DE102013222539A1

DE102013222539A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer permanent-angeregten Synchronmaschine

Info

Publication number: DE102013222539A1
Application number: DE201310222539
Authority: DE
Inventors: Peter Stauder; Tom Kaufmann; Sighard Schräbler
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2013-11-06
Filing date: 2013-11-06
Publication date: 2015-05-07
Also published as: WO2015067593A1

Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben einer permanenterregten Synchronmaschine, bei dem in einem rotorfesten Koordinatensystem einen drehmomentbildenden Strom (Iq) und einen magnetfeldschwächenden Strom (Id) geregelt werden, soll eine genaue und präzise Regelung auch bei schnellen und dynamischen Vorgängen erlauben. Dazu ist vorgesehen, dass zu einem vorgegebenen Drehmomentwunsch ein Betriebspunkt der Synchronmaschine mit einem zugehörigen Wert des drehmomentbildenden Stromes (Iq) bestimmt wird, in dem der magnetfeldschwächende Strom (Id) einen möglichst geringen Wert hat.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer permanenterregten Synchronmaschine, bei dem in einem rotorfesten Koordinatensystem ein drehmomentbildender Strom und ein magnetfeldschwächender Strom geregelt werden. Sie betrifft weiterhin eine entsprechende Vorrichtung.
Eine permanenterregte Synchronmaschine (PMSM) kann zur Erhöhung des erzielten Drehmomentes und damit auch zur Erhöhung der erzielten Leistung im Feldschwächebereich betrieben werden. Die Notwendigkeit dafür ergibt sich daraus, dass mit steigender Drehzahl in den Phasenwicklungen eine immer größere Gegenspannung induziert wird, so dass die mit der vorgegebenen Versorgungsspannung erreichbare Drehzahl begrenzt ist.
Die Beschreibung der Ströme in den Phasenwicklungen des Stators erfolgt dabei gewöhnlich in einem rotorfesten, d. h. mit dem Rotor sich mitdrehenden Koordinatensystem mit Hilfe eines drehmomenterzeugenden Stromes I_q und eines magnetfelderzeugenden bzw. magnetfeldschwächenden Stromes I_d. Durch die Feldschwächung, die der Bedingung I_d < 0 entspricht, wird eine Komponente im Zeigerdiagramm der Synchronmaschine erzeugt, die der induzierten Spannung bzw. der elektromotorischen Kraft (EMK) entgegengerichtet ist und damit die Klemmenspannung reduziert.
Üblicherweise wird der Anteil des magnetfeldschwächenden Stromes I_d über einen Regler bestimmt, der als Eingangsgröße die aktuelle Amplitude der Klemmenspannung, die sich als Quadratwurzel der Summe der Quadrate der Spannungen U_d und U_q ergibt, also als (U_d ² + U_q ²)^1/2, und die verfügbare Gleichspannung bzw. DC-Spannung benutzt. Ein Regler, der auf diese Weise arbeitet, wird als Feldschwächregler bezeichnet und ist aus dem Stand der Technik bekannt. Nachteilig bei einer derartigen Regelung der Synchronmaschine ist, dass bei sehr schnellen, dynamischen Drehzahländerungen nur eine unzureichende Performance erzielt wird, insbesondere bei trägheitsarmen Systemen.
Aus dem Stand der Technik ist weiterhin bekannt, die Regelung der Synchronmaschine mit Hilfe von Kennfeldern durchzuführen, wodurch ein sehr dynamisches Steuern des Feldschwächstroms I_d ermöglicht wird. Nachteilig hierbei ist, dass die Parameter des Motors und des Umrichters aufgrund von Temperatureinflüssen (Magnetfluss, Widerstand) und dem Zustand des Bordnetzes (Spannung, erlaubter Strombezug und -rückspeisung) variieren und daher entweder eine Vielzahl von Kennfeldtabellen erforderlich wird oder entsprechende Abweichungen toleriert werden müssen, worunter die Genauigkeit einer derartigen Regelung leidet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Synchronmaschine bereitzustellen, welches eine genaue und präzise Regelung auch bei schnellen und dynamischen Vorgängen erlaubt. Weiterhin soll eine entsprechende Vorrichtung angegeben werden.
In Bezug auf das Verfahren wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zu einem vorgegebenen Drehmomentwunsch ein Betriebspunkt der Synchronmaschine mit einem zugehörigen Wert des drehmomentbildenden Stromes bestimmt wird, in dem der magnetfeldschwächende Strom einen möglichst geringen Wert hat.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass eine Hinterlegung von Stromgrößen, insbesondere von I_d und I_q, die in einem rotorfesten Koordinatensystem gelten, in Form von Kennlinien bzw. Tabellen nur in ungenügendem Maße den aktuellen Betriebsbedingungen Rechnung trägt. Um möglichst viele vorkommende Betriebszustände zu umfassen, wäre eine Vielzahl von im Vorhinein zu erstellenden Tabellen notwendig, was nur in seltenen Fällen praktisch umsetzbar ist.
