DE102014223014A1

DE102014223014A1 - Verfahren zur Ermittlung von verlustoptimalen Stromsollwertvorgaben von Stromkomponenten eines fremderregten Synchronmotors

Info

Publication number: DE102014223014A1
Application number: DE102014223014.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Saborov
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-11-12
Filing date: 2014-11-12
Publication date: 2016-05-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Stromsollwertvorgaben von Stromkomponenten (Id, Iq und If) von in ein Koordinatensystem transformierten Statorströmen, die durch Statorwicklungen eines fremderregten Synchronmotors fließen, und eines in das Koordinatensystem transformierten Rotorstroms, der durch eine Rotorwicklung des fremderregten Synchronmotors fließt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Vorgeben eines bestimmten von dem Synchronmotor zu liefernden Solldrehmomentes; Ermitteln der Stromsollwertvorgaben (Id, Iq und If) für das Solldrehmoment in einem Ankerstellbereich des Synchronmotors auf Basis eines ersten Regelungsmodells, das Änderungsgrößen berücksichtigt, die sich für die Stromsollwertvorgaben aus Ableitungen von in das Koordinatensystem transformierten Statorinduktivitäten (Ld und Lq) und einer Kopplungsinduktivität (Lmd), die eine gegenseitige magnetische Beeinflussung der Rotorwicklung und der Statorwicklungen angibt, nach den Stromkomponenten ergeben; und Ermitteln der Stromsollwertvorgaben (Id, Iq und If) für das Solldrehmoment in einem Feldschwächbereich des Synchronmotors auf Basis eines zweiten Regelungsmodells, das einen Statorwiderstand Rs der Statorwicklungen berücksichtigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Stromsollwertvorgaben von Stromkomponenten eines fremderregten Synchronmotors sowie ein Steuerungsgerät zur Steuerung des fremderregten Synchronmotors.
Aus Umweltschutzgründen und aufgrund knapper werdenden fossilen Brennstoffen geht der Trend in der Automobilindustrie dahin, Kraftfahrzeuge in zunehmendem Maße mit elektrischen Antrieben auszustatten. Als elektrisches Antriebsaggregat für solche Kraftfahrzeuge fungieren unter anderem fremderregte Synchronmotoren, die auf ihrem Stator drei Statorwicklungen und auf ihrem Rotor eine Rotorwicklung tragen.
Bekanntermaßen werden solche für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs eingesetzten Synchronmotoren durch Vorgabe von Querstrom I_q, Längsstrom I_d und Rotorstrom I_f, die Zeigergrößen im rotorfesten Koordinatensystem darstellen, gesteuert bzw. geregelt.
Die Sollwertvorgaben der genannten Stromkomponenten werden im Stand der Technik für eine Vielzahl von Solldrehmomenten ermittelt und in einem Steuergerät des Kraftfahrzeuges für die Steuerung des Synchronmotors abgelegt.
Bei einer rein analytischen Ermittlung der Stromsollwertvorgaben der Stromkomponenten für ein bestimmtes Solldrehmoment kommt es, wie folgt erläutert, zur Bestimmung nicht verlustoptimaler Stromsollwertvorgaben für das bestimmte Solldrehmoment.
Der Grund hierfür liegt zum einen darin, dass bei der analytischen Ermittlung vereinfachende Annahmen, wie zum Beispiel, dass der Synchronmotor keinen Sättigungseigenschaften unterworfen ist, getroffen werden. Zum anderen ist es praktisch sehr aufwendig, für verschiedene Betriebsbereiche einen umfassenden analytischen Ausdruck zu finden. Es ist deshalb üblich, Stromsollwertvorgaben der Stromkomponenten für unterschiedliche Betriebsbereiche, wie beispielsweise Ankerstellbereich und Feldschwächbereich, mit unterschiedlichen Verfahren zu ermitteln. Dadurch ergibt sieh die Notwendigkeit, mit unterschiedlichen Verfahren ermittelte Stromsollwertvorgaben im Übergangsbereich zwischen den Betriebsbereichen so zu wählen, dass es zu keinen Fehlern kommt.
Zur Vermeidung nicht optimaler oder zu Fehlern führenden Stromsollwertvorgaben sind Prüfstandmessungen oder Simulationen des Motors notwendig, die einen erheblichen Aufwand erfordern.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren, mit dem Stromsollwertvorgaben von Stromkomponenten für verschiedene Betriebsbereiche einfach und genau bestimmbar sind, zu schaffen, wobei die Stromsollwertvorgaben einerseits verlustoptimal sind und andererseits zu fehlerfreien Übergängen zwischen den Betriebsbereichen führen.
Zumindest ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein zum Stand der Technik alternatives Verfahren zur Ermittlung von Stromsollwertvorgaben von Stromkomponenten zur Steuerung eines fremderregten Synchronmotors zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und auch mit einem Steuergerät gemäß Patentanspruch 8 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein Verfahren zur Ermittlung von Stromsollwertvorgaben von Stromkomponenten, die in ein Koordinatensystem transformierten Statorströmen, die durch Statorwicklungen eines fremderregten Synchronmotors fließen, und einem in das Koordinatensystem transformierten Rotorstrom, der durch eine Rotorwicklung des fremderregten Synchronmotors fließt, entsprechen.
