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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer geschalteten Reluktanzmaschine, wobei die Reluktanzmaschine mithilfe einer mehrdimensionalen Look-Up-Tabelle betrieben wird, die für mindestens eine Zielgröße von zumindest einem Zustandswert der Reluktanzmaschine mehrere unterschiedliche Parameter aufweist.
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Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zum Betreiben der geschalteten Reluktanzmaschine sowie ein Computerprogramm und ein Computerprogramm-Produkt.
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Die Arbeiten, die zu dieser Erfindung geführt haben, wurden gemäß der Finanzhilfevereinbarung Nr. 314331 im Zuge des Siebten Rahmenprogramms der
Europäischen Gemeinschaft RP7/2007-2013 gefördert.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zum Betreiben geschalteter Reluktanzmaschinen bekannt. Im Unterschied zu Drehfeldmaschinen, wie der permanenterregten Synchronmaschine und der Asynchronmaschine, werden geschaltete Reluktanzmaschinen nicht mit einem sinusförmigen Stromverlauf betrieben. Stattdessen existiert eine große Anzahl von unterschiedlichen Ansteuerverfahren, welche stark unterschiedlich, zumeist jedoch blockförmige Stromverläufe zur Folge haben. Eine Gemeinsamkeit dieser Verfahren zum Betreiben geschalteter Reluktanzmaschinen ist, dass der Stromverlauf durch Auswahl mehrerer frei veränderbarer Parametern, wie beispielsweise Start- und Endwinkel der Bestromung, Freilaufwinkel oder Toleranzbandbreite, beeinflusst werden kann, um Zustandswerte der Reluktanzmaschine wie beispielsweise Wirkungsgrad oder Momentenrippel, zu optimieren. Je nach Wahl des Ansteuerverfahrens und der erwähnten Parameter ergeben sich Auswirkungen auf das Verhalten der Reluktanzmaschine beziehungsweise auf ein die Reluktanzmaschine aufweisendes Antriebssystem, das die Reluktanzmaschine und die zugehörige Leistungselektronik umfasst. Insbesondere werden der Wirkungsgrad, der maßgeblich durch den Effektivstrom, den Oberwellengehalt des Phasenstroms und der Anzahl an Schalthandlungen beeinflusst wird, Momentenripple, die maßgeblich durch den Übergangsbereich zwischen den Phasen beeinflusst werden, und das NVH-Verhalten, das maßgeblich durch den Radialkraftverlauf beeinflusst wird, durch die in der Look-Up-Tabelle hinterlegten und auswählbaren Parameter eingestellt. In der Regel werden die Parameter zuvor offline mithilfe geeigneter Simulationsmodelle bestimmt und dann in einer oder mehreren Look-Up-Tabellen in einem Steuergerät, beispielsweise in Abhängigkeit von Drehzahl, Last und Zwischenkreisspannung abgelegt. Im Betrieb wird dann beispielsweise in Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl der Reluktanzmaschine zum Erreichen einer gewünschten Zielgröße eines Zustandswertes, wie beispielsweise des Wirkungsgrads, der entsprechende Parameter aus der Look-Up-Tabelle zum Betreiben der Reluktanzmaschine entnommen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Werte der Look-Up-Tabelle vor Inbetriebnahme der Reluktanzmaschine nicht aufwändig und detalliert berechnet werden müssen. Vielmehr erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren, eine Optimierung der in der Look-Up-Tabelle hinterlegten Paramater während des Betriebs der Reluktanzmaschine. Dadurch ist ein vorteilhafter und sicherer Betrieb der geschalteten Reluktanzmaschine mit einer hohen Robustheit gegenüber Fertigungstoleranzen auch dann gewährleistet, wenn nur eine große Vorbedatung der Look-Up-Tabelle vorgenommen wurde. Dadurch können Herstellungskosten und Parametrisierungsaufwand beziehungsweise Applikationsaufwand verringert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zur Optimierung der Look-Up-Tabelle im Betrieb der geschalteten Reluktanzmaschine wenigstens einer der Parameter variiert wird und die dadurch entstehenden Zustandswert mit der Zielgröße verglichen werden, um einen optimalen Parameterwert des Parameters zum Erreichen der Zielgröße zu bestimmen und in der Look-Up-Tabelle zu speichern. Im Betrieb der Reluktanzmaschine wird also der mindestens eine Parameterwert variiert. Die dadurch erzeugten Zustandswerte werden mit der Zielgröße verglichen. Bei der Variation wird der Parameter zweckmäßigerweise in mehreren Stufen erhöht und/oder verringert, so dass mehrere Werte beziehungsweise Zustandswerte erfasst werden. Aus den erfassten Werten wird vorzugsweise der zu der Zielgröße am nächsten liegende Wert ausgewählt und der dazugehörige Parameter in der Look-Up-Tabelle gespeichert. Dadurch ist es möglich, die Look-Up-Tabelle im Betrieb zu optimieren und den Betrieb der Reluktanzmaschine zu verbessern. Bei den Zielgrößen kann es sich um fest vorgegebene Zielwerte oder Zielbereiche handeln. Auch ist es denkbar, als Zielgröße einen Maximalwert vorzusehen, wie beispielsweise einen maximalen Wirkungsgrad, der durch die Parametervariierung erfassbar ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Momentenregler der geschalteten Reluktanzmaschine ein Drehmoment der Reluktanzmaschine während der Variierung des wenigstens einen Parameters konstant hält. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Momentenregler das Drehmoment der Reluktanzmaschine auf einen konstanten Mittelwert regelt. Dadurch wird erreicht, dass die Parametervariation keinen Einfluss auf den Betrieb der Reluktanzmaschine beziehungsweise auf das abgegebene Antriebsdrehmoment ausübt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist außerdem vorgesehen, dass mehrere Parameter nacheinander variiert werden. Dadurch wird die Look-Up-Tabelle insgesamt optimiert. Vorzugsweise werden alle Parameter der Look-Up-Tabelle variiert, um optimale Werte zu erfassen und zu speichern.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass zuerst der Parameter variiert wird, der den größten Einfluss auf den betreffenden Zustandswert ausübt. Dadurch werden nur wenige Iterationen benötigt, um die Look-Up-Tabelle zu optimieren.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass alternativ mehrere der Parameter gleichzeitig variiert werden. Dazu wird bevorzugt ein definierter Variationsplan aller Parameter erstellt und schrittweise abgefahren. So ist beispielsweise vorgesehen, dass zehn Variationen des Startwinkels und zehn Variationen der Hysteresebandbreite (= 100 Variationen) durchgeführt werden. Anschließend wird die in Hinblick auf die jeweilige Zielgröße beste Kombination der Parameter ausgewählt und gespeichert. Dieses Vorgehen führt dazu, dass ein globales Optimum erreicht wird, jedoch werden dazu viele Auswertungen mit einem entsprechenden Aufwand benötigt.
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Weiterhin ist gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Parameter durch einen gradientenbasierten oder evolutionären Optimierungsalgorithmus variiert werden. Dadurch wird ebenfalls mit hoher Sicherheit eine globale Optimierung der Look-Up-Tabelle erreicht, bei einer im Vergleich geringen Anzahl von notwendigen Auswertungen, jedoch ist durch die Komplexität der Implementierung der Rechenaufwand erhöht.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass der oder die Parameter für mehrere Betriebspunkte der geschalteten Reluktanzmaschine variiert werden. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Parametervariation schrittweise über möglichst viele Drehzahl-Last-Betriebspunkte durchgeführt wird. Auch ist vorzugsweise eine Variation über die DC-Spannung oder Gleichspannung vorgesehen. Nicht optimierte Zwischenwerte werden bevorzugt durch Interpolation bestimmt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 zeichnet sich durch ein speziell hergerichtetes Steuergerät aus, das Mittel zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens aufweist.
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Das erfindungsgemäße Computerprogramm sieht vor, dass alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden, wenn es auf einem Computer abläuft.
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Das erfindungsgemäße Computer-Programmprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode führt das erfindungsgemäße Verfahren aus, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu zeigt die einzige
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Figur eine vereinfachte Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben einer geschalteten Reluktanzmaschine.
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Die Figur zeigt in einer vereinfachten Darstellung in einem Flussdiagramm ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben einer geschalteten Reluktanzmaschine. In einem erste Schritt S1 wird die Reluktanzmaschine in Betrieb genommen. In einem darauffolgenden Schritt S2 werden in Abhängigkeit von einer Zielgröße für einen oder mehrere Zustandswerte des Reluktanzmaschine, wie beispielsweise Wirkungsgrad, Momentenrippel, Drehmoment und/oder einer Drehzahl, Betriebs-Parameter für die Reluktanzmaschine eingestellt. Dazu werden Parameter aus einer Look-Up-Tabelle in einem Schritt S3 in Abhängigkeit von dem gewünschten Drehmoment und/oder der gewünschten Drehzahl abgefragt. In der Look-Up-Tabelle sind eine Vielzahl von Parametern für zu erreichende Zielgrößen in Abhängigkeit, insbesondere von der Drehzahl, dem Drehmoment, einer Last und/oder einer Zwischenkreisspannung abgelegt. Die Look-Up-Tabelle wurde zuvor grob parametrisiert oder beispielsweise durch eine Offline-Bestimmung einzelner Parametern gefüllt. Im Betrieb der Reluktanzmaschine werden also in Abhängigkeit beispielsweise von einem gewünschten Drehmoment und einer gewünschten Drehzahl und einer Zielgröße für zumindest einen Zustandswert der Reluktanzmaschine Parameter zum Betreiben der Reluktanzmaschine ausgelesen. Dadurch wird beispielsweise bei einem Wunsch-Drehmoment zum Erreichen einer bestimmten Zielgröße für den Wirkungsgrad als Zustandswert der Reluktanzmaschine ein oder mehrere Parameter aus der Look-Up-Tabelle herausgelesen, die beispielsweise einen Startwinkel und Endwinkel der Ansteuerung der Reluktanzmaschine betreffen.
