DE102018216881A1 - Method and device for operating an electrical machine and electrical machine - Google Patents
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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.
-
1a -
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.
Bei der elektrischen Maschine handelt es sich beispielsweise um eine permanenterregte Synchronmaschine.The electrical machine is, for example, a permanently excited synchronous machine.
Wie
Wie in
Die ersten Ausnehmungen
Vorzugsweise sind die jeweiligen ersten Ausnehmungen
Der Rotorkern
Der Rotor umfasst einen Drehmomentsensor mit zumindest einem Sensorelement
Das zumindest eine Sensorelement
The at least one
Das Sensorelement
Das Sensorelement
The
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.
Die in den
Der Drehmomentsensor weist eine in den
Alternativ kann das Sensorelement
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
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
In Vorwärtsrichtung weist das Modell beispielsweise einen PI-Stromregler
Das Drehmoment einer permanenterregten Synchronmaschine kann mit der Gl. 1 beschrieben werden:
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
- 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
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
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
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.
In einem ersten Betriebsbereich, der in
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.
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
In einem Schritt
In einem Schritt
In einem Schritt
In einem Schritt
Das Modul weist beispielsweise das Maschinenmodell auf und ist ausgebildet, abhängig von einem vorgegebenen Drehmoment für den Rotor und dem vorgegeben Maschinenmodell, Soll-Komponenten
Das Adaptieren des Parameters des Maschinenmodells umfasst hierbei ein Adaptieren des Kennfeldes. Das Modul korrespondiert in diesem Fall beispielsweise zu dem in
Adapting the parameter of the machine model here includes adapting the map. In this case, the module corresponds, for example, to that in
In diesem Fall wird beispielsweise in dem Schritt
Hierzu wird beispielsweise, wie in
Es wird beispielsweise ein abgegebenes Drehmoment der elektrischen Maschine abhängig von einem mechanischen Modell
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
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
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)
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ID=69781115
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102020113101A1 (en) | 2020-05-14 | 2021-11-18 | Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft | Method and device for operating a permanent magnet synchronous machine |
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-
2018
- 2018-10-02 DE DE102018216881.4A patent/DE102018216881A1/en active Pending
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