DE102016213656B4

DE102016213656B4 - Vorrichtung zum Regeln der Drehzahl eines elektrischen Antriebs

Info

Publication number: DE102016213656B4
Application number: DE102016213656.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Götzenberger
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2016-07-26
Filing date: 2016-07-26
Publication date: 2023-12-07
Anticipated expiration: 2036-07-27
Also published as: DE102016213656A1

Abstract

Vorrichtung zum Regeln eines einen Stator und einen Rotor aufweisenden elektrischen Antriebs (M),mit einer Ansteuereinheit (6) zum Beaufschlagen des elektrischen Antriebs (M) mit pulsweitenmodulierten Spannungen (UR, US, UT), mit einer Messeinheit zum Erfassen der in den Antrieb (M) fließenden Ströme (IR, IS, IT),mit einer Rotorlagewinkel- und Drehzahlermittlungseinheit (9), mit einer Transformationseinheit (4, 5, 7, 8) , die die Spannungen (UR, US, UT) und Ströme (IR, IS, IT) in einem statorbezogenen Koordinatensystem in Spannungen (UQ, UD) und Ströme (IQ, ID) in einem rotorbezogenen Koordinatensystem transformiert und umgekehrt,mit einem ersten Stromregler (2), dem die drehmomentbildende Stromkomponente (IQ) des rotorbezogenen Koordinatensystems und ein Sollwert (Isoll) für die drehmomentbildende Stromkomponente (IQ) zugeführt wird,mit einem zweiten Stromregler (3), dem die feldbildende Stromkomponente (ID) des rotorbezogenen Koordinatensystems zugeführt wird,mit einer Vorsteuereinheit, der die drehmomentbildende Stromkomponente (IQ) und die feldbildende Stromkomponente (ID) des rotorfesten Koordinatensystems sowie eine Istdrehzahl (Omega) zugeführt werden, wobei die Spannungen (UQ, UD) des rotorbezogenen Koordinatensystems jeweils durch Addition eines Ausgangssignals des zugehörigen Stromreglers (2,3) und einem zugehörigen Ausgangsignal der Vorsteuereinheit gebildet sind, mit einer Umformeinheit (1), die eine Solldrehzahl (Omegasoll) in einen Sollstrom (Isoll) umformt, gekennzeichnet durch eine Sollstrombegrenzereinheit (1b), die eingerichtet ist, den Sollstrom (Isoll) auf einen Maximalsollstrom zu begrenzen, und eine Drehzahlgradientenermittlungseinheit (11), deren Eingang mit der Rotorlagewinkel- und Drehzahlermittlungseinheit (9) und deren Ausgang mit der Sollstrombegrenzereinheit (1b) verbunden ist, die eingerichtet ist, den Maximalsollstrom ausgehend von einem Grundwert für den Maximalstrom proportional zu einer Veränderung der Drehzahl (Omega) zu verschieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln eines einen Stator und einen Rotor aufweisenden elektrischen Antriebs, mit einer Ansteuereinheit zum Beaufschlagen des elektrischen Antriebs mit pulsweitenmodulierten Spannungen, mit einer Messeinheit zum Erfassen der in den Antrieb fließenden Ströme, mit einer Rotorlagewinkel- und Drehzahlermittlungseinheit, mit einer Transformationseinheit, die die Spannungen und Ströme in einem statorbezogenen Koordinatensystem in Spannungen und Ströme in einem rotorbezogenen Koordinatensystem transformiert und umgekehrt, mit einer Regeleinheit, die im rotorbezogenen Koordinatensystem die Drehzahl auf eine Solldrehzahl regelt, und mit einer Umformeinheit, die die Solldrehzahl in einen Sollstrom umformt.
Eine solche Vorrichtung ist in der DE 10 2014 106 668 A1 oder der (nicht vorveröffentlichten) DE 10 2015 216 309 A1 beschrieben und in Teilen der 1 dargestellt.
Die Vorrichtung der 1 zeigt einen synchronen Drehstrommotor mit Permanentmagnetrotor M, der mittels dreier pulsmodulierter Spannungen UR, US, UT in bekannter Weise angetrieben wird. Die pulsmodulierten Spannungen UR, US, UT werden von einer Modulationseinheit 5, die beispielsweise eine Vektormodulation durchführt, erzeugt und über eine Endstufe 6 an den Motor angelegt.
Die infolge der pulsmodulierten Spannungen UR, US, UT durch die Statorspulen des Drehstrommotors M fließenden Ströme IR, IS, IT werden erfasst, beispielsweise mit Hilfe von Shuntwiderständen, und einer ersten Stufe 7 der Transformationseinheit zugeführt, die daraus die die Feldlage im Motor M repräsentierenden Stromzeiger Ialpha, Ibeta in einem komplexen statorfesten Koordinatensystem errechnet. Die erste Stufe 7 führt dabei eine Clarke-Transformation durch.
In einer zweiten Stufe 8 der Transformationseinheit werden die Stromzeiger Ialpha, Ibeta des statorfesten Koordinatensystems in Stromzeiger ID, IQ in einem rotorfesten Koordinatensystem umgerechnet. Die zweite Stufe 8 führt dabei eine Park-Transformation durch. Hierzu wird der Rotorlagewinkel Theta benötigt, der in einer Rotorlagewinkel- und Drehzahlermittlungseinheit 9 aus den Größen Ialpha, Ibeta des statorfesten Koordinatensystems und den Stellgrößen im statorfesten Koordinatensystem Ualpha, Ubeta ermittelt wird. In der Vorrichtung der 1 ist die Rotorlagewinkel- und Drehzahlermittlungseinheit 9 also als Positionsschätzer ausgebildet. Es wäre jedoch auch möglich, sie mit Sensoren auszubilden und damit den Rotorlagewinkel direkt zu erfassen und daraus dann die Drehzahl zu errechnen.
Die Stromzeiger ID und IQ des rotorfesten Koordinatensystems werden einem StromreglerID 3 bzw. einem StromreglerIQ 2 zugeführt, wobei der StromreglerID 3 den feldbildenden oder feldschwächenden Strom ID regelt und im dargestellten Beispiel mit einem Sollwert 0 versorgt wird, da keine Feldstützung oder Feldschwächung gewünscht ist. Der StromreglerIQ 2 wird mit einem Sollwert Isoll für den drehmomentbildenden Strom IQ versorgt. Dieser Sollwert Isoll wird von einer Umformeinheit 1 bereitgestellt, der einerseits eine Solldrehzahl Omegasoll und andererseits eine von der Rotorlagewinkel- und Drehzahlermittlungseinheit 9 ermittelte Istdrehzahl Omega zugeführt wird.
Den Ausgangssignalen des StromreglersID 3 und des StromreglersIQ 2 werden jeweils ein Ausgangssignal einer Entkopplungs-bzw. Vorsteuerungseinheit 10 hinzuaddiert, der sowohl die Stromzeiger ID, IQ des rotorfesten Koordinatensystems als auch die Istdrehzahl Omega zugeführt werden.
Die durch die Additionen erhaltenen Spannungszeiger UD, UQ des rotorfesten Koordinatensystems werden einer dritten Stufe 4 der Transformationseinheit zugeführt, die mittels des Rotorlagewinkels Theta von der Rotorlagewinkel- und Drehzahlermittlungseinheit 9 die Spannungszeiger UD, UQ des rotorfesten Koordinatensystems in Spannungszeiger Ualpha, Ubeta des statorfesten Koordinatensystems mittels einer inversen Park-Transformation transformiert.
Diese Spannungszeiger Ualpha, Ubeta des statorfesten Koordinatensystems werden einer vierten Stufe 5 der Transformationseinheit zugeführt, die eine inverse Clarke-Transformation durchführt und die Ansteuersignale für die Endstufe 6 erzeugt.
In der 1 ist also eine feldorientierte Drehzahlregelung eines elektrischen Antriebs dargestellt.
Die Entkopplungs-bzw. Vorsteuerungseinheit kann aber insbesondere dann, wenn die Regelung nur noch sehr selten pro Umdrehung des Motors gerechnet wird, zu Schwingungen des Reglers und somit zum Versagen des geregelten Antriebes führen.
Da die Entkopplungs-bzw. Vorsteuerungseinheit aber unter anderem die drehzahlabhängigen Komponenten der Motorspannungen kompensiert bzw. vorsteuert, kommt es bei schnellen Beschleunigungsvorgängen auch dazu, dass der Antrieb bei Verwendung von auf einen Maximalstromwert begrenzter Stromsollwerte mit Strömen unterhalb des eingestellten Maximalstromwerts betrieben wird.
Bei Vorhandensein der Entkopplungs-bzw. Vorsteuerungseinheit können der StromreglerID und der StromreglerIQ zwar ihre Zielwerte erreichen, die Reglereinstellung wird jedoch schwierig bis unmöglich.
Wenn die Entkopplungs-bzw. Vorsteuerungseinheit jedoch nicht vorhanden ist, müssen der StromreglerID und der StromreglerIQ deren Aufgaben mit übernehmen, so dass bei einer hohen Drehzahldynamik der StromreglerIQ den drehmomentbildenden Strom nicht mehr einstellen kann.
DE 100 54 368 A1 offenbart elektronisch geregelte Elektroantriebe in den Radnaben eines Kraftfahrzeuges für Antrieb und Bremsung, wobei Elektromotoren Bremsen und Antreiben bewirken und eine dazu gehörige Regelung die Funktionen Antriebsregelung, Fahrdynamikregelung, Antischlupfregelung, Antiblockiersystem, Fahrstabilisierung und Allradantrieb durchführt.
DE 44 18 997 C2 offenbart ein Regelsystem zur Regelung der Komponenten des Ständerstroms eines Drehstromantriebsmotors, bei dem ein vektorieller Mehrgrößenregler zum Einsatz kommt, zur schnellen und verkopplungsfreien Einprägung der Komponenten isd, isq des Ständerstroms eines Drehstromantriebsmotors, der entweder eine Kurzschlußläufer-Asynchronmaschine (ASM) oder eine permanentmagnet-erregte Synchronvollpolmaschine (SM) sein kann.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Vorrichtung so auszubilden, dass eine Stromregelung bis an die eingestellten Stromgrenzen möglich ist.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Unteranspruch angegeben.
Demnach ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Regeln eines einen Stator und einen Rotor aufweisenden elektrischen Antriebs, mit einer Ansteuereinheit zum Beaufschlagen des elektrischen Antriebs mit pulsweitenmodulierten Spannungen, mit einer Messeinheit zum Erfassen der in den Antrieb fließenden Ströme, mit einer Rotorlagewinkel- und Drehzahlermittlungseinheit, mit einer Transformationseinheit, die die Spannungen und Ströme in einem statorbezogenen Koordinatensystem in Spannungen und Ströme in einem rotorbezogenen Koordinatensystem transformiert und umgekehrt, mit einem ersten Stromregler, dem die drehmomentbildende Stromkomponente des rotorbezogenen Koordinatensystems und ein Sollwert für die drehmomentbildende Stromkomponente zugeführt wird, mit einem zweiten Stromregler, dem die feldbildende Stromkomponente des rotorbezogenen Koordinatensystems zugeführt wird, mit einer Vorsteuereinheit, der die drehmomentbildende Stromkomponente und die feldbildende Stromkomponente des rotorfesten Koordinatensystems sowie eine Istdrehzahl zugeführt werden, wobei die Spannungen des rotorbezogenen Koordinatensystems jeweils durch Addition eines Ausgangssignals des zugehörigen Stromreglers und einem zugehörigen Ausgangsignal der Vorsteuereinheit gebildet sind, mit einer Umformeinheit, die eine Solldrehzahl in einen Sollstrom umformt, mit einer Sollstrombegrenzereinheit, die eingerichtet ist, den Sollstrom auf einen Maximalsollstrom zu begrenzen, und einer Drehzahlgradientenermittlungseinheit, deren Eingang mit der Rotorlagewinkel- und Drehzahlermittlungseinheit und deren Ausgang mit der Sollstrombegrenzereinheit verbunden ist, die eingerichtet ist, den Maximalsollstrom ausgehend von einem Grundwert für den Maximalstrom proportional zu einer Veränderung der Drehzahl zu verschieben.
Es wird also die Drehzahländerung des Antriebes erfasst und linear dazu werden die Grenzwerte für die Strombegrenzung ausgehend von einem Grundwert verschoben. Durch die Regelabweichung stellt sich so bei maximalen Beschleunigungsvorgängen der ursprünglich gewünschte Maximalstrom ein.
In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Drehzahlgradientenermittlungseinheit eine Filtereinheit auf.
Die Filterung des Drehzahlgradientensignals ist regelungstechnisch vorteilhaft, da durch die notwendige Differentiation des Drehzahlsignals das Gradientensignal stark verrauscht sein kann.
Bei gegebener Beschleunigung des Antriebes muss der Ausgang des StromreglerIQ die steigende Spannungsanforderung des Motors ausgleichen, die ohne Entkopplungs-bzw. Vorsteuerungseinheit im Wesentlichen proportional zur Drehzahl ist. Der üblicherweise als PI-Regler ausgebildete StromreglerIQ benötigt dafür jedoch eine Regelabweichung. Diese Regelabweichung entspricht genau dem bei der Beschleunigung fehlenden Strom.
Die Aufweitung der Stromgrenzen erfolgt nur dann, wenn der Antrieb tatsachlich eine Beschleunigung erfährt und durch die Eigenschaften des Reglers möglicherweise mit einem geringeren als zulässigen Stromwert betrieben wird. Fehlaufweitungen, die zu einem tatsächlichen Überstrom führen könnten, sind somit ausgeschlossen. Die Aufweitung erfolgt proportional zur Beschleunigung. Dies kompensiert die Regelabweichung bei geeigneter Wahl der Proportionalitätskonstanten nahezu ideal.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen

1 eine Vorrichtung zum Regeln der Drehzahl eines elektrischen Antriebs mit einer erfindungsgemäßen Drehzahlgradientenermittlungseinheit
2 eine erste Ausführung einer Drehzahlgradientenermittlungseinheit und
3 eine zweite Ausführung einer Drehzahlgradientenermittlungseinheit.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Teile der Vorrichtung zum Regeln der Drehzahl eines elektrischen Antriebs wurden bereits oben detailliert beschrieben. In erfindungsgemäßer Weise ist in der Vorrichtung der 1 der Ausgang der Umformeinheit 1 mit einer Sollstrombegrenzereinheit 1b verbunden, an deren Ausgang der Sollstrom Isoll dem Stromregler zur Verfügung gestellt wird. Dieser Sollstrom Isoll ist auf einen einstellbaren Maximalsollstrom begrenzt.
Hierzu ist eine Drehzahlgradientenermittlungseinheit 11 vorgesehen, deren Eingang mit der Rotorlagewinkel- und Drehzahlermittlungseinheit 9 und deren Ausgang mit der Sollstrombegrenzereinheit 1b verbunden ist, die eingerichtet ist, den Maximalsollstrom linear mit der Veränderung der Drehzahl Omega ausgehend von einem Grundwert zu verändern.
Die Entkopplungs-bzw. Vorsteuerungseinheit 10 kann vorhanden sein, die Drehzahlgradientenermittlungseinheit 11 kompensiert dann deren negativen Einfluss, sie kann jedoch auch entfallen, die Drehzahlgradientenermittlungseinheit 11 ermöglicht dann eine Einstellung des drehmomentbildenden Stromes bei maximalen Beschleunigungsvorgängen auf den ursprünglich gewünschten Maximalstrom.
In 2 ist eine erste mögliche Realisierung einer erfindungsgemäßen Drehzahlgradientenermittlungseinheit 11 dargestellt. Sie ist mit einem Differenzierglied und einem nachgeschalteten PT1-Glied als Filter gebildet.
Eine weitere mögliche Realisierung zeigt 3. Hier wird die Drehzahl parallel zwei PT1-Gliedern zugeführt, wobei das eine eine große und das anderer eine kleine Zeitkonstante hat. Das Ausgangssignal des PT1-Gliedes mit der großen Zeitkonstanten wird von dem Ausgangssignal des PT1-Gliedes mit der kleinen Zeitkonstanten abgezogen.

Claims

Vorrichtung zum Regeln eines einen Stator und einen Rotor aufweisenden elektrischen Antriebs (M), mit einer Ansteuereinheit (6) zum Beaufschlagen des elektrischen Antriebs (M) mit pulsweitenmodulierten Spannungen (UR, US, UT), mit einer Messeinheit zum Erfassen der in den Antrieb (M) fließenden Ströme (IR, IS, IT), mit einer Rotorlagewinkel- und Drehzahlermittlungseinheit (9), mit einer Transformationseinheit (4, 5, 7, 8) , die die Spannungen (UR, US, UT) und Ströme (IR, IS, IT) in einem statorbezogenen Koordinatensystem in Spannungen (UQ, UD) und Ströme (IQ, ID) in einem rotorbezogenen Koordinatensystem transformiert und umgekehrt, mit einem ersten Stromregler (2), dem die drehmomentbildende Stromkomponente (IQ) des rotorbezogenen Koordinatensystems und ein Sollwert (Isoll) für die drehmomentbildende Stromkomponente (IQ) zugeführt wird, mit einem zweiten Stromregler (3), dem die feldbildende Stromkomponente (ID) des rotorbezogenen Koordinatensystems zugeführt wird, mit einer Vorsteuereinheit, der die drehmomentbildende Stromkomponente (IQ) und die feldbildende Stromkomponente (ID) des rotorfesten Koordinatensystems sowie eine Istdrehzahl (Omega) zugeführt werden, wobei die Spannungen (UQ, UD) des rotorbezogenen Koordinatensystems jeweils durch Addition eines Ausgangssignals des zugehörigen Stromreglers (2,3) und einem zugehörigen Ausgangsignal der Vorsteuereinheit gebildet sind, mit einer Umformeinheit (1), die eine Solldrehzahl (Omegasoll) in einen Sollstrom (Isoll) umformt, gekennzeichnet durch eine Sollstrombegrenzereinheit (1b), die eingerichtet ist, den Sollstrom (Isoll) auf einen Maximalsollstrom zu begrenzen, und eine Drehzahlgradientenermittlungseinheit (11), deren Eingang mit der Rotorlagewinkel- und Drehzahlermittlungseinheit (9) und deren Ausgang mit der Sollstrombegrenzereinheit (1b) verbunden ist, die eingerichtet ist, den Maximalsollstrom ausgehend von einem Grundwert für den Maximalstrom proportional zu einer Veränderung der Drehzahl (Omega) zu verschieben.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlgradientenermittlungseinheit (11) eine Filtereinheit (PT1) aufweist.