DE102015226347A1

DE102015226347A1 - Zeitdiskrete Vektorsteuerung einer Drehfeldmaschine

Info

Publication number: DE102015226347A1
Application number: DE102015226347.9A
Authority: DE
Inventors: Oussama Jabloun
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2017-06-22

Abstract

Eine Drehfeldmaschine (100) umfasst mehrere Spulen (120). Ein Verfahren (600) zum Steuern der Drehfeldmaschine (100) umfasst Schritte, die periodisch in jeweils einem Zeitschritt einer Folge gleich langer Zeitschritte durchgeführt werden. Diese Schritte umfassen ein Bestimmen (605) von durch die Spulen (120) fließenden Strömen; ein Bestimmen (620, 640) von an den Spulen (610) einzustellenden Spannungen auf der Basis der bestimmten Ströme und vorgegebener Ströme; und ein Ansteuern (625) eines Pulswechselrichters (220) mit einem PWM-Signal, um Spannungen an den Spulen (120) einzustellen, die im vergangenen Zeitschritt bestimmt wurden, wobei die einzustellenden Spannungen mittels einer Feldorientierten Steuerung im d/q-System bestimmt werden und wobei die im d/q-System bestimmten Spannungen mittels Entkopplungsströmen voneinander entkoppelt werden. Dabei werden die Entkopplungsströme auf der Basis von Strömen, die im vergangenen Zeitschritt durch die Spulen (120) flossen, für den aktuellen Zeitschritt prädiziert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Synchronmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Drehmomentbegrenzung an einer Synchronmaschine, die mittels Vektorregelung gesteuert wird.
Eine Synchronmaschine kann mittels einer Vektorregelung bezüglich eines abzugebenden Drehmoments gesteuert werden. Beispielsweise kann eine elektrische Servolenkung oder Lenkkraftunterstützung mittels eines Elektromotors realisiert sein, dessen abzugebendes Drehmoment gesteuert wird.
Die Synchronmaschine ist permanenterregt und umfasst einen Rotor mit mehreren Permanentmagneten und einen Stator mit Spulen. Im Betrieb der Synchronmaschine werden die Spulen mittels sinusförmigen Strömen angesteuert, wobei eine Frequenz der Ströme von einer Drehzahl und eine Amplitude vom Drehmoment abhängig sind. Die Vektorregelung bestimmt die Ströme bezüglich eines Koordinatensystems, das sich mit dem Stator mit dreht, sodass die Ströme als Gleichgrößen bestimmt werden können, sodass übliche Verfahren der Regelungstechnik verbessert anwendbar sind.
Die Regelung erfolgt auf einen Arbeitspunkt, der im rotierenden Koordinatensystem als Kombination aus einer q-Komponente und einer d-Komponente des durch die Synchronmaschine fließenden Stroms ergibt. Der Arbeitspunkt wird bezüglich des angeforderten Drehmoments bestimmt, wobei bestimmte Grenzen eingehalten werden müssen, die beispielsweise die maximale Strombelastbarkeit der Synchronmaschine betreffen. Die Verarbeitung erfolgt üblicherweise zeitdiskret zu vorbestimmten Zeitschritten. Die Zeitschritte können relativ lang sein, sodass eine Messung eines Ist-Werts aus einem zurückliegenden Zeitschritt in einem aktuellen Zeitschritt bereits veraltet sein kann. Bei einem Einsatz an Bord eines Kraftfahrzeugs können noch weitere Schwierigkeiten hinzukommen, beispielsweise hohe Anforderungen an eine Dynamik der Regelung oder eine relativ niedrige Zwischenkreisspannung, aus der Spannungen für die Spulen generiert werden, sodass häufig an der Spannungsgrenze operiert werden muss.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Technik zur Steuerung einer Synchronmaschine anzugeben, die insbesondere verbessert bei der zeitdiskreten Steuerung einsetzbar ist. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Eine Drehfeldmaschine umfasst mehrere Spulen. Ein Verfahren zum Steuern der Drehfeldmaschine umfasst Schritte, die periodisch in jeweils einem Zeitschritt einer Folge gleich langer Zeitschritte durchgeführt werden. Diese Schritte umfassen ein Bestimmen von durch die Spulen fließenden Strömen; ein Bestimmen von an den Spulen einzustellenden Spannungen auf der Basis der bestimmten Ströme und vorgegebener Ströme; und ein Ansteuern eines Pulswechselrichters mit einem PWM-Signal, um Spannungen an den Spulen einzustellen, die im vergangenen Zeitschritt bestimmt wurden, wobei die einzustellenden Spannungen mittels einer Feldorientierten Steuerung im d/q-System bestimmt werden und wobei die im d/q-System bestimmten Spannungen mittels Entkopplungsströmen voneinander entkoppelt werden. Dabei werden die Entkopplungsströme auf der Basis von Strömen, die im vergangenen Zeitschritt durch die Spulen flossen, für den aktuellen Zeitschritt prädiziert.
Es ist üblich, in jedem Zeitschritt ein PWM-Signal zu bestimmen, das erst im folgenden Zeitschritt zur Steuerung der Spannungen an den Spulen der Drehfeldmaschine an den Pulswechselrichter ausgegeben wird. Um die im folgenden Zeitschritt einzustellenden Spannungen zu entkoppeln werden häufig statt der hierfür eigentlich erforderlichen Ist-Spulenströme des folgenden Zeitschritts die Soll-Spulenströme des folgenden Zeitschritts verwendet. Es wird vorgeschlagen, die Entkopplung stattdessen auf der Basis von Entkopplungsströmen durchzuführen, die für den folgenden Zeitschritt prädiziert, also vorhergesagt werden. Insbesondere kann eine lineare Interpolation auf der Basis von Spannungen oder Strömen des vergangenen und des aktuellen Zeitschritts verwendet werden. Durch das Prädizieren der Entkopplungsströme kann die Entkopplung zeitnäher durchgeführt werden. Dadurch können eine Dynamik oder eine Stabilität der Steuerung verbessert sein.
Das Verfahren kann insbesondere mittels digitaler Elektronik, beispielsweise unter Einsatz eines programmierbaren Mikrocomputers, leicht umsetzbar sein. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Spulen stern- oder dreiecksförmig verschaltet und eine Periodendauer des PWM-Signals entspricht der Dauer des Zeitschritts. Das Verfahren kann dann auch so ausgedrückt werden, dass die Spulen jeweils für einen ersten Anteil des Zeitschritts mit einem ersten Potential einer Zwischenkreisspannung und für einen zweiten Anteil des Zeitschritts mit einem zweiten Potential der Zwischenkreisspannung verbunden werden, um an der jeweiligen Spule eine zugeordnete Spannung einzustellen, die im vorhergehenden Zeitschritt bestimmt wurde. Diese Gleichsetzung von Zeitschritt- und Periodendauer kann insbesondere für die Verarbeitung mittels eines Mikrocomputers vorteilhaft sein.
Die entkoppelten d- und q-Spannungen können begrenzt werden, falls eine Zwischenkreisspannung des Pulswechselrichters für ihre Realisierung nicht ausreicht. Das Verfahren befindet sich dann im Begrenzungsbetrieb, in welchem die Entkopplung bevorzugterweise korrigiert wird, um einen Fehler, der insbesondere durch die Prädiktion der Entkopplungsströme entstehen kann, möglichst zu eliminieren. Dies kann einen Einsatz des Verfahrens in einer Umgebung mit begrenzter Zwischenkreisspannung, beispielsweise an einem Gleichstrom-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, leichter machen. Beispielsweise kann die Drehfeldmaschine als Traktions- oder Servoantrieb verwendet werden, etwa in einer Lenkunterstützung oder als ein anderer Antrieb.
Die Korrektur kann insbesondere auf der Basis eines bestimmten Soll-Stroms des aktuellen Durchlaufs und einer bestimmten Spannung eines vorangehenden Durchlaufs des Verfahrens erfolgen. Auf dieser Basis kann eine Korrekturfunktion angegeben werden, die eine andere Funktion erweitert, die für die Bestimmung der Signale verwende werden kann, wenn sich das Verfahren nicht im Begrenzungsbetrieb befindet.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird in jedem Durchlauf des Verfahrens abgespeichert, ob eine Begrenzung stattgefunden hat oder nicht. Die Korrektur kann davon abhängig gemacht werden, dass der abgespeicherte Wert auf eine Begrenzung in einem vorangehenden Durchlauf des Verfahrens hinweist. Die Verzögerung bei der Bestimmung des Begrenzungsbetriebs beträgt dabei konstant einen Zeitschritt und kann üblicherweise hingenommen werden.
Ferner kann im Begrenzungsbetrieb eine Anti-Windup-Maßnahme getroffen werden. Bevorzugterweise wird die Anti-Windup-Maßnahme durchgeführt, wenn die Bestimmung der an den Spulen einzustellenden Spannungen eine integrative Komponente (I-Komponente) umfasst, beispielsweise wenn sie mittels Proportional-Integral-Reglern (PI-Regler) durchgeführt wird. Die Maßnahme kann insbesondere darin bestehen, den Integral-Anteil der Proportional-Integral-Regler bei großen Regeldifferenzen abzuschalten, einen neuen Arbeitspunkt zu bestimmen (oder zu warten bis er sich wenigstens näherungsweise selbst eingestellt hat) und den Integral-Anteil bevorzugterweise möglichst stoßfrei wieder zuzuschalten.
Ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens kann auf einer Verarbeitungseinrichtung ausgeführt oder auf einem computerlesbaren Datenträger abgespeichert werden.
Eine Drehfeldmaschine umfasst mehrere Spulen. Eine Vektorregelung zur Steuerung der Drehfeldmaschine umfasst eine Abtasteinrichtung zur Bestimmung von durch die Spulen fließenden Strömen; einen Pulswechselrichter, der mittels eines PWM-Signals angesteuert werden kann, um an den Spulen Spannungen einzustellen; und eine Verarbeitungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, periodisch in jeweils einem Zeitschritt einer Folge gleich langer Zeitschritte an den Spulen einzustellende Spannungen mittels einer Feldorientierten Steuerung im d/q-System auf der Basis von durch die Spulen fließenden Strömen und vorgegebenen Strömen zu bestimmen und den Pulswechselrichter mit einem PWM-Signal anzusteuern, um Spannungen an den Spulen einzustellen, die im vergangenen Zeitschritt bestimmt wurden, wobei die Verarbeitungseinrichtung ferner dazu eingerichtet ist, Entkopplungsströme auf der Basis von Strömen, die im vergangenen Zeitschritt durch die Spulen flossen, für den aktuellen Zeitschritt zu prädizieren und die im d/q-System bestimmten Spannungen mittels Entkopplungsströmen voneinander zu entkoppeln. Die Vektorregelung ist insbesondere zur Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens eingerichtet. Die Verarbeitungseinrichtung kann bevorzugterweise mittels eines programmierbaren Mikrocomputers realisiert werden.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
1 eine Drehfeldmaschine mit unterschiedlichen Koordinatensystemen;
2 die Drehfeldmaschine von 1 an einer Steuervorrichtung;
3 eine Feldorientierte Regelung (FOR);
4 ein Zeitdiagramm; und
5 ein Blockschaltbild
darstellt.
Für die vorliegende Beschreibung werden folgende Variablen verwendet:

Jj: imaginärer Anteil (bei komplexen Zahlen)
Ta: Abtastzeit
k: zeitdiskreter Zykluszähler/Zeitschritt
Ws: Statorkreisfrequenz
ψ_PM: Rotor-Permanentfluss
Rs: Statorwiderstand
Lsd: Induktivität der d-Achse
Lsq: Induktivität der q-Achse
Tsd = Lsd/Rs: Maschinenzeitkonstante der d-Achse
Tsq = Lsq/Rs: Maschinenzeitkonstante der q-Achse
Isd: direkter Strom
Isq: Querstrom
Isdinv: Inverser d-Strom
Isqinv: Inverser q-Strom
IsdDecouple: d-Strom für die Berechnung des Entkopplungsnetzwerks
IsqDecouple: q-Strom für die Berechnung des Entkopplungsnetzwerks
IsdAct: Istwert des gemessenen d-Stroms
IsqAct: Istwert des gemessenen q-Stroms
UsdPi: d-Spannung am Ausgang des PI-Reglers
IsqPI: q-Spannung am Ausgang des PI-Reglers
UsdUnlim: unlimitierte d-Spannung am Ausgang des Entkopplungsnetzwerks
UsqUnlim: unlimitierte q-Spannung am Ausgang des Entkopplungsnetzwerks
UsdLim: limitierte d-Spannung am Ausgang des Entkopplungsnetzwerks
UsqLim: limitierte q-Spannung am Ausgang des Entkopplungsnetzwerks
UsdqUnlim = UsdUnlim + jUsqUnlim: unlimitierter Spannungszeiger am Ausgang des Entkopplungsnetzwerks
UsdqLim = UsdLim + jUsqLim: limitierter Spannungszeiger
ΔU_sdq: Spannungsdifferenz zwischen geforderter und maximal möglicher Spannung welche vom Pulswechselrichter gestellt werden kann
ΔI_sdq: Stromdifferenz zwischen Vorausberechnung im Zeitschritt k – 1 und Messung im Zeitschritt k
kf: Korrekturfunktion, die im Falle einer verfälschten Vorausberechnung der Ströme für das Entkopplungsnetzwerk greift.

1 zeigt eine Drehfeldmaschine 100, insbesondere eine permanenterregte Synchronmaschine (PSM). Die Drehfeldmaschine 100 umfasst einen Stator 105 und einen Rotor 110, die bezüglich einer Drehachse 115 drehbar gegeneinander gelagert sind. Am Stator 105 sind wenigstens drei Spulen 120 gleichmäßig versetzt auf einem Umfang um die Drehachse 115 angebracht. Es sind drei Phasen U, V und W vorgesehen, wobei jede Phase U, V, W mit gleich vielen Spulen 120 verbunden ist und die Spulen 120 äquidistant auf dem Umfang verteilt sind. Die Anzahl der Spulen 120 pro Phase U, V, W wird auch Polpaarzahl genannt. In der dargestellten Ausführungsform beträgt die Polpaarzahl eins und es sind drei Spulen 120 vorgesehen, die paarweise Winkel von 120° miteinander einschließen. In anderen Ausführungsformen kann die Polpaarzahl größer sein und es sind entsprechend mehr Spulen 120 mit kleineren Winkeln zu ihren benachbarten Spulen 120 vorgesehen. Die Spulen 120 sind in Dreiecksschaltung oder bevorzugterweise in Sternschaltung miteinander verbunden, sodass in der dargestellten Ausführungsform nur drei Anschlüsse aus der Drehfeldmaschine 100 nach außen zugänglich sind. Der Rotor 110 trägt bevorzugterweise einen oder mehrere Permanentmagneten 125, sodass von einer permanenterregten Synchronmaschine (PSM) gesprochen wird. Werden die Phasen U, V, W mit phasenverschobenen Wechselströmen angesteuert, so wird dadurch ein Drehmoment generiert, das bestrebt ist, den Rotor 110 bezüglich des Stators 105 um die Drehachse 115 zu drehen.
Um die Drehfeldmaschine 100 zu einer Drehung anzusteuern, sind die der Phasen U, V, W mit phasenverschobenen Wechselströmen zu beaufschlagen. Diese Ansteuerung kann in unterschiedlichen Koordinatensystemen dargestellt werden. Im statorfesten U/V/W-Koordinatensystem sind die Koordinatenachsen um 120° gegeneinander verdreht. Da die Ströme der Phasen U, V, W in Summe Null ergeben, kann ein Stromzeiger bzw. Stromvektor 130 auch in einem statorfesten, zweidimensionalen α/β-Koordinatensystem dargestellt werden. Ferner ist ein rotorfestes d/q-Koordinatensystem in 1 eingetragen, dessen d-Komponente gleichgerichtet mit dem magnetischen Fluss Ψ_PM des Permanentmagneten 125 verläuft. Die q-Komponente steht senkrecht auf der d-Komponente. Ein Winkel zwischen der d-Achse und der α- bzw. U-Achse entspricht einem mechanischen Drehwinkel zwischen dem Rotor 110 und dem Stator 105. Der d-Strom beeinflusst den magnetischen Fluss der Drehfeldmaschine 100 und wird auch Blindstrom genannt, der q-Strom bewirkt die Drehmomentbildung und wird auch Wirkstrom genannt. Ein elektrischer Drehwinkel der Drehfeldmaschine 100 entspricht dem mechanischen Drehwinkel zwischen dem Rotor 110 und dem Stator 105, multipliziert mit der Polpaarzahl.
Durch das Betrachten bzw. Steuern von durch die Phasen U, V, W fließenden Strömen im rotorfesten d/q-Koordinatensystem können sich verarbeitungstechnische und rechnerische Vorteile ergeben, um die Drehfeldmaschine 100 zu betreiben. Dazu werden üblicherweise Ströme oder Spannungen vom U/V/W-System ins d/q-System transformiert, dort als Gleichströme bzw. Gleichspannungen behandelt und auf ihrer Basis wird eine Stell- oder Ausgangsgröße bestimmt. Die bestimmte Größe wird ins U/V/W-System zurück transformiert und an der Drehfeldmaschine 100 eingestellt. Diese Vorgehensweise wird mit Bezug auf 2 genauer beschrieben.
2 zeigt eine beispielhafte Steuervorrichtung 200 zur Feldorientierten Steuerung (FOS) der Drehfeldmaschine 100 aus 1 in einer beispielhaften Ausführungsform. Es ist zu beachten, dass die dargestellte Steuervorrichtung 200 lediglich stellvertretend für eine praktisch beliebige Steuerung oder Regelung steht, die das d-q-Koordinatensystem von 1 verwendet. Die Drehfeldmaschine 100 ist bevorzugterweise als permanenterregte Synchronmaschine (PSM) ausgeführt.
In der dargestellten Ausführungsform ist eine Steuerkomponente 205 dazu vorgesehen, auf der Basis von vorgegebenen d- und q-Komponenten eines Soll-Stroms (IsdRef, IsqRef) durch die Drehfeldmaschine 100 d- und q-Komponenten einer Spannung (Usd, Usq) zu generieren, die im Folgenden an der Drehfeldmaschine 100 eingestellt werden sollen. Die beiden Komponenten werden mittels eines Umsetzers 210 vom d/q-Koordinatensystem in ein dreidimensionales Koordinatensystem (insbesondere das U/V/W-Koordinatensystem) umgesetzt. Dabei ergeben sich drei Spannungen, die üblicherweise mittels eines Vektormodulators 215 in drei korrespondierende Pulsweitenmodulationssignale (PWM) umgesetzt werden, wobei insbesondere Tastverhältnisse der PWM-Signale gesteuert werden können.
Ein Pulswechselrichter 220 ist dazu eingerichtet, jede der Phasen U, V, W getaktet mit einem hohen oder einem niedrigen Potential einer Zwischenkreisspannung zu verbinden, sodass sich an der Phase U, V, W eine gewünschte Spannung einstellt. Die Zwischenkreisspannung kann bei Einsatz der Steuervorrichtung 200 in einem Kraftfahrzeug einer Bordspannung entsprechen. Die Bordspannung kann mittels eines Energiespeichers 218, insbesondere einer Batterie, bereitgestellt sein. In diesem Fall kann die Energie zum Antrieb der Drehfeldmaschine 100 der Batterie entnommen oder im Generatorbetrieb auch in diese zurück gespeist werden.
Zur Steuerung der Phasenspannungen umfasst der Pulswechselrichter 220 üblicherweise Stromventile, die mittels der pulsweitenmodulierten (PWM) Signale angesteuert werden. Die Spannungen werden an die Spulen 110 angelegt und bewirken Ist-Phasenströme durch die Phasen U, V und W. Mindestens ein Phasenstrom wird mittels einer Abtasteinrichtung 225 abgetastet. In einer bevorzugten Ausführungsform sind wenigstens zwei Abtasteinrichtungen 225 für verschiedene Ist-Phasenströme vorgesehen, wobei der Ist-Phasenstrom der nicht abgetasteten Phase U, V, W als Linearkombination aus den anderen beiden Ist-Phasenströmen bestimmt werden kann, sodass die Summe der drei Ist-Phasenströme Null ist.