Wie nunmehr erkannt wurde, erlauben moderne Motorsteuergeräte bzw. Steuer- und Regeleinheiten (ECU) eine der konkreten betrieblichen und fahrdynamischen Situation angepasste Bestimmung des zu einem Drehmomentwunsch optimierten Betriebspunkts. Diese Bestimmung kann durch die Ausführung eines numerischen Verfahrens erfolgen, bei dem, insbesondere iterativ, Werte von I_q und I_d bestimmt werden, die sich zur Realisierung des Drehmomentwunsches besonders eignen.
Vorteilhafterweise wird der Wert des magnetfeldschwächenden Stromes iterativ bestimmt. Bevorzugt wird auch der Wert des drehmomentbildenden Stromes iterativ bestimmt. Dies erlaubt jeweils eine schrittweise Verbesserung der ermittelten Lösung. Durch die Wahl der maximalen Anzahl von Iterationen kann eine höhere Genauigkeit auf Kosten der Geschwindigkeit eingestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird zu ermittelten Werten für den drehmomenterzeugenden und den magnetfeldschwächenden Strom eine resultierende elektrische Leistung berechnet, wobei mit Hilfe dieser Leistung und der verfügbaren Batteriespannung ein erforderlicher Strom berechnet wird, und wobei der Wert für den magnetfeldschwächenden Strom als gültiger Wert zwischengespeichert wird, wenn der erforderliche Strom innerhalb vorgegebener Grenzen liegt. Bei der Berechnung der elektrischen Leistung werden bevorzugt eine innere mechanische Leistung und Kupferverluste berücksichtigt.
Bei der Berechnung der inneren mechanischen Leistung und einem inneren Drehmoment wird – sofern vorhanden – bevorzugt die Reluktanz der Maschine berücksichtigt.
Wenn ein gefundener Wert für den magnetfeldschwächenden Strom zu einer Überschreitung der verfügbaren Batteriespannung führen würde, wird vorteilhafterweise ein Gradient von der Veränderung der notwendigen Phasenspannung gebildet, wobei in dem Fall, dass der Gradient größer Null ist, der Wert des magnetfeldschwächenden Stromes in der nächsten Iteration vermindert, andernfalls erhöht wird.
Die Schrittweite für die iterative Bestimmung des magnetfeldschwächenden Stromes hängt vorteilhafterweise ab von der Differenz zwischen einem minimal möglichen und einem maximal möglichen Wert für den magnetfeldschwächenden Strom.
Die maximale Anzahl von Iterationen für die Berechnung des magnetfeldschwächenden Stromes liegt bevorzugt zwischen 2 und 20, insbesondere bei 10.
In Bezug auf die Vorrichtung wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit wenigstens einem software- und/oder hardwaremäßig implementierten Modul zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der oben genannten Ansprüche.
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 eine numerische bzw. rechnerische Bestimmung des optimierten Betriebspunktes des Motors eine schnelle und gleichzeitig flexibel an die aktuellen Betriebsbedingungen anpassbare Ansteuerung und Regelung des Motors ermöglicht wird.
Durch eine iterative Bestimmung des magnetfeldschwächenden Stromes kann der optimierte und mit den anderen Parametern möglichst kleinste verträgliche Wert ermittelt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die einzige Figur ein Struktogramm für ein Verfahren zum Betrieben einer permanenterregten Synchronmaschine in einer bevorzugten Ausführungsform. Dabei wird zu einem vorgegebenen Wunschdrehmoment bzw. Drehmomentwunsch M_soll eine Kombination des drehmomentbildenden Stromes I_q und des magnetfeldschwächenden Stromes I_d iterativ gesucht, die einem möglichst geringen magnetfeldschwächenden Wert von I_d entspricht. Das Verfahren wird bevorzugt als Computerprogram implementiert und läuft auf einem Motorsteuergerät bzw. einer Steuer- und Regeleinheit (ECU) ab.
Zunächst wird anhand der Figur ein Verfahren für Motoren mit Reluktanzmoment in einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben. Danach werden anhand der Figur die Änderungen besprochen die sich für das Verfahren ergeben, wenn es für Motoren ohne Reluktanzmoment durchgeführt wird. Die Bezugszeichen, die Verfahrensschritte bzw. Entscheidungen und Blöcke kennzeichnen, sind in die jeweiligen Felder im Struktogramm eingetragen.
Das Verfahren verwendet folgende Eingangsparameter, welche die elektrische Maschine und die konkrete Durchführung des Verfahrens charakterisieren:

