DE102013217444A1

DE102013217444A1 - Elektromotor-Modussteuerung

Info

Publication number: DE102013217444A1
Application number: DE102013217444.6A
Authority: DE
Inventors: Daniel Richard Luedtke
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2014-05-28
Also published as: US9893657B2; US20140070735A1; CN103684168B; CN103684168A

Abstract

Ein Fahrzeug enthält eine oder mehrere, über einen Wechselrichter gespeiste elektrische Maschinen wie etwa Permanentmagnet-Synchronmotoren. Ein Controller betreibt einen Wechselrichter entweder in einem Sechs-Stufen-Modus oder einem PWM-Modus je nach der Motordrehzahl, dem Motordrehmoment und der Wechselrichtereingangsspannung. Ein Verfahren zum Wählen des Arbeitsmodus kann einen Übergangsschwellwert auf der Basis des Verhältnisses der Rotordrehzahl zu der Wechselrichtereingangsspannung bestimmen, wobei der mit mehrdimensionalen Nachschlagetabellen assoziierte Approximationsfehler reduziert wird. Wenn die Drehzahl und die Spannung variieren, während ein konstantes Verhältnis und ein konstantes Drehmoment beibehalten werden, ändert sich der Übergangsschwellwert nicht. Folglich bleibt der Controller im gleichen Modus.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft die Steuerung von Elektromotoren. In verschiedenen Anwendungen werden Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) verwendet, weil sie gegenüber anderen Arten von Motoren allgemein günstigere Effizienzcharakteristika besitzen. PMSM besitzen drei separate elektrische Wicklungen innerhalb des Stators, die jeweils durch Wechselstromspannungen (AC-Spannungen) V_a, V_b und V_c angesteuert werden. Im Betrieb schwingen die Wicklungsströme I_A, I_B und I_C jeweils mit einer Frequenz proportional zu der Rotordrehzahl und sind hinsichtlich Phase um 120 Grad voneinander getrennt. Diese Wicklungsströme induzieren ein magnetisches Drehfeld, das außer Phase mit dem Rotor sein kann. Das resultierende Wellendrehmoment hängt von der Größe des Magnetfelds und des Phasenwinkels relativ zu dem Rotor ab.
Der Zweckmäßigkeit halber können die Wicklungsspannungen und -ströme durch Vektoren bezüglich eines sich drehenden Bezugsrahmens dargestellt werden, der sich mit dem Rotor dreht. Die Abbildung zwischen Rotorposition und sich drehendem Bezugsrahmen hängt von der Anzahl der Pole in dem Motor ab. Der Spannungsvektor besitzt eine direkte Komponente V_d und eine Quadraturkomponente V_q. Analog besitzt der Strom eine direkte Komponente I_d und eine Quadraturkomponente I_q. V_d, V_q, I_d und I_q schwingen nicht auf der Basis der Rotorposition.
Bei bestimmten Anwendungen wie etwa Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen ist elektrische Leistung von einer nichtschwingenden Gleichstromspannungsquelle (DC-Spannungsquelle) wie etwa einer Batterie erhältlich. Deshalb werden Wechselrichter eingesetzt, um die nichtschwingende Spannung V_dc in drei schwingende Spannungen umzuwandeln. Wechselrichter enthalten eine diskrete Anzahl von Schaltbauelementen und können deshalb nur eine diskrete Anzahl an Spannungspegeln an jedem der drei Motoranschlüsse liefern. Für einen 2-Pegel-Wechselrichter sind die Schaltbauelemente zu jedem Zeitpunkt so eingestellt, dass sie jeden der drei AC-Motoranschlüsse entweder mit dem positiven oder dem negativen DC-Anschluss verbinden. Somit stehen acht Schaltzustände zur Verfügung. Zwei dieser Schaltzustände, in denen alle drei AC-Anschlüsse mit dem gleichen DC-Anschluss verbunden sind, werden als Nullzustände bezeichnet. In den übrigen sechs Zuständen ist ein AC-Anschluss mit einem der DC-Anschlüsse verbunden, und die beiden anderen AC-Anschlüsse sind mit dem entgegengesetzten DC-Anschluss verbunden. Der Wechselrichter kann schnell zwischen diesen acht Zuständen umschalten.
Einige allgemeine Charakteristika von typischen, von einem Wechselrichter gespeisten PMSM sind in 1 dargestellt. In dieser Figur stellen die horizontale Achse die Rotordrehzahl und die vertikale Achse das Rotordrehmoment dar. Das Arbeitsgebiet hängt von der DC-Spannung V_dc ab. Das Arbeitsgebiet bei einer DC-Referenzspannung mit positiver Drehzahl und positivem Drehmoment kann, wie dargestellt, durch die durchgezogenen Linien 110, 112 und 114 begrenzt sein. Bei niedrigen Drehzahlen kann das größte verfügbare Drehmoment durch einen größten Wicklungsstrom begrenzt sein, wie durch Linie 110 angegeben. Die Linie 112 zeigt ein größtes verfügbares Drehmoment bei höheren Drehzahlen an, das durch die Spannung begrenzt wird. Am Punkt 116, als der Eckpunkt bezeichnet, sind sowohl der Strom als auch die Spannung auf ihren jeweiligen Höchstwerten. Die gepunktete Linie 118 zeigt die entsprechende Grenze bei einer höheren DC-Spannung über der DC-Referenzspannung an. Die Linie 114 zeigt eine insgesamt größte Nenndrehzahl an.
PMSM können entweder ein positives oder negatives Drehmoment erzeugen und können sich entweder in der positiven oder negativen Richtung drehen. In dem Quadranten mit positiver Drehzahl und negativem Drehmoment wirkt ein PMSM als ein Generator, der mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. In diesem Quadranten sind die Charakteristika ähnlich denen in 1 gezeigten, wenngleich die der Spannungsgrenze entsprechende Kurve kleinsten Drehmoments möglicherweise kein Spiegelbild der Linie 112 ist. Das Gebiet mit negativer Drehzahl verfolgt gut das um 180 Grad um den Ursprung gedrehte Gebiet mit positiver Drehzahl.
