DE102015214839A1 - Verfahren zum zeitdiskreten Regeln eines elektronisch kommutierten Elektromotors - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum zeitdiskreten Regeln eines elektronisch kommutierten Elektromotors, insbesondere eines elektrischen Antriebsmotors eines Kraftfahrzeugs, mithilfe eines zeitdiskreten Modulationsverfahrens, wobei zunächst wenigstens eine Regelgröße erfasst und nachfolgend wenigstens eine Stellgröße gebildet wird, wobei eine Regelfrequenz und eine Modulationsfrequenz voneinander gesondert eingestellt werden, um das Verfahren zu verbessern.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zeitdiskreten Regeln eines elektronisch kommutierten Elektromotors, insbesondere eines elektrischen Antriebsmotors eines Kraftfahrzeugs, mithilfe eines zeitdiskreten Modulationsverfahrens.
  • Aus der DE 10 2011 086 583 A1 ist ein Verfahren bekannt zur Prüfung einer Kommutierungsgüte eines elektronisch kommutierten Elektromotors mit mehreren Phasen in einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeuges, insbesondere in einem hydraulischen Betätigungssystem einer Reibungskupplung, mit einem Rotor, dessen Drehwinkel durch einen absolut messenden Rotorlagesensor überwacht wird, wobei der Elektromotor unabhängig von einem, durch den Rotorlagesensor erfassten Drehwinkel angesteuert wird, wobei ein tatsächlich zurückgelegter Drehwinkel des Rotors durch den Rotorlagesensor bestimmt wird und anschließend der tatsächlich zurückgelegte Drehwinkel mit einem, um einen vorgegebenen Drehwinkel aufgespannten Drehwinkelbereich verglichen wird, wobei der Elektromotor über eine ausreichende Kommutierungsgüte verfügt, wenn der tatsächlich zurückgelegte Drehwinkel in dem Drehwinkelbereich liegt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren zu verbessern.
  • Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zum zeitdiskreten Regeln eines elektronisch kommutierten Elektromotors, insbesondere eines elektrischen Antriebsmotors eines Kraftfahrzeugs, mithilfe eines zeitdiskreten Modulationsverfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelfrequenz und eine Modulationsfrequenz voneinander gesondert eingestellt werden.
  • Das Verfahren kann zum Regeln einer Kommutierung des Elektromotors dienen. Der Elektromotor kann ein Synchronmotor sein. Der Elektromotor kann zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs dienen. Das Kraftfahrzeug kann ein Elektrofahrzeug sein. Das Kraftfahrzeug kann ein Hybridelektrokraftfahrzeug sein. Der Elektromotor kann ein bürstenloser Gleichstrommotor sein. Der Elektromotor kann zum Antreiben eines hydrostatischen Kupplungsaktuators dienen. Der Kupplungsaktuator kann zum Betätigen einer Reibungskupplung dienen. Die Reibungskupplung kann zur Anordnung in einem Kraftfahrzeugantriebsstrang dienen. Der Elektromotor kann zum Antreiben eines Aktuators einer elektromechanischen Wankstabilisierung dienen. Der Elektromotor kann zum Antreiben eines Getriebeaktuators dienen. Der Elektromotor kann einen Rotor aufweisen. Der Rotor kann wenigstens einen Permanentmagneten aufweisen. Der Elektromotor kann einen Stator aufweisen. Der Stator kann Spulen aufweisen. Die Spulen können elektronisch zeitlich versetzt ansteuerbar sein, um ein Drehfeld zu bilden, welches an dem permanenterregten Rotor ein Drehmoment bewirkt. Der Elektromotor kann sich im Betrieb zu einer Wechselspannung synchron drehen. Der Elektromotor kann Polpaare aufweisen. Eine Drehzahl des Elektromotors kann über die Polpaarzahl mit einer Frequenz der Wechselspannung verknüpft sein. Zum Kommutieren des Elektromotors kann ein Stromrichter dienen. Der Elektromotor kann mithilfe einer feldorientierten Regelung kommutiert werden. Der Elektromotor kann mithilfe einer Raumzeigermodulation kommutiert werden. Die Raumzeigermodulation kann mithilfe eines Mikrocontrollers oder digitalen Signalprozessors realisiert werden. Die Raumzeigermodulation kann software- und/oder hardwarebasiert realisiert werden. Die Raumzeigermodulation kann zum Bestimmen von Pulsmustern dienen.
  • Zum Regeln kann wenigstens ein Regelprozess ausgeführt werden. Der wenigstens eine Regelprozess kann einen oder mehrere Mess- und/oder Regelschritte aufweisen. Eine Abfolge mehrerer oder aller Mess- und/oder Regelschritte eines Regelprozesses kann als Mess- bzw. Regeltask bezeichnet werden. Der wenigstens eine Regelprozess kann insgesamt oder teilweise periodisch wiederholt ausgeführt werden. Das zeitdiskrete Regeln kann ein Regeln mithilfe aufeinander folgender Zeitschritte sein. Die Zeitschritte können jeweils eine vorbestimmte Dauer aufweisen. Die Zeitschritte können jeweils dieselbe Dauer aufweisen. Eine Ausführung eines Regelprozesses kann innerhalb eines Zeitschritts abgeschlossen werden. Eine Ausführung eines Regelprozesses kann sich über mehrere Zeitschritte erstrecken. Die Regelfrequenz gibt an, wie schnell aufeinander folgend Regelprozesse ausgeführt werden.
  • Zum Regeln kann wenigstens eine Regelgröße erfasst werden. Eine Regelgröße kann mithilfe eines Messglieds erfasst werden. Eine Regelgröße kann auch als Istwert bezeichnet werden. Eine Regelgröße kann ein Phasenstrom sein. Eine Regelgröße kann eine Rotorlage sein. Eine Regelgröße kann mit wenigstens einer Führungsgröße verglichen werden. Eine Führungsgröße kann auch als Sollwert bezeichnet werden. Wenigstens eine Regeldifferenz kann bestimmt werden. Eine Regeldifferenz kann eine Differenz zwischen einer Regelgröße und einer Führungsgröße sein. Eine Regeldifferenz kann wenigstens einem Regler zugeführt werden. Ein Regler kann wenigstens eine Stellgröße bilden. Eine Stellgröße kann wenigstens einer Regelstrecke zugeführt werden. Auf eine Regelstrecke kann wenigstens eine Störgröße wirken. Ein Regeln kann dazu dienen, eine Regeldifferenz zu minimieren.
  • Das Modulationsverfahren kann zum Kommutieren des Elektromotors dienen. Das Modulationsverfahren kann ein Pulsweitenmodulationsverfahren sein oder auf einem Pulsweitenmodulationsverfahren basieren. Das zeitdiskrete Modulationsverfahren kann ein Modulationsverfahren mithilfe aufeinander folgender Zeitschritte sein. Die Zeitschritte können jeweils eine vorbestimmte Dauer aufweisen. Die Zeitschritte können jeweils dieselbe Dauer aufweisen. Die Modulationsfrequenz gibt an, mit welcher Taktfrequenz das Modulationsverfahren durchgeführt wird. Bei Modulationsfrequenz kann ein Tastgrad moduliert werden. Bei Modulationsfrequenz kann ein Tastgrad eines Rechteckpulses moduliert werden. Eine Modulation kann ein Pulsmuster ergeben.
  • Das Modulationsverfahren kann ein Raumzeigermodulationsverfahren sein. Zur vorbestimmten Ausrichtung einer Flussdichteverteilung in dem Elektromotor können Spannungsraumzeiger dienen. Ein Raumzeiger kann zwei Größen, einen Winkel und einen Betrag oder Real- und Imaginärteil, aufweisen. Ein Spannungsraumzeiger kann ein Nullspannungsraumzeiger sein. Die Spannungsraumzeiger können aufeinander folgend periodisch wiederholt angelegt werden.
  • Die Modulationsfrequenz kann beliebig variabel eingestellt werden. Die Regelfrequenz kann beliebig variabel eingestellt werden. Die Modulationsfrequenz kann in beliebigen Vielfachen und/oder Teilern der Regelfrequenz variabel eingestellt werden.
  • Die Modulationsfrequenz kann gegenüber der Regelfrequenz erhöht werden. Die Regelfrequenz kann beibehalten werden. Die Modulationsfrequenz kann auf das Doppelte der Regelfrequenz eingestellt werden. Die Modulationsfrequenz kann beispielsweise ausgehend von 10kHz auf 20kHz erhöht werden. Die Regelfrequenz kann beispielsweise bei 10kHz gehalten werden.
  • Ein Strom kann mit der Modulationsfrequenz gemessen werden. Eine Rotorlage kann mit der Modulationsfrequenz gemessen werden. Ein Strom kann in einem Nullvektor gemessen werden. Eine Rotorlage kann in einem Nullvektor gemessen werden.
  • Ein Stromregeltask kann mit der Regelfrequenz durchgeführt werden. Eine Raumzeigermodulation kann mit der Regelfrequenz durchgeführt werden. Damit wird eine Einhaltung von Durchlaufzeiten gewährleistet.
  • Die Raumzeigermodulation kann innerhalb eines Zeitschritts zweimal durchgeführt werden. Damit kann ein Pulsmuster nicht nur für den nächsten Zeitschritt, sondern auch für darauf folgende Zeitschritte bestimmt werden. Damit können/kann ein Strom und/oder Drehmomentschwankungen reduziert werden. Eine elektrische Frequenz kann erhöht werden. Anhand der zweimal durchgeführten Raumzeigermodulation können die zwei folgenden Pulsmuster berechnet werden. Die Rotorlage der zweiten Raumzeigermodulation kann anhand eines in die Zukunft rechnenden Motormodells ermittelt werden.
  • Die Modulationsfrequenz kann gegenüber der Regelfrequenz verringert werden. Die Modulationsfrequenz kann beispielsweise bei einem Anfahren, einem Berganfahren, einem Berg-Halt oder einem Stau-Kriechen verringert werden. Die Regelfrequenz kann beibehalten werden.
  • In einem Regeltask kann ein Pulsmuster bestimmt werden. Das Pulsmuster kann für wenigstens einen folgenden Zeitschritt bestimmt werden. Das Pulsmuster kann angepasst werden. Das zu einem Zeitpunkt t0 angelegte Pulsmuster kann zum Zeitpunkt t1 anhand der im Regeltask aktualisierten Daten abgeändert werden.
  • Zum Bestimmen des Pulsmusters kann ein regelungstechnischer Beobachter verwendet werden. In einem Regeltask kann das Pulsmuster für wenigstens einen folgenden Zeitschritt bestimmt werden. Das Pulsmuster kann für mehrere folgende Zeitschritte bestimmt werden. Die Bestimmung des Pulsmusters kann pausieren. Die Bestimmung des Pulsmusters kann sich über mehrere Zeitschritte erstrecken.
  • Die Modulationsfrequenz und/oder die Regelfrequenz können/kann offline geändert werden. Die Modulationsfrequenz und/oder die Regelfrequenz können in einem laufenden Betrieb geändert werden. Die Modulationsfrequenz und/oder die Regelfrequenz können geändert werden, um einen Wirkungsgrad zu optimieren. Die Modulationsfrequenz und/oder die Regelfrequenz können/kann geändert werden, um Verluste, insbesondere Verluste durch Elektronik und/oder Motor zu reduzieren. Die Modulationsfrequenz und/oder die Regelfrequenz können/kann geändert werden, um eine Drehzahl und/oder eine Regeldynamik zu erhöhen.
  • Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung unter anderem ein Konzept für eine Motorregelung mit variabler PWM-Frequenz bei gleichbleibender Regeldynamik und -güte.
  • Eine maximale elektrische Frequenz kann bei kleinen Drehmomentrippel erhöht werden (hohe PWM-Frequenz). Eine PWM-Taktfrequenz kann auf 20kHz oder mehr erhöht (verdoppelt) werden. Ebenso können ein Strom und eine Rotorlage mit 20kHz oder mehr in einem Nullvektor gemessen werden. Ein Stromregeltask sowie eine Raumzeigermodulation können weiterhin in einem 10kHz Task arbeiten. Die Raumzeigermodulation kann zweimal aufgerufen werden, um Pulsmuster nicht nur für einen nächsten PWM-Interrupt sondern auch für einen darauf folgenden Interrupt zu bestimmen. Somit kann durch eine höhere Frequenz ein Strom/Drehmomentrippel reduziert werden und das System wird hierdurch in die Lage versetzt auch Systeme mit mehr als 1kHz elektrischer Frequenz anzusteuern.
  • Eine Verlustleistung bei kleinen Drehzahlen kann unter Beibehaltung einer Reglerdynamik reduziert werden (niedrigere PWM-Frequenz). Zur Reduzierung von Schaltverlusten einer Elektronik kann es in bestimmten Betriebspunkten vorteilhaft sein, eine PWM-Frequenz zu reduzieren. Beispiel: Anfahren, Berganfahren, Berg-Halt, Stau-Kriechen. In einem Regeltask kann ein Pulsmuster für eine nächste Periode bestimmt werden, in nachfolgender Regel-Periode kann aufgrund neuer Informationslage das Pulsmuster angepasst werden. Auch eine Vorhersage über ein Beobachtermodell kann hier sinnvoll genutzt werden, um PWM-Muster schon für das folgende Intervall einzustellen. D.h. ein Reglertask rechnet schon die PWM-Muster für die nächsten x Schritte aus, um dann pausieren zu können. Eine Laufzeit für den Reglertask kann sich über mehrere Perioden erstrecken.
  • Regel- und Taktfrequenzen können in einem laufenden Betrieb adaptiv eingestellt werden. Ein Scheduling kann so aufgesetzt werden, dass Aufrufe und Frequenz für Regler-Task und PWM-Task separat im laufenden Betrieb geändert werden können. Die oben erläuterten Verbesserungen können somit nach Bedarf abgerufen werden. Über einen Fahrzyklus kann so immer mit wirkungsgradoptimalen Parametern gefahren werden. Verluste werden deutlich reduziert. Insbesondere Verluste durch Elektronik und Motor. Eine Drehzahl und eine Regeldynamik werden erhöht.
  • Eine PWM-Frequenz kann variabel eingestellt werden. Eine Regelfrequenz kann variabel eingestellt werden. Eine PWM-Frequenz kann in beliebigen Vielfachen/Teilern der Regelfrequenz variabel eingestellt werden. Eine elektrische Betriebsfrequenz kann in Bereich größer 1kHz erweitert werden. Einzelne Tasks können separat aufrufbar und nicht aneinander gebunden sein. Eine Frequenz von Aufrufe kann zur Laufzeit geändert werden. Schaltverluste können reduziert werden.
  • Mit „kann“ sind insbesondere optionale Merkmale der Erfindung bezeichnet. Demzufolge gibt es jeweils ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das das jeweilige Merkmal oder die jeweiligen Merkmale aufweist.
  • Mit der Erfindung wird eine Variabilität erhöht. Eine Erhöhung einer maximalen Betriebsdrehzahl eines Elektromotors wird ermöglicht. Auch bei hohen Drehzahlen kann eine ausreichende Zeit zum Bilden von Stellgrößen verfügbar gemacht werden. Schaltverluste eines Umrichters werden reduziert. Ein Anstieg von Drehmomentschwankungen eines Elektromotors wird reduziert. Eine Regeldynamik wird verbessert. Ein Zielkonflikt zwischen einer Verlustleistung, einer maximalen Drehzahl und einer Regeldynamik wird entschärft.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben. Aus dieser Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile. Konkrete Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen. Mit anderen Merkmalen verbundene Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können auch einzelne Merkmale der Erfindung darstellen.
  • Es zeigen schematisch und beispielhaft:
  • 1 eine feldorientierte Regelung eines mit Raumzeigermodulation betriebenen elektronisch kommutierten Elektromotors mit einer gegenüber einer Regelfrequenz erhöhten Modulationsfrequenz und
  • 2 eine feldorientierte Regelung eines mit Raumzeigermodulation betriebenen elektronisch kommutierten Elektromotors mit gegenüber einer Regelfrequenz reduzierten Modulationsfrequenz.
  • 1 zeigt eine feldorientierte Regelung eines mit Raumzeigermodulation betriebenen elektronisch kommutierten Elektromotors mit einer gegenüber einer Regelfrequenz erhöhten Modulationsfrequenz.
  • In 1 ist in einem Diagramm 100 ein zeitlicher Ablauf mit Zeitschritten 102 dargestellt. Die Zeitschritte 102 weisen jeweils dieselbe Dauer auf und starten periodisch aneinander anschließend. Der erste Zeitschritt 102 startet zum Zeitpunkt t0, die folgenden Zeitschritte starten jeweils mit Ende des vorhergehenden Zeitschritts zu den Zeitpunkten t0+n. Ein Regelprozess 104 umfasst mehrere Regelschritte 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122. Die Regelschritte 106, 108, 110 bilden einen Messtask 124. Der Messtask 124 wird im Wesentlichen hardwarebasiert ausgeführt. Die Regelschritte 112, 114, 116, 118, 120, 122 bilden einen Regeltask 126. Der Regeltask 126 wird im Wesentlichen softwarebasiert ausgeführt.
  • Die Regelung erfolgt mithilfe einer Pulsweitenmodulation. In 1 bezeichnet 128 ein Pulsweitensignal. Das Pulsweitensignal 128 wechselt mit einer Modulationsfrequenz rechteckförmig zwischen zwei Werten. Dabei ergibt sich ein Pulsmuster bzw. Tastgrad. Der Tastgrad gibt für die periodische Folge der Impulse des Pulsweitensignals 128 das Verhältnis von Impulsdauer zu Periodendauer an. Der Tastgrad wird moduliert. Vorliegend beträgt die Modulationsfrequenz 20kHz. In dem Regeltask 126 wird auch ein Pulsmuster für einen oder mehrere folgende Zeitschritte bestimmt. Ein hoher Wert des Pulsweitensignals 128 liegt vorliegend zunächst für 35µs an und wird nachfolgend in dem Regeltask 126 auf 30µs und nachfolgend auf 25µs verkürzt.