P_sim:: temperaturabhängiger Hauptfluss der elektrischen Maschine für Phase als Effektivwert
K_t,inv,fak:: Kehrwert der temperaturabhängigen Drehmomentkonstante für die Sollstromberechnung
L_d:: Induktivität in D-Achse
L_q:: Induktivität in Q-Achse
P:: Polpaarzahl
U_bat:: Gleichspannung bzw. DC-Spannung der Batterie des Bordnetzes
N_s:: Drehzahl
I_bat,min:: minimaler Batteriestrom (z. B. für die Rückspeisung ins Bordnetz, beispielsweise –20 A)
I_bat,max:: maximaler Batteriestrom (bei Bezug von Leistung, z. B. 60 A)
I_max:: Umrichterstromgrenze in A_rms (Effektivstrom)
I_{d,minimal,fak}:: Faktor zur Bestimmung des minimalen Stromes I_d zur Ausnutzung des Reluktanzmomentes
U_bat,fak:: maximaler Modulationsgrad (max. U_ac/U_dc, z. B. 95 %)
n_id,max:: maximale Anzahl der Iterationen für I_d
n_iq,max:: maximale Anzahl der Iterationen für I_q
R_s:: Widerstand für die Motorphase, inklusive des Anteils der ECU
bremse:: Flag für erhöhte Kupferverluste im Bremsbetrieb, wodurch die Rückspeisung in die Batterie reduziert wird

Dies sind Eingangsgrößen für das Verfahren, von denen einige an die konkrete fahrdynamische und/oder reglerspezifische Situation angepasst werden können. So können beispielsweise U_bat, I_bat,min, I_bat,max und I_max vor Durchführung des Verfahrens an die aktuellen Bordnetzverhältnisse angepasst werden. Durch die Einstellung der Anzahl der maximalen Iterationen kann die Genauigkeit der Bestimmung von I_d und I_q eingestellt werden.
Der Faktor I_{d,minimal,fak} wird zu Beginn des Verfahrens folgendermaßen berechnet: zunächst wird eine Größe D gebildet gemäß (L_d – L_q)·I_max. Ist D < 0, werden zwei Hilfsgrößen H und G gebildet gemäß H = P_sim/D G = –asin(1/4·(–(H² + 8)^1/2 – H))
Diese Rechnung muss nicht notwendigerweise als Teil des Verfahrens bzw. in der Reglerloop ausgeführt werden, wenn die Induktivitäten L_d und L_q hinreichend stabil sind. Ändern sich diese maßgeblich und sind sie mittels eines Modells in Abhängigkeit der Ströme I_d und I_q (aktuelle Werte aus der letzten Loop) berechenbar, sollte diese Berechnung zyklisch durchgeführt werden.
Ist D >= 0, wird der Wert von G auf null gesetzt, d. h. es gibt kein Reluktanzmoment bei negativen Werten von I_d. Schon bei niedrigen Drehzahlen sollte demnach kein negativer Strom I_d eingeprägt werden um ein erhöhtes Drehmoment zu erhalten. Dieser Fall ergibt sich beispielsweise bei Oberflächenmagneten (L_d = L_q) oder bei Maschinen mit „Schenkelpolverhalten“ (L_d > L_q).
Für I_{q max} ergibt sich dann I_max·cos (G). Der Faktor I_{d,minimal,fak} ergibt sich dann zu I_{d,minimal,fak} = I_max·sin(G)/I_q,max ².
Weiterhin ist für die Bestimmung des Betriebspunktes der Drehmomentwunsch M_soll wichtig.
In einem ersten Block 2 wird der Sollstromwert von I_q aus dem Drehmomentwunsch berechnet gemäß I_q,soll = M_soll·K_t,inv,fak. In einer Entscheidung 6 wird dann überprüft, ob der so ermittelte Wert für I_q größer ist als der negative Wert von I_max. Ist dies der Fall, wird der Wert von I_q,soll in einem Block 8 auf den Wert von Imax gesetzt. Andernfalls wird I_q,soll in einem Block 12 auf den Wert von –I_max gesetzt (in einer Entscheidung 10 wird dabei überprüft ob I_q,soll <= –I_max gilt).

