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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Traktionsmaschine eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs sowie eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine.
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Als Traktionsmaschinen für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge ausgebildete elektrische Maschinen und deren Ansteuerung sind bereits hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt.
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Aus der
DE 10 2008 037 408 A1 ist eine Fahrzeug-Kriechsteuerung für ein Hybrid-Elektrofahrzeug bekannt, umfassend eine Steuerung, die ausgebildet ist eine Drehmomentkapazität der Antriebskupplung auf einen gewünschten Wert des Antriebskupplungsdrehmoments einzustellen, der während eines Kriechvorgangs des Fahrzeugs auf die Räder übertragen wird - eine gewünschte Änderung des von der elektrischen Maschine erzeugten Drehmoments zu bestimmen, so dass die Geschwindigkeit der Kurbelwelle auf eine gewünschte Leerlaufgeschwindigkeit eingestellt wird - den Wert der Drehmomentkapazität der Antriebskupplung und der gewünschten Änderung des von der Maschine erzeugten Drehmoments zu verwenden, um einen gewünschten Wert des Maschinendrehmoments zu bestimmen - und die Maschine zu verwenden, um den gewünschten Wert des Maschinendrehmoments zu erzeugen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine bereitzustellen, wodurch die Drehzahlregelung der elektrischen Maschine im Hinblick auf das Regelverhalten optimiert ist. Insbesondere soll eine Reduzierung des Energieverbrauchs durch das optimierte Regelverhalten erreicht werden - aber auch die Dynamik des Regelverhaltens sollte optimiert werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Traktionsmaschine eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, kennzeichnet sich dadurch aus, dass die Ansteuerung mittels eines Zustandsreglers mit dem Optimierungsprinzip eines linear-quadratischen-Integrator Reglers erfolgt, wobei eine sogenannte Kostenfunktion definiert wird, und ein Minimum der Kostenfunktion ermittelt wird. Dabei wird das Minimum der Kostenfunktion derart bestimmt, dass das Regelverhalten zumindest im Hinblick auf die Regeldynamik des Regelkreises und den Energieverbrauch des elektrischen Antriebs optimiert ist.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass mit einfachsten Möglichkeiten der „Reglereinstellung“ ein Regler im Hinblick auf das gewünschte Regelverhalten einstellbar und veränderbar ist. Das gesamte System wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens als neue Zustandsdarstellung „umformuliert“, wobei die Drehzahlabweichung als zusätzlicher Zustand betrachtet wird. Komplexes Erfahrungswissen, welches man beispielsweise benötigt, um einen PID-Regler im Hinblick auf sein gewünschtes dynamisches Verhalten einzustellen ist hierbei nicht erforderlich. Die Inbetriebnahmezeiten für die erstmalige Inbetriebnahme einer derartigen elektrischen Maschine werden ebenfalls reduziert.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Regelung anhand von genau drei Zustandsgrößen erfolgt. Bevorzugt ist dabei eine der genau drei Zustandsgrößen durch die Ableitung des Ist-Drehmoments der elektrischen Maschine gebildet und/oder ist eine der genau drei Zustandsgrößen durch die Winkelgeschwindigkeit ω des Rotors der elektrischen Maschine gebildet und/oder ist eine der genau drei Zustandsgrößen durch die Integration der Drehzahlabweichung der elektrischen Maschine gebildet.
