DE102018216881A1 - Method and device for operating an electrical machine and electrical machine - Google Patents

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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/06Rotor flux based control involving the use of rotor position or rotor speed sensors
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    • H02P21/14Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • H02P21/20Estimation of torque

Abstract

Die elektrische Maschine umfasst einen Rotor und einen Drehmomentsensor mit einem Sensorelement (6) . Das Sensorelement (6) ist an dem Rotor angeordnet. Ferner umfasst die elektrische Maschine eine feldorientierte Regelung oder der elektrischen Maschine ist die feldorientierte Regelung zugeordnet. Die elektrische Maschine weist ein Modul auf oder der elektrischen Maschine ist das Modul zugeordnet. Das Modul umfasst ein vorgegebenes Maschinenmodell und/oder einen weiteren Sensor und ist ausgebildet, eine Eingangsgröße für die feldorientierte Regelung zu erfassen und/oder zu ermitteln und diese für die feldorientierte Regelung bereitzustellen. Es wird eine Kenngröße mittels des Drehmomentsensors, die repräsentativ ist für ein abgegebenes Drehmoment des Rotors, erfasst und/oder ermittelt und ein Parameter des Maschinenmodells und/oder eines Erfassungsfehlers des Weiteren Sensors wird abhängig von der Kenngröße adaptiert.The electrical machine comprises a rotor and a torque sensor with a sensor element (6). The sensor element (6) is arranged on the rotor. Furthermore, the electrical machine comprises a field-oriented control or the field-oriented control is assigned to the electrical machine. The electrical machine has a module or the module is assigned to the electrical machine. The module comprises a predetermined machine model and / or a further sensor and is designed to record and / or determine an input variable for the field-oriented control and to make it available for the field-oriented control. A parameter is detected and / or determined by means of the torque sensor, which is representative of an output torque of the rotor, and a parameter of the machine model and / or a detection error of the further sensor is adapted depending on the parameter.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine und die elektrische Maschine.The invention relates to a method and a corresponding device for operating an electrical machine and the electrical machine.

In Kraftfahrzeugen kommen zunehmend elektrische Maschinen als Antriebsmotoren zum Einsatz. Für einen effizienten Betrieb der geregelten elektrischen Maschine ist eine genaue Ermittlung von Führungsgrößen sowie eine genaue Erfassung oder Ermittlung von Rückführungsgrößen für die Regelung vorteilhaft.Electrical vehicles are increasingly being used as drive motors in motor vehicles. For efficient operation of the regulated electrical machine, it is advantageous to precisely determine reference variables and to precisely record or determine feedback variables for the regulation.

Die Aufgabe, die der Erfindung zu Grunde liegt, ist es, ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine zu schaffen, die eine genaue Regelung der elektrischen Maschine und/oder einen effizienteren Betrieb der elektrischen Maschine ermöglichen.The object on which the invention is based is to create a method and a corresponding device for operating an electrical machine which enable precise control of the electrical machine and / or more efficient operation of the electrical machine.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.The object is achieved by the features of the independent claims. Advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims.

Gemäß einem ersten und zweiten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine umfasst einen Rotor und einen Drehmomentsensor mit einem Sensorelement. Das Sensorelement ist an dem Rotor, beispielsweise an einer Rotorwelle oder einem Rotorkern des Rotors, angeordnet. Ferner umfasst die elektrische Maschine eine feldorientierte Regelung oder der elektrischen Maschine ist die feldorientierte Regelung zugeordnet. Die elektrische Maschine weist ein Modul auf oder der elektrischen Maschine ist das Modul zugeordnet. Das Modul umfasst ein vorgegebenes Maschinenmodell und/oder einen weiteren Sensor und ist ausgebildet, eine Eingangsgröße für die feldorientierte Regelung zu erfassen und/oder zu ermitteln und diese für die feldorientierte Regelung bereitzustellen. Es wird eine Kenngröße mittels des Drehmomentsensors, die repräsentativ ist für ein abgegebenes Drehmoment des Rotors, erfasst und/oder ermittelt und ein Parameter des Maschinenmodells und/oder ein Erfassungsfehler des Weiteren Sensors wird abhängig von der Kenngröße adaptiert.According to a first and second aspect, the invention is characterized by a method and a corresponding device for operating an electrical machine. The electrical machine comprises a rotor and a torque sensor with a sensor element. The sensor element is arranged on the rotor, for example on a rotor shaft or a rotor core of the rotor. Furthermore, the electrical machine comprises a field-oriented control or the field-oriented control is assigned to the electrical machine. The electrical machine has a module or the module is assigned to the electrical machine. The module comprises a predetermined machine model and / or a further sensor and is designed to record and / or determine an input variable for the field-oriented control and to make it available for the field-oriented control. A parameter is detected and / or determined by means of the torque sensor, which is representative of an output torque of the rotor, and a parameter of the machine model and / or a detection error of the further sensor is adapted depending on the parameter.

Durch die direkte Drehmomentmessung können das Maschinenmodell und/oder Korrekturwerte für den weiteren Sensor für eine höchstmögliche Effizienz der elektrischen Maschine über eine Lebenszeit der elektrischen Maschine adaptiert werden. Dadurch wird für einen Antrieb, der die elektrische Maschine umfasst, eine optimale oder zumindest verbesserte Ausnutzung ermöglicht unabhängig von Toleranzen, zum Beispiel von Fertigungstoleranzen und/oder Sensortoleranzen. Durch die Adaption wird die Vorsteuerung der feldorientierten Regelung verbessert, was zu einer weiteren Effizienzsteigerung des Antriebs führt und somit beispielsweise eine Reichweite eines Fahrzeugs, das die elektrische Maschine aufweist, verbessert. Darüber hinaus können Toleranzen durch eine Alterung von mechanischen Komponenten der Maschine als auch elektrische Komponenten wie Inverter, Halbbrücken und/oder Sensoren über die Lebenszeit der Maschine adaptiert werden.By means of the direct torque measurement, the machine model and / or correction values for the further sensor can be adapted for the highest possible efficiency of the electrical machine over a lifetime of the electrical machine. As a result, an optimal or at least improved utilization is made possible for a drive which comprises the electrical machine, irrespective of tolerances, for example manufacturing tolerances and / or sensor tolerances. The pre-control of the field-oriented control is improved by the adaptation, which leads to a further increase in efficiency of the drive and thus, for example, improves the range of a vehicle which has the electrical machine. In addition, tolerances due to the aging of mechanical components of the machine as well as electrical components such as inverters, half bridges and / or sensors can be adapted over the lifetime of the machine.

Ferner ergibt sich ein weiterer Freiheitsgrad in einer Auslegung der elektrischen Maschinen. Toleranzen können gelockert werden und preiswertere Materialien, können eingesetzt werden. Hierdurch ist eine Kostenreduktion der elektrischen Maschine realisierbar.There is also a further degree of freedom in the design of the electrical machines. Tolerances can be loosened and cheaper materials can be used. As a result, the electrical machine can be reduced in cost.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt weist das Modul das Maschinenmodell auf und ist ausgebildet, abhängig von einem vorgegebenen Drehmoment für den Rotor und dem vorgegebenen Maschinenmodell Soll-Komponenten eines Statorstroms der elektrischen Maschine zu ermitteln, die der feldorientierten Regelung als Eingangsgrößen zugeführt werden. Hierbei umfasst das Maschinenmodell ein vorgegebenes Kennfeld zur Ermittlung der Soll-Komponenten eines Statorstroms für einen optimierten Betrieb der elektrischen Maschine in Bezug auf eine Effizienz und/oder einen Wirkungsgrad der elektrischen Maschine und das Adaptieren des Parameters des Maschinenmodells umfasst ein Adaptieren des Kennfeldes.In an advantageous embodiment according to the first and second aspects, the module has the machine model and is designed to determine, depending on a predetermined torque for the rotor and the predetermined machine model, desired components of a stator current of the electrical machine that are fed to the field-oriented control as input variables will. Here, the machine model comprises a predetermined map for determining the target components of a stator current for optimized operation of the electric machine with respect to an efficiency and / or an efficiency of the electric machine, and adapting the parameter of the machine model comprises adapting the map.

