DE102015118980A1

DE102015118980A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern einer elektrischen Maschine in einem Modus mit sechs Schritten

Info

Publication number: DE102015118980A1
Application number: DE102015118980.1A
Authority: DE
Inventors: Jung Sik Yim; Jihoon Jang; Bon Ho Bae; Milan A. Vadera
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2015-11-05
Publication date: 2016-05-19
Also published as: CN105610380B; US9407178B2; US20160141983A1; CN105610380A; KR20160058676A

Abstract

Ein Controller eines Spannungszwischenkreisumrichters zum Steuern eines Umrichters, der mit einer elektrischen Maschine elektrisch verbunden ist, umfasst einen Strombefehlsgenerator, einen Flusscontroller mit sechs Schritten und einen Stromregler. Der Flusscontroller mit sechs Schritten erzeugt einen Flussmodifikator, um einen Fluss in einer Drehzahl/Last-Betriebsregion mit Flussschwächung der elektrischen Maschine zu regeln, wenn die elektrische Maschine in einem Modus mit sechs Schritten betrieben wird. Der Strombefehlsgenerator setzt ein Solldrehmoment in dreiphasige Sollströme um, die in eine dq0-dq-Umformvorrichtung eingegeben und mit dem Flussmodifikator kombiniert werden, um eine Direkt-Quadratur-Stromanforderung (dq-Stromanforderung) mit modifiziertem Fluss zu ermitteln. Der Stromregler enthält einen Proportional-Integral-Rückkopplungscontroller, Anti-Windup-Elemente, ein dq-Spannungsgrenzenelement und einen Spannungsgrößenbegrenzer. Der Proportional-Integral-Rückkopplungscontroller und die Anti-Windup-Elemente führen eine Stromregelung auf der dq-Stromanforderung mit modifiziertem Fluss aus, um befohlene dq-Spannungen zu ermitteln.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein das Steuern von Wechselstrom-Motoren/Generatoren (AC-Motoren/Generatoren), und sie betrifft insbesondere Vorrichtungen, Systeme und Verfahren zum Steuern von AC-Motoren/Generatoren.
HINTERGRUND
Synchronrahmen-Stromregler werden zur Stromregelung von AC-Motoren/Generatoren, etwa dreiphasigen synchronen Permanentmagnet-Elektromotoren (elektrischen Maschinen) verwendet. Durch Bereitstellen einer dynamischen Steuerung über einen großen Frequenzbereich hinweg sind Synchronrahmen-Stromregler für viele industrielle Anwendungen geeignet.
Die Steuerung von AC-Motoren/Generatoren, etwa synchronen dreiphasigen Permanentmagnet-Elektromotoren (elektrischen Maschinen) wird unter Verwendung eines dreiphasigen impulsbreitenmodulierten Umrichters (PWM-Umrichters) bewerkstelligt. Ein PWM-Umrichter kann in mehreren verschiedenen Betriebsmodi gesteuert werden, welche beispielsweise einen Raumvektor-PWM-Modus (SVPWM-Modus) und einen Modus mit sechs Schritten bzw. Stufen umfassen. Die Größe der Ausgabespannung des Umrichters bei der Grundfrequenz erreicht ihr Maximum nur, wenn ein Umrichter in dem Modus mit sechs Schritten betrieben wird. Aufgrund dieser Eigenschaft der Spannungsgröße kann ein Betrieb in dem Modus mit sechs Schritten die Drehmomentkapazität einer elektrischen Maschine in der Feldschwächregion, bei der die Spannungsgröße der Hauptfaktor zur Begrenzung der Drehmomentkapazität ist, im Vergleich mit dem bekannten SVPWM-Betrieb oder einem unstetigen Raumvektor-PWM-Betrieb (DPWM-Betrieb) erhöhen. Jedoch ist die Spannungsgröße in dem Modus mit sechs Schritten nicht steuerbar. In dem Modus mit sechs Schritten kann nur ein Spannungswinkel eingestellt werden. Dies ist äquivalent zu dem Verlust eines Freiheitsgrads (DOF) bei der Steuerbarkeit im Vergleich mit einem Betrieb in dem normalen SVPWM-Modus oder in dem DPWM-Modus. Aufgrund dieses Freiheitsgradverlusts hat es sich herausgestellt, dass es eine Herausforderung ist, einen Asynchronrahmen-Stromregler mit einem PWM-Umrichter, der in dem Modus mit sechs Schritten betrieben wird, zu verwenden.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Controller eines Spannungszwischenkreisumrichters zum Steuern eines Umrichters, der mit einer synchronen, mehrphasigen, elektrischen Permanentmagnet-AC-Maschine elektrisch verbunden ist, enthält einen Strombefehlsgenerator, einen Flusscontroller mit sechs Schritten und einen Stromregler. Der Flusscontroller mit sechs Schritten erzeugt einen Flussmodifikator, um einen Fluss in einer Drehzahl/Last-Betriebsregion mit Flussschwächung der elektrischen Maschine zu regeln, wenn die elektrische Maschine in einem Modus mit sechs Schritten betrieben wird. Der Strombefehlsgenerator setzt ein Solldrehmoment in dreiphasige Sollströme um, die in eine dq0-dq-Umformvorrichtung eingegeben und mit dem Flussmodifikator kombiniert werden, um eine Direkt-Quadratur-Stromanforderung (dq-Stromanforderung) mit modifiziertem Fluss zu ermitteln. Der Stromregler enthält einen Proportional-Integral-Controller mit Rückkopplung, Anti-Windup-Elemente, ein dq-Spannungsgrenzenelement und einen Spannungsgrößenbegrenzer. Der Proportional-Integral-Controller mit Rückkopplung und die Anti-Windup-Elemente führen eine Stromregelung auf der dq-Stromanforderung mit modifiziertem Fluss aus, um befohlene dq-Spannungen zu ermitteln. Dies umfasst, dass das dq-Spannungsgrenzenelement und der Spannungsgrößenbegrenzer den befohlenen dq-Spannungen Grenzen auferlegen, und dass der Umrichter die begrenzten befohlenen dq-Spannungen in impulsbreitenmodulierte Statorströme umsetzt, um die elektrische Maschine in dem Modus mit sechs Schritten anzutreiben.