DE102015209253A1 - Antriebssystem - Google Patents

Abstract

Antriebssystem (1) mit einer Asynchronmaschine (ASM), wobei das Antriebssystem (1) eine Regelstruktur (9) für eine feldorientierte Regelung (FOR) der Asynchronmaschine (ASM) als auch eine Steuerstruktur (11) für eine feldorientierte Steuerung (FOS) der Asynchronmaschine (ASM) bereitstellt, wobei das Antriebssystem (1) eingerichtet ist, via die Steuerstruktur (11) eine Entkopplung für die feldorientierte Regelung zu bewirken.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
• Im Stand der Technik sind verschiedene elektrische Antriebssysteme mit Asynchronmaschinen bekannt, welche Asynchronmaschinen (ASM) eine Drehfeldwicklung mit drei Strängen aufweisen. Derartige Antriebssysteme nutzen zumeist die feldorientierte Regelung (FOR) zur Ansteuerung der Asynchronmaschine, d.h. insbesondere zur Regelung des Drehmoments.
• Im Rahmen einer feldorientierten Regelung werden die Spannungen und Ströme der einzelnen Stränge in Form von Raumzeigern zusammengefasst. Raumzeiger können sich auf das statorfeste α, β-Koordinatensystem beziehen und insoweit asynchron mit dem Rotor rotieren. Für einen Rotorbezug können die Zeiger in das rotorfeste d, q-Koordinatensystem transformiert werden, weiterhin z.B. in ein A, B-Koordinatensystem, entsprechend bevorzugt einem Rotorflusskoordinatensystem. Allgemein besteht ein gängiges Konzept der feldorientierten Regelung – wie dieses auch mit der Erfindung Anwendung findet – darin, die Asynchronmaschine mit konstanter Rotorflussverkettung zu betreiben und die Ständerdurchflutung senkrecht dazu einzustellen. Hierbei wird eine Transformation auf den Magnetisierungsstromvektor vorgenommen, der nicht direkt messbar ist und folglich aus einem Maschinenmodell (Flussmodell) online ermittelt werden muss. Die transformierten Ströme können dann jedoch in ihre feld- bzw. momentbildenden Komponenten zerlegt und einzeln geregelt werden.
• Für die Durchführung der FOR für die Asynchronmaschine sind neben der Drehzahl und der Zwischenkreisspannung Informationen über die Phasenströme erforderlich, um die Rückkopplung des Regelkreises zu gewährleisten. Dies bedeutet, dass Strommesssensoren zur Messung der Ströme benötigt werden. Verzichtet man auf die Stromsensoren, können die Sensorkosten gespart und der damit verbundene Aufwand (Leitungen, Platine...) reduziert werden. In bestimmten Bereichen von Anträgen, zum Beispiel Traktionsantrieben, ist die Strommessung ungenau oder verrauscht, so dass die Regelung auf falschen Signalen fußt. Resultierende Effekte (wie Geräusche, Momentoberschwingungen...) führen zur Beeinträchtigung der Funktion des Antriebs.
• Soll die Ansteuerung nur mit dem Drehzahlsensor und dem Zwischenkreisspannungssensor, jedoch ohne Stromsensoren erfolgen, bietet sich die feldorientierte Steuerung (FOS) als Ansteuerverfahren für die Maschine an. Bei dieser wird auf die Messung der Ströme verzichtet. Die feldorientierte Steuerung ist zum Beispiel aus der Druckschrift DE 10 2011 086 794 A1 bekannt, deren Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird.
• Die feldorientierte Steuerung zur Ansteuerung der Asynchronmaschine kann zum Beispiel verwendet werden, wenn die Stromsensoren in einen Betriebsbereich schlecht auflösen, wenn ein Fehlerfall in der Maschine vorliegt oder wenn Geräuscheffekte vermieden werden sollen, welche in manchen Betriebsbereichen auftreten können. Soll zeitweise die FOR und zeitweise die FOS verwendet werden, sind jedoch glatte Übergänge zwischen den beiden Ansteuerverfahren erforderlich.
• Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem vorzuschlagen, welches in der Lage ist, insbesonders vorteilhaft unaufwändig glatte Übergänge zwischen den Ansteuerverfahren FOS und FOR zu bewirken.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
• Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Antriebssystem mit einer (Drehfeld-)Asynchronmaschine. Das Antriebssystem umfasst eine Regelstruktur für eine feldorientierte Regelung (FOR) der Asynchronmaschine als auch eine Steuerstruktur für eine feldorientierte Steuerung (FOS) der Asynchronmaschine. Die Regelstruktur kann vorteilhaft mit der Steuerstruktur zusammengeführt sein, so dass funktionale Einheiten, z.B. ein Flussmodell, z.B. nur einmal bereitgestellt sein müssen.
• In kennzeichnender Weise ist das Antriebssystem eingerichtet, via die Steuerstruktur eine Entkopplung für die feldorientierte Regelung zu bewirken. Bevorzugt dient die Steuerstruktur insoweit als Entkopplungsnetzwerk für die feldorientierte Regelung. Entkopplung bezeichnet hierbei insbesondere die Kompensation der gegenseitigen Abhängigkeiten der Ströme in einer ersten und einer zweiten Achse (A- bzw. B-Achse) der Steuerung bzw. Regelung, welche voneinander getrennt beeinflusst bzw. eingestellt werden, insbesondere einer flussproportionalen und einer drehmomentproportionalen Achse (im Hinblick auf die Erzeugung der Stromkomponenten).
• In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist das Antriebssystem auch zu einer feldorientierten Steuerung und einer feldorientierten Regelung mit identischer Dynamik eingerichtet, so dass ein einfaches Umschalten zwischen einer feldorientierten Regelung mit Entkopplung via die Steuerstruktur und einer insbesondere ausschließlich feldorientierten Steuerung erzielt werden kann, d.h. mit geringem Rechenaufwand.
• Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das Antriebssystem weiterhin ermöglichen, mittels der Entkopplung wenigstens einen Regler der Regelstruktur zu entlasten, d.h. bevorzugt in einer jeweiligen Achse. Bevorzugt wird hierbei, dass das Antriebssystem eingerichtet ist, bei der feldorientierten Regelung mit Entkopplung einen Reglerausgang und einen Steuerausgang einer jeweiligen Achse zu summieren, wobei die Bereitstellung einer Vorgabe für die jeweilige Achse an einen Reglereingang mit zeitlicher Verzögerung gegenüber der Bereitstellung an einen Steuereingang erfolgt. Somit kann die Steuerstruktur im Rahmen der Entkopplung quasi voreilend gegenüber der Reglerstruktur wirken, so dass letztere – z.B. bei einem Sollwert-Sprung – nurmehr geringe Abweichungen im Rahmen der feldorientierten Regelung ausregeln muss.
• Ein Regler einer jeweiligen Achse der Regelstruktur ist bevorzugt ein PI-Regler, wobei einem jeweiligen Regler zur Verzögerung bevorzut ein Filter vorgeschaltet ist, insbesondere ein einstellbarer Filter. Die Dynamik des Filters ist hierbei bevorzugt größer als jene der feldorientierten Steuerung.
• Mit dem Antriebssystem ist weiterhin vorgesehen, dass an einem jeweiligen Reglerausgang ein Spannungssollwert bereitgestellt wird bzw. an einem jeweiligen Steuerausgang ein rechnerisch ermittelter Spannungssollwert bereitgestellt wird. Diese können im Rahmen der feldorientierten Regelung mit FOS als Entkopplungsnetzwerk wie vorstehend erläutert summiert werden.
• Vorteilhaft sind insbesondere auch Ausgestaltungen des Antriebssystems, bei welchen dasselbe eingerichtet ist, bei der Berechnung eines Flussmodells dann gefilterte Sollströme zu verwenden, wenn das Antriebssystem mit feldorientierter Steuerung betrieben wird, insbesondere bei ausgeschalteter feldorientierter Regelung. Ein solcher Betriebsfall kann vorgesehen werden, wenn die Strommessung im Betrieb mit ausschließlich feldorientierter Steuerung ausfallen sollte oder ungenügend ist. Hierbei werden anstelle der gemessenen Ströme sodann die gefilterten A- und B-Stromsollwerte bzw. Sollströme für das Flussmodell verwendet. Zur Bereitstellung der gefilterten Sollströme kann das Antriebssystem wenigstens ein Filter, insbesondere je ein Filter für die A- und die B-Achse, umfassen, welche die gleiche Dynamik wie die feldorientierte Steuerung aufweisen oder die Dynamik der feldorientierten Steuerung (in den beiden Achsen A und B) nachbilden, insbesondere im Rahmen der Filterung.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
• Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• 1 exemplarisch und schematisch eine Regelungsstruktur zur feldorientierten Regelung gemäß dem Stand der Technik.
• 2 exemplarisch und schematisch ein erfindungsgemäßes Antriebssystem mit einer Regel- und einer Steuerstruktur gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung.
• In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen, wobei den Stand der Technik referenzierende Bezugszeichen gestrichen dargestellt sind.
• 1 zeigt beispielhaft ein Strukturbild eines Antriebssystems 1‘ mit feldorientierter Regelung einer Asynchronmaschine (ASM) gemäß dem Stand der Technik. Dies wird nunmehr näher erörtert.
• Um die gegenseitige Wirkung der beiden Ströme I1A* und I1B* zu kompensieren, ist eine Entkopplung 3‘ vorgesehen. Zur Ermittlung des Rotorflusses sowie des Rotorflusswinkels dient ein Flussmodell 5‘, wobei für das Flussmodell 5‘ ein Strommodell- oder ein Spannungsmodell oder ein Kombimodell aus beiden zum Einsatz kommen kann. Als Eingangsgrößen des Flussmodells werden die Maschinenströme und/oder die Maschinenspannungen sowie die elektrische Winkelgeschwindigkeit des Rotors verwendet. Die Phasenspannungen können aus den PWM-Werten und der Zwischenkreisspannung Udc berechnet werden.
• Mit 1 sind weiterhin folgende Größen umfasst:

ω_m:

elektrische Winkelgeschwindigkeit des Rotors

ω_r:

mechanische Winkelgeschwindigkeit des Rotors

ω_K:

Winkelgeschwindigkeit der Ständergrößen

Ψ_2A:

Rotorflusskomponente in A-Achse beim A, B-Koordinatensystem (entspricht dem Rotorflussbetrag)

Ψ_2B:

Rotorflusskomponente in A-Achse beim A, B-Koordinatensystem (ist gleich 0)

β_Ψ:

elektrischer Drehwinkel des Rotorflusses

Zp:

Polpaarzahl

U1α, U1β:

Maschinenspannungen in α, β-Koordinatensystem

U1A, U1B:

Maschinenspannungen in A, B-Koordinatensystem (Rotorflusskoordina tensystem)

I1u, I1v, I1w:

Phasenströme der Maschine

I1α, I1β:

Maschinenströme in α, β-Koordinatensystem

I1A, I1B:

Maschinenströme in A, B-Koordinatensystem (Rotorflusskoordinaten system)

Udc:

Zwischenkreisspannung

PWM123:

die PWM-Werte (PWM: Pulsweitenmoduliert) zur Steuerung der Phasen der Maschine

• Für die Maschinenspannungen U1A, U1B der ASM im A, B-Koordinatensystem bzw. Rotorflusskoordinatensystem ergeben sich hierbei die Gleichungen GL. 1 und GL. 2:

  
• Wobei vorstehende Größen weiterhin bezeichnen:

σ:

Streuziffer

M:

Hauptinduktivität [H]

L1:

Stator-Selbstinduktivität [H]

L2:

Rotor-Selbstinduktivität [H]

R1:

Stator-Widerstand [Ω]

R2:

Rotor-Widerstand [Ω]

• Die vereinfachte Darstellung der beiden Gleichungen GL. 1 und GL. 2 ergibt:

  
• Mit:

  

  und L_1σ = σL₁ sowie GL. 3 und GL. 4 transformiert in den s-Bereich:

  
• Wie 1 veranschaulicht, umfasst die Struktur zur feldorientierten Regelung (FOR) zwei PI-Regler 7‘ für die beiden Ströme I1A* und I1B*. Die FOR wird hierbei derart durchgeführt, dass die Differenz zwischen Strom-Sollwert und Strom-Istwert als Eingang eines jeweiligen PI-Reglers 7‘ verwendet wird. Abhängig von dieser Differenz wird mit der FOR-Struktur eine Spannung als Ausgang des jeweiligen Reglers 7‘ generiert, die sich ändert bis die Differenz ausnivelliert ist.
• Für den Regler 7‘ in der A-Achse ergibt sich an dessen Ausgang: U_1AFOR = K_{P_A}ΔI_1A + K_{I_A}∫ΔI_1Adt GL. 8
• Für den Regler in der B-Achse ergibt sich an dessen Ausgang: U_1BFOR = K_{P_B}ΔI_1B + K_{I_B}∫ΔI_1Bdt GL. 9
• In diskreter Form ergeben sich aus GL. 8 und GL. 9 die Gleichungen GL. 10 und GL. 11 nach dem Eulerschen Diskretisierungsansatz zu: U_1AFORk = Y_PAk + Y_IAk = k_{p_A}ΔI_IAk + (Y_IAk-1 + k_{I_A}TΔI_1Ak) GL. 10 U_1BFORk = Y_PBk + Y_IBk = k_{p_B}ΔI_IBk + (Y_IBk-1 + k_{I_B}TΔI_1Bk) GL. 11
• Mit:

U_1AFORk:

aktueller Ausgang des PI-Reglers in A-Achse

Y_pAk:

aktueller P-Anteil des Ausganges des PI-Reglers in A-Achse

Y_IAk:

aktueller I-Anteil (Integratorwert) des PI-Regler-Ausganges in A-Achse

Y_IAk-1:

I-Anteil des PI-Regler-Ausganges in A-Achse vom vorherigen Abtast schritt

ΔI_1Ak:

aktuelle Differenz zwischen Soll- und Istwert des Stromes in A-Achse

T:

Abtastzeit des Reglers

U_1BFORk:

aktueller Ausgang des PI-Reglers in B-Achse

Y_PBk:

aktueller P-Anteil des Ausgangs des PI-Reglers in B-Achse

Y_IBk:

aktueller I-Anteil (Integratorwert) des Ausgangs des PI-Reglers in B- Achse

Y_IBk-1:

I-Anteil des PI-Regler-Ausgangs in B-Achse vom vorherigen Abtast schritt

ΔI_1Bk:

aktuelle Differenz zwischen Soll- und Istwert des Stromes in B-Achse

• Um die gewünschten Spannungen U1A und U1B zu berechnen, werden die Reglerausgänge der beiden PI-Regler (A- und B-Achse) einem Entkopplungsnetzwerk 3‘ übergeben. Hierbei hat das Entkopplungsnetzwerk die Aufgabe, die gegenseitige Abhängigkeit der beiden Achsen A und B zu kompensieren.
• Nunmehr mit Bezug auf 2 wird nachfolgend näher auf die Erfindung eingegangen.
• Die 2 zeigt ein Antriebssystem 1, welches eine Regelstruktur 9 für eine feldorientierte Regelung (FOR) der Asynchronmaschine als auch eine Steuerstruktur 11 für eine feldorientierte Steuerung (FOS) der Asynchronmaschine (ASM) bereitstellt. Sowohl die Regelstruktur 9 als auch die Steuerstruktur 11 sind bevorzugt mittels funktionaler Einheiten gebildet, z.B. mikrocontrollerimplementiert. Hierbei ist das Antriebssystem 1 eingerichtet, via die Steuerstruktur 11 eine Entkopplung für die feldorientierte Regelung zu bewirken.
• In Hinblick auf die bezeichnenden Größen im Rahmen der nachfolgenden Erläuterung des Strukturschaubilds gemäß 2 wird ergänzend auf vorstehend zu 1 ergangene Ausführungen verwiesen.
• Mit dem gezeigten Antriebssystem 1, bei welchem die Regelstruktur 9 mit der Steuerstruktur 11 insbesondere zu einer FOS-FOR-Struktur zusammengeführt ist, wird die FOS erfindungsgemäß als Entkopplungsnetzwerk 3 bzw. zur Entkopplung für die FOR verwendet. Hierbei ermitteln die PI-Regler 7 die Spannungen U_1AFOR (in der A-Achse) bzw. U_1BFOR (in der B-Achse) und die FOS-Struktur 11 als Entkopplungsnetzwerk (ENW) 3 ermittelt zusätzlich die beiden Spannungen U_1AFOS (für die A-Achse) und U_1BFOS (für die B-Achse). Die insbesondere rechnerisch ermittelten Spannungen für jede Achse (U_1AFOR und U_1AFOS für die A-Achse; U_1BFOR und U_1BFOS für die B-Achse) werden sodann zusammenaddiert, um die Sollspannungen U1A und U1B zu ermitteln und nachfolgend an einen PWM-Generator 13 bzw. einen diesem vorgeschalteten Transformationsblock 15 zu übergeben.
• Mit der feldorientierten Steuerung, s.a. DE 10 2011 086 794 A1 , bzw. der Steuerstruktur 11, werden die beiden Gleichungen GL. 12 und GL. 13 für die Berechnung der Spannungen U_1AFOS bzw. U_1BFOS in den beiden Achsen A und B verwendet (FOS-Algorithmus, Funktionseinheit 17):

  

  
• Alternativ können die Spannungen U_1AFOS und U_1BFOS hierbei auch nach dem Tustin-Verfahren wie folgt ermittelt werden:

  

  mit den Größen:

ω_m:

elektrische Winkelgeschwindigkeit des Rotors

ω_k:

Winkelgeschwindigkeit der Ständergrößen

Ψ_2A:

Rotorflusskomponente in A-Achse in A, B-Koordinatensystem (entspricht dem Rotorflussbetrag)

R_1G:

gesamter Ersatzwiderstand der ASM (GL. 5)

T_E1G:

gesamte elektrische Ersatz-Zeitkonstante der ASM



U_1AFOS(k), U_1BFOS(k):

die geforderten Spannungen im A, B-Koordinatensystem (aktuell)

U_1AFOS(k-1), U_1BFOS(k-1):

die geforderten Spannungen im A, B-Koordinaten system (ein Abtastschritt zuvor), wobei

U_1AFOS(k-1):

der alte Sollwert U_1AFOS(k) ohne den Term ((MR/L22)Ψ2A) ist und

U_1BFOS(k-1):

der alte Sollwert U_1BFOS(k) ohne den Term ((M2/L2)ωmΨ2A) ist

I_1ARef(k), I_1BRef(k):

Sollströme in A, B-Koordinatensystem (aktuell)

I_1ARef(k-1), I_1BRef(k-1):

Sollströme in A, B-Koordinatensystem (ein Abtastschritt zuvor)

T₁:

die gewünschte Zeitkonstante in A-Achse

T₂:

die gewünschte Zeitkonstante in B-Achse

T:

der verwendete Abtastschritt

• Angemerkt sei, dass bei dem gezeigten Antriebssystem 1 die beiden Achsen A-Achse (zur Erzeugung der flussproportionalen Stromkomponente) und B-Achse (zur Erzeugung der der drehmomentproportionalen Stromkomponente) mit zwei unterschiedlichen (T₁ ≠ T₂) oder mit zwei gleichen Dynamiken (T₁ = T₂) angesteuert werden können.
• Im Rahmen der erfindungsgemäßen FOR-Regelung mit FOS als Entkopplungsnetzwerk 3 für die Ansteuerung der Asynchronmaschine ASM enthalten die berechneten Spannungen aus der FOS U_1AFOS und U_1BFOS bereits die gewünschte Dynamik der jeweiligen Regler 7. Aufgrund von Abweichungen in den Maschinenparametern oder parasitärer Effekte in der Endstufe (welche nicht modelliert oder genau kompensiert werden können) oder dgl., verbleibt eine Spannungsabweichung zwischen den berechneten Spannungen aus der FOS (U_1AFOS und U_1BFOS) und den notwendigen Spannungen zur Einstellung der Sollströme I_1ARef und I_1BRef. Diese Abweichungen in den Spannungen führen zur Abweichung zwischen Soll- und Iströmen.
• Um diese Abweichungen zu kompensieren, können die PI-Regler 7 der Regelstruktur 9 diese fehlenden Anteile der Spannung als Ausgänge (U_1AFOR und U_1BFOR) bereitstellen, an einem jeweiligen Reglerausgang 19. Diese beiden PI-Spannungen werden hierbei zu den FOS-Spannungen (U_1AFOS bzw. U_1BFOS) addiert.
• Da die beiden Ansteuerverfahren FOR und FOS bevorzugt die gleiche Dynamik aufweisen, könnte eine gleichzeitige Reaktion auf eine Soll/Ist-Stromabweichung zu einem konkurrierenden Verhalten führen. Die beiden Ansteuerverfahren würden gegenseitig arbeiten. Um dies zu verhindern, wird mit der vorgeschlagenen FOR-FOS-Struktur bzw. dem Antriebssystem 1 der Stromsollwert zur Bildung der Stromdifferenz am Eingang des jeweiligen PI-Reglers 7 mit einem (vorgeschalteten) Filter 21 gefiltert.
• Ein jeweiliger solcher Filter 21 dient hierbei dazu, bei einem Sollwert-Sprung (I_ARef bzw. I_1BRef) eine Änderung des Sollwert-Wertes für den PI-Regler 7 – bei FOR mit FOS als ENW – verspätet bzw. verzögert auszugeben. Während die FOS den ersten, dynamischen Teil berechnet, sieht der PI-Regler 7 an seinem Eingang 23 insoweit nur geringfügige Abweichungen in der Stromdifferenz (zwischen dem Istwert und dem gefilterten Sollwert), da der gefilterte Sollwert nahe dem ungefilterten Istwert des Stromes liegt. Demgegenüber sieht ein Steuereingang 25 der FOS jedoch die gesamte Änderung des Sollwertes.
• Wenn die FOS ihren dynamischen Teil erledigt hat und nurmehr die stationäre Spannung am (Steuer-)Ausgang 27 berechnet, kann der PI-Regler 7 (jeder Achse A, B) sodann zur Gänze eingesetzt werden. Ab diesem Zeitpunkt sieht der jeweilige PI-Regler 7 am Eingang 23 den tatsächlichen Sollwert des Stromes, d.h. der gefilterte Sollwert erreicht den tatsächlichen Sollwert. Abhängig von der Einstellung der beiden Filter 21 in beide Achsen A bzw. B kann der Zeitpunkt zur Beobachtung des tatsächlichen Sollwertes am Eingang des PI-Reglers 7 hierbei für jede Achse gewählt werden.
• Die Dynamik des Filters 21 ist bevorzugt etwas größer als die Dynamik der FOS. Zum einen sieht der PI-Regler 7 somit während des dynamischen FOS-Teils an seinem Eingang 23 nur geringfügige positive Stromdifferenz (gefilterter Stromsollwert ist etwas größer als der Strom-Istwert), greift insofern nur begrenzt in der Regelung ein, da er hierbei nur geringe Abweichungen ausregelt. Wäre die Dynamik des Filters 21 hingegen kleiner, könnte der PI-Regler 7 gegen die FOS arbeiten, indem er den Strom nach unten zieht (da er an seinem Eingang 23 einen gefilterten Stromsollwert sähe, der kleiner ist als der Stromistwert). Zum anderen führt die größere Dynamik dazu, dass der PI-Regler 7 kurz vor der Beendigung des dynamischen FOS-Teils den ungefilterten Sollwert (gefilterter Sollwert erreicht den ungefilterten Sollwert) sehen kann und rechtzeitig auf die verbleibende Abweichung reagieren kann.
• Als Beispiel kann der Filter 21 als Verzögerungsglied erster Ordnung mit einer Zeitkonstante T_f1 für die A-Achse (bzw. T_f2 für die B-Achse), die kleiner oder gleicher der Zeitkonstanten der FOS T₁ für die A-Achse (GL. 12 oder GL. 14) (bzw. T₂ für die B-Achse (GL. 13 oder GL. 15)) ist, wirken. Dann würden die Filter-Blöcke 21 in 2 durch die beiden Übertragungsfunktionen bzw. Gleichungen GL. 16 (Filter 1) und GL. 17 (Filter 2) dargestellt: GL. 16:

