DE102013220588A1 - Steuergerät und Verfahren zum Erzeugen eines für einen aktuellen Samplezeitpunkt gültigen Sollspannungsvektors für Statorwicklungen eines elektrischen Motors - Google Patents

Abstract

Ein Steuergerät (100) zum Erzeugen eines für einen aktuellen Samplezeitpunkt gültigen Sollspannungsvektors (104) für Statarwicklungen eines elektrischen Motors (210), basieren auf einer Sollstromvorgabe Isq_k (106a) für eine q-Komponente eines Sollstromvektors (106) und auf einer Sollstromvorgabe Isd_k (106b) für eine d-Komponente des Sollstromvektors (106), umfasst: einem Steuerparametererzeuger (102), der ausgebildet ist eine q-Komponente Usq_k (104a) des Sollspannungsvektors (104) unter Verwendung einer ersten diskret berechneten Beziehung und eine d-Komponente Usd_k (104b) des Sollspannungsvektors (104) unter Verwendung einer zweiten diskret berechneten Beziehung zu bestimmen.

Description

• Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Steuergerät zum Erzeugen eines für einen aktuellen Samplezeitpunkt gültigen Sollspannungsvektors für Statorwicklungen eines elektrischen Motors
• Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur feldorientierten Regelung einer Drehfeldmaschine, insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine (PMS) bekannt. Um vergleichsweise teure Sensorik zur Erfassung von Motorspannungen bzw. Phasenströmen einzusparen, werden manche Verfahren auch dahingehend modifiziert, für die bekannten Verfahren zur feldorientierten Regelung die Phasenströme zu schätzen. Ein Beispiel dafür ist in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2006 006 032 A1 gezeigt. Beispielsweise ist auch in der Veröffentlichung S. -C. Chang, S. -N. Yeh: "Current sensorless field-oriented control of induction motors", IEEE Proc.-Electr. Power Appl., Vol. 143, No. 6, November 1996 ein Verfahren beschrieben, bei welchem ein Schätzmodell zur Realisierung eines stromsensorlosen Betriebs verwendet wird.
• Eine weitere Möglichkeit der Vereinfachung des Betriebs von elektrischen Motoren bei vorgegebenen Sollströmen bzw. Momenten stellt die feldorientierte Steuerung dar, bei welcher auf die Messung oder eine Schätzung der Phasenströme verzichtet wird. Eine solche Steuerung wird mit der der Maschine eigenen Dynamik betrieben, welche jedoch von den elektrischen Parametern der Maschine abhängig ist. Nachteilig ist dabei beispielsweise, dass die Maschine eine veränderliche Dynamik aufweist, da beispielsweise die Induktivitäten der Statorwicklungen bei hohen Strömen in Sättigung übergehen und deren ohmscher Widerstand temperaturabhängig ist.
• Die deutsche Patentanmeldung 10 2010 040 223 A1 beschreibt eine Möglichkeit, die Dynamik der Steuerung variabel zu gestalten, wobei die Steuerung aufgrund der Eigenschaften des Systems und der Steuerung der gewünschte Strom bzw. die Sollstromvorgabe erst nach einer endlichen Zeit erreicht wird, die von der Art der Ansteuerung abhängt.
• Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, vorstehend geschilderte Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Möglichkeit zu schaffen, den Betrieb einer Drehfeldmaschine besser zu steuern.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen dies durch eine zeitdiskrete Ansteuerung des elektrischen Motors, die auf einer besonders geeigneten Diskretisierung des kontinuierlichen Systems beruht. Gemäß den Ausführungsbeispielen wird zum Erzeugen eines für einen aktuellen Samplezeitpunkt gültigen Sollspannungsvektors für Statorwicklungen eines elektrischen Motors, basieren auf einer Sollstromvorgabe I_{sq_k} für eine q-Komponente eines Sollstromvektors und auf einer Sollstromvorgabe _{Isd_k} für eine d-Komponente des Stromvektors, eine q-Komponente U_{sq_k} der Sollspannungsvorgabe unter Verwendung der folgenden Beziehung bestimmt:

  
• Ferner wird eine d-Komponente U_{sd_k} für der Sollspannungsvorgabe unter Verwendung der folgenden Beziehung bestimmt:

