DE102019104351A1

DE102019104351A1 - Verfahren, systeme und vorrichtungen zum steuern des zugeführten stroms zum steuern einer maschine

Info

Publication number: DE102019104351A1
Application number: DE102019104351.4A
Authority: DE
Inventors: Caleb W. Secrest; Brent S. GAGAS; Dwarakanath V. Simili
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-02-21
Filing date: 2019-02-20
Publication date: 2019-08-22
Also published as: CN110176892A; US10355631B1; CN110176892B

Abstract

Es ist ein Stromregler für ein Antriebssystem einer elektrischen Maschine zum Antreiben einer elektrischen Maschine vorgesehen. Der Stromregler ist konfigurierbar, um in einer ersten Konfiguration oder einer zweiten Konfiguration in Abhängigkeit von einer Synchrondrehzahl der elektrischen Maschine zu arbeiten. Eine Steuerung kann eine Betriebsart des Stromreglers konfigurieren, indem sie basierend auf der Synchrondrehzahl der elektrischen Maschine entweder die erste Konfiguration des Stromreglers oder die zweite Konfiguration des Stromreglers als aktuell aktive Konfiguration auswählt und dann den Stromregler gemäß der aktuell aktiven Konfiguration ausführen kann. Die erste Konfiguration des Stromreglers umfasst erste Satzelemente und Verstärkungsblöcken mit Kreuzkopplung, während die zweite Konfiguration des Stromreglers die ersten Satzelemente ohne die Verstärkungsblöcke mit Kreuzkopplung beinhalten kann. Die ersten Satzelemente können je nach Implementierung variieren, können aber im Allgemeinen Folgendes beinhalten: Summieren von Verbindungen, Integratoren und Verstärkungsblöcken. In einer Ausführungsform ist der Stromregler konfiguriert, um als komplexer Vektorstromregler zu fungieren, wenn er in der ersten Konfiguration konfiguriert ist, und kann als Zustandsrückkopplungs-(SFbD)-Stromregler betrieben werden, wenn er in der zweiten Konfiguration konfiguriert ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Techniken zum Steuern des Betriebs von Mehrphasensystemen, die Wechselstrom-(AC)-Maschinen beinhalten, und insbesondere auf Verfahren, Systeme und Vorrichtungen zum Kontrollieren der Stromzufuhr zum Steuern einer elektrischen Maschine.
EINLEITUNG
Elektrische Maschinen werden in einer breiten Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. So beinhalten beispielsweise Hybrid-/Elektrofahrzeuge (HEVs) typischerweise ein elektrisches Traktionsantriebssystem, das einen Mehrphasenwechselstrom-(AC)-Motor beinhaltet, der durch einen Leistungswandler mit einer Gleichstrom-(DC)-Spannungsquelle, wie beispielsweise einer Speicherbatterie, angetrieben wird. Motorwicklungen des AC-Elektromotors können mit Wechselrichter-Submodulen eines Energiewechselrichtermoduls (PIM) gekoppelt werden. Jedes Wechselrichter-Submodul beinhaltet ein Paar von Schaltungen, welche in einer komplementären Weise schalten, um eine schnelle Schaltfunktion auszuführen, um die DC-Energie in AC-Energie umzuwandeln. Diese AC-Energie treibt den AC-Elektromotor an, welcher wiederum eine Welle eines HEV-Antriebsstrangs antreibt. So implementieren beispielsweise herkömmliche HEVs zwei dreiphasige pulsbreitenmodulierte (PWM)-Wechselrichtermodule und zwei dreiphasige AC-Maschinen (z. B. AC-Motoren), jeweils angetrieben durch ein entsprechendes Modul der dreiphasigen PWM-Wechselrichtermodule, mit welchem sie gekoppelt sind.
In diesen mehrphasigen Systemen werden synchrone Rahmenstromregler häufig zur Stromregelung von AC-Motoren, wie beispielsweise Drehstrommotoren, eingesetzt. Durch das Bereitstellen einer dynamischen Steuerung über einen breiten Frequenzbereich eignen sich die synchronen Rahmenstromregler für viele industrielle Anwendungen. In digitalen Implementierungen von konventionellen Stromreglern verringert sich mit abnehmendem Verhältnis der Abtastfrequenz zur Grundfrequenz oder Synchronfrequenz des AC-Motors die Stabilität dieser Stromregler tendenziell. Verzögerungen bei der digitalen Implementierung, erhöhte Subharmonien bei der Spannungssynthese durch Pulsweitenmodulation (PWM) oder dergleichen führen zum Beispiel zu Instabilität. Um ein hohes Drehmoment in einem begrenzten Volumen zu erzeugen, ist ein hochpoliger Elektromotor nützlich, insbesondere für Hybridfahrzeuganwendungen (z. B. Hybrid-Elektrofahrzeuge oder dergleichen). Eine Erhöhung der Polzahl erhöht im Allgemeinen die dem AC-Motor zugeordnete Grundfrequenz, während die der Stromregelung zugeordnete Schalt- und Abtastfrequenz aufgrund von Einschränkungen der Schaltleistungsvorrichtung und des Durchsatzes des Prozessors im Allgemeinen begrenzt ist. Typischerweise kann das Verhältnis von Abtastfrequenz zu Grundfrequenz, f_samp/f_fund, bei maximaler Geschwindigkeit sehr klein sein (z. B. kleiner als ein Verhältnis von etwa zehn (10)). Wenn dieses Verhältnis kleiner als etwa zehn (10) ist, kann eine diskrete Zeitbereichssteuerung einen ausreichend ausgeprägten Einfluss auf den synchronen Rahmenstromregler haben. Des Weiteren können innere Stromschleifen, die dem Stromregler zugeordnet sind, aufgrund von digitalen Verzögerungen zu Instabilität führen. Subharmonien, die mit einem asynchronen PWM verbunden sind, werden signifikant, wenn das Verhältnis kleiner als etwa einundzwanzig (21) ist.
Einige Stromregler arbeiten unter bestimmten Betriebsbedingungen besser, während andere unter anderen Betriebsbedingungen besser funktionieren. Einige Stromregler implementieren einen virtuellen Dämpfungswiderstand, um die Parameterempfindlichkeit zu reduzieren und die Störunterdrückung des Systems zu erhöhen, was oft als Erhöhung der Steifigkeit des Antriebssystems beschrieben wird. bei diesen Stromreglern wird der virtuelle Dämpfungswiderstand auf einen konstanten Wert eingestellt. Ein Nachteil dieses Ansatzes ist, dass der maximal erreichbare virtuelle Dämpfungswiderstand durch eine vom Stromregler beobachtete minimale Abtastfrequenzbedingung bis zu einem gewissen Grad begrenzt wird.
Dementsprechend ist es wünschenswert, Verfahren und Systeme zum Steuern eines AC-Motors bereitzustellen, welche die Stromregelung über einen breiten Bereich von Motorbetriebsbedingungen stabilisieren. Es wäre auch wünschenswert, Stromreglerarchitekturen vorzusehen, die unter verschiedenen Betriebsbedingungen modifiziert werden können, sodass die verwendete Stromregler-Topologie unter den aktuellen Betriebsbedingungen gut funktioniert. Darüber hinaus wäre es wünschenswert, Verfahren und Systeme zum Regeln des Stroms eines AC-Motors vorzusehen, der bei unterschiedlicher Abtastfrequenz betrieben werden kann. Ferner werden andere wünschenswerte Funktionen und Merkmale der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, sowie mit dem vorangehenden technischen Gebiet und Hintergrund ersichtlich offensichtlich.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einigen der offenbarten Ausführungsformen ist ein Stromregler für ein Antriebssystem einer elektrischen Maschine zum Antreiben einer elektrischen Maschine vorgesehen. In einer Ausführungsform können die elektrische Maschine und das Antriebssystem der elektrischen Maschine einschließlich des Stromreglers in einem Fahrzeug implementiert werden.
Der Stromregler ist konfigurierbar, um in einer ersten Konfiguration oder einer zweiten Konfiguration in Abhängigkeit von einer Synchrondrehzahl der elektrischen Maschine zu arbeiten. Eine Steuerung kann eine Betriebsart des Stromreglers konfigurieren, indem sie basierend auf der Synchrondrehzahl der elektrischen Maschine entweder die erste Konfiguration des Stromreglers oder die zweite Konfiguration des Stromreglers als aktuell aktive Konfiguration auswählt und dann den Stromregler gemäß der aktuell aktiven Konfiguration ausführen kann. Die erste Konfiguration des Stromreglers umfasst erste Satzelemente und Verstärkungsblöcken mit Kreuzkopplung, während die zweite Konfiguration des Stromreglers die ersten Satzelemente ohne die Verstärkungsblöcke mit Kreuzkopplung beinhalten kann. Die ersten Satzelemente können je nach Implementierung variieren, können aber im Allgemeinen Folgendes beinhalten: Summieren von Verbindungen, Integratoren und Verstärkungsblöcken. In einer Ausführungsform ist der Stromregler konfiguriert, um als komplexer Vektorstromregler (CVCR) zu fungieren, wenn er in der ersten Konfiguration konfiguriert ist, und kann als Zustandsrückkopplungs-(SFbD)-Stromregler betrieben werden, wenn er in der zweiten Konfiguration konfiguriert ist.
In einer Ausführungsform kann die Steuerung die synchrone Drehzahl der elektrischen Maschine mit einem ersten Drehzahlschwellenwert (ω2) vergleichen und wählen, wenn die synchrone Drehzahl der elektrischen Maschine als größer oder gleich dem ersten Drehzahlschwellenwert (ω2) ermittelt wird, wobei die erste Konfiguration als die aktuell aktive Konfiguration gilt. Der Stromregler ist konfiguriert, um in einer ersten Betriebsart zu arbeiten, wenn er in der ersten Konfiguration konfiguriert ist. Wenn die synchrone Drehzahl der elektrischen Maschine als kleiner als der erste Drehzahlschwellenwert (ω2) bestimmt wird, kann die Steuerung die synchrone Drehzahl der elektrischen Maschine mit einem zweiten Drehzahlschwellenwert (ω1) vergleichen und die zweite Konfiguration des Stromreglers als die aktuell aktive Konfiguration auswählen, wenn die synchrone Drehzahl der elektrischen Maschine als kleiner oder gleich dem zweiten Drehzahlschwellenwert (ω1) bestimmt wird. Der Stromregler ist konfiguriert, um in einer zweiten Betriebsart zu arbeiten, wenn er in der zweiten Konfiguration konfiguriert ist.
In einer Ausführungsform, wenn die erste Konfiguration als aktive Konfiguration ausgewählt wird, kann die Steuerung Werte von Entkopplungsspannungen aktualisieren, die in Verbindung mit der ersten Konfiguration des Stromreglers verwendet werden sollen, die Kreuzkopplungs-Verstärkungsblöcke aktivieren, sodass die Kreuzkopplungs-Verstärkungsblöcke als Teil der ersten Konfiguration des Stromreglers beim Erzeugen der Spannungsbefehle angewendet werden, und die Werte der Kreuzkopplungs-Verstärkungsblöcke auf einen Wert ungleich Null einstellen. Die Steuerung kann auch Integrationsbedingungen neu initialisieren, wenn die aktuell aktive Konfiguration von der zweiten Konfiguration zur ersten Konfiguration des Stromreglers übergeht, um Integratoren neu zu initialisieren, bevor der Stromregler in der ersten Konfiguration ausgeführt wird, um die Spannungsbefehle zu erzeugen. Ebenso kann die Steuerung, wenn die erste Konfiguration als aktive Konfiguration ausgewählt wird, Werte von Entkopplungsspannungen aktualisieren, die in Verbindung mit der zweiten Konfiguration des Stromreglers verwendet werden sollen, die Kreuzkopplungs-Verstärkungsblöcke deaktivieren, sodass die Kreuzkopplungs-Verstärkungsblöcke nicht als Teil der Konfiguration des Stromreglers beim Erzeugen der Spannungsbefehle angewendet werden. Die Steuerung kann auch Integrationsbedingungen neu initialisieren, wenn die aktuell aktive Konfiguration von der ersten Konfiguration zur zweiten Konfiguration des Stromreglers übergeht, um Integratoren neu zu initialisieren, bevor der Stromregler in der zweiten Konfiguration ausgeführt wird, um die Spannungsbefehle zu erzeugen.
In einer Ausführungsform kann die Steuerung ein Verfahren zum Konfigurieren einer Betriebsart des Stromreglers durchführen, indem sie basierend auf der Synchrondrehzahl der elektrischen Maschine entweder die erste Konfiguration des Stromreglers oder die zweite Konfiguration des Stromreglers als aktuell aktive Konfiguration auswählt und dann den Stromregler gemäß der aktuell aktiven Konfiguration ausführen kann.
Figurenliste
Die exemplarischen Ausführungsformen werden nachfolgend in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen beschrieben, worin gleiche Ziffern gleiche Elemente bezeichnen, und worin:

1 veranschaulicht ein nicht einschränkendes Beispiel für ein Fahrzeug, in dem die offenbarten Ausführungsformen implementiert werden können.
2 ist ein Blockdiagramm eines Beispiels eines vektorgesteuerten Motorantriebssystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
3 ist ein Blockdiagramm eines Abschnitts eines Motorantriebssystems mit einem dreiphasigen Spannungsquellen-Wechselrichtermodul, das mit einem dreiphasigen AC-Motor verbunden ist.
Die 4A und 4B sind Blockdiagramme eines Stromreglers gemäß einer Implementierung der offenbarten Ausführungsformen.
5 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerungsverfahren veranschaulicht, das an einem Stromregler aus den 4A und 4B in Übereinstimmung mit den offenbarten Ausführungsformen angewendet werden kann.
6 ist eine Kurve, die veranschaulicht, wie der Stromregler so konfiguriert werden kann, dass er in einem ersten Betriebsmodus in 4A arbeitet, wenn die Drehzahl größer als ein erster Drehzahlschwellenwert ist ((ω₂), oder wie er so konfiguriert werden kann, dass er in einem zweiten Betriebsmodus in 4B arbeitet, wenn die Drehzahl unter einem zweiten Drehzahlschwellenwert liegt (ω₁) gemäß den offenbarten Ausführungsformen.
7 ist ein Blockdiagramm eines Stromreglers gemäß einer weiteren Implementierung der offenbarten Ausführungsformen.
8 ist ein Flussdiagramm, das ein weiteres Steuerungsverfahren veranschaulicht, das an einem Stromregler von 7 in Übereinstimmung mit den offenbarten Ausführungsformen angewendet werden kann.
