DE102019120566A1

DE102019120566A1 - Maschinenstrombegrenzung für permanentmagnetsynchronmaschinen

Info

Publication number: DE102019120566A1
Application number: DE102019120566.2A
Authority: DE
Inventors: Haibo Li; Prerit Pramod
Original assignee: Steering Solutions IP Holding Corp
Current assignee: Steering Solutions IP Holding Corp
Priority date: 2018-07-31
Filing date: 2019-07-30
Publication date: 2020-02-06
Also published as: US10526008B1; CN110855206B; CN110855206A

Abstract

Technische Lösungen für die Anwendung einer Maschinenstrombegrenzung bei Permanentmagnet-Synchronmotoren werden beschrieben. Ein Beispielsystem beinhaltet einen PMSM und ein Motorsteuerungssystem. Das Motorsteuerungssystem ist konfiguriert, um einen Drehmomentbefehl zu empfangen und zu bestimmen, ob der Drehmomentbefehl basierend auf einer gegebenen Spannung und einer gegebenen Maximalgrenze des Motorstroms erfüllt werden kann. Das Motorsteuerungssystem ist ferner konfiguriert, um als Reaktion auf das Bestimmen, dass der Drehmomentbefehl erfüllt werden kann, einen Mindeststrom zu bestimmen, der den Drehmomentbefehl erfüllt. Das Motorsteuerungssystem ist ferner konfiguriert, um den Mindeststrom als Mindeststrombefehl an den PMSM zu senden.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich im Allgemeinen auf das Begrenzen von Maschinenstrom für Permanentmagnet-Synchronmaschinen für elektrische Servolenkungssysteme.
Permanentmagnet-Synchronmaschinen (PMSMs) werden aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte, ihrer hervorragenden Regelungsleistung und Zuverlässigkeit häufig in elektrischen Antriebsanwendungen eingesetzt. Typischerweise wird die Drehmomentsteuerung von PMSMs indirekt durch eine Rückführstromregelung durchgeführt, die typischerweise Strom- und Positionsmessungen verwendet. Die Vektorregelung oder feldorientierte Regelung (FOC) ist die am häufigsten verwendete Technik zur Stromregelung, bei der alle Wechselstromsignale über eine Bezugsrahmentransformation in Gleichstromsignale umgewandelt werden. Das Steuerungssystem wird dann im synchron rotierenden oder d/q-Bezugsrahmen implementiert.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet ein System einen Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) und ein Motorsteuerungssystem. Das Motorsteuerungssystem ist konfiguriert, um einen Drehmomentbefehl zu empfangen und zu bestimmen, ob der Drehmomentbefehl basierend auf einer gegebenen Spannung und einer gegebenen Maximalgrenze des Motorstroms erfüllt werden kann. Das Motorsteuerungssystem ist ferner konfiguriert, um als Reaktion auf das Bestimmen, dass der Drehmomentbefehl erfüllt werden kann, einen Mindeststrom zu bestimmen, der den Drehmomentbefehl erfüllt. Das Motorsteuerungssystem ist ferner konfiguriert, um den Mindeststrom als Mindeststrombefehl an die PMSM zu senden.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet ein Verfahren das Empfangen eines Drehmomentbefehls und einer Spannung durch eine Verarbeitungsvorrichtung. Das Verfahren beinhaltet ferner das Bestimmen eines Strombefehls durch die Verarbeitungsvorrichtung basierend auf dem Drehmomentbefehl und der Spannung. Das Verfahren beinhaltet ferner das Schätzen eines Maschinenstroms durch die Verarbeitungsvorrichtung basierend auf dem Strombefehl. Das Verfahren beinhaltet ferner das Bestimmen durch die Verarbeitungsvorrichtung, ob der Maschinenstrom kleiner als ein maximaler Maschinenstromschwellenwert ist. Das Verfahren beinhaltet ferner in Ansprechen auf das Bestimmen, dass der Maschinenstrom nicht größer als der maximale Maschinenstromschwellenwert ist, das Senden des Maschinenstroms als Mindeststrombefehl an einen Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM).
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ist das Motorsteuerungssystem konfiguriert, um zu bestimmen, ob ein Drehmomentbefehl basierend auf einer gegebenen Spannung und einer gegebenen Maximalgrenze des Motorstroms erfüllt werden kann. Das Motorsteuerungssystem ist ferner konfiguriert, um als Reaktion auf das Bestimmen, dass der Drehmomentbefehl nicht erfüllt werden kann, den Drehmomentbefehl iterativ zu ändern, bis der Drehmomentbefehl erfüllt werden kann. Das Motorsteuerungssystem ist ferner konfiguriert, um in Ansprechen auf das Bestimmen, dass der geänderte Drehmomentbefehl erfüllt werden kann, einen Mindeststrom zu bestimmen, der den Drehmomentbefehl erfüllt.
Diese und andere Vorteile und Merkmale werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen besser ersichtlich.
