DE102019126776A1

DE102019126776A1 - Dynamische Schätzung des Versorgungsstroms für Antriebssysteme mit Elektromotoren

Info

Publication number: DE102019126776A1
Application number: DE102019126776.5A
Authority: DE
Inventors: Prerit Pramod; Aparna Saha; Infane O. Lowe
Original assignee: Steering Solutions IP Holding Corp
Current assignee: Steering Solutions IP Holding Corp
Priority date: 2018-10-05
Filing date: 2019-10-04
Publication date: 2020-04-09
Also published as: CN111007421B; US20200112280A1; CN111007421A; US10833620B2

Abstract

Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der hierin beschriebenen technischen Lösungen beinhaltet ein exemplarisches Verfahren das Bestimmen einer Eingangsspannung (V_inv) eines Wechselrichters in einer Leistungsschaltung. Das Verfahren beinhaltet ferner das Messen eines Eingangsstroms (I_i) des Wechselrichters. Das Verfahren beinhaltet ferner das Schätzen eines Stromversorgungsstroms aus einer Stromversorgung der Leistungsschaltung basierend auf der Eingangsspannung und dem Eingangsstrom unter Verwendung eines Zustandsbeobachters und eines Anlagenmodells der Leistungsschaltung, wobei der Stromversorgungsstrom in einem nicht stationären Zustand geschätzt wird. Das Verfahren beinhaltet ferner das Durchführen eines aktiven Leistungsmanagements eines Motors, der elektrische Energie über den Wechselrichter erhält.

Description

HINTERGRUND
Elektrische Systeme, die Antriebssysteme mit Elektromotoren verwenden, wie z.B. elektrische Servolenkungssysteme (EPS-Systeme), Pumpen, Waschmaschinen, Trockner, Industrieanlagen und dergleichen, verwenden häufig fortschrittliche Algorithmen wie ein aktives Leistungsmanagement, das sich auf die Begrenzung der Versorgung (und des Regenerativstroms) der Systeme in Echtzeit bei ständig wechselnden Grenzanforderungen bezieht. Solche Techniken ermöglichen eine optimale Nutzung der Stromversorgung, wie beispielsweise einer Batterie. Das aktive Leistungsmanagement verbessert die Leistung des gesamten elektrischen Systems und den Komfort des Bedieners weiter. In Fällen, in denen ein Bediener beispielsweise das elektrische System kontinuierlich bedient, wie z.B. bei einem Fahrer, der eine EPS in einem Fahrzeug verwendet, trägt das aktive Energiemanagement zur Gesamtfahrzeugleistung und zum Komfort des Fahrers bei.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der hierin beschriebenen technischen Lösungen beinhaltet ein exemplarisches Verfahren das Bestimmen einer Eingangsspannung (V_inv ) eines Wechselrichters in einer Leistungsschaltung. Das Verfahren beinhaltet ferner das Messen eines Eingangsstroms (I_i ) des Wechselrichters. Das Verfahren beinhaltet ferner das Schätzen eines Stromversorgungsstroms aus einer Stromversorgung der Leistungsschaltung basierend auf der Eingangsspannung und dem Eingangsstrom unter Verwendung eines Zustandsbeobachters und eines Anlagenmodells der Leistungsschaltung, wobei der Stromversorgungsstrom in einem nicht stationären Zustand geschätzt wird. Das Verfahren beinhaltet ferner das Durchführen eines aktiven Leistungsmanagements eines Motors, der elektrische Leistung über den Wechselrichter erhält.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet eine Vorrichtung eine Stromversorgung, einen Wechselrichter, eine Leistungseingangsschaltung und einen Prozessor, der einen Stromversorgungsstrom aus der Stromversorgung schätzt. Die Schätzung wird unter Verwendung eines Verfahrens durchgeführt, welches das Bestimmen einer Eingangsspannung (V_inv ) eines Wechselrichters in einer Leistungsschaltung beinhaltet. Das Verfahren beinhaltet ferner das Messen eines Eingangsstroms (I_i ) des Wechselrichters. Das Verfahren beinhaltet ferner das Schätzen eines Stromversorgungsstroms aus einer Stromversorgung der Leistungsschaltung basierend auf der Eingangsspannung und dem Eingangsstrom unter Verwendung eines Zustandsbeobachters und eines Anlagenmodells der Leistungsschaltung, wobei der Stromversorgungsstrom in einem nicht stationären Zustand geschätzt wird. Das Verfahren beinhaltet ferner das Durchführen eines aktiven Leistungsmanagements eines Motors, der elektrische Leistung über den Wechselrichter erhält.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet ein Lenksystem einen Wechselrichter, eine Leistungseingangsschaltung und einen Prozessor, der einen Stromversorgungsstrom aus der Stromversorgung schätzt. Die Schätzung wird unter Verwendung eines Verfahrens durchgeführt, welches das Bestimmen einer Eingangsspannung (V_inv ) eines Wechselrichters in einer Leistungsschaltung beinhaltet. Das Verfahren beinhaltet ferner das Messen eines Eingangsstroms (I_i ) des Wechselrichters. Das Verfahren beinhaltet ferner das Schätzen eines Stromversorgungsstroms aus einer Stromversorgung der Leistungsschaltung basierend auf der Eingangsspannung und dem Eingangsstrom unter Verwendung eines Zustandsbeobachters und eines Anlagenmodells der Leistungsschaltung, wobei der Stromversorgungsstrom in einem nicht stationären Zustand geschätzt wird. Das Verfahren beinhaltet ferner das Durchführen eines aktiven Leistungsmanagements eines Motors, der elektrische Leistung über den Wechselrichter erhält.
Diese und andere Vorteile und Merkmale werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen 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 eine exemplarische Ausführungsform eines EPS-Systems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ist;
2 ein Blockschaltbild einer Leistungsschaltung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ist;
3 eine Größenaufzeichnung einer oder mehrerer Übertragungsfunktionen einer Leistungsschaltung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen darstellt;
4 ein vereinfachtes Modell der Leistungsschaltung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen darstellt;
5 eine Struktur und einen Datenfluss für einen Zustandsbeobachter gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen darstellt;
6 ein Flussdiagramm für ein exemplarisches Verfahren zum Schätzen des Versorgungsstroms und zum Durchführen einer oder mehrerer Operationen unter Verwendung des geschätzten Versorgungsstroms gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen darstellt; und
7 ein Beispiel für ein Steuermodul eines Motorsteuerungssystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Typischerweise wird in den meisten bestehenden Systemen ein aktives Leistungsmanagement durch stationäre Schätzung eines Versorgungsstroms durchgeführt, d.h. des elektrischen Stroms, der von einer Stromversorgung empfangen wird, die elektrische Leistung für ein elektrisches System bereitstellt. Wenn der Strom an einem Punkt in der elektrischen Schaltung des Systems im Wesentlichen konstant ist (sich nicht mit der Zeit ändert), wird er als stationärer Strom bezeichnet. Im stationären Zustand ist der Strom (oder die Ladung), der in einen beliebigen Punkt in der elektrischen Schaltung des Systems hineinfließt, im Wesentlichen gleich dem Strom (oder der Ladung), der aus diesem Punkt herausfließt. Typischerweise kann ein Beobachter (ein Zustandsschätzer) verwendet werden, um den stationären Versorgungsstrom zu schätzen.