9 ist eine Kurve, die veranschaulicht, wie sich der virtuelle Dämpfungswiderstand (Rdamp) als Funktion der Abtastfrequenz (F_S) gemäß der in den 7 und 8 veranschaulichten Ausführung ändert.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende ausführliche Beschreibung dient lediglich als Beispiel und soll die Anwendung und Verwendungen nicht einschränken. Weiterhin besteht keine Absicht, im vorstehenden technischen Bereich, Hintergrund, der Kurzzusammenfassung oder der folgenden ausführlichen Beschreibung an eine ausdrücklich oder implizit vorgestellte Theorie gebunden zu sein. Der hierin verwendete Begriff „Modul“ bezieht sich auf alle Hardware-, Software-, Firmwareprodukte, elektronische Steuerkomponenten, auf die Verarbeitungslogik und/oder Prozessorgeräte, einzeln oder in Kombinationen, unter anderem umfassend, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder gruppiert) und einen Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten ausführt, die die beschriebene Funktionalität bieten.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können hierin als funktionale und/oder logische Blockkomponenten und verschiedene Verarbeitungsschritte beschrieben sein. Es ist zu beachten, dass derartige Blockkomponenten aus einer beliebigen Anzahl an Hardware-, Software- und/oder Firmware-Komponenten aufgebaut sein können, die zur Ausführung der erforderlichen Funktionen konfiguriert sind. Zum Beispiel kann eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eines Systems oder einer Komponente verschiedene integrierte Schaltungskomponenten, beispielsweise Speicherelemente, digitale Signalverarbeitungselemente, Logikelemente, Wertetabellen oder dergleichen, einsetzen, die mehrere Funktionen unter der Steuerung eines oder mehrerer Mikroprozessoren oder anderer Steuervorrichtungen durchführen können. Zudem werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit einer beliebigen Anzahl an Systemen eingesetzt werden können, und dass die hierin beschriebenen Systeme lediglich exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellen.
Der Kürze halber sind konventionelle Techniken in Verbindung mit der Signalverarbeitung, Datenübertragung, Signalgebung, Steuerung und weiteren funktionalen Aspekten der Systeme (und den einzelnen Bedienelementen der Systeme) hierin ggf. nicht ausführlich beschrieben. Weiterhin sollen die in den verschiedenen Figuren dargestellten Verbindungslinien exemplarische Funktionsbeziehungen und/oder physikalische Verbindungen zwischen den verschiedenen Elementen darstellen. Es sollte beachtet werden, dass viele alternative oder zusätzliche funktionale Beziehungen oder physikalische Verbindungen in einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung vorhanden sein können.
Wie hierin verwendet soll das Wort „exemplarisch“ bedeuten „als ein Beispiel, Umstand oder eine Darstellung dienend“. Die folgende ausführliche Beschreibung ist lediglich exemplarischer Natur und soll die Erfindung oder die Anwendung und die Verwendungen der Erfindung nicht einschränken. Jede Ausführungsform, die hierin als „exemplarisch“ bezeichnet wird, ist nicht notwendigerweise als bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsform auszulegen. Alle der in dieser ausführlichen Beschreibung erläuterten Ausführungsformen sind exemplarische Ausführungsformen, welche den Fachmann in die Lage versetzen sollen, die Erfindung nachzuvollziehen oder zu verwenden, und sollen den Umfang der Erfindung, welcher durch die Ansprüche definiert ist, nicht beschränken. Weiterhin besteht keine Absicht, im vorstehenden technischen Bereich, Hintergrund, der Kurzzusammenfassung oder der folgenden ausführlichen Beschreibung an eine ausdrücklich oder implizit vorgestellte Theorie gebunden zu sein.
Vor einer ausführlichen Beschreibung von Ausführungsformen, welche in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung sind, wird darauf hingewiesen, dass die Ausführungsformen hauptsächlich aus Kombinationen von Verfahrensschritten und Vorrichtungskomponenten bestehen, welche auf eine betriebliche Steuerung eines mehrphasigen Systems bezogen sind. Es ist zu verstehen, dass Ausführungsformen der hierin beschriebenen Erfindung unter Verwendung von Hardware, Software oder einer Kombination derselben ausführbar sind. Die hierin beschriebenen Steuerungsschaltungen können verschiedene Komponenten, Module, Schaltungen und andere Logik umfassen, welche unter Verwendung einer Kombination von Analog- und/oder Digital-Schaltungen, diskreten oder integrierten analogen oder digitalen Elektronikschaltungen oder Kombinationen derselben ausführbar sein können. wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Modul“ auf eine Vorrichtung, eine Schaltung, eine elektrische Komponente und/oder eine Software-basierte Komponente zum Ausführen einer Aufgabe. In einigen Implementierungen können die hierin beschriebenen Steuerungsschaltungen unter Verwendung von einem oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen (ASICS), einem oder mehreren Mikroprozessoren und/oder einem oder mehreren Digital-Signal-Prozessor-(DSP)-basierten Schaltkreisen ausgeführt sein, wenn ein Teil oder die gesamte Steuerungslogik in diesen Schaltungen implementiert wird. Es ist zu verstehen, dass Ausführungsformen der hierin beschriebenen Erfindung einen oder mehrere herkömmliche Prozessoren und individuell gespeicherte Programminstruktionen umfassen können, welche den einen oder die mehreren Prozessoren steuern, um in Verbindung mit bestimmten Nicht-Prozessorschaltungen einige, die meisten oder alle der Funktionen zum betrieblichen Steuern eines wie hierin beschriebenen mehrphasigen Systems zu implementieren. Somit können diese Funktionen als Schritte eines Verfahrens zum betrieblichen Steuern eines mehrphasigen Systems interpretiert werden. Alternativ könnten einige oder alle Funktionen durch eine Zustandsmaschine ausgeführt werden, welche keine gespeicherten Programminstruktionen aufweist, oder in einem oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen (ASICS), in welchen jede Funktion oder einige Kombinationen von bestimmten Funktionen als Nutzerspezifische Logik implementiert sind. Selbstverständlich könnte eine Kombination beider Vorgehensweisen verwendet werden. Daher werden Verfahren und Mittel für diese Funktionen hierin erläutert. Weiterhin wird davon ausgegangen, dass ein Fachmann, ungeachtet des möglicherweise bedeutenden Aufwands und vieler Designvariationen, welche beispielsweise durch zur Verfügung stehende Zeit, momentane Technologie und wirtschaftliche Überlegungen motiviert sind, durch Anleitung der hierin offenbarten Konzepte und Prinzipien in einfacher Weise in der Lage sein wird, diese Software-Anweisungen und -Programme und ICs mit minimalem Aufwand zu herzustellen.
Übersicht
Einige Stromregler arbeiten unter bestimmten Betriebsbedingungen besser, während andere unter anderen Betriebsbedingungen besser funktionieren. So funktioniert beispielsweise ein Zustandsrückkopplungs-(SFbD)-Stromregler unter hohen Beschleunigungsbedingungen (z. B. Fahrzeugerschütterung, Antriebsresonanz, Radschlupfbedingungen) und bei der Berücksichtigung der Auswirkungen einer diskreten Regelung gut. Im Gegensatz dazu arbeitet ein komplexer Vektorstromregler (CVCR) gut, wenn er unter niedrigen und mittleren Beschleunigungsbedingungen, aber über einen sehr breiten Drehzahlbereich betrieben wird, einschließlich hoher Geschwindigkeiten mit Übersteuerung und sechsstufiger Steuerungsbetriebsbedingungen. Die offenbarten Ausführungsformen bieten eine Stromreglerarchitektur, die variiert werden kann, um die Verwendung mehrerer verschiedener Stromregler-Topologien zu ermöglichen, basierend auf Betriebsbedingungen, bei denen eine bestimmte Stromregler-Topologie am besten funktioniert. Die offenbarten Ausführungsformen können es ermöglichen, die geeignete Stromreglerkonfiguration basierend auf der Drehzahl (z. B. Motordrehzahl oder elektrische Grundfrequenz) auszuwählen und dann sofort und sanft zwischen der Stromreglerkonfiguration der Zustandsrückkopplungs-(SFbD)-Stromregler und der komplexen Vektorstromreglerkonfiguration bei Haltepunkten der eingestellten Drehzahl zu wechseln. Die offenbarten Ausführungsformen können jede Stromreglerkonfiguration dort nutzen, wo es am vorteilhaftesten ist, um die Stromregelung bei hohen Beschleunigungsbedingungen zu verbessern, ohne die Leistung in den übersteuerten und sechsstufigen Betriebsbereichen zu beeinträchtigen.
In einer Ausführungsformen ist ein Stromregler für ein Antriebssystem einer elektrischen Maschine zum Antreiben einer elektrischen Maschine vorgesehen. Der Stromregler ist konfigurierbar, um in einer ersten Konfiguration oder einer zweiten Konfiguration in Abhängigkeit von einer Synchrondrehzahl der elektrischen Maschine (oder anderen Maschinen- oder Antriebszuständen) zu arbeiten. Eine Steuerung kann eine Betriebsart des Stromreglers konfigurieren, indem sie basierend auf der Synchrondrehzahl der elektrischen Maschine entweder die erste Konfiguration des Stromreglers oder die zweite Konfiguration des Stromreglers als aktuell aktive Konfiguration auswählt und dann den Stromregler gemäß der aktuell aktiven Konfiguration ausführen kann. Die erste Konfiguration des Stromreglers umfasst erste Satzelemente und Verstärkungsblöcken mit Kreuzkopplung, während die zweite Konfiguration des Stromreglers die ersten Satzelemente ohne die Verstärkungsblöcke mit Kreuzkopplung beinhalten kann. Die ersten Satzelemente können je nach Implementierung variieren, können aber im Allgemeinen Folgendes beinhalten: Summieren von Verbindungen, Integratoren und Verstärkungsblöcken. In einer Ausführungsform ist der Stromregler konfiguriert, um als komplexer Vektorstromregler zu fungieren, wenn er in der ersten Konfiguration konfiguriert ist, und kann als Zustandsrückkopplungs-(SFbD)-Stromregler betrieben werden, wenn er in der zweiten Konfiguration konfiguriert ist.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen Verfahren, Systeme und eine Vorrichtung zum betrieblichen Steuern eines mehrphasigen Systems, das beispielsweise in Betriebsumgebungen wie einem Hybrid-/Elektrofahrzeug (HEV) implementiert werden kann. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Verfahren, Systeme und Vorrichtungen für Stromregler. In den exemplarischen Implementierungen, die nun beschrieben werden, werden die Steuertechniken und -technologien als auf ein Hybrid-/Elektrofahrzeug angewendet beschrieben. Jedoch wird der Fachmann bevorzugen, dass gleiche oder ähnliche Techniken und Technologien im Zusammenhang mit anderen Systemen angewendet werden können, in welchen es wünschenswert ist, den Betrieb eines mehrphasigen Systems zu steuern. Diesbezüglich können jede der hierin offenbarten Konzepte allgemein an „Fahrzeugen“ angewendet werden, und wie hierin verwendet bezieht sich der Ausdruck „Fahrzeug“ weitläufig auf einen nicht-lebenden Transportmechanismus mit einer AC-Maschine. Darüber hinaus ist der Begriff „Fahrzeug“ nicht durch eine spezielle Antriebstechnologie, wie beispielsweise Benzin oder Dieselkraftstoff, beschränkt. Vielmehr beinhalten Fahrzeuge ebenso Hybrid-Fahrzeuge, batteriebetriebene Elektrofahrzeuge, mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge und Fahrzeuge, welche mit verschiedenen anderen alternativen Kraftstoffen betrieben werden.
Wie hierin verwendet bezieht sich der Begriff „Wechselstrom-(AC)-Maschine“ allgemein auf „eine Vorrichtung oder einen Apparat, der elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt und umgekehrt.“ AC-Maschinen können im Allgemeinen in Synchron-AC-Maschinen und Asynchron-AC-Maschinen eingeteilt werden. Synchron-AC-Maschinen können Permanentmagnet-Maschinen und Reluktanz-Maschinen beinhalten. Permanentmagnet-Maschinen beinhalten oberflächenbefestigte Permanentmagnet-Maschinen (SMPMMs) und Innen-Permanentmagnet-Maschinen (IPMMs). Obwohl eine AC-Maschine ein AC-Motor sein kann (z. B. eine Vorrichtung, die verwendet wird, um AC-elektrische Energie an deren Eingang umzuwandeln, um mechanische Energie oder Leistung zu erzeugen), ist eine AC-Maschine nicht auf einen AC-Motor beschränkt, sondern kann auch Generatoren umfassen, die verwendet werden, um mechanische Energie oder Leistung an ihrem primären Bewegungselement in elektrische AC-Energie oder -Leistung an deren Ausgang umzuwandeln. Jede der Maschinen kann ein AC-Motor oder ein AC-Generator sein. Ein AC-Motor ist ein Elektromotor, der durch einen Wechselstrom angetrieben wird. In einigen Implementierungen beinhaltet ein AC-Motor einen äußeren stationären Stator mit Wicklungen, die mit Wechselstrom versorgt werden, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen, und einen inneren Rotor, der an der Abtriebswelle angebracht ist, auf den durch das rotierende Feld ein Drehmoment ausgeübt wird.
1 veranschaulicht ein nicht einschränkendes Beispiel eines Fahrzeugs oder Automobils 1, in dem die offenbarten Ausführungsformen implementiert werden können. Das Automobil 1 beinhaltet eine Antriebswelle 12, eine Karosserie 14, vier Räder 16 und ein elektronisches Steuersystem 18. Die Karosserie 14 ist auf dem Chassis angeordnet und umhüllt im Wesentlichen die anderen Komponenten des Automobils 1. Die Karosserie 14 und das Chassis können gemeinsam einen Rahmen bilden. Die Räder 16 sind jeweils mit dem Fahrgestell in der Nähe einer jeweiligen Ecke der Karosserie 14 drehbar verbunden.
Das Automobil 1 kann eines von einer Reihe von verschiedenen Typen von Automobilen sein, wie zum Beispiel eine Limousine, ein Kombi, ein Lastwagen oder eine Geländelimousine (SUV), und kann einen Zweiradantrieb (2WD) (d. h. Heckantrieb oder Frontantrieb), Vierradantrieb (4WD) oder Allradantrieb (AWD) haben. Das Automobil 1 kann weiterhin ein -oder eine Kombination von mehreren- aus einer Anzahl unterschiedlicher Antriebssysteme umfassen, beispielsweise einen mit Benzin oder Diesel betriebenen Verbrennungsmotor, einen „Flexfuel“-Motor (FFV) (d. h. Verwendung von einer Mischung aus Benzin und Ethanol), einen mit einer gasförmigen Verbindung (z. B. Wasserstoff oder Erdgas) betriebenen Motor, einen Verbrennungs-/Elektro-Hybridmotor und einen Elektromotor.
In der in 1 veranschaulichten exemplarischen Ausführungsform beinhaltet das Automobil 1 weiterhin einen Motor 20 (d. h. einen Elektromotor/Generator, Fahrmotor usw.), Energiequellen 22, 24 und eine Wechselrichteranordnung 10. Wie in 1 dargestellt, kann der Motor 20 auch ein darin integriertes Getriebe beinhalten, wobei der Motor 20 und das Getriebe mechanisch mit mindestens einigen der Räder 16 über eine oder mehrere Halbwellen 30 verbunden sind.
Wie dargestellt, sind die Energiequellen 22, 24 in funktionsfähiger Verbindung und/oder elektrisch mit der elektronischen Steuerung 18 und der Wechselrichteranordnung 10 verbunden. Obwohl nicht veranschaulicht, können die Energiequellen 22, 24 je nach Ausführungsform variieren und vom gleichen oder unterschiedlichen Typ sein. In einer oder mehreren Ausführungsformen können die Energiequellen 22, 24 jeweils eine Batterie, eine Brennstoffzelle, einen Ultrakondensator oder eine andere geeignete Spannungsquelle umfassen. Eine Batterie kann jede Art von Batterie sein, die zur Verwendung in einer gewünschten Anwendung geeignet ist, wie beispielsweise eine Bleibatterie, eine Lithium-Ionen-Batterie, eine Nickel-Metall-Batterie oder eine andere wiederaufladbare Batterie. Ein Ultrakondensator kann einen Superkondensator, einen elektrochemischen Doppelschichtkondensator oder einen anderen elektrochemischen Kondensator mit hoher Energiedichte umfassen, der für eine gewünschte Anwendung geeignet ist.
Der Motor 20 kann ein mehrphasiger Wechselstrom-(AC)-Motor sein und beinhaltet Wicklungen, wobei jede Wicklung einer Phase des Motors 20 entspricht, wie im Folgenden näher beschrieben wird. Obwohl nicht veranschaulicht, kann der Motor 20 eine Statoranordnung (einschließlich der Spulen), eine Rotoranordnung (z. B. mit einem ferromagnetischen Kern) und eine Kühlflüssigkeit (d. h. Kühlmittel) beinhalten, wie von einem Fachmann geschätzt wird. Der Motor 20 kann ein Induktionsmotor, ein Permanent-Magnetmotor, ein synchroner Reluktanzmotor oder ein für die gewünschte Anwendung geeigneter Typ sein.
2 ist ein Blockdiagramm eines Beispiels eines vektorgesteuerten Motorantriebssystems 100 gemäß den offenbarten Ausführungsformen. Das System 100 steuert eine dreiphasige Wechselstrommaschine 120 über ein dreiphasiges pulsweitenmoduliertes (PWM) Wechselrichtermodul 110, das mit der dreiphasigen Wechselstrommaschine 120 gekoppelt ist, sodass die dreiphasige Wechselstrommaschine 120 eine dem dreiphasigen PWM-Wechselrichtermodul 110 zugeführte DC-Eingangsspannung (Vdc) effizient nutzen kann, indem sie Strombefehle einstellt, welche die dreiphasige Wechselstrommaschine 120 steuern. Die dreiphasige Wechselstrommaschine 120 kann als Motor 20 von 1 verwendet werden. In einer bestimmten Implementierung kann das vektorgesteuerte Motorantriebssystem 100 zur Drehmomentsteuerung in einem HEV verwendet werden.
In der folgenden Beschreibung einer bestimmten nicht einschränkenden Implementierung wird der dreiphasige AC-Motor 120 als dreiphasiger AC-angetriebener Motor 120 und insbesondere als dreiphasiger, permanentmagnetischer, synchroner AC-angetriebener Motor (oder umfassender als Motor 120) beschrieben; es ist jedoch zu beachten, dass die veranschaulichte Ausführungsform nur ein nicht einschränkendes Beispiel für die Arten von AC-Maschinen ist, auf die die offenbarten Ausführungsformen angewendet werden können, und dass die offenbarten Ausführungsformen auf alle Arten von mehrphasigen AC-Maschinen angewendet werden können, die weniger oder mehr Phasen beinhalten.
Der dreiphasige AC-Motor 120 ist mit dem dreiphasigen PWM-Wechselrichtermodul 110 mittels drei Wechselrichter-Polen gekoppelt und erzeugt mechanische Leistung (Drehmoment x Geschwindigkeit) auf Grundlage von dreiphasigen sinusförmigen Stromsignalen, welche von dem PWM-Wechselrichtermodul 110 empfangen werden. In einigen Implementierungen kann die Winkelposition eines Rotors (θr) des dreiphasigen AC-Motors 120 oder die „Wellenposition“ unter Verwendung eines Positionssensors (nicht dargestellt) gemessen, wobei in anderen Implementierungen die Winkelposition eines Rotors (θr) des dreiphasigen AC-Motors 120 ohne Verwendung eines Positionssensors geschätzt werden kann, und zwar durch Anwenden von sensorlosen Positionsschätzungstechniken.
Vor dem Beschreiben von betrieblichen Details des Systems 100 ist eine ausführliche Beschreibung einer exemplarischen Implementierung des dreiphasigen Spannungsquellen-Wechselrichters 110 mit Bezug auf 3 vorgesehen (einschließlich auf welche Weise er mit dem dreiphasigen AC-Motor 120 verbunden ist).
3 ist ein Blockdiagramm eines Abschnitts eines Motorantriebssystems mit einem dreiphasigen Spannungsquellen-Wechselrichter 110, der mit einem dreiphasigen AC-Motor 120 verbunden ist. Es wird darauf hingewiesen, dass der dreiphasige Spannungsquellen-Wechselrichter 110 und der dreiphasige Motor 120 in 2 nicht auf diese Implementierung beschränkt sind; vielmehr ist 3 lediglich exemplarisch, wie der dreiphasige Spannungsquellen-Wechselrichter 110 und der dreiphasige Motor 120 in 2 in einer bestimmten Ausführungsform implementiert sein können.
Wie in 3 veranschaulicht, weist der dreiphasige AC-Motor 120 drei Stator- oder Motorwicklungen 120a, 120b, 120c auf, die mit Motor-Anschlüssen A, B, C verbunden sind, wobei das dreiphasige PWM-Wechselrichtermodul 110 einen Kondensator 270 und drei Wechselrichter-Submodule 115-117 beinhaltet. In dieser bestimmten Ausführungsform ist in Phase A das Wechselrichter-Submodul 115 mit der Motorwicklung 120a gekoppelt, in Phase B ist das Wechselrichter-Submodul 116 mit der Motorwicklung 120b gekoppelt, und in Phase C ist das Wechselrichter-Submodul 117 mit der Motorwicklung 120c gekoppelt. Der Stromfluss ist bidirektional in und aus allen Motorwicklungen 120.
Die resultierenden Phasen- oder Statorströme (Ias-Ics) 122, 123, 124 fließen durch die jeweiligen Statorwicklungen 120a-c. Die Phase-zu-neutral-Spannungen an jeder der Statorwicklungen 120a-120c werden jeweils als V_AN , V_BN , V_CN bezeichnet, wobei die rückelektromotorischen Kraft-(EMF)-Spannungen, welche in jeder der Statorwicklungen 120a-120c erzeugt werden, jeweils als die Spannungen E_a , E_b , E_c gezeigt sind, welche durch ideale Spannungsquellen erzeugt sind, wobei jede jeweils in Reihe mit den Statorwicklungen 120a-120c verbunden dargestellt ist. Wie gut bekannt ist, sind diese Rück-EMF-Spannungen E_a , E_b , E_c die in den jeweiligen Statorwicklungen 120a-120c durch die Rotation des Rotor-Magnetfeldes induzierte Spannungen. Obwohl nicht dargestellt, ist der Motor 120 mit einer Antriebswelle gekoppelt.
Der Wechselrichter 110 beinhaltet einen Kondensator 270, ein erstes Wechselrichter-Submodul 115 umfassend einen dualen Schalter 272/273, 274/275, ein zweites Wechselrichter-Submodul 116 umfassend einen dualen Schalter 276/277, 278/279 und ein drittes Wechselrichter-Submodul 117 umfassend einen dualen Schalter 280/281, 282/283. Somit weist der Wechselrichter 110 sechs Festkörper-steuerbare Schaltvorrichtungen 272, 274, 276, 278, 280, 282 und sechs Dioden 273, 275, 277, 279, 281, 283 auf, um in geeigneter Weise eine DC-Spannung (V_DC ) zu schalten und eine dreiphasige Bestromung der Statorwicklungen 120a, 120b, 120 des dreiphasigen AC-Motors 120 bereitzustellen.
Eine Hochleistungsmotorsteuerung 112 kann Motorbefehlssignale und Motorbetriebssignale vom Motor 120 empfangen und Steuersignale zum Steuern des Schaltens von Halbleiterschaltvorrichtungen 272, 274, 276, 278, 280, 282 innerhalb der Wechselrichter-Submodule 115-117 erzeugen. Durch Bereitstellen geeigneter Steuersignale für die individuellen Wechselrichter-Submodule 115-117 steuert die Steuerung 112 das Schalten der Festkörper-Schaltvorrichtungen 272, 274, 276, 278, 280, 282 innerhalb der Wechselrichter-Submodule 115-117 und steuert dadurch die Ausgänge der Wechselrichter-Submodule 115-117, die jeweils für die Motorwicklungen 120a-120c bereitgestellt werden. Die resultierenden Statorströme (Ias...Ics) 122-124, die durch die Wechselrichter-Submodule 115-117 des dreiphasigen Wechselrichtermoduls 110 erzeugt werden, werden den Motorwicklungen 120a, 120b, 120c bereitgestellt. ie Spannungen V_AN , V_BN , dV_CN und die Spannung bei Knoten N fluktuieren zeitlich in Abhängigkeit der Offen-/Geschlossen-Zustände der Schalter 272, 274, 276, 278, 280, 282 in den Wechselrichter-Submodulen 115-117 des Wechselrichtermoduls 110, wie nachfolgend beschrieben wird.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 beinhaltet das Vektor-Steuerungs-Motorantriebssystem 100 ein Drehmoment-zu-Strom-Abbildungsmodul 140, ein Synchron-(SYNC.)-Rahmen-Stromreglermodul 170, ein Synchron-zu-Stationär-(SYNC.-zu-STAT.)-Transformationsmodul 102, ein αβ-Bezugsrahmen-zu-abc-Bezugsrahmen-(αβ-zu-abc)-Transformationsmodul 106, ein Pulsweitenmodulations-(PWM)-Modul 108, einen dreiphasigen PWM-Wechselrichter 110, ein abc-Bezugsrahmen-zu-αβ-Bezugsrahmen-(abc-zu-αβ)-Transformationsmodul 127, sowie ein Stationär-zu-Synchron-(STAT.-zu-SYNC.)-Transformationsmodul 130.
Das Drehmoment-zu-Strom-Abbildungsmodul 140 empfängt ein Drehmomentbefehlssignal (Te*) 136, Winkelrotationsgeschwindigkeit (ωr) 138 der Welle, die basierend auf der Ableitung der Rotor-/Wellen-Positionsausgabe (θr) 121 erzeugt wird, und die DC-Eingangsspannung (V_DC ) 139 als Eingänge, zusammen mit möglicherweise einer Vielzahl von anderen Systemparametern in Abhängigkeit der Implementierung. Das Drehmoment-zu-Strom-Abbildungsmodul 140 verwendet diese Eingaben, um einen d-Achsen-Strombefehl (Id*) 142 und einen q-Achsen-Strombefehl (Iq*) 144 zu erzeugen, welche den Motor 120 dazu bringen, das befohlene Drehmoment (Te*) bei Geschwindigkeit (ωr) 138 zu erzeugen. Insbesondere verwendet das Drehmoment-zu-Strom-Abbildungsmodul 140 die Eingaben, um das Drehmomentbefehlssignal (Te*) 136 auf ein d-Achsen-Strombefehlsignal (Id*) 142 und ein q-Achsen-Strombefehlsignal (Iq*) 144 abzubilden. Die Synchron-Bezugsrahmen-d-Achsen- und -q-Achsen-Strombefehlsignale (Id*, Iq*) 142, 144 sind DC-Befehle, die im stationären Betrieb einen konstanten Wert als eine Funktion der Zeit aufweisen.
Die Blöcke 127, 130 bilden zusammen ein Umkehrtransformationsmodul zum Umwandeln von AC-Signalen (z. B. die dreiphasigen sinusförmigen Statorströme) in kartesische DC-Signale (z. B. ein d-Achsen-Synchronrahmen-Statorstrom und ein q-Achsen-Synchronrahmen-Statorstrom) zur Verwendung durch den Stromregler 170 ab. In einer Ausführungsform kann ein Detektor (nicht dargestellt) mit dem AC-Motor 120 gekoppelt werden, um die AC-Signale abzutasten und diese und andere Messgrößen (z. B. von einer Vielzahl von Systemausgängen) dem Stromregler 170 (und anderen übergeordneten Steuerungen) zuzuführen. So kann der Detektor beispielsweise ein Versorgungspotential (z. B. ein Batteriepotential oder eine DC-Busspannung (Vdc)), die Phasen- oder Statorströme, eine Motordrehzahl (ω_r) 138 des AC-Motors 120, einen Rotorphasenwinkel (θ_r) 121 des AC-Motors 120 oder dergleichen messen.
In einer Ausführungsform empfängt das abc-zu-αβ-Transformationsmodul 127 die gemessenen dreiphasigen stationären Stationär-Bezugsrahmen-Feedback-Statorströme (Ias ...Ics) 122-124, die vom Motor 120 zurückgeführt werden. Das abc-zu-αβ-Transformationsmodul 127 verwendet diese dreiphasigen Stationär-Bezugsrahmen-Feedback-Statorströme 122-124, um eine abc-Bezugsrahmen-zu-αβ-Bezugsrahmen-Transformation auszuführen, um die dreiphasigen Stationär-Bezugsrahmen-Feedback-Statorströme 122-124 in Stationär-Bezugsrahmen-Feedback-Statorströme (Iα, Iβ) 128, 129 umzuwandeln. Die abc-zu-αβ-Transformation ist in der Kunst bekannt und wird der Kürze halber nicht im Detail beschrieben. Das Stationär-zu-Synchron-Transformationsmodul 130 empfängt die Stationär-Bezugsrahmen-Feedback-Statorströme (Iα, Iß) 128, 129 und die Rotorwinkelposition (θr) 121 und erzeugt (z. B. durch Bearbeitung oder Umwandlung) diese Stationär-Bezugsrahmen-Feedback-Statorströme (Iα, Iß) 128, 129, um ein Synchron-Bezugsrahmen-d-Achsen-Stromsignal (Id) 132 und ein Synchron-Bezugsrahmen-q-Achsen-Stromsignal (Iq) 134 zu erzeugen. Das Verfahren der Stationär-zu-Synchron-Umwandlung ist im Stand der Technik gut bekannt und wird der Kürze halber nicht im Detail beschrieben.
Die übergeordnete Steuerung 112 führt ein oder mehrere Programme aus (z. B. zum Optimieren von Sollströmen für einen vorgegebenen Steuerungsparameter oder dergleichen), um Betriebseingänge (z. B. geänderte Sollströme, Sollspannungen, Drehmomentbefehle oder dergleichen) zu bestimmen, die zum Steuern des AC-Motors 120 über den Stromregler 170 verwendet werden. Darüber hinaus kann die übergeordnete Steuerung eine Logik zum Steuern des Stromreglers 170 ausführen, wie im Folgenden mit Bezug auf die 4A bis 9 ausführlich beschrieben wird.
Eine oder mehrere der Komponenten der Steuerung 112 können in Software oder Firmware, Hardware, wie beispielsweise einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), einer elektronischen Schaltung, einem Prozessor (gemeinsam, dediziert oder gruppenweise) und Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, einer kombinatorischen Logikschaltung und/oder anderen geeigneten Komponenten oder einer Kombination derselben verkörpert sein. In einer Ausführungsform ist die Steuerung 112 in ein oder mehrere Verarbeitungsmodule unterteilt, die einem oder mehreren der Steuerungsvorgänge zugeordnet sind. So kann beispielsweise der Stromregler 170 als eines dieser Verarbeitungsmodule implementiert werden. Obwohl nicht dargestellt, kann die Steuerung 112 zusätzliche Module beinhalten, wie beispielsweise eine Sollstromquelle, ein Drehmomentmodul, ein Feldschwächungs-Spannungssteuermodul, ein Übersteuerungsmodul oder dergleichen. Zudem können eines oder mehrere der verschiedenen Verarbeitungsmodule der Steuerung 112 sowie eine oder mehrere der Funktionen der Steuerung 112 als separate Komponenten des Antriebssystems 100 ausgeführt oder mit einer anderen Komponente des Antriebssystems 100 integriert werden.
Im Allgemeinen erzeugt der Stromregler 170 Sollspannungen und liefert die Sollspannungen an den Wechselrichter 110 über die Blöcke 102, 106, 108, die zusammen ein Transformationsmodul bilden. Der Stromregler 170 erzeugt im stationären Zustand kartesische Gleichstrom-(DC)-Sollspannungen (z. B. eine d-Achsen-Synchronrahmen-Sollspannung und eine q-Achsen-Synchronrahmen-Sollspannung). Das Transformationsmodul 102, 106, 108 wandelt die kartesischen DC-Sollspannungen in dreiphasige AC-Sollspannungen (z. B. eine erste phasengesteuerte Spannung (v_as*), eine zweite phasengesteuerte Spannung (v_bs*) und eine dritte phasengesteuerte Spannung (v_cs*)) um und liefert die dreiphasigen AC-Sollspannungen an den Wechselrichter 110.
In einer Ausführungsform verwendet der Stromregler 170 zum Erzeugen der d- und q-Achsen-Sollspannungen 172, 174 mehrere Eingänge. So kann beispielsweise der Stromregler 170 die Stromsignale 132, 134 (d-Achsen- und q-Achsen-Synchronrahmen-Statorströme), die Sollströme 142, 144 und die Entkopplungsspannungen (nicht in 2 dargestellt) der Steuerung 112 zum Erzeugen der d- und q-Achsen-Sollspannungen 172, 174 verwenden. So kann beispielsweise die Steuerung 112 die Sollströme aus einer Sollstromtabelle 140 abrufen, die in einem Speicher der Steuerung 112 gespeichert werden kann. Die Sollstromtabelle wird vorzugsweise für einen oder mehrere vorgegebene Steuerparameter (z. B. Systemeffizienz) optimiert und kann aus einer beliebigen Anzahl von Modellen zum Optimieren der gewünschten(n) Steuerparameter abgeleitet werden. Zudem kann die Sollstromtabelle basierend auf den Spannungs- und Stromgrenzen des AC-Motors 120 vorbestimmt werden, sodass die Sollstromquelle eine angemessene Menge an d-Achsen- und q-Achsenströmen auf den AC-Motor 120 aufbringt, um ein gewünschtes Drehmoment (z. B. mit hohem Wirkungsgrad) zu erzeugen und die Stabilität der Stromregulierung zu erhalten. Die Spannungsgrenzen des Wechselrichters können basierend auf der Versorgungsspannung vorbestimmt oder online berechnet werden, und der Vorsteuerungsterm kann von der Steuerung 112 basierend auf den d- und q-Achsen-Synchronrahmen-Statorströmen, der Motordrehzahl und den Motorparametern bestimmt werden.
In dieser Ausführungsform empfängt das Synchron-Rahmenstromreglermodul 170 das Synchron-Bezugsrahmen--Achsenstromsignal (Id) 132, das Synchron-Bezugsrahmen-q-Achsenstromsignal (Iq) 134, den d-Achsenstrombefehl (Id*) 142 und den q-Achsenstrombefehl (Iq*) 144, und verwendet diese Signale zum Erzeugen eines Synchron-Bezugsrahmen-d-Achsen-Spannungsbefehlssignals (Vd*) 172 und eines Synchron-Bezugsrahmen-q-Achsen-Spannungsbefehlssignals (Vq*) 174. Die Synchron-Bezugsrahmen-Spannungsbefehlsignale (Vd*, Vq*) 172, 174 sind Befehle, die im stationären Betrieb einen konstanten Wert als eine Funktion der Zeit aufweisen. Das Synchron-Rahmenstromreglermodul 170 gibt das Synchron-Referenzrahmen-d-Achsen-Spannungsbefehlssignal (Vd*) 172 und das Synchron-Referenzrahmen-q-Achsen-Spannungsbefehlssignal (Vq*) 174 aus. Weitere Einzelheiten zum Betrieb des Synchron-Rahmenstromreglermoduls 170 und zum Prozess der Strom-Spannungsumwandlung werden im Folgenden anhand der 4A bis 9 näher beschrieben. Da die Strombefehle DC-Signale in dem Synchron-Bezugsrahmen sind, sind sie im Vergleich zu AC-Stationär-Bezugsrahmen-Strombefehlen einfacher zu regeln.
Das Synchron-zu-Stationär-Transformationsmodul 102 empfängt die Spannungsbefehlssignale (Vd *, Vq *) 172, 174 als Eingaben zusammen mit der Rotorpositionsausgabe (θr) 121. Als Reaktion auf die Spannungsbefehlssignale (Vd*, Vq*) 172, 174 und dem gemessenen (oder geschätzten) Rotor-Positionswinkel (θr) 121 führt das Synchron-zu-Stationär-Transformationsmodul 102 eine dq-zu-αβ-Transformation aus, um ein α-Achsen-Stationär-Bezugsrahmen-Spannungsbefehlsignal (Vα*) 104 und ein β-Achsen-Stationär-Bezugsrahmen-Spannungsbefehlsignal (Vβ*) 105 zu erzeugen. Die Stationär-Bezugsrahmen-α-Achsen- und -β-Achsen-Spannungsbefehlsignale (Vα*, Vβ*) 104, 105 sind in dem Stationär-Bezugsrahmen und weisen deshalb Werte auf, die in der Form einer Sinuskurve als Funktion der Zeit variieren. Das Verfahren der Synchron-zu-Stationär-Umwandlung ist im Stand der Technik gut bekannt und wird der Kürze halber nicht im Detail beschrieben.
Das αβ-zu-abc-Transformationsmodul 106 empfängt die Stationär-Bezugsrahmen-Spannungsbefehlsignale (Vα*, Vβ*) 104, 105, und erzeugt basierend auf diesen Signalen Stationär-Bezugsrahmen-Spannungsbefehlsignale (Vas* .. Vcs*) 107 (auch als „Phasenspannungsbefehlssignale“ bezeichnet), die an das PWM-Modul 108 gesendet werden. Die αβ-zu-abc-Transformation ist in der Technik bekannt und wird der Kürze halber nicht im Detail beschrieben.
Das dreiphasige PWM-Wechselrichtermodul 110 ist mit dem PWM-Modul 108 gekoppelt. Das PWM-Modul 108 wird zur Steuerung der Pulsweitenmodulation (PWM) der Phasenspannungsbefehlssignale (Vas* ... Vcs*) 107 verwendet. Die Schaltvektorsignale (Sa... Sc) 109 werden basierend auf Tastverhältniswellenformen erzeugt, die nicht in 2 dargestellt sind, sondern intern am PWM-Modul 108 erzeugt werden, um während jeder PWM-Periode ein bestimmtes Tastverhältnis aufzuweisen. Das PWM-Modul 108 verwendet die Phasenspannungsbefehlssignale (Vas* ...Vcs*) 107 zum Berechnen der Tastverhältniswellenformen (nicht in 2 veranschaulicht) zum Erzeugen von Schaltvektorsignalen (Sa...Sc) 109, die es dem dreiphasigen PWM-Wechselrichtermodul 110 bereitstellt. Der im PWM-Modul 108 implementierte Modulationsalgorithmus kann jeder bekannte Modulationsalgorithmus sein, einschließlich Raumvektor-Pulsweitenmodulations-(SVPWM)-Techniken zur Steuerung der Pulsweitenmodulation (PWM) zum Erzeugen von Wechselstromwellenformen, welche die dreiphasige AC-angetriebene Maschine 120 basierend auf dem DC-Eingang 139 antreiben.
Die Schaltvektorsignale (Sa... Sc) 109 steuern die Schaltzustände von Schaltern im PWM-Wechselrichter 110, um die vorgegebene dreiphasige Spannung in jeder Phase A, B, C zu erzeugen. Die Schaltvektorsignale (Sa...Sc) 109 sind PWM-Wellenformen, die während jeder PWM-Periode ein bestimmtes Tastverhältnis aufweisen, das durch die intern am PWM-Modul 108 erzeugten Tastverhältniswellenformen bestimmt wird.
Der Wechselrichter 110 (z.B. ein Pulsweitenmodulations-(PWM)-Spannungsquellen-Wechselrichter (VSI)) ist mit der Maschine 120 gekoppelt. Als Reaktion auf die vorgegebenen Spannungen und ein Versorgungspotential (Vdc) erzeugt der Wechselrichter 110 Wechselspannungen, die zum Antreiben des AC-Motors 120 verwendet werden. Infolgedessen werden in den Wicklungen des AC-Motors 120 Statorströme erzeugt. Der Wechselrichter 110 kann auch die Höhe der an den AC-Motor 120 angelegten AC-Spannung variieren (z. B. kann der Wechselrichter 110 die Spannung mittels PWM variieren), sodass die Steuerung 12 den AC-Motorstrom steuern kann. So kann beispielsweise die Spannungshöhe, die der Wechselrichter 110 an den AC-Motor 120 anlegt, durch einen Modulationsindex angezeigt werden, und das PWM kann zwischen vorgegebenen Modulationsindexgrenzen festgelegt werden. In einer Ausführungsform wird das synchrone PWM verwendet, um die Höhe der an den AC-Motor 120 angelegten AC-Spannung zu variieren, obwohl auch andere PWM-Techniken verwendet werden können.
Das dreiphasige PWM-Wechselrichtermodul 110 empfängt die DC-Eingangsspannung (Vdc) und die Schaltvektorsignale (Sa... Sc) 109 und erzeugt daraus dreiphasige Wechselstrom-(AC)-Spannungssignalformen an Wechselrichterpolen, welche die dreiphasige AC-Maschine 120 mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten (ωr) betreiben. Die dreiphasige Maschine 120 empfängt die vom PWM-Wechselrichter 110 erzeugten dreiphasigen Spannungssignale und erzeugt einen Motorausgang mit dem vorgegebenen Drehmoment Te* 136. In dieser speziellen Implementierung umfasst die Maschine 120 einen dreiphasigen Permanent-Magnet-Innen-Synchronmotor (IPMSM) 120, wobei die offenbarten Ausführungsformen jedoch jede mehrphasige AC-Maschine mit einer beliebigen Anzahl von Phasen sein können.
Obwohl in 2 nicht veranschaulicht, kann das System 100 auch ein Getriebe beinhalten, das mit einer Welle der dreiphasigen AC-Maschine 120 gekoppelt und von dieser angetrieben wird. Die gemessenen Rückkopplungs-Statorströme (Ia-Ic) 122-124 werden wie vorstehend beschrieben erfasst, abgetastet und dem abc-to-αβ-Transformationsmodul 127 bereitgestellt.
