DE102017221610A1 - Ermittlung von zumindest einem Maschinenparameter einer E-Maschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ermittlung von zumindest einem Maschinenparameter (Ψ_pm, R_S, L_d, L_q) einer E-Maschine (1) bei einer elektrischen Bestromung der E-Maschine (1). Dabei erfolgt bei der elektrischen Bestromung eine Signalinjektion mit einer schwingenden Signal (V_inj), und die E-Maschine (1) gibt auf die Signalinjektion eine Systemantwort (S) in Form eines elektrischen Stromes (I_meas) aus, und Werte (A₁, A₂, α₁, α₂) der Systemantwort (S) werden mittels eines Beobachters ermittelt, und der zumindest eine Maschinenparameter (Ψ_pm, R_S, L_d, L_q) wird aus diesen Werten (A₁, A₂, α₁, α₂) der Systemantwort (S) ermittelt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von zumindest einem Maschinenparameter einer E-Maschine bei einer elektrischen Bestromung der E-Maschine. Sie betrifft auch ein Steuergerät, das zur entsprechenden Ermittlung ausgebildet ist sowie ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Steuergerät.
• Zur Steuerung oder Regelung eines elektrischen Hochleistungsantriebs ist die Kenntnis über die wesentlichen Maschinen- und Systemparameter essentiell. Diese Kenntnis ist auch dann wichtig, wenn ein elektrisches Antriebssystem hohe dynamische oder akustische Anforderungen erfüllen soll oder eine hohe Effizienz aufweisen soll. Die Ermittlung von Maschinenparametern während des normalen, also bestimmungsgemäßen Betriebs einer elektrischen Maschine, also „online“, kann außerdem zur Überwachung der Maschine oder zur Effizienzsteigerung genutzt werden. Beispielsweise kann das Antriebssystem dadurch hinsichtlich elektrischer Kurzschlüsse und/oder anderweitiger Systemausfälle und/oder einer Maschinentemperatur überwacht werden.
• Bei elektrischen Maschinen, wie beispielsweise bei Synchronmaschinen, besteht allerdings das Problem, dass zur online-Ermittlung der Maschinenparameter lediglich zwei Spannungsgleichungen aufgestellt werden können. Somit können damit nicht mehr als zwei unbekannte Parameter mathematisch bestimmt ermittelt werden. Bei mehr als zwei unbekannten Parametern wird das Gleichungssystem mathematisch unbestimmt. Somit lassen sich mit trivialen Methoden nicht alle wichtigen Maschinenparameter einer E-Maschineermitteln. Wichtige Maschinenparameter sind in diesem Zusammenhang insbesondere eine magnetische Flussverkettung Ψ_pm und ein elektrischer Widerstand R_S des Stators und die Induktivität L.
• Bekannte Lösungen zur Ermittlung solcher Maschinenparameter können grob in zwei Gruppen aufgeteilt werden:
• - Lösungen zur Ermittlung der Parameter außerhalb eines normalen Betriebs der E-Maschine, also „offline“.
• - Lösungen zur Ermittlung der Parameter während eines normalen Betriebs der E-Maschine, also „online“.
• Die erste Gruppe enthält auch Lösungen, bei denen die Parameter im Stillstand oder bei einer Rotation ohne Last ermittelt werden. Die zweite Gruppe enthält Lösungen, bei denen die Parameter während des normalen Betriebs ermittelt werden. Der Nachteil der offline-Lösungen ist, dass die E-Maschine in einem speziellen Modus zur Ermittlung der Parameter betrieben werden muss und dass ein Temperatur- oder Alterungseinfluss nicht ohne weiteres berücksichtigt werden kann.
• Die online-Lösungen können weiter in die folgenden Gruppen aufgeteilt werden:
• Beobachter-basierte Systeme: Hierbei werden mit den Maschinengleichungen mathematische Beobachter geschaffen, wie Erweiterte Kalman Filter oder Unscented Kalman Filter oder Luenberger-Beobachter oder Recursive-Least-Squares-Algorithmen. Der Hauptnachteil solcher Lösungen ist, dass damit nicht alle der interessierten Maschinenparameter gleichzeitig beobachtet werden können. Dies geht auf die oben genannte Problematik zurück, dass bei E-Maschinen nur zwei Spannungsgleichungen aufgestellt werden können. Somit müssen einige der Maschinenparameter vorab oder auf andere Art ermittelt werden.