  
• Durch das Verwenden einer speziellen Diskretisierung, insbesondere einer Diskretisierung, bei der der zeitkontinuierliche Parameter s durch 2z – 1 / Tz + 1 substituiert wird, kann eine zeitdiskrete Steuerung erreicht werden, deren Ansprechverhalten deutlich besser ist, als dies im Stand der Technik bislang der Fall ist. Insbesondere haben einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung die Eigenschaft, dass mittels deren Steuerung eine Sollstromvorgabe in den Wicklungen des Motors schneller und teilweise mit geringeren Störungskomponenten erreicht werden kann, als dies bislang der Fall war.
• Das heißt, einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen einen effizienten Betrieb bzw. eine effiziente Steuerung des Betriebs eines Elektromotors ohne große zusätzliche zeitliche Latenzen bzw. ohne temporäre Fehlbetriebszustände, die beispielsweise durch Überspannungen oder temporär auftretende Überströme hervorgerufen werden können.
• Einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können dabei weitere zur Ansteuerung eines elektrischen Motors erforderliche Komponenten, beispielsweise einen Wechselrichter zum Erzeugen der Versorgungsspannungen für jede der Mehrzahl von Phasen des elektrischen Motors umfassen.
• Gemäß einigen weiteren Ausführungsbeispielen weist ein Steuergerät zusätzlich eine Eingangsschnittstelle auf, die ausgebildet ist, um die Information über die Sollstromvargabe zum empfangen, sowie um eine Information über eine momentane Winkelgeschwindigkeit, beispielsweise die mechanische Winkelgeschwindigkeit oder die elektrische Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors zu empfangen. Dies kann es gemäß einigen Ausführungsbeispielen ermöglichen, das Steuergerät ergänzend zu einer bereits existierenden Antriebslösung bzw. für einen bereits existierenden elektromotorischen Antrieb zu verwenden, um die verbesserten Eigenschaften durch die Nachrüstung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zu erzielen.
• Gemäß einigen Ausführungsbeispielen umfasst ein Ausführungsbeispiel eines Steuergerätes ferner einen Transformierer, der ausgebildet ist, um den Sollspannungsvektor von einer d, q-Repräsentation eines läuferfesten Koordinatensystems in eine α,β-Repräsentation des statorfesten Koordinatensystems zu transformieren. Dies kann es beispielsweise ermöglichen, ein herkömmliches Steuergerät durch Ausführungsbeispiele der Erfindung zu ersetzen, wenn von dem herkömmlichen Steuergerät die Sollspannungsvorgaben im statorfesten Bezugssystem beispielsweise an einen darauffolgenden Vektormodulator oder dergleichen übergeben werden.
• Weitere Ausführungsbeispiele umfassen einen elektromotorischen Antrieb mit einem permanent erregten Synchronmotor, der mit einem Ausführungsbeispiel eines Steuergerätes derart gekoppelt ist, dass der Synchronmotor bzw. der Betrieb desselben von dem Steuergerät gesteuert wird.
• Ein derartiges elektromotorisches Antriebssystem kann mit geringen Kosten und hoher Zuverlässigkeit zur Verfügung gestellt werden. Dadurch bietet es sich bei Anwendungen mit sehr hohen Stückzahlen an, beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich als elektromotorischer Antrieb für eine elektrisch unterstützte Servolenkung oder für einen Antriebsmotor eines Kraftfahrzeuges.
• Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Funktionalität, die den Ausführungsbeispielen der Erfindung zugrunde liegt, mittels eines Firmware-Updates auf ein bereits existierendes Steuergerät geladen oder transportiert werden, so dass keine zusätzlichen Hardware-Kosten anfallen, obwohl die Vorteile der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele genutzt werden können.
• Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachfolgend, bezugnehmend auf die beigefügten Figuren, näher erläutert. Es zeigen:
• 1 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Steuergerätes;
• 2 ein Ausführungsbeispiel eines Steuergerätes sowie weitere Komponenten, die zur Ansteuerung eines elektrischen Motors verwendet werden;
• 3 einen Vergleich einer Performance eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einer herkömmlichen Lösung;
• 4 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens; und
• 5 eine Illustration der bei der Regelung bzw. Steuerung eines elektrischen Motors verwendeten Koordinatensysteme.
• Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben, in denen einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind. In den Figuren können die Dickenabmessungen von Linien, Schichten und/oder Regionen um der Deutlichkeit Willen übertrieben dargestellt sein.
• Bei der nachfolgenden Beschreibung der beigefügten Figuren, die lediglich einige exemplarische Ausführungsbeispiele zeigen, können gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten bezeichnen. Ferner können zusammenfassende Bezugszeichen für Komponenten und Objekte verwendet werden, die mehrfach in einem Ausführungsbeispiel oder in einer Zeichnung auftreten, jedoch hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale gemeinsam beschrieben werden. Komponenten oder Objekte, die mit gleichen oder zusammenfassenden Bezugszeichen beschrieben werden, können hinsichtlich einzelner, mehrerer oder aller Merkmale, beispielsweise ihrer Dimensionierungen, gleich, jedoch gegebenenfalls auch unterschiedlich ausgeführt sein, sofern sich aus der Beschreibung nicht etwas anderes explizit oder implizit ergibt.
