einer feldorientierten Statorkreisfrequenz ω_s,#, einer feldorientierten Schlupfkreisfrequenz ω_r,# und feldorientierten Rotorflussverkettungen Ψ_r,# mittels des Maschinenmodells, einen feldorientiert arbeitenden Drehzahlregler 36 zum Regeln der Drehzahl n des Rotors der Asynchronmaschine 14, einen feldorientiert arbeitenden Statorstromregler 38 zum Regeln des Statorstroms der Asynchronmaschine 14, eine erste und zweite Park-Transformationseinheit 40, 42 und ein Stellglied 44 zum Ausgeben einer Stellgröße an den Batteriedirektinverter 12 auf. Eine feldorientiert arbeitende Statorstromregelstrecke 46 zum Regeln des feldorientierten Statorstroms i_s,φ des Stators der Asynchronmaschine 14 und eine feldorientiert arbeitende Drehzahlregelstrecke 48 zum Regeln der Drehzahl n des Rotors der Asynchronmaschine 14 und zum Regeln eines Magnetisierungsstrom i_mg des Rotors der Asynchronmaschine 14 bilden die Asynchronmaschine 14 im feldorientierten Koordinatensystem mittels der entsprechenden Zusammenhänge zwischen jeweiligen Eingangsgrößen u_s,φ bzw. i_s,φ und Ausgangsgrößen i_s,φ bzw. Ω, n, φ der Regelstrecken 46, 48 nach. Dabei bezeichnet Ω eine mechanische Kreisfrequenz des Rotors im statororientierten Koordinatensystem.
Obwohl die Sensoren 28, 30 schaltungstechnisch dargestellt sind, als dass die Sensoren 28, 30 zum Erfassen der feldorientierten Größen eingerichtet sind, versteht es sich, dass die Sensoren Werte im statororientierten Koordinatensystem erfassen, die mittels der Transformationseinheit 22 in entsprechende Größen des feldorientierten Koordinatensystems umgewandelt werden.
Achsen des statororientierten Koordinatensystems sind in den 3 bis 6 mit „1“, „2“ und „3“ bezeichnet. Achsen des feldorientierten Koordinatensystems sind in den 3 bis 6 mit „d“, „q“ bezeichnet. Ein Sollwert eines Parameters bzw. der Parameter ist in den 3 bis 6 mittels eines Sterns „*“ gekennzeichnet. Ein feldorientierter Wert eines Parameters bzw. der feldorientierte Parameter ist in den 3 bis 6 mittels „φ“ und ein simulierter feldorientierter Wert eines Parameters bzw. der simulierte feldorientierte Parameter ist in den 3 bis 6 mittels einer Raute „#“ gekennzeichnet. In den 3 bis 6 ist im Vergleich zum nachfolgenden Text eine vektorielle Größe eines Parameters mittels eines Pfeils gekennzeichnet.
Zumindest eine der ersten und zweiten Simulationseinheit 32, 34 ist mittels Hardware und/oder Software realisiert. Ferner können die erste und zweite Simulationseinheit 32, 34 einstückig bzw. als gemeinsamer Code realisiert sein.
Wie in 4 dargestellt, weist der Drehzahlregler 36 eine Einheit 50 zum Bestimmen eines Solldrehmoments m_i des Rotors, einen Magnetisierungsstromregler 52 zum Regeln eines Magnetisierungsstroms i_mg des Rotors der Asynchronmaschine 14 und eine Einheit 54 zum Bestimmen einer Querkomponente i_sq,* eines Raumvektors des feldorientierten Sollstatorstroms i_s,*φ auf. Umschaltmittel 56 der Vorrichtung 16 sind mit dem Drehzahlregler 36 verbunden und dazu eingerichtet, zwischen einer Regelung der Drehzahl n des Rotors und einer Steuerung der Drehzahl n des Rotors unter Verwendung eines Steuerdrehzahlwertes n* basierend auf einem Vergleich zwischen einer simulierten Drehzahl n_# und einem Drehzahlschwellwert umzuschalten. Der in den Umschaltmitteln 56 implementierte Algorithmus ist dazu eingerichtet, die Drehzahlsteuerung zu aktivieren, wenn die simulierte Drehzahl n_# kleiner als der Drehzahlschwellwert ist, und die Drehzahlregelung zu aktivieren, wenn die simulierte Drehzahl n_# größer als der und gleich dem Drehzahlschwellwert ist. Der Übersicht halber ist die zugehörige Einheit der Drehzahlsteuerung, die Teil des Drehzahlreglers 36 ist, in 4 nicht dargestellt.