Zur Durchführung eines aktiven Leistungsmanagements ist zumindest in einigen Fällen nicht nur die stationäre Leistung oder der stationäre Strom auf einen bestimmten Wert zu begrenzen, sondern auch die Dynamik des Versorgungsstroms einzuschränken oder zu begrenzen. Die hierin erwähnte „Dynamik des Versorgungsstroms“ beinhaltet die Versorgungsstrommessungen zwischen zwei aufeinanderfolgenden stationären Messungen. Das Messen des Versorgungsstroms in so einem dynamischen Zustand ist eine technische Herausforderung, denn in solchen Fällen ist es wünschenswert, eine Schätzung des Versorgungsstroms in Echtzeit zu erhalten. Bestehende Lösungen zur Erzielung einer solchen dynamischen Messung verwenden einen Stromsensor zur Messung des Versorgungsstroms in Echtzeit. Obwohl die direkte Messung aus Sicht der Genauigkeit wünschenswert ist, verursacht sie Kosten für das elektrische System.
Die hierin beschriebenen technischen Lösungen stellen sich der technischen Herausforderung, indem sie eine beobachterbasierte Schätzung des Versorgungsstroms liefern, die den Versorgungsstrom auch im dynamischen Zustand (nicht-stationären Zustand) ohne zusätzliche Kosten für einen Stromsensor schätzen kann.
Unter Bezugnahme 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 der 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) und einen Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen. Wie festzustellen ist, können die nachfolgend beschriebenen Teilmodule kombiniert und/oder weiter unterteilt werden.
Unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen die technischen Lösungen mit Bezug auf spezielle Ausführungsformen beschrieben werden, ohne diese einzuschränken, ist 1 eine exemplarische Ausführungsform einer EPS 40, die zur Umsetzung der offenbarten Ausführungsformen geeignet ist. Es ist zu beachten, dass, obwohl die technischen Lösungen zur dynamischen Schätzung des Versorgungsstroms für Antriebssysteme mit Elektromotoren hierin mit Bezug auf die EPS 40 beschrieben werden, die technischen Lösungen in jedem anderen elektrischen System verwendet werden können, das einen elektromotorischen Antrieb verwendet, und nicht auf eine EPS beschränkt sind.
In 1 ist der Lenkmechanismus 36 ein System mit Zahnstange und Ritzel und beinhaltet eine Zahnstange (nicht dargestellt) in einem Gehäuse 50 und ein Ritzel (auch nicht dargestellt) unter einem Getriebegehäuse 52. Beim Drehen der Bedienereingabe, im Folgenden als Lenkrad 26 (z.B. Handrad und dergleichen) bezeichnet, dreht 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 ist dargestellt) bewegt, welche wiederum Lenkungsachsschenkel 39 (nur einer ist dargestellt) bewegen, die ein oder mehrere lenkbare Räder 44 (nur eines ist dargestellt) drehen bzw. einschlagen.
Die Unterstützung der elektrischen Servolenkung wird durch die Allgemein durch Bezugszeichen 24 bezeichnete Steuervorrichtung bereitgestellt, welche die Steuerung 16 und eine elektrische Maschine 19 beinhaltet, die ein Permanentmagnet-Synchronmotor sein könnte, und im Folgenden als Motor 19 bezeichnet wird. Die Steuerung 16 wird von der Fahrzeugstromversorgung 10 über eine Leitung 12 mit Strom versorgt. Die Steuerung 16 empfängt ein für die Fahrzeuggeschwindigkeit repräsentatives Fahrzeuggeschwindigkeitssignal 14 von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 17. Der Lenkwinkel wird durch einen Positionssensor 32 gemessen, der ein optischer Codiersensor, ein Sensor mit variablem Widerstand oder ein anderer geeigneter Typ von Positionssensor sein kann und der Steuerung 16 ein Positionssignal 20 liefert. Die Motorgeschwindigkeit kann mit einem Drehzahlmesser oder einer anderen Vorrichtung gemessen und als Motorgeschwindigkeitssignal 21 an die Steuerung 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, gemessen von einem Positionssensor 32 über ein vorgegebenes Zeitintervall. Die Motordrehzahl ω_m kann beispielsweise 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 Verfahren 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 variablen Widerstandssensor (auch nicht dargestellt) beinhalten, der ein variables Drehmomentsignal 18 an die Steuerung 16 in Abhängigkeit von der Verdrehung des Torsionsstabes ausgibt. Obwohl es sich hierbei um eine Art von Drehmomentsensor handelt, genügt jede andere geeignete Drehmomentsensorvorrichtung, die mit bekannten Signalverarbeitungstechniken verwendet wird. Als Reaktion auf die verschiedenen Eingaben sendet die Steuerung einen Befehl 22 an den Elektromotor 19, der über eine Schnecke 47 und ein Schneckenrad 48 die Drehmomentunterstützung für das Lenksystem bereitstellt und Drehmomentunterstützung für die Fahrzeuglenkung bereitstellt.
Es ist zu beachten, dass die offenbarten Ausführungsformen zwar unter Bezugnahme auf die Motorsteuerung für elektrische Lenkanwendungen beschrieben werden, jedoch ist zu beachten, 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, wenn hierin auf elektrische Maschinen Bezug genommen wird, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Motoren, im Folgenden aus Gründen der Kürze und Einfachheit nur ohne Einschränkung auf Motoren Bezug genommen wird.
In dem dargestellten Steuerungssystem 24 verwendet die Steuerung 16 das Drehmoment, die Position, die Drehzahl und dergleichen, um einen oder mehrere Befehle zu berechnen, um die erforderliche Ausgangsleistung zu liefern. Die Steuerung 16 ist in Verbindung mit den verschiedenen Systemen und Sensoren des Motorsteuerungssystems angeordnet. Die Steuerung 16 empfängt Signale von jedem der Systemsensoren, quantifiziert die empfangenen Informationen und stellt daraufhin ein oder mehrere Ausgangsbefehlssignale bereit, in diesem Fall beispielsweise an den Motor 19. Die Steuerung 16 ist konfiguriert, um die entsprechende(n) Spannung(en) aus dem Wechselrichter 11 zu entwickeln, der optional in die Steuerung 16 integriert werden kann. Wenn die Spannung an den Motor 19 angelegt wird, wird das gewünschte Drehmoment oder die gewünschte Position erzeugt. In einem oder mehreren Beispielen arbeitet die Steuerung 24 in einem Steuerungsmodus mit Rückkopplung, 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 sich diese Spannungen auf die Position und Drehzahl des Motors 19 und das gewünschte Drehmoment beziehen, 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 beinhalten Potentiometer, Resolver, Synchros, Geber und dergleichen sowie Kombinationen, die mindestens einen der vorgenannten 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 sind ein oder mehrereTemperatursensoren 23 an der elektrischen Maschine 19 angeordnet. Vorzugsweise ist der Temperatursensor 23 konfiguriert, um die Temperatur des Sensorabschnitts des Motors 19 direkt zu messen. Der Temperatursensor 23 sendet ein Temperatursignal 25 an die Steuerung 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.
