DE102016209179A1

DE102016209179A1 - Automatische Optimierung eines Betriebsparameters einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102016209179A1
Application number: DE102016209179.4A
Authority: DE
Inventors: Gerald Behrendt
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2016-05-25
Filing date: 2016-05-25
Publication date: 2017-11-30
Also published as: WO2017202676A1

Abstract

Es wird eine Motorsteuerungsanordnung (30) für eine elektrische Maschine (34) sowie ein entsprechendes Verfahren angegeben. Die Motorsteuerungsanordnung (30) weist eine Strommesseinrichtung (32) zum Ermitteln von Stromwerten (I), eine Speichervorrichtung (36) zum Hinterlegen der Stromwerten (I) und eine Regelvorrichtung (38) auf, wobei diese dazu eingerichtet ist, einen Wert (A) des Betriebsparameters in einem vorbestimmten Intervall (ΔA1) zu variieren, und wobei die Motorsteuerungsanordnung (30) dazu eingerichtet ist, zugehörige Stromwerte (I) in der Speichervorrichtung (36) zu hinterlegen. Basierend auf den hinterlegten Stromwerten (I) wird sodann ein minimaler Stromwert (I0) ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein die Steuerung bzw. Ansteuerung von elektrischen Maschinen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Motoransteuerungsanordnung für eine elektrische Maschine sowie ein entsprechendes Verfahren.
Elektrische Maschinen werden in diversen Varianten in vielen Bereichen der Industrie, insbesondere in der Automobilindustrie, eingesetzt. Eine vielfach eingesetzte Variante ist beispielsweise der elektronisch kommutierte Motor, auch EC-Synchron Motor (Electronically Commutated, EC) genannt, welcher Permanentmagnete zum Antrieb aufweist und beispielsweise bei Kraftstoffpumpen und/oder Wasserpumpen unter anderem auch in Kraftfahrzeugen jeglicher Art und darüber hinaus eingesetzt wird.
Derartige elektrische Maschinen können in verschiedenen elektrischen Betriebsarten und/oder mittels verschiedener Motorsteuerungen bzw. Motoransteuerungen betrieben werden. Eine Art der Motorsteuerung ist etwa die sogenannte Blockkommutierung, bei welcher während eines Betriebes einzelne Phasen der elektrischen Maschine bestromt werden.
Eine Unterform der Motorsteuerung ist ferner die sensorlose Ansteuerung, bei welcher mit Hilfe einer in den Statorspulen des Motors induzierten Spannung während einer Austastlücke eine Position des Rotors ermittelt und somit das Weiterschalten des Drehfelds präzise gesteuert werden kann.
Für den eigentlichen Betrieb werden hierbei häufig Betriebsparameter des Motors bzw. entsprechende Werte der Betriebsparameter eingestellt, um die Motorsteuerung anzupassen. Beispielsweise kann eine Ansteuerfrequenz (auch Pulse-Width-Modulation Ansteuerfrequenz genannt), d.h. eine Frequenz, mit der die Spannung während einzelner Kommutierungsblöcke getaktet wird, eingestellt werden. Auch kann beispielsweise ein Ansteuerwinkel, d.h. ein Winkel zwischen dem Beginn einer elektrischen Ansteuerung bzw. einer Bestromung einer Phase und einer tatsächlichen mechanischen Rotorposition, eingestellt werden.
Grundsätzlich können Werte der Betriebsparameter bei einem konstanten Wert belassen werden und der Motor kann so betrieben werden. Meist wird jedoch eine Kennlinie und/oder ein Kennfeld erzeugt und etwa in einem Steuergerät hinterlegt, wobei ein solches Kennfeld typischerweise für einen sicheren Betrieb ausgelegt ist.
In solchen Kennlinien und/oder Kennfeldern definierte bzw. hinterlegte Kenndaten werden während des Betriebes von elektrischen Maschinen, insbesondere bei Kraftstoffpumpen, durch mathematische Methoden interpoliert, um weitere Werte der Betriebsparameter für eine aktuelle Betriebsbedingung, wie z.B. eine aktuelle Last und/oder Drehzahl, zu ermitteln und den Motor entsprechend anzusteuern.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Motorsteuerungsanordnung für eine elektrische Maschine anzugeben, mit Hilfe derer die elektrische Maschine individuell und unter Berücksichtigung aktueller Betriebsbedingungen optimal angesteuert und/oder betrieben werden kann. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Motorsteuerungsanordnung für eine elektrische Maschine vorgeschlagen. Die Motorsteuerungsanordnung weist eine Strommesseinrichtung zum Ermitteln, Bestimmen, Messen und/oder Detektieren eines Stromwertes eines der elektrischen Maschine im Betrieb zugeführten elektrischen Stromes auf. Weiter weist die Motorsteuerungsanordnung eine Speichervorrichtung zum Hinterlegen von durch die Strommesseinrichtung ermittelten Stromwerten und eine Regelvorrichtung zum Anpassen und/oder Variieren wenigstens eines Wertes wenigstens eines Betriebsparameters der elektrischen Maschine auf. Die Regelvorrichtung ist dazu eingerichtet, während des Betriebes der elektrischen Maschine einen Wert des Betriebsparameters, insbesondere einen aktuellen Wert, in einem vorbestimmten und/oder vorgegebenen Intervall zu variieren. Die Motorsteuerungsanordnung und/oder die Strommesseinrichtung ist dazu eingerichtet, bei Variation des Wertes des Betriebsparameters durch die Strommesseinrichtung ermittelte Stromwerte in der Speichervorrichtung zu hinterlegen. Die Motorsteuerungsanordnung und/oder die Regelvorrichtung ist ferner dazu eingerichtet, basierend auf den bei Variation des Wertes des Betriebsparameters ermittelten und in der Speichervorrichtung hinterlegten Stromwerten einen minimalen Stromwert zu ermitteln.
Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß während des Betriebes der elektrischen Maschine wenigstens ein Wert wenigstens eines Betriebsparameters variiert und die den variierten Werten entsprechenden Stromwerte werden in der Speichervorrichtung hinterlegt. Es können auch mehrere Werte unterschiedlicher Betriebsparameter gleichzeitig oder nacheinander variiert werden. Auch die jeweils variierten bzw. den Stromwerten zugeordneten Werte des Betriebsparameters können in der Speichervorrichtung hinterlegt werden, um Information über den der elektrischen Maschine zugeführten Strom als Funktion des jeweiligen Betriebsparameters zu erlangen. Diese Information kann etwa als Verteilung der Stromwerte in Abhängigkeit der Werte des Betriebsparameters, insbesondere als Daten in der Speichervorrichtung, vorliegen. Anhand dieser Stromwerte und/oder Werte des Betriebsparameters kann so der minimale Stromwert ermittelt werden.
Die elektrische Maschine kann insbesondere einen elektrisch kommutierten Motor (EC Synchron-Motor) bezeichnen, wie er insbesondere in Kraftstoffpumpen oder Wasserpumpen zum Einsatz kommen kann. Die elektrische Maschine kann jedoch auch jede andere Art von elektrische Maschine bezeichnen.
Die Strommesseinrichtung kann dabei Teil der elektrischen Maschine sein oder als separate Messeinrichtung vorliegen, welche mit der elektrischen Maschine verbunden sein kann.
Die Speichervorrichtung kann jede Art von Speicher, insbesondere ein RAM-Speicher (Random Access Memory) und/oder ein FLASH-Speicher, sein.
Das vorbestimmte und/oder vorgegebene Intervall kann einen beliebigen Wertebereich des Betriebsparameters um einen aktuellen Wert des Betriebsparameters, mit welchem die elektrische angesteuert wird, bezeichnen. Das Intervall kann beispielsweise zwischen 5% und 50% des aktuellen Wertes betragen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine und einer Motorsteuerungsanordnung, so wie obenstehend und untenstehend beschrieben. Bei dem Fahrzeug handelt es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug, wie Auto, Bus oder Lastkraftwagen, oder aber auch um ein Schienenfahrzeug, ein Schiff, ein Luftfahrzeug, wie Helikopter oder Flugzeug, oder beispielsweise um ein elektrisch betriebenes Fahrrad.
Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Optimalwertes eines Betriebsparameters für eine elektrische Maschine.
Merkmale, Elemente und/oder Eigenschaften der Motorsteuerungsanordnung und/oder des Fahrzeugs können Merkmale, Elemente und/oder Eigenschaften des Verfahrens sein und umgekehrt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Motorsteuerungsanordnung ferner dazu eingerichtet, einen dem minimalen Stromwert zugeordneten Optimalwert des Betriebsparameters zu bestimmen. Der Optimalwert kann dabei einen für die jeweilige Betriebsbedingung der elektrischen Maschine, beispielsweise eine jeweilige Last und/oder Drehzahl, optimalen Arbeitspunkt und/oder Betriebspunkt bezeichnen. Mit anderen Worten kann der Optimalwert demjenigen Wert des Betriebsparameters entsprechen, für welchen ein Stromverbrauch der elektrischen Maschine bei den aktuellen Betriebsbedingungen minimal ist. Der Optimalwert kann ferner für die jeweilige Betriebsbedingung, bei welcher er bestimmt wurde (z.B. Last, Drehzahl), in der Speichervorrichtung hinterlegt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Motorsteuerungsanordnung ferner dazu eingerichtet, einen aktuellen Wert des Betriebsparameters der elektrischen Maschine entsprechend dem Optimalwert anzupassen. Mit anderen Worten kann die Maschine mit dem ermittelten Optimalwert betrieben werden. So kann die elektrische Maschine unter Zuführung einer minimalen elektrischen Leistung bzw. unter Zuführung einer minimalen Strommenge ideal betrieben werden, und es kann Strom zum Betrieb der elektrischen Maschine eingespart werden.
Die Erfindung kann insbesondere als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden. Wie eingangs beschrieben, werden aktuell statische Kennfelder und/oder Kennlinien zur Motorsteuerung verwendet, wobei Stützstellen der Kennlinien interpoliert werden, um Werte von Betriebsparametern den jeweiligen Betriebsbedingungen anzupassen und so die elektrische Maschine zu betreiben. Häufig werden die einzelnen Stützstellen für einzelne Exemplare der elektrischen Maschine und bei ausgewählten Bedingungen vermessen und für alle nachfolgend produzierten Exemplare der elektrischen Maschine hinterlegt. Somit können insbesondere individuelle fertigungstechnische Unterschiede, wie z.B. Toleranzen, für Exemplare der elektrischen Maschinen einer Baureihe bei der Motorsteuerung unberücksichtigt bleiben. Im realen Betrieb können die Bedingungen für die jeweils, z.B. in einem Fahrzeug, eingesetzte elektrische Maschine von den Bedingungen, auf welche sich die Kenndaten beziehen, abweichen. Die elektrische Maschine kann so unter Umständen nicht in einem optimalen Arbeitsbereich betrieben werden. Ein nicht optimaler Betrieb bzw. Arbeitsbereich kann hierbei eine Ansteuerung der Maschine bezeichnen, bei der elektrische Energie für den Betrieb der Maschine aufgebracht wird, welche jedoch nicht in ein Drehmoment umgesetzt wird. Dabei kann eine beliebige Form von Verlustleistung erzeugt werden.
Durch Bestimmung der Optimalwerte von Betriebsparametern kann andererseits ein Arbeitsbereich der elektrischen Maschine, insbesondere einer Kraftstoffpumpe, erweitert werden und eine Verlustleistung kann reduziert werden. Auch kann die elektrische Maschine bei dem Optimalwert schonender betrieben werden, da beispielsweise mechanische Belastungen, wie etwa Vibrationen, reduziert oder vermieden werden können, wenn ein aktueller Wert des Betriebsparameters, d.h. eine Parametrierung, verändert und/oder angepasst wird. Als Beispiel sei hier genannt, dass eine geringere Ansteuerfrequenz gepaart mit einer minimalen Einschaltzeit eine kleine Stromfläche, d.h. Leistung, in einem Motor erzeugen kann, wodurch eine geringere Drehzahl erreicht werden kann. Ferner kann beispielsweise eine Variation des Feldwinkels zu einem stabileren, insbesondere ruhigeren bzw. vibrationsärmeren, Lauf des Motors führen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Betriebsparameter wenigstens ein Element ausgewählt aus der Liste umfassend einen Ansteuerwinkel, eine Ansteuerfrequenz, eine Schaltzeit, ein Feldwinkel, eine Blockbreite und als externe Betriebsparameter zum Beispiel die Betriebsspannung, die Medientemperatur, der tatsächliche Druck und die Viskosität der Flüssigkeit. Durch Bestimmung von Optimalwerten für die verschiedenen Betriebsparameter kann so etwa ein Laufverhalten der elektrischen Maschine weiter in vorteilhafter Weise verbessert werden. Insbesondere kann ein Stromverbrauch weiter reduziert werden. Die jeweiligen Optimalwerte verschiedener Betriebsparameter können gleichzeitig oder sequentiell nacheinander bestimmt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Motorsteuerungsanordnung weiter dazu eingerichtet, basierend auf den in der Speichervorrichtung hinterlegten Stromwerten eine mathematische Auswertung der Stromwerte in Abhängigkeit der Werte des Betriebsparameters vorzunehmen. Eine mathematische Auswertung kann beispielsweise die Bestimmung einer Ableitung, die Ermittlung eines Trends und/oder jede beliebige andere Auswertung, etwa einen Fit, umfassen. Der Trend kann beispielsweise durch Interpolation von Messwerten, Variationsrechnung, Mittelung und/oder beliebiger anderer mathematischer Methoden ermittelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Motorsteuerungsanordnung weiter dazu eingerichtet, basierend auf den in der Speichervorrichtung (36) hinterlegten Stromwerten (I) einen Trend (40) der Stromwerte (I) in Abhängigkeit der Werte (A) des Betriebsparameters zu ermitteln und basierend auf dem ermittelten Trend (40) einen Optimalwert (Z) des Betriebsparameters zu bestimmen. Mit anderen Worten kann anhand des ermittelten Trends der Optimalwert entsprechend aktueller Betriebsbedingungen ermittelt und/oder berechnet werden. Auch kann der ermittelte Trend einen Anhaltspunkt darüber liefern, ob beispielsweise iterativ in einer weiteren Iteration ein neuer bzw. tatsächlicher Optimalwert ermittelt werden sollte.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Regelvorrichtung weiter dazu eingerichtet, den Wert des Betriebsparameters der elektrischen Maschine in einem weiteren Intervall zu variieren. Das weitere Intervall kann dabei gleich groß, größer oder kleiner als das ursprüngliche Intervall sein. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn der Optimalwert nicht in dem ursprünglichen Intervall liegt, sondern außerhalb.
Derart kann durch iteratives Anpassen und/oder Verschieben des Intervalls bzw. einer Intervallgröße der Optimalwert ermittelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Regelvorrichtung weiter dazu eingerichtet, den Wert des Betriebsparameters stochastisch, linear, exponentiell, logarithmisch und/oder gemäß einer Polynomfunktion innerhalb des Intervalls zu variieren. Auch beliebige andere mathematische Methoden können zur Variation des Wertes des Betriebsparameters dienen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Ermitteln eines Optimalwertes eines Betriebsparameters für eine elektrische Maschine angegeben. Das Verfahren umfasst die Schritte von Variieren, insbesondere mittels einer Regelvorrichtung, eines Wertes des Betriebsparameters der elektrischen Maschine in einem vorbestimmten Intervall. Insbesondere kann der Wert des Betriebsparameters um einen aktuellen Wert herum variiert werden. In einem weiteren Schritt werden, beispielsweise mittels einer Strommesseinrichtung, Stromwerte eines der elektrischen Maschine im Betrieb zugeführten Stromes ermittelt. Die Stromwerte können dabei während des Variierens der Werte des Betriebsparameters ermittelt werden. In einem weiteren Schritt werden die Stromwerte in einer Speichervorrichtung hinterlegt und/oder gespeichert. Die Stromwerte können beispielsweise als Funktion der (variierten) Werte des Betriebsparameters in der Speichervorrichtung hinterlegt werden. In einem weiteren Schritt wird ein Optimalwert des Betriebsparameters basierend auf den hinterlegten Stromwerten ermittelt und/oder bestimmt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schritt des Ermittelns des Optimalwertes ferner den Schritt des Ermittelns eines minimalen Stromwertes aus den hinterlegten Stromwerten. Alternativ oder zusätzlich umfasst der Schritt des Ermittelns des Optimalwertes den Schritt des Ermittelns eines Trends der Stromwerte in Abhängigkeit der Werte des Betriebsparameters, welche vorangehend variiert wurden.
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung hierdurch beschränkt wird.
1a zeigt schematisch eine Stromaufnahme einer elektrischen Maschine als Funktion eines An steuerwinkels.
1b zeigt schematisch eine Kennlinie für eine elektrische Maschine.
1c zeigt schematisch eine Stromaufnahme einer elektrischen Maschine als Funktion eines Ansteuerwinkels.
2a zeigt schematisch eine Motorsteuerungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2b bis 2f zeigen jeweils eine Stromaufnahme als Funktion eines Ansteuerwinkels.
3a bis 3f zeigen jeweils eine Stromaufnahme als Funktion eines Ansteuerwinkels.
4 zeigt ein Fahrzeug mit einer Motorsteuerungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
5 zeigt ein Flussdiagramm zur Illustration von Schritten eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Gleiche und/oder gleichwirkende Merkmale und Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1a zeigt schematisch eine Stromaufnahme bzw. einen einer elektrischen Maschine 34 während des Betriebes zugeführten Strom I als Funktion eines Ansteuerwinkels A einer elektrischen Maschine 34 (siehe 2a und 4), 1b zeigt schematisch eine Kennlinie für eine elektrische Maschine 34 und 1c zeigt analog 1a schematisch die Stromaufnahme bzw. den Strom I als Funktion des Ansteuerwinkels A. 1a, 1b, 1c dienen zur Illustration von der Erfindung zu Grunde liegenden Gedanken und Erkenntnissen.
Der Übersichtlichkeit halber werden im Folgenden die Stromaufnahme, der zugeführte Strom sowie Stromwerte mit dem Bezugszeichen I versehen. Gleichermaßen wird der Ansteuerwinkel sowie Werte des Ansteuerwinkels mit dem Bezugszeichen A versehen.
Der Ansteuerwinkel A bezeichnet einen Winkel zwischen dem Beginn einer elektrischen Ansteuerung bzw. einer Bestromung einer Phase der elektrischen Maschine 34 und einer tatsächlichen mechanischen Rotorposition. Stromaufnahme I und Ansteuerwinkel A sind dabei in beliebigen Einheiten dargestellt. In 1b ist schematisch eine Kennlinie für eine elektrische Maschine 34 dargestellt, wobei der Ansteuerwinkel A als Funktion der Drehzahl in beliebigen Einheiten gezeigt ist. Die Kennlinie stellt dabei ein eindimensionales Kennfeld mit unterschiedlichen Ansteuerwinkeln A über der Drehzahl F dar. Einzelne Punkte der Kennlinie entsprechen dabei unterschiedlichen Arbeitspunkten, wobei ein Arbeitspunkt ein bestimmter Wert des Ansteuerwinkels A bei einer bestimmten Drehzahl sein kann.
Gezeigt ist in 1a eine erste Kurve 10 und eine zweite Kurve 12 des Stromes I als Funktion des Ansteuerwinkels A, wobei die Kurven 10, 12 jeweils konstanten mechanischen Betriebsparametern entsprechen. Kurve 10 kann beispielsweise einem Betrieb einer Kraftstoffpumpe bei 5000 Umdrehungen pro Minute und einem Druck von 4 Bar entsprechen und Kurve 12 kann beispielsweise einem Betrieb bei 8000 Umdrehungen pro Minute und 4 Bar entsprechen.
Anhand der Kennlinie aus 1b wird für aktuell eingesetzte elektrische Maschinen 34 ein Wert des Ansteuerwinkels A bestimmt, beispielsweise aus einem Steuergerät ausgelesen oder mittels Interpolation von hinterlegten Kenndaten gemäß 1b ermittelt. Der so bestimmte Wert des Ansteuerwinkels A wird dann der elektrischen Maschine 34 zur Steuerung zugeführt. Dies wird auch Bedatung der elektrischen Maschine 34 genannt.
Bei dem in den 1a gezeigten Beispiel kann beispielsweise ein Arbeitspunkt 13 für die Kurve 12 und ein Arbeitspunkt 11 für die Kurve 10 ermittelt sein, so dass die elektrische Maschine 34 mit den den jeweiligen Arbeitspunkten 11, 13 zugeordneten Werten A für den Ansteuerwinkel betrieben werden kann. Die Arbeitspunkte 11, 13 können somit ein Wertpaar (I, A) jeweils eines Stromwertes I und eines Ansteuerwinkels A bezeichnen. Die tatsächlichen Arbeitspunkte 11, 13 der elektrischen Maschine 34 stimmen dabei nicht mit den jeweiligen, optimalen Arbeitspunkten 14, 16 entsprechenden Optimalwerten des Ansteuerwinkels A überein, bei welchen die Stromaufnahme I für die jeweilige Kurve 10, 12 minimal ist. Ersichtlich ist der dem Arbeitspunkt 13 zugeordnete Wert des Ansteuerwinkels für die Kurve 12 zu hoch und der dem Arbeitspunkt 11 zugeordnete Wert A für die Kurve 10 zu gering gewählt. Für beide Fälle kann daher durch Veränderung des Ansteuerwinkels A ein energetischer Vorteil, d.h. eine Stromersparnis, erreicht werden, welcher in 1a mit ΔI₁₀ für Kurve 10 und mit ΔI₁₂ für Kurve 12 gekennzeichnet ist. Je nach Betriebsbedingung kann dieser Vorteil größer oder kleiner ausfallen.
Allgemein kann daher durch Veränderung des elektrischen Ansteuerwinkels A bzw. zugehöriger Werte A die Stromaufnahme I der elektrischen Maschine 34 beeinflusst werden, wobei bei den in 1a und 1b gezeigten Beispielen durch unterschiedliche Ansteuerwinkel, d.h. Winkel des Magnetfeldes zum Rotor, und dadurch unterschiedliche Kräfteverhältnisse die elektrische Energie nicht unter allen Bedingungen, d.h. etwa bei verschiedenen Drehzahlen und/oder Lasten, optimal in mechanische Energie umgesetzt werden kann. Die mechanische Energie ist für die Kurven 10, 12, welche auch als Kennlinien bezeichnet werden können, jeweils konstant, so dass es entlang jeder Kurve 10, 12 jeweils einen der jeweiligen Betriebsbedingung entsprechenden Optimalwert für den Ansteuerwinkel A gibt. Bei unterschiedlichen Belastungen und unterschiedlichen Drehzahlen können die Optimalwerte des Ansteuerwinkels für die optimalen Arbeitspunkte 14, 16 für unterschiedliche elektrische Maschinen 34 jedoch voneinander abweichen, was etwa auf fertigungstechnische Unterschiede und/oder Toleranzen in der Fertigung zurückzuführen sein kann.
Bisher wurde dieses Verhalten lediglich in statischer Form, etwa mittels statischer Kennlinien, wie in 1b gezeigt, berücksichtigt, welche zum Teil nicht alle Bedingungen abdecken kann. Näherungsweise wird dieser Umstand bei aktuellen elektrischen Maschinen 34 anhand eines komplexen Kennfeldes verbessert. Beispielsweise werden häufig zweidimensionale Kennlinien in einem Steuergerät hinterlegt. Dabei kann etwa für unterschiedliche Lasten, z.B. unterschiedliche Drücke für eine elektrische Pumpe, jeweils eine der in 1b gezeigten Kennlinie entsprechende Kennlinie hinterlegt werden. In der Regel bleiben jedoch auch bei zweidimensionalen und/oder mehrdimensionalen Kennfeldern weitere Betriebsparameter unberücksichtigt, welche das Verhalten der elektrischen Maschine 34 beeinflussen können, wie z.B. eine Betriebsspannung oder eine Medientemperatur bei einer Kraftstoffpumpe. Für einfache Anwendungen kann allerdings bereits mit einem zweidimensionalen Kennfeld eine Verbesserung erreicht werden. Bei komplexeren Anwendung ist diese Verbesserung jedoch häufig nicht zufriedenstellend.
Bei dem Einsatz eines komplexen Lastsystems, wie zum Beispiel einem bedarfsgeregelten Kraftstoffsystem mit variablem Druck, können Belastungen an den Motor, etwa eine Kraftstoffpumpe, bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen stark unterschiedlich sein. Der Motor bzw. die Pumpe wird daher mit hoher Wahrscheinlichkeit nur selten mit dem jeweiligen dieser Betriebsbedingung entsprechenden Optimalwert, d.h. dem dem jeweiligen optimalen Arbeitspunkt 14, 16 zugeordneten Wert des Ansteuerwinkels A, betrieben.
Die Strich-Punkt-Linie 18 in 1a zeigt exemplarisch den erwarteten Verlauf des Optimalwertes des Ansteuerwinkels für verschiedene Betriebsbedingungen. Verschiedene Betriebsbedingungen können z.B. verschiedene Drehzahlen und/oder verschiedene Lasten der elektrischen Maschine 34, d.h. beispielsweise unterschiedliche Drücke für eine elektrische Pumpe, sein.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, die elektrische Maschine 34 bei allen Betriebsbedingungen mit dem dem jeweiligen optimalen Arbeitspunkt 14, 16 zugeordneten Wert des Ansteuerwinkels A zu betreiben. Limitierend können dabei die beiden schraffierten Bereiche 20, 22 sein. Bereich 22 stellt in gewisser Form eine Überlast dar, d.h. die mechanische Energie, die aus der elektrischen Energie erzeugt wird, kann in diesem Bereich 22 gegebenenfalls nicht ausreichend sein, um die elektrische Maschine 34 sicher zu drehen. Bei der Bedatung von Motoren mittels Kennlinien bzw. Kennfeldern, wie in 1b gezeigt, wird dieser Bereich 22 in der Regel für Worst-Case-Motoren vermieden, und es kann sich ein beträchtlicher Abstand zum tatsächlichen Grenzbereich darstellen. Dagegen wird die elektrische Maschine 34 im Bereich 20 mit sehr viel Kraft gezogen, obwohl diese nicht notwendig wäre. Mechanisch drückt sich dies zum Beispiel in Schwingungen der elektrischen Maschine aus, welche der Rotor oder die Last erfährt.
Exemplarisch ist das Verhalten einer elektrischen Maschine 34 in den Bereichen 20, 22 in 1c für die Kurve 10 der 1a dargestellt. 1c zeigt dabei analog 1a schematisch die Stromaufnahme I als Funktion des Ansteuerwinkels A.
In 1c ist ersichtlich, dass in den Bereichen 20, 22 starke Varianzen in der Stromaufnahme I auftreten können, welche in den Bereichen 20, 22 jeweils mit „min, max“ gekennzeichnet sind. Anhand dieser Varianzen kann beispielsweise erkannt werden, dass die elektrische Maschine 34 in einem der Grenzbereiche 20, 22 arbeitet, welche vermieden werden sollten.
2a zeigt schematisch eine Motorsteuerungsanordnung 30 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 2b bis 2f illustrieren schematisch eine Funktionsweise der Motorsteuerungsanordnung 30 aus 2a. Die Diagramme in den 2b bis 2f zeigen dabei die Stromaufnahme I in Abhängigkeit des Ansteuerwinkels A und sind in beliebigen Einheiten dargestellt.
Die Motorsteuerungsanordnung 30 weist eine Strommesseinrichtung 32 zum Ermitteln eines Stromwertes bzw. von Stromwerten I eines einer elektrischen Maschine 34 im Betrieb zugeführten elektrischen Stromes I auf. Weiter weist die Motorsteuerungsanordnung 30 eine Speichervorrichtung 36 zum Hinterlegen von durch die Strommesseinrichtung 32 ermittelten Stromwerten I und eine Regelvorrichtung 38 zum Anpassen und/oder Variieren wenigstens eines Wertes wenigstens eines Betriebsparameters der elektrischen Maschine 34 auf. Der Betriebsparameter ist im Folgenden beispielhaft, wie im Detail anhand der 2b bis 2f illustriert, ein Ansteuerwinkel A. Der Betriebsparameter kann alternativ oder zusätzlich auch z.B. eine Ansteuerfrequenz, ein Feldwinkel, eine Blockbreite und/oder eine Schaltzeit sein.
Die elektrische Maschine 34, welche beispielsweise ein Motor und/oder eine Pumpe sein kann, wird durch die Motorsteuerungsanordnung 30 mit einem Ansteuerwinkel X in Betrieb gesetzt, d.h. zum Laufen gebracht, oder sie läuft bereits. Der Ansteuerwinkel X kann beispielsweise anhand einer Kennlinie, wie in 1b gezeigt, ermittelt sein.
Die Regelvorrichtung 38 variiert nun einen Wert des Ansteuerwinkels A in einem vorbestimmten Intervall ΔA1, beispielsweise in einem Wertebereich X – a bis X + a. Der Wert des Ansteuerwinkels A kann dabei stochastisch, linear, exponentiell, logarithmisch und/oder gemäß einer Polynomfunktion innerhalb des Intervalls ΔA1 variiert werden. Bei Variation des Wertes des Ansteuerwinkels A ermittelt die Strommesseinrichtung 32 Stromwerte I, welche durch die Motorsteuerungsanordnung 30 und/oder die Strommesseinrichtung 32 in der Speichervorrichtung 36 hinterlegt werden.
Die bei Variation des Ansteuerwinkels A innerhalb des Intervalls ΔA1 von X – a bis X + a ermittelten Stromwerte I sind schematisch in 2b in Abhängigkeit der Werte des Ansteuerwinkels A dargestellt. Basierend auf diesen Stromwerten I wird nun ein minimaler Stromwert I1 durch die Motorsteuerungsanordnung 30 ermittelt.
Dazu wird anhand der Messwerte der 2b ein Trend 40 der Stromwerte I in Abhängigkeit der Werte A des Ansteuerwinkels bestimmt, wie exemplarisch in 2c gezeigt. Der Trend 40 kann eine beliebige Näherungsfunktion der Messwerte, d.h. der Wertpaare (I, A), aus 2b sein. Mit anderen Worten werden die Messwerte der 2b durch die Motorsteuerungsanordnung 30 ausgewertet, woraus sich der Trend 40 ergeben kann. Der in 2c gezeigte Trend 40 ist eine monoton steigende Funktion des Stromes I als Funktion des Ansteuerwinkels A, was ein Hinweis darauf sein kann, dass der Wert X – a des Ansteuerwinkels A bei dem Stromwert I1 nicht dem Wert der minimalen Stromaufnahme entspricht und somit noch nicht der ideale Arbeitspunkt für die elektrische Maschine 32 gefunden ist. Der Wert niedrigster Stromaufnahme kann daher bei kleineren Werten A des Ansteuerwinkels als X – a liegen.
Somit wird der Ansteuerwinkel etwa in einer weiteren Iteration bzw. einer weiteren Iterationsschleife in einem weiteren Intervall ΔA2 von X – b bis X + b um den Wert X – a herum variiert. Für diese Variation gilt das voranstehend bzgl. der Variation im Intervall ΔA1 Gesagte, d.h. insbesondere kann die Variation stochastisch, linear, exponentiell, logarithmisch und/oder gemäß einer Polynomfunktion erfolgen. Dieser Vorgang kann auch mehrfach, schrittweise, iterativ oder zufällig erfolgen, bis sich durch die ermittelte Verteilung der Stromwerte I und eine mathematische Auswertung der optimale Arbeitsbereich eingestellt hat bzw. bis ein minimaler Stromwert I0 bei einem Optimalwert Z des Ansteuerwinkels A gefunden ist, wie in 2e gezeigt. Dieser Punkt Z wird nun als optimaler Arbeitspunkt 14 beibehalten, welcher auch etwa für einen späteren Betrieb der elektrischen Maschine 34 in der Speichervorrichtung 36 hinterlegt werden kann, beispielsweise anhand des Wertepaares (I0, Z). So kann der Arbeitspunkt 14 bei ähnlichen Betriebsbedingungen direkt angefahren werden. Auch eine Anpassung einer Kennlinie basierend auf dem optimalen Arbeitspunkt 14 ist möglich.
Allgemein kann der Optimalwert Z basierend auf dem Trend 40 und/oder basierend auf den in 2b bzw. 2d gezeigten Messwerten des Stromes bzw. Stromwerten I ermittelt werden.
Basierend auf dem voranstehend beschriebenen Beispiel kann es sein, dass der optimale Arbeitspunkt 14 jedoch in einem nicht sicheren Bereich 22 liegt, wie bei 1a erläutert. Dieser Bereich 22 ist definiert dadurch, dass die elektrische Maschine 32 zu wenig Strom bekommt, um sicher betrieben zu werden. Daher würde die voranstehend beschriebene Optimierung so lange laufen bis die elektrische Maschine 34 stehen bleibt. Um dies zu verhindern ist es ratsam, dass weitere Parameter in Betracht gezogen werden, wie beispielsweise eine Varianz der Stromwerte I.
Diese Begrenzung ist schematisch in 2f illustriert. Die Varianz des Stromes I ist im normalen Arbeitsbereich eher gering, jedoch können bei großer Belastung bzw. zu hohen und/oder zu geringen Ansteuerwinkelwerten die Stromschwankungen verhältnismäßig groß sein. Auch kann es vorkommen, dass ein anderer beobachteter Betriebsparameter hier stärker variiert als üblich, z.B. die Drehzahl kann durch die starke Belastung und dem daraus resultierendem „schweren Lauf“ unrund sein und daher ausgeprägte Schwankungen aufweisen. Hier gilt es zu verhindern, dass die Optimierung in diesen Bereich 22 läuft. Allgemein formuliert kann daher eine Begrenzung der Optimierung erforderlich sein. Beispielsweise kann ein Schwellenwert für die Varianz in der Speichervorrichtung 32 hinterlegt sein und bei Erreichen dieses Schwellenwertes kann die Optimierung gestoppt werden. Die Varianz kann z.B. mittels einer Standardabweichung bestimmt werden.
An dieser Stelle sei bemerkt, dass im voranstehend beschriebenen Beispiel die Drehzahl vorgegeben sein kann und der Strom entsprechend auf ein Optimum angepasst wird. Es ist jedoch auch möglich eine andere Antriebsformen zu wählen, z.B. einen stromgeregelten Betrieb, bei dem ein Strom zugelassen wird und sich die maximal mögliche Drehzahl einstellt (sogenannte DC Nebenschlussmaschine). Von der Erfindung sind daher auch Ausführungsformen erfasst, bei welchen der Betriebsparameter Strom I vorgeben sein kann und Werte der Drehzahl aufgezeichnet werden, bis etwa bei einer maximalen Drehzahl der Betriebsparameter optimal gewählt ist. Entsprechend kann der Optimalwert Z ein Minimum oder ein Maximum sein.
3a bis 3f zeigen jeweils einen Strom I als Funktion eines Ansteuerwinkels A und illustrieren schematisch eine Funktionsweise einer Motorsteuerungsanordnung 30 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Gezeigt ist jeweils ein Trend 40, welcher wie voranstehend beschrieben ermittelt sein kann.
Anhand derartiger Trends 40 kann eine Entscheidung durch die erfindungsgemäße Motorsteuerungsanordnung 30 getroffen werden, ob eine weitere Iteration zur Ermittlung des optimalen Arbeitspunktes 14 und/oder des Optimalwertes Z erforderlich ist oder nicht.
So indiziert der monoton steigende Trend 40 der 3a, dass der optimale Arbeitspunkt 14 bei kleineren Werten A liegt, wohingegen er bei dem monoton fallenden Trend 40 der 3e bei höheren Werten zu finden sein kann. Trend 40 der 3d weist ein Minimum auf, so dass der Arbeitspunkt 14 bereits gefunden ist und die Iteration gestoppt werden kann. Dagegen weist der Trend 40 bei 3c ein Maximum auf, so dass entweder eine weitere Iteration bei kleineren und/oder größeren Werten des Ansteuerwinkels A vorteilhaft sein kann oder bereits ein optimaler, dem Maximum entsprechender Arbeitspunkt 14 gefunden sein kann. Bei dem konstanten Trend 40 der 3b sowie dem Zick-Zack-Verlauf des Trends 40 bei 3f kann dagegen angenommen werden, dass etwa eine Störung vorliegt und die Optimierung sollte gestoppt werden.
Ein fallender bzw. steigender Trend 40 kann ferner die Richtung der Optimierung bestimmen. Ein gleichbleibender und/oder uneinheitlicher Trend 40 kann je nach technischer Anwendung verschieden behandelt werden. Gegebenenfalls kann hier eine Varianz zu gering gewählt sein. Insgesamt kann so entschieden werden, ob eine weitere Iteration erforderlich ist, während immerfort die Schutz- bzw. Grenzwertbetrachtung, wie bei 2f illustriert, aktiv sein kann. Derart kann verhindert werden, dass unsichere Bereiche 20, 22 angefahren werden. Ein Vorteil kann hier sein, dass diese Methode automatisch einen optimalen Arbeitspunkt 14 erreichen kann und der rechnerische/reglungstechnische Aufwand verhältnismäßig gering sein kann. Ferner brauchen keine großen, speicherintensiven Kennfelder vorgehalten werden. Alternativ oder zusätzlich zu den Trends 40 kann auch eine andere mathematische Betrachtung und/oder Auswertung, z.B. eine Ableitung beliebigen Grades, genutzt werden.
4 zeigt ein Fahrzeug 50 mit einer Motorsteuerungsanordnung 30 und einer elektrischen Maschine 34 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Motorsteuerungsanordnung 30 der 4 weist dabei dieseleben Elemente und Merkmale wie die voranstehend beschriebene Motorsteuerungsanordnung 30 auf.
