DE102020130012A1

DE102020130012A1 - Leistungsmanagement eines permanentmagnetsynchronmotor-antriebs (pmsm-antriebs) unter verwendung der maschinenstrombegrenzung

Info

Publication number: DE102020130012A1
Application number: DE102020130012.3A
Authority: DE
Inventors: Haibo Li; Prerit Pramod; Krishna MPK Namburi; Zhe Zhang
Original assignee: Steering Solutions IP Holding Corp
Current assignee: Steering Solutions IP Holding Corp
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2020-11-13
Publication date: 2021-05-27
Also published as: US11591009B2; CN112838798A; US20210155285A1

Abstract

Es werden technische Lösungen zur Steuerung des Betriebs einer elektrischen Maschine beschrieben, wie z. B. ein PMSM-Antrieb (Permanentmagnet-Synchronmotor-Antrieb) oder ein Motorsteuerungssystem zum Schutz vor übermäßigem Maschinenstrom oder übermäßiger Maschinenspannung in einem PMSM-Antrieb. Systeme und Methoden verwenden einen Drehmomentsteuerungsalgorithmus für PMSMs, der die Einschränkungen sowohl der Maschinenstromkapazität als auch der Maschinenspannungskapazität in PMSM-Antrieben verwendet und die Online-Änderung des Drehmomentbefehls entsprechend dem maximal zulässigen Drehmoment unter diesen Maschinenstrom- und Maschinenspannungsbeschränkungen nutzt.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich allgemein auf Verfahren und Systeme zur Steuerung des Betriebs einer elektrischen Maschine, wie z.B. eines Permanentmagnet-Synchronmotor-Antriebs (PMSM-Antriebs) oder eines Motorsteuerungssystems. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Anmeldung auf Verfahren und Systeme zur Begrenzung von Maschinenstrom und Maschinenspannung in einem PMSM-Antrieb zum Schutz vor übermäßigem Maschinenstrom oder übermäßiger Maschinenspannung in einem PMSM-Antrieb. Beispielhafte Ausführungsformen werden in elektrischen Servolenkungssystemen (EPS-Systemen) bereitgestellt.
Permanentmagnet-Synchronmaschinen (PMSMs) gewinnen aufgrund ihrer Eigenschaften wie hohe Leistungsdichte, leichte Steuerbarkeit und verbesserte Zuverlässigkeit immer mehr an Aufmerksamkeit in elektrischen Antriebsanwendungen. Die am weitesten verbreitete Steuerungstechnik für PMSMs ist die Vektorregelung, bei der alle AC-Signale über eine Referenzrahmen-Transformation in DC-Signale umgewandelt werden. Das Steuerungssystem wird dann unter Verwendung von Stromreglern in dem synchron rotierenden oder d/q-Referenzrahmen implementiert.
ZUSAMMENFASSUNG
Entsprechend einer oder mehrerer Ausführungsformen werden ein System und ein Verfahren bereitgestellt, die so konfiguriert sind, dass sie einen Drehmomentbefehl bestimmen, der auf ein maximales Drehmoment des PMSM für eine festgelegte maximale Zwischenkreisspannung begrenzt ist und einen festgelegten maximalen PMSM-Stromgrenzwert nicht überschreitet; und dass sie eine Berechnung des maximalen Drehmoments pro Ampere (MTPA) unter Verwendung des Drehmomentbefehls durchführen, um Strombefehle für die PMSM-Steuerung zu bestimmen.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt einer oder mehrerer beispielhafter Ausführungsformen sind das System und das Verfahren jeweils weiter so konfiguriert, dass sie bestimmen, ob eine PMSM-Spannung eine festgelegte maximale Zwischenkreisspannung des Systems überschreitet; und dass sie die Strombefehle aus der MTPA-Berechnung für die PMSM-Steuerung verwenden, wenn die PMSM-Spannung die festgelegte maximale Zwischenkreisspannung nicht überschreitet.