Unter anderem werden das Positionssignal 20, das Geschwindigkeitssignal 21 und ein oder mehrere Drehmomentsignale 18 an die Steuerung 16 angelegt. Die Steuerung 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 beschriebenen Algorithmen zur Verfügung stehen. Messsignale, wie die oben genannten, werden im Allgemeinen auch 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 zeitbasierte Kompensation und Filterung eingesetzt werden, um Rauschen zu eliminieren oder unerwünschte spektrale Eigenschaften zu vermeiden.
Um die beschriebenen Funktionen und die gewünschte Verarbeitung sowie die damit verbundenen Berechnungen (z.B. die Identifizierung von Motorparametern, Regelalgorithmen und dergleichen) durchzuführen, kann die Steuerung 16 ohne Einschränkung einen oder mehrere Prozessoren, Computer, DSP(s), Arbeitsspeicher, Massenspeicher, Register, Zeitgeber, Interrupt(s), Kommunikationsschnittstelle(n), Ein-/Ausgabesignalschnittstellen und dergleichen sowie Kombinationen aus mindestens einer der vorgenannten Komponenten beinhalten. So kann beispielsweise die Steuerung 16 eine Eingangssignalverarbeitung und -filterung beinhalten, um eine genaue Abtastung und Umwandlung oder Erfassung solcher Signale von Kommunikationsschnittstellen zu ermöglichen. Es ist zu beachten, dass, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, die eine oder die mehreren hierin beschriebenen Operationen, Merkmale und/oder Verfahren von der Steuerung 16 über eine oder mehrere der anderen Komponenten der EPS 40 implementiert werden. Zusätzliche Merkmale der Steuerung 16 und bestimmter Prozesse darin werden zu einem späteren Zeitpunkt hierin erläutert.
Im Allgemeinen ist die Regelkreisdynamik des Versorgungsstroms im EPS-System 40 nicht nur vom EPS-System 40 abhängig, sondern auch von der Dynamik der Fahrzeugbatterie 10 sowie von den verschiedenen Komponenten, die Leistung aus dem Fahrzeug-Energienetz beziehen, z.B. ein aktives Bremssystem, ein Mediensystem, ein Klimaanlagensystem und verschiedene andere Komponenten im Fahrzeug. Aus der Sicht des EPS-Systems 40 kann der Versorgungsstrom am Komponenteneingang durch die Verwendung eines Modells einer Leistungseingangsschaltung zusammen mit einer Messung einer Eingangsspannung erhalten werden. Die Leistungseingangsschaltung beinhaltet eine Gleichtaktdrosselspulen-Induktivität, ein RC-Filter und andere derartige Mess- und Schutzschaltungen. Dementsprechend stellen die hierin beschriebenen technischen Lösungen ein dynamisches Modell der Leistungseingangsschaltung und des Beobachters bereit, der verwendet wird, um daraus den Versorgungsstrom zu schätzen. Es ist zu beachten, dass in Ausführungsformen des hierin beschriebenen Beobachters die Modelle für die beschriebenen Leistungseingangsschaltungen durch verschiedene, für die elektrische Maschine spezifische Modelle erweitert bzw. ersetzt werden können, für die der Versorgungsstrom geschätzt wird. Dementsprechend beschränkt sich die hierin beschriebene, auf Beobachtern basierende dynamische Versorgungsstromschätzung nicht auf die hierin beschriebenen Modelle der Leistungseingangsschaltung, die nur einige wenige Beispiele sind.
Weiterhin wird in der einen oder den mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen der dynamisch geschätzte Versorgungsstrom zur Durchführung einer oder mehrerer Operationen des EPS-Systems 40 verwendet. In anderen Beispielen kann der geschätzte Versorgungsstrom jedoch je nach Typ des elektrischen Systems andere Anwendungen als die hierin beschriebenen aufweisen. Dementsprechend sind die hierin beschriebenen technischen Lösungen nicht darauf beschränkt, den geschätzten dynamischen Versorgungsstrom nur im Rahmen von EPS-Systemen zu verwenden.
2 ist ein Blockdiagramm einer Leistungseingangsschaltung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Die Leistungseingangsschaltung 100 beinhaltet mehrere verschiedene Hardwarekomponenten für verschiedene Zwecke, die das Filtern von Signalen, die vom Mikrocontroller verwendet werden, Spannungsregelung, Schaltungsschutz usw. beinhalten. Die Leistungseingangsschaltung 100 filtert unerwünschte Signale heraus und eliminiert hochfrequentes Rauschen aus der Stromversorgung 10, z.B. der Batteriespannung (V_bat ), um die Wechselrichterspannung (V_inv ) am Eingang des Wechselrichters 11 bereitzustellen. In 2 sind nur einige dieser Komponenten dargestellt. So sind beispielsweise die dargestellten Komponenten diejenigen, die zum Schätzen der Versorgungsstromdynamik gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen verwendet werden. Während die tatsächliche Leistungseingangsschaltung 100 viel komplexer ist als dargestellt, haben die Auswirkungen der verschiedenen Komponenten, die nicht in 2 enthalten sind, wenig bis gar keinen Einfluss auf die Versorgungsstromdynamik und werden daher im Modell nicht verwendet.
Wie dargestellt beinhalten die dargestellten Komponenten, um die Batteriespannung Vbat in die Eingangsspannung V_inv des Wechselrichters umzuwandeln, Eingangsfilterkondensatoren (C₁ und C₂ ) 110, eine Gleichtaktdrossel 120, einen Verpolungsschutz-Feldeffekttransistor (FET) 130, einen Strommesswiderstand 150 und einen Volumenkondensator 160. Es ist zu beachten, dass bei Induktivitäten und Kondensatoren auch die Eigenwiderstände dargestellt sind.
Ein analytisches Modell der Leistungsschaltung 100, das mindestens die oben genannten dynamischen Elemente beinhaltet, ist komplex, da das Modell mehrere Zustände (Strom und Spannungen über den dynamischen Elementen) beinhaltet. Die Verwendung eines solchen analytischen Modells zur Berechnung einer oder mehrerer Wertschätzungen ist insbesondere in Echtzeitanwendungen unpraktisch. Zum Beispiel ist nachfolgend ein Ausdruck für eine Wechselrichtereingangsspannung V_inv für die Leistungsschaltung 100 in Bezug auf die Batteriespannung Vbat und den Wechselrichterstrom (I_i ) unter Verwendung des analytischen Modells aufgeführt. $V_{i n v} = H_{1} V_{b a t} + H_{2} I_{i}$
wobei H₁ die Übertragungsfunktion ist, die die Wechselrichtereingangsspannung mit der Batteriespannung in Beziehung setzt, und die Übertragungsfunktion H₂ die Wechselrichtereingangsspannung und den Wechselrichterstrom in Beziehung setzt. Die Spannungsübertragungsfunktion (H₁ ) für die Leistungseingangsschaltung 100 ist in einem oder mehreren Beispielen nachfolgend dargestellt. $H_{1} = \frac{\frac{s R_{c_{3}} C_{3} + 1}{s C_{3}}}{[(R_{L_{1}} + s (L_{1} - M) + R_{L_{2}} + s (L_{2} - M)) (1 + \frac{R_{M} + \frac{s R_{c_{3}} C_{3} + 1}{s C_{3}}}{\frac{s R_{c_{2}} C_{2} + 1}{s C_{2}}}) + (R_{M} + \frac{s R_{c_{3}} C_{3} + 1}{s C_{3}})]}$
Für die Konzeption und Implementierung eines praktischen Versorgungsstrombeobachters muss die Komplexität des Modells vereinfacht werden. Zu diesem Zweck wird ein vereinfachtes Modell bestimmt. Die Bestimmung des vereinfachten Modells beinhaltet eine Studie (von einem) der Frequenzgänge des EPS-Systems 40, um die Auswirkungen der verschiedenen Komponenten auf die Systemdynamik zu verstehen. Die unten dargestellten Frequenzgänge vergleichen den komplexen Frequenzgang des Systems mit verschiedenen Frequenzgängen, die durch das Entfernen einer Komponente nach der anderen erzeugt werden.
3 stellt eine Größenaufzeichnung 201 von einer oder mehreren Übertragungsfunktionen der Leistungseingangsschaltung dar, die gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen V_bat in V_inv umwandelt. So wird beispielsweise eine Frequenzgangaufzeichnung 210 angezeigt, wenn die Leistungseingangsschaltung alle Komponenten aus 2 beinhaltet. Die Frequenzgangaufzeichnung 220 liegt vor, wenn die Filterkondensatoren 110 nicht in die Leistungseingangsschaltung einbezogen sind. Die Frequenzgangaufzeichnung 230 liegt vor, wenn der Verpolungsschutz-FET 130 nicht in der Leistungseingangsschaltung enthalten ist. Die Frequenzgangaufzeichnung 240 liegt vor, wenn der Strommesswiederstand 150 nicht in der Leistungseingangsschaltung 100 enthalten ist. Die Frequenzgangaufzeichnung 250 liegt vor, wenn mehrere Komponenten wie Filterkondensatoren 110, Verpolungsschutz-FET 130 und Strommesswiderstand 150 nicht in der Leistungseingangsschaltung enthalten sind.
Aus der Größenaufzeichnung 201 ist ersichtlich, dass alle Komponenten mit Ausnahme der Gleichtaktdrossel 120, des Volumenkondensators 160 und der verschiedenen Widerstände, die zu äquivalenten seriellen und parallelen Widerständen zusammengefasst sind, praktisch keinen Einfluss auf die Frequenzgänge und damit auf die Dynamik des Systems aufweisen. Dementsprechend vereinfachen die hierin enthaltenen technischen Lösungen das Modell der Leistungseingangsschaltung so, dass es nur die Drossel 120 und den Volumenkondensator 160 enthält, um die Dynamik der Leistungseingangsschaltung zu modellieren. In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet das Modell auch die unterschiedlichen zusammengefassten Widerstände der Leistungseingangsschaltung.
4 stellt ein vereinfachtes Modell der Leistungseingangsschaltung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar. Hier wird ein erster Widerstand (R_i) 410 verwendet, um einen Widerstand der Gleichtaktdrossel 120 und einige Leiterbahnwiderstände zu ersetzen. Der erste Widerstand (R_i) 410 kann einen Wert aufweisen, der basierend auf einem oder mehreren Widerstandswerten der Gleichtaktdrossel 120, die in Reihe, parallel oder einer Kombination davon verbunden sind, berechnet wird. So werden beispielsweise in der in 2 dargestellten Leistungseingangsschaltung 100 die Widerstände (R_L1 und R_L2 ) der Gleichtaktdrossel 120 als in Reihe geschaltet betrachtet.
In ähnlicher Weise kann eine erste Induktivität (L) 420 einen Wert aufweisen, der basierend auf einem oder mehreren Induktivitätswerten der Gleichtaktdrossel 120 berechnet wird. Der Wert für die erste Induktivität 420 kann basierend auf den Induktivitäten in der Gleichtaktdrossel 120 berechnet werden, die parallel, in Reihe oder in einer Kombination daraus verbunden sind.
Weiterhin wird ein zweiter Widerstandswert (R_C) 430 basierend auf einem Widerstand des Volumenkondensators 160 bestimmt. Eine Kapazität (C) 440 wird basierend auf einer Kapazität des Volumenkondensators 160 bestimmt.
Wie aus einem Vergleich der Leistungsschaltung 300 (4) und der Leistungseingangsschaltung (2) ersichtlich ist, reduziert das vereinfachte Modell die Komplexität des für die Schätzung des Versorgungsstroms zu verwendenden Modells, indem es die anderen Komponenten als den Volumenkondensator 160 und die Gleichtaktdrossel 120 der Leistungseingangsschaltung aus der Betrachtung eliminiert. Mit anderen Worten werden die Auswirkungen der Eingangsfilterkondensatoren (C₁ und C₂ ) 110, des Verpolungsschutz-FET 130 und des Strommesswiderstands 150 bei der Berechnung des geschätzten Versorgungsstroms (I_s ) nicht berücksichtigt.
Ebenso kann auch die Wechselrichtereingangsspannung V_inv für die Leistungseingangsschaltung 300 des vereinfachten Systems in Form der Batteriespannung Vbat und des Wechselrichterstroms (I_i ) wie unten beschrieben ausgedrückt werden. $V_{i n v} = H_{3} V_{b a t} + H_{4} I_{i}$
Hier ist H3 die Übertragungsfunktion, die die Wechselrichtereingangsspannung mit der Batteriespannung in Beziehung setzt, und die Übertragungsfunktion H₄ setzt die Wechselrichtereingangsspannung in Beziehung mit dem Wechselrichterstrom der Leistungseingangsschaltung 300 des vereinfachten Modells. Die Ausdrücke für die Spannungsübertragungsfunktion (H₃) und für die Übertragungsfunktion H₄ der Leistungseingangsschaltung 300 sind gemäß einem oder mehreren Beispielen im Folgenden aufgeführt. $H_{3} = \frac{s R_{c} C + 1}{(s L + R_{c} + R_{i}) s C + 1}$
$H_{4} = - \frac{(s R_{c} C + 1) (s L + R_{i})}{(s L + R_{c} + R_{i}) s C + 1}$
Die Vorteile der Verwendung des vereinfachten Modells umfassen, dass der geschätzte Versorgungsstrom auch für die Dynamik im Wesentlichen in Echtzeit berechnet werden kann und dass im Vergleich zum Modell in Gleichung (1) weniger Rechenressourcen benötigt werden. Ein optimales Modell erhält man, wenn die unter Verwendung des vereinfachten Modells (Gleichung (3)) berechnete Signalschätzung im Wesentlichen die gleiche ist wie die aus dem komplexen Modell (Gleichung (1)). Die Übertragungsfunktion von der Eingangsspannung Vbat zum Schätzen des Versorgungsstroms I_s für das vereinfachte Modell der Leistungseingangsschaltung 300 ist nachfolgend dargestellt. $I_{s} = \frac{s C}{(s L + R_{c} + R_{i}) s C + 1} V_{b a t} + \frac{s R_{c} C + 1}{(s L + R_{c} + R_{i}) s C + 1} I_{i}$
Der Ausdruck für die Versorgungsstromschätzung in Gleichung (6) als Funktion der Batterieeingangsspannung (V_bat ) und des Wechselrichterstroms (I_i ) ist jedoch eine der Vereinbarungen. Der Versorgungsstrom kann auch in Bezug auf eine der beiden Spannungen und/oder Ströme der vereinfachten Leistungseingangsschaltung 300 geschätzt werden.