In einem Block 16 werden nun einige für die folgenden Iterationen notwendige Größen initialisiert. Dies sind:

I_d,min = 0:	in dieser Größe wird wäh rend der iterativen Bestim mung von I_d der bisher niedrigste Wert von I_d an dem korrespondierenden Betriebspunkt des Motors festgehalten;
I_d,hold = 0:	dieser Größe wird nach Abschluss der Iterationen der iterativ ermittelte Wert für I_d zugewiesen;
I_q,hold:	dieser Größe wird nach Abschluss der Iterationen der iterativ ermittelte Wert für I_q zugewiesen;
U_b = U_bat·0.40824829·U_bat,fak:	entspricht der maximal verfügbaren Spannung (in [Volt]), multipliziert mit einem Ausnutzungsfaktor.

Hierbei gilt U_b = U_bat/√2/√3·f_mod, wobei f_mod ein Ausnutzungs- bzw. Modifizierungsfaktor ist.
Die Division durch √3 dient der Umrechnung für Außenleitspannung zu Phase, und die Division durch √2 dient der Umrechnung in einen Effektivwert.
Der Modulationsfaktor berücksichtigt, dass die zur Verfügung stehende Zwischenkreisspannung von z. B. 12 V mittels einer Pulsweitenmodulation (PWM) mit einem Tastverhältnis von z. B. 5 % bis 95 % an eine Motorphase angelegt werden kann. Dies entspricht dann einem Modulationsgrad von 90 %. Die Ursachen dafür liegen in der Leistungselektronik.
Das heißt, die maximal an eine Motorphase anlegbare Spannung in Effektivspannung gemessen entspricht dem Wert von U_b. Wenn die Spannung größer als U_b werden soll, kann der Wert von U_bat nicht verwendet werden bzw. das Verfahren funktioniert nicht mehr, da der Spitzenwert der Außenleiterspannung dann größer ist als U_bat. Nur unterhalb von U_b können also noch sinusförmige Spannungen erzeugt werden.

Weitere zu initialisierende Werte sind:

U_bat,inv = 1/U_bat:	inverser Wert der Batteriespannung U_bat
U_bat2 = U_b ²:	Länge des maximal erlaubten Spannungszeigers
w_s = n_s·0.10471976:	Drehzahl in der Einheit [rad/s], mit einem Umrechnungsfaktor von U/min auf rad/s
n_Iq = n_iq,max:	Anzahl der Iterationsschritte zur Bestimmung von I_q
n_Id = n_id,max:	Anzahl der Iterationsschritte zur Bestimmung von I_d
U_emk = w_s·P_sim·p:	entspricht der induzierten Spannung in V_rms; V_rms entspricht hierbei dem Effektivwert der induzierten Spannung in einer Motorphase bezogen auf den Sternpunkt
I_q = I_q,soll·0.5:	Der Wert von I_q wird auf die Hälfte des Maximalwertes von I_q gesetzt
I_q,step = 2·I_q:	dies entspricht der Sprungweite für die Iteration von I_q
I_max2 = I_max ²:	die Stromgrenze des Umrichters im Quadrat; dies entspricht der Länge es maximal möglichen Stromzeigers
simvalid = 0:	Flag, ob die Simulation bzw. ihr Ergebnis gültig ist
break_iq = 0:	Flag ob die Iteration über I_q abgebro chen werden soll
I_{bat,min,grenze} = I_bat,min + 0.01