• Obwohl Ausführungsbeispiele auf verschiedene Weise modifiziert und abgeändert werden können, sind Ausführungsbeispiele in den Figuren als Beispiele dargestellt und werden hierin ausführlich beschrieben. Es sei jedoch klargestellt, dass nicht beabsichtigt ist, Ausführungsbeispiele auf die jeweils offenbarten Formen zu beschränken, sondern dass Ausführungsbeispiele vielmehr sämtliche funktionale und/oder strukturelle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen, die im Bereich der Erfindung liegen, abdecken sollen. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in der gesamten Figurenbeschreibung gleiche oder ähnliche Elemente.
• Man beachte, dass ein Element, das als mit einem anderen Element „verbunden” oder „verkoppelt” bezeichnet wird, mit dem anderen Element direkt verbunden oder verkoppelt sein kann oder dass dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Wenn ein Element dagegen als „direkt verbunden” oder „direkt verkoppelt” mit einem anderen Element bezeichnet wird, sind keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden. Andere Begriffe, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten auf ähnliche Weise interpretiert werden (z. B., „zwischen” gegenüber „direkt dazwischen”, „angrenzend” gegenüber „direkt angrenzend” usw.).
• Die Terminologie, die hierin verwendet wird, dient nur der Beschreibung bestimmter Ausführungsbeispiele und soll die Ausführungsbeispiele nicht beschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „einer,” „eine”, „eines” und „der, die, das” auch die Plural-formen beinhalten, solange der Kontext nicht eindeutig etwas anderes angibt. Ferner sei klargestellt, dass die Ausdrücke wie z. B. „beinhaltet”, „beinhaltend”, aufweist” und/oder „aufweisend”, wie hierin verwendet, das Vorhandensein von genannten Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Arbeitsabläufen, Elementen und/oder Komponenten angeben, aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem bzw. einer oder mehreren Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Arbeitsabläufen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht ausschließen.
• Solange nichts anderes definiert ist, haben sämtliche hierin verwendeten Begriffe (einschließlich von technischen und wissenschaftlichen Begriffen) die gleiche Bedeutung, die ihnen ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, zu dem die Ausführungsbeispiele gehören, beimisst. Ferner sei klargestellt, dass Ausdrücke, z. B. diejenigen, die in allgemein verwendeten Wörterbüchern definiert sind, so zu interpretieren sind, als hätten sie die Bedeutung, die mit ihrer Bedeutung im Kontext der einschlägigen Technik konsistent ist, und nicht in einem idealisierten oder übermäßig formalen Sinn zu interpretieren sind, solange dies hierin nicht ausdrücklich definiert ist.
• 1 zeigt schematisch ein Steuergerät 100, das zum Erzeugen eines für einen aktuellen Samplezeitpunkt k gültigen Sollspannungsvektors für Statorwicklungen eines elektrischen Motors dient. Der Sollspannungsvektor ist in d,q-Koordinatensystem gegeben, also in einem läuferfesten Koordinatensystem, das zur Beschreibung der Dynamik eines elektrischen Motors häufig Verwendung findet. 5 gibt einen kurzen Überblick über die möglichen Koordinatensysteme bzw. Beschreibungen der Zustandsgrößen eines elektrischen Motors.
• 5 gibt der Vollständigkeit halber einen Überblick über die drei verwendeten Koordinatensysteme einer dreiphasigen Maschine. Das Dreikoordinatensystem (UVW) mit in den dazugehörigen Achsen 500a, 500b und 500c entspricht einem Koordinatensystem, das durch die Position der einzelnen Statorwicklungen gegeben ist. Für die Regelung der Maschine bzw. des elektrischen Motors können die Zustandsgrößen in ein mit dem Rotor drehendes Koordinatensystem, das d,q-Koordinatensystem transformiert werden. Die d-Achse 502a verläuft parallel zum maximal magnetischen Fluss des permanent erregten Läufers und die q-Achse 502b senkrecht dazu.
• Ferner können die Größen auch in einem kartesischen zwei-dimensionalen Koordinatensystem, dem α,β-Koordinatensystem beschrieben werden, wobei in der in 5 gezeigten Darstellung ohne Beschränkung der Allgemeinheit die α-Achse 504a so gewählt ist, dass diese identisch zur U-Achse 500a des U,V,W-Koordinatensystems verläuft, wobei die β-Achse 504b darauf senkrecht verläuft.
• Bei der feldorientierten Regelung werden die Zustandsgrößen des elektrischen Motors in das d,q-Koordinatensystem transformiert, da sich in diesen Koordinaten die differenziellen Gleichungen, die das dynamische Verhalten des elektrischen Motors beschreiben, vereinfachen. In diesen Koordinaten kann die Maschine ähnlich einer Gleichstrommaschine geregelt werden.
• Der Sollspannungsvektor 104 im d,q-Koordinatensystem, umfasst eine q-Komponente 104a (U_{sq_k}) und eine d-Komponente 104b (U_{st_k}). Die q-Komponente 104a und die d-Komponente 104b wird, wie nachfolgend hergeleitet, unter Ausnutzung der im Vorhergeheden angegebenen Beziehungen bestimmt.
• Die Bestimmung der Sollspannungsvorgabe basiert auf einer extern bereitgestellten oder intern gespeicherten Sollstromvorgabe 106. Diese weist wiederum eine Sollstromvorgabe für eine q-Komponente 106a (I_{sq_k}) sowie eine Sollstromvorgabe für eine d-Komponente 106b (I_{sd_k}) auf.
