DE102016109777A1

DE102016109777A1 - Entwurf einer Motorregelung mit Anti-Windup und Spannungssättigung für eine elektrische Servolenkung

Info

Publication number: DE102016109777A1
Application number: DE102016109777.2A
Authority: DE
Inventors: Prerit Pramod; Julie A. Kleinau
Original assignee: Steering Solutions IP Holding Corp
Current assignee: Steering Solutions IP Holding Corp
Priority date: 2015-05-28
Filing date: 2016-05-27
Publication date: 2016-12-01
Also published as: US20160352276A1; CN106208866B; US10103667B2; CN106208866A

Abstract

Ein System zum Verhindern eines Windups eines Reglers in einem Elektromotor enthält ein Begrenzungsmodul, das einen begrenzten Spannungsbefehl in Ansprechen darauf ermittelt, dass eine befohlene Spannung eine verfügbare Spannung einer Motorstromquelle überschreitet, wobei der begrenzte Spannungsbefehl an einen Elektromotor angelegt wird, ein Sättigungsparametermodul, das einen Sättigungsparameter auf der Grundlage des begrenzten Spannungsbefehls ermittelt, wobei der Sättigungsparameter eine Größe anzeigt, um welche die befohlene Spannung die verfügbare Spannung überschreitet, ein Verarbeitungsmodul für Nichtlinearitäten, das den Sättigungsparameter verarbeitet, um einen verarbeiteten Sättigungsparameter zu erzeugen, und ein Referenzstrommodifikationsmodul, das einen modifizierten Strombefehl auf der Grundlage des verarbeiteten Sättigungsparameters erzeugt, wobei der modifizierte Strombefehl an das Regelungssystem angelegt wird, um das Nachführen des Strombefehls zu verbessern.

Description

QUERVERWEISE AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 62/167,520, die am 28. Mai 2015 eingereicht wurde und die hier durch Bezugnahme vollständig aufgenommen ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Entwurf für eine Motorregelung mit Anti-Windup und Spannungssättigung für eine elektrische Servolenkung (EPS).
Elektrische Servolenkungssysteme erfordern, dass der Elektromotor, der eine Lenkungsunterstützung bereitstellt, unter Verwendung eines Verfahrens mit Drehmomentregelung betrieben wird. Wenn eine Permanentmagnet-Synchronmaschine (PMSM) verwendet wird, wird eine feldorientierte Regelung (FOC) benutzt. Dies ermöglicht, dass Spannungs- und zugehörige Stromsignale eines dreiphasigen Wechselstrommotors (AC-Motors) in einen synchron rotierenden Referenzrahmen (d. h. einen d/q-Achsen-Referenzrahmen) transformiert werden. In dem d/q-Achsen-Referenzrahmen werden die Spannungen und Ströme des Motors zu Gleichstromgrößen (DC-Größen). Die FOC-Drehmomentregelungstechnik kann entweder unter Verwendung von Vorsteuerungsverfahren oder einer Stromrückkopplungsregelung mit geschlossenem Regelkreis implementiert werden.
Eine Stromregelung mit geschlossenem Regelkreis von Elektromotoren in elektrischen Servolenkungssystemen weist hohe Anforderungen außerhalb der Fähigkeit des Regelungssystems zum Nachführen des gewünschten Drehmomentunterstützungsbefehls (z. B. des Motordrehmomentbefehls) auf. Bei diesen wird die Konsistenz des Verhaltens über den gesamten Betriebsbereich des Regelungssystems hinweg gefordert, was einen Betrieb über den gesamten Motorgeschwindigkeitsbereich hinweg und einen Betrieb umfasst, der sich der Versorgungsspannungsgrenze nähert.
Anders als Hochspannungs-Leistungsanwendungen, die PMSMs verwenden, weist die Versorgungsspannung, die von dem Fahrzeug für das Regelungssystem zur Verfügung steht, Grenzen auf und der Motor, der in Fahrzeuganwendungen verwendet wird, ist typischerweise so dimensioniert, dass er stationäre Kraftanforderungen liefert. Bei Motorregelungsarchitekturen mit Stromrückkopplung im geschlossenen Regelkreis ist das Regelungssystem so entworfen, dass es Stromschrittbefehle mit einem stationären Fehler von nahezu Null nachführt. Zu diesem Zweck können zwei Integrierer, einer für jede Stromschleife, verwendet werden. Der Stromregler wendet eine geeignete Transformation auf die Referenzströme und die gemessenen Ströme an, um Spannungsbefehle zu erhalten, welche dann über einen Spannungszwischenkreisumrichter (VSI, VSI von voltage source inverter) an den Motor angelegt werden.
Einige Stromregelungssysteme sind als Architekturen mit quasi linearer Rückkopplung entworfen, von denen erwartet wird, dass sie einen gegebenen Satz von Leistungsmetriken eines linearen Systems erfüllen. Jedoch können nichtlineare Beschränkungen, die mit dem Aktor verbunden sind, verursachen, dass der Regelkreis mit linearer Rückkopplung destabilisiert wird, wenn die Aktorgrenzen erreicht werden, was zu einer verschlechterten Gesamtsystemleistung führt. Diese verschlechterte Leistung kann sich im Hinblick auf das Folgeverhalten, die Drehmomentwelligkeit und hörbare Geräusche manifestieren. Eine derartige Nichtlinearität in dem Motorregelungssystem besteht darin, dass die an den Motor angelegte Gesamtspannung durch den Spannungsbetrag begrenzt wird, die am Eingang des VSI zur Verfügung steht. Wenn der lineare Regelkreis Spannungsbefehle berechnet, die zu einer Spannungsbefehls-Gesamtgröße führen, die über der Ausgabe der Batterie liegt, kann es sein, dass die Spannungsbefehle begrenzt werden müssen.
Ein Problem, das aufgrund des Vorhandenseins einer Nichtlinearität durch eine Anlageneingangssättigung entsteht, besteht darin, dass dann, wenn der Regler Spannungsbefehle (transient oder stationär) über der Spannungsgrenze des Systems berechnet, die Spannungsbefehle auf die maximal verfügbare Batteriespannung begrenzt werden. Zustände (oder ein Element des Reglers, das einen Speicher aufweist), etwa diejenigen eines Integrierers, sind nicht korrekt, weil sie nicht mit den nicht begrenzten oder vorab begrenzten Spannungsbefehlen, die ursprünglich berechnet wurden, übereinstimmen. Wenn die gesättigte Bedingung eine Zeitspanne lang dauert, können die Zustände des Reglers hochgradig fehlerhaft werden. Wenn das System in den linearen Betriebsbereich zurückkehrt, können die Zustände nach einer bestimmten Zeitspanne zu korrekten Werten zurückkehren, welche davon abhängt, wie lange die Sättigungsbedingung gedauert hat. Diese Situation, die als Regler-Windup bezeichnet wird, kann eine schlechte Gesamtleistung des Regelungssystems und Instabilitäten erzeugen.
Einige Anti-Windup-Schemata fokussieren sich auf Systeme mit einem Eingang und einem Ausgang (SISO-Systeme), speziell Regler vom PID-Typ. Vor kurzem gab es Fortschritte bei Entwurfsmethodiken für Anti-Windup-Systeme mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (MIMO-Systeme) mit Nichtlinearitäten bei Anlageneingängen. Jedoch sind diese Techniken primär auf MIMO-Systeme fokussiert, die bei jedem Regelungssignal unabhängige Sättigungsgrenzen aufweisen. In einem PMSM-Stromregelungssystem ist die Nichtlinearität eine radiale oder kreisförmige Spannungsgrenze, in welcher die beiden Regelungssignale gemeinsam in Sättigung gehen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung umfasst ein System zum Verhindern eines Windups der Regelung in einem Elektromotor ein Begrenzungsmodul, das einen begrenzten Spannungsbefehl in Ansprechen auf eine befohlene Spannung ermittelt, die eine verfügbare Spannung einer Motorstromquelle überschreitet, wobei der begrenzte Spannungsbefehl an einen Elektromotor angelegt wird; ein Sättigungsparametermodul, das einen Sättigungsparameter auf der Grundlage des begrenzten Spannungsbefehls ermittelt, wobei der Sättigungsparameter eine Größe angibt, um welche die befohlene Spannung die verfügbare Spannung überschreitet; ein Verarbeitungsmodul für Nichtlinearitäten, das den Sättigungsparameter verarbeitet, um einen verarbeiteten Sättigungsparameter zu erzeugen; und ein Referenzstrommodifikationsmodul, das einen Strombefehl auf der Grundlage des verarbeiteten Sättigungsparameters erzeugt, wobei der Strombefehl an das Regelungssystem angelegt wird, um das Nachführen des Strombefehls zu verbessern.
Ein Verfahren zum Steuern eines Windups in einem Elektromotor umfasst, dass ein begrenzter Spannungsbefehl in Ansprechen darauf ermittelt wird, dass eine befohlene Spannung eine verfügbare Spannung einer Motorstromquelle überschreitet, wobei der begrenzte Spannungsbefehl an einen Elektromotor angelegt wird, dass ein Sättigungsparameter auf der Grundlage des begrenzten Spannungsbefehls ermittelt wird, wobei der Sättigungsparameter eine Größe anzeigt, um welche die befohlene Spannung die verfügbare Spannung überschreitet, dass der Sättigungsparameter verarbeitet wird, um einen verarbeiteten Sättigungsparameter zu erzeugen, während ein nichtlinearer Zustand beibehalten wird; und dass ein Strombefehl auf der Grundlage des verarbeiteten Sättigungsparameters erzeugt wird, wobei der Strombefehl an das Regelungssystem angelegt wird, um das Nachführen des Strombefehls zu verbessern.
Diese und andere Vorteile und Merkmale werden sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen besser ergeben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Der Gegenstand, der als die Erfindung angesehen wird, wird in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung speziell dargelegt und konkret beansprucht. Die vorstehenden und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden genauen Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, in denen:
1 eine beispielhafte schematische Darstellung eines Motorregelungssystems in Übereinstimmung mit beispielhaften Ausführungsformen ist;
2 ein Zeigerdiagramm eines Motors in Übereinstimmung mit beispielhaften Ausführungsformen ist;
3 ein beispielhaftes Blockdiagramm eines Motorregelungssystems mit einem Anti-Windup-Modul in Übereinstimmung mit beispielhaften Ausführungsformen ist;
4 ein beispielhaftes Blockdiagramm eines Anti-Windup-Moduls in Übereinstimmung mit beispielhaften Ausführungsformen ist; und
5 ein beispielhaftes Blockdiagramm eines Anti-Windup-Verfahrens in Übereinstimmung mit beispielhaften Ausführungsformen ist.
GENAUE BESCHREIBUNG
1 veranschaulicht ein Motorregelungssystem 10 in Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung. In den gezeigten beispielhaften Ausführungsformen enthält das Motorregelungssystem 10 einen Motor 20, einen Wechselrichter 22, eine Spannungsversorgung 24 und ein Regelungsmodul 30 (auch als Regler bezeichnet). Die Spannungsversorgung 24 liefert eine Versorgungsspannung V_B an den Motor 20. In einigen Ausführungsformen ist die Spannungsversorgung 24 eine 12-Volt Batterie. Es versteht sich jedoch, dass andere Typen von Spannungsversorgungen ebenfalls verwendet werden können. Der Wechselrichter 22 ist mit dem Motor 20 durch eine Vielzahl von Verbindungen 32 (z. B. drei Verbindungen) verbunden, die als ”A”, ”B” und ”C” beschriftet sein können. In einigen Ausführungsformen ist der Motor 20 ein mehrphasiger Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM). In diesem Beispiel ist der Motor 20 ein dreiphasiger PMSM. Das Regelungsmodul 30 ist durch den Wechselrichter 22 mit dem Motor 20 verbunden.
Das Regelungsmodul 30 empfängt einen Motordrehmomentbefehl T_C von einem Drehmomentregelungssystem 34, beispielsweise von einem Lenkungsregelungssystem. Das Regelungsmodul 30 enthält eine Regelungslogik zum Senden eines Motorspannungsbefehls an den Motor 20 durch den Wechselrichter 32 hindurch.
Mit fortgesetzter Bezugnahme auf 1 repräsentiert 2 ein Zeigerdiagramm 200 eines Motorregelungssystems, bei welchem die befohlene Spannung durch einen die Richtung bewahrenden Spannungsbegrenzer begrenzt wird. In 2 ist eine Spannungsgröße der Direktachse (d-Achse) auf der vertikalen Achse dargestellt, wohingegen eine Spannungsgröße der Quadraturachse (q-Achse) auf der horizontalen Achse dargestellt ist. Der Motor 20 (1) kann derart betrieben werden, dass eine Größe eines Motorspannungsbefehls V_R, der in 2 als V_org gezeigt ist, die Fähigkeiten des Wechselrichters 22 überschreitet. insbesondere kann der Wechselrichter 22 eine Begrenzung der Eingangsquellenspannung V_max aufweisen, welche in 2 als die Größe eines Kreisbogens gezeigt ist, der zwischen der Direktachse (d-Achse) und der Quadraturachse (q-Achse) verläuft.
Zum Begrenzen des Motorspannungsbefehls V_R innerhalb der Betriebsparameter des Wechselrichters während einer Betriebsregelung des Motors 20 kann V_org modifiziert werden. Wie in 2 gezeigt ist, kann der Motorspannungsbefehl V_R auf eine Größe begrenzt werden, die durch V_new repräsentiert wird und die kleiner oder gleich V_max ist. Daher liegt V_new innerhalb der Lieferfähigkeiten des Wechselrichters. Richtungswinkel der Spannungsvektoren V_org und V_new sind in 2 als Winkel δ_org bzw. δ_new ebenfalls gezeigt. Die Spannungsvektoren V_org und V_new werden derart begrenzt, dass der Richtungswinkel von V_org bewahrt wird (d. h. δ_org = δ_new)·
3 ist ein Blockdiagramm des Regelungsmoduls 30, das neben weiteren Teilmodulen ein Spannungsbegrenzungsmodul 316, ein Verarbeitungsmodul 301 für Nichtlinearitäten und ein Referenzmodifikationsmodul 318 in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der Erfindung enthält. Wie gezeigt, enthält das Regelungsmodul 30 mehrere Teilmodule – ein Gegen-EMK-Kompensationsmodul 302, ein Integrationsmodul 308, Kompensationsmodule 306 und 310, ein Modifikationsmodul 320, ein Subtraktionsmodul 304 und Additionsmodule 312, 314. Außerdem veranschaulicht 3 den Motor 20 (auch in 1 gezeigt).
Der Motor 20 ist eine Anlage, die durch das Regelungsmodul 30 geregelt wird. Das heißt, dass der Motor 20 einen tatsächlichen Motorspannungsbefehl V_M empfängt. Der tatsächliche Motorspannungsbefehl V_M beruht auf einem Motorspannungsbefehl V_R. Der tatsächliche Motorspannungsbefehl V_M kann durch das Begrenzungsmodul 316 in Abhängigkeit davon begrenzt werden, ob der Motorspannungsbefehl V_R die Fähigkeiten des Wechselrichters 22 oder einer anderen Stromquelle des Motors 20 überschreitet. Der Motor 20 erzeugt Drehmoment und Strom (d. h. er entnimmt den Strom I_A oder gibt diesen aus, welcher der tatsächliche Motorstrom ist, wie er vorstehend mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben ist). Die folgenden Gleichungen, die in dem d/q-Achsen-Koordinatenrahmen definiert sind, können die Anlagenübertragungsfunktion der Anlage des Motors 20 beschreiben (unter Verwendung von Definitionen von Leitung zu Neutral):
Wobei V_d, V_q die d/q-Motorspannungen (in Volt) sind, I_d, I_q die d/q-Motorströme (in Ampere) sind, L_d, L_q die d/q-Achsen-Motorinduktivitäten (in Henry) sind, R der Widerstand der Motorschaltung (Motor plus Regler) (in Ohm) ist, K_e der Gegen-EMK-Koeffizient (in Volt/rad/s) des Motors ist, ω_m die mechanische Motorgeschwindigkeit in (rad/s) ist und T_e das elektromagnetische Motordrehmoment (in Nm) ist.
In einigen Ausführungsformen ist das Begrenzungsmodul 316 ein die Richtung bewahrender Spannungsbegrenzer, der den ursprünglichen Phasenwinkel beibehält, während er die Größe auf die maximal verfügbare Spannung verringert. Jedoch können andere Spannungsbegrenzer für das Begrenzungsmodul 316 verwendet werden, die sowohl die Größe als auch den Winkel des Spannungsbefehls modifizieren. Das Begrenzungsmodul 316 gibt einen begrenzten Spannungsbefehl aus, der durch V_M repräsentiert wird.
Die Drehmomentgleichung, die T_e bereitstellt, ist nichtlinear und repräsentiert eine Summe aus dem Drehmoment, das durch vorteilhaftes Nutzen des Magnetfelds von den Permanentmagneten entwickelt wird, und dem Reluktanzdrehmoment, das durch eine Ausprägung des Rotors (die Differenz zwischen L_d und L_q) und die korrekte Wahl von I_q und I_d erzeugt wird.
Ferner können die Flusskopplungen der Anlage ausgedrückt werden als:
Es wird angemerkt, dass die d-Achsen-Flusskopplung den Fluss λ_m aufgrund der Permanentmagnete und eine entgegenwirkende Flusskomponente aufgrund des d-Achsen-Statorstroms umfasst. Unter Verwendung der Flusskopplungen können die Spannungsgleichungen anders formuliert werden als: V_d = λ ._d + ω_eλ_q + I_dR (Gleichung 6) V_q = λ ._q – ω_eλ_d + I_qR (Gleichung 7)
Im stationären Zustand können die Spannungsgleichungen werden zu: V_d = ω_eλ_q + I_dR (Gleichung 8) V_q = –ω_eλ_d + I_qR (Gleichung 9)
Der Motor 20 bildet zusammen mit dem Regelungsmodul 30 ein Regelkreissystem, das eine bestimmte Frequenzantwortkennlinie aufweist. Wie festzustellen ist, wird die Frequenzantwort des Regelkreissystems durch einen Satz von Modellgleichungen gelenkt, die eine Übertragungsfunktion definieren, welche den Eingangsstrombefehl I_R in den Ausgangsstrom I_M transformiert. Mit anderen Worten regelt das Regelungsmodul 30 den Ausgangsstrom I_M, indem es den tatsächlichen Motorspannungsbefehl V_M sendet, der auf der Grundlage des Eingangsstrombefehls I_R erzeugt wurde. I_M ist der Strom, der gemessen und an das Regelungsmodul 30 zurückgegeben wird.
Das Modifikationsmodul 320 empfängt als Eingang von dem Motor 20 den gemessenen Rückkopplungsstrom I_M. Auf der Grundlage des gemessenen Rückkopplungsstroms I_M entkoppelt das Modifikationsmodul 320 die d-Achsen-Komponente I_d des Ausgangsstroms I_A von den Schwankungen der q-Achsen-Stromkomponente I_q.
Die Kompensationsmodule 306 und 310 bilden einen Proportional-Integral-Regler (PI-Regler) mit Matrizenwerten (oder einem mehrdimensionalen PI-Regler), der eine Differenz I_E zwischen einem befohlenen Strom I_R und dem gemessenen Strom I_M kompensiert, um den Motor 20 zu regeln. Das Kompensationsmodul 306 erzeugt einen proportionalen Spannungsbefehl V_P aus einem Differenzstrom I_E (der durch das Subtraktionsmodul 304 ermittelt wird). Zusammen mit dem Integrationsmodul 308 erzeugt das Kompensationsmodul 306 einen integralen Spannungsbefehl V_I. Das Additionsmodul 312 kombiniert die Spannungsbefehle V_P und V_I, um einen Spannungsbefehl V_C zu erzeugen. Der proportionale Spannungsbefehl V_P und der integrale Spannungsbefehl V_I werden derart ermittelt, dass der kombinierte Spannungsbefehl V_C, wenn er an den Motor 20 angelegt wird, bewirkt, dass der Gesamtstrom für die Stromübertragungsfunktion von einer speziellen gewünschten Größenordnung ist. Es wird darauf hingewiesen, dass I_R, I_M, I_E, V_P, V_I und V_C jeweils eine d-Achsen-Komponente und eine q-Achsen-Komponente aufweisen. Außerdem repräsentieren I_R, I_M, I_E, V_P, V_I und V_C Vektoren und keine skalaren Werte.
