DE102016221315A1 - Device for controlling an electrical machine - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung 1 zur Regelung einer elektrischen Maschine, aufweisend einen Feldschwächungsregler 100 zur Ausgabe eines Längs-Strom-Sollwertes I_d_soll an einem Ausgang 104 des Feldschwächungsreglers 100; einen Quer-Strom-Regler 200 zur Ausgabe einer unbegrenzten Quer-Spannung U_q_unlim an einem Quer-Strom-Regler-Ausgang 202 des Quer-Strom-Reglers 200; einen Längs-Strom-Regler 300 zur Ausgabe einer Längs-Spannung U_d_unlim, Ud an einem Längs-Strom-Regler-Ausgang 302 des Längs-Strom-Reglers 300; einen Quer-Spannungs-Begrenzer 400 zur Ausgabe einer begrenzten Quer-Spannung U_q, wobei der Längs-Strom-Regler-Ausgang 302 an einen ersten Eingang 101 des Feldschwächungsreglers 100 angeschlossen ist, wobei der Quer-Strom-Regler-Ausgang 202 an einen zweiten Eingang 102 des Feldschwächungsreglers 100 angeschlossen ist und wobei der Quer-Strom-Regler-Ausgang 202 an einen Eingang 401 des Quer-Spannungs-Begrenzers 400 angeschlossen ist.The present invention relates to a device 1 for controlling an electrical machine, comprising a field weakening controller 100 for outputting a longitudinal current setpoint I_d_soll at an output 104 of the field weakening controller 100; a cross current regulator 200 for outputting an infinite cross voltage U_q_unlim at a cross current regulator output 202 of the cross current regulator 200; a longitudinal current regulator 300 for outputting a longitudinal voltage U_d_unlim, Ud at a longitudinal current regulator output 302 of the longitudinal current regulator 300; a cross-voltage limiter 400 for outputting a limited cross-voltage U_q, wherein the longitudinal current regulator output 302 is connected to a first input 101 of the field weakening regulator 100, wherein the cross-current regulator output 202 to a second Input 102 of the field weakening controller 100 is connected and wherein the cross-current regulator output 202 is connected to an input 401 of the cross-voltage limiter 400.
Description
Technischer BereichTechnical part
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung und insbesondere zur feldgeschwächten Regelung einer elektrischen Maschine.The present invention relates to a device for regulating and in particular for field-weakened control of an electrical machine.
Technischer HintergrundTechnical background
Elektrische Maschinen, wie beispielsweise permanentmagneterregte Synchronmotoren, werden mittels entsprechender Steuerungen geregelt, welche insbesondere die Drehzahl- und Leistungsregelung der Synchronmotoren vornehmen können. Bei einem permanentmagneterregte Synchronmotoren, zum Beispiel, wird ein konstant magnetisierter Läufer, oder auch Rotor genannt, synchron von einem bewegten magnetischen Drehfeld in einem sogenannten Stator mitgenommen. Das Feld im Läufer wird dabei durch einen Permanentmagneten hervorgerufen. Für beispielsweise solche Motoren wird in vielen Fällen eine sogenannte feldorientierte Regelung verwendet. Der Betrieb eines Synchronmotors kann dabei durch zwei charakteristische Ströme beschrieben werden: Den feldbildenden Längsstrom und den momentbildenden Querstrom.Electrical machines, such as permanent magnet synchronous motors are controlled by means of appropriate controls, which can make particular the speed and power control of the synchronous motors. In a permanent magnet synchronous motors, for example, a constant magnetized rotor, or rotor called synchronously driven by a moving magnetic rotating field in a so-called stator. The field in the rotor is caused by a permanent magnet. For example, such engines, a so-called field-oriented control is used in many cases. The operation of a synchronous motor can be described by two characteristic currents: The field-forming longitudinal flow and the torque-forming cross-flow.
Elektromotoren können mittels Umrichter angetrieben werden, wobei durch eine sogenannte Pulsweitenmodulation (PWM) eine Folge von Rechteckpulsen mit modulierter Breite erzeugt werden kann, um die Energie zu modulieren, die dem Elektromotor zugeführt wird. Dazu kann der Umrichter einen Zwischenkreis umfassen, wie etwa einen Gleichspannungszwischenkreis, wobei der Zwischenkreis das Limit der maximalen am Stator anlegbaren Spannung vorgibt. Die maximale Spannung, die von einem Umrichter einer elektrischen Maschine zugeführt werden kann, kann durch eine Zwischenkreisspannung und PWM-Einstellungen limitiert sein.Electric motors can be driven by inverters, whereby a series of modulated width rectangular pulses can be generated by so-called pulse width modulation (PWM) to modulate the energy supplied to the electric motor. For this purpose, the converter may comprise an intermediate circuit, such as a DC intermediate circuit, the intermediate circuit setting the limit of the maximum voltage that can be applied to the stator. The maximum voltage that can be supplied by a converter to an electric machine can be limited by a DC link voltage and PWM settings.
Grundsätzlich wird das Moment eines permanentmagneterregten Synchronmotors über den Sollwert des Querstroms vorgegeben, um eine gewünschte Drehzahl einzustellen. Die Stellgröße des entsprechenden Querstromreglers ist dabei die Querspannung. Jedoch steigt mit zunehmender Drehzahl die vom Permanentmagneten induzierte Spannung an. Nun kann eine der Steuerung bzw. Regelung zur Verfügung stehende Systemspannung nicht mehr ausreichen, um den gewünschten Querstrom einzuprägen.In principle, the torque of a permanent magnet-excited synchronous motor is set via the desired value of the cross current in order to set a desired rotational speed. The manipulated variable of the corresponding cross-flow regulator is the transverse voltage. However, as the speed increases, the voltage induced by the permanent magnet increases. Now a system voltage available to the control or regulation can no longer be sufficient to impress the desired crossflow.
Daher ist es bekannt, bei hohen Drehzahlen ebenfalls einen negativen Längsstrom zur Feldschwächung des Permanentmagneten einzustellen, insbesondere dann, wenn eine Spannungsdecke bzw. ein Limit für die Querspannung erreicht wurde. Ein Längsstromregler kann dabei eine entsprechende Längsspannungskomponente als Stellgröße bilden. Der entsprechende Längsstrom-Sollwert wird von einem entsprechenden Spannungsregler vorgegeben, dessen Eingang die Differenz zwischen dem Spannungsbedarf und der maximal zur Verfügung stehenden Systemspannung zugeführt wird. Somit wird die vom Permanentmagneten induzierte Spannung verringert, und höhere Drehzahlen können bei einem vorgegebenen Querstrom erreicht werden.Therefore, it is known to set at high speeds also a negative longitudinal current to the field weakening of the permanent magnet, especially when a voltage ceiling or a limit for the transverse stress has been reached. A longitudinal flow controller can form a corresponding longitudinal voltage component as a manipulated variable. The corresponding longitudinal current setpoint is specified by a corresponding voltage regulator whose input is fed with the difference between the voltage requirement and the maximum available system voltage. Thus, the voltage induced by the permanent magnet is reduced, and higher speeds can be achieved at a given cross-flow.
Da der Spannungsbedarf limitiert bzw. begrenzt hinsichtlich einer Spannungsgrenze bereitgestellt wird, wird der Schwellwert zum Eintritt in die Feldschwächung, bzw. die Grenze, bei der Feldschwächung eintritt, üblicherweise herabgesetzt, da ansonsten keine Feldschwächung eintreten würde. Beispielsweise wird eine Feldschwächung bereits bei einem Spannungsbedarf von 280 V eingeleitet, obwohl 320 V als maximale Spannung zur Verfügung steht. Durch dieses frühe Einleiten der Feldschwächung wird der Motorstrom unnötig erhöht, und weiterhin keine optimale Ausnutzung des Motors bei hohen Drehzahlen erreicht. Ferner ist dieses Herabsetzen der Grenze problematisch bei einer schwankenden Zwischenkreisspannung.Since the voltage requirement is limited or limited in terms of a voltage limit, the threshold for entering the field weakening, or the limit at which field weakening occurs, is usually reduced, otherwise no field weakening would occur. For example, a field weakening is already initiated at a voltage requirement of 280 V, although 320 V is available as the maximum voltage. This early initiation of the field weakening unnecessarily increases the motor current and still does not achieve optimum utilization of the motor at high speeds. Furthermore, this lowering of the limit is problematic with a fluctuating DC link voltage.
Es ist bekannt, ein Kennlinienverfahren zu verwenden, bei dem ein Längsstromsollwert in Abhängigkeit von der Rotordrehzahl über eine Kennlinie vorgegeben werden kann. Hierdurch können jedoch die Umrichter nicht vor zu hohen Spannungen geschützt werden und gleichzeitig ein optimaler Eintritt in eine Feldschwächung herbeigeführt werden.It is known to use a characteristic curve method in which a longitudinal current setpoint value can be preset as a function of the rotor speed via a characteristic curve. As a result, however, the inverters can not be protected from excessive voltages and, at the same time, an optimum entry into a field weakening can be brought about.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Regelung einer elektrischen Maschine bereitzustellen, die die Feldschwächung beim Betrieb einer elektrischen Maschine optimiert.It is thus an object of the present invention to provide a device for controlling an electric machine, which optimizes the field weakening during operation of an electrical machine.
Inhalt der Erfindung Content of the invention
Die oben genannte und weitere Aufgaben, die aus der folgenden Beschreibung ersichtlich werden, werden durch die Vorrichtung zur Regelung einer elektrischen Maschine des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.The above and other objects, which will become apparent from the following description, are achieved by the apparatus for controlling an electric machine of
Insbesondere werden sie gelöst durch eine Vorrichtung zur Regelung einer elektrischen Maschine, aufweisend einen Feldschwächungsregler zur Ausgabe eines Längs-Strom-Sollwertes an einem Ausgang des Feldschwächungsreglers, einen Quer-Strom-Regler zur Ausgabe einer unbegrenzten Quer-Spannung an einem Quer-Strom-Regler-Ausgang des Quer-Strom-Reglers, einen Längs-Strom-Regler zur Ausgabe einer Längs-Spannung an einem Längs-Strom-Regler-Ausgang des Längs-Strom-Reglers, einen Quer-Spannungs-Begrenzer zur Ausgabe einer begrenzten Quer-Spannung, wobei der Längs-Strom-Regler-Ausgang an einen ersten Eingang des Feldschwächungsreglers angeschlossen ist, wobei der Quer-Strom-Regler-Ausgang an einen zweiten Eingang des Feldschwächungsreglers angeschlossen ist, und wobei der Quer-Strom-Regler-Ausgang an einen Eingang des Quer-Spannungs-Begrenzers angeschlossen ist.In particular, they are achieved by a device for controlling an electrical machine, comprising a field weakening controller for outputting a longitudinal current setpoint at an output of the field weakening controller, a cross-current controller for outputting an unlimited cross-voltage at a cross-current regulator Output of the cross current regulator, a longitudinal current regulator for outputting a longitudinal voltage at a longitudinal current regulator output of the longitudinal current regulator, a cross voltage limiter for outputting a limited cross voltage wherein the longitudinal current regulator output is connected to a first input of the field weakening regulator, the cross current regulator output being connected to a second input of the field weakening regulator, and the cross current regulator output being connected to an input of the cross-voltage limiter is connected.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann jede geeignete elektrische Maschine geregelt werden, und insbesondere ein permanentmagneterregter Synchronmotor. Durch den Feldschwächungsregler wird eine Feldschwächung durch Einprägen eines Längsstroms in die elektrische Maschine herbeigeführt. Dabei kann ein feldschwächender Strom in den Stator eingeprägt werden, wodurch das Erregerfeld in der elektrischen Maschine geschwächt wird, um beispielsweise bei gleicher Spannung höhere Drehzahlen zu ermöglichen. With the device according to the invention, any suitable electrical machine can be controlled, and in particular a permanent magnet synchronous motor. The field weakening controller induces a field weakening by injecting a longitudinal current into the electrical machine. In this case, a field-weakening current can be impressed into the stator, whereby the excitation field is weakened in the electric machine to allow higher speeds, for example, at the same voltage.
Dadurch, dass der Längs-Strom-Regler-Ausgang an einen ersten Eingang des Feldschwächungsreglers angeschlossen ist, wobei der Quer-Strom-Regler-Ausgang an einen zweiten Eingang des Feldschwächungsreglers angeschlossen ist, und wobei der Quer-Strom-Regler-Ausgang an einen Eingang des Quer-Spannungs-Begrenzers angeschlossen ist, wird vorteilhaft erreicht, dass die elektrische Maschine mittels Feldschwächung geregelt wird, erst wenn der unbegrenzte Querspannungsbedarf ein Spannungslimit oder seine physikalische Spannungsgrenze erreicht. Der Längs-Strom-Sollwert kann basierend auf dem unbegrenzten Querspannungsbedarf erzeugt werden. Die elektrische Maschine wird dabei wesentlich besser ausgenutzt als im Vergleich zu den bisher üblichen Verfahren des Standes der Technik, da die Maschine bis zu dem Spannungslimit oder die physikalische Spannungsgrenze ohne Feldschwächung betrieben wird. Dies ermöglicht insbesondere ein effizientes Regeln der Maschine bei einer schwankenden Zwischenkreisspannung, oder einer schlanken Zwischenkreiskapazität. Damit wird vorteilhaft erreicht, dass eine Feldschwächung basierend auf einer Spannungsregeldifferenz geregelt wird, welche wiederum von dem unbegrenzten Querspannungsbedarf abhängt. Ein künstliches Herabsetzen der Grenzspannung ist nicht erforderlich, sodass keine zusätzlichen Motorströme unnötig eingespeist werden müssen.Characterized in that the longitudinal current regulator output is connected to a first input of the field weakening regulator, wherein the cross-current regulator output is connected to a second input of the field weakening regulator, and wherein the cross-current regulator output to a Input of the cross-voltage limiter is connected, is advantageously achieved that the electric machine is controlled by means of field weakening, only when the unlimited transverse voltage requirement reaches a voltage limit or its physical voltage limit. The longitudinal current setpoint can be generated based on the unlimited cross voltage requirement. The electric machine is used much better than in comparison to the previously conventional methods of the prior art, since the machine is operated up to the voltage limit or the physical voltage limit without field weakening. This allows, in particular, an efficient control of the machine with a fluctuating intermediate circuit voltage or a narrow DC link capacitance. This advantageously achieves that a field weakening is regulated based on a voltage regulation difference, which in turn depends on the unlimited transverse voltage requirement. An artificial lowering of the threshold voltage is not required, so no additional motor currents need to be fed unnecessarily.
Bevorzugt weist der Feldschwächungsregler ein Integral-Verhalten oder ein Proportional-Integral-Verhalten auf. Mit einem solchen I-Regler-Verhalten kann der Feldschwächungsregler als sehr genauer Regler ausgeführt werden, was für die Ausgabe des Längs-Strom-Sollwertes von Vorteil ist. Mittels des PI-Regler-Verhaltens kann bei konstantem Sollwert eine Regelabweichung effektiv vermieden werden.The field weakening controller preferably has an integral behavior or a proportional-integral behavior. With such an I-controller behavior, the field weakening controller can be designed as a very accurate regulator, which is advantageous for the output of the longitudinal current setpoint. By means of the PI controller behavior, a control deviation can be effectively avoided with a constant setpoint value.
Bevorzugt ist der Feldschwächungsregler eingerichtet, den Längs-Strom-Sollwert basierend auf der unbegrenzten Quer-Spannung und der Längs-Spannung und einer insbesondere aus einer Zwischenkreisspannung abgeleiteten Maximalspannung zu errechnen. Die Maximalspannung kann ein Limit der Umrichter darstellen. Insbesondere kann die Maximalspannung die maximale Spannung sein, die von einem Umrichter der elektrischen Maschine zugeführt werden kann, und kann durch die Zwischenkreisspannung und/oder PWM-Einstellungen limitiert sein. Ferner kann die Zwischenkreisspannung die physikalische Grenze zum optimalen Eintritt in die Feldschwächung darstellen.Preferably, the field weakening controller is configured to calculate the longitudinal current setpoint based on the unlimited cross-voltage and the longitudinal voltage and a maximum voltage derived in particular from a DC link voltage. The maximum voltage can represent a limit of the inverter. In particular, the maximum voltage may be the maximum voltage that can be supplied by a converter of the electric machine, and may be limited by the intermediate circuit voltage and / or PWM settings. Furthermore, the intermediate circuit voltage may represent the physical limit to the optimal entry into the field weakening.
Bevorzugt weist der Feldschwächungsregler einen Spannungs-Regler zur Ausgabe des Längs-Strom-Sollwerts auf, wobei der Feldschwächungsregler eine Rechenschaltung zur Bildung einer Subtraktions-Spannung, insbesondere gemäß dem Satz des Pythagoras aus der unbegrenzten Quer-Spannung und der Längs-Spannung aufweist, und wobei ein Eingang des Spannungs-Reglers mit einem Ausgang eines Differenzglieds zur Bildung einer Differenz aus der Maximalspannung und der Subtraktions-Spannung verbunden ist. Somit kann vorteilhaft berücksichtigt werden, dass die Kombination von Längs- und Querspannung nicht die Maximalspannung überschreitet, und das Verhalten der Maschine bestimmt bleibt.The field weakening controller preferably has a voltage regulator for outputting the longitudinal current setpoint, the field weakening controller having an arithmetic circuit for forming a subtraction voltage, in particular according to the Pythagorean theorem of the unbounded transverse voltage and the longitudinal voltage, and wherein an input of the voltage regulator is connected to an output of a differential element to form a difference between the maximum voltage and the subtraction voltage. Thus, it can be advantageously taken into account that the combination of longitudinal and transverse voltage does not exceed the maximum voltage, and the behavior of the machine remains determined.
Insbesondere bevorzugt ist der Feldschwächeregler dabei eingerichtet, die Feldschwächung zu erzeugen, wenn die Subtraktions-Spannung größer ist, als die Maximalspannung. Somit kann der Eintritt der Feldschwächung optimal gesteuert werden. Eine Feldschwächung kann genau dann eingeleitet werden, wenn die Kombination von unbegrenzter Längs- und Querspannung größer als die Maximalspannung ist.Particularly preferably, the field weakening controller is set up to generate the field weakening if the subtraction voltage is greater than the maximum voltage. Thus, the entrance of the Field weakening to be optimally controlled. A field weakening can be initiated if and only if the combination of unlimited longitudinal and transverse stress is greater than the maximum stress.
Bevorzugt weist die Vorrichtung weiterhin einen ersten Multiplikator auf, der mit einem Eingang des Feldschwächereglers zur Eingabe der Maximalspannung verbunden ist, wobei der erste Muliplikator eingerichtet ist, die Zwischenkreisspannung mit einem ersten Faktor, insbesondere dem Faktor 1/√3 zur Berechnung der Maximalspannung zu multiplizieren. Somit kann eine geeignete Maximalspannung als Grenze zum optimalen Eintritt in die Feldschwächung ermittelt werden.Preferably, the device further comprises a first multiplier which is connected to an input of the field weakening controller for inputting the maximum voltage, wherein the first multiplier is adapted to multiply the intermediate circuit voltage with a first factor, in particular the
Bevorzugt weist die Vorrichtung weiterhin einen zweiten Multiplikator, zur Ausgabe einer Übermodulationsspannung auf, wobei der zweite Multiplikator eingerichtet ist, die Zwischenkreisspannung mit einem zweiten Faktor, insbesondere dem Faktor 2/3 zur Berechnung der Übermodulationsspannung zu multiplizieren, wobei ein Begrenzerwert zur Begrenzung der Quer-Spannung durch den Begrenzer von der Übermodulationsspannung abhängig ist. Durch dieses Begrenzen kann sichergestellt werden, dass das Verhalten der Maschine bestimmt bleibt.The device preferably also has a second multiplier for outputting an overmodulation voltage, wherein the second multiplier is set up to multiply the intermediate circuit voltage by a second factor, in particular the factor 2/3 for calculating the overmodulation voltage, wherein a limiter value for limiting the cross modulation voltage Voltage through the limiter is dependent on the overmodulation voltage. This limit can be used to ensure that the behavior of the machine remains determined.
Vorzugsweise sind eine oder mehrere der Regler, Begrenzer und Multiplikatoren, und insbesondere vorzugsweise alle Komponenten der Vorrichtung in einem oder mehreren FPGAs ausgebildet.Preferably, one or more of the regulators, limiters and multipliers, and in particular preferably all components of the device are formed in one or more FPGAs.
Figurenlistelist of figures
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur näher beschrieben. Dabei zeigt:
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1 schematisch eine bevorzugte Vorrichtung zur Regelung einer elektrischen Maschine; und -
2 schematisch einen bevorzugten Feldschwächungsregler.
-
1 schematically a preferred device for controlling an electrical machine; and -
2 schematically a preferred field weakening regulator.
Beschreibung bevorzugter AusführungsbeispieleDescription of preferred embodiments
Die Vorrichtung
Die Regelung des Stroms erfolgt durch Regeln einer Spannung. Hierzu gibt der Querstromregler
Der unbegrenzte Querspannungsbedarf U_q_unlim wird zwischen dem Ausgang
Weiterhin wird dem Feldschwächungsregler
Weiterhin wird mittels eines zweiten Multiplikators
Der Feldschwächungsregler
Der Längs-Strom-Regler
Letztendlich wird die resultierende Längsspannung U_d von dem Längs-Spannungs-Begrenzer
Zudem wird die resultierende Längsspannung U_d auch dem Begrenzerwert-Regler
Wie in
Die von der Rechenschaltung
Für die Feldschwächung ist die Subtraktionsspannung U_unlim daher größer als die Maximalspannung U_max. Wenn der aktuelle Spannungsbedarf die Maximalspannung U_max übersteigt, kann ein entsprechender Längs-Strom-Sollwert generiert werden, um die Feldschwächung einzuleiten. In dem Fall wird die resultierende Differenz aus der Maximalspannung U_max und der Subtraktionsspannung U_unlim an den Spannungs-Regler
Andernfalls, wenn die Maximalspannung U_max nicht überschritten wurde, ist keine Feldschwächung notwendig, und die Maschine wird vorzugsweise lediglich mittels der Querspannung betrieben. Die Differenz aus der Maximalspannung U_max und der Subtraktions-Spannung U_unlim ist dann positiv.Otherwise, if the maximum voltage U_max has not been exceeded, no field weakening is necessary, and the machine is preferably operated only by means of the transverse voltage. The difference between the maximum voltage U_max and the subtraction voltage U_unlim is then positive.
Wenn jedoch die Maximalspannung U_max geringer ist als die Subtraktions-Spannung U_unlim, die Maschine also in Feldschwächung zu betreiben ist, wird die sich ergebende Differenz aus der Maximalspannung U_max und der Subtraktionsspannung U_unlim von Ausgang
Wächst der Subtraktions-Spannung U_unlim aufgrund einer höheren Drehzahlvorgabe oder wegen steigender Lastmomente über die Maximalspannung U_max, bleibt die von der Raumzeigermodulation tatsächlich ausgegebene Spannung begrenzt, während in dem Feldschwächungsregler
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