DE102018103831A1 - Verfahren und Vorrichtung zur adaptiven rotororientierten Regelung und Drehmomentschätzung einer permanentmagneterregten Synchronmaschine auf Basis von Schätzungen des magnetischen Flusses im stationären Zustand - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb einer Regeleinrichtung (1) für eine elektrische Maschine (80), wobei die Regelvorrichtung (1) in verschiedenen Betriebspunkten der elektrischen Maschine (80) wenigstens einen Ist-Strom (i*1, i*2, i*3, iα, iβ, id, iq) in der elektrischen Maschine (80) regelt,wobei wenigstens ein magnetischer Fluss (Ψd, Ψq) während des Betriebs der elektrischen Maschine (80) automatisiert geschätzt wird und in wenigstens einem adaptiven Flusskennfeld (111, 112) abgelegt wird, wobei das adaptive Flusskennfeld (111, 112) magnetische Flüsse (Ψd, Ψq) mit Zuordnung zu einem Betriebspunkt der elektrischen Maschine (80) speichert.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Regeleinrichtung für eine elektrische Maschine. Die Regelvorrichtung regelt in verschiedenen Betriebspunkten der elektrischen Maschine wenigstens einen Strom der elektrischen Maschine. Ein Betriebspunkt ist durch wenigstens zwei Ströme der elektrischen Maschine definiert. Die Erfindung betrifft außerdem eine Regeleinrichtung.
• Eine Anwendung der Erfindung ist eine adaptive rotororientierte Regelung und/oder Drehmomentschätzung einer Synchronmaschine, die insbesondere permanentmagneterregt ist, auf Basis von Schätzungen des magnetischen Flusses. Die Schätzungen werden insbesondere in einem stationären Zustand der Maschine durchgeführt.
• Zur Regelung elektrischer Maschinen ist eine möglichst genaue Kenntnis der Maschinenparameter erforderlich. Die wichtigste Rolle spielen dabei die magnetischen Flüsse und Induktivitäten der elektrischen Maschine. Sie haben unmittelbaren Einfluss auf das dynamische und stationäre Verhalten der Maschine und ihre Kenntnis ist damit für eine gute Regelung hilfreich.
• Die Parameter sind jedoch aus verschiedenen Gründen oft nicht genau bekannt. Das hat verschiedene Gründe, z.B. kann eine sehr genaue Ausmessung der Parameter zeit- und kostenaufwendig sein. Außerdem können die Parameter mehrerer Maschinen desselben Typs aufgrund von Fertigungstoleranzen eine Streuung aufweisen. Nicht zuletzt können sich durch Alterungseffekte die Parameter einer Maschine schleichend ändern.
• Im Stand der Technik ist die WO 2015/090306 A1 bekannt, in welcher vorgeschlagen wird, eine Rotortemperatur einer elektrischen Maschine anhand von Änderungen eines Kurzschlussstroms während eines generatorischen Betriebs der elektrischen Maschine zu erfassen. Auf diese Weise kann die Rotortemperatur ermittelt werden, ohne sie explizit messen zu müssen.
• Ein Reglerentwurf für elektrische Maschinen wird üblicherweise mit der Annahme konstanter Referenzparameter durchgeführt. Die Parametrierung der Regelung kann aus den Referenzparametern mithilfe etablierter Entwurfsverfahren z.B. einmalig errechnet und dann für die gesamte Lebensdauer der Maschine verwendet werden.
• Da mit der klassischen Vorgehensweise nicht auf Parameterveränderungen reagiert werden kann, wurden verschiedene Vorschläge zu adaptiven Regelverfahren veröffentlicht, die sich im Wesentlichen in folgende zwei Kategorien einteilen lassen.
• Beim dem MRAC(Model Reference Adaptive Control)-Verfahren kann in einem Referenzmodell das gewünschte Verhalten des geregelten Systems berechnet und dieses mit dem realen Verhalten verglichen werden. Bei einer Differenz zwischen Real- und Wunschverhalten kann die Parametrierung des Reglers angepasst werden.
• Das klassische Verfahren mit festen Parametern hat den Nachteil, dass auf Änderungen und Ungenauigkeiten der Parametrierung nicht reagiert werden kann. Die Regelung muss also konservativ eingestellt werden, um eine Reserve im Falle abweichender Parameter vorhalten zu können. Darunter leidet die erreichbare Dynamik und Genauigkeit.
• Bei dem MIAC(Model Identification Adaptive Control)-Verfahren werden auf Basis von Messgrößen während des Betriebs relevante Parameter errechnet. Aufgrund dieser Parameterkenntnis kann die Parametrierung der Regelung angepasst werden.
• Die Adaption der Reglerparameter funktioniert zwar üblicherweise gut, jedoch liegt häufig eine hohe Empfindlichkeit hinsichtlich externer Störgrößen vor. Es ist deswegen nicht robust genug, um einen sicheren Einsatz in einem Antriebssystem zu gewährleisten. Des Weiteren wird der mathematische Aufwand beim Entwurfsgang nur schwer beherrschbar, wenn das zu regelnde System ein komplexes Verhalten aufweist.
• Aufgrund der Natur der meisten Schätzalgorithmen werden die Parameter meist aus einem linearen Maschinenmodell errechnet. Im Falle elektrischer Maschinen, die aufgrund der Sättigung ein stark nichtlineares Verhalten aufweisen können, ist daher keine häufig ausreichende Schätzgenauigkeit mehr möglich.
• In 3 ist in einem Diagramm eine Flusskurve 200 eines magnetischen Flusses Ψ, wie er z.B. in einem magnetischen Kreis einer elektrischen Maschine vorkommt, in Abhängigkeit des Erregerstroms i dargestellt. Die i-Achse stellt Betriebspunkte der elektrischen Maschine dar. Hätte die Maschine ein lineares Verhalten, wäre die Flusskurve eine Gerade 201, die durch den Ursprung des Diagramms verläuft. Die Induktivität, welche der Steigung des Flusses entspricht könnte dann mit der Formel $$L=\frac{\mathrm{\Psi }}{i}$$

