DE102015114750A1

DE102015114750A1 - Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine, Computerprogramm, Reglereinrichtung sowie elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102015114750A1
Application number: DE102015114750.5A
Authority: DE
Inventors: Jan Klöck
Original assignee: Technische Universitaet Braunschweig
Current assignee: Technische Universitaet Braunschweig
Priority date: 2015-09-03
Filing date: 2015-09-03
Publication date: 2017-03-09
Also published as: EP3345300A1; WO2017037045A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine, die wenigstens einen Stator und einen Rotor aufweist, mit einem, mehreren oder allen der folgenden Merkmale a), b), c): a) mittels eines geschlossenen Regelkreises wird im laufenden Betrieb der elektrischen Maschine für einen vorbestimmte Strombetrag der Maschine das Maximum des von der Maschine abgegebenen Drehmoments eingeregelt, b) die elektrische Maschine wird zur Erreichung einer hohen Drehzahl in einem Feldschwächbetriebsmodus betrieben, in dem ein Teil des der Maschine zugeführten Stroms zur Schwächung des durch Permanentmagnete der Maschine erzeugten Felds wirksam ist, wobei ein erster Regler zur Einstellung eines energieoptimierten Arbeitspunkts der elektrischen Maschine bei vorgegebener Drehzahl die an die elektrische Maschine auszugebenden Ströme bestimmt und wobei dem ersten Regler als Eingangsgröße ein auszuregelnder Anteil des Stroms, der für die Feldschwächung genutzt werden soll, zugeführt wird, c) ein im Feldschwächbetriebsmodus der elektrischen Maschine als Eingangsgröße benötigter Stromwert, der den Anteil des Stroms bestimmt, der für die Feldschwächung genutzt werden soll, wird mittels eines hinsichtlich der Regeldynamik umschaltbaren zweiten Reglers bestimmt. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln zur Durchführung des zuvor genannten Verfahrens, eine Reglereinrichtung zur Einstellung von Betriebsparametern einer elektrischen Maschine und eine elektrische Maschine mit einer Leistungselektronik zur Steuerung der elektrischen Maschine sowie einer Reglereinrichtung der zuvor genannten Art.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine, die wenigstens einen Stator und einen Rotor aufweist, gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln zur Durchführung des zuvor genannten Verfahrens, eine Reglereinrichtung zur Einstellung von Betriebsparametern einer elektrischen Maschine und eine elektrische Maschine mit einer Leistungselektronik zur Steuerung der elektrischen Maschine sowie einer Reglereinrichtung der zuvor genannten Art.
Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet elektrischer Maschinen, insbesondere permanenterregte elektrische Maschinen, sowohl für den Einsatz als Elektromotor als auch als elektrischer Generator, z.B. in Form rotierender oder linearbewegter elektrischer Maschinen (Linearmotoren). Die Funktionsweise und das Verhalten solcher elektrischen Maschinen sind in der wissenschaftlichen Literatur bereits umfassend beschrieben. Es gibt auch diverse Regelansätze beispielsweise für einen energieoptimierten Betrieb solcher elektrischen Maschinen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Möglichkeiten zur weiteren Verbesserung der Steuerung einer solchen elektrischen Maschine anzugeben, durch die die Drehmomentabgabe und/oder die Energieeffizienz noch weiter verbessert werden können.
Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine, die wenigstens einen Stator und einen Rotor aufweist, mit einem, mehreren oder allen der folgenden Merkmale a), b), c):

a) mittels eines geschlossenen Regelkreises wird im laufenden Betrieb der elektrischen Maschine für einen vorbestimmte Strombetrag der Maschine das Maximum des von der Maschine abgegebenen Drehmoments eingeregelt,
b) die elektrische Maschine wird zur Erreichung einer hohen Drehzahl in einem Feldschwächbetriebsmodus betrieben, in dem ein Teil des der Maschine zugeführten Stroms zur Schwächung des durch Permanentmagnete der Maschine erzeugten Felds wirksam ist, wobei ein erster Regler zur Einstellung eines energieoptimierten Arbeitspunkts der elektrischen Maschine bei vorgegebener Drehzahl die an die elektrische Maschine auszugebenden Ströme bestimmt und wobei dem ersten Regler als Eingangsgröße ein auszuregelnder Anteil des Stroms, der für die Feldschwächung genutzt werden soll, zugeführt wird,
c) ein im Feldschwächbetriebsmodus der elektrischen Maschine als Eingangsgröße benötigter Stromwert, der den Anteil des Stroms bestimmt, der für die Feldschwächung genutzt werden soll, wird mittels eines hinsichtlich der Regeldynamik umschaltbaren zweiten Reglers bestimmt.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass für einen vorbestimmte Strombetrag der Maschine im laufenden Betrieb, d.h. auch bei sich verändernden Betriebsparametern der elektrischen Maschine, eine ständige Regelung auf das Maximum des von der Maschine abgegebenen Drehmoments durchgeführt werden kann, sodass die Maschine praktisch jederzeit im Drehmoment-Maximum betrieben werden kann. Hierbei kann insbesondere ein modellbasierter Ansatz realisiert werden, bei dem die für eine bestimmte elektrische Maschine aufgestellte Bestimmungsgleichung für das Drehmoment abhängig von Eingangsgrößen wie dem Phasenwinkel des Statorstromes bezogen auf die Rotorlage genutzt wird. Eine solche in der Regel nichtlineare Funktion kann durch den vorgeschlagenen Ansatz zur Bestimmung des Drehmoment-Maximums durch einen Regler zur Laufzeit der Maschine ohne weiteres rechnerisch fortlaufend evaluiert werden, um das aktuelle Drehmoment zu bestimmen. Eine Drehmoment-Messung ist nicht notwendig, so dass keine Drehmoment-Sensorik erforderlich ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der geschlossene Regelkreis einen Phasenwinkelregler auf, durch den als Stellgröße der Phasenwinkel des Statorstroms der elektrischen Maschine bezogen auf die Rotorlage für einen energieoptimalen Betrieb eingestellt wird. Auf diese Weise ist mit geringem schaltungsmäßigen und/oder softwaremäßigen Aufwand eine Verbesserung des Drehmomentverhaltens der elektrischen Maschine realisierbar. Die Rotorlage kann dabei mittels eines Sensors erfasst werden oder rechnerisch aus einer von einem Sensor erfassten Größe ermittelt werden. Der aus der Rotorlage rechnerisch bestimmte Phasenwinkel kann als Eingangsgröße für die zuvor erwähnte Bestimmungsgleichung für das Drehmoment genutzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird mittels des Phasenwinkelreglers im laufenden Betrieb der elektrischen Maschine der Phasenwinkel virtuell geändert. Die Veränderung des von der Maschine abgegebenen Drehmoments, die in Folge des virtuell geänderten Phasenwinkels auftreten kann, wird überwacht. Hiervon abhängig wird die weitere Änderung des Phasenwinkels gezielt in Richtung steigendes Drehmoment durchgeführt, zumindest bis das Drehmoment-Maximum der elektrischen Maschine erreicht ist. Durch eine solche bewusste Änderung des Betriebspunkts der elektrischen Maschine durch eine in der Regel sehr kleine Phasenwinkel-Änderung kann sozusagen „ertastet“ werden, wie der Phasenwinkel weiter zu ändern ist, um das Maximum der Drehmomentkurve der elektrischen Maschine bei der vorbestimmten Drehzahl zu erreichen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Drehmoment-Maximum durch Suchen einer Nullstelle in der nach der Phasenlage differenzierten Bestimmungsgleichung für das Drehmoment der elektrischen Maschine bestimmt. Auf diese Weise kann der Phasenwinkelregler noch weiter vereinfacht werden und damit mit einfacheren und kostengünstigeren Mitteln realisiert werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass auch im Feldschwächbetriebsmodus, der zur Erreichung einer hohen Drehzahl der elektrischen Maschine eingenommen wird, wiederum durch eine Regelung ein energieoptimierter Arbeitspunkt der elektrischen Maschine im laufenden Betrieb eingestellt werden kann. Vorteilhafterweise wird hier die Aufteilung des Statorstroms in drehmomentbildende und feldverringernde Anteile berücksichtigt und der feldverringernde Anteil separat bestimmt. Auch dies lässt sich ohne weiteres bei den in der Regel vorhandenen nichtlinearen Zusammenhängen zwischen dem Betrag des Statorstromes der Maschine und dem erzeugten Drehmoment realisieren.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird dem ersten Regler als Eingangsgröße eine Drehmomenterhöhung zugeführt. Vorteilhaft kann aus der Drehmomenterhöhung und dem Feldschwächungsanteil des Stroms das resultierende Drehmoment der elektrischen Maschine modellbasiert ermittelt wird und dem ersten Regler als Istwert der Regelung zugeführt werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der für den zuvor erwähnten Feldschwächbetriebsmodus zu bestimmende Anteil des Stroms, der für die Feldschwächung genutzt werden soll, nun auch hochdynamisch nachgeführt werden kann. Bisherige Ansätze wiesen lediglich eine begrenzte Dynamik auf. Nunmehr ist es möglich, die Arbeitspunkte hochdynamisch einzustellen und somit die leistungsoptimalen Arbeitspunkte zu erreichen. In Kombination mit den zuvor erwähnten Vorteilen ist eine dynamische Steuerung und eine leistungsoptimale Regelung der Maschine möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Umschaltung der Regeldynamik des zweiten Reglers abhängig von der Differenz zwischen dem Betrag der aktuellen Statorspannung und der maximal zulässigen Statorspannung der elektrischen Maschine. Dies hat sich als besonders vorteilhafte Eingangsgröße für die Umschaltung der Regeldynamik herausgestellt, da die Differenz zwischen dem Betrag der aktuellen Statorspannung und der maximal zulässigen Statorspannung immer im Bereich von betragsmäßig relativ kleinen Werten liegt, die gerade bei ansonsten langsamer Regeldynamik des zweiten Reglers zu nicht optimalen Ergebnissen bei der Bestimmung des Stromwertes für die Feldschwächung führen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird bei auf erhöhte Regeldynamik umgeschaltetem zweitem Regler die Differenz eines Sollstroms zu einem Iststrom der elektrischen Maschine zur Verstärkung der Regeldynamik genutzt. Durch eine solche Stromdifferenz kann besonders vorteilhaft der benötigte Stromwert für die Feldschwächung über den zweiten Regler bestimmt werden.
Der erste Regler, der zweite Regler und der Phasenwinkelregler können durch Hardwareschaltung und/oder Softwarefunktionen realisiert werden.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens der zuvor beschriebenen Art, wenn das Verfahren auf einem Rechner ausgeführt wird. Das Verfahren kann z.B. auf einem Rechner einer Reglereinrichtung zur Einstellung von Betriebsparametern einer elektrischen Maschine ausgeführt werden. Auch hierdurch lassen sich die eingangs erläuterten Vorteile realisieren.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Reglereinrichtung zur Einstellung von Betriebsparametern einer elektrischen Maschine, eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens der zuvor erläuterten Art. Auch hierdurch lassen sich die zuvor erläuterten Vorteile realisieren.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine elektrische Maschine mit einer Leistungselektronik zur Steuerung der elektrischen Maschine sowie einer Reglereinrichtung der zuvor erläuterten Art zur Ansteuerung der Leistungselektronik. Auch hierdurch lassen sich die zuvor erläuterten Vorteile realisieren.
Die Einsatzmöglichkeiten für die Erfindung sind umfangreich. Die Erfindung eignet sich insbesondere für permanenterregte elektrische Maschinen, d.h. solche elektrischen Maschinen, die Permanentmagnete aufweisen. Die Erfindung kann z.B. für geregelte permanenterregte Synchronmaschinen und Hybridschrittmotoren genutzt werden und in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, z.B. Servoantriebe zur Positionierung, Traktionsantriebe in Verkehrsmitteln oder Windkraftgeneratoren. Weitere Einsatzgebiete sind die Industrierobotik, die Automobilindustrie sowie die industrielle Antriebstechnik.
Durch die Erfindung kann die Energieeffizienz solcher geregelten Antriebe durch Verringerung von thermischen Verlusten gesteigert werden. In geregelten Antrieben, die bereits eine energieoptimale Betriebsführung durch Kennlinien realisieren, kann der notwendige Speicher, der für die Kennlinien erforderlich ist, verringert werden und eine betriebsbedingte Parametervariation berücksichtigt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 – ein Blockschaltbild einer elektrischen Maschine mit einer Leistungselektronik und einer Reglereinrichtung und
2 – einen Phasenwinkelregler in einer ersten Ausführungsform und
3 – einen Phasenwinkelregler in einer zweiten Ausführungsform und
4 – einen ersten Regler für den energieoptimalen Feldschwächbetrieb und
5 – einen zweiten Regler für den energieoptimalen Feldschwächbetrieb.
In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
Die 1 zeigt eine elektrische Maschine 1, die einen Stator und einen Rotor aufweist, z.B. eine permanenterregte elektrische Maschine wie einen Elektromotor oder einen Generator. Die elektrische Maschine 1 ist über elektrische Leitungen mit einer Leistungselektronik 2 verbunden, durch die die elektrische Ansteuerung der elektrischen Maschine 1 erfolgt, z.B. durch Mikroprozessor-angesteuerte Halbleiterschalter. Zudem kann die Leistungselektronik 2 auch Komponenten zur Messwerterfassung enthalten, um z.B. die notwendigen Betriebsdaten der elektrischen Maschine für eine optimale Regelung bereitzustellen, wie z.B. Drehzahl, Drehmoment, elektrische Betriebsdaten wie Ströme und Spannungen und/oder die Phasenlage des Statorstroms bezogen auf die Rotorlage. So kann die elektrische Maschine 1 z.B. einen integrierten Drehgeber aufweisen oder mit einem Drehgeber gekoppelt sein. Der Drehgeber erfasst dabei die Rotorlage. Durch Ableitung des durch den Drehgeber erfassten Signals nach der Zeit kann hieraus auch die Drehzahl der elektrischen Maschine bestimmt werden.
Die in 1 dargestellte Einrichtung weist ferner eine Reglereinrichtung 3 auf, die zur Einstellung von Betriebsparametern der elektrischen Maschine eingerichtet ist. Es ist hierbei in der Fachwelt als vorteilhaft anerkannt, die Ströme in den Wicklungen der elektrischen Maschine in einem rotorfesten Koordinatensystem zu regeln. Dementsprechend werden die gemessenen Größen in ein solches rotorfestes Koordinatensystem transformiert und in Rotorkoordinaten wiedergegeben. Hierbei wird üblicherweise zwischen zwei Stromanteilen unterschieden, nämlich dem Längsstrom i_d und dem Querstrom i_q, durch die die Phasenströme in Rotorkoordinaten wiedergegeben werden.
Die Reglereinrichtung 3 gemäß 1 weist zwei Regler 30, 31 auf, z.B. PI-Regler, um zwei Strom-Regelkreise hinsichtlich der zuvor genannten Ströme Längsstrom und Querstrom zu realisieren. Hierfür wird aus der Messwerterfassung des Blocks 2 der gemessene Querstrom i_q mit einem Querstrom-Sollwert i_q,Ref verglichen und die daraus gebildete Differenz dem Regler 30 zugeführt, der hieraus als Stellgröße für die elektrische Maschine 1 bzw. die Leistungselektronik 2 eine Querspannung u_q bestimmt. Analog dazu wird für die Längsstromregelung der gemessene Längsstrom i_d mit einem Längsstrom-Sollwert i_d,Ref verglichen und die daraus gebildete Differenz dem Regler 31 zugeführt, der daraus als Stellgröße eine Längsspannung u_d bestimmt und der Leistungselektronik 2 zuführt.
Die zuvor beschriebene Regelung der elektrischen Maschine 1 kann durch die nachfolgenden Weiterbildungen noch weiter optimiert werden. Hierbei werden unter anderem optimierte Sollwerte i_d,Ref und i_q,Ref bestimmt.
Die Erfindung löst eine Fragestellung zum Betrieb von permanenterregten Synchronmaschinen und Hybridschrittmotoren. Die Phasenlage ϕ des Statorstromes bezogen auf die Rotorlage soll für einen energieoptimalen Betrieb eingestellt werden. Dies resultiert in maximalen Drehmomenten für den vorgegebenen Betrag des Statorstromes i_S. Die Herausforderung der technischen Fragestellung ist das Finden einer Lösung der nichtlinearen Drehmomentgleichung. Es wird das Maximum der nichtlinearen Funktion für einen vorgegebenen Strombetrag des Statorstromes i_S gesucht.
Da die Parameter dieser nichtlinearen Gleichung (L_d, L_q, Ψ_P) durch z.B. Temperaturvariation oder Eisensättigung nicht konstant sind, variiert auch die Lösung über den Betriebsgrößen.
Vorteilhaft ist dabei die Lösung des Maximalwertproblems zur Laufzeit der Maschine durch einen geschlossenen Regelkreis. Die Lösung des Problems kann in jedem Regelzyklus nachgeführt werden. Dies dient der Berücksichtigung von veränderlichen Statorstrombeträgen und Parametervariation.
Bisherige Ansätze zur Lösung des technischen Problems sind analytische und numerische Berechnungen, die offline durchgeführt werden. Weitere Ansätze setzen eine experimentelle Identifikation der Lösung voraus.
Die bekannten rechnerischen Lösungen können nicht effizient zur Laufzeit durchgeführt werden. Die experimentelle Identifikation der Lösung ist technisch und zeitlich aufwändig. Zusätzlich muss Speicherplatz für Kennlinien, die sich aus der Lösung ergeben, zur Verfügung gestellt werden.
Durch die online Lösung des Maximalwertproblems können betriebsbedingte Parametervariationen (z.B. durch Temperaturänderung) in die Lösung einfließen, was Vorteile gegenüber den offline Lösungen bietet. Weiterhin muss kein Speicherplatz für die Kennlinien der offline Lösungen bereitgestellt werden.
Die Erfindung ermöglicht den energieoptimalen Betrieb von permanenterregten Synchronmaschinen und Hybridschrittmotoren. Für einen vorgegebenen Betrag des Statorstroms soll maximales Drehmoment und somit maximale mechanische Energie erzeugt werden. Hierdurch werden thermische Verluste verringert und der Wirkungsgrad der Maschine wird gegenüber der klassischen Betriebsweise erhöht.
Dies wird vorteilhaft durch eine modellbasierte Berechnung zur Laufzeit erreicht. Das Drehmoment wird für den vorgegebenen Betrag mit zwei marginal verschiedenen Phasenlagen (bzgl. der Rotorlage) berechnet.
Die Phasenlagen werden für den folgenden Regelzyklus in Richtung steigenden Drehmoments korrigiert. Die Phasenlage maximalen Drehmoments wird hierdurch automatisch nach wenigen Zyklen erreicht und gehalten. Wenn die variierenden Parameter der Maschine (L_d, L_q, Ψ_P) für den aktuellen Zustand der Maschine bekannt sind, können diese in die Berechnung einfließen und das Drehmoment der Maschine kann präziser berechnet werden. Hierfür kann ein Phasenwinkelregler eingesetzt werden.
Die 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines Phasenwinkelreglers 4. Der Phasenwinkelregler 4 dient, wie bereits erläutert, dazu, die elektrische Maschine auf das Maximum der Drehmomentkurve einzuregeln, die durch die nicht lineare Drehmomentgleichung (1.1) definiert ist. Dem Phasenwinkelregler 4 wird als Eingangsgröße der vorgegebene Statorstrom i_S zugeführt. Die Phasenlage ϕ ist eine Ausgangsgröße. Ferner wird ein Differenzphasenwert δϕ zugeführt, der z.B. als fester Wert ausgewählt werden kann.
In den Blöcken 20 und 23 wird aus den jeweils zugeführten Eingangsgrößen eine Ausgangsgröße im Sinne der Raumzeigerdarstellung erzeugt. In den Blöcken 21 und 22 wird aus den zugeführten Eingangsgrößen jeweils ein Drehmomentwert m₁ bzw. m₂ gemäß der Gleichung (1.1) bestimmt. Im Block 24 erfolgt eine Bestimmung der Stromsollwerte i_d,Ref und i_q,Ref, die der Reglereinrichtung 3 gemäß 1 zugeführt werden, entsprechend den Gleichungen (1.3).
Die Eingangsgröße des Blocks 22 wird bestimmt durch Multiplikation des Stroms i_S in einem Multiplikationsblock 29 mit dem Ausgangssignal des Blocks 23. Hierdurch wird ein Drehmomentwert m₁ bei der Phasenlage ϕ ermittelt. Die Eingangsgröße des Blocks 21 wird bestimmt durch Multiplikation des Stroms i_S in einem Multiplikationsblock 29 mit dem Ausgangssignal des Blocks 20. Auf diese Weise wird ein zweiter Drehmomentwert m₂ bei der Phasenlage ϕ + δϕ bestimmt. Denn dem Block 20 wird als Eingangsgröße über einen Summationsblock 28 die Größe ϕ + δϕ zugeführt.
Die auf diese Weise bestimmten Drehmomentwerte m₁ und m₂ werden in einem Subtraktionsblock 27 voneinander abgezogen. Die Differenz m₂ – m₁ wird einem Regler 25 zugeführt, z.B. einem I-Regler. Die Ausgangsgröße des Reglers 25 wird über einen Wertebereichsbegrenzer 26 auf einen zulässigen Wertebereich begrenzt. Die auf diese Weise bestimmten neuen Stromsollwerte bei der Phasenlage ϕ können der Leistungselektronik 2 als Sollwerte zugeführt werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung des Phasenwinkels ist die Betrachtung der Änderung des Drehmoments über dem Phasenwinkel ϕ. Im Maximum bzw. Minimum ist diese Änderung gleich Null. Diese Information wird verwendet, um in einem geschlossenen Regelzyklus zur Laufzeit die Phase ϕ nachzuführen. Diese Variante bietet erhebliche Vorteile bezüglich des Implementierungsaufwands und der notwendigen Rechenzeit.
Ein auf diese Weise realisierter Phasenwinkelregler 4 ist in 3 dargestellt. Der Phasenwinkelregler 4 gemäß 3 weist die gleichen Eingangs- und Ausgangssignale auf wie der zuvor anhand der 2 erläuterte Phasenwinkelregler. Auch die Regler-Blöcke 24, 25 und 26 sind in gleicher Weise vorhanden, jedoch teilweise anders angeordnet.
Als weitere Blöcke des Phasenwinkelreglers, die zuvor noch nicht erläutert wurden, sind ein Cosinus-Funktionsblock 33, ein Cosinus-Funktionsblock 34, sowie ein Funktionsblock 38 zur Multiplikation mit der Konstanten 2 und ein Funktionsblock 35 zur Bestimmung des im Funktionsblock 35 dargestellten Terms vorhanden. Ferner ist ein Multiplikationsblock 36 und ein Summationsblock 37 vorhanden. Im Funktionsblock 38 wird der Phasenwinkel ϕ mit dem Wert 2 multipliziert, sodass im Cosinus-Funktionsblock 34 ein Cosinus mit der um den Faktor 2 multiplizierten Phasenlage ϕ im Vergleich zum Cosinus-Funktionsblock 33 durchgeführt wird. Im Ergebnis wird durch die Blöcke 33, 34, 35, 36, 37, 38 die in den Gleichungen (1.4) nach der Größe e_ϕ umgestellte Gleichung jeweils zur Laufzeit der elektrischen Maschine bestimmt. Die aus dem Summationsblock 37 letztendlich bestimmte Größte e_ϕ wird dem Regler 25 als Eingangsgröße zugeführt. Die Ausgangsgrößen i_d,Ref und i_q,Ref werden im Block 24, ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß 2, aus dem Strom i_S und der Phasenlage ϕ bestimmt, die dem Block 24 direkt zugeführt werden.
Die Erfindung löst ferner eine Fragestellung zum Betrieb von permanenterregten Synchronmaschinen und Hybridschrittmotoren. Zwischen dem Betrag des Statorstroms der Maschine und dem erzeugten Drehmoment besteht ein nichtlinearer Zusammenhang. Dieser ist abhängig vom Betriebszustand der Maschine. Insbesondere im Bereich hoher Drehzahl, im Feldschwächbereich, tragen feldverringernde Stromanteile nur in Spezialfällen zum Drehmoment bei. Die Erfindung löst die Aufgabe, den Betrag des Statorstromes unabhängig vom Betriebszustand der Maschine energieoptimal für ein gefordertes Drehmoment einzustellen. Diese Aufgabe wird insbesondere im Feldschwächbereich durch die feldverringernden Stromanteile erschwert. Die Erfindung ermöglicht das Einstellen von energieoptimalen Arbeitspunkten für gewünschte Drehmomente über den gesamten Betriebsbereich inklusive des Feldschwächbereichs.
Vorteilhaft ist hierbei die Betrachtung des erzeugten Drehmoments zur Laufzeit der Maschine, wodurch die notwendige Aufteilung des Statorstroms in drehmomentbildende und feldverringernde Anteile berücksichtigt werden kann. Die Erfindung dient der Nachführung des Strombetrages bei Verringerung von drehmomentbildenden Stromanteilen zu Gunsten von feldschwächenden Stromanteilen durch z.B. Feldschwächregler. Die Lösung des Problems kann in jedem Regelzyklus nachgeführt werden. Dies dient der Berücksichtigung von veränderlichen Sollwerten, Drehzahlen und Parametervariation. Ein energie- und leistungsoptimaler Betrieb kann durch die Kombination der Erfindung mit einem Feldschwächregler erreicht werden.
Die Einstellung des Statorstrombetrages in Abhängigkeit des geforderten Drehmoments kann zwar im Prinzip auch durch offline berechnete Kennlinien vorgenommen werden, jedoch sind diese betriebsbedingt als Steuerung durch Parameterungenauigkeiten oder Parametervariation nicht die energieoptimalen Arbeitspunkte. Offline berechnete Kennlinien erreichen nicht die energieoptimalen Arbeitspunkte.
Die Betrachtung des erzeugten Drehmoments zur Laufzeit der Maschine ermöglicht die Berücksichtigung von Parametervariation. Hierdurch werden die energieoptimalen Arbeitspunkte erreicht. Die Kombination mit einem Feldschwächregler erreicht einen energie- und leistungsoptimalen Betrieb der Maschine.
Die Erfindung ermöglicht das Einstellen von energieoptimalen Arbeitspunkten über den gesamten Betriebsbereich von permanenterregten Synchronmaschinen und Hybridschrittmotoren. Die gesuchten Arbeitspunkte sind in starker Weise abhängig vom anliegenden Drehmoment und der aktuellen Drehzahl der Maschine. Jeder Arbeitspunkt dieser Vielzahl an Arbeitspunkten wird durch eine Menge an möglichen Lösungen für die Stromaufteilung in feldverringernde und drehmomentbildende Stromanteile abgedeckt. Die Erfindung ermöglicht das Finden der energieoptimalen Lösung durch Minimierung des Statorstrombetrags.
Die Erfindung kann einen integralen Regler zur Einstellung des Strombetrags nutzen. Dieser Betrag wird betriebsbedingt in drehmomentbildende und feldverringernde Anteile aufgeteilt, z.B. durch einen Feldschwächregler. Das hieraus resultierende Drehmoment wird modellbasiert berechnet und dient dem Regler als Istwert der Regelgröße.
Eine Aufteilung der Stromsollwerte i_d,Ref und i_q,Ref durch Δi_d,Ref (Feldschwächung) und ϕ (Drehmomenterhöhung) kann abhängig vom Betriebspunkt der Maschine und unabhängig von der Erfindung erfolgen. Variationen der Parameter Ψ_P, L_d und L_q können berücksichtigt werden.
Dies kann z.B. durch den in 4 dargestellten ersten Regler 5 realisiert werden.
Der erste Regler 5 dient ebenfalls zur Bestimmung der Größen i_d,Ref und i_q,Ref, die der Reglereinrichtung 3 gemäß 1 zugeführt werden können. Als Eingangsgrößen werden dem Regler 5 die Drehmomenterhöhung ϕ, ein vorgegebenes Soll-Drehmoment m_Ref der elektrischen Maschine sowie die permanenterregte Flussverkettung Ψ_P zugeführt. Erfindungsgemäß wird dem Regler 5 zusätzlich ein Anteil des Stroms, der für die Feldschwächung genutzt werden soll, in Form der Größe Δi_d,Ref zugeführt. Wie erkennbar ist, werden die Eingangsgrößen ϕ und Δi_d,Ref einem Block 46 zugeführt. In diesem werden abhängig von noch zu erläuternden Eingangsgrößen die Ausgangsgrößen i_d,Ref und i_q,Ref gemäß den Gleichungen (2.2) bestimmt.
Der erste Regler 5 weist folgende weitere Blöcke auf. Einen ersten betragsbildenden Block 40 und einen zweiten betragsbildenden Block 41, in denen jeweils aus einer vorzeichenbehafteten Eingangsgröße dessen Betrag bestimmt wird. Einen Regler 42, z.B. in Form eines I-Reglers, mit einem nachgeschalteten Bereichsbegrenzer 45, in dem der vom Regler 42 abgegebene Wert auf einen zulässigen Wertebereich begrenzt wird. Einen Vorzeichenbestimmungsblock 44, in dem aus einer zugeführten, vorzeichenbehafteten Eingangsgröße nur dessen Vorzeichen extrahiert und ausgegeben wird. Einen Block 47, in dem eine Multiplikation einer zugeführten Eingangsgröße mit dem Faktor 2p/3 erfolgt. Einen Block 49, in dem die Differenz aus einer Längsinduktivität L_d und einer Querinduktivität L_q der elektrischen Maschine bestimmt wird, d.h. entsprechende Induktivitäten im bereits erwähnten transformierten Koordinatensystem. In einem Summationsblock 50 wird die Summe aus den zugeführten Eingangsgrößen bestimmt. In einem Multiplikationsblock 48 wird das Produkt aus den zugeführten Eingangsgrößen bestimmt. In einem Subtraktionsblock 43 wird die Differenz aus zugeführten Eingangsgrößen bestimmt.