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt einer oder mehrerer beispielhafter Ausführungsformen, wenn die MTPV-Berechnung feststellt, dass die PMSM-Spannung die festgelegte maximale Zwischenkreisspannung überschreitet, sind das System und das Verfahren jeweils weiter so konfiguriert, dass sie eine MTPV-Berechnung durchführen, um Strombefehle für die PMSM-Steuerung zu bestimmen, die das maximale Drehmoment des PMSM für die festgelegte maximale Zwischenkreisspannung erreichen, wenn bestimmt wird, dass das maximale Drehmoment des PMSM kleiner oder gleich einem gegebenen Drehmomentbefehl ist, und um Strombefehle für die PMSM-Steuerung zu bestimmen, die den gegebenen Drehmomentbefehl erreichen, wenn bestimmt wird, dass das maximale Drehmoment des PMSM größer als der gegebene Drehmomentbefehl ist.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt einer oder mehrerer beispielhafter Ausführungsformen, wenn während der MTPV-Berechnung festgestellt wird, dass das maximale Drehmoment des PMSM größer als der gegebene Drehmomentbefehl ist, sind das System und das Verfahren jeweils weiter so konfiguriert, dass sie die PMSM-Spannung reduzieren, bis das maximale Drehmoment des PMSM im Wesentlichen gleich dem gegebenen Drehmomentbefehl für eine festgelegte Motordrehzahl ist, und dass sie dann Strombefehle für die PMSM-Steuerung bestimmen.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen werden ein System und ein Verfahren bereitgestellt, die so konfiguriert sind, dass sie einen Drehmomentbefehl bestimmen, der auf ein maximales Drehmoment eines Motors begrenzt ist; dass sie eine Berechnung des maximalen Drehmoments pro Ampere (MTPA) unter Verwendung des Drehmomentbefehls durchführen, um Strombefehle für die Motorsteuerung zu bestimmen; dass sie eine Berechnung des maximalen Drehmoments pro Spannung (MTPV) durchführen, die die Strombefehle nach Bedarf modifiziert, um eine Systemspannungsbeschränkung zu erfüllen; dass sie einen Motorstromwert berechnen; dass sie die Strombefehle von dem Drehmomentsteuerungsmodul für die Motorsteuerung verwenden, wenn der berechnete Motorstromwert einen festgelegten maximalen Motorphasenstrom-Grenzwert nicht überschreitet; und dass sie, wenn der berechnete Motorstromwert den festgelegten maximalen Motorphasenstrom-Grenzwert überschreitet, aktualisierte Strombefehle für die Motorsteuerung auf der Grundlage eines ausgewählten Stromwinkels bestimmen. Der ausgewählte Stromwinkel wird unter Verwendung einer Suchoperation für einen Motorstromwinkel derart bestimmt, dass, wenn der berechnete Motorstrom den festgelegten maximalen Motorphasenstrom-Grenzwert überschreitet, die Größe des berechneten Motorstroms auf den festgelegten maximalen Motorphasenstrom-Grenzwert festgelegt wird und der ausgewählte Stromwinkel von $\frac{π}{2}$
in Richtung 0 durchlaufen wird, bis ein modifiziertes Drehmoment ansteigt und gleich dem von dem Drehmomentsteuerungsmodul befohlenen Drehmoment wird und die Spannung kleiner oder gleich einer festgelegten maximalen Zwischenkreisspannung des Motors ist.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt einer oder mehrerer beispielhafter Ausführungsformen werden das System und das Verfahren jeweils weiter konfiguriert, um die Suchoperation für den ausgewählten Stromwinkel durch Durchlaufen des Stromwinkels a durchzuführen, um V_dq und T_e zu erhalten, wobei $I_{d} = I_{m, m a x} cos α$
und $I_{q} = I_{m, m a x} sin α,$
verwendet werden, um I_dq zu bestimmen, wobei I_m,max der festgelegte maximale Motorphasenstromgrenzwert ist, und
V_dq und T_e unter Verwendung von I_dq in den folgenden Gleichungen bestimmt werden: $V_{d} = R I_{d} + ω_{e} I_{q} I_{q},$
$V_{q} = R I_{q} + K_{e} ω_{m} - ω_{e} L_{d} I_{d},$
$T_{e} = \frac{3}{2} K_{e} I_{q} + \frac{3}{4} N (L_{q} - L_{d}) I_{d} I_{q},$
wobei R der Widerstand der Motorschaltung (Ohm) ist, L_d die d-Achsen-Induktivität (Henry) ist, L_q die q-Achsen-Induktivität (Henry) ist, K_e die Motorspannungskonstante (Volt/rad/s) ist, ω_m ist die mechanische Motordrehzahl (rad/s) ist, ω_e die elektrische Motordrehzahl (rad/s) ist und N_p die Anzahl der magnetischen Pole des Motors ist.