Figurenliste
Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung wird speziell offengelegt und in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung separat beansprucht. Das Vorstehende und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den dazugehörigen Zeichnungen, in denen:

1 ein Blockdiagramm einer exemplarischen Ausführungsform eines elektrischen Servolenkungssystems gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt;
2 ein Blockdiagramm eines exemplarischen Drehmomentsteuerungsalgorithmus für eine PMSM darstellt;
3A eine PMSM-Betriebstrajektorienanalyse für PMSM-Betriebsarten gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt;
3B eine PMSM Betriebstrajektorienanalyse für eine MTPA Trajektorie gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt;
3C eine PMSM-Betriebstrajektorienanalyse für MSM-Spannungskapazität gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt;
4 die Wellenformen von Drehmoment, Motorströmen, Spannungen und Versorgungsstrom in einem ausgeprägten PMSM-Antrieb gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt;
5 ein Flussdiagramm des Maschinenstrommanagementsystems unter Berücksichtigung der Maximalgrenze des Motorstroms für PMSM-Antriebe gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt;
6 Wellenformen von Drehmoment, Motorströmen, Spannungen und Batteriestrom von Simulationsergebnissen unter Verwendung traditioneller Maschinenstrommanagementtechniken darstellt;
7 Wellenformen von Drehmoment, Motorströmen, Spannungen und Batteriestrom von Simulationsergebnissen darstellt, die durch die Anwendung der Maschinenstrommanagementtechniken gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung erreicht werden; und
8 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Maschinenstrombegrenzung für Permanentmagnet-Synchronmaschinen gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme nun auf die Figuren, in denen die vorliegende Offenbarung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wird, ohne diese einzuschränken, ist zu verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen nur zur Veranschaulichung der vorliegenden Offenbarung dienen, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können hervorgehoben oder minimiert sein, um Details zu bestimmten Komponenten anzuzeigen. Spezielle strukturelle und funktionale Details, die hier offenbart werden, sind daher nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als repräsentative Grundlage zur Unterrichtung des Fachmanns darüber, wie die vorliegende Offenbarung unterschiedlich angewendet werden kann.
Wie hierin verwendet, beziehen sich die Begriffe Modul und Teilmodul auf eine oder mehrere Verarbeitungsschaltungen, wie beispielsweise eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert, oder Gruppe) mit Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen. Wie zu erkennen ist, können die nachfolgend beschriebenen Teilmodule kombiniert und/oder weiter unterteilt werden.
Nun unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen die technischen Lösungen in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben werden, ohne diese einzuschränken, ist 1 eine exemplarische Ausführungsform eines elektrischen Servolenkungssystems (EPS) 40, das zur Implementierung der offenbarten Ausführungsformen geeignet ist. Der Lenkmechanismus 36 ist ein System mit Zahnstange und Ritzel und beinhaltet eine Zahnstange (nicht dargestellt) in einem Gehäuse 50 und ein Ritzel (auch nicht dargestellt), das unter einem Getriebegehäuse 52 angeordnet ist. Beim Drehen der Bedienereingabe, im Folgenden als Lenkrad 26 (z.B. Handrad und dergleichen) bezeichnet, drehen sich die obere Lenkwelle 29 und die untere Lenkwelle 51, die über ein Kreuzgelenk 34 mit der oberen Lenkwelle 29 verbunden ist, dreht das Ritzel. Die Drehung des Ritzels bewegt die Zahnstange, die Spurstangen 38 (nur eine davon ist dargestellt) bewegt, wodurch wiederum die Achsschenkel 39 (nur einer ist dargestellt) bewegt werden, die ein oder mehrere lenkbare Räder 44 (nur eines ist dargestellt) drehen bzw. einschlagen.
Eine Unterstützung der elektrischen Servolenkung wird durch die im Allgemeinen mit Bezugszeichen 24 bezeichnete Steuervorrichtung bereitgestellt, welche den Controller 16 und eine elektrische Maschine 19 beinhaltet, die ein Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) sein könnte, und im Folgenden als Motor 19 bezeichnet wird. Der Controller 16 wird von der Fahrzeugstromversorgung 10 über eine Leitung 12 mit Strom versorgt. Der Controller 16 empfängt ein für die Fahrzeuggeschwindigkeit repräsentatives Fahrzeuggeschwindigkeitssignal 14 von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 17. Ein Lenkwinkel wird durch einen Positionssensor 32 gemessen, der ein Sensor mit optischer Codierung, ein Sensor mit variablem Widerstand oder ein anderer geeigneter Typ von Positionssensor sein kann, und dieser liefert dem Controller 16 ein Positionssignal 20. Die Motordrehzahl kann mit einem Drehzahlmesser oder einer anderen Vorrichtung gemessen und als Motordrehzahlsignal 21 an den Controller 16 übertragen werden. Eine Motordrehzahl mit der Bezeichnung ω_m kann gemessen, berechnet oder durch eine Kombination daraus ermittelt werden. So kann beispielsweise die Motordrehzahl ω_m berechnet werden als die Änderung der Motorposition θ, die von einem Positionssensor 32 über ein vorgegebenes Zeitintervall gemessen wird. Beispielsweise kann die Motordrehzahl ω_m als Ableitung der Motorposition θ aus der Gleichung ω_m = Δθ/Δt bestimmt werden, wobei Δt die Abtastzeit und Δθ die Positionsänderung während des Abtastintervalls ist. Alternativ kann die Motordrehzahl aus der Motorposition als die Geschwindigkeit der Positionsänderung in Bezug auf die Zeit abgeleitet werden. Es ist festzustellen, dass es zahlreiche bekannte Methoden gibt, um die Funktion einer Ableitung auszuführen.