Das vorgegebene Kennfeld wird üblicherweise für eine Referenzmaschine ermittelt und dann für baugleiche oder bauähnliche Maschinen genutzt. Das Kennfeld dient der Auslegung und Kalibration des Drehmoments der elektrischen Maschine. Aufgrund von Toleranzen der elektrischen Maschine und deren Ansteuerung unterscheidet sich, wenn beide Maschinen bei gleichen Betriebsbedingungen betrieben werden, das eingestellte Drehmoment. Die Adaption des Kennfeldes für die elektrische Maschine ermöglicht, dass mittels des adaptierten Kennfeldes die optimalen Soll-Komponenten des Statorstromes für sämtliche Betriebspunkte schnell und einfach ermittelt werden können.The specified map is usually determined for a reference machine and then used for identical or similar machines. The map is used to design and calibrate the torque of the electrical machine. Due to the tolerances of the electrical machine and its control, the set torque differs if both machines are operated under the same operating conditions. The adaptation of the characteristic diagram for the electrical machine enables the optimal target components of the stator current for all operating points to be determined quickly and easily by means of the adapted characteristic diagram.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt umfasst das Adaptieren des Kennfeldes ein Ermitteln eines Regeldrehmoments für die elektrische Maschine abhängig von einem angeforderten Drehmoment der elektrischen Maschine und der Kenngröße. Ferner werden für das ermittelte Regeldrehmoment die Komponenten des Statorstroms in Bezug auf eine minimale Länge eines resultierenden Stromvektors der Komponenten des Statorstroms optimiert abhängig von vorgegebenen Modulationsgraden einer Raum-Zeiger-Modulation der feldorientierten Regelung. Wenn ein Betriebspunkt erreicht ist, bei dem ein vorgegebenes Optimierungskriterium erfüllt ist, wird das Kennfeld für diesen Betriebspunkt in Bezug auf die einzustellenden Komponenten des Statorstroms und/oder den Modulationsgrad und/oder das Drehmoment angepasst.In a further advantageous embodiment according to the first and second aspects, adapting the characteristic diagram comprises determining a control torque for the electrical machine as a function of a requested torque of the electrical machine and the characteristic variable. Furthermore, for the determined control torque, the components of the stator current are optimized as a function of a minimum length of a resulting current vector of the components of the stator current predetermined degrees of modulation of a space-pointer modulation of the field-oriented control. If an operating point is reached at which a predetermined optimization criterion is met, the map for this operating point is adapted in relation to the components of the stator current to be set and / or the degree of modulation and / or the torque.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt weist das Modul als den weiteren Sensor einen Winkelpositionserfassungssensor auf, der ausgebildet ist, eine Winkelposition des Rotors zu erfassen und/oder zu ermitteln. In diesem Fall umfasst die zumindest eine Eingangsgröße die erfasste Winkelposition des Rotors und das Adaptieren des Erfassungsfehlers des Weiteren Sensors umfasst ein Adaptieren eines Drehwinkelfehlers des Winkelpositionserfassungssensors.In a further advantageous embodiment according to the first and second aspects, the module has, as the further sensor, an angular position detection sensor which is designed to detect and / or determine an angular position of the rotor. In this case, the at least one input variable comprises the detected angular position of the rotor, and adapting the detection error of the further sensor comprises adapting an angle of rotation error of the angular position detection sensor.

Durch die direkte Drehmomentmessung kann der Winkelpositionserfassungssensor über die Lebenszeit der elektrischen Maschine adaptiert werden.Through direct torque measurement, the angular position detection sensor can be adapted over the lifetime of the electrical machine.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt wird zum Adaptieren des Drehwinkelfehlers die elektrische Maschine in einem stationären Betriebspunkt, für den ein Soll-Drehmoment des Rotors vorgegeben wird, betrieben. Während des Betriebs wird in einem Schritt (a) eine aktuelle Winkelposition des Rotors erfasst und in einem Schritt (b) wird eine korrigierte Winkelposition abhängig von einer vorgegebenen Adaptionsvorschrift ermittelt. In einem Schritt (c) wird die korrigierte Winkelposition als die Eingangsgröße für die feldorientierte Regelung bereitgestellt. Die Schritte (a) bis (c) werden wiederholt bis eine Differenz zwischen der gemessenen Kenngröße und dem vorgegebenen Soll-Drehmoment minimal ist.In a further advantageous embodiment according to the first and second aspects, in order to adapt the angle of rotation error, the electrical machine is operated at a stationary operating point for which a target torque of the rotor is specified. During operation, a current angular position of the rotor is recorded in step (a), and a corrected angular position is determined in step (b) depending on a predetermined adaptation rule. In step (c) the corrected angular position is provided as the input variable for the field-oriented control. Steps (a) to (c) are repeated until a difference between the measured parameter and the predetermined target torque is minimal.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt wird die elektrische Maschine in einem Feldschwächebetrieb, vorzugsweise in einem Feldschwächebetrieb ohne Spannungsbegrenzung, betrieben. Dies hat den Vorteil, dass eine Drehmomentabweichung bei Winkelfehlern größer und weniger abhängig von anderen Fehlergrößen ist. Die Fehlerquelle lässt sich somit besser separieren.In a further advantageous embodiment according to the first and second aspects, the electrical machine is operated in a field weakening mode, preferably in a field weakening mode without voltage limitation. This has the advantage that a torque deviation in the case of angular errors is larger and less dependent on other error variables. This makes it easier to separate the source of the error.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt weist die elektrische Maschine in dem stationären Betriebszustand eine Drehzahl oberhalb einer vorgegebenen Grenzdrehzahl auf. Vorteilhaft ist, wenn die Maschine bei einer möglichst hohen Drehzahl betrieben wird, so dass mögliche Quereinflüsse durch Toleranzen im Magnetfluss, in Stromsensoren, in der Rotortemperatur und Statorinduktivitäten eine untergeordnete Rolle spielen.In a further advantageous embodiment according to the first and second aspects, the electrical machine has a rotational speed in the stationary operating state above a predetermined limit rotational speed. It is advantageous if the machine is operated at the highest possible speed, so that possible cross influences due to tolerances in the magnetic flux, in current sensors, in the rotor temperature and stator inductances play a subordinate role.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt umfasst das Sensorelement zumindest einen Dehnungsmessstreifen. Der Dehnungsmessstreifen ist vorzugsweise als piezoresistiver Dehnungsmessstreifen ausgebildet. Insbesondere kann das Sensorelement vier Dehnungsmessstreifen aufweisen.In a further advantageous embodiment according to the first and second aspects, the sensor element comprises at least one strain gauge. The strain gauge is preferably designed as a piezoresistive strain gauge. In particular, the sensor element can have four strain gauges.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt weist der Rotor eine Rotorwelle auf und das Sensorelement ist an einer Stirnseite der Rotorwelle des Rotors angeordnet.In a further advantageous embodiment according to the first and second aspects, the rotor has a rotor shaft and the sensor element is arranged on an end face of the rotor shaft of the rotor.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt umfasst der Rotor eine Rotorwelle und einen Rotorkern. Der Rotorkern weist zumindest zwei erste Ausnehmungen auf, die durch einen Steg getrennt sind. Das Sensorelement ist auf einem der Stege, der zwischen zwei benachbarten Ausnehmungen gebildet ist, angeordnet. Der Rotor kann alternativ mehrere Sensorelemente aufweisen und die jeweiligen Sensorelemente können jeweils auf einem der Stege angeordnet sein.In a further advantageous embodiment according to the first and second aspects, the rotor comprises a rotor shaft and a rotor core. The rotor core has at least two first recesses, which are separated by a web. The sensor element is arranged on one of the webs, which is formed between two adjacent recesses. The rotor can alternatively have a plurality of sensor elements and the respective sensor elements can each be arranged on one of the webs.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt erstrecken sich die zumindest zwei ersten Ausnehmungen entlang einer Längsachse des Rotorkerns.In a further advantageous embodiment according to the first and second aspects, the at least two first recesses extend along a longitudinal axis of the rotor core.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt sind die zumindest zwei ersten Ausnehmungen in Umfangsrichtung des Rotorkerns symmetrisch um die Rotorwelle herum angeordnet. Vorteilhafterweise kann so eine Unwucht der elektrischen Maschine vermieden oder zumindest klein gehalten werden. Durch die direkte Anordnung des zumindest einen Sensorelements an dem Rotor kann dieser nach dem Aufbringen des zumindest einen Sensorelements gewuchtet werden, so dass eventuelle Unwuchten durch das zumindest eine Sensorelement minimiert werden können.In a further advantageous embodiment according to the first and second aspects, the at least two first recesses are arranged symmetrically in the circumferential direction of the rotor core around the rotor shaft. In this way, an unbalance of the electrical machine can advantageously be avoided or at least kept small. Due to the direct arrangement of the at least one sensor element on the rotor, the rotor can be balanced after the at least one sensor element has been applied, so that any imbalance caused by the at least one sensor element can be minimized.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt weist der Rotorkern zweite Ausnehmungen auf zur Anordnung von Permanentmagneten oder von Wicklungen und die ersten Ausnehmungen sind in radialer Richtung zwischen den ersten Ausnehmungen und der Rotorwelle angeordnet. Die Integration der Magnete hat den Vorteil, dass der Rotordurchmesser reduziert werden kann. Ferner kann durch die Konzentration des magnetischen Feldes die magnetische Flussdichte des Luftspaltes erhöht werden, was eine geringere magnetische Steuerung der elektrischen Maschine ermöglicht.In a further advantageous embodiment according to the first and second aspects, the rotor core has second recesses for the arrangement of permanent magnets or windings and the first recesses are arranged in the radial direction between the first recesses and the rotor shaft. The integration of the magnets has the advantage that the rotor diameter can be reduced. Furthermore, the magnetic flux density of the air gap can be increased by the concentration of the magnetic field, which enables less magnetic control of the electrical machine.

Gemäß einem dritten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch eine elektrische Maschine, die eine Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt, einen Rotor und einen Drehmomentsensor mit einem Sensorelement aufweist. Das Sensorelement ist an dem Rotor angeordnet und die Vorrichtung ist signaltechnisch gekoppelt mit dem Sensorelement.According to a third aspect, the invention is characterized by an electrical machine which has a device according to the second aspect, has a rotor and a torque sensor with a sensor element. The sensor element is arranged on the rotor and the device is coupled to the sensor element in terms of signal technology.

Vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß dem zweiten Aspekt sind hierbei auch für den dritten Aspekt gültig.Advantageous embodiments according to the second aspect are also valid for the third aspect.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert.Exemplary embodiments of the invention are explained below with reference to the schematic drawings.

Es zeigen:

  • 1a eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Rotors einer elektrischen Maschine,
  • 1b eine stirnseitige Aufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rotors einer elektrischen Maschine,
  • 2 eine beispielhafte Anordnung eines Sensorelements an einer Rotorwelle,
  • 3 ein beispielhaftes Modell für eine feldorientierte Reglung einer elektrischen Maschine,
  • 4 ein beispielhaftes Isolinen-Diagramm für ein Drehmoment einer elektrischen Maschine,
  • 5 eine beispielhafte Drehmomentkennlinie einer elektrischen Maschine,
  • 6 ein Ablaufdiagramm für ein Programm zum Betreiben der elektrischen Maschine und
  • 7 ein beispielhaftes Modell für eine erweiterte feldorientierte Reglung der elektrischen Maschine.
Show it:
  • 1a 1 shows a perspective view of an exemplary embodiment of a rotor of an electrical machine,
  • 1b an end view of another embodiment of a rotor of an electrical machine,
  • 2nd an exemplary arrangement of a sensor element on a rotor shaft,
  • 3rd an exemplary model for a field-oriented control of an electrical machine,
  • 4th an exemplary isoline diagram for a torque of an electrical machine,
  • 5 an exemplary torque characteristic of an electrical machine,
  • 6 a flowchart for a program for operating the electrical machine and
  • 7 an exemplary model for an extended field-oriented control of the electrical machine.

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Elements of the same construction or function are provided with the same reference symbols in all figures.

1a zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Rotors einer elektrischen Maschine. 1a shows a perspective view of an embodiment of a rotor of an electrical machine.

Bei der elektrischen Maschine handelt es sich beispielsweise um eine permanenterregte Synchronmaschine.The electrical machine is, for example, a permanently excited synchronous machine.

Wie 1 zeigt, umfasst der Rotor einen Rotorkern 1 und eine Rotorwelle 2, wobei die Rotorwelle 2 innerhalb des Rotorkerns 1 angeordnet ist; insbesondere ist die Rotorwelle 2 fest in einem Wellenloch im Rotorkern 1 angeordnet, um es dem Rotorkern 1 zu ermöglichen, die Rotorwelle 2 zusammen mit dem Rotorkern 1 zu drehen. Das Material des Rotorkerns 1 umfasst beispielsweise Siliziumstahl.How 1 shows, the rotor comprises a rotor core 1 and a rotor shaft 2nd , with the rotor shaft 2nd inside the rotor core 1 is arranged; in particular is the rotor shaft 2nd firmly in a shaft hole in the rotor core 1 arranged to it the rotor core 1 to allow the rotor shaft 2nd together with the rotor core 1 to turn. The material of the rotor core 1 includes, for example, silicon steel.

Wie in 1a gezeigt, sind in dem Rotorkern 1 zumindest zwei erste Ausnehmungen 4 angeordnet, die durch einen Steg 5 getrennt sind. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Rotorkern 1 vier erste Ausnehmungen 4 auf. Die ersten Ausnehmungen 4 erstrecken sich entlang einer axialen Längsrichtung der Rotorwelle 2. Die ersten Ausnehmungen 4 dienen insbesondere einer Reduzierung einer rotatorischen Masse des Rotors.As in 1a are shown in the rotor core 1 at least two first recesses 4th arranged by a footbridge 5 are separated. At the in 1 shown embodiment has the rotor core 1 four first recesses 4th on. The first recesses 4th extend along an axial longitudinal direction of the rotor shaft 2nd . The first recesses 4th serve in particular to reduce a rotary mass of the rotor.

Die ersten Ausnehmungen 4 sind beispielsweise in Umfangsrichtung des Rotorkerns 1 symmetrisch um die Rotorwelle 2 herum angeordnet.The first recesses 4th are, for example, in the circumferential direction of the rotor core 1 symmetrical around the rotor shaft 2nd arranged around.

Vorzugsweise sind die jeweiligen ersten Ausnehmungen 4 bezüglich ihrer Ausgestaltung gleich oder zumindest sehr ähnlich. Die ersten Ausnehmungen 4 können jedoch von Rotor zu Rotor unterschiedlich ausgebildet sein.The respective first recesses are preferred 4th the same or at least very similar in terms of their design. The first recesses 4th can however be designed differently from rotor to rotor.

Der Rotorkern 1 weist beispielsweise zweite Ausnehmungen 3 auf zur Anordnung von Permanentmagneten oder von Wicklungen. Die ersten Ausnehmungen 4 sind vorzugsweise in radialer Richtung zwischen den zweiten Ausnehmungen 3 und der Rotorwelle 2 angeordnet.The rotor core 1 has, for example, second recesses 3rd to arrange permanent magnets or windings. The first recesses 4th are preferably in the radial direction between the second recesses 3rd and the rotor shaft 2nd arranged.

Der Rotor umfasst einen Drehmomentsensor mit zumindest einem Sensorelement 6, das ausgebildet ist, eine Messgröße zu erfassen und/oder zu ermitteln, die repräsentativ ist für ein Drehmoment des Rotors.
Das zumindest eine Sensorelement 6 ist an dem Rotor angeordnet. Beispielsweise ist das Sensorelement 6 an dem Rotorkern 1 angeordnet.
The rotor comprises a torque sensor with at least one sensor element 6 , which is designed to detect and / or determine a measured variable that is representative of a torque of the rotor.
The at least one sensor element 6 is arranged on the rotor. For example, the sensor element 6 on the rotor core 1 arranged.

