DE102019212886A1

DE102019212886A1 - Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102019212886A1
Application number: DE102019212886.6A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Manderla
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-08-28
Filing date: 2019-08-28
Publication date: 2021-03-04
Also published as: WO2021037533A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (100), die mittels eines Stromrichters, durch den eine Gleichspannung in eine Wechselspannung gewandelt wird, mit Spannung versorgt wird, bei dem an die elektrische Maschine (100) anzulegende Phasenspannungswerte (Ua, Ub, Uc) im Rahmen einer modellprädiktiven Regelung (150) mit einem Modell (155) der elektrischen Maschine ermittelt und dann angelegt werden, wobei bei der modellprädiktiven Regelung (150) als Grenzen für die Phasenspannungswerte physikalisch erreichbare Maximalwerte verwendet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, die mittels eines aus einem Gleichspannungskreis gespeisten Umrichters mit Spannung versorgt wird, sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Stand der Technik
Elektrische Maschinen, insbesondere drehzahlvariable elektrische Maschinen, können motorisch oder generatorisch an einem Wechselrichter betrieben werden, der von einem Gleichspannungskreis gespeist wird, oder an einem Umrichter, der einen Gleichspannungszwischenkreis aufweist. Die Spannungswerte an den Klemmen der elektrischen Maschine werden damit durch die Gleichspannung bzw. die beiden Potentiale des Gleichspannungs(zwischen)kreises begrenzt.
Eine typische Art der Regelung der Spannung bei einer solchen elektrischen Maschine ist die feldorientiere Regelung, bei der eine Raumzeigerdarstellung, insbesondere in d-q-Koordinaten verwendet wird. Diese Art der Regelung basiert auf der sog. Nullbedingung, wonach ein Sternpunkt (sofern vorhanden) der Last nicht mit dem Neutralleiter verbunden ist. Dadurch ist die Summe der Phasenströme immer Null. Im Falle einer dreiphasigen elektrischen Maschine sind damit nur zwei Koordinaten, typischerweise als d und q bezeichnet, für die Ansteuerung und Regelung der elektrischen Maschine ausreichend.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum motorischen oder generatorischen Betreiben einer elektrischen Maschine, die mittels eines Stromrichters, der eine Gleichspannung in eine Wechselspannung wandelt, mit Spannung versorgt wird. Bei dem Stromrichter kann es sich um einen Wechselrichter handeln, bei dem nur aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung mit entsprechender Phasenanzahl erzeugt wird. Ebenso kann es sich aber auch um einen Umrichter, insbesondere Frequenzumrichter, weiter insbesondere einen sog. Zwei-Level-Umrichter, handeln, bei dem eine Wechselspannung zunächst in eine Gleichspannung und diese dann wieder in eine Wechselspannung mit in der Regel geänderter Frequenz und Amplitude gewandelt wird. In letzterem Fall spricht man auch von einem sog. Gleichspannungszwischenkreis im Umrichter. Eine Ansteuerung des Stromrichters erfolgt dabei insbesondere in Pulsbreitenmodulation bzw. PWM.
Wie schon erwähnt, ist eine typische Art der Regelung der Spannung bei einer solchen elektrischen Maschine die feldorientiere Regelung, bei der eine Raumzeigerdarstellung, insbesondere in d-q-Koordinaten verwendet wird. Aus den erwähnten Beschränkungen der Phasenspannungen (in feststehenden Koordinaten) ergibt sich eine mit der elektrischen Feldfrequenz rotierende (zeitvariante, d.h. sich mit der Zeit ändernde) polytopische bzw. polygone Spannungsbegrenzung. Bei einem Zwei-Level-Umrichter und einer dreiphasigen elektrischen Maschine ist diese Spannungsbegrenzung ein regelmäßiges Sechseck. Für eine nähere Erläuterung hierzu sei auch auf die Figurenbeschreibung verwiesen. Wenngleich das vorgeschlagene Verfahren für eine dreiphasige elektrische Maschine zweckmäßig ist, kann das vorgeschlagene Verfahren auch bei anderer Anzahl an Phasen, beispielsweise fünf oder sieben, verwendet werden.
Diese Zeitvarianz stellt dabei eine regelungstechnische Schwierigkeit dar, da je nach aktueller Rotorlage unterschiedliche Begrenzungen bzw. Maximalwerte für die Phasenspannungswerte, also diejenigen Werte der Spannung, die an die Phasen der elektrischen Maschine angelegt werden können, relevant und aktiv sein können. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, kann das zulässige polytopische Stellgebiet für die Spannung bei der (feldorientierten) Regelung durch einen (drehungs- und zeitinvarianten) Inkreis (in dem Polygon) mit maximalem Durchmesser approximiert werden. Für eine nähere Erläuterung sei auch hier auf die Figurenbeschreibung verwiesen.
Modulationsbedingte Spannungsmittelwerte können dann (während eines Regelungstaktes) so gewählt werden, dass sie stets im erwähnten Inkreis liegen. Dies führt allerdings zu einer Nichtausnutzung der verfügbaren, maximalen elektrischen Spannung und damit je nach Betriebspunkt zu Einbußen in Dynamik und/oder Wirkungsgrad.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden nun an die elektrische Maschine anzulegende Phasenspannungswerte im Rahmen einer modellprädiktiven Regelung mit einem Modell der elektrischen Maschine als Stellgrößen ermittelt und dann an die entsprechenden Anschlüsse bzw. Phasenspannungsanschlüsse der elektrischen Maschine angelegt. Bei der modellprädiktiven Regelung werden als Grenzen für die Phasenspannungswerte physikalisch erreichbare Maximalwerte verwendet. Bei diesen Maximalwerten für die Phasenspannungswerte handelt es sich insbesondere in einer Raumzeigerdarstellung bzw. in α-β-Koordinaten um ein regelmäßiges Polygon, wobei eine Anzahl an Ecken des Polygons von einer Anzahl der Phasen der elektrischen Maschine abhängt, insbesondere dem doppelten der Anzahl der Phasen entspricht. Im Falle einer dreiphasigen elektrischen Maschine handelt es sich beispielsweise um ein regelmäßiges Sechseck. Es wird also gerade nicht der Inkreis für die Maximalwerte verwendet, sondern es werden die tatsächlichen physikalischen Maximalwerte verwendet. Als Regelgröße kann bei der modellprädiktiven Regelung beispielsweise ein Moment der elektrischen Maschine oder ein Strom verwendet werden, dieser dann insbesondere aber in d-q-Koordinaten.
Auf diese Weise können die vorstehend erwähnten Nachteile bei Verwendung des Inkreises für die Maximalwerte vermieden oder zumindest reduziert werden, da die physikalisch vorhandenen polytopischen Beschränkungen von der Regelung vollumfänglich ausgenutzt werden können. Durch die modellprädiktive Regelung ist die Verwendung dieser tatsächlichen bzw. physikalischen Grenzen nämlich, wie sich gezeigt hat, deutlich einfacher möglich als bei einer herkömmlichen Regelung. Besondere Vorteile ergeben sich insbesondere bei der erreichbaren Anregelzeit und der damit verbundenen Schnelligkeit der Regelung bei transienten Vorgängen (Drehmomentänderungen) sowohl im Grundstellbereich als auch im Feldschwächebereich.
Bei einer modellprädiktiven Regelung ist ganz grundsätzlich ein (dynamisches) Modell der zu regelnden Strecke - im vorliegenden Fall ein Modell der elektrischen Maschine - hinterlegt. Eine Besonderheit ist hierbei, dass als Eingänge bzw. Stellgrößen die Phasenspannungen, welche an die Maschinenklemmen angelegt werden können, dienen und nicht (wie sonst üblich) die Spannungen im rotierenden d-q-System. Die Phasenspannungen repräsentieren das Sechseck bzw. allgemein Polytop der maximal möglichen Spannungen.
Bei der modellprädiktiven Regelung werden dann anhand von Ziel- bzw. Referenzgrößen (bzw. Sollwerten), wie beispielsweise einzustellenden Strömen oder Drehmomenten, in jedem Regelungsschritt, d.h. bei jedem Aufruf, mehrere numerische Simulationen (über einen begrenzten zeitlichen in die Zukunft gerichteten Horizont) eines Streckenmodells mit variierenden Stellgrößen, d.h. Spannungen, durchgeführt. Mittels einer Online-Optimierung wird diejenige Spannung ausgewählt, welche die beste Performance (z.B. schnelles oder energiearmes Erreichen des Referenzwertes) unter Berücksichtigung der Spannungsbegrenzungen, d.h. der physikalisch erreichbaren Maximalwerte, erreicht. Hier kommen also Modell, Zielgrößen in Form beispielsweise eines Kostenfunktionals und Spannungsbegrenzungen zusammen. Die im Sechseck bzw. Polytop optimierte Spannung (beste Lösung) wird schließlich ausgegeben und auf die elektrische Maschine aufgeschaltet.
Nähere Erläuterungen zu einem solchen Modell einer elektrischen Maschine sind beispielsweise auch in „Schröder, D.: Elektrische Antriebe - Grundlagen, Springer 2009 (Kap. 6.5, S.391)“ zu finden.
Weiterhin wird damit eine maximale Ausnutzung der verfügbaren elektrischen Spannung auch in transienten Szenarien möglich und es ergeben sich auch eine bessere Dynamik und schnellere Arbeitspunktwechsel (transiente Vorgänge). Es ist außerdem kein Umschalten zu speziellen Verfahren der Übermodulation nötig, sondern es ist ein einheitlicher Regelungsansatz möglich. Zudem ist nur ein reduzierter Applikationsaufwand im Vergleich zu klassischen Regelungsverfahren mit Umschaltungen zwischen Betriebsgebieten (mit und ohne Übermodulation) nötig.
Weiterhin ist eine Vorgabe sinnvoller Spannungsrichtungen (hinsichtlich Dynamik, Wirkungsgrad und dergleichen) bei Erreichen der Spannungsgrenze durch Lösung eines Optimierungsproblems in Echtzeit, worauf die modellprädiktive Regelung beruht, möglich. Auch können Regelziele zur Laufzeit anpassbar priorisiert werden. Zudem ergibt sich eine gewisse Robustheit durch Feedback im Gegensatz zu Steuerungsverfahren.
Bezüglich eines gesamten elektrischen Antriebssystems in beispielsweise einem Fahrzeug ergeben sich außerdem noch weitere Vorteile. So sind durch die höhere Dynamik der Regelung beispielsweise eine bessere und hochfrequentere Dämpfung von mechanischen Antriebsstrangschwingungen möglich, ebenso wie schnellere Schaltvorgänge bei mehrgängigen Getrieben. Zudem ist eine bessere Ausnutzung des elektrischen Antriebs durch geringeren Vorhalt von RegelSpannung (geringere Feldschwächung) möglich, was Kostenvorteile mit sich bringt. Eine Änderung der Regelungsparameter ist damit online und ohne Zusatzaufwand möglich, d.h. es ist eine betriebsstrategieabhängige Anpassung (Dynamik vs. Effizienz) möglich.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren bzw. bei der verwendeten modellprädiktiven Regelung ist eine Kenntnis eines aktuellen Winkels des Rotors zweckmäßig. Hierzu kann der aktuelle Winkel des Rotors unter Verwendung eines Sensors bzw. eines Rotorlagesensors gemessen werden. Ebenso kann der aktuelle Winkel aber auch geschätzt werden, beispielsweise unter Verwendung eines Beobachters. Denkbar ist auch die Verwendung beider Varianten zur Absicherung der jeweils anderen.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs oder ein Steuergerät bzw. eine Steuer- oder Regeleinheit für eine elektrische Maschine, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch eine Schaltung mit elektrischer Maschine, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
2 zeigt schematisch eine Raumzeigerdarstellung zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
3 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
4 zeigt schematisch einen Ablauf einer modellprädiktiven Regelung.
5 zeigt schematisch Spannungs- und Stromverläufe bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
6 zeigt schematisch einen Spannungsverlauf bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform..

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist schematisch eine Schaltung mit elektrischer Maschine 100 mit Rotor 103 dargestellt, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Hierbei ist ein Stromrichter 110 vorgesehen, der drei Halbbrücken mit jeweils zwei Schaltern, einmal S₁ und S₂, einmal S₃ und S₄ und einmal S₅ und S₆ aufweist, an denen eine Gleichspannung U_dc, anliegt.
Bei den Schaltern kann es sich insbesondere um Halbleiterschalter, beispielsweise MOSFETs oder IGBTs, handeln. Der Stromrichter 110 kann beispielswiese Teil einer als Regeleinheit für die elektrische Maschine ausgebildete Recheneinheit 115 sein. Zudem ist ein Kondensator C vorgesehen. Zwischen jeweils zwei Schaltern ist ein Abgriff für eine der beispielhaft drei Phasen U, V und W, die an entsprechende (nicht dargestellte) Anschlüsse an eine Ständerwicklung der elektrischen Maschine 100 angeschlossen sind.
In 2 ist schematisch eine Raumzeigerdarstellung zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Hierzu sind als Real- und Imaginärteilachsen die Achsen α und β in einem statorfesten α-β-Koordinatensystem vorgesehen.
Mittels der Clarke-Transformation bzw. α/β-Transformation werden die Achsen U, V, W in ein zweiachsiges Koordinatensystem mit den Achsen α, β überführt, wobei definitionsgemäß die Achse U mit der reellen Achse α zusammenfällt. Die Summe der drei Phasenströme ist zu jedem Zeitpunkt immer null.
Jede Halbbrücke bei der in 1 gezeigten Schaltung kann zwei verschiedene Schalterstellungen annehmen. Für die durch die Schalter S₁ und S₂ gebildete Halbbrücke wäre dies z.B. S₁ geschlossen und S₂ geöffnet als erste Stellung („high-side“ bzw. „1“) und S₁ geöffnet und S₂ geschlossen als zweite Stellung („low-side“ bzw. „0“). Da drei Halbbrücken für ein Dreiphasendrehstromsystem notwendig sind, ergeben sich dadurch acht mögliche Schalterstellungen und somit acht Schaltzustände. Es ergeben sich bei jeder Schalterstellung eine andere Spannungskonstellation zwischen den Phasen U, V und W und damit auch ein anderer Spannungsraumzeiger.
Die zwei Schalterstellungen, bei denen entweder alle drei oberen oder alle drei unteren Schalter geschlossen sind ([111] bzw. [000]), stellen eine Ausnahme dar. Bei diesen Schalterstellungen werden alle drei Phasen kurzgeschlossen. Somit ist zwischen den Phasen keine Spannung messbar. Diese beiden Spannungsvektoren werden als Nullspannungsraumzeiger bezeichnet und sind in der 2 mit den Vektoren U₀ und U₇ angedeutet. Die übrigen sechs möglichen Schalterstellungen ergeben die mit den Vektoren bzw. Spannungsraumzeigern U₁ bis U₆ bezeichneten Positionen im statorfesten α-β- Koordinatensystem.
Jeder Spannungsraumzeiger erzeugt ferner in der elektrischen Maschine eine bestimmte Ausrichtung der Flussdichteverteilung. Um eine elektrische Maschine nun kontinuierlich (sinusförmig) kommutieren zu können, sind die sechs Spannungszeiger U₁ bis U₆ nicht ausreichend, da Spannungsraumzeiger mit beliebigen Winkeln und Beträgen auf die elektrische Maschine geschaltet werden müssen.
Um dies zu erreichen, wird das Grundprinzip der Pulsbreitenmodulation angewandt. Soll beispielsweise ein Spannungsraumzeiger U_a ausgegeben werden, der exakt den halben Winkel der Spannungsraumzeiger U₁ und U₂, aber den maximal möglichen Betrag hat, kann dies dadurch erreicht werden, dass der Spannungsraumzeiger U₁ abwechselnd mit dem Spannungsraumzeiger U₂ ausgegeben wird.
Ausschlaggebend für den resultierenden Spannungsraumzeiger ist das Verhältnis der beiden Zeiten. In dem angeführten Beispiel müssen die beiden Zeiten also gleich lange gewählt werden, um den gewünschten Spannungsraumzeiger zu erhalten. Aufgrund einer typischerweise vorhandenen Tiefpasswirkung der Statorwicklungen ergibt sich in der elektrischen Maschine ein gemittelter Strom und somit der gewünschte Raumzeiger, die gewünschte Ausrichtung der magnetischen Flussdichte.
Für einen variablen Betrieb der elektrischen Maschine ist es in der Regel nötig, auch die Amplitude der Ausgangsspannung, also den Betrag des Spannungsraumzeigers, beliebig wählen zu können. Um dies zu erreichen, können die beiden Nullspannungsraumzeiger verwendet werden. Soll beispielsweise der Spannungsraumzeiger U_b ausgeben werden, muss das Verhältnis der Ausgabezeiten der Spannungsraumzeiger U₁ und U₂, wie im vorherigen Beispiel, gleich sein. Um den Betrag des resultierenden Spannungsraumzeigers reduzieren zu können, wird eine zusätzliche Zeit benötigt, in welcher ein Nullspannungsraumzeiger ausgegeben wird.
Wie sich aus obiger Erläuterung auch ergibt, beschreiben sämtliche Spannungsraumzeiger mit maximal möglichem Betrag, die eingestellt werden können, ein Sechseck, das hier mit U_max für die erreichbaren Maximalwerte bezeichnet ist. Im allgemeinen Fall einer mehrphasigen elektrischen Maschine ergibt sich entsprechend ein Polygon bzw. allgemein ein Polytop.
Für den motorischen Betrieb der Maschine muss ein mit dem Rotor mitrotierender Spannungsraumzeiger eingeprägt werden. Eine Vereinfachung der (rotierenden) Spannungsregelung kann durch eine Transformation in ein rotorfestes Koordinatensystem erreicht werden (sog. d/q-Transformation bzw. Park-Transformation). Hierzu werden die an den Phasen U, V und W gemäß 1 anliegenden Phasenspannungen U_a, U_b und U_c gemäß $[\frac{U_{d}}{U_{q}}] = \frac{2}{3} [\begin{array}{l} cos φ & cos (φ - \frac{2}{3} π) & cos (φ - \frac{4}{3} π) \\ - sin φ & - sin (φ - \frac{2}{3} π) & - sin (φ - \frac{4}{3} π) \end{array}] [\begin{matrix} U_{a} \\ U_{b} \\ U_{c} \end{matrix}]$
in die Spannungswerte bzw. Spannungen U_d und U_q in der Raumzeigerdarstellung transformiert, wobei φ der aktuelle Rotorwinkel ist.
Bei der Ansteuerung der Maschine bzw. des Stromrichters, d.h. bei der Rücktransformation von d/q in α/ß muss dabei berücksichtigt werden, dass wie erläutert die maximale Spannung mit der Rotorposition variiert, also zeitvariant ist. Diese Zeitvarianz stellt, wie schon erwähnt, eine regelungstechnische Schwierigkeit dar, sodass bisher ein Inkreis mit maximalem Durchmesser an das Polygon in den α-β-Koordinaten approximiert wird und für die Regelung verwendet wird. Damit wird eine Zeitinvarianz der maximalen Spannung erreicht. Ein solcher Inkreis ist in 2 mit U'_max bezeichnet.
In 3 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Die modellprädiktive Regelung bzw. der entsprechende Regler 150 mit einem Modell 155 der elektrischen Maschine erhält Referenzwerte R (Sollwerte) sowie Messwerte M als Eingangsgrö-ßen. Als Ausgangsgrößen (Stellgrößen) werden Werte für die Phasenspannungen U_a, U_b und U_c an die elektrische Maschine ausgegeben. Ein Sollwert ist insbesondere das Drehmoment.
Anstelle einer bisher üblichen Berechnung von U_d und U_q, dem Phasenspannungsvektor in Raumzeigerdarstellung, werden im Rahmen der vorgeschlagenen modellprädiktiven Regelung in direkter Weise die Phasenspannungen U_a, U_b und U_c optimiert. Durch Ausnutzung des vorstehend erwähnten, winkelabhängigen Zusammenhangs finden diese in direkter Weise Eingang in das jeweilige Systemmodell.
Außerdem wird beispielsweise mittels eines Sensors 101 ein Winkel φ des Rotors 103 gemessen und an die Regler 150 übermittelt Messung, eine z.B. Rotorposition bei einer Permanentmagnetsynchronmaschine. Alternativ kann auch ein Beobachter 102 verwendet werden, um den Winkel, hier mit φ' bezeichnet, zu schätzen bzw. zu ermitteln, z.B. ein Flusswinkel bei einer Asynchronmaschine.
In 4 ist schematisch ein Ablauf einer modellprädiktiven Regelung zur näheren Erläuterung des vorgeschlagenen Verfahrens dargestellt. Hierzu sind ein allgemeiner Zustand X und eine allgemeine Stellgröße Y über der Zeit t aufgetragen.
Charakteristisch für die modellprädiktive Regelung ist eine Vorausberechnung (sog. Prädiktion) des zukünftigen Systemverhaltens auf einem gleitendem Horizont H und die dafür erforderliche Optimierung möglicher Spannungsverläufe (als Stellgrößen). Zu einem Zeitpunkt x_k wird über einen Horizont H hinweg das zukünftige Verhalten, im oberen Diagramm mit einer gestrichelten Linie dargestellt, hinsichtlich einer Stellgröße optimiert, was dann einen bestimmten Wert bzw. Verlauf der Stellgröße (Spannung), im unteren Diagramm mit gestrichelten Linie dargestellt, ergibt. Diese ermittelte, optimale Stellgröße wird dann eingestellt.
Anschließend wird der Horizont um den Zeitraum Δt nach hinten verschoben und für diesen neuen Horizont H zum Zeitpunkt x_k+1 wird erneut eine solche Optimierung vorgenommen. Der tatsächliche Verlauf des Zustands X und die tatsächlich bzw. letztlich verwendeten Werte für die Stellgröße Y sind mit durchgezogenen Linien dargestellt.
Für diese Berechnung der zukünftigen Verläufe ist eine Kenntnis über zukünftige Winkel φ erforderlich. Aus diesem Grund kann das (dynamische) Modell der elektrischen Maschine um eine Prädiktion der Winkellage erweitert werden. So ergibt sich mit einer elektrischen Winkelgeschwindigkeit ω und einer Reglerabtastzeit dT für eine Prädiktion von k Schritten ein geschätzter Lagewinkel $φ_{k} = φ_{0} + \int_{0}^{k d T} ω (τ) d t .$
Durch Einsetzen der vorstehend erwähnten Koordinatentransformation unter Berücksichtigung der Berechnung des Winkels φ in das Modell der elektrischen Maschine in d-q-Koordinaten ergibt sich somit eine winkelabhängige Systembeschreibung der Regelstrecke mit Strömen I_d und I_q und Phasenspannungen U_a, U_b und U_c.
Dieses Modell zusammen mit der Winkelprädiktion wird im Rahmen der modellprädiktiven Regelung explizit berücksichtigt und erlaubt die Einbeziehung der maximalen (physikalischen) Grenzen U_max in Form einfacher Box-Beschränkungen für die Phasenspannungen, wie in 2 gezeigt. Dies erlaubt den Einsatz einfacher, echtzeitfähiger Optimierungsverfahren im Rahmen der modellprädiktiven Regelung.
In 5 sind schematisch Spannungs- und Stromverläufe bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Hierzu sind eine Spannung U bzw. ein Strom I über der Zeit t aufgetragen. U_a, U_b und U_c bzw. I_a, I_b und I_c geben die tatsächlichen Phasenspannungen bzw. Phasenströme an. U_q und U_d bzw. I_d und I_q geben die Phasenspannungen bzw. Phasenströme (nach entsprechender Umrechnung) in Raumzeigerkoordinaten an, U*_q und U*_d bzw. I*_d und I*_q geben die zugehörigen Sollwerte an.
Die hier gezeigten, typischen und exemplarischen Messergebnisse gelten für eine sprungförmig geänderte Drehmomentanforderung mit einem Sollwertsprung bei t=0. Das neue Drehmoment- bzw. Stromniveau wird bereits nach wenigen Millisekunden erreicht, obwohl die Phasenspannungen temporär in die Begrenzung gehen.
In 6 ist schematisch einen Spannungsverlauf bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, das der in 5 dargestellten Situation entspricht. Hierzu sind die Spannungswerte U_α und U_β in der Raumzeigerdarstellung gegeneinander aufgetragen, wobei mit U_max die schon in 2 gezeigten Maximalwerte eingezeichnet sind.
Hierbei wird deutlich, dass der größtmögliche Inkreis (gemäß 2) während der Übergangsphase verlassen und die maximale Übermodulation ausgenutzt (Der Rand des Sechsecks erreicht) wird. Damit ist insgesamt also ein effizienterer Betrieb der elektrischen Maschine möglich.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (100), die mittels eines Stromrichters (110), durch den eine Gleichspannung (U_dc) in eine Wechselspannung gewandelt wird, mit Spannung versorgt wird, bei dem an die elektrische Maschine (100) anzulegende Phasenspannungswerte (U_a, U_b, U_c) im Rahmen einer modellprädiktiven Regelung (150) mit einem Modell (155) der elektrischen Maschine als Stellgrößen ermittelt und dann angelegt werden, wobei bei der modellprädiktiven Regelung (150) als Grenzen für die Phasenspannungswerte physikalisch erreichbare Maximalwerte (U_max) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Maximalwerte (U_max) für die Phasenspannungswerte (U_a, U_b, U_c) in einer Raumzeigerdarstellung als ein regelmäßiges Polygon dargestellt sind, wobei eine Anzahl an Ecken des Polygons von einer Anzahl der Phasen (U, V, W) der elektrischen Maschine (100) abhängt, insbesondere dem doppelten der Anzahl der Phasen entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein aktueller Winkel (φ) eines Rotors der elektrischen Maschine (100) ermittelt und bei der modellprädiktiven Regelung (150) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der aktuelle Winkel (φ) des Rotors (103) unter Verwendung eines Sensors (101) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei der aktuelle Winkel (φ') des Rotors (103) geschätzt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Umrichter (110) ein Zwei-Level-Umrichter verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine elektrische Maschine (100) mit drei, fünf oder sieben Phasen verwendet wird.
Recheneinheit (115), die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit (115) dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (115) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 9.