Während das Lenkrad 26 gedreht wird, erfasst ein Drehmomentsensor 28 das vom Fahrzeugführer auf das Lenkrad 26 ausgeübte Drehmoment. Der Drehmomentsensor 28 kann einen Torsionsstab (nicht dargestellt) und einen Sensor mit variablem Widerstand (auch nicht dargestellt) beinhalten, der ein variables Drehmomentsignal 18 an den Controller 16 in Abhängigkeit von dem Betrag einer Verdrehung des Torsionsstabes ausgibt. Obwohl es sich hierbei um eine Art von Drehmomentsensor handelt, genügt jede andere geeignete Drehmomenterfassungsvorrichtung, die mit bekannten Signalverarbeitungstechniken verwendet wird. Als Reaktion auf die verschiedenen Eingaben sendet der Controller einen Befehl 22 an den Elektromotor 19, der über eine Schnecke 47 und ein Schneckenrad 48 eine Drehmomentunterstützung an das Lenksystem liefert, wodurch eine Drehmomentunterstützung für die Fahrzeuglenkung bereitgestellt wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass die offenbarten Ausführungsformen zwar mit Bezugnahme auf eine Motorsteuerung für elektrische Lenkanwendungen beschrieben werden, es jedoch festzustellen ist, dass diese Bezugnahmen nur veranschaulichend sind und die offenbarten Ausführungsformen auf jede Motorsteuerungsanwendung angewendet werden können, die einen Elektromotor verwendet, z.B. Lenkung, Ventilsteuerung und dergleichen. Darüber hinaus können die hierin enthaltenen Bezugnahmen und Beschreibungen für viele Formen von Parametersensoren gelten, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Drehmoment, Position, Drehzahl und dergleichen. Es sei auch darauf hingewiesen, dass hierin auf elektrische Maschinen Bezug genommen wird, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Motoren, wobei im Folgenden aus Gründen der Kürze und Einfachheit, ohne Einschränkung nur auf Motoren Bezug genommen wird.
In dem dargestellten Steuerungssystem 24 verwendet der Controller 16 das Drehmoment, die Position, die Drehzahl und dergleichen, um einen oder mehrere Befehle zu berechnen, um die erforderliche Ausgangsleistung zu liefern. Der Controller 16 ist in Verbindung mit den verschiedenen Systemen und Sensoren des Motorsteuerungssystems angeordnet. Der Controller 16 empfängt Signale von jedem der Systemsensoren, quantifiziert die empfangenen Informationen und stellt daraufhin ein oder mehrere Ausgangsbefehlssignale bereit, in diesem Fall beispielsweise für den Motor 19. Der Controller 16 ist konfiguriert, um die entsprechende(n) Spannung(en) aus einem (nicht dargestellten) Wechselrichter zu entwickeln, der optional in den Controller 16 integriert sein kann und hierin als Controller 16 bezeichnet wird, so dass beim Anlegen an den Motor 19 das gewünschte Drehmoment oder die gewünschte Position erzeugt wird. In einem oder mehreren Beispielen arbeitet die Steuerung 24 in einem Steuerungsmodus mit Rückmeldung als Stromregler, um den Befehl 22 zu erzeugen. Alternativ arbeitet die Steuerung 24 in einem oder mehreren Beispielen in einem Vorsteuerungsmodus, um den Befehl 22 zu erzeugen. Da diese Spannungen in Beziehung mit der Position und Drehzahl des Motors 19 und dem gewünschten Drehmoment stehen, werden die Position und/oder Drehzahl des Rotors und das von einem Bediener aufgebrachte Drehmoment bestimmt. Ein Positionsgeber ist mit der Lenkwelle 51 verbunden, um die Winkelposition θ zu erfassen. Der Geber kann die Drehposition basierend auf optischer Erkennung, Magnetfeldänderungen oder anderen Methoden erfassen. Typische Positionssensoren sind Potentiometer, Resolver, Synchros, Geber und dergleichen sowie Kombinationen, die mindestens eine der vorgenannten Komponenten umfassen. Der Positionsgeber gibt ein Positionssignal 20 aus, das die Winkelposition der Lenkwelle 51 und damit die des Motors 19 anzeigt.
Das gewünschte Drehmoment kann durch einen oder mehrere Drehmomentsensoren 28 bestimmt werden, die Drehmomentsignale 18 übertragen, die ein aufgebrachtes Drehmoment anzeigen. Eine oder mehrere exemplarische Ausführungsformen beinhalten einen solchen Drehmomentsensor 28 und das/die Drehmomentsignal(e) 18 davon, die auf eine nachgiebige Drehstab-, T-Stab-, Feder- oder ähnliche Vorrichtung (nicht dargestellt) reagieren können, die konfiguriert ist, um eine Reaktion bereitzustellen, die das aufgebrachte Drehmoment anzeigt.
In einem oder mehreren Beispielen ist ein oder sind mehrere Temperatursensor(en) 23 an der elektrischen Maschine 19 angeordnet. Vorzugsweise ist der Temperatursensor 23 konfiguriert, um die Temperatur eines Erfassungsabschnitts des Motors 19 direkt zu messen. Der Temperatursensor 23 sendet ein Temperatursignal 25 an den Controller 16, um die hierin vorgeschriebene Verarbeitung und Kompensation zu ermöglichen. Typische Temperatursensoren beinhalten Thermoelemente, Thermistoren, Thermostate und dergleichen sowie Kombinationen aus mindestens einem der vorgenannten Sensoren, die bei geeigneter Platzierung ein kalibrierbares Signal proportional zur jeweiligen Temperatur liefern.