Das Verfahren ist insbesondere ein Verfahren zur Ermittlung von Stromsollwertvorgaben, die zur Steuerung bzw. Regelung eines als Antriebsaggregat eines Kraftfahrzeuges dienenden fremderregten Synchronmotors vorgesehen sind.
Bei dem bestimmten Koordinatensystem kann es sich beispielsweise um ein statorfestes Koordinatensystem (α/β-Koordinatensystem) oder auch insbesondere um ein rotorfestes Koordinatensystem (d/q-Koordinatensystem) handeln.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem Verfahrensschritt zumindest ein bestimmtes von dem fremderregten Synchronmotor zu lieferndes Solldrehmoment vorgegeben. Unter Umständen kann beispielsweise noch eine Vorgabe einer Relation der von einer Fahrzeugbatterie bzw. Leistungselektronik lieferbaren Spannung zu einer elektrischen Winkelgeschwindigkeit zusätzlich hinzukommen.
Erfindungsgemäß werden für dieses Solldrehmoment die Stromsollwertvorgaben in einem Ankerstellbereich des Synchronmotors auf Basis eines ersten Regelungsmodells ermittelt. Das erste Regelungsmodell berücksichtigt hierbei Änderungsgrößen (Differentialquotienten), die sich für die Stromsollwertvorgaben aus Ableitungen von in das Koordinatensystem transformierten Statorinduktivitäten und einer in das Koordinatensystem transformierten Kopplungsinduktivität, die eine gegenseitige magnetische Beeinflussung der Rotorwicklung und der Statorwicklungen angibt, nach den Stromkomponenten ergeben.
Weiterhin werden erfindungsgemäß die Stromsollwertvorgaben für das Solldrehmoment in einem Feldschwächbereich des fremderregten Synchronmotors auf Basis eines zweiten Regelungsmodells ermittelt, wobei das zweite Regelungsmodell einen Statorwiderstand der Statorwicklung berücksichtigt.
Bei den Stromsollwertvorgaben handelt es sich bevorzugt um Zeigergrößen (Amplituden) im d/q-Koordinatensystem, die zur Vektorregelung der fremderregten Synchronmaschine verwendet bzw. herangezogen werden.
Beispielsweise werden bei einer solchen Vektorregelung die durch drei Wicklungen (Stränge) des Stators fließenden Statorströme und ein durch eine Rotorwicklung des Rotors fließender Rotorstrom in die Stromkomponenten im d/q-Koordinatensystem transformiert, anschließend für ein vorgegebenes Drehmoment die Stromkomponenten so geregelt, dass sie zu den durch das erfindungsgemäße Verfahren ermittelten Stromkomponenten werden und in die drei Statorströme bzw. den Rotorstrom zurücktransformiert. Bei dieser Rücktransformation wird der winkelmäßige Stand des Rotors bezüglich des Stators berücksichtigt.
Zur Steuerung bzw. Regelung des fremderregten Synchronmotors ist es erstrebenswert, dass für eine Kombination der Stromkomponenten (Statorströme und Rotorstrom) ein maximal erreichbares Drehmoment bzw. das vorgegebene Drehmoment mit einer verlustoptimalen Stromkomponentenkombination erzielt wird. Dies führt insbesondere dazu, dass Verluste vermieden werden und Energie während des Betriebes des Synchronmotors eingespart wird. Darüber hinaus ist es erstrebenswert, dass in einem Übergangsbereich zwischen verschiedenen Betriebsbereichen, wie beispielsweise Anker- und Feldschwächbereich, die Stromkomponenten so zusammenpassen, dass es zu keinen Fehlern kommt.
Hierfür ist es insbesondere notwendig, dass im Ankerstellbereich das Sättigungsverhalten des Synchronmotors und im Feldschwächbereich der Rotorwiderstand berücksichtigt wird.
Im Ankerstellbereich ergibt sich beispielsweise die Stromkomponente I_d bzw. die Längsstromkomponente bei minimalen Verlusten zu:
Wie hieraus ersichtlich wird, werden erfindungsgemäß die Stromabhängigkeiten der Statorinduktivitäten (L_d und L_q) und der Kopplungsinduktivität (L_md) von den genannten Stromkomponenten dahingehend berücksichtigt, dass die Änderungsgrößen bzw. Differentialquotienten der Induktivitäten, die sich für die Kombination der Stromsollwertvorgaben ergeben, berücksichtigt werden.
Die für das bestimmte Solldrehmoment ermittelten Stromsollwertvorgaben können einerseits online, d. h. während des Betriebes des Synchronmotors, im Steuergerät ermittelt werden oder auch offline, d. h. vor Betrieb des Synchronmotors durch eine geeignete auf einem Rechner ausgeführte Software ermittelt und anschließend in dem Steuergerät des Synchronmotors in beispielsweise Tabellenform abgelegt werden.
Bevorzugt werden die Stromsollwertvorgaben für den Ankerstellbereich und den Feldschwächbereich derart ermittelt, dass eine Verlustleistung des Synchronmotors, die auf Ohmschen Verlusten im Stator und Rotor beruht, minimiert wird.
Weiterhin vorteilhaft werden in dem ersten Regelungsmodell die sich für die Stromsollwertvorgaben ergebenden Änderungsgrößen dadurch berücksichtigt, dass ein Korrekturfaktor in eine Ermittlung der Stromsollwertvorgaben der Stromkomponenten mit einfließt.
