DE102017201133A1

DE102017201133A1 - Bestimmung eines Soll-Arbeitspunkts zur Verwendung bei der feldorientierten Steuerung/Regelung einer Drehfeldmaschine

Info

Publication number: DE102017201133A1
Application number: DE102017201133.5A
Authority: DE
Inventors: Mesut ER; Oussama Jabloun; Vitali Borokh
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2017-01-25
Filing date: 2017-01-25
Publication date: 2018-07-26

Abstract

Eine Drehfeldmaschine mit mehreren Phasen kann mittels eines Wechselrichters im Rahmen einer feldorientierten Steuerung oder feldorientierten Regelung angesteuert werden. Ein Verfahren (410) zum Bestimmen eines Soll-Arbeitspunkts bei der feldorientierten Steuerung/Regelung umfasst Schritte des Bestimmens eines wirkungsgradoptimierten Sollflusswerts (ΨrFF); und des Korrigierens des wirkungsgradoptimierten Sollflusswerts (ΨrFF) durch einen Sollfluss-Korrekturwert (ΨrPI), um einen endgültigen Sollflusswert (Ψr*) zu erhalten. Dabei wird der Sollfluss-Korrekturwert (ΨrPI) durch Vergleich einer maximalen Aussteuerung (UaustMax) mit einer gegenwärtigen, durch die feldorientierte Steuerung/Regelung berechneten Aussteuerung (Uaust) gewonnen.

Description

Die Erfindung betrifft die Bestimmung eines Soll-Arbeitspunkts zur Verwendung bei der feldorientierten Steuerung/Regelung einer Drehfeldmaschine. Die Erfindung ist durch ein Verfahren, ein Computerprogrammprodukt und eine Steuervorrichtung verwirklicht.
Eine elektrische Maschine, insbesondere eine Drehfeldmaschine, umfasst einen Stator und einen Rotor, die drehbar gegeneinander gelagert sind. Der Stator weist um den Rotor herum angeordnete Spulen auf, welche die Phasen der Maschine bilden und bei Erregung durch entsprechende Phasenströme den Rotor in Bewegung versetzen. Die Phasenströme werden durch einen Wechselrichter aus einer Gleichspannung, auch als Zwischenkreisspannung bezeichnet, gebildet. Zur Ansteuerung des Wechselrichters wird zunächst anhand von Vorgabewerten, etwa des Drehmoments, ein Arbeitspunkt der Maschine in Form eines Statorstroms bezüglich eines rotorfesten Koordinatensystems ermittelt. Die rotorfesten Koordinaten, auch als Feldkoordinaten bezeichnet, weisen eine flussbildende Komponente (d-Koordinate) und eine drehmomentbildende Komponente (q-Komponente) auf. Die Verwendung des rotorfesten Koordinatensystems hat den Vorteil, dass die Phasenströme, die bei einer statorfesten Betrachtung als Wechselströme durch die Phasen des Stators fließen, als Gleichströme behandelt werden können. Die Komponenten des Statorstroms werden in mehreren Schritten in Phasenspannungen umgerechnet, welche dann in Steuersignale zur Ansteuerung des Wechselrichters moduliert werden. Diese Form der Steuerung bzw. Regelung wird als feldorientierte Steuerung (FOS) bezeichnet. Zur Schließung der Regelschleife können die gemessenen Phasenströme in das rotorfeste Koordinatensystem transformiert und in dieser Form den Sollströmen rückgeführt werden. Diese Form der Steuerung bzw. Regelung wird als feldorientierte Regelung (FOR) bezeichnet.
Es ist bekannt, zur Bestimmung des Arbeitspunkts einen Soll-Flusswert etwa anhand einer Drehzahl zu ermitteln. Der Spannungsbedarf zur Verwirklichung eines bestimmten Arbeitspunkts hängt vom Produkt aus magnetischem Fluss Ψ und Kreisfrequenz ωr des Rotors ab. Der Wechselrichter kann jedoch nur eine bestimmte Grenzspannung (Spannungsgrenze) liefern, welche von der Zwischenkreisspannung und der Art der Modulation der Phasenspannungen abhängt. Die Spannungsgrenze ist als eine maximale Aussteuerung systembedingt vorgegeben, wobei als Aussteuerung der genutzte Anteil der Zwischenkreisspannung zu verstehen ist, also als das Verhältnis eines Betrags der berechneten Statorspannung in Polarkoordinaten zur Zwischenkreisspannung definiert ist. Die maximale Aussteuerung ist durch den Modulationsgrad der Phasenspannungen in der Steuerung bzw. Regelung der Drehfeldmaschine vorgegeben. Sie kann bei einer Raumzeigermodulation beispielsweise $\frac{1}{\sqrt{3}},$
bei einer Blocktaktung beispielsweise 2/π betragen.
Bei gegebenem Fluss steigt der Spannungsbedarf mit steigender Drehgeschwindigkeit des Rotors. Dies ist unterhalb der Spannungsgrenze unproblematisch, man spricht hier von einem Grunddrehzahlbereich. Ist die Spannungsgrenze erreicht, kann eine Feldschwächung eintreten. Gleiches kann geschehen, wenn die Zwischenkreisspannung nicht konstant ist und bei gegebener Drehgeschwindigkeit abfällt, was beispielsweise bei Traktionsbatterien für Fahrzeugantriebe sein kann. In einem praktischen Beispiel wurde beobachtet, dass sich eine Zwischenkreisspannung von nominell 400 VDC tatsächlich zwischen etwa 260 und 460 VDC änderte. In diesem Bereich der Feldschwächung kann der Wechselrichter den Spannungsbedarf nicht mehr decken. Um diesen Zustand zu verhindern, ist es bekannt, die Phasenspannungen nach ihrer Berechnung zu begrenzen. Allerdings kann die Regelung aufgrund von Verzögerungen in der Berechnung nachhinken, sodass es möglich ist, dass zu hohe Werte gerechnet werden, die im Ergebnis nicht benötigt werden.
Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine verbesserte Technik zur feldorientierten Steuerung oder Regelung einer Asynchronmaschine anzugeben. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine stabilere Regelung in einem Fall sinkender oder schwankender Zwischenkreisspannung zu ermöglichen und die Spannungsgrenze des Wechselrichters besser auszunutzen. Die Erfindung löst diese Aufgaben mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Gemäß einem ersten Erfindungsgesichtspunkt wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Soll-Arbeitspunkts zur Verwendung bei der feldorientierten Steuerung/Reglung einer Drehfeldmaschine mit mehreren Phasen mittels eines Wechselrichters vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst Schritte des Bestimmens eines wirkungsgradoptimierten Sollflusswerts; und des Korrigierens des wirkungsgradoptimierten Sollflusswerts durch einen Sollfluss-Korrekturwert, um einen endgültigen Sollflusswert zu erhalten, wobei der Sollfluss-Korrekturwert durch Vergleich einer maximalen Aussteuerung mit einer gegenwärtigen durch die feldorientierte Steuerung/Regelung berechneten Aussteuerung gewonnen wird.
Eine Drehfeldmaschine weist einen Stator, welcher die stromdurchflossenen Phasen aufweist, und einen Rotor auf, welcher durch das in den Phasen des Stators erzeugte magnetische Drehfeld in Bewegung versetzt wird. Die Drehfeldmaschine kann ein Synchronmotor oder ein Asynchronmotor sein. Der Arbeitspunkt kann als Soll-Statorstrom in einem ersten Koordinatensystem definiert sein. Das erste Koordinatensystem kann ein kartesisches, rotor- bzw. flussfestes Koordinatensystem sein, und kann ferner eine erste Komponente, die einem flussbildenden Anteil des Statorstroms entspricht, und eine zweite Komponente, die einem drehmomentbildenden Anteil des Statorstroms entspricht, aufweisen. Bei vorgegebenem Sollfluss können die Komponenten des Soll-Statorstroms auf an sich bekannte Weise berechnet werden. Vorzugsweise sind die Sollflusswerte Rotor-Sollflusswerte. Der Vergleich der Aussteuerungen betrifft vorzugsweise den Betrag der Aussteuerung, kann aber auch in seinen Komponenten durchgeführt werden. Da nach der Erfindung die gegenwärtige berechnete Aussteuerung bereits auf der Ebene der Arbeitspunktbestimmung zurückgeführt und mit der maximalen Aussteuerung verglichen wird, um den wirkungsgradoptimierten Sollflusswert zu korrigieren, kann die Steuerung bzw. Regelung schneller auf übermäßige Aussteuerungen reagieren. Dadurch kann die Spannungsgrenze besser ausgenutzt werden. Die Numerik kann stabiler und genauer arbeiten, da übermäßige Werte frühzeitig vermieden werden. Das Korrigieren des wirkungsgradoptimierten Sollflusswerts kann eine Addition des wirkungsgradoptimierten Sollflusswerts und des Sollfluss-Korrekturwerts aufweisen, was eine besonders einfache numerische Berechnung darstellen kann.
Der Vergleich kann durch einen PI-Regler (Proportional-Integral-Regler), dem die Differenz aus der maximalen Aussteuerung und der gegenwärtigen berechneten Aussteuerung als Eingangsgröße zugeführt wird, erfolgen. Der PI-Regler kann als einfacher Regler ausgeführt sein, der die Vorteile der Schnelligkeit und der Genauigkeit vereint.
Der Ausgang des PI-Reglers kann durch einen maximalen Sollfluss-Korrekturwert und/oder einen minimalen Sollfluss-Korrekturwert nach oben bzw. unten begrenzt sein, um ein Wind-up des PI-Reglers zu verhindern. Wenn der maximale Sollfluss-Korrekturwert zu Null festgelegt wird, kann auch sichergestellt werden, dass in einem Grunddrehzahlbereich die Aussteuerung durch die Regelung bzw. Steuerung nicht über die maximale Aussteuerung schwingt. Wenn der minimale Sollfluss-Korrekturwert zwischen Null und einem negativen Betrag eines maximalen Rotorflusses festgelegt wird, kann in einem Feldschwächungsbereich, in welchem die Spannungsgrenze des Wechselrichters erreicht ist, die ausgesteuerte Phasenspannung unter die Spannungsgrenze gedämpft werden. Durch die Begrenzung des Sollfluss-Korrekturwerts nach unten kann auch wirksam verhindert werden, dass der endgültige Sollfluss negativ wird. Der maximale und der minimale Sollfluss-Korrekturwert können durch einen Sättigungsanteil im PI-Regler verwirklicht sein.
Das Bestimmen des wirkungsgradoptimierten Sollflusswerts kann ein Ermitteln eines theoretischen Sollflusswerts auf der Grundlage wenigstens eines Leistungsparameters der Drehfeldmaschine aufweisen. Der wenigstens eine Leistungsparameter kann ein Soll-Drehmoment und optional eine Soll-Drehzahl oder eine Ist-Drehzahl aufweisen. Die Bestimmung kann das Nachvollziehen eines Zusammenhangs zwischen magnetischem Fluss und Drehmoment und ggf. Drehzahl in Form einer Look-up-Tabelle oder einer mathematischen Funktion aufweisen.
Das Bestimmen des wirkungsgradoptimierten Sollflusswerts kann das Auswählen des theoretischen Sollflusswerts als wirkungsgradoptimierter Sollflusswert aufweisen. Da der theoretische Sollflusswert zumindest im Grunddrehzahlbereich üblicherweise einen wirkungsgradoptimierten Betrieb ermöglicht, ist die Auswahl des theoretischen Sollflusswerts ein geeigneter Ausgangspunkt für die weitere Bestimmung des Arbeitspunkts.
Das Verfahren kann ferner die Schritte aufweisen: Ermitteln eines maximalen Rotorflusswerts; und Auswählen eines Minimums des maximalen Rotorflusswerts und des theoretischen Flusswerts als wirkungsgradoptimierter Sollflusswert. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass im Grunddrehzahlbereich weiterhin der wirkungsgradoptimierte, theoretische Sollflusswert verwendet wird. Wenn dieser jedoch größer als der maximale Rotorflusswert wird, kann durch Auswählen des maximalen Rotorflusswerts als wirkungsgradoptimierter Sollflusswert sichergestellt werden, dass der verlangte Rotorfluss nicht übermäßig wächst.
Der maximale Rotorflusswert kann als Quotient einer maximalen Statorspannung und einer Ist-Kreisfrequenz der Drehfeldmaschine ermittelt werden. Ein so ermittelter maximaler Rotorflusswert entspricht demjenigen Rotorfluss, der bei Erreichen der Spannungsgrenze herrscht. Somit kann durch den so verwendeten maximalen Rotorflusswert sichergestellt werden, dass die Regelung maximal im Bereich der Spannungsgrenze aussteuert. Der so ermittelte maximale Rotorflusswert entspricht dem tatsächlichen maximalen Rotorfluss gegebenenfalls nur annähernd, für die vorliegende Steuerung aber im Allgemeinen ausreichend genau. Optional kann der maximale Rotorflusswert dem tatsächlichen maximalen Rotorfluss durch Berücksichtigung weiterer Parameter weiter angenähert oder durch andere Abhängigkeiten ermittelt werden. Die maximale Statorspannung kann durch ein Produkt der Ist-Zwischenkreisspannung und der maximalen Aussteuerung ermittelt werden.
Gemäß einem weiteren Erfindungsgesichtspunkt wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Soll-Arbeitspunkts zur Verwendung bei der feldorientierten Steuerung/Reglung einer Drehfeldmaschine mit mehreren Phasen mittels eines Wechselrichters vorgeschlagen. Das Verfahren weist die Schritte auf: Bestimmen eines theoretischen Sollflusswerts auf der Grundlage wenigstens eines Leistungsparameters der Drehfeldmaschine; Ermitteln eines maximalen Rotorflusswerts; und Auswählen eines Minimums des maximalen Rotorflusswerts und des theoretischen Flusswerts als wirkungsgradoptimierter Sollflusswert. Das Verfahren kann ferner das Festlegen des wirkungsgradoptimierten Sollflusswerts als endgültigen Sollflusswert umfassen.
Das Verfahren kann ferner die Schritte aufweisen: Korrigieren des wirkungsgradoptimierten Sollflusswerts durch einen Sollfluss-Korrekturwert, um einen endgültigen Sollflusswert zu erhalten, wobei der Sollfluss-Korrekturwert durch Vergleich einer maximalen Aussteuerung mit einer gegenwärtigen durch die feldorientierte Steuerung/Regelung berechneten Aussteuerung gewonnen wird.
Das Verfahren kann ferner ein Berechnen eines Statorstrom-Sollwerts auf der Grundlage des endgültigen Sollflusswerts umfassen.
Ein Computerprogrammprodukt umfasst gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung Programmcodemittel zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungsvorrichtung ausgeführt wird oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
Eine Steuervorrichtung für eine mit einem Wechselrichter verbundene Drehfeldmaschine mit mehreren Phasen umfasst gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung einen Steuerungs-/Regelungsblock, der dazu eingerichtet ist, die Drehfeldmaschine auf der Basis von Sollwerten feldorientiert zu steuern, und einen Arbeitspunktbestimmungsblock zur Bestimmung der Sollwerte für den Steuerungs-/Regelungsblock. Die Steuervorrichtung kann insbesondere als programmierbarer Mikrocomputer oder Mikrocontroller ausgeführt sein. Der Arbeitspunktbestimmungsblock kann insbesondere dazu eingerichtet sein, einen wirkungsgradoptimierten Sollflusswert für die Drehfeldmaschine zu bestimmen; und den wirkungsgradoptimierten Sollflusswert durch einen Sollfluss-Korrekturwert zu korrigieren, um einen endgültigen Sollflusswert zu erhalten, wobei der Sollfluss-Korrekturwert durch Vergleich einer maximalen Aussteuerung mit einer gegenwärtigen, durch die feldorientierte Steuerung/Regelung berechneten Aussteuerung gewonnen wird. In einer Ausführungsform ist der Arbeitspunktbestimmungsblock dazu eingerichtet, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen. Dabei ist ein periodisches Durchlaufen des Verfahrens in vorbestimmten Zeitschritten fester Länge bevorzugt.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:

1 eine schematische Darstellung einer Drehfeldmaschine mit unterschiedlichen Koordinatensystemen;
2 einen schematische Darstellung eines beispielhaften Raumzeigers eines magnetischen Flusses in unterschiedlichen Koordinatensystemen;
3 ein Schaltschema einer beispielhaften feldorientierten Regelung (FOR); und
4 ein Schaltschema eines beispielhaften Algorithmus bei der Arbeitspunktbestimmung

1 zeigt eine Drehfeldmaschine 100, insbesondere eine Asynchronmaschine (ASM). Die Drehfeldmaschine 100 ist bevorzugt zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug vorgesehen, zum Beispiel als Antriebsmotor. Die Drehfeldmaschine 100 umfasst einen Stator 105 und einen Rotor 110, die bezüglich einer Drehachse 115 drehbar gegeneinander gelagert sind. Am Stator 105 sind wenigstens drei Spulen 120 gleichmäßig versetzt auf einem Umfang um die Drehachse 115 angebracht. Es sind drei Phasen U, V und W vorgesehen, wobei jede Phase U, V, W mit gleich vielen Spulen 120 verbunden ist und die Spulen 120 abwechselnd äquidistant auf dem Umfang verteilt sind. Eine Polpaarzahl Zp gibt an, wie viele Spulen 120 pro Phase vorgesehen sind. In der dargestellten Ausführungsform beträgt eine Polpaarzahl eins, in anderen Ausführungsformen ist die Polpaarzahl größer. Im Folgenden wird beispielhaft vereinfachend von einer Polpaarzahl von eins ausgegangen, sodass eine Phase einer Spule 120 entspricht und eine elektrische Drehgeschwindigkeit einer mechanischen Drehgeschwindigkeit entspricht. Freie Anschlüsse der Spulen 120 sind vorzugsweise sternförmig miteinander verbunden, eine Dreiecksschaltung ist ebenfalls möglich. Werden die Phasen U, V, W mit geeignet phasenverschobenen Wechselströmen angesteuert, so wird ein Drehmoment generiert, das den Rotor 110 um die Drehachse 115 bezüglich des Stators 105 dreht.
2 zeigt unterschiedliche Koordinatensysteme, in denen die phasenverschobene Ansteuerung der Phasen U, V, W mit Wechselströmen dargestellt werden kann. Im statorfesten U,V,W-Koordinatensystem sind die Koordinatenachsen paarweise um 120° gegeneinander verschoben. Da die Ströme der Phasen U, V, W in Summe null ergeben, kann ein Stromzeiger bzw. Stromvektor 125 auch in einem statorfesten, zweidimensionalen α,β-Koordinatensystem dargestellt werden. Ferner ist ein rotorfestes d,q-Koordinatensystem dargestellt, dessen d-Komponente hier gleichgerichtet mit einem magnetischen Fluss im Rotor 110 verläuft. Ein Winkel θd zwischen der d-Achse und der α- bzw. U-Achse entspricht einem mechanischen Drehwinkel θmech zwischen dem Rotor 110 und dem Stator 105. Ein elektrischer Drehwinkel θel entspricht dem mechanischen Drehwinkel θmech multipliziert mit der Polpaarzahl.
Das Betrachten bzw. Steuern von durch die Phasen U, V, W fließenden Strömen im rotorfesten d,q-Koordinatensystem wird feldorientierte Steuerung (FOS) genannt. Erfolgt zusätzlich eine Bestimmung von Phasenströmen für eine Rückkopplung, so entspricht dies einer feldorientierten Regelung (FOR). Durch Bezugnahme auf das d,q-System können sich verarbeitungstechnische oder rechnerische Vorteile ergeben.
Die Spannungen und Ströme der einzelnen Phasen werden bei der feldorientierten Regelung in Form von Raumzeigern zusammengefasst. Diese Raumzeiger beziehen sich zunächst auf das statorfeste α,β-Koordinatensystem und rotieren daher asynchron bezüglich des Rotors. Um die Größen auf den Rotor zu beziehen, werden die Zeiger bevorzugt auf das rotorfeste d,q-Koordinatensystem transformiert.
Für ein beliebiges a,b-Koordinatensystem können die Raumzeiger transformiert werden. Diese Transformation entspricht einer Rotation, mit anderen Worten, sie besteht aus einer Verdrehung eines Raumzeigers um einen entsprechenden Transformationswinkel. Dazu müssen geeignete Transformationswinkel ermittelt werden. 2 zeigt einen beispielhaften Raumzeiger Ψ eines magnetischen Flusses in einem statorfesten α,β-Koordinatensystem, einem rotorfesten d,q-Koordinatensystem und einem allgemeinen a,b-Koordinatensystem.
3 zeigt ein Schaltschema einer beispielhaften feldorientierten Regelung (FOR). Die feldorientierte Regelung kann als Steuervorrichtung 305 ausgeführt sein, die eine Steuerung des Drehverhaltens der Drehfeldmaschine 100 auf der Basis eines Raumzeigers nach Art einer Vektorregelung durchführt. Dazu können Teile der Steuervorrichtung 305 insbesondere von einem programmierbaren Mikrocomputer oder Mikrocontroller umfasst sein, wobei die Verarbeitung bevorzugt digital erfolgt. Die Darstellung von 3 kann jedoch auch als Ablaufschema für ein Verfahren 310 zum Steuern der Drehfeldmaschine 100 aufgefasst werden. Dementsprechend können in 3 gezeigte Einheiten, Blöcke, Gruppen, Glieder etc. als verdrahtete und/oder gegebenenfalls programmierte Funktionseinheiten der Steuervorrichtung 305 oder als Prozessabschnitte des Verfahrens 310 verwirklicht sein. Es sei darauf hingewiesen, dass die Verwendung des Begriffs der Steuervorrichtung nicht ausschließt, dass hierin eine Rückführung der Regelgröße vorkommt. Ebenso soll die Verwendung des Begriffs der Regelung nicht andeuten, dass eine Rückführung der Regelgröße unverzichtbar sei.
Das Schaltschema von 3 weist einen Arbeitspunktbestimmungsblock 315 und einen Regelblock 320 auf. In dem Arbeitspunktbestimmungsblock 315 wird der Arbeitspunkt der Drehfeldmaschine 100 bestimmt, indem die Sollströme im d,q-Koordinatensystem (Feldkoordinaten) isd*, isq* berechnet werden. Der Regelblock 320 weist in der dargestellten Ausführungsform zwei Subtraktionsglieder 325, zwei PI-Regler 330, eine Entkopplungseinheit 335, eine erste Transformationsgruppe 340 mit einem Polarisierungsglied 345 und einem Phasentrennglied 350, eine Modulationseinheit 355, eine zweite Transformationsgruppe 370 mit einem Transformationsglied 375 und einem Rotationsglied 380, eine Flussmodellierungseinheit 385 und einen Tachogeber 390 auf.
Die Sollströme isd*, isq* aus dem Arbeitspunktbestimmungsblock 315 werden zunächst über die Subtraktionsglieder 325 den PI-Reglern 330 und von dort der Entkopplungseinheit 335 zugeführt, um die Sollspannungen im d,q-Koordinatensystem usd, usq zu bestimmen. Die bestimmten Sollspannungen usd, usq werden in der ersten Transformationsgruppe 340 in Phasenspannungen uu, uv, uw umgerechnet. Hierzu wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das rotorfeste System (d, q) der Sollspannungen zunächst in dem Polarisierungsglied 345 in Polarkoordinaten P (Uaust, ϑUaust) der Spannungsaussteuerung ungerechnet und diese werden dann in dem Phasentrennglied 350 in die Phasenspannungen uu, uv, uw umgerechnet. Die Modulationseinheit 355 dient der Modulation, Übermodulation und Blocktaktung der Phasenspannungen. Eine Übermodulation kann durchgeführt werden, um ein durch die Drehfeldmaschine 100 abgegebenes Drehfeld zu maximieren. Dabei wird der Raumzeiger im Raumzeigerdiagramm nicht auf einem Kreis, sondern im Extremfall auf einem den Kreis umschreibenden Sechseck geführt. Durch die Übermodulation können die Phasenspannungen uu, uv, uw jedoch verzerrt werden, sodass ein Wirkungsgrad der Drehfeldmaschine 100 reduziert sein kann. Die modulierten Phasenspannungen werden sodann einem Wechselrichter 360 zugeführt, der beispielsweise durch eine Batterie 365 mit der Zwischenkreisspannung Udc versorgt wird und so auf an sich bekannte Weise die Drehfeldmaschine 100 ansteuert.
Die Phasenströme iu, iv, iw werden abgegriffen und über die zweite Transformationsgruppe 370 in das rotorfeste System zurückgeführt. Hierzu werden im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Phasenströme iu, iv, iw zunächst im Transformationsglied 375 in Statorkoodinaten (α,β) überführt und dann im Rotationsglied 380 in das rotorfeste System (d,q) gedreht. Die Motorströme in rotorfesten Koordinaten imd, imq werden jeweils dem invertierenden Eingang des jeweiligen Subtraktionsglieds 325 zugeführt, womit der Regelkreis geschlossen ist. Ferner werden die Motorströme in rotorfesten Koordinaten imd, imq der Flussmodellierungseinheit 385 zugeführt. Der Tachogeber 390 liefert ferner die Winkelgeschwindigkeit des Rotors ωm, die ebenfalls der Flussmodellierungseinheit 385 zugeführt wird. In der Flussmodellierungseinheit 385 wird der Rotorfluss in Polarkoordinaten (Ψrd, ϑs) bestimmt.
In diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, den Arbeitspunkt der Drehfeldmaschine 100 im Arbeitspunktbestimmungsblock 315 derart zu bestimmen, dass eine Übersteuerung des Wechselrichters 360 verbessert vermieden wird, wie nachstehend im Zusammenhang mit Fig. 4 näher erläutert wird.
4 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines beispielhaften eines beispielhaften Algorithmus zur Bestimmung eines Rotor-Sollflusswerts Ψr*. Der Algorithmus kann als Steuervorrichtung 405 ausgeführt sein, welche die Bestimmung des Rotor-Sollflusswerts Ψr* unter Berücksichtigung der Feldschwächung durchführt. Dazu können Teile der Steuervorrichtung 405 insbesondere von einem programmierbaren Mikrocomputer oder Mikrocontroller umfasst sein, wobei die Verarbeitung bevorzugt digital erfolgt. Die Darstellung von 4 kann jedoch auch als Ablaufschema für ein Verfahren 410 zur Bestimmung des Rotor-Sollflusswerts Ψr* aufgefasst werden. Dementsprechend können in 4 gezeigte Einheiten, Blöcke, Gruppen, Glieder etc. als verdrahtete und gegebenenfalls programmierte Funktionseinheiten der Steuervorrichtung 405 oder als Prozessabschnitte des Verfahrens 410 verwirklicht sein. Der Algorithmus der 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel Teil des Arbeitspunktbestimmungsblocks 315 des in 3 gezeigten Schaltschemas.
Der Algorithmus von 4 umfasst einen Funktionsabbildungsblock 415, ein Min-Glied 420, ein Multiplizierglied 425, ein Dividierglied 430, ein Addierglied 435 und einen PI-Regler 440 mit Sättigungsglied 445. Das Dividierglied kann als Multiplizierglied mit einem kehrwertbildenden Eingang ausgeführt sein.
Die Grunddrehzahl der Drehfeldmaschine 100 ist eine Drehzahl, bei welcher die Steuerung 340 eine Spannung unterhalb der Spannungsgrenze Usmax vom Wechselrichter 360 fordert, d.h., bei welcher die Steuerung 340 unterhalb der maximalen Aussteuerung UaustMax arbeitet. Bei Grunddrehzahl gibt es die Anforderung, in Abhängigkeit vom gewünschten Sollmoment Trq die Drehfeldmaschine 100 soweit zu magnetisieren, dass möglichst ein wirkungsgradoptimaler Betrieb erreicht wird. In einem ersten Schritt wird daher in dem Funktionsabbildungsblock 415 ein für die Grunddrehzahl (engl. Base Speed, BS) geltender theoretischer Sollfluss ΨrBS in Abhängigkeit von Drehmoment Trq und ggf. von der Geschwindigkeit bzw. Drehzahl rpm der Drehfeldmaschine 100 bestimmt. Hierzu wird beispielsweise eine zweidimensionale Look-up-Tabelle verwendet, die in dem Funktionsabbildungsblock 415 hinterlegt ist und welche eine Funktion ΨrBS = f(Trq (,rpm)) anhand diskreter Wertepaare oder -tripel abbildet. Alternativ kann der Funktionsabbildungsblock auch anhand einer festverdrahteten oder programmierten Numerik die mathematische Funktion ΨrBS = f(Trq (,rpm)) direkt berechnen. Der theoretische Rotorsollfluss ΨrBS wird einem Eingang des Min-Glieds 420 zugefóhrt.
Bei einer bestimmten Grenzdrehzahl wird die Spannungsgrenze Usmax bzw. die maximale Aussteuerung UaustMax erreicht. In diesem Bereich bewirkt eine weitere Erhöhung der Drehzahl rpm der Drehfeldmaschine 100 eine Feldschwöchung. In diesem Bereich ist die Anforderung, die Spannungsgrenze Usmax bzw. die maximale Aussteuerung UaustMax möglichst auszunutzen, d.h., mit einem maximalen Rotorfluss ΨrMax zu arbeiten, welcher der maximalen Aussteuerung UaustMax entspricht. Mit Hilfe der Gleichung $Ψ rMax = Udc * UaustMax / ω s$
lässt sich ein Flusswert für den Feldschwächungsbereich berechnen. Dabei ist Udc die gemessene Zwischenkreisspannung, Uaustmax die maximal mögliche Aussteuerung und ωs die Kreisfrequenz des Flusses, die auch als elektrische Kreisfrequenz bezeichnet wird. In dieser Gleichung (1) wurden einige Vereinfachungen berücksichtigt. Beispielsweise wurden vor allem der Spannungsabfall am Statorwiderstand und die Statorstreuinduktivität vernachlässigt. Für höhere Genauigkeit können diese und andere Phänomene natürlich herangezogen werden. Die Gleichung (1) wird in dem Algorithmus von 4 durch das Multiplizierglied 425 und das Dividierglied 430 repräsentiert. Zunächst wird den Eingängen des Multiplizierglieds 425 die maximal mögliche Aussteuerung UaustMax und die gemessene Zwischenkreisspannung Udc zugeführt, um eine am Wechselrichter zur Verfügung stehende maximale Statorspannung Usmax nach dem Zusammenhang $Usmax = Udc * UaustMax$
zu berechnen. Diese wird dann mit der Stator-Kreisfrequenz ωs den Eingängen des Dividierglieds 430 zugeführt, um den maximalen Rotorfluss nach dem Zusammenhang $Ψ rMax = Usmax / ω s$
zu berechnen. Der maximale Rotorfluss ΨrMax kann als Soll-Rotorfluss im Feldschwächungsbereich verstanden werden; er wird einem anderen Eingang des Min-Glieds 425 zugeführt.
Sodann wird ein wirkungsgradoptimierter Rotor-Sollfluss ΨrFF unter Verwendung des Min-Glieds 420 als Minimum des theoretischen Rotorsollflusses ΨrBS und des Soll-Rotorflusses im Feldschwächungsbereich ΨrMax berechnet. Es gilt also $Ψ rFF = Min (Ψ rBS, Ψ rMax) .$
Der Spannungsbedarf bei niedrigen Drehzahlen ist typischerweise niedriger als die am Wechselrichter 360 zur Verfügung stehende Spannung Usmax. Dementsprechend ist ΨrBS größer als ΨrMax. Am Ausgang des Min-Glieds 420 steht also ΨrFF = ΨrBS und sorgt dafür, dass der wirkungsgradoptimierte Betrieb der Drehfeldmaschine 100 gefahren wird. Mit der Drehzahl steigt der Spannungsbedarf: ΨrMax wird kleiner als ΨrBS und wird dann für die weiteren Berechnungen verwendet. Dies entspricht dem Betrieb im Feldschwächungsbereich. Der wirkungsgradoptimierte Rotor-Sollfluss ΨrFF wird einem Eingang des Addierglieds 435 zugeführt.
Mit Hilfe des PI-Reglers 440 wird nun noch eine Korrektur des wirkungsgradoptimierten Rotor-Sollflusswerts ΨrFF vorgenommen.
Hierzu wird eine Differenz der maximalen Aussteuerung UaustMax und der gegenwärtig durch den Regelblock 320 (vgl. 3) berechnete Aussteuerung Uaust dem Eingang des PI-Reglers 440 zugeführt, um einen Sollfluss-Korrekturwert ΨrPI zu bestimmen. Der Ausgang des PI-Reglers 440 wird durch das Sättigungsglied 345 nach oben und unten begrenzt. Nach oben hin wirkt eine obere Korrekturflussbegrenzung in Form eines maximalen Sollfluss-Korrekturwerts ΨPImax, welcher typischerweise gleich Null gesetzt wird (ΨPImax=0). Nach unten hin wirkt eine untere Korrekturflussbegrenzung in Form eines minimalen Sollfluss-Korrekturwerts ΨPImin, welcher typischerweise zwischen dem negativen maximalen Rotorfluss ΨrMax und Null festgelegt wird (-ΨrMax < ΨPImin < 0). Durch die Wirkung des Sättigungsglieds 345 kann somit auch ein Wind-up des PI-Reglers möglichst verhindert werden. Der Ausgang des PI-Reglers 440 mit Sättigungsglied 445 (Sollfluss-Korrekturwert ΨrPI) wird einem anderen Eingang des Addierglieds 435 zugeführt. Durch Addition der Eingänge des Addierglieds 435 ergibt sich der letztendliche Rotorfluss-Sollwert Ψr*.
Im Grunddrehzahlbereich ist der wirkungsgradoptimierte Rotor-Sollflusswert ΨrFF kleiner als der maximale Rotorfluss ΨrMax. Es ist daher sehr unwahrscheinlich, dass die berechneten Phasenspannungen uu, uv, uw die Spannungsgrenze Usmax überschreiten. Der Eingang des PI-Reglers 440 ist daher positiv (UaustMax-Uaust>0). Wegen ΨPImax=0 verschwindet auch der Ausgang des PI-Reglers 440, und es gilt ΨPI=0. Die obere Korrekturflussbegrenzung ΨPImax greift also insbesondere im Grunddrehzahlbereich und hat zur Folge, dass der wirkungsgradoptimierte Rotor-Sollflusswert ΨrFF das Addierglied 335 unverändert passiert und als endgültiger Rotorsollfluss Ψr* verwendet wird.
Im Feldschwächungsbereich sollten mit ΨrFF = ΨrMax die berechneten Phasenspannungen uu, uv, uw die Spannungsgrenze UaustMax gerade ausnutzen. Wegen Rechenungenauigkeiten, Störungen und Latenzen ist dies aber nicht immer sichergestellt, und die berechnete Aussteuerung Uaust kann größer als die maximale Aussteuerung UaustMax werden. In diesem Fall wird der Eingang des PI-Reglers 440 negativ (UaustMax-Uaust<0), und der Ausgang des PI-Reglers 440 (Sollfluss-Korrekturwert ΨrPI) wird ebenfalls negativ (ΨPI<0). Durch einen negativen Sollfluss-Korrekturwert ΨrPI<0 wird der wirkungsgradoptimierte Rotor-Sollflusswert ΨrFF in dem Addierglied 335 nach unten korrigiert, sodass die maximale mögliche Aussteuerung UaustMax nicht mehr überschritten wird. Hierdurch erfolgt eine frühzeitige Adaption auf übersteuernde Regelung der Phasenspannungen bereits auf der Ebene der Arbeitspunktberechnung.
Der Algorithmus dieses Ausführungsbeispiels ist ferner dahin ausgelegt, zu vermeiden, dass der endgültige Rotorsollfluss Ψr* negativ wird. Diese Aufgabe erfüllt die untere Korrekturflussbegrenzung ΨPImin, welche auf einen negativen Wert oberhalb von -ΨrMax festgelegt sein kann, je nach Dynamik des Regelkreises mehr oder weniger nahe an -ΨrMax. Die Berechnung des maximalen Rotorflusses ΨrMax nutzt die gemessene elektrische Kreisfrequenz des Statorflusses ωs, was eine gewisse Ungenauigkeit mit sich bringt. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, wenn die untere Korrekturflussbegrenzung ΨPImin etwas größer als -ΨrMax ist. Die untere Korrekturflussbegrenzung ΨPImin greift also insbesondere im Feldschwächungsbereich und hat zur Folge, dass der endgültige Rotorsollfluss Ψr* nicht negativ wird.
Mit der oben beschriebenen Regelung kann sichergestellt werden, dass dann, wenn die Phasenspannungen uu, uv, uw drohen, größer zu werden als der Wechselrichter 360 liefern kann, bereits in der Arbeitspunktberechnung durch Korrigieren des Sollflusses sämtliche Sollwerte für die Regelung abgesenkt werden. Dadurch kann die Spannungsgrenze im Feldschwächungsbereich sicher ausgenutzt werden, während im Grunddrehzahlbereich ein wirkungsgradoptimierter Betrieb sichergestellt werden kann. Dadurch, dass der PI-Regler 440 eventuelle Fehler bei der Berechnung des wirkungsgradoptimierten Sollflusswerts korrigiert, wird die Regelung unabhängig von Maschinenparametern und robust gegenüber Schwankungen in der Zwischenkreisspannung.
Bezugszeichenliste

100: Drehfeldmaschine
105: Stator
110: Rotor
115: Drehachse
120: Spule
125: Stromzeiger bzw. Stromvektor
d,q: rotorfestes Koordinatensystem
U, V, W: Phase bzw. Strang
α,β: statorfestes Koordinatensystem
θd = θmech: mechanischer Drehwinkel
a,b: beliebiges rotierendes Koordinatensystem
j: Ordinate
aA: Winkelkoordinate des magnetischen Flusses im a,b-Koordinatensystem
aR: Winkelkoordinate des magnetischen Flusses im d,q-Koordinatensystem
aS: Winkelkoordinate des magnetischen Flusses im α,β-Koordinatensystem
γ: Drehwinkel des d,q-Koordinatensystems im α,β-Koordinatensystem
yA: Drehwinkel des a,b-Koordinatensystems im α,β-Koordinatensystem
Ψ: magnetischer Fluss
305: Steuervorrichtung
310: Verfahren
315: Arbeitspunktbestimmungsblock
320: Steuerungs-/Regelungsblock
325: Subtraktionsglied
330: PI-Regler
335: Entkopplungseinheit
340: erste Transformationsgruppe
345: Polarisierungsglied
350: Phasentrennglied
355: Modulationseinheit
360: Wechselrichter
365: Batterie
370: zweite Transformationsgruppe
375: Transformationsglied
380: Rotationsglied
385: Flussmodellierungseinheit
390: Tachogeber
dq: d,q-Koordinatensystem
Imax: vorgegebene maximale Stromstärke
isd*, isq*: Sollströme im d,q-Koordinatensystem
imd, imq: Istströme im d,q-Koordinatensystem
iu, iv, iw: Istströme jeder Phase
P: Polarkoordinaten
Rpm: Soll-Drehgeschwindigkeit
Trq: Soll-Drehmoment
usd, usq: Sollspannungen im d,q-Koordinatensystem
uu, uv, uw: Phasenspannungen
Udc: Zwischenkreisspannung (entspricht der Betriebsspannung einer Fahrzeugbatterie 360)
Uaust, ϑUaust: Spannungsaussteuerung in Polarkoordinaten
αβ: α,β-Koordinatensystem
Ψrd, ϑs: Rotorfluss in Polarkoordinaten
ωm: Kreisfrequenz des Rotors (mechanische Kreisfrequenz)
405: Steuervorrichtung
410: Verfahren
415: Grunddrehzahl-Rotorsollfluss-Bestimmungsglied
420: Min-Glied
425: Multiplizierglied
430: Dividierglied
435: Addierglied
440: PI- Regler
445: Sättigungsglied
UaustMax: maximal mögliche Aussteuerung
Udc: Ist-Zwischenkreisspannung
Usmax: Spannungsgrenze (am Wechselrichter maximal zur Verfügung stehende Spannung)
ωs: Kreisfrequenz des Flusses (elektrische Kreisfrequenz)
ysd, ysq: Zwischengröße (d,q-Koordinaten)
ΨrBS: Sollfluss bei Grunddrehzahl (theoretischer Soll-Rotorfluss)
ΨrFF: Vorsteuerungs-Sollfluss (wirkungsgradoptimierter Soll-Rotorfluss)
ΨrMax: maximaler Rotorfluss
ΨrPI: Sollfluss-Korrekturwert
Ψr*: endgültiger Soll-Rotorfluss
ΨPImax: obere Korrekturflussbegrenzung (maximaler Sollfluss-Korrekturwert)
ΨPImin: untere Korrekturflussbegrenzung (minimaler Sollfluss-Korrekturwert)

Claims

Verfahren (410) zum Bestimmen eines Soll-Arbeitspunkts zur Verwendung bei der feldorientierten Steuerung/Regelung (310) einer Drehfeldmaschine (100) mit mehreren Phasen mittels eines Wechselrichters (360), wobei das Verfahren (410) die Schritte aufweist: Bestimmen eines wirkungsgradoptimierten Sollflusswerts (ΨrFF); und Korrigieren des wirkungsgradoptimierten Sollflusswerts (ΨrFF) durch einen Sollfluss-Korrekturwert (ΨrPI), um einen endgültigen Sollflusswert (Ψr*) zu erhalten, wobei der Sollfluss-Korrekturwert (ΨrPI) durch Vergleich einer maximalen Aussteuerung (UaustMax) mit einer gegenwärtigen durch die feldorientierte Steuerung/Regelung (310) berechneten Aussteuerung (Uaust) gewonnen wird.
Verfahren (410) nach Anspruch 1, wobei der Vergleich durch einen PI-Regler, dem die Differenz aus der maximalen Aussteuerung (UaustMax) und der gegenwärtigen berechneten Aussteuerung (Uaust) als Eingangsgröße zugeführt wird, erfolgt.
Verfahren (410) nach Anspruch 2, wobei der Ausgang des PI-Reglers durch einen maximalen Sollfluss-Korrekturwert (ΨrPImax) und/oder einen minimalen Sollfluss-Korrekturwert (ΨrPImin) nach oben bzw. unten begrenzt ist, wobei der maximale Sollfluss-Korrekturwert (ΨrPImax) vorzugsweise zu Null festgelegt wird, und wobei der minimale Sollfluss-Korrekturwert (ΨrPImin) vorzugsweise zwischen Null und einem negativen Betrag eines maximalen Rotorflusses (ΨrMax) festgelegt wird.
Verfahren (410) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen des wirkungsgradoptimierten Sollflusswerts (ΨrFF) ein Ermitteln eines theoretischen Sollflusswerts auf der Grundlage wenigstens eines Leistungsparameters der Drehfeldmaschine (100) aufweist, wobei der wenigstens eine Leistungsparameter wenigstens ein Soll-Drehmoment (Trq) und optional eine Drehzahl (rpm) der Drehfeldmaschine (100) aufweist.
Verfahren (410) nach Anspruch 4, wobei das Bestimmen des wirkungsgradoptimierten Sollflusswerts (ΨrFF) das Auswählen des theoretischen Sollflusswerts als wirkungsgradoptimierter Sollflusswert (ΨrFF) aufweist.
Verfahren (410) nach Anspruch 4, ferner die Schritte aufweisend des Ermittelns eines maximalen Rotorflusswerts (ΨrMax); und des Auswählens eines Minimums des maximalen Rotorflusswerts (ΨrMax) und des theoretischen Flusswerts als wirkungsgradoptimierter Sollflusswert (ΨrFF).
Verfahren (410) zum Bestimmen eines Soll-Arbeitspunkts zur Verwendung bei der feldorientierten Steuerung/Reglung einer Drehfeldmaschine (100) mit mehreren Phasen mittels eines Wechselrichters (360), wobei das Verfahren (410) ferner die Schritte aufweist des Bestimmens eines theoretischen Sollflusswerts auf der Grundlage wenigstens eines Leistungsparameters der Drehfeldmaschine (100); des Ermittelns eines maximalen Rotorflusswerts (ΨrMax); und des Auswählens eines Minimums des maximalen Rotorflusswerts (ΨrMax) und des theoretischen Flusswerts als wirkungsgradoptimierter Sollflusswert (ΨrFF).
Verfahren (410) nach Anspruch 7, weiter den Schritt aufweisend des Festlegens des wirkungsgradoptimierter Sollflusswerts (ΨrFF) als endgültiger Sollflusswert (Ψr*).
Verfahren (410) nach Anspruch 7, weiter den Schritt aufweisend des Korrigierens des wirkungsgradoptimierten Sollflusswerts (ΨrFF) durch einen Sollfluss-Korrekturwert (ΨrPI), um einen endgültigen Sollflusswert (Ψr*) zu erhalten, wobei der Sollfluss-Korrekturwert (ΨrPI) durch Vergleich einer maximalen Aussteuerung (Uaust) mit einer gegenwärtigen durch die feldorientierte Steuerung/Regelung berechneten Aussteuerung (Uaust) gewonnen wird.
Verfahren (410) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter den Schritt aufweisend des Berechnens eines Statorstrom-Sollwerts auf der Grundlage des endgültigen Sollflusswerts (Ψr*).
Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, welche zur Durchführung des Verfahrens (410) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungsvorrichtung ausgeführt wird oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist, eingerichtet sind.
Steuervorrichtung (305) für eine mit einem Wechselrichter (360) verbundene Drehfeldmaschine (100) mit mehreren Phasen, wobei die Steuervorrichtung (305) einen Steuerungs-/Regelungsblock (320), der dazu eingerichtet ist, die Drehfeldmaschine (100) auf der Basis von Sollwerten feldorientiert zu steuern/regeln, und einen Arbeitspunktbestimmungsblock (315) zur Bestimmung der Sollwerte für den Steuerungs-/Regelungsblock (320) aufweist, wobei der Arbeitspunktbestimmungsblock (315) dazu eingerichtet ist, einen wirkungsgradoptimierten Sollflusswert (ΨrFF) für die Drehfeldmaschine (100) zu bestimmen; und den wirkungsgradoptimierten Sollflusswert (ΨrFF) durch einen Sollfluss-Korrekturwert (ΨrPI) zu korrigieren, um einen endgültigen Sollflusswert (Ψr*) zu erhalten, wobei der Sollfluss-Korrekturwert (ΨrPI) durch Vergleich einer maximalen Aussteuerung (UaustMax) mit einer gegenwärtigen, durch die feldorientierte Steuerung/Regelung (310) berechneten Aussteuerung (Uaust) gewonnen wird.