  
• Die beiden Gleichungen GL. 16 bzw. GL. 17 der Filter 21 werden für die Verwendung in einem Steuergerät (Mikrocontroller) diskretisiert. Dafür können herkömmliche Verfahren nach z.B. Euler oder Tustin verwendet werden.
• Wird eine Spannungsbegrenzung beim eingeschalteten PI-Regler 7 detektiert, so wird ein Anti-Windup-Signal gesetzt. Dabei werden die Integratoren der PI-Regler 7 (in A- und B-Achse) angehalten bzw. eingefroren oder optimal nachgerechnet.
• Mit einem FOR/FOS-Schalter 29 kann zwischen der FOR-Ansteuerung (mit FOS zur Entkopplung) und der reinen FOS-Ansteuerung der ASM umgeschaltet werden. Sobald nur die FOS aktiv ist, werden die Integratoren der PI-Regler 7 auf Null gesetzt. Dabei behält die Ansteuerung die gleiche Dynamik bei wie die FOR. Die Istwerte liegen bei den Sollwerten wenn die FOS optimal berechnet wird. Wenn Parameter der Maschine von der Berechnung abweichen, können die Istwerte Abweichungen zu den gewünschten Sollwerten aufweisen. Dabei wird die Funktionalität des Antriebssystems jedoch nur geringfügig beeinträchtigt werden (geringe Drehmomentabweichungen).
• Beim Umschalten auf die FOR mit PI-Regler 7 und FOS zur Entkopplung bzw. als Entkopplungsnetzwerk ENW, werden die Integratoren aktiviert und mit Null als Startwert initialisiert. Eine Berechnung ist vorteilhaft nicht erforderlich. Damit wird eine einfache Umschaltung zwischen FOR und FOS mit sehr geringem Aufwand erreicht und weiterhin die gleiche Dynamik in beiden Betriebsmodi (nur FOS bzw. FOR mit FOS als Entkopplungsnetzwerk) erreicht.
• Falls die Strommessung während des Betriebs FOR ausfallen sollte oder sehr schlecht ist, können für das Flussmodell 5 alternativ die gefilterten A- und B-Stromsollwerte anstelle der gemessenen Ströme (I1u, I1v und I1w) verwendet werden. Im Block 31 „Filter 3, 4“ sind zwei Filter enthalten, die die Dynamik der FOS in beiden Achsen (A und B) nachbilden. Die mittels Filter 31 gefilterten Sollströme sollen hierbei den gleichen Verlauf wie die tatsächlichen transformierten Istströme der ASM in der A- und B-Achse nachbilden.
• Mit der Erfindung gelingt es vorteilhaft, ein einfaches Umschalten zwischen FOR und FOS ohne Rechenaufwand zu erreichen. Drehzahl- oder Strombereiche sind beliebig auswählbar, innerhalb derer die Strommessung ausgeschaltet wird. Für die Strommessung können kostengünstige A/D-Wandler genutzt werden, da die Ansteuerung bereichsweise mittels FOS erfolgen kann. Weiterhin steht bei beiden Ansteuerverfahren FOR (mit FOS als ENW) und FOS vorteilhaft die gleiche Dynamik zur Verfügung.
• Die Erfindung kann vorteilhaft mit Traktionsantrieben verwendet werden (z.B. in Hybridantriebssystemen oder rein elektrischen Antrieben), daneben in einer Vielzahl von elektrischen Antriebssystemen insbesondere des Automotive-Bereichs, wie Lenkungen, Stellantrieben etc.
• Bezugszeichenliste