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Für die Offline-Bestimmung wird insbesondere eine Modellierung des Systems in einem Systemsimulator durchgeführt. Dazu werden zum einen Ergebnisse einer FEM-Simulation (FEM = Finite Elemente Methode) der Reluktanzmaschine genutzt, wobei beispielsweise Strom, Induktivität, Moment- und Radialkraft berücksichtigt werden, und zum anderen werden vorzugsweise geeignete Modelle zur Bestimmung der Verluste, wie beispielsweise Kupferverluste, Eisenverluste oder Schaltverluste, genutzt. In jedem Betriebspunkt der Reluktanzmaschine, definiert durch Drehzahl, Drehmoment und Zwischenkreisspannung, können dann für jedes betrachtete Ansteuerverfahren eine große Anzahl an Kombinationen von Parametern zur Ansteuerung der Reluktanzmaschine berechnet und jeweils die gewünschten Zustandswerte, insbesondere Wirkungsgrad, Momentenripple oder Radialkraftripple, berechnet werden. Da die Zustandswerte gegenläufig sind, ergeben sich typischerweise Paretokurven. Diese Multizieloptimierung muss im Vorfeld für jeden Betriebspunkt oder zumindest für möglichst viele Betriebspunkte der Reluktanzmaschine durchgeführt werden. Ergebnisse werden in der Look-Up-Tabelle für jeden Zustandswert abgelegt, wie beispielsweise Startwinkel in Abhängigkeit von der Drehzahl, dem Drehmoment, der Versorgungsspannung für eine Hystereseregelung, dem maximalen Wirkungsgrad oder dergleichen. Alternativ kann auch nur eine grobe Parametrisierung der Look-Up-Tabelle durchgeführt werden.
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In Schritt S2 werden in Abhängigkeit einer gewünschten Zielgröße für den jeweiligen Zustandswert die entsprechenden Parameter aus der Look-Up-Tabelle herausgelesen und in einem Schritt S4 zum Ansteuern der Reluktanzmaschine ausgegeben, so dass in einem Schritt S5 die Reluktanzmaschine mit den gewählten Parametern betrieben wird.
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Vorliegend ist vorgesehen, dass die Look-Up-Tabelle im laufenden Betrieb der Reluktanzmaschine optimiert wird. Dabei werden vorteilhafterweise im Betrieb vorhandene Messgrößen genutzt. Vorliegend werden dazu die Versorgungsspannung UDC, die Phasenspannung Uph, die Rotorposition phi, die Drehzahl n, Phasenströme Iph und optional der Versorgungsstrom IDC genutzt.
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Hieraus lassen sich insbesondere in einem Steuergerät die folgenden Zustandswerte ableiten: Der Momentenverlauf Makt, in der Look-Up-Tabelle als Funktion der Messgrößen Iph, phi und UDC; das mittlere Moment Mmean (gemittelt über mindestens eine elektrische Periode, Schätzwerte sind gegebenenfalls verfügbar über übergeordnete Fahrzeugsteuerung und ESP-Regelung); das maximale Moment Mmax (für mindestens eine elektrische Periode); das minimale Moment Mmin (für mindestens eine elektrische Periode); und Momentenripple MRipple = Mmax – Mmin)/Mmean. Selbst wenn der Momentenverlauf nur über eine Look-Up-Tabelle geschätzt werden kann, ist eine höhere Genauigkeit zu erwarten, weil die Eingangsgrößen (Iph, phi und UDC) gemessen wurden/werden.
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Eine elektrische Leistung ergibt sich aus Pmech = pi·n/30·Makt (gemittelt über mindestens eine elektrische Periode). Die Gleichspannungsleistung ergibt sich aus PDC = UDC·IDC (gemittelt über mindestens eine elektrische Periode). Der Wirkungsgrad der Reluktanzmaschine zusammen mit der ihr zugehörigen Leistungselektronik ergibt sich aus etaED = PMECH/PDC.
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Der Wirkungsgrad kann durch das Verfahren mit höherer Genauigkeit ermittelt werden, als in einem Systemmodell, wobei die Spannungsleistung direkt aus Messgrößen abgeleitet wird. Das Maschinenmoment wird mit hoher Genauigkeit geschätzt oder kann aus einer übergeordneten Fahrzeugregelung übernommen werden.