Stromreglermodul
Gemäß den offenbarten Ausführungsformen sind in diesem Beispiel Verfahren zum sofortigen und reibungslosen Übergang zwischen Stromregler-Topologien in Abhängigkeit von der Motordrehzahl vorgesehen, die jedoch auf anderen äquivalenten Motorzuständen basieren können, wie beispielsweise elektrische Grundfrequenz, Wechselrichter-Schaltfrequenz oder Motorbeschleunigung. So wird beispielsweise in einer Ausführungsform ein Verfahren zum sofortigen und sanften Übergang zwischen einem Zustandsrückkopplungs-(SFbD)-Stromregler und einem komplexen Vektorstromregler (CVCR) als Funktion der Motordrehzahl bereitgestellt. Das Verfahren verwendet jede Art von Stromregler während der Betriebsbedingungen, wobei es am vorteilhaftesten ist und wo es am besten funktioniert. So funktioniert beispielsweise ein SFbD-Stromregler unter hohen Beschleunigungsbedingungen (z. B. Fahrzeugerschütterung, Antriebsresonanz, Radschlupfbedingungen) und bei der Berücksichtigung der Auswirkungen einer diskreten Regelung gut. Der CVCR arbeitet gut bei niedrigeren Beschleunigungsbedingungen und über einen größeren Geschwindigkeitsbereich, einschließlich der Übersteuerung und der sechsstufigen Steuerbereiche. Das Verfahren kann basierend auf der Motordrehzahl auswählen, welcher Stromreglertyp aktiv sein soll und den Übergang zwischen den verschiedenen Stromreglertypen (z. B. bei Solldrehzahl-Haltepunkten). Die offenbarten Ausführungsformen können es ermöglichen, jede Stromregler-Topologie im Betriebsraum zu verwenden, wo es am vorteilhaftesten ist, um die Stromregelung bei hohen Beschleunigungsbedingungen zu verbessern, ohne die Leistung in den übersteuerten und sechsstufigen Betriebsbereichen zu beeinträchtigen. Eine verbesserte Stromregelung kann den Fahrzeugantrieb verbessern, wie beispielsweise durch Geräusche, Vibrationen oder Rauheit (NVH) (z. B. Eliminieren oder Reduzieren von Erschütterungen bei langsamen Fahrzeuggeschwindigkeiten) unter Verwendung des SFbD-Stromreglers, wobei es keine negativen Auswirkungen auf die Übersteuerung und die Sechsstufenregelung gibt, indem der Einsatz von CVCR bei höheren Geschwindigkeiten beibehalten wird.
Die 4A und 4B sind Blockdiagramme eines Stromreglermoduls 170 gemäß einer Implementierung der offenbarten Ausführungsformen. Das Stromreglermodul 170 beinhaltet verschiedene Blöcke, die in 4A dargestellt sind. Wenn alle Blöcke aktiviert sind, funktioniert das Stromreglermodul 170 als ein komplexes Vektor-(CV)-Stromreglermodul 170-1. Im Gegensatz dazu, wenn bestimmte Blöcke 324, 344 deaktiviert sind (z. B. wenn die Verstärkungen Kppd, Kppq auf Null gesetzt sind), wie in 4B dargestellt, fungiert das Stromreglermodul 170 als Zustandsrückkopplungs-(SFbD)-Stromreglermodul 170-2. Wie im Folgenden näher beschrieben, werden gemäß den offenbarten Ausführungsformen Techniken zum Umschalten der Betriebsarten des Stromreglermoduls 170 basierend auf Haltepunkten der Drehzahl (z.B. Motordrehzahl oder elektrische Grundfrequenz) bereitgestellt, um dessen Topologie (in Form aktiver Blöcke) so zu ändern, dass es entweder als komplexes Vektor-(CV)-Stromreglermodul 170-1 oder als Zustandsrückkopplungs-(SFbD)-Stromreglermodul 170-2 funktioniert. Mit anderen Worten, basierend auf Geschwindigkeitshaltepunkten können bestimmte Blöcke des Stromreglermoduls 170 deaktiviert oder aktiviert werden, um dessen Topologie so zu ändern, dass es entweder als das komplexe Vektorstromreglermodul 170-1 oder das Zustandsrückkopplungsstromreglermodul 170-2 funktioniert. Darüber hinaus werden, wie ebenfalls im Folgenden beschrieben, die angelegten Entkopplungsspannungen dahingehend geändert, ob die Topologie des Stromreglermoduls 170 entweder als komplexes Vektor-(CV)-Stromreglermodul 170-1 oder als Zustandsrückkopplungs-(SFbD)-Stromreglermodul 170-2 funktioniert.
4A ist ein Blockdiagramm eines Stromreglers 170-1, wie beispielsweise des in 2 dargestellten Stromreglers 170, der gemäß einer Ausführungsform konfiguriert ist. 4A wird mit weiterem Bezug auf 2 beschrieben. Der Stromregler 170 ist ein komplexer Vektorstromregler mit einem d-Achsen-Regulierungsabschnitt 302 und einem q-Achsen-Regulierungsabschnitt 304 mit Kreuzkopplung zwischen diesen Abschnitten. Der d-Achsen-Regulierungsabschnitt 302 empfängt das Synchron-Bezugsrahmen-d-Achsenstromsignal (Id) 132 und den d-Achsenstrombefehl (Id*) 142 und erzeugt einen d-Achsenstromfehler (Iderror) 311, und der q-Achsen-Regulierungsabschnitt 304 empfängt das Synchron-Bezugsrahmen-q-Achsenstromsignal (Iq) 134 und den q-Achsenstrombefehl (Iq*) 144 und erzeugt einen q-Achsenstromfehler (Iqerror) 331. Jeder der Regulierungsabschnitte 302 und 304 erzeugt eine Synchron-Rahmen-Befehlsspannung (z.B. das Synchron-Bezugsrahmen-d-Achsen-Spannungsbefehlssignal (Vd*) 172 und ein Synchron-Bezugsrahmen q-Achsen-Spannungsbefehlssignal (Vq*) 174), wie nachfolgend beschrieben.
Block 320 wendet eine Proportionalverstärkung (Kpd) auf den d-Achsenstromfehler (Iderror) 311 an, um den d-Achsenstromfehler (Iderror) 311 zu skalieren und einen d-Achsen-Proportionalterm 321 zu erzeugen, der ein skalierter Wert des d-Achsenstromfehlers (Iderror) 311 ist, der durch die Proportionalverstärkung (Kpd) skaliert wird. Block 314 wendet eine integrale Verstärkung (Kid) auf den d-Achsenstromfehler (Iderror) 311 an, um den d-Achsenstromfehler (Iderror) 311 zu skalieren und einen d-Achsen-Integralterm 315 zu erzeugen, der ein skalierter Wert des d-Achsenstromfehlers (Iderror) 311 ist, skaliert durch die integrale Verstärkung (Kid). Block 344 wendet eine komplexe Verstärkung (ω_eKppd) auf den q-Achsenstromfehler (Iqerror) 331 an, um den q-Achsenstromfehler (Iqerror) 331 zu skalieren und einen Ausgang 345 zu erzeugen, der ein skalierter Wert des q-Achsenstromfehlers (Iqerror) 331 ist, der durch die komplexe Verstärkung (ω_eKppd) skaliert wird. In einer Ausführungsform ist der Wert von ω_e die Rotorflussgeschwindigkeit in elektrischen rad/s. Der Summierblock 316 kombiniert den d-Achsen-Integralterm 315 und den Ausgang 345, um einen d-Achsen-Integrator-Eingang 317 zu erzeugen. Der Integrator 318 integriert den d-Achsen-Integrator-Eingang 317, um einen d-Achsen-Integrationsterm (Itermd) 319 zu erzeugen, der eine Spannung ist. Der Summierblock 322 kombiniert den d-Achsen-Proportionalterm 321 und den d-Achsen-Integrationsterm (Itermd) 319, um das Synchron-Bezugsrahmen-d-Achsen-PI-Ausgangssignal 323 zu erzeugen. Der Summierblock 328 kombiniert das Signal 323 und eine Entkopplungsspannung (Vdcpld) 326 der d-Achse, um das Synchron-Bezugsrahmen-d-Achsen-Befehlssignal (Vq*) 172 zu erzeugen.
Block 340 wendet eine Proportionalverstärkung (Kpq) auf den q-Achsenstromfehler (Iqerror) 331 an, um den q-Achsenstromfehler (Iqerror) 331 zu skalieren und einen q-Achsen-Proportionalterm 341 zu erzeugen, der ein skalierter Wert des q-Achsenstromfehlers (Iqerror) 331 ist, skaliert durch die Proportionalverstärkung (Kpq). Block 334 wendet eine Integralverstärkung (Kiq) auf den q-Achsenstromfehler (Iqerror) 331 an, um den q-Achsenstromfehler (Iqerror) 331 zu skalieren und einen q-Achsen-Integralterm 335 zu erzeugen, der ein skalierter Wert des q-Achsenstromfehlers (Iqerror) 331 ist, skaliert durch die Integralverstärkung (Kiq). Block 324 wendet eine komplexe Verstärkung (ω_eKppq) auf den d-Achsenstromfehler (Iderror) 311 an, um den d-Achsenstromfehler (Iderror) 311 zu skalieren und einen Ausgang 325 zu erzeugen, der ein skalierter Wert des d-Achsenstromfehlers (Iderror) 311 ist, der durch die komplexe Verstärkung (ω_eKppq) skaliert wird. Der Summierblock 336 kombiniert den q-Achsen-Integralterm 335 und den Ausgang 325, um einen q-Achsen-Integrator-Eingang 337 zu erzeugen. Der Integrator 338 integriert den q-Achsen-Integrator-Eingang 337, um einen q-Achsen-Integrationsterm (Itermq) 339 zu erzeugen. Der Summierblock 342 kombiniert den q-Achsen-Proportionalterm 341 und den q-Achsen-Integrationsterm (Itermq) 339, um das Synchron-Bezugsrahmen-q-Achsen-PI-Ausgangssignal 343 zu erzeugen. Der Summierblock 348 kombiniert das Signal 343 und eine Entkopplungsspannung (Vdcplq) 346 der q-Achse, um das Synchron-Bezugsrahmen-q-Achsen-Befehlssignal (Vq*) 174 zu erzeugen.
Wie in 4B veranschaulicht, beinhaltet der komplexe Verstärkungsblock 344 einen Verstärkungsterm (Kppd), der auf Null gesetzt werden kann, um den komplexen Verstärkungsblock 344 zu deaktivieren und ihn effektiv aus dem d-Achsen-Regulierungsabschnitt 302 zu entfernen, sodass er nicht mehr Teil des d-Achsen-Regulierungsabschnitts 302 ist. Ebenso beinhaltet der komplexe Verstärkungsblock 324 einen Verstärkungsterm (Kppq), der auf Null gesetzt werden kann, um den komplexen Verstärkungsblock 324 zu deaktivieren und ihn effektiv aus dem q-Achsen-Regulierungsabschnitt 304 zu entfernen, sodass er nicht mehr Teil des q-Achsen-Regulierungsabschnitts 304 ist. Wenn die komplexen Verstärkungsblöcke 324, 344 aus dem in 4A dargestellten komplexen Vektorstromreglermodul 170-1 entfernt werden, wirken die komplexen Verstärkungsblöcke 324, 344 nicht auf die vom Stromregler 170 ausgeführte Stromregelung, und wie in 4B veranschaulicht, fungiert das Stromreglermodul 170-2 dann als Zustandsrückkopplungsstromreglermodul 170-2 (im Gegensatz zur Funktion als komplexes Vektorstromreglermodul 170-1, das in 4A veranschaulicht ist).
Je nachdem, in welchem Modus der Stromregler 170 zu einem bestimmten Zeitpunkt arbeitet, sind die d-Achsen-Entkopplungsspannung (Vdcpld) 326, 329 und die q-Achsen-Entkopplungsspannung (Vdcplq) 346, 347 unterschiedlich. Wenn beispielsweise der Stromregler 170 als SFbD-Stromreglermodul 170-2 (4B) für ein IPMSM fungiert, werden die d-Achsen-Entkopplungsspannung (Vdcpld) 329 und die q-Achsen-Entkopplungsspannung (Vdcplq) 347 in den Gleichungen (1A) und (2A) wie folgt dargestellt: $Vdcpld = ω_{e} L_{q} I_{q}$
$Vdcplq = ω_{e} λ_{p m} + ω_{e} L_{d} I_{d}$
Im Gegensatz dazu, wenn der Stromregler 170 als CV-Stromreglermodul 170-1 ( 4A) für ein IPMSM fungiert, werden die d-Achsen-Entkopplungsspannung (Vdcpld) 326 und die q-Achsen-Entkopplungsspannung (Vdcplq) 346 in den Gleichungen (3A) und (4A) wie folgt dargestellt: $Vdcpld = 0$
$Vdcplq = ω_{e} λ_{p m}$
Als weiteres Beispiel, wenn der Stromregler 170 als SFbD-Stromreglermodul 170-2 (4B) für eine Induktionsmaschine fungiert, werden die d-Achsen-Entkopplungsspannung (Vdcpld) 329 und die q-Achse-Entkopplungsspannung (Vdcplq) 347 in den Gleichungen (1B) und (2B) wie folgt dargestellt: $Vdcpld = - ω_{e} L_{s} σ I_{q} - ω_{r} \frac{L_{m}}{L_{r}} λ_{d r}$
$Vdcplq = - ω_{e} L_{s} σ I_{d} + \frac{R_{r} L_{m}}{L_{r}^{2}} λ_{d r}$
und wenn der Stromregler 170 als CV-Stromreglermodul 170-1 (4A) für eine Induktionsmaschine fungiert, werden die d-Achsen-Entkopplungsspannung (Vdcpld) 326 und die q-Achsen-Entkopplungsspannung (Vdcplq) 346 in den Gleichungen (3) und (4) wie folgt dargestellt: $Vdcpld = - ω_{r} \frac{L_{m}}{L_{r}} λ_{d r}$
$Vdcplq = \frac{R_{r} L_{m}}{L_{r}^{2}} λ_{d r}$
In den Gleichungen (1B), (2B), (3B) und (4B), R_r ist der Rotorwiderstand, L_r ist die Rotorinduktivität, L_m ist die gegenseitige Induktivität, □_r ist die Rotordrehzahl (elektrische rad/s), □_e ist die Rotorflussdrehzahl (elektrische rad/s), L_s □□ ist die Stator-Transienteninduktivität und □d_r ist der Rotorfluss (im feldorientierten Rahmen).
Darüber hinaus können zu dem Zeitpunkt, zu dem der Stromregler 170 von der Funktion als SFbD-Stromreglermodul 170-2 (4B) auf das CV-Stromreglermodul 170-1 (4A) wechselt, die an den Integratoren 318, 338 angewandten Integrationsterme (Iterm) wie in (5) und (6) dargestellt neu initialisiert oder geändert werden: ${Iterm}_{d} = {Iterm}_{d} + V_{dcpldvorherige} - V_{dcpld}$
${Iterm}_{q} = {Iterm}_{q} + V_{dcplqvorherige} - V_{dcplq}$
Die Integrationsterme (Iterm) 319, 339 in den Gleichungen (5) und (6) gelten an den Integratoren 318, 338 nur zum Zeitpunkt der Umschaltung vom Betrieb als SFbD-Stromreglermodul 170-2 (4B) auf das CV-Stromreglermodul 170-1 (4A) oder umgekehrt (z. B. zum Zeitpunkt der Umschaltung vom Betrieb als CV-Stromreglermodul 170-1 (4A) auf das SFbD-Stromreglermodul 170-2 (4B)).
In den Gleichungen (1A) - (4A) ist ω_e die elektrische grundlegende Synchronfrequenz der Maschine (in Bogenmaß pro Sekunde), I_d und I_q sind der Synchron-Bezugsrahmen-d-Achsen-und-q-Achsen-Stromsignale 132, 134, λ_pm ist die Permanent-Magnetflussverbindung, die Funktionen der d-Achsen- und q-Achsen-Synchron-Rahmen-Statorströme sind, L_d und L_q sind die d-Achsen- und q-Achsen-Statorinduktivitäten, die Funktionen des Synchron-Bezugsrahmen-d-Achsen-und-q-Achsen-Stromsignale 132, 134 sind.
Darüber hinaus ist zu beachten, dass in einigen Ausführungsformen, aber nicht in allen Ausführungsformen, ein virtueller Dämpfungswiderstand (der im Folgenden näher beschrieben wird) auch in den Gleichungen (1) bis (4) verwendet werden kann, um zur d-Achsen-Entkopplungsspannung (Vdcpld) 326 und zur q-Achsen-Entkopplungsspannung (Vdcplq) 346 beizutragen. So könnten beispielsweise die Gleichungen (1A), (1B), (3A) und (3B) modifiziert werden, um einen Korrekturfaktor RdampId abzuziehen, und die Gleichungen (2A), (2B), (4A) und (4B) könnten modifiziert werden, um einen Korrekturfaktor RdampIq abzuziehen.
Somit kann der Stromregler, wie vorstehend mit Bezug auf die 4A und 4B beschrieben, konfiguriert werden, um in einem ersten Betriebsmodus (als CVCR 170-1) zu arbeiten, wenn die Geschwindigkeit größer als ein erster Drehzahlschwellenwert ist (ω₂), oder er kann konfiguriert werden, um in einem zweiten Betriebsmodus (als SFbD 170-2) zu arbeiten, wenn die Geschwindigkeit unter einem zweiten Drehzahlschwellenwert (ω₁) liegt. Wenn die Drehzahl größer als ein erster Drehzahlschwellenwert (ω₂) ist, ist der Stromregler konfiguriert, um im ersten Betriebsmodus als CVCR 170-1 zu arbeiten, und die Kreuzkopplungsverstärkungen (Kppd, Kppq) können auf Werte ungleich Null eingestellt werden. In einer Ausführungsform können die Werte wie folgt eingestellt werden: Kppd = ωb*Lq; Kppq = ωb*Ld. Hier sind L_d und L_q die d-Achsen-und-q-Achsen-Statorinduktivitäten, und ω_b stellt die vorgegebene Bandbreite des Stromreglers dar. Wenn die Geschwindigkeit unter dem Sekunden-Drehzahlschwellenwert (ω₁) liegt, ist der Stromregler konfiguriert, um im zweiten Betriebsmodus als SFbD 170-2 zu arbeiten, und die Kreuzkopplungsverstärkungen (Kppd, Kppq) können auf Null gesetzt werden. Dadurch kann eine Struktur des Stromreglers durch Umschalten bestimmter Merkmale während des Betriebs verändert werden. Neben der Änderung der Werte der Kreuzkopplungsverstärkungen (Kppd, Kppq) und der Entkopplungsspannungen (Vdcpld, Vdcplq), je nachdem, in welchem Modus der Stromregler arbeitet, können Werte der Integrationsterme (Itermd, Itermq) 319, 339 neu initialisiert werden, um einen reibungslosen Spannungsausgang 172, 174 beim Übergang zwischen den Betriebsarten zu gewährleisten. Wie vorstehend beschrieben, können die Werte der d-Achsen- und q-Achsen-Entkopplungsspannungen (Vdcpld, Vdcplq) 326, 346 je nachdem, in welchem Modus sich der Stromregler gerade befindet, variiert werden.
5 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerungsverfahren 400 veranschaulicht, das an einen Stromregler 170 aus den 4A und 4B in Übereinstimmung mit den verschiedenen Ausführungsformen angelegt werden kann. 5 wird mit weiterem Bezug auf die 1-4B beschrieben. Das Steuerverfahren 400 kann von einer übergeordneten Steuerung 112 und einem Stromregler 170 von 2 gemäß der vorliegenden Offenbarung durchgeführt werden. Verfahren 400 ermöglicht die Konfiguration einer Betriebsart eines Stromreglers 170, bevor der Stromregler 170 (bei 426) in dieser Betriebsart ausgeführt wird. Wie im Folgenden erläutert, wird das Verfahren 400 verwendet, um Werte für die Kreuzkopplungsverstärkungen (Kppd, Kppq) und die Entkopplungsspannungen (Vdcpld, Vdcplq) 326, 346 für den nächsten Ausführungszyklus des Stromreglers 170 zu bestimmen, bevor er gemäß der jeweiligen Betriebsart, in der er derzeit für den Betrieb konfiguriert ist, ausgeführt wird. Des Weiteren initialisiert das Verfahren 400 die Integrationsterme (Itermd, Itermq) 319, 339 zu dem Zeitpunkt, zu dem die Betriebsart des Stromreglers 170 geändert wird. Wie aus der Offenbarung ersichtlich, ist die Abfolge der Vorgänge innerhalb der Verfahren nicht, wie in 5 veranschaulicht, auf die sequenzielle Abarbeitung beschränkt, sondern kann, soweit zutreffend, in einer oder mehreren unterschiedlichen Reihenfolgen gemäß der vorliegenden Offenbarung ausgeführt werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren 400 basierend auf einem oder mehreren vordefinierten Ereignissen und/oder kontinuierlich während des Betriebs des Fahrzeugs 1 ausgeführt werden.
Wenn das Verfahren 400 bei 402, bei 404 beginnt, werden frühere Werte der Entkopplungsspannungen (Vdcpld', Vdcplq') 326', 346' zusammen mit einer vorherigen Betriebsart (CVCR 170-1 oder SFbD 170-2) gespeichert, auf die der Stromregler 170 eingestellt wurde.
Das Verfahren fährt dann mit 406 fort, wobei bestimmt wird, ob die Bedingungen für den Betrieb des Stromreglers 170 in einer ersten Konfiguration (als CVCR 170-1) erfüllt sind. In einer Ausführungsform wird die Drehzahl (z. B. Motordrehzahl oder elektrische Grundfrequenz) mit einem ersten Drehzahlschwellenwert (ω₂ ) verglichen. Wenn die Drehzahl größer als der erste Drehzahlschwellenwert (ω₂ ) ist, fährt das Verfahren 400 mit 408 fort, wobei der Stromregler 170 in die erste Betriebsart versetzt wird, um in einer ersten Konfiguration (wie ein CVCR 170-1) zu arbeiten. Wenn die Drehzahl kleiner oder gleich dem ersten Drehzahlschwellenwert (ω₂ ) ist, fährt das Verfahren mit 410 fort.
Bei 410 wird bestimmt, ob die Bedingungen für den Betrieb des Stromreglers 170 in einer zweiten Konfiguration (als SFbD 170-2) erfüllt sind. In einer Ausführungsform wird die Drehzahl mit einem zweiten Drehzahlschwellenwert (ω₁ ) verglichen. Wenn die Drehzahl kleiner als der zweite Drehzahlschwellenwert (ω₁ ) ist, fährt das Verfahren 400 mit 412 fort, wobei der Stromregler 170 in die zweite Betriebsart für den Betrieb in der zweiten Konfiguration (als SFbD 170-2) versetzt wird.
Wenn die Drehzahl größer oder gleich dem zweiten Drehzahlschwellenwert (ω₁ ) ist, fährt das Verfahren mit 414 fort, wobei der Stromregler 170 in seiner aktuellen Betriebsart verbleibt, um in einer aktuellen Konfiguration (als CVCR 170-1 oder SFbD 170-2) abhängig von der vorherigen Betriebsart (CVCR 170-1 oder SFbD 170-2) zum Betreiben des Stromreglers 170, der aktuell auf 404 eingestellt ist.
Nachfolgende Schritte für 408, 412 und 414, fährt das Verfahren 400 mit 416 fort, wobei die Betriebsart des Stromreglers 170 angewendet wird. Wenn sich die Betriebsart des Stromreglers 170 in der ersten Betriebsart (wie beim CVCR 170-1) befindet, fährt das Verfahren mit 418 fort. Bei 418 werden die Kreuzkopplungsverstärkungen (Kppd, Kppq) aktiviert und die Werte der Entkopplungsspannungen (Vdcpld, Vdcplq) werden (wie vorstehend beschrieben) von den vorherigen Werten aktualisiert, um den Stromregler 170 in der ersten Betriebsart (wie der CVCR 170-1) zu konfigurieren.
Wenn sich die Betriebsart des Stromreglers 170 in der zweiten Betriebsart (wie beim SFbD 170-2) befindet, fährt das Verfahren mit 420 fort. Bei 420 werden die Kreuzkopplungsverstärkungen (Kppd, Kppq) deaktiviert und die Werte der Entkopplungsspannungen (Vdcpld, Vdcplq) 326, 346 werden (wie vorstehend beschrieben) von den vorherigen Werten aktualisiert, um den Stromregler 170 in der zweiten Betriebsart (wie der SFbD 170-2) zu konfigurieren. Somit werden im Betrieb als SFbD-Stromreglermodul die Kreuzkopplungsverstärkungen (Kppd, Kppq) auf 0 und im Betrieb als CV-Stromreglermodul die Kreuzkopplungsverstärkungen (Kppd, Kppq) entsprechend auf einen Wert ungleich Null abgestimmt, wie vorstehend beschrieben.
Nach 418 und 420 fährt das Verfahren 400 mit 422 fort, wobei bestimmt wird, ob sich die Betriebsart des Stromreglers 170 bei 416 geändert hat (d. h. während dieser Ausführung des Verfahrens 400 ist die vorherige Betriebsart des in 404 gespeicherten Stromreglers nicht identisch mit der aktuellen Betriebsart des in 408 oder 412 eingestellten Stromreglers). Wenn bestimmt wird (bei 422), dass sich die Betriebsart des Stromreglers 170 nicht geändert hat (bei 416), geht das Verfahren direkt zu 426 über. Wenn bestimmt wird (bei 422), dass sich die Betriebsart des Stromreglers 170 geändert hat (bei 416), bedeutet dies, dass ein Übergang der Betriebsarten stattgefunden hat, und das Verfahren fährt mit 424 fort, wobei Integrationsterme (Itermd, Itermq) 319, 339 des Stromreglers 170 bei 426 (wie vorstehend beschrieben) neu initialisiert werden, bevor ein nächster Zyklus des Stromreglers 170 ausgeführt wird, um einen sanften sofortigen Übergang zwischen den verschiedenen Betriebsarten zu ermöglichen.
Bei 426 wird der nächste Ausführungszyklus des Stromreglers 170 in Übereinstimmung mit der jeweiligen Betriebsart ausgeführt, die er aktuell für den Betrieb in und mit den Werten der Kreuzkopplungsverstärkungen (Kppd, Kppq), den Integrationstermen (Itermd, Itermq) 319, 339 und den Entkopplungsspannungen (Vdcpld, Vdcplq) 326, 346 auf ihre aktuell bestimmten Werte für diesen Ausführungszyklus eingestellt hat.
Der Ausführungszyklus des Verfahrens 400 endet bei 428, wobei zu beachten ist, dass dieses Verfahren 400 fortlaufend laufen kann, um die Betriebsart des Stromreglers 170 basierend auf der Drehzahl einzustellen, und dass 5 lediglich eine Wiederholung des Verfahrens 400 zeigt.
6 ist eine Kurve, die veranschaulicht, wie der Stromregler zum Betreiben in einem ersten Betriebsmodus (als CVCR 170-1) konfiguriert werden kann, wenn die Drehzahl größer oder gleich einem ersten Drehzahlschwellenwert (ω₂ ) ist, oder kann zum Betreiben in einem zweiten Betriebsmodus (als SFbD 170-2) konfiguriert werden, wenn die Drehzahl kleiner oder gleich einem zweiten Drehzahlschwellenwert (ω₁) gemäß den offenbarten Ausführungsformen ist. In einer Ausführungsform ist die in 6 referenzierte Drehzahl eine grundlegende elektrische Frequenz, während in anderen Ausführungsformen die Drehzahl auch die mechanische Wellendrehzahl sein kann. Wie bereits erwähnt, kann eine Struktur des Stromreglers durch Umschalten bestimmter Merkmale während des Betriebs verändert werden. 6 zeigt insbesondere ein Hysteresediagramm, bei dem oberhalb des ersten Drehzahlschwellenwerts (ω₂ ) immer der CVCR verwendet wird, unterhalb des zweiten Drehzahlschwellenwerts (ω₁ ) immer SFbD verwendet wird, aber zwischen dem zweiten Drehzahlschwellenwert (ω₁ ) und dem ersten Drehzahlschwellenwert (ω₂) der aktive Stromregler nie verändert wird. Bei einem Betrieb in SFbD ändert sich beispielsweise die Konfiguration des aktiven Stromreglers erst dann in CVCR, wenn eine Drehzahl höher als der erste Drehzahlschwellenwert (ω₂ ) erreicht ist, und die Konfiguration des aktiven Stromreglers ändert sich erst wieder in SFbD, wenn eine Drehzahl niedriger als der zweite Drehzahlschwellenwert (ω₁ ) erreicht ist. Das bedeutet, dass zwischen dem zweiten Drehzahlschwellenwert (ω₁ ) und dem ersten Drehzahlschwellenwert (ω₂) die aktuell aktive Stromreglerkonfiguration beibehalten wird.
Darüber hinaus wird darauf hingewiesen, dass die Abtastfrequenz der Steuerung und die Schaltfrequenz des Wechselrichters während des Betriebs einer elektrischen Maschine stark variieren können. Es wäre wünschenswert, den Wert des virtuellen Dämpfungswiderstands, der am Stromregler unter allen Betriebsbedingungen angelegt wird, zu optimieren, da die Abtast- und Schaltfrequenzen während des Betriebs variieren. So ist beispielsweise ein hoher virtueller Dämpfungswiderstand im Allgemeinen bei der AC-Stromregelung erwünscht, da er die Empfindlichkeit der Stromreglerparameter reduzieren und die dynamische Steifigkeit des Stromreglers erhöhen kann, wodurch die Gesamtrobustheit des Stromreglers verbessert wird.
Um dieses Problem zu lösen, werden nun Ausführungsformen beschrieben, die es ermöglichen können, dass der Wert des virtuellen Dämpfungswiderstands in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz variiert. Dadurch kann am Stromregler unter allen Betriebsbedingungen der Schaltfrequenz der höchstmögliche Wert des virtuellen Dämpfungswiderstands genutzt werden. Dieser Ansatz kann beispielsweise von Vorteil sein, da durch die Erhöhung des Wertes des virtuellen Dämpfungswiderstands die Empfindlichkeit der Stromreglerparameter reduziert und die dynamische Steifigkeit des Stromreglers erhöht wird, wodurch die Gesamtrobustheit des Stromreglers verbessert wird.
Gemäß einigen der offenbarten Ausführungsformen ist ein Stromregler für ein Antriebssystem einer elektrischen Maschine zum Antreiben einer elektrischen Maschine vorgesehen. Der Stromregler beinhaltet ein einstellbares Dämpfungsmodul, das einen Wert des virtuellen Dämpfungswiderstands aufweist, der am Stromregler angelegt wird. Der Wert des virtuellen Dämpfungswiderstands ist in Abhängigkeit von der Abtastfrequenz einstellbar. Eine Steuerung kann den Stromregler steuern, indem sie bestimmt, ob sich die Abtastfrequenz seit einem vorherigen Ausführungszyklus des Stromreglers geändert hat, und wenn sich die Abtastfrequenz seit dem vorherigen Ausführungszyklus geändert hat, kann die Steuerung den Dämpfungswert in Abhängigkeit von der Abtastfrequenz ändern, um zu ermöglichen, dass sich der Dämpfungswert mit der Abtastfrequenz ändert. Der Dämpfungswert weist einen neuen Wert des virtuellen Dämpfungswiderstands auf, der nach dem Ändern des Dämpfungswerts am Stromregler angelegt wird. Die Steuerung kann dann den Stromregler entsprechend dem geänderten Dämpfungswert ausführen, um die Spannungsbefehle zu erzeugen. Somit kann in diesen Ausführungsformen ein virtueller Dämpfungsfaktor, der am Stromreglermodul 170 angelegt wird, abhängig von der Abtastfrequenz variiert oder verändert werden.
7 ist ein Blockdiagramm eines Stromreglers 770 gemäß einer weiteren Implementierung der offenbarten Ausführungsformen. Der Stromregler 770 von 7 beinhaltet viele derselben Blöcke wie die Stromregler 170-1, 170-2 der 4A und 4B, wobei die Beschreibungen der 4A und 4B gleichermaßen auf 7 anwendbar sind. Somit sind alle Elemente der 4A und 4B, die die gleiche Funktion aufweisen wie die entsprechenden Elemente von 7, die in 7 mit den gleichen Referenznummern bezeichnet sind, die in den 4A und 4B verwendet werden. Alle Elemente von 7, die abweichend von den in den 4A und 4B dargestellten funktionieren oder arbeiten, sind in 7 mit Referenznummern bezeichnet, die mit 7 beginnen. Obwohl in 4A und 4B nicht veranschaulicht, ist zu beachten, dass der Stromregler 170 in einigen Ausführungsformen auch Merkmale von 7 beinhalten kann, sodass er auch einen virtuellen Dämpfungswiderstand implementiert, der in Abhängigkeit von der Abtastfrequenz (Fs) verändert werden kann. Die Abtastfrequenz (F_s ) bezieht sich auf die Rate, mit der die Steuerung Rückmeldesignale abtastet, Steuerungsberechnungen durchführt und deren Ausgänge aktualisiert. Die Abtastfrequenz (F_S ) wird in Hertz (Hz) ausgedrückt. Abhängig von der Implementierung kann diese Abtastfrequenz (F_s ) proportional oder gleich der Schaltfrequenz des Wechselrichtermoduls sein. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die Abtastfrequenz (F_s ) gleich oder ein Vielfaches der Schaltfrequenz (F_SW ) sein kann, sodass eine Synchronisation zwischen Abtastung und PWM erreicht werden kann.
In dieser Ausführungsform wird der Dämpfungswert (Rdamp) 710 mit dem Synchron-Bezugsrahmen-d-Achsen-Stromsignal (Id) 132 und zum Synchron-Bezugsrahmen-q-Achsen-Stromsignal (Iq) 134 multipliziert, um gedämpfte Stromsignale 712, 722 zu erzeugen. Gemäß den offenbarten Ausführungsformen kann die Steuerung 112 (von 2) den Dämpfungswert (Rdamp) 710 basierend auf der Abtastfrequenz (F_s ) bei jeder Änderung der Abtastfrequenz ändern. Der Dämpfungswert (Rdamp) 710 kann regelmäßig basierend auf der Abtastfrequenz (F_s ) aktualisiert werden.
Der Integrator 318 integriert den d-Achsen-Integrator-Eingang 317, um einen d-Achsen-Integrationsterm (Itermd) 719 zu erzeugen, und der Integrator 338 integriert den q-Achsen-Integrator-Eingang 337, um einen q-Achsen-Integrationsterm (Itermq) 739 zu erzeugen. Während sich der Dämpfungswert ändert, kann die Steuerung 112 auch Integrationsterme (Itermd, Itermq) 719, 739 neu initialisieren, bevor der Stromregler 770 (für den aktuellen Ausführungszyklus) ausgeführt wird, um reibungslose Synchron-Bezugsrahmen-Spannungssignale (Vd*, Vq*) 172, 174 zu gewährleisten, während der Dämpfungswert auf den neuen Dämpfungswert (Rdamp) aktualisiert wird. Insbesondere die Anwendung der Verstärkungen 314, 324, 334, 344 vor dem Integrationsprozess bei 318, 338 ermöglicht eine einfachere Neuinitialisierung der Integrationsterme (Itermd, Itermq) 719, 739, sodass der Übergang zum neuen Dämpfungswert (Rdamp) reibungslos verläuft und keine Störungen in den Synchron-Bezugsrahmen-Spannungssignalen (Vd*, Vq*) 172, 174 während des Übergangs verursacht.
In einer Ausführungsform speichert die Steuerung 112 zur Neuinitialisierung der Integrationsterme (Itermd, Itermq) 719, 739 den vorherigen Dämpfungswert zur Verwendung in weiteren Berechnungen, wenn sie den neuen Dämpfungswert (Rdamp) basierend auf der neuesten Abtastfrequenz (F_S ) aktualisiert. So wird beispielsweise in einer Ausführungsform eine Änderung des Dämpfungswerts (ΔRdamp) berechnet, indem der vorherige Dämpfungswert (Rdamp') vom neuen Dämpfungswert (Rdamp) subtrahiert wird, und während der vorherige Dämpfungswert (Rdamp') auf den neuen Dämpfungswert (Rdamp) aktualisiert wird, werden die Integrationsterme (Itermd, Itermq) 719, 739 des Stromreglers 770 neu initialisiert, um eine gleichmäßige Spannungsausgabe zu gewährleisten. Die Integrationsterme (Itermd, Itermq) 719, 739 des Stromreglers 770 können gemäß den Gleichungen (7) und (8) wie folgt neu initialisiert werden: ${Iterm}_{d} = {Iterm}_{d,vorherige} + Δ {Rdamp I}_{d}$
${Iterm}_{q} = {Iterm}_{q,vorherige} + Δ {Rdamp I}_{q}$
In dieser Ausführungsform kombiniert der Summierblock 328 das Signal 323 und das Dämpfungsspannungssignal 712, um das Synchron-Bezugsrahmen-d-Achsen-Befehlssignal (Vq*) 172 zu erzeugen. In einer Ausführungsform wird die d-Achsen-Entkopplungsspannung (Vdcpld) (nicht in 7 dargestellt) auf Null eingestellt. Der Summierblock 348 kombiniert das Signal 343, das Dämpfungsspannungssignal 722 und eine Entkopplungsspannung (Vdcplq) 724 der q-Achse, um das Synchron-Bezugsrahmen-q-Achsen-Befehlssignal (Vq*) 174 zu erzeugen. In einer Ausführungsform ist die q-Achsen-Entkopplungsspannung (Vdcplq) 724 auf die Rück-EMF-Spannung (z. B. □e□_pm für eine Synchronmaschine) eingestellt.
8 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerungsverfahren 800 veranschaulicht, das an einen Stromregler 770 von 7 in Übereinstimmung mit den verschiedenen Ausführungsformen angelegt werden kann. Insbesondere veranschaulicht 8 ein Verfahren 800 zum Ändern eines Dämpfungswerts (Rdamp) 710 eines Stromreglers 770 in Abhängigkeit von beispielsweise der Abtastfrequenz (F_s ) und danach das Ausführen des Stromreglers 770 gemäß den offenbarten Ausführungsformen. Es ist jedoch zu beachten, dass andere vergleichbare Messungen der Abtastfrequenz (F_s ) in Verbindung mit dem Verfahren 800 einschließlich der vorstehend beschriebenen verwendet werden können. Wie im Folgenden erläutert, wird das Verfahren 800 verwendet, um den Dämpfungswert (Rdamp) 710 in Abhängigkeit von der Abtastfrequenz einzustellen und geeignete Integrationsterme (Itermd, Itermq) 719, 739 für den nächsten Ausführungszyklus des Stromreglers 770 vor seiner Ausführung festzulegen, um eine gleichmäßige Ausgangsspannung 172, 174 während einer Übergangszeit zu gewährleisten.
Wenn das Verfahren 800 bei 802 beginnt, wird bei 804 bestimmt, ob sich die Abtastfrequenz (F_s ) geändert hat. Wenn bestimmt wird (bei 804), dass sich die Abtastfrequenz (F)_s ) nicht geändert hat, geht das Verfahren 800 zu 814 über, wobei der Stromregler 770 ausgeführt wird.
Wenn bestimmt wird (bei 804), dass sich die Abtastfrequenz (F_s ) geändert hat, fährt das Verfahren 800 mit 806 fort. Die Schritte 806 bis 812 werden ausgeführt, um den Dämpfungswert (Rdamp) 710 basierend auf der Abtastfrequenz (F_s ) zu aktualisieren und die Integrationsterme (Itermd, Itermq) 719, 739 neu zu initialisieren, bevor der Stromregler 770 bei 814 ausgeführt wird, um eine gleichmäßige Spannungsausgabe zu gewährleisten, nachdem der Dämpfungswert auf den neuen Dämpfungswert (Rdamp) aktualisiert wurde, der bei 808 berechnet wurde.
Bei 806 wird der vorherige Dämpfungswert zur Verwendung in weiteren Berechnungen gespeichert. Bei 808 wird der neue Dämpfungswert (Rdamp) basierend auf der gegenwärtigen Abtastfrequenz (F_s ) aktualisiert. Bei 810 wird eine Änderung des Dämpfungswerts durch Subtrahieren des vorherigen Dämpfungswerts (Rdamp') vom neuen Dämpfungswert (Rdamp) berechnet.
Bei 812 werden die Integrationsterme (Itermd, Itermq) 719, 739 des Stromreglers 770 neu initialisiert, um zu gewährleisten, dass beim Anlegen des neuen Dämpfungswerts (Rdamp), der bei 808 berechnet wurde, keine Störungen an der Ausgangsspannung auftreten.
Bei 814 wird der nächste Ausführungszyklus des Stromreglers 770 gemäß dem aktualisierten Wert des Dämpfungswerts (Rdamp) 710 und den aktualisierten Werten der Integrationsterme (Itermd, Itermq) 719, 739 ausgeführt, die auf ihre aktuell bestimmten Werte für diesen Ausführungszyklus eingestellt sind. Der Ausführungszyklus des Verfahrens 800 endet bei 816, wobei zu beachten ist, dass dieses Verfahren 800 fortlaufend laufen kann, um den Stromregler einzustellen, und dass 8 lediglich eine Wiederholung des Verfahrens 800 zeigt.
9 ist eine Kurve, die ein Beispiel veranschaulicht, wie sich der virtuelle Dämpfungswiderstand (Rdamp) in Abhängigkeit von der Abtastrate (Fs) gemäß der in den 7 und 8 veranschaulichten Ausführungsform verändern kann. Mit zunehmender Abtastfrequenz (F_s ) erhöht sich der virtuelle Dämpfungswiderstand (Rdamp), und umgekehrt, mit abnehmender Abtastfrequenz (F_S ), verringert sich der virtuelle Dämpfungswiderstand (Rdamp).
Somit wurden verschiedene Ausführungsformen für Stromregler beschrieben, die zum Steuern des Betriebs einer mehrphasigen Maschine in einem vektorgesteuerten Motorantriebssystem verwendet werden können. Die offenbarten Ausführungsformen sehen einen Stromregler 170 vor, der konfiguriert werden kann, um in einem ersten Betriebsmodus (wie der CVCR 170-1) betrieben zu werden, wenn die Drehzahl (z.B. Motordrehzahl oder elektrische Grundfrequenz) größer als ein erster Drehzahlschwellenwert (ω₂ ) ist, oder konfiguriert werden kann, um in einem zweiten Betriebsmodus (wie der SFbD 170-2) betrieben zu werden, wenn die Drehzahl größer als ein zweiter Drehzahlschwellenwert (ω₁ ) ist. Dadurch kann eine Struktur des Stromreglers durch Umschalten bestimmter Merkmale während des Betriebs verändert werden. Die offenbarten Ausführungsformen können auch einen Mechanismus zum Modifizieren eines Dämpfungswerts (Rdamp) eines Stromreglers in Abhängigkeit von der Abtastfrequenz (F_s ) beinhalten.
In weiteren Ausführungsformen ist ein Stromregler vorgesehen, der es ermöglicht, dass der Wert des virtuellen Dämpfungswiderstands in Abhängigkeit der Schaltfrequenz variiert. Dadurch kann am Stromregler unter allen Betriebsbedingungen der Schaltfrequenz der höchstmögliche Wert des virtuellen Dämpfungswiderstands genutzt werden. Dieser Stromregler kann dazu beitragen, den Wert des virtuellen Dämpfungswiderstands, der am Stromregler unter allen Betriebsbedingungen angelegt wird, zu optimieren, da die Abtast- und Schaltfrequenzen während des Betriebs variieren. Dieser Stromregler kann die Parameterempfindlichkeit reduzieren und die dynamische Steifigkeit erhöhen, wodurch die Gesamtrobustheit des Stromreglers verbessert wird.
Fachleute auf dem Gebiet werden des Weiteren erkennen, dass die verschiedenen veranschaulichenden logischen Blöcke, Module, Schaltungen und Algorithmusschritte, die in Verbindung mit den hierin offenbarten Ausführungsformen beschrieben werden, als elektronische Hardware, Computersoftware oder als Kombinationen beider implementiert werden können. Einige der Ausführungsformen und Implementierungen sind weiter oben in Form von funktionalen und/oder logischen Blockkomponenten (oder Modulen) und verschiedenen Verarbeitungsschritten beschrieben. Es sollte jedoch beachtet werden, dass derartige Blockkomponenten (oder Module) durch eine beliebige Anzahl an Hardware-, Software- und/oder Firmware- Komponenten realisiert werden können, die dafür konfiguriert sind, die spezifizierten Funktionen auszuführen.
Um diese Austauschbarkeit von Hardware und Software klar zu veranschaulichen, wurden verschiedene veranschaulichende Komponenten, Blöcke, Module, Schaltungen und Schritte im Hinblick auf deren Funktionalität im Allgemeinen oben beschrieben. Ob diese Funktionalität als Hardware oder Software implementiert ist, hängt von den jeweiligen Anwendungs- und Konstruktionseinschränkungen ab, die dem Gesamtsystem auferlegt werden. Fachleute können die beschriebene Funktionalität in unterschiedlicher Weise für jede spezielle Anwendung implementieren, aber solche Implementierungsentscheidungen sollten nicht als Abweichung vom Umfang der vorliegenden Erfindung interpretiert werden. So kann beispielsweise eine Ausführungsform eines Systems oder einer Komponente verschiedene integrierte Schaltungskomponenten, z. B. Speicherelemente, digitale Signalverarbeitungselemente, Logikelemente, Wertetabellen oder dergleichen, einsetzen, die eine Vielzahl von Funktionen unter der Steuerung eines oder mehrerer Mikroprozessoren oder anderer Steuergeräte ausführen können. Darüber hinaus wird der Fachmann erkennen, dass die hierin beschriebenen Ausführungsformen lediglich exemplarische Implementierungen sind.
Die verschiedenen veranschaulichenden logischen Blöcke, Module und Schaltungen, die in Verbindung mit den hierin offenbarten Ausführungsformen beschrieben sind, können mit einem Universalprozessor, einem digitalen Signalprozessor (DSP), einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), einem feldprogrammierbaren Gate-Array (FPGA) oder einer anderen programmierbaren Logikvorrichtung, einer diskreten Gate- oder Transistorlogik, diskreten Hardwarekomponenten oder einer beliebigen Kombination derselben implementiert oder durchgeführt werden, die dazu ausgelegt ist, die hier beschriebenen Funktionen auszuführen. Ein Universalprozessor kann ein Mikroprozessor sein, alternativ kann der Prozessor jedoch irgendein herkömmlicher Prozessor, Controller, Mikrocontroller oder eine Zustandsmaschine sein. Ein Prozessor kann zudem als eine Kombination von Rechenvorrichtungen, z. B. eine Kombination eines Digitalsignalprozessors und eines Mikroprozessors, einer Vielzahl von Mikroprozessoren, eines oder mehrerer Mikroprozessoren in Verbindung mit einem DSP-Kern oder einer beliebigen anderen derartigen Konfiguration, implementiert sein.
Die Schritte eines in Verbindung mit den hierin offenbarten Ausführungsformen beschriebenen Verfahrens oder Algorithmus können direkt in der Hardware, in einem von einem Prozessor ausgeführten Softwaremodul oder in einer Kombination beider ausgeführt werden. Ein Softwaremodul kann sich im RAM-Speicher, Flash-Speicher, ROM-Speicher, EPROM-Speicher, EEPROM-Speicher, im Register, auf der Festplatte, auf einer Wechselplatte, einer CD-ROM oder einer anderen Form eines Speichermediums befinden, das in der Technik bekannt ist. Ein exemplarisches Speichermedium ist mit dem Prozessor verbunden, sodass der Prozessor Informationen aus dem Speichermedium lesen und darauf schreiben kann. Alternativ kann das Speichermedium integral zum Prozessor sein. Der Prozessor und das Speichermedium können sich in einem ASIC befinden. Der ASIC kann sich in einem Benutzerterminal befinden. Alternativ dazu können sich der Prozessor und das Speichermedium als diskrete Komponenten in einem Benutzerendgerät befinden.
In diesem Dokument können relationale Begriffe, wie erste und zweite und dergleichen, nur verwendet werden, um eine Entität oder Handlung von einer anderen Entität oder Handlung zu unterscheiden, ohne zwangsläufig eine solche Beziehung oder Ordnung zwischen solchen Entitäten oder Handlungen zu erfordern oder implizieren zu müssen. Nummerische Ordinalzahlen, wie „erste“, „zweite“, „dritte“ usw., bezeichnen einfach verschiedene Singles einer Vielzahl und bedeuten keine Reihenfolge oder Sequenz, wenn dies nicht ausdrücklich durch die Anspruchssprache definiert ist. Die Abfolge des Textes in einem der Ansprüche bedeutet nicht, dass Prozessschritte in einer zeitlichen oder logischen Reihenfolge nach einer solchen Sequenz durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie ist spezifisch durch die Anspruchssprache definiert. Die Verfahrensschritte können in beliebiger Reihenfolge ausgetauscht werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, solange ein solcher Austausch nicht der Anspruchssprache widerspricht und nicht logisch unsinnig ist.
Des Weiteren bedeuten je nach Kontext Worte, wie „verbinden“ oder „verbunden mit“, die bei der Beschreibung einer Beziehung zwischen verschiedenen Elementen verwendet werden, nicht, dass eine direkte physikalische Verbindung zwischen diesen Elementen hergestellt werden muss. Zwei Elemente können beispielsweise physikalisch, elektronisch, logisch oder in anderer Weise durch ein oder mehrere zusätzliche Elemente miteinander verbunden sein.
Während mindestens eine exemplarische Ausführungsform in der vorstehenden ausführlichen Beschreibung dargestellt wurde, versteht es sich, dass es eine große Anzahl an Varianten gibt. Es versteht sich weiterhin, dass die exemplarische Ausführungsform oder die exemplarischen Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration dieser Offenbarung in keiner Weise einschränken sollen. Die vorstehende ausführliche Beschreibung stellt Fachleuten auf dem Gebiet vielmehr einen zweckmäßigen Plan zur Implementierung der exemplarischen Ausführungsform bzw. der exemplarischen Ausführungsformen zur Verfügung. Es versteht sich, dass verschiedene Veränderungen an der Funktion und der Anordnung von Elementen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung, wie er in den beigefügten Ansprüchen und deren rechtlichen Entsprechungen aufgeführt ist, abzuweichen.

Claims

Antriebssystem für eine elektrische Maschine zum Antreiben einer elektrischen Maschine, wobei das Antriebssystem für eine elektrische Maschine Folgendes umfasst: einen Stromregler, der konfigurierbar ist, um in einer ersten Konfiguration oder einer zweiten Konfiguration in Abhängigkeit von einer Synchrondrehzahl der elektrischen Maschine zu arbeiten; und eine Steuerung, die konfiguriert ist, um einen Betriebsmodus des Stromreglers zu konfigurieren, wobei die Steuerung konfiguriert ist zum: Bestimmen einer Synchrondrehzahl der elektrischen Maschine; und Auswählen, basierend auf der Synchrondrehzahl der elektrischen Maschine, entweder der ersten Konfiguration des Stromreglers oder der zweiten Konfiguration des Stromreglers als eine aktuell aktive Konfiguration; und Ausführen des Stromreglers gemäß der gegenwärtig aktiven Konfiguration.
Antriebssystem der elektrischen Maschine nach Anspruch 1, worin die Steuerung weiterhin zu Folgendem konfiguriert ist: Vergleichen der Synchrondrehzahl der elektrischen Maschine mit einem ersten Drehzahlschwellenwert (ω2); und Auswählen der ersten Konfiguration als aktive Konfiguration, wenn die Synchrondrehzahl der elektrischen Maschine als größer oder gleich dem ersten Drehzahlschwellenwert bestimmt wird (ω2), wobei der Stromregler konfiguriert ist, um in einem ersten Betriebsmodus zu arbeiten, wenn er in der ersten Konfiguration konfiguriert ist.
Antriebssystem der elektrischen Maschine nach Anspruch 2, worin die zweite Konfiguration des Stromreglers Folgendes umfasst: einen ersten Satz von Elementen, umfassend: das Summieren von Verbindungen, Integratoren und Verstärkungsblöcken, und worin die erste Konfiguration des Stromreglers Folgendes umfasst: der erste Satz von Elementen; und Kreuzkopplungsverstärkungsblöcke und worin die Steuerung ferner konfiguriert ist zum: Aktualisieren der Werte der Entkopplungsspannungen, die in Verbindung mit der ersten Konfiguration des Stromreglers verwendet werden sollen; Aktivieren der Kreuzkopplungsverstärkungsblöcke, sodass die Kreuzkopplungsverstärkungsblöcke bei der ersten Konfiguration des Stromreglers beim Erzeugen der Spannungsbefehle angewendet werden, und Einstellen der Werte der Kreuzkopplungsverstärkungsblöcke auf einen Wert ungleich Null; Neuinitialisieren von Integrationsbedingungen, wenn die gegenwärtig aktive Konfiguration von der zweiten Konfiguration zur ersten Konfiguration des Stromreglers übergeht, um Integratoren vor dem Ausführen des Stromreglers in der ersten Konfiguration neu zu initialisieren; und Ausführen des Stromreglers in der ersten Konfiguration zum Erzeugen der Spannungsbefehle.
Antriebssystem der elektrischen Maschine nach Anspruch 2, worin die Steuerung weiterhin zu Folgendem konfiguriert ist: Vergleichen der Synchrondrehzahl der elektrischen Maschine mit einem zweiten Drehzahlschwellenwert (ω1); und Auswählen der zweiten Konfiguration des Stromreglers als die gegenwärtig aktive Konfiguration, wenn die Synchrondrehzahl der elektrischen Maschine als kleiner oder gleich dem zweiten Drehzahlschwellenwert bestimmt wird (ω1), worin der Stromregler für den Betrieb in einem zweiten Betriebsmodus konfiguriert ist, wenn er in der zweiten Konfiguration konfiguriert ist.
Antriebssystem der elektrischen Maschine nach Anspruch 4, worin die zweite Konfiguration des Stromreglers Folgendes umfasst: einen ersten Satz von Elementen, umfassend: das Summieren von Verbindungen, Integratoren und Verstärkungsblöcken, und worin die erste Konfiguration des Stromreglers Folgendes umfasst: der erste Satz von Elementen; und Kreuzkopplungsverstärkungsblöcke und worin die Steuerung ferner konfiguriert ist zum: Aktualisieren der Werte der Entkopplungsspannungen, die in Verbindung mit der zweiten Konfiguration des Stromreglers verwendet werden sollen; Deaktivieren von Kreuzkopplungsverstärkungsblöcken, sodass die Kreuzkopplungsverstärkungsblöcke in der zweiten Konfiguration des Stromreglers beim Erzeugen der Spannungsbefehle nicht angewendet werden; Neuinitialisieren von Integrationsbedingungen, wenn die gegenwärtig aktive Konfiguration von der ersten Konfiguration in die zweite Konfiguration des Stromreglers übergeht, um Integratoren neu zu initialisieren, bevor der Stromregler in der zweiten Konfiguration ausgeführt wird; und Ausführen des Stromreglers in der zweiten Konfiguration, um die Spannungsbefehle zu erzeugen.
Antriebssystem der elektrischen Maschine nach Anspruch 4, worin der Stromregler konfiguriert ist, um als komplexer Vektorstromregler (CVCR) zu fungieren, wenn er in der ersten Konfiguration konfiguriert ist, und als Zustandsrückkopplungs-(SFbD)-Stromregler betrieben werden kann, wenn er in der zweiten Konfiguration konfiguriert ist.
Fahrzeug umfassend: ein Antriebssystem der elektrischen Maschine zum Antreiben einer elektrischen Maschine, wobei das Antriebssystem der elektrischen Maschine Folgendes umfasst: einen Stromregler, der konfigurierbar ist, um in einer ersten Konfiguration oder einer zweiten Konfiguration in Abhängigkeit von einer Synchrondrehzahl der elektrischen Maschine zu arbeiten; und eine Steuerung, die konfiguriert ist, um einen Betriebsmodus des Stromreglers zu konfigurieren, wobei die Steuerung konfiguriert ist zum: Bestimmen einer Synchrondrehzahl der elektrischen Maschine; und Auswählen, basierend auf der Synchrondrehzahl der elektrischen Maschine, entweder der ersten Konfiguration des Stromreglers oder der zweiten Konfiguration des Stromreglers als eine aktuell aktive Konfiguration; und Ausführen des Stromreglers gemäß der gegenwärtig aktiven Konfiguration.
Verfahren zum Konfigurieren eines Betriebsmodus eines Stromreglers in einem Antriebsystem einer elektrischen Maschine zum Antreiben einer elektrischen Maschine, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bestimmen einer Synchrondrehzahl der elektrischen Maschine; Auswählen, basierend auf der Synchrondrehzahl der elektrischen Maschine, entweder einer ersten Konfiguration des Stromreglers oder einer zweiten Konfiguration des Stromreglers als eine aktuell aktive Konfiguration; und Ausführen des Stromreglers gemäß der gegenwärtig aktiven Konfiguration.
Verfahren nach Anspruch 8, worin das Auswählen Folgendes umfasst: Vergleichen der Synchrondrehzahl der elektrischen Maschine mit einem ersten Drehzahlschwellenwert (ω2); Auswählen der ersten Konfiguration als aktive Konfiguration, wenn die Synchrondrehzahl der elektrischen Maschine als größer oder gleich dem ersten Drehzahlschwellenwert bestimmt wird (ω2), wobei der Stromregler konfiguriert ist, um in einem ersten Betriebsmodus zu arbeiten, wenn er in der ersten Konfiguration konfiguriert ist; Vergleichen der Synchrondrehzahl der elektrischen Maschine mit einem zweiten Drehzahlschwellenwert (ω1); und Auswählen der zweiten Konfiguration des Stromreglers als die gegenwärtig aktive Konfiguration, wenn die Synchrondrehzahl der elektrischen Maschine als kleiner oder gleich dem zweiten Drehzahlschwellenwert bestimmt wird (ω1), worin der Stromregler für den Betrieb in einem zweiten Betriebsmodus konfiguriert ist, wenn er in der zweiten Konfiguration konfiguriert ist.
Verfahren nach Anspruch 9, worin die erste Konfiguration des Stromreglers ein komplexer Vektorstromregler ist, und worin die zweite Konfiguration des Stromreglers ein Zustandsrückkopplungs-(SFbD)-Stromregler ist.