Neben weiteren werden das Positionssignal 20, das Geschwindigkeitssignal 21 und ein Drehmomentsignal 18 an den Controller 16 angelegt. Der Controller 16 verarbeitet alle Eingangssignale, um Werte zu erzeugen, die jedem der Signale entsprechen, was zu einem Rotorpositionswert, einem Motordrehzahlwert und einem Drehmomentwert führt, die für die Verarbeitung in den hierin vorgeschriebenen Algorithmen zur Verfügung stehen. Messsignale, wie die oben genannten, werden ebenfalls im Allgemeinen linearisiert, kompensiert und nach Belieben gefiltert, um die Eigenschaften zu verbessern oder unerwünschte Eigenschaften des erfassten Signals zu beseitigen. So können beispielsweise die Signale linearisiert werden, um die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu verbessern oder um einen großen Dynamikbereich des Signals zu erreichen. Darüber hinaus kann eine frequenz- oder zeitabhängige Kompensation und Filterung eingesetzt werden, um Rauschen zu eliminieren oder unerwünschte spektrale Eigenschaften zu vermeiden.
Um die vorgeschriebenen Funktionen und die gewünschte Verarbeitung sowie die Berechnungen dafür durchzuführen (z.B. die Identifizierung von Motorparametern, Regelalgorithmen und dergleichen), kann der Controller 16 ohne Einschränkung einen oder mehrere Prozessoren, Computer, DSP(s), Speicher, Massenspeicher, Register, Zeitgeber, Interrupt(s), Kommunikationsschnittstelle(n), Ein-/Ausgabesignalschnittstellen und dergleichen sowie Kombinationen aus mindestens einer der vorgenannten Komponenten beinhalten. So kann beispielsweise der Controller 16 eine Eingangssignalverarbeitung und -filterung beinhalten, um eine genaue Abtastung und Umwandlung oder Erfassung solcher Signale von Kommunikationsschnittstellen zu ermöglichen. Zusätzliche Merkmale des Controllers 16 und bestimmte Prozesse darin werden zu einem späteren Zeitpunkt hierin ausführlich erläutert.
Permanentmagnet-Synchronmaschinen (PMSMs) gewinnen in elektrischen Antriebsanwendungen aufgrund ihrer Vorteile wie hohe Leistungsdichte, einfache Steuerbarkeit und verbesserte Zuverlässigkeit immer mehr an Bedeutung. Eine häufig implementierte Steuerungstechnik für PMSMs ist die Vektorregelung, bei der alle Wechselstromsignale über eine Bezugsrahmentransformation in Gleichstromsignale umgewandelt werden. Das Steuerungssystem wird dann im synchron rotierenden oder d/q-Bezugsrahmen implementiert.
Eine Drehmomentsteuerung von PMSMs erfordert die Online-Bestimmung der d/q-Strombefehle für die Maschine für einen gegebenen Drehmomentbefehl, eine Maschinendrehzahl und eine verfügbare Versorgungsspannung. Die meisten bestehenden Techniken zur Strombefehlsgenerierung berücksichtigen nicht die Einschränkungen der Maschinenstromgrenze. Die Maximalgrenze des Maschinenstroms wird typischerweise zum Schutz der Stromrichter und der zugehörigen elektronischen Schaltungen sowie der elektrischen Maschine angegeben.
Gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung wird eine Online-Maschinenstrom-Managementtechnik zur Berechnung einer optimalen Stromtrajektorie unter Berücksichtigung der Einschränkung der Maschinenstromgrenze in PMSM-Antrieben beschrieben. Die Maschinenstromgrenze wird in ein äquivalentes PMSM-Drehmomentbegrenzungsproblem übersetzt und durch eine iterative Online-Änderung des Drehmomentbefehls implementiert. Die hierin beschriebene Begrenzungstechnik begrenzt den Maschinenstrom erfolgreich auf den definierten Grenzwert und bewahrt gleichzeitig den Betrieb mit typischem maximalem Drehmoment pro Ampere (MTPA-Betrieb) sowie den Betrieb mit maximalem Drehmoment pro Spannung (MTPV-Betrieb). Die vorgeschlagene Technik gilt für alle elektrischen Antriebssysteme mit PMSMs und ist nicht auf eine bestimmte Anwendung beschränkt.
2 stellt ein Blockdiagramm eines exemplarischen Drehmomentsteuerungsalgorithmus für ein PMSM 160 dar. Das Blockdiagramm stellt ein Motorsteuerungssystem 100 dar, bei dem bei einer gegebenen Zwischenkreisspannung V_DC , die von einer Batterie 110 stammt, und bei einer (mechanischen) Motordrehzahl ω_m das maximale Drehmoment T_e,max berechnet wird und dann durch ein Drehmomentbegrenzungsmodul 120 mit einem gegebenen Drehmomentbefehl $T_{e}^{*}$
verglichen wird, um einen endgültigen Drehmomentbefehl $T_{e,final}^{*}$
innerhalb der Systemkapazität zu erzeugen. Das Motorsteuerungssystem 100 ermöglicht somit die Motordrehmomentsteuerung und die Motorstromregelung. Der endgültige Drehmomentbefehl $T_{e,final}^{*}$
wird an ein Modul 130 für maximales Drehmoment pro Ampere (MTPA-Modul) gesendet, um Strombefehle $i_{d}^{*} {und u}_{q}^{*}$
zu berechnen, die an ein Modul 140 für maximales Drehmoment pro Spannung (MTPV-Modul) gesendet werden, um zu überprüfen, ob die entsprechende PMSM-Spannung v_m den maximal realisierbaren Wert v_m,max überschreitet, der durch die Zwischenkreisspannung begrenzt ist. Wenn die PMSM-Spannung v_m v_m,max nicht überschreitet, werden vom MTPA-Modul 130 berechnete Strombefehle als endgültige Befehle i*_d,final und i*_q,final für die PMSM-Steuerung verwendet, ansonsten werden andere Befehle i*_d,final und i*_q,final von dem MTPV-Block 140 erzeugt, um die PMSM-Spannungsbegrenzung zu erfüllen. Die endgültigen Strombefehle werden dann an einen Stromregler 150 gesendet, der die Stromnachführung und damit die Drehmomentnachführung gewährleistet. Hier bezieht sich „Nachführung“ darauf, wie nah der Ausgangsstrom (oder das Ausgangsdrehmoment) an dem gewünschten Strom (oder dem gewünschten Drehmoment) liegt, wie es der Strombefehl (oder der Drehmomentbefehl) verlangt.