Das Sensorelement 6 ist an dem Rotor, beispielsweise auf einem der Stege 5, der zwischen zwei benachbarten ersten Ausnehmungen 4 gebildet ist, angeordnet.
Das Sensorelement 6 kann an den Rotor beispielsweise angeklemmt, angeklebt oder angeschraubt sein. Die Anordnung des Sensorelements 6 an den Rotor kann mittels einer lösbaren Verbindung oder einer unlösbaren Verbindung erfolgen.
The sensor element 6 is on the rotor, for example on one of the webs 5 that between two adjacent first recesses 4th is formed, arranged.
The sensor element 6 can be clamped, glued or screwed onto the rotor, for example. The arrangement of the sensor element 6 to the rotor can be done by means of a detachable connection or an undetachable connection.

Ein über den Rotor übertragenes Drehmoment führt zu einer Torsion des Rotors, die in Form von Druck- und Zugspannungen in einem 45°-Winkel zu einer axialen Richtung des Rotors auftreten. Die Torsion des Rotors führt zu einer Widerstandsänderung der Dehnungsmessstreifen, die beispielsweise durch eine geeignete Spannungsmessung an den Dehnungsmessstreifen ausgewertet wird.A torque transmitted via the rotor leads to torsion of the rotor, which occurs in the form of compressive and tensile stresses at an angle of 45 ° to an axial direction of the rotor. The torsion of the rotor leads to a change in the resistance of the strain gauges, which is evaluated, for example, by a suitable voltage measurement on the strain gauges.

1b zeigt eine stirnseitige Aufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rotors einer elektrischen Maschine. Der Rotor umfasst einen Rotorkern 1, eine Rotorwelle 2, erste Ausnehmungen 4 und zweite Ausnehmungen 3. Die Rotorwelle 2 ist beispielweise als Hohlwelle ausgebildet. Im Unterschied zu dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiel sind in dem in 1b gezeigten Ausführungsbeispiel die zweiten Ausnehmungen 3 anders geformt. Ferner weist der Rotor in 1b vier Sensorelemente 6 auf, die beispielsweise symmetrisch um die Rotorwelle 2 herum angeordnet sind, um mögliche Unwuchten zu minimieren. 1b shows an end view of another embodiment of a rotor of an electrical machine. The rotor comprises a rotor core 1 , a rotor shaft 2nd , first recesses 4th and second recesses 3rd . The rotor shaft 2nd is designed, for example, as a hollow shaft. In contrast to the one in 1a Embodiment shown are in the in 1b Embodiment shown the second recesses 3rd shaped differently. Furthermore, the rotor in 1b four sensor elements 6 on, for example, symmetrically around the rotor shaft 2nd are arranged around to minimize possible imbalances.

Die in den 1a und 1b gezeigten Sensorelemente 6 umfassen zum Beispiel zumindest einen piezoresistiven Dehnungsmessstreifen.The in the 1a and 1b shown sensor elements 6 include, for example, at least one piezoresistive strain gauge.

Der Drehmomentsensor weist eine in den 1a und 1b nicht gezeigte erste Auswerteelektronik auf, die mit dem oder den Sensorelementen 6 elektrisch gekoppelt ist zum Empfang von Sensorsignalen des beziehungsweise der Sensorelemente 6. Die erste Auswerteelektronik ist zum Beispiel in einer Lagerschale des Rotors angeordnet. Die erste Auswertelektronik ist beispielsweise funktechnisch gekoppelt mit einer Recheneinheit, die auch als Vorrichtung zum Betreiben der elektrischen Maschine bezeichnet werden kann.The torque sensor has one in the 1a and 1b First evaluation electronics, not shown, with the one or more sensor elements 6 is electrically coupled for receiving sensor signals of the sensor element or elements 6 . The first evaluation electronics are arranged, for example, in a bearing shell of the rotor. The first evaluation electronics are, for example, radio-technically coupled to a computing unit, which can also be referred to as a device for operating the electrical machine.

Alternativ kann das Sensorelement 6 an der Rotorwelle 2 des Rotors angeordnet sein.Alternatively, the sensor element 6 on the rotor shaft 2nd of the rotor.

2 zeigt eine beispielhafte Anordnung des Sensorelements 6 an einer Stirnseite der Rotorwelle 2. Das über die Welle übertragene Drehmoment führt zu einer Torsion des Rotors, welche in Form von Druck- und Zugspannungen im 45°-Winkel entlang einer Längsachse der Rotorwelle 2 auftreten. Das Sensorelement 6 ist daher vorzugsweise in einem Winkel von 45° in Bezug auf die Längsachse des Rotors angeordnet. 2nd shows an exemplary arrangement of the sensor element 6 on one end of the rotor shaft 2nd . The torque transmitted via the shaft leads to torsion of the rotor, which in the form of compressive and tensile stresses at a 45 ° angle along a longitudinal axis of the rotor shaft 2nd occur. The sensor element 6 is therefore preferably arranged at an angle of 45 ° with respect to the longitudinal axis of the rotor.

Das Sensorelement weist zumindest einen Dehnungsmesstreifen auf. Vorzugsweise ist der Dehnungsmessstreifen ein piezoresistiver Dehnungsmessstreifen.The sensor element has at least one strain gauge. The strain gauge is preferably a piezoresistive strain gauge.

Der zumindest eine Dehnungsmessstreifen ist beispielsweise auf einem Silizium-Chip angeordnet. Der zumindest eine Dehnungsmessstreifen ist beispielsweise auf den Silizium-Chip aufgeglast. Die Dehnungsmessstreifen sind zum Beispiel als Mikrosystem-Chip, im Englischen microelectromechanical system (MEMS) Chip, ausgebildet.The at least one strain gauge is arranged on a silicon chip, for example. The at least one strain gauge is glassed onto the silicon chip, for example. The strain gauges are designed, for example, as a microsystem chip, in the English microelectromechanical system (MEMS) chip.

Alternativ weist das Sensorelement eine Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen auf, die ein Widerstandsnetzwerk, insbesondere ein ohmsches Widerstandsnetzwerk, bilden. Beispielsweise weist das Sensorelement 5 vier piezoresistive Dehnungsmessstreifen auf. Die Dehnungsmessstreifen sind so elektrisch gekoppelt, dass sie eine Messbrücke bilden.Alternatively, the sensor element has a plurality of strain gauges which form a resistance network, in particular an ohmic resistance network. For example, the sensor element 5 four piezoresistive strain gauges. The strain gauges are electrically coupled so that they form a measuring bridge.

3 zeigt ein beispielhaftes Modell für eine feldorientierte Reglung einer elektrischen Maschine. 3rd shows an exemplary model for a field-oriented control of an electrical machine.

Die Regelung ist beispielsweise als feldorientierte Regelung ausgebildet. Die feldorientierte Regelung (Field Oriented Control oder Vector Control) ist als Regelverfahren für dreiphasige Maschinen ausgelegt. Das Ziel dieses Regelungsverfahrens für Asynchronmaschinen beziehungsweise Synchronmaschinen ist, eine entkoppelte Regelung von magnetischem Fluss und Drehmoment zu erhalten, um ein Verhalten wie bei einer Gleichstromnebenschlussmaschine nachzubilden.The control is designed, for example, as a field-oriented control. The field-oriented control (Field Oriented Control or Vector Control) is designed as a control method for three-phase machines. The aim of this control method for asynchronous machines or synchronous machines is to obtain a decoupled control of magnetic flux and torque in order to simulate a behavior like that of a DC shunt machine.

Das in 3 gezeigte Modell gilt für eine permanenterregte Synchronmaschine.This in 3rd The model shown applies to a permanently excited synchronous machine.

In Vorwärtsrichtung weist das Modell beispielsweise einen PI-Stromregler 20, eine erste Einheit 22, die ausgebildet ist, eine inverse Clarke Transformation und eine Raumzeiger-Pulsweitenmodulation auszuführen, und beispielsweise einen B6-Inverter 24 auf. In einer Rückführungsschleife ist eine zweite Einheit 26 angeordnet, die ausgebildet ist, eine Clarke-Parks-Transformation auszuführen. Ferner ist der Regelschleife der feldorientierten Regelung ein erstes Modul 28 vorgeschaltet, das ausgebildet ist, abhängig von Eingangsgrößen wie Drehzahl, magnetischer Fluss und angefordertes Drehmoment Treq und einem vorgegebenen Kennfeld Soll-Komponenten Id_s, Iq_s eines Statorstroms der elektrischen Maschine zu ermitteln, die der Regelschleife zugeführt werden.For example, the model has a PI current controller in the forward direction 20th , a first unit 22 , which is designed to carry out an inverse Clarke transformation and a space vector pulse width modulation, and for example a B6 inverter 24th on. There is a second unit in a feedback loop 26 arranged, which is designed to perform a Clarke Parks transformation. Furthermore, the control loop of the field-oriented control is a first module 28 upstream, which is formed depending on input variables such as speed, magnetic flux and requested torque Treq and a predetermined map of target components Id_s , Iq_s to determine a stator current of the electrical machine, which are fed to the control loop.