In einem Bock 20 wird eine erste Iterationsschleife über den Strom I_q gestartet, die solange durchgeführt wird, wie die Bedingungen n_Iq > 0 und break_iq gleich Null gelten. Zunächst wird die aktuelle Iterationszahl n_Iq um eins heruntergezählt. Zu einem gegebenen Wert von I_q wird ein wirkungsgradoptimaler Wert I_d,minimal für I_d berechnet gemäß –(I_q ²)·I_{d,minimal,fak}. Eine Sprungweite I_d,step für die Iteration über den Wert von I_d wird bestimmt gemäß I_d,step = (I_d,max – I_d,minimal). Der Anfangswert für I_d wird nun in die Mitte zwischen den Werten I_d,minimal und I_d,max gesetzt gemäß I_d = I_d,minimal + I_d,step·0.5. Eine Variable idvalid wird auf Null gesetzt, sie gibt an, ob ein gültiger Wert für I_d gefunden wurde. Weiterhin wird ein Flag break_id auf Null gesetzt, welches angibt, ob weiterhin über den Wert von I_d iteriert werden soll. Der Wert von I_q,step wird nun auf seine Hälfte reduziert, und n_Id wird auf n_Id,max gesetzt.
In einem Block 24 beginnt nun eine Schleife über die Werte von I_d, wobei diese Schleife solange durchgeführt wird, wie die Bedingungen n_Id > 0 und break_id gleich Null gelten. Der Iterationszähler n_Id wird nun um eins heruntergezählt. Die Schrittweite I_d,step wird auf die Hälfte ihres aktuellen Wertes reduziert. Zudem wird ein quadrierter Gesamtstrom I_ges im rotorfesten Koordinatensystem (q,d) berechnet gemäß I_ges = I_d ² +I_q ².
In einer Entscheidung 28 wird überprüft, ob das Quadrat des Gesamtstromes, I_ges, größer ist als I_max2. Ist dies der Fall, korrespondieren die aktuellen Werte von I_q und I_d nicht zu einer validen Lösung. Das Verfahren verzweigt dann zu einem Block 32, in dem der aktuelle Wert von I_d um den Wert I_d,step vermindert wird.

Gilt andererseits I_ges <= I_max2, so verzweigt das Verfahren in einem Block 36, in dem verschiedene, in der Synchronmaschine auftretende Spannungen berechnet werden:

U_rd = I_d·R_s:	Spannungsabfall am Widerstand in d-Achse
U_rq = I_q·R_s:	Spannungsabfall am Widerstand in q-Achse
U_ld = w_s·L_q·I_q·p:	Spannungsabfall an der q-Induktivität der d-Achse
U_lq = w_s·L_d·I_d·p:	Spannungsabfall an der d-Induktivität der q-Achse
U_q = U_emk + U_rq + U_lq:	Summe der Spannungszeiger in der q-Achse
U_d = U_rd – U_ld:	Summe der Spannungszeiger in der d-Achse
U_ges2 = U_d ² + U_q ²:	(quadrierte) Länge des Gesamtspannungszeigers

