-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung des Betrag eines Statorstroms einer mittels mindestens eines Permanentmagneten erregten Synchronmaschine bei konstantem Antriebsdrehmoment T.
-
Die Drehmomentgleichung in Abhängigkeit der Ströme id und iq für eine reluktanzbehaftete Synchronmaschine wird gegeben durch: T = 3 / 2Zp(ΨPMiq + (Ld – Lq)idiq) (1) wobei Zp die Anzahl von Polpaaren, ☐PM den magnetischen Fluss der Permanentmagnete und Ld bzw. Lq die Induktanzen in der d- bzw. q-Richtung bezeichnen.
-
Um bei gegebenem Antriebsdrehmoment T der Synchronmaschine den benötigten Statorstrom
zu minimieren, sind aus dem Stand der Technik folgende Lösungsansätze bekannt:
- • Lösungen mit einer Näherung eines Polynoms vierten Grades (die den energieoptimierten Zustand beschreibt). Diese Lösungen sind rechenintensiv und können ggf. auf manche schwerwiegenden Annahmen bauen, wie z. B., dass das Polynom vierten Grades durch ein Polynom zweiter Ordnung approximiert werden kann. Manche Ansätze haben auch Probleme mit der Konvergenz.
- • Lösungen mit vorberechneten Lookup-Tabellen. Diese Lösungen bauen auf Messungen, die zuvor gemacht wurden und die die optimalen Punkte für verschiedene Drehmomentsanforderung identifizieren. Das Problem bei diesen Ansätzen besteht darin, dass sie die Parametervariabilität in Abhängigkeit der Temperatur und Ungenauigkeiten beim Herstellungsverfahren der Maschinen oder auch Alterung nicht berücksichtigen.
- • Lösungen mit einer Signaleinspeisung. Diese Lösungen verwenden ein zusätzliches Signal, das zu den Steuerungseingaben hinzugefügt wird, um den Punkt zu finden, an dem das Drehmoment für eine vorgegebene Stromreferenz ein Maximum hat. Diese Verfahren benötigen zusätzliche Sensoren und Signalbearbeitungsalgorithmen, um die Antwort der Maschine auf die eingespeisten Signale zu erfassen. Andere Nachteile dieser Verfahren sind der Drehmoment-Ripple und ein akustisches Rauschen, die durch das eingespeiste Signal verursacht werden können.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, bei gegebenem Antriebsdrehmoment T einer Synchronmaschine den benötigten Statorstrom
unter Umgehung der den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen innewohnenden Nachteile zu minimieren.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Gemäß einem Verfahren zur Verringerung des Betrag eines Statorstroms I einer permanentmagneterregten Synchronmaschine, d. h. einer mittels mindestens eines Permanentmagneten erregten Synchronmaschine werden erfindungsgemäß id und iq so bestimmt, dass |cosθ|, mit cosθ = –ΨPMid + (Ld – Lq)(i 2 / q – i 2 / d) sich verringert, bevorzugt sich dem Wert 0 annähert.
-
Die Synchronmaschine kann insbesondere reluktanzbehaftet sein, mit Ld ≠ Lq.
-
Der Statorstrom I bezeichnet einen durch einen Stator der Synchronmaschine fließenden Strom. Es gilt:
-
Dabei bezeichnet id eine Komponente des Statorstroms I in d-Richtung. iq bezeichnet entsprechend eine Komponente des Statorstroms I in q-Richtung. Die d-Richtung entspricht der Richtung der d-Achse eines d/q Koordinatensystems, die q-Richtung der Richtung der q-Achse. Bei dem d/q Koordinatensystem handelt es sich um ein rotorfestes Koordinatensystem, das orthogonal zur Drehachse eines Rotors der Synchronmaschine ausgerichtet. Das d/q Koordinatensystem entsteht durch Anwendung der Clarke-Transformation und anschließender aus einem statorfesten dreiphasigen System.
-
Die Bestimmung von id und iq erfolgt weiterhin derart, dass ein Drehmoment T, mit dem der Rotor der Synchronmaschine angetrieben werden soll, konstant, d. h. über den zeitlichen Verlauf unverändert bleibt. id und iq werden also so bestimmt, dass T = 3 / 2Zp(ΨPMiq + (Ld – Lq)idiq) gilt.
-
Im Einzelnen bezeichnen dabei
- id
- eine Komponente von I in d-Richtung,
- iq
- eine Komponente von I in q-Richtung,
- Zp
- die Anzahl von Poolpaaren der Synchronmaschine,
- ΨPM
- den magnetischen Fluss des Permanentmagneten,
- Ld
- eine Komponente der Induktanz der Synchronmaschine in d-Richtung und
- Lq
- eine Komponente der Induktanz der Synchronmaschine in q-Richtung.