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung einiger der besten Arten und anderer Ausführungsformen zum Ausführen der vorliegenden Lehren, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es werden nun eine oder mehrere Ausführungsformen anhand von Beispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 einen Controller eines Spannungszwischenkreisumrichters in Übereinstimmung mit der Offenbarung schematisch veranschaulicht, der einen Stromregler und einen Flusscontroller mit sechs Schritten zum Steuern eines Umrichters, der mit einem mehrphasigen elektrischen AC-Motor/Generator (einer elektrischen Maschine) elektrisch verbunden ist, in einem Modus mit sechs Schritten enthält;
2 eine Ausführungsform eines Stromreglers in Übereinstimmung mit der Offenbarung schematisch zeigt, der von einem Controller in einem System verwendet werden kann, um eine elektrische Maschine in einem Modus mit sechs Schritten zu steuern; und
3 eine Ausführungsform einer Umrichtersteuerungsroutine mit sechs Schritten in Übereinstimmung mit der Offenbarung schematisch zeigt, um zu ermitteln, wann der Betrieb einer Ausführungsform einer elektrischen Maschine in einem Modus mit sechs Schritten gesteuert werden muss, einschließlich einer Ausführungsform einer Schwellenwertdrehmomentkalibrierung mit einer ersten Drehzahl/Drehmoment-Betriebsregion, in der der Modus mit sechs Schritten verhindert wird, und einer zweiten Drehzahl/Drehmoment-Betriebsregion, in der der Modus mit sechs Schritten erlaubt wird.
GENAUE BESCHREIBUNG
Mit Bezug nun auf die Zeichnungen, in denen die Darstellungen nur zur Veranschaulichung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht zur Beschränkung derselben dienen, veranschaulicht 1 auf schematische Weise einen Controller 100 eines Spannungszwischenkreisumrichters (VSI-Controller) zum Steuern eines Umrichters 30, der mit einem mehrphasigen elektrischen AC-Motor/Generator (einer elektrischen Maschine) 40 in Übereinstimmung mit der Offenbarung elektrisch verbunden ist. Die elektrische Maschine 40 ist vorzugsweise eine synchrone Permanentmagnetvorrichtung mit einem Stator und einem Rotor, die in einer Sternkonfiguration angeordnet ist, obwohl die hier beschriebenen Konzepte nicht darauf beschränkt sind. Der VSI-Controller 100 steuert den Betrieb des Umrichters 30 selektiv entweder in einem PWM-Modus oder in einem Modus mit sechs Schritten.
Der VSI-Controller 100 steuert eine Drehmomentausgabe aus der elektrischen Maschine 40 durch den Umrichter 30, der mit einer elektrischen Hochspannungs-DC-Stromversorgung elektrisch verbunden ist. Steuerungsverfahren zum Umschalten zwischen Umrichterzuständen, um eine Drehmomentausgabe der elektrischen Maschine 40 zu regeln, umfassen einen Betrieb in entweder einem PWM-Modus oder in einem Modus mit sechs Schritten. In dem PWM-Modus schaltet der Umrichter 30 schnell zwischen zwei der von Null verschiedenen Zuständen und einem der Null-Zustände um. Der VSI-Controller 100 gibt an, welcher Anteil der Zeit in jedem der drei Zustände verbracht werden soll, indem er PWM-Tastverhältnisse angibt. Der VSI-Controller 100 aktualisiert die PWM-Tastverhältnisse in regelmäßigen Intervallen derart, dass die Frequenz von Aktualisierungen signifikant höher als die Frequenz der Rotordrehung ist. In dem Modus mit sechs Schritten durchläuft der Umrichter 30 zyklisch die sechs von Null verschiedenen Zustände einmal pro Zyklus des Rotors der elektrischen Maschine 40, um eine AC-Spannung und einen AC-Strom in jeder Wicklung des Stators zu erzeugen. Ein Rotorzyklus ist mit Bezug auf Motorpole definiert und entspricht nicht unbedingt einer vollständigen Umdrehung des Rotors.
Der VSI-Controller 100 enthält einen Stromregler 20 und einen Flusscontroller 50 mit sechs Schritten zum Steuern des Betriebs des Umrichters 30, um den Betrieb der elektrischen Maschine 40 in dem Modus mit sechs Schritten zu steuern. Die Amplitude der AC-Spannung wird durch die Größe der DC-Spannung an dem Hochspannungs-DC-Bus diktiert, der eine elektrische Hochspannungs-Stromquelle mit dem Umrichter 30 elektrisch verbindet. Das Drehmoment wird durch die DC-Spannung, die Rotordrehzahl und die Phasendifferenz zwischen diesen quasi sinusförmigen AC-Spannungssignalen und der Rotorposition diktiert, und es wird ferner gesteuert, indem das Steuerungssystem in dem Modus mit sechs Schritten betrieben wird. Der VSI-Controller 100 gibt Befehle an den Umrichter 30 aus, die angeben, wann in den nächsten Zustand in der Sequenz umgeschaltet werden soll.