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Hierdurch lässt sich insbesondere der Wirkung erzielen, dass die mechanische Eigenschaft des Systems präzise darstellbar ist.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Kostenfunktion gebildet ist durch:
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Dabei werden die Zustände x und die Stellgrößen u insbesondere jeweils quadratisch eingehen und mit Semi-positiven Gewichtungsmatrizen Q oder R multipliziert. Der Term mit „Q“ entspricht dabei der Regelgüte. Im vorliegenden Fall ist der dritte Zustand - die zeitliche Integration der Drehzahlabweichung - von besonderer Bedeutung. Der Term mit „R“ entspricht annäherungsweise dem Energieverbrauch - was durch die Integration des Solldrehmoments abgebildet werden kann. Die Minimierung der Kostenfunktion lässt sich durch die algebraische Riccati-Gleichung (ARE) PA + ATP - PBR-1BTP + Q = 0 nach P auflösen, so dass sich dann die optimierte Reglermatrix Kr= -R(-1) * BP = [kr1; kr2] ergibt.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Q-Matrix und/oder die R-Matrix als Diagonalmatrix verwendet werden.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Werte der R-Matrix und die Werte der Q-Matrix in einem Wertebereich verwendet werden, so dass das Verhältnis Q zu R (Q : R) zumindest überwiegend in einem Bereich zwischen 1000 und 100.000 liegt, wobei die R-Matrix stets durch einen einzigen Wert gebildet ist und wobei bei der Q-Diagonalmatrix der dem Integral der Drehzahlabweichung zugeordnete Wert zur Bestimmung des Verhältnisses Q : R herangezogen wird. Der Vorteil, der sich hierdurch realisieren lässt, ist, dass eine gute Harmonie zwischen der Reglerdynamik und dem Energieverbrauch für meisten Einsätzen realisieren werden kann.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die Werte für die Q-Matrix und/oder für die R-Matrix in Abhängigkeit von zumindest einem Betriebsparameter der elektrischen Maschine und/oder von zumindest einem Betriebsparameter einer Komponente des mit der elektrischen Maschine verbundenen Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs aus einer Tabelle ausgelesen werden. Dabei werden für die jeweiligen Betriebssituationen die optimalen Q/R-Verhältnisse vorab offline bestimmt und in einer entsprechenden Tabelle abgelegt. Später im Betrieb der elektrischen Maschine kann die Tabelle dann entsprechend ausgelesen werden. Hierdurch kann erreicht werden, dass eine gute Harmonie zwischen der Reglerdynamik und dem Energieverbrauch für meisten Einsätzen realisieren werden kann.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird darüber hinaus gelöst durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, welche einen als Zustandsregler eingerichteten linear-quadratischen-Integrator Regler (LQI-Regler) umfasst, der derart eingerichtet ist, dass die Integration der Drehzahlabweichung der elektrischen Maschine als zusätzlicher Zustand betrachtet wird und eine Kostenfunktion definierbar und ein Minimum der Kostenfunktion ermittelbar ist, derart, dass das Regelverhalten zumindest im Hinblick auf Regeldynamik des Regelkreises und den Energieverbrauch des elektrischen Antriebs, einschließlich elektrischer Maschine und die der elektrischen Maschine zur Ansteuerung zugeordnete Leistungselektronik, optimierbar ist.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können.
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Es zeigen:
- 1 ein elektrisch antereibbares Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Traktionsmaschine und einem Zustandsregler,
- 2 den schematischen Aufbau eines Zustandsreglers gemäß der der Erfindung in einer möglichen Ausführungsform, und
- 3-6 das simulierte Regelverhalten einer elektrischen Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug im Hinblick auf die Drehzahl und das Drehmoment der elektrischen Maschine, bei unterschiedlichen R- und Q-Werten.
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1 zeigt ein elektrisch antereibbares Kraftfahrzeug 100 mit einer als Traktionsmaschine ausgebildeten elektrischen Maschine 1 und mit einem die elektrische Maschine 1 ansteuernden als Linear-quadratischer-Integrator Regler (LQI-Regler) ausgebildeten Zustandsregler 2. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist schematisch ein Hybridkraftfahrzeug gezeigt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist allerdings ebenso anwendbar bei anders aufgebauten elektromotorisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, insbesondere auch bei rein elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen. Im dargestellten Beispiel ist eine elektrische Maschine 1 über eine Trennkupplung 4 mit einer Brennkraftmaschine 3 koppelbar oder von dieser entkoppelbar. Über einen Zustandsregler 2 ist die elektrische Maschine 1 dabei erfindungsgemäß ansteuerbar.