-
Die Verringerung |cosθ| verfolgt das Ziel, für |cosθ| eine möglichst geringe Abweichung von 0 zu erreichen. Diesem Vorgehen liegt die weiter unten näher erläuterte Erkenntnis zu Grunde, dass |I| bei |cosθ| = 0 minimal ist.
-
Das Verfahren ermöglicht die iterative Bestimmung von id und iq, die zur Bestimmung von id und iq verwendeten Prozessschritte bilden also eine Iteration. Unter einer Iteration wird allgemein ein Prozess mehrfachen Wiederholens gleicher oder ähnlicher Handlungen zur Annäherung an eine Lösung oder ein bestimmtes Ziel verstanden. Eine Iteration wird gewöhnlich mittels einer Programmierschleife realisiert.
-
Folgende Vorteile bietet der beschriebene iterative Ansatz:
- – Die Komplexität und damit die benötigte Berechnungszeit verringern sich.
- – Extern zugeführte Signale werden nicht benötigt.
- – die verwendeten Parameter sind im Anwendungsfall gewöhnlich verfügbar.
- – der „Drehmoment-Ripple” und damit verbundene akustische Störungen verringern sich.
- – Das Verfahren kann zusammen mit online-Parameterbestimmungsstrategien eingesetzt werden, um Parameterungenauigkeiten zu kompensieren.
• Er ermöglicht die Verwendung von Parameterschätzungsschemen, um Herstellungstoleranzen und Alterungseffekte, die die maximaler-Drehmoment-pro-Ampere(MTPA)-Kurve mit der Zeit verändern können, zu kompensieren. Somit können eine bessere Energieeffizienz und Drehmomentgenauigkeit erreicht werden.
-
Die iterative Bestimmung von id und iq erfolgt in einer bevorzugten Weiterbildung mittels Bisektion.
-
Vorzugsweise werden dabei die Variablen id1, iq1, id2 und iq2 mit jeweils einem Startwert belegt werden; wobei
die Verfahrensschritte
- – Zuweisen des Werts an id1 und des Werts an iq1, falls –ΨPMid + (Ld – Lq)(i 2 / q – i 2 / d) < 0 und
- – Zuweisen des Werts an id2 und des Werts an iq2, falls –ΨPMid + (Ld – Lq)(i 2 / q – i 2 / d) ≥ 0 so lange widerholt werden, bis ein Abbruchkriterium erfüllt ist.
-
Das Verfahren kann so weitergebildet sein, dass
- id1
- der Startwert 0 zugewiesen wird,
- iq1
- der Startwert
zugewiesen wird, - id2
- der Startwert –iq1 zugewiesen wird und
- iq2
- der Startwert
zugewiesen wird.
-
In einer darüber hinaus bevorzugte Weiterbildung werden id und iq mittels eines Newton-Verfahrens bestimmt.
-
Vorzugsweise werden dabei die Variablen id0 und iq0 mit jeweils einem Startwert belegt werden; wobei
die Variable n mit dem Startwert 0 belegt wird; wobei
die Verfahrensschritte
- – Zuweisen des Werts an id(n+1), mit f(id, iq): = –ΨPMid + (Ld – Lq)(i 2 / q – i 2 / d) und
- – Zuweisen des Werts an iq(n+1) und
- – Inkrementieren von n um 1
so lange widerholt werden, bis ein Abbruchkriterium erfüllt ist.
-
In einer alternative Weiterbildung des Newton-Verfahrens werden die Variablen id0 und iq0 mit jeweils einem Startwert belegt; wobei
die Variable n mit dem Startwert 0 belegt wird; wobei
die Verfahrensschritte
- – Zuweisen des Werts an iq(n+1), mit f(id, iq): = –ΨPMid + (Ld – Lq)(i 2 / q – i 2 / d) und
- – Zuweisen des Werts an id(n+1) und
- – Inkrementieren von n um 1
so lange widerholt werden, bis ein Abbruchkriterium erfüllt ist.
-
Bei den beschriebenen Newton-Verfahren wird bevorzugt
i
d0 der Startwert
zugewiesen wird und
i
q0 der Startwert
zugewiesen.
-
Für die obengenannten als Abbruchkriterien kommen vorzugsweise die folgenden Bedingungen in Betracht:
|ΨPMid + (Ld – Lq)(i 2 / q – i 2 / d )| unterschreitet einen ersten Schwellenwert;
|idn – id(n-1)| unterschreitet einen zweiten Schwellwert; oder
|iqn – iq(n-1)| einen dritten Schwellwert unterschreitet.
