DE102014224263A1 - Sensorloses Steuerverfahren für einen Motor und ein dieses verwendendes System - Google Patents

Sensorloses Steuerverfahren für einen Motor und ein dieses verwendendes System Download PDF

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Jaesik Yang
Kitae YEOM
Sung Won KIM
Tae Won Hwang
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Abstract

Ein sensorloses Steuerverfahren für einen Motor, ausgeführt von einem sensorlosen Controller mit einem gegenelektromotorische-Kraft(”back electromotive force”, Back-EMF)-Ermittler und einem Phasenregelschleifen(”phase locked loop”, PLL)-Regler, umfassend: Abschätzen einer Back-EMF des Motors unter Verwendung des Back-EMF-Ermittlers; Berechnen eines elektrischen-Winkelfehlers gemäß einem Eisenverlust des Motors basierend auf der abgeschätzten Back-EMF; und Kompensieren des berechneten elektrischen-Winkelfehlers, Eingeben des kompensierten elektrischen-Winkelfehlers in den PLL-Regler zum Abschätzen eines tatsächlichen Winkels und Steuern des Motors basierend auf dem abgeschätzten tatsächlichen Winkel.

Description

  • HINTERGRUND
  • (a) Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein sensorloses Steuerverfahren für einen Motor und ein dieses verwendendes System, und spezifischer ein sensorloses Steuerverfahren für einen Motor und ein dieses verwendendes System zur stabilen Ausübung einer sensorlosen Steuerung in einem Ultrahochgeschwindigkeits-Fahrbereich eines Motors durch Hinzufügen eines auf Eisenverlust des Motors basierenden Steuermodells zu einem gegenelektromotorische-Kraft(”back electromotive force”, Back-EMF)-Ermittler und zum Erhalten eines präzisen elektrischen-Winkelfehlers basierend auf dem Eisenverlust durch das Steuermodell.
  • (b) Beschreibung des Stands der Technik
  • Wie aus dem Stand der Technik bekannt, ist der für einen elektrischen Turbolader bereitgestellte Motor typischerweise sehr klein und kann daher stark von dessen charakteristischen Verlust beeinflusst werden. Wenn folglich der Motor von einem konventionellen sensorlosen Steuerverfahren betrieben wird, wird ein elektrischer-Winkelfehler desselben in einem Ultrahochgeschwindigkeits-Fahrbereich größer, und der Motor kann daher nicht gemäß einem präzisen Winkel gesteuert werden, woraus eine ungesteuerte Situation resultiert.
  • Mit Verweis auf 1, welche einen Controller für einen typischen Permanentmagnet-Elektromotor illustriert, ermittelt ein sensorloses Steuerverfahren mit Hilfe eines gemessenen Phasenstroms, von d-Achsen-, q-Achsen-Spannung und von Strombefehlen, welche vom gemessenen Phasenstrom zum Erhalt eines elektrischen-Winkelfehlers (Δθ) abgeschätzt wurden, die Back-EMF. Ein Phasenregelschleifen(”phase locked loop”, PLL)-Regler wird dazu verwendet, den erhaltenen elektrischen Phasenwinkel auf Null zu verändern. Eine abgeschätzte Winkelgeschwindigkeitsinformation kann von der Ausgabe des Phasenregelschleifen-Controllers, in welcher der erhaltene elektrische-Winkelfehler eliminiert wurde, erhalten und in einer Vektorregelung des Motors verwendet werden.
  • Um einen präzisen elektrischen-Winkelfehler zu erhalten, ist es nötig, die Back-EMF zu bestimmen, und die Bestimmung der Back-EMF kann vom Motormodell erhalten werden. Im Allgemeinen wird ein Motormodell verwendet, welches Eisenverlust nicht berücksichtigt, was zum Steuern eines Ultrahochgeschwindigkeitsmotors, bei welchem erheblicher Eisenverlust auftritt, nicht geeignet ist. Folglich resultiert beim Steuern des Ultrahochgeschwindigkeitsmotors ein großer elektrischer-Winkelfehler, was das konventionelle sensorlose Steuerverfahren wegen des großen resultierenden elektrischen-Winkelfehlers unstabil macht. Es ist daher schwierig, die sensorlose Steuerung in einem Ultrahochgeschwindigkeits-Bereich von etwa 50.000 Umdrehungen pro Minute oder mehr auszuüben.
  • Die obigen Informationen, die in diesem Hintergrundabschnitt offenbart sind, dienen lediglich der Vergrößerung des Verständnisses des Hintergrunds der Offenbarung und können daher Informationen beinhalten, welche nicht Teil des Stands der Technik sind, welche in diesem Land einem Fachmann bereits bekannt ist.
  • [Dokument zum Stand der Technik]
  • [Patentdokument]
    • (Patentschrift 1) Japanische Patentveröffentlichung Nr. P2012-166776 (09.06. 2012)
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Demgemäß wurde die vorliegende Offenbarung im Bestreben angefertigt, ein sensorloses Steuerverfahren für einen Motor und ein dieses verwendendes System zur stabilen Ausübung der sensorlosen Steuerung in einem Ultrahochgeschwindigkeits-Fahrbereich eines Motors durch Hinzufügen eines auf Eisenverlust des Motors basierenden Steuermodells zu einem gegenelektromotorische-Kraft (”back electromotive force”, Back-EMF)-Ermittler und durch Erhalten eines präzisen elektrischen-Winkelfehlers basierend auf dem Eisenverlust bereitzustellen. Weiter wurde die vorliegende Offenbarung im Bestreben angefertigt, ein sensorloses Steuerverfahren für einen Motor und ein dieses verwendendes System zur Bestimmung von Eisenverlust eines Motors durch einen Back-EMF-Ermittler und zum Kompensieren einer EMF des Motors basierend auf bestimmtem Eisenverlust, zum Berechnen eines präzisen elektrischen-Winkelfehlers unter Verwendung der kompensierten EMF und dann zum Verwenden des präzisen elektrischen-Winkelfehlers beim Steuern des Motors bereitzustellen.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen ein sensorloses Steuerverfahren für einen Motor, ausgeübt durch einen sensorlosen Controller, welcher einen gegenelektromotorische-Kraft(”back electromotive force”, Back-EMF)-Ermittler und eine Phasenregelschleifen(”phase locked loop”, PLL)-Regler umfasst, bereit, mit: Abschätzen einer Back-EMF des Motors unter Verwendung des Back-EMF-Ermittlers; Berechnen eines elektrischen-Winkelfehlers gemäß von Eisenverlust des Motors basierend auf der abgeschätzten Back-EMF; Kompensieren des berechneten elektrischen-Winkelfehlers; Eingeben des kompensierten elektrischen-Winkelfehlers in den PLL-Regler zum Abschätzen eines tatsächlichen Winkels; und Steuerndes Motors basierend auf dem tatsächlichen Winkel.
  • Die auf dem Eisenverlust basierenden Spannungen (υγ, υδ) des Motors können unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet werden.
    Figure DE102014224263A1_0002
    • – d, q: genaue d-, q-Achse
    • – ωe: elektrische Winkelgeschwindigkeit des Motors
    • – id: d-Achsen-Strom
    • – iq: q-Achsen-Strom
    • – idi: d-Achsen-Eisenverlust-Strom
    • – iqi: q-Achsen-Eisenverlust-Strom
    • – idm: d-Achsen-Magnetisierungs-Strom
    • – iqm: q-Achsen-Magnetisierungs-Strom
    • – νd: d-Achsen-Spannung
    • – νq: q-Achsen-Spannung
    • – Rs: Stator-Phasenwiderstand
    • – Ri: Eisenverlust-Ersatzwiderstand
    • – Ld: d-Achsen-Induktivität
    • – Lq: q-Achsen-Induktivität
    • – Ψm: Permanentmagnet-Flusskonstante
    • – Piron: Eisenverlust
    • – Ph: Hystereseverlust
    • – Ped: Wirbelstromverlust
    • – eγ: abgeschätzte d-Achsen-erweiterte EMF
    • – eδ: abgeschätzte q-Achsen-erweiterte EMF
    • – e'γ: abgeschätzte d-Achsen-erweiterte EMF unter Berücksichtigung von Eisenverlusts
    • – e'δ: abgeschätzte q-Achsen-erweiterte EMF unter Berücksichtigung von Eisenverlusts
  • Der Back-EMF-Ermittler kann die Spannungen (υγ, υδ) unter Verwendung der folgenden Gleichung abschätzen.
  • Figure DE102014224263A1_0003
  • Der elektrische-Winkelfehler (Δθ + α) kann unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet werden.
  • Figure DE102014224263A1_0004
  • Die Eingabe des kompensierten elektrischen-Winkelfehlers in den PLL-Regler zum Abschätzen des tatsächlichen Winkels kann das Verringern des elektrischen-Winkelfehlers basierend auf dem Eisenverlust umfassen.
  • Darüber hinaus stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine sensorloses Steuersystem zum Steuern eines Motors, welcher einen Permanentmagnetmotor umfasst, bereit, mit: einem Back-EMF-Ermittler, konfiguriert zum Abschätzen einer Back-EMF des Motors; einem Winkelfehler-Berechner, konfiguriert zum Berechnen eines elektrischen-Winkelfehlers gemäß einem Eisenverlust des Motors basierend auf der abgeschätzten Back-EMF; einem Winkelfehler-Kompensator, konfiguriert zum Kompensieren des berechneten elektrischen-Winkelfehlers; und einem PLL-Regler, konfiguriert i) zum Empfang des kompensierten elektrischen-Winkelfehlers, ii) zum Abschätzen eines tatsächlichen Winkels und iii) zum Steuern des Motors basierend auf dem abgeschätzten tatsächlichen Winkel.
  • Der Back-EMF-Ermittler kann darüber hinaus zum Abschätzen der Spannungen (υγ, υδ) unter Verwendung der folgenden Gleichung konfiguriert sein.
  • Figure DE102014224263A1_0005
  • Der Winkelfehler-Berechner kann darüber hinaus zum Berechnen des elektrischen-Winkelfehlers (Δθ + α) unter Verwendung der folgenden Gleichung konfiguriert sein.
  • Figure DE102014224263A1_0006
  • Der PLL-Regler kann darüber hinaus zum Abschätzen des tatsächlichen Winkels durch Verringern des elektrischen-Winkelfehlers basierend auf dem Eisenverlust konfiguriert sein.
  • Wie oben beschrieben, ist es gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung möglich, eine sensorlosen Steuerung in einem Ultrahochgeschwindigkeits-Fahrbereich eines Motors durch Hinzufügen eines auf Eisenverlust des Motors basierenden Steuermodells zu einem gegenelektromotorische-Kraft(”back electromotive force”, Back-EMF)-Ermittler und durch Erhalten eines präzisen elektrischen-Winkelfehlers gemäß dem Eisenverlust unter Verwendung des Steuermodells stabil auszuüben. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, den Eisenverlust eines Motors durch einen Back-EMF-Ermittler zu bestimmen, basierend auf dem bestimmten Eisenverlust die EMF des Motors zu kompensieren, einen präzisen elektrischen-Winkelfehler unter Verwendung der kompensierten EMF zu berechnen und den präzisen elektrischen-Winkelfehler zum Steuern des Motors zu verwenden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein schematisches Diagramm zur Illustration eines Controllers zum Steuern eines typischen Permanentmagnetmotors.
  • 2 ist ein Diagramm zur Illustration eines sensorlosen Steuersystems zum Steuern eines Permanentmagnetmotors gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • 3 ist ein Flussdiagramm, welches ein sensorloses Steuerverfahren zum Steuern eines Permanentmagnetmotors gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
  • 4 ist eine Tabellenzeichnung zum Vergleich eines auf Eisenverlust basierenden Steuermodells für einen Permanentmagnetmotor mit einem nicht auf Eisenverlust basierenden Steuermodell desselben.
  • 5 ist ein Graph zur Illustration einer Spannungsgleichung für einen Motor gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • 6 ist eine schematische Zeichnung zum Vergleich einer internen Logik eines Back-EMF-Ermittlers gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung mit einer konventionellen internen Logik desselben.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die vorliegende Offenbarung wird im Folgenden vollständiger mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen, in welchen Ausführungsformen der Offenbarung gezeigt werden, beschrieben. Wie ein Fachmann feststellen würde, können die beschriebenen Ausführungsformen auf verschiedene unterschiedliche Arten modifiziert werden, alle ohne vom Geist oder Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • Sofern nicht explizit anders beschrieben, versteht sich zusätzlich, dass in der Spezifizierung das Wort ”umfassen” und Variationen wie ”umfasst” oder ”umfassend” das Einschließen von benannten Elementen aber nicht das Ausschließen von irgendwelchen anderen Elementen impliziert.
  • Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zwecke der Beschreibung von speziellen Ausführungsformen und soll die Offenbarung nicht einschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen ”ein”, ”eine” und ”der/die/das” ebenfalls die Pluralformen umfassen, außer wenn es der Kontext klar anders anzeigt. Darüber hinaus versteht sich, dass die Ausdrücke ”umfasst” und/oder ”umfassend”, wenn sie in dieser Spezifizierung verwendet werden, das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen und/oder Komponenten spezifiziert, jedoch nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von einem oder mehreren anderen Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen derselben ausschließt. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck ”und/oder” jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgelisteten Elemente.
  • Es versteht sich, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere ähnliche Ausdrücke wie hierin verwendet, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen, wie etwa Personenkraftfahrzeuge, einschließlich Geländefahrzeuge (”sports utility vehicles”, SUV), Busse, Lastwagen, verschiedene kommerzielle Fahrzeuge, Wasserkraftfahrzeuge einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftkraftfahrzeuge und Ähnliches umfasst, sowie Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybrid-Elektrofahrzeuge, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und andere alternative Kraftstofffahrzeuge (z. B. Kraftstoffe, welche aus anderen Ressourcen als Erdöl gewonnen werden) umfasst. Wie hierin verwendet, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, mit zwei oder mehr Antriebsquellen, beispielsweise sowohl mit Benzin als auch elektrisch betriebene Fahrzeuge.
  • Zusätzlich versteht sich, dass eine oder mehrere der unten angegebenen Verfahren, oder Teile derselben, von zumindest einem Controller ausgeführt werden können. Der Ausdruck ”Controller” kann sich auf ein Hardware-Gerät beziehen, welches einen Speicher und einen Prozessor umfasst. Der Speicher ist zum Speichern von Programmanweisungen konfiguriert und der Prozessor ist zur Ausführung der Programmanweisungen zur Ausführung von einem oder mehreren Prozessen, welche unten weiter beschrieben sind, konfiguriert. Darüber hinaus versteht sich, dass die unten angegebenen Verfahren durch eine Vorrichtung mit dem Controller ausführbar ist, wobei die Vorrichtung im Stand der Technik als zur Ausführung eines sensorlosen Steuerverfahren für einen Motor, wie hierbei beschrieben ist, geeignet bekannt ist.
  • 2 ist ein Diagramm zur Illustration eines sensorlosen Steuersystems zum Steuern eines Permanentmagnetmotors gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • Mit Bezug auf 2 umfasst ein sensorloses Steuersystem zum Steuern eines Motors (z. B. eines Permanentmagnetmotors) gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung einen Back-EMF-Ermittler 110, konfiguriert zum Abschätzen einer Back-EMF eines Motors 10; ein Winkelfehler-Berechner 120, konfiguriert zum Berechnen eines elektrischen-Winkelfehlers gemäß einem Eisenverlust des Motors 10, basierend auf der vom Back-EMF-Ermittler 110 abgeschätzten Back-EMF; einen Winkelfehler-Kompensators 130, konfiguriert zum Kompensieren des vom Winkelfehler-Berechner 120 berechneten elektrischen-Winkelfehlers; und einen PLL-Regler 150, konfiguriert zum Empfang des kompensierten elektrischen-Winkelfehlers, zum Abschätzen eines tatsächlichen Winkels durch Reduzieren des elektrischen-Winkelfehlers aufgrund des Eisenverlusts im PLL-Regler 150 und zum Steuern des Motors 10 basierend auf dem abgeschätzten tatsächlichen Winkel.
  • Die Symbole, wie in 2 bezeichnet, beziehen sich auf die folgende Definition:
    • – γ, δ: abgeschätze d-Achse, q-Achse
    • – ωm* : mechanischer-Winkelgeschwindigkeits-Sollwert des Motors
    • – ωm: abgeschätzte mechanische Winkelgeschwindigkeit des Motors (sensorloser Steuerresultatswert desselben)
    • – θ: abgeschätzte elektrische-Winkelgeschwindigkeit (sensorloser Steuerresultatswert derselben)
    • – Δθ: elektrischer-Winkelgeschwindigkeits-Fehler
    • – iγ*: abgeschätzter d-Achsen-Strom-Sollwert
    • – iδ*: abgeschätzter q-Achsen-Strom-Sollwert
    • – iγ: abgeschätzter gemessener d-Achsen-Strom (von einem 3-Phasen/2-Phasen-Konverter hinter dem Stromsensor gemessener Strom)
    • – iδ: abgeschätzter gemessener q-Achsen-Strom (von einem 3-Phasen/2-Phasen-Konverter hinter dem Stromsensor gemessener Strom)
    • – νγ*: abgeschätzter d-Achsen Spannungs-Sollwert
    • – νδ*: abgeschätzter q-Achsen Spannungs-Sollwert
    • – tatbtc: PWM-ON-Zeiten für die a-, b-, c-Phasen
    • – ib, ic: Ströme für die b-, c-Phasen (oder es ist zugelassen, beliebige 2-Phasen-Ströme von den 3-Phasen-Strömen zu messen)
    • – e ^γ: erweiterter abgeschätzer d-Achsen-EMF-Wert (Resultat des Ermittlers)
    • – e ^δ: erweiterter abgeschätzter q-Achsen-EMF-Wert (Resultat des Ermittlers)
  • In Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann der Motor 10 ein Permanentmagnet-Elektromotor, wie etwa ein für ein elektrisches Turbolader-System bereitgestellter Motor, sein, aber es versteht sich, dass der Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht darauf beschränkt ist.
  • Das sensorlose Steuersystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann den Back-EMF-Ermittler 110, den Winkelfehler-Berechner 120, den Winkelfehler-Kompensator und den PLL-Regler 150 umfassen, sowie einen Schwach-Magnetfluss-Controller 11, einen d-Achsen-Strom-Controller 13, eine Vektorregelung 15, einen Inverter 17, einen Geschwindigkeits-Controller 23, einen q-Achsen-Strom-Controller 25, und einen 3-Phasen/2-Phasen-Konverter 21 wie in 1 zur Illustration des Controllers zum Steuern des typischen Permanentmagnetmotors gezeigt.
  • In Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können der Schwach-Magnetfluss-Controller 11, der d-Achsen-Strom-Controller 13, die Vektorregelung 15, der Inverter 17, der Geschwindigkeits-Controller 23, der q-Achsen-Strom-Controller 25 und/oder der 3-Phasen/2-Phasen-Konverter 21 gleich oder ähnlich zu den im Stand der Technik verwendeten sein, und eine detaillierte Beschreibung derselben wird daher ausgelassen.
  • Indessen können die Spannungen (υγ, υδ) des Motors 10 unter Verwendung folgender Gleichungen berechnet werden.
    Figure DE102014224263A1_0007
    • – d, q: genaue d-, q-Achse
    • – ωe: elektrische-Winkelgeschwindigkeit des Motors
    • – id: d-Achsen-Strom
    • – iq: q-Achsen-Strom
    • – idi: d-Achsen-Eisenverlust-Strom
    • – iqi: q-Achsen-Eisenverlust-Strom
    • – idm: d-Achsen-Magnetisierungs-Strom
    • – iqm: q-Achsen-Magnetisierungs-Strom
    • – νd: d-Achsen-Spannung
    • – νq: q-Achsen-Spannung
    • – Rs: Stator-Phasenwiderstand
    • – Ri: Eisenverlust-Ersatzwiderstand
    • – Ld: d-Achsen Induktivität
    • – Lq: q-Achsen Induktivität
    • – Ψm: Permanentmagnet-Flusskonstante
    • – Piron: Eisenverlust
    • – Ph: Hystereseverlust
    • – Ped: Wirbelstromverlust
    • – eγ: abgeschätzte d-Achsen-erweiterte EMF
    • – eδ: abgeschätzte q-Achsen-erweiterte EMF
    • – e'γ: abgeschätzte d-Achsen-erweiterte EMF unter Berücksichtigung von Ei senverlust
    • – e'δ: abgeschätzte q-Achsen-erweiterte EMF unter Berücksichtigung von Ei senverlust
  • Die in den Back-EMF-Ermittler 110 eingegebenen Spannungen (υγ, υδ) können unter Verwendung folgender Gleichung berechnet werden.
  • Figure DE102014224263A1_0008
  • Zusätzlich kann der Fehlerwinkel-Berechner 120 einen elektrischen Fehlerwinkel (Δθ + α) unter Verwendung folgender Gleichungen berechnen.
  • Figure DE102014224263A1_0009
  • Mit Bezug auf die zugeordneten Zeichnungen wird nun ein sensorloses Steuerverfahren zum Steuern eines Permanentmagnetmotors im Detail beschrieben.
  • 3 ist ein Flussdiagramm, welches ein sensorloses Steuerverfahren zum Steuern eines Permanentmagnetmotors gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
  • Wie in 3 gezeigt, schätzt der Back-EMF-Ermittler 110 eine Back-EMF des Motors 10 ab (S100) und der Winkelfehler-Berechner 120 berechnet einen elektrischen-Winkelfehler (Δθ + α) aufgrund von Eisenverlust des Motors 10 (S200). Der elektrische-Winkelfehler (Δθ + α) umfasst einen elektrischen-Winkel (Δθ; 1) gemäß dem Stand der Technik und einen Fehler (α) unter Berücksichtigung von Eisenverlust des Motors 10.
  • Folglich kompensiert das sensorlose Steuerverfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung den Fehler (α) unter Verwendung des Fehlerwinkel-Kompensators 130, bevor der elektrische Winkelfehler (Δθ + α) in den PLL-Regler 150 eingegeben wird (S300). Wenn der Fehler (α) durch den Fehlerwinkel-Kompensator 130 kompensiert wird, schätzt der PLL-Regler 150 einen tatsächlichen Winkel des Motors 10 durch Verringern des elektrischen-Winkelfehlers ab (S400) und steuert dann den Motor 10 in einem Ultrahochgeschwindigkeits-Bereich desselben unter Verwendung des abgeschätzten tatsächlichen Winkels (S500).
  • 4 ist eine Tabellenzeichnung zum Vergleich eines auf Eisenverlust basierenden Steuermodells eines Permanentmagnetmotors mit einem nicht auf Eisenverlust basierenden Steuermodell desselben. Die in 4 bezeichneten Symbole beziehen sich auf die Definition wie folgt.
    • – d, q: genaue d-, q-Achse
    • – ωe: elektrische-Winkelgeschwindigkeit des Motors
    • – id: d-Achsen-Strom
    • – iq: q-Achsen-Strom
    • – idi: d-Achsen-Eisenverlust-Strom
    • – iqi: q-Achsen-Eisenverlust-Strom
    • – idm: d-Achsen-Magnetisierungs-Strom
    • – iqm: q-Achsen-Magnetisierungs-Strom
    • – νd: d-Achsen-Spannung
    • – νq: q-Achsen-Spannung
    • – Rs: Stator-Phasenwiderstand
    • – Ri: Eisenverlust-Ersatzwiderstand
    • – Ld: d-Achsen Induktivität
    • – Lq: q-Achsen Induktivität
    • – Ψm: Permanentmagnet-Flusskonstante
    • – Piron: Eisenverlust
    • – Ph: Hystereseverlust
    • – Ped: Wirbelstromverlust
  • Der Einfluss auf Eisenverlust eines konventionellen Permanentmagnetmotors kann zur Überprüfung des Einflusses auf Eisenverlust des Motors 10 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung erforscht werden.
  • 4 ist eine Zeichnung zur Illustration von nicht auf Eisenverlust basierenden d-Achsen- und q-Achsen-Modellen eines Motors, sowie auf Eisenverlust basierenden d-Achsen- und q-Achsen-Modellen.
  • Wie in 4 gezeigt, ist der Widerstand eines Widerstands Ri äquivalent zu Eisenverlust und der Widerstand Ri ist zu einer Induktionsspule eines Motors parallel geschaltet. Ein auf Eisenverlust basierendes Motoren-Modell unterscheidet sich daher von einem nicht auf Eisenverlust basierenden Motoren-Modell, da das nicht auf Eisenverlust basierende sensorlose Steuerverfahren nicht in der Lage ist, einen Winkel zum Steuern eines Motors präzise zu messen. Piron = Ph + Ped
  • Eisenverlust (Piron) kann in Hystereseverlust (Ph) bzw. Wirbelstromverlust (Ped) aufgeteilt werden. Der Hystereseverlust ist proportional zur Frequenz des an den Motor angelegten Strom und der Wirbelstromverlust ist proportional zu dessen Quadrat. Da eine an den Ultrahochgeschwindigkeitsmotor angelegte Frequenz doppelt so groß oder noch größer als eine an einen typischen Hochgeschwindigkeitsmotor angelegte Frequenz ist, ist Eisenverlust des Ultrahochgeschwindigkeitsmotors viermal so groß oder noch größer als Eisenverlust des typischen Hochgeschwindigkeitsmotors. Folglich ist es zum Steuern eines Ultrahochgeschwindigkeitsmotor nötig, Eisenverlust, wie im Folgenden beschrieben, zu berücksichtigen.
  • 5 ist ein Graph zur Illustration einer Spannungsgleichung eines Motors in einer normalen Achse und einer geneigten Achse.
  • Eine konventionelle Spannungsgleichung eines Motors mit Bezug auf die normale Achse kann die folgende Gleichung (a) verwenden, und eine auf Eisenverlust basierende Spannungsgleichung des Motors mit Bezug auf die normale Achse gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann die folgende Gleichung (b) verwenden.
    Figure DE102014224263A1_0010
    • – eγ: abgeschätzte d-Achsen-erweiterte EMF
    • – eδ: abgeschätzte q-Achsen-erweiterte EMF
    • – e'γ: abgeschätzte d-Achsen-erweiterte EMF unter Berücksichtigung von Eisenverlust
    • – e'δ: abgeschätzte q-Achsen-erweiterte EMF unter Berücksichtigung von Eisenverlust
  • Je nachdem ob der Eisenverlust des Motors 10 berücksichtigt wird, unterscheiden sich, die Gleichungen (a) und (b). Da man nicht in der Lage ist, eine d-Achse und eine q-Achse des Motors tatsächlich zu kennen, werden im Wesentlichen eine γ-Achse bzw. eine δ-Achse, welche die d-Achse bzw. die q-Achse abschätzen, verwendet. Als Spannungsgleichungen des Motors mit Bezug auf die geneigte Achse können die nachfolgenden Gleichungen (c) bzw. (d) verwendet werden. Die nachfolgende Gleichung (c) entspricht einer konventionellen, nicht auf Eisenverlust basierenden Spannungsgleichung des Motors, und die nachfolgende Gleichung (d) entspricht einer auf Eisenverlust basierenden Spannungsgleichung des Motors gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • Figure DE102014224263A1_0011
    Gleichung (c)
  • Figure DE102014224263A1_0012
    Gleichung (d)
  • 6 ist eine schematische Zeichnung zum Vergleich einer internen Logik des Back-EMF-Ermittlers 110 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung mit einer konventionellen, nicht auf Eisenverlust basierenden internen Logik des Back-EMF-Ermittlers 110A.
  • Da die Back-EMF-Gleichungen (e) und (f) des Back-EMF-Ermittlers sich unterscheiden, sollte je nachdem, ob der Eisenverlust des Motors 10 berücksichtigt wird, die interne Logik des Back-EMF-Ermittlers 110A zur internen Logik des Back-EMF-Ermittlers 110 modifiziert werden. Die folgende Gleichung (e) entspricht einer konventionellen Back-EMF-Gleichung und die folgende Gleichung (f) entspricht einer Back-EMF-Gleichung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • Da eine Back-EMF-Bestimmung nicht angemessen durchgeführt wird, kann, wenn der konventionelle Back-EMF-Ermittler 110A verwendet wird, ein elektrischer-Winkelfehler auftreten.
  • Figure DE102014224263A1_0013
    Gleichung (e)
  • Figure DE102014224263A1_0014
    Gleichung (f)
  • Mit Bezug auf 2, tritt im Fall basierend auf Eisenverlust des Motors, obwohl der Back-EMF-Ermittler 110 eine Back-EMF des Motors präzise abschätzt und deren elektrischen-Winkelfehler berechnet, ein zusätzlicher elektrischer-Winkelfehler von α wie in der folgenden Gleichung (h) auf. Die folgende Gleichung (g) ist eine konventionelle, nicht auf Eisenverlust des Motors basierende Gleichung. Da der Eisenverlust des Motors nicht in der folgenden Gleichung (g) enthalten ist, ist darin ein zusätzlicher elektrischer-Winkelfehler (α) nicht vorhanden.
  • In Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann der zusätzliche elektrische-Winkelfehler (α) durch Simulation und/oder Testen eines Motors erhalten werden, und der erhaltene zusätzliche elektrische Winkelfehler (α) kann durch den Winkelfehler-Kompensator 130 kompensiert werden.
  • Figure DE102014224263A1_0015
    Gleichung (g)
  • Figure DE102014224263A1_0016
    Gleichung (h)
  • Wie oben beschrieben ist es gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung möglich, eine sensorlose Steuerung in einem Ultrahochgeschwindigkeits-Fahrbereich eines Motors durch Hinzufügen eines Steuermodells unter Berücksichtigung von Eisenverlusts des Motors zu einem EMF-Ermittler und durch Erhalten eines präzisen elektrischen-Winkelfehlers basierend auf dem Eisenverlust durch das Steuermodell auszuüben. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist es weiter möglich, die Leistung eines Motors durch Berücksichtigung von Eisenverlust des Motors durch einen Back-EMF-Ermittler, durch Kompensieren der EMF des Motors basierend auf dem betrachteten Eisenverlust, durch Berechnen eines präzisen elektrischen-Winkelfehlers unter Verwendung der kompensierten EMF und durch Verwenden des präzisen elektrischen-Winkelfehler beim Steuern des Motors zu erhöhen.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können Vorteile wie folgt haben.
  • Stabilität: es ist möglich, einen Motor in einem Ultrahochgeschwindigkeits-Fahrbereich von mehr als 50.000 Umdrehungen pro Minute durch Abschätzen eines präzisen Winkels, assoziiert mit dem Betrieb des Motors, stabil zu steuern.
  • Erhöhte Effizienz: es ist möglich, eine auf einen Motor wirkende elektrische Belastung durch effiziente Verwendung der Back-EMF des Motors zu reduzieren, wodurch die Effizienz eines Ultrahochgeschwindigkeits-Motorsystems erhöht wird.
  • Erhöhte Fahrbarkeit: es ist möglich, einen Motor selbst in einem Ultrahochgeschwindigkeits-Fahrbereich von mehr als etwa 100.000 Umdrehungen pro Minute durch präzises Berechnen eines Drehwinkels eines Motors zu fahren. (Gemäß dem Stand der Technik ist es schwierig, einen Motor in einem Ultrahochgeschwindigkeits-Fahrbereich von mehr als 50.000 Umdrehungen pro Minute zu betreiben).
  • Erhöhte Leistung: es ist möglich, die Effizienz von d-Achsen- und q-Achsen-Strom- und -Spannungssteuerung basierend auf präzisen Winkelinformationen mit Bezug auf einen Motor zu erhöhen, wodurch das Drehmoment und das Leistungsverhalten des Motors verbessert wird.
  • Während die Ausführungsformen in Verbindung mit einem Permanentmagnetmotor für einen Turbolader beschrieben wurden, können die Ausführungsformen auf einen Ultrahochgeschwindigkeitsmotor für einen Mikroturbinen-Generator, einen Ultrahochgeschwindigkeitsmotor für einen kreisförmigen Kompressor, einen Ultrahochgeschwindigkeitsmotor für eine Pumpe, usw. angewandt werden. Daher sollte die Beschreibung des Permanentmagnetmotors hierin nicht als die Anwendbarkeit der vorliegenden Offenbarung einschränkend betrachtet werden.
  • Während diese Offenbarung in Verbindung damit beschrieben wurde, was gegenwärtig als praktische Ausführungsformen betrachtet werden, ist zu verstehen, dass die Offenbarung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegenteil verschiedene und äquivalente Anordnungen im Geist und Umfang der angehängten Ansprüche umfassen soll.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Motor
    110
    gegenelektromotorische-Kraft(”back electromotive force”, EMF)-Ermittler
    120
    Winkelfehler-Berechner
    130
    Winkelfehler-Kompensator
    150
    Phasenregelschleifen(”phase locked loop”, PLL)-Regler
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2012-166776 [0006]

Claims (10)

  1. Sensorloses Steuererfahren für einen Motor, ausgeführt von einem sensorlosen Controller mit einem gegenelektromotorische-Kraft(”back electromotive force”, Back-EMF)-Ermittler und einem Phasenregelschleifen(”phase locked loop”, PLL)-Regler, mit: Abschätzen einer Back-EMF des Motors unter Verwendung des Back-EMF-Ermittlers; Berechnen eines elektrischen-Winkelfehlers gemäß einem Eisenverlust des Motors basierend auf der abgeschätzten Back-EMF; Kompensieren des berechneten elektrischen-Winkelfehlers; Eingeben des kompensierten elektrischen-Winkelfehlers in den PLL-Regler zum Abschätzen eines tatsächlichen Winkels; und Steuern des Motors basierend auf dem abgeschätzten tatsächlichen Winkel.
  2. Sensorloses Steuererfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Spannungen (υγ, υδ) des Motors basierend auf dem Eisenverlust unter Verwendung folgender Gleichungen berechnet werden:
    Figure DE102014224263A1_0017
    – d, q: genaue d-, q-Achse – ωe: elektrische-Winkelgeschwindigkeit des Motors – id: d-Achsen-Strom – iq: q-Achsen-Strom – idi: d-Achsen-Eisenverlust-Strom – iqi: q-Achsen-Eisenverlust-Strom – idm: d-Achsen-Magnetisierungs-Strom – iqm: q-Achsen-Magnetisierungs-Strom – νd: d-Achsen-Spannung – νq: q-Achsen-Spannung – Rs: Stator-Phasenwiderstand – Ri: Eisenverlust-Ersatzwiderstand – Ld: d-Achsen-Induktivität – Lq: q-Achsen-Induktivität – Ψm: Permanentmagnet-Flusskonstante – Piron: Eisenverlust – Ph: Hystereseverlust – Ped: Wirbelstromverlust – eγ: abgeschätzte d-Achsen-erweiterte EMF – eδ: abgeschätzte q-Achsen-erweiterte EMF – e'γ: abgeschätzte d-Achsen-erweiterte EMF unter Berücksichtigung von Eisenverlusts – e'δ: abgeschätzte q-Achsen-erweiterte EMF unter Berücksichtigung von Eisenverlusts.
  3. Sensorloses Steuerverfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Back-EMF-Ermittler Spannungen (υγ, υδ) des Motors unter Verwendung der folgenden Gleichungen berechnet:
    Figure DE102014224263A1_0018
  4. Sensorloses Steuerverfahren gemäß Anspruch 1, wobei der elektrische-Winkelfehler (Δθ + α) unter Verwendung folgender Gleichung berechnet wird:
    Figure DE102014224263A1_0019
  5. Sensorloses Steuerverfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Eingabe des kompensierten elektrischen-Winkelfehlers in den PLL-Regler zum Abschätzen des tatsächlichen Winkels ein Verringern des elektrischen-Winkelfehlers basierend auf dem Eisenverlust umfasst.
  6. Sensorloses Steuersystem zum Steuern eines Motors mit einem Permanentmagnetmotor, mit: einem Back-EMF-Ermittler, konfiguriert zum Abschätzen einer Back-EMF des Motors; einem Winkelfehler-Berechner, konfiguriert zum Berechnen eines elektrischen-Winkelfehlers gemäß einem Eisenverlust des Motors basierend auf der abgeschätzten Back-EMF; einem Winkelfehler-Kompensator, konfiguriert zum Kompensieren des berechneten elektrischen-Winkelfehlers; und einem PLL-Regler, konfiguriert i) zum Erhalten des kompensierten elektrischen-Winkelfehlers, ii) zum Abschätzen eines tatsächlichen Winkels und iii) zum Steuern des Motors basierend auf dem abgeschätzten tatsächlichen Winkel.
  7. Sensorloses Steuersystem gemäß Anspruch 6, wobei Spannungen (υγ, υδ) des Motors basierend auf dem Eisenverlust mit folgender Gleichung berechnet werden:
    Figure DE102014224263A1_0020
    – d, q: genaue d-, q-Achse – ωe: elektrische-Winkelgeschwindigkeit des Motors – id: d-Achsen-Strom – iq: q-Achsen-Strom – idi: d-Achsen-Eisenverlust-Strom – iqi: q-Achsen-Eisenverlust-Strom – idm: d-Achsen-Magnetisierungs-Strom – iqm: q-Achsen-Magnetisierungs-Strom – νd: d-Achsen-Spannung – νq: q-Achsen-Spannung – Rs: Stator-Phasenwiderstand – Ri: Eisenverlust-Ersatzwiderstand – Ld: d-Achsen Induktivität – Lq: q-Achsen Induktivität – Ψm: Permanentmagnet-Flusskonstante – Piron: Eisenverlust – Ph: Hystereseverlust – Ped: Wirbelstromverlust – eγ: abgeschätzte d-Achsen-erweiterte EMF – eδ: abgeschätzte q-Achsen-erweiterte EMF – e'γ: abgeschätzte d-Achsen-erweiterte EMF unter Berücksichtigung von Eisenverlusts – e'δ: abgeschätzte q-Achsen-erweiterte EMF unter Berücksichtigung von Eisenverlusts
  8. Sensorloses Steuersystem gemäß Anspruch 6, mit dem Back-EMF-Ermittler darüber hinaus konfiguriert zum Abschätzen von Spannungen (υγ, υδ) unter Verwendung folgender Gleichung:
    Figure DE102014224263A1_0021
  9. Sensorloses Steuersystem gemäß Anspruch 6, mit dem Winkelfehler-Berechner darüber hinaus konfiguriert zum Berechnen des elektrischen-Winkelfehlers (Δθ + α) unter Verwendung folgender Gleichung:
    Figure DE102014224263A1_0022
  10. Sensorloses Steuersystem gemäß Anspruch 6, mit dem PLL-Regler zusätzlich konfiguriert zum Abschätzen des tatsächlichen Winkels durch Verringern des elektrischen-Winkelfehlers basierend auf dem Eisenverlust.
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