• MRAS: Die Grundidee eines MRAS' (= „Model Reference Adaptive System“) ist, dass ein Referenzmodel und ein anpassbares Model je einen bestimmten Wert oder Status ermitteln. Eine Differenz zwischen den von den beiden Modellen ermittelten Werten oder Stati dient dann zur Anpassung des anpassbaren Models. Das anpassbare Model wird nun so lange justiert, bis die Differenz ausreichend minimiert ist. Eine Stabilität des Anpassungsvorgangs wird beispielsweise mittels des Popow-Kriteriums für Hyperstabilität erreicht. Auch diese Lösungen leiden darunter, dass bei E-Maschinen nur zwei Spannungsgleichungen aufgestellt werden können.
• Lösungen mit Signalinjektion: Diese Lösungen basieren darauf, dass elektrische Signale in das System zur Ansteuerung der E-Maschine injiziert werden und die Systemantwort der E-Maschine ausgewertet wird. Beispielsweise werden die dem Stator der E-Maschine aktuell zugeführten Ströme und Spannungen abgetastet und mittels einer Schnellen Fourier-Transformation analysiert. Die Maschinenparameter werden dann aus den Fundamentalwerten der Spektralwerte abgeleitet. Akustisches Rauschen, Drehmomentspitzen und ein hoher Berechnungsaufwand sind einige Nachteile, die die praktische Anwendung solcher Lösungen bislang limitieren.
• Es sind außerdem Lösungen bekannt, die auf einer stochastischen Optimierung oder auf neuronalen Netzwerken oder auf einer Mustersuche („pattern seach“) basieren. Der hohe Berechnungsaufwand und der bei manchen Lösungen oder Situationen fehlende Determinismus begrenzten allerdings bislang die praktische Umsetzung solcher Lösungen.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
• Diese Aufgabe wird durch die in den Hauptansprüchen angegebenen Merkmale gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen hiervon sind den Unteransprüchen entnehmbar.
• Vorgeschlagen werden demnach ein Verfahren und ein Steuergerät zur Ermittlung von zumindest einem Maschinenparameter einer E-Maschine bei einer elektrischen Bestromung der E-Maschine. Dies erfolgt also „online“ während einer normalen (bestimmungsgemäßen) elektrischen Bestromung zum Betrieb der E-Maschine. Die elektrische Bestromung der E-Maschine erfolgt insbesondere mittels eines Wechselrichters. Das Steuergerät dient demnach zur Betätigung des Wechselrichters, der wiederum zur elektrischen Bestromung der E-Maschine ausgebildet ist. Die elektrischen Bestromung, bei der der zumindest eine Maschinenparameter ermittelt wird erfolgt insbesondere im Rahmen einer feldorientierten Regelung oder Steuerung der E-Maschine.
• 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 Werte der Systemantwort mittels eines Beobachters ermittelt. Der zumindest eine Maschinenparameter wird aus diesen Werten ermittelt. Dadurch lassen sich einfach die interessierten Maschinenparameter identifizieren.
• Bei einem solchen Beobachter handelt es sich insbesondere um einen mathematischen bzw. regelungstechnischen Beobachter, also ein entsprechendes mathematisches Gleichungssystem. Der Beobachter basiert bevorzugt auf einem Erweiterten Kalman Filter. Grundsätzlich können jedoch auch andere geeignete Beobachter angewendet werden.
• 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.
• 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 Machine“) oder um eine Synchron-Reluktanzmaschine (RSM = „Relcutance Synchronous Machine“).
• Bei einem solchen Maschinenparameter handelt es sich insbesondere um eine feste oder insbesondere um eine veränderliche elektrische oder magnetische Größe der E-Maschine. Diese kann zur Regelung oder Steuerung der E-Maschine essentiell sein.
• Insbesondere handelt es sich bei dem zumindest einen Maschinenparameter um eine magnetische Flussverkettung der E-Maschine oder einen elektrischen Widerstand eines Stators der E-Maschine oder eine Induktivität der E-Maschine. Vorzugsweise werden mehrere, bevorzugt mehr als zwei dieser Maschinenparameter mit dem vorgeschlagenen Verfahren und Steuergerät ermittelt.
• Bevorzugt werden die Werte der Systemantwort, die in Form des elektrischen Stromes vorliegt, mittels zumindest oder genau einer Lookup-Tabelle (= „LUT“) ermittelt. Der LUT werden hierzu insbesondere Eingabewerte der E-Maschine zugeführt. Bei den Eingabewerten handelt es sich insbesondere um Ist-Ströme an den Phasen der E-Maschine. Diese können beispielsweise gemessen werden. Die LUT gibt dann entsprechende Ausgabewerte aus. Die Ausgabewerte der LUT werden dann dem Beobachter zugeführt. Der Beobachter ermittelt daraus die gesuchten Werte der Systemantwort.