2 zeigt typische Charakteristika eines von einem Wechselrichter gespeisten PMSM bezüglich des Wicklungsstroms in dem Rotorreferenzrahmen. In dieser Figur werden die direkte Komponente I_d durch die horizontale Achse und die Quadraturkomponente I_q durch die vertikale Achse dargestellt. Die Kurve 210 stellt zwei verschiedene Kombinationen von I_d und I_q dar, die ein bestimmtes Abtriebsdrehmoment erzeugen würden. Die Kurven 212, 214 und 216 stellen die Kombinationen für zunehmend höhere Abtriebsdrehmomente dar. Wenngleich jeder Punkt entlang jeder dieser Kurven das gleiche Abtriebsdrehmoment erzeugt, werden einige Kombinationen mit höheren Verlusten als andere assoziiert. Die Linie 218 stellt den effizientesten Arbeitspunkt für jede Drehmomenthöhe dar. Es ist jedoch nicht immer möglich, unter dieser Bedingung zu arbeiten. Der Punkt 220 stellt den Strom dar, der durch die Permanentmagneten in dem Rotor in den Wicklungen induziert würde, wenn sich der Rotor mit einer bestimmten Drehzahl dreht. Die durch den Wechselrichter angelegte Spannung ändert den Wicklungsstrom von dieser Bedingung ab. Die Kurve 222 stellt die Grenze der Bedingungen dar, die durch den Wechselrichter bei einer bestimmten Rotordrehzahl und bei einem bestimmten Busspannungspegel erreicht werden können. Bei höheren Busspannungen oder niedrigeren Rotordrehzahlen erweitert sich die Grenze, wie durch die gestrichelte Kurve 224 gezeigt.
Es sind zwei grundlegende Steuerverfahren bekannt, um zwischen Wechselrichterzuständen umzuschalten, um die Drehmomentabgabe eines PMSM zu regeln. Bei dem Sechs-Stufen-Verfahren läuft der Wechselrichter einmal pro Zyklus des Rotors durch die sechs Nicht-Nullzustände, wodurch in jeder Wicklung eine schwingende Spannung und ein schwingender Strom erzeugt werden. Ein Rotorzyklus wird relativ zu Motorpolen definiert und entspricht nicht notwendigerweise einer vollständigen Umdrehung. Die Amplitude der AC-Spannung wird von der DC-Spannung diktiert. Das Drehmoment wird durch die DC-Spannung, die Rotordrehzahl und die Phasendifferenz zwischen diesen quasi-sinusförmigen AC-Spannungssignalen und der Rotorposition diktiert. Ein Steuergerät („Controller“) liefert Befehle an den Wechselrichter, die anzeigen, wann zu dem nächsten Zustand in der Sequenz umgeschaltet werden soll. In dem PWM-Verfahren schaltet der Wechselrichter sehr schnell zwischen zwei der Nicht-Nullzustände und einem der Nullzustände um. Ein Controller spezifiziert, welcher Anteil der Zeit in jedem dieser drei Zustände verbracht werden sollte, indem Impulsbreitenmodulations-Tastverhältnisse (PWM-Tastverhältnisse) spezifiziert werden. Der Controller aktualisiert diese Tastverhältnisse in regelmäßigen Intervallen, so dass die Häufigkeit der Aktualisierungen signifikant höher ist als die Häufigkeit der Rotordrehung.
Bei einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters offenbart. Der Wechselrichter ist mit einem elektrischen Bus und mit einer elektrischen Maschine wie etwa einem Permanentmagnet-Synchronmotor verbunden. Das Verfahren berechnet eine normalisierte Drehzahl durch Dividieren einer Rotordrehzahl der elektrischen Maschine durch eine Spannung des elektrischen Busses. Ein Übergangsschwellwert wird auf der Basis der normalisierten Drehzahl berechnet. Der PWM-Modus wird gewählt, falls eine Drehmomentanfrage unter dem Übergangsschwellwert liegt. Falls die Drehmomentanfrage den Übergangsschwellwert übersteigt, wird ein Sechs-Stufen-Modus gewählt. Bei einigen Ausführungsformen kann ein zweiter Übergangsschwellwert mit einem negativen Wert auf der Basis der normalisierten Drehzahl berechnet werden. Der Sechs-Stufen-Modus kann gewählt werden, falls die Drehmomentanfrage unter diesem zweiten Übergangsschwellwert liegt.
Bei einer weiteren Ausführungsform enthält ein Fahrzeug eine elektrische Maschine wie etwa einen Permanentmagnet-Synchronmotor, einen Wechselrichter und einen Controller. Der Controller ist konfiguriert zum Halten des Betriebs im PWM-Modus, während die Drehzahl der elektrischen Maschine und die Eingangsspannung des Wechselrichters gemäß einem festen Verhältnis variieren und das Drehmoment der elektrischen Maschine konstant ist. Wenn sich der Arbeitspunkt nahe einer Übergangsgrenze befindet, kann der Controller konfiguriert sein für den Übergang vom PWM-Modus zum Sechs-Stufen-Modus als Reaktion entweder auf eine Zunahme der Drehzahl oder eine Abnahme der Spannung, während das Drehmoment beibehalten wird. Der Controller kann auch konfiguriert sein, den Betrieb im Sechs-Stufen-Modus zu halten, während die Drehzahl der elektrischen Maschine und die Eingangsspannung des Wechselrichters gemäß dem festen Verhältnis variieren und das Drehmoment der elektrischen Maschine auf einer anderen Höhe konstant ist. Wenn sich der Arbeitspunkt nahe einer Übergangsgrenze befindet, kann der Controller konfiguriert sein für einen Übergang vom Sechs-Stufen-Modus zum PWM-Modus als Reaktion entweder auf eine Abnahme bei der Drehzahl oder eine Zunahme bei der Spannung, während das Drehmoment aufrechterhalten wird. Bei einigen Ausführungsformen kann die Eingangsspannung des Wechselrichters durch einen DC-DC-Wandler geregelt werden, der eine von der Spannung einer Batterie verschiedene Busspannung herstellt.