Im Betrieb der Vorrichtung 16 wird mittels des Sensors 28 eine Statorspannung u_s,1,2,3 des Stators der Asynchronmaschine 14 als dreidimensionaler Vektor in dem statororientierten Koordinatensystem erfasst und mittels der ersten Transformationseinheit 42 in einem Raumvektor der feldorientierten Statorspannung u_s,φ unter Berücksichtigung des Feldwinkels φ überführt. Der Raumvektor der feldorientierten Statorspannung u_s,φ wird der Statorstromregelstrecke 46, der ersten Simulationseinheit 32, der zweiten Simulationseinheit 34 und dem Statorstromregler 38 zugeführt. Der Statorstrom i_s,1,2,3 wird mittels des Sensors 40 erfasst und in den Raumvektor des feldorientierten Statorstroms i_s,φüberführt, der der ersten Simulationseinheit 32 und der zweiten Simulationseinheit 34 zugeführt wird. Die Drehzahlregelstrecke 48 arbeitet ebenfalls auf dem Raumvektor des feldorientierten Statorstroms i_s,φ und gibt eine Drehzahl n des Rotors aus.
Mittels der ersten Simulationseinheit 32 wird unter Verwendung des Raumvektors des feldorientierten Statorstroms i_s,φ und des Raumvektors der feldorientierten Statorspannung u_s,φ ein Raumvektor der zum Betrieb der Asynchronmaschine 14 stationär erforderlichen feldorientierten Statorspannung u_s,st,φ# nachgebildet und an den Statorstromregler 38 ausgegeben. Die erste Simulationseinheit 32 erzeugt ebenfalls unter Verwendung des Raumvektors des feldorientierten Statorstroms i_s,φ und des Raumvektors der feldorientierten Statorspannung u_s,φ den Raumvektor der induzierten Statorspannung u_ind,φ# und gibt diese an die zweite Simulationseinheit 34 aus. Die zweite Simulationseinheit 34 erzeugt unter Verwendung des Raumvektors des erfassten feldorientierten Statorstroms i_s,φ, des Raumvektors der feldorientierten Statorspannung u_s,φ und der simulierten induzierten Statorspannung u_ind,φ# einen simulierten Feldwinkel φ_#, eine simulierte Drehzahl n_# des Rotors und einen simulierten Magnetisierungsstrom i_mg,# des Rotors.