• Das vorgeschlagene Verfahren wird insbesondere zeitdiskret durchgeführt, also in mehreren aufeinanderfolgenden Iterationsschritten. Bei jedem Iterationsschritt werden dann also mit der LUT aus den zum Iterationsschritt aktuellen Eingabewerten entsprechend aktualisierte Ausgabewerte ermittelt. Diese werden dem Beobachter zugeführt. Der Beobachter wird dementsprechend ebenfalls bei jedem Iterationsschritt aktualisiert. Er ermittelt somit bei jedem Iterationsschritt die entsprechenden aktuellen Werte der Systemantwort.
• Bevorzugt werden mit der vorgeschlagenen Vorgehensweise nur bestimmte Maschinenparameter, die von besonderem Interesse sind, ermittelt. Dies sind die folgenden Maschinenparameter:
• - die magnetische Flussverkettung der E-Maschine, und
• - der elektrische Widerstand des Stators der E-Maschine, auch Statorwiderstand genannt, und
• - die Induktivität der E-Maschine.
• Die Induktivität wird dann insbesondere in jeder der vorhandenen Raumrichtungen der E-Maschine ermittelt. Insbesondere wird die Induktivität daher in einem mit dem Rotor oder Rotorfluss der E-Maschine mitdrehenden d-q-Koordinatensystems ermittelt. Dementsprechend wird einerseits der Anteil der Induktivität in Richtung der d-Achse ermittelt (auch „d-Induktivität“ genannt) und andererseits auch der Anteil der Induktivität in Richtung einer q-Achse ermittelt (auch „q-Induktivität“ genannt). Somit werden dann insgesamt vier Maschinenparameter ermittelt, nämlich die magnetische Flussverkettung, der Statorwiderstand und die Induktivitäten in die beiden unterschiedlichen Raumrichtungen (d- und q-Achse).
• Insbesondere sind die Werte der Systemantwort, die mittels des Beobachters ermittelt werden folgende:
• - eine oder mehrere Phasenlagen Systemantwort, und
• - eine oder mehrere Amplituden der Systemantwort.
• Diese Werte der Systemantwort dienen dann als Eingangswerte zur Ermittlung des zumindest einen Maschinenparameters. Diese Werte der Systemantwort werden insbesondere in dem oben genannten d-q-Koordinatensystem der E-Maschine ermittelt. Dadurch kann daraus der zumindest eine Maschinenparameter einfach ermittelt werden.
• 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.
• 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.
• 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.
• Im Folgenden wird die Erfindung im Detail und anhand einer Figur (1) näher erläutert, aus welcher weitere bevorzugte Ausführungsformen und weitere bevorzugte Merkmale der Erfindung entnehmbar sind.
• 1 zeigt hierbei in schematischer Darstellung ein System zur elektrischen Bestromung einer E-Maschine 1, beispielhaft in Form einer Synchronmaschine, mit einem Wechselrichter 6. Ein gleiches oder zumindest vergleichbares System kann auch für eine andere Art von E-Maschine eingesetzt werden, wie insbesondere für eine Asynchronmaschine.
• Gemäß 1 wir dem System ein Referenzdrehmoment T_ref für die Synchronmaschine 1 vorgegeben. Dieses kann durch eine optionale Drehzahlregelung 2' ermittelt werden. Das Referenzdrehmoment T_ref stellt ein von der Synchronmaschine zu stellendes Drehmoment dar, also ein Soll-Drehmoment der Synchronmaschine 1.
• Ein Ermittlungsmittel 2 ermittelt aus dem Referenzdrehmoment T_ref elektrische Soll-Ströme I_ref für die Synchronmaschine 1, die daran anliegen müssen, um das Referenzdrehmoment T_ref bereitzustellen. Diese liegen insbesondere in einem mit einem Rotor/Rotorfluss der Synchronmaschine 1 mitbewegten d-q-Koordinatensystem vor (dann I_{dq ref} genannt). Diese vom Ermittlungsmittel 2 ausgegebenen Soll-Ströme I_ref können mit je einem Ist-Strom I_meas verrechnet werden, um eine Stromregelung zu realisieren. Andernfalls liegt eine Steuerung vor.
• 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 V_inj überlagert. Somit wird eine Signalinjektion in Form dieser Spannungsinjektion realisiert. Die Injektionsspannung V_inj weist eine bekannte Frequenz f_inj 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 V_inj kann rechteckig (Rechtecksignal) oder sinusförmig (Sinussignal) ausgebildet sein.
• Die Injektionsspannung V_inj kann somit wie folgt ausgedrückt werden: $${\text{V}}_{\text{inj}}={\text{V}}_{\text{inj}}\text{ cos }{\mathrm{\theta }}_{\text{k}}+{\text{jV}}_{\text{inj}}\text{ sin }{\mathrm{\theta }}_{\text{k},}$$

  

  wobei θ_k der Winkel des Vektors der Injektionsspannung V_inj zu der d-Achse ist.
• Die so erhaltene Spannungen (Soll-Spannungen mit aufgeprägter Injektionsspannung V_inj ) 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 V_inj 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 I_meas genannt.
• In einem Ermittlungsmittel 7 können die im Koordinatensystem der Phasen a, b, c der Synchronmaschine 1 (abc-Koordinatensystem) vorliegenden Ist-Ströme I_meas in das α-β-Koordinatensystem umgerechnet werden. Die Ist-Ströme I_meas können in einem Ermittlungsmittel 8 dann weiter in das d-q-Koordinatensystem umgerechnet werden.
• Die Ist-Ströme I_meas werden einem Ermittlungsmittel 9 zu Stromrekonstruktion zugeführt. Darin werden die Werte A₁ , A₂ , α₁ , α₂ der Stromantwort S ermittelt, wie unten näher erläutert.
• Die Stromantwort S ist eine Summe aus einem Grundanteil S_fundamental, auch „fundamental current“ genannt, und einen Hochfrequenzanteil S_hf , auch „high frequency response“ genannt. Die Stromantwort S kann folglich wie folgt ausgedrückt werden: $$\text{S}={\text{S}}_{\text{fundamental}}+{\text{S}}_{\text{hf}}.$$

  
• Dabei kann der Hochfrequenzanteil S_hf wie folgt ausgedrückt werden: $${\text{S}}_{\text{hf}}=\text{A cos}\left(2\mathrm{\pi }{\text{f}}_{\text{inj}}\text{t}+\mathrm{\alpha }\right)={\text{a}}_{\text{1}}\text{ cos}\left(2\mathrm{\pi }{\text{f}}_{\text{inj}}\text{t}\right)-{\text{a}}_{\text{2}}\text{sin}\left(2\mathrm{\pi }{\text{f}}_{\text{inj}}\text{t}\right),$$

  

  wobei gilt:

a₁, a₂ =

Phase des Hochfrequenzanteils S_hf (reelle Zahl),

A =

Amplitude des Hochfrequenzanteils ${\text{S}}_{\text{hf}}=\sqrt{{\text{a}}_1^2+{\text{s}}_2^2},$



f_inj =

Frequenz der Injektionsspannung V_inj ,

α =

Phasenverzug = $\text{atan}\left(\frac{{\text{a}}_{\text{2}}}{{\text{a}}_{\text{1}}}\right)$



t =

Zeit.

• Hieraus können die Vektoren bzw. Matrizen X und H gebildet werden, wobei: $$\text{X=}\left[\frac{{\text{a}}_{\text{2}}}{{\text{a}}_{\text{1}}}\right],$$

  

  $$\text{H}=\left[\text{cos}\left(2\mathrm{\pi }{\text{f}}_{\text{inj}}\text{t}\right)-\text{sin}\left(2\mathrm{\pi }{\text{f}}_{\text{inj}}\text{t}\right)\right].$$

  
• 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.
• Für den stationären Betriebszustand der Synchronmaschine 1 ergibt sich somit für den Iterationsschritt n: $${\text{X}}_{\text{n}}={\text{X}}_{\text{n-1}},$$

  

  $${\text{Y}}_{\text{n}}={\text{H}}_{\text{n}}{\text{X}}_{\text{n}}{\text{+v}}_{\text{n}}\text{,}$$

  

  wobei gilt:

Y_n =

(gemessener) Wert des Hochfrequenzanteils S_hf zum Iterationsschritt n,

V_n =

Messrauschen.

• 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.
• Der Vektor bzw. die Matrix X wird jeden Iterationsschritt mittels der folgenden Gleichungen, die einen Beobachter bilden, ermittelt: $${\text{X}}_{\text{n}}={\text{X}}_{\text{n-1}}{\text{+K}}_{\text{n}}\left({\text{Y}}_{\text{n}}{\text{-H}}_{\text{n}}{\text{X}}_{\text{n-1}}\right),$$

  

  wobei gilt: $${\text{K}}_{\text{n}}={\text{P}}_{\text{n-1}}{\text{H}}_{\text{n}}^{\text{T}}{\text{S}}_{\text{n}}^{-1},$$

  

  und $${\text{S}}_{\text{n}}={\text{H}}_{\text{n}}{\text{P}}_{\text{n}-\text{1}}{\text{H}}_{\text{n}}^{\text{T}}+{\text{R}}_{\text{n}},$$

  

  und $${\text{P}}_{\text{n}}=\left(\text{I}-{\text{K}}_{\text{n}}{\text{H}}_{\text{n}}\right){\text{P}}_{\text{n}-1}.$$

  
• Hierbei bilden:

R =

eine Kovarianz des Rauschens (dies beschreibt eines Messunsicherheit und wird bevorzugt bedarfsweise eingestellt),

I =

eine Identitätsmatrix.

• Demnach werden der LUT Eingabewerte der Synchronmaschine 1 zugeführt, woraufhin die Lookup-Tabelle entsprechende Ausgabewerte in Form des momentanen Wertes des Vektors bzw. der Matrix H ausgibt. Diese Ausgabewerte werden dem Beobachter zugeführt, der daraus die Werte A₁ , A₂ , α₁ , α₂ der Systemantwort S ermittelt.
• Dieser Beobachter, bei dem es sich im Grund 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 S_hf ermittelt. Dies sind vorliegend die gesuchten Werte der Systemantwort S, die in Form des elektrischen Stromes vorliegt.
• Es ist nun möglich, aus diesen Werten A₁ , A₂ , α₁ , α₂ der Systemantwort S diejenigen Maschinenparameter, die von besonderem Interesse sind, zu ermitteln. Dies sind vorliegend:
• - die magnetische Flussverkettung Ψ_pm der Synchronmaschine 1 (auf Grund der sich darin gegebenenfalls befindlichen Permanentmagnete), und
• - den elektrischer Widerstand R_S des Stators der Synchronmaschine 1, und
• - die Induktivität L_d der Synchronmaschine in d-Richtung, und
• - die Induktivität L_q der Synchronmaschine in q-Richtung.
• Die Ermittlung dieser Maschinenparameter erfolgt in dem Ermittlungsmittel 12. Bevorzugt erfolgt die Ermittlung basierend auf dem folgenden Gleichungssystem mit einer 4×4-Matrix: $$\left[\begin{array}{c}-4V_{di}\\ -4V_{qi}\\ u_d\\ u_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}-4A_1\text{sin}\left({\alpha }_1+\raisebox{1ex}{$\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\right)& -4{\omega }_i{A}_1\text{cos}\left({\alpha }_1+\raisebox{1ex}{$\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\right)& 4\omega A_2\text{sin}\left({\alpha }_2+\raisebox{1ex}{$\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\right)& 0\\ -4A_2\text{sin}\left({\alpha }_2+\raisebox{1ex}{$\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\right)& -4\omega A_1\text{sin}\left({\alpha }_1+\raisebox{1ex}{$\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\right)& -4{\omega }_i{A}_2\text{cos}\left({\alpha }_2+\raisebox{1ex}{$\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\right)& 0\\ i_{dC}& 0& \omega i_{qC}& 0\\ i_{qC}& \omega i_{dC}& 0& \omega \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{R}_s\\ L_d\\ L_q\\ {\psi }_{pm}\end{array}\right],$$

  

  wobei gilt:

ω =

die elektrische Drehgeschwindigkeit des Rotors der Synchronmaschine 1 (Rotorkreisfrequenz),

ω_i =

Kreisfrequenz des injizierten Signals (V_inj) = 2 π f_inj,

i_dC =

Grundanteil S_fundamental in der d-Achse (sofern der d-Strom beobachtet wird), $$V_{dqi}=\left|V_{inj}\right|\left[\begin{array}{c}\text{cos}{\theta }_k\\ \text{sin}{\theta }_k\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{V}_{qi}\\ V_{qi}\end{array}\right].$$



• Anstelle des Grundanteils S_fundamental in der d-Achse (i_dC) kann auch der Grundanteil S_fundamental in der q-Achse (i_qC) beobachtet und dementsprechend in der 4x4-Matrix verwendet werden.
• Dieses Gleichungssystem hat den Vorteil, dass es mathematisch einen vollen Rang aufweist und damit eindeutig lösbar ist. Das Gleichungssystem kann somit für den Fachmann auf einfache Weise gelöst werden, beispielsweise indem ein RLS-Algorithmus („Recursive-Least-Squares-Algorithmus“) darauf angewendet wird oder indem die 4×4-Matrix invertiert wird oder indem ein entsprechend ausgeführter weiterer Beobachter darauf angewendet wird.
• Die so erhaltenen Werte der Maschinenparameter können durch eine Signalaufbereitung weiter verbessert werden, insbesondere durch Filterung oder Signalmittelung („signal averaging“). Wenn eine Signalmittelung angewandt wird, können in Abhängigkeit der Dynamik jedes Parameters unterschiedliche Fensterweiten für die Mittelung eingesetzt werden. Beispielsweise kann zur Ermittlung der Induktivität L_d und L_q eine relativ kleine Fensterweite eingesetzt werden, denn diese ändert sich relativ schnell im Betrieb der Synchronmaschine 1. Zur Ermittlung des Statorwiderstandes R_S kann dann demgegenüber eine relativ große Fensterweite eingesetzt werden, denn diese Werte ändern sich relativ langsam im Betrieb der Synchronmaschine 1.
• Wenn die Synchronmaschine 1 als RSM ausgeführt ist, verfügt diese über keine Permanentmagnete. Dementsprechend weist sie keine magnetische Flussverkettung Ψ_pm auf, oder mit anderen Worten gilt für die magnetische Flussverkettung Ψ_pm = 0. In diesem Fall kann die oben genannte 4×4-Matrix des Gleichungssystems auf eine 4x3-Matrix reduziert werden. Das Gleichungssystem lautet dann: $$\left[\begin{array}{c}-4V_{di}\\ -4V_{qi}\\ u_d\\ u_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}-4A_1\text{sin}\left({\alpha }_1+\raisebox{1ex}{$\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\right)& -4{\omega }_i{A}_1\text{cos}\left({\alpha }_1+\raisebox{1ex}{$\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\right)& 4\omega A_2\text{sin}\left({\alpha }_2+\raisebox{1ex}{$\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\right)\\ -4A_2\text{sin}\left({\alpha }_2+\raisebox{1ex}{$\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\right)& -4{\omega }_i{A}_1\text{sin}\left({\alpha }_1+\raisebox{1ex}{$\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\right)& -4{\omega }_i{A}_2\text{cos}\left({\alpha }_2+\raisebox{1ex}{$\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\right)\\ i_{dC}& 0& \omega i_{qC}\\ i_{qC}& \omega i_{dC}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{R}_s\\ L_d\\ L_q\end{array}\right].$$

  
• Dieses Gleichungssystem ist mathematisch überbestimmt. Es kann ebenfalls einfach für den Fachmann gelöst werden, beispielsweise unter Verwendung der Pseudo-Inversen der 4×3-Matrix oder durch Anwendung eines entsprechend ausgeführten weiteren Beobachters darauf. Auch hier kann anstelle des Grundanteils S_fundamental in der d-Achse (i_dC ) der Grundanteil S_fundamental in der q-Achse (i_qC ) beobachtet und dementsprechend in der 4×3-Matrix verwendet werden.
• Es bestehen weitere Möglichkeiten, um die vorgeschlagene Vorgehensweise anzupassen und/oder zu verbessern:
• - Es kann anderer geeigneter Beobachter verwendet werden, um die Werte A₁ , A₂ , α₁ , α₂ der Systemantwort S zu ermitteln.
• - Die Ermittlung der Maschinenparameter kann im Zusammenhang mit einer sensorlosen Regelung der E-Maschine 1 eingesetzt werden, um die Robustheit der Regelung zu verbessern.
• - Die Amplitude und der Phasenwinkel der Injektionsspannung V_inj kann angepasst werden, beispielsweise in Abhängigkeit des Betriebszustands der E-Maschine 1, um die Ermittlung der Werte A₁ , A₂ , α₁ , α₂ der Systemantwort S zu verbessern und/oder um Drehmomentspitzen der E-Maschine 1 zu minimieren und/oder um Stromspitzen im Gleichstromkreis zu minimieren etc.
• - Die Auswirkung des Skin-Effekts auf den Statorwiderstand R_S kann durch Verwendung eines Kompensationsfaktors in der oben genannten 4×4-Matrix bzw. 4×3-Matrix (insbesondere in denjenigen Termen, die sich an den Stellen (1,1) und (2,1) der Matrizen befinden) ausgeglichen werden.
• 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 E-Maschine 1 zu ermitteln. Beispielsweise kann so die harmonische Schwingung 3. Grades bei einer als Rechtecksignal ausgebildeten Injektionsspannung V_inj ermittelt werden. Dazu ist es lediglich notwendig, die Vektoren bzw. Matrizen X und H entsprechend anzupassen.
• Die gemessenen Ist-Ströme I_meas in den Phasen a, b, c der E-Maschine 1 können zur Stromregelung, wie oben bereits ausgeführt, mit den Soll-Strömen I_ref aus dem Ermittlungsmittel 2 verrechnet werden. Um bei der Stromregelung den Einfluss des Hochfrequenzanteils S_hf der Stromantwort S gering zu halten, wird der im Ermittlungsmittel 9 ermittelte Hochfrequenzanteil S_hf aus den ermittelten Ist-Strömen I_meas bevorzugt eliminiert (Bezugszeichen 10). Vorteil hiervon ist, dass dann Phasenverzerrungen oder Bandbreitenbegrenzungen im Rückkopplungsteil der Stromregelung minimiert werden können. Die so bereinigten Ist-Ströme I_meas können in einem Ermittlungsmittel 11 bedarfsweise in das d-q-Koordinatensystem umgerechnet werden, wenn die Soll-Strömen I_ref ebenfalls im d-q-Koordinatensystem vorliegen.
• Besondere Vorteile der beschriebenen Vorgehensweise sind:
• • Es wird eine online-Ermittlung der wesentlichen Maschinenparameter ermöglicht (vier für eine PMSM; drei für eine RSM).
• • Die Bandbreite der Stromregelung wird durch die Injektionsspannung V_inj nicht beeinträchtigt.
• • Die erforderliche Rechenleistung ist gering. Somit kann diese Vorgehensweise auch auf Steuergeräten mit einer relativ geringen Rechenleistung durchgeführt werden.
• Bezugszeichenliste

1

E-Maschine, Synchronmaschine

2

Ermittlungsmittel

2'

Drehzahlregelung

3

Regler

4

Ermittlungsmittel

5

Ermittlungsmittel

6

Wechselrichter

7

Ermittlungsmittel

8

Ermittlungsmittel

9

Ermittlungsmittel

10

Eliminierung

11

Ermittlungsmittel

12

Ermittlungsmittel

Claims (9)

1. Verfahren zur Ermittlung von zumindest einem Maschinenparameter (Ψ_pm, R_S, L_d, L_q) einer E-Maschine (1) bei einer elektrischen Bestromung der E-Maschine (1), wobei - bei der elektrischen Bestromung eine Signalinjektion mit einer schwingenden Signal (V_inj) erfolgt, - die E-Maschine (1) auf die Signalinjektion eine Systemantwort (S) in Form eines elektrischen Stromes (I_meas) ausgibt, - Werte (A₁, A₂, α₁, α₂) der Systemantwort (S) mittels eines Beobachters ermittelt werden, - der zumindest eine Maschinenparameter (Ψ_pm, R_S, L_d, L_q) aus diesen Werten (A₁, A₂, α₁, α₂) der Systemantwort (S) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Werte (A₁, A₂, α₁, α₂) der Systemantwort (S) mittels zumindest oder genau einer Lookup-Tabelle ermittelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei - der Lookup-Tabelle Eingabewerte der E-Maschine (1) zugeführt werden - die Lookup-Tabelle entsprechende Ausgabewerte ausgibt, - die Ausgabewerte der Lookup-Tabelle dem Beobachter zugeführt werden - der Beobachter daraus die Werte (A₁, A₂, α₁, α₂) der Systemantwort (S) ermittelt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Maschinenparameter (Ψ_pm, R_S, L_d, L_q), die ermittelt werden - eine magnetische Flussverkettung (Ψ_pm) der E-Maschine (1), und - ein elektrischer Widerstand (R_S) eines Stators der E-Maschine (1), und - eine Induktivität (L_d, L_q) der E-Maschine (1), sind.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Werte (A₁, A₂, α₁, α₂) der Systemantwort (S), die mittels des Beobachters ermittelt werden, eine Phasenlage (α₁, α₂) und eine Amplitude (A₁, A₂) der Systemantwort (S) sind.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Werte (A₁, A₂, α₁, α₂) der Systemantwort (S) in einem d-q-Koordinatensystem der E-Maschine (1) ermittelt werden.
7. Steuergerät zur Betätigung eines Wechselrichters (6) zur elektrischen Bestromung der E-Maschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.
8. 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 7.
9. Computerprogrammprodukt mit Befehlen, das das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausführt, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Recheneinheit ausgeführt wird.

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