Die Stromkomponente I_d bzw. die Längsstromkomponente ergibt sich unter der Annahme konstanter Induktivitäten aus folgender Gleichung:
Diese sich ergebende Gleichung für die Längsstromkomponente I_d wird durch einen Korrekturfaktor, mit dem die Änderungsgrößen der Induktivitäten für die Stromsollwertvorgaben berücksichtigt werden, korrigiert. Die Gleichung der Längsstromkomponente wird folglich zu:
Auf Basis des Faktors, der sich aus dem Produkt von Kvcu und Kvcucorr(M) ergibt, werden die verbleibenden anderen Stromkomponenten berechnet.
Insbesondere bevorzugt wird in dem ersten Regelungsmodell die Verlustleistung auf Basis der ermittelten Stromsollwertvorgaben der Stromkomponenten berechnet, anschließend der Korrekturfaktor auf Basis der berechneten Verlustleistung angepasst und die Stromsollwertvorgaben der Stromkomponenten auf Basis des angepassten Korrekturfaktors neu berechnet. Die Stromsollwertvorgaben werden solange neu berechnet, bis eine Änderung der auf Basis der ermittelten Stromsollwertvorgaben berechneten Verlustleistung einen Schwellenwert unterschreitet.
Das heißt die Stromsollwertvorgaben werden iterativ neu berechnet und die Iteration solange durchgeführt, bis die auf Basis der neu berechneten Stromsollwertvorgaben berechneten Verlustleistung sich kaum noch ändert bzw. die Änderung den Schwellenwert unterschreitet.
Insbesondere werden bevorzugt in dem ersten Regelungsmodell neue Stromsollwertvorgaben der Stromkomponenten solange berechnet, bis die Änderung der berechneten Verlustleistung den Schwellenwert unterschreitet, wobei die neuen Stromsollwertvorgaben der Stromkomponenten auf Basis von absoluten Werten der Statorinduktivitäten und der Kopplungsinduktivität, die sich für vorangehende Stromsollwertvorgaben der Stromkomponente ergeben, berechnet werden.
Mit anderen Worten werden bei jeder neuen Berechnung der Stromsollwertvorgaben die absoluten Werte der Statorinduktivitäten und der Kopplungsinduktivität, die sich für vorangehende Stromsollwertvorgaben ergeben, berücksichtigt.
Bevorzugt wird in dem zweiten Regelungsmodell für den Feldschwächbereich die Sollwertvorgabe einer Querstromkomponente I_q der Statorströme vorgegeben und werden die Stromsollwertvorgaben der anderen Stromkomponenten, ergo der Längsstromkomponente und der Rotorstromkomponente, iterativ unter Berücksichtigung des Statorwiderstandes ermittelt. Hierbei wird das iterative Ermitteln der Stromsollwertvorgaben der anderen Stromkomponenten solange für verschiedene Werte der Querstromkomponente durchgeführt, bis eine auf Basis der ermittelten Stromsollwertvorgaben berechnete Verlustleistung minimal ist.
Beispielsweise ergibt sich im Feldschwächbereich des Synchronmotos die Längsstromkomponente zu:
Die Steuervorschrift für den Rotorstrom ergibt sich aus der Stromkomponente I_f, die sich aus folgender Gleichung ergibt:
Aus den vorgenannten zwei Gleichungen werden für eine vorgegebene Querstromkomponente I_q die Längsstromkomponente I_d und die Rotorstromkomponente I_f solange berechnet, bis deren Änderung einen hierfür vorgesehenen Schwellenwert unterschreitet.
Anschließend wird diese Iteration für einen weiteren Wert der Querstromkomponente I_q wiederum durchgeführt. Die Änderung der Querstromkomponente I_q wird solange durchgeführt, bis Stromsollwertvorgaben ermittelt werden, die zu minimalen Verlusten führen bzw. bis deren Änderung einen Schwellenwert unterschreitet.
Weiterhin bevorzugt werden in dem zweiten Regelungsmodell in der iterativen Ermittlung der anderen Stromkomponenten diese auf Basis von absoluten Werten der Statorinduktivitäten und der Kopplungsinduktivität, die sich für den vorgegebenen Wert der Querstromkomponente und die vorangehenden Stromsollwertvorgaben der anderen Stromkomponenten ergeben, berechnet.
Das heißt die Längsstromkomponente I_d und die Rotorstromkomponente I_f werden auf Basis der genannten Gleichungen iterativ berechnet, wobei für jede neue Berechnung der Stromkomponenten I_d und I_f die absoluten Werte der Statorinduktivitäten und der Kopplungsinduktivität, die sich für vorangehend ermittelte Werte der Stromsollwertvorgaben I_d, I_f und der vorgegebenen Querstromkomponente ergeben, berücksichtigt werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren und seine bevorzugten Ausgestaltungen werden nicht nur verlustoptimale sondern auch an dem Übergangsbereich zwischen den einzelnen Betriebsbereichen passende Stromsollwertvorgaben ermittelt.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug zur Steuerung eines fremderregten Synchronmotors des Kraftfahrzeuges, wobei das Steuergerät dadurch erhältlich ist, dass die Stromsollwertvorgaben nach dem im Vorhergehenden erläuterten Verfahren für die Betriebsbereiche der Synchronmaschine ermittelt werden und anschließend in einer Speichereinheit des Steuergerätes zur Regelung des Synchronmotors abgelegt werden.
