DE102013226801A1 - Operating point control for the efficiency-optimized operation of asynchronous machines - Google Patents

Operating point control for the efficiency-optimized operation of asynchronous machines Download PDF

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Oliver Wallscheid
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Abstract

Um ein Verfahren zur feldorientierten Regelung einer Asynchronmaschine eines elektrischen Antriebs derart weiter zu verbessern, dass der Wirkungsgrad insbesondere auch im Teillastbetrieb der Asynchronmaschine erhöht werden kann, wird vorgeschlagen, eine Arbeitspunktsteuerung zur Ermittlung eines Arbeitspunktes für eine wirkungsgradoptimierte Erregung eines Rotorflusses der Asynchronmaschine vorzusehen, wobei der Rotorfluss im Teillastbetrieb der Asynchronmaschine abgesenkt wird.In order to further improve a method for field-oriented control of an asynchronous machine of an electric drive such that the efficiency can be increased especially in partial load operation of the asynchronous machine, it is proposed to provide an operating point control for determining an operating point for an efficiency-optimized excitation of a rotor flux of the asynchronous machine Rotor flow is lowered in part load operation of the asynchronous machine.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur feldorientierten Regelung einer Asynchronmaschine eines elektrischen Antriebs, beispielsweise eines elektrischen Antriebs für ein Kraftfahrzeug. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen elektrischen Antrieb sowie ein Kraftfahrzeug, wobei der elektrische Antrieb eine feldorientierte Regelung aufweist. The invention relates to a method for field-oriented control of an asynchronous machine of an electric drive, for example an electric drive for a motor vehicle. Furthermore, the invention relates to an electric drive and a motor vehicle, wherein the electric drive has a field-oriented control.

Elektrisch angetriebene Fahrzeuge weisen entweder ausschließlich einen elektrischen Antrieb auf oder eine Kombination aus Verbrennungsmotor und elektrischem Antrieb (Hybridantrieb). Electrically powered vehicles have either exclusively an electric drive or a combination of internal combustion engine and electric drive (hybrid drive).

Elektrische Energiespeicher, beispielsweise basierend auf Lithium-Ionen-Batterien, weisen im Vergleich zu fossilen Brennstoffen eine geringe Energie- und Leistungsdichte auf. Bei der Entwicklung von Fahrzeugen, beispielsweise Kraftfahrzeugen, ist es ein Bestreben, das Gewicht des Fahrzeuges möglichst gering zu halten. Des Weiteren ist der verfügbare Platz im Fahrzeug für elektrische Energiespeicher begrenzt. Electrical energy storage, for example based on lithium-ion batteries, have a low energy and power density compared to fossil fuels. In the development of vehicles, such as motor vehicles, it is an effort to keep the weight of the vehicle as low as possible. Furthermore, the available space in the vehicle for electrical energy storage is limited.

Bei der Entwicklung von elektrischen Antrieben für Fahrzeuge besteht somit eine wichtige Anforderung darin, einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen, damit die in den elektrischen Energiespeichern gespeicherte Energie optimal ausgenutzt werden kann. In the development of electric drives for vehicles thus an important requirement is to achieve the highest possible efficiency, so that the stored energy in the electrical energy storage can be optimally utilized.

Elektrische Antriebe für Fahrzeuge basieren beispielsweise auf Synchronmaschinen oder Asynchronmaschinen. Für die Steuerung und Regelung von Synchronmaschinen und Asynchronmaschinen sind im Stand der Technik unterschiedliche Verfahren bekannt. Electric drives for vehicles are based, for example, on synchronous machines or asynchronous machines. For the control and regulation of synchronous machines and asynchronous machines, different methods are known in the prior art.

Als Steuerungsverfahren für Synchronmaschinen oder Asynchronmaschinen ist beispielsweise eine kennlinienbasierte Steuerung, oder auch U/f-Steuerung genannt, bekannt. Als Eingangsgröße für eine kennlinienbasierte Steuerung dient üblicherweise die Frequenz und/oder Drehzahl. Als Ausgangsgrößen liefert eine kennlinienbasierte Steuerung üblicherweise die Statorspannungen, beziehungsweise mittels einer Pulsweitenmodulation (PWM) aus diesen Statorspannungen generierte Schaltsignale für einen Umrichter zur Versorgung der Maschine. As a control method for synchronous machines or asynchronous machines, for example, a characteristic-based control, or called U / f control, known. The input variable for a characteristic-based control is usually the frequency and / or speed. As output variables, a characteristic-based control usually supplies the stator voltages, or switching signals generated by means of a pulse width modulation (PWM) from these stator voltages for a converter for supplying the machine.

Mittels einer feldorientierten Regelung kann eine sehr schnelle und präzise Einstellung des erforderlichen Moments oder der Drehzahl erreicht werden. Dabei kann der Fluss unabhängig vom Moment eingestellt werden. By means of a field-oriented control, a very fast and precise adjustment of the required torque or speed can be achieved. The flow can be set independently of the moment.

Stand der Technik State of the art

Aus der DE 2 233 848 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung eines Antriebs mit einer elektrischen Maschine bekannt. Das Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine basiert auf einem Funktionsgenerator, welcher feste Beziehungen von Ständerfrequenzen und Läuferfrequenzen liefert. From the DE 2 233 848 For example, a method and a device for controlling a drive with an electric machine are known. The method of controlling an electric machine is based on a function generator which provides fixed relationships of stator frequencies and rotor frequencies.

Aus der DE 10 2010 021 488 A1 ist ein Verfahren zur (Kupfer-) verlustoptimalen Regelung einer Asynchronmaschine mit einem Frequenzumrichter bekannt. Dieses Verfahren basiert auf einer kennlinienbasierten Steuerung. From the DE 10 2010 021 488 A1 is a method for (copper) loss optimal control of an asynchronous machine with a frequency converter known. This method is based on a characteristic-based control.

Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile DESCRIPTION OF THE INVENTION: Problem, Solution, Advantages

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren für eine Regelung einer Asynchronmaschine eines elektrischen Antriebs bereitzustellen, wobei der Wirkungsgrad des elektrischen Antriebs im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren erhöht beziehungsweise optimiert wird und insbesondere der Wirkungsgrad auch im Teillastbetrieb des Antriebs erhöht wird. Ferner ist es die Aufgabe dieser Erfindung, einen elektrischen Antrieb sowie ein Kraftfahrzeug mit einer wirkungsgradoptimierten Regelung einer Asynchronmaschine für den elektrischen Antrieb bereitzustellen. The object of the present invention is to provide a method for controlling an asynchronous machine of an electric drive, wherein the efficiency of the electric drive is increased or optimized in comparison to known from the prior art method and in particular the efficiency is increased even in partial load operation of the drive , Furthermore, it is the object of this invention to provide an electric drive and a motor vehicle with an efficiency-optimized control of an asynchronous machine for the electric drive.

Erfindungsgemäß wird hierfür ein Verfahren zur feldorientierten Regelung einer Asynchronmaschine eines elektrischen Antriebs vorgeschlagen, wobei das Verfahren zur feldorientierten Regelung eine Rotorflussregelung und eine Drehmomentsteuerung aufweist. Des Weiteren weist das erfindungsgemäße Verfahren zur feldorientierten Regelung eine Arbeitspunktsteuerung zur Ermittlung eines Arbeitspunktes für eine wirkungsgradoptimierte Erregung eines Rotorflusses der Asynchronmaschine auf, wobei der Rotorfluss im Teillastbetrieb der Asynchronmaschine abgesenkt wird. According to the invention, a method for field-oriented control of an asynchronous machine of an electric drive is proposed for this purpose, the method for field-oriented control having a rotor flux control and a torque control. Furthermore, the method according to the invention for field-oriented control has an operating point control for determining an operating point for an efficiency-optimized excitation of a rotor flux of the asynchronous machine, wherein the rotor flux is lowered in the partial load operation of the asynchronous machine.

Das Verfahren zur feldorientierten Regelung einer Asynchronmaschine eines elektrischen Antriebs kann dabei für jede Art von Fahrzeug vorgesehen sein. Bevorzugterweise ist das Regelungsverfahren für eine Asynchronmaschine des elektrischen Antriebs eines Kraftfahrzeuges (KFZ) vorgesehen. Unter einem Kraftfahrzeug ist im Sinne dieser Erfindung ein Motorfahrzeug, beziehungsweise ein durch Motorkraft angetriebenes, nicht an Schienen gebundenes, Landfahrzeug zu verstehen. Beispielsweise kann es sich hierbei um zwei-, drei- oder vierrädrige Leichtkraftfahrzeuge handeln. Des Weiteren kann es sich um Personenkraftwagen (PKW), Omnibusse, Lastkraftwagen oder Zugmaschinen handeln. Des Weiteren kann es sich im Sinne dieser Erfindung um rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge oder auch Hybridfahrzeuge, wobei ein elektrischer Antrieb zusätzlich zu einem Verbrennungsmotor vorgesehen ist, handeln. The method for field-oriented control of an asynchronous machine of an electric drive can be provided for each type of vehicle. Preferably, the control method for an asynchronous machine of the electric drive of a motor vehicle (motor vehicle) is provided. For the purposes of this invention, a motor vehicle is a motor vehicle, or a motor vehicle driven by motor power and not bound to rails, to be understood as a land vehicle. For example, these may be two-, three- or four-wheeled light motor vehicles. Furthermore, it may be passenger cars (cars), buses, trucks or tractors. Furthermore, it may be within the meaning of this invention to electrically driven vehicles or hybrid vehicles, wherein an electric drive is provided in addition to an internal combustion engine, act.

Unter einem elektrischen Antrieb ist im Sinne dieser Erfindung die Kombination einer elektrischen Maschine, beispielsweise einer Asynchronmaschine, einem speisenden Umrichter (Leistungselektronik), der Steuerung, beziehungsweise Regelung, sowie der notwendigen Sensorik zur Messung oder Ermittlung unterschiedlicher Werte, beispielsweise Strom, Spannung, Drehzahl, zu verstehen. Die elektrische Energieversorgung, beispielsweise Batterie, zur Versorgung des elektrischen Antriebs ist im Sinne dieser Erfindung nicht Bestandteil des elektrischen Antriebs. Under an electric drive is in the context of this invention, the combination of an electrical machine, such as an asynchronous machine, a feeding converter (power electronics), the control or regulation, and the necessary sensors for measuring or determining different values, such as current, voltage, speed, to understand. The electrical power supply, such as battery, to supply the electric drive is not part of the electric drive in the context of this invention.

Unter einer feldorientierten Regelung ist ein Regelungsverfahren zu verstehen, bei dem sinusförmige, beziehungsweise als weitgehend sinusförmig angenommene Wechselgrößen, wie beispielsweise Wechselspannungen und Wechselströme, jeweils in ein mit der Frequenz der Wechselgrößen rotierendes Koordinatensystem übertragen werden. Innerhalb des rotierenden Koordinatensystems ergeben sich dann aus den Wechselgrößen Gleichgrößen, auf die alle üblichen Verfahren der Regelungstechnik angewandt werden können. Mittels einer feldorientierten Regelung einer Asynchronmaschine eines elektrischen Antriebs wird mit einem Frequenzumrichter für den Elektromotor eine erweiterte Drehzahl- und Positioniergenauigkeit gegenüber Regelungen, die lediglich durch einen Tiefpass gefilterte Effektivwerte von Strömen und Spannungen verwenden, erreicht. A field-oriented control is to be understood as a control method in which sinusoidal alternating variables or, respectively, largely sinusoidal alternating variables, such as alternating voltages and alternating currents, are each transmitted to a coordinate system rotating with the frequency of the alternating variables. Within the rotating coordinate system, variables then result from the alternating variables, to which all conventional methods of control engineering can be applied. By means of a field-oriented control of an asynchronous machine of an electric drive is achieved with a frequency converter for the electric motor extended speed and positioning accuracy over regulations that use only by a low-pass filtered RMS values of currents and voltages.

Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass mittels der Arbeitspunktsteuerung der feldorientierten Regelung eine wirkungsgradoptimierte Erregung des Rotorflusses im Teillastbetrieb der Asynchronmaschine erreicht wird. Die Rotorflussregelung und Drehmomentsteuerung der feldorientierten Regelung sind der Arbeitspunktsteuerung bevorzugterweise unterlagert angeordnet. Der oder die Ausgänge der Arbeitspunktsteuerung entsprechen dem von der Arbeitssteuerung ermitteltem Arbeitspunkt. Dabei kann der von der Arbeitspunktsteuerung ermittelte Arbeitspunkt auch mehrere Werte, beispielsweise Kombinationen von unterschiedlichen Werten, aufweisen. Beispielsweise kann der Arbeitspunkt eine Kombination aus Drehmoment und Rotorfluss sein. Des Weiteren ist bevorzugterweise vorgesehen, dass der durch die Arbeitspunktsteuerung ermittelte Arbeitspunkt, ganz besonders bevorzugterweise das Drehmoment und der Rotorfluss, als Eingangsparameter für die Drehmomentsteuerung und Rotorflussregelung der feldorientierten Regelung übergeben werden. Preferably, it is provided that an efficiency-optimized excitation of the rotor flux in the partial load operation of the asynchronous machine is achieved by means of the operating point control of the field-oriented control. The rotor flux control and torque control of the field-oriented control are preferably arranged in a subordinate manner to the operating point control. The one or more outputs of the operating point control correspond to the operating point determined by the work control. In this case, the operating point determined by the operating point control can also have a plurality of values, for example combinations of different values. For example, the operating point may be a combination of torque and rotor flux. Furthermore, it is preferably provided that the working point determined by the operating point control, very particularly preferably the torque and the rotor flux, are transferred to the field-oriented control as input parameters for the torque control and rotor flux control.

Bevorzugterweise weist die Arbeitspunktsteuerung einen ersten Eingangsparameter auf. Der erste Eingangsparameter weist einen maximal zulässigen Rotorfluss auf. Ganz besonders bevorzugterweise entspricht der erste Eingangsparameter dem maximal zulässigen Rotorfluss. Dabei kann der maximal zulässige Rotorfluss mittels eines der Arbeitspunktsteuerung überlagerten Spannungsreglers der feldorientierten Regelung ermittelt werden. Beispielsweise wird der maximal zulässige Rotorfluss während des Betriebs, das heißt online, basierend auf einer Zwischenkreisspannung und Kreisfrequenz berechnet. Preferably, the operating point control has a first input parameter. The first input parameter has a maximum allowable rotor flux. Most preferably, the first input parameter corresponds to the maximum allowable rotor flux. In this case, the maximum permissible rotor flux can be determined by means of a voltage controller of the field-oriented control superimposed on the operating point control. For example, the maximum allowable rotor flux during operation, that is online, calculated based on a DC link voltage and angular frequency.

Ferner weist die Arbeitspunktsteuerung bevorzugterweise einen zweiten Eingangsparameter auf, wobei der zweite Eingangsparameter ein Solldrehmoment aufweist. Ganz besonders bevorzugterweise entspricht der zweite Eingangsparameter einem Solldrehmoment. Furthermore, the operating point control preferably has a second input parameter, wherein the second input parameter has a setpoint torque. Most preferably, the second input parameter corresponds to a target torque.

Des Weiteren ist für das Verfahren zur feldorientierten Regelung vorgesehen, dass für das der Arbeitspunktsteuerung als zweiter Eingangsparameter vorgegebene Solldrehmoment ein wirkungsgradoptimierter Rotorfluss ermittelt wird. Dabei wird für das Solldrehmoment, basierend auf einer vorgegebenen Zuordnung, ein wirkungsgradoptimierter Rotorfluss ermittelt. Bei der vorgegebenen Zuordnung kann es sich beispielsweise um eine erste Kennlinie handeln. Die Werte für die erste Kennlinie sind bevorzugterweise offline ermittelt worden. Dabei können die Werte der ersten Kennlinie beispielsweise in Form einer Tabelle in einem Speicher abgelegt sein. Die erste Kennlinie stellt eine Zuordnung eines Wertes für einen wirkungsgradoptimierten Rotorfluss für jedes vorgesehene Solldrehmoment dar. Somit wird, basierend auf dem Solldrehmoment, aufgrund der vorgegebenen Zuordnung, ein wirkungsgradoptimierter Rotorfluss aus der ersten Kennlinie ermittelt. Furthermore, it is provided for the method for field-oriented regulation that an efficiency-optimized rotor flux is determined for the setpoint torque specified as the second input parameter to the operating point control. In this case, an efficiency-optimized rotor flux is determined for the target torque, based on a predetermined assignment. The given assignment may be, for example, a first characteristic curve. The values for the first characteristic curve have preferably been determined offline. In this case, the values of the first characteristic curve can be stored in a memory, for example in the form of a table. The first characteristic curve represents an assignment of a value for an efficiency-optimized rotor flux for each intended setpoint torque. Thus, based on the setpoint torque, based on the predetermined assignment, an efficiency-optimized rotor flux is determined from the first characteristic curve.