Die Funktion des ersten Reglers 5 ist dabei wie folgt. Das zugeführte Soll-Drehmoment m_Ref ist eine vorzeichenbehaftete Größe, derart, dass über das Vorzeichen die Wirkrichtung der elektrischen Maschine angegeben wird. Bei der die Wirkrichtung der Maschine handelt es sich um die Bewegungsrichtung, in die das Drehmoment beschleunigend wirkt. Die nachgeschalteten Reglerblöcke gehen aber zunächst von einer betragsmäßigen Regelung aus. Dementsprechend wird dem Regler 42 die Differenz aus dem Subtraktionsblock 43 zugeführten, jeweils auf positive Werte durch die betragsbildenden Blöcke 40, 41 begrenzten Größen gebildet. Mit anderen Worten, die dortige Regelung erfolgt zunächst unabhängig von der Wirkrichtung der elektrischen Maschine. Die gewünschte Wirkrichtung wird über den Vorzeichenbestimmungsblock 44 als Vorzeichen separat dem Block 46 zugeführt. Im Block 46 erfolgt dann wiederum die Zusammenführung des über den Regler 42 und dem Bereichsbegrenzer 45 zugeführten Stroms i_S mit dem die Drehrichtung angebenden Vorzeichen. Über die Blöcke 47, 48, 49, 50 wird aus den Längsstrom- und Querstrom-Sollwerten i_d,Ref und i_q,Ref gemäß der ersten Gleichung aus (2.1) der sich aus diesem Eingangsgrößen ergebende Drehmomentwert m modellbasiert bestimmt. Dementsprechend erfolgt im Subtraktionsblock 43 ein Vergleich zwischen dem Soll-Drehmoment m_Ref und dem tatsächlichen, modellbasiert bestimmten Drehmoment m. Diese Differenz wird dem Regler 42 zugeführt.
Eine Besonderheit des ersten Reglers 5 ist, wie schon erwähnt, die Zuführung eines Stromanteils Δi_d,Ref für die Feldschwächung. Die 5 zeigt einen entsprechenden zweiten Regler 6, mit dem in vorteilhafter Weise hochdynamisch dieser Stromanteil Δi_d,Ref bestimmt werden kann.
Die Erfindung löst daher eine weitere Fragestellung zum Betrieb von permanenterregten Synchronmaschinen und Hybridschrittmotoren. Oberhalb der Nenndrehzahl eines Antriebs ist es notwendig, einen feldschwächenden Stromanteil einzuprägen, um die induzierte Spannung zu verringern. Die Erfindung erhöht die erzielbare Dynamik des zweiten Reglers 6 zur Einstellung der Arbeitspunkte oberhalb der Nenndrehzahl.
Der zweite Regler 6 zur Einstellung der Arbeitspunkte oberhalb der Nenndrehzahl regelt eine synthetische Regelgröße. Der Regelfehler der synthetischen Regelgröße unterliegt nicht der Beschränkung, die die Dynamik der herkömmlichen Verfahren maßgeblich beeinflusst.
Im Stand der Technik ist die Dynamik der Feldschwächregler durch die Beschränkung des Regelfehlers begrenzt. Dynamische Einstellung der Arbeitspunkte kann durch offline berechnete Kennlinien vorgenommen werden, jedoch sind diese betriebsbedingt als Steuerung durch Parameterungenauigkeiten oder Parametervariation nicht die leistungsoptimalen Arbeitspunkte. Feldschwächregler weisen eine begrenzte Dynamik auf. Offline berechnete Kennlinien erreichen nicht die optimalen Arbeitspunkte.
Die Erfindung ermöglicht es dagegen, die Arbeitspunkte hochdynamisch einzustellen und die leistungsoptimalen Arbeitspunkte zu erreichen. Es werden die Vorteile der dynamischen Steuerung und der leistungsoptimalen Regelung kombiniert. Die Erfindung ermöglicht somit das hochdynamische Einstellen von leistungsoptimalen Arbeitspunkten im Feldschwächbereich von permanenterregten Synchronmaschinen und Hybridschrittmotoren.
Die Erfindung kann einen integralen Regler aufweisen, der eine synthetische Regelgröße regelt. Der synthetische Regelfehler besteht aus der Summe von Statorspannungsbetragsregelfehler und dem Absolutwert der Regelabweichung des Stromregelkreises zur Drehmomentbildung.
Der Absolutwert der Regelabweichung des Stromregelkreises weist gegenüber dem Statorspannungsbetragsregelfehler keine Beschränkung auf und ermöglicht somit Einschwingvorgänge mit gesteigerter Dynamik. Hierfür kann der zweite Regler 6 gemäß 5 eingesetzt werden.
Der zweite Regler 6 weist einen Subtraktionsblock 51 auf, einen Multiplikationsblock 52, einen Schaltblock 53, einen Betragsbildungsblock 58, einen Summationsblock 57, weitere Subtraktionsblöcke 54, 59 sowie einen Regler 55, z.B. einen I-Regler, und einen nachgeschalteten Bereichsbegrenzer 56, der zur Begrenzung der vom Regler 55 ausgegebenen Werte auf negative Werte dient.
Über den Regler 55 mit dem nachgeschalteten Bereichsbegrenzer 56 wird die gewünschte Ausgangsgröße Δi_d,Ref bestimmt, die dem ersten Regler 5 als Eingangsgröße zugeführt werden kann. Generell kann der gewünschte Stromanteil Δi_d,Ref für die Feldschwächung aus der Differenz der Statorspannung u_S und einen maximal zulässigen Wert für die Statorspannung u_S,Max bestimmt werden, die dem zweiten Regler 6 als Eingangsgrößen zugeführt werden und deren Differenz in dem Subtraktionsblock 54 gebildet wird. Die entsprechende Differenz hieraus wird dem Regler 55 als Eingangsgröße zugeführt. Durch das träge Verhalten des Reglers 55, insbesondere wenn er als I-Regler ausgebildet ist, ist jedoch ein schnelles Folgen der Ausgangsgröße Δi_d,Ref auf Wechsel der Eingangsgröße u_S nicht sichergestellt. Erfindungsgemäß kann dies durch eine Umschaltung der Reglerdynamik verbessert werden. Hierfür ist der Umschaltblock 53 vorgesehen, der ein Einschaltsignal an dem Multiplikationsblock 52 abgibt, wenn die Differenz aus u_S und u_S,Max einen gewissen Grenzwert überschreitet. Der Umschaltblock 53 gibt dann zahlenmäßig den Wert 1 ab, ansonsten den Wert 0. Hierdurch wird der untere Reglerzweig mit den Blöcken 58, 59 hinzugeschaltet. Über den Subtraktionsblock 59 wird die Differenz aus dem Querstrom-Sollwert i_q,Ref und dem tatsächlichen Querstrom i_q gebildet. Nach einer Betragsbildung der auf diese Weise gebildeten Differenz im Block 58 wird der hieraus bestimmte, somit positive Wert im Block 51 hinsichtlich des Vorzeichens umgekehrt. Dementsprechend erfolgt im Block 52 eine Multiplikation des auf diese Weise bestimmten negativen Differenzwerts mit dem Wert 1. Dieser negative Wert wird im Block 57 als relativ großer Zahlenwert dem Differenzwert aus u_S und u_S,Max überlagert. Dies führt dazu, dass an dem Regler 55 eingangsseitig ein relativ großer Wert ansteht, der die Reglerdynamik erhöht, indem die Integration beschleunigt wird. Auf diese Weise kann die Ausgangsgröße Δi_d,Ref hochdynamisch nachgeführt werden.

Claims

Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine, die wenigstens einen Stator und einen Rotor aufweist, mit einem, mehreren oder allen der folgenden Merkmale a), b), c): a) mittels eines geschlossenen Regelkreises wird im laufenden Betrieb der elektrischen Maschine (1) für einen vorbestimmte Strombetrag der Maschine (1) das Maximum des von der Maschine abgegebenen Drehmoments eingeregelt, b) die elektrische Maschine (1) wird zur Erreichung einer hohen Drehzahl in einem Feldschwächbetriebsmodus betrieben, in dem ein Teil des der Maschine zugeführten Stroms zur Schwächung des durch Permanentmagnete der Maschine erzeugten Felds wirksam ist, wobei ein erster Regler (5) zur Einstellung eines energieoptimierten Arbeitspunkts der elektrischen Maschine (1) bei vorgegebener Drehzahl die an die elektrische Maschine auszugebenden Ströme bestimmt und wobei dem ersten Regler (5) als Eingangsgröße ein auszuregelnder Anteil des Stroms, der für die Feldschwächung genutzt werden soll, zugeführt wird, c) ein im Feldschwächbetriebsmodus der elektrischen Maschine (1) als Eingangsgröße benötigter Stromwert, der den Anteil des Stroms bestimmt, der für die Feldschwächung genutzt werden soll, wird mittels eines hinsichtlich der Regeldynamik umschaltbaren zweiten Reglers (6) bestimmt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung der Regeldynamik des zweiten Reglers (6) abhängig von der Differenz zwischen der aktuellen Statorspannung und der maximal zulässigen Statorspannung der elektrischen Maschine (1) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei auf erhöhte Regeldynamik umgeschaltetem zweiten Regler (6) die Differenz eines Sollstroms zu einem Iststrom der elektrischen Maschine zur Verstärkung der Regeldynamik genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Regler (5) als Eingangsgröße außerdem eine Drehmomenterhöhung zugeführt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Drehmomenterhöhung und dem Feldschwächungsanteil des Stroms das resultierende Drehmoment der elektrischen Maschine (1) modellbasiert ermittelt wird und dem ersten Regler (5) als Istwert der Regelgröße zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlossene Regelkreis einen Phasenwinkelregler (4) aufweist, durch den als Stellgröße der Phasenwinkel des Statorstroms der elektrischen Maschine (1) bezogen auf die Rotorlage für einen energieoptimalen Betrieb eingestellt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Phasenwinkelreglers (4) im laufenden Betrieb der elektrischen Maschine (1) der Phasenwinkel virtuell geändert wird und die Veränderung des von der Maschine abgegebenen Drehmoments überwacht wird und hiervon abhängig die weitere Änderung des Phasenwinkels gezielt in Richtung steigendes Drehmoment durchgeführt wird, zumindest bis das Drehmoment-Maximum erreicht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im laufenden Betrieb der elektrischen Maschine (1) das Drehmoment-Maximum durch Suchen einer Nullstelle in der nach der Phasenlage differenzierten Bestimmungsgleichung für das Drehmoment der elektrischen Maschine (1) bestimmt wird.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wenn das Verfahren auf einem Rechner ausgeführt wird.
Reglereinrichtung (3, 4, 5, 6) zur Einstellung von Betriebsparametern einer elektrischen Maschine (1), eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Elektrische Maschine (1) mit einer Leistungselektronik (2) zur Steuerung der elektrischen Maschine (1) sowie einer Reglereinrichtung (3, 4, 5, 6) nach dem vorhergehenden Anspruch zur Ansteuerung der Leistungselektronik (2).