DE102014224158A1

DE102014224158A1 - Control of a permanent-magnet synchronous motor

Info

Publication number: DE102014224158A1
Application number: DE102014224158.8A
Authority: DE
Inventors: Hassan Lamsahel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2014-11-26
Filing date: 2014-11-26
Publication date: 2015-03-05

Abstract

Eine permanenterregte Synchronmaschine umfasst einem Rotor und einen Stator, die drehbar gegeneinander gelagert sind, wobei der Rotor einen Permanentmagnet zur Bereitstellung eines ersten Magnetfelds und der Stator drei auf einem Umfang versetzte Spulen zur Bereitstellung eines zweiten Magnetfelds umfasst. Ein Verfahren zum Steuern der Synchronmaschine umfasst Schritte des Abtastens einer Zustandsgröße der Maschine, des Bestimmens, auf der Basis der Zustandsgröße und einer Momentanforderung, von d- und q-Komponenten eines gewünschten Stroms durch die Spulen, wobei die d- und q-Komponenten in einem rotorbezogenen d/q-Koordinatensystem bestimmt werden, in dem die d-Achse parallel zum magnetischen Fluss des Rotors gerichtet ist, des Bestimmens, auf der Basis des gewünschten Stroms, von d- und q-Komponenten einer gewünschten Spannung an den Spulen im d/q-Koordinatensystem, und des Bereitstellens der d- und q-Komponenten der gewünschten Spannung an eine Einrichtung zur Transformation der Spannung in ein statorfestes, spulenbezogenes u/v/w-Koordinatensystem sowie zur Energetisierung der Spulen auf die Komponenten der Spannung im u/v/w-Koordinatensystem. Dabei wird ein Spannungsbetrag auf der Basis der d- und q-Komponenten der gewünschten Spannung bestimmt und die d-Komponente des gewünschten Stroms wird in Abhängigkeit des Spannungsbetrags angepasst, um eine optimierte Feldschwächung der Synchronmaschine zu bewirken.A permanent magnet synchronous machine includes a rotor and a stator rotatably supported against each other, wherein the rotor comprises a permanent magnet for providing a first magnetic field and the stator comprises three circumferentially offset coils for providing a second magnetic field. A method for controlling the synchronous machine includes steps of sampling a state quantity of the machine, determining, based on the state quantity and a moment request, d and q components of a desired current through the coils, the d and q components in a rotor-related d / q coordinate system in which the d-axis is directed parallel to the magnetic flux of the rotor, determining, on the basis of the desired current, of d and q components of a desired voltage on the coils in the d / q coordinate system, and providing the d and q components of the desired voltage to a means for transforming the voltage into a stator fixed, coil related u / v / w coordinate system and energizing the coils to the components of the voltage in the u / v / w coordinate system. At this time, a voltage amount is determined on the basis of the d and q components of the desired voltage, and the d component of the desired current is adjusted in accordance with the voltage amount to effect optimized field weakening of the synchronous machine.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerung eines permanenterregten Synchronmotors. Insbesondere betrifft die Erfindung eine feldorientierte Regelung oder Steuerung des Synchronmotors. The invention relates to a control of a permanent-magnet synchronous motor. In particular, the invention relates to a field-oriented control or control of the synchronous motor.

Eine permanenterregte Synchronmaschine umfasst einen Rotor und einen Stator, die drehbar gegeneinander gelagert sind. Am Rotor ist ein Permanentmagnet zur Bereitstellung eines ersten Magnetfelds und am Stator sind drei um jeweils 120° in Umfangsrichtung versetzte Spulen zur Bereitstellung eines zweiten Magnetfelds angebracht. Die Synchronmaschine kann insbesondere an Bord eines Kraftfahrzeugs verwendet werden, beispielsweise als Aktuatormotor für eine Sitzverstellung, einen Fensterheber oder eine Feststellbremse oder als Servomotor beispielsweise für eine elektrische Lenkunterstützung. Weitere Anwendungsfälle sind ebenfalls möglich. A permanent magnet synchronous machine comprises a rotor and a stator, which are rotatably mounted against each other. On the rotor is a permanent magnet for providing a first magnetic field and the stator are mounted three offset by 120 ° in the circumferential direction coils for providing a second magnetic field. The synchronous machine can be used in particular on board a motor vehicle, for example as an actuator motor for a seat adjustment, a window or a parking brake or as a servomotor, for example, for an electric steering assistance. Other applications are also possible.

Um die Synchronmaschine zu steuern, kann eine feldorientierte Steuerung oder Regelung eingesetzt werden. Dafür wird ein rotorbezogenes d/q-Koordinatensystem vorausgesetzt, in dem die d-Achse parallel zum magnetischen Fluss des Rotors gerichtet ist. Im d/q-Koordinatensystem verhält sich die Synchronmaschine dann wie ein Gleichstrom-Elektromotor, sodass eine einfachere Beschreibung und Behandlung der einzelnen Komponenten möglich ist. Üblicherweise werden d- und q-Komponenten eines gewünschten Stroms durch die Spulen auf der Basis einer Zustandsgröße und einer Momentanforderung der elektrischen Maschine bestimmt. Anschließend werden d- und q-Komponenten einer gewünschten Spannung an den Spulen im d/q-Koordinatensystem auf der Basis des gewünschten Stroms bestimmt. Die bestimmten Komponenten der Spannung werden in ein statorfestes, spulenbezogenes u/v/w-Koordinatensystem transformiert, sodass die einzelnen Komponenten im spulenbezogenen Koordinatensystem einzustellende Spannungen an den Spulen repräsentieren. Diese Spannungen werden dann an den Spulen bewirkt. Dabei wird üblicherweise ein Wechselrichter verwendet, der zwei Halbbrücken umfasst, die wechselseitig mittels eines Modulationssignals angesteuert werden, das auf der Basis der einzustellenden Spannung generiert wird. To control the synchronous machine, field-oriented control can be used. For this purpose, a rotor-related d / q coordinate system is assumed, in which the d-axis is directed parallel to the magnetic flux of the rotor. In the d / q coordinate system, the synchronous machine then behaves like a DC electric motor, allowing easier description and treatment of the individual components. Typically, d and q components of a desired current are determined by the coils based on a state quantity and an instantaneous demand of the electrical machine. Subsequently, d and q components of a desired voltage on the coils in the d / q coordinate system are determined on the basis of the desired current. The particular components of the voltage are transformed into a stator-fixed, coil-related u / v / w coordinate system so that the individual components in the coil-related coordinate system represent voltages to be set on the coils. These voltages are then applied to the coils. In this case, an inverter is usually used which comprises two half-bridges, which are mutually driven by means of a modulation signal which is generated on the basis of the voltage to be set.

Der Wechselrichter wird mit einer Zwischenkreisspannung betrieben, die an Bord des Kraftfahrzeugs abhängig sein kann von einer Bordspannung. Die Bordspannung kann Schwankungen unterworfen sein, sodass die Steuerung der Synchronmaschine gestört werden kann. Die d-Komponente des gewünschten Stroms wird daher üblicherweise auf der Basis der Zwischenkreisspannung verringert, um bei Bedarf eine Feldschwächung an der Synchronmaschine zu bewirken. Die Feldschwächung kann algorithmisch oder mittels eines Kennfelds bestimmt werden. Beide Vorgehensweisen können schwierig oder aufwendig sein, insbesondere dann, wenn noch weitere Fehlerquellen zu berücksichtigen sind, wie beispielsweise eine temperaturbedingte Änderung der Spulenwiderstände, eine Änderung einer Maschineninduktivität oder eine Änderung des magnetischen Flusses des Rotors in Abhängigkeit seiner Temperatur oder der durch seine Spulen fließenden Ströme. The inverter is operated with an intermediate circuit voltage, which may be dependent on an on-board voltage on board the motor vehicle. The on-board voltage can be subject to fluctuations, so that the control of the synchronous machine can be disturbed. Therefore, the d component of the desired current is usually reduced on the basis of the intermediate circuit voltage to cause field weakening on the synchronous machine if necessary. The field weakening can be determined algorithmically or by means of a characteristic map. Both approaches can be difficult or expensive, especially if there are other sources of error to consider, such as a temperature change of the coil resistances, a change in machine inductance or a change in the magnetic flux of the rotor depending on its temperature or the currents flowing through its coils ,

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Technik zur Steuerung eines permanenterregten Synchronmotors bereitzustellen. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels eines Verfahrens und einer Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder. It is therefore an object of the present invention to provide an improved technique for controlling a permanent magnet synchronous motor. The invention achieves this object by means of a method and a device having the features of the independent claims. Subclaims give preferred embodiments again.

Eine permanenterregte Synchronmaschine umfasst einen Rotor und einen Stator, die drehbar gegeneinander gelagert sind, wobei der Rotor einen Permanentmagnet zur Bereitstellung eines ersten Magnetfelds und der Stator drei auf einem Umfang versetzte Spulen zur Bereitstellung eines zweiten Magnetfelds umfasst. Ein Verfahren zum Steuern der Synchronmaschine umfasst Schritte des Abtastens einer Zustandsgröße der Maschine, des Bestimmens, auf der Basis der Zustandsgröße und einer Momentanforderung, von d- und q-Komponenten eines gewünschten Stroms durch die Spulen, wobei die d- und q-Komponenten in einem rotorbezogenen d/q-Koordinatensystem bestimmt werden, in dem die d-Achse parallel oder in einem vorbestimmten Winkel zum magnetischen Fluss des Rotors gerichtet ist, des Bestimmens, auf der Basis des gewünschten Stroms, von d- und q-Komponenten einer gewünschten Spannung an den Spulen im d/q-Koordinatensystem, und des Bereitstellens der d- und q-Komponenten der gewünschten Spannung an eine Einrichtung zur Transformation der Spannung in ein statorfestes, spulenbezogenes u/v/w-Koordinatensystem sowie zur Energetisierung der Spulen auf die Komponenten der Spannung im u/v/w-Koordinatensystem. Dabei wird ein Spannungsbetrag auf der Basis der d- und q-Komponenten der gewünschten Spannung bestimmt und die d-Komponente des gewünschten Stroms wird in Abhängigkeit des Spannungsbetrags angepasst, um eine optimierte Feldschwächung der Synchronmaschine zu bewirken. A permanent magnet synchronous machine includes a rotor and a stator rotatably supported against each other, wherein the rotor comprises a permanent magnet for providing a first magnetic field and the stator comprises three circumferentially offset coils for providing a second magnetic field. A method for controlling the synchronous machine includes steps of sampling a state quantity of the machine, determining, based on the state quantity and a moment request, d and q components of a desired current through the coils, the d and q components in a rotor-related d / q coordinate system in which the d-axis is directed parallel or at a predetermined angle to the magnetic flux of the rotor, determining, on the basis of the desired current, of d and q components of a desired voltage on the coils in the d / q coordinate system, and providing the d and q components of the desired voltage to means for transforming the voltage into a stator fixed coil-related u / v / w coordinate system and energizing the coils on the components the voltage in the u / v / w coordinate system. At this time, a voltage amount is determined on the basis of the d and q components of the desired voltage, and the d component of the desired current is adjusted in accordance with the voltage amount to effect optimized field weakening of the synchronous machine.

Durch das Anpassen der d-Komponente in Abhängigkeit des Betrags der gewünschten Spannung im d/q-Koordinatensystem kann mit geringem Aufwand eine optimale Ansteuerung der permanenterregten Synchronmaschine erfolgen. Da die Bestimmung von d- und q-Komponenten des gewünschten Stroms unabhängig von einem gewählten Ansteuerverfahren zu realisieren ist, kann die Feldschwächung der Synchronmaschine durch Anpassen der d-Komponente in Verbindung mit praktisch jedem Ansteuerverfahren verwendet werden, beispielsweise mit einer feldorientierten Regelung, einer feldorientierten Steuerung, einer direkten Selbstregelung (Direct Torque Control, DTC), U/f und so weiter. Die Verschiebung der optimalen Arbeitspunkte der Synchronmaschine durch Änderung der Zwischenkreisspannung oder eines Maschinenparameters kann durch Überlagern eines Spannungsreglers, optional mit angepasstem Filterungskonzept, kompensiert werden. Die d-Komponente des gewünschten Stroms, die zum magnetischen Feld des Stators proportional ist, kann dadurch optimiert angepasst werden. Wie unten noch genauer ausgeführt wird, ist bevorzugt, dass zusätzlich eine Begrenzung der q-Komponente des gewünschten Stroms erfolgt, um eine prinzipbedingte maximale Grenze des durch die Spulen fließenden Stroms nicht zu überschreiten. By adapting the d-component as a function of the magnitude of the desired voltage in the d / q coordinate system, optimal control of the permanently excited can be achieved with little effort Synchronous machine done. Since the determination of d and q components of the desired current is to be realized independently of a selected driving method, the field weakening of the synchronous machine can be used by adjusting the d component in conjunction with virtually any driving method, such as field oriented, field oriented Control, Direct Torque Control (DTC), U / f and so on. The shift of the optimum operating points of the synchronous machine by changing the intermediate circuit voltage or a machine parameter can be compensated by superposing a voltage regulator, optionally with an adapted filtering concept. The d-component of the desired current, which is proportional to the magnetic field of the stator, can thereby be optimized. As will be explained in more detail below, it is preferred that in addition a limitation of the q-component of the desired current takes place in order not to exceed a principle-dictated maximum limit of the current flowing through the coils.

Erfindungsgemäß können die Ströme auch bei Spannungsbegrenzung eingestellt werden, sodass eine Drehmomentgenauigkeit erhöht werden kann. Der Wirkungsgrad der Maschine kann verbessert werden, was insbesondere bei Einsatz der Synchronmaschine an Bord eines Kraftfahrzeugs verringerte Betriebskosten nach sich ziehen kann. Wird das Kraftfahrzeug elektrisch angetrieben, so kann eine Reichweite der Batterie gesteigert sein. Außerdem können mit dem optimierten Wirkungsgrad die Verluste im Bereich der Steuerung oder der Synchronmaschine reduziert werden, sodass ein Aufwand für die Kühlung der Synchronmaschine bzw. der Steuerung bezüglich Bauraum und Kosten verringert werden kann. Außerdem kann durch die Erfindung eine Phasenstromgrenze eingehalten werden, wodurch sich die Lebensdauer der Steuerung, insbesondere im Bereich einer Energetisierungseinrichtung, verlängern kann. According to the invention, the currents can also be adjusted when the voltage is limited, so that a torque accuracy can be increased. The efficiency of the machine can be improved, which in particular when using the synchronous machine on board a motor vehicle can result in reduced operating costs. If the motor vehicle is electrically driven, a range of the battery can be increased. In addition, the losses in the range of the control or the synchronous machine can be reduced with the optimized efficiency, so that a cost for the cooling of the synchronous machine or the control can be reduced in terms of space and cost. In addition, a phase current limit can be maintained by the invention, whereby the life of the controller, in particular in the range of Energetisierungseinrichtung, can extend.

Es ist bevorzugt, dass auf der Basis der Zwischenkreisspannung ein maximaler Spannungsbetrag bestimmt wird und der Spannungsbetrag mit dem maximalen Spannungsbetrag verglichen wird. Das Anpassen der d-Komponente des gewünschten Stroms erfolgt dann in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses. It is preferable that based on the DC link voltage, a maximum voltage amount is determined and the voltage amount is compared with the maximum voltage amount. The adaptation of the d-component of the desired current then takes place as a function of the comparison result.

In einer Variante wird die d-Komponente des gewünschten Stroms vergrößert, nachdem bestimmt wurde, dass der Spannungsbetrag kleiner als der maximale Spannungsbetrag ist. In diesem Fall wird die Spannung der Maschine nicht voll ausgenutzt, d.h., im gegenwärtigen Arbeitspunkt ist die Maschine zu stark feldgeschwächt. Durch das Anheben der d-Komponente können die Verluste in der Maschine verringert werden. In einer weiteren Variante wird die d-Komponente verringert, nachdem festgestellt wurde, dass der Spannungsbetrag größer als der maximale Spannungsbetrag ist. In diesem Fall ist die Maschine nicht genug feldgeschwächt und kann in die Spannungsbegrenzung übergehen. In diesem Fall können die d- und q-Komponenten des gewünschten Stroms nicht mehr richtig eingestellt werden. Um diesen unerwünschten Zustand zu überwinden, muss die Maschine stärker feldgeschwächt werden, damit sie eine größere Spannungsreserve gewinnt und die d- und q-Komponenten des gewünschten Stroms eingestellt werden können. Durch das Verringern der d-Komponente des gewünschten Stroms erfolgt die erforderliche Feldschwächung. Die beiden Varianten können auch miteinander kombiniert werden. In a variant, the d-component of the desired current is increased after it has been determined that the amount of voltage is less than the maximum amount of voltage. In this case, the tension of the machine is not fully utilized, i.e., at the present operating point, the machine is over-field weakened. By raising the d component, the losses in the machine can be reduced. In a further variant, the d-component is reduced after it has been determined that the voltage amount is greater than the maximum voltage amount. In this case, the machine is not field-weakened enough and can go into the voltage limit. In this case, the d and q components of the desired current can not be properly adjusted. To overcome this undesirable condition, the machine must be field weakened to gain more power reserve and to adjust the d and q components of the desired current. By reducing the d component of the desired current, the required field weakening occurs. The two variants can also be combined with each other.

Es ist bevorzugt, dass der maximale Spannungsbetrag als vorbestimmter, echter Bruchteil der Zwischenkreisspannung bestimmt wird. Dadurch liegt der maximale Spannungsbetrag stets zwischen und der augenblicklichen Zwischenkreisspannung. Durch Wählen eines festen Verhältnisses kann der maximale Spannungsbetrag schnell und robust bestimmt werden. Beispielsweise kann der Bruchteil 1/√3 betragen, sodass die ausgewählte maximale Spannung im α-β-Koordinatensystem im Inneren des Hexagons des Wechselrichters liegt. Dieser Zusammenhang wird unten mit Bezug auf 4 noch genauer erklärt. It is preferred that the maximum amount of voltage is determined as a predetermined, true fraction of the intermediate circuit voltage. As a result, the maximum amount of voltage is always between and the instantaneous DC link voltage. By choosing a fixed ratio, the maximum amount of voltage can be determined quickly and robustly. For example, the fraction 1 / √ 3 so that the selected maximum voltage in the α-β coordinate system lies inside the hexagon of the inverter. This relationship will be discussed below with reference to 4 explained in more detail.

Es ist weiter bevorzugt, dass der Spannungsbetrag und der maximale Spannungsbetrag mittels eines Proportional-Integral-Reglers (PI-Regler) miteinander verglichen werden. Dadurch können sowohl eine stationäre Genauigkeit als auch eine vorbestimmte Einschwingzeit gewährleistet werden. Dazu kann eine Differenz zwischen dem Spannungsbetrag und dem maximalen Spannungsbetrag gebildet werden, die mittels des PI-Reglers in eine Regelgröße umgewandelt wird. It is further preferable that the voltage amount and the maximum voltage amount are compared with each other by means of a proportional integral controller (PI controller). As a result, both a stationary accuracy and a predetermined settling time can be ensured. For this purpose, a difference between the voltage amount and the maximum voltage amount can be formed, which is converted into a controlled variable by means of the PI controller.

In einer Ausführungsform, die insbesondere mit dem Einsatz des PI-Reglers kombinierbar ist, ist die Anpassung der d-Komponente des gewünschten Stroms stets kleiner oder gleich null. Dadurch kann beispielsweise ein Aufschaukeln des PI-Reglers unterdrückt werden. Ferner kann der Integrator des PI-Reglers eingefroren oder zurückberechnet werden, wenn eine auf klassische Weise bestimmte d-Komponente des gewünschten Stroms in Summe mit dem Ausgang des PI-Reglers einen vorbestimmten Betrag über- oder unterschreitet. Eine derartige Schaltung ist auch als Anti- Windup bekannt. In an embodiment that can be combined in particular with the use of the PI controller, the adaptation of the d component of the desired current is always less than or equal to zero. As a result, for example, a build-up of the PI controller can be suppressed. Furthermore, the integrator of the PI controller can be frozen or recalculated when a conventionally determined d component of the desired current in total with the output of the PI controller exceeds or falls below a predetermined amount. Such a circuit is also known as anti-windup.

Der bestimmte Spannungsbetrag der gewünschten Spannung kann mittels eines zeitabhängigen Filters geglättet werden. Da sich dieser Spannungsbetrag im Rahmen der Regelung bzw. Steuerung der Synchronmaschine schnell ändern kann, kann ohne die Glättung ein unruhiges Verhalten des Regelverfahrens bzw. der Regelvorrichtung bedingt sein. Der Filter kann beispielsweise einen Tiefpass erster Ordnung umfassen. Andere Glättungsfilter sind ebenfalls möglich. The determined voltage amount of the desired voltage can be smoothed by means of a time-dependent filter. Since this amount of voltage can change rapidly in the context of the regulation or control of the synchronous machine, without the smoothing a restless behavior of the control method or the control device may be due. The filter may include, for example, a first-order low-pass filter. Other smoothing filters are also possible.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird eine Zeitkonstante des Filters in Abhängigkeit der Zwischenkreisspannung gesteuert, sodass bei einer hohen Zwischenkreisspannung eine große Zeitkonstante und bei einer niedrigen Zwischenkreisspannung eine niedrige Zeitkonstante verwendet wird. Ist der Spannungsbetrag relativ groß, so wirkt die große Filterzeitkonstante, um eine stark geglättete Spannung für die Einstellung der Feldschwächung zu verwenden. Ist der Spannungsbetrag jedoch relativ klein, bewirkt die kleinere Filterzeitkonstante eine schnelle Reaktion des Reglers. Dabei befindet sich die Maschine üblicherweise nicht in der Feldschwächung, sodass der PI-Regler ggf. nicht aktiv ist. Ein Übergang in die Feldschwächung kann so rasch erfolgen. In a particularly preferred embodiment, a time constant of the filter is controlled as a function of the intermediate circuit voltage, so that a high time constant is used at a high intermediate circuit voltage and a low time constant at a low intermediate circuit voltage. If the amount of voltage is relatively large, the large filter time constant acts to use a highly smoothed voltage to adjust the field weakening. However, if the amount of voltage is relatively small, the smaller filter time constant causes a fast response of the regulator. The machine is usually not in the field weakening, so the PI controller may not be active. A transition to the field weakening can be done so quickly.

Es ist weiter bevorzugt, dass mehrere feste Zeitkonstanten vorbestimmt sind und die Auswahl einer Zeitkonstante auf der Basis eines Vergleichs der Zwischenkreisspannung mit einem Schwellenwert erfolgt. Insbesondere können zwei verschiedene Zeitkonstanten verwendet werden, wofür nur ein Schwellenwert erforderlich ist. Der Schwellenwert kann beispielsweise das 0,7-fache des maximalen Spannungsbetrags betragen. In einer anderen Ausführungsform sind zwei Schaltschwellen für den Übergang zwischen benachbarten Zeitkonstanten vorgesehen, so dass eine Hysterese wirken kann. Es können auch mehr als zwei Zeitkonstanten mit zugeordneten Schaltschwellen definiert sein. It is further preferred that a plurality of fixed time constants are predetermined and the selection of a time constant on the basis of a comparison of the intermediate circuit voltage with a threshold value. In particular, two different time constants can be used, for which only one threshold is required. The threshold may be, for example, 0.7 times the maximum amount of voltage. In another embodiment, two switching thresholds are provided for the transition between adjacent time constants, so that a hysteresis can act. It is also possible to define more than two time constants with assigned switching thresholds.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass auf der Basis der angepassten d-Komponente des gewünschten Stroms eine Obergrenze und eine Untergrenze bestimmt werden und die q-Komponente des gewünschten Stroms auf den Bereich zwischen der Obergrenze und der Untergrenze begrenzt wird. Die Kopplung zwischen den d- und q-Komponenten des gewünschten Stroms kann dadurch um ein vorbestimmtes Maß reduziert werden. Die Begrenzung hat auch den Vorteil, dass die Phasenstromgrenzen nicht verletzt werden können, wodurch eine vergrößerte Lebensdauer des Wechselrichters erreicht werden kann. It is further preferred that an upper limit and a lower limit are determined based on the adjusted d component of the desired current and the q component of the desired current is limited to the range between the upper limit and the lower limit. The coupling between the d and q components of the desired current can thereby be reduced by a predetermined amount. The limitation also has the advantage that the phase current limits can not be violated, whereby an increased life of the inverter can be achieved.

Dabei ist insbesondere bevorzugt, dass die bestimmten Grenzen für die q-Komponente des gewünschten Stroms mittels eines zeitabhängigen Filters geglättet werden. Der Filter kann beispielsweise einen Tiefpass erster Ordnung umfassen. Dadurch kann die gesamte Regelung bzw. Steuerung der Synchronmaschine beruhigt werden. It is particularly preferred that the specific limits for the q-component of the desired current be smoothed by means of a time-dependent filter. The filter may include, for example, a first-order low-pass filter. As a result, the entire control or control of the synchronous machine can be calmed.

Es ist ferner bevorzugt, dass die d-Komponente des gewünschten Stroms außerdem auf der Basis einer Zwischenkreisspannung, die maximal für die Energetisierung der Spulen zur Verfügung steht, einer Drehgeschwindigkeit des Rotors gegenüber dem Stator und einer Momentanforderung begrenzt wird. Dadurch kann die Begrenzung verbessert an ein bestehendes Regelproblem angepasst werden. It is further preferred that the d-component of the desired current is also limited based on an intermediate circuit voltage which is at most available for the energization of the coils, a rotational speed of the rotor relative to the stator and an instantaneous demand. This allows the limitation to be better adapted to an existing rule problem.

Eine Vorrichtung zur Steuerung der oben beschriebenen permanenterregten Synchronmaschine umfasst eine erste Schnittstelle zur Abtastung einer Zustandsgröße der Maschine, eine erste Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung, auf der Basis der Zustandsgröße und einer Momentanforderung, von d- und q-Komponenten eines gewünschten Stroms durch die Spulen, wobei die d- und q-Komponenten in dem oben beschriebenen rotorbezogenen d/q-Koordinatensystem bestimmt werden, ferner eine zweite Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung, auf der Basis des gewünschten Stroms, von d- und q-Komponenten einer gewünschten Spannung an den Spulen im d/q-Koordinatensystem und eine zweite Schnittstelle zur Bereitstellung der d- und q-Komponenten der gewünschten Spannung an einer Einrichtung zur Transformation der Spannung in ein statorfestes, spulenbezogenes u/v/w-Koordinatensystem und zur Energetisierung der Spulen auf die Komponenten der Spannung im u/v/w-Koordinatensystem. Darüber hinaus sind eine dritte Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung eines Spannungsbetrags auf der Basis der d- und q-Komponenten der gewünschten Spannung und eine Anpassungseinrichtung zur Anpassung der d-Komponente des gewünschten Stroms in Abhängigkeit des Spannungsbetrags, um eine optimierte Feldschwächung der Synchronmaschine zu bewirken, vorgesehen. An apparatus for controlling the above-described permanent-magnet synchronous machine includes a first interface for sampling a state quantity of the machine, first determining means for determining, based on the state quantity and a moment request, d and q components of a desired current through the coils the d and q components are determined in the rotor-related d / q coordinate system described above, and second determining means for determining, based on the desired current, d and q components of a desired voltage on the coils in the d / q-coordinate system and a second interface for providing the d and q components of the desired voltage to a device for transforming the voltage into a stator fixed, coil-related u / v / w coordinate system and for energizing the coils on the components of the voltage u / v / w coordinate system. In addition, third determining means are provided for determining a voltage amount based on the d and q components of the desired voltage and an adjusting means for adjusting the d component of the desired current in dependence on the amount of voltage to effect optimized field weakening of the synchronous machine ,

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen: The invention will now be described in more detail with reference to the attached figures, in which:

1 eine Steuervorrichtung für eine Synchronmaschine; 1 a control device for a synchronous machine;

2 eine Bestimmung einer Feldschwächung an der Steuervorrichtung von 1; 2 a determination of a field weakening at the control device of 1 ;

3 eine Bestimmung einer Stromschwächung an der Steuervorrichtung von 1; 3 a determination of a current attenuation at the control device of 1 ;

4 ein α-β-Diagramm an der Maschine von 1; 4 an α-β diagram on the machine of 1 ;

5 einen Verlauf einer Steuerspannung an der Steuervorrichtung von 1; 5 a course of a control voltage to the control device of 1 ;

6 Verläufe an einer bekannten Steuerung einer Synchronmaschine und 6 Gradients on a known controller of a synchronous machine and

7 Verläufe an der Steuerung von 1 darstellt. 7 Gradients at the control of 1 represents.

1 zeigt eine Steuervorrichtung 100 zur Steuerung einer Synchronmaschine 105. Exemplarisch ist eine feldorientierte Steuerung mit einstellbarer Dynamik dargestellt, obwohl die vorgeschlagene Technik auch im Zusammenhang mit einer anderen feldorientierten Regelung oder feldorientierten Steuerung durchgeführt werden kann. Die Synchronmaschine 105 umfasst einen Rotor (Läufer) 110 mit einem Permanentmagnet 115 zur Bereitstellung eines ersten Magnetfelds und einen Stator (Ständer) 120 mit drei Spulen 125 zur Bereitstellung eines zweiten Magnetfelds. Der Rotor 110 ist gegenüber dem Stator 120 drehbar angeordnet und die Spulen 125 sind üblicherweise um jeweils 120° auf einem Umfang um die Drehachse des Rotors 110 versetzt angeordnet. In der dargestellten Ausführungsform sind die Spulen 125 in Dreiecksanordnung miteinander verschaltet; in einer anderen Ausführungsform können die Spulen 125 auch in einer Sternanordnung miteinander verbunden sein. 1 shows a control device 100 for controlling a synchronous machine 105 , By way of example, a field-oriented control with adjustable dynamics is shown, although the proposed technique can also be performed in conjunction with another field-oriented control or field-oriented control. The synchronous machine 105 includes a rotor (rotor) 110 with a permanent magnet 115 for providing a first magnetic field and a stator (stator) 120 with three coils 125 for providing a second magnetic field. The rotor 110 is opposite the stator 120 rotatably arranged and the coils 125 are usually about 120 ° on a circumference about the axis of rotation of the rotor 110 staggered. In the illustrated embodiment, the coils 125 interconnected in triangular arrangement; in another embodiment, the coils 125 also be connected to each other in a star arrangement.

Die Steuervorrichtung 100 umfasst eine erste Schnittstelle 130 zur Abtastung einer Zustandsgröße der Maschine 105. Vorliegend wird ein Drehwinkel abgetastet; in anderen Ausführungsformen können zusätzlich oder alternativ noch andere Zustandsgrößen abgetastet werden, beispielsweise ein Strom, eine Spannung oder ein magnetischer Fluss. Eine zweite Schnittstelle 135 ist bevorzugterweise zur Entgegennahme eines geforderten Drehmomentwerts der Maschine 105 eingerichtet. In einer anderen Ausführungsform kann auch ein anderer oder zusätzlicher Parameter über die zweite Schnittstelle 135 entgegengenommen werden, beispielsweise eine Drehzahl. Es können auch mehrere zweite Schnittstellen 135 vorgesehen sein, um Steuerungsparameter entgegenzunehmen. The control device 100 includes a first interface 130 for sampling a state variable of the machine 105 , In the present case, a rotation angle is scanned; In other embodiments, additionally or alternatively, other state variables may be sampled, for example a current, a voltage or a magnetic flux. A second interface 135 is preferably for receiving a required torque value of the machine 105 set up. In another embodiment, another or additional parameter may also be provided via the second interface 135 be taken, for example, a speed. There can also be several second interfaces 135 be provided to receive control parameters.

Eine erste Bestimmungseinrichtung 140 ist dazu eingerichtet, auf der Basis der Zustandsgröße und der Momentanforderung d- und q-Komponenten eines gewünschten Stroms durch die Spulen 125 zu bestimmen. Die d- und q-Komponenten werden dabei in einem auf den Rotor 110 bezogenen d/q-Koordinatensystem bestimmt, in dem die d-Achse parallel zum magnetischen Fluss des Rotors 110 gerichtet ist. Die q-Achse steht üblicherweise senkrecht auf der d-Achse. Eine zweite Bestimmungseinrichtung 145 ist dazu vorgesehen, auf der Basis des gewünschten Stroms d- und q-Komponenten einer gewünschten Spannung an den Spulen 125 im d/q-Koordinatensystem zu bestimmen. Eine dritte Schnittstelle 150 wird dazu verwendet, die d- und q-Komponenten der gewünschten Spannung an eine Einrichtung 155 bereitzustellen. Die Einrichtung 155 wird üblicherweise nicht zur Steuerung 100 gezählt, jedoch sind auch Steuerungen 100 vorstellbar, die eine oder mehrere Komponenten der Einrichtung 155 umfassen. A first determination device 140 is configured, on the basis of the state quantity and the instantaneous demand, d and q components of a desired current through the coils 125 to determine. The d and q components are in one on the rotor 110 determined d / q coordinate system, in which the d-axis parallel to the magnetic flux of the rotor 110 is directed. The q-axis is usually perpendicular to the d-axis. A second determination device 145 is intended, on the basis of the desired current, to have d and q components of a desired voltage across the coils 125 in the d / q coordinate system. A third interface 150 is used to connect the d and q components of the desired voltage to a device 155 provide. The device 155 is usually not for control 100 counted, but are also controls 100 conceivable, the one or more components of the device 155 include.

Die Einrichtung 155 umfasst einen Transformator 160 zur Umsetzung der Spannung in ein auf den Stator 120 bzw. die Spulen 125 bezogenes u/v/w-Koordinatensystem, einen Vektormodulator 165 zur Bereitstellung von Pulsweitenmodulationen auf der Basis dreier bestimmter Spannungen des Transformators 160 und einen Wechselrichter 170 zur Energetisierung der Spulen 125 in Abhängigkeit der Pulsweitenmodulationssignale (PWM-Signale) des Vektormodulators 165. Der Transformator kann auch in das α-β-Koordinatensystem transformieren, wenn der Vektormodulator 165 dafür ausgelegt ist, entsprechende Werte zu akzeptieren. Man spricht auch von einer Raumvektormodulation. Der Wechselrichter 170 umfasst üblicherweise drei Halbbrücken, deren Schalter jeweils in Abhängigkeit eines zugeordneten PWM-Signals alternierend durchgeschaltet werden. Dadurch wird ein Anschluss einer Spule 125 mit einem vorbestimmten Tastverhältnis abwechselnd an einen positiven und einen negativen Anschluss einer Zwischenkreisspannung geschaltet, sodass sich im Mittel die gewünschte Spannung einstellt. Die Zwischenkreisspannung kann beispielsweise einer Batteriespannung entsprechen, insbesondere wenn die Steuerung 100 an Bord eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist. In letzterem Fall kann die Zwischenkreisspannung auch einer Bordspannung entsprechen. The device 155 includes a transformer 160 to put the voltage in an on the stator 120 or the coils 125 referenced u / v / w coordinate system, a vector modulator 165 to provide pulse width modulation based on three specific voltages of the transformer 160 and an inverter 170 for energizing the coils 125 as a function of the pulse width modulation (PWM) signals of the vector modulator 165 , The transformer can also transform into the α-β coordinate system when the vector modulator 165 is designed to accept corresponding values. One speaks also of a space vector modulation. The inverter 170 usually includes three half-bridges whose switches are alternately turned on in response to an associated PWM signal. This will be a connection of a coil 125 alternately connected to a positive and a negative terminal of a DC link voltage with a predetermined duty cycle, so that the desired voltage is adjusted on average. The intermediate circuit voltage may correspond, for example, to a battery voltage, in particular if the controller 100 is arranged on board a motor vehicle. In the latter case, the DC link voltage can also correspond to an on-board voltage.

Im Folgenden soll die Arbeitsweise der Steuervorrichtung 100 am vorliegenden Beispiel genauer beschrieben werden. Dazu wird exemplarisch eine Steuerung vorausgesetzt, die in Abtastschritten arbeitet, die üblicherweise gleiche Zeitabstände zueinander haben. Ein aktueller Abtastschritt hat den Index (k), der davor liegende den Index (k – 1) und der nachfolgende (k + 1). Für die folgenden mathematischen Zusammenhänge gelten folgende Bezeichnungen:

Ψ:: Polradfluß
ωel:: elektrische Winkelgeschwindigkeit
θm:: mechanischer Winkel
θel:: elektrischer Winkel
Zp:: Polpaarzahl der Maschine
Usα, Usβ:: Spannungen im α,β-Koordinatensystem
Usd_k, Usq_k:: geforderte Spannungen im d,q-Koordinatensystem (aktuell)
Usd_k-1, Usq_k-1:: geforderte Spannungen im d,q-Koordinatensystem (ein Abtastschritt zuvor), wobei Usq_k-1 die geforderte Spannung ein Abtastschritt zuvor ist, vorzugsweise ohne den Wert des Termes Ψwel (Polradspannung)
Isd_k, Isq_k:: Sollströme im d,q-Koordinatensystem (aktuell)
Isd_k-1, Isq_k-1:: Sollströme im d,q-Koordinatensystem (ein Abtastschritt zuvor)
Lsd:: Maschineninduktivität entlang d-Achse
Lsq:: Maschineninduktivität entlang q-Achse
TEd:: elektrische Zeitkonstante der Maschine entlang d-Achse (=Lsd/R)
TEq:: elektrische Zeitkonstante der Maschine entlang q-Achse (=Lsq/R)
T1:: gewünschte Zeitkonstante entlang d-Achse
T2:: gewünschte Zeitkonstante entlang q-Achse
T:: verwendete Abtastzeit
Udc:: Zwischenkreisspannung (entspricht in manchen Anwendungen in der Automobilindustrie der Batterie- oder Bordspannung)
PWM123:: PWM-Werte zur Ansteuerung des Wechselrichters
R:: Widerstand einer Spule
Imax:: maximal zulässiger Strom durch den Wechselrichter 170

The following is the operation of the control device 100 be described in more detail in the present example. For this purpose, a control is assumed as an example, which operates in sampling steps, which usually have the same time intervals to each other. A current sampling step has the index (k), the preceding (k-1) and the subsequent (k + 1). The following terms apply to the following mathematical relationships:

Ψ:: Polradfluß
ωel:: electrical angular velocity
.theta..sub.M:: mechanical angle
θel:: electrical angle
Zp:: Pole pair number of the machine
Usα, Usβ:: Stresses in the α, β coordinate system
Usd_k, Usq_k:: required voltages in the d, q coordinate system (current)
Usd_k-1, Usq_k-1:: required voltages in the d, q coordinate system (one sampling step before), where Usq_k-1 is the required voltage one sample step before, preferably without the value of the term Ψwel (pole wheel voltage)
Isd_k, Isq_k:: Target currents in the d, q coordinate system (current)
Isd_k-1, Isq_k-1:: Target currents in the d, q coordinate system (one sampling step before)
lSD:: Machine inductance along the d-axis
Lsq:: Machine inductance along the q-axis
TEd:: electrical time constant of the machine along the d-axis (= Lsd / R)
TEq:: electrical time constant of the machine along the q-axis (= Lsq / R)
T1:: desired time constant along the d-axis
T2:: desired time constant along q-axis
T:: used sampling time
UDC:: DC link voltage (equivalent to battery or vehicle voltage in some applications in the automotive industry)
PWM123:: PWM values for controlling the inverter
R:: Resistance of a coil
Imax:: maximum permissible current through the inverter 170

Die Bestimmung der gewünschten Spannung auf der Basis des gewünschten Stroms mittels der zweiten Bestimmungseinrichtung 145 erfolgt auf der Basis der Gleichungen 1 und 2:

The determination of the desired voltage on the basis of the desired current by means of the second determining device 145 is based on Equations 1 and 2:

Im vorliegenden Beispiel ist eine Bestimmung der tatsächlich durch die Spulen 125 fließenden Ströme nicht erforderlich. Der nötige Referenzstrom wird auf der Basis von Gleichung 3 ermittelt:

In the present example, a determination is actually made by the coils 125 flowing currents are not required. The required reference current is determined on the basis of equation 3:

Es ist üblich, das magnetische Feld der Spulen 125 bei Bedarf zu schwächen, um die Steuervorrichtung 100 im Rahmen ihrer Betriebsparameter zu halten. Üblicherweise wird dies mittels einer Feldschwächung 175 erreicht, die die Bestimmung von Gleichung 4 durchführt:

It is common for the magnetic field of the coils 125 if necessary weaken to the control device 100 within their operating parameters. This is usually done by means of a field weakening 175 achieving the determination of Equation 4:

Es wird vorgeschlagen, die Feldschwächung 175 auf der Basis eines Spannungsbetrags der gewünschten Spannung im d/q-Koordinatensystem zu bestimmen. Dazu ist ein Betragsbestimmer 180 vorgesehen, der beispielsweise die kartesischen Koordinaten der gewünschten Spannung in Polarkoordinaten umwandelt und die Länge des sich ergebenden Vektors ausgibt. Es wird weiter vorgeschlagen, eine Strombegrenzung 185 zu verwenden, um die q-Komponente des gewünschten Stroms am Eingang der zweiten Bestimmungseinrichtung 145 in Abhängigkeit der d-Komponente des gewünschten Stroms zu limitieren. It is suggested the field weakening 175 on the basis of a voltage amount of the desired voltage in the d / q coordinate system. This is an amount determiner 180 provided, for example, converts the Cartesian coordinates of the desired voltage in polar coordinates and outputs the length of the resulting vector. It is further proposed a current limit 185 to use the q component of the desired current at the input of the second determiner 145 depending on the d-component of the desired current limit.

2 zeigt einen Vorschlag zur Bestimmung der Feldschwächung. Mittels des Betragsbestimmers 180 wird der Spannungsbetrag der gewünschten Spannung für die Spulen 125 bestimmt. Der gewünschte Spannungsbetrag wird mit einem maximalen Spannungsbetrag verglichen, der auf der Basis der Zwischenkreisspannung bestimmt wird. Bevorzugterweise ist der maximale Spannungsbetrag ein echter Bruchteil der Zwischenkreisspannung, sodass die Bestimmung mittels eines Teilers 205 durchgeführt werden kann. Das Vergleichssignal wird zu einem Signal addiert, das beispielsweise mittels der Feldschwächung 175 auf der Basis der Gleichung 4 bestimmt wird. Ist der Differenzbetrag positiv, so wird das Feldschwächungssignal angehoben, ist er negativ, so wird das Feldschwächungssignal abgesenkt. Die Summe der beiden Signale wird bevorzugterweise in einem Begrenzer 210 begrenzt, sodass das entstehende und an die zweite Bestimmungseinrichtung 145 weitergeleitete Signal der d-Komponente des gewünschten Stroms in einem vorbestimmten Intervall liegt. Die d-Komponente ist üblicherweise stets negativ, wobei die Untergrenze (das Minimum) üblicherweise auf der Basis der Belastungsfähigkeit des Wechselrichters 170 bestimmt ist. Dieser Wert kann bei einer Applikation zur Lenkkraftunterstützung in einem Kraftfahrzeug beispielsweise bei ca. -110 Ampere liegen. Die Obergrenze (das Maximum) des Begrenzers 210 kann bei null gewählt sein. Unter bestimmten Umständen kann die Obergrenze auch etwas kleiner gewählt sein, beispielsweise bei ca. –10 Ampere. 2 shows a proposal to determine the field weakening. By means of the amount determiner 180 becomes the voltage amount of the desired voltage for the coils 125 certainly. The desired amount of voltage is compared with a maximum amount of voltage determined based on the intermediate circuit voltage. Preferably, the maximum amount of voltage is a true fraction of the intermediate circuit voltage, so that the determination by means of a divider 205 can be carried out. The comparison signal is added to a signal, for example by means of the field weakening 175 is determined on the basis of equation 4. If the difference is positive, the field weakening signal is raised, if it is negative, the field weakening signal is lowered. The sum of the two signals is preferably in a limiter 210 limited so that the resulting and the second determination device 145 forwarded signal of the d component of the desired current is within a predetermined interval. The d component is usually always negative, with the lower limit (the minimum) usually based on the load capacity of the inverter 170 is determined. This value can be in an application for power steering in a motor vehicle, for example, about -110 amps. The upper limit (the maximum) of the limiter 210 can be selected at zero. Under certain circumstances, the upper limit may also be somewhat smaller, for example at about -10 amperes.

Es ist bevorzugt, einen PI-Regler 215 in das Differenzsignal einzuschleifen, um einen proportionalen und einen integralen Anteil des Differenzsignals zu steuern. Dabei kann ein sogenannter Anti-Windup berücksichtigt werden. Wenn die Summe der am Begrenzer 210 anliegenden Signale oberhalb des Maximumwertes oder unterhalb des Minimumwertes liegt, kann der Integrator des PI-Reglers 215 eingefroren werden. Alternativ dazu kann der Integratorwert so berechnet werden, dass die Überschreitung der Grenzen des Begrenzers 210 nicht mehr erfolgt. Außerdem kann der PI-Regler 215 nur dann aktiviert werden, wenn das durch die Feldschwächung 175 bestimmte Signal negativ ist. Andernfalls kann das ursprünglich bestimmte Feldschwächungssignal unverändert ausgegeben werden. Dadurch kann zusätzlich erreicht werden, dass die Regelung nur im Feldschwächungsbereich aktiv ist. It is preferable to use a PI controller 215 into the differential signal to control a proportional and an integral portion of the difference signal. In this case, a so-called anti-windup can be considered. If the sum of the limiter 210 applied signals above the maximum value or below the minimum value, the integrator of the PI controller 215 be frozen. Alternatively, the integrator value may be calculated such that exceeding the limits of the limiter 210 not done anymore. In addition, the PI controller 215 only be activated if that by the field weakening 175 certain signal is negative. Otherwise, the originally determined field weakening signal can be output unchanged. This can additionally be achieved that the control is active only in the field weakening range.

Bevorzugterweise wird das Spannungssignal des Betragsbestimmers 180 mittels eines zeitabhängigen Filters 220 geglättet. Der Filter 220 kann beispielsweise einen Tiefpass erster Ordnung umfassen. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann eine Filterzeitkonstante des Filters 220 in Abhängigkeit des Spannungsbetrags geändert werden. In der dargestellten Ausführungsform wird ein Schwellenwert auf der Basis des Ausgangssignals des Teilers 205 bestimmt und die Zeitkonstante des Filters 220 wird auf einen großen Wert eingestellt, wenn der Spannungsbetrag über dem Schwellenwert liegt und auf einen kleinen Wert, falls er darunterliegt. Die Bestimmung der Filterzeitkonstante kann mittels eines Vergleichers 225 durchgeführt werden. Zur Bildung einer Hysterese ist auch die Verwendung von mehreren Schwellenwerten möglich. Außerdem können auch mehr als zwei verschiedene Filterzeitkonstanten mit zugeordneten Schwellenwerten angesetzt werden. Preferably, the voltage signal of the magnitude determiner becomes 180 by means of a time-dependent filter 220 smoothed. The filter 220 For example, it may include a first order low pass. In a further preferred embodiment, a filter time constant of the filter 220 be changed depending on the voltage amount. In the illustrated embodiment, a threshold will be based on the output of the divider 205 determined and the time constant of the filter 220 is set to a large value when the amount of voltage is above the threshold and to a small value if it is lower. The determination of the filter time constant can be done by means of a comparator 225 be performed. To form a hysteresis, the use of multiple thresholds is possible. In addition, more than two different filter time constants can be set with associated threshold values.

3 zeigt eine Strombegrenzung 185 an der Steuervorrichtung 100 von 1. Die dargestellte Strombegrenzung 185 wird bevorzugterweise in Kombination mit der Feldschwächung 175 einer der Ausführungsformen von 2 verwendet. 3 shows a current limit 185 at the control device 100 from 1 , The illustrated current limit 185 is preferably combined with the field weakening 175 one of the embodiments of 2 used.

Auf der Basis der d-Komponente des gewünschten Stroms, die beispielsweise durch die erste Bestimmungseinrichtung 140 bereitgestellt sein kann, werden ein Minimalwert und ein Maximalwert für die q-Komponente des gewünschten Stroms bestimmt. Der Maximalwert ist üblicherweise durch die Bauart des Wechselrichters 170 oder der Synchronmaschine 105 vorgegeben. Bevorzugterweise wird eine geometrische Differenzbildung durchgeführt, bei der die Wurzel aus der Differenz der Quadrate bestimmt wird. Der sich ergebende Term wird bevorzugterweise mittels eines zeitabhängigen Filters 305, der insbesondere einen Tiefpass erster Ordnung umfassen kann, gefiltert. Die Filterzeitkonstante kann der des Filters 220 aus 2 entsprechen. Der solchermaßen bestimmte Wert ist der Maximalwert, ein dazu negierter Wert der Minimalwert eines Begrenzers 310, der dafür sorgt, dass die q-Komponente des gewünschten Stroms stets zwischen dem Minimalwert und dem Maximalwert liegt. Solange der Eingangswert des Begrenzers 310 zwischen Minimal- und Maximalwerten liegt, entspricht der Ausgangswert dem Eingangswert. Übersteigt der Eingangswert den Maximalwert, so entspricht der Ausgangswert dem Maximalwert. Fällt der Eingangswert unter den Minimalwert, so entspricht der Ausgangswert dem Minimalwert. On the basis of the d-component of the desired current, for example, by the first determining means 140 may be provided, a minimum value and a maximum value are determined for the q component of the desired current. The maximum value is usually due to the design of the inverter 170 or the synchronous machine 105 specified. Preferably, a geometric difference is performed, in which the root is determined from the difference of the squares. The resulting term is preferably done by means of a time-dependent filter 305 in particular, which may comprise a first-order low-pass filter. The filter time constant may be that of the filter 220 out 2 correspond. The value determined in this way is the maximum value, a value negated for this purpose is the minimum value of a limiter 310 which ensures that the q component of the desired current is always between the minimum value and the maximum value. As long as the input value of the limiter 310 between minimum and maximum values, the output value corresponds to the input value. If the input value exceeds the maximum value, the output value corresponds to the maximum value. If the input value falls below the minimum value, then the output value corresponds to the minimum value.

4 zeigt Spannungen der Maschine 105 im α-β-Diagramm. Ein Hexagon 405 zeigt den maximalen Steuerbereich des Wechselrichters 170. Arbeitet der Teiler 205 mit einem Teilungsverhältnis von 1:√3, so wird der Wechselrichter 170 mit Werten betrieben, die auf einem Inkreis 410 liegen. Zu erwartende Verzerrungen sind dabei minimal. Der Vollständigkeit halber ist noch ein Umkreis 415 eingezeichnet, auf dem Ecken des Hexagons 405 liegen. Aufgrund der zu erwartenden Verzerrungen und Überströme ist die Verwendung von Parametern im Bereich des Umkreises 415 nicht empfohlen. 4 shows tensions of the machine 105 in the α-β diagram. A hexagon 405 shows the maximum control range of the inverter 170 , Works the divider 205 with a division ratio of 1: √ 3 . this is how the inverter works 170 operated with values on an inscribed circle 410 lie. Expected distortions are minimal. For the sake of completeness is still a radius 415 drawn on the corners of the hexagon 405 lie. Due to the expected distortions and overcurrents, the use of parameters in the vicinity of the circumference 415 not recommended.

5 zeigt einen Verlauf eines Spannungsbetrags 505 auf der Basis der d- und q-Komponenten der gewünschten Spannung. Ein maximaler Spannungsbetrag 510 und ein Schwellenwert 515, der bevorzugterweise als echter Bruchteil des Spannungsbetrags 510 bestimmt wird, sind ebenfalls eingezeichnet. Der Schwellenwert 515 kann beispielsweise das 0,7-fache des Spannungsbetrags 510 betragen. 5 shows a course of a voltage amount 505 based on the d and q components of the desired voltage. A maximum amount of tension 510 and a threshold 515 , preferably as a true fraction of the amount of stress 510 is determined, are also shown. The threshold 515 for example, can be 0.7 times the amount of voltage 510 be.

In einem ersten Abschnitt 520 liegt der Spannungsbetrag 505 oberhalb des Schwellenwerts 515, in einem zweiten Abschnitt 525 darunter und in einem dritten Abschnitt 530 wieder darüber. In den Abschnitten 520 und 530 wird daher mittels des Filters 220 bevorzugterweise eine starke Filterung mittels einer großen Zeitkonstante durchgeführt. Im zweiten Abschnitt 525 erfolgt hingegen eine schwächere Filterung mit einer kleineren Filterzeitkonstante. In a first section 520 is the voltage amount 505 above the threshold 515 in a second section 525 below and in a third section 530 again about it. In the sections 520 and 530 is therefore using the filter 220 preferably carried out a strong filtering by means of a large time constant. In the second section 525 On the other hand, a weaker filtering takes place with a smaller filter time constant.

6 und 7 zeigen zeitliche Verläufe von Parametern an einer Steuervorrichtung 100 für eine Synchronmaschine 105. Die angegebenen Größen sind jeweils exemplarischer Natur. 6 bezieht sich auf eine bekannte Steuervorrichtung, während 7 die vorgeschlagene Steuervorrichtung 100 aus 1 betrifft, sodass die beiden Figuren miteinander vergleichbar sind, um die Vorteile der hier vorgestellten Technik zu erkennen. 6 and 7 show time profiles of parameters on a control device 100 for a synchronous machine 105 , The sizes given are each of an exemplary nature. 6 refers to a known control device while 7 the proposed control device 100 out 1 so that the two figures are comparable to one another in order to recognize the advantages of the technology presented here.

Im Einzelnen sind eingezeichnet: ein Sollwert 605 der d-Komponente des gewünschten Stroms, ein Istwert 610 der d-Komponente des gewünschten Stroms, ein Sollwert 615 der q-Komponente des gewünschten Stroms, ein Istwert 620 der q-Komponente des gewünschten Stroms, eine Solldrehzahl 625, ein Sollwert 630 des gewünschten Phasenstroms, ein Istwert 635 des gewünschten Phasenstroms, eine Spannungsamplitude 640 und ein Vergleichswert 645, der dem Inkreis 410 aus 4 entspricht. Die Darstellung entspricht einer Simulation der oben beschriebenen feldorientierten Steuerung 100 mit Feldschwächung 175 bei Sättigungseffekten in der Maschine 105 und erhöhter Temperatur. Es ist zu sehen, dass bei der Steuervorrichtung 100 im Vergleich zu einer bekannten Steuervorrichtung die maximalen Ströme gut eingehalten und Spannungen gut ausgenutzt sind. Die Ströme sind darüber hinaus gut eingeregelt. The following are shown in detail: a setpoint 605 the d component of the desired current, an actual value 610 the d component of the desired current, a setpoint 615 the q component of the desired current, an actual value 620 the q-component of the desired current, a setpoint speed 625 , a setpoint 630 the desired phase current, an actual value 635 the desired phase current, a voltage amplitude 640 and a comparative value 645 who is the circle of insignia 410 out 4 equivalent. The representation corresponds to a simulation of the field-oriented control described above 100 with field weakening 175 saturation effects in the machine 105 and elevated temperature. It can be seen that in the control device 100 compared to a known control device, the maximum currents are well respected and voltages are well utilized. The currents are also well controlled.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100 100: Steuervorrichtung control device
105 105: Synchronmaschine synchronous machine
110 110: Rotor (Läufer) Rotor (runner)
115 115: Permanentmagnet permanent magnet
120 120: Stator stator
125 125: Spule Kitchen sink
130 130: erste Schnittstelle first interface
135 135: zweite Schnittstelle second interface
140 140: erste Bestimmungseinrichtung first determination device
145 145: zweite Bestimmungseinrichtung second determination device
150 150: dritte Schnittstelle third interface
155 155: Einrichtung Facility
160 160: Transformator transformer
165 165: Vektormodulator vector modulator
170 170: Wechselrichter inverter
175 175: Feldschwächung field weakening
180 180: Betragsbestimmer Betragsbestimmer
185 185: Strombegrenzung current limit
205 205: Teiler divider
210 210: Begrenzer limiter
215 215: PI-Regler PI controller
220 220: Filter filter
225 225: Vergleicher comparator
305 305: Filter filter
310 310: Begrenzer limiter
405 405: Hexagon hexagon
410 410: Inkreis Inkreis
415 415: Umkreis perimeter
505 505: Spannungsbetrag voltage magnitude
510 510: maximaler Spannungsbetrag maximum amount of tension
515 515: Schwellenwert threshold
520 520: erster Abschnitt first section
525 525: zweiter Abschnitt second part
530 530: dritter Abschnitt third section
605 605: d-Komponente des gewünschten Stroms (soll) d component of the desired stream (should)
610 610: d-Komponente des gewünschten Stroms (ist) d component of the desired stream (is)
615 615: q-Komponente des gewünschten Stroms (soll) q component of the desired stream (should)
620 620: q-Komponente des gewünschten Stroms (ist) q component of the desired stream (is)
625 625: Solldrehzahl Target speed
630 630: gewünschter Phasenstrom (soll) desired phase current (should)
635 635: gewünschter Phasenstrom (ist) desired phase current (is)
640 640: Spannungsamplitude voltage amplitude
645 645: Vergleichswert comparison value

Claims

Method for controlling a permanent-magnet synchronous machine ( 105 ) with a rotor ( 110 ) and a stator ( 120 ), which are rotatably mounted against each other, wherein the rotor ( 110 ) a permanent magnet ( 115 ) for providing a first magnetic field and the stator ( 120 ) three coils offset on a circumference ( 125 ) for providing a second magnetic field, comprising the following steps: - sensing a state variable of the machine ( 105 ); Determining, on the basis of the state quantity and an instantaneous demand, d and q components of a desired current through the coils, - wherein the d and q components are determined in a rotor-related d / q coordinate system in which the d Axis parallel to the magnetic flux of the rotor ( 110 ), - determining ( 145 ), based on the desired current, of d and q components of a desired voltage across the coils in the d / q coordinate system, - providing ( 150 ) of the d and q components of the desired voltage to a device ( 155 ) for transforming the voltage into a stator-fixed, coil-related u / v / w coordinate system and for energizing the coils on the components of the voltage in the u / v / w coordinate system, characterized by - determining ( 180 ) of a voltage amount ( 505 ) based on the d and q components of the desired voltage and - fitting ( 175 ) of the d component of the desired current as a function of the voltage ( 505 ) to optimize the field weakening of the synchronous machine ( 105 ) to effect.

The method of claim 1, further comprising the steps of: - determining ( 205 ) of a maximum amount of tension ( 510 ) based on the DC link voltage; - Compare the amount of voltage ( 505 ) with the maximum amount of tension ( 510 ) and - adjusting the d component of the desired current as a function of the comparison result.

Method according to claim 2, wherein the maximum amount of stress ( 510 ) is determined as a predetermined, true fraction of the intermediate circuit voltage ( 205 ) becomes.

Method according to claim 2 or 3, wherein the amount of stress ( 505 ) and the maximum amount of tension ( 510 ) by means of a proportional-integral controller ( 215 ) are compared.

Method according to one of claims 2 to 4, wherein the adjustment of the d-component of the desired current is always less than or equal to zero.

Method according to one of the preceding claims, wherein the determined amount of stress ( 505 ) by means of a time-dependent filter ( 220 ) is smoothed.

Method according to claim 6, wherein a time constant of the filter ( 220 ) is controlled as a function of the intermediate circuit voltage ( 225 ), so that a high time constant is used with a high DC link voltage and a low time constant with a low DC link voltage.

The method of claim 7, wherein a plurality of time constants are predetermined and the selection of a time constant based on a comparison of the intermediate circuit voltage with a threshold ( 510 . 515 ) he follows.

Method according to one of the preceding claims, wherein an upper limit and a lower limit are determined on the basis of the adjusted d-component of the desired current and the q-component of the desired current is limited to the range between the upper limit and the lower limit ( 310 ) becomes.

Method according to claim 9, wherein the determined limits are determined by means of a time-dependent filter ( 305 ) are smoothed.

Method according to one of the preceding claims, wherein the d-component of the desired current is further determined on the basis of an intermediate circuit voltage which is at maximum for the energization of the coils ( 125 ), a rotational speed of the rotor relative to the stator ( 120 ) and a moment request is limited.

Device for controlling a permanent-magnet synchronous machine ( 105 ) with a rotor ( 110 ) and a stator ( 120 ), which are rotatably mounted against each other, wherein the rotor ( 110 ) a permanent magnet ( 115 ) for providing a first magnetic field and the stator ( 120 ) three coils offset on a circumference ( 125 ) for providing a second magnetic field, the device comprising: - a first interface ( 135 ) (= 130?) For sampling a state variable of the machine ( 105 ); A first determination device ( 140 ) for determining, on the basis of the state quantity and a momentary demand, d and q components of a desired current through the coils ( 125 ), Where the d and q components are determined in a rotor-related d / q coordinate system in which the d-axis is parallel to the magnetic flux of the rotor ( 110 ), - a second determining device ( 145 ) for determining, based on the desired current, d and q components of a desired voltage across the coils (125?) in the d / q coordinate system, - a second interface ( 150 ) (= 135?) For providing the d and q components of the desired voltage to a device ( 155 ) for transforming the voltage into a stator-fixed, coil-related u / v / w coordinate system and for energizing the coils ( 125 ) to the components of the voltage in the u / v / w coordinate system, characterized by - a third determining device ( 180 ) for determining a voltage amount based on the d and q components of the desired voltage, and - an adjustment device ( 175 ) for adapting the d component of the desired current as a function of the voltage magnitude in order to achieve optimized field weakening of the synchronous machine ( 105 ) to effect.