Für das Verfahren zur feldorientierten Regelung ist ferner bevorzugterweise ein Vergleicher vorgesehen, mittels welchem der maximal zulässige Rotorfluss, welcher als erster Eingangsparameter der Arbeitspunktsteuerung übergeben wird, mit dem wirkungsgradoptimierten Rotorfluss verglichen wird. Somit ist für das feldorientierte Regelungsverfahren vorgesehen, dass der wirkungsgradoptimierte Rotorfluss mit dem maximal zulässigen Rotorfluss verglichen wird. Basierend auf diesem Vergleichswert wird bevorzugterweise ein Rotorflusssollwert ermittelt. Der Rotorflusssollwert entspricht dabei dem kleineren Wert aus dem wirkungsgradoptimierten Rotorfluss und dem maximal zulässigen Rotorfluss. Somit entspricht der Rotorflusssollwert dem wirkungsgradoptimierten Rotorfluss, falls der wirkungsgradoptimierte Rotorfluss kleiner als der maximal zulässige Rotorfluss ist. Des Weiteren entspricht der Rotorflusssollwert dem maximal zulässigen Rotorfluss, falls der maximal zulässige Rotorfluss kleiner als der wirkungsgradoptimierte Rotorfluss ist, beziehungsweise der wirkungsgradoptimierte Rotorfluss den maximal zulässigen Rotorfluss übersteigt. For the method for field-oriented control, a comparator is furthermore preferably provided by means of which the maximum permissible rotor flux, which is transmitted as the first input parameter of the operating point control, is compared with the efficiency-optimized rotor flux. Thus, it is provided for the field-oriented control method that the efficiency-optimized rotor flux is compared with the maximum allowable rotor flux. Based on this comparison value, a rotor flux setpoint is preferably determined. The rotor flux setpoint corresponds to the smaller value from the efficiency-optimized rotor flux and the maximum permissible rotor flux. Thus, the rotor flux set point corresponds to the efficiency-optimized rotor flux if the efficiency-optimized rotor flux is smaller than the maximum allowable rotor flux. Furthermore, the nominal rotor flux value corresponds to the maximum permissible rotor flux, if the maximum permissible rotor flux is smaller than the efficiency-optimized rotor flux, or if the efficiency-optimized rotor flux exceeds the maximum permissible rotor flux.

Somit ist bevorzugterweise vorgesehen, dass der elektrische Antrieb im Ankerstellbetrieb betrieben wird, falls der wirkungsgradoptimierte Rotorfluss kleiner als der maximal zulässige Rotorfluss ist. Des weiteren ist bevorzugterweise vorgesehen, dass der elektrische Antrieb im Flussschwächbereich betrieben wird, falls der wirkungsgradoptimierte Rotorfluss den maximal zulässigen Rotorfluss übersteigt, beziehungsweise der wirkungsgradoptimierte Rotorfluss größer als der maximal zulässige Rotorfluss ist. Bei dem Ankerstellbereich und dem Flussschwächbereich handelt es sich um unterschiedliche Betriebsbereiche der Asynchronmaschine. Im Ankerstellbereich wird das Solldrehmoment in dem zugehörigen Arbeitspunkt auf dem mit der Stromgrenze konformen Teil der ersten Kennlinie gestellt. Voraussetzung für einen Betrieb im Ankerstellbereich ist, dass der Spannungsbedarf des zu dem Solldrehmoment gehörigen Arbeitspunkt auf der ersten Kennlinie die maximal zulässige Spannung nicht übersteigt. Um weiterhin große Drehmomentbeträge bei steigender Drehzahl stellen zu können, ist ein Betrieb im Flussschwächbereich nötig. Dabei wird der Antrieb an einer Spannungsgrenze betrieben. Unter dem Flussschwächbereich ist sowohl der untere Flussschwächbereich sowie auch der obere Flussschwächbereich zu verstehen. Thus, it is preferably provided that the electric drive is operated in armature adjustment mode, if the efficiency-optimized rotor flux is smaller than the maximum allowable rotor flux. Furthermore, it is preferably provided that the electric drive is operated in the Flußschwächbereich if the efficiency-optimized rotor flux exceeds the maximum allowable rotor flux, or the efficiency-optimized rotor flux is greater than the maximum allowable rotor flux. The armature adjustment region and the flux weakening region are different operating ranges of the asynchronous machine. In the armature control range, the setpoint torque is set in the associated operating point on the part of the first characteristic curve that conforms to the current limit. The prerequisite for operation in the armature adjustment range is that the voltage requirement of the operating point belonging to the setpoint torque on the first characteristic curve does not exceed the maximum permissible voltage. In order to continue to be able to set large amounts of torque with increasing speed, operation in the flux weakening range is necessary. The drive is operated at a voltage limit. Under the Flussschwächbereich is both the lower Flußschwächbereich and the upper Flußschwächbereich to understand.

Für den Rotorflusssollwert wird bevorzugterweise ein maximal stellbarer Drehmomentwert ermittelt. Dabei wird für den Rotorflusssollwert der maximal stellbare Drehmomentwert, basierend auf einer vorgegebenen Zuordnung, beispielsweise einer zweiten Kennlinie, ermittelt. Die Werte für die zweite Kennlinie sind bevorzugterweise offline ermittelt worden. Dabei können die Werte für die zweite Kennlinie ebenfalls in Form einer Tabelle in einem Speicher abgelegt sein. Die zweite Kennlinie stellt eine Zuordnung eines maximal stellbaren Drehmomentwerts für jeden vorgesehenen Rotorflusswert dar. A maximum adjustable torque value is preferably determined for the rotor flux setpoint. In this case, the maximum adjustable torque value, based on a predetermined assignment, for example, a second characteristic curve, is determined for the rotor flux target value. The values for the second characteristic curve have preferably been determined offline. The values for the second characteristic can also be stored in the form of a table in a memory. The second characteristic curve represents an assignment of a maximum adjustable torque value for each intended rotor flux value.

Für das Solldrehmoment wird bevorzugterweise ein begrenztes Solldrehmoment ermittelt, wobei das begrenzte Solldrehmoment auf den maximal einstellbaren Drehmomentwert limitiert wird. Somit ist bevorzugterweise vorgesehen, dass das begrenzte Solldrehmoment dem Solldrehmoment entspricht, aber den maximal einstellbaren Drehmomentwert nicht übersteigt. For the target torque, a limited setpoint torque is preferably determined, wherein the limited setpoint torque is limited to the maximum adjustable torque value. Thus, it is preferably provided that the limited setpoint torque corresponds to the setpoint torque, but does not exceed the maximum adjustable torque value.