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Der Radialkraftverlauf Frd ergibt sich aus der Look-Up-Tabelle als Funktion der Messgrößen Iph, phi und UDC. Radialkraftripple ergeben sich aus Frad,Ripple = (Frad, max-Frad, min)/Frad,mean.
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Selbst wenn der Radialkraftverlauf nur über die Look-Up-Tabelle geschätzt werden kann, ist dennoch eine höhere Genauigkeit zu erwarten, da die genannten Eingangsgrößen gemessen werden.
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Bei der Optimierung der Look-Up-Tabelle wird zunächst von einer bestehenden Look-Up-Tabelle ausgegangen, die wie zuvor bereits beschrieben, entweder grob bedatet oder durch eine Simulation vorparametrisiert wurde. In einem ersten Optimierungsschritt O1 wird in der Umgebung eines Startwerts zunächst für eine Zielgröße der Parameter mit dem höchsten Einfluss auf den Zustandswert variiert. Bei dem Parameter handelt es sich vorzugsweise um den Startwinkel. Die durch die Variation des Parameters erzeugten Zustandswerte werden in einem Schritt O2 erfasst und gespeichert. Ein übergeordneter Momentenregler sorgt dabei dafür, dass das Mittelwertmoment der Reluktanzmaschine konstant gehalten bleibt, damit die Optimierung der Reluktanztabelle den Betrieb der Reluktanzmaschine nicht beeinträchtigt. Anschließend wird in Schritt O3 aus den erfassten Zustandswerten ein Optimalwert der Parameter bezüglich der Zielgröße ermittelt und als Parameter festgelegt beziehungsweise in der Look-Up-Tabelle gespeichert. Anschließend wird der nächste Parameter entsprechend variiert, beispielsweise eine Toleranzbandbreite.
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Alternativ wäre es auch denkbar, einen definierten Variationsplan aller Parameter zu erstellen und schrittweise abzufahren, wie beispielsweise zehn Variationen des Startwinkels und zehn Variationen der Hysteresebandbreite (= 100 Variationen). Schließlich wird die in Hinblick auf die jeweilige Zielgröße eines Zustandswertes beste Kombination von Parametern ausgewählt.
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Ebenso ist es denkbar, einen Algorithmus zu verwenden, welcher die Parameter „intelligent“ variiert. Dazu kann beispielsweise ein gradientenbasierter oder ein evolutionärer Optimierungsalgorithmus verwendet werden.
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Die Parametervariation wird vorzugsweise schrittweise bei möglichst vielen Drehzahl-Last-Punkten der Reluktanzmaschine, insbesondere inklusive Variation über eine Betriebsspannung, durchgeführt. Nicht optimierte Zwischenpunkte werden vorzugsweise interpoliert. Für jede Parameterkombination genügt die Auswertung weniger elektrischer Zyklen. Dabei ist es möglich, die Auswertung der Parameterkombination auf alle Zielgrößen zu bewerten und verschiedene Ansteuerparametersätze abzuspeichern, wie beispielsweise einen Parametersatz „maximale Effizienz“, „geringste Momentenripple“, „geringste Radiakraftripple“ oder „bester Kompromiss aus Effizienz und Momentenripple“.
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Das vorteilhafte Vorgehen kann für unterschiedliche Ansteuerverfahren für die Reluktanzmaschine verwendet werden. So ist denkbar, das beschriebene Verfahren für eine Strom-Hysterese-Regelung zu verwenden, wobei dann die Parameter, insbesondere der Startwinkel, der Endwinkel, ein Freilaufwinkel und die Breite eines Toleranzbandes sind. Auch ist es denkbar, das Verfahren für eine direkte Momentenregelung ohne Pulsweitenmodulation durchzuführen, wobei dann als veränderbare Parameter der Startwinkel, der Endwinkel, und die Breite eines Momententoleranzbandes vorgesehen werden. Weiterhin ist es denkbar, das Verfahren bei einer direkten Momentenregelung mit Pulsweitenmodulation vorzusehen, wobei dann die veränderbaren Parameter der Startwinkel, der Endwinkel und die Pulsweitenmodulation-Frequenzen sind. Auch ist es denkbar, das Verfahren bei einer direkten Radialkraftregelung mit Pulsweitenmodulation durchzuführen, wobei dann die veränderbaren Parameter der Startwinkel, der Endwinkel und die Pulsweitenmodulationsfrequenz sind. Auch ist es denkbar, eine direkte Radialkraftregelung ohne Pulsweitenmodulation durchzuführen, wobei dann die veränderbaren Parameter der Startwinkel, der Endwinkel oder die Breite eines Radialkrafttoleranzbandes sind. Selbstverständlich kann das Verfahren auch bei weiteren bekannten Verfahren zur Ansteuerung einer geschalteten Reluktanzmaschine angewandt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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