Bei einer weiteren Ausführungsform enthält ein Controller eine Eingabeschnittstelle, eine Ausgabeschnittstelle und eine Steuerlogik. Die Eingabeschnittstelle empfängt Signale, die eine Spannung eines elektrischen Busses und eine Drehzahl einer elektrischen Maschine anzeigen. Die Ausgabeschnittstelle überträgt Wechselrichterzustands- und Tastverhältnisbefehle an einen Wechselrichter. Der Wechselrichter wiederum liefert einen Strom an die elektrische Maschine, was zu einem Drehmoment führt. Die Steuerlogik ist programmiert, um den Wechselrichter im PWM-Modus bei einem gegebenen Drehmoment, einer gegebenen Drehzahl und einer gegebenen Spannung zu betreiben. Falls die Drehmomentanforderung konstant ist und die Drehzahl und die Spannung proportional zunehmen, ist die Steuerlogik programmiert, im PWM-Modus zu bleiben. Für bestimmte Kombinationen aus Drehzahl, Drehmoment und Spannung ist der Controller jedoch programmiert für einen Übergang vom PWM-Modus zum Sechs-Stufen-Modus als Reaktion auf eine Zunahme bei der Drehzahl oder einer Abnahme bei der Spannung, während das Drehmoment beibehalten wird. Beim Betrieb im Sechs-Stufen-Modus bei konstanter Drehzahl kann die Steuerlogik programmiert sein, im Sechs-Stufen-Modus zu bleiben, während die Drehzahl und die Spannung proportional abnehmen. Für einige Kombinationen aus Drehzahl, Drehmoment und Spannung ist der Controller jedoch programmiert für einen Übergang von dem Sechs-Stufen-Modus zum PWM-Modus als Reaktion auf irgendeine Abnahme bei der Drehzahl oder Zunahme bei der Spannung, während das Drehmoment beibehalten wird. Bei einigen Ausführungsformen kann das Drehmoment, bei denen der Controller vom PWM-Modus zum Sechs-Stufen-Modus übergeht, für eine bestimmte Drehzahl und Spannung höher sein als das Drehmoment, bei der der Controller vom Sechs-Stufen-Modus zum PWM-Modus bei der gleichen Drehzahl und der gleichen Spannung übergeht.
1 ist eine grafische Darstellung von allgemeinen Charakteristika von Permanentmagnet-Synchronmotoren bezüglich Rotordrehzahl und Rotordrehmoment;
2 ist eine grafische Darstellung allgemeiner Charakteristika von Permanentmagnet-Synchronmotoren bezüglich der direkten und Quadraturkomponente des Wicklungsstroms;
3 ist ein Schemadiagramm eines beispielhaften hybridelektrischen Antriebsstrangs;
4 ist ein Controllerschemadiagramm in einem beispielhaften hybridelektrischen Antriebsstrang;
5 ist ein Flussdiagramm für das Steuerverfahren für Permanentmagnet-Synchronmotoren;
6 ist ein Flussdiagramm, um zu bestimmen, welcher Steueralgorithmus, der Sechs-Stufen- oder der PWM-Steueralgorithmus, verwendet werden sollte, um das Motordrehmoment einzustellen;
7 ist ein Flussdiagramm, um den Wechselrichterzustand unter Verwendung der Sechs-Stufen-Steuerung zu bestimmen; und
8 ist ein Flussdiagramm zum Bestimmen von Wechselrichterzuständen und Tastverhältnissen unter Verwendung einer PWM-Steuerung.
Es werden hier Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen unterschiedliche und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten übertrieben oder minimiert sein, um Einzelheiten von bestimmten Komponenten zu zeigen. Deshalb sind die hierin offenbarten spezifischen strukturellen und funktionalen Details nicht als beschränkend anzusehen, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um dem Fachmann zu lehren, wie er die vorliegende Erfindung unterschiedlich einsetzen kann. Wie der Durchschnittsfachmann versteht, können unter Bezugnahme auf eine beliebige der Figuren dargestellte und beschriebene unterschiedliche Merkmale mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die Kombinationen aus dargestellten Merkmalen liefern repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der mit den Lehren der vorliegenden Offenbarung übereinstimmenden Merkmale könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen erwünscht sein.
Ein Schemadiagramm eines beispielhaften hybridelektrischen Antriebsstrangs ist in 3 dargestellt. Die beanspruchte Erfindung ist jedoch nicht auf diese Antriebsstrangtopologie beschränkt. Ein Verbrennungsmotor 310 treibt einen Träger 312 eines Planetenradsatzes 314 an. Das Motordrehmoment wird durch den Radsatz 314 zwischen dem Sonnenrad 316 und dem Hohlrad 318 aufgeteilt. Das Hohlraddrehmoment wird mechanisch an die Abtriebswelle 320 übertragen. Das Sonnenraddrehmoment wird von einem Generator 322 aufgenommen. Der Motor 324 ist antreibbar mit der Abtriebswelle 320 verbunden. Im Verlauf dieser Beschreibung werden die Ausdrücke Generator und Motor lediglich als Kennzeichen verwendet, um diese Komponenten zu identifizieren. Sowohl der Generator 322 als auch der Motor 324 sind umkehrbare elektrische Maschinen, die beide eine mechanische Wellenleistung in elektrische Leistung als auch elektrische Leistung in mechanische Wellenleistung umwandeln können. Es werden Steuerverfahren bezüglich des Motors beschrieben, sie sind aber gleichermaßen auf den Generator anwendbar. Die Antriebswelle ist antreibbar mit einem Differential 326 verbunden, das die Leistung zwischen den linken und rechten Rädern 328 aufteilt, während es geringfügige Differenzen bei den Raddrehzahlen gestattet. Elektrische Stromanschlüsse sind durch gestrichelte Linien mit langen Strichen dargestellt. Der Generator 322 und der Motor 