Im Folgenden wird unter Bezug auf die beigefügten Figuren eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erläutert.
1 zeigt schematisch verschiedene Betriebsbereiche, in denen sich ein fremderregter Synchronmotor befinden kann;
2 zeigt eine erste Variante eines ersten Regelungsmodells, mit dem Stromsollwertvorgaben einer ins d/q-Koordinatensystem transformierten Rotorstromkomponente, Längsstromkomponente und Querstromkomponente für einen Ankerstellbereich des Synchronmotors berechnet werden;
3a und 3b zeigen eine iterative Ermittlung des in dem ersten Regelungsmodell verwendeten Korrekturfaktors;
4 zeigt eine zweite Variante des ersten Regelungsmodells, mit dem die Stromsollwertvorgaben berechnet werden;
5a und 5b zeigen die iterative Ermittlung von Stromsollwertvorgaben im Feldschwächbereich des fremderregten Synchronmotors.
In 1 sind beispielhaft verschiedene Betriebsbereiche eines fremderregten Synchronmotors, der beispielsweise als Antriebsaggregat eines Kraftfahrzeuges dient, gezeigt. Auf der Abszisse ist die Drehzahl N des Synchronmotors und auf der Ordinate das Drehmoment M des Synchronmotors aufgetragen.
Wie sich im Folgenden noch zeigen wird, kann das Drehmoment M des Synchronmotors bei einer bestimmten Drehzahl N durch Regelung der durch drei Statorwicklungen des Synchronmotos fließenden Ströme und eines durch eine Rotorwicklung des Synchronmotors fließenden Stromes geändert werden. Bei einer solchen Regelung werden die Statorströme und der Rotorstrom in Stromkomponenten im d/q-Koordinatensystem transformiert, in Abhängigkeit von einem zu erzielenden Drehmoment Stromsollwertvorgaben beispielsweise aus einer Tabelle ausgelesen und die Stromkomponenten zur Erzielung des Drehmomentes entsprechend geregelt.
Hierbei besteht der Wunsch, dass ein Drehmoment mit möglichst optimalen Werten der genannten Stromkomponenten erzielt wird (MTPC-Bestimmung/Maximum Torque Per Current).
Der mit I bezeichnete Bereich stellt einen Ankerstellbereich dar, in dem noch nicht die maximal von einer Fahrzeugbatterie bzw. einer Leistungselektronik lieferbare Spannung an den Statorwicklungen des Synchronmotors anliegt.
Dies gilt auch für den mit II bezeichneten Bereich, wobei in diesem der maximale durch die Rotorwicklung fließende Strom erreicht ist bzw. der durch die Rotorwicklung fließende Strom auf seinen beabsichtigten Maximalwert begrenzt ist.
III zeigt einen Feldschwächbereich des Synchronmotors, in dem die maximal von der Fahrzeugbatterie lieferbare Spannung bzw. von der Leistungselektronik lieferbare Spannung an den Statorwicklungen anliegt. In diesem Bereich kann die Drehzahl des Synchronmotors nur unter Schwächung des vom Rotor erzeugten Magnetfeldes erhöht werden (was unter Umständen auch zu einer Verringerung des Drehmomentes führt).
Letztendlich bildet der mit IV bezeichnete Bereich einen verbotenen Bereich.
Wie bereits im Vorhergehenden erwähnt wurde, ist es erstrebenswert, in jedem der genannten Bereiche ein bestimmtes Drehmoment mit solchen Stromkomponenten zu erzielen, die zu minimalen Verlusten führen und die Stromkomponenten so zu ermitteln, dass sie an den Übergängen zwischen insbesondere den Bereichen I und III derart zusammenpassen, dass es zu keinen Fehlern kommt.
Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren erläutert, mit dem Stromsollwertvorgaben der Stromkomponenten, die für ein bestimmtes Drehmoment zu geringen (minimalen) Verlusten und fehlerfreien Übergängen führen, für den Bereich I und III ermittelt werden.
Alte mit einem Index versehenen Größen bilden Größen im rotorfesten d/q-Koordinatensystem.
Verlustleistung
Allgemein ergibt sich die Verlustleistung eines fremderregten Synchronmotors aus der Gleichung: P_cu = aR_s(I 2 / d + I 2 / q) + bR_fI 2 / f (G1). mit a = 3 / 2, b = 1
Die Stromkomponenten I_q und I_d sind voneinander abhängig, was aus der Gleichung für das Drehmoment ersichtlich ist: M = 3 / 2pI_q(L_mdI_f + (L_d – L_q)I_d) (G2).
Löst man Gleichung (G2) nach I_q auf, ergibt sich diese zu
wobei durch Einsetzen von I_q in Gleichung (G1) sich die Verlustleistung aus
ergibt.
Die Kombination der Stromkomponenten, bei der die Verluste (Ohmsche Verluste im Rotor und Stator) minimal sind, lässt sich durch die partiellen Ableitungen der Gleichung (G4) nach den Stromkomponenten I_d und I_f ermitteln:
Unter der Voraussetzung, dass die Induktivitäten von den Stromkomponenten unabhängig sind, ergeben sich die Lösungen der genannten partiellen Ableitungen zu:
und
Aus (G6) und (G7) folgt unmittelbar:
MTPC-Bestimmung
Das maximale Drehmoment für eine bestimmte Kombination von Stromsollwertvorgaben ergibt sich aus
Setzt man Gleichung (G8) in diese Gleichung (G9) ein, führt dies über
zu der Stromsollwertvorgabe für die Querstromkomponente I_q:
Die Stromsollwertvorgabe für die Rotorstromkomponente I_f lässt sich letztendlich aus der Gleichung für das Drehmoment (G2) bestimmen, wobei für I_d und I_q die Zusammenhänge (G8) und (G10) gelten:
Wird in dem Ankerstellbereich I eine Solldrehmomentvorgabe gegeben, ergibt sich für diese eine Kombination der Stromsollwertvorgaben, die bei ungesättigten Induktivitäten zu minimalen Verlusten führt, aus den Gleichungen (G11), (G8) und (G10).
Die genannten Gleichungen berücksichtigen allerdings kein Sättigungsverhalten des realen Synchronmotors und führen in solchen Betriebsbereichen, in denen der Synchronmotor gesättigt ist, zu nicht optimalen Stromsollwertvorgaben und damit starken Verlusten.
Die Berücksichtigung der Sättigung des Synchronmotors wirkt sich insbesondere auf die Minimierung der Verlustgleichung (G1) aus. Die partiellen Ableitungen der Verlustleistung nach den Stromkomponenten I_d und I_f führen unter Berücksichtigung des Sättigungsverhaltens des Synchronmotors zu:
Hieraus folgt unmittelbar:
Wie aus einem Vergleich der Gleichungen (G8) und (G12) ersichtlich wird, beinhaltet die Gleichung (G12) für die optimale Stromsollwertvorgabe der Längsstromkomponente I_d Änderungsgrößen bzw. Differentialquotienten der Induktivitäten, die von den Stromkomponenten I_f, I_d abhängig sind. Diese Abhängigkeiten sind nichtlinearer Natur. Aus Gleichung (G12) in Kombination mit (G9) kann dann die Stromsollwertvorgabe für I_q und wiederum aus (G2) mit I_d und I_q die Stromsollwertvorgabe für I_f ermittelt werden.
Zur Verminderung des Rechenaufwandes ist es bevorzugt, die nichtlinearen Abhängigkeiten der Induktivitäten von den Stromkomponenten durch die Einführung eines Korrekturfaktors mit einer guten Näherung zu berücksichtigen. Damit ergibt sich aus (G8) i. V. m. (G12):
wobei im Folgenden K_vcu' = K_vcu·K_vcucorr(M) entspricht.
Insgesamt ergibt sich hieraus dann für ein bestimmtes Drehmoment eine Kombination von Stromsollwertvorgaben aus Gleichungen (G11), (G10) und (G13), wobei in Gleichungen (G10) und (G11) der Faktor K_vcu' durch K_vcu zu ersetzen ist.
2 zeigt eine erste Variante eines ersten Regelungsmodells, das in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung von Stromsollwertvorgaben der Stromkomponenten I_f, I_d und I_q verwendet wird.
Das erste Regelungsmodell kann einerseits offline zur Ermittlung der Stromsollwertvorgaben ausgeführt werden und anschließend die hierdurch ermittelten Stromsollwertvorgaben in einem Steuergerät des Kraftfahrzeuges zur Regelung des entsprechenden Synchronmotors abgelegt werden. Andererseits kann das erste Regelungsmodell auch in dem Steuergerät selbst abgelegt sein und aktiv, d. h. online während des Betriebes des Kraftfahrzeuges, die Stromsollwertvorgaben berechnen.
Bei Regelungsblock 1 wird eine Drehmomentsollwertvorgabe durchgeführt und das Solldrehmoment M anschließend bei Regelungsblock 2 einer Wurzeloperation unterzogen.
Bei Regelungsblock 3 werden Maschinenparameter R_f, R_s, L_d, L_q und L_md ausgelesen und der Faktor K_vcu bei Regelungsblock 4 auf Basis der Gleichung (G8) berechnet.
Dieser Faktor K_vcu wird anschließend einer Multiplikationsoperation (Regelungsblock 5) mit dem bei Regelungsblock 6 erhaltenen Korrekturfaktor K_vcukorr im Sinne der Gleichung (G13) unterzogen. Das Ergebnis ist K_vcu'
Bei Regelungsblock 7 wird unter Heranziehen des berechneten Faktors K_vcu' und unter Auslesen der Maschinenparameter p, L_d, L_q, L_md (Regelungsblock 3) der Faktor K_mcu gemäß Gleichung (G11) berechnet.
Bei Regelungsblock 8 wird unter Berücksichtigung des ermittelten Faktors K_vcu' und unter Auslesen der Maschinenparameter L_d, L_q und L_md (Regelungsblock 3) der Faktor K_fcu gemäß Gleichung (G10) berechnet.
I_f wird, wie aus 2 ersichtlich ist und aus Gleichung (G11) verständlich wird, aus dem bei Regelungsblock 9 berechneten Quotienten von Wurzel M und K_mcu ermittelt.
I_d wird anschließend durch Multiplikation (Regelungsblock 10) von I_f mit K_vcu' gemäß der Gleichung (G13) ermittelt.
Letztendlich wird noch I_q durch Multiplikation (Regelungsblock 11) des Faktors K_fcu mit I_f im Sinne der Gleichung (G10) berechnet.
Da Gleichung (G8) eine für das Solldrehmoment gültige Kombination von Stromsollwertvorgaben der Stromkomponenten I_f, I_d und I_q bei Einsetzen der sich für die Stromsollwertvorgaben ergebenden absoluten Induktivitäten L_d, L_q, L_md auch ohne Berücksichtigung der Stromabhängigkeiten liefert, ist es notwendig, den Korrekturfaktor zusätzlich zu ermitteln.
Dies erfolgt bevorzugt durch eine iterative Ermittlung, die unter Bezug auf 3a und 3b erläutert wird.
Wie in 3a gezeigt ist, wird bei Regelungsblock 1 die bereits genannte Drehmomentsollwertvorgabe durchgeführt.
Bei Regelungsblock 3 werden die elektrischen Maschinenparameter, wie auch schon unter Bezug auf 2 erläutert wurde, ausgelesen und zur Berechnung der Stromsollwertvorgaben I_d, I_q, I_f herangezogen. Die iterative Ermittlung, die in 3a gezeigt ist, beginnt bei bestimmten Startwerten für die Induktivitäten L_d, L_q und L_md sowie bei Startwerten für die Stromkomponenten.