Das Kompensationsmodul 306 ist ein Proportionalregler und das Kompensationsmodul 310 ist ein Integralregler. Das proportionale Kompensationsmodul C_P unterstützt das Konfigurieren der Frequenzantwort des Regelkreissystems, wenn eine Antwort des Typs erster Ordnung gewünscht wird, zusätzlich zum Bereitstellen von vorteilhaften Kompromissen zwischen dem Verhalten der Übertragungsfunktion bei Motoreingangsstörungen und dem Verhalten der Übertragungsfunktion bei Strommessrauschen. Wenn eine Übertragungsfunktion höherer Ordnung (z. B. dritter Ordnung) gewünscht wird, wird eine andere Konfiguration als der PI-Regler verwendet.
Der Begriff ”Modul” oder ”Teilmodul” bezeichnet, so wie er hier verwendet wird, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) mit Speicher, der eine oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen. Wenn es als Software implementiert wird, kann ein Modul oder ein Teilmodul im Speicher ausgeführt sein, etwa einem nicht vorübergehenden maschinenlesbaren Massenspeichermedium, das durch eine Verarbeitungsschaltung lesbar ist und Anweisungen zum Ausführen durch die Verarbeitungsschaltung speichert, um ein Verfahren auszuführen. Darüber hinaus können die in 3 gezeigten Module und Teilmodule kombiniert und/oder weiter unterteilt werden.
In einigen Ausführungsformen ist das Regelungsmodul 30 ein Rückkopplungsregler mit einem geschlossenen Regelkreis. Das heißt, dass der Ausgangsstrom des Motors 20 an das Regelungsmodul 30 zurückgekoppelt wird und das Regelungsmodul 30 die Rückkopplung verwendet, um den Ausgang des Motors 20 zu regeln. Da der Ausgangsstrom I_M an das Regelungsmodul 30 zurückgekoppelt wird, kann ein Regler-Windup erzeugt werden, wobei der Motorspannungsbefehl V_R einen tatsächlichen Motorspannungsbefehl V_M überschreiten kann. Dies kann zu einer Instabilität in einem Motorregelungssystem aufgrund einer Windup-Bedingung führen, die in diesem Fall erzeugt wird.
Regelungssysteme werden typischerweise entworfen, um einen Satz linearer Leistungsmetriken zu erfüllen, aber die Regelungssysteme verwenden typischerweise Aktoren, etwa Wechselrichter, die Betriebsbeschränkungen aufweisen. Ein Regler-Windup kann auftreten, wenn das Regelungsmodul 30 Regelungssignale erzeugt, die jenseits der Fähigkeiten der Aktoren liegen, wodurch eine Sättigung verursacht wird. Bei einer Sättigungsbedingung werden die Regelungssignale, die an die Anlage angelegt werden, begrenzt und jede Komponente des Reglers, die einen Speicher (oder Zustände) aufweist, wird fehlerhaft aktualisiert. Diese Bedingung kann dazu führen, dass Regler mit Speicher große Fehler ansammeln, welche erst zu korrekten Werten zurückkehren können, nachdem das System die Sättigung verlassen hat und in dieser Bedingung eine Zeitspanne lang geblieben ist. Wenn folglich ein Windup eines Reglers auftritt, kann das System potentiell eine längere Zeitspanne als wünschenswert in der gesättigten Bedingung verbleiben und schließlich die Gesamtleistung verschlechtern.
Wie nachstehend in größerem Detail beschrieben wird, detektiert das Anti-Windup-Schema, das aus den Modulen 301, 316 und 318 besteht, selektiv eine Spannungssättigungsbedingung und liefert eine genaue Repräsentation des tatsächlichen Motorspannungsbefehls V_M an einen Eingang des Regelungssystems, wodurch die Systemleistung verbessert wird. Eine Spannungssättigungsbedingung kann auftreten, wenn eine Vektoraddition eines Ausgangs der Stromregler der beiden d- und q-Achsen-Stromregelkreise größer wird als die verfügbare DC-Koppelspannung V_DC. Eine Spannungssättigung kann in Übereinstimmung mit der folgenden Gleichung ausgedrückt werden:
Das Anti-Windup-Schema ist in 4 gezeigt. Das Begrenzungsmodul 316 (3) ermittelt, ob die befohlene Spannung V_R eine maximal verfügbare Versorgungsspannung überschreitet. Im Fall, dass die befohlene Spannung V_R die maximal verfügbare Versorgungsspannung oder eine eingestellte Schwellenwertspannung überschreitet, wird die Größe des Spannungsvektors V_M in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen auf der Grundlage der folgenden Gleichung gleich dem folgenden Wert gesetzt: |V_M| = V_DC (Gleichung 10b)
Wie auch in 4 gezeigt ist, enthält das Anti-Windup-Modul 400 ein Sättigungsparametermodul 404. Das Sättigungsparametermodul 404 berechnet einen Sättigungsparameter, der ein Wert ist, welcher eine Größe der Sättigung anzeigt. In einigen Ausführungsformen steht der Sättigungsparameter in Beziehung mit dem Grad, um den der Motorspannungsbefehl V_R eine verfügbare Spannung überschreitet, die von dem Regelkreis an den Motor geliefert werden kann. Folglich kann der Grad der Sättigung γ_V ein Verhältnis des Spannungsbefehls zu der tatsächlichen Spannung, die an den Motor geliefert wird, repräsentieren. Der Grad der Sättigung γ_V wird durch die folgende Gleichung definiert:
wobei |V_R| die Größe des Motorspannungsbefehls V_R ist und V_DC eine Versorgungsspannung ist. Die Nichtlinearität der Spannungssättigung kann radial geometrisch sein und der Grad der Sättigung γ_V kann genauer detektiert werden, indem ein Verhältnis der Gesamtgrößen der Spannungsvektoren anstelle von Differenzen der ursprünglichen und begrenzten Regelungssignale verwendet werden. Wie durch die vorstehende Gleichung festgestellt werden kann, wird die DC-Koppelspannung V_DC der Genauigkeit halber verwendet, da der tatsächliche Motorspannungsbefehl V_M möglicherweise die Spannung, zu deren Bereitstellung der Wechselrichter in der Lage ist, nicht genau repräsentiert. Insbesondere ist V_M für das Berechnen von γ_V ungenau, wenn die Spannungsbegrenzung nicht durch den die Richtung bewahrenden Spannungsbegrenzer ausgeführt wird.
In einer anderen Ausführungsform wird der Sättigungsparameter relativ zu einem Sättigungsbetrag γ_Va ausgedrückt, welcher zusätzlich von dem Sättigungsparametermodul 404 durch Verwendung der folgenden Gleichung berechnet werden kann:
Der Sättigungsbetrag γ_Va definiert die Größe der befohlenen Spannung aus dem Kreis der maximalen Spannungsgrenze, der durch den Kreisbogen definiert ist, der in 2 durch V_max repräsentiert wird. Wieder kann auch eine skalierte Version von V_DC ähnlich zu der vorstehend erwähnten verwendet werden.
Indem die Verhältnisse verwendet werden, die vorstehend in den Berechnungen beispielsweise für den Grad der Sättigung γ_V und den Sättigungsbetrag γ_Va definiert wurden, wird die Geometrie der Spannungsbeschränkung berücksichtigt. Mit anderen Worten wird die Richtung der Spannungsbeschränkung beibehalten und daher kann das Anti-Windup-Schema 400 einen modifizierten Strombefehl genauer ermitteln. Diese modifizierten Strombefehle ermöglichen das Verhindern eines Integrierer-Windup.
Zudem berechnet das Sättigungsparametermodul 404 einen Sättigungsparameter. In einigen Ausführungsformen ist der Sättigungsparameter ein Kehrwert des Grads der Sättigung γ_Vinv, der durch die folgende Gleichung definiert wird:
Alternativ kann der Sättigungsparameter ein Kehrwert des Sättigungsbetrags γ_Va sein. Ein Verhältnis, das durch das Sättigungsgradmodul 404 aus γ_Va berechnet werden kann, ist der begrenzte Sättigungsbetrag, der definiert ist als: γ_Valim = min(1 – γ_Va, 1) (Gleichung 14)
Bei Systemen mit hoher Bandbreite, bei denen γ_Va in einigen Umständen größer als Eins werden kann, kann dies dazu führen, dass γ_Valim eine verringerte Genauigkeit aufweist.
Das Sättigungsparametermodul 404 gibt den Sättigungsparameter an ein Verarbeitungsmodul 406 für Nichtlinearitäten aus.
Das Verarbeitungsmodul 406 für Nichtlinearitäten des Anti-Windup-Moduls 400 verringert ein Rauschen am Ausgang des Sättigungsparameters, ohne durch einen vorherigen Zustand beeinflusst zu werden, wodurch ein verarbeiteter Sättigungsparameter erzeugt wird. Das Verarbeitungsmodul 406 für Nichtlinearitäten enthält keinen Speicher und verwendet keinerlei Verlaufsinformationen des Eingangssignals. Eine transiente Sättigung statt einer stationären Sättigung ist in Regelungssystemen in der Praxis das wichtigere Problem, da sich die Referenz kontinuierlich verändert. Gekoppelt mit der Anforderung einer Stromregelung mit hoher Bandbreite aus mehreren verschiedenen Gründen kann das vorstehende Spannungsbegrenzungsschema manchmal zu einer rauschbehafteten Referenz führen, was schließlich zu rauschbehafteten Ausgängen führt. Ein Standard-Tiefpassfilter zum Verringern dieses Rauschens ist nicht wünschenswert, da das Filter nicht nur eine Verzögerung in die Rückkopplung einführt, sondern es auch Zustände aufweist und es folglich selbst ein Windup erleiden kann, was zu einer Veränderung im Signal führt.
Das Verarbeitungsmodul 406 für Nichtlinearitäten wirkt ähnlich wie ein Pseudo-Filter und es wird implementiert, indem eine nichtlineare Funktion F verwendet wird, deren Ausgang y(t) eine Funktion des gegenwärtigen Eingangs x(t) ist und nicht von vorherigen Werten (oder Zuständen) des Eingangs. Mathematisch kann diese Operation wie nachstehend gezeigt definiert sein. y(t) = F(x(t)) (Gleichung 15)
In einigen Ausführungsformen ist das Verarbeitungsmodul 406 für Nichtlinearitäten eine Quadratwurzelfunktion. Es ist klar, dass andere Funktionen verwendet werden können, wobei einige der Anforderungen darin bestehen, dass der Ausgang nur eine Funktion des gegenwärtigen Werts des Eingangs sein darf und nicht von vorherigen Zuständen abhängig sein darf; die Funktion kann durch den Ursprung hindurch verlaufen (d. h. der Ausgang sollte Null sein, wenn der Eingang Null ist), und der Ausgang kann gleich dem Eingang sein, wenn der Eingang Eins ist. Derartige Funktionen verringern, wenn sie korrekt konfiguriert sind, aufgrund ihrer glatten Form die transienten Spitzen bei den Spannungsverhältnissen. Ein Beispiel für eine nichtlineare Verarbeitungsfunktion (Pseudo-Filterfunktion) ist durch die folgende Gleichung definiert:
Ein Referenzmodifikationsmodul 408 erzeugt einen modifizierten Strombefehl aus dem verarbeiteten Sättigungsparameter.
Das Referenzmodifikationsmodul 408 kann eine Referenzmodifikationsfunktion verwenden, die I_d erhöht und I_q verringert. Die Flussbefehle können auf der Grundlage des Ausmaßes der Spannungssättigung modifiziert werden. Im Allgemeinen können die Flussbefehle durch Verwendung von zwei Verhältnissen γ_d und γ_q modifiziert werden, die Funktionen des Ausmaßes der Spannungssättigung sind. Diese Verhältnisse können definiert werden als:
Durch Lösen der vorstehenden Gleichungen werden die modifizierten Stromreferenzen erhalten als:
Die Größe
ist ein maximal möglicher Wert des d-Achsenstroms, bei dem die Gesamtflusskopplung der d-Achse zu Null wird. Dies kann definiert werden als
Zudem kann die Referenzmodifikationsfunktion eine gerade Linie sein, welche den Betrieb des Regelungssystems in einen erweiterten Feldschwächmodus überführt, dessen Ausmaß durch das Verhältnis γ_d bestimmt ist. Es ist auch zu sehen, dass die modifizierte Referenz nur I_dmax werden kann, wenn γ_d Null wird, was in praktischen Motorregelungsanwendungen sehr unwahrscheinlich ist.
Die vorstehend erwähnte d-Achsen-Gleichung kann zur Referenzmodifikation direkt verwendet werden, indem verschiedene Werte von I_dmax verwendet werden, die mehr oder weniger konservativ sein können, unter Verwendung der folgenden Referenzmodifikationsgleichungen. I_dT = (1 – γ_d)I_dmax + γ_dI_dR (Gleichung 21) I_qT = γ_qI_qR (Gleichung 22)
In diesem Fall repräsentiert das Verhältnis die Flussmodifikation nicht mehr. Ein alternativer Wert kann definiert werden als:
Hier ist α_d ein positiver skalarer Wert, typischerweise ein Bruchteil kleiner als Eins, was zu einem maximalen d-Achsenstromwert führt, der größer oder kleiner als der Wert ist, der auf der Flussgrenze beruht.
Ein weiterer Wert des maximalen d-Achsen-Stroms kann auf der Grundlage des q-Achsen-Referenzstroms und einer anderen Begrenzung des Gesamtstroms, welche aufgrund des Wechselrichters oder der Maschine bestehen kann, online berechnet werden. Beispielsweise kann eine Stromgrenze I_lim auf der Grundlage des Stillstandsstroms an der Maschine oder der maximalen Kapazität der verwendeten FETs definiert werden. Damit kann der maximale d-Achsen-Strom berechnet werden als
I_dT und I_qT sind modifizierte Stromreferenzen, welche die Strombefehle repräsentieren.
5 ist ein Flussdiagramm für ein Regelungsverfahren, das von dem Regelungsmodul 30 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung ausgeführt werden kann. Wie im Licht der Offenbarung festgestellt werden kann, ist die Betriebsreihenfolge innerhalb des Verfahrens nicht auf die sequenzielle Ausführung begrenzt, wie sie in 5 dargestellt ist, sondern sie kann in einer oder mehreren abweichenden Reihenfolgen ausgeführt werden, wie es in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung angewendet werden kann.
Bei Block 502 ermittelt das Regelungsmodul 30 einen begrenzten Spannungsbefehl in Ansprechen auf eine befohlene Spannung, welche eine verfügbare Spannung einer Motorstromquelle überschreitet. Der begrenzte Spannungsbefehl kann an einen Elektromotor angelegt werden. Bei Block 504 ermittelt das Regelungsmodul 30 einen Sättigungsparameter auf der Grundlage des begrenzten Spannungsbefehls. Der Sättigungsparameter zeigt eine Größe an, um welche die befohlene Spannung die verfügbare Spannung überschreitet. Bei Block 506 ermittelt das Regelungsmodul 30 einen verarbeiteten Sättigungsparameter, indem es eine nichtlineare Glättungsfunktion verwendet. Bei Block 508 erzeugt das Regelungsmodul 30 einen Strombefehl auf der Grundlage des verarbeiteten Sättigungsparameters. Der modifizierte Strombefehl wird an das Regelungssystem angelegt, um das Nachführen des Strombefehls zu verbessern.
Obwohl die Erfindung im Detail in Verbindung mit nur einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es leicht zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf diese offenbarten Ausführungsformen begrenzt ist. Stattdessen kann die Erfindung modifiziert werden, um eine beliebige Anzahl von Variationen, Veränderungen, Substitutionen oder äquivalenten Anordnungen, die hier vorstehend nicht beschrieben wurden, aufzunehmen, welche aber mit dem Geist und Umfang der Erfindung übereinstimmen. Obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, versteht es sich zudem dass Aspekte der Erfindung nur einige der beschriebenen Ausführungsformen enthalten können. Folglich darf die Erfindung nicht so aufgefasst werden, dass sie durch die vorstehende Beschreibung begrenzt wird.

Claims

System zum Verhindern eines Windups eines Reglers in einem Elektromotor, wobei das System umfasst: ein Begrenzungsmodul, das einen begrenzten Spannungsbefehl in Ansprechen darauf ermittelt, dass eine befohlene Spannung eine verfügbare Spannung einer Motorstromquelle überschreitet, wobei der begrenzte Spannungsbefehl an einen Elektromotor angelegt wird; ein Sättigungsparametermodul, das einen Sättigungsparameter auf der Grundlage des begrenzten Spannungsbefehls ermittelt, wobei der Sättigungsparameter eine Größe anzeigt, um welche die befohlene Spannung die verfügbare Spannung überschreitet; ein Verarbeitungsmodul für Nichtlinearitäten, das den Sättigungsparameter verarbeitet, um einen verarbeiteten Sättigungsparameter zu erzeugen; und ein Referenzstrommodifikationsmodul, das einen modifizierten Strombefehl auf der Grundlage des verarbeiteten Sättigungsparameters erzeugt, wobei der modifizierte Strombefehl an das Regelungssystem angelegt wird, um das Nachführen des Strombefehls zu verbessern.
System nach Anspruch 1, wobei der modifizierte Strombefehl ein Verhältnis des Direktachsenstroms (d-Achsenstroms) zu einem Quadraturachsenstrom (q-Achsenstrom) beibehält, das durch die befohlene Spannung bereitgestellt wird.
System nach Anspruch 1, wobei der Sättigungsparameter der Kehrwert des Verhältnisses der befohlenen Spannung zu dem begrenzten Spannungsbefehl ist.
System nach Anspruch 1, wobei das Begrenzungsmodul den begrenzten Spannungsbefehl ermittelt, indem es eine Vektorrichtung der befohlenen Spannung bewahrt.
System nach Anspruch 1, wobei der modifizierte Strombefehl eine d-Achsenkorrektur umfasst, die durch die folgende Gleichung bereitgestellt wird: I_dT = (1 – γ_d)I_dmax + Y_dI_dR. wobei I_dmax ein Maximalwert des d-Achsenstroms ist.
System nach Anspruch 1, wobei der modifizierte Strombefehl eine q-Achsenkorrektur umfasst, die durch die folgende Gleichung bereitgestellt wird: I_qT = γ_gI_qR.
System nach Anspruch 1, wobei der Sättigungsparameter auf einer Differenz aus der befohlenen Spannung und der verfügbaren Spannung beruht.
System nach Anspruch 1, wobei der verarbeitete Sättigungsparameter durch eine Quadratwurzel eines Kehrwerts des Sättigungsparameters repräsentiert wird.
System nach Anspruch 1, wobei der Sättigungsparameter ein Kehrwert eines Betrags der Sättigung ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Sättigungsparameter eine Richtung eines begrenzten Spannungsbefehls beibehält.
Verfahren zum Verhindern eines Windups eines Reglers in einem Elektromotor, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein begrenzter Spannungsbefehl in Ansprechen darauf ermittelt wird, dass eine befohlene Spannung eine verfügbare Spannung einer Motorstromquelle überschreitet, wobei der begrenzte Spannungsbefehl an einen Elektromotor angelegt wird; ein Sättigungsparameter auf der Grundlage des begrenzten Spannungsbefehls ermittelt wird, wobei der Sättigungsparameter eine Größe anzeigt, um welche die befohlene Spannung die verfügbare Spannung überschreitet; der Sättigungsparameter verarbeitet wird, um einen verarbeiteten Sättigungsparameter zu erzeugen, wobei ein nichtlinearer Zustand beibehalten wird; und ein modifizierter Strombefehl auf der Grundlage des verarbeiteten Sättigungsparameters erzeugt wird, wobei der modifizierte Strombefehl an das Regelungssystem angelegt wird, um das Nachführen des Strombefehls zu verbessern.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der modifizierte Strombefehl ein Verhältnis des Direktachsenstroms (d-Achsenstroms) zu einem Quadraturachsenstrom (q-Achsenstrom), das durch die befohlene Spannung bereitgestellt wird, beibehält.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Sättigungsparameter ein Kehrwert des Verhältnisses der befohlenen Spannung zu dem begrenzten Spannungsbefehl ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Begrenzungsmodul den begrenzten Spannungsbefehl ermittelt, indem es eine Vektorrichtung der befohlenen Spannung bewahrt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der modifizierte Strombefehl eine d-Achsen-Korrektur umfasst, die durch die folgende Gleichung bereitgestellt wird: I_dT = (1 – γ_d)I_dmax + γ_dI_dR. wobei I_dmax ein Maximalwert des d-Achsenstroms ist.