-
Eine dieser Bedingungen dient dabei durchgängig, d. h. in jeder Iterationsschliefe als Abbruchkriterium.
-
Im Folgenden werden die Erfindung und einzelne Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Im Einzelnen zeigt:
-
1 das der Erfindung zu Grunde liegende Prinzip;
-
2 die Wahl eines Startpunkts;
-
3 eine Drehmomentkurve mit Strom- und Spannungsgrenzwerten;
-
4 ein Antriebssystem; und
-
5 eine Strukturdarstellung eines Algorithmus.
-
k → sei der Vektor, der an jedem Punkt tangential zur Drehmomentkurve T = f(id, iq) ist. Für I/I2 = i 2 / d + i 2 / q bezeichnet ∇(I2) den Vektor, der senkrecht zum Kreis auf jedem darauf befindlichen Punkt ist. Das Konzept basiert auf der Tatsache, dass Folgendes für jeden Punkt auf T gilt:
- • 1∇(I2)·k → = 0 bedeutet, dass der Punkt auf der MTPA-Kurve liegt, d. h., es ist ein Tangentialpunkt zwischen I2 = i 2 / d + i 2 / q und T = f(id, iq).
- • ∇(I2)·k → < 0 bedeutet, dass dieser Punkt links von der MTPA-Kurve liegt.
- • ∇(I2)·k → > 0 bedeutet, dass dieser Punkt rechts von der MTPA-Kurve liegt.
-
Dieses Prinzip wird in 1 veranschaulicht. Es ist wichtig hervorzuheben, dass das Skalarprodukt zwischen zwei Vektoren dem Kosinus des Winkels zwischen diesen Vektoren entspricht. Es ist festzustellen, dass θ1 < 90° ⇒ cos(θ1) > 0, θ1 > 90° ⇒ cos(θ1) < 0, und dass bei maximalen Drehmoment pro Ampere (MTPA) cos(☐) = 0.
-
Im konkreten Fall einer reluktanzbehafteten Synchronmaschine gilt: T = 3 / 2Zp(ΨPMiq + (Ld – Lq)idiq)
-
∇(T), das den Gradienten von T bezeichnet, ist ein Vektor, der an jeden Punkt senkrecht zur Kurve T ist. Man kann Folgendes schreiben:
wobei
i → und j → Einheitsvektoren in Richtung der d- bzw. q-Achse sind. Es sei
k → = (α, β) . Es muss
∇T·k → = 0 genügen, was bedeutet, dass
-
Wenn
gewählt wird, gilt Gleichung 5.
-
Dann wird der Einheitsvektor, der tangential zu T an jedem Punkt ist, durch die folgende Gleichung beschrieben: k → = |–(ΨPM + (Ld – Lq)id)i → + (Ld – Lq)iqj → (6)
-
Für den Stromkreis I
2 = i
2 / d + i
2 / q gilt:
-
Der entsprechende Einheitsvektor wird dann gegeben durch: ∇(I2) = idi → + iqj → (8)
-
Mittels (6) und (8) ist es möglich, den Kosinus zwischen k → und ∇(I2) zu finden. cos(θ) = k →·∇(I2) = –(ΨPMid + (Ld – Lq)i 2 / d) + (Ld – Lq)i 2 / q (9) cos(θ) = –ΨPMid + (Ld – Lq)(i 2 / q – i 2 / d) (10)
-
Verwendet man die Tatsache, dass sich das Vorzeichen von cos ☐ ändert, je nachdem, auf welcher Seite der MTPA-Kurve sich der zu analysierende Punkt befindet, ist es möglich, den Bisektionsalgorithmus zu verwenden, um eine Approximation für die MTPA-Lösung zu finden. Dieser Algorithmus approximiert die Nullstelle einer Funktion rekursiv, indem die Extreme eines vorgegebenen Intervalls evaluiert werden und indem das Intervall selber verändert wird.
-
Als Startpunkte für die Iterationen werden die Punkte auf den Schnittpunkten zwischen der Drehmomentkurve und dem Stromkreis, die die Drehmomentkurve auf der q-Achse schneiden, gewählt. 2 zeigt die Methode des Auswählens der Startpunkte für die Iterationen.
-
Mathematisch werden die Werte wie folgt ausgewählt:
-
Die Iterationen werden mittels des folgenden Algorithmus durchgeführt:
-
Eine weitere Möglichkeit für das Problem, das Paar (id, iq), für welches cos(☐) = 0 ist, zu finden, liegt in der Verwendung des Newton-Verfahrens. Es ist eine iterative numerische Methode, die aufeinanderfolgende Approximationen verwendet, um die gewünschte Lösung zu finden. Der Hauptvorteil gegenüber dem Bisektionsverfahren besteht darin, dass die Konvergenz wesentlich schneller ist.
-
Zunächst wird der Startpunkt für die Iterationen wie folgt ausgewählt:
-
Um die Iterationen durchzuführen, ist es notwendig, die Ableitungen der folgenden Funktion zu kennen: f(id, iq) = cosθ = –ΨPMid + (Ld – Lq)(i 2 / q – i 2 / d) (13)
-
Ohne Verlust der Allgemeinheit kann i
d als die Variable, die zu iterieren ist, gewählt werden. In diesem Fall ist die Ableitung der Funktion f:
-
Der Wert i
d für den nächsten Iterationsschritt wird wie folgt ausgewählt:
mit einem entsprechenden i
q(n+1) von der Drehmomentkurve, ausgewählt als:
-
Der Fehler ☐ wird als der Unterschied zwischen id(n+1) und idn definiert: ε = |id(n+1) – idn| (17)
-
Der Algorithmus kann wie folgt zusammengefasst werden:
-
Der zuvor beschriebenen Algorithmus kann adaptiert werden, um mit der maximaler-Drehmoment-pro-Volt(MTPV)-Strategie verwendet zu werden.
-
Um dies auszuführen, muss der Algorithmus mittels Flussvariablen durchgeführt werden. Gleichungen 18 und 19 geben an, wie die Flussvariablen definiert sind. Λd = Ldid + ΨPM (18) Λq = Lqiq (19)
-
Indem Gleichungen 18 und 19 in der Drehmomentgleichung (Gleichung 3) ersetzt werden, wird Folgendes erhalten:
-
Mittels der gleichen Methode ist es möglich, die Fluss- und Strombegrenzung zu schreiben:
Λ2 = Λ 2 / d + Λ 2 / q (21)
-
Man kann feststellen, dass die Flussbegrenzung durch einen Kreis dargestellt ist, während die Strombegrenzung eine Ellipse bildet. Dieses Szenario ist in 3 dargestellt.
-
In diesem Fall ist es möglich, eine modifizierte Version von Algorithmus 2, die den MTPV-Wert berechnen kann, zu verwenden.
-
Die Startpunkte für die Iterationen können wie folgt ausgewählt werden:
-
Verwendet man die gleiche Argumentation wie im vorherigen Abschnitt, kann die Funktion f(Λd, Λq) = cosθ wie folgt geschrieben werden: f(Λd, Λq) = cosθ = –ΛdΨPMLq + (Ld – Lq)(Λ 2 / q – Λ 2 / d) (24)
-
Die partielle Ableitung von f(☐
d, ☐
q) nach ☐
d ist:
-
Der Wert Λ
d(n+1) für den nächsten Iterationsschritt wird wie folgt ausgewählt:
mit einem entsprechenden Λ
q(n+1) über der Drehmomentkurve, ausgewählt als:
-
Der Fehler ε wird definiert als: ε = |Λd(n+1) – Λdn| (28)
-
Also kann es wie folgt umgeschrieben werden:
-
Der vorgeschlagene Algorithmus ist dazu ausgestaltet, innerhalb eines permanentmagneterregten Synchronmaschinenantriebssystems mit feldorientierter Regelung verwendet zu werden. 4 zeigt typische Komponenten eines solchen Systems.
-
Genauer gesagt befindet sich der Algorithmus innerhalb des „Referenzstromberechnung”-Blocks, der die Referenzströme auf der Grundlage der Referenzdrehmomente berechnet. Die Auswahl des Paars (id, iq), das es dem Antriebssystem ermöglicht, das gewünschte Drehmoment als Ausgabe bereitzustellen, hat eine wesentliche Auswirkung auf die Energieeffizienz des gesamten Systems. Zudem muss die Methode des Auswählens eines Strompaars für das gewünschte Drehmoment andere Randbedingungen berücksichtigen, wie etwa:
- • Flussbegrenzungen aufgrund der verfügbaren Spannungsquelle und Rotorgeschwindigkeit
- • Strombegrenzungen aufgrund von Maschinen- oder Umrichter-Leistungsverminderung oder spezifischer Hardwarebegrenzungen
-
Daher sollte der Algorithmus im zuvorbeschriebenen Block, innerhalb einer Struktur, wie sie in 5 gezeigt ist, implementiert werden. Der vorgeschlagene Algorithmus wird innerhalb der MTPA- und Flussberechnungsblöcke implementiert.