324 werden elektrisch durch Wechselrichter 330 bzw. 332 über Dreiphasen-Stromkreise angetrieben. Die Wechselrichter 330 und 332 ziehen Leistung von dem elektrischen DC-Bus 334 oder versorgen ihn mit Leistung. Elektrische Leistung wird in der Batterie 336 gespeichert. Ein DC-DC-Wandler 338 wandelt den Spannungspegel der Batterie 336 in den Spannungspegel des DC-Busses 334 um. Die DC-Busspannung kann entweder über oder unter der Batteriespannung liegen. Steuersignalverbindungen sind durch gestrichelte Linien mit kurzen Strichen dargestellt. Der Controller 340 gibt Steuersignale an den DC-DC-Wandler 338 aus, die die Sollspannung für den elektrischen DC-Bus 334 spezifizieren. Der Controller 340 gibt auch Steuerbefehle an den Verbrennungsmotor 310 und die Wechselrichter 330 und 332 aus, das von dem Verbrennungsmotor, dem Generator 322 bzw. dem Elektromotor 324 generierte Drehmoment zu regeln. Falls das tatsächlich durch den Elektromotor 324 gelieferte Drehmoment signifikant von dem angeforderten Drehmoment differiert, wird die Fahrzeugbeschleunigung dann nicht der Erwartung des Fahrers entsprechen. Falls das tatsächlich vom Generator 322 gelieferte Drehmoment signifikant von dem angeforderten Drehmoment differiert, wird die Motordrehzahl dann von dem erwarteten Verhalten abweichen.
Der Controller 340 ist in 4 schematisch und ausführlicher dargestellt. Ein Fahrzeugsystemcontroller 410 empfängt Signale, die die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Position des Fahrpedals und des Bremspedals und verschiedene andere Fahrzeugdaten anzeigen. Auf der Basis dieser Daten bestimmt der Fahrzeugsystemcontroller eine DC-Zielbusspannung und ein Zielausgabewellendrehmoment und gibt Drehmomentanforderungen T_{req_eng} an den Verbrennungsmotorcontroller 412, T_{req_gen} an den Generatorcontroller 414 und T_{req_mot} an den Elektromotorcontroller 416 aus. Die Ausgangssignale des Generatorcontrollers 414 und des Elektromotorcontrollers 416 sind Schaltzustände für Schalter innerhalb der Wechselrichter 330 bzw. 332. Diese Controller empfangen Eingangssignale, die Rotordrehzahl ω, die Winkelposition des entsprechenden Rotors, mit ⊝_R bezeichnet, die Spannung des DC-Busses 334, mit V_dc bezeichnet, und den Strom in jeder Wicklung, mit I_a, I_b und I_c bezeichnet, anzeigen. Der variable Spannungscontroller 418 gibt Befehle an den DC-DC-Wandler 338 aus, die Zielbusspannung zu bewirken. Die Controller 410, 412, 414, 416 und 418 können als ein einzelner Mikrocontroller oder mehrere kommunizierende Controller implementiert werden.
5 zeigt die Berechnungen für jede Aktualisierung. Bei 510 berechnet der Controller eine normalisierte Drehzahl ω_Norm durch Dividieren der Rotordrehzahl durch die Busspannung. Bei 512 justiert der Controller die Drehmomentanforderung von dem Fahrzeugsystemcontroller, falls erforderlich, um sicherzustellen, dass das angeforderte Drehmoment innerhalb des Motorarbeitsgebiets für die aktuelle Rotordrehzahl und die aktuelle Busspannung liegt. Bei 514 wählt der Controller zwischen dem PWM-Steuerverfahren und dem Sechs-Stufen-Steuerverfahren auf der Basis der justierten Drehmomentanforderung und der normalisierten Drehzahl. Falls das Sechs-Stufen-Verfahren gewählt wird, berechnet der Controller Wechselrichterbefehle bei 516 auf der Basis des Sechs-Stufen-Verfahrens. Falls der PWM-Modus gewählt wird, berechnet der Controller bei 518 Wechselrichterbefehle auf der Basis des PWM-Verfahrens.
Das Sechs-Stufen-Verfahren wird bevorzugt, wenn die Drehmomentnachfrage und die Rotordrehzahl hoch sind und die DC-Busspannung niedrig ist. Das PWM-Verfahren wird für Bedingungen mit niedriger Drehmomentnachfrage, niedriger Motordrehzahl und hoher Busspannung bevorzugt. Die Linie 120 in 1 zeigt eine beispielhafte Grenze zwischen diesen Gebieten bei einer bestimmten Referenzspannung. Das Sechs-Stufen-Verfahren wird in dem Gebiet oben rechts von der Linie 120 bevorzugt, während das PWM-Verfahren in dem Gebiet unten links bevorzugt wird. Die gepunktete Linie 122 zeigt, wie sich diese Grenze verschiebt, wenn die Busspannung erhöht wird.
Die Controller verwenden üblicherweise Nachschlagetabellen, um nichtlineare Funktionen wie etwa die Grenze zwischen dem Sechs-Stufen-Gebiet und dem PWM-Gebiet darzustellen. Da das Übergangsdrehmoment eine Funktion sowohl der Rotordrehzahl ω als auch der Busspannung V_dc ist, würde in der Regel eine mehrdimensionale Nachschlagetabelle wie etwa Tabelle 1 verwendet. Falls irgendeine der unabhängigen Variablen, in diesem Fall die Rotordrehzahl ω und die Busspannung V_dc, zwischen die tabulierten Werte fallen, kann der Controller einen der benachbarten Werte wählen oder zwischen ihnen interpolieren. Für eine nichtlineare Funktion führt eine Interpolation bezüglich der darunterliegenden Funktion einen gewissen Fehler ein. In der Regel werden Nachschlagetabellen während der Fahrzeugkalibrierung auf der Basis von Versuchsdaten populiert. Das Populieren der Tabelle erfordert Experimente bei einer Vielzahl von Spannungspegeln. Das Verwenden einer großen Anzahl verschiedener Spannungspegel reduziert den Approximationsfehler, vergrößert aber den zum Populieren der Tabellen erforderlichen Aufwand, den durch die Tabellen in dem Controller verbrauchten Speicher und die zum Nachschlagen eines Werts erforderliche Zeit.