Der durch die Arbeitspunktsteuerung ermittelte Arbeitspunkt weist bevorzugterweise den Rotorflusssollwert und das begrenzte Solldrehmoment auf. Somit ist bevorzugterweise vorgesehen, dass der durch die Arbeitspunktsteuerung ermittelte Arbeitspunkt einer Kombination von Rotorflusssollwert und begrenztem Solldrehmoment entspricht. Der durch die Arbeitspunktsteuerung ermittelte Arbeitspunkt, beziehungsweise die Kombination aus Rotorflusssollwert und begrenztem Solldrehmoment, werden den der Arbeitspunktsteuerung unterlagerten Rotorflussregelung und Drehmomentsteuerung als Eingangsparameter übergeben. The operating point determined by the operating point control preferably has the rotor flux setpoint and the limited setpoint torque. Thus, it is preferably provided that the operating point determined by the operating point control corresponds to a combination of rotor flux setpoint and limited setpoint torque. The operating point determined by the operating point control, or the combination of rotor flux setpoint and limited setpoint torque, is transferred to the operating point control of subordinate rotor flux control and torque control as input parameters.

Des Weiteren wird erfindungsgemäß ein elektrischer Antrieb vorgeschlagen, wobei der elektrische Antrieb eine Asynchronmaschine aufweist und der elektrische Antrieb ferner eine Regelung zur feldorientierten Regelung der Asynchronmaschine gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren aufweist. Dabei ist der elektrische Antrieb bevorzugterweise für ein Kraftfahrzeug vorgesehen. Furthermore, an electric drive is proposed according to the invention, the electric drive having an asynchronous machine and the electric drive also having a control for field-oriented control of the asynchronous machine according to the method described above. In this case, the electric drive is preferably provided for a motor vehicle.

Ferner wird erfindungsgemäß ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antrieb vorgeschlagen, welcher eine Regelung zur feldorientierten Regelung der Asynchronmaschine gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren aufweist. Dabei kann es sich um ein Kraftfahrzeug mit ausschließlich elektrischem Antrieb oder Hybridantrieb, nämlich einer Kombination aus elektrischem Antrieb und Verbrennungsmotor, handeln. Further, the invention proposes a motor vehicle with an electric drive, which has a control for field-oriented control of the asynchronous machine according to the method described above. It may be a motor vehicle with only electric drive or hybrid drive, namely a combination of electric drive and internal combustion engine, act.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Es zeigen: Show it:

1 ein Kraftfahrzeug mit elektrischem Antrieb, 1 a motor vehicle with electric drive,

2 ein Blockschaltbild eines elektrischen Antriebs, 2 a block diagram of an electric drive,

3 ein Blockschaltbild einer feldorientierten Regelung für eine Asynchronmaschine, und 3 a block diagram of a field-oriented control for an induction machine, and

4 ein Blockschaltbild einer Arbeitspunktsteuerung für eine feldorientierte Regelung einer Asynchronmaschine. 4 a block diagram of an operating point control for a field-oriented control of an asynchronous machine.

In 1 ist ein Kraftfahrzeug 300, nämlich ein PKW, mit einem elektrischen Antrieb 200 dargestellt. Der elektrische Antrieb 200 basiert auf einem Motor 30, welcher als Asynchronmaschine 201 ausgebildet ist. Für die elektrische Versorgung 33 des elektrischen Antriebs 200 ist eine im Kraftfahrzeug 300 angeordneten Batterie vorgesehen. In 1 is a motor vehicle 300 , namely a car, with an electric drive 200 shown. The electric drive 200 based on a motor 30 , which as an asynchronous machine 201 is trained. For the electrical supply 33 of the electric drive 200 is one in the motor vehicle 300 arranged battery provided.

2 zeigt ein Blockschaltbild mit den wesentlichen Komponenten eines elektrischen Antriebs 200. Dabei basiert der elektrische Antrieb 200 auf einem Motor 30, welcher als Asynchronmaschine 201 ausgebildet ist. Der als Asynchronmaschine 201 ausgebildete Motor ist über eine Leistungselektronik 32 mit der elektrischen Versorgung 33 verbunden. Die Asynchronmaschine 201 treibt eine mechanische Last 31 an. Die elektrische Versorgung 33 ist im Kraftfahrzeug 300 angeordnet, ist aber nicht dem elektrischen Antrieb zugeordnet. 2 shows a block diagram with the essential components of an electric drive 200 , This is based on the electric drive 200 on a motor 30 , which as an asynchronous machine 201 is trained. The as an asynchronous machine 201 Trained engine is powered by a power electronics 32 with the electrical supply 33 connected. The asynchronous machine 201 drives a mechanical load 31 at. The electrical supply 33 is in the vehicle 300 arranged, but is not assigned to the electric drive.

Für die Steuerung, beziehungsweise Regelung, des elektrischen Antriebs 200 ist eine feldorientierte Regelung 100 vorgesehen. In der elektrischen Leitung zwischen der Leistungselektronik 32 und der Asynchronmaschine 201 ist ein elektrischer Messwandler 36 zur Ermittlung von Strom vorgesehen. Die durch den elektrischen Messwandler 36 ermittelten Messwerte 37 werden der feldorientierten Regelung 100 übergeben. Im Bereich des Anschlusses der mechanischen Last 31 an der Asynchronmaschine 201 ist ein mechanischer Messwandler 35 zur Ermittlung der Rotorposition und der Drehzahl vorgesehen. Die durch den mechanischen Messwandler 35 ermittelten Messwerte 37 werden der feldorientierten Regelung 100 übergeben. Als weitere Eingangsparameter für die feldorientierte Regelung 100 werden dieser Regelung 100 Vorgabewerte in Form von Sollwerten 39 übergeben. Eine übergeordnete Leittechnik 34, welche nicht Teil des elektrischen Antriebs 200 ist, empfängt von der feldorientierten Regelung 100 Rückmeldungen 40. Des Weiteren wird die Leistungselektronik 32 mittels Steuersignal 38 durch die feldorientierte Regelung 100 gesteuert, beziehungsweise geregelt. For the control or regulation of the electric drive 200 is a field-oriented regulation 100 intended. In the electrical line between the power electronics 32 and the asynchronous machine 201 is an electrical transducer 36 intended for the determination of electricity. The through the electrical transducer 36 determined measured values 37 become the field-oriented regulation 100 to hand over. In the area of the connection of the mechanical load 31 at the asynchronous machine 201 is a mechanical transducer 35 provided for determining the rotor position and the speed. The through the mechanical transducer 35 determined measured values 37 become the field-oriented regulation 100 to hand over. As further input parameters for field-oriented regulation 100 become this regulation 100 Default values in the form of setpoints 39 to hand over. A higher-level control technology 34 which are not part of the electric drive 200 is, receives from the field-oriented control 100 feedback 40 , Furthermore, the power electronics 32 by means of a control signal 38 through the field-oriented regulation 100 controlled or regulated.

