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Die vorliegende Erfindung betrifft die geberlose Regelung von elektrischen Maschinen. Insbesondere betrifft sie eine Vorrichtung für eine elektrische Maschine zu deren geberlosen Regelung.
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Zur geberlosen Regelung von Elektromotoren existieren im Stand der Technik eine Vielzahl von verschiedenen Verfahren, die aus Messgrößen den Winkel und die Winkelgeschwindigkeit des Rotors bestimmen. Bei der Regelung des Motors, beispielsweise bei einer feldorientierten Regelung sind der Motorwinkel und die Winkelgeschwindigkeit von besonderem Interesse. Für eine elektrische Maschine ohne Drehgeber sind eine Vielzahl von unterschiedlichen Verfahren bekannt, die beispielsweise aus der Motorspannung und den Motorströmen den Motorwinkel und die Motordrehzahl schätzen. Beispielsweise sind isotropiebasierte Verfahren bekannt, die besonders gut für kleine Drehzahlen und auch bei nahezu vollständigem Stillstand der elektrischen Maschinen genaue Größen schätzen, bei Anisotropie basierten Verfahren ist eine Schätzung auch im Stillstand möglich. Andere Verfahren, wie beispielsweise flussbasierte Verfahren sind für den Stillstand der elektrischen Maschine ungeeignet und liefern nur für hohe Drehzahlen zuverlässige Ergebnisse.
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Es ist daher bekannt, bei Elektromotoren ohne Drehgeber zur Regelung im gesamten Drehzahlbereich zwei verschiedene drehgeberlose Verfahren einzusetzen. Hierzu wird eine Umschaltdrehzahl als Schwellwert bestimmt, bei deren Über- oder Unterschreiten in das jeweils andere drehgeberlose Verfahren umgeschaltet wird. Nachteilig an diesem bekannten Umschaltverfahren ist, dass es zu einer sprunghaften Änderung der Winkelschätzung kommt und beispielsweise eine feldorientierte Regelung hierdurch gerade im Übergangsbereich nur schlecht arbeiten kann. Weiterhin erweist sich an diesem Umschalten als Nachteil, dass der geschätzte Motorwinkel nahe der Umschaltdrehzahl ungenau ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung für eine elektrische Maschine zu deren geberlosen Regelung bereitzustellen, die auf einfache Art und Weise über einen großen Drehzahlbereich zuverlässige Schätzgrößen für den Motorwinkel und die Drehzahl bereitstellt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit dem Merkmal aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden die Gegenstände der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß vorgesehen ist eine Vorrichtung für eine elektrische Maschine zu deren geberlosen Regelung. Die Vorrichtung weist zwei Regeleinheiten auf, von denen eine erste nach einem ersten Regelverfahren eine erste Fehlergröße e1 und die zweite Regeleinheit nach einem zweiten Regelverfahren eine zweite Fehlergröße e2 bestimmt. Die beiden Regeleinheiten können jeweils ein eigenes Regelverfahren besitzen, das logisch unabhängig arbeitet, ansonsten können die beiden Regeleinheiten in einer räumlichen Einheit zusammenfasst werden. Die Fehlergrößen sind jeweils proportional zu einem Motorwinkel und/oder einer Motordrehzahl. Mit Hilfe der Fehlergrößen wird beispielsweise die Abweichung zwischen einem Sollwert und einem Istwert für den Motorwinkel und/oder die Motordrehzahl bestimmt. Die Fehlergrößen bilden insbesondere die Eingangsgrößen für die geberlose Regelung der elektrischen Maschine. Erfindungsgemäß ist eine Gewichtungseinheit vorgesehen, an der die Werte für eine Motordrehzahl anliegen und die abhängig von den anliegenden Werten für jede Fehlergröße ein relatives Gewicht bestimmt, mit dem die Fehlergröße zur geberlosen Regelung beiträgt. Die Gewichtungseinheit gewichtet das erste und das zweite Regelverfahren, sodass, anders als bei dem bekannten Umschalten zwischen zwei Regelverfahren, erfindungsgemäß beide Regelverfahren zur Bestimmung der Fehlergröße beitragen. Relatives Gewicht bedeutet hierbei, dass die beiden Regelverfahren nicht absolut gewichtet werden, sondern sich ihr Gewicht, mit dem sie zu den Regelverfahren beitragen, relativ zueinander verschiebt, beispielsweise bei einer Normierung auf den Wert 1,0 können sich relative Gewichte zu 0,4:0,6 und 0,6:0,4 ergeben. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird, ausgehend von den Istwerten für eine Motordrehzahl, ein relatives Gewicht für eine Fehlergröße bestimmt. Die Fehlergrößen werden dabei unabhängig voneinander errechnet und abhängig von der Größe der Motordrehzahl gewichtet. Der Istwert für die Motordrehzahl bestimmt dabei, welche Fehlergröße ein größeres relatives Gewicht bei der geberlosen Regelung besitzt. Als besonders vorteilhaft hat sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren herausgestellt, dass Sprünge bei der erfindungsgemäßen Schätzung des Motorwinkels und/oder der Motordrehzahl vermieden werden können.
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In einer bevorzugten Weiterführung der Erfindung liegen an der Gewichtungseinheit auch die Istwerte für die Motorströme an, wobei, abhängig von den anliegenden Istwerten für den Motorstrom und den anliegenden Istwerten für die Motordrehzahl für jede Fehlergröße ein relatives Gewicht bestimmt wird. Die Istwerte des Motorstroms und die Istwerte der Motordrehzahl bestimmen den Zustand der elektrischen Maschine weitgehend zuverlässig und erlauben so eine zuverlässige relative Gewichtung. Zusätzlich kann auch die Motorspannung mit berücksichtigt werden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung bestimmt die Gewichtungseinheit nicht nur die relativen Gewichte, sondern wichtet auch jede der Fehlergrößen mit ihrem entsprechenden relativen Gewicht und legt über die gewichteten Fehlergrößen jeweils mit einem Parametervektor des zugehörigen Regelverfahrens eine Änderung des Zustandsvektors fest. Jedes Regelverfahren besitzt eine Anzahl von Parametern, die das Verhalten des oder der Regler definieren. Diese Parameter werden zu einem Parametervektor des Regelverfahrens zusammengefasst. Die gewichtete Fehlergröße bestimmt mit dem Wert des Parametervektors die Änderung eines Zustandsvektors. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist für jedes der Regelverfahren der Parametervektor vorgesehen, der als Komponenten einen proportionalen Parameterwert und einen integrierenden Parameterwert enthält. Mit Hilfe der Parameterwerte kann ein herkömmlicher PI-Regler eindeutig festgelegt und sein Verhalten auf den Zustandsvektor beschrieben werden.
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Für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es ebenfalls besonders vorteilhaft, wenn die Regelung einen Zustandsvektor aufweist, der als Komponente den Motorwinkel und die Motordrehzahl aufweist. Motorwinkel und Motordrehzahl können dann durch den Regler entsprechend verarbeitet werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Zustandsregler auch noch eine Motorwinkelbeschleunigung als Vektorkomponente auf, die sich dann auf die Änderung der beobachteten Motordrehzahl auswirkt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Regelung mit einem PI-Regler ausgestattet. Für einen solchen PI-Regler kann bevorzugt ein Beobachtermodul vorliegen, das mit einem dreikomponentigen Zustandsvektor, bestehend aus Motordrehwinkel, Motordrehzahl und Motorwinkelbeschleunigung zusammenarbeitet. Auch ein Parametervektor mit den Parameterwerten für ein Proportionalglied und ein Integralglied können direkt mit dem PI-Regler zusammenwirken.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Summe der relativen Gewichte auf einen konstanten Wert, beispielsweise auf den Wert 1 normiert.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen die nachfolgenden Beispiele. Es zeigen:
- 1 in einer schematischen Ansicht eine Motorregelung, zusammen mit einem drehgeberlosen Winkelschätzer,
- 2 in einer schematischen Ansicht einen PI-Regler in Beobachterform und
- 3 die erfindungsgemäße Vorrichtung für eine elektrische Maschine, zu deren geberlosen Regelung.
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1 zeigt eine elektrische Maschine M 10, die von einem Motorregler 12 geregelt wird. Die eingehenden Größen 14 sind hierbei beliebig und müssen nicht näher spezifiziert werden. Am Motor 10 gemessen werden Istgrößen 16 des Motors, die an einem Motorregler 12 selbst wieder anliegen. Je nach Ausgestaltung des Motorreglers 12 ist ein zuverlässiger Wert für den geschätzten Motorwinkel θ̂ 18 zumindest hilfreich, oft auch unerlässlich. Bei der für Asynchronmaschinen häufig verwendeten feldorientierten Regelung hilft ein zuverlässiger Wert für den geschätzten Motorwinkel θ̂.
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Der geschätzte Motorwinkel θ̂ 18 ist die Ausgangsgröße eines drehgeberlosen Winkelschätzers 20. An dem Winkelschätzer 20 liegen als Eingangsgrößen die Istwerte 16 des Motors 10 an, hierbei handelt es sich beispielsweise um die Istwerte der Motorspannung U und die Istwerte des Motorstroms I. An dem Winkelschätzer 20 können sowohl für den Motorstrom als auch für die Motorspannung jeweils drei Werte für die Phasen anliegen.
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1 zeigt einen beispielhaften Aufbau für den Winkelschätzer, bei dem in einer Vorverarbeitung 22 aus den anliegenden Istwerten 16 und dem geschätzten Motorwinkel 18 in einem ersten Schritt ein Fehlersignal 24 erzeugt wird. Das Fehlersignal 24 ist hierbei proportional zu einer Abweichung zwischen dem Istwert für den Motorwinkel θ und dem Schätzwinkel θ̂ für den Motorwinkel. Die Fehlergröße e kann je nach Ausgestaltung des Winkelschätzers 20 auch eine andere technische Bedeutung besitzen. So kann die Fehlergröße e beispielsweise auch die Differenz zwischen einer geschätzten Drehzahl und einer sich aus den Istwerten 16 ergebenden Drehzahl ergeben. Der Winkelschätzer 20 besitzt ferner einen PI-Regler 26, an dem als Eingangsgröße die Fehlergröße e anliegt. Ausgangsgröße des PI-Reglers ist eine geschätzte Drehzahl ω̂ 28. Die geschätzte Drehzahl ω̂ 28 wird über eine Integrierstufe 30 aufintegriert, so dass ein geschätzter Motorwinkel 18 vorliegt. Der aus der Ableitung entstandene geschätzte Motorwinkel θ̂ liegt dann an der Motorregelung 12 zur Ansteuerung 14 des Motors 10 an.
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Zum besseren Verständnis des erfindungsgemäßen Ansatzes und der relativen Gewichte zeigt
2 den Schätzer
20 in einer Darstellung als Beobachter. In der gewählten Darstellung als Beobachter wird mit einem Zustandsvektor x gearbeitet, der in seiner ersten Komponente den Motorwinkel, in seiner zweiten Komponente die Drehzahl und in seiner dritten Komponente die Winkelbeschleunigung enthält. Der Schätzwert des Zustandsvektors x̂ besitzt in allen seinen Komponenten die ansprechenden Schätzwerte. Ferner bezeichnet in der vorliegenden Situation x(klk-1) den Zustandsvektor zum Zeitpunkt k geschätzt auf Basis des Zeitpunkts k-1. Für den Zustandswert x(klk) gilt, dass dieser sich aus den Reglerparametern K
PI ergibt. Hierbei gilt die folgende Gleichung:
wobei e(k) die am Regler anliegenden Regelgrößen sind. Definiert man zudem für das Beobachtermodell folgende Matrizen:
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Hierbei bezeichnet TA die zur Ableitung der Motordrehzahl verwendete Abtastzeit. So ergibt sich der PI-Regler in Beobachterform durch die Darstellung in 2. Als Eingangsgröße an dem PI-Regler liegt zum Zeitpunkt k die Fehlergröße e(k) an dem Parametervektor KPI 32 an. Das Produkt aus Fehlergröße e(k) und KPI wird in einem Additionspunkt 34 zu der aus dem Beobachtermodell A 36 geschätzten Zustandsgröße x(kIk-1) addiert. Hierdurch entsteht der aktuelle Schätzwert x(klk) 38, der mit der Matrix C 40 multipliziert den Schätzwert y(k) 42 ergibt. Bezieht man diesen Vorgang auf die vorstehende Matrix C, so ist y(k) die erste Komponente des Zustandsvektors x(klk). Über ein Zeitglied z-1 44 wird aus dem aktuellen Wert der vorausgehende Wert x(k-1Ik-1) erzeugt, der durch Multiplikation mit der Beobachtermatrix A wieder den Schätzwert des Zustandsvektors x(klk-1) ergibt.
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3 zeigt den Gegenstand der Erfindung. Hierbei werden Bezugszeichen aus 1 und 2 verwendet, um Aufgabe und Funktion der entsprechenden Komponenten zu erläutern.
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Die Istwerte für den Motorstrom I(k) und für die Motorspannung U(k) liegen jeweils an einem ersten geberlosen Verfahren 46 und einem zweiten geberlosen Verfahren 48 an. Die geberlosen Verfahren ermitteln aus den Istwerten für den Motor jeweils ein Fehlersignal e1(k), e2(k). Beide Fehlerwerte e1, e2 beschreiben die von dem Verfahren 1 und 2 geschätzten Abweichungen zwischen Istwert, beispielsweise des Motorwinkels und seinem geschätzten Wert. Wie eingangs bereits erläutert, können die drehgeberlosen Verfahren 1 und 2 durchaus unterschiedliche Drehzahl, Last oder sonstige Bereiche besitzen, in denen die geschätzten Fehler sehr gut mit der Situation am Motor übereinstimmen. Für andere Bereiche können die Fehler der geberlosen Verfahren durchaus stärker von der tatsächlichen Situation abweichen. Für die Regelung von Drehfeldmaschinen ohne Drehzahlsensor wird allgemein zwischen nicht adaptiven Verfahren und adaptiven Verfahren unterschieden. Es gibt auch Verfahren zur indirekten Messung oder durch die Einprägung von hochfrequenten Zusatzsignalen. Gerade bei dem letzten Regelungsverfahren besteht die Möglichkeit, Testsignale einzuprägen, wie beispielsweise bei dem als INFORM bezeichneten Verfahren (individuelle Flussermittlung durch Online-Reaktanz-Messung). Ein anderes Verfahren prägt beispielsweise ein hochfrequentes Trägersignal auf, das zur Schätzung der Rotorlage herangezogen wird. Ein solches Verfahren heisst beispielsweise HFCI (High Frequency Carrier Injection).
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Wie in 3 dargestellt, erzeugt jedes der vorstehend beispielhaft aufgezählten Verfahren einen Regelfehler e, der in einem nachfolgenden Schritt mit einem relativen Gewicht µ1 und µ2 gewichtet wird. Die Bestimmung der relativen Gewichte µ1 und µ2 erfolgt hier abhängig von dem aktuellen Wert für die Drehzahl ω(k) und dem an dem Motor anliegenden Motorstrom i(k). Beide Größen zusammen definieren die Bereiche, in denen das geberlose Verfahren 1 zuverlässig schätzt und der so ermittelte Fehler e1(k) ein größeres Gewicht besitzt als der durch das Verfahren 2 geschätzte Fehler e2(k) mit seinem relativen Gewicht µ2: µ1 > µ2. Für andere Werte der Drehzahl ω(k) und der Motorströme i(k) kann das geberlose Verfahren 2 geeigneter sein, so dass das relative Gewicht µ2 größer als das relative Gewicht µ1 ist.
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In den Verknüpfungspunkten 50 und 52 werden die Fehler der geberlosen Verfahren mit dem relativen Gewicht verknüpft und wirken auf die Parametervektoren KPI2 und KPI1 ein. Die Parametervektoren 54 und 56 sind konstant vorgegeben und definieren genau den Änderungsbeitrag beim Übergang des Schätzwertes des Zustandsvektors x̂(kIk-1) zu dem Schätzwert x̂(kIk). Diese Schritte finden in dem Beobachtermodell 20 statt und mit ŷ(kIk) einen Schätzwert für den Motorwinkel 18.
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Die relativen Gewichte µ
1 und µ
2 sind hierbei derart gewählt, dass:
Selbstverständlich kann dieser Zusammenhang auch zur Bestimmung eines der µ-Werte herangezogen werden. Ist beispielsweise von einem der geberlosen Verfahren bekannt, dass es für gewisse Drehzahlbereiche die Verhältnis an dem Motor nur unzureichend abbildet, kann dies genutzt werden, um µ
1 für diesen Bereich einen kleinen Wert zuzuweisen. Über die Gleichung µ
2 = 1 - µ
1 kann so das relativ größere Gewicht von µ
2 ebenfalls gerade für diesen Bereich definiert werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur geberlosen Regelung besitzt den Vorteil, dass hier die Stärken von verschiedenen geberlosen Verfahren 46, 48 miteinander kombiniert und die Schwächen dieser Verfahren ausgeblendet werden können. Auf diese Weise ist über den gesamten Drehzahlbereich hin eine bessere Regelung möglich.