Die Einheit 50 des Drehzahlreglers 36 setzt ein gewünschtes Solldrehmoment m_i,* fest, das der Einheit 52 des Drehzahlreglers 36 zugeführt wird, die unter Verwendung der simulierten Drehzahl n_#, bei dynamischen Vorgängen schnell abrufbaren Drehmomentreserven und dem Drehmoment m_i,* eine gewünschte Sollmagnetisierung i_mg,* ermittelt. Danach stellt die Einheit 52 in Abhängigkeit des simulierten Magnetisierungsstroms i_mg,# den Sollmagnetisierungsstrom i_mg,* mittels Regelns des Magnetsierungsstroms i_mg in der Drehzahlregelstrecke 48 ein und gibt eine Längskomponente i_sd,* eines Raumvektors eines feldorientierten Sollstatorstroms i_s,*φ aus. Die Einheit 54 des Drehzahlreglers 36 errechnet basierend auf der erzeugten Längskomponente i_sd,* eine Querkomponente i_sq,* des Raumvektors des Sollstatorstroms i_s,*φ. Die Längskomponente i_sd,* und die Querkomponente i_sq,* des Sollstatorstroms i_s,*φ wird als Raumvektor an den Statorstromregler 38 übergeben, der den feldorienierten Statorstrom i_s,φ unter Verwendung der simulierten, im Betrieb stationär erforderlichen feldorientierten Statorspannung u_s,st,φ#, des eingestellten feldorientierten Sollstatorstroms i_s,*φ und der erfassten feldorientierten Statorspannung u_s,φ regelt und als Ausgangssignal einen Raumvektor einer feldorientierten Sollstatorspannung u_s,*φ ausgibt, die mittels der Transformationseinheit 42 als vektorielle Größe u_s,1,2,3 an das Stellglied 44 übergeben wird. Das Stellglied 44 führt die Sollstatorspannung u_s,1,2,3 dem Batteriedirektinverter 12 zu, der seine gestufte Ausgabespannung entsprechend anpasst und direkt in entsprechende Kontakte der Asynchronmaschine 14 einspeist.
Die in 5 gezeigte Drehzahlregelstrecke 48 weist für die Längskomponente i_sd des Raumvektors des feldorientierten Statorstroms i_s,φ ein Substraktionsglied 58, das den Magnetisierungsstrom i_mg von der Längskomponente i_sd subtrahiert, und ein Integrierglied 60 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 62 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 62 wird einem Verstärkungsglied 64 zugeführt, das einen Proportionalitätsfaktor 1/K_Tr zu dem Ausgabesignal multipliziert und als Ausgabewert die Schlupfkreisfrequenz ω_r ausgibt. Ein Addierglied 66 addiert die Schlupfkreisfrequenz ω_r zu einer Drehzahl n und gibt die Statorkreisfrequenz ω_s aus, die mittels eines Integrierglieds 68 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 62 einem Multiplikationsglied 70 zugeführt, das als nicht lineare Kopplung der beiden Komponenten i_sd, i_sq des Statorstroms i_s,φ den von dem Integrierglied 60 ausgegebenen Magnetisierungsstrom i_mg mit der Querkomponente i_sq multipliziert. Der Ausgabewert des Multiplikationsglied 70 wird einem Verstärkungsglied 72 zugeführt, das einen Proportionalitätsfaktor K_mi zu dem Ausgabesignal multipliziert und ein Drehmoment m_i an ein Substraktionsglied 74 ausgibt, das ein Drehmoment oder Widerstandsmoment m_w von dem Drehmoment m_i abzieht. Der Ausgabewert des Subtraktionsglied 74 wird einem Integrierglied 76 mit einer Zeitkonstanten T_j, die das Trägheitsmoment der Asynchronmaschine 14 repräsentiert, zugeführt, dessen Ausgabesignal die Drehfrequenz Ω des Rotors im statorbasierten Koordinatensystem ist. Die Drehfrequenz Ω wird einem Verstärkungsglied 78 zugeführt, das die Drehfrequenz Ω mit einer Polpaarzahl Z_p der Asynchronmaschine 14 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 66 zugeführt wird.