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2 zeigt den schematischen Aufbau eines Zustandsreglers 2, nebst Regelstrecke RS für die der Zustandsregler 2 optimiert werden soll, gemäß der Erfindung in einer möglichen Ausführungsform. Dabei wird das gesamte System als neue Zustandsdarstellung für einen Zustandsregler 2 umformuliert. Der dargestellte Zustandsregler 2 setzt sich im Wesentlichen zusammen aus einem Integrator, der an seinem Eingang eine als Drehzahl der elektrischen Maschine 1 ausgebildete Zustandsgröße mit einer vorgegebenen Solldrehzahl r verknüpft aufnimmt, diese Werte fortlaufend integriert und mit einer Reglerkonstanten kr2 multipliziert, wobei das Ergebnis dieser Multiplikation mit einer weiteren aus der Regelstrecke RS zurückgeführten Größe K1 die Stellgröße u(t) für die Regelstrecke RS bzw. die elektrische Maschine 1 bildet. Dabei ist die Größe K1 gebildet durch einen Zustandsvektor der Regelstrecke RS multipliziert mit einer Reglerkonstanten kr1. Die Regelstrecke RS gibt an ihrem Ausgang mit y(t) die Drehzahl der elektrischen Maschine 1 aus. Eingangsseitig wird die Regelstrecke RS mit dem Solldrehmoment bzw. dem sogenannten Eingangsvektor u(t) beaufschlagt, wobei das Solldrehmoment adaptiert wird mit der aus der Regelstrecke RS heraus ermittelten Größe K1. Das Solldrehmoment u(t) ergibt sich wiederum aus der Integration ξ(t) der Drehzahlabweichung e(t) adaptiert um einen Regelparameter kr2. Für die Drehzahlabweichung e(t) wird die eingangsseitig vorgegebene Solldrehzahl mit der am Ausgang eingestellten Ist-Drehzahl y(t) der elektrischen Maschine 1 verglichen. Insgesamt wird die integrierte Drehzahlabweichung ξ (t) als zusätzlicher Zustand betrachtet. Der Zustandsvektor x
n lässt sich dabei wie folgt beschreiben
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Ziel dabei ist es die Regelparameter kr1 und kr2 zu parametrieren, um ein möglichst gutes Regelverhalten zu gewährleisten.
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Hierfür wird eine definierte Kostenfunktion, beispielsweise gemäß der Berechnungsformel:
minimiert.
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Die Zustände x und die Stellgrößen u innerhalb der Kostenfunktion gehen jeweils quadratisch ein und werden dabei mit Semi-positiven Gewichtungsmatrizen Q oder R multipliziert. Der Term mit Q entspricht hier der Regelgüte. Für die bevorzugte Anwendung der Drehzahlregelung der elektrischen Maschine 1 ist insbesondere die zeitliche Integration der Drehzahlabweichung von Bedeutung. Der Term mit R entspricht hingegen annäherungsweise dem Energieverbrauch - also hier der Integration des Solldrehmoments.
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Die Minimierung der Kostenfunktion lässt sich durch die algebraische Riccati-Gleichung (ARE) PA + ATP - PBR-1BTP + Q = 0 nach P auflösen, so dass sich dann die optimale Reglermatrix Kr=-R^(-1) BP = [kr1; kr2] ergibt.
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3 bis 6 zeigt jeweils das simulierte Regelverhalten einer elektrischen Antriebsmaschine 1 für ein Kraftfahrzeug 100 im Hinblick auf die Drehzahl N und das Drehmoment T der elektrischen Maschine 1, bei unterschiedlich vorgegebenen R- und Q-Werten.