Hier stellt s einen Ableitungsterm (Laplace-Term) dar. Der Ableitungsterm wird zur Berechnung des Versorgungsstroms verwendet. In einem oder mehreren Beispielen kann die Berechnung des Versorgungsstroms mit Hilfe von zeitkontinuierlichen Verfahren durchgeführt und dann diskretisiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Versorgungsstromberechnung direkt im diskreten Bereich gestaltet werden. Die zeitkontinuierliche Ableitung kann wie folgt in diskreter Zeit (z-Bereich) implementiert werden, z.B. durch Verwendung der Tustin-Approximation (oder anderer Techniken). $s = \frac{2}{T_{s}} \frac{1 - z^{- 1}}{1 + z^{- 1}}$
Hier ist T_s die Abtastzeit eines diskreten Regelkreises. Es ist zu beachten, dass die approximierte Ableitung auf andere Weise implementiert werden kann, unter anderem durch Änderung der zeitkontinuierlichen Approximation, durch Verwendung verschiedener zeitdiskreter Approximationen der zeitkontinuierlichen Äquivalente oder durch direktes Gestalten des Ableitungsterms im diskreten Bereich.
Ein Schätzer des Versorgungsstroms (I_s ) kann auf verschiedene Weise gestaltet werden. In einem oder mehreren Beispielen wird beispielsweise die Übertragungsfunktion direkt invertiert, was zu einer dynamischen Vorsteuerungs-Schätzung führt. Eine zweite Methode ist die Verwendung eines Zustandsschätzers mit geschlossenem Regelkreis. Unabhängig davon, wie die Schätzung durchgeführt wird, ob mit Hilfe der Vorsteuerungs-Schätzung oder mit Hilfe einer Schätzung mit geschlossenem Regelkreis, wird ein gemeinsamer Rahmen verwendet, in dem ein Rückkopplungsanteil des Zustandsschätzers auf Null gesetzt wird, was zum Vorsteuerungsschätzer führt. Für beide Schätzverfahren ist das Anlagenmodell der Leistungseingangsschaltung 100 im Zustandsraum die Grundlage, wie unten dargestellt. $\begin{matrix} \dot{x} = A x + B u + E d \\ y = F x + D u \end{matrix}}$
wobei x ein Zustandsvektor ist, der Werte des aktuellen Zustands der Leistungseingangsschaltung enthält, u ein Eingangsvektor ist, der messbare (und steuerbare) Eingänge in die Leistungseingangsschaltung beinhaltet, und d ein Störvektor mit messbaren Werten ist, die nicht steuerbar und typischerweise nichtlinear sind. Weiterhin ist y ein Ausgangsvektor, der auf dem aktuellen Zustand ̇ẋ der Leistungseingangsschaltung basiert. A, B, F, D und E sind konfigurierbare Matrizen, die zum Modellieren der Leistungseingangsschaltung eingerichtet sind. In einem oder mehreren Beispielen ist die Störung vernachlässigbar und kann für Berechnungszwecke ignoriert werden. Dementsprechend können die Matrizen A, B, F und E wie folgt konfiguriert werden, um den geschätzten Versorgungsstrom (_ls) zu berechnen. $\begin{matrix} [\begin{matrix} {\dot{I}}_{s} \\ {\dot{V}}_{i n v} \end{matrix}] = [\begin{matrix} - \frac{R_{i} + R_{c}}{L} & - \frac{1}{L} \\ \frac{1}{C} & 0 \end{matrix}] [\begin{matrix} I_{s} \\ V_{i n v} \end{matrix}] + [\begin{matrix} \frac{1}{L} & \frac{R_{c}}{L} \\ 0 & - \frac{1}{C} \end{matrix}] [\begin{matrix} V_{b a t} \\ I_{i} \end{matrix}] \\ [V_{i n v}] = [\begin{matrix} R_{c} & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} I_{s} \\ V_{i n v} \end{matrix}] + [\begin{matrix} 0 & - R_{c} \end{matrix}] [\begin{matrix} V_{b a t} \\ I_{i} \end{matrix}] \end{matrix}}$
In einem oder mehreren Beispielen können die Matrizen A, B, F und E vorkonfiguriert sein. Da die aktuellen Ausgänge der Anlage und ihr zukünftiger Zustand beide auf der Grundlage der aktuellen Zustände und der aktuellen Eingänge bestimmt werden, wird die Ausgabe der Anlage y(k) verwendet, um den Zustand des Zustandsbeobachters zu steuern.
In diesem Fall wird der Wechselrichterstrom (I_i ) als Eingang in das EPS-System 40 zum Zwecke der Anlagenmodellierung für den Beobachterentwurf modelliert. Der Wechselrichterstrom kann typischerweise durch Division der elektrischen Leistungsaufnahme des Motors durch die Wechselrichterspannung erhalten werden. Der Beobachterentwurf kann unter Verwendung der Zustandsschätzungstechniken durchgeführt werden, die linear oder nichtlinear sein können.
5 stellt eine Struktur und einen Datenfluss für einen Zustandsbeobachter gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar. Der Zustandsbeobachter 510 arbeitet so, dass $\hat{\dot{x}} = A \hat{x} + Bu + G [y - \hat{y}],$
wobei G eine Beobachterverstärkungsmatrix mit konfigurierbaren Parametern ist und (ym-y) einen Fehler ê darstellt, der eine Differenz zwischen dem Versorgungsstrom und der Schätzung ŷ des Versorgungsstroms vom Zustandsbeobachter 510 ist. Die Parameter in G werden mit Abstimmungstechniken abgestimmt, wie linear quadratische Gaußsche Regelung (LQG), Polplatzierung und dergleichen oder einer Kombination daraus.
Somit ist der Zustandsbeobachter 510 ein Beobachter mit geschlossenem Regelkreis, der eine Schätzung x̂(k) des Zustands x(k) zu jedem Zeitpunkt k durch Messung der Ausgabe y(k) und der Eingabe u(k) berechnet. So verwendet der Zustandsbeobachter 510 beispielsweise die Beobachterverstärkungsmatrix G so, dass beim Empfangen aufeinanderfolgender Messwerte der Ein- und Ausgänge der Anlage der Zustand des Modells mit dem der Anlage konvergiert (d.h. die Größe von ê liegt unter einem vorgegebenen Schwellenwert, wie beispielsweise 0,1, 0,001 oder dergleichen; im Wesentlichen 0). Beispielsweise wird die Ausgabe ŷ des Zustandsbeobachters 510 von der Ausgabe y der Anlage subtrahiert und dann mit der Verstärkungsmatrix G multipliziert. Das Ergebnis wird dann addiert, um die Schätzung x̂ zu berechnen.