Wie in 6 dargestellt, wird die zum Betrieb stationär erforderliche feldorientierte Statorspannung u_s,st,φ# und die in dem Stator induzierte feldorientierte Spannung u_ind,φ# mittels der ersten Simulationseinheit 32 basierend auf dem erfassten Statorstrom i_s,1,2,3 und der erfassten Statorspannung u_s,1,2,3 sowie dem simulierten Feldwinkel φ_# erzeugt. Der simulierte Feldwinkel φ_# und eine simulierte Statorkreisfrequenz ω_s,# wird mittels einer ersten Stufe 80 der zweiten Simulationseinheit 34 basierend auf der simulierten induzierten Spannung u_ind,φ# erzeugt. Eine simulierte Schlupfkreisfrequenz ω_r,# des Rotors und eine simulierte Drehzahl n_# des Rotors wird mittels einer zweiten Stufe 82 der zweiten Simulationseinheit 34 basierend auf der simulierten Statorkreisfrequenz ω_s,#, dem erfassten Statorstrom i_s,1,2,3, dem simulierten Feldwinkel φ_# und simulierten Rotorflussverkettungen Ψ_r,# erzeugt. Die simulierten Rotorflussverkettungen Ψ_r,# und der simulierte Magnetisierungsstrom i_mg,# werden mittels einer dritten Stufe 84 der zweiten Simulationseinheit 34 basierend auf der simulierten Statorkreisfrequenz ω_s,# und der simulierten Schlupfkreisfrequenz ω_r,# erzeugt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007058209 B4 [0002]

Claims

Verfahren zum drehgeberfreien, feldorientierten Regeln einer Drehzahl (n) einer Asynchronmaschine (14), die mittels einer eine gestufte Spannung (u_s,1,2,3) ausgebenden Spannungsquelle (12) betrieben wird, mit: – Erfassen einer Statorspannung (u_s,1,2,3) eines Stators der Asynchronmaschine (14), – Erfassen eines Statorstroms (i_s,1,2,3) des Stators, – Simulieren zumindest einer feldorientierten Größe (u_s,st,φ#; u_ind,φ; φ_#; ω_s,#; ω_r,#; n_#; Ψ_r,#; i_mg,#) der Asynchronmaschine (14) basierend auf der erfassten Statorspannung (u_s,1,2,3) und dem erfassten Statorstrom (i_s,1,2,3), – Erzeugen einer feldorientierten Sollstatorspannung (u_s,*φ) basierend auf der zumindest einen simulierten feldorientierten Größe (u_s,st,φ#; u_ind,φ; φ_#; ω_s,#; ω_r,#; n_#; Ψ_r,#; i_mg,#) und der erfassten Statorspannung (u_s,1,2,3) und – Zuführen einer Sollstatorspannung (u_s,*1,2,3) zu der Spannungsquelle (12) basierend auf der erzeugten feldorientierten Sollstatorspannung (u_s,*φ), um die Drehzahl (n) der Asynchronmaschine (14) zu regeln.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine feldorientierte Größe (u_s,st,φ#; u_ind,φ; φ_#; ω_s,#; ω_r,#; n_#; Ψ_r,#; i_mg,#) einem simulierten Magnetisierungsstrom (i_mg,#) eines Rotors der Asynchronmaschine (14) entspricht, ferner mit: – Simulieren einer weiteren Größe (u_s,st,φ#; u_ind,φ; φ_#; ω_s,#; ω_r,#; n_#; Ψ_r,#) der Asynchronmaschine (14) basierend auf der erfassten Statorspannung (u_s,1,2,3) und dem erfassten Statorstrom (i_s,1,2,3), die einer simulierten Drehzahl (n_#) des Rotors entspricht, wobei die feldorientierte Sollstatorspannung (u_s,*φ) mittels Regeln eines Magnetisierungsstroms (i_mg) des Rotors unter Verwendung der simulierten Drehzahl (n_#) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner mit: – Simulieren einer noch weiteren feldorientierten Größe (u_s,st,φ#; u_ind,φ; φ_#; ω_s,#; ω_r,#; Ψ_r,#) der Asynchronmaschine (14) basierend auf der erfassten Statorspannung (u_s,1,2,3) und