Das Drehmoment einer permanenterregten Synchronmaschine kann mit der Gl. 1 beschrieben werden: Tq = 3 / 2 * ( Zp * [ Ψ * id + ( Ld + Lq ) * Id * Iq ]

Figure DE102018216881A1_0001
The torque of a permanently excited synchronous machine can be calculated using Eq. 1 can be described: Tq = 3rd / 2nd * ( Zp * [ Ψ * id + ( Ld + Lq ) * Id * Iq ]
Figure DE102018216881A1_0001

Hierbei bezeichnen:

Tq
inneres Drehmoment (elektromagnetisches Drehmoment ohne mechanische Drehmomentverluste)
Iq, Id
Komponenten des Statorstromes im feldorientierten d/q Koordinatensystem
Ψ
Rotorfluss im feldorientierten d/q Koordinatensystem
Ld, Lq
Komponenten der Statorinduktivitäten im feldorientierten d/q Koordinatensystem
Zp
Polpaarzahl
Here denote:
Tq
internal torque (electromagnetic torque without mechanical torque loss)
Iq, Id
Components of the stator current in the field-oriented d / q coordinate system
Ψ
Rotor flux in the field-oriented d / q coordinate system
Ld, Lq
Components of the stator inductances in the field-oriented d / q coordinate system
Zp
Number of pole pairs

Die Größen Ψ, Ld und Lq sind aufgrund von Fertigungstoleranzen sowie Alterung der elektrischen Maschine nicht exakt bekannt. Darüber hinaus ist auch die Bestimmung der Ist-Komponenten Iq_i, Id_i des Statorstroms toleranzbehaftet aufgrund von Messgenauigkeiten von Shunt oder Hall-Sensoren sowie der Toleranz in der Rotorposition. The sizes Ψ, Ld and Lq are not exactly known due to manufacturing tolerances and aging of the electrical machine. In addition, the determination of the actual components Iq_i , Id_i of the stator current is tolerant due to the measuring accuracy of shunt or Hall sensors and the tolerance in the rotor position.

Das abgegebene Drehmoment ist somit mit Toleranzen behaftet, die sich negativ auf eine Regelungsgenauigkeit, insbesondere bei Hybrid-Antrieben, und auf eine Effizienz der elektrischen Maschine auswirkt.The torque output is therefore subject to tolerances which have a negative effect on control accuracy, in particular in the case of hybrid drives, and on the efficiency of the electrical machine.

Die Soll-Komponenten Id_s, Iq_s des Statorstroms werden hierbei zum Beispiel über ein Kennfeld bestimmt. Das Kennfeld bildet hierbei die Inverse von der vorne angeführten Gleichung (1) ab und nutzt als Eingangsgrößen ein angefordertes Drehmoment, eine Drehzahl und einen magnetischen Fluss sowie eine Temperatur. Da Toleranzen in dem Kennfeld für die real verwendete Maschine nicht berücksichtigt werden, ist ein effizienter Betrieb der Maschine häufig nicht gewährleistet. Darüber hinaus ist nicht sichergestellt, dass das angeforderte Drehmoment auch erreicht wird. Hier sind Abweichungen von zirka 10 % zwischen gefordertem und tatsächlichem Moment möglich.The target components Id_s , Iq_s of the stator current are determined, for example, using a map. The map maps the inverse of equation (1) given above and uses a requested torque, a speed and a magnetic flux as well as a temperature as input variables. Since tolerances are not taken into account in the map for the machine actually used, efficient operation of the machine is often not guaranteed. In addition, there is no guarantee that the requested torque will also be achieved. Deviations of around 10% between the required and the actual moment are possible.

Derzeit werden die Toleranzen der elektrischen Maschine durch Einsatz von teuren hochwertigen Materialien zum Beispiel für die Permanentmagnete sowie enger Fertigungstoleranzen minimiert.The tolerances of the electrical machine are currently being minimized by using expensive, high-quality materials, for example for permanent magnets, as well as tight manufacturing tolerances.

Optimale Betriebsparameter für elektrische Maschinen werden derzeit hauptsächlich an Hand einer ausgewählten elektrischen Maschine bestimmt. Die optimalen Betriebsparameter werden in Form von Kennfeldern gespeichert. Die Kennfelder werden dann beispielsweise für baugleiche elektrische Maschinen für eine Vorsteuerung, wie in 3 gezeigt, genutzt.Optimal operating parameters for electrical machines are currently mainly determined on the basis of a selected electrical machine. The optimal operating parameters are saved in the form of maps. The characteristic diagrams are then used, for example, for identical electrical machines for a pilot control, as in 3rd shown, used.

4 zeigt ein beispielhaftes Diagramm mit Isolinien für das Drehmoment. Ein Betriebsbereich der elektrischen Maschine ist zum einen über einen maximalen Strom, welcher beispielsweise ein zu der Maschine abgestimmter Inverter liefern kann, sowie einen maximalen Modulationsgrad der Raumzeiger-Pulsweitenmodulation begrenzt. Der optimale Betriebspunkt ist erreicht, wenn ein resultierender Vektor aus den Komponenten Iq und Id des Statorstroms eine minimale Länge erreicht. In 4 repräsentiert die fettgedruckte Linie die optimalen Komponenten Iq und Id des Stators für stationäre Betriebspunkte. 4th shows an exemplary diagram with isolines for the torque. An operating range of the electrical machine is limited, on the one hand, by a maximum current which, for example, an inverter matched to the machine can deliver, and a maximum degree of modulation of the space vector pulse width modulation. The optimal operating point is reached when a resulting vector from the components Iq and Id of the stator current reaches a minimum length. In 4th the bold line represents the optimal components Iq and Id of the stator for stationary operating points.

Da die Maschinen nie exakt baugleich sind und aufgrund einer Lebenszeit und/oder Nutzungsdauer zusätzliche Unterschiede zwischen den Maschinen auftreten können, ist eine Anpassung des von der elektrischen Maschine genutzten Kennfelds, das für eine Vorsteuerung des abzugebenden Drehmoments der elektrischen Maschine in Verbindung mit der feldorientierten Regelung genutzt wird, wünschenswert.Since the machines are never exactly identical and additional differences between the machines can occur due to a lifetime and / or useful life, the map used by the electric machine must be adapted to pre-control the torque of the electric machine to be output in conjunction with the field-oriented control is used, desirable.

5 zeigt eine beispielhafte Drehmomentkennlinie einer elektrischen Maschine in Abhängigkeit der Geschwindigkeit beziehungsweise Drehzahl. Die elektrische Maschine gibt bei niedrigen Drehzahlen das höchste Drehmoment ab, das aber nach Erreichen der höchsten Leistung kontinuierlich abfällt. 5 shows an exemplary torque characteristic of an electrical machine depending on the speed or speed. The electric machine delivers the highest torque at low engine speeds, but this drops continuously after the highest output is reached.

In einem ersten Betriebsbereich, der in 5 mit der Ziffer 1 markiert ist und bei dem das abgegebene Drehmoment am höchsten ist, führen insbesondere Toleranzen des magnetischen Flusses, die Genauigkeit eines Phasenstromsensors und eine Ungenauigkeit eines Rotortemperaturmodells zu Drehmomentabweichungen. In einem zweiten Betriebsbereich, der in 5 mit der Ziffer 2 markiert ist, führen ebenfalls Toleranzen des magnetischen Flusses, die Genauigkeit eines Phasenstromsensors und eine Ungenauigkeit eines Rotortemperaturmodells und ferner Toleranzen eines Rotorpositionsgebers zu Drehmomentabweichungen. In einem dritten Betriebsbereich, der in 5 mit der Ziffer 3 markiert ist und der durch geringe Drehmomentabgabe bei gleichzeitiger hoher Drehzahl gekennzeichnet ist, führen insbesondere Toleranzen eines Rotorpositionsgebers zu Drehmomentabweichungen.In a first operating area, which is in 5 with the number 1 is marked and at which the output torque is highest, in particular tolerances of the magnetic flux, the accuracy of a phase current sensor and an inaccuracy of a rotor temperature model lead to torque deviations. In a second operating area, which is in 5 with the number 2nd is marked, tolerances of the magnetic flux, the accuracy of a phase current sensor and an inaccuracy of a rotor temperature model and also tolerances of a rotor position sensor also lead to torque deviations. In a third operating area, which is in 5 with the number 3rd is marked and which is characterized by low torque output at a high speed at the same time, tolerances of a rotor position sensor lead to torque deviations.