Es sei darauf hingewiesen, dass auch andere Arten von Zustandsbeobachtern eingesetzt werden können. So kann beispielsweise ein linearer Zustandsschätzer, wie z.B. ein Luenberger-Beobachter, ein Kalman-Filter und dergleichen verwendet werden. Ein Beispiel für einen linearen Zustandsschätzer ist: $\hat{\dot{x}} = A \hat{x} + B u + G (y - \hat{y}) = (A - G F) \hat{x} + (B - G D) u + G y$
Alternativ oder zusätzlich kann der Zustandsbeobachter 510 eine zeitdiskrete (digitale) Implementierung oder jede andere Art von Beobachtermodell verwenden, um die Wechselrichterspannung zu schätzen.
Die Verstärkungsmatrix G des Beobachters kann mit einer der Techniken wie Polplatzierung, lineare quadratische Schätzung usw. abgestimmt werden. Weiterhin kann die Diskretisierung des oben beschriebenen zeitkontinuierlichen Beobachters auch für die Zwecke der digitalen Implementierung in einem Mikrocontroller durchgeführt werden. Alle bekannten Diskretisierungstechniken und direkten zeitdiskreten Beobachterentwürfe können für die digitale Implementierung verwendet werden.
Der Beobachter kann experimentell validiert werden, indem die Versorgungsstromschätzung des dynamischen Vorsteuerungsbeobachters mit dem gemessenen Versorgungsstrom verglichen wird. Solche durchgeführten Validitätsexperimente haben gezeigt, dass das hierin beschriebene vereinfachte Anlagenmodell der Leistungseingangsschaltung im Wesentlichen die gleiche Genauigkeit bei der Erfassung der dynamischen Schwankungen des Versorgungsstroms aufweist wie die komplexere Version.
6 stellt ein Flussdiagramm für ein exemplarisches Verfahren zum Schätzen des Versorgungsstroms und zum Durchführen einer oder mehrerer Operationen mit dem geschätzten Versorgungsstrom gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar. Das Verfahren beinhaltet das Bestimmen der Versorgungsspannung (V_bat ) bei 610. Weiterhin beinhaltet das Verfahren das Bestimmen eines geschätzten Versorgungsstroms (I_s ) unter Verwendung der Versorgungsspannung und eines Modells der Leistungseingangsschaltung bei 620. So wird beispielsweise der geschätzte Versorgungsstrom nach Gl. (6) berechnet.
Das Verfahren beinhaltet bei 630 ferner die Verwendung des geschätzten Versorgungsstroms (I_s ) für das aktive Leistungsmanagement im EPS-System 40. In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet das aktive Leistungsmanagement das Einstellen eines Strom-/Drehmomentbefehls, der dem Motor 19 des EPS-Systems 40 zur Verfügung gestellt wird, um einen Drehmomentbetrag einzustellen, der vom Motor erzeugt wird. In einem oder mehreren Beispielen kann der Drehmomentbetrag ein Hilfsmoment sein, das einem Bediener vom EPS-System 40 zur Verfügung gestellt wird.
7 veranschaulicht ein Beispiel für das Steuermodul 40 eines Motorsteuerungssystems gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Das Steuermodul 40 beinhaltet Hardware, wie beispielsweise elektronische Schaltungen, zum Beispiel einen Mikroprozessor, eine elektronische Steuereinheit (ECU) und dergleichen. In einem oder mehreren Beispielen implementiert das Steuermodul 40 die hierin beschriebenen Ausführungsformen.
Das Steuermodul 40 beinhaltet unter anderem einen Prozessor 705, einen Arbeitsspeicher 710, der mit einem Speichercontroller 715 gekoppelt ist, und eine oder mehrere Eingabevorrichtungen 745 und/oder Ausgabevorrichtungen 740, wie beispielsweise Peripherie- oder Steuervorrichtungen, die über einen lokalen Eingabe-Ausgabe-(I/O)-Controller 735 kommunikativ gekoppelt sind. Diese Vorrichtungen 740 und 745 können beispielsweise Batteriesensoren, Positionssensoren, Anzeige-/Identifizierungsleuchten und dergleichen beinhalten. Eingabevorrichtungen wie eine herkömmliche Tastatur 750 und eine Maus 755 können mit dem I/O-Controller 735 gekoppelt werden. Der I/O-Controller 735 kann beispielsweise aus einem oder mehreren Bussen oder anderen drahtgebundenen oder drahtlosen Verbindungen bestehen, wie sie in der Technik bekannt sind. Der I/O-Controller 735 kann zusätzliche Elemente aufweisen, die zur Vereinfachung weggelassen wurden, wie z.B. Controller, Puffer (Caches), Treiber, Repeater und Empfänger, um die Kommunikation zu ermöglichen.
Die I/O-Vorrichtungen 740, 745 können ferner Vorrichtungen beinhalten, die sowohl Ein- als auch Ausgaben kommunizieren, zum Beispiel Platten- und Bandspeicher, eine Netzwerkschnittstellenkarte (NIC) oder einen Modulator/Demodulator (zum Zugriff auf andere Dateien, Vorrichtungen, Systeme oder ein Netzwerk), einen Hochfrequenz- (HF-) oder einen anderen Sender-Empfänger, eine Telefonieschnittstelle, eine Bridge, einen Router und dergleichen.
Der Prozessor 705 ist eine Hardwarevorrichtung zum Ausführen von Hardwarebefehlen oder Software, insbesondere der im Arbeitsspeicher 710 gespeicherten. Der Prozessor 705 kann ein kundenspezifischer oder kommerziell verfügbarer Prozessor, eine Zentraleinheit (CPU), ein Hilfsprozessor unter mehreren dem Steuermodul 40 zugeordneten Prozessoren, ein halbleiterbasierter Mikroprozessor (in Form eines Mikrochips oder Chipsatzes), ein Makroprozessor oder eine andere Vorrichtung zur Ausführung von Anweisungen sein. Der Prozessor 705 beinhaltet einen Cache 770, der unter anderem einen Befehlscache zur Beschleunigung des Abrufs ausführbarer Anweisungen, einen Datencache zur Beschleunigung des Abrufs und Speicherns von Daten und einen Translation Lookaside Buffer (TLB) zur Beschleunigung der Übersetzung von virtuellen in physikalische Adressen sowohl für ausführbare Anweisungen als auch für Daten beinhalten kann. Der Cache 770 kann als eine Hierarchie von mehreren Cache-Ebenen (L1, L2 usw.) organisiert sein.
Der Arbeitsspeicher 710 kann ein oder eine Kombination aus flüchtigen Speicherelementen (z.B. Direktzugriffsspeicher, RAM, wie DRAM, SRAM, SDRAM) und nichtflüchtigen Speicherelementen (z.B. ROM, löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EPROM), elektronisch löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EEPROM), programmierbarer Nur-Lese-Speicher (PROM), Band, Compact Disc Nur-Lese-Speicher (CD-ROM), Platte, Diskette, Kassette, Speichermodul oder dergleichen) beinhalten. Darüber hinaus kann der Arbeitsspeicher 710 elektronische, magnetische, optische oder andere Arten von Speichermedien beinhalten.