  • Der Regelprozess 104 wird periodisch wiederholt mit einer Regelfrequenz ausgeführt. Vorliegend beträgt die Regelfrequenz 10kHz. Zum Zeitpunkt t0 wird der Regelprozess 104 in einem Auslösepunkt 130 ausgelöst. Mit Ende des Messtasks 124 wird der Regeltask 126 ausgelöst. Im Regelschritt 120 wird der Auslösepunkt 132 zur folgenden Ausführung des Regelprozesses 104 bestimmt. Im Regelschritt 122 wird ein Pulsmuster bestimmt. In den Regelschritten 120, 122 erfolgt auch eine Raumzeigermodulation. Die Regelschritten 120, 122 mit der Raumzeigermodulation werden vorliegend zweimal aufgerufen. Vorliegend erstreckt sich die Ausführung des Regelprozesses 104 über vier Zeitschritte 102, die folgende Ausführung des Regelprozesses 104 startet zum Zeitpunkt t4. Die Ausführung eines Regelprozesses 104 ist beendet, bevor der Regelprozess nachfolgend erneut ausgeführt wird.
  • 2 zeigt eine feldorientierte Regelung eines mit Raumzeigermodulation betriebenen elektronisch kommutierten Elektromotors mit gegenüber einer Regelfrequenz reduzierten Modulationsfrequenz.
  • In 2 ist in einem Diagramm 200 ein zeitlicher Ablauf mit Zeitschritten 202 dargestellt. Ein Regelprozess 204 umfasst mehrere Regelschritte 206, 208, 210, 212, 214, 216, 218. Die Regelschritte 206, 208, 210 bilden einen Messtask 220. Die Regelschritte 212, 214, 216, 218 bilden einen Regeltask 222. In dem Regelschritt 218 wird auch ein Pulsmuster für einen oder mehrere folgende Zeitschritte bestimmt. Vorliegend wird bei der ersten Ausführung des Regelprozesses 204 ein Pulsmuster mit 30µs gesetzt, bei einer nachfolgenden Ausführung des Regelprozesses 204 wird ein Pulsmuster mit 40µs gesetzt, bei einer nachfolgenden Ausführung des Regelprozesses 204 wird ein Pulsmuster mit 15µs gesetzt, bei einer nachfolgenden Ausführung des Regelprozesses 204 wird ein Pulsmuster mit 30µs gesetzt. Vorliegend wird der Regelprozesses 204 innerhalb eines Zeitschritts 202 ausgeführt. Im Übrigen wird ergänzend insbesondere auf 1 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Diagramm
    102
    Zeitschritt
    104
    Regelprozess
    106
    Regelschritt
    108
    Regelschritt
    110
    Regelschritt
    112
    Regelschritt
    114
    Regelschritt
    116
    Regelschritt
    118
    Regelschritt
    120
    Regelschritt
    122
    Regelschritt
    124
    Messtask
    126
    Regeltask
    128
    Pulsweitensignal
    130
    Auslösepunkt
    132
    Auslösepunkt
    200
    Diagramm
    202
    Zeitschritt
    204
    Regelprozess
    206
    Regelschritt
    208
    Regelschritt
    210
    Regelschritt
    212
    Regelschritt
    214
    Regelschritt
    216
    Regelschritt
    218
    Regelschritt
    220
    Messtask
    222
    Regeltask
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011086583 A1 [0002]

Claims (10)

  1. Verfahren zum zeitdiskreten Regeln eines elektronisch kommutierten Elektromotors, insbesondere eines elektrischen Antriebsmotors eines Kraftfahrzeugs, mithilfe eines zeitdiskreten Modulationsverfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelfrequenz und eine Modulationsfrequenz voneinander gesondert eingestellt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsfrequenz gegenüber der Regelfrequenz erhöht wird.
  3. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsfrequenz auf das Doppelte der Regelfrequenz eingestellt wird.
  4. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strom und eine Rotorlage mit der Modulationsfrequenz in einem Nullvektor gemessen werden.
  5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromregeltask und eine Raumzeigermodulation mit der Regelfrequenz durchgeführt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumzeigermodulation innerhalb eines Zeitschritts (102) zweimal durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsfrequenz gegenüber der Regelfrequenz verringert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Regeltask (222) ein Pulsmuster für wenigstens einen folgenden Zeitschritt (202) bestimmt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen des Pulsmusters ein regelungstechnischer Beobachter verwendet wird.
  10. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsfrequenz und/oder die Regelfrequenz in einem laufenden Betrieb geändert werden.
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