dem erfassten Statorstrom (i_s,1,2,3), die einer in einem Betrieb der Asynchronmaschine (14) stationär erforderlichen Statorspannung (u_s,st,φ#) des Stators entspricht, wobei die feldorientierte Sollstatorspannung (u_s,*φ) mittels Regeln eines feldorientierten Statorstroms (i_s) unter Verwendung der simulierten, in dem Betrieb der Asynchronmaschine (14) stationär erforderlichen feldorientierten Statorspannung (u_s,st,φ#), einem feldorientierten Sollstatorstrom (i_s,*φ) und der erfassten feldorientierten Statorspannung (u_s,φ) erzeugt wird, wobei der feldorientierte Sollstatorstrom (i_s,*φ) mittels des Regelns des Magnetisierungsstroms (i_mg) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei eine Längskomponente (i_sd,*) des feldorientierten Sollstatorstroms (i_s,*φ) erzeugt wird, indem – ein Solldrehmoment (m_i,*) des Rotors bestimmt wird, – für das bestimmte Solldrehmoment (m_i,*) des Rotors ein feldorientierter Sollmagnetisierungsstrom (i_mg,*φ) des Rotors unter Verwendung der simulierten Drehzahl (n_#) des Rotors bestimmt wird, wobei der feldorientierte Sollmagnetisierungsstrom (i_mg,*φ) unter Verwendung des simulierten Magnetisierungsstroms (i_s,φ) eingestellt wird, und – die Längskomponente (i_sd,*φ) des feldorientierten Sollstatorstroms (i_s,*φ) basierend auf dem eingestellten Sollmagnetisierungsstrom (i_s,*φ) bestimmt wird, wobei eine Querkomponente (i_sq,*φ) des feldorientierten Sollstatorstroms (i_s,*φ) für das bestimmte Solldrehmoment (m_i,*) des Rotors basierend auf dem simulierten Magnetisierungsstrom (i_mg,#) des Rotors bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, ferner mit: – Vergleichen der simulierten Drehzahl (n_#) des Rotors mit einem Drehzahlschwellwert und – Regeln der Drehzahl (n) des Rotors, wenn die simulierte Drehzahl (n_#) größer als der oder gleich dem Drehzahlschwellwert ist oder Steuern der Drehzahl (n) des Rotors mittels einer Steuerdrehzahl (n*) des Rotors, wenn die simulierte Drehzahl (n_#) kleiner als der Drehzahlschwellwert ist.
Vorrichtung (16) zum drehgeberfreien, feldorientierten Regeln einer Drehzahl (n) einer Asynchronmaschine (14), die mittels einer eine gestufte Spannung (u_s,1,2,3) ausgebenden Spannungsquelle (12) betreibbar ist, mit: – einem ersten Sensor (28) zum Erfassen einer Statorspannung (u_s,1,2,3) eines Stators der Asynchronmaschine (14), – einem zweiten Sensor (30) zum Erfassen eines Statorstroms (i_s,1,2,3) des Stators, – einer Simulationseinheit (32, 34) zum Simulieren zumindest einer feldorientierten Größe (u_s,st,φ#; u_ind,φ; φ_#; ω_s,#; ω_r,#; n_#; Ψ_r,#; i_mg,#) der Asynchronmaschine (14) basierend auf der erfassten Statorspannung (u_s,1,2,3) und dem erfassten Statorstrom (i_s,1,2,3), – einem feldorientiert arbeitenden Regler (36, 38) zum Erzeugen einer feldorientierten Sollstatorspannung (u_s,*φ) basierend auf der zumindest einen simulierten feldorientierten Größe (u_s,st,φ#; u_ind,φ; φ_#; ω_s,#; ω_r,#; n_#; Ψ_r,#; i_mg,#) und der erfassten Statorspannung (u_s,1,2,3) und – einem Stellglied (44) zum Zuführen einer Sollstatorspannung (u_s,*1,2,3) zu der Spannungsquelle (12) basierend auf der erzeugten feldorientierten Sollstatorspannung (u_s,*φ), um die Drehzahl (n) der Asynchronmaschine (14) zu regeln.