DE102017130635A1

DE102017130635A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer dynamoelektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102017130635A1
Application number: DE102017130635.8A
Authority: DE
Inventors: Arkady Pankevich
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2019-06-27
Also published as: WO2019120380A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur feldorientierten Stromregelung einer mehrphasigen dynamoelektrischen Maschine (1) mit einem Stator und einem über einen Luftspalt hiervon beabstandeten Läufer. Um das dynamische und akustische Verhalten der Maschine (1) zu verbessern, werden folgende Verfahrensschritte vorgeschlagen:i. Transformation von Phasenströmen der Maschine aus einem statorbezogenen mehrphasigen Koordinatensystem (13) in einen Grundschwingungsstromvektor in einem mit einer Grundschwingungsfrequenz rotierenden zweiachsigen ersten d/q-Koordinatensystem (14),ii. Transformation von Oberschwingungsanteilen der Phasenströme der Maschine aus dem statorbezogenen mehrphasigen Koordinatensystem (13) in zumindest einen Oberschwingungsstromvektor (16) in einem zweiachsigen zweiten d/q-Koordinatensystem (15), das mit einer Oberschwingungsfrequenz der Grundschwingungsfrequenz rotiert,iii. Bestimmung eines ersten Stellgrößenvektors auf Basis einer ersten Regelabweichung zwischen dem Grundschwingungsstromvektor (5) und einem Grundschwingungssollstromvektor (2) im ersten d/q-Koordinatensystem, der einem gewünschten Betriebszustand der Maschine entspricht,iv. Bestimmung eines geeigneten Oberschwingungssollstromvektors (10) zur Kompensation eines Oberschwingungsanteils des Momentes im Luftspalt der dynamoelektrischen Maschine in Abhängigkeit des Betriebspunktes der dynamoelektrischen Maschine,v. Bestimmung eines zweiten Stellgrößenvektors auf Basis einer zweiten Regelabweichung zwischen dem Oberschwingungsstromvektor (16) und dem Oberschwingungssollstromvektor (10) undvi. Einstellen von Phasenspannungen für die elektrische Maschine (1) in Abhängigkeit des ersten und zweiten Stellgrößenvektors.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung einer dynamoelektrischen Maschine, insbesondere zur Regelung einer permanenterregten Synchronmaschine. Die Erfindung kann u.a. für elektrische Antriebssysteme im industriellen Umfeld zum Einsatz kommen als auch für elektrisch angetriebene Fahrzeuge. Neben vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen und Hybridfahrzeugen ist beispielsweise auch eine Anwendung für Schienenfahrzeuge vorteilhaft.
Ein weitverbreitetes Regelungskonzept gängiger 3-phasiger elektrischer Maschinen, insbesondere permanenterregter Synchronmaschinen, ist die sogenannte feldorientierte Regelung. Dieses Regelungskonzept beruht auf einer Transformation der dreiphasigen Wechselgrößen in ein zweiachsiges Koordinatensystem, welches synchron mit dem Rotorfluss der Maschine rotiert. In einem derartigen Koordinatensystem, üblicherweise als d/q-Koordinatensystem bezeichnet, werden beispielsweise die drei Phasenströme der Ständerwicklung i_u , i_v , i_w durch einen 2-dimensionalen Stromvektor mit den Komponenten i_q und i_d dargestellt. Bei einem ideal sinusförmigen Rotorfluss und ideal sinusförmigen Phasenströmen werden die ursprünglichen Wechselgrößen iu, i_v , i_w als Folge des rotorflusssynchron rotierenden Koordinatensystems auf Gleichgrößen i_q , i_d abgebildet. Die q-Komponente des Stromes stellt in einem solchen Koordinatensystem analog zum Ankerstrom einer Gleichstrommaschine die momentenbildende Komponente der Maschine dar. Die d-Komponente des Stromes repräsentiert die feldbildende Komponente des Maschinenstromes und entspricht dem Erregerstrom einer Gleichstrommaschine. Mithin wird durch die Transformation erreicht, dass sich die dreiphasige Maschine ähnlich vorteilhaft wie eine Gleichstrommaschine regeln lässt, bei der Wirk-und Blindleistungsanteil unabhängig voneinander regelbar sind.