  

  berechnet werden und wäre über die gesamte i-Achse konstant. Diese konstante Induktivität bezeichnet man als absolute Induktivität oder Sekanteninduktivität. Hat die Flusskurve 200 jedoch wie in der Realität ein nichtlineares Verhalten, so kann die wirksame Induktivität an einem beliebigen Punkt id,q auf der i-Achse durch die Steigung der dortigen Tangente 202 ausgedrückt werden. Diese Induktivität bezeichnet man auch als differentielle Induktivität oder Tangenteninduktivität. Für eine permanentmagneterregten Synchronmaschine, welche typischerweise in d-q-Koordinaten beschrieben wird, können in jedem Betriebspunkt vier differentielle Induktivität definiert werden: $$L_{kj}=\frac{\partial {\mathrm{\Psi }}_{\text{k}}}{\partial i_j},\text{ k},\text{j}\in \left\{d,q\right\}$$

  
• Eine Induktivitätsschätzung, welche auf einem linearen Maschinenmodell basiert, kann diese Effekte nicht berücksichtigen.
• Aufgabe der Erfindung ist, ausgehend von den oben dargestellten Unzulänglichkeiten gewöhnlicher MIAC-Verfahren, ein erweitertes MIAC-Verfahren zu entwickeln, das die Nachteile des Standes der Technik überwindet.
• Die Aufgabe wird mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen und Maßnahmen gelöst.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Bevorzugt wird für einen Strom, vorzugsweise für jede Stromkombination, eine differentielle Induktivität bestimmt. Insbesondere kann dies im der d-q-Koordinatensystem ausgeführt werden, sodass für jede mögliche Kombination aus Strömen id und iq eine differentielle Induktivität bestimmt wird. Dabei ist vorzugsweise keine spezielle Sensorik notwendig, insbesondere nicht zur Messung des magnetischen Flusses. Es wird bevorzugt ausschließlich auf Messwerte zurückgegriffen, die zur Regelung der Maschine erfasst werden, insbesondere ausschließlich Strommesswerte, optional zusätzlich auf eine Drehzahl und/oder eine Winkelstellung des Rotors. Vorzugsweise werden differentielle Induktivitäten nicht direkt identifiziert.
• Die magnetischen Flüsse werden vorzugsweise während des Betriebs in verschiedenen Betriebspunkten, die durch einen oder mehrere Ströme, insbesondere die Ströme id und iq des d/q-Koordinatensystems, definiert sein können, geschätzt und in adaptiven Flusskennfeldern abgelegt, wobei insbesondere eine Zuordnung zwischen einem magnetischen Fluss und einem Betriebspunkt möglich ist. Die Betriebspunkte können außerdem durch eine Winkelstellung des Rotors in Bezug auf den Stator und/oder eine Winkelgeschwindigkeit des Rotors definiert sein. Weiter kann ein Betriebspunkt durch einen Spannungsstellwert oder eine Spannung an den Phasen definiert sein.
• Aus diesen Flusskennfeldern kann durch numerische Differentiation für jeden Punkt eine und insbesondere alle differentiellen Induktivitäten errechnet werden. Vorzugsweise erfolgt die Differentiation in Richtung der Koordinaten des d/q-Koordinatensystems. Die differentiellen Induktivitäten können für die Regelung verwendet werden.
• Die errechneten Flüsse werden bevorzugt nicht direkt in der Regelung verwendet. Vorzugsweise werden sie zunächst nur für die Adaption des Flusskennfeldes verwendet. Es kann ausreichen, diese im stationären Zustand des oder der definierenden Ströme automatisiert zu schätzen. Dadurch wird die Schätzung wesentlich einfacher.
• Aus den allgemeinen Spannungsgleichungen einer permanentmagneterregten Synchronmaschine auf Basis der d/q-Darstellung $$u_d=R_s{i}_d-{\mathrm{\Psi }}_q\omega +L_{dd}{i}_d+L_{dq}{i}_q$$