Das Maschinenstrommanagement ist in einem PMSM-Antriebssystem wie dem PMSM-Antriebssystem 200 von 2 entscheidend. Der Maschinenstrom beeinflusst den Gesamtleistungsverlust und die Wärmeabfuhr innerhalb des Maschinensteuerungssystems. Darüber hinaus kann es bei einem Maschinenstrom, der höher ist als die Nennleistung der Schaltvorrichtungen, zu Ausfällen des Stromrichters kommen. Darüber hinaus kann ein Steuerungssystem, bei dem der Maschinenstrom streng gesteuert und innerhalb definierter Grenzen gehalten wird, dazu beitragen, Anforderungen an die im Wechselrichter verwendeten Leistungsvorrichtungen und die zugehörigen elektronischen Komponenten zu entspannen, was letztendlich zu einer möglichen Kostenreduzierung führt.
Das hierin vorgestellte Maschinenstrommanagementsystem stellt sicher, dass die Maschinenströme innerhalb definierter Grenzen bleiben, es ist in der Lage, ein maximales Drehmoment oder einen maximalen Wirkungsgrad zu gewährleisten, es ist einfach online zu implementieren und es ist in allen Betriebsbereichen der Maschine genau.
Eine kurze Beschreibung der PMSM-Betriebstrajektorie wird hierin mit Bezug auf 3A, 3B und 3C vorgestellt. 3A stellt eine PMSM-Betriebstrajektorienanalyse für PMSM-Betriebsarten gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung dar. 3B stellt eine PMSM-Betriebstrajektorienanalyse für eine MTPA-Trajektorie gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung dar. 3C stellt eine PMSM-Betriebstrajektorienanalyse für die PMSM-Spannungskapazität gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung dar.
Es gibt zwei Betriebsregionen in einem PMSM-Antriebssystem: MTPA und MTPV, die in 3A als Region I bzw. Region III bezeichnet sind. Die Strombefehle in diesen beiden verschiedenen Regionen werden mit MTPA- bzw. MTPV-Techniken erzeugt, um eine optimale Stromtrajektorie zu erreichen. Die MTPA-Technik berechnet im Wesentlichen die Strombefehle $i_{d}^{*} {und u}_{q}^{*}$
so, dass der Drehmomentbefehl $T_{e}^{*}$
mit dem minimalen Gesamtstrom der Maschine produziert wird, um minimale Verluste zu gewährleisten. Die MTPV-Technik bestimmt die Strombefehle in der spannungsgesättigten Region, d.h. wenn die Spannungsbefehlsgröße gleich der Zwischenkreisspannung ist oder die Maschine impedanzbegrenzt ist, so dass die Strombefehle ein Drehmoment erzeugen, das dem angeforderten Drehmomentbefehl so nahe wie möglich ist. Beide Techniken nutzen das analytische Maschinenmodell mit Maschinenparameterschätzungen unter Berücksichtigung von Nichtlinearitäten wie Sättigung und Temperaturschwankungen, um die Strombefehle online zu bestimmen.
In einigen Ausführungsformen wird ein Spannungsbefehl V_R mit einem Motorsteuerungsmodell für Gleichungen von Spannungen zwischen Leitung und Neutralpunkt erzeugt: $V_{d} = L_{d} \frac{D I_{d}}{d t} + R I_{d} + \frac{N_{p}}{2} ω_{m} L_{q} I_{q}$
$V_{q} = L_{q} \frac{D I_{q}}{d t} + R I_{q} - \frac{N_{p}}{2} ω_{m} L_{d} I_{d} + K_{e} ω_{m}$
$T_{e} = \frac{3}{2} K_{e} I_{q} + \frac{3}{4} N_{p} (L_{q} - L_{d}) I_{d} I_{q}$
wobei V_d und V_q die Motorspannungen der d-Achse und der q-Achse (in Volt) sind; I_d und I_q die Motorströme der d-Achse und der q-Achse (in Ampere) sind; L_d und L_q die Motorinduktivitäten der d-Achse und der q-Achse (in Henry) sind; R der Motorstromkreiswiderstand (d.h. Motor und Steuerung) (in Ohm) ist, K_e der Motor-GEMK-Koeffizient (in Volt/rad/s) ist; ω_m die mechanische Motordrehzahl (in rad/s) ist; N_p die Polzahl des Motors 20 ist; und T_e das elektromagnetische Motordrehmoment (in Nm) ist.
Es ist zu beachten, dass die Gleichung zur Berechnung des elektromagnetischen Motordrehmoments T_e nichtlinear ist und eine Summe des Drehmoments, das durch die Nutzung des Magnetfeldes von den Permanentmagneten entwickelt wird, und des Reluktanzmoments darstellt, das durch die Rotorausprägung (d.h. eine Differenz zwischen L_q und L_d ) und gewünschte Werte für I_d und I_q erzeugt wird. Ein Entwurf eines Referenzmodells zur Optimierung der Auswahl der Bezugsströme I_d und I_q zur Verwendung für die PMSM-Steuerung ist in dem US-Patent Nr. 9,531,311 mit dem Titel „Generation of a Current Reference to Control a Brushless Motor“ beschrieben, das am 26. November 2013 eingereicht und am 27. Dezember 2016 erteilt wurde und das hierin durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist.
Die Parameter in diesen Gleichungen können während des normalen Betriebs des Motors 20 variieren - potenziell über 100% Abweichung bei R und 5-20% Abweichung bei den Induktivitäten L_d und L_q und 15-20% bei K_e . R variiert mit dem Aufbau und der Temperatur des Motors 20. L_d und L_q variieren aufgrund der Sättigung (d.h. als Funktion von I_d und I_q ) und K_e variiert aufgrund der Sättigung (als Funktion von I_q ) und mit der Temperatur.
Neben den Regionen I und III gibt es dazwischen auch eine Übergangsregion, die in 3A als Region II bezeichnet ist, wobei $T_{e,final}^{*} = T_{e}^{*} {und v}_{m} = V_{m,max} .$
In dieser Region (d.h. Region II) wird eine Flussschwächung durchgeführt, um die Maschinenspannung innerhalb von V_m,max: zu halten, während der endgültige Drehmomentbefehl gleich bleibt wie beim Original.
Die MTPA-Trajektorie ist in 3B dargestellt. Wie dargestellt, gibt es für einen gegebenen Drehmomentbefehl, z.B. T_e=0,2 pu, unendliche Stromkombinationen, die den Drehmomentbefehl erfüllen. Es gibt jedoch nur einen einzigen Punkt, an dem der endgültige Maschinenstrom im das Minimum ist, d.h. der MTPA-Betriebspunkt unter diesem Drehmomentbefehl. Die Verbindung aller MTPA-Betriebspunkte unter verschiedenen Drehmomentbefehlen führt zu einer kontinuierlichen MTPA-Trajektorie. Der MTPA-Betrieb ist in einem PMSM-Antriebssystem sehr erwünscht, da der Drehmomentbefehl nachgeführt wird, während der Maschinenstrom minimal ist, was zu minimalen Verlusten führt. Der MTPA-Betrieb ist jedoch aufgrund der durch die Zwischenkreisspannung bedingten Spannungsbegrenzung nicht immer möglich, wie in 3C dargestellt. Ab einer bestimmten Drehzahl muss der Drehmomentbefehl mit dem MPTV-Algorithmus reduziert werden, um eine maximale Drehmomentproduktion unter Ausnutzung der verfügbaren Spannung zu gewährleisten. Zwischen den Regionen MTPA und MTPV befindet sich eine Region, in der eine Flussschwächung durchgeführt wird, aber die vorgegebene Drehmomentanforderung noch erfüllt werden kann. Sobald die Maschine die MTPV-Betriebsregion erreicht hat, kann der Drehmomentbefehl nicht mehr nachgeführt werden. Stattdessen wird ein maximal mögliches Drehmoment T_e,max innerhalb der PMSM-Spannungskapazität verwendet, um eine optimale Stromtrajektorie zu gewährleisten. Die Wellenformen in einer Pol-PMSM-Maschine mit ausgeprägten Polen sind in 4 dargestellt, um die verschiedenen Betriebsregionen zu veranschaulichen. Aus 4 ist ersichtlich, dass die Betriebsarten MTPA und MTPV bei gegebenem Drehmomentbefehl bei niedriger bzw. hoher Drehzahl aktiv sind. Insbesondere stellt 4 Wellenformen von Drehmoment, Motorströmen, Spannungen und Versorgungsstrom in einem ausgeprägten PMSM-Antrieb gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung dar. Zusätzlich zu den Betriebsarten MTPA und MTPV gibt es dazwischen eine Übergangsregion, die der Region II in 3A entspricht.
Wenn eine Maschinenstrombegrenzung I_m,max als PMSM-Steuerungseinschränkung im ursprünglichen Motorsteuerungsalgorithmus von 2 zu berücksichtigen ist, muss der Drehmomentbefehl entsprechend geändert werden. Die Herausforderung dabei ist, dass das maximal zulässige Drehmoment je nach Betriebsbedingungen variiert und daher online berechnet werden muss, um zu verhindern, dass der Maschinenstrom seine Grenze überschreitet. Um dieses Problem zu lösen, wird hier ein Drehmomentbefehlsmodifikationsmodul in Kombination mit einer iterativen Aktualisierungstechnik vorgeschlagen.
Insbesondere stellt 5 ein Flussdiagramm des Maschinenstrommanagementsystems 500 dar, das die Maximalgrenze des Maschinenstroms für PMSM-Antriebe gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung berücksichtigt. Das Maschinenstrommanagementsystem 500 in 5 kann mit dem Motorsteuerungssystem 100 von 2 implementiert werden und wird mit dem ursprünglichen Strombefehlsberechnungsalgorithmus von 2 (d.h. mit dem Block 170 zum Erzeugen eines ursprünglichen Strombefehls) kombiniert, um Strombefehle i*_d,final und I*_q,final zu erzeugen und den Maschinenstrom unter einer definierten Grenze sicherzustellen.
Insbesondere besteht das vorgeschlagene System 500 aus zwei Hauptblöcken, nämlich dem Drehmomentaktualisierungsblock 510 und dem Block 520 zum Schätzen und Vergleichen von im. Der Drehmomentaktualisierungsblock 510 führt eine Änderung des Drehmomentbefehls durch. Der Block 520 zum Schätzen und Vergleichen von im schätzt den Maschinenstrom im basierend auf Strombefehlen i*_d,final und I*_q,final und prüft, ob im innerhalb des Grenzwertes liegt und führt (bei Rückführblock 530) Aktualisierungsinformationen zum vorherigen Drehmomentaktualisierungsblock 510 zurück, bis im die definierte Grenze erreicht. n im Rückführblock 530 stellt die Iterationsnummer dar, die die Rückführinformationen zur Aktualisierung des Drehmomentbefehls enthält, und ΔT ist der Drehmoment-Aktualisierungsfaktor.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, den Drehmomentaktualisierungsblock 510 und den Rückführkreis (z.B. Rückführblock 530) festzulegen. Die zugrunde liegende Idee ist jedoch die gleiche, d.h. die Begrenzung von im innerhalb der vorgegebenen Grenze durch Drehmomentbefehlsänderung und iterative Aktualisierung. In der in 5 dargestellten Ausführungsform wird die Drehmomentänderung unter Verwendung eines Drehmomentaktualisierungsblocks 510 und der Iterationsnummer über den Rückführblock 530 erreicht. Der Drehmomentbefehl wird durch einen Rückführkreis kontinuierlich aktualisiert, bis die Maschinenstromgrenze erreicht ist.
Das entwickelte System gewährleistet eine optimale Nachführung der Stromtrajektorie innerhalb der vorgegebenen Maschinenstromgrenze. Immer, wenn der ursprüngliche im höher als I_m,max ist, erzeugt die vorgeschlagene Technik andere Ströme i*_d,final und I*_q,final , so dass die Maschinenstromgrenze nicht überschritten wird.
Simulationsergebnisse ohne und mit entwickeltem Maschinenstrommanagementsystem sind in 6 bzw. 7 dargestellt. Insbesondere stellt 6 Wellenformen von Drehmoment, Motorströmen, Spannungen und Batteriestrom von Simulationsergebnissen unter Verwendung traditioneller Maschinenstrommanagementtechniken dar, während 7 Wellenformen von Drehmoment, Motorströmen, Spannungen und Batteriestrom von Simulationsergebnissen darstellt, die durch Anwenden der Maschinenstrommanagementtechniken gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung erreicht werden.
Aus 7 ist ersichtlich, dass der Maschinenstrom erfolgreich auf den Maximalwert begrenzt wird, der auf I_m,max=135 A eingestellt ist. Im Vergleich zum endgültigen Drehmomentbefehl $T_{e,final}^{*}$
in 6 ohne entwickeltes Maschinenstrommanagementsystem ist der Drehmomentbefehl $T_{e,final}^{*}$
in 7 modifiziert, um andere Strombefehle zu erzeugen, so dass die gegebene Maschinenstrombegrenzung eingehalten wird. Die Ergebnisse zeigen die Wirksamkeit des entwickelten Systems zur Maschinenstrombegrenzung.
Wie hierin beschrieben, ist das vorgeschlagene System einfach online zu implementieren, gilt für alle Arten von PMSM-Maschinen, erfüllt die Strombeschränkungen unter allen Betriebsbedingungen und kann in einem Antriebssystem unabhängig von der Bewegungssteuerungsanwendung eingesetzt werden.
8 stellt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 800 zur Maschinenstrombegrenzung für Permanentmagnet-Synchronmaschinen gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung dar. Das Verfahren 800 kann in einem EPS-System 40, wie beispielsweise in 1 dargestellt, oder in einer anderen geeigneten Maschine oder Anlage implementiert werden. 8 wird nun mit Bezug auf Elemente aus 1 und/oder 5 beschrieben.
Bei Block 802 empfängt das Motorsteuerungssystem 100 einen Drehmomentbefehl. Bei Entscheidungsblock 804 bestimmt das Motorsteuerungssystem 100, ob der Drehmomentbefehl unter Berücksichtigung der verfügbaren Spannung und einer Maximalgrenze des Motorstroms erfüllt werden kann. Wird im Entscheidungsblock 804 bestimmt, dass der Drehmomentbefehl nicht erfüllt werden kann, wird der Drehmomentbefehl bei Block 806 geändert. Die Änderung kann so iterieren, dass der Drehmomentbefehl inkrementell geändert wird. Bei Entscheidungsblock 804 kann bestimmt werden, ob der geänderte Drehmomentbefehl erfüllt ist. Das Bestimmen, ob der Drehmomentbefehl bei Entscheidungsblock 804 erfüllt werden kann, kann das Vergleichen eines geschätzten Maschinenstroms mit einem maximalen Maschinenstromschwellenwert beinhalten.
Sobald bei Entscheidungsblock 804 bestimmt wurde, dass der Drehmomentbefehl erfüllt werden kann, bestimmt das Motorsteuerungssystem 100 bei Block 808 einen Mindeststrom, der den Drehmomentbefehl erfüllt. Bei Block 810 wird dann der Mindeststrom als Mindeststrombefehl an eine PMSM (z.B. die PMSM 160) gesendet, um die PMSM zu veranlassen, einen im Drehmomentbefehl (oder im modifizierten Drehmomentbefehl) angegebenen Drehmomentbetrag zu erzeugen.