3 zeigt eine rotorflussorientierte Regelungsstruktur beziehungsweise eine feldorientierte Regelung 100, für eine Asynchronmaschine 201. Die feldorientierte Regelung 100 weist dabei eine Arbeitspunktsteuerung 12 auf. Mittels der Arbeitspunktsteuerung 12 wird ein Arbeitspunkt für eine wirkungsgradoptimierte Erregung eines Rotorflusses der Asynchronmaschine 201 ermittelt. Der durch die Arbeitspunktsteuerung 12 ermittelte Arbeitspunkt besteht dabei aus einer Kombination von Drehmoment und Rotorfluss. Insbesondere wird durch die Arbeitspunktsteuerung 12 ein Rotorflusssollwert 20 ermittelt, welcher einem der Arbeitspunktsteuerung 12 unterlagertem Rotorflussregler 10 der feldorientierten Regelung 100 als Eingangsparameter übergeben wird. Des Weiteren wird durch die Arbeitspunktsteuerung 12 ein begrenztes Solldrehmoment 22 ermittelt, welches einer der Arbeitspunktsteuerung 12 unterlagerten Drehmomentsteuerung 11 der feldorientierten Regelung 100 als Eingangsparameter übergeben wird. 3 shows a rotor flux-oriented control structure or a field-oriented control 100 , for an asynchronous machine 201 , The field-oriented regulation 100 has an operating point control 12 on. By means of the operating point control 12 becomes an operating point for an efficiency-optimized excitation of a rotor flux of the asynchronous machine 201 determined. The through the operating point control 12 determined operating point consists of a combination of torque and rotor flux. In particular, by the operating point control 12 a rotor flux setpoint 20 determines which one of the operating point control 12 subordinate rotor flux controller 10 the field-oriented regulation 100 is transferred as input parameter. Furthermore, by the operating point control 12 a limited setpoint torque 22 determines which one of the operating point control 12 subordinate torque control 11 the field-oriented regulation 100 is transferred as input parameter.

Des Weiteren weist die feldorientierte Regelung 100 einen Stromregler 24, ein Modul zur Schätzung 25 der Rotorlage sowie einen ersten Wandler 26 und einen zweiten Wandler 27 auf. Die beiden Wandler 26, 27 dienen der Wandlung der durch die feldorientierten Regelung 100 generierten Rotorkoordinaten 28 in Ständerkoordinaten 29. Furthermore, the field-oriented regulation 100 a current regulator 24 , a module for estimation 25 the rotor position and a first converter 26 and a second converter 27 on. The two converters 26 . 27 serve the conversion of the field-oriented regulation 100 generated rotor coordinates 28 in stand coordinates 29 ,

Mittels eines Spannungsregler 23 wird, basierend auf dem Verlauf der Differenz zwischen Ist- und Sollspannung, ein maximal zulässiger Rotorfluss 15 ermittelt, welcher als erster Eingangsparameter 13 an die Arbeitspunktsteuerung 12 übergeben wird. Auf Basis der Zwischenkreisspannung und Kreisfrequenz wird ein Fluss, welcher am Ausgang des Spannungsreglers 23 vorgesteuert wird, berechnet. Als zweiter Eingangsparameter 14 der Arbeitspunktsteuerung 12 wird ein Solldrehmoment 16 vorgegeben. By means of a voltage regulator 23 is based on the course of the difference between the actual and target voltage, a maximum allowable rotor flux 15 determines which as the first input parameter 13 to the operating point control 12 is handed over. Based on the DC link voltage and the angular frequency, a flux is generated at the output of the voltage regulator 23 pre-controlled, calculated. As a second input parameter 14 the operating point control 12 becomes a target torque 16 specified.

In 4 ist die Arbeitspunktsteuerung 12 der feldorientierten Regelung 100 schematisch dargestellt. Die Arbeitspunktsteuerung 12 basiert dabei auf einer ersten Kennlinie 17 und einer zweiten Kennlinie 18. Die erste Kennlinie 17 gibt den wirkungsgradoptimierten Rotorfluss 19 an, mit dem das Solldrehmoment 16 gestellt wird. Die erste Kennlinie 17 entspricht somit einer vorgegebenen Zuordnung eines wirkungsgradoptimierten Rotorflusses für jedes vorgesehene Solldrehmoment 16. Die zweite Kennlinie 18 gibt den maximal stellbaren Drehmomentwert 21 an, welcher bei einem Rotorflusssollwert 20 gestellt werden kann. Die zweite Kennlinie 18 entspricht somit einer vorgegebenen Zuordnung eines maximal stellbaren Drehmomentwerts 21 für jeden vorgesehenen Rotorflusssollwert. In 4 is the operating point control 12 the field-oriented regulation 100 shown schematically. The operating point control 12 is based on a first characteristic curve 17 and a second characteristic 18 , The first characteristic 17 gives the efficiency-optimized rotor flux 19 on, with which the setpoint torque 16 is provided. The first characteristic 17 thus corresponds to a predetermined assignment of an efficiency-optimized rotor flux for each intended target torque 16 , The second characteristic 18 gives the maximum adjustable torque value 21 which is at a rotor flux setpoint 20 can be made. The second characteristic 18 thus corresponds to a predetermined assignment of a maximum adjustable torque value 21 for each intended rotor flux setpoint.

Der Arbeitspunktsteuerung 12 werden als erster Eingangsparameter 13 der maximal zulässige Rotorfluss 15 und als zweiter Eingangsparameter 14 ein Solldrehmoment 16 übergeben. Mittels der ersten Kennlinie 17 wird für das Solldrehmoment 16 ein optimaler Flussbetrag, nämlich ein wirkungsgradoptimierter Rotorfluss 19, ermittelt. The operating point control 12 be the first input parameter 13 the maximum permissible rotor flux 15 and as a second input parameter 14 a target torque 16 to hand over. By means of the first characteristic 17 is for the target torque 16 an optimum amount of flux, namely an efficiency-optimized rotor flux 19 , determined.

Der maximal zulässige Rotorfluss 15 wird in einem min-Block 20a mit dem wirkungsgradoptimierten Rotorfluss 19 verglichen. Dadurch wird entschieden, ob die Asynchronmaschine 201 im Ankerstellbereich oder im Flussschwächbereich zu betreiben ist. The maximum permissible rotor flux 15 will be in a min-block 20a with the efficiency-optimized rotor flux 19 compared. This will decide if the asynchronous machine 201 operate in the anchorage range or in the Flußschwächbereich.

Falls der wirkungsgradoptimierte Rotorfluss 19 kleiner als der maximal zulässige Rotorfluss 15 ist, wird die Asynchronmaschine 201 im Ankerstellbereich betrieben. Somit wird in diesem Fall der wirkungsgradoptimierte Rotorfluss 19 in die Asynchronmaschine eingeprägt. Dies bedeutet, dass der Rotorflusssollwert 20 dem wirkungsgradoptimierten Rotorfluss 19 entspricht, falls der wirkungsgradoptimierte Rotorfluss 19 kleiner als der maximal zulässige Rotorfluss 15 ist. If the efficiency-optimized rotor flux 19 smaller than the maximum allowable rotor flux 15 is, is the asynchronous machine 201 operated in the anchorage range. Thus, in this case, the efficiency-optimized rotor flux 19 imprinted in the asynchronous machine. This means that the rotor flux setpoint 20 the efficiency-optimized rotor flux 19 corresponds, if the efficiency-optimized rotor flux 19 smaller than the maximum allowable rotor flux 15 is.

Für den Fall, dass der maximal zulässige Rotorfluss 15 kleiner als der wirkungsgradoptimierte Rotorfluss 19 ist, wird die Asynchronmaschine 201 im Flussschwächbereich betrieben. Somit wird in die Asynchronmaschine 201 der maximal zulässige Rotorfluss 15 eingeprägt. Das bedeutet, dass der Rotorflusssollwert 20 dem maximal zulässigen Rotorfluss 15 entspricht, falls der wirkungsgradoptimierte Rotorfluss 19 den maximal zulässigen Rotorfluss 15 übersteigt. In the event that the maximum allowable rotor flux 15 smaller than the efficiency-optimized rotor flux 19 is, is the asynchronous machine 201 operated in the Flussschwächbereich. Thus, in the asynchronous machine 201 the maximum permissible rotor flux 15 imprinted. This means that the rotor flux setpoint 20 the maximum allowable rotor flux 15 corresponds, if the efficiency-optimized rotor flux 19 the maximum allowable rotor flux 15 exceeds.

Mittels der zweiten Kennlinie 18 wird für den Rotorflusswert 20 ein maximal stellbarer Drehmomentwert 21 ermittelt. In einem Begrenzer 22a wird das Solldrehmoment 16 auf einen maximalen Wert limitiert. Das heißt, dass mittels des Begrenzers 22a für das Solldrehmoment 16 ein begrenztes Solldrehmoment 22 ermittelt wird, wobei das begrenzte Solldrehmoment 22 auf den maximal einstellbaren Drehmomentwert 21 limitiert wird. By means of the second characteristic 18 is for the rotor flux value 20 a maximum adjustable torque value 21 determined. In a limiter 22a becomes the target torque 16 limited to a maximum value. That is, by means of the limiter 22a for the target torque 16 a limited setpoint torque 22 is determined, wherein the limited target torque 22 to the maximum adjustable torque value 21 is limited.

Der von der Arbeitspunktsteuerung 12 ermittelte Arbeitspunkt, beziehungsweise der ermittelte Rotorflusssollwert 20 und das begrenzte Solldrehmoment 22 dienen direkt als Sollgrößen für die unterlagerte feldorientierte Regelung 100. The from the operating point control 12 determined operating point, or the determined rotor flux setpoint 20 and the limited target torque 22 serve directly as set values for the subordinate field-oriented control 100 ,

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100 100
feldorientierte Regelung einer Asynchronmaschine Field-oriented control of an asynchronous machine
200 200
elektrischer Antrieb electric drive
201 201
Asynchronmaschine asynchronous
300 300
Kraftfahrzeug motor vehicle
10 10
Rotorflussregelung Rotor flux control
11 11
Drehmomentsteuerung torque control
12 12
Arbeitspunktsteuerung Working point control
13 13
erster Eingangsparameter der Arbeitspunktsteuerung first input parameter of the operating point control
14 14
zweiter Eingangsparameter der Arbeitspunktsteuerung second input parameter of the operating point control
15 15
maximal zulässiger Rotorfluss maximum permissible rotor flux
16 16
Solldrehmoment target torque
17 17
erste Kennlinie first characteristic
18 18
zweite Kennlinie second characteristic
19 19
wirkungsgradoptimierter Rotorfluss efficiency-optimized rotor flux
20 20
Rotorflusssollwert Rotor flux setpoint
20a 20a
min-Block min-block
21 21
maximal stellbarer Drehmomentwert maximum adjustable torque value
22 22
begrenztes Solldrehmoment limited setpoint torque
22a 22a
Begrenzer limiter
23 23
Spannungsregler voltage regulators
24 24
Stromregler current regulator
25 25
Schätzung der Rotorlage Estimation of the rotor position
26 26
erster Wandler first converter
27 27
zweiter Wandler second converter
28 28
Rotorkoordinaten rotor coordinates
29 29
Ständerkoordinaten stator coordinates
30 30
Motor engine
31 31
mechanische Last mechanical load
32 32
Leistungselektronik power electronics
33 33
elektrische Versorgung electrical supply
34 34
übergeordnete Leittechnik higher-level control technology
35 35
mechanischer Messwandler mechanical transducer
36 36
elektrischer Messwandler electrical transducer
37 37
Messwerte readings
38 38
Steuersignale control signals
39 39
Sollwerte setpoints
40 40
Rückmeldungen feedback

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 2233848 [0008] DE 2233848 [0008]
  • DE 102010021488 A1 [0009] DE 102010021488 A1 [0009]

Claims (10)

Verfahren zur feldorientierten Regelung (100) einer Asynchronmaschine (201) eines elektrischen Antriebs (200), wobei das Verfahren zur feldorientierten Regelung (100) eine Rotorflussregelung (10) und eine Drehmomentsteuerung (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die feldorientierte Regelung (100) eine Arbeitspunktsteuerung (12) zur Ermittlung eines Arbeitspunktes für eine wirkungsgradoptimierte Erregung eines Rotorflusses der Asynchronmaschine (101) aufweist, wobei der Rotorfluss im Teillastbetrieb der Asynchronmaschine (101) abgesenkt wird. Method for field-oriented control ( 100 ) an asynchronous machine ( 201 ) of an electric drive ( 200 ), the method of field-oriented regulation ( 100 ) a rotor flux control ( 10 ) and a torque control ( 11 ), characterized in that the field-oriented regulation ( 100 ) an operating point control ( 12 ) for determining an operating point for an efficiency-optimized excitation of a rotor flux of the asynchronous machine ( 101 ), wherein the rotor flux in part-load operation of the asynchronous machine ( 101 ) is lowered. Verfahren zur feldorientierten Regelung (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitspunktsteuerung (12) einen ersten Eingangsparameter (13) aufweist, wobei der erste Eingangsparameter (13) einen maximal zulässigen Rotorfluss (15) aufweist. Method for field-oriented control ( 100 ) according to claim 1, characterized in that the operating point control ( 12 ) a first input parameter ( 13 ), wherein the first input parameter ( 13 ) a maximum allowable rotor flux ( 15 ) having. Verfahren zur feldorientierten Regelung (100) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitspunktsteuerung (12) einen zweiten Eingangsparameter (14) aufweist, wobei der zweite Eingangsparameter (14) ein Solldrehmoment (16) aufweist. Method for field-oriented control ( 100 ) according to claim 2, characterized in that the operating point control ( 12 ) a second input parameter ( 14 ), wherein the second input parameter ( 14 ) a setpoint torque ( 16 ) having. Verfahren zur feldorientierten Regelung (100) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für das Solldrehmoment (16) basierend auf einer vorgegebenen Zuordnung ein wirkungsgradoptimierter Rotorfluss (19) ermittelt wird. Method for field-oriented control ( 100 ) according to claim 3, characterized in that for the target torque ( 16 ) based on a predetermined assignment an efficiency-optimized rotor flux ( 19 ) is determined. Verfahren zur feldorientierten Regelung (100) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung eines Rotorflusssollwertes (20) der maximal zulässige Rotorfluss (15) mit dem wirkungsgradoptimierten Rotorfluss (19) verglichen wird, wobei der Rotorflusssollwert (20) dem wirkungsgradoptimierten Rotorfluss (19) entspricht, falls der wirkungsgradoptimierte Rotorfluss (19) kleiner als der maximal zulässige Rotorfluss (15) ist, und wobei der Rotorflusssollwert (20) dem maximal zulässigen Rotorfluss (15) entspricht, falls der maximal zulässige Rotorfluss (15) kleiner als der wirkungsgradoptimierte Rotorfluss (19) ist. Method for field-oriented control ( 100 ) according to claim 4, characterized in that for determining a rotor flux target value ( 20 ) the maximum allowable rotor flux ( 15 ) with the efficiency-optimized rotor flux ( 19 ), the rotor flux setpoint ( 20 ) the efficiency-optimized rotor flux ( 19 ), if the efficiency-optimized rotor flux ( 19 ) smaller than the maximum allowable rotor flux ( 15 ) and the rotor flux setpoint ( 20 ) the maximum allowable rotor flux ( 15 ), if the maximum allowable rotor flux ( 15 ) smaller than the efficiency-optimized rotor flux ( 19 ). Verfahren zur feldorientierten Regelung (100) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für den Rotorflusssollwert (20) basierend auf einer vorgegebenen Zuordnung ein maximal stellbarer Drehmomentwert (21) ermittelt wird. Method for field-oriented control ( 100 ) according to claim 5, characterized in that for the rotor flux setpoint ( 20 ) based on a predetermined assignment a maximum adjustable torque value ( 21 ) is determined. Verfahren zur feldorientierten Regelung (100) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für das Solldrehmoment (16) ein begrenztes Solldrehmoment (22) ermittelt wird, wobei das begrenzte Solldrehmoment (22) auf den maximal einstellbaren Drehmomentwert (21) limitiert wird. Method for field-oriented control ( 100 ) according to claim 6, characterized in that for the target torque ( 16 ) a limited setpoint torque ( 22 ), the limited setpoint torque ( 22 ) to the maximum adjustable torque value ( 21 ) is limited. Verfahren zur feldorientierten Regelung (100) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Arbeitspunktsteuerung (12) ermittelte Arbeitspunkt den Rotorflusssollwert (20) und das begrenzte Solldrehmoment (22) aufweist. Method for field-oriented control ( 100 ) according to claim 7, characterized in that the control by the operating point control ( 12 ) determined operating point the rotor flux setpoint ( 20 ) and the limited setpoint torque ( 22 ) having. Elektrischer Antrieb (200), wobei der elektrische Antrieb (200) eine Asynchronmaschine (201) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb (200) eine Regelung zur feldorientierten Regelung der Asynchronmaschine (201) gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 aufweist. Electric drive ( 200 ), wherein the electric drive ( 200 ) an asynchronous machine ( 201 ), characterized in that the electric drive ( 200 ) a control for field-oriented control of the asynchronous machine ( 201 ) according to the method of claim 1. Kraftfahrzeug (300), gekennzeichnet durch einen elektrischen Antrieb (200) gemäß Anspruch 9. Motor vehicle ( 300 ), characterized by an electric drive ( 200 ) according to claim 9.
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