Eingaben in den VSI-Controller 100 umfassen ein Solldrehmoment Te* 11 und eine äußere Sollspannung |udq*| 13. Ein Strombefehlsgenerator 10 setzt das Solldrehmoment Te* 11 in dreiphasige Sollströme (dq0-Sollströme) i r* / dq0 12 um, die in eine dq0-dq-Umformvorrichtung 15 eingegeben werden. Die dg0-dq-Umformvorrichtung 15 verwendet einen Flussmodifikator Δβ 52, um eine Direkt-Quadratur-Stromanforderung (dq-Stromanforderung) i r* / dq 17 mit modifiziertem Fluss zu ermitteln. Der Flussmodifikator Δβ 52 wird wie hier beschrieben durch den Flusscontroller 50 mit sechs Schritten ermittelt. Die dg0-dq-Umformvorrichtung 15 kombiniert den Flussmodifikator Δβ 52 mit einem Flussterm β, der auf der Grundlage des Solldrehmoments Te* 11 und der Drehzahl ω des Rotors berechnet wird. Die dq0-dq-Umformvorrichtung 15 berechnet die Direkt-Quadratur-Stromanforderung (dq-Stromanforderung) i r* / dq 17 mit modifiziertem Fluss unter Verwendung des modifizierten Flusses (β + Δβ) neu, was umfasst, dass die dq0-Sollströme i r* / dq0 12 unter Verwendung bekannter dg0-dq-Transformationsmethodiken in die dq-Stromanforderung mit modifiziertem Fluss i r* / dq_new 17 umgewandelt werden. Eine dq0-dq-Transformation reduziert dreiphasige AC-Größen, beispielsweise u_a, u_b und u_c, zu den dq-Komponenten, beispielsweise u_d und u_q, um eine Filterung und Steuerung zu ermöglichen, wobei die aktiven und reaktiven Kräfte voneinander unabhängig gesteuert werden, indem die dq-Komponenten gesteuert werden.
Der Flusscontroller 50 mit sechs Schritten arbeitet, wenn die elektrische Maschine 40 in dem aktiven Modus mit sechs Schritten betrieben wird. Ein Prozess zum Ermitteln, wann der Betrieb einer Ausführungsform der elektrischen Maschine 40 in dem aktiven Modus mit sechs Schritten gesteuert werden soll, wird mit Bezug auf 3 beschrieben. Der Flusscontroller 50 mit sechs Schritten arbeitet wie folgt. Die Größe der äußeren Sollspannung |u_dq*| 13 wird um eine Größe der befohlenen äußeren Spannung |u_{dq_out}| 23 unter Verwendung eines Differenzelements 45 verringert, um einen Fehlerterm 47 der äußeren Spannung zu ermitteln, der in den Flusscontroller 50 mit sechs Schritten eingegeben wird. Der Flusscontroller 50 mit sechs Schritten wendet eine proportionale Verstärkung k_p 66 auf den Fehlerterm 47 der äußeren Spannung an, und er wendet eine integrale Verstärkung k_i 63 auf den Fehlerterm 47 der äußeren Spannung an, die einer Zeitverzögerung 64 und oberen und unteren Integralbegrenzungen 65 unterzogen wird. Die Ergebnisse werden von einem Summenelement 67 addiert und oberen und unteren Flussbegrenzungen 68 und einem Richtungsvorzeichen 69 unterzogen, wobei ein negativer Fluss (–) mit einem negativen Drehmoment verbunden ist, d. h. einem Betrieb der elektrischen Maschine 40 in einem Regenerationsmodus für elektrische Leistung, und ein positiver Fluss (+) mit einem positiven Drehmoment verbunden ist, d. h. einem Betrieb der elektrischen Maschine 40 in einem Drehmomenterzeugungsmodus, um den Flussmodifikator Δβ 52 für den dq-Strombefehl zu ermitteln. Der Flusscontroller 50 mit sechs Schritten erhöht den Fluss in einer Drehzahl/Last-Betriebsregion mit Flussschwächung der elektrischen Maschine 40. Der Strombefehl und der Strombefehlswinkel β verändern sich in eine Richtung im Uhrzeigersinn. Der tatsächliche dq-Strom folgt seinem Befehl, bis die Größe der befohlenen äußeren Spannung |u_dq| 23 kleiner als sechs Schritte, 3 / π ≈ 0,955, ist und sobald |u_dq| die vollen sechs Schritte erreicht, bewegt sich der tatsächliche dq-Strom entlang einer Ellipse, die durch die Spannungsgröße bei vollständigen sechs Schritten definiert ist. Der tatsächliche Strom kann jedoch eine Hinaus-und-Hinein-Bewegung aufweisen, wenn die Größe der befohlenen äußeren Spannung |u_dq| ihre Größe bei vollständigen sechs Schritten erreicht. Diese Art der Strombewegung kann kritisch sein, wenn sich die Motordrehzahl in einem mittleren Bereich befindet, so dass sich der Controller in dem aktiven Modus mit sechs Schritten befindet, wenn der Strombefehl bei einem Maximum liegt. Die Größe des tatsächlichen Stroms kann größer als dieser Befehl sein und dies kann den Umrichter und den Motor beschädigen. Daher wird eine Spannungsarretierung verwendet, wie mit Bezug auf 2 beschrieben ist.
Der Flusscontroller 50 mit sechs Schritten ersetzt einen Flussschwächcontroller, wenn der Umrichter 30 und die elektrische Maschine 40 in dem aktiven Modus mit sechs Schritten betrieben werden. Eine Differenz zwischen den Größen der äußeren Spannung |u_dq|* und einer äußeren Sollspannung |u_{dq_out}| verändert den Winkel des dq-Strombefehls und entsprechend den Fluss β. Der Befehl der Größe |u_dq|* der äußeren Spannung wird in einer Ausführungsform auf der Grundlage der Spannungen bei sechs Schritten mit einem empfohlenen Kalibrierungsfaktor von 1,2 ermittelt.