• Die Sollstromvorgabe kann beispielsweise basierend auf einem von einem Benutzer angeforderten Moment bzw. Drehmoment extern bestimmt und dem Steuergerät 100 zur Verfügung gestellt werden. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Sollstromvorgabe auch innerhalb des Steuergerätes 100 gespeichert sein.
• Wenngleich in dem Ausführungsbeispiel von 1 lediglich diejenigen Komponenten gezeigt sind, die für die Verwirklichung des der Erfindung zugrundeliegenden Konzeptes erforderlich sind, zeigt 2 ein Beispiel, wie ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Steuergerätes innerhalb eines Systems zur Ansteuerung eines permanenterregten Synchronmotors 210 (PSM) verwendet werden kann. Bei dem in 2 gezeigten Beispiel dient ein Ausführungsbeispiel eines Steuergerätes 100 dazu, die Sollspannungsvorgaben im d,q-Koordinatensystem zu erzeugen und diese einem Transformierer 200 zur Verfügung zu stellen, der die Sollspannungsvorgabe bzw. die d-Komponente der Sollspannungsvorgabe 104b und die q-Komponente der Sollspannungsvorgabe 104a in ein statorfestes Koordinatensystem transformiert.
• Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Steuergerät 100 ferner eine Eingangsschnittstelle 110 aus, die ausgebildet ist, um eine Information über die Sollstromvorgabe bzw. die Sollstromvorgabe direkt sowie um eine Information über die momentane Winkelgeschwindigkeit des Läufers des permanenterregten Synchronmotors 210 zu erhalten. Der permanenterregte Synchronmotor 210 ist im in 2 gezeigten Fall ein dreiphasiger Elektromotor, wobei es sich von selbst versteht, dass gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung mehrphasige Elektromotoren gesteuert werden können.
• Der Transformierer 200 dient dazu, die Sollspannungsvorgabe bzw. den Sollspannungsvektor 104 vom läuferfesten Koordinatensystem d,q in ein statorfestes Koordinatensystem, beispielsweise das α,β-Koordinatensystem oder das U,V,W-Koordinatensystem, zu transformieren, um die Mehrzahl von Versorgungsspannungen erzeugen zu können, die an den einzelnen Phasenwicklungen der PSM 210 anzulegen sind. Im vorliegenden Fall transformiert der Transformer 200 den Sollspannungsvektor ins U,V,W-Koordinatensystem, um eine Repräsentation des Sollspannungsvektors 104 in diesem Koordinatensystem für einen Vektormodulator 220 bereitzustellen. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen kann die Transformation auch in das α,β-Koordinatensystem erfolgen bzw. alternativ auch vollständig unterbleiben, wenn ein geeigneter Vektormodulator bzw. Wechselrichter verwendet wird, der in der Lage ist, die Sollspannungsvorgaben im d,q-Koordinatensystem direkt zu verwenden.
• Der Vektormodulator 220 erzeugt die für die Ansteuerung eines konventionellen Wechselrichters 230 erforderlichen pulsweitenmodulierten Signale. Am Ausgang des Vektormodulators 220 werden somit ein erstes pulsweitenmoduliertes Signal 222a, ein zweites pulsweitenmoduliertes Signal 222b und ein drittes pulsweitenmoduliertes Signal 222c erzeugt, die zur Ansteuerung der Gates bzw. der Schalter in einem Wechselrichter 230 verwendet werden können, um an einem Ausgang des Wechselrichters 230 die Versorgungsspannungen für die Mehrzahl von Phasen der PSM 210 zu erhalten. Im vorliegenden Fall ist eine drei-phasige permanenterregte Synchronmaschine gezeigt, da es sich bei diesen Maschinen um einen häufigen Anwendungsfall handelt. Wie im Vorhergehenden beschrieben, erhält das Steuergerät 100 als Eingangsgröße eine Information, die zu der Winkelgeschwindigkeit des Läufers des Elektromotors 210 korrespondiert. Zu diesem Zweck ist ein Positionssensor 240 mit der PSM 210 gekoppelt. Mittels des Positionssensors wird bezüglich eines statorfesten Koordinatensystems ein Drehwinkel des Läufers der PSM 210 erfasst. Der mechanische Drehwinkel 242 wird bei dem speziell in 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel durch Multiplikation mit der Anzahl der Polpaare in den elektrischen Winkel Θ_el des elektrischen Motors umgerechnet, um als Eingangsgröße für den Transformierer 200 zu dienen, wobei bei alternativen Ausführungsformen diese Umwandlung auch unterbleiben kann.
• Auf ähnliche Art und Weise wird aus dem mechanischen Winkel zunächst die mechanische Winkelgeschwindigkeit 276 und dann die elektrische Winkelgeschwindigkeit 248 bestimmt, die wiederum als Eingangsgröße für das Steuergerät dient. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen kann sowohl entweder der mechanische Winkel 242 oder die mechanische Winkelgeschwindigkeit 246 direkt als zusätzliches Eingangssignal für das Steuergerät 100 verwendet werden.
• Basierend auf den generellen Überlegungen der 1 und 2 bzw. auf dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird nachfolgend kurz dargelegt, wie eine speziell geeignete Diskretisierung des zeitkontinuierlichen Problems bzw. der zeitkontinuierlichen Beschreibung der permanenterregten Synchronmaschine 210 gefunden werden kann, die es ermöglicht, die Steuerung der Maschine mit geringen Latenzen und mit guten dynamischen Eigenschaften vorzunehmen.
• Die Dynamik der Maschine im d,q-Koordinatensystem lässt sich mit den folgenden Gleichungen beschreiben:

  
• Transformiert man die beiden Gleichungen GL. 1 und GL. 2 aus dem Zeit in den s-Bereich, erhält man: U_sd = (1 + sT_Ed)·R·i_sd – ω_sL_sqi_sq GL3 U_sq = (1 + sT_Eq)·R·i_sq + ω_sL_sdi_sd + Ψ_PM·ω_s GL4.
• Auflösen nach I_sd und I_sq ergibt:

  
• D. h. unter Berücksichtigung der Störgrößen kann der gewünschte Strom I_sd (und entspechend I_sq) durch eine gesetzte Sollspannung U_sd (und entsprechend U_sq) eingestellt werden. Durch das Verzögerungsglied erster Ordnung (PT1-Glied), das durch die obige Gleichung gebildet wird, stellt sich der Strom bzw. die Sollstromvorgabe allerdings abhängig von der Zeitkonstante T_E erst nach gewisser Zeit ein. Für die d- und q-Achse sind die Zeitkonstanten T_Ed (= L_sd/R) und T_Eq (= L_sq/R) abhängig von der Induktivität (L_sd oder L_sq) und dem Widerstand R.
• Bei Vorgabe eines Sollwertes des Stromes für jede Achse (einer Sollstromvorgabe) kann jedoch gemäß obigen Gleichungen prinzipiell ein Sollwert der Spannung für die betreffende Achse ermittelt werden.
• Die Dynamik bei der Einstellung des Stromes bzw. des Drehmomentes hängt jedoch von den Parametern der Maschine ab. Der Nachteil dabei ist, dass eine von der Maschine abhängige Dynamik besteht und insbesondere, dass die Maschine selbst eine variable Dynamik besitzt, da die Induktivitäten bei hohen Strömen in Sättigung übergehen bzw. abnehmen und der Widerstand temperaturabhängig ist.
• Ohne Störgrößen ist der geforderte Strom I_sRef für den stationären Zustand mit der Spannung U nach GL. 7 zu berechnen: I_sRef·R = U GL. 7
• Vernachlässigt man die Störgrößen in jede Achse erhält man im dynamischen Zustand bei den gestellten Spannungen U_sd und U_sq die beiden Strömen I_sd und I_sq nach Gleichung GL. 8 und GL. 9:

  
• Für die Sollwerte erhält man also:

  
• Um die Zeitkonstanten der Strecke T_Ed und T_Eq zu kompensieren und eine gewünschte Zeitkonstante T1 und T2 einzustellen kann folgender Ansatz verwendet werden:

  
• Die beiden Zeitkonstanten T1 und T2 beschreiben die Dynamik in der d- und q-Achse. Die beiden Zeitkonstanten T1 und T2 können gleich oder unterschiedlich gewählt werden. Die beiden Zeitkonstanten T1 und T2 können offline oder online während des Betriebs des Steuergeräts 100 geändert werden.
• Umschreiben der Gleichungen GL. 12 und 13 nach Spannungen U_sd und U_sq ergibt:

  

  
• Für die d-Achse erhält man aus GL. 14:

  
• Mit der Berücksichtigung der Störgrößen in die jeweiligen Achsen erhält man für die d-Achse: (1 + sT₁)·U_sd =(1 + sT_Ed)I_sd·R – T_Eq·ω·I_sq·R GL. 17 und für die q-Achse: (1 + sT₂)·U_sq = (1 + sT_Eq)I_sq·R + T_Ed·ω·I_sd·R + Ψ·ω GL. 18.1
• Wobei in GL. 17 und 18. die Ströme I_sdRef und I_sqRef in I_sd und I_sq umbenannt sind.
• Zum Übergang vom kontinuierlichen zum diskreten System wird gemäß den Ausführungsbeispielen folgende Diskretisierung benutzt:

  
• Durch die Diskretisierung der kontinuierlichen Gleichungen mit dem Abtastschritt T erhält man nach Einsetzung der Gleichung GL. 19 in die GL. 17 für die d-Achse:

  
• GL. 20 führt zu GL. 21:

  
• GL. 22 und GL. 23 zeigen die weiteren Vereinfachungen für die Spannung in d-Achse, wobei „_k” der aktuelle Sollwert und „_k – 1” der Sollwert vom alten Abtastschritt bedeuten:

  
• Daraus ergibt sich für die Sollspannungsvorgabe der d-Achse Gleichung 24:

  
• Analog dazu wird für die q-Achse aus der Gleichung GL. 18 die Gleichung GL. 25 für U_sq ermittelt. Wobei hier die Polradspannung (ω·Ψ) als konstant angenommen wird, weil im normalen Fall die mechanische Zeitkonstante der Maschine größer ist als die elektrische Zeitkonstante. Die Drehzahl kann während der schnellen Änderung des Stromes als Konstant angesehen werden. Deswegen wird der Term (ω·Ψ) nach der Vereinfachungen addiert. U_{sq_k-1} ist der alte Wert von U_{sq_k} ohne den Term (ω·Ψ).
• Man erhält für die Sollspannungsvorgabe der q-Achse Gleichung 25:

  
• 3 zeigt den Vergleich eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Steuergerätes mit einem herkömmlichen Steuergerät, mittels dessen eine Sollspannungsvorgabe bestimmt wird, die zum Ziel hat, für einen gegebenen Sollstrom bzw. eine gegebene Sollstromvorgabe in den Statorwicklungen des elektrischen Motors den Sollstrom zu erzeugen.
• In 3 oben ist das Ergebnis von Ausführungsbeispielen für eine negative Sollstromvorgabe für die d-Komponente gezeigt, wohingegen in 3 in der mittleren Darstellung das Ergebnis für eine positive Sollstromvorgabe für die q-Komponente dargestellt ist. Da sich diese Ergebnisse qualitativ gleichen, wird nachfolgend lediglich kurz auf die obere Darstellung von 3 eingegangen. Diese zeigt in Einheiten von Ampere auf der Y-Achse den Strom durch die Statorwicklungen der PSM sowie auf der X-Achse die Zeit in willkürlichen Einheiten.
• Die Sollstromvorgabe 300 gibt beim Samplezeitpunkt k denjenigen Strom vor, der mittels der Steuerung erreicht werden soll.
• Ein erster Graph 302 zeigt, wie sich der Strom in den Statorwicklungen bei der Verwendung einer herkömmlichen Steuerung verändert. Ein zweiter Graph 304 zeigt, wie sich der Strom bei Verwenden eines Ausführungsbeispiels der Erfindung verändert, wenn zum Beginn des Samplezeitpunkts k die Sollstromvorgabe 300 vorgegeben wird. Wie in 3 zu erkennen ist, erreicht der zweite Graph 304 schneller die Sollstromvorgabe als der zweite Graph. Darüber hinaus zeigt der erste Graph 302 einen Überschwinger, das heißt, der Strom in dem elektrischen Motor bzw. in dessen Statorwicklungen wird zeitweise höher als es die Sollstromvorgabe verlangt. Dies führt zu Unregelmäßigkeiten im Betrieb des Elektromotors, insbesondere zu Überhöhungen des Momentes.
• Zusammengefasst illustriert 3 in der mittleren Darstellung die Sprungantwort des Stromes I_sqRef = 20A bei T = 0,02 S und in der oberen für I_sdRef = –100 A bei T = 0,03 S. Die Drehzahl wird dabei als Null angenommen. Wie sich aus 3 ergibt, wird bei gleicher Dynamik des Systems mittels der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ein besseres Verhalten erreicht. Die Ströme I_sd und I_sq weisen einen deutlich besseren Verlauf auf, als es im Stand der Technik bislang möglich war. Der Ist-Wert nähert sich während des Anstieges besser zu einem Sollwert und es zeigen sich keine Überschwinger im Stromfalle auf.
• 4 zeigt erneut schematisch in Form eines Flussdiagramms ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Erzeugen eines für einen aktuellen Samplezeitpunkt gültigen Zollspannungsvektors für Statorwicklungen eines elektrischen Motors, das auf einer Sollstromvorgabe I_{sq_k} für q-Komponente eines Sollstromvektors und auf einer Sollstromvorgabe I_{sd_k} für eine d-Komponente des Stromvektors basiert. An einem Schritt des Bereitstellens 400 wird die Sollstromvorgabe bereitgestellt bzw. erhalten.
• In einem Auswerteschritt 402 wird, basierend auf den im vorhergehenden beschriebenen Gleichungen 24 und 25 ein Sollspannungsvektor im d,q-Koordinatensystem des elektrischen Motors bestimmt.
• Zusammengefasst ermöglichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung den Betrieb eines elektrischen Motors, wobei auf zusätzlichen platzverbrauchende und kostenverursachende Stromsensoren verzichtet werden kann. Dies kann insbesondere in Anwendung mit hohen Stückzahlen von erheblichem Vorteil sein, beispielsweise beim Einsatz von Servolenkungssystemen in der Automobilindustrie oder dergleichen. Unabhängig von den möglichen Kostenersparnissen kann gemäß einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung auch die Qualität des Betriebs des Elektromotors verbessert werden, da durch den Verzicht auf die Stromsensoren beispielsweise Rauschpannungen oder Offset-Spannungen verursachte Probleme bei der Strommessung, die zu Geräuschen bzw. Drehmomentschwankungen im Antrieb führen können, vermieden werden können.
• Verglichen beispielsweise mit günstigen Alternativen der Strommessung mittels Shunt-Widerständen, die eine Totzeit der Messung zur Folge haben, können durch die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung Leistungsverluste ebenfalls vermieden werden. Diese können u. a. den mit der Totzeit einhergehenden Leistungsverlust der Maschine bzw. Verluste von Versorgungsspannung des Spannungswandlers vermeiden. Ferner kann gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung durch die geeignete Wahl der Parameter T1 und T2 die Dynamik der Steuerung nahezu beliebig angepasst werden, um den unterschiedlichen Anforderungen in den verschiedensten Implementierungen der elektromotorischen Antriebe, die mittels Ausführungsbeispielen von Steuerungen betrieben werden, gerecht zu werden.
• Die in der vorstehenden Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und den beigefügten Figuren offenbarten Merkmale können sowohl einzeln wie auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung eines Ausführungsbeispiels in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein und implementiert werden.
• Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrens-schritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
• Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-Ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einer programmierbaren Hardwarekomponente derart zusammen-wirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird.
• Eine programmierbare Hardwarekomponente kann durch einen Prozessor, einen Computer-prozessor (CPU = Central Processing Unit), einen Grafikprozessor (GPU = Graphics Processing Unit), einen Computer, ein Computersystem, einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC = Application-Specific Integrated Circuit), einen integrierten Schaltkreis (IC = Integrated Circuit), ein Ein-Chip-System (SOC = System an Chip), ein programmierbares Logikelement oder ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor (FPGA = Field Programmable Gate Array) gebildet sein.
• Das digitale Speichermedium kann daher maschinen- oder computerlesbar sein. Manche Ausführungsbeispiele umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem oder einer programmierbare Hardwarekomponente derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird. Ein Ausführungsbeispiel ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Programm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
• Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Programm, Firmware, Computerprogramm oder Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode oder als Daten implementiert sein, wobei der Programmcode oder die Daten dahin gehend wirksam ist bzw. sind, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Programm auf einem Prozessor oder einer programmierbaren Hardwarekomponente abläuft. Der Programmcode oder die Daten kann bzw. können beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger oder Datenträger gespeichert sein. Der Programmcode oder die Daten können unter anderem als Quellcode, Maschinencode oder Bytecode sowie als anderer Zwischencode vorliegen.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist ferner ein Datenstrom, eine Signalfolge oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Programm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom, die Signalfolge oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, um über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet oder ein anderes Netzwerk, transferiert zu werden. Ausführungsbeispiele sind so auch Daten repräsentierende Signalfolgen, die für eine Übersendung über ein Netzwerk oder eine Datenkommunikationsverbindung geeignet sind, wobei die Daten das Programm darstellen.
• Ein Programm gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eines der Verfahren während seiner Durchführung beispielsweise dadurch umsetzen, dass dieses Speicherstellen ausliest oder in diese ein Datum oder mehrere Daten hinein schreibt, wodurch gegebenenfalls Schaltvorgänge oder andere Vorgänge in Transistorstrukturen, in Verstärkerstrukturen oder in anderen elektrischen, optischen, magnetischen oder nach einem anderen Funktionsprinzip arbeitenden Bauteile hervorgerufen werden. Entsprechend können durch ein Auslesen einer Speicherstelle Daten, Werte, Sensorwerte oder andere Informationen von einem Programm erfasst, bestimmt oder gemessen werden. Ein Programm kann daher durch ein Auslesen von einer oder mehreren Speicherstellen Größen, Werte, Messgrößen und andere Informationen erfassen, bestimmen oder messen, sowie durch ein Schreiben in eine oder mehrere Speicherstellen eine Aktion bewirken, veranlassen oder durchführen sowie andere Geräte, Maschinen und Komponenten ansteuern.
• Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
• Bezugszeichenliste

100

Steuergerät

102

Steuerparametererzeuger

104

Sollspannungsvorgabe

106

Sollstromvorgabe

200

Transformierer

210

Permanenterregte Synchronmaschine

220

Vektormodulator

230

Wechselrichter

240

Positionssensor

242

Mechanischer Drehwinkel

244

Elektrischer Winkel

246

Mechanische Winkelgeschwindigkeit

248

Elektrische Winkelgeschwindigkeit

300

Sollstromvorgabe

302

Erster Graph

304

Zweiter Graph

400

Bereitstellen

402

Auswerten

500a, b

U, V, W Koordinaten

502a, b

d, q Koordinaten

504a, b

α, β Koordinaten

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• 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.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102006006032 A1 [0002]
• DE 102010040223 A1 [0004]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• S. -C. Chang, S. -N. Yeh: ”Current sensorless field-oriented control of induction motors”, IEEE Proc.-Electr. Power Appl., Vol. 143, No. 6, November 1996 [0002]

Claims (8)

1. Steuergerät (100) zum Erzeugen eines für einen aktuellen Samplezeitpunkt gültigen Sollspannungsvektors (104) für Statorwicklungen eines elektrischen Motors (210), basieren auf einer Sollstromvorgabe I_{sq_k} (106a) für eine q-Komponente eines Sollstromvektors (106) und auf einer Sollstromvorgabe I_{sd_k} (106b) für eine d-Komponente des Sollstromvektors (106), umfassend: einem Steuerparametererzeuger (102), der ausgebildet ist eine q-Komponente U_{sq_k} (104a) des Sollspannungsvektors (104) unter Verwendung der folgenden Beziehung:

   

   und eine d-Komponente U_{sd_k} (104b) des Sollspannungsvektors (104) unter Verwendung der folgenden Beziehung:

   

   zu bestimmen, wobei T_Eq und T_Ed Zeitparameter sind, die von den Eigenschaften des elektrischen Motors abhängen, U_{sq_k-1} und U_{sd_k-1} die Komponenten des Sollspannungsvektors des unmittelbar vorherigen Samplezeitpunkts bezeichnen, I_{sq_k-1} und I_{sd_k-1} die Komponenten des Sollstromvektors des unmittelbar vorherigen Samplezeitpunkts bezeichnen, R zu dem ohmschen Widerstand der Statorwicklung korrespondiert, ω zu einer Winkelgeschwindigkeit des Läufers des Elektromotors korrespondiert, Ψ zu dem magnetischen Fluss des Läufers korrespondiert, und T₁ und T₂ freie Parameter sind.
2. Steuergerät (100) nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Eingangsschnittstelle (110), die ausgebildet ist, Informationen über den Sollstromvektor (106) zu empfangen, und die ferner ausgebildet ist, eine Information über die momentane Winkelgeschwindigkeit (246) des Läufers zu empfangen.
3. Steuergerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, ferner Umfassend, einen Transformierer (200), der ausgebildet ist, um den Sollspannungsvektor (104) von einer d, q Repräsentation, die zu einem läuferfesten Koordinatensystem korrespondiert, in eine α, β Repräsentation zu transformieren, die zu einem statorfesten Koordinatensystem korrespondiert.
4. Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: einen Modulator (220), der ausgebildet ist, um basierend auf dem Sollspannungsvektor ein Steuersignal (222a, 222b, 222c) für eine Spannungsversorgung (230) bereitzustellen, das das Erzeugen einer Mehrzahl von Versorgungsspannungen für jede der Mehrzahl von Phasen des elektrischen Motors (210) bewirkt.
5. Elektromotorischer Antrieb, umfassend: einen permanenterregte Synchronmotor (210); und ein mit dem permanenterregten Synchronmotor (210) derart gekoppeltes Steuergerät (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dass ein Betriebszustand des permanenterregten Synchronmotors (210) von dem Steuergerät (100) gesteuert wird.
6. Servolenkungssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem elektromotorischen Antrieb nach Anspruch 5 zum Erzeugen einer Lenkungsunterstützungskraft.
7. Ein Verfahren zum Erzeugen eines für einen aktuellen Samplezeitpunkt gültigen Sollspannungsvektors für Statorwicklungen eines elektrischen Motors, basierend auf einer Sollstromvorgabe I_{sq_k} für eine q-Komponente eines Sollstromvektors und auf einer Sollstromvorgabe I_{sd_k} für eine d-Komponente des Sollstromvektors, umfassend: bestimmen (402) einer q-Komponente U_{sq_k} (104a) des Sollspannungsvektors (104) unter Verwendung der folgenden Beziehung:

   

   und Bestimmen einer d-Komponente U_{Sd_k} (104a) für eine d-Komponente des Sollspannungsvektors (104) unter Verwendung der folgenden Beziehung:

   

   , wobei T_Eq und T_Ed Zeitparameter sind, die von den Eigenschaften des elektrischen Motors abhängen, U_{sq_k-1} und U_{sd_k-1} die Komponenten des Sollspannungsvektors des unmittelbar vorherigen Samplezeitpunkts bezeichnen, I_{sq_k-1} und I_{sd_k-1} die Komponenten des Sollstromvektors des unmittelbar vorherigen Samplezeitpunkts bezeichnen, R zu dem ohmschen Widerstand einer Statorwicklung korrespondiert, ω zu einer Winkelgeschwindigkeit des Läufers des Elektromotors korrespondiert, Ψ den magnetischen Fluss des Läufers korrespondiert, und wobei T₁ und T₂ freie Parameter sind.
8. Computerprogramm mit einem Programcode, der das Durchführen des Verfahrens gemäß Anspruch 7 bewirkt, wenn das Programm auf einem Prozessor abläuft.

Images