Die feldorientierte Regelung erfährt jedoch ihre Grenzen, wenn der Luftspaltfluss der Maschine stark von der Sinusform abweicht. Derartige Abweichungen sind maschinengeometriebedingt und insbesondere bei den weitverbreiteten Zahnspulenwicklungen in der Regel sehr ausgeprägt. Bei diesen Wicklungen führen die ausgeprägten Zähne des Stators über den Umfang des Luftspaltes betrachtet zu unterschiedlichen magnetischen Leitwerten. Infolgedessen entstehen Oberschwingungen im Luftspaltfluss, die wiederum reluktanzbedingte Nutrastmomente (sogenanntes Cogging) zur Folge haben. Die Oberschwingungsanteile im Luftspaltfluss sind unerwünscht, da sie in der Regel nicht zum Drehmoment der Maschine beitragen sondern lediglich die Eisenverluste erhöhen. Zudem wirkt sich das Cogging nachteilhaft auf die akustischen Eigenschaften der Maschine aus.
Durch die Flussoberwellen werden Spannungen in die Statorwicklungen induziert, die ihrerseits einen Oberschwingungsanteil in den Phasenströmen zur Folge haben. Es entstehen Oberschwingungsanteile im Phasenstrom mit der 5, 7, 13, 17... -fachen Frequenz der Grundschwingung. Die genannten Stromoberwellen können in der Regel nur in einem sehr eingeschränkten Frequenzbereich durch die aus dem Stand der Technik bekannten und auf der feldorientierten Regelung basierenden Verfahren eliminiert werden. Aus „Robert Michel, Kompensation von Sättigungsbedingten Harmonischen in den Strömen feldorientiert geregelter Synchronmotoren, Dissertation Technische Universität Dresden, 2009 / Kapitel 4.2“ ist zwar ein Verfahren bekannt, mit dem sich die Oberschwingungsanteile des q-Stromes und d-Stromes bei einer Maschinenregelung, die auf der feldorientierten Regelung basiert, reduzieren lassen. Dieses basiert jedoch auf einer Störgrößenaufschaltung, die eine aufwändige Untersuchung und Modellierung der zu regelnden elektrischen Maschine voraussetzt. Bei veränderten Umgebungsbedingungen können sich Maschinenparameter einstellen, die von dem zuvor erstellten Modell abweichen, sodass die Störgrößenaufschaltung nicht mehr zu den gewünschten Ergebnis führt.
Ferner führt eine Kompensation des Oberwellengehaltes in den Phasenströmen zwar zu geringeren Kupferverlusten in den Wicklungen. Sie hat jedoch nicht zwangsläufig verbesserte akustische Eigenschaften der Maschine zur Folge. Um diese zu verbessern, muss das Cogging vermieden werden. Dieses Ziel kann erreicht werden, indem gezielt Oberschwingungsanteile auf den Phasenstrom aufgeprägt werden, die eine Reduktion der Oberschwingungsanteile im magnetischen Luftspaltmoment zur Folge haben. Amplitude und Phase dieser Oberschwingungsanteile hängen vom Betriebspunkt der elektrischen Maschine und deren Eigenschaften ab.
Aus US 8,541,968 B2 ist ein Verfahren zur Bestimmung geeigneter Kompensationssignale bekannt, bei dem Letztere mithilfe von zwei Testläufen betriebspunktabhängig bestimmt werden. Hierbei werden zwei verschiedene Kompensationssignale auf die Maschine aufgeschaltet und die entsprechenden Vibrationsantworten der Maschine ermittelt. Durch eine mathematische Operation kann auf Basis dieser zwei Testläufe das ideale Kompensationssignal rechnerisch ermittelt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das dynamische und akustische Verhalten einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine, auf möglichst aufwandsarme Art und Weise zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 8 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
Der Kerngedanke der Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass sich die Dynamik des Regelkreises für die Phasenströme, insbesondere für oberwellenbehaftete Phasenströme, der Maschine erheblich verbessern lässt, wenn für die Grundschwingung und die Harmonische(n) jeweils separate Regelkreise vorgesehen werden, die jeweils individuell parametrisiert werden. Unter den Harmonischen werden die ganzzahligen Vielfachen der Grundschwingung verstanden. Durch die erzielte höhere Dynamik der Stromregelung werden schließlich die akustischen Eigenschaften des elektrischen Antriebsstranges verbessert.
Zur Regelung der Wirk- und Blindleistungskomponente des Maschinenstromes werden in einem ersten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt die Phasenströme aus einem statorbezogenen mehrphasigen, insbesondere 3-phasigen, Koordinatensystem in einen Grundschwingungsstromvektor in einem mit einer Grundschwingungsfrequenz rotierenden zweiachsigen ersten d/q-Koordinatensystem transformiert. Bei diesem Verfahrensschritt wird zunächst die hinlänglich bekannte Clarke-Transformation durchgeführt. Beispielhaft für eine 3-phasige Maschine bedeutet dies, dass die drei Phasenströme der Maschine aus dem ständerfesten 3-phasigen Koordinatensystem in ein ebenfalls ständerfestes 2-phasiges Koordinatensystem überführt werden. Im Anschluss daran wird der nunmehr bereits zweidimensionale Stromvektor mithilfe der sogenannten Park-Transformation, auch d/q-Transformation, in ein synchron mit dem Rotorfluss rotierendes Koordinatensystem überführt. Der Gleichstromanteil des d-Stromes i_d entspricht hierbei dem auf die Grundschwingung des Stromes zurückzuführenden felderregenden Anteil des Stromes, während der Gleichstromanteil des q-Stromes die momentenbildende Grundschwingungskomponente des Ständerstromes darstellt.
Wird nun beispielsweise die Momentenanforderung an die elektrische Maschine erhöht, wird eine übergeordnete Regelung hieraus einen veränderten Sollwert für die q-Komponente des Stromes im ersten d/q-Koordinatensystem vorgeben, der von dem Stromregler mit möglichst hoher Dynamik und Stabilität eingestellt werden soll. Erfindungsgemäß wird ein erster Stellgrößenvektor auf Basis einer ersten Regelabweichung zwischen dem Grundschwingungsstromvektor und einem Grundschwingungssollstromvektor bestimmt, wobei letzterer in diesem Beispiel durch die veränderte Drehmomentvorgabe eine plötzliche Änderung erfährt. Auch der Grundschwingungssollstromvektor liegt in Form von d/q-Koordinaten vor und ist auf das erste d/q-Koordinatensystem bezogen. Ein für die Bestimmung des Stellgrößenvektors auf Basis der Regelabweichung vorgesehener Regler kann für den zu erwartenden bestimmungsgemäßen Grundfrequenzbereich der Maschine dimensioniert und parametrisiert werden. Da dieser Regler nicht gleichzeitig noch eine hochdynamische Einprägung von Oberschwingungsanteilen zur Kompensation von Oberschwingungsanteilen im Drehmoment der Maschine zur Aufgabe hat, müssen diese bei der Parametrisierung des Reglers auch nicht berücksichtigt werden.
In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahrensschritt werden Oberschwingungsanteile der Phasenströme der Maschine aus dem statorbezogenen mehrphasigen Koordinatensystem in zumindest einen Oberschwingungsstromvektor in einem zweiten zweiachsigen d/q-Koordinatensystem transformiert, das mit einer Oberschwingungsfrequenz der Grundschwingungsfrequenz rotiert. Auch hierbei werden die hinlänglich bekannten Clarke-und Park-Transformationen durchgeführt. Bevor die Transformationen durchgeführt werden, können die Oberschwingungsanteile zunächst aus den Phasenströmen der Maschine extrahiert werden. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Denkbar und von der Erfindung umfasst ist auch, in diesem Verfahrensschritt die vollständigen Phasenströme, d. h. mit Grund- und Oberschwingungsanteil, zu transformieren.
Darauf aufbauend wird in einem weiteren Verfahrensschritt ein zweiter Stellgrößenvektor auf Basis einer zweiten Regelabweichung zwischen dem Oberschwingungsstromvektor und einem Oberschwingungssollstromvektor bestimmt.
Der Oberschwingungssollstromvektor ist bei einer realen elektrischen Maschine, bei der sich ein drehwinkelabhängiges Rippelmoment einstellt, ungleich dem Nullvektor. Denn ein ideal sinusförmiger Phasenstrom hat in diesem Fall keine Cogging-Freiheit zur Folge. Das Luftspaltmoment ist eine Funktion der q-Komponente des Stromes und des magnetischen Flusses. Somit können Oberwellen im Luftspaltmoment auch als Folge von Flussoberwellen auftreten, selbst dann, wenn die Phasenwicklungen des Ständers mit einem ideal sinusförmigen Strom gespeist werden. Derartige Flussoberwellen sind durch die Geometrie der elektrischen Maschine bedingt.
Ziel der erfindungsgemäßen Stromregelung ist es daher, die Welligkeit des Luftspaltmomentes durch Einprägen geeigneter Oberschwingungsanteile im Phasenstrom zu kompensieren. Der Oberschwingungssollstromvektor bezeichnet mithin eine Größe, die zur Kompensation eines Oberschwingungsanteils des Momentes im Luftspalt der elektrischen Maschine geeignet ist. Er bezeichnet also eine Stromkomponente, deren primärer Zweck die Unterdrückung des Cogging in Hinblick auf eine Harmonische ist. Die Komponenten des hierfür geeigneten Oberschwingungssollstromvektors sind vom Betriebspunkt der elektrischen Maschine abhängig, d. h. insbesondere von deren Drehmoment und Drehzahl. Darüber hinaus sind die geometrischen und magnetischen Eigenschaften der Maschine dafür entscheidend, mit welchen Kompensationsströmen sich das Cogging effektiv unterdrücken lässt.
Betriebspunktabhängige Oberschwingungssollstromvektoren, die die oben beschriebene Kompensationsaufgabe lösen können, können beispielsweise durch Simulation der Maschine oder des kompletten Antriebsstranges, in denen die Maschine eingebettet ist, ermittelt werden. Alternativ können die betriebspunktabhängigen Oberschwingungssollstromvektoren experimentell ermittelt werden, wie es beispielsweise in der bereits eingangs erwähnten US 8,541,968 B2 vorgeschlagen wird. Die ermittelten Werte werden zum Beispiel im Anschluss in Form einer Look-up Table in einem Speicher abgelegt, auf den eine Steuerung zur Ermittlung geeigneter Schaltsignale für einen Umrichter Zugriff hat. Die Form der Daten für die Oberschwingungssollstromvektoren ist hingegen beliebig, solange gewährleistet ist, dass sie auf eine im zweiten d/q-Koordinatensystem darstellbare Form transformierbar sind. So können beispielsweise direkt die Oberschwingungssollstromvektoren als zweidimensionale Vektoren mit den Größen i_d und i_q , die auf das zweite d/q-Koordinatensystem bezogen sind, abgelegt werden. Alternativ ist aber auch eine Darstellung denkbar, bei der die Oberschwingungssollstromvektoren in Form von Amplitude und Phasenwinkel in der Look-up Table abgelegt werden.
Ein für die Bestimmung des zweiten Stellgrößenvektors vorgesehener Regler kann hierbei hinsichtlich seiner Parametrisierung speziell auf den zu erwartenden Frequenzbereich des zweiten Stellgrößenvektors optimiert werden. Die Regelung des Grundschwingungsanteils ist ebenso wenig seine Aufgabe wie die Regelung anderer Harmonischer, die nicht seiner Oberschwingungsfrequenz entsprechen. Auch kann ein Filter vorgesehen werden, der den Gleichanteil aus dem Oberschwingungsstromvektor extrahiert, sodass als Eingangsgröße für den Regler nur die spezifische Oberschwingung, die die Regelgröße darstellt, verwendet wird.
Diese Transformation sowie die daran anschließende Regelung des zugehörigen Oberschwingungsstromvektors werden erfindungsgemäß für mindestens eine Harmonische der Phasenströme durchgeführt; in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung jedoch für mehrere Harmonische, insbesondere für alle Harmonische, die einen signifikanten Einfluss auf die Akustik und die Verluste der Maschine haben. In diesem Fall können für die verschiedenen Harmonischen jeweils Oberschwingungssollstromvektoren in Abhängigkeit des Betriebspunktes der elektrischen Maschine in der Look-up Table hinterlegt und zur Stromregelung ausgelesen werden.
Schließlich werden in einem weiteren Verfahrensschritt Phasenspannungen für die elektrische Maschine in Abhängigkeit des ersten und zweiten Stellgrößenvektors eingestellt. Bei einer Transformation und Regelung weiterer Oberschwingungsanteile werden entsprechend auch die daraus abgeleiteten weiteren Stellgrößenvektoren bei der Einstellung der Phasenspannungen berücksichtigt.
Das erfindungsgemäße Regelungsverfahren hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine gezielte hochdynamische Regelung der Oberschwingungsanteile möglich ist, ohne den magnetischen und mechanischen Aufbau der dynamoelektrischen Maschine im Detail zu ermitteln und zu modellieren. Letzteres ist bei bekannten Verfahren, die auf einer Regelung der Oberschwingungsanteile durch Störgrößenaufschaltung basieren, der Fall, was diese Verfahren für viele Anwendung unpraktikabel macht.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung stellt der erste Stellgrößenvektor die Ausgangsgröße eines ersten Reglers und der zweite Stellgrößenvektor die Ausgangsgröße eines zweiten Reglers, der vom ersten Regler verschieden ist, dar. Durch die Verwendung jeweils eines eigenen Reglers für den Grundschwingungsanteil und jeweils eines Reglers für jeden einzelnen zu regelnden Oberschwingungsanteil kann insgesamt eine Stromregelung mit höhere Störungsdynamik realisiert werden. Die Dimensionierung jedes einzelnen Reglers auf einen engen Frequenzbereich ermöglicht eine höhere Dynamik, als ein einziger Stromregler leisten kann, der einen breiten Frequenzbereich bedienen muss.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, dass der erste und zweite Regler unterschiedlich parametrisierte PI-Regler sind. Alternativ kann auch ein PID-Regler für den ersten und zweiten Regler vorgesehen werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden sämtliche Stellgrößenvektoren mittels inverser Clarke-Transformation in ein statorbezogenes 2-phasiges α/β-Koordinatensystem transformiert und anschließend zu einem Stellgrößensummenvektor summiert. Auf Basis des Stellgrößensummenvektors können dann mit Hilfe einer Raumzeigermodulation Schaltsignale für einen die Maschine speisenden Umrichter erzeugt werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur feldorientierten Stromregelung einer mehrphasigen dynamoelektrischen Maschine umfasst eine Verarbeitungseinheit zur

a. Transformation von Phasenströmen der Maschine aus einem statorbezogenen mehrphasigen Koordinatensystem in einen Grundschwingungsstromvektor in einem mit einer Grundschwingungsfrequenz rotierenden zweiachsigen ersten d/q-Koordinatensystem,
b. Transformation von Oberschwingungsanteilen der Phasenströme der Maschine aus dem statorbezogenen mehrphasigen Koordinatensystem in zumindest einen Oberschwingungsstromvektor in einem zweiachsigen zweiten d/q-Koordinatensystem, das mit einer Oberschwingungsfrequenz der Grundschwingungsfrequenz rotiert,
c. Bestimmung eines ersten Stellgrößenvektors auf Basis einer ersten Regelabweichung zwischen dem Grundschwingungsstromvektor und einem Grundschwingungssollstromvektor im ersten d/q-Koordinatensystem,
d. Bestimmung eines geeigneten Oberschwingungssollstromvektors zur Kompensation eines Oberschwingungsanteils des magnetischen Momentes im Luftspalt der dynamoelektrischen Maschine in Abhängigkeit des Betriebspunktes der dynamoelektrischen Maschine, und zur
e. Bestimmung eines zweiten Stellgrößenvektors auf Basis einer zweiten Regelabweichung zwischen dem Oberschwingungsstromvektor und dem Oberschwingungssollstromvektor,

Ein elektrisches Antriebssystem mit einer permanenterregten Synchronmaschine und einer derartigen Vorrichtung zeichnet sich durch geringere Verluste und bessere akustische Eigenschaften im Vergleich zu bekannten elektrischen Antriebssystemen aus. Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Funktional gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:

1: einen aus dem Stand der Technik bekannten Regelkreis für eine Synchronmaschine auf Basis der feldorientierten Regelung,
2: ein statorfestes 3-phasigen Koordinatensystem und ein mit der Grundschwingung des Rotorflusses rotierendes d/q-Koordinatensystems gemäß Stand der Technik,
3: einen Regelkreis für eine Synchronmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
4: ein 3-phasiges statorfesten Koordinatensystem und synchron zu Oberschwingungen des Rotorflusses rotierende d/q-Koordinatensysteme gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

1 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Regelkreis für eine permanenterregte Synchronmaschine 1, wie er aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt ist. Beispielsweise handelt es sich bei der permanenterregten Synchronmaschine 1 um einen Antriebsmotor eines Elektrofahrzeugs. Aus einer Betätigung des Gaspedals und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs ermittelt eine übergeordnete Steuerung gewünschte Werte für das Drehmoment und die Drehzahl der Synchronmaschine 1. Eine übergeordnete Regelung ermittelt aus diesen Größen einen Grundschwingungssollstromvektor 2 für den in die Statorwicklung der Synchronmaschine 1 einzuspeisen den Strom. Dieser Grundschwingungssollstromvektor 2 ist auf ein rotorflussfestes d/q-Koordinatensystem bezogen und umfasst daher eine Komponente i_q*, die proportional zum Drehmoment der Synchronmaschine 1 ist, und eine Komponente i_d*, die den Luftspaltfluss innerhalb der Maschine beeinflusst. Der Grundschwingungssollstromvektor 2 bildet die Führungsgröße des Regelkreises.
Die Synchronmaschine 1 umfasst einen Rotorlagegeber 3 zur Ermittlung des Rotorlagewinkels Θ. Die Rotorlage wird benötigt, um eine am Rotorfluss orientierte d/q-Transformation 4 durchzuführen, die unter dem Namen Clarke-Parks-Transformation bekannt ist. Eingangsgrößen für die d/q Transformation 4 sind neben dem Rotorlagewinkel Θ die drei Phasenströme i_u ,i_v ,i_w . Durch die d/q-Transformation 4 werden diese drei Phasenströme in einen Grundschwingungsstromvektor 5 mit den Komponenten i_q , i_d transformiert.
Schließlich wird die Regelabweichung zwischen dem Grundschwingungssollstromvektor 2 und dem Grundschwingungsstromvektor 5 bestimmt, die als Eingangsgröße für einen PI-Regler 6 verwendet wird. Am Ausgang des PI Reglers 6 liegt schließlich ein Stellgrößenvektor im d/q-Koordinatensystem vor, der mittels einer inversen Clarke-Transformation 7 in ein noch immer 2-dimensionales jedoch nunmehr statorfestes Koordinatensystem überführt wird. Der Stellgrößenvektor im sogenannten α/β-Koordinatensystem eignet sich hervorragend, um mithilfe einer sogenannten Raumzeigermodulation 8 ein entsprechendes Schaltmuster für einen dreiphasigen Spannungszwischenkreisumrichter 9 zu erzeugen. Der Spannungszwischenkreisumrichter 9 ist schließlich mit den Klemmen der Statorwicklung der Synchronmaschine 1 verbunden.
2 stellt die Koordinatensysteme vor der d/q-Transformation mit den u,v,w- Koordinaten und nach der d/q-Transformation mit den Koordinaten q,d dar. Das d/q-Koordinatensystem ist am Rotorfluss der Maschine orientiert, sodass die Grundschwingungskomponenten des Stromes im d/q-Koordinatensystem als Gleichgrößen abgebildet sind. Oberschwingungsanteile des Phasenstromes sind jedoch auch im d/q-Koordinatensystem Wechselgrößen. Wenn man nun gleichzeitig eine hochdynamische und stabile Regelung der Grundschwingungskomponente und eine gezielte Einstellung von Oberschwingungsanteilen im Phasenstrom erzielen möchte, um Oberschwingungsanteile des Luftspaltmomentes zu kompensieren, stellt sich das Problem, geeignete Parameter für einen einzigen Regler zu finden, der einen vergleichsweise großen Frequenzbereich bedienen muss.
3 zeigt eine Ausführungsform gemäß der Erfindung, die das angesprochene Problem löst. 4 zeigt die zugehörigen Koordinatensysteme.
Wie in 3 zu erkennen ist, enthält der Regelkreis neben einer ersten Führungsgröße in Form des bereits in 1 dargestellten Grundschwingungssollstromvektor 2 einen Oberschwingungssollstromvektor 10 mit den Komponenten i_q5* und i_d5*. Dieser Oberschwingungssollstromvektor 10 repräsentiert eine Sollwertvorgabe für die fünfte harmonische Oberschwingung des Phasenstromes. Der Wert dieses Oberschwingungssollstromvektors ist aus einer Look-up Table ausgelesen worden, die in einem nicht dargestellten Speicher abgelegt ist. Diese Look-up Table enthält für verschiedene Betriebspunkte der elektrischen Maschine, d. h. für verschiedene Drehmomente und Drehzahlen, geeignete Kompensationssignale in Form von Oberschwingungssollstromvektoren. Diese sind im Vorfeld mithilfe einer Finite Elemente Simulation oder experimentell ermittelt worden, indem für verschiedene Oberschwingungsanteile im Phasenstrom die Vibrationsantworten der Maschine bzw. des Antriebsstranges, in den die Maschine eingebettet ist, ermittelt wurden. Demnach löst der dargestellte Regelkreis die Aufgabe, die fünfte harmonische des Phasenstromes auf den Oberschwingungssollstromvektor zu regeln, der aus der Look-up Table als geeignetes Kompensationssignale für den von der Maschine angestrebten Betriebspunkt ausgelesen wurde.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass der Oberschwingungssollstromvektor für die fünfte Harmomische 10 lediglich ein Beispiel für eine zusätzliche Führungsgröße des Regelkreises ist. Zweckmäßigerweise ist für mehrere, insbesondere sämtliche im magnetischen Luftspaltfeld signifikant auftretenden Oberschwingungsanteile jeweils ein funktionaler Zusammenhang zwischen einem Betriebspunkt der Maschine und einem zugehörigen Oberschwingungssollstromvektor in der Look-up Table abgelegt. Jeder dieser Oberschwingungssollstromvektoren stellt dann eine eigene Führungsgröße für einen eigenen Regelkreis dar. Lediglich der Übersichtlichkeit halber enthält die Darstellung in 3 nur einen Regelkreis für die fünfte Harmonische.
Grundsätzlich entspricht der Regelkreis in 3 vom Aufbau her dem Regelkreis in 1. Es ist jedoch eine zusätzliche d/q-Transformation 11 zur Transformation der fünften Oberschwingung der Phasenströme in das d/q-System vorgesehen sowie eine zusätzliche inverse Clarke-Transformation 12 zur Rücktransformation aus dem d/q-System in das α/β-System. Der Ausgang des zusätzlichen Blockes für die d/q-Transformation wird schließlich von den Sollwerten für die fünfte Harmonische subtrahiert, um die Regelabweichung der fünften Harmonischen zu bestimmen. Diese Regelabweichung wird im Anschluss durch weitere PI-Regler 17 in einen Stellgrößenvektor überführt. Im Anschluss wird mittels der zusätzlichen Clarke-Transformation 12 eine Darstellung des Stellgrößenvektors im a/β-System erzeugt. Vor der Erzeugung des Schaltmuttermusters mithilfe der Raumzeigermodulation 8 werden die Stellgrößenvektoren für den Grundschwingungsanteil und den Oberschwingungsanteil addiert.
Wie in 4 dargestellt, besteht der Kerngedanke der Erfindung darin, die d/q-Transformation für den Grundschwingungsanteil, wie aus dem Stand der Technik bekannt, durchzuführen. D. h., dass die ursprünglich in einem statorfesten 3-phasigen Koordinatensystem 13 definierten elektrischen Größen in ein mit einer Grundschwingungsfrequenz rotierendes zweiachsiges Koordinatensystem 14 überführt werden. Zusätzlich aber wird jeder relevante Oberschwingungsanteil in ein weiteres zweiachsiges d/q-Koordinatensystem 15 transformiert, das mit einer entsprechenden Frequenz des Oberschwingungsanteils rotiert. Dort wird der Oberschwingungsanteil mit einem eigenen Regler, der bezüglich des Frequenzbereiches der Oberschwingung optimal parametrisiert ist, auf seinen Sollwert geregelt.
Bezugszeichenliste

1: Synchronmaschine
2: Grundschwingungssollstromvektor
3: Rotorlagegeber
4: d/q-Transformation
5: Grundschwingungsstromvektor
6: erster PI-Regler
7: Inverser Clarke-Transformation
8: Raumzeigermodulation
9: Spannungszwischenkreisumrichter
10: Oberschwingungssollstromvektor
11: zusätzliche d/q-Transformation
12: zusätzliche inverse Clarke-Transformation
13: statorbezogenes 3-phasiges Koordinatensystem
14: mit einer Grundschwingungsfrequenz rotierendes zweiachsiges Koordinatensystem
15: weiteres zweiachsiges d/q-Koordinatensystem
16: Oberschwingungsstromvektor
17: zweiter PI-Regler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8541968 B2 [0006, 0017]

Claims

Verfahren zur feldorientierten Stromregelung einer mehrphasigen dynamoelektrischen Maschine (1) mit einem Stator und einem über einen Luftspalt hiervon beabstandeten Läufer mit folgenden Verfahrensschritten: i. Transformation von Phasenströmen der Maschine aus einem statorbezogenen mehrphasigen Koordinatensystem (13) in einen Grundschwingungsstromvektor in einem mit einer Grundschwingungsfrequenz rotierenden zweiachsigen ersten d/q-Koordinatensystem (14), ii. Transformation von Oberschwingungsanteilen der Phasenströme der Maschine aus dem statorbezogenen mehrphasigen Koordinatensystem (13) in zumindest einen Oberschwingungsstromvektor (16) in einem zweiachsigen zweiten d/q-Koordinatensystem (15), das mit einer Oberschwingungsfrequenz der Grundschwingungsfrequenz rotiert, iii. Bestimmung eines ersten Stellgrößenvektors auf Basis einer ersten Regelabweichung zwischen dem Grundschwingungsstromvektor (5) und einem Grundschwingungssollstromvektor (2) im ersten d/q-Koordinatensystem, der einem gewünschten Betriebszustand der Maschine entspricht, iv. Bestimmung eines geeigneten Oberschwingungssollstromvektors (10) zur Kompensation eines Oberschwingungsanteils des Momentes im Luftspalt der dynamoelektrischen Maschine in Abhängigkeit des Betriebspunktes der dynamoelektrischen Maschine, v. Bestimmung eines zweiten Stellgrößenvektors auf Basis einer zweiten Regelabweichung zwischen dem Oberschwingungsstromvektor (16) und dem Oberschwingungssollstromvektor (10) und vi. Einstellen von Phasenspannungen für die elektrische Maschine (1) in Abhängigkeit des ersten und zweiten Stellgrößenvektors.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Stellgrößenvektor die Ausgangsgröße eines ersten Reglers (6) darstellt und der zweite Stellgrößenvektor die Ausgangsgröße eines zweiten Reglers (17) darstellt, der vom ersten Regler (6) verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der erste und zweite Regler (6,17) unterschiedlich parametrisierte PI-Regler sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei gemäß der Verfahrensschritte ii, iv und v nach Anspruch 1 weitere Stellgrößenvektoren auf Basis einer Regelabweichung zwischen weiteren Oberschwingungsstromvektoren (16) und Oberschwingungssollstromvektoren (10) ermittelt werden und bei der Einstellung der Phasenspannung gemäß Schritt v berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der oder die Oberschwingungssollstromvektoren (10), die zur Kompensation eines Oberschwingungsanteils des Momentes im Luftspalt der dynamoelektrischen Maschine in Abhängigkeit des Betriebspunktes der dynamoelektrischen Maschine geeignet sind, aus einer Look-up Table ausgelesen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sämtliche Stellgrößenvektoren mittels inverser Clarke-Transformation (7,12) in ein statorbezogenes 2-phasiges α/β-Koordinatensystem transformiert und anschließend zu einem Stellgrößensummenvektor summiert werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei auf Basis des Stellgrößensummenvektors mit Hilfe einer Raumzeigermodulation (8) Schaltsignale für einen die Maschine (1) speisenden Umrichter (9) erzeugt werden.
Vorrichtung zur feldorientierten Stromregelung einer mehrphasigen dynamoelektrischen Maschine (1), die eine Verarbeitungseinheit umfasst zur a. Transformation von Phasenströmen der Maschine aus einem statorbezogenen mehrphasigen Koordinatensystem (13) in einen Grundschwingungsstromvektor (5) in einem mit einer Grundschwingungsfrequenz rotierenden zweiachsigen ersten d/q-Koordinatensystem (14), b. Transformation von Oberschwingungsanteilen der Phasenströme der Maschine aus dem statorbezogenen mehrphasigen Koordinatensystem (13) in zumindest einen Oberschwingungsstromvektor (16) in einem zweiachsigen zweiten d/q-Koordinatensystem (15), das mit einer Oberschwingungsfrequenz der Grundschwingungsfrequenz rotiert, c. Bestimmung eines ersten Stellgrößenvektors auf Basis einer ersten Regelabweichung zwischen dem Grundschwingungsstromvektor (5) und einem Grundschwingungssollstromvektor (2) im ersten d/q-Koordinatensystem, d. Bestimmung eines geeigneten Oberschwingungssollstromvektors (10) zur Kompensation eines Oberschwingungsanteils des Momentes im Luftspalt der dynamoelektrischen Maschine in Abhängigkeit des Betriebspunktes der dynamoelektrischen Maschine, und zur e. Bestimmung eines zweiten Stellgrößenvektors auf Basis einer zweiten Regelabweichung zwischen dem Oberschwingungsstromvektor (16) und dem Oberschwingungssollstromvektor (10), wobei die Vorrichtung ferner einen Speicher für eine Look-up Table umfasst, in der Oberschwingungssollstromvektoren (10) für unterschiedliche Betriebspunkte der Maschine abgelegt sind, und wobei die Vorrichtung einen Umrichter (9) zur Einstellung von Phasenspannungen für die elektrische Maschine (1) in Abhängigkeit des ersten und zweiten Stellgrößenvektors umfasst.
Elektrisches Antriebssystem mit einer permanenterregten Synchronmaschine und einer Vorrichtung nach Anspruch 8.