Die Anweisungen im Arbeitsspeicher 710 können ein oder mehrere separate Programme beinhalten, von denen jedes eine geordnete Auflistung von ausführbaren Anweisungen zur Implementierung logischer Funktionen umfasst. Im Beispiel von 7 beinhalten die Anweisungen im Arbeitsspeicher 710 ein geeignetes Betriebssystem (OS) 711. Das Betriebssystem 711 kann im Wesentlichen die Ausführung anderer Computerprogramme steuern und bietet Planung, Eingabe/Ausgabe-Steuerung, Datei- und Datenverwaltung, Speicherverwaltung, Kommunikationssteuerung und zugehörige Dienste.
Zusätzliche Daten, einschließlich beispielsweise Anweisungen für den Prozessor 705 oder andere abrufbare Informationen, können im Massenspeicher 720 gespeichert werden, der eine Massenspeichervorrichtung wie eine Festplatte oder ein Solid State Drive sein kann. Die im Arbeitsspeicher 710 oder im Massenspeicher 720 gespeicherten Anweisungen können diejenigen beinhalten, die es dem Prozessor ermöglichen, einen oder mehrere Aspekte der hierin beschriebenen Systeme und Verfahren auszuführen.
Das Steuermodul 40 kann ferner einen Anzeigencontroller 725 beinhalten, der mit einer Benutzeroberfläche oder Anzeige 730 gekoppelt ist. In einigen Ausführungsformen kann die Anzeige 730 ein LCD-Bildschirm sein. In weiteren Ausführungsformen kann die Anzeige 730 eine Vielzahl von LED-Statusleuchten beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann das Steuermodul 40 weiterhin eine Netzwerkschnittstelle 760 zur Kopplung an ein Netzwerk 765 beinhalten. Das Netzwerk 765 kann ein CAN-basiertes Netzwerk oder ein IP-basiertes Netzwerk zur Kommunikation zwischen dem Steuermodul 40 und anderen Komponenten des Fahrzeugs 10 sein. Das Netzwerk 765 sendet und empfängt Daten zwischen dem Steuermodul 40 und externen Komponenten. In einem oder mehreren Beispielen realisiert das Steuermodul 40 die hierin beschriebenen technischen Lösungen.
Die hierin beschriebenen technischen Lösungen ermöglichen dementsprechend das Schätzen des Versorgungsstroms (Eingangsstrom) von Antriebssystemen mit Elektromotoren unter Verwendung eines dynamischen Modells der Leistungsschaltung, einer Messung der Versorgungsspannung (Eingangsspannung), einer Wechselrichtereingangsspannung und eines Schätzens der Leistungsaufnahme des Motorsteuerungssystems (ausgehend vom Wechselrichtereingang). Die hierin beschriebenen technischen Lösungen ermöglichen die Schätzung der Dynamik des Versorgungsstroms (nicht nur stationär). Eine solche Schätzung der Stromdynamik ist entscheidend für den Entwurf einer Steuerung, die das System bei schnellen Übergängen steuern soll.
Durch die Ermöglichung der Schätzung des Versorgungsstroms beseitigen die hierin beschriebenen technischen Lösungen die Notwendigkeit eines Batteriestrommesssensors, was erhebliche Kosteneinsparungen ermöglicht. Solche Sensoren können einen Messwiderstand, einen Verstärker und umgebende Schaltungen für den Eingang zu einem Mikrocontroller beinhalten, die ebenfalls beseitigt werden.
Die hierin beschriebenen technischen Lösungen ermöglichen ferner die Schätzung der Zwischenkreisspannung durch die Verwendung eines zusätzlichen Zustands im Schätzer, wodurch Vorteile von Schätzung und Messung kombiniert werden (insbesondere mit der Implementierung eines Kalman-Filters). Die technischen Lösungen ermöglichen die Schätzung der Leistungsfluss-Dynamik, was für Steuerungsschemata, die eine Leistungsflusssteuerung erfordern (Schätzung mit geschlossenem oder offenem Regelkreis), nützlich sein kann.
Die vorliegenden technischen Lösungen können ein System, ein Verfahren und/oder ein Computerprogrammprodukt auf jedem möglichen technischen Detaillierungsgrad der Integration sein. Das Computerprogrammprodukt kann ein oder mehrere computerlesbare Speichermedien mit computerlesbaren Programmanweisungen beinhalten, um einen Prozessor zu veranlassen, Aspekte der vorliegenden technischen Lösungen auszuführen.
Aspekte der vorliegenden technischen Lösungen sind hierin mit Bezug auf Flussdiagrammdarstellungen und/oder Blockdiagramme von Verfahren, Apparaten (Systemen) und Computerprogrammprodukten gemäß Ausführungsformen der technischen Lösungen beschrieben. Es versteht sich, dass jeder Block der Flussdiagramm-Illustrationen und/oder Blockdiagramme und Kombinationen von Blöcken in den Flussdiagramm-Illustrationen und/oder Blockdiagrammen durch computerlesbare Programmanweisungen umgesetzt werden können.
Das Flussdiagramm und die Blockdiagramme in den Figuren veranschaulichen die Architektur, Funktionalität und Bedienung möglicher Implementierungen von Systemen, Verfahren und Computerprogrammprodukten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden technischen Lösungen. In diesem Zusammenhang kann jeder Block im Flussdiagramm oder in den Blockdiagrammen ein Modul, ein Segment oder einen Teil der Anweisungen darstellen, das eine oder mehrere ausführbare Anweisungen zur Implementierung der angegebenen logischen Funktion(en) umfasst. In einigen alternativen Implementierungen können die in den Blöcken angegebenen Funktionen außerhalb der in den Figuren angegebenen Reihenfolge auftreten. So können beispielsweise zwei aufeinanderfolgend gezeigte Blöcke im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden, oder die Blöcke können je nach Funktionalität manchmal in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden. Es wird auch darauf hingewiesen, dass jeder Block der Blockdiagramme und/oder der Flussdiagrammdarstellung und Kombinationen von Blöcken in den Blockdiagrammen und/oder der Flussdiagrammdarstellung durch spezielle hardwarebasierte Systeme implementiert werden können, die die angegebenen Funktionen oder Handlungen ausführen oder Kombinationen von spezieller Hardware und Computeranweisungen ausführen.
Es ist auch zu beachten, dass alle Module, Einheiten, Komponenten, Server, Computer, Endgeräte oder Vorrichtungen, die hierin exemplarisch aufgeführt sind und Anweisungen ausführen, computerlesbare Medien wie Speichermedien, Computerspeichermedien oder Datenspeichervorrichtungen (entfernbar und/oder nicht entfernbar) wie beispielsweise Magnetplatten, optische Platten oder Bänder beinhalten oder anderweitig Zugriff darauf haben können. Computerspeichermedien können flüchtige und nichtflüchtige, entfernbare und nicht entfernbare Medien beinhalten, die in einem Verfahren oder einer Technologie zur Speicherung von Informationen implementiert sind, wie beispielsweise von computerlesbaren Anweisungen, Datenstrukturen, Programmmodulen oder anderen Daten. Solche Computerspeichermedien können Teil der Vorrichtung oder dafür zugänglich oder daran anschließbar sein. Jede hierin beschriebene Anwendung oder jedes Modul kann unter Verwendung von computerlesbaren/ausführbaren Anweisungen implementiert werden, die auf diesen computerlesbaren Medien gespeichert oder anderweitig vorgehalten werden können.
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.

Claims

Verfahren, umfassend: Bestimmen einer Eingangsspannung (V_inv) eines Wechselrichters in einer Leistungsschaltung; Messen eines Eingangsstroms (I_i) des Wechselrichters; Schätzen eines Stromversorgungsstroms aus einer Stromversorgung der Leistungsschaltung basierend auf der Eingangsspannung und dem Eingangsstrom unter Verwendung eines Zustandsbeobachters und eines Anlagenmodells der Leistungsschaltung, wobei der Stromversorgungsstrom in einem nicht stationären Zustand geschätzt wird; und Durchführen eines aktiven Leistungsmanagements eines Motors, der über den Wechselrichter elektrische Leistung erhält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Anlagenmodell der Leistungsschaltung eine Gleichtaktdrossel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei Widerstandswerte der Gleichtaktdrossel kombiniert werden, um einen einzigen Widerstandswert der Gleichtaktdrossel im Anlagenmodell zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei Induktivitätswerte der Gleichtaktdrossel kombiniert werden, um einen einzigen Induktivitätswert der Gleichtaktdrossel im Anlagenmodell zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Anlagenmodell der Leistungsschaltung ferner einen Volumenkondensator umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei eine Übertragungsfunktion des Anlagenmodells der Leistungsschaltung dargestellt wird als $I_{s} = \frac{sC}{(sL + R_{c} + R_{i}) sC + 1} V_{B a t} + \frac{{sR}_{c} C + 1}{(sL + R_{c} + R_{i}) sC + 1} I_{i},$
wobei I_s der Stromversorgungsstrom ist, C eine Kapazität des Volumenkondensators ist, L eine Induktivität der Gleichtaktdrossel ist, R_C ein Widerstand des Volumenkondensators ist, R_i ein Widerstand der Gleichtaktdrossel ist und s ein Ableitungsterm ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Eingangsspannung des Wechselrichters basierend auf einer Stromversorgungsspannung (V_bat) und dem Eingangsstrom (I_i) bestimmt wird.
Vorrichtung, umfassend: eine Stromversorgung; einen Wechselrichter; eine Leistungseingangsschaltung; und einen Prozessor, der konfiguriert ist, um einen Stromversorgungsstrom aus der Stromversorgung zu schätzen, wobei das Schätzen umfasst: Bestimmen einer Eingangsspannung (V_inv) des Wechselrichters; Messen eines Eingangsstroms (I_i) des Wechselrichters; Schätzen des Stromversorgungsstroms basierend auf der Eingangsspannung und dem Eingangsstrom unter Verwendung eines Zustandsbeobachters und eines Anlagenmodells der Leistungsschaltung, wobei der Stromversorgungsstrom in einem nicht stationären Zustand geschätzt wird; und Durchführen eines aktiven Leistungsmanagements eines Motors, der über den Wechselrichter elektrische Leistung erhält.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Anlagenmodell der Leistungsschaltung eine Gleichtaktdrossel umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei Widerstandswerte der Gleichtaktdrossel kombiniert werden, um einen einzigen Widerstandswert der Gleichtaktdrossel im Anlagenmodell zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei Induktivitätswerte der Gleichtaktdrossel kombiniert werden, um einen einzigen Induktivitätswert der Gleichtaktdrossel im Anlagenmodell zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Anlagenmodell der Leistungsschaltung ferner einen Volumenkondensator umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei eine Übertragungsfunktion des Anlagenmodells der Leistungsschaltung dargestellt wird als $I_{s} = \frac{sC}{(sL + R_{c} + R_{i}) sC + 1} V_{Bat} + \frac{{sR}_{c} C + 1}{(sL + R_{c} + R_{i}) sC + 1} I_{i},$
wobei I_s der Stromversorgungsstrom ist, C eine Kapazität des Volumenkondensators ist, L eine Induktivität der Gleichtaktdrossel ist, R_C ein Widerstand des Volumenkondensators ist, R_i ist ein Widerstand der Gleichtaktdrossel und s ein Ableitungsterm ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Eingangsspannung des Wechselrichters basierend auf einer Versorgungsspannung (V_bat) und dem Eingangsstrom (I_i) bestimmt wird.
Lenksystem, umfassend: einen Wechselrichter; eine Leistungseingangsschaltung; und einen Prozessor, der konfiguriert ist, um einen Stromversorgungsstrom aus der Stromversorgung zu schätzen, wobei das Schätzen umfasst: Bestimmen einer Eingangsspannung (V_inv) des Wechselrichters; Messen eines Eingangsstroms (I_i) des Wechselrichters; Schätzen des Stromversorgungsstroms basierend auf der Eingangsspannung und dem Eingangsstrom unter Verwendung eines Zustandsbeobachters und eines Anlagenmodells der Leistungsschaltung, wobei der Stromversorgungsstrom in einem nicht stationären Zustand geschätzt wird; und Durchführen eines aktiven Leistungsmanagements eines Motors, der über den Wechselrichter elektrische Leistung erhält.
Lenksystem nach Anspruch 15, wobei das Anlagenmodell der Leistungsschaltung eine Gleichtaktdrossel umfasst.
Lenksystem nach Anspruch 16, wobei Widerstandswerte der Gleichtaktdrossel kombiniert werden, um einen einzigen Widerstandswert der Gleichtaktdrossel im Anlagenmodell zu bilden.
Lenksystem nach Anspruch 16, wobei Induktivitätswerte der Gleichtaktdrossel kombiniert werden, um einen einzigen Induktivitätswert der Gleichtaktdrossel im Anlagenmodell zu bilden.
Lenksystem nach Anspruch 18, wobei eine Übertragungsfunktion des Anlagenmodells der Leistungsschaltung dargestellt wird als $I_{s} = \frac{sC}{(sL + R_{c} + R_{i}) sC + 1} V_{Bat} + \frac{{sR}_{c} C + 1}{(sL + R_{c} + R_{i}) sC + 1} I_{i},$
wobei I_s der Stromversorgungsstrom ist, C eine Kapazität des Volumenkondensators ist, L eine Induktivität der Gleichtaktdrossel ist, R_C ein Widerstand des Volumenkondensators ist, R_i ein Widerstand der Gleichtaktdrossel ist und s ein Ableitungsterm ist.
Lenksystem nach Anspruch 15, wobei die Eingangsspannung des Wechselrichters basierend auf einer Stromversorgungsspannung (V_bat) und dem Eingangsstrom (I_i) bestimmt wird.