  

  $$u_q=R_s{i}_q+{\mathrm{\Psi }}_d\omega +L_{qd}{i}_d+L_{qq}{i}_q$$

  

  wird im stationären Zustand $$u_d=R_s{i}_d-{\mathrm{\Psi }}_q\omega$$

  

  $$u_q=R_s{i}_q+{\mathrm{\Psi }}_d\omega$$

  
• Aus diesen Gleichungen können die Flüsse nun recht einfach bestimmt werden. Die Gleichungen können nach den Flüssen Ψ umgestellt und mit den bekannten Werten des Wicklungswiderstands Rs, der Ströme id und iq und der Drehzahl ω berechnet werden. Dies kann durch direkte Berechnung und anschließende Filterung, oder durch einen rekursiven Schätzalgorithmus, wie z.B. Recursive Least Squares (RLS), Least Mean Squares (LMS) oder affine Projektion erfolgen. Diese Algorithmen stellen keine allzu hohen Anforderungen an die Rechenleistung und sind vielfach praktisch erprobt, weswegen hier eine auf detailliertere Darstellung verzichtet und in Bezug auf diese Algorithmen auf die Literatur, z.B. Åström, Wittenmark: „Adaptive Control, 2^nd Edition“, Dover Publications Inc., 2008; Liu, Hameyer: „A fast online full parameter estimation of a PMSM with sinusoidal signal injection“, International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, 2008 oder Gaicenau, Solea et al.: „Online Identification of the DC motor parameters by using Least Mean Squares“, Jahresbericht der Universität Eftimie Murgu (Rumänien), Jahrgang XXI, Nr. 3, 2014, ISSN 1453-7397 verwiesen wird.
• Für die Schätzungen können Messwerte der Ströme und Spannungen sowie der Drehzahl und des Rotorlagewinkels herangezogen werden. Ströme, Drehzahl und Rotorlagewinkel sind bei rotororientierter Regelung als Messwerte normalerweise ohnehin vorhanden. Sie werden üblicherweise zur Transformation ins rotorfeste d-q-Koordinatensystem verwendet. Als Werte für die Spannungen können alternativ auch Sollwerte verwendet werden. Vorzugsweise wird dies durchgeführt, wenn der Stromrichter diese Spannungen ausreichend schnell und sicher einstellt. Der Statorwiderstand Rs wird als bekannt vorausgesetzt. Die Temperaturabhängigkeit des Widerstands kann z.B. bei bekannter Kennlinie und Temperaturerfassung, z.B. durch Messung oder ein Temperaturmodell, kompensiert werden.
• Die adaptiven Flusskennfelder ermöglichen, dass die Schätzung der Flüsse und die Induktivitätsberechnung zeitlich voneinander entkoppelt ablaufen können. Deswegen kommt die Struktur mit einem vergleichsweise einfachen Schätzverfahren aus und dennoch können alle relevanten Induktivitäten zu jedem Zeitpunkt berechnet werden.
• Initial können die Flusskennfelder mit Referenzwerten befüllt werden, z.B. aus Simulationsergebnissen. Sobald eine Flussschätzung für einen bestimmten Betriebspunkt zur Verfügung steht, kann diese Schätzung als neue Stützstelle in das Flusskennfeld eingefügt werden. Ein Interpolationsalgorithmus kann dabei das Flusskennfeld adaptieren. Dies kann während des Betriebs jedes Mal ausgeführt werden, wenn ein stationärer Betriebspunkt erreicht wird, in welchem eine verwendbare Schätzung vorliegt.
• Zur Erkennung der Verwendbarkeit einer Schätzung können verschiedene Kriterien herangezogen werden. Insbesondere kann ein zeitlicher Stromgradient hinreichend klein sein, d.h., ein hinreichend stationärer Zustand kann erreicht sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine hinreichende Konvergenz des Schätzwertes eingetreten sein, d. h, es kann eine hinreichend geringe Differenz aufeinanderfolgender Schätzwerte vorliegen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Tabelle verwendet werden, welche die zu erwartende Genauigkeit der Schätzung in Abhängigkeit des Betriebspunktes angibt. Eine solche Tabelle kann z.B. vorab unter Annahme stochastischer Messfehler durch eine Monte-Carlo Simulation errechnet werden. In dieser Tabelle kann z.B. die Tatsache berücksichtigt sein, dass bei geringen Drehzahlen die Schätzgenauigkeit abnimmt. Bei geringen Drehzahlen sind die induzierten Spannungen vergleichsweise klein gegenüber Messfehlern. Es kann dann beispielsweise in der Tabelle hinterlegt werden, dass die Schätzung erst ab einer gewissen Mindestdrehzahl als hinreichend genau gilt. Dies kann von der elektrischen Maschine und vorhandenen Messeinrichtungen abhängig sein.
• Hier sollen noch einmal die Spannungsgleichungen der Synchronmaschine betrachtet werden, um zu erklären, auf welche Art und Weise die adaptiven Flusskennfelder für die Regelung der Maschine nützlich sind. $$u_d=R_s{i}_d-{\mathrm{\Psi }}_q\omega +L_{dd}{i}_d+L_{dq}{i}_d$$

  

  $$u_q=R_s{i}_q+{\mathrm{\Psi }}_d\omega +L_{qd}{i}_d+L_{qq}{i}_q$$

  
• Die Dynamik der Stromregelstrecke und damit die Reglerauslegung hängt neben dem Statorwiderstand im Wesentlichen von den Induktivitäten Ldd und Lqq ab. Diese Werte fließen vorzugsweise in die Adaption der Stromregler-Parameter ein. Die Induktiivitäten Ldq und Lqd sind Induktivitäten, die die Kreuzkopplungen zwischen dem d-Pfad und dem q-Pfad bei der Stellwertberechnung repräsentieren.
• Für die Kompensation der induzierten Spannungen Ψd ω und Ψq ω werden bevorzugt direkt die magnetischen Flüsse Ψd und Ψq aus den Flusskennfeldern verwendet.
• Für eine Kompensation der Kreuzkopplungen zwischen d- und q-Pfad können die Werte Ldq und Lqd verwendet werden.
• Die magnetischen Flüsse Ψd und Ψq können direkt aus den Flusskennfeldern entnommen werden. Für die Berechnung der differentiellen Induktivitäten können zwei verschiedene Methoden einzeln oder parallel angewendet werden. Es kann numerische Differentiation in jedem Zeitschritt angewendet werden und eine Folge von differentiellen Induktivitäten berechnet werden: $$L_{k,j}\left(n\right)=\frac{\partial {\mathrm{\Psi }}_{\text{k}}}{\partial i_j}\left|i=i_j\left(n\right)\right|,\text{ k},\text{j}\in \left\{d,q\right\}$$

  

  wobei n eine zeitliche Laufvariable ist.
• Eine andere Methode ist eine Berechnung des Differenzenquotienten zwischen Ist- und Sollwerten des magnetischen Flusses und eines zugehörigen Stroms: $$L_{k,j}\left(i_{ist},i_{soll}\right)=\frac{{\mathrm{\Psi }}_{\text{k}}\left(i_{soll}\right)-{\mathrm{\Psi }}_{\text{k}}\left(i_{ist}\right)}{i_{j,soll}-i_{j,ist}},\text{ k},\text{j}\in \left\{d,q\right\}$$

  
• Es ist auch denkbar, diese Berechnung in anderen als dem d/q-Koordinatensystem durchzuführen, welche dieselben Informationen auf andere Weise darstellen.
• Die Möglichkeit der numerischen Differentiation ist vergleichsweise rechenaufwendig. Sie ist insbesondere dann sinnvoll, wenn in jedem Zeitschritt eine Adaption der Reglerparameter vorgenommen wird.
• Eine weitere Verwendung der Schätzwerte ist die Drehmomentschätzung, welche für die funktionale Sicherheit und die Drehmomentgenauigkeit relevant ist. Das Drehmoment kann aus Fluss und Strom wie folgt berechnet werden: $$M=\begin{array}{c}3\\ 2\end{array}p\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Psi }}_d\\ {\mathrm{\Psi }}_q\end{array}\right)\times \left(\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right),$$

  

  wobei p die Anzahl der magnetischen Pole, Polpaare oder Polgruppen, die magnetisch der elektrischen Maschine angibt.
• Steht eine Schätzung der Eisenverluste Ploss,iron zur Verfügung, z.B. aus einer analytischen Berechnung auf Basis der Steinmetzgleichung, so können diese wie folgt berücksichtigt werden: $$M=\frac{3}{2}p\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Psi }}_d\\ {\mathrm{\Psi }}_q\end{array}\right)\times \left(\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right)-\frac{p_{loss,iron}}{\omega }$$

  
• Das vorgeschlagene Verfahren kann als Erweiterung der Funktionalität bei allen Permanentmagneterregten Synchronmaschinen zur Anwendung kommen, welche mit einer rotororientierten Regelung betrieben werden. Die Berücksichtigung von Eisenverlusten ist dann besonders vorteilhaft, wenn hohe Anforderungen an die Dynamik der Regelung bestehen, insbesondere wenn eine exakte Kenntnis der Maschinenparameter nicht vorliegt. Außerdem kann die Drehmomentschätzung verbessert werden.
• Das Verfahren kann sowohl für Traktions- als auch Stellmotoren zur Anwendung kommen. Insbesondere im Bereich Elektromobilität erscheint eine Verwendung attraktiv, da hier der Umgang mit Sättigungseffekten sowie ein hoher Wirkungsgrad und eine hohe Drehmomentgenauigkeit besonders relevant sind. Wie bereits beschrieben wurde, kann das Verfahren in allen drei Problemkreisen Verbesserungen bewirken.
• Die Figuren zeigen beispielhaft eine Ausführungsform der Erfindung. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung einer Regelung zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine nach der Erfindung und
• 2 eine detaillierte schematische Darstellung eines Teils der Regelung zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine.
• 1 zeigt in einem Blockdiagramm eine Regelvorrichtung 1. Die Regelung wird im d/q-Koordinatensystem und weitgehend getrennt für die d-Koordinaten und die q-Koordinaten durchgeführt. Es werden ein Soll-Stromwert id,w für die d-Koordinate und ein Soll-Stromwert iq,w für die q-Koordinate vorgegeben. Die Soll-Stromwerte id,w und iq,w wirken additiv auf Subtraktionsstellen 10 bzw. 20 des jeweiligen Regelkreises ein. Nach Subtraktion von Ist-Stromwerten id und iq wird das Ergebnis jeweiligen PI-Reglern 11 und 21 zugeführt. Diese erzeugen Stellgrößen u'd und u'q, die einer Entkopplungseinrichtung 30 zugeführt werden. Diese Entkopplungseinrichtung 30 verringert Kreuzkopplungen zwischen den Spannungsstellwerten u'd und u'q hinsichtlich den d-Koordinaten und den q-Koordinaten.
• Dazu erhalten Sie Informationen bezüglich magnetischer Kenngrößen und/oder aktueller magnetischer Flüsse Ψd, Ψq aus einer Nachschlageeinrichtung 110. Die Nachschlageeinrichtung 110 umfasst zwei Flusskennfelder 111 und 112, die jeweils Werte in Bezug auf d- und q-Koordinaten verwalten. Diese Flusskennfelder 111 und 112 werden während des Betriebes adaptiert.
• Nach der Entkopplung der Spannungsstellwerte u'd und u'q gibt die Entkopplungseinrichtung 30 die Spannungsstellwerte u*d und u*q aus. Da diese Werte haben können, die durch ihre Größe Probleme bereiten können, werden die Spannungsstellwerte u*d und u*q in einen Maximalwertbegrenzer 40 gespeist. Dieser gibt die Spannungsstellwerte ud,lim und uq,lim an einen dq/αβ-Wandler 50 aus. Der dq/αβ-Wandler 50 wandelt die Spannungsstellwerte ud,lim und uq,lim in die Spannungsstellwerte uα und uβ um, die im α/β-Koordinatensystem existieren. Die Spannungsstellwerten uα und uβ werden in einem αβ/Phasenspannung-Wandler 60 in Spannungsstellwerte u*1; u*2; u*3 für Phasenspannungen umgewandelt. Die Spannungsstellwerte u*1; u*2; u*3 denen der Steuerung einer Ansteuereinrichtung 70, die die Phasenspannungen u1, u2 und u3 an die elektrische Maschine 80 ausgeübt. Es werden die Ist-Ströme i1, i2 und i3 in den Phasen der elektrischen Maschine ermittelt. Diese werden in einem Phasenstrom/αβ-Wandler 90 in Ist-Ströme iα und iβ in α/β-Koordinaten gewandelt. Die Ist-Ströme iα und iβ werden in einem weiteren Schritt in einem αβ/dq-Wandler 100 in Ist-Ströme id und iq in d/q-Koordinaten gewandelt, welche subtraktiv auf die oben genannten Subtraktionsstellen 10 bzw. 20 einwirken.
• Parallel zu den PI-Reglern 11 und 21 existiert eine Schätzeinrichtung 120, in die die Soll-Stromwerte id,w und id,q sowie die Ist-Stromwerte id und iq eingespeist werden. Der Schätzeinrichtung 120 ist damit in etwa der Betriebspunkt bekannt, an dem die elektrische Maschine 80 arbeitet. Sie kann daher zum Beispiel Zeitkonstanten τd und τq an die PI-Regler 11 und 21 ausgeben. Sie kann ihren geschätzten Betriebszustand in Form von Schätz-Stromwerten id,s und iq,s in d/q-Koordinaten an die Nachschlageeinrichtung 110 geben, welche die Flusskennfelder 111 und 112 umfasst. Aufgrund der Vorgaben von der Schätzeinrichtung 120 kann diese Werte an die Entkopplungseinrichtung 30 liefern.
• Die Flusskennfelder 111 und 112 können gemäß dem in dieser Patentanmeldung beschriebenen Verfahren aktualisiert werden. Auf diese Weise ist eine präzisere und Fehler tolerantere Ausgabe von magnetischen Flüsse Ψd, Ψq möglich.
• 2 zeigt in einem Blockschaltbild einen detaillierteren Ausschnitt aus der Regeleinrichtung, die in 1 gezeigt ist. Ein Block 120 zeigt eine Schätzeinrichtung, welche, zum Beispiel aus einem rechnerischen Modell, magnetische Flüsse Ψd und Ψq für einen bestimmten Betriebspunkt berechnet. Ein Betriebspunkt ist in diesem Beispiel durch die Ströme id und iq definiert.
• Diese magnetischen Flüsse Ψd und Ψq und der zugehörigen Ströme id und iq an eine Kennfeldverwaltung 110 übertragen. Die Kennfeldverwaltung 110 umfasst ein Flusskennfeld 111 für die magnetischen Flüsse Ψd und ein Flusskennfeld 112 für die magnetischen Flüsse Ψq. Neu geschätzte magnetische Flüsse Ψd und Ψq werden in die Flusskennfelder 111 und 112 eingetragen. Bei Bedarf kann ein Induktivitätsberechner 130 magnetische Flüsse Ψd und Ψd aus den Flusskennfeldern 111 und/oder 112 extrahieren und daraus eine Induktivität berechnen.
• Insbesondere werden die magnetischen Flüsse Ψd und Ψq in den Flusskennfeldern 111 und/oder 112 in einem Koordinatensystem mit den Koordinaten id und iq abgelegt.
• Insbesondere kann der Induktivitätsberechner 130 entlang der Koordinaten id und iq eine Ableitung in einem Flusskennfeld 111 oder 112 berechnen. Dazu sind in der Mathematik viele Standardverfahren bekannt. Auf diese Weise können durch Ableitung in Richtung der Koordinate id aus dem Flusskennfeld 111 mit den magnetischen Flüssen Ψd Induktivitäten Ldd berechnet werden. Analog können durch Ableitung in Richtung der Koordinate iq aus dem Flusskennfeld 112 mit den magnetischen Flüssen Ψq Induktivitäten Lqq berechnet werden. Die Kreuzterme Ldq und Lqd können berechnet werden, wenn in dem Flusskennfeld 111 mit den magnetischen Flüssen Ψd in Richtung der Koordinate iq abgeleitet wird bzw. wenn in dem Flusskennfeld 112 mit den magnetischen Flüssen Ψq in Richtung der Koordinate die abgeleitet wird.
• Alternativ oder zusätzlich können Induktivitäten aus Istwerten und Sollwerten eines magnetischen Flusses Ψd oder Ψq durch Berechnung eines Differenzenquotienten als Wert für die differentielle Induktivität Ldd, Ldq, Lqd, Lqq berechnet werden. Der Differenzenquotient kann als ein Quotient aus einer Differenz zwischen einem Istwert und einem Sollwert des magnetischen Flusses im Zähler und eine Differenz zwischen einem Istwert und einem Sollwert eines zugehörigen Stroms im Nenner berechnet werden. Auf diese Weise wird eine Regelungsabweichung zur Ermittlung einer differentiellen Induktivität Ldd, Ldq, Lqd, Lqq herangezogen. Um die verschiedenen differentiellen Induktivitäten Ldd, Ldq, Lqd, Lqq zu erhalten, können, analog wie oben für eine Ableitung dargestellt, Differenzen von Ist- und Soll-Werten von magnetischen Flüssen Ψd oder Ψq durch entsprechende Differenzen der Ströme Id bzw. Iq geteilt werden.
• Die von dem Induktivitätsberechner 130 berechneten Induktivitäten Ldd, Lqq, Ldq und/oder Lqd können an einen Teil der relativen Stromregelung, die in 1 gezeigt wird, weitergegeben werden. Dieser Teil kann beispielsweise ein PI-Regler 11 und/oder 21 oder eine Entkopplungseinrichtung 30 sein. Insbesondere können an die Entkopplungseinrichtung 30 die Kreuzterme Ldq und Lqd gesendet werden.alternativ oder zusätzlich zu den Induktivitäten hinaus können magnetische Flüsse Ψd und/oder Ψq und/oder zugehörige Ströme Id und/oder iq oder weitere Informationen, die der Kennfeldverwaltung 110 vorliegen, gesendet werden.
• Bezugszeichenliste

1

Regelvorrichtung

10

Subtraktionsstelle für den Regelanteil von id

11

PI-Regler für den Regelanteil von id

20

Subtraktionsstelle für den Regelanteil q

21

PI-Regler für den Regelanteil von q

30

Entkopplungseinrichtung

40

Maximalwertlimitierer

50

dq/αβ-Wandler

60

αβ/Phasenspannung-Wandler

70

Ansteuereinrichtung

80

Elektrische Maschine

90

Phasenstrom/αβ-Wandler

100

αβ/dq-Wandler

110

Kennfeldverwaltung

111

Flusskennfeld bzw. Lookup-Tabelle für Ψd

112

Flusskennfeld bzw. Lookup-Tabelle für Ψq

120

Schätzeinrichtung

121

Einpunktschätzer

122

Gütewertberechner

130

Induktivitätsberechner

id,w; iq,w

Soll-Stromwert in d/q-Koordinaten

id,s; iq,s

Schätz-Stromwert in d/q-Koordinaten

i1, i2, i3

Ist-Strom in den Phasen der elektrischen Maschine

iα; iβ

Ist-Strom in α/β-Koordinaten

id; iq

Ist-Strom in d/q-Koordinaten

u'd; u'q

Spannungsstellwerte in d/q-Koordinaten aus dem PI-Regler

u*d; u*q

Spannungsstellwerte in d/q-Koordinaten nach Flusskorrektur

ud,lim; uq,lim

Spannungsstellwerte Ψd; Ψq nach Limitierung

uα; uβ

Spannungsstellwerte in α/β-Koordinaten nach Limitierung

u*1; u*2; u*3

Spannungsstellwerte für Phasenspannungen

u1; u2; u3

Spannung an den Phasen der elektrischen Maschine

τd, τq

Zeitkonstante des PI-Reglers für den d- bzw. q-Anteil

Ψd; Ψq

Magnetischer Fluss in d/q-Koordinaten

γ

Mechanische Winkelstellung des Rotors

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• WO 2015/090306 A1 [0005]

Claims (10)

1. Verfahren zum Betrieb einer Regeleinrichtung (1) für eine elektrische Maschine (80), wobei die Regelvorrichtung (1) in verschiedenen Betriebspunkten der elektrischen Maschine (80) wenigstens einen Ist-Strom (i*1, i*2, i*3, iα, iβ, id, iq) in der elektrischen Maschine (80) regelt, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein magnetischer Fluss (Ψd, Ψq) während des Betriebs der elektrischen Maschine (80) automatisiert geschätzt wird und in wenigstens einem adaptiven Flusskennfeld (111, 112) abgelegt wird, wobei das adaptive Flusskennfeld (111, 112) magnetische Flüsse (Ψd, Ψq) mit Zuordnung zu einem Betriebspunkt der elektrischen Maschine (80) speichert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussschätzung in einem stationären Zustand des Betriebspunktes durchgeführt wird.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus Werten des magnetischen Flusses (Ψd, Ψq) in dem Flusskennfeld (111, 112) wenigstens eine differentielle Induktivität (Ldd, Ldq, Lqd, Lqq) errechnet wird, wobei zur Errechnung einer differentiellen Induktivität (Ldd, Ldq, Lqd, Lqq) insbesondere eine der folgenden Rechenmethoden angewendet wird, bevorzugt in jedem Zeitschritt: - numerische Differentiation entlang eines Differentiationspfades innerhalb des Flusskennfeldes (111, 112), wobei die magnetische Flüsse (Ψd, Ψq) in den Flusskennfeldern (111, 112) einem Strom der elektrischen Maschine zugeordnet sind, oder - Berechnung von Istwerten und Sollwerten des magnetischen Flusses (Ψd, Ψq) und Berechnung eines Differenzenquotienten als Wert für die differentielle Induktivität (Ldd, Ldq, Lqd, Lqq), wobei der Differenzenquotient als ein Quotient aus einer Differenz zwischen einem Istwert und einem Sollwert des magnetischen Flusses (Ψd, Ψq) im Zähler und eine Differenz zwischen einem Istwert und einem Sollwert eines zugehörigen Stroms (Id, Iq), der den Betriebspunkt definiert, im Nenner berechnet wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Messwerte von Strömen und Spannungen sowie der Winkelgeschwindigkeit und des Rotorlagewinkels für die Schätzung des magnetisches Flusses (Ψd, Ψq) herangezogen werden.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schätzung der magnetischen Flüsse (Ψd, Ψq) und die Berechnung einer zugehörigen differentiellen Induktivität (Ldd, Ldq, Lqd, Lqq) zeitlich voneinander entkoppelt ablaufen.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Qualitätsschätzer, der die Qualität der erreichten Adaptation desFlusskennfeldes (111, 112) einschätzt anhand - eines hinreichend kleinen zeitlichen Stromgradienten, - einer hinreichenden Konvergenz des Schätzwertes eines magnetischen Flusses (Ψd, Ψq) und/oder - einer Tabelle, welche die zu erwartende Genauigkeit der Schätzung eines magnetischen Flusses (Ψd, Ψq) in Abhängigkeit des Betriebspunktes angibt.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Regelung der elektrischen Maschine (80), die eine Kompensation von induzierten Spannungen anwendet, Werte des magnetischen Flusses (Ψd, Ψq) aus einem Flusskennfeld (111, 112) verwendet werden.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Kompensation der Kreuzkopplungen zwischen einem d-Pfad und einem q-Pfad einer Spannungsstellwerterzeugung bei der Regelung der elektrischen Maschine (80) wenigstens eine der differentiellen Induktivitäten (Ldq, Lqd), die die Kreuzkopplung repräsentieren, verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehmomentschätzung auf Basis wenigstens eines magnetischen Flusses (Ψd, Ψq), der in dem Flusskennfeld (111, 112) abgelegt ist, durchgeführt wird.
10. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung dazu eingerichtet ist, eines der Verfahren der vorangehenden Ansprüche auszuführen.

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