1, 1‘

Antriebssystem

3, 3‘

Entkopplung

5, 5‘

Flussmodell

7, 7‘

Regler

9

Regelstruktur

11

Steuerstruktur

13

PWM-Generator

15

Transformationseinheit

17

FOS-Algorithmus-Einheit

19

Reglerausgang

21

Filter

23

Reglereingang

25

Steuereingang

27

Steuerausgang

29

Schalter

31

Filtereinheit

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102011086794 A1 [0005, 0038]

Claims (10)

1. Antriebssystem (1) mit einer Asynchronmaschine (ASM), wobei das Antriebssystem (1) eine Regelstruktur (9) für eine feldorientierte Regelung (FOR) der Asynchronmaschine (ASM) als auch eine Steuerstruktur (11) für eine feldorientierte Steuerung (FOS) der Asynchronmaschine (ASM) bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (1) eingerichtet ist, via die Steuerstruktur (11) eine Entkopplung für die feldorientierte Regelung zu bewirken.
2. Antriebssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerstruktur (11) als Entkopplungsnetzwerk (3) für die feldorientierte Regelung wirkt.
3. Antriebssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (1) zu einer feldorientierten Steuerung und einer feldorientierten Regelung mit identischer Dynamik eingerichtet ist.
4. Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (1) eingerichtet ist, zwischen einer feldorientierten Regelung mit Entkopplung via die Steuerstruktur (11) und einer feldorientierten Steuerung je zur Ansteuerung der Asynchronmaschine (ASM) umzuschalten.
5. Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (1) eingerichtet ist, via die Entkopplung wenigstens einen Regler (7) der Regelstruktur (9) zu entlasten.
6. Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (1) eingerichtet ist, bei der feldorientierten Regelung mit Entkopplung einen Reglerausgang (19) und einen Steuerausgang (27) einer jeweiligen Achse (A, B) zu summieren, wobei die Bereitstellung einer Vorgabe (I_ARef, I_BRefF) für die jeweilige Achse (A, B) an einen Reglereingang (23) mit insbesondere einstellbarer zeitlicher Verzögerung gegenüber der Bereitstellung an einen Steuereingang (25) erfolgt.
7. Antriebssystem (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regler (7) einer jeweiligen Achse (A, B) der Regelstruktur ein PI-Regler (7) ist und/oder einem jeweiligen Regler (7) ein Filter (21) zur Verzögerung vorgeschaltet ist, insbesondere ein einstellbarer Filter (21).
8. Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass an einem jeweiligen Reglerausgang (19) ein Spannungssollwert (U_1AFOR, U_1BFOR) bereitgestellt wird und an einem jeweiligen Steuerausgang (27) ein rechnerisch mittels der FOS ermittelter Spannungssollwert (U_1AFOS, U_1BFOS) zur Summation bereitgestellt wird.
9. Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (1) eingerichtet ist, bei der Berechnung eines Flussmodells dann gefilterte Sollströme zu verwenden, wenn das Antriebssystem (1) mit feldorientierter Steuerung betrieben wird, insbesondere bei ausgeschalteter feldorientierter Regelung.
10. Antriebssystem (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem wenigstens ein Filter (31) zur Bereitstellung der gefilterten Sollströme umfasst, welches die gleiche Dynamik wie die feldorientierte Steuerung aufweist oder die Dynamik der feldorientierten Steuerung nachbildet, insbesondere im Rahmen der Filterung.

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