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In 3 wurde eine Voreinstellung gewählt, bei der das Regelverhalten im Hinblick auf die Regeldynamik als „wichtig“ priorisiert wurde, während der Energieverbrauch als „weniger wichtig“ entsprechend niedriger priorisiert wurde. In Zahlen wurden hier für die Q-Diagonalmatrix die Werte [0, 0.005, 300] und für R der Wert R=0.01 vorgegeben.
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In 4 wurde eine Voreinstellung gewählt, bei der das Regelverhalten sowohl im Hinblick auf die Regeldynamik als auch mit Blick auf einen geringen Energieverbrauch als „wichtig“ priorisiert worden ist. In Zahlen wurden hier, unverändert zu den Zahlen gemäß 3, für die Q-Diagonalmatrix die Werte [0, 0.005, 300] gewählt. Für R wurde nunmehr ein veränderter Wert gewählt. Der Wert für R wurde entsprechend geändert von R= 0.01 (3) auf R=1. R wurde hier um den Faktor 100 erhöht, im Vergleich zur Ausgestaltung gemäß 3.
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In 5 wurde eine Voreinstellung gewählt, bei der das Regelverhalten im Hinblick auf die Regeldynamik als „sehr wichtig“ hoch priorisiert wurde, während der Energieverbrauch als „weniger wichtig“ entsprechend niedriger priorisiert wurde. In Zahlen wurden hier für die Q-Diagonalmatrix die Werte [0, 0.005, 800] und für R der Wert R=0,01 vorgegeben.
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In 6 wurde eine Voreinstellung gewählt, bei der das Regelverhalten im Hinblick auf die Regeldynamik als „wenig wichtig“ niedrig priorisiert worden ist und bei das Regelverhalten im Hinblick auf einen möglichst niedrigen Energieverbrauch als „wichtig“ entsprechend höher priorisiert worden ist - beispielsweise für einen ECO-Modus beim Betrieb eines Kraftfahrzeugs). In Zahlen wurden hier für die Q-Diagonalmatrix die Werte [0, 0.005, 100] gewählt. Der Wert für R wurde entsprechend geändert von R= 0.01 (4) auf R=2. R wurde hier um den Faktor 200 erhöht, im Vergleich zur Ausgestaltung gemäß 4.
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Im Zusammenhang mit den Beispielen der 3-6 ist offensichtlich, dass es sich bei den bevorzugten angegebenen Werteverhältnissen um die Verhältnisse zwischen dem jeweils letzten Wert der Q-Diagonalmatrix (welcher dem Integral der Drehzahlabweichung zugeordnet ist) und dem genannten R-Wert handelt. Dementsprechend kann es vorteilhaft sein, dass der Wert der R-Matrix und der Wert des Diagonalelements der Q-Matrix (welches dem Integral der Drehzahlabweichung zugeordnet ist) in einem Wertebereich verwendet werden, so dass das Verhältnis Qend (end - hier: letzter Wert der Q-Diagonalmatrix) zu R zumindest überwiegend in einem Bereich zwischen 1000 und 100000 liegt. Die anderen Diagonalelemente der Diagonalmatrix sind im Verhältnis zu dem genannten Element entsprechend klein zu wählen. Dabei kann das besagte Verhältnis auch aus einem anderen Einzelwert der Q-Diagonalmatrix zum entsprechenden R-Wert gebildet werden - es muss hier nicht der letzte Wert in der Diagonalmatrix für das Integral der Drehzahlabweichung verwendet werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrische Maschine
- 2
- Zustandsregler (LQI-Regler)
- 3
- Brennkraftmaschine
- 4
- Trennkupplung
- RS
- Regelstrecke
- r(t)
- Solldrehzahl
- e(t)
- Drehzahlabweichung
- ξ(t)
- Integration der Drehzahlabweichung
- u(t)
- Eingangsvektor (z.B. Solldrehmoment)
- x(t)
- Zustandsvektor
- y(t)
- Stellgröße
- kr
- Regelparameter
- Xm
- Ableitung des Ist-Drehmoments
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008037408 A1 [0003]