Eine Rückkopplung der Steuervorrichtung 200 erfolgt bevorzugterweise mittels eines Positionssensors 230, der einen Drehwinkel zwischen dem Rotor 110 und dem Stator 105 bestimmt. Das Ausgangssignal des Positionssensors 230 wird, falls erforderlich, mit der Polpaarzahl multipliziert, um den mechanischen Drehwinkel in einen elektrischen Stromwinkel umzuwandeln. Das Positionssignal kann nach der Zeit abgeleitet werden, um eine mechanische Winkelgeschwindigkeit ωmech des Rotors 110 zu bestimmen. Die mechanische Winkelgeschwindigkeit ωmech kann auf der Basis der Polpaarzahl in eine elektrische Winkelgeschwindigkeit umgewandelt werden, die der Steuerkomponente 205 als Rückkopplung bereitgestellt werden kann.
Insbesondere in einem Traktions- oder Stellantrieb, etwa in einer Lenkunterstützung an Bord eines Kraftfahrzeugs, kann die Drehfeldmaschine 100 drehmomentgeregelt betrieben werden, wobei ein gewünschtes Drehmoment M_soll vorgegeben wird, aus dem eine Arbeitspunktbestimmung 240 die gewünschten Ströme IsdRef und IsqRef bereitstellt. Eine Kombination von Strömen IsdRef und IsqRef (oder Isd und Isq) wird Arbeitspunkt genannt. In einer anderen Ausführungsform kann statt des Drehmoments auch eine Drehgeschwindigkeit der Drehfeldmaschine 100 vorgegeben sein.
Abgesehen von der Drehfeldmaschine 100, dem Pulswechselrichter 220, der Abtasteinrichtung 225 und dem Positionssensor 230 sind die dargestellten Elemente bzw. Blöcke üblicherweise als Verfahrensschritte eines Verfahrens ausgeführt, das auf einer Verarbeitungseinrichtung abläuft, die bevorzugterweise einen programmierbaren Mikrocomputer umfasst. Eingehende analoge Signale werden üblicherweise mittels Analog-Digital-Wandlern abgetastet und bereitzustellende Signale werden entweder digital mittels eines Treiberbausteins oder analog mittels eines Digital-Analog-Wandlers ausgegeben. Insofern kann die Steuervorrichtung 200 auch als Flussdiagramm eines Verfahrens begriffen werden.
3 zeigt eine FOR, die durch die Steuervorrichtung 200 implementiert sein kann. Auf der Basis der Statorkreisfrequenz Ws und vorgegebenen Strömen IsdRef und IsqRef, sowie an der Drehfeldmaschine 100 bestimmten Strömen IsdAct und IsqAct, werden mittels Proportional-Integral-Reglern (PI-Reglern) 305 Spannungen UsdRef und UsqRef bestimmt. In die Bestimmung einfließende Induktivitäten der Drehfeldmaschine 100 sind mit L gekennzeichnet. Ein Stromrichter 310 bestimmt Spannungen Usd und Usq, die an der Drehfeldmaschine 100 eingestellt werden sollen. Dabei berücksichtigt der Stromrichter 310 möglicherweise vorhandene Nichtlinearitäten oder eine begrenzte Zwischenkreisspannung.
Eine Regelstrecke 315 umfasst (vgl. 2) einen Umsetzer vom d/q- ins U/V/W-System, einen Vektormodulator 215, einen Pulswechselrichter 220, eine Drehfeldmaschine 100, eine Abtasteinrichtung 225 und einen Umsetzer vom U/V/W-System ins d/q-System. Eingänge der Regelstrecke 315 umfassen die einzustellenden Spannungen Usd und Usq und Ausgänge umfassen Ist-Ströme IsdAct und IsqAct, die in die Bestimmung der Spannungen UsdRef und UsqRef rückgekoppelt sind.
Die d- und q-Komponenten der Spannungen und Ströme an der Drehfeldmaschine 100 beeinflussen einander gegenseitig. Die PI-Regler 305 bilden diese Beeinflussung möglichst genau umgekehrt nach, um eine Entkopplung zu erreichen. Dabei wird davon ausgegangen, dass der dargestellte Regelkreis gut eingestellt ist, sodass für die Entkopplung die Sollwerte IsdRef und IsqRef der Ströme statt ihrer Istwerte IsdAct und IsqAct verwendet werden können. Das hat den Vorteil, dass der Reglerausgang und der Vorsteuerwert zeitlich eng korreliert sind.
Insbesondere dann, wenn Teile der Steuervorrichtung 200 mittels eines Mikrocomputers oder eines Digitalen Signalcomputers (DSP) realisiert sind, erfolgt üblicherweise keine zeitkontinuierliche sondern eine zeitdiskrete Verarbeitung in Zeitschritten einer vorbestimmten Länge, beispielsweise alle 100 ms. Im Folgenden wird ein aktueller Zeitschritt mit (k) beizeichnet; ein vorangehender Zeitschritt wird mit (k – 1) und ein folgender mit (k + 1) referenziert.
4 illustriert diese Arbeitsweise in einem Zeitdiagramm 400. In regelmäßigen zeitlichen Abständen Ta wird jeweils der Beginn eines Zeitschritts bewirkt. Dies kann beispielsweise mittels eines Zeitgebers erfolgen, der eine Unterbrechungsanforderung an einen verarbeitenden Mikrocomputer sendet. Bevorzugterweise ist Ta auch die Periodendauer der Pulsweitenmodulation.
Innerhalb eines Zeitschritts werden nacheinander bestimmte Teilaufgaben der Steuerung in einer festen Abfolge durchgeführt. In der Darstellung von 4 werden in einem ersten Schritt 405 Phasenströme und der Drehwinkel der Drehfeldmaschine 100 abgetastet. In einem zweiten Schritt 410 wird die feldorientierte Regelung FOR bestimmt, bevor in einem dritten Schritt 415 das PWM-Signal zur Steuerung des Pulswechselrichters 220 bestimmt und ausgegeben wird. Diese Abfolge wiederholt sich bevorzugterweise zyklisch in jedem Zeitschritt.
Das im Zeitschritt k berechnete PWM-Tastverhältnis wird aber erst im Zeitschritt k + 1 vom Pulswechselrichter 220 verarbeitet. Aus dieser Art der Regelung ergibt sich eine Totzeit, welche die Entkopplung nach 3 verschlechtert.
Es wird daher vorgeschlagen, die Ströme, die für die Entkopplung verwendet werden (vgl. 2), basierend auf dem diskreten inversen PSM-Modell vorherzusagen. Zur näheren Erläuterung wird ein System angenommen, das in 5 dargestellt ist.
5 zeigt die Regelung von 3 als Blockschaltbild. Die PI-Regler 305 erhalten als Eingangssignale die Ströme IsdRef, IsqRef, IsdAct und IsqAct und stellen daraus die Spannungen UsdPI und UsqPI bereit. Eine Entkopplung 510 stellt daraus unbegrenzte Spannungen UsdUnlim und UsqUnlim bereit, die mittels einer Begrenzung 510 in begrenzte Spannungen UsdLim und UsqLim überführt werden. In der Darstellung von 3 werden diese Ströme an die Regelstrecke 315 geführt.
Das Problem der Totzeiten lässt sich lösen, indem die Ströme, die für die Entkopplung verwendet werden, basierend auf dem diskreten inversen PSM-Modell für den jeweils nächsten Taktschritt prädiziert werden.
Hierzu werden die folgenden Gleichungen verwendet:
Ohne Spannungsbegrenzung wird für die Berechnung der Entkopplungsterme in Gleichung 3 der inverse Strom aus Gleichung 1 verwendet: I_sdDecouple(k) = I_sdInv(k) (Gl. 2a) I_sqDecouple(k) = I_sqInv(k) (Gl. 2b) U_sdUnlim(k) = U_sdPI(k) – ω_sL_sdI_sdDecouple(k) (Gl. 3a) U_sqUnlim(k) = U_sqPI(k) – ω_sL_sqI_sqDecouple(k) + ω_s(k)Ψ_PM (Gl. 3b)
Die an den Spulen 120 einzustellenden Spannungen werden im d/q-System auf der Basis der Gleichungen 3a und 3b bestimmt. Die Entkopplung der bestimmten Spannungskomponenten erfolgt dabei mittels der Entkopplungsströme I_sdDecouple und I_sqDecouple, die im Normalbetrieb, bei dem keine Spannungsbegrenzung stattfindet, nach Gleichung 2 auf der Basis der Gleichungen 1a und 1b bestimmt werden können.
Besonders bei hohen Drehzahlen ist es jedoch häufig, dass die Begrenzung 510 aktiv wird. Das bedeutet, dass zumindest kurzzeitig die Spannungen U_sdqUnlim nicht gestellt werden können, weil die einzustellenden Spannungen die Zwischenkreisspannung übersteigen. Da bei Spannungsbegrenzung bei hohen Drehzahlen der Drehfeldmaschine 100 vor allem die Entkopplungsterme hart begrenzt („geschnitten”) werden, sind starke Einbußen in der Stromregelungsqualität zu erwarten.
Es wird vorgeschlagen, im Fall der Spannungsbegrenzung eine Korrektur 515 bei der Berechnung der Entkopplungsströme vorzusehen: U_sd(k – 1) = U_sdUnlim(k – 1) – U_sdLim(k – 1) (Gl. 4a) U_sq(k – 1) = U_sqUnlim(k – 1) – U_sqLim(k – 1) (Gl. 4b) ΔI_sd(k) = U_sqInv(k – 1) – I_sqAct(k) (Gl. 5a) ΔI_sq(k) = U_sqInv(k – 1) – I_sqAct(k) (Gl. 5b)
In Abhängigkeit der Fehlerspannung (Gleichung 4) und dem im vergangenen Taktschritt (k – 1) gemachten Strom-Schätzungsfehler (Gleichung 5) kann eine Rückrechnung für die Integratoren der PI-Regler als Anti-Windup-Maßnahme, und gleichzeitig eine Korrektur der Entkopplung realisiert werden.
Ein Windup kann entstehen, wenn in einem Regelkreis mit Stellgrößenbeschränkung der Reglerausgang größer als die maximal mögliche Stellgröße ist, sodass keine ausreichende Rückkopplung vorhanden ist. Enthält der Regler einen instabilen Anteil, so kann dies den Regelkreis destabilisieren. Bei einem Regler mit I-Anteil kann insbesondere der so entstehende zusätzliche Regelfehler aufintegriert werden, was zu einem starken Überschwingen bis hin zur Instabilität führen kann. Ein übliches Anti-Windup besteht darin, den I-Anteil des Reglers bei großen Regeldifferenzen abzuschalten und in der Nähe des neuen Arbeitspunkts möglichst stoßfrei wieder zuzuschalten.
Wird die Steuerung der Drehfeldmaschine 100 unter Begrenzung der Spannungen an den Spulen 120 durchgeführt, wird der d-Strom für die Berechnung des Entkopplungsnetzwerks nicht auf der Basis von Gleichung 2, sondern mittels einer Korrekturfunktion kf bestimmt: I_sdDecouple(k) = kf(I_sdInv(k), ΔI_sd(k), ΔU_sd(k – 1)) (Gl. 6a) I_sqDecouple(k) = kf(I_sqInv(k), ΔI_sq(k), ΔU_sq(k – 1)) (Gl. 6b)
Die Bestimmung der an den Spulen 120 einzustellenden Spannungen erfolgt in diesem Fall auf der Basis der Gleichungen 1, 3 und 6.
In diesem Fall werden ΔU_sdq, die Differenz zwischen geforderter und maximal möglicher Spannung, die vom Pulswechselrichter 220 gestellt werden kann, auf der Basis von Gleichung 4, und ΔI_sdq, die Stromdifferenz zwischen Vorausberechnung im Zeitschritt k – 1 und der Messung im Zeitschritt k, auf der Basis von Gleichung 5 bestimmt und fließen zusätzlich in die Bestimmung von I_sdDecouple ein. Die einzustellenden Ströme werden also praktisch auf der Basis der Gleichungen 1, 3 und 6 bestimmt.
Ob ein Begrenzungsbetrieb vorliegt, wird bevorzugterweise bezüglich eines vorangehenden Zeitschritts (k – 1) bestimmt. Eine entsprechende Information über eine erfolgte oder nicht erfolgte Begrenzung kann in jedem Zeitschritt als Variable für den folgenden Zeitschritt gespeichert werden, wenn die Begrenzung eingesetzt oder aufgehoben wird.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zur Steuerung einer Drehfeldmaschine 100 mittels einer feldorientierten Regelung. Das Verfahren 600 ist insbesondere zur Ausführung auf der Steuervorrichtung 200 von 2 geeignet und wird bevorzugterweise periodisch in jedem Zeitschritt k durchgeführt. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Periodendauer des PWM-Signals des Vektormodulators 215 mit einer Periodendauer für die Ausführung des Verfahrens 600 zusammenfällt.
Das Verfahren 600 beginnt in einem Schritt 605, in welchem Ist-Ströme an der Drehfeldmaschine 100 abgetastet bzw. bestimmt werden. In einem nachfolgenden Schritt 610 wird bestimmt, ob in einem vorangehenden Zeitschritt (k – 1) eine Begrenzung der an der Drehfeldmaschine 100 einzustellenden Spannungen stattgefunden hat.
Ist dies nicht der Fall, werden in einem Schritt 615 die Ausgangswerte der PI-Regler 305 berechnet. Anschließend wird in einem Schritt 620 die Entkopplung nach den Gleichungen 1, 2 und 3 berechnet. In einem abschließenden Schritt 625 wird, falls erforderlich, eine Begrenzung der anzusteuernden Spannungen durchgeführt und ein entsprechender Vermerk für einen folgenden Durchlauf des Verfahrens 600 abgespeichert. Schließlich wird die PWM für den folgenden Zeitschritt berechnet und ausgegeben.
Wird im Schritt 610 hingegen bestimmt, dass eine Spannungsbegrenzung im vorangegangenen Zeitschritt (k – 1) stattgefunden hat (auf der Basis des Vermerks aus Schritt 625), so fährt das Verfahren 600 bevorzugterweise mit einem Schritt 630 fort, in welchem optional ein Anti-Windup und bevorzugterweise eine Entkopplungskorrektur berechnet werden. Außerdem werden in einem Schritt 635, der dem Schritt 615 entspricht, Ausgangswerte der PI-Regler 305 berechnet. In einem Schritt 640 wird die Entkopplung auf der Basis der Gleichungen 1, 3 und 6 bestimmt. Danach wird auch in diesem Fall der Schritt 625 ausgeführt, wie oben beschrieben ist.
Bezugszeichenliste

100: Drehfeldmaschine
105: Stator
110: Rotor
115: Drehachse
120: Spule
125: Permanentmagnet
130: Stromzeiger bzw. Stromvektor
U, V, W: Phasen
200: Steuervorrichtung
205: Steuerkomponente
210: Umsetzer
218: Energiespeicher
215: Vektormodulator
220: Pulswechselrichter
225: Abtasteinrichtung
230: Positionssensor
235: Arbeitspunktbestimmung
305: PI-Regler
310: Stromrichter
315: Regelstrecke
400: Zeitdiagramm
405: erster Schritt: Abtasten
410: zweiter Schritt: FOR
415: dritter Schritt: PWM
505: Entkopplung
510: Begrenzung
515: Korrektur
600: Verfahren
605: Abtasten Ströme
610: Begrenzung im vorangehenden Zeitschritt?
615: Berechnung PI-Regler
620: Berechnung Entkopplung nach Gleichungen 1, 2, 3
625: Begrenzung und PWM-Berechnung
630: Berechnung Anti-Windup, Entkopplungskorrektur
635: Berechnung PI-Regler
640: Berechnung: Entkopplung nach Gleichungen 1, 3, 6

Claims

Verfahren (600) zum Steuern einer Drehfeldmaschine (100) mit mehreren Spulen (120), wobei das Verfahren (600) folgende Schritte umfasst, die periodisch in jeweils einem Zeitschritt einer Folge gleich langer Zeitschritte durchgeführt werden: Bestimmen (605) von durch die Spulen (120) fließenden Strömen; Bestimmen (620, 640) von an den Spulen (610) einzustellenden Spannungen auf der Basis der bestimmten Ströme und vorgegebener Ströme; und Ansteuern (625) eines Pulswechselrichters (220) mit einem PWM-Signal, um Spannungen an den Spulen (120) einzustellen, die im vergangenen Zeitschritt bestimmt wurden; wobei die einzustellenden Spannungen mittels einer Feldorientierten Steuerung im d/q-System bestimmt werden; wobei die im d/q-System bestimmten Spannungen mittels Entkopplungsströmen (IsfInv, IsqInv) voneinander entkoppelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungsströme (IsfInv, IsqInv) auf der Basis von Strömen, die im vergangenen Zeitschritt durch die Spulen (120) flossen, für den aktuellen Zeitschritt prädiziert werden.
Verfahren (600) nach Anspruch 1, wobei die entkoppelten d- und q-Spannungen begrenzt (625) werden und die Entkopplung korrigiert (630) wird, falls eine Zwischenkreisspannung des Pulswechselrichters (220) für die Realisierung der unbegrenzten Spannungen nicht ausreicht.
Verfahren (600) nach Anspruch 2, wobei die Korrektur (630) auf der Basis eines bestimmten Soll-Stroms des aktuellen Durchlaufs und einer bestimmten Spannung eines vorangehenden Durchlaufs des Verfahrens (600) erfolgt.
Verfahren (600) nach Anspruch 2 oder 3, wobei in jedem Durchlauf des Verfahrens (600) abgespeichert wird, ob eine Begrenzung (625) stattgefunden hat oder nicht, und wobei die Korrektur (630) erfolgt, falls der abgespeicherte Wert auf eine Begrenzung in einem vorangehenden Durchlauf des Verfahrens (600) hinweist.
Verfahren (600) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Anti-Windup-Maßnahme (630) getroffen wird, falls eine Zwischenkreisspannung des Pulswechselrichters (220) zur Bewirkung der bestimmten Spannungen an den Spulen (120) nicht ausreicht.
Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines Verfahrens (600) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wenn das Verfahren (600) auf einer Verarbeitungseinrichtung (205) ausgeführt wird oder auf einem computerlesbaren Datenträger abgespeichert ist.
Vektorregelung (200) zur Steuerung einer Drehfeldmaschine (100) mit mehreren Spulen (110), wobei die Vektorregelung (200) folgendes umfasst: eine Abtasteinrichtung (225) zur Bestimmung von durch die Spulen (110) fließenden Strömen; einen Pulswechselrichter (220), der mittels eines PWM-Signals angesteuert werden kann, um an den Spulen (120) Spannungen einzustellen; und eine Verarbeitungseinrichtung (205), die dazu eingerichtet ist, periodisch in jeweils einem Zeitschritt einer Folge gleich langer Zeitschritte an den Spulen einzustellende Spannungen mittels einer Feldorientierten Steuerung im d/q-System auf der Basis von durch die Spulen (120) fließenden Strömen und vorgegebenen Strömen zu bestimmen und den Pulswechselrichter (220) mit einem PWM-Signal anzusteuern, um Spannungen an den Spulen (120) einzustellen, die im vergangenen Zeitschritt bestimmt wurden, wobei die Verarbeitungseinrichtung (205) ferner dazu eingerichtet ist, Entkopplungsströme auf der Basis von Strömen, die im vergangenen Zeitschritt durch die Spulen (120) flossen, für den aktuellen Zeitschritt zu prädizieren und die im d/q-System bestimmten Spannungen mittels Entkopplungsströmen voneinander zu entkoppeln.