Diese und andere Vorteile und Merkmale werden in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlicher.
Figurenliste
Der Gegenstand der vorliegenden Offenlegung wird speziell offengelegt und in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung separat beansprucht. Die vorstehenden und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:

1 ein Blockdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines EPS-Systems nach Aspekten der vorliegenden Offenlegung zeigt;
2 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Drehmomentsteuerungsalgorithmus für PMSMs nach Aspekten der vorliegenden Offenlegung zeigt;
3 Betriebsbereiche in einem PMSM-Antrieb zeigt; und
4 Strombefehlstrajektorien bei MTPA-Betrieb des PMSM-Antriebs zeigt.
5 Spannungstrajektorien bei MTPA-Betrieb des PMSM-Antriebs zeigt.
6 ein Blockdiagramm eines beispielhaften verbesserten Drehmomentsteuerungsalgorithmus für PMSMs gemäß Aspekten der vorliegenden Offenlegung zeigt.
7 ein Blockdiagramm eines weiteren Beispiels für einen verbesserten Drehmomentsteuerungsalgorithmus für PMSMs gemäß Aspekten der vorliegenden Offenlegung zeigt.
8 ein Blockdiagramm eines weiteren Beispiels für einen verbesserten Drehmomentsteuerungsalgorithmus für PMSMs gemäß Aspekten der vorliegenden Offenlegung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nun unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen die vorliegende Offenlegung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wird, ohne diese einzuschränken, ist zu verstehen, dass die offengelegten Ausführungsformen lediglich eine Illustration der vorliegenden Offenlegung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt sein kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können hervorgehoben oder minimiert sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind bestimmte strukturelle und funktionelle Details, die hier offenbart werden, nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als eine repräsentative Grundlage für die Unterweisung des Fachmanns, wie die vorliegende Offenbarung auf verschiedene Weise eingesetzt werden kann.
Die hier verwendeten Begriffe Modul und Untermodul beziehen sich auf eine oder mehrere Verarbeitungsschaltungen wie eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert, oder Gruppe) und Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen. Wie festzustellen ist, können die unten beschriebenen Untermodule kombiniert und/oder weiter unterteilt werden.
Eine PMSM-Drehmomentsteuerung wird durch eine Stromsteuerung erreicht, die normalerweise Strom- und Positionsmessungen anwendet. Unter den verschiedenen Steuerungsstrategien ist die feldorientierte Regelung (Field Oriented Control, FOC) die am häufigsten verwendete Technik für die Stromsteuerung, bei der alle Wechselstromsignale über eine Referenzrahmentransformation in Gleichstromsignale umgewandelt werden. Das Steuerungssystem wird dann in dem synchron rotierenden oder d/q-Referenzrahmen unter Verwendung einer transformierten Stromrückkopplung implementiert.
Um eine optimale PMSM-Steuerungsleistung hinsichtlich Drehmoment oder Wirkungsgrad zu erreichen, müssen Maschinenstrom und -spannung richtig gesteuert werden. Für die PMSM-Steuerung wurden verschiedene Algorithmen entwickelt, um eine bessere Trajektorieverfolgungsgenauigkeit zu erreichen und dadurch die Systemleistung zu verbessern. Keiner dieser früheren Algorithmen sorgt für eine optimale PMSM-Stromtrajektoriensteuerung; die hier vorgestellten Algorithmen erreichen jedoch eine optimale PMSM-Steuerung unter Berücksichtigung sowohl der Stromgrenzen als auch der Spannungsgrenzen der Maschine und/oder des Wechselrichters.
Hierin werden beispielhafte Ausführungsformen bereitgestellt, die vorteilhafte und neue PMSM-Steuerungsschemata für eine optimale Stromtrajektoriensteuerung innerhalb von Kapazitätsgrenzen sowohl des Maschinenstroms als auch der Maschinenspannung in PMSM-Antrieben bieten. In Übereinstimmung mit den hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen werden die Maschinenstrom- und -spannungsgrenzen im PMDM-Antriebssystem in äquivalente PMSM-Drehmomentgrenzen übersetzt und durch eine Online-Drehmomentbefehlsmodifikation entsprechend dem maximal zulässigen Drehmoment unter Maschinenstrombeschränkungen und Maschinenspannungsbeschränkungen implementiert. Die Drehmomentsteuerungsschemata der beispielhaften Ausführungsformen begrenzen jeweils den Maschinenstrom und die Maschinenspannung und stellen inzwischen auch eine optimale Stromtrajektorie für die Maximierung des PMSM-Drehmoments sicher. Der verbesserte Drehmomentsteuerungsalgorithmus der beispielhaften Ausführungsformen verhindert daher die potenziellen Auswirkungen, die durch zu hohen Maschinenstrom oder zu hohe Maschinenspannung in PMSM-Antriebssystemen verursacht werden können. Der verbesserte Drehmomentsteuerungsalgorithmus der beispielhaften Ausführungsformen ist auf alle elektrischen Antriebssysteme anwendbar, die PMSMs verwenden, und ist nicht auf eine spezielle Anwendung beschränkt.
Ein Beispiel für ein EPS-System und einen Drehmomentsteuerungsalgorithmus für einen PMSM-Antrieb wird hier unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben, gefolgt von einer Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen eines verbesserten Drehmomentsteuerungsalgorithmus für einen PMSM-Antrieb unter Bezugnahme auf 6, 7 und 8.
Nun unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen die technischen Lösungen mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben werden, ohne diese einzuschränken, ist 1 eine beispielhafte Ausführungsform eines elektrischen Servolenkungssystems (EPS) 40, das für die Implementierung der offengelegten Ausführungsformen geeignet ist.
Nun unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen die technischen Lösungen mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben werden, ohne diese einzuschränken, ist 1 eine beispielhafte Ausführungsform eines elektrischen Servolenkungssystems (EPS) 40, das für die Implementierung der offengelegten Ausführungsformen geeignet ist. Der Lenkmechanismus 36 ist ein System vom Typ Zahnstange-Ritzel und umfasst eine Zahnstange (nicht abgebildet) innerhalb eines Gehäuses 50 und ein Ritzel (ebenfalls nicht abgebildet), das sich unter einem Getriebegehäuse 52 befindet. Wenn die Bedienereingabe, im Folgenden als Lenkrad 26 bezeichnet (z.B. ein Handrad und dergleichen), gedreht wird, dreht sich die obere Lenkwelle 29 und die untere Lenkwelle 51, die mit der oberen Lenkwelle 29 über ein Kardangelenk 34 verbunden ist, dreht das Ritzel. Die Drehung des Ritzels bewegt die Zahnstange, die Spurstangen 38 (nur eine ist abgebildet) bewegt, die wiederum die Achsschenkel 39 (nur einer ist abgebildet) bewegt, die ein oder mehrere lenkbare Räder 44 (nur eines ist abgebildet) drehen bzw. einschlagen.
Die elektrische Servolenkungsunterstützung wird durch das Steuergerät bereitgestellt, das allgemein mit Bezugszeichen 24 bezeichnet ist und die Steuerung 16 und eine elektrische Maschine 46 umfasst, bei der es sich um einen Permanentmagnet-Synchronmotor handeln könnte, und die im Folgenden als Motor 46 bezeichnet wird. Die Steuerung 16 wird von der Fahrzeugstromversorgung 10 durch eine Leitung 12 gespeist. Die Steuerung 16 empfängt ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal 14, das für die Fahrzeuggeschwindigkeit repräsentativ ist, von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 17. Der Lenkwinkel wird durch einen Positionssensor 32 gemessen, der ein optischer Kodierungssensor, ein Sensor mit variablem Widerstand oder jeder andere geeignete Positionssensortyp sein kann, und der Steuerung 16 ein Positionssignal 20 liefert. Eine Motordrehzahl kann mit einem Tachometer oder einer anderen Vorrichtung gemessen und als Motordrehzahlsignal 21 an die Steuerung 16 übertragen werden. Eine Motordrehzahl mit der Bezeichnung ω_m kann gemessen, berechnet oder durch eine Kombination davon bestimmt werden. Zum Beispiel kann die Motorrehzahl ω_m als die Änderung der Motorposition θ berechnet werden, die von einem Positionssensor 32 über ein vorgeschriebenes Zeitintervall gemessen wird. Zum Beispiel kann die Motordrehzahl ω_m als Ableitung der Motorposition θ aus der Gleichung ω_m = Δθ/Δt bestimmt werden, wobei Δt die Abtastzeit ist und Δθ die Änderung der Position während des Abtastintervalls ist. Alternativ kann die Motordrehzahl aus der Motorposition als zeitliche Rate der Positionsänderung abgeleitet werden. Es ist festