DE102020112913A1

DE102020112913A1 - Prädiktive Deadbeat-Regelung von Motorphasenströmen mit Modellfehlerkompensation und einstellbarer Regeldynamik

Info

Publication number: DE102020112913A1
Application number: DE102020112913.0A
Authority: DE
Inventors: Peyman Salehi Arashloo; Florian Kock
Original assignee: Synapticon GmbH
Current assignee: Synapticon GmbH
Priority date: 2020-05-13
Filing date: 2020-05-13
Publication date: 2021-11-18
Also published as: WO2021229377A1; US20230188066A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Motorsteuervorrichtung (1) zum Steuern eines Motorstroms, mit einer prädiktiven Deadbeat-Steuereinheit (2), die so konfiguriert ist, dass sie, basierend auf einem Motorstromfehlereingangssignal (e), ein modellprädiktives Steuerschema zum Bereitstellen eines Ausgangssignals (p) zum Steuern des Motorstroms gemäß einem Deadbeat-Steuerschema verwendet, wobei das Deadbeat-Steuerschema dadurch gekennzeichnet ist, dass es das Motorstromfehlereingangssignal (e) innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne (Ts) minimiert; mit einer Schnittstelleneinheit (4), die so konfiguriert ist, dass sie die Einstellung der vorgegebenen Zeitspanne (Ts) durch eine Benutzereingabe (u) ermöglicht; und mit einer Integratoreinheit (3), die so konfiguriert ist, dass sie auf der Grundlage des Motorstromfehlereingangssignals (e) ein Integratorausgangssignal (i) bereitstellt, das zu dem Ausgangssignal (p) für die Steuerung des Motorstroms mit der Steuerung eines Motorstroms addiert wird, mit den Vorteilen eines prädiktiven Deadbeat-Steuerschemas, während die Probleme vermieden werden, die in den herkömmlichen prädiktiven Deadbeat-Ansätzen vorhanden sind. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein entsprechendes Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Motorsteuervorrichtung zum Steuern von Motorphasenströmen, unter Verwenden einer Steuereinheit, die einen modellprädiktiven Steueralgorithmus oder ein modellprädiktives Steuerschema verwendet, um ein Ausgangssignal zur Steuerung der Motorphasenströme bereitzustellen. Dabei ist das Deadbeat-Regel- oder Steuerschema dadurch charakterisiert, dass es den Motorphasenstromfehler innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne minimiert.
Typischerweise werden prädiktive Deadbeat-Regelungsschemata in der feldorientierten Regelung (field orientated control, FOC) von dreiphasigen Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) und bürstenlosen Gleichstrommotoren (brushless direct current, BLDC, Motoren) sowie anderen dreiphasigen Wechselstrommotoren eingesetzt.
Die Hauptschritte der feldorientierten Regelungsanwendungen lassen sich wie folgt zusammenfassen: Zunächst werden Referenzwerte der Stator(phasen)ströme in einem rotierenden DQO-Bezugsrahmen oder -Referenzrahmen, d.h. Id* und Iq*, als Eingänge empfangen. Dann werden reale, d.h. gemessene Werte der Statorphasenströme la, Ib und Ic in einem stationären oder festen ABC-Bezugsrahmen oder -Referenzrahmen abgetastet und in den rotierenden DQO-Bezugsrahmen übertragen. Unter Verwendung der Park-und-Clark-Transformation werden Statorphasenströme in Gleich- und Quadraturrichtung, Id und Iq, ermittelt. Dann werden die realen Werte, Id und Iq, und die Referenzwerte, Id* und Iq*, der Statorphasenströme an die Motorsteuerungsvorrichtung / das Motorsteuergerät, die Stromregeleinheit, gesendet. Referenzwerte der Spannungen, Vd und Vq, werden in Gleich- und Quadraturrichtung im rotierenden DQO-Bezugsrahmen berechnet und anschließend in den festen ABC-Bezugsrahmen zurückgeführt. Die Referenzspannungen im ABC-Bezugsrahmen, Va, Vb und Vc, werden mit Hilfe eines Pulsweitenmodulationsverfahrens (PWM) moduliert. Schließlich werden die modulierten Spannungen erzeugt und von einer Umrichtereinheit an die Motorklemmen angelegt. Die gesamte Steuereinheit und die Umrichtereinheit werden oft als „Motor-Drive“ bezeichnet. In der Standardausführung umfasst die Stromregeleinheit einen Proportional-Integral-Regler (Pl-Regler) oder einen Proportional-Integral-Differenzial-Regler (PID-Regler), der in Abhängigkeit von den Motorparametern und der gewünschten Regeldynamik (z. B. gewünschtes „Dämpfungsverhältnis“, gewünschte „Einschwingzeit“, gewünschte „Bandbreite“ usw.) eingestellt wird.
Bei Verwendung eines PI-Reglers in FOC-Anwendungen werden Referenz- und berechnete Werte der Statorströme in Gleich- und Quadraturrichtung, Id*, Iq*, Id und Iq, an zwei Pl-Regler weitergegeben (ein Regler für die Gleichrichtung, der Id*, Id akzeptiert, und der andere Regler für die Quadraturrichtung, der Iq*, Iq akzeptiert), um die Referenzwerte der Statorklemmenspannungen in denselben Richtungen, Vd* und Vq*, zu berechnen. Die berechneten Referenzwerte werden zurück in den stationären ABC-Bezugsrahmen übertragen und mit Hilfe der PWM-Einheit und der Umrichtereinheit an die Motorklemmen angelegt.
Die prädiktive Deadbeat-Steuerung ist eine Unterkategorie der prädiktiven Regelung und zielt darauf ab, im Idealfall bis zum Ende des nächsten Regelungsausführungszyklus einen Fehler von Null und kein Überschwingen zu erreichen. Bekannte prädiktive Deadbeat-Regelungen sind in der Lage, den Fehler in 1-1,5 Regelzyklen zu beseitigen. Die Implementierung von prädiktiven Deadbeat-Reglern wird in Hochleistungsanwendungen wie Motor-Drives immer häufiger.
Beseitigen des Fehlers innerhalb von 1-2 Regelzyklen bedeutet jedoch, dass prädiktive Deadbeat-Regler sehr scharf ansprechen und empfindlich gegenüber dem Vorhandensein von Rauschen sind. Prädiktive Deadbeat-Regler können durch die Verwendung präziserer Modellparameter und die richtige Einstellung des Zeitraums, in dem der Fehler beseitigt werden soll, des vorgegebenen Zeitraums, feinabgestimmt werden. Normalerweise ist das Erreichen eines guten prädiktiven Deadbeat-Regelverhaltens eine Herausforderung, da der Regelalgorithmus auf den Gleichungen basiert, die eine bestimmte Anwendung modellieren. Mit anderen Worten: Prädiktive Deadbeat-Regelungen, die den Anspruch haben, den Fehler in einer vorgegebenen (minimierten) Anzahl von Regelzyklen zu beseitigen, basieren auf dem mathematischen Modell des zu regelnden Systems (der Anlage). Daher muss ein Anwender, der die vorliegende prädiktive Deadbeat-Steuereinheit abstimmen (oder feinabstimmen) möchte, das Modell des Systems, d.h. die in der prädiktiven Deadbeat-Steuereinheit implementierten Modellgleichungen, kennen. Dies übersteigt jedoch in der Regel die Möglichkeiten eines Anwenders. Daher sind prädiktive Deadbeat-Steuerungen im Allgemeinen nicht sehr beliebt.
Zusammengefasst kann die prädiktive Deadbeat-Regelung in Motor Drives drei Hauptschritte umfassen. Diese sind 1) Abtastung des Motorstroms, 2) Schätzung des Motorstroms und 3) Berechnen der Motorspannungen.
Schritt 1, Abtastung der Motorströme
Die Motorphasenströme la, Ib und Ic werden normalerweise in der Mitte jeder Steuerungsausführungsperiode abgetastet. Um die Berechnungen zu vereinfachen, können die Messwerte der Phasenströme vom stationären ABC-Bezugsrahmen in den rotierenden DQO-Bezugsrahmen übertragen werden. Kurz gesagt kann eine beispielhafte Transformationsmatrix vom stationären ABC-Bezugsrahmen zum rotierenden DQO-Bezugsrahmen wie folgt geschrieben werden: $\begin{array}{l} I_{d q o} = T_{1} T_{2} I_{A B C} \\ T_{1} = \sqrt{\frac{2}{3}} [\begin{matrix} 1 & - 0.5 & - 0.5 \\ 0 & \sqrt{3} / 2 & - \sqrt{3} / 2 \\ 1 / \sqrt{2} & 1 / \sqrt{2} & 1 / \sqrt{2} \end{matrix}] \\ T_{2} = [\begin{matrix} cos (θ) & sin (θ) & 0 \\ - sin (θ) & cos (θ) & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}] \end{array}$
wobei T1 und T2, als Clarke-und-Park-Transformationsmatrizen bekannt sind.
Für einen beispielhaften oberflächenmontierten Permanentmagnetmotor mit einem glatten Luftspalt und sinusförmig verteilten Statorwicklungen kann die Beziehung zwischen Motorströmen und -spannungen im rotierenden Bezugsrahmen wie folgt berechnet werden: $\begin{matrix} V_{d} = r i_{d} - ω L i_{q} + L \frac{d}{d t} i_{d} \\ V_{q} = r i_{q} + ω (λ_{d}) + L \frac{d}{d t} i_{q} \end{matrix},$
wobei L die Motorinduktivität und r der Motorphasenwiderstand ist, w die elektrische Drehzahl in [rad/s] und Lambda die effektive magnetische Flussverkettung in direkter Richtung, vorzugsweise in [wb], ist.
Schritt 2, Schätzung der Motorströme
Der Stromregelungsalgorithmus wird normalerweise im rotierenden DQO-Bezugsrahmen ausgeführt. Die Eingänge für die Stromsteuerungseinheit sind die Referenz- und Realwerte der Motorströme (Idqo), und die Regelausgänge sind die gewünschten Spannungen in diesem rotierenden DQO-Bezugsrahmen. Aus dem Gleichungssatz (2) lassen sich die geschätzten Phasenströme bis zum Ende der Periode k berechnen. Die Motorgleichungen sind zum Zeitpunkt der Abtastung in der Regel linearisiert, und ihre jeweiligen Ableitungen können berechnet werden. Im Allgemeinen können die geschätzten Werte der Motorphasenströme am Ende der Periode k wie folgt berechnet werden: $\hat{i} (k) = i (k) + \frac{T}{2} \frac{d}{d t} i (k)$
wobei T die Steuerungsausführungsperiode ist.
Schritt 3, Berechnung der gewünschten Klemmenspannungen
Sobald die geschätzten Werte der Phasenströme am Ende der Periode k vorliegen, ist es möglich, die erforderlichen Spannungen in der Periode (k+1) zu berechnen, um die gewünschten Motorströme zu erreichen, d. h. die gewünschten Referenzmotorströme am Ende der Periode (k+1). Im Allgemeinen können die gewünschten Spannungswerte, die von der Umrichtereinheit erzeugt werden sollen, geschrieben werden als: $v (k + 1) = \frac{L}{2 T} (i * (k) - i (k)) - \frac{1}{4} v (k) + \frac{r}{4} (i (k) + 2 \hat{i} (k)) .$
Die berechneten Spannungen können dann zurück in den stationären ABC-Bezugsrahmen übertragen werden. Sobald die gewünschten Referenzwerte im stationären ABC-Bezugsrahmen vorliegen, kann eine beliebige geeignete PWM-Strategie oder ein beliebiges PWM-Schema verwendet werden, um diese Spannungen durch die Umrichtereinheit zu erzeugen.
Die folgenden Referenzen geben weitere Einblicke in die prädiktive Stromregelung in Motoranwendungen, insbesondere in die prädiktive Deadbeat-Stromregelung:

- M. S. Trivedi, R. Kumar Keshri, „Evaluation of Predictive Current Control Techniques for PM BLDC Motor in Stationary Plane", IEEE Access (Band: 8), Seite(n): 46217 - 46228, März 2020, Electronic ISSN: 2169-3536
- Shin-Won Kang, Jae-Hwan Soh, Rae- Young Kim, „Symmetrical Three-Vector- Based Model Predictive Control With Deadbeat Solution for IPMSM in Rotating Reference Frame", IEEE Transactions on Industrial Electronics, | Vol. 67, Issue. 1, 2020
- Niu Li, Yang Ming, Gui Xianguo, Xu Dianguo, „A Comparative Study of Model Predictive Current Control and FOC for PMSM", 2014 17th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS),Oct. 22-25, 2014, Hangzhou, China
- Fengxiang Wang, Zhenbin Zhang, Xuezhu Mei, Jose Rodriguez, Ralph Kennel, „Advanced Control Strategies of Induction Machine: Field Oriented Control, Direct Torque Control and Model Predictive Control", Energies 2018, www.mdpi.com/journal/energies

US 8400798 B2 offenbart auch eine prädiktive Stromregelung bei der Ansteuerung einer Last in einem PWM-Modus.
Das objektive technische Problem, das es zu lösen gilt, kann daher als Steuerung eines Motorstroms betrachtet werden, mit den Vorteilen eines prädiktiven Deadbeat-Steuerungsschemas unter Vermeidung der Probleme, die bei den herkömmlichen prädiktiven Deadbeat-Ansätzen auftreten.
Dieses Problem wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Ein Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Motorsteuerungsvorrichtung zur Steuerung von Motorstrom. Der Motorstrom kann ein Motorphasenstrom, insbesondere Motorphasenstrom mit drei Phasen, sein, der durch die Wicklungen des Motors fließt. Die Motorsteuerungsvorrichtung umfasst eine prädiktive Deadbeat-Steuerungseinheit (oder prädiktive Deadbeat-Stromsteuerungseinheit), die konfiguriert ist, basierend auf einem Motorstromfehlereingangssignal ein modellprädiktives Deadbeat-Steuerungsschema zu verwenden, um ein Ausgangssignal zur Steuerung des Motorstroms gemäß einem Deadbeat-Steuerungsschema bereitzustellen.
Das Deadbeat-Steuerungsschema ist dadurch charakterisiert, dass das Motorstromfehlereingangssignal innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne, z. B. 1-1,5 Regelzyklen, minimiert wird. Diese vorgegebene Zeitspanne ist normalerweise so optimiert, dass sie so kurz wie möglich ist, um eine schnelle Minimierung des Motorstromfehlereingangssignals zu ermöglichen. Im konventionellen Einsatzbereich, d.h. dem Stand der Technik, kann/soll diese vorgegebene Zeitspanne nicht durch einen Benutzer verändert werden. Sie sind nämlich von ihrem Konstrukteur auf eine bestimmte Anwendung abgestimmt. Wie oben beschrieben, führt diese Zielsetzung im Nachhinein zu den unerwünschten komplexen Abstimmungseigenschaften.
Jede prädiktive Deadbeat-Steuerung verwendet ein (mathematisches) Motormodell, um die gewünschten Spannungen zu berechnen, die an den Motor angelegt werden sollen. Wenn die Parameter des Motors in der realen Welt nicht genau mit den entsprechenden Parametern im Motormodell übereinstimmen, tritt eine Regelabweichung in der Antwort des Reglers auf (den generierten Motorphasenströmen). Die vorgeschlagene Lösung überwindet diesen Schwachpunkt, indem sie die Integratoreinheit parallel zur prädiktiven Deadbeat-Steuereinheit hinzufügt, wie im Folgenden näher beschrieben.
Die vorgeschlagene Motorsteuerungsvorrichtung umfasst eine Schnittstelleneinheit, die so konfiguriert ist, dass sie das Einstellen der vorgegebenen Zeitspanne durch eine Benutzereingabe ermöglicht. Der Begriff „Benutzereingabe“ kann sich im Rahmen der vorliegenden Offenbarung auch auf eine Reihe von Benutzereingaben beziehen. Das Einstellen kann ein direktes und/oder ein indirektes Einstellen sein. Bei dem direkten Einstellen kann die Benutzereingabe einen bestimmten Wert für den vorgegebenen Zeitraum umfassen, sei es eine bestimmte Zeit, wie z.B. 100 Mikrosekunden oder eine bestimmte Anzahl von Regelzyklen, z. B. zwei Regelzyklen. Bei dem indirekten Einstellen kann die Benutzereingabe, wie weiter unten beschrieben, einen Parameter umfassen, der dann von der Schnittstelleneinheit verwendet wird, um den Wert zu berechnen, auf den die vorgegebene Zeitspanne durch die Benutzereingabe eingestellt wird (d.h. auf den sie vorgegeben wird). Insbesondere kann die Schnittstelleneinheit so konfiguriert sein, dass sie das Einstellen der vorgegebenen Zeitspanne während des Betriebs der Motorsteuerungsvorrichtung ermöglicht. Die Schnittstelleneinheit kann auch so konfiguriert sein, dass sie das Einstellen der vorgegebenen Zeitspanne innerhalb eines bestimmten Bereichs erlaubt, beispielsweise zwischen der minimalen vorgegebenen Zeitspanne und dem Zehnfachen der minimalen Zeitspanne, oder so konfiguriert ist, dass der Benutzer die vorgegebene Zeitspanne nicht auf die minimale vorgegebene Zeitspanne einstellen kann. Die Schnittstelleneinheit kann durch eine grafische Benutzeroberfläche, graphic user interface, GUI, entsprechende Codezeilen in einer Soft- oder Firmware des Motorsteuergeräts oder Ähnliches implementiert sein.
Die Motorsteuervorrichtung umfasst ferner eine Integratoreinheit, die konfiguriert ist, auf der Grundlage des Motorstromfehlereingangssignals ein Integratorausgangssignal bereitzustellen, das zu dem Ausgangssignal zur Steuerung des Motorstroms addiert wird, um den Motorstrom zu steuern. Die Integratoreinheit wird also parallel zu der prädiktiven Deadbeat-Steuereinheit hinzugefügt. Wenn die Parameter des Motormodells in der prädiktiven Deadbeat-Steuereinheit nicht genau mit der Realität übereinstimmen (bekannt als Modellfehlanpassung), tritt in der Antwort des Systems (d. h. den Motorphasenströmen) eine Regelabweichung auf. Einer der Vorteile der Integratoreinheit ist die Kompensation von Modellfehlanpassungen in der prädiktiven Deadbeat-Steuereinheit, wie z.B. falsche Motorparameter oder falsche Spannungsamplituden.
Die Erfindung basiert also auf der Erkenntnis, dass das Hauptproblem bisheriger Implementierungen einer prädiktiven Deadbeat-Steuereinheit darin besteht, dass es für einen Benutzer schwierig ist, die Steuervorrichtung richtig abzustimmen, und dass eine Modellfehlanpassung (falsche Motorparameter im Motormodell) zu einer Regelabweichung in den Motorphasenströmen führt. Das heißt, der Standardbenutzer oder Endbenutzer kennt in der Regel die Standard-Regelkriterien von PID/PI-Reglern, bei denen es sich in der Regel um zwei unabhängige Parameter handelt, z. B. ein Dämpfungsverhältnis und eine Einschwingzeit oder, äquivalent dazu, ein Dämpfungsverhältnis und eine Bandbreite oder, äquivalent dazu, eine Verstärkungsspanne („gain margin“) und eine Phasenspanne („phase margin2‟). Parameter, die diesen Standard-Regelkriterien entsprechen, sind in den bekannten Implementierungen von prädiktiven Deadbeat-Reglern nicht direkt veränderbar, was zu den Schwierigkeiten bei der Abstimmung oder Feinabstimmung der bekannten prädiktiven Deadbeat-Regler führt.
Dieses Problem der schwierigen Abstimmung von prädiktiven Deadbeat-Reglern wird durch den Synergieeffekt von zwei Eigenschaften überwunden:

Gemäß dem ersten Merkmal ist der Zeitraum, in dem Fehler im Strom durch die prädiktive Deadbeat-Steuerung beseitigt werden sollen, einstellbar geworden, d.h. für den Benutzer einstellbar. Im Gegensatz dazu sind alle bisherigen prädiktiven Deadbeat-Steuerungen so ausgelegt, dass sie den Fehler in einem festen, meist minimalen Zeitraum beseitigen, der vom (End-)Anwender nicht verändert werden kann oder soll. Gemäß der vorgeschlagenen Motorsteuerungsvorrichtung ist diese Zeitspanne einstellbar (oder flexibel) geworden, so dass der Benutzer die Länge dieser Zeitspanne während eines Konfigurationsprozesses (z. B. in einem Konfigurationsmodus) oder sogar generell während der Laufzeit der Motorsteuerungsvorrichtung ändern kann. In Anbetracht des Konzepts bzw. der Definition einer Anstiegszeit („rise time“) im Standard-Setup, wie z.B. dem PI/PID-Setup, ermöglicht diese Modifikation eine dynamische Änderung der Anstiegszeit der prädiktiven Deadbeat-Steuereinheit.

Das zweite Merkmal ist die Integratoreinheit, die parallel zur prädiktiven Deadbeat-Steuereinheit hinzugefügt wird. Die Integratoreinheit kann ähnlich oder identisch mit Integratoreinheiten sein, die von den Standard-Pl- oder PID-Reglern oder Steuergeräten bekannt sind.
Mit diesen Merkmalen ist es nun für einen Anwender möglich, Standard-Regelkriterien wie eine gewünschte Einschwingzeit und ein Dämpfungsverhältnis für die prädiktive Deadbeat-Reglereinheit zu verwenden. Die vorgeschlagene Struktur erlaubt es dem Benutzer, sich die Motorsteuerungsvorrichtung mit einem prädiktiven Deadbeat-Steuerschema wie eine einfache Regelungsvorrichtung wie einen PI- oder PID-Regler vorzustellen, wobei der „P“-Teil faktisch durch eine prädiktive Deadbeat-Steuereinheit ersetzt wird. Dementsprechend können die gewünschten Parameter der Einschwingzeit und des Dämpfungsverhältnisses für den Stromregler vom Benutzer vorgegeben werden.
Für die gegebene Einschwingzeit und das gegebene Dämpfungsverhältnis können nämlich die gewünschten Konstanten Kp und Ki eines PI-Reglers auf der Grundlage der verfügbaren Motorparameter berechnet werden. Sie können als Kp0 und Ki0 bezeichnet werden. Dann kann die prädiktive Deadbeat-Steuerung automatisch so abgestimmt werden, dass ihre Anstiegszeit gleich der Anstiegszeit des „P“-Teils des im vorherigen Schritt betrachteten Pl-Reglers ist.
Um dies zu erreichen, kann die Anstiegszeit Tr des Systems berechnet werden, wenn nur der „P“-Teil des betrachteten PI-Reglers aktiv ist (d.h. wenn Kp = Kp0 und Ki=0). Mit der Kenntnis von Tr kann die Gesamtzeit Ts berechnet werden, die die Schrittantwort benötigt, um von 0 auf 100 % des Steady-State zu steigen. Beachten Sie, dass die Anstiegszeit in diesem Beispiel als die Anstiegszeit t₁₀₀ definiert wäre, aber auch nach anderen Definitionen definiert werden könnte. Zum Beispiel als t₉₅, dann die Zeit betrachtend, in der die Schrittantwort von 0 auf 95% des Steady-State ansteigt oder als t_10-90, die Zeit, die benötigt wird, damit die Schrittantwort von 10% auf 90% des Steady-State ansteigt. Dann kann der prädiktive Deadbeat-Regler so abgestimmt werden, insbesondere automatisch abgestimmt werden, dass er den Fehler in einer Zeitspanne beseitigt, die in den jeweiligen Beispielen gleich Ts, oder gleich Ts geteilt durch 0,95 oder Ts geteilt durch 0,80 ist. Dies ermöglicht schließlich das Ersetzen des „P“-Teils in der PI-Regeleinheit durch den abgestimmten prädiktiven Deadbeat-Regler, wobei die Integratoreinheit beibehalten wird und Ki=Ki0 ist.
Die vorgeschlagene Regelvorrichtung hat also die Vorteile der schnellen Dynamik und des Einschwingverhaltens eines prädiktiven Deadbeat-Reglers in Kombination mit einer flexiblen Feinabstimmung des Reglers auf der Basis von Standard-Regelungsabstimmungskriterien und einem Null-Steady-State-Fehler aufgrund der Implementierung der Integratoreinheit. Diese Vorteile werden durch die Kombination der einstellbaren vorgegebenen Zeitspanne, in der der Fehler durch den prädiktiven Deadbeat-Regler eliminiert werden soll, mit der Integratoreinheit parallel zur prädiktiven Deadbeat-Steuereinheit erreicht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform hat die Integratoreinheit eine vorgegebene Integratorverstärkung, insbesondere eine vorgegebene konstante Integratorverstärkung, und die Schnittstelleneinheit ist konfiguriert, das Einstellen der vorgegebenen Integratorverstärkung durch die Benutzereingabe, d.h. durch Nutzen der Benutzereingabe, zu ermöglichen. Vorzugsweise ist also die Integratorverstärkung ein konstanter Wert, der über die Benutzerschnittstelle (vor-)gegeben werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die Benutzereingabe das Verhalten sowohl der prädiktiven Deadbeat-Steuereinheit als auch der Integratoreinheit definieren kann und somit eine besonders intuitive und einfache Einstellung der Motorsteuerungsvorrichtung ermöglicht.
Insbesondere kann die Schnittstelleneinheit konfiguriert sein, die vorgegebene Integratorverstärkung basierend auf mindestens einem ersten Parameter (d.h. basierend auf mindestens einem ersten Wert oder einer ersten Zahl), der in der Benutzereingabe enthalten ist, (automatisch) zu berechnen und einzustellen. Dies bietet den Vorteil einer besonders einfachen und intuitiven Einstellung des Systems. Insbesondere kann der genau eine Wert des ersten Parameters die Eigenschaften der Integratoreinheit und damit das Dämpfungsverhältnis und/oder die Verstärkungsspanne definieren, was zu einer verbesserten Benutzerfreundlichkeit führt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Schnittstelleneinheit konfiguriert, die vorgegebene Zeitspanne basierend auf mindestens einem zweiten Parameter (d.h. basierend auf mindestens einem zweiten Wert oder einer zweiten Zahl), der in der Benutzereingabe enthalten ist, (automatisch) zu berechnen und einzustellen. Dies bietet den Vorteil einer besonders einfachen und intuitiven Einstellung der Motorsteuerungsvorrichtung als ein gewünschtes Verhalten. Beispielsweise kann eine gewünschte Einschwingzeit und/oder Bandbreite und/oder Phasenspanne der prädiktiven Deadbeat-Steuereinheit mit der Einstellung nur eines Parameters erreicht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Schnittstelleneinheit konfiguriert, die vorgegebene Zeitspanne und/oder die vorgegebene Integratorverstärkung basierend auf dem ersten Parameter der Benutzereingabe und dem zweiten Parameter der Benutzereingabe unter Verwendung eines mathematischen Modells des Elektromotors zu berechnen. Dieses mathematische Modell des Elektromotors, das zur Verwendung mit der Motorsteuerungsvorrichtung vorgesehen ist, kann eine nichtlineare Beziehung zwischen dem jeweiligen Parameter der Benutzereingabe und der vorgegebenen Zeitspanne und/oder der vorgegebenen Integratorverstärkung widerspiegeln oder repräsentieren.
Wenn der Motor beispielsweise ein System erster Ordnung ist, kann das mathematische Modell des Elektromotors eine lineare Beziehung zwischen der Anstiegszeit des Systems („system rise time“) und der entsprechenden Einschwingzeit quantifizieren (oder angeben). Zum Beispiel kann die Anstiegszeit mit dem 0,55-fachen der Einschwingzeit berechnet werden. Wenn also die gewünschte Einschwingzeit bekannt ist, z.B. durch die Benutzereingabe, kann die erforderliche Anstiegszeit berechnet werden. Die Anstiegszeit wird jedoch in vielen Referenzen unterschiedlich definiert. Wenn sie als die Zeit definiert wird, in der die Schrittantwort („step response“) von 10 % auf 90 % des Steady-State-Wertes geht, kann die Anstiegszeit als 80 % der Zeit definiert werden, in der der Fehler für einen prädiktiven Deadbeat-Regler beseitigt werden sollte. Daher ist die Anstiegszeit gleich dem 0,8-fachen der Fehlerbeseitigungszeit, d.h. der vorgegebenen Zeitspanne, in der das Motorstromfehlereingangssignal minimiert wird. Dies kann verallgemeinert werden, indem die Anstiegszeit als die Zeit definiert wird, die benötigt wird, bis der Systemausgang von x% auf y% des Steady-State-Wertes geht. Dann ist die Anstiegszeit gleich der Zeitdifferenz zwischen y% und x%.
Basierend auf den beiden Beziehungen zwischen Anstiegszeit und Einschwingzeit auf der einen Seite und Anstiegszeit und Fehlerbeseitigungszeit auf der anderen Seite kann somit die Zeitspanne, in der der Fehler beseitigt werden soll, d.h. die vorgegebene Zeitspanne der prädiktiven Deadbeat-Steuereinheit, automatisch anhand der gewünschten Einschwingzeit der Benutzereingabe berechnet werden. Dies gilt generell auch für den ersten und/oder zweiten Parameter der Benutzereingabe.
Für ein System zweiter Ordnung können entsprechende Berechnungen identifiziert werden. Insbesondere kann das mathematische Modell des Elektromotors erschöpfend sein, d.h. der Elektromotor kann vollständig durch mathematische Gleichungen beschrieben werden.
Vorzugsweise stellen der erste und zweite Parameter der Benutzereingabe einen Satz von zwei unabhängigen Parametern dar. Der Satz unabhängiger Parameter kann einem oder mehreren Sätzen unabhängiger Parameter ähnlich sein, die von einem Standard-Pl- oder PID-Regler (oder -Steuergerät) bekannt sind, oder ein solcher sein. Insbesondere kann der erste bzw. zweite Parameter ein Dämpfungsverhältnis bzw. eine Einschwingzeit oder ein Dämpfungsverhältnis bzw. eine Bandbreite oder eine Verstärkungsspanne bzw. eine Phasenspanne repräsentieren. Dabei entsprechen Dämpfungsverhältnis und Verstärkungsspanne dem ersten Parameter, Einschwingzeit, Bandbreite und Phasenspanne entsprechen dem zweiten Parameter. Wie unten erläutert, können der erste und der zweite Parameter der Benutzereingabe einen Satz von nur zwei unabhängigen Parametern darstellen. Dies ist besonders vorteilhaft, da zwei Parameter zum Einstellen des Systems ausreichen würden und die jeweiligen Parameter dem Benutzer gut bekannt sind und daher eine besonders einfache und intuitive Feineinstellung der Motorsteuerungsvorrichtung ermöglichen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Benutzereingabe nur den ersten und nur den zweiten Parameter oder nur den ersten und nur den zweiten Parameter zusammen mit einem, vorzugsweise genau einem Spezifizierer. Dieser Spezifizierer repräsentiert vorzugsweise eine Definition einer Anstiegszeit. Damit werden die im letzten Absatz beschriebenen Vorteile weiter vergrößert.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Motorvorrichtung, insbesondere eine Robotervorrichtung / ein robotisches Gerät mit einer Motorsteuerungsvorrichtung nach einer der beschriebenen Ausführungsformen.
Vorzugsweise ist die Motorvorrichtung eine Niedervolt (LV)-Motorvorrichtung. Insbesondere kann sich Niedervolt auf eine Spannung unter 50 oder unter 60 V beziehen. Dementsprechend kann die Motorsteuerungsvorrichtung für einen Niederspannungsmotor oder eine Niederspannungsmotorvorrichtung konfiguriert sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern/Regeln eines Motorstroms, mit den Verfahrensschritten a) Einstellen einer vorgegebenen Zeitspanne für eine prädiktive Deadbeat-Steuereinheit, die konfiguriert ist, basierend auf einem Motormodell und einem Motorstromfehlereingangssignal ein modellprädiktives Deadbeat-Steuerschema zur Bereitstellung eines Ausgangssignals zu verwenden, wobei die Deadbeat-Steuerung dadurch charakterisiert ist, dass sie das Motorstromfehlereingangssignal innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne minimiert, b) Bereitstellen des Motorstromfehlereingangssignals, c) Verwenden des modellprädiktiven Deadbeat-Steuerschemas durch die prädiktive Deadbeat-Steuereinheit zum Bereitstellen eines Ausgangssignals zum Steuern des Motorstroms, und d) Addieren eines von einer Integratoreinheit auf der Grundlage des Motorstromfehlereingangssignals bereitgestellten Integratorausgangssignals zu dem Ausgangssignal zum Steuern des Motorstroms. Die Verfahrensschritte a bis d können in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Die Vorteile und vorteilhaften Ausführungsformen des Verfahrens entsprechen den Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen der Motorsteuerungsvorrichtung bzw. der Motorvorrichtung.
Die oben beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die in der Figurenbeschreibung oder in den Figuren allein offenbarten Merkmale und Merkmalskombinationen können nicht nur allein oder in der beschriebenen Kombination, sondern auch mit anderen Merkmalen oder ohne einige der offenbarten Merkmale verwendet werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Folglich sind auch Ausführungsformen Teil der Erfindung, die nicht explizit durch die Figuren dargestellt und beschrieben sind, die aber durch separate Kombination der in den Figuren offenbarten Einzelmerkmale erzeugt werden können. Daher sind auch Ausführungsformen und Kombinationen von Merkmalen, die nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs umfassen, als offenbart anzusehen. Weiterhin sind Ausführungsformen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die von den durch die Abhängigkeiten der Ansprüche beschriebenen Merkmalskombinationen abweichen oder über diese hinausgehen.
Exemplarische Ausführungsformen werden im Folgenden anhand einer schematischen Zeichnung näher beschrieben.
1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Motorsteuerungsvorrichtung. Die Motorsteuerungsvorrichtung 1 zum Steuern eines Motorstroms umfasst eine prädiktive Deadbeat-Steuereinheit 2 und eine Integratoreinheit 3. Die prädiktive Deadbeat-Steuereinheit 2 ist konfiguriert, basierend auf einem Motorstromfehlereingangssignal e(t) ein modellprädiktives Steuerschema zu verwenden, um ein Ausgangssignal p(t) zum Steuern des Motorstroms gemäß einem Deadbeat-Steuerschema bereitzustellen, wobei das Deadbeat-Steuerschema dadurch charakterisiert ist, dass es das Motorstromfehlereingangssignal e(t) innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne Ts minimiert. Die Integratoreinheit 3 ist konfiguriert, ein Integratorausgangssignal i(t) bereitzustellen, das für die Steuerung des Motorstroms zum Ausgangssignal p(t) addiert wird, wobei im vorliegenden Beispiel das Summensignal s(t) = p(t) + i(t) ist.
Die Motorsteuerungsvorrichtung 1 umfasst ferner eine Schnittstelleneinheit 4, die so konfiguriert ist, dass sie die Einstellung der vorgegebenen Zeitspanne Ts und, im vorliegenden Beispiel, auch der vorgegebenen Integratorverstärkung Ki durch eine Benutzereingabe u(Ki0, Kp0) ermöglicht. Im gezeigten Beispiel umfasst die Benutzereingabe einen ersten Parameter Ki0, der zur Einstellung der vorgegebenen Integratorverstärkung Ki verwendet werden kann, und einen zweiten Parameter Kp0, der, vorzugsweise in Verbindung mit dem ersten Parameter, zur Einstellung der vorgegebenen Zeitspanne Ts verwendet werden kann. Im vorliegenden Beispiel umfasst die Benutzereingabe u(Ki0, Kp0) nur diese beiden einzelnen Parameter. Die Schnittstelleneinheit 4 ist im vorliegenden Beispiel konfiguriert, die vorgegebene Integratorverstärkung Ki und die vorgegebene Zeitspanne Ts basierend auf der Benutzereingabe u(Ki0, Kp0) zu berechnen, indem die vorgegebene Zeitspanne Ts basierend auf dem zweiten Parameter Kp0 und die vorgegebene Integratorverstärkung Ki basierend auf der berechneten vorgegebenen Zeitspanne Ts und dem ersten Parameter Ki0 der Benutzereingabe u(Ki0, Kp0) berechnet wird. Alternativ kann die vorgegebene Integratorverstärkung Ki beispielsweise gleich dem ersten Parameter Ki0 sein, und die vorgegebene Zeitspanne Ts kann von der Schnittstelleneinheit 4 unter Verwendung eines mathematischen Modells des Elektromotors, der durch das Summensignal s(t) gesteuert werden soll, nur auf der Grundlage des zweiten Parameters Kp0 der Benutzereingabe u(Ki0, Kp0) berechnet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8400798 B2 [0014]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

M. S. Trivedi, R. Kumar Keshri, „Evaluation of Predictive Current Control Techniques for PM BLDC Motor in Stationary Plane“, IEEE Access (Band: 8), Seite(n): 46217 - 46228, März 2020, Electronic ISSN: 2169-3536 [0013]
Shin-Won Kang, Jae-Hwan Soh, Rae- Young Kim, „Symmetrical Three-Vector- Based Model Predictive Control With Deadbeat Solution for IPMSM in Rotating Reference Frame“, IEEE Transactions on Industrial Electronics, | Vol. 67, Issue. 1, 2020 [0013]
Niu Li, Yang Ming, Gui Xianguo, Xu Dianguo, „A Comparative Study of Model Predictive Current Control and FOC for PMSM“, 2014 17th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS),Oct. 22-25, 2014, Hangzhou, China [0013]
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Claims

Motorsteuervorrichtung (1) zum Steuern eines Motorstroms, mit - einer prädiktiven Deadbeat-Steuereinheit (2), die so konfiguriert ist, dass sie, basierend auf einem Motorstromfehlereingangssignal (e), ein modellprädiktives Steuerschema verwendet, um ein Ausgangssignal (p) zum Steuern des Motorstroms gemäß einem Deadbeat-Steuerschema bereitzustellen, wobei das Deadbeat-Steuerschema dadurch charakterisiert ist, dass es das Motorstromfehlereingangssignal (e) innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne (Ts) minimiert; gekennzeichnet durch - eine Schnittstelleneinheit (4), die so konfiguriert ist, dass sie die Einstellung der vorgegebenen Zeitspanne (Ts) durch eine Benutzereingabe (u) ermöglicht; und - eine Integratoreinheit (3), die so konfiguriert ist, dass sie auf der Grundlage des Motorstromfehlereingangssignals (e) ein Integratorausgangssignal (i) bereitstellt, das zu dem Ausgangssignal (p) zum Steuern des Motorstroms addiert wird.
Motorsteuerungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die Integratoreinheit (3) eine vorgegebene Integratorverstärkung (Ki), insbesondere eine vorgegebene konstante Integratorverstärkung, aufweist, und - die Schnittstelleneinheit (4) dazu ausgebildet ist, eine Einstellung der vorgegebenen Integratorverstärkung (Ki) durch die Benutzereingabe (u) zu ermöglichen.
Motorsteuerungsvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelleneinheit (4) konfiguriert ist, die vorgegebene Integratorverstärkung (Ki) basierend auf mindestens einem ersten Parameter (Ki0), der in der Benutzereingabe (u) enthalten ist, zu berechnen und anzupassen.
Motorsteuerungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelleneinheit (4) konfiguriert ist, die vorgegebene Zeitspanne (Ts) basierend auf mindestens einem zweiten Parameter (Kp0), der in der Benutzereingabe (u) enthalten ist, zu berechnen und anzupassen.
Motorsteuerungsvorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelleneinheit (4) konfiguriert ist, die vorgegebene Zeitspanne (Ts) und/oder die vorgegebene Integratorverstärkung (Ki) basierend auf dem ersten Parameter (Ki0) der Benutzereingabe (u) und dem zweiten Parameter (Kp0) der Benutzereingabe (u) unter Verwendung eines mathematischen Modells des Elektromotors zu berechnen, das insbesondere eine nichtlineare Beziehung zwischen dem jeweiligen Parameter (Ki0, Kp0) der Benutzereingabe (u) und der vorgegebenen Zeitspanne (Ts) und/oder der vorgegebenen Integratorverstärkung (Ki) quantifiziert.
Motorsteuerungsvorrichtung (1) nach Anspruch 3 und 4 oder nach Anspruch 3 und 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass erster (Ki0) und zweiter (Kp0) Parameter der Benutzereingabe (u) einen Satz unabhängiger Parameter darstellen, insbesondere: Dämpfungsverhältnis und Einschwingzeit, oder Dämpfungsverhältnis und Bandbreite, oder Verstärkungsspanne und Phasenspanne.
Motorsteuerungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Benutzereingabe (u) nur den ersten (Ki0) und zweiten Parameter (Kp0) oder nur den ersten (Ki0) und zweiten Parameter (Kp0) zusammen mit einem Spezifizierer umfasst, der vorzugsweise eine Definition einer Anstiegszeit repräsentiert.
Motorvorrichtung, insbesondere Robotervorrichtung, mit einer Motorsteuerungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Steuern eines Motorstroms, mit den Verfahrensschritten: - Einstellen einer vorgegebenen Zeitspanne (Ts) für eine prädiktive Deadbeat-Steuereinheit (2), die konfiguriert ist, basierend auf einem Motormodell und einem Motorstromfehlereingangssignal (e) ein modellprädiktives Deadbeat-Steuerschema zum Bereitstellen eines Ausgangssignals (p) zu verwenden, wobei das prädiktive Deadbeat-Steuerschema dadurch charakterisiert ist, dass es das Motorstromfehlereingangssignal (e) innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne (Ts) minimiert; - Bereitstellen des Motorstromfehlereingangssignals (e); - Verwenden, durch die prädiktive Deadbeat-Steuereinheit (2), des modellprädiktiven Deadbeat-Steuerschemas zum Bereitstellen eines Ausgangssignals (p) zum Steuern des Motorstroms; - Addieren eines Integratorausgangssignal s (i), das durch eine Integratoreinheit (3) basierend auf dem Motorstromfehlereingangssignal (e) bereitgestellt wird, zu dem Ausgangssignal (p) zum Steuern des Motorstroms.