DE102017221609A1 - Compensation of non-linearities in the case of electrical current supply to an electric machine by means of an inverter - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kompensation von Nichtlinearitäten bei einer elektrischen Bestromung einer E-Maschine (1) mittels eines Wechselrichters (6). Hierzu erfolgt bei der elektrischen Bestromung eine Signalinjektion mit einem schwingenden Signal (Vinj), und die E-Maschine (1) gibt auf die Signalinjektion eine Systemantwort (S) in Form eines elektrischen Stromes aus, und Werte (Iabc) werden für den elektrischen Strom zur Kompensation der Nichtlinearitäten ermittelt, und Kompensationsspannungen (ΔU) werden mittels der Werte (Iabc) ermittelt, welche bei der elektrischen Bestromung dann der E-Maschine (1) aufgeprägt werden.

Figure DE102017221609A1_0000
The invention relates to a compensation of nonlinearities in the case of electrical current supply to an electric machine (1) by means of an inverter (6). For this purpose, a signal injection with an oscillating signal (V inj ) takes place during the electrical energization, and the electric motor (1) outputs a system response (S) in the form of an electric current to the signal injection , and values (I abc ) are used for the determined electrical current to compensate for the non-linearities, and compensation voltages (.DELTA.U) are determined by means of the values (I abc ), which are then impressed in the electric current then the electric motor (1).
Figure DE102017221609A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Nichtlinearitäten bei einer elektrischen Bestromung einer E-Maschine mittels eines Wechselrichters. Sie betrifft auch ein Steuergerät, das zur entsprechenden Betätigung eines Wechselrichters ausgebildet ist sowie ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Steuergerät.The invention relates to a method for compensation of non-linearities in an electrical current supply of an electric motor by means of an inverter. It also relates to a control device which is designed for the corresponding actuation of an inverter and a drive system for a motor vehicle with such a control device.

Die Kompensation von Nichtlinearitäten bei der elektrischen Bestromung einer E-Maschine mittels eines Wechselrichters kann wichtig sein, beispielsweise zur Ermittlung von Maschinenparametern oder zur sensorlosen Regelung der E-Maschine oder zur akustischen Verbesserung des Laufverhaltens der E-Maschine.The compensation of non-linearities in the electrical energization of an electric motor by means of an inverter may be important, for example, to determine machine parameters or sensorless control of the electric motor or to acoustically improve the running behavior of the electric motor.

Solche Nichtlinearitäten werden durch die Totzeiten bei der Betätigung der Leistungsschalter des Wechselrichters verursacht. Dies umfasst einerseits bewusst eingesetzte Totzeiten bei der Betätigung der Leistungsschalter, beispielsweise um Kurzschlüsse in den einzelnen Halbbrücken des Wechselrichters zu verhindern und um Ausgangskapazitäten und variable Widerstände der Leistungsschalter zu kompensieren. Dies umfasst andererseits auch Totzeiten, die bauartbedingt den Leistungsschaltern anhaften. Solche Totzeiten bilden die zeitliche Verzögerung zwischen einem ersten Zeitpunkt, zu dem eine Aufforderung zur Betätigung eines Leistungsschalters im Wechselrichter ausgegeben wird (beispielsweise „öffnen“ oder „schließen“), und einem zweiten Zeitpunkt, an dem die Aufforderung tatsächlich bewirkt wurde.Such nonlinearities are caused by dead times in the operation of the power switches of the inverter. This includes on the one hand deliberately used dead times in the operation of the circuit breaker, for example, to prevent short circuits in the individual half-bridges of the inverter and to compensate for output capacitances and variable resistors of the circuit breaker. On the other hand, this also includes dead times, which are inherent in the design of the circuit breakers. Such dead times constitute the time delay between a first time a request for actuation of a circuit breaker in the inverter is issued (eg, "open" or "close") and a second time at which the request was actually made.

Es sind bereits Lösungen zur Kompensation solcher Nichtlinearitäten bekannt. Die meisten dieser Lösungen umfassen zwei Grundfunktionen:

  • - eine Ermittlung von Nulldurchgängen der Phasenströme, und
  • - eine Ermittlung von Kompensationsspannungen.
Solutions for compensating such nonlinearities are already known. Most of these solutions include two basic functions:
  • a determination of zero crossings of the phase currents, and
  • - A determination of compensation voltages.

Beispielsweise sind als „Square-Wave Compensation“ bezeichnete Lösungen bekannt. Hierbei ist die Kompensationsspannung in jeder Phase der E-Maschine ein Rechtecksignal. Dieses Rechtecksignal hängt vom Phasenstrom in jeder Phase ab. Der jeweilige Wert des Rechtecksignals kann mittels mathematischer Gleichungen oder Lookup-Tabellen, so genannten LUTs, ermittelt werden. Die Hauptschwierigkeit liegt hierbei in der korrekten Ermittlung der Nulldurchgänge.For example, solutions known as "square-wave compensation" are known. Here, the compensation voltage in each phase of the electric motor is a square wave signal. This square wave depends on the phase current in each phase. The respective value of the square wave signal can be determined by means of mathematical equations or look-up tables, so-called LUTs. The main difficulty lies in the correct determination of the zero crossings.

Beispielsweise sind als „Trapeziodal Compensation“ bezeichnete Lösungen bekannt. Hierbei verfügt die Kompensationsspannung in jeder Phase der E-Maschine über eine Trapezform. Der jeweilige Wert für die Kompensationsspannung kann mittels mathematischer Gleichungen oder LUTs oder aus einer Kombination von beiden ermittelt werden. Vorteilhaft hieran ist, dass hier keine exakte Kenntnis über die Nulldurchgänge erforderlich ist.For example, known as "Trapeziodal Compensation" solutions are known. In this case, the compensation voltage has a trapezoidal shape in each phase of the electric motor. The respective value for the compensation voltage can be determined by means of mathematical equations or LUTs or from a combination of both. An advantage of this is that no exact knowledge about the zero crossings is required here.

Beispielsweise sind als „LUT-based Compensation“ bezeichnete Lösungen bekannt. Diese Ansätze basieren darauf, dass die lichtlineare Charakteristik für jeden Leistungsschalter, für jede Phase und für bestimmte Spannungsbereiche des Wechselrichters bekannt und gespeichert sind, und dass diese direkt mit ermittelten (gemessen, berechnet) Werten für die Ströme interpoliert werden, um die Kompensationsspannung zu erhalten.For example, solutions known as "LUT-based compensation" are known. These approaches are based on the fact that the light linear characteristic is known and stored for each power switch, for each phase and for specific voltage ranges of the inverter, and that these are directly interpolated with determined (measured, calculated) values for the currents to obtain the compensation voltage ,

Außerdem sind Lösungen bekannt, die auf Spektralanalysen oder auf dem so genannten „axis-switching“ basieren.In addition, solutions are known which are based on spectral analyzes or on the so-called "axis-switching".

Es ist also mittlerweile eine Vielzahl an Lösungen bekannt, um solche Nichtlinearitäten zu kompensieren. Die Kompensation ist allerdings schwierig, wenn gleichzeitig eine Injektion von hochfrequenten Signalen in die E-Maschine erfolgt.There are now a variety of solutions known to compensate for such nonlinearities. Compensation is difficult, however, if at the same time an injection of high-frequency signals in the electric motor takes place.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.The object of the present invention is to improve the state of the art.

Diese Aufgabe wird durch die in den Hauptansprüchen angegebenen Merkmale gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen hiervon sind den Unteransprüchen entnehmbar.This object is achieved by the features specified in the main claims. Preferred embodiments thereof are the dependent claims.

Vorgeschlagen werden demnach ein Verfahren und ein Steuergerät zur Kompensation von Nichtlinearitäten bei einer elektrischen Bestromung einer E-Maschine mittels eines Wechselrichters. Die elektrischen Bestromung erfolgt insbesondere im Rahmen einer feldorientierten Regelung oder Steuerung der E-Maschine.Accordingly, a method and a control device for compensating nonlinearities in the case of electrical energization of an electric motor by means of an inverter are proposed. The electrical power supply takes place in particular in the context of a field-oriented control or control of the electric motor.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren erfolgt im Rahmen der elektrischen Bestromung der E-Maschine eine Signalinjektion mit einem schwingenden (elektrischen) Signal. Dabei handelt es sich insbesondere um eine elektrische Spannung mit einer bestimmten (geeignet hohen) Frequenz und/oder (geeigneten) Phasenlage. Das Signal kann beispielsweise rechteckig (Rechtecksignal) oder sinusförmig (Sinussignal) ausgebildet sein. Die Frequenz kann eine Hochfrequenz sein. Die E-Maschine gibt auf diese Signalinjektion eine Systemantwort in Form eines elektrischen Stromes aus, insbesondere eines Phasenstromes (= elektrischer Strom durch zumindest eine der Phasen der E-Maschine). Es werden nun (prädizierte) Werte für den elektrischen Strom, also die Systemantwort, zur Kompensation der Nichtlinearitäten ermittelt. Dies erfolgt insbesondere durch Interpolation von Werten, die mit einem Beobachter ermittelt werden. Es werden dann Kompensationsspannungen mittels der (prädizierten) Werte ermittelt, welche bei der elektrischen Bestromung der E-Maschine dieser dann aufgeprägt werden. Hierdurch werden die Nichtlinearitäten kompensiert.In the proposed method is carried out as part of the electrical energization of the electric motor signal injection with a vibrating (electrical) signal. This is in particular an electrical voltage with a certain (suitably high) frequency and / or (suitable) phase position. The signal can be formed, for example, rectangular (square wave signal) or sinusoidal (sinusoidal signal). The frequency can be a high frequency. The electric motor outputs a system response in the form of an electric current, in particular a phase current (= electric current through at least one of the phases of the electric motor), to this signal injection. Now, (predicated) values for the electric current, ie the system response, for the compensation of the nonlinearities are determined. This is done in particular by interpolation of values with an observer be determined. Compensation voltages are then determined by means of the (predicated) values, which are then impressed on the electric current supply of the electric motor. This compensates for the nonlinearities.

Wie Eingangs erläutert, werden solche Nichtlinearitäten durch Totzeiten bei der Betätigung der Leistungsschalter des Wechselrichters verursacht. Dies umfasst die bewusst eingesetzten Totzeiten bei der Betätigung der Leistungsschalter, als auch die bauartbedingt den Leistungsschaltern anhaftenden Totzeiten. Mit anderen Worten wird mit der Erfindung also die Totzeit der Leistungsschalter des Wechselrichters kompensiert.As explained in the introduction, such non-linearities are caused by dead times in the operation of the power switches of the inverter. This includes the deliberately used dead times in the operation of the circuit breaker, as well as the design-related to the circuit breakers adhering dead times. In other words, with the invention, the dead time of the power switch of the inverter is compensated.

Bei einem solchen Wechselrichter handelt es sich um eine an sich bekannte Vorrichtung zum Wandeln eines Gleichstromes in einen Wechselstrom zur elektrischen Bestromung der E-Maschine. Ein solcher Wechselrichter kann auch als DC-AC-Wandler bezeichnet werden. Ein solcher Wechselrichter kann beispielsweise pro Phase der E-Maschine je zwei Leistungsschalter umfassen, die gemeinsam eine Halbbrückenschaltung bilden. Der eine der beiden Leistungsschalter bildet hierbei einen so genannten High-Side-Schalter und der andere der beiden Leistungsschalter bildet hierbei einen so genannten Low-Side-Schalter. Solche Leistungsschaler können beispielsweise als IGBTs oder MOSFETs ausgeführt sein.In such an inverter is a known device for converting a direct current into an alternating current for electrical energization of the electric motor. Such an inverter can also be referred to as a DC-AC converter. Such an inverter may, for example, each per phase of the electric motor comprise two power switches, which together form a half-bridge circuit. One of the two power switches forms a so-called high-side switch and the other of the two power switches forms a so-called low-side switch. Such power scaler may be embodied, for example, as IGBTs or MOSFETs.

Bei der E-Maschine handelt es sich dementsprechend insbesondere um eine Drehfeldmaschine, insbesondere um eine Synchronmaschine. Bei einer solchen Synchronmaschine handelt es sich beispielsweise um eine permanent erregte Synchronmaschine (PMSM = Permanent Magnet Synchronous Motor / Machine) oder um eine Synchron-Reluktanzmaschine (RSM = Relcutance Synchronous Motor / Machine).Accordingly, the electric motor is, in particular, an induction machine, in particular a synchronous machine. Such a synchronous machine is, for example, a permanent magnet synchronous machine (PMSM = permanent magnet synchronous motor / machine) or a synchronous reluctance machine (RSM = Reluctance Synchronous Motor / Machine).

Bevorzugt werden die (prädizierten) Werte für den elektrischen Strom mittels eines Beobachters ermittelt. Ein solcher Beobachter ist insbesondere als mathematischer bzw. regelungstechnischer Beobachter ausgeführt, also als entsprechendes mathematisches Gleichungssystem. Bevorzugt bestehen die ermittelten die (prädizierten) Werte für den elektrischen Strom (die Systemantwort) aus einem Grundanteil und einen Hochfrequenzanteil. Diese werden jeweils ermittelt. Es wird also der Grundanteil ermittelt und es wird der Hochfrequenzanteil ermittelt. Die (prädizierten) Werte für den elektrischen Strom werden dann durch Bildung der Summe aus dem zugehörigen Grundanteil und dem zugehörigen Hochfrequenzanteil gebildet. Dies ermöglicht eine einfache Ermittlung der jeweiligen Werte in dem Steuergerät für den Wechselrichter bzw. die E-Maschine.The (predicated) values for the electric current are preferably determined by means of an observer. Such an observer is designed in particular as a mathematical or control-technical observer, ie as a corresponding mathematical system of equations. The ascertained values for the electric current (the system response) preferably consist of a basic component and a high-frequency component. These are determined in each case. Thus, the basic component is determined and the high-frequency component is determined. The (predicated) values for the electric current are then formed by forming the sum of the associated fundamental component and the associated high-frequency component. This allows a simple determination of the respective values in the control unit for the inverter or the electric motor.

Bevorzugt werden die Kompensationsspannungen mittels einer Lookup-Tabelle aus den ermittelten (prädizierten) Werten für den elektrischen Strom ermittelt. Als weitere Eingangsgröße der Lookup-Tabelle kann neben den ermittelten (prädizierten) Werten für den elektrischen Strom eine (aktuelle) Versorgungsspannung des Wechselrichters vorgesehen sein. Als Eingangsgrößen für die Lookup-Tabelle können Werte vorgesehen sein, die in einem abc-Koordinatensystem der Phasen a, b, c der E-Maschine vorliegen. Auch dies ermöglicht eine einfache Ermittlung der jeweiligen Werte in dem Steuergerät für den Wechselrichter bzw. die E-Maschine.Preferably, the compensation voltages are determined by means of a lookup table from the determined (predicted) values for the electric current. As a further input variable of the look-up table, in addition to the determined (predicted) values for the electric current, a (current) supply voltage of the inverter can be provided. Values may be provided as input variables for the look-up table, which values are present in an abc coordinate system of the phases a, b, c of the electric motor. This also allows a simple determination of the respective values in the control unit for the inverter or the electric motor.

Das vorgeschlagene Steuergerät dient zur Betätigung des Wechselrichters. Es ist zur Ausführung des vorgeschlagenen Verfahrens ausgebildet. Insbesondere verfügt es also über entsprechende Eingänge und Ausgänge und Berechnungsmittel, um die Schritte des vorgeschlagenen Verfahrens durchzuführen oder zumindest in die Wege zu leiten.The proposed controller is used to operate the inverter. It is designed to carry out the proposed method. In particular, it therefore has corresponding inputs and outputs and calculation means to perform or at least initiate the steps of the proposed method.

Das vorgeschlagene Verfahren und Steuergerät wird insbesondere in einem Kraftfahrzeug angewandt. Insbesondere dient dort die E-Maschine als Traktionsantrieb, also zum Vortrieb des Kraftfahrzeugs, oder sie dient als Aktor des Kraftfahrzeugs, wie beispielsweise zur Betätigung einer Lenkung des Kraftfahrzeugs. Vorgeschlagen wird daher auch ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug, mit der E-Maschine und mit dem Wechselrichter zur elektrischen Bestromung der E-Maschine und mit dem Steuergerät zur Betätigung des Wechselrichters.The proposed method and control device is used in particular in a motor vehicle. In particular, the electric motor is used there as a traction drive, ie for propulsion of the motor vehicle, or serves as an actuator of the motor vehicle, for example for actuating a steering of the motor vehicle. Therefore, it is also proposed a drive system for a motor vehicle, with the electric motor and the inverter for electrical energization of the electric motor and with the control unit for actuating the inverter.

Die Erfindung kann sich auch auf ein Computerprogrammprodukt mit Befehlen beziehen, das das vorgeschlagene Verfahren ausführt, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Recheneinheit, wie beispielsweise auf einem Computer oder Mikrocontroller, ausgeführt wird.The invention may also refer to a computer program product with instructions executing the proposed method when the computer program product is executed on a computing unit, such as a computer or microcontroller.

Im Folgenden wird die Erfindung im Detail und anhand von Figuren näher erläutert, aus welchen weitere bevorzugte Ausführungsformen und weitere bevorzugte Merkmale der Erfindung entnehmbar sind. Es zeigen hierbei in schematischer Darstellung:

  • 1 ein System zur elektrischen Bestromung einer E-Maschine mit einem Wechselrichter,
  • 2 ein Mittel zur Ermittlung von Kompensationsspannungen.
In the following the invention is explained in detail and with reference to figures, from which further preferred embodiments and further preferred features of the invention can be removed. Here are shown in a schematic representation:
  • 1 a system for electrical energization of an electric machine with an inverter,
  • 2 a means for determining compensation voltages.

Das System gemäß 1 dient beispielhaft zur elektrischen Bestromung einer Synchronmaschine 1. Ein gleiches oder zumindest vergleichbares System kann auch für eine andere Art von E-Maschine eingesetzt werden, wie insbesondere für eine Asynchronmaschine.The system according to 1 serves as an example for the electrical energization of a synchronous machine 1 , An identical or at least comparable system can also be used for another type of electric motor, in particular for an asynchronous machine.

Gemäß 1 wir dem System ein Referenzdrehmoment Tref für die Synchronmaschine 1 vorgegeben. Dieses kann durch eine optionale Drehzahlregelung 2' ermittelt werden. Das Referenzdrehmoment Tref stellt ein von der Synchronmaschine zu stellendes Drehmoment dar, also ein Soll-Drehmoment der Synchronmaschine 1. According to 1 we give the system a reference torque T ref for the synchronous machine 1 specified. This can be done by an optional speed control 2 ' be determined. The reference torque T ref represents a torque to be provided by the synchronous machine, that is, a desired torque of the synchronous machine 1 ,

Ein Ermittlungsmittel 2 ermittelt aus dem Referenzdrehmoment Tref elektrische Soll-Ströme Iref für die Synchronmaschine 1, die daran anliegen müssen, um das Referenzdrehmoment Tref bereitzustellen. Diese liegen insbesondere in einem mit einem Rotor/Rotorfluss der Synchronmaschine 1 mitbewegten d-q-Koordinatensystem vor (dann Idq ref genannt). Diese vom Ermittlungsmittel 2 ausgegebenen Soll-Ströme Iref können mit je einem Ist-Strom Imeas verrechnet werden, um eine Stromregelung zu realisieren. Andernfalls liegt eine Steuerung vor.An investigation 2 determined from the reference torque T ref electrical nominal currents I ref for the synchronous machine 1 that must be applied to the reference torque T ref provide. These are in particular in one with a rotor / rotor flux of the synchronous machine 1 moving dq coordinate system before (then I dq ref called). This from the investigation 2 output desired currents I ref can each with an actual current I meas be charged to realize a current control. Otherwise, there is a control.

In einem Regler 3, insbesondere einem PI-Regler, werden daraus entsprechende Soll-Spannungen ermittelt. Insbesondere ebenfalls im d-q-Koordinatensystem. Den Soll-Spannungen wird ein Signal in Form einer Injektionsspannung Vinj überlagert. Somit wird eine Signalinjektion in Form dieser Spannungsinjektion realisiert. Die Injektionsspannung Vinj weist eine bekannte Frequenz finj auf. Diese Spannungsinjektion kann in Richtung der d-Achse des d-q-Koordinatensystems der Synchronmaschine 1 oder in Richtung einer anderen Raumachse erfolgen. Die Injektionsspannung Vinj kann rechteckig (Rechtecksignal) oder sinusförmig (Sinussignal) ausgebildet sein.In a controller 3 , In particular a PI controller, corresponding setpoint voltages are determined from this. In particular also in the dq coordinate system. The nominal voltages become a signal in the form of an injection voltage V inj superimposed. Thus, a signal injection in the form of this voltage injection is realized. The injection voltage V inj has a known frequency f inj on. This voltage injection may be in the direction of the d-axis of the dq coordinate system of the synchronous machine 1 or in the direction of another spatial axis. The injection voltage V inj can be rectangular (square wave) or sinusoidal (sinusoidal).

Die Injektionsspannung Vinj kann somit wie folgt ausgedrückt werden: V inj = V inj cos θ k + jV inj sin θ k ,

Figure DE102017221609A1_0001
wobei θk der Winkel des Vektors der Injektionsspannung Vinj zu der d-Achse ist.The injection voltage V inj can thus be expressed as follows: V inj = V inj cos θ k + jv inj sin θ k .
Figure DE102017221609A1_0001
where θ k is the angle of the vector of the injection voltage V inj to the d-axis.

Die so erhaltene Spannungen (Soll-Spannungen mit aufgeprägter Injektionsspannung Vinj ) werden in einem weiteren Ermittlungsmittel 4 in ein statorfestes α-β-Koordinatensystem der Synchronmaschine 1 umgerechnet. Hieraus werden wiederum in einem anderen Ermittlungsmittel 5 für jede der Phasen a, b, c der Synchronmaschine 1 entsprechende PWM-Werte (PWM = pulsweitenmoduliert / Pulsweitenmodulation) zur Betätigung der zugehörigen Leistungsschalter des Wechselrichters 6 ermittelt. Dadurch versorgt der Wechselrichter 6 also die Synchronmaschine 1 mit elektrischen Strömen zum (bestimmungsgemäßen) Betrieb der Synchronmaschine 1. Die Synchronmaschine 1 wird mittels des Wechselrichters 6 also elektrisch bestromt. In den durch die Phasen a, b, c der Synchronmaschine 1 fließenden elektrischen Strömen ist auch eine Systemantwort, also auch die Antwort der Synchronmaschine 1, auf die Injektionsspannung Vinj enthalten. Diese wird hier auch als Stromantwort S bezeichnet. Diese Stromantwort S kann also den Ist-Strömen in den Phasen a, b, c der Synchronmaschine 1 entnommen werden. Dementsprechend können Sensormittel in zumindest einigen der Phasen a, b, c vorgesehen sein, um diese Ist-Ströme zu ermitteln. Die so ermittelten Ist-Ströme werden Imeas genannt.The voltages thus obtained (nominal voltages with impressed injection voltage V inj ) will be in another investigation 4 in a stator fixed α-β coordinate system of the synchronous machine 1 converted. This will turn into another means of investigation 5 for each of the phases a, b, c of the synchronous machine 1 corresponding PWM values (PWM = pulse width modulation / pulse width modulation) for actuating the associated circuit breaker of the inverter 6 determined. This provides the inverter 6 So the synchronous machine 1 with electrical currents for (intended) operation of the synchronous machine 1 , The synchronous machine 1 is done by means of the inverter 6 So electrically energized. In through the phases a, b, c of the synchronous machine 1 flowing electrical currents is also a system response, so also the answer of the synchronous machine 1 , on the injection voltage V inj contain. This is also referred to here as current response S. This current response S can thus the actual currents in the phases a, b, c of the synchronous machine 1 be removed. Accordingly, sensor means may be provided in at least some of the phases a, b, c to determine these actual currents. The thus determined actual currents become I meas called.

In einem Ermittlungsmittel 7 können die im Koordinatensystem der Phasen a, b, c der Synchronmaschine 1 (abc-Koordinatensystem) vorliegenden Ist-Ströme Imeas in das α-β-Koordinatensystem umgerechnet werden. Die Ist-Ströme Imeas können in einem Ermittlungsmittel 8 dann weiter in das d-q-Koordinatensystem umgerechnet werden.In an investigation 7 can in the coordinate system of the phases a, b, c of the synchronous machine 1 (abc coordinate system) present actual currents I meas be converted into the α-β coordinate system. The actual currents I meas can in an investigative 8th then be converted further into the dq coordinate system.

Die Ist-Ströme Imeas werden einem Ermittlungsmittel 9 zu Stromrekonstruktion zugeführt. Darin werden die Größen A1 , A2 , α1 , α2 der Stromantwort S ermittelt, wie unten näher erläutert.The actual currents I meas become an investigative vehicle 9 fed to power reconstruction. In it are the sizes A 1 . A 2 . α 1 . α 2 the power response S determined as explained below.

Die Stromantwort S ist eine Summe aus einem Grundanteil Sfundamental, auch „fundamental current“ genannt, und einen Hochfrequenzanteil Shf , auch „high frequency response“ genannt. Die Stromantwort S kann folglich wie folgt ausgedrückt werden: S = S fundamental + S hf .

Figure DE102017221609A1_0002
The power response S is a sum of a basic component S fundamental , also called "fundamental current", and a high-frequency component S hf , also called "high frequency response". The current response S can thus be expressed as follows: S = S fundamental + S hf ,
Figure DE102017221609A1_0002

Dabei kann der Hochfrequenzanteil Shf wie folgt ausgedrückt werden: S hf = A cos ( 2 π f inj t + α ) = a 1  cos ( 2 π f inj t ) a 2  sin ( 2 π f inj t ) ,

Figure DE102017221609A1_0003

wobei gilt:

a1, a2 =
Phase des Hochfrequenzanteils Shf (reelle Zahl),
A =
Amplitude des Hochfrequenzanteils S hf = a 1 2 + a 2 2 ,
Figure DE102017221609A1_0004
finj =
Frequenz der Injektionsspannung Vinj ,
α =
Phasenverzug = atan ( a 2 a 1 )
Figure DE102017221609A1_0005
t =
Zeit.
In this case, the high-frequency component S hf expressed as follows: S hf = A cos ( 2 π f inj t + α ) = a 1 cos ( 2 π f inj t ) - a 2 sin ( 2 π f inj t ) .
Figure DE102017221609A1_0003

where:
a 1 , a 2 =
Phase of the high frequency component S hf (real number),
A =
Amplitude of the high frequency component S hf = a 1 2 + a 2 2 .
Figure DE102017221609A1_0004
f inj =
Frequency of the injection voltage V inj .
α =
Phase delay atan ( a 2 a 1 )
Figure DE102017221609A1_0005
t =
Time.

Hieraus können die Vektoren bzw. Matrizen X und H gebildet werden, wobei: X = [ a 1 a 2 ] ,

Figure DE102017221609A1_0006
H = [ cos ( 2 π f inj t ) sin ( 2 π f inj t ) ] .
Figure DE102017221609A1_0007
From this, the vectors or matrices X and H can be formed, wherein: X = [ a 1 a 2 ] .
Figure DE102017221609A1_0006
H = [ cos ( 2 π f inj t ) - sin ( 2 π f inj t ) ] ,
Figure DE102017221609A1_0007

Die Berechnungen in einem Steuergerät werden in der Praxis zeitdiskret durchgeführt, also in mehreren aufeinanderfolgenden Iterationsschritten. Im Folgenden gibt der Index n eine Größe des aktuellen Iterationsschrittes an und der Index n-1 eine Größe des unmittelbar vorherigen Iterationsschrittes.The calculations in a control unit are performed in a time-discrete manner, that is, in several consecutive iteration steps. In the following, the index n indicates a size of the current iteration step and the index n-1 a size of the immediately preceding iteration step.

Für den stationären Betriebszustand der Synchronmaschine 1 ergibt sich somit für den Iterationsschritt n: X n = X n 1 ,

Figure DE102017221609A1_0008
Y n = H n X n + v n ,
Figure DE102017221609A1_0009
wobei gilt:

Yn =
(gemessener) Wert des Hochfrequenzanteils Shf zum Iterationsschritt n,
vn =
Messrauschen.
For the stationary operating state of the synchronous machine 1 thus results for the iteration step n: X n = X n - 1 .
Figure DE102017221609A1_0008
Y n = H n X n + v n .
Figure DE102017221609A1_0009
where:
Y n =
(measured) value of the high frequency component S hf to the iteration step n,
v n =
Measurement noise.

Zur Bestimmung des Vektors bzw. der Matrix H liegt bevorzugt eine Lookup-Tabelle (= LUT) vor. Der momentane Wert des Vektors bzw. der Matrix H wird also für jeden Iterationsschritt mit Hilfe einer solchen LUT ermittelt. Dies spart Rechenzeit.To determine the vector or the matrix H, a look-up table (= LUT) is preferably present. The instantaneous value of the vector or of the matrix H is therefore determined for each iteration step with the aid of such a LUT. This saves computing time.

Der Vektor bzw. die Matrix X wird jeden Iterationsschritt mittels der folgenden Gleichungen, die einen Beobachter bilden, ermittelt: X n = X n 1 + K n ( Y n H n X n 1 ) ,

Figure DE102017221609A1_0010
wobei gilt: K n = P n 1 H n T S n 1 ,
Figure DE102017221609A1_0011
und S n = H n P n 1 H n T + R n ,
Figure DE102017221609A1_0012
und P n = ( I K n H n ) P n 1 .
Figure DE102017221609A1_0013
The vector or matrix X is determined each iteration step by means of the following equations forming an observer: X n = X n - 1 + K n ( Y n - H n X n - 1 ) .
Figure DE102017221609A1_0010
where: K n = P n - 1 H n T S n - 1 .
Figure DE102017221609A1_0011
and S n = H n P n - 1 H n T + R n .
Figure DE102017221609A1_0012
and P n = ( I - K n H n ) P n - 1 ,
Figure DE102017221609A1_0013

Hierbei bilden:

R =
eine Kovarianz des Rauschens (dies beschreibt eines Messunsicherheit und wird bevorzugt bedarfsweise eingestellt),
I =
eine Identitätsmatrix.
Here are:
R =
a covariance of the noise (this describes a measurement uncertainty and is preferably set as required),
I =
an identity matrix.

Dieser Beobachter, bei dem es sich im Grunde um ein Erweitertes Kalman Filter handelt, wird im Ermittlungsmittel 9 zur Signalrekonstruktion verwendet. Daraus wird also die Amplitude A (mit den Werten A1 in der d-Achse und dem Wert A2 in der q-Achse) und die Phaseninformation α (mit den Werten α1 in der d-Achse und dem Wert α2 in der q-Achse) des Hochfrequenzanteils Shf ermittelt.This observer, which is basically an Extended Kalman Filter, will be on investigative 9 used for signal reconstruction. Hence the amplitude A (with the values A 1 in the d-axis and the value A 2 in the q-axis) and the phase information α (with the values α 1 in the d-axis and the value α 2 in the q-axis) of the high frequency component S hf determined.

Mittels dieser Werte A1 , A2 , α1 , α2 ist es optional möglich, ein Gleichungssystem mit vollem Rang für die Synchronmaschine 1 aufzustellen und damit die folgenden Maschinenparameter der Synchronmaschine 1 zu ermitteln:

  • - magnetische Flussverkettung Ψpm (auf Grund der sich darin gegebenenfalls befindlichen Permanentmagnete), und
  • - elektrischer Widerstand RS des Stators, und
  • - Induktivität Ld in d-Richtung, und
  • - Induktivität Lq in q-Richtung.
By means of these values A 1 . A 2 . α 1 . α 2 Optionally, it is possible to have a full rank system of equations for the synchronous machine 1 and thus the following machine parameters of the synchronous machine 1 to investigate:
  • - magnetic flux linkage Ψ pm (due to the permanent magnets therein), and
  • - electrical resistance R S of the stator, and
  • - inductance L d in the d-direction, and
  • - inductance L q in q direction.

Um die Kompensationsspannungen ΔU zur Kompensation der Nichtlinearitäten zu erhalten, muss zunächst ein prädizierter Wert Ihf future für den Hochfrequenzanteil Shf der Stromantwort S ermittelt werden. Dieser prädizierte Wert Ihf future berücksichtigen die Totzeit Td der Leistungsschalter, welche zu den Nichtlinearitäten führen. Er bildet mit anderen Worten den diejenigen Wert des Hochfrequenzanteil Shf , der voraussichtlich um die Totzeit Td in der Zukunft liegt.To the compensation voltages .DELTA.U To obtain compensation for the non-linearities, a predicted value I hf future must first be used for the high-frequency component S hf the current response S are determined. This predicted value I hf future takes into account the dead time T d the circuit breaker leading to the nonlinearities. In other words, it forms the value of the high frequency component S hf that is expected to deadlock T d lies in the future.

Der prädizierte Wert Ihf future für den Hochfrequenzanteil Shf wird bevorzugt anhand folgender Gleichung ermittelt (für jeden Beobachter; in d- und in q-Richtung): I hf future = H n + N d X n ,

Figure DE102017221609A1_0014
wobei Hn+Nd dem interpolierten Wert der Matrix H zum zukünftigen Zeitpunkt t + Td (mit Td = Totzeit) entspricht.The predicted value I hf future for the high frequency component S hf is preferably determined by the following equation (for each observer, in d and in q direction): I hf future = H n + N d X n .
Figure DE102017221609A1_0014
where H n + Nd corresponds to the interpolated value of the matrix H at the future time t + Td (with T d = dead time).

Der Phasenwert des prädizierten Wertes Ihf future im α-β-Koordinatensystem kann durch folgende Gleichung ermittelt werden: I hf future αβ = T ( θ ) I hf future dq ,

Figure DE102017221609A1_0015
wobei gilt:

θ =
eine derzeitige Phasenlage,
T(θ) =
eine Umrechnungsmatrix, mit: T ( θ ) = [ cos ( θ ) sin ( θ ) sin ( θ ) cos ( θ ) ] .
Figure DE102017221609A1_0016
The phase value of the predicted value I hf future in the α-β coordinate system can be determined by the following equation: I hf future αβ = T ( θ ) I hf future dq .
Figure DE102017221609A1_0015
where:
θ =
a current phase,
T (θ) =
a conversion matrix, with: T ( θ ) = [ cos ( θ ) - sin ( θ ) sin ( θ ) cos ( θ ) ] ,
Figure DE102017221609A1_0016

Optional ist eine Kompensation der Phasenlage θ mit der Drehgeschwindigkeit des Rotors der Synchronmaschine 1 möglich. Dann wird statt der derzeitigen Phasenlage θ die kompensierte Phasenlage (θ + ωTd) verwendet, wobei gilt:

ω =
die elektrische Drehgeschwindigkeit des Rotors der Synchronmaschine 1 (Rotorkreisfrequenz),
θ =
die derzeitige Phasenlage,
ωTd =
die Verschiebung der Phasenlage um die Totzeit.
Optionally, a compensation of the phase angle θ with the rotational speed of the rotor of the synchronous machine 1 possible. Then, instead of the current phase position θ, the compensated phase position (θ + ωT d ) is used, where:
ω =
the electrical rotational speed of the rotor of the synchronous machine 1 (Rotor angular frequency),
θ =
the current phase position,
ωT d =
the shift of the phase position by the dead time.

Auch der Wert des Grundanteils Sfundamental der Stromantwort S kann prädiziert werden. Dieser prädizierte Wert wird im Folgenden Ifund future bezeichnet. Zu dessen Prädiktion wird auf die oben genannten Soll-Ströme Idq ref zurückgegriffen. Dies kann mittels folgender Gleichung erfolgen, durch welche man den prädizierten Wert im α-β-Koordinatensystem erhält: I fund future αβ = T ( θ+ω T d ) I dq ref .

Figure DE102017221609A1_0017
The value of the basic component S fundamental of the current response S can also be predicted. This predicted value is referred to below as I fund future . For its prediction, reference is made to the aforementioned desired currents I dq ref . This can be done using the following equation, which gives the predicted value in the α-β coordinate system: I discovery future αβ = T ( θ + ω T d ) I dq ref ,
Figure DE102017221609A1_0017

Es bestehen noch weitere Möglichkeiten, um die prädizierten Werte Ihf future und Ifund future zu ermitteln:

  • - Durch lineare Approximation der gemessenen Werte der Ist-Ströme Imeas für die Zukunft mit Ifuture = Imeas + ωTd. Dabei wird angenommen, dass man stets in einem annähernd linearen Teil einer Sinus-Funktion arbeitet.
  • - Die Soll-Ströme idq ref können mit einem Tiefpassfilter gefiltert werden, bevor sie in das α-β-Koordinatensystem transformiert werden. Dadurch kann die Dynamik des Systems besser berücksichtigt werden.
There are other possibilities to determine the predicted values I hf future and I fund future :
  • By linear approximation of the measured values of the actual currents I meas for the future with I future = I meas + ωT d . It is assumed that one always works in an approximately linear part of a sine function.
  • The desired currents i dq ref can be filtered with a low-pass filter before they are transformed into the α-β coordinate system. This allows the dynamics of the system to be better taken into account.

Die prädizierten Werte Ihf future und Ifund future werden summiert: I abc = I fund future abc + I hf future abc .

Figure DE102017221609A1_0018
The predicted values I hf future and I fund future are summed up: I ABC = I discovery future ABC + I hf future ABC ,
Figure DE102017221609A1_0018

Vorher oder nachher werden die prädizierten Werte Ihf future und Ifund future in das abc-Koordinatensystem transformiert. Hierfür wird ebenfalls zumindest eine Umrechnungsmatrix verwendet. Somit werden schließlich prädizierte Werte Iabc für die einzelnen Achsen des abc-Koordinatensystems erhalten, also für die einzelnen Phasen a, b, c der Synchronmaschine 1.Before or after, the predicted values I hf future and I fund future are transformed into the abc coordinate system. At least one conversion matrix is also used for this purpose. Thus, finally, predicted values become I abc for the individual axes of the abc coordinate system, ie for the individual phases a, b, c of the synchronous machine 1 ,

Die prädizierten Werte Iabc werden als Eingangswerte einer weiteren LUT verwendet (siehe 2). Diese LUT enthält die Kompensationsspannungen ΔU im abc-Koordinatensystem als eine Funktion dieser prädizierten Werte Iabc sowie einer Versorgungsspannung Udc des Wechselrichters 6, auch als „DC-link voltage“ bezeichnet. Dies erfolgt in dem in 2 gezeigten Ermittlungsmittel 12 zur Ermittlung der Kompensationsspannungen ΔU, das die zugehörige LUT enthält. Das Ermittlungsmittel 12 gibt je Achse / Phase a, b, c der Synchronmaschine 1 einen Wert ΔUa , ΔUb , ΔUc als jeweilige Kompensationsspannung ΔU aus.The predicted values I abc are used as input values of another LUT (see 2 ). This LUT contains the compensation voltages .DELTA.U in the abc coordinate system as a function of these predicted values I abc and a supply voltage U dc of the inverter 6 , also referred to as "DC-link voltage". This is done in the in 2 Investigation means shown 12 for determining the compensation voltages .DELTA.U containing the associated LUT. The investigative agent 12 gives per axis / phase a, b, c of the synchronous machine 1 a value ΔU a . ΔU b . ΔU c as the respective compensation voltage .DELTA.U out.

Dies Kompensationsspannungen ΔU werden im System den berechneten Soll-Spannungen aufmoduliert, beispielsweise analog zu der Injektionsspannung Vinj . Geeignete Möglichkeiten oder Stellen zur Aufmodulierung der Kompensationsspannungen ΔU befinden sich in oder bei der Übertragung der Soll-Spannungen vom Ermittlungsmittel 3 zum Ermittlungsmittel 4 oder vom Ermittlungsmittel 4 zum Ermittlungsmittel 5 oder vom Ermittlungsmittel 5 zu dem Wechselrichter 6. Je nachdem, welche Möglichkeit oder Stelle genutzt wird, werden die Kompensationsspannungen ΔU in das jeweils vorliegende Koordinatensystem durch zumindest eine entsprechende Umrechnungsmatrix umgerechnet.This compensation voltages .DELTA.U are modulated in the system, the calculated target voltages, for example, analogous to the injection voltage V inj , Suitable possibilities or points for modulating the compensation voltages .DELTA.U are in or on the transmission of the desired voltages from the investigator 3 to the investigation 4 or from the investigation 4 to the investigation 5 or from the investigation 5 to the inverter 6 , Depending on which option or position is used, the compensation voltages .DELTA.U converted into the respective present coordinate system by at least one corresponding conversion matrix.

Der oben genannte Beobachter (Ermittlungsmittel 9), also das zugehörige Gleichungssystem, kann optional auch dazu angewendet werden, um andere Frequenzen in den Ist-Strömen der Phasen a, b, c der Synchronmaschine 1 zu ermitteln. Beispielsweise kann so die harmonische Schwingung 3. Grades bei einer als Rechtecksignal ausgebildeten Injektionsspannung Vinj ermittelt werden. Dazu ist es lediglich notwendig, die Vektoren bzw. Matrizen X und H entsprechend anzupassen.The above-mentioned observer (investigative means 9 ), ie the associated equation system, can optionally also be applied to other frequencies in the actual currents of the phases a, b, c of the synchronous machine 1 to investigate. For example, so can the harmonic oscillation 3 , Grades at a trained as square wave injection voltage V inj be determined. For this it is only necessary to adapt the vectors or matrices X and H accordingly.

Die gemessenen Ist-Ströme Imeas in den Phasen a, b, c der Synchronmaschine 1 können zur Stromregelung, wie oben bereits ausgeführt, mit den Soll-Strömen Iref aus dem Ermittlungsmittel 2 verrechnet werden. Um bei der Stromregelung den Einfluss des Hochfrequenzanteils Shf der Stromantwort S gering zu halten, wird der im Ermittlungsmittel 9 ermittelte Hochfrequenzanteil Shf aus den ermittelten Ist-Strömen Imeas bevorzugt eliminiert (Bezugszeichen 10). Vorteil hiervon ist, dass dann Phasenverzerrungen oder Bandbreitenbegrenzungen im Rückkopplungsteil der Stromregelung minimiert werden können. Die so bereinigten Ist-Ströme Imeas können in einem Ermittlungsmittel 11 bedarfsweise in das d-q-Koordinatensystem umgerechnet werden, wenn die Soll-Strömen Iref ebenfalls im d-q-Koordinatensystem vorliegen.The measured actual currents I meas in the phases a, b, c of the synchronous machine 1 can for current control, as already stated above, with the desired currents I ref from the investigation 2 will be charged. In the case of current regulation, the influence of the high-frequency component S hf the current response S to keep low, that is in the investigative 9 determined high frequency component S hf preferably eliminated from the determined actual currents I meas (reference numeral 10 ). Advantage of this is that then phase distortions or bandwidth limitations in the feedback part of the current control can be minimized. The thus corrected actual currents I meas can be determined in a determination means 11 If necessary, converted into the dq coordinate system when the desired currents I ref also present in the dq coordinate system.

Besondere Vorteile der beschriebenen Vorgehensweise sind:

  • - Die Implementierung der Ermittlung der prädizierten Werte Ihf future und Ifund future in ein Steuergerät ist in der Praxis einfach.
  • - Es wird die Kompensation von Nichtlinearitäten des Wechselrichters 6 sogar beim Vorliegen von sehr hochfrequenten Signalen ermöglicht.
  • - Es handelt sich um eine LUT-basierte Vorgehensweise, die die Nichtlinearitäten des Wechselrichters 6 im gesamten Strombereich des Wechselrichters 6 kompensiert.
Special advantages of the described procedure are:
  • The implementation of the determination of the predicted values I hf future and I fund future in a control unit is simple in practice.
  • - It will compensate for nonlinearities of the inverter 6 even in the presence of very high frequency signals.
  • - It is a LUT-based approach, which is the nonlinearities of the inverter 6 in the entire current range of the inverter 6 compensated.

Es ist grundsätzlich möglich, dass anstelle des gezeigten Ermittlungsmittels 12 auch andere Mittel oder Strategien zur Ermittlung der Kompensationsspannungen ΔU eingesetzt werden. Somit kann beispielsweise eine Kompensation basierend auf Rechtecksignalen oder Signalen in Trapezform erfolgen.It is basically possible that instead of the investigative means shown 12 Other means or strategies for determining the compensation voltages .DELTA.U are used. Thus, for example, a compensation can be based on rectangular signals or signals in trapezoidal shape.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
E-Maschine, SynchronmaschineElectric machine, synchronous machine
22
Ermittlungsmitteldetermining means
2'2 '
DrehzahlregelungSpeed control
33
Reglerregulator
44
Ermittlungsmitteldetermining means
55
Ermittlungsmitteldetermining means
66
Wechselrichterinverter
77
Ermittlungsmitteldetermining means
88th
Ermittlungsmitteldetermining means
99
Ermittlungsmitteldetermining means
1010
Eliminierungelimination
1111
Ermittlungsmitteldetermining means
1212
Ermittlungsmitteldetermining means

Claims (7)

Verfahren zur Kompensation von Nichtlinearitäten bei einer elektrischen Bestromung einer E-Maschine (1) mittels eines Wechselrichters (6), wobei - bei der elektrischen Bestromung eine Signalinjektion mit einem schwingenden Signal (Vinj) erfolgt, - die E-Maschine (1) auf die Signalinjektion eine Systemantwort (S) in Form eines elektrischen Stromes ausgibt, - Werte (Iabc), insbesondere prädizierte Werte, für den elektrischen Strom zur Kompensation der Nichtlinearitäten ermittelt werden, - Kompensationsspannungen (ΔU) mittels der Werte (Iabc) ermittelt werden, welche bei der elektrischen Bestromung der E-Maschine (1) aufgeprägt werden.Method for compensating non-linearities in the case of electrical energization of an electric motor (1) by means of an inverter (6), wherein - in the case of electrical energization, a signal injection with a vibrating signal (V inj ) takes place, - the electric motor (1) the signal injection outputs a system response (S) in the form of an electric current, - values (I abc ), in particular predicted values, for the electric current for compensation of the non-linearities are determined, - compensation voltages (ΔU) are determined by means of the values (I abc ) which are impressed during the electrical energization of the electric motor (1). Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Werte (Iabc) für den elektrischen Strom mittels eines Beobachters ermittelt werden.Method according to Claim 1 in which the values (I abc ) for the electric current are determined by means of an observer. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Werte (Iabc) aus einem Grundanteil (Ifund) und einen Hochfrequenzanteil (Ihf) des elektrischen Stromes bestehen, die jeweils ermittelt werden.Method according to Claim 1 or 2 in which the values (I abc ) consist of a basic component (I fund ) and a high-frequency component (I hf ) of the electrical current, which are determined in each case. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kompensationsspannungen (ΔU) mittels einer Lookup-Tabelle aus den Werten (Iabc) für den elektrischen Strom ermittelt werden.Method according to one of the preceding claims, wherein the compensation voltages (ΔU) are determined by means of a look-up table from the values (I abc ) for the electric current. Steuergerät zur Betätigung eines Wechselrichters (6), dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.Control device for actuating an inverter (6), characterized in that the control device is designed for carrying out the method according to one of the preceding claims. Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug, mit einer E-Maschine (1) und mit einem Wechselrichter (6) zur elektrischen Bestromung der E-Maschine (1), gekennzeichnet durch ein Steuergerät nach Anspruch 5.Drive system for a motor vehicle, with an electric motor (1) and with an inverter (6) for electrical energization of the electric motor (1), characterized by a control unit according to Claim 5 , Computerprogrammprodukt mit Befehlen, das das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausführt, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Recheneinheit ausgeführt wird.Computer program product with instructions that performs the procedure according to one of Claims 1 to 4 executes when the computer program product is executed on a computing unit.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111193447A (en) * 2020-03-16 2020-05-22 北京理工大学 Torque ripple suppression method of open-winding permanent magnet synchronous motor

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