-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer permanenterregten Synchronmaschine mit einem Stator mit wenigstens zwei, insbesondere drei, Phasenwicklungen, mit einem Rotor, welcher wenigstens einen Permanentmagneten aufweist und mit wenigstens einem Rotorlagesensor. Sie betrifft weiterhin eine entsprechende Vorrichtung.
-
In modernen Kraftfahrzeugen kommt eine immer größere Anzahl von elektrischen Verbrauchern zum Einsatz. Um für alle Verbraucher eine stabile Energie- bzw. Spannungsversorgung gewährleisten zu können ist es notwendig, die maximalen Leitungsaufnahmen der jeweiligen Verbraucher zu kennen. Andererseits müssen auch die jeweiligen Verbraucher die Vorgaben bezüglich maximal aufgenommener bzw. maximal zurückgespeister Ströme einhalten.
-
Zur Ansteuerung von permanenterregten Synchronmaschinen bzw. Synchronmotoren (PMSM) in Kraftfahrzeugen kommen häufig feldorientierte Stromregler zum Einsatz, welche es erlauben, die PMSM auch oberhalb ihrer natürlichen Spannungsgrenze zu betreiben (Feldschwächung). Bei passender Auslegung des Antriebs ist es möglich, dass diese über weite Drehzahlbereiche eine gleichbleibend hohe Leistung abgibt im so genannten Constant-Power-Betrieb. Dieses Betriebsverhalten ist besonders für Antriebe interessant, die aus dem Bordnetz des Kraftfahrzeuges größere Mengen an Energie entnehmen müssen und deshalb die maximal zulässige Leistung über einen weiten Drehzahlbereich aufnehmen sollen.
-
Zur Begrenzung der aufgenommenen Leistung kann im einfachsten Fall die Leistungsabgabe/-aufnahme abhängig von dem aktuell fließenden Bordnetzstrom begrenzt bzw. reduziert werden. Für diesen Zweck kommen üblicherweise der Motorregelung überlagerte und vergleichsweise langsame Regler zum Einsatz.
-
Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 017 296 A1 ist ein derartiges Regelungsverfahren bekannt. Beim Einsatz von sehr dynamischen Antrieben bzw. bei einer schnellen Änderung der erlaubten Grenzwerte ist das beschriebene Verfahren jedoch zu langsam.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer permanenterregten Synchronmaschine bereitzustellen, das sich auch zum Betreiben von dynamischen Antrieben eignet. Weiterhin soll eine entsprechende Vorrichtung angegeben werden.
-
In Bezug auf das Verfahren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in Abhängigkeit von der momentanen Drehzahl des Rotors das Motormoment derart begrenzt wird, dass ein vorgegebener Sollwert der mechanischen Leistung nicht überschritten wird.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass bei dynamischen Antrieben, wie sie beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich in Aktuatoren von elektromechanischen Bremsen oder in Aktuatoren in hydraulischen aktiven Druckbereitstellungseinrichtungen vorkommen, die Begrenzung der Leistungsaufnahme sehr schnell und möglichst ohne Verzögerung erfolgen sollte, damit keine zu hohen Leistungsanforderungen an das Bordnetz gestellt werden. Insbesondere bei schnellen Regelvorgängen, bei denen der Elektromotor oft und schnell reversiert wird, sind schnelle Anpassungen der Leistungsbegrenzung notwendig. Es ist daher notwendig, den in einem Betriebspunkt des Motors aufgenommenen Strom möglichst präzise vorherzubestimmen und die in diesem Betriebspunkt vorliegende Leistung derart zu begrenzen, dass die erlaubten Stromgrenzen erst gar nicht überschritten werden.
-
Wie nunmehr erkannt wurde, lässt sich dies dadurch realisieren, dass in dem momentanen Betriebspunkt des Motors in Abhängigkeit von seiner Drehzahl das Motormoment begrenzt wird. Die verlustbehaftete mechanische Leistung ergibt sich dabei als Produkt des ermittelten Motormomentes mit der Drehzahl im jeweils betrachteten Arbeitspunkt. Eine Begrenzung der angegebenen mechanischen Leistung und somit auch der benötigten Leistung aus dem Bordnetz kann somit als drehzahlabhängige Begrenzung des abgegebenen Motormomentes realisiert werden.
-
Vorteilhafterweise werden zur Begrenzung des Motormomentes ein drehmomentbildender Strom und/oder ein magnetfeldschwächender Strom in einem rotorfesten Koordinatensystem geregelt, insbesondere begrenzt. Diese Ströme, also der drehmomentbildende Strom iq und der magnetfeldschwächende Strom id, ergeben sich in bekannter Weise aus den Strömen der Phasenwicklungen und stellen eine bevorzugte Wahl von Freiheitsgraden des Systems dar. Nach ihrer Regelung bzw. Begrenzung werden sie zur Ansteuerung der Synchronmaschine wieder in bekannter Weise in Phasenströme transformiert, die dann direkt eingestellt werden können. Dabei sind die Stellgrößen der d- und q-Stromregler im rotorfesten Koordinatensystem die Spannungen in d und q Richtung. Diese werden dann in das statorfeste alpha/beta-System transformiert und anschließend in die drei auszugebenden Phasenspannungen umgerechnet.
-
Eine Unterscheidung zwischen motorischem und generatorischem Betrieb der Synchronmaschine erfolgt bevorzugt durch einen Vergleich der Vorzeichen von Motormoment und Drehzahl, wodurch ein robustes und schnell überprüfbares Kriterium gegeben ist.
-
Bevorzugt wird bei unterschiedlichen Vorzeichen von Motormoment und Drehzahl ein generatorischer Betrieb erkannt und bei gleichen Vorzeichen ein motorischer Betrieb erkannt.
-
Zu gegebener Drehzahl werden vorteilhafterweise aus wenigstens einer Tabelle bzw. einem Kennfeld zugeordnete Werte für den drehmomenterzeugenden und den magnetfeldschwächenden Strom ausgelesen und zur Regelung verwendet.
-
Dabei werden vorteilhafterweise eine mehrdimensionale Tabelle und/oder mehrere Tabellen, die jeweils unterschiedlichen Werten wenigstens eines Parameters zugeordnet sind ausgelesen, um Einflüsse externer Faktoren wie der verfügbaren Spannung oder der Temperatur verfügbar zu machen.
-
Die hinterlegten Werte werden alternativ bevorzugt in Abhängigkeit von wenigstens einem Parameter durch eine Korrekturfunktion modifiziert. Auf diese Weise sind „table lookups“ nicht notwendig. Kann die Korrekturfunktion dabei durch wenige und einfache rechnerische Operationen gebildet werden, wird eine sehr schnelle und performante Korrektur der abgelegten Tabellenwerte ermöglicht.
-
Bevorzugt erfolgt eine Korrektur, insbesondere eine Mittelung, des drehmomentbildenden Stromes, wodurch langsame Störeinflüsse kompensiert werden können.
-
In Bezug auf die Vorrichtung wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit Mitteln zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der oben genannten Ansprüche. Diese Mittel können als software- und/oder hardwaremäßig implementierte Module realisiert sein. Insbesondere vorteilhaft ist die Realisierung derartiger Module in Form eines Computerprogramms, welches auf einem Motorsteuergerät bzw. einer Steuer- und Regeleinheit zur Steuerung und Regelung der Synchronmaschine abläuft.
-
Vorteilhafterweise umfasst die Vorrichtung einen Stromregler, insbesondere einen I-Regler (Integral-Regler), der im Sinne einer Vorsteuerung den Wert des drehmomentbildenden Stromes hinsichtlich externer Störeinflüsse korrigiert.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird bevorzugt in einem Kraftfahrzeug eingesetzt, dort insbesondere in einem Bremssystem, besonders bevorzugt in einem Bremssystem mit der Betriebsart „Brake-by-Wire“. Sie kann sowohl bei Synchronmaschinen in Linearaktuatoren eingesetzt werden, die in einer elektromechanischen Bremse einen Bremsbelag gegen eine Bremsscheibe drücken, als auch bei Linearaktuatoren in integrierten Bremssystemen, die in einer Druckbereitstellungseinrichtung einen Plungerkolben in einem hydraulischen Druckraum verfahren, wobei aktiv Druck in wenigstens einem Bremskreis aufgebaut werden kann.
-
So umfasst die Erfindung ein Bremssystem für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer elektromechanischen Bremse, welche einen Linearaktuator, insbesondere umfassend einen Elektromotor und ein nachgeschaltetes Rotations-Translationsgetriebe, bevorzugt einen Kugelgewindetrieb, und eine oben beschriebene Vorrichtung umfasst. Sie umfasst weiterhin ein Bremssystem für ein Kraftfahrzeug mit einer hydraulischen Druckbereitstellungseinrichtung mit einem Linearaktuator, insbesondere umfassend einen Elektromotor und ein nachgeschaltetes Rotations-Translationsgetriebe, bevorzugt einen Kugelgewindetrieb, und einer oben beschriebenen Vorrichtung.
-
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass durch die drehzahlabhängige Begrenzung des Motormomentes eine auch auf dynamische Drehzahländerungen schnell reagierende Leistungsbegrenzung der Synchronmaschine ermöglicht wird. Eine Begrenzung der Stromkomponenten iq und id im rotorfesten Koordinatensystem zur Begrenzung des Motormomentes stellt eine besonders zuverlässige und genaue Begrenzung der Leistungsaufnahme dar und kann insbesondere im feldschwächenden Betrieb präzise betrieben werden.
-
Wird wenigstens eine Stromkomponente bereits aus anderen Gründen begrenzt und geschieht dies mit Hilfe von hinterlegten Tabellen, so kann zur Implementation des Verfahrens eine Ersetzung der hinterlegten Tabelle(n) erfolgen, wobei die neue Tabelle(n) die Begrenzungswerte für die Ströme iq und id als Funktion der Drehzahl enthält.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in stark schematisierter Darstellung:
-
1 eine Aufstellung der im motorischen Betrieb auftretenden Leistungen in einer Synchronmaschine,
-
2 eine Aufstellung der im generatorischen Betrieb auftretenden Leistungen in einer Synchronmaschine, und
-
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Synchronmaschine in einer bevorzugten Ausführungsform.
-
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
-
Eine Synchronmaschine kann motorisch oder generatorisch betrieben werden, wobei sich in den beiden Fällen die zu berücksichtigenden Leistungen unterscheiden. Im Zusammenhang mit 1 werden zunächst die Leistungen im motorischen Betrieb der Synchronmaschine diskutiert. Dabei bezeichnet PDC die DC- bzw. Gleichstromleistung des Bordnetzes des Kraftfahrzeuges, die sich auf verschiedene Leistungen von Verbrauchern und auf Verlustleistungen aufteilt. Mit PVDC wird die Summe aus den elektrischen DC-Verlustleistungen der Motorendstufe und des Bordnetzes bezeichnet. Die elektrische Verlustleistung des Drehstromsystems wird mit PVAC bezeichnet. Als weitere Verlustleistung kommt die mechanische Verlustleistung PVmech des Motors hinzu. Weitere Beiträge zur Gleichstromleistung PDC liefern die von dem Umrichter ermittelte mechanische Leistung Pmech* und die von dem Motor abgegebene mechanische Leistung des Motors Pmech.
-
Es gilt Pmech*max = PDCmax – PVDC – PVAC, wobei Pmech*max die maximal erlaubte, von einem Umrichter der Synchronmaschine ermittelte mechanische Leistung und PDCmax die maximal erlaubte DC-Leistung des Bordnetzes bezeichnet. Ein Umrichter der Synchronmaschine umfasst Funktionen zur Motorsteuerung, beispielsweise eine Drehzahlmessung und Mittel zur Kommutierung, um das Drehfeld abhängig vom momentanen Zustand der Maschine anzupassen. Aufgrund der vorliegenden Ströme und Spannungen kann der Umrichter die mechanische Leistung des Motors vorhersagen.
-
Ebenso wie die abgegebene mechanische Leistung Pmech sind auch die elektrischen Verlustleistungen PVDC und PVAC von den Stromkomponenten id und iq und der Drehzahl abhängig. Werden die drehzahlabhängigen Maximalwerte für id und iq in einem Versuch und/oder in einer Simulation bestimmt, sind die auftretenden Verlustleistungen PVCD und PVAC automatisch mitberücksichtigt. Die im Motorbetrieb auftretenden mechanischen Verluste PVmech mindern zwar die tatsächlich abgegebene mechanische Leistung Pmech, wirken sich aber nicht auf die dem Bordnetz entnommene Leistung PDC aus.
-
Die verlustbehaftete mechanische Leistung der Maschine ist nun gegeben durch das Produkt aus Motormoment und Drehzahl, jeweils ermittelt im aktuellen Arbeits- bzw. Betriebspunkt des Motors. Ist PDCmax bekannt bzw. vorgegeben, ergibt sich daraus unmittelbar das zu Pmech*max korrespondierende Motormoment, welches wiederum von den Strömen iq und id abhängt.
-
In einem Versuch kann beispielsweise eine Sequenz von steigenden Drehzahlen angefahren werden, wobei zu jeder Drehzahl das Motormoment ermittelt wird, welches zu der maximalen Motorleistung korrespondiert, und wobei die zu diesem Motormoment und dieser Drehzahl korrespondierenden Ströme iq und id ermittelt werden.
-
In 2 sind die Leistungen und Verlustleistungen im generatorischen Betrieb der Synchronmaschine dargestellt. Die von dem Motor abgegebene mechanische Leistung – diesmal aber im Generatorbetrieb – wird wieder mit Pmech bezeichnet. Die vom Umrichter ermittelte mechanische Leistung ist wieder Pmech*. Aufgrund der auch hier auftretenden Verlustleistungen PVDC, PVAC und PVmech kann Pmech nicht vollständig in das Bordnetz eingespeist werden.
-
Im generatorischen Betrieb gilt Pmech*max = PDCmax + PVDC + PVAC mit den Bezeichnungen wie oben. Wie im motorischen Betrieb gilt auch hier: werden die drehzahlabhängigen Maximalwerte für iq und id für den generatorischen Betrieb im Versuch und/oder in einer Simulation bestimmt, sind die auftretenden Verluste bzw. Verlustleistungen PVDC und PVAC automatisch berücksichtigt. Die auftretenden mechanischen Verluste PVmech mindern die tatsächlich gewandelte und vom Umrichter ermittelte mechanische Leistung Pmech*, wirken sich aber nicht auf die letztendlich dem Bordnetz zugeführte Leistung PDC aus.
-
Eine Bestimmung der Stromkomponenten iq und id kann wie oben im Zusammenhang mit dem motorischen Betrieb der Maschine erfolgen. Aus den ermittelten Werten von iq und id zu einer bestimmten Drehzahl werden dann bevorzugt Kennfelder bzw. Tabellen erzeugt und in einer Steuer- und Regeleinheit abgelegt. Zu einem vorliegenden Wert der Drehzahl enthält die Tabelle dann die Maximalwerte für iq und die Werte für id.
-
Die Werte von iq und id werden, wie oben beschrieben derart gewählt, dass zu der gegebenen Drehzahl das Motormoment begrenzt wird, wodurch sich eine Beschränkung der mechanischen Leistung des Motors ergibt. Dieser Zusammenhang zwischen den Strömen und dem Motormoment ist aber gewöhnlich temperaturabhängig. Um diese Temperaturabhängigkeit zu berücksichtigen, stehen zumindest zwei Wege zur Verfügung. Zum einen können mehrdimensionale Tabellen bzw. Kennfelder erzeugt werden, in denen eine Dimension durch die vorliegende Temperatur der elektrischen Maschine bzw. von bestimmten Komponenten von ihr gegeben ist. Dies kann auch betrachtet werden als eine Schar von Tabellen, die von dem Parameter der Temperatur abhängen.
-
Alternativ dazu kann auch eine Korrekturfunktion implementiert werden, die in Abhängigkeit von der Temperatur die in dem Kennfeld bzw. der Tabelle hinterlegten Werte modifiziert, beispielsweise durch Multiplikation mit einem Faktor, hinzufügen von Offsets etc. Dazu können die temperaturabhängigen Maximalwerte von iq und id beispielsweise in einer Serie von Versuchen und/oder Simulationen bestimmt werden. An die ermittelten Werte als Funktion der Temperatur können dann eine, mehrere oder eine von mehreren Parametern abhängige parametrisierte Funktion(en) angepasst bzw. angefittet werden. Eine derartige Verfahrensweise kann auch zu alternativen oder zusätzlichen physikalischen oder anderen Größen, von denen die maximalen Stromwerte abhängen, durchgeführt werden.
-
Bei der Speisung des Antriebs aus einem modernen Kraftfahrzeugbordnetz kann der Nennspannungsbereich der Zwischenkreisspannung breit streuen. In vielen Fällen wird eine zulässige Stromaufnahme bzw. Stromrückspeisung definiert. In diesem Fall berechnen sich die erlaubten Leistungen für den motorischen und generatorischen Betrieb gemäß PDCmax = IDCmax * UZK. Dabei bezeichnen PDCmax und IDCmax die maximal mögliche Leistung und den maximal möglichen Strom, und UZK bezeichnet die vorherrschende Zwischenkreisspannung.
-
Zur Realisierung dieser Anforderung können die angelegten Maximalwerte für die Stromkomponenten abhängig von der Bordnetzspannung variiert werden. Dies kann auf die oben beschriebene Weise mit Hilfe von (mehrdimensionalen) Kennfeldern und/oder Korrekturfunktionen geschehen.
-
Ein als Ablaufdiagramm dargestelltes Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform ist in 3 dargestellt. Das Verfahren beginnt bei Start 2. In einer Entscheidung 6 wird überprüft, ob das Vorzeichen (sgn) des Motormomentes M gleich ist mit dem Vorzeichen der Drehzahl n des Motors. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn sowohl Motormoment M als auch Drehzahl n positiv oder negativ sind. Sind beide Vorzeichen gleich, liegt ein motorischer Betrieb des Motors vor, d. h. der Motor wird bestromt und erzeugt ein Drehmoment bzw. Motormoment, wodurch beispielsweise in einem Linearaktuator ein Kolben in axialer Richtung verschoben. In diesem Fall verzweigt das Verfahren zu einem Block 8. Dort wird der drehzahlabhängige maximale Wert für den drehmomentbildenden Strom, iqmax bzw. Iqmax, aus einem Kennfeld ausgelesen, was durch die Funktion f1(n) symbolisiert wird. Weiterhin wird der Wert für den magnetfeldschwächenden Strom, Id(max), aus einem Kennfeld f2(n) ausgelesen.
-
Bei Nutzung einer kennlinienbasierten Feldschwächsteuerung wird abhängig von der Drehzahl ein Id eingeprägt, das zur Abgabe des maximal möglichen Drehmomentes (bei dieser Drehzahl) benötigt wird. Kommt ein Feldschwächregler zum Einsatz, wird der gleiche Wert zur Begrenzung des Ausgangssignales (Stellgröße ist Id) dieses Reglers genutzt, in diesem Fall als Idmax.
-
In einem Block 10 werden die beiden ausgelesenen Stromwerte noch ggf. durch eine Korrekturfunktion g korrigiert, in welcher die aktuelle Temperatur der elektrischen Maschine berücksichtigt wird. In einem Block 24 werden schließlich die beiden Werte für iq und id In Phasenspannungen Ua, Ub, Uc umgewandelt und der Motoransteuerung übergeben, so dass das durch die Wahl der Ströme begrenzte Motormoment M eingestellt wird.
-
In dem Fall, dass sich die Vorzeichen des Motormomentes M und der Drehzahl n unterscheiden, verzweigt das Verfahren zu einem Block 14, in dem die beiden Ströme aus Kennfeldern f3(n) und f4(n) ausgelesen werden. In einem Block 18 erfolgt auch hier ggf. eine Temperatur der Werte hinsichtlich der vorherrschenden Temperatur. Die Blöcke 10 und 18 können auch zusammenfallen, wenn die temperaturabhängige Korrektur der ausgelesenen Stromwerte im motorischen und generatorischen Betrieb auf die gleiche Art erfolgen soll.
-
Auch hier wird in einem Block 24 nun die Ansteuerung des Motors aufgrund der ermittelten Werte für die beiden Stromkomponenten iq und id. Die Verfahrensschritte zwischen Start 2 und Block 24 werden in vorgegebenen zeitlichen Abständen, im Wesentlichen kontinuierlich oder immer dann wiederholt, wenn bevorzugt eine Änderung der Motordrehzahl und/oder auch eine Änderung der Umgebungseinflüsse wie z. B. der Temperatur auftritt.
-
Kommt eine Motoransteuerung mit Feldschwächesteuerung zum Einsatz, kann der magnetfeldschwächende Strom id im generatorischen Betrieb gezielt so gewählt werden, dass die elektrische Verlustleistung, also PVDC und PVAC, bewusst erhöht wird. Wie man an der bereits oben beschriebenen Gleichung Pmech*max = PDCmax + PVDC + PVAC erkennt, kann in diesem Fall die zulässige mechanische Leistung bei gleichbleibender zurückgespeister Leistung erhöht werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 2
- Start
- 6
- Entscheidung
- 8
- Block
- 10
- Block
- 14
- Block
- 18
- Block
- 24
- Block
- f1(n)
- Kennfeld
- f2(n)
- Kennfeld
- f3(n)
- Kennfeld
- f4(n)
- Kennfeld
- g
- Korrekturfunktion
- M
- Motormoment
- n
- Drehzahl
- PDC
- DC-Leistung des Bordnetzes
- PDCmax
- maximal erlaubte DC-Leistung des Bordnetzes
- Pmech
- abgegebene mechanische Leistung des Motors
- Pmech*
- ermittelte mechanische Leistung
- Pmech*max
- maximal erlaubte ermittelte mechanische Leistung
- PVAC
- elektrische Verlustleistung des Drehstromsystems
- PVDC
- elektrische DC-Verlustleistung von Endstufe und Bordnetz
- PVmech
- mechanische Verlustleistung des Motors
-
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 102007017296 A1 [0005]