V₁ V₂ V₃ V_m

ω₁ T₁₁ T₁₂ T₁₃ T_1m

ω₂ T₂₁ T₂₂ T₂₃ T_2m

ω₃ T₃₁ T₃₂ T₃₃ T_3m

ω₄ T₄₁ T₄₂ T₄₃ T_4m

ω_n T_n1 T_n2 T_n3 T_nm

Tabelle 1
Eine Alternative zu der Verwendung einer mehrdimensionalen Nachschlagetabelle besteht darin, die einzige unabhängige Variable ω_Norm zu verwenden, wie bei 510 in 5 berechnet. Tabelle 2 zeigt eine Tabelle des Übergangsdrehmoments über der normalisierten Drehzahl. Das Verwenden einer Tabelle mit einer einzigen unabhängigen Variablen reduziert den Approximationsfehler und den Kalibrierungsaufwand. Die Nachschlagetabelle mit der einzelnen unabhängigen Variablen kann verbessert werden, um die PMSM-Leistung zu verbessern, während der verwendete Controllerspeicher reduziert wird.

ω_{Norm_1} T₁

ω_{Norm_2} T₂

ω_{Norm_3} T₃

ω_{Norm_4} T₄

ω_{Norm_5} T₅

ω_{Norm_n} T_n

Tabelle 2
6 veranschaulicht ein bei 514 in 5 verwendetes Verfahren, um zu bestimmen, welcher Steueralgorithmus, der Sechs-Stufen- oder der PWM-Steueralgorithmus, zum Einstellen des Motordrehmoments genutzt werden sollte. Kalibrierungstabellen speichern zwei Funktionen der normalisierten Drehzahl, ω_Norm. Die erste Tabelle, T_{lo_pos}, ist geringfügig unter dem Idealübergangsdrehmoment, während die zweite Tabelle, T_{hi_pos}, geringfügig über dem idealen Übergangsdrehmoment ist. Der Modus ändert sich vom Sechs-Stufen- zum PWM-Modus, wenn sich der Arbeitspunkt von über T_{lo_pos} zu unter T_{lo_pos} ändert. Analog ändert sich der Modus von PWM zu Sechs-Stufen, wenn sich der Arbeitspunkt von unter T_{hi_pos} zu unter T_{hi_pos} ändert. Falls der Arbeitspunkt zwischen diesen beiden Funktionen liegt, bleibt der Modus der gleiche wie der vorausgegangene Zeitschritt. Diese Hysterese vermeidet Modusänderungen auf der Basis von kleinen Änderungen beim Arbeitspunkt, wenn nahe der Grenze gearbeitet wird. Ähnliche Tabellen, T_{lo_neg} und T_{hi_neg}, kennzeichnen die Modusgrenze in dem negativen Drehmomentarbeitsgebiet. Das negative Drehzahlgebiet wird unter Verwendung einer stellvertretenden Drehmomentanforderung T_ref berücksichtigt, die bei 610 gleich T_{req_adj} gesetzt ist, wenn die Rotordrehzahl positiv ist, und bei 612 auf –T_{req_adj}, wenn die Rotordrehzahl negativ ist. Falls der Controller während der vorausgegangenen Aktualisierung im Sechs-Stufen-Modus arbeitete, dann schlägt er die Werte bei der aktuellen normalisierten Drehzahl bei 614 nach. Bei 616 bestimmt der Controller, ob sich der Arbeitspunkt in das Gebiet zwischen den positiven und negativen Drehmomentgrenzen bewegt hat. Falls dies der Fall ist, geht er zum PWM-Modus über, anderweitig bleibt er im Sechs-Stufen-Modus. Falls der Controller zuvor im PWM-Modus arbeitete, schlägt er die Werte bei der aktuellen normalisierten Geschwindigkeit bei 618 nach. Bei 620 bestimmt der Controller, ob sich der Arbeitspunkt außerhalb des Gebiets zwischen der positiven und negativen Drehmomentgrenze bewegt hat. Falls dies der Fall ist, geht er zum Sechs-Stufen-Modus über, ansonsten bleibt er im PWM-Modus.
Wenn eine mehrdimensionale Tabelle verwendet wird, variieren die Modusübergangsschwellwerte, falls die Rotordrehzahl und die Busspannung variieren, selbst falls das Verhältnis von Rotordrehzahl zu Busspannung konstant bleibt. Folglich erfolgt manchmal ein Modusübergang, während die Drehzahl und die Spannung bei einem konstanten Verhältnis variieren und die Drehmomentanforderung konstant bleibt. Wenn das Verfahren von 6 verwendet wird, falls die Rotordrehzahl und die Busspannung variieren, während ein konstantes Verhältnis von Rotordrehzahl zu Busspannung aufrechterhalten wird, bleiben die Modusübergangsschwellwerte konstant. Deshalb treten bei einer konstanten Drehmomentanforderung und einem konstanten Verhältnis von Drehzahl zu Spannung keine Modusübergänge auf.
Im Sechs-Stufen-Modus befinden sich die Komponenten des Wicklungsstroms, I_d und I_q, auf einer Kurve wie etwa der Kurve 222 oder 224 in 2. Die Kurve wird durch die Busspannung V_dc und die Rotordrehzahl ω bestimmt. Die Position entlang der Kurve wird durch den Spannungswinkel ⊝_V bestimmt. Der Controller justiert ⊝_V durch Justieren der Zeitsteuerung, mit der er den Wechselrichter auf die nächsten, von null verschiedenen Wechselrichterzustände umschaltet. Der Zielspannungswinkel ⊝*_V ist eine nichtlineare Funktion der justierten Drehmomentanforderung, der justierten Rotordrehzahl und der justierten Busspannung. In der Regel wird eine nichtlineare Funktion von mehreren Parametern in einem Controller durch eine mehrdimensionale Tabelle dargestellt. Wenn die Istwerte der unabhängigen Parameter zwischen die tabellierten Werte fallen, kann der Controller den höheren Wert oder den niedrigeren Wert verwenden oder zwischen ihnen interpolieren. Jede dieser Wahlmöglichkeiten führt einen Fehler in ⊝*_V ein, was dazu führt, dass das Elektromotordrehmoment von der justierten Drehmomentanforderung abweicht. Falls beispielsweise die Rotordrehzahl und die Busspannung variieren, während ein konstantes Verhältnis von Rotordrehzahl zu Busspannung aufrechterhalten wird, variieren ⊝*_V und die Elektromotordrehmomentabgabe.
7 zeigt ein Verfahren des Berechnens von ⊝*_V unter Verwendung einer Tabelle mit nur zwei unabhängigen Parametern, der justierten Drehmomentanforderung und der normalisierten Drehzahl ω_Norm. Diese Tabelle wird während der Kalibrierung auf der Basis des Testens populiert, um den Elektromotor zu charakterisieren. Das Testen während der Kalibrierung kann bei Busspannungen erfolgen, die von der aktuellen Busspannung differieren. Bei positiven Rotordrehzahlen wird der Zielspannungswinkel bei 710 mit einer einzelnen Nachschlagetabelle bestimmt. Bei negativen Rotordrehzahlen verlässt sich der Controller auf die Symmetrie des Motorverhaltens, indem er einen Zielspannungswinkel für einen entsprechenden Arbeitspunkt für die positive Drehzahl bei 712 nachschlägt und ihn bei 714 auf den Arbeitspunkt für die negative Drehzahl hin justiert. Aufgrund der kritischen Zeitsteuerung des Zustandsumschaltens wird das Umschalten durch Funktionen durchgeführt, die auf Interrupts reagieren. Ein erstes Interrupt erfolgt bei 716 immer dann, wenn der Rotor eine Referenzposition passiert. Bei 718 berechnet ein Interrupthandler die Zeit, zu der die Zustandsänderung auftreten sollte, auf der Basis von ⊝*_V und der Rotordrehzahl ω, und setzt einen Zeitgeber. Ein zweites Interrupt erfolgt bei 720, wenn dieser Zeitgeber abläuft. Bei 722 gibt ein Interrupthandler einen Befehl an den Wechselrichter aus, zu dem nächsten von null verschiedenen Zustand umzuschalten. Wenn das Verfahren von 7 verwendet wird, falls die Rotordrehzahl und die Busspannung variieren, während ein konstantes Verhältnis von Rotordrehzahl zu Busspannung beibehalten wird, bleibt ⊝*_V konstant.
Im PWM-Modus befinden sich die Komponenten des Wicklungsstroms, I_d und I_q, in einem Gebiet, das durch eine Kurve wie etwa die Kurve 222 oder 224 in 2 begrenzt ist. Wie bei dem Sechs-Stufen-Verfahren wird die Kurve durch die Busspannung V_dc und die Rotordrehzahl ω bestimmt, wenngleich die Kurve für einen bestimmten Wert V_dc und ω geringfügig innerhalb der Sechs-Stufen-Kurve liegen kann. Der Controller justiert I_d und I_q durch Justieren von V_d und V_q unter Verwendung einer Regelung. Der Controller übersetzt dann V_d und V_q in PWM-Tastverhältnisbefehle an den Wechselrichter auf der Basis der Rotorposition ⊝_R.
Die Zielkomponenten des Wicklungsstroms, I*_d und I*_q, sind nichtlineare Funktionen der justierten Drehmomentnachfrage, der justierten Rotordrehzahl und der justierten Busspannung. Bei niedrigen Drehmomentnachfragen, niedrigen Drehzahlen und hohen Busspannungen werden I*_d und I*_q entlang der Linie 218 in 2 so gewählt, dass sich der effizienteste Betrieb ergibt. In diesem Gebiet sind I*_d und I*_q für kleine Änderungen bei der Busspannung oder der Rotordrehzahl unempfindlich. Bei hohen Drehmomentanfragen, hohen Drehzahlen und niedrigen Busspannungen jedoch ist eine Operation entlang der Linie 218 nicht möglich. Der effizienteste erreichbare Arbeitspunkt befindet sich entlang einer Kurve wie etwa 222, die die Grenze des Arbeitsgebiets der aktuellen Rotordrehzahl und der aktuellen Busspannung darstellt. Dieser Operationsbereich wird als das Feldschwächungsgebiet bezeichnet. In dem Feldschwächungsgebiet sind sowohl I*_d als auch I*_q für Änderungen bei der Busspannung oder der Rotordrehzahl empfindlich. Weiterhin ist die Beziehung zwischen I*_d und I*_q wichtig.
Wie beim Spannungswinkel würden I*_d und I*_q in der Regel in einem Controller durch eine multidimensionale Tabelle dargestellt werden. Wenn der Istwert der Busspannung zwischen tabulierte Werte fällt, würde der konservative Ansatz darin bestehen, den niedrigeren tabulierten Wert zu verwenden. Dies würde zu einer Kombination aus I*_d und I*_q führen, die das angeforderte Drehmoment erzeugen, aber gut in das durch die Kurve 222 begrenzte Gebiet fallen und deshalb zu einer weniger effizienten Operation führen. Falls Interpolation verwendet wird, erzeugt die resultierende Kombination aus I*_d und I*_q möglicherweise nicht das angeforderte Drehmoment. Zudem kann es notwendig sein, die Tabellen konservativ zu kalibrieren, um sicherzustellen, dass die resultierenden Punkte innerhalb der Kurve 222 liegen, was zu beeinträchtigter Effizienz führt. Falls bei einem der Ansätze die Rotordrehzahl und die Busspannung variieren, während ein konstantes Verhältnis von Rotordrehzahl zu Busspannung aufrechterhalten wird, werden I*_d und I*_q variieren.
8 zeigt ein Verfahren zum Berechnen von I*_d und I*_q unter Verwendung von Tabellen mit nur zwei unabhängigen Parametern, der justierten Drehmomentanforderung und der normalisierten Drehzahl ω_Norm. Für positive Rotordrehzahlen schlägt der Controller I_q* und I_d* in den Tabellen bei 810 nach. Bei negativen Rotordrehzahlen schlägt der Controller die Werte bei 812 auf der Basis eines Drehmoments in entgegengesetzter Richtung nach und ändert dann bei 814 das Vorzeichen von I_q*. Als Nächstes berechnet der Controller die Spannungen in dem Rotorreferenzrahmen, V_d und V_q, unter Verwendung einer Regelung mit Messwerten von I_d und I_q als Rückkopplungssignale bei 816. Wenn die Größe der Vektorsumme aus V_d und V_q nahe V_dc liegt, ist bei 818 möglicherweise eine Übermodulation notwendig, um das angeforderte Drehmoment zu liefern. Bei 820 werden V_d und V_q auf der Basis der Rotorposition ⊝_R in den stationären Referenzrahmen übersetzt. Jeder der sechs von null verschiedenen Wechselrichterzustände entspricht einem Vektor in dem stationären Referenzrahmen. Diese Vektoren zerlegen den Raum in sechs 60°-Sektoren. Bei 822 wählt der Controller die beiden von null verschiedenen Wechselrichterzustände entsprechend den beiden Vektoren, die dem umgesetzten V_d-, V_q-Spannungsvektor begrenzen. Dann berechnet er zwei Tastverhältnisse, so dass die Summe der beiden Vektoren, mit den jeweiligen Tastverhältnissen gewichtet, gleich dem umgesetzten V_d-, V_q-Spannungsvektor ist.
Wenngleich oben Ausführungsbeispiele beschrieben werden, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen, durch die Ansprüche eingeschlossenen Formen beschreiben. Die in der Patentschrift verwendeten Wörter sind Wörter der Beschreibung anstatt der Beschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale von verschiedenen Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder dargestellt sind. Während verschiedene Ausführungsformen so beschrieben worden sein können, dass sie Vorteile bereitstellen oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik bezüglich einer oder mehrerer gewünschter Charakteristika bevorzugt werden, erkennt der Durchschnittsfachmann, dass ein oder mehrere Merkmale oder Charakteristika beeinträchtigt werden können, um die Gesamtsystemattribute zu erzielen, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Zu diesen Attributen können unter anderem Kosten, Festigkeit, Dauerhaftigkeit, Lebenszykluskosten, Vermarktbarkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Wartungsfreundlichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagefreundlichkeit usw. zählen. Als solches sind Ausführungsformen, die als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik bezüglich einer oder mehrerer Charakteristika beschrieben werden, nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
Bezugszeichenliste
Fig. 5

312: Drehmomentnachfrage justieren
514: Steuermodus wählen
: Sechs-Stufen
516: Sechs-Stufen-Steuerung
518: PWM-Steuerung

614, 618: Nachschlagetabelle
NO: NEIN
Select PWM: PWM wählen
Select Six Step: Sechs-Stufen wählen
Previous Control Mode: Vorheriger Steuermodus
Six-Step: Sechs-Stufen

N: NEIN
710, 712: Nachschlagetabelle
716: Interrupt-basiert auf H_R
718: Zeitgeber einstellen auf der Basis von
720: Interrupt basiert auf Zeitgeber
722: Zeitgeber einstellen auf der Basis von

N: NEIN
810, 812: Nachschlagetabelle
816: V_d, V_q auf der Basis einer Rückkopplungssteuerung bestimmen
818: V_d, V_q auf der Basis von Übermodulation justieren
820: Umsetzen zu stationärem Referenzrahmen
822: Wechselrichterzustände und Tastverhältnisse wählen

Claims

Fahrzeug, das Folgendes umfasst: eine elektrische Maschine; einen Wechselrichter und einen Controller, der konfiguriert ist zum Betreiben der elektrischen Maschine in Impulsbreitenmodulationsmodus bei einer Drehzahl und einem Drehmoment der Maschine und einer Eingangsspannung des Wechselrichters, wobei die Drehzahl und die Spannung durch ein Verhältnis in Beziehung stehen, und Beibehalten der Operation im Impulsbreitenmodulationsmodus, während Drehzahl und Spannung gemäß dem Verhältnis proportional zunehmen, während das Drehmoment beibehalten wird.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Controller weiterhin konfiguriert ist für einen Übergang von dem Impulsbreitenmodulationsmodus zum Sechs-Stufen-Modus als Reaktion auf eine etwaige Zunahme bei der Drehzahl, während die Spannung und das Drehmoment beibehalten werden.
Fahrzeug nach Anspruch 2, wobei der Controller weiterhin konfiguriert ist für einen Übergang von dem Impulsbreitenmodulationsmodus zum Sechs-Stufen-Modus als Reaktion auf eine etwaige Abnahme bei der Spannung, während die Drehzahl und das Drehmoment beibehalten werden.
Fahrzeug nach Anspruch 3, wobei der Controller weiterhin konfiguriert ist zum: Betreiben der elektrischen Maschine in einem Sechs-Stufen-Modus bei der Drehzahl und Spannung, so dass die elektrische Maschine ein zweites Drehmoment erzeugt; und Beibehalten der Operation im Sechs-Stufen-Modus, während Drehzahl und Spannung proportional gemäß dem Verhältnis abnehmen, während das zweite Drehmoment beibehalten wird.
Fahrzeug nach Anspruch 4, wobei der Controller weiterhin konfiguriert ist für einen Übergang vom Sechs-Stufen-Modus zum Impulsbreitenmodulationsmodus als Reaktion auf eine etwaige Abnahme bei der Drehzahl, während die Spannung und das zweite Drehmoment beibehalten werden.
Fahrzeug nach Anspruch 5, wobei der Controller weiterhin konfiguriert ist für einen Übergang vom Sechs-Stufen-Modus zum Impulsbreitenmodulationsmodus als Reaktion auf eine etwaige Zunahme bei der Spannung, während die Drehzahl und das zweite gegebene Drehmoment beibehalten werden.
Fahrzeug nach Anspruch 1, das weiterhin Folgendes umfasst: eine Batterie und einen DC-DC-Wandler, der elektrisch sowohl mit der Batterie als auch dem Wechselrichter verbunden ist.