Der Flusscontroller 50 mit sechs Schritten verhindert das Flimmern eines PWM-Ausrichtungsmerkers, weil er die Größe der äußeren Spannungen größer als die Grenze bei sechs Schritten hält. Dieses Merkmal ist speziell hilfreich, wenn die Motortemperatur hoch ist, wodurch der Magnetfluss geschwächt wird. Der Flusscontroller 50 mit sechs Schritten trägt dazu bei, die Größe des tatsächlichen Stroms so nahe wie möglich bei derjenigen des Strombefehls zu halten, weil die Größe der äußeren Spannung äquivalent zum Stromfehler ist. Mit anderen Worten findet der Flusscontroller mit sechs Schritten automatisch einen Arbeitspunkt, der bei den Spannungen bei vollständigen sechs Schritten und der Größe des Strombefehls verfügbar ist.
Die dq-Stromanforderung i r* / dq_new 17 mit modifiziertem Fluss wird durch einen Stromrückkopplungsterm i r* / dq_fdbk 37 unter Verwendung eines Differenzelements 18 verringert. Der Stromrückkopplungsterm i r* / dq_fdbk 37 wird aus überwachten Strombefehlen u_abc 35 zwischen dem Umrichter 30 und der elektrischen Maschine 40 hergeleitet. Ein Stromregler-Eingabeterm 19, der eine Differenz zwischen der dq-Stromanforderung i r* / dq_new 17 mit modifiziertem Fluss und dem dq-Stromrückkopplungsterm i r* / dq_fdbk 37 enthält, wird in den Stromregler 20 eingegeben, welcher so arbeitet, wie mit Bezug auf 2 beschrieben ist, um die dq-Spannungsbefehle u_dq 22 zu erzeugen. Der Stromregler-Eingabeterm 19 enthält einen d-Achsen-Statorstrom I r / ds 51 im Synchronrahmen und einen q-Achsen-Statorstrom I r / qs 53 im Synchronrahmen, welche mit Bezug auf 2 gezeigt und beschrieben sind.
Die dq-Spannungsbefehle u_dq 22 werden als Eingaben für den Umrichter 30 bereitgestellt, welcher vorzugsweise ein Impulsbreitenmodulations-Spannungszwischenkreisumrichter (PWM-Spannungszwischenkreisumrichter) ist, der mit dem AC-Motor 40 elektrisch gekoppelt ist. In Ansprechen auf die dq-Spannungsbefehle u_dq 22 erzeugt der Umrichter 30 AC-Strombefehle u_abc 35, die in den Wicklungen der elektrischen Maschine 40 einen Statorstrom erzeugen, um eine Drehung der und eine Drehmomentausgabe aus der elektrischen Maschine 40 anzutreiben. Ein Rückwärtstransformationsmodul 36 setzt die AC-Strombefehle u_abc 35 unter Verwendung bekannter dq-abc-Umsetzverfahren in die dq-Stromrückkopplung i r* / dq_fdbk 37 des Stromrückkopplungsterms um.
Das Rückwärtstransformationsmodul 36 transformiert die AC-Strombefehle u_abc 35, z. B. dreiphasige sinusförmige Statorströme i_as, i_bs und i_cs, in Direkt-Quadratur-Terme (dq-Terme), welche die Stromrückkopplung i r* / dq_fdbk 37 enthalten, die einen befohlenen d-Achsenstrom I r* / ds 51 im Synchronrahmen und einen befohlenen q-Achsenstrom I r* / qs 53 enthält, welche einem befohlenen d-Achsenstrom I r* / ds 201 im Synchronrahmen und einem befohlenen q-Achsenstrom I r* / qs 203 im Synchronrahmen entsprechen, die mit Bezug auf 2 gezeigt und beschrieben sind.
In einer Ausführungsform können Erfassungsvorrichtungen mit der elektrischen Maschine 40 gekoppelt sein, um die AC-Signale abzutasten und um diese und andere gemessene Größen an den Controller 10 zu liefern. Gemessene Größen können ein Versorgungspotential, zum Beispiel ein Batteriepotential oder eine Hochspannungs-DC-Busspannung V_dc und die dreiphasigen sinusförmigen Statorströme i_as, i_bs und i_cs umfassen, obwohl eine Messung von zwei der Phasenströme ausreichend sein kann, wenn die elektrische Maschine 40 eine Maschine in Y-Schaltung ohne eine Neutralleitung ist. Eine Drehzahl ω der elektrischen Maschine 40 und ein Rotorphasenwinkel θ_r der elektrischen Maschine 40 werden überwacht, vorzugsweise mit einem Sensor 41, der ein beliebiger geeigneter Drehzahl/Positionssensor sein kann, etwa ein Resolver oder ein Halleffekt-Sensor.
Der VSI-Controller 100 führt ein oder mehrere Programme aus, um befohlene Ströme für einen vorbestimmten Steuerungsparameter zu optimieren, und um Betriebseingaben in der Form modifizierter befohlener Ströme, befohlener Spannungen, Drehmomentbefehle oder dergleichen zum Steuern der elektrischen Maschine 40 mit Hilfe des Stromreglers 20 zu ermitteln. Eine oder mehrere der Komponenten des VSI-Controllers 100 können in Software oder Firmware, in Hardware, wie etwa als eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) eine elektronische Schaltung, ein Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert, oder Gruppe) mit Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten oder eine Kombination daraus ausgeführt sein. In einer Ausführungsform ist der VSI-Controller 100 in ein oder mehrere Verarbeitungsmodule unterteilt, die mit einer oder mehreren Operationen des Controllers verbunden sind. Beispielsweise kann der Stromregler 20 als eines dieser Verarbeitungsmodule implementiert sein. Obwohl es nicht gezeigt ist, kann der Controller 10 zusätzliche Module enthalten, etwa eine Befehlsstromquelle, ein Drehmomentmodul und ein Feldschwächungs-Spannungssteuerungsmodul.
Die Begriffe Controller, Steuerungsmodul, Modul, Steuerung, Steuerungseinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe bezeichnen eine beliebige oder verschiedene Kombinationen aus anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), elektronischen Schaltungen, zentralen Verarbeitungseinheiten, beispielsweise Mikroprozessoren und zugehörigen Arbeitsspeicher- und Massenspeichervorrichtungen (Festwertspeicher, programmierbarer Festwertspeicher, Speicher mit wahlfreiem Zugriff, Festplattenlaufwerk usw.), die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme oder Routinen ausführen, kombinatorischen Logikschaltungen, Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Vorrichtungen, Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen und anderen Komponenten, um eine beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Steuerungsroutinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe bezeichnen beliebige von einem Controller ausführbare Anweisungssätze, die Kalibrierungen und Nachschlagetabellen enthalten. Jeder Controller führt eine oder mehrere Steuerungsroutinen aus, um gewünschte Funktionen bereitzustellen, welche umfassen, dass Eingaben von Erfassungsvorrichtungen und anderen Netzwerkcontrollern überwacht werden und Steuerungs- und Diagnoseroutinen ausgeführt werden, um den Betrieb von Aktoren zu steuern. Routinen können in regelmäßigen Intervallen ausgeführt werden, beispielsweise alle 100 Mikrosekunden. Kommunikationen zwischen Controllern und zwischen Controllern, Aktoren und/oder Sensoren können unter Verwendung einer direkt verdrahteten Kopplung, einer Netzwerkkommunikationsbuskopplung, einer drahtlosen Kopplung oder einer beliebigen anderen geeigneten Konmunikationskopplung bewerkstelligt werden.
2 zeigt auf schematische Weise eine Ausführungsform des Stromreglers 20, die von einem Controller in einem System zum Steuern eines AC-Elektromotors/Generators verwendet werden kann, beispielsweise von dem VSI-Controller 100, der mit Bezug auf 1 beschrieben ist. Der Stromregler 20 erzeugt befohlene Direkt- und Quadraturspannungen V r* / ds 281 bzw. V r* / qs 283, welche über einen Spannungsgrößenbegrenzer 290 in befohlene Direkt- und Quadraturspannungen mit sechs Schritten V r / ds 211 bzw. V r / qs 213 umgewandelt werden können. Der Umrichter 30 wandelt die befohlenen Direkt- und Quadraturspannungen V r* / ds 281 und V r* / qs 283 und die befohlenen Direkt- und Quadraturspannungen mit sechs Schritten V r / ds 211 und V r / qs 213 in impulsbreitenmodulierte Statorströme i_as, i_bs und i_cs um, um einen Elektromotor anzutreiben, z. B. die elektrische Maschine 40, die mit Bezug auf 1 beschrieben ist.
Der Stromregler 20 ist ein komplexer PI-Controller, der ein dq-Spannungsgrenzenelement 280 und Anti-Windup-Elemente enthält, die eine Strombefehlskompensation enthalten, wodurch sie Stabilität bei einer Bedingung mit massivem Wind-Up bereitstellen. Eingaben in den Stromregler 20 umfassen Befehlseingaben, die einen befohlenen d-Achsenstrom I r* / ds 201 im Synchronrahmen und einen befohlenen q-Achsenstrom I r* / qs 203 im Synchronrahmen umfassen. Rückkopplungseingaben in den Stromregler 20 umfassen den d-Achsen-Statorstrom I r / ds im Synchronrahmen und den q-Achsen-Statorstrom I r / qs 53 im Synchronrahmen.
Ein Anti-Windup-Schema begrenzt einen Betrieb in dem PWM-Modus mit sechs Schritten wie folgt. Differenzblöcke 247 und 277 berechnen jeweils eine Differenz zwischen den befohlenen Direkt- und Quadraturspannungen mit sechs Schritten V r / ds 211 bzw. V r / qs 213 und den entsprechenden befohlenen Direkt- und Quadraturspannungen V r* / ds 281 bzw. V r* / qs 283. Die Ergebnisse werden mit entweder der Verstärkung k_ad 241 oder der Verstärkung k_qd 271 multipliziert und entweder mit einer zweiten Verstärkung k_d 243 oder k_q 273 multipliziert, zur Addition mit dem befohlenen d-Achsenstrom I r* / ds 201 im Synchronrahmen bzw. dem q-Achsen-Statorstrom I r / qs 53 im Synchronrahmen in Summenblöcken 221 bzw. 251. Die zweiten Verstärkungen k_d 243 bzw. k_q 273 stellen eine Strombefehlskompensation für Anti-Windup bereit. Differenzblöcke 223 und 253 berechnen eine Differenz zwischen den Ergebnissen und dem befohlenen d-Achsenstrom I r / ds 51 im Synchronrahmen bzw. dem q-Achsen-Statorstrom I r / qs 53 im Synchronrahmen.
Die berechneten Differenzen aus den Differenzblöcken 223, 253 werden komplexen Proportional-Integral-Regelungen unterzogen, die Überkreuz-Rückkopplungs-Steuerungsparameter enthalten. Die komplexen Proportional-Integral-Regelungen umfassen proportionale Verstärkungen k_pd 229 und k_pq 259, integrale Differenzelemente 225 und 255, Verzögerungen 227 und 257, Multiplizierer 230 und 260, Überkreuz-Integriererverstärkungen k'_id und k'_iq 245 und 275, Integriererverstärkungen k_id und k_iq 231 und 261, Summenelemente 233, 237, 263 und 267, eine Integriererarretierung 287, Verstärkungen R_d 239 und R_q 269 und Summenelemente 235 und 265, die vorzugsweise so angeordnet sind, wie es mit Bezug auf 2 gezeigt ist. Die Ausgaben der Summenelemente 235 und 265 werden in das dq-Spannungsgrenzenelement 280 eingegeben, welches die Ausgangsspannung auf der Grundlage einer maximalen Spannung V_lim arretiert und die befohlenen DC-Spannungen V r* / ds 281 bzw. V r* / qs 283 erzeugt. Die befohlenen DC-Spannungen V r* / ds 281 bzw. V r* / qs 283 werden in den Spannungsgrößenbegrenzer 290 eingegeben, der die befohlenen Direkt- und Quadraturspannungen mit sechs Schritten V r / ds 211 und V r / qs 213 berechnet, um die elektrische Maschine 40 zu steuern.
Ein Anti-Windup wird bewerkstelligt, indem die Verstärkungen k_ad 241 bzw. k_qd 271 und die zweiten Verstärkungen k_d 243 bzw. k_q 273 multipliziert werden, zur Addition mit dem befohlenen d-Achsenstrom I r* / ds 201 im Synchronrahmen bzw. dem q-Achsen-Statorstrom I r / qs 203 im Synchronrahmen in Summenblöcken 221 bzw. 251. Die Anti-Windup-Kompensation arbeitet wie folgt. Wenn der stationäre dq-Strombefehl in der Nähe der Spannungsgrenze liegt, kann der Anti-Windup-Algorithmus einen stationären Fehler in dem tatsächlichen dq-Strom erzeugen. Der Betrag dieses stationären Stromfehlers ist der gleiche wie der des Spannungsfehlers, der von den Anti-Windup-Elementen verwendet wird, und wird wie folgt ermittelt.
Unter Verwendung der vorstehenden Gleichung kann der Strombefehl selbst wie folgt kompensiert werden, um den stationären Fehler zu beseitigen.
Um einen gewissen Freiheitsgrad im Kalibrierungsprozess zu erhalten, werden zwei zusätzliche Verstärkungen erzeugt, um den Betrag der Stromkompensation zu justieren. Die endgültige Gleichung ist wie folgt.
Die Außenkreisgrenze der dq-Spannungsbefehle mit einer Integriererarretierung ist in dem dq-Spannungsgrenzenelement 280 als v_lim 282 dargestellt.
In dem aktiven Modus mit sechs Schritten werden die Strombefehle mit einer Spannungsgrenze ermittelt, um ein Flimmern zwischen dem Modus mit sechs Schritten und dem PWM-Modus zu verhindern. Dies kann jedoch einen stationären Fehler bei dem dq-Strom verursachen, der in den Integriererelementen angesammelt werden kann. Um eine Integierersättigung zu verhindern, wird eine zusätzliche Spannungsgrenze verwendet. Daher enthält der Stromcontroller das dq-Spannungsgrenzenelement 280 und den Spannungsgrößenbegrenzer 290. Wenn die Ausgabe des Stromcontrollers mit dem dq-Spannungsgrenzenelement 280 arretiert wird, werden die Integrierer mit
285 multipliziert, was bewirkt, dass die Integrierer arretiert werden, wobei die Phaseninformation bewahrt wird.
Diese äußere Spannung kann auch als Anzeige des Stromfehlers in dem aktiven Modus mit sechs Schritten verwendet werden, weil die Größe der Umrichterausgabespannung auf sechs Schritte festgelegt ist, in dem aktiven Modus mit sechs Schritten auf 2 / π·Vdc. Wenn diese Spannung mit anderen Worten höher wird, weist der tatsächliche dq-Strom im Vergleich zu seinem Befehl einen größeren stationären Fehler auf. Aus diesem Grund wird diese äußere Spannung in dem Flusscontroller 50 mit sechs Schritten verbraucht.
Eine komplexe PI-Regelung wird bewerkstelligt, indem die Überkreuz-Integriererverstärkungen k'_id und k'_iq 245 und 275 auf entgegengesetzte q, d-Integrierer bei den Summierelementen 267 bzw. 237 angelegt werden.
Eine Rückkopplungssteuerung wird durch die erste Spannungsgrenze 280 bewerkstelligt, welche die Spannung
285 erzeugt, welche durch die Integriererarretierung 287 arretiert wird und in die Integrierer bei den beiden Multiplizierern 230 und 260 eingefügt wird.
Der Betrieb in dem Modus mit sechs Schritten wird durch den Spannungsgrößenbegrenzer 290 begrenzt.
Der komplexe PI-Controller mit Anti-Windup, der den Stromfehler enthält, wird zuerst mit Anti-Windup-Termen integriert und dann wird der integrierte Stromfehler zur Kreuzkopplung verzweigt. Folglich wird eine Spannungsarretierung auf die tatsächlichen dq-Ströme angewendet.
Im Betrieb kann der Controller 10 die befohlenen Ströme aus einer Tabelle mit befohlenen Strömen holen, die in einem Speicher des Controllers 10 gespeichert ist. Die Tabelle mit befohlenen Strömen ist vorzugsweise für einen oder mehrere vorbestimmte Steuerungsparameter (z. B. Systemwirkungsgrad) optimiert und sie kann aus einer beliebigen Anzahl von Modellen zum Optimieren des bzw. der gewünschten Steuerungsparameter abgeleitet sein. Zudem kann die Tabelle mit befohlenen Strömen auf der Grundlage von Spannungs- und Stromgrenzen der elektrischen Maschine 40 vorbestimmt sein, so dass die Quelle des befohlenen Stroms einen geeigneten Betrag von d-Achsen- und q-Achsen-Strömen an die elektrische Maschine 40 anlegt, um ein Solldrehmoment (z. B. mit hohem Wirkungsgrad) zu erzeugen und die Stabilität der Stromregelung aufrechtzuerhalten.