5 zeigt ein Flussdiagramm zur Illustration von Schritten eines Verfahrens zum Ermitteln eines Optimalwertes Z eines Betriebsparameters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
In einem ersten Schritt S1 wird ein Wert des Betriebsparameters der elektrischen Maschine 34 in einem vorbestimmten Intervall ΔA1 variiert und in einem Schritt S2 werden Stromwerten I eines der elektrischen Maschine 34 im Betrieb zugeführten Stromes ermittelt, welche in einem Schritt S3 in einer Speichervorrichtung 32 hinterlegt werden. In einem weiteren Schritt S4 wird ein Optimalwert Z des Betriebsparameters basierend auf den hinterlegten Stromwerten I bestimmt. Schritt S4 kann einen Schritt des Ermittelns eines minimalen Stromwertes I0 aus den hinterlegten Stromwerten I und/oder des Ermittelns eines Trends 40 der Stromwerte I in Abhängigkeit der Werte A des Betriebsparameters umfassen.

Claims

Motorsteuerungsanordnung (30) für eine elektrische Maschine (34), aufweisend: eine Strommesseinrichtung (32) zum Ermitteln eines Stromwertes (I) eines der elektrischen Maschine im Betrieb zugeführten elektrischen Stromes; eine Speichervorrichtung (36) zum Hinterlegen von durch die Strommesseinrichtung (32) ermittelten Stromwerten (I); eine Regelvorrichtung (38) zum Anpassen wenigstens eines Wertes (A) wenigstens eines Betriebsparameters der elektrischen Maschine (34), wobei die Regelvorrichtung (38) dazu eingerichtet ist, einen Wert (A) des Betriebsparameters in einem vorbestimmten Intervall (ΔA1) zu variieren; wobei die Motorsteuerungsanordnung (30) dazu eingerichtet ist, bei Variation des Wertes (A) des Betriebsparameters durch die Strommesseinrichtung (32) ermittelte Stromwerte (I) in der Speichervorrichtung (36) zu hinterlegen; und wobei die Motorsteuerungsanordnung (30) dazu eingerichtet ist, basierend auf den in der Speichervorrichtung (36) hinterlegten Stromwerten (I) einen minimalen Stromwert (I0) zu ermitteln.
Motorsteuerungsanordnung (30) nach Anspruch 1, wobei die Motorsteuerungsanordnung (30) ferner dazu eingerichtet ist, einen dem minimalen Stromwert (I0) zugeordneten Optimalwert (Z) des Betriebsparameters zu bestimmen; und/oder wobei die Motorsteuerungsanordnung (30) ferner dazu eingerichtet ist, einen aktuellen Wert (A) des Betriebsparameters der elektrischen Maschine (34) entsprechend dem Optimalwert (Z) anzupassen.
Motorsteuerungsanordnung (30) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Betriebsparameter wenigstens ein Element ausgewählt aus der Liste umfassend einen Ansteuerwinkel, eine Ansteuerfrequenz, eine Schaltzeit, ein Feldwinkel und eine Blockbreite ist.
Motorsteuerungsanordnung (30) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Motorsteuerungsanordnung (30) weiter dazu eingerichtet ist, basierend auf den in der Speichervorrichtung (36) hinterlegten Stromwerten (I) eine mathematische Auswertung der Stromwerte (I) in Abhängigkeit der Werte (A) des Betriebsparameters vorzunehmen.
Motorsteuerungsanordnung (30) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Motorsteuerungsanordnung (30) weiter dazu eingerichtet ist, basierend auf den in der Speichervorrichtung (36) hinterlegten Stromwerten (I) einen Trend (40) der Stromwerte (I) in Abhängigkeit der Werte (A) des Betriebsparameters zu ermitteln und basierend auf dem ermittelten Trend (40) einen Optimalwert (Z) des Betriebsparameters zu bestimmen.
Motorsteuerungsanordnung (30) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Regelvorrichtung (38) weiter dazu eingerichtet ist, den Wert (A) des Betriebsparameters der elektrischen Maschine (32) in einem weiteren Intervall (ΔA2) zu variieren.
Motorsteuerungsanordnung (30) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Regelvorrichtung (38) weiter dazu eingerichtet ist, den Wert (A) des Betriebsparameters stochastisch, linear, exponentiell, logarithmisch und/oder gemäß einer Polynomfunktion innerhalb des Intervalls (ΔA1) zu variieren.
Fahrzeug (50), aufweisend: eine elektrische Maschine (34); und eine Motorsteuerungsanordnung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zum Ermitteln eines Optimalwertes (Z) eines Betriebsparameters für eine elektrische Maschine (34), das Verfahren umfassend die Schritte: Variieren eines Wertes (A) des Betriebsparameters der elektrischen Maschine in einem vorbestimmten Intervall (ΔA1); Ermitteln von Stromwerten (I) eines der elektrischen Maschine (34) im Betrieb zugeführten Stromes; Hinterlegen der Stromwerte (I) in einer Speichervorrichtung (36); und Ermitteln eines Optimalwertes (Z) des Betriebsparameters basierend auf den hinterlegten Stromwerten (I).
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Ermittelns des Optimalwertes (Z) ferner umfasst: Ermitteln eines minimalen Stromwertes (I0) aus den hinterlegten Stromwerten (I); und/oder Ermitteln eines Trends (40) der Stromwerte (I) in Abhängigkeit der Werte (A) des Betriebsparameters.