Das abgegebene Drehmoment ist somit toleranzbehaftet. Es zeigt sich, dass sich Toleranzen in Bezug auf eine erfasste und/oder ermittelte Winkelposition des Rotors insbesondere bei höheren Drehzahlen zu Drehmomentfehlern führen.The torque output is therefore subject to tolerance. It can be seen that tolerances with respect to a detected and / or determined angular position of the rotor lead to torque errors, particularly at higher speeds.

Die direkte Messung des abgegebenen Drehmoments an dem Rotor ermöglicht eine verbesserte Drehmomentvorsteuerung und/oder eine erhöhte Regelgenauigkeit.The direct measurement of the torque delivered to the rotor enables improved torque precontrol and / or increased control accuracy.

6 zeigt ein Ablaufdiagram für ein Programm zum Betreiben der elektrischen Maschine, das eine Adaptierung der Regelung, besser gesagt eine Adaptierung der Vorsteuerung und eines Rückführungskreises der Regelung ermöglicht. 6 shows a flowchart for a program for operating the electrical machine, which enables an adaptation of the control, more specifically an adaptation of the pilot control and a feedback loop of the control.

Die elektrische Maschine umfasst eine feldorientierte Regelung. Alternativ dann die feldorientierte Regelung der elektrischen Maschine zugeordnet sein. Die elektrische Maschine weist ein Modul aufweist, das ein vorgegebenes Maschinenmodell und/oder einen weiteren Sensor umfasst und ausgebildet ist, eine Eingangsgröße für die feldorientierte Regelung zu erfassen und/oder zu ermitteln und diese für die feldorientierte Regelung bereitzustellen. Alternativ weist die elektrische Maschine das Modul nicht selbst auf, sondern das Modul ist der elektrischen Maschine zugeordnet.The electrical machine includes a field-oriented control. Alternatively, the field-oriented regulation of the electrical machine can then be assigned. The electrical machine has a module which comprises a predetermined machine model and / or a further sensor and is designed to detect and / or determine an input variable for the field-oriented control and to make it available for the field-oriented control. Alternatively, the electrical machine has the module not on itself, but the module is assigned to the electrical machine.

Das Programm wird beispielsweise von der Recheneinheit ausgeführt. Die elektrische Maschine umfasst beispielsweise die Recheneinheit. Alternativ kann die Recheneinheit der elektrischen Maschine zugeordnet sein. Die Recheneinheit kann auch als Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine bezeichnet werden.The program is executed, for example, by the computing unit. The electrical machine includes, for example, the computing unit. Alternatively, the computing unit can be assigned to the electrical machine. The computing unit can also be referred to as a device for operating an electrical machine.

Das Programm wird in einem Schritt S1 gestartet.The program is in one step S1 started.

In einem Schritt S3 wird eine Kenngröße, die repräsentativ ist für ein abgegebenes Drehmoment des Rotors, die mittels eines Drehmomentsensors erfasst und/oder ermittelt wird, eingelesen. In one step S3 a parameter that is representative of an output torque of the rotor, which is detected and / or determined by means of a torque sensor, is read in.

In einem Schritt S5 wird ein Parameter des Maschinenmodells und/oder eines Erfassungsfehlers des Weiteren Sensors abhängig von der Kenngröße adaptiert.In one step S5 a parameter of the machine model and / or a detection error of the further sensor is adapted depending on the parameter.

In einem Schritt S7 wird beispielsweise das adaptierte Maschinenmodell und/oder ein Adaptionskennfeld für den weiteren Sensor für die feldorientierte Reglung einer vorgegebenen Schnittstelle bereitgestellt.In one step S7 For example, the adapted machine model and / or an adaptation map for the further sensor for field-oriented control of a given interface is provided.

In einem Schritt S9 wird das Programm beendet. Vorzugsweise erfolgt jedoch eine kontinuierliche Adaption, so dass das Programm in vorgegebenen zeitlichen Abständen wiederholt ausgeführt wird.In one step S9 the program is ended. However, continuous adaptation is preferably carried out so that the program is executed repeatedly at predetermined time intervals.

Das Modul weist beispielsweise das Maschinenmodell auf und ist ausgebildet, abhängig von einem vorgegebenen Drehmoment für den Rotor und dem vorgegeben Maschinenmodell, Soll-Komponenten Id_s, Iq_s eines Statorstroms der elektrischen Maschine zu ermitteln, die der feldorientierten Regelung als Eingangsgrößen zugeführt werden, wobei das Maschinenmodell ein vorgegebenes Kennfeld umfasst zur Ermittlung der Soll-Komponenten Id_s, Iq_s eines Statorstroms für einen optimierten Betrieb der elektrischen Maschine in Bezug auf eine Effizienz und/oder einen Wirkungsgrad der elektrischen Maschine.
Das Adaptieren des Parameters des Maschinenmodells umfasst hierbei ein Adaptieren des Kennfeldes. Das Modul korrespondiert in diesem Fall beispielsweise zu dem in 3 und 7 gezeigten ersten Modul 28.
The module has, for example, the machine model and is designed, depending on a predetermined torque for the rotor and the predetermined machine model, target components Id_s , Iq_s to determine a stator current of the electrical machine, which are supplied to the field-oriented control as input variables, the machine model comprising a predetermined characteristic map for determining the target components Id_s , Iq_s a stator current for an optimized operation of the electrical machine in relation to an efficiency and / or an efficiency of the electrical machine.
Adapting the parameter of the machine model here includes adapting the map. In this case, the module corresponds, for example, to that in 3rd and 7 shown first module 28 .

In diesem Fall wird beispielsweise in dem Schritt S5 zum Adaptieren des Kennfeldes ein Regeldrehmoment für die elektrische Maschine abhängig von einem angeforderten Drehmoment der elektrischen Maschine und der Kenngröße ermittelt.In this case, for example, in the step S5 To adapt the characteristic map, a control torque for the electrical machine is determined as a function of a requested torque of the electrical machine and the parameter.

Hierzu wird beispielsweise, wie in 7 zu sehen ist, die in 3 gezeigte feldorientierte Regelung zunächst um eine Drehmomentregelschleife erweitert.For example, as in 7 can be seen in 3rd shown field-oriented control initially expanded by a torque control loop.

Es wird beispielsweise ein abgegebenes Drehmoment der elektrischen Maschine abhängig von einem mechanischen Modell 32 für ein Rotorlager der elektrischen Maschine und dem erfassten beziehungsweise ermittelten Drehmoment des Rotors ermittelt. Eine Differenz des ermittelten abgegebenen Drehmoments und dem angeforderten Drehmoment wird einem PI-Regler 29 zu geführt.For example, an output torque of the electrical machine becomes dependent on a mechanical model 32 determined for a rotor bearing of the electrical machine and the detected or determined torque of the rotor. A difference between the determined delivered torque and the requested torque is a PI controller 29 led to.

Die Drehmomentregelschleife ermöglicht, ein tatsächlich angefordertes Drehmoment einzustellen.The torque control loop makes it possible to set an actually requested torque.

In einem nächsten Schritt werden für das Regeldrehmoment die Komponenten des Statorstroms in Bezug auf eine minimale Länge eines resultierenden Stromvektors der Komponenten des Statorstroms abhängig von gegebenen Modulationsgraden einer Raum-Zeiger-Modulation der feldorientierten Regelung optimiert.In a next step, the components of the stator current are optimized for the control torque with respect to a minimum length of a resulting current vector of the components of the stator current depending on given degrees of modulation of a space-pointer modulation of the field-oriented control.

Hierzu werden beispielsweise die Komponenten des Statorstroms mittels eines Optimierungsverfahrens, zum Beispiel eines Gradientenverfahrens, einem Parameterschätzverfahren, einer Kalmanfilterung und/oder einer modellprädiktiven Regelung, für einen vorgegebenen Modulationsgrad einer Raum-Zeiger-Modulation der feldorientierten Regelung dahingehend optimiert, dass der resultierende Stromvektor der Komponenten des Statorstroms eine minimale Länge aufweist. Hierbei werden die Betriebsgrenzen maximaler Strom und maximale Spannung/Modulationsgrad eingehalten. In einem weiteren Schritt wird geprüft, ob bei einem geringeren Modulationsgrad eine weitere Reduktion der Leistung zu erzielen ist. Hierzu werden die vorangegangenen Schritte jeweils wiederholt bei einem geringeren Modulationsgrad.For this purpose, for example, the components of the stator current are optimized by means of an optimization method, for example a gradient method, a parameter estimation method, a Kalman filtering and / or a model-predictive control, for a given degree of modulation of a space-pointer modulation of the field-oriented control so that the resulting current vector of the components of the stator current has a minimal length. The operating limits of maximum current and maximum voltage / degree of modulation are observed. In a further step, it is checked whether a further reduction in performance can be achieved with a lower degree of modulation. For this purpose, the previous steps are repeated with a lower degree of modulation.

Wenn ein Betriebspunkt erreicht ist, bei dem ein vorgegebenes Optimierungskriterium erfüllt ist, wird das Kennfeld für diesen Betriebspunkt in Bezug auf die einzustellenden Komponenten des Statorstroms und/oder den Modulationsgrad und/oder das Drehmoment angepasst. Ist beispielsweise das Produkt aus Strom und Modulationsgrad (Spannung) minimal, wird für den Betriebspunkt das Kennfeld adaptiert.When an operating point is reached at which a predetermined optimization criterion is met, the map for this operating point is adapted in relation to the components of the stator current to be set and / or the degree of modulation and / or the torque. If, for example, the product of current and degree of modulation (voltage) is minimal, the map is adapted for the operating point.

Somit steht für den nächsten Wechsel zu diesem Betriebspunkt bereits der oder die richtigen Vorsteuerwerte zur Verfügung. In dem Kennfeld werden beispielsweise die Soll-Komponenten Id_s, Iq_s des Statorstroms der elektrischen Maschine in Abhängigkeit eines angeforderten Drehmoments, einer angeforderten Drehzahl und eines angeforderten magnetischen Flusses abgelegt. Es erfolgt eine Adaption der Soll-Komponenten Id_s, Iq_s des Statorstroms in Abhängigkeit des Drehmoments, der Drehzahl und des magnetischen Flusses, wobei der magnetische Fluss abhängig ist von dem Modulationsgrad und der Temperatur des Rotors.The correct pilot control value (s) is therefore already available for the next change to this operating point. In the map, for example, the target components Id_s , Iq_s of the stator current of the electrical machine as a function of a requested torque, a requested speed and a requested magnetic flux. The target components are adapted Id_s , Iq_s of the stator current as a function of the torque, the speed and the magnetic flux, the magnetic flux being dependent on the degree of modulation and the temperature of the rotor.

Alternativ weist das Modul einen Winkelpositionserfassungssensor auf, der ausgebildet ist, eine Winkelposition des Rotors zu erfassen und/oder zu ermitteln. Die zumindest eine Eingangsgröße umfasst hierbei die erfasste Winkelposition des Rotors und das Adaptieren des Erfassungsfehlers des Weiteren Sensors umfasst ein Adaptieren eines Drehwinkelfehlers des Winkelpositionserfassungssensors.Alternatively, the module has an angular position detection sensor, which is designed to detect and / or determine an angular position of the rotor. The at least one input variable comprises the detected angular position of the rotor and the adaptation of the detection error of the further sensor comprises adapting an angle of rotation error of the angular position detection sensor.

In diesem Fall wird beispielsweise in dem Schritt S5 zum Adaptieren des Drehwinkelfehlers die elektrische Maschine in einem stationären Betriebspunkt, für den ein Soll-Drehmoment des Rotors vorgegeben wird, betrieben.In this case, for example, in the step S5 to adapt the angle of rotation error, the electrical machine is operated at a stationary operating point for which a target torque of the rotor is specified.

Die elektrische Maschine wird vorzugsweise in einem Feldschwächebetrieb betrieben bei möglichst hoher Drehzahl. Es wird eine aktuelle Winkelposition des Rotors erfasst und eine korrigierte Winkelposition abhängig von einer vorgegebenen Adaptionsvorschrift ermittelt. Die korrigierte Winkelposition wird als die Eingangsgröße für die feldorientierte Regelung genutzt. Diese Adaption der Winkelposition wird wiederholt, bis sich das angeforderte, dem an der Welle mittels des Drehmomentsensors erfasste Drehmoment einstellt.The electrical machine is preferably operated in a field weakening mode at the highest possible speed. A current angular position of the rotor is recorded and a corrected angular position is determined as a function of a given adaptation rule. The corrected angular position is used as the input variable for field-oriented control. This adaptation of the angular position is repeated until the requested torque, which is detected on the shaft by means of the torque sensor, is established.

Beispielsweise wird hierbei die Rotorposition schrittweise mit einem Winkeloffset adaptiert.For example, the rotor position is gradually adapted using an angular offset.

Ohne eine Adaption der erfassten Winkelposition treten durchaus Abweichungen im Bereich von 0° bis ± 2° auf. Die Adaption der erfassten Winkelposition des Winkelpositionserfassungssensors ermöglicht die Erfassungsgenauigkeit zu verbessern. Es kann somit auf einen Einsatz von genaueren, und damit teureren, Winkelpositionsgebern, verzichtet werden.Without an adaptation of the recorded angular position, deviations in the range from 0 ° to ± 2 ° occur. The adaptation of the detected angular position of the angular position detection sensor enables the detection accuracy to be improved. It is therefore possible to dispense with the use of more precise, and thus more expensive, angular position transmitters.

BezugszeichenlisteReference list

11
RotorkernRotor core
22nd
RotorwelleRotor shaft
33rd
zweite Ausnehmungsecond recess
44th
erste Ausnehmungfirst recess
55
Stegweb
66
Sensorelement Sensor element
2020th
PI-StromreglerPI current controller
2222
erste Einheitfirst unit
2424th
B6-InverterB6 inverter
2626
zweite Einheitsecond unit
2828
erstes Modulfirst module
2929
PI-DrehmomentreglerPI torque controller
3232
Mechanisches ModellMechanical model
Iq_i, Id_iIq_i, Id_i
Ist-Komponenten des StatorstromsActual components of the stator current
Iq_s, Id_sIq_s, Id_s
Soll-Komponenten des StatorstromsTarget components of the stator current
S1 bis S9S1 to S9
ProgrammschritteProgram steps

Claims (15)

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, bei dem - die elektrische Maschine einen Rotor und einen Drehmomentsensor mit einem Sensorelement (6) aufweist, wobei das Sensorelement (6) an dem Rotor angeordnet ist, - die elektrische Maschine eine feldorientierte Regelung umfasst oder die feldorientierte Regelung der elektrischen Maschine zugeordnet ist, - die elektrische Maschine ein Modul aufweist oder der elektrischen Maschine das Modul zugeordnet ist, wobei das Modul ein vorgegebenes Maschinenmodell und/oder einen weiteren Sensor umfasst und ausgebildet ist, eine Eingangsgröße für die feldorientierte Regelung zu erfassen und/oder zu ermitteln und diese für die feldorientierte Regelung bereitzustellen, und das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Bereitstellen einer Kenngröße, die repräsentativ ist für ein abgegebenes Drehmoment des Rotors, die von dem Sensorelement (6) erfasst und/oder ermittelt wird und - Adaptieren eines Parameters des Maschinenmodells und/oder eines Erfassungsfehlers des Weiteren Sensors abhängig von der Kenngröße.Method for operating an electrical machine, in which the electrical machine has a rotor and a torque sensor with a sensor element (6), the sensor element (6) being arranged on the rotor, the electrical machine comprises a field-oriented regulation or the field-oriented regulation is assigned to the electrical machine, - The electrical machine has a module or the module is assigned to the electrical machine, the module comprising a predetermined machine model and / or a further sensor and being designed to detect and / or determine an input variable for the field-oriented control and this for the to provide field-oriented regulation, and the method comprises the following steps: - Providing a parameter that is representative of an output torque of the rotor, which is detected and / or determined by the sensor element (6) and - Adapting a parameter of the machine model and / or a detection error of the further sensor depending on the parameter. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem - das Modul das Maschinenmodell aufweist und ausgebildet ist, abhängig von einem vorgegebenen Drehmoment für den Rotor und dem vorgegeben Maschinenmodell Soll-Komponenten (Id_s, Iq_s) eines Statorstroms der elektrischen Maschine zu ermitteln, die der feldorientierten Regelung als Eingangsgrößen zugeführt werden, wobei das Maschinenmodell ein vorgegebenes Kennfeld umfasst zur Ermittlung der Soll-Komponenten (Id_s, Iq_s) eines Statorstroms für einen optimierten Betrieb der elektrischen Maschine in Bezug auf eine Effizienz und/oder einen Wirkungsgrad der elektrischen Maschine, und - das Adaptieren des Parameters des Maschinenmodells ein Adaptieren des Kennfeldes umfasst.Procedure according to Claim 1 , in which - the module has the machine model and is designed to determine target components (Id_s, Iq_s) of a stator current of the electrical machine as a function of a predetermined torque for the rotor and the predetermined machine model, which are fed to the field-oriented control as input variables, wherein the machine model comprises a predetermined characteristic diagram for determining the target components (Id_s, Iq_s) of a stator current for optimized operation of the electrical machine with respect to an efficiency and / or an efficiency of the electrical machine, and - adapting the parameter of the machine model Adapting the map includes. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Adaptieren des Kennfeldes die Schritte umfasst: - Ermitteln eines Regeldrehmoments für die elektrische Maschine abhängig von einem angeforderten Drehmoment der elektrischen Maschine und der Kenngröße, - Optimieren der Komponenten des Statorstroms in Bezug auf eine minimale Länge eines resultierenden Stromvektors der Komponenten des Statorstroms abhängig von gegebenen Modulationsgraden einer Raum-Zeiger-Modulation der feldorientierten Regelung für das Regeldrehmoment, - wenn ein Betriebspunkt erreicht ist, bei dem ein vorgegebenes Optimierungskriterium erfüllt ist, das Kennfeld für diesen Betriebspunkt in Bezug auf die einzustellenden Komponenten des Statorstroms und/oder den Modulationsgrad und/oder das Drehmoment angepasst wird.Procedure according to Claim 2 , in which the adaptation of the map comprises the steps: - Determining a control torque for the electrical machine as a function of a requested torque of the electrical machine and the parameter, - Optimizing the components of the stator current with respect to a minimum length of a resulting current vector of the components of the stator current as a function of given degrees of modulation of a space-pointer modulation of the field-oriented Control for the control torque, - when an operating point is reached at which a predetermined optimization criterion is met, the map for this operating point is adjusted in relation to the components of the stator current to be set and / or the degree of modulation and / or the torque. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem - das Modul einen Winkelpositionserfassungssensor aufweist, der ausgebildet ist, eine Winkelposition des Rotors zu erfassen und/oder zu ermitteln, - die zumindest eine Eingangsgröße die erfasste Winkelposition des Rotors umfasst, und - das Adaptieren des Erfassungsfehlers des Weiteren Sensors ein Adaptieren eines Drehwinkelfehlers des Winkelpositionserfassungssensors umfasst.Method according to one of the preceding claims, in which the module has an angular position detection sensor which is designed to detect and / or determine an angular position of the rotor, - The at least one input variable comprises the detected angular position of the rotor, and adapting the detection error of the further sensor comprises adapting an angle of rotation error of the angular position detection sensor. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Adaptieren des Drehwinkelfehlers die Schritte umfasst: - Betreiben der elektrischen Maschine in einem stationären Betriebspunkt, für den ein Soll-Drehmoment des Rotors vorgegeben wird, und während des Betriebs (a) Erfassen einer aktuellen Winkelposition des Rotors, (b) Ermitteln einer korrigierten Winkelposition abhängig von einer vorgegebenen Adaptionsvorschrift, (c) Bereitstellen der korrigierten Winkelposition als die Eingangsgröße für die feldorientierte Regelung, (d) Wiederholen der Schritte (a) bis (c) bis eine Differenz zwischen der gemessenen Kenngröße und dem vorgegebenen Soll-Drehmoment minimal ist.Procedure according to Claim 4 , in which the adaptation of the angle of rotation error comprises the steps: - operating the electrical machine at a stationary operating point for which a target torque of the rotor is specified and during operation (a) detecting a current angular position of the rotor, (b) determining a corrected angular position depending on a given adaptation rule, (c) providing the corrected angular position as the input variable for the field-oriented control, (d) repeating steps (a) to (c) until a difference between the measured parameter and the predetermined target torque is minimal. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die elektrische Maschine in einem Feldschwächebetrieb betrieben wird.Procedure according to Claim 5 , in which the electrical machine is operated in a field weakening operation. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die elektrische Maschine in dem stationären Betriebszustand eine Drehzahl oberhalb einer vorgegebenen Grenzdrehzahl aufweist.Procedure according to Claim 5 or 6 , in which the electrical machine has a speed above a predetermined limit speed in the stationary operating state. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Sensorelement (6) zumindest einen Dehnungsmessstreifen umfasst.Method according to one of the preceding claims, wherein the sensor element (6) comprises at least one strain gauge. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Sensorelement (6) auf einer Stirnseite des Rotors angeordnet ist.Method according to one of the preceding claims, in which the sensor element (6) is arranged on an end face of the rotor. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem - der Rotor eine Rotorwelle (2) und einen Rotorkern (1) aufweist, - der Rotorkern (1) zumindest zwei erste Ausnehmungen (4) aufweist, die durch einen Steg (5) getrennt sind und - das Sensorelement (6) jeweils auf einem der Stege (5), der zwischen zwei benachbarten Ausnehmungen gebildet ist, angeordnet ist.Method according to one of the preceding claims, in which - The rotor has a rotor shaft (2) and a rotor core (1), - The rotor core (1) has at least two first recesses (4) which are separated by a web (5) and - The sensor element (6) is arranged on one of the webs (5), which is formed between two adjacent recesses. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem sich die zumindest zwei ersten Ausnehmungen (4) entlang einer Längsachse des Rotorkerns (1) erstrecken.Procedure according to Claim 10 , in which the at least two first recesses (4) extend along a longitudinal axis of the rotor core (1). Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die zumindest zwei ersten Ausnehmungen (4) in Umfangsrichtung des Rotorkerns (1) symmetrisch um die Rotorwelle (2) herum angeordnet sind.Procedure according to Claim 10 or 11 , in which the at least two first recesses (4) are arranged symmetrically around the rotor shaft (2) in the circumferential direction of the rotor core (1). Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem der Rotorkern (1) zweite Ausnehmungen (3) aufweist zur Anordnung von Permanentmagneten oder von Wicklungen und die ersten Ausnehmungen (4) in radialer Richtung zwischen den ersten Ausnehmungen (4) und der Rotorwelle (2) angeordnet sind.Procedure according to one of the Claims 10 to 12th , in which the rotor core (1) has second recesses (3) for the arrangement of permanent magnets or windings and the first recesses (4) are arranged in the radial direction between the first recesses (4) and the rotor shaft (2). Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine die ausgebildet ist das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen.Device for operating an electrical machine which is designed the method according to one of the Claims 1 to 13 to execute. Elektrische Maschine, die eine Vorrichtung nach Anspruch 14 und einen Rotor und einen Drehmomentsensor mit einem Sensorelement (6) aufweist, wobei das Sensorelement (6) an dem Rotor angeordnet ist, und die Vorrichtung signaltechnisch gekoppelt ist mit dem Drehmomentsensor.Electrical machine that has a device Claim 14 and has a rotor and a torque sensor with a sensor element (6), the sensor element (6) being arranged on the rotor, and the device being coupled in terms of signal technology to the torque sensor.
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