Zusätzliche Prozesse können ebenfalls einbezogen werden, und es ist zu verstehen, dass der in 8 dargestellte Prozess eine Veranschaulichung darstellt und dass andere Prozesse hinzugefügt oder bestehende Prozesse entfernt, modifiziert oder neu angeordnet werden können, ohne vom Umfang und Geist der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Obwohl die vorliegende Offenbarung nur im Zusammenhang mit einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen ausführlich beschrieben wurde, sollte leicht verständlich sein, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf diese offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann die vorliegende Offenbarung dahingehend geändert werden, dass sie eine beliebige Anzahl von Variationen, Änderungen, Substitutionen oder gleichwertigen Anordnungen beinhaltet, die bisher nicht beschrieben wurden, die aber im Umfang mit der vorliegenden Offenbarung übereinstimmen. Auch wenn verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben wurden, ist zu verstehen, dass Aspekte der vorliegenden Offenbarung nur einige der beschriebenen Ausführungsformen oder Kombinationen der verschiedenen Ausführungsformen beinhalten können. Dementsprechend ist die vorliegende Offenbarung nicht als durch die vorstehende Beschreibung eingeschränkt anzusehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9531311 [0028]

Claims

System, umfassend: einen Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM); und ein Motorsteuerungssystem, das konfiguriert ist, um: einen Drehmomentbefehl zu empfangen; zu bestimmen, ob der Drehmomentbefehl basierend auf einer gegebenen Spannung und einer gegebenen Maximalgrenze des Motorstroms erfüllt werden kann; als Reaktion auf das Bestimmen, dass der Drehmomentbefehl erfüllt werden kann, einen Mindeststrom zu bestimmen, der den Drehmomentbefehl erfüllt; und den Mindeststrom als Mindeststrombefehl an den PMSM zu senden.
System nach Anspruch 1, wobei das Motorsteuerungssystem ferner konfiguriert ist, um: als Reaktion auf das Bestimmen, dass der Drehmomentbefehl nicht erfüllt werden kann, den Drehmomentbefehl zu ändern.
System nach Anspruch 2, wobei das Motorsteuerungssystem ferner konfiguriert ist, um: einen Mindeststrom zu bestimmen, der den geänderten Drehmomentbefehl erfüllt.
System nach Anspruch 3, wobei das Motorsteuerungssystem ferner konfiguriert ist, um: den Mindeststrom als Mindeststrombefehl an den PMSM zu senden, um den PMSM zu veranlassen, einen Drehmomentbetrag zu erzeugen, der im geänderten Drehmomentbefehl angegeben ist.
System nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen, ob der Drehmomentbefehl erfüllt werden kann, das Vergleichen eines geschätzten Maschinenstroms mit einem maximalen Maschinenstromschwellenwert umfasst.
Verfahren, umfassend: Empfangen eines Drehmomentbefehls und einer Spannung durch eine Verarbeitungsvorrichtung; Bestimmen eines Strombefehls durch die Verarbeitungsvorrichtung basierend auf dem Drehmomentbefehl und der Spannung; Schätzen eines Maschinenstroms durch die Verarbeitungsvorrichtung basierend auf dem Strombefehl; Bestimmen durch die Verarbeitungsvorrichtung, ob der Maschinenstrom kleiner als ein maximaler Maschinenstromschwellenwert ist; und als Reaktion auf das Bestimmen, dass der Maschinenstrom nicht größer als der maximale Maschinenstromschwellenwert ist, Senden des Maschinenstroms als Mindeststrombefehl an einen Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM).
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend: als Reaktion auf das Bestimmen, dass der Maschinenstrom größer als der maximale Maschinenstromschwellenwert ist, iteratives Aktualisieren des Drehmomentbefehls als geänderter Drehmomentbefehl, bis der Maschinenstrom nicht größer als der maximale Maschinenstromschwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend: als Reaktion auf die Aktualisierung, Senden des Maschinenstroms als Mindeststrombefehl an den PMSM, um den PMSM zu veranlassen, einen im geänderten Drehmomentbefehl angegebenen Drehmomentbetrag zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Strombefehl einen d-Achsenstrombefehl und einen q-Achsenstrombefehl umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Bestimmen des Strombefehls basierend auf dem Drehmomentbefehl und der Spannung umfasst: Durchführen eines Drehmomentbegrenzungsbetriebs auf dem Drehmomentbefehl; Durchführen eines Betriebs mit maximalem Drehmoment pro Ampere; und Durchführen eines Betriebs mit maximalem Drehmoment pro Spannung.
Motorsteuerungssystem, das konfiguriert ist, um: zu bestimmen, ob ein Drehmomentbefehl basierend auf einer gegebenen Spannung und einer gegebenen Maximalgrenze des Motorstroms erfüllt werden kann; als Reaktion auf das Bestimmen, dass der Drehmomentbefehl nicht erfüllt werden kann, iterativ den Drehmomentbefehl zu ändern, bis der Drehmomentbefehl erfüllt werden kann; und als Reaktion auf das Bestimmen, dass der geänderte Drehmomentbefehl erfüllt werden kann, einen Mindeststrom zu bestimmen, der den Drehmomentbefehl erfüllt.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 11, das ferner konfiguriert ist, um: den Mindeststrom als Mindeststrombefehl an einen Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) zu senden, um den PMSM zu veranlassen, einen im Drehmomentbefehl angegebenen Drehmomentbetrag zu erzeugen.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 11, wobei das Bestimmen, ob der Drehmomentbefehl erfüllt werden kann, das Vergleichen eines geschätzten Maschinenstroms mit einem maximalen Maschinenstromschwellenwert umfasst.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 11, wobei das iterative Ändern des Drehmomentbefehls das Reduzieren des Drehmomentbefehls basierend auf einem Drehmomentaktualisierungsfaktor ΔT und einer Iterationsnummer n umfasst.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 14, wobei die Iterationsnummer n bei jeder Iteration des iterativen Änderns inkrementiert wird.