Bei Regelungsblock 12 wird auf Basis der ermittelten Stromsollwertvorgaben I_d, I_q, I_f die Verlustleistung im Sinne der Gleichung (G1) berechnet. Hierauf beruhend wird bei Regelungsblock 13 der Korrekturfaktor K_vcukorr angepasst und anschließend dem in 2 gezeigten Regelungsmodell über Regelungsblock 6 zugeführt.
Darüber hinaus werden bei Regelungsblock 3 neue Maschinenparameter insbesondere L_d, L_q, L_md für die ermittelten Stromsollwertvorgaben I_d, I_q, I_f ausgelesen und gemäß 2 bei der erneuten Berechnung der Stromsollwertvorgaben verwendet. Mit anderen Worten führt jede Ermittlung der Stromsollwertvorgaben zu neuen elektrischen Maschinenparametern, insbesondere L_d, L_q, L_md und zur Anpassung des Korrekturfaktors K_vcukorr auf Basis der berechneten Verlustleistung.
Alternativ können bevorzugt die Anzahlen der Iterationen über Regelungsblock 3 und 13 unterschiedlich sein, d. h. nicht jede Ermittlung von Stromsollwertvorgaben führt zur Anpassung des Korrekturfaktors. Beispielsweise kann nach Anpassung des Korrekturfaktors die Iteration über Regelungsblock 3 mehrfach, beispielsweise fünffach, durchgeführt werden, bis eine erneute Iteration über Regelungsblock 13 stattfindet.
Diese iterative Ermittlung der Stromsollwertvorgaben wird solange durchgeführt, bis eine Änderung der Verlustleistung einen bestimmten Schwellenwert unterschreitet bzw. die Berechnung der Verlustleistung eine optimale Kombination der Stromsollwertvorgaben angibt.
In 3b ist die Anpassung des Korrekturfaktors K_vcukorr gezeigt. Der Korrekturfaktor K_vcukorr hat einen Initialwert von beispielsweise 1,0, und eine Kompensation hat einen Initialwert von beispielsweise 0,5.
Bei Regelungsblock 131 wird die Veränderung der Verlustleistung durch Differenzbildung der neu berechneten Verlustleistung (Pcu_neu) und der Verlustleistung (Pcu_alt), die auf einer vorangehenden Kombination der Stromsollwertvorgaben I_d, I_q, I_f beruht, berechnet. Gibt die Veränderung der Verlustleistung an, dass eine Verbesserung vorliegt (Pcu_neu < Pcu_alt), wird die Kompensation verringert (Regelungsblock 132) und zum Korrekturfaktor addiert (Regelungsblock (134)).
Gibt andererseits die Veränderung der Verlustleistung eine Verschlechterung (Pcu_neu > Pcu_alt) an, wird das Vorzeichen der Kompensation bei Regelungsblock 133 geändert und bei Regelungsblock 132 die Kompensation verringert. Letztendlich wird anschließend die Kompensation wiederum zum Korrekturfaktor bei Regelungsblock 134 addiert.
Die Verringerung der Kompensation um wenige Prozentpunkte bei jeder Iteration stellt eine Konvergenz der Anpassung sicher.
Die in 2 und 3a gezeigten elektrischen bei Regelungsblock 3 ausgelesenen Maschinenparameter liegen beispielsweise in Tabellenform vor. Aus den Tabellen können die stromabhängigen Induktivitäten L_d, L_q, L_md (absolute Werte) ausgelesen werden. Diese Tabellen sind maschinenabhängig und werden zum Beispiel durch Methode der finiten Elemente vorab berechnet.
4 zeigt eine zweite Variante des ersten Regelungsmodells. Diese zweite Variante unterscheidet sich von der in 2 gezeigten dadurch, dass der Korrekturfaktor K_vcukorr nicht iterativ ermittelt wird, sondern bereits bei Regelungsblock 6' als Kennlinie vorliegt. Alle anderen Regelungsblöcke sind mit denen aus 2 identisch und werden nicht nochmals erläutert.
Durch dieses Ablegen des Korrekturfaktors als drehmomentabhängige Kennlinie können die Stromsollwertvorgaben in einem einzigen Rechenschritt ohne Iteration ermittelt werden. 4 zeigt die drehmomentabhängige Kennlinie des Korrekturfaktors K_vcukorr qualitativ.
Bei einem niedrigen Drehmoment M hat der Korrekturfaktor K_vcukorr den Wert von ungefähr 1, was darauf zurückzuführen ist, dass die der Gleichung (G8) zugrundeliegende Annahme, dass die Induktivitäten konstant sind, zutreffend ist. Bei einem sehr hohen Drehmoment M nähert sich die Kennlinie diesem Wert 1 wiederum an, weil in einem sehr stark gesättigten Bereich die Induktivitäten annähernd konstant sind und die Annahme konstanter Induktivitäten wieder Gültigkeit besitzt.
In einem dazwischenliegenden Bereich des Drehmomentes ändert sich der Korrekturfaktor K_vcukorr allerdings sehr stark und durchläuft ein Maximum, was die Änderungsgrößen bzw. Differentialquotienten, die sich für die Stromsollwertvorgaben aus den Ableitungen der Induktivitäten nach den Stromkomponenten ergeben (siehe Gleichung G12), widerspiegelt.
Im Folgenden wird die Berechnung der Stromsollwertvorgaben für den Feldschwächbereich III des Synchronmotors erläutert. Die Gleichung für das Drehmoment lässt sich auch schreiben als: M = 3 / 2p(Ψ_dI_q – Ψ_qI_d) (G14).
Löst man diese Gleichung nach I_d auf, führt dies zu:
Im Feldschwächbereich liegt die maximale von der Leistungselektronik des Synchronmotors lieferbare Spannung U_{ph_max} an den Statorwicklungen an, Das heißt, dass die Einhaltung der Spannungsgrenze erfordert:
woraus sich mit (G15) ergibt:
Bevorzugt lässt sich I_d dadurch ermitteln, dass I_d iterativ nach folgender Gleichung berechnet wird:
Wie aus der Gleichung G17 ersichtlich ist, wird bei der Berechnung der Stromsollwertvorgabe I_d der Statorwiderstand R_s berücksichtigt.
Die Steuervorschrift für I_f ergibt sich unmittelbar aus (G2) zu
Da in Gleichung G18 die Stromsollwertvorgabe I_f auf Basis der Stromsollwertvorgabe I_d berechnet wird, geht auch hierbei der Statorwiderstand mit ein.
5a und 5b zeigen ein zweites Regelungsmodell, mit dem in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Stromsollwertvorgaben für den Feldschwächbereich ermittelt werden. Im Feldschwächbereich ist der Betriebspunkt des Synchronmotors in dem in 1 gezeigten Diagramm dadurch gegeben, dass die von der Leistungselektronik maximal lieferbare Spannung Umax an den Statorwicklungen bei einer Drehzahl N bzw. einer elektrischen Winkelgeschwindigkeit ω und einem Drehmoment M anliegt.
Wie aus 5a ersichtlich ist, wird bei Regelungsblock 1' und 2' für einen solchen Betriebspunkt ein bestimmter Stromsollwert für die Querstromkomponente I_q vorgegeben. Anschließend wird bei Regelungsblock 3' iterativ I_d und I_f nach den Gleichungen (G17), (G18) ermittelt und auf Basis der resultierenden Kombination der Stromsollwertvorgaben I_q, I_d und I_f die Verlustleistung bei Regelungsblock 4' gemäß Gleichung (G1) berechnet.
Falls die Verlustleistung nicht minimal sein sollte, wird der Stromsollwert der Stromkomponente I_q wieder geändert. Die Stromsollwertvorgabe der Querstromkomponente I_q wird solange geändert und für jeden Wert die Stromkomponenten I_d und I_f iterativ ermittelt, bis die Verlustleistung minimal ist bzw. deren Änderung einen Schwellenwert unterschreitet.
5b zeigt die iterative Ermittlung des Stromsollwertes I_d gemäß Regelungsblock 3'.
Der Anfangswert von I_d kann auf 0 gesetzt werden. Die Anfangswerte der Induktivitäten L_d und L_md können entsprechend dem ungesättigten Zustand angenommen werden. Die Induktivität L_q ist anfänglich so zu wählen, dass der Ausdruck unter der quadratischen Wurzel aus (G17) nicht negativ werden kann, zum Beispiel U_max/2ω L_q.
In 5b wird bei Regelungsblock 32' nach Gleichung (G17) I_d für den Betriebspunkt gemäß Regelungsblock 31' und auf Basis der Induktivitäten L_d, L_q, L_md, die bei dem bereits erläuterten Regelungsblock 3 ausgelesen werden, berechnet.
Anschließend wird die Rotorstromkomponente I_f nach (G18) berechnet. Auf Basis der nunmehr vorliegenden Stromsollwertvorgaben der Stromkomponenten I_f und I_d sowie dem vorgegebenen Wert für I_q werden neue elektrische Maschinenparameter, insbesondere L_d, L_q, L_md, bei Regelungsblock 3 ermittelt und hierauf basierend eine neue Stromsollwertvorgabe I_d(n + 1) gemäß (G17) und von I_f nach (G18) berechnet (Regelungsblöcke 32', 33').
Bei der erneuten Berechnung der Stromsollwertvorgabe der Stromkomponente I_d, d. h. von I_d (n + 1), wird der Wert der Stromsollwertvorgabe der Stromkomponente I_d, der aus der vorausgehenden Berechnung stammt, d. h. I_d (n), auch als Eingangsgröße verwendet. Die Berechnung von I_d (n + 1) nach (G17) und von I_f nach (G18) wird solange durchgeführt, bis sich die Induktivitäten nicht mehr ändern, bzw. eine Veränderung der Induktivitäten einen bestimmten Schwellenwert unterschreitet. In diesem Zustand ändern sich die Ströme folglich auch kaum mehr.
Ergibt die Berechnung der Verlustleistung auf Basis der nunmehr vorliegenden Stromsollwertvorgaben (Regelungsblock 4'), dass die optimalen Stromsollwertvorgaben gefunden sind, werden diese Werte für den angegebenen Betriebspunkt abgespeichert.
Da bei der Berechnung der Stromsollwertvorgaben der Statorwiderstand berücksichtigt wird, führt dies für den Feldschwächbereich zum einen zu verlustoptimalen Stromsollwertvorgaben und zum anderen zu Stromsollwertvorgaben, die an den Übergängen zwischen den Bereichen zu keinen Fehlern führen.
Die optimalen Stromsollwertvorgaben werden bevorzugt offline für eine Reihe von Betriebspunkten berechnet und zur Steuerung des Kraftfahrzeuges in dem Steuergerät abgelegt.
Bei ausreichender Rechenleistung können die optimalen Stromsollwertvorgaben auch online, d. h. während des Betriebes des Kraftfahrzeuges berechnet werden.
Ergänzend sei noch darauf hingewiesen, dass die Stromsollwertvorgaben für den in 1 gezeigten Bereich II nach der für eine permanenterregte Synchronmaschine entwickelten Methode von Igor Gusyev unter geringfügigen Anpassungen auf eine fremderregte Synchronmaschine berechnet werden können. Darüber hinaus ist die Bestimmung der Stromsollwertvorgaben für diesen Bereich nicht erfindungswesentlich, da Synchronmaschinen auch derart dimensioniert werden können, dass während des bestimmungsgemäßen Betriebs die Synchronmaschine nicht in diesen Bereich kommt.
Legende der Größen:

I_d

Längsstromkomponente im d/q-Koordinatensystem;

I_q

Querstromkomponente im d/q-Koordinatensystem;

I_s

Gesamtstatorstrom = (I_d ² + I_q ²)^0,5

I_f

Rotorstromkomponente im d/q-Koordinatensystem;

L_d

Statorinduktivität in der d-Achse

L_q

Statorinduktivität in der q-Achse

L_md

Kopplungsinduktivität

R_s

Statorwiderstand

K_vcukorr

Korrekturkaktor

N

Drehzahl

ω

elektrische Winkelgeschwindigkeit = p·(2Pi/60)·N

M

Drehmoment

p

Polpaarzahl

Ψ_d

Flussverkettung in der d-Achse

Ψ_q

Flussverkettung in der q-Achse

Claims

Verfahren zur Ermittlung von Stromsollwertvorgaben von Stromkomponenten (I_d, I_q und I_f), die in ein Koordinatensystem transformierten Statorströmen, die durch Statorwicklungen eines fremderregten Synchronmotors fließen, und einem in das Koordinatensystem transformierten Rotorstrom, der durch eine Rotorwicklung des fremderregten Synchronmotors fließt, entsprechen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Vorgeben eines bestimmten von dem Synchronmotor zu liefernden Solldrehmomentes; Ermitteln der Stromsollwertvorgaben (I_d, I_q und I_f) für das Solldrehmoment in einem Ankerstellbereich des Synchronmotors auf Basis eines ersten Regelungsmodells, das Änderungsgrößen berücksichtigt, die sich für die Stromsollwertvorgaben aus Ableitungen von Statorinduktivitäten (L_d und L_q) und einer Kopplungsinduktivität (L_md), die eine gegenseitige magnetische Beeinflussung der Rotorwicklung und der Statorwicklungen angibt, nach den Stromkomponenten ergeben; und Ermitteln der Stromsollwertvorgaben (I_d, I_q und I_f) für das Solldrehmoment in einem Feldschwächbereich des Synchronmotors auf Basis eines zweiten Regelungsmodells, das einen Statorwiderstand R_s der Statorwicklungen berücksichtigt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stromsollwertvorgaben für den Ankerstellbereich und den Feldschwächbereich derart ermittelt werden, dass eine Verlustleistung (Peu) des Synchronmotors, die auf ohmschen Verlusten im Stator und Rotor beruht, minimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei in dem ersten Regelungsmodell die sich für die Stromsollwertvorgaben ergebenden Änderungsgrößen dadurch berücksichtigt werden, dass ein Korrekturfaktor in eine Ermittlung der Stromsollwertvorgaben der Stromkomponenten mit einfließt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei in dem ersten Regelungsmodell die Verlustleistung auf Basis der ermittelten Stromsollwertvorgaben der Stromkomponenten berechnet wird, der Korrekturfaktor auf Basis der berechneten Verlustleistung angepasst wird und die Stromsollwertvorgaben der Stromkomponenten auf Basis des angepassten Korrekturfaktors neu berechnet werden; und die Stromsollwertvorgaben der Stromkomponenten solange neu berechnet werden, bis eine Änderung der auf Basis der ermittelten Stromsollwertvorgaben berechneten Verlustleistung einen Schwellenwert unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei in dem ersten Regelungsmodell neue Stromsollwertvorgaben der Stromkomponenten solange berechnet werden, bis die Änderung der berechneten Verlustleistung den Schwellenwert unterschreitet; und die neuen Stromsollwertvorgaben der Stromkomponenten auf Basis von absoluten Werten der Statorinduktivitäten (L_d und L_q) und der Kopplungsinduktivität (L_md), die sich für vorangehende Stromsollwertvorgaben der Stromkomponenten ergeben, berechnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei in dem zweiten Regelungsmodell die Sollstromwertvorgabe einer Querstromkomponente der Statorströme vorgegeben wird und die Stromsollwertvorgaben der anderen Stromkomponenten iterativ unter Berücksichtigung des Statorwiderstandes (R_s) ermittelt werden; und das iterative Ermitteln der Stromsollwertvorgaben der anderen Stromkomponenten solange für verschiedene Werte der Querstromkomponente durchgeführt wird, bis eine auf Basis der Stromsollwertvorgaben berechnete Verlustleistung minimal ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei in der iterativen Ermittlung die Stromsollwertvorgaben der anderen Stromkomponenten auf Basis von absoluten Werten der Statorinduktivitäten (L_d und L_q) und der Kopplungsinduktivität (L_md), die sich für den vorgegebenen Wert der Querstromkomponente und die vorangehenden Stromsollwertvorgaben der anderen Stromkomponenten ergeben, neu berechnet werden.
Steuergerät für ein Kraftfahrzeug zur Steuerung eines fremderregten Synchronmotors des Kraftfahrzeuges, wobei des Steuergerät erhältlich ist durch Ausführen des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7; und Abspeichern der ermittelten Stromsollwertvorgaben in dem Steuergerät zur Steuerung des Synchronmotors.