Die Umrichterspannungsgrenzen können auf der Grundlage der Versorgungsspannung vorbestimmt sein.

3 zeigt auf schematische Weise eine Ausführungsform einer Aktivierungsroutine 300 für sechs Schritte zum Ermitteln, wann der Betrieb einer Ausführungsform der elektrischen Maschine 40, die hier beschrieben ist, in einem aktiven Modus mit sechs Schritten gesteuert werden soll. Tabelle 1 wird als Schlüssel bereitgestellt, wobei die numerisch beschrifteten Blöcke und die zugehörigen Funktionen wie folgt offengelegt sind, entsprechend der aktiven Routine 300 mit sechs Schritten. Tabelle 1

BLOCK	BLOCKINHALTE
302	Start
304	Wähle Schwellenwertdrehmoment für sechs Schritte
306	Ist befohlenes Drehmoment größer als Schwellenwertdrehmoment?
308	aktive Routine mit sechs Schritten erlauben
310	aktive Routine mit sechs Schritten verhindern
312	Index
314	Ende

Die Aktivierungsroutine 300 mit sechs Schritten ist eine geplante Aufgabe, die während eines fortlaufenden Betriebs periodisch ausgeführt wird, beispielsweise alte 100 Mikrosekunden oder alle 500 Mikrosekunden. Nach dem Initialisieren der aktiven Routine 300 mit sechs Schritten (302) wird ein Schwellenwertdrehmoment mit sechs Schritten auf der Grundlage der Motordrehzahl gewählt (304). Eine Kalibrierungstabelle für ein Schwellenwertdrehmoment ist graphisch gezeigt, die eine Motordrehzahl auf der horizontalen Achse 330 mit Bezug auf ein befohlenes Motordrehmoment auf der vertikalen Achse 320 enthält. Ein Bereich 323 zeigt eine Drehzahl/Drehmoment-Betriebsregion an, bei der die aktive Routine mit sechs Schritten verhindert wird, und ein Bereich 325 zeigt eine Drehzahl/Last-Betriebsregion an, in der die aktive Routine mit sechs Schritten erlaubt ist, und ferner eine Drehzahl/Last-Betriebsregion mit Flussschwächung der elektrischen Maschine 40 betrifft. Eine Linie 324, die eine minimale Drehzahl 334 enthält, beschreibt ein Schwellenwertdrehmoment zwischen dem Bereich 323 und dem Bereich 325, das mit einem zunehmenden befohlenen Motordrehmoment verbunden ist. Eine Linie 322, die eine minimale Drehzahl 332 enthält, bezeichnet ein Schwellenwertdrehmoment zwischen dem Bereich 323 und dem Bereich 325, das mit einem abnehmenden befohlenen Motordrehmoment verbunden ist. Ein Drehmoment, das mit der Linie 324 verbunden ist, ist in der gesamten Region, die mit dem Zulassen der aktiven Routine mit sechs Schritten verbunden ist, größer als ein Drehmoment, das mit der Linie 322 verbunden ist. Diese Abgrenzung von Drehzahl/Drehmoment zwischen den Bereichen 323 und 325 ermöglicht das Einführen einer Hysterese in die aktive Routine 300 mit sechs Schritten. Die Schwellenwertdrehmoment-Kalibrierungstabelle kann in Software als durchsuchbare mehrdimensionale Tabelle, durch Gleichungen oder in einer beliebigen anderen geeigneten ausführbaren Form implementiert sein.
Wenn das befohlene Drehmoment größer als das Schwellenwertdrehmoment für das befohlene Drehmoment ist, wie mit Bezug auf die Schwellenwertdrehmoment-Kalibrierungstabelle ermittelt wird (306)(1), wird die aktive Steuerungsroutine mit sechs Schritten zugelassen (308) und der mit Bezug auf 1 und 2 beschriebene VSI-Controller 100 wird verwendet, um die elektrische Maschine 40 unter Verwendung der Umrichtersteuerung mit sechs Schritten zu steuern.
Wenn das befohlene Drehmoment kleiner als das Schwellenwertdrehmoment für das befohlene Drehmoment ist, wie mit Bezug auf die Schwellenwertdrehmoment-Kalibrierungstabelle ermittelt wird (306)(0), wird die aktive Steuerungsroutine mit sechs Schritten verhindert (310) und die Steuerung der elektrischen Maschine 40 wird unter Verwendung einer PWM-Umrichtersteuerung bewerkstelligt. Die Iteration wird indiziert (312) und endet (314).
Der hier beschriebene VSI-Controller 100 stellt einen modifizierten Stromregler in Kombination mit einem Flusscontroller mit sechs Schritten und einer Aktivierungsroutine mit sechs Schritten bereit, um eine Stromregelung bereitzustellen, wenn eine elektrische Maschine in einem Modus mit sechs Schritten gesteuert wird. Übergänge zwischen dem Modus mit sechs Schritten und dem PWM-Modus können ausgeführt werden, ohne Schaltungen oder Algorithmen zum Management einer transienten Reaktion zu verwenden, die andernfalls benötigt würden, um Strom- und Drehmomentspitzen zu minimieren.
Die genaue Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben die vorliegenden Lehren, aber der Umfang der vorliegenden Lehren wird nur durch die Ansprüche definiert. Obwohl einige der besten Arten und andere Ausführungsformen zum Ausführen der vorliegenden Lehren im Detail beschrieben wurden, existieren verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen, um die vorliegenden Lehren, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, in die Praxis umzusetzen.

Claims

Controller eines Spannungszwischenkreisumrichters zum Steuern eines Umrichters, der mit einer synchronen, mehrphasigen, elektrischen Permanentmagnet-AC-Maschine verbunden ist, umfassend: einen Strombefehlsgenerator, einen Flusscontroller mit sechs Schritten und einen Stromregler, wobei: der Flusscontroller mit sechs Schritten einen Flussmodifikator erzeugt, um einen Fluss in einer Drehzahl/Last-Betriebsregion mit Flussschwächung der elektrischen Maschine bei einem Betrieb der elektrischen Maschine in einem Modus mit sechs Schritten zu regeln; der Strombefehlsgenerator ein Solldrehmoment in dreiphasige Sollströme umsetzt, die in eine dq0-dq-Umformvorrichtung eingegeben werden und mit dem Flussmodifikator kombiniert werden, um eine Direkt-Quadratur-Stromanforderung (dq-Stromanforderung) mit modifiziertem Fluss zu ermitteln; und der Strombefehlsgenerator [engl.: regulator] einen Proportional-Integral-Rückkopplungscontroller, Anti-Windup-Elemente, ein dq-Spannungsgrenzenelement und einen Spannungsgrößenbegrenzer enthält, wobei der Proportional-Integral-Rückkopplungscontroller und die Anti-Windup-Elemente eine Stromregelung auf der dq-Stromanforderung mit modifiziertem Fluss ausführen, um befohlene dq-Spannungen zu ermitteln, wobei: das dq-Spannungsgrenzenelement und der Spannungsgrößenbegrenzer Grenzen für die befohlenen dq-Spannungen auferlegen; und der Umrichter die begrenzten befohlenen dq-Spannungen in impulsbreitenmodulierte Statorströme umsetzt, um die elektrische Maschine in dem Modus mit sechs Schritten anzutreiben.
Controller eines Spannungszwischenkreisumrichters nach Anspruch 1, wobei der Flusscontroller mit sechs Schritten einen Proportional-Integral-Controller umfasst, der auf einen Fehlerterm einer äußeren Spannung angewendet wird, der auf der Grundlage einer Größe eines Spannungsbefehls ermittelt wird, der in den Umrichter eingegeben wird.
Controller eines Spannungszwischenkreisumrichters nach Anspruch 1, der ferner umfasst, dass der Proportional-Integral-Rückkopplungscontroller eine Proportional-Integral-Rückkopplungssteuerung enthält, die Überkreuz-Integriererverstärkungen anwendet.
Controller eines Spannungszwischenkreisumrichters nach Anspruch 3, wobei das Merkmal, dass der Proportional-Integral-Rückkopplungscontroller eine Proportional-Integral-Rückkopplungssteuerung enthält, die Überkreuz-Integriererverstärkungen anwendet, umfasst, dass der Proportional-Integral-Rückkopplungscontroller die Oberkreuz-Integriererverstärkungen an entgegengesetzte Integrierer anlegt.
Controller eines Spannungszwischenkreisumrichters nach Anspruch 1, wobei die Anti-Windup-Elemente eine Strombefehlskompensation umfassen, die ermittelt wird, indem Differenzen zwischen befohlenen Direkt- und Quadraturspannungen mit sechs Schritten und entsprechenden befohlenen Direkt- und Quadraturspannungen, die mit zweiten Verstärkungen multipliziert sind, multipliziert werden, zur Addition zu einem befohlenen d-Achsenstrom im Synchronrahmen bzw. einem q-Achsen-Statorstrom im Synchronrahmen.
Controller zum Steuern eines Umrichters, der mit einer elektrischen Maschine elektrisch verbunden ist, umfassend: einen Flusscontroller mit sechs Schritten, der einen Flussmodifikator erzeugt; einen Strombefehlsgenerator, der ein Solldrehmoment in dreiphasige Sollströme umsetzt, die in eine dq0-dq-Umformvorrichtung eingegeben werden und mit dem Flussmodifikator kombiniert werden, um eine Direkt-Quadratur-Stromanforderung (dq-Stromanforderung) mit modifiziertem Fluss zu ermitteln; einen Proportional-Integral-Rückkopplungscontroller und Anti-Windup-Elemente, die eine Stromregelung auf der dq-Stromanforderung mit modifiziertem Fluss ausführen, um befohlene dq-Spannungen zu ermitteln; wobei das dq-Spannungsgrenzenelement und der Spannungsgrößenbegrenzer den befohlenen dq-Spannungen Grenzen auferlegen; und wobei der Umrichter die begrenzten befohlenen dq-Spannungen in impulsbreitenmodulierte Statorströme umsetzt, um die elektrische Maschine in dem Modus mit sechs Schritten anzutreiben.
Umrichtercontroller nach Anspruch 6, wobei das Merkmal, dass der Flusscontroller mit sechs Schritten einen Flussmodifikator erzeugt, umfasst, dass der Flusscontroller mit sechs Schritten den Flussmodifikator für eine Flussregelung erzeugt, wenn die elektrische Maschine in einem Modus mit sechs Schritten betrieben wird.
Umrichtercontroller nach Anspruch 6, wobei der Flusscontroller mit sechs Schritten einen Proportional-Integral-Controller umfasst, der auf einen Fehlerterm einer äußeren Spannung angewendet wird, welcher auf der Grundlage einer Größe eines Spannungsbefehls ermittelt wird, der in den Umrichter eingegeben wird.
Umrichtercontroller nach Anspruch 6, der ferner umfasst, dass der Proportional-Integral-Rückkopplungscontroller eine Proportional-Integral-Rückkopplungssteuerung umfasst, die Oberkreuz-Integriererverstrkungen anwendet.
Umrichtercontroller nach Anspruch 9, wobei das Merkmal, dass der Proportional-Integral-Rückkopplungscontroller eine Proportional-Integral-Rückkopplungssteuerung umfasst, die Überkreuz-Integriererverstäkungen anwendet, umfasst, dass der Proportional-Integral-Rückkopplungscontroller die Überkreuz-Integriererverstärkungen an entgegengesetzte Integrierer anlegt.