In einer Entscheidung 40 wird nun überprüft, ob die quadrierte Länge des Gesamtspannungszeigers U_ges2 größer ist als das Quadrat der Batteriespannung U_bat2. Ist dies der Fall, liegt kein gültiger Wert für I_d vor, da die Batteriespannung die maximal verfügbare Spannung darstellt. In diesem Fall verzweigt das Verfahren zu einem Block 44, in dem ein Gradient grad gebildet wird gemäß grad = (I_d·(R_s ² + (w_s·L_d·p)²) + w_s·p·(L_d·U_emk + I_q·R_s·(L_d – L_q)))
Der auf diese Weise gebildete Gradient grad gibt die Veränderung der notwendigen Phasenspannung an. Wenn beispielsweise der Gradient positiv ist, bedeutet dies, dass eine betragsmäßige Vergrößerung des Stroms I_d (z. B. von –60 A auf –65 A) eine Verkleinerung der notwendigen Spannung erzeugt.
Falls der Gradient negativ ist, würde durch stärkere Feldschwächung die notwendige Spannung größer.
Das Vorzeichen von grad bestimmt demgemäß nun, in welcher Richtung für die nächste Iteration der Wert von I_d geändert werden soll. Gilt grad > 0, wird in einem Block 42 I_d der neue Wert I_d + _Id,step zugeordnet, andernfalls wird in einem Block 46 I_d der neue Wert I_d – I_d,step zugeordnet.
Hat die Entscheidung 40 ergeben, dass U_ges2 <= U_bat2 ist, d. h., die verfügbare Gleichspannung U_bat wird bei der Kombination der Werte von I_q und I_d nicht überschritten, verzweigt das Verfahren zu einem Block 48. Darin werden die auftretenden Leistungen berechnet: P_mech = 3·p·I_q·(p_sim + (L_d – L_q)·I_d)·w_s P_cu = (I_d ² + I_q ²)·R_s·3; P_el = P_mech + P_cu
Dabei bezeichnet P_mech die innere mechanische Leistung, P_cu die Kupferverluste, und P_el die geforderte elektrische Leistung, die zu den aktuellen Werten von I_q und I_d korrespondiert. Ein zu dieser elektrischen Leistung korrespondierender Strom I_bat,test ergibt sich zu I_bat,test = P_el·U_bat,inv.
In einer Entscheidung 52 wird nun überprüft, ob der Strom I_bat,test innerhalb der erlaubten Grenzen von I_bat,max und I_bat,min liegt. Ist dies der Fall, d. h. es gilt I_bat,min <= I_bat,test <= I_bat,max, verzweigt das Verfahren zu einem Block 56. Die Flags simvalid und idvalid werden dort auf den Wert 1 gesetzt, und I_d,min wird der aktuelle Wert von I_d zugewiesen. Dieser Wert entspricht der aktuell besten Lösung für den Strom I_d.
Unabhängig von dem Ergebnis der Entscheidung 52 wird das Verfahren fortgeführt in einer Entscheidung 58. Dort wird das simultane Vorliegen der Bedingungen bremse ist gleich 1, w_s·M_soll < 0, und I_bat,test < I_{bat,min,grenze} überprüft. Liegen alle drei Bedingungen vor, verzweigt das Verfahren zu einem Block 62, in dem der aktuelle Wert von I_d um den Wert I_d,step erhöht wird. In einer darauf folgenden Entscheidung 66 wird überprüft, ob der Wert von I_d kleiner als der Wert von –I_max ist. Ist dies der Fall, wird in einem Block 70 der Wert von I_d auf den Wert von –I_max gesetzt. Liegen die drei oben genannten Bedingungen nicht vor, verzweigt das Verfahren zu einem Block 74, in dem I_d um den Wert von I_d,step vermindert wird.
Unabhängig von dem Ergebnis der Entscheidung 52 wird in einer Entscheidung 78 überprüft, ob der Wert von I_d größer ist als der Wert von I_d,minimal, multipliziert mit einem Verringerungsfaktor, der vorliegend 0.999 beträgt. Ist dies der Fall, wird in einem Block 82 das Flag break_id auf 1 gesetzt.
In einer Entscheidung 86 wird überprüft, ob das Flag idvalid den Wert 1 hat. Ist dies nicht der Fall, wurde in der aktuellen Iteration kein gültiger Wert für I_d gefunden. Das Verfahren verzweigt in diesem Fall zu einem Block 90, in dem der Wert von I_q um den Wert von I_q,step vermindert wird. In einer darauf folgenden Entscheidung 94 wird überprüft, ob das Vorzeichen des Produktes aus I_q und I_q,step negativ ist. Ist dies der Fall, wird in einem Block 98 break_iq auf den Wert eins gesetzt.
Ergibt die Entscheidung 86, dass idvalid den Wert 1 hat, wurde ein gültiger Wert für I_d gefunden. In einem Block 88 wird der Wert von idvalid nun wieder auf Null gesetzt, und I_d,hold wird der Wert von I_d,min zugewiesen, welcher dem bisher besten Wert entspricht. Zudem wird I_q,hold der aktuelle Wert von I_q zugewiesen. Das innere Drehmoment der elektrischen Maschine Ms wird nun in Block 88 berechnet gemäß M_s = 3·p·I_q·(p_sim + (L_d – L_q)·I_d,min), wobei sich die innere mechanische Leistung P_mech ergibt zu P_mech = M_s·w_s. Die Kupferverluste P_cu ergeben sich zu P_cu = (I_d,min ² + I_q ²)·Rs·3, und die elektrische Leistung wird nun zu P_el = P_mech + P_cu berechnet. Der zu dieser elektrischen Leistung und der verfügbaren Gleichspannung U_bat korrespondierende Strom I_bat,test wird berechnet gemäß I_bat,test = P_el·U_bat,inv.
In einer Entscheidung 102 wird nun getestet, ob wenigstens eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist:

• abs(M_s) > abs(M_soll)
• I_bat,test > I_bat,max
• I_bat,test < I_bat,min

Dabei bezeichnet die Funktion abs() die Bildung des Absolutbetrages des in Klammern stehenden Wertes. Die Überprüfung in Entscheidung 102 kann beispielsweise derart durchgeführt werden, dass die oben genannten drei Bedingungen mit einem logischen ODER verknüpft werden und der daraus entstandene Ausdruck dahingehend ausgewertet wird, ob er – im boolschen Sinne – „wahr“ oder „falsch“ ist. Ergibt die Auswertung des Ausdruckes „wahr“, wird in einem Block 106 der Wert von I_q um den Wert I_q,step vermindert. Andernfalls wird in einem Block 110 der Wert von I_q um den Wert I_q,step erhöht. In beiden Fällen wird in einer Entscheidung 114 überprüft, ob gilt abs(I_q) > abs(I_q,soll), d. h. ob der Wert von I_q größer ist als dessen Sollwert. Ist dies der Fall, wird in einem Block 120 break_iq auf den Wert eins gesetzt.
In einer Entscheidung 124 wird schließlich überprüft, ob das Vorzeichen des Produktes von I_q mit I_q,step kleiner als Null ist. Ist dies der Fall, wird in einem Block 128 break_iq auf den Wert eins gesetzt.
Die Verfahrensschritte, die in einem abschließenden Block 134 durchgeführt werden, werden nach Ende der beiden Iterationen über I_q und I_d durchgeführt. Die Iterationen wurden entweder beendet, weil die jeweils maximale Anzahl an Iterationen erreicht war, oder weil die Flags break_iq bzw. break_id auf eins, also einen von Null verschiedenen Wert, gesetzt wurden.
Der Variable I_d wird der Wert von I_d,hold, der Variable I_q der Wert von I_q,hold zugewiesen. Wie bereits in Block 36 werden nun die Spannungen berechnet gemäß U_rd = I_d·R_s U_rq = I_q·R_s U_ld = w_s·L_q·I_q·p U_lq = w_s·L_d·I_d·p U_q = U_emk + U_rq + U_lq U_d = U_rd – U_ld
Die Ströme I_q, I_d können nun in der Motoransteuerung verwendet werden, um den gewünschten optimierten Betriebspunkt des Motors einzustellen. Das beschriebene Verfahren wird vorteilhafterweise immer dann durchgeführt, wenn eine neue Anforderung für ein gewünschtes Drehmoment erfolgt.
Ein Verfahren in einer zweiten bevorzugten Ausführung für Motoren ohne Reluktanzmoment wird im Folgenden anhand der gleichen Figur erläutert. Dabei werden im Wesentlichen die Unterschiede zu dem oben beschriebenen Verfahren aufgezeigt. Der Ablauf des Verfahrens (im Sinne des zugehörigen Struktogramms) für Motoren ohne Reluktanzmoment stimmt mit der Ausführung für Motoren mit Reluktanzmoment überein. Unterschiede ergeben sich im Wesentlichen dadurch, dass nun keine Reluktanzterme mehr auftreten, was an einigen Stellen zu Vereinfachungen des Verfahrens führt.
In Block 20 wird zur Berechnung von I_d,step und I_d nicht die Größe I_d,minimal berechnet. Vielmehr werden I_d,step der Wert –I_max und I_d der Wert I_d,step·0.5 zugewiesen.
Die mechanische Leistung P_mech in Block 48 wird nun berechnet gemäß P_mech = 3·p·I_q·p_sim·w_s. Der zu (L_d – L_q) proportionale Beitrag fehlt hier, da die Induktivitäten Ld und Lq bei dem betrachteten Motor ohne Reluktanzmoment gleich groß sind.
Auch bei der Berechnungen des Gradienten grad in Block 44 verschwindet der zu (L_d – L_q) proportionale Term, so dass grad nun berechnet wird gemäß grad = (I_d·(R_s ² + (w_s·L_d·p)²) + w_s·p·(L_d·U_emk)). Eine weitere Änderung ergibt sich in Block 88 bei der Berechnung des inneren Drehmomentes; dieses ist im reluktanzfreien Fall gegeben durch M_s = 3·p·I_q·p_sim.
Bezugszeichenliste

2: Block
6: Entscheidung
8: Block
12: Block
16: Block
20: Block
24: Block
28: Entscheidung
32: Block
26: Block
40: Entscheidung
42: Block
44: Block
46: Block
48: Block
52: Entscheidung
56: Block
58: Entscheidung
62: Block
66: Entscheidung
70: Block
74: Block
78: Entscheidung
82: Block
86: Entscheidung
88: Block
90: Block
94: Entscheidung
98: Block
102: Entscheidung
106: Block
110: Block
114: Entscheidung
120: Block
124: Entscheidung
128: Block
134: Block

Claims

Verfahren zum Betreiben einer permanenterregten Synchronmaschine, bei dem in einem rotorfesten Koordinatensystem ein drehmomentbildender Strom (I_q) und ein magnetfeldschwächender Strom (I_d) geregelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zu einem vorgegebenen Drehmomentwunsch ein Betriebspunkt der Synchronmaschine mit einem zugehörigen Wert des drehmomentbildenden Stromes (I_q) bestimmt wird, in dem der magnetfeldschwächende Strom (I_d) einen möglichst geringen Wert hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wert des magnetfeldschwächenden Stromes (I_d) iterativ bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Wert des drehmomentbildenden Stromes (I_q) iterativ bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zu ermittelten Werten für den drehmomentbildenden (I_q) und den magnetfeldschwächenden Strom (I_d) eine resultierende elektrische Leistung (P_el) berechnet wird, und wobei mit Hilfe dieser Leistung (P_el) und der verfügbaren Batteriespannung (U_bat) ein erforderlicher Strom (I_batt,test) berechnet wird, und wobei der Wert für den magnetfeldschwächenden Strom (I_d) als gültiger Wert zwischengespeichert wird, wenn der erforderliche Strom (I_batt,test) innerhalb vorgegebener Grenzen liegt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei bei der Berechnung der elektrischen Leistung (P_el) eine innere mechanische Leistung (P_mech) und Kupferverluste (P_cu) berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei bei der Berechnung der inneren mechanischen Leistung (P_mech) und einem inneren Drehmoment (M_s) die Reluktanz der Synchronmaschine berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei, wenn ein ermittelter Wert für den magnetfeldschwächenden Strom (I_d) zu einer Überschreitung der verfügbaren Batteriespannung (U_bat) führen würde, ein Gradient von der Veränderung der notwendigen Phasenspannung gebildet wird, und wobei in dem Fall, dass der Gradient größer Null ist, der Wert des magnetfeldschwächenden Stromes (I_d) in der nächsten Iteration vermindert, andernfalls erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Schrittweite für die iterative Bestimmung des magnetfeldschwächenden Stromes (I_d) abhängt von der Differenz zwischen einem minimal möglichen und einem maximal möglichen Wert für den magnetfeldschwächenden Strom (I_d).
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die maximale Anzahl von Iterationen für die Berechnung des magnetfeldschwächenden Stromes zwischen 2 und 20, insbesondere bei 10, liegt.
Vorrichtung zum Betreiben einer permanenterregten Synchronmaschine, bei dem in einem rotorfesten Koordinatensystem einen drehmomentbildenden Strom (I_q) und einen magnetfeldschwächenden Strom (I_d) geregelt werden, mit wenigstens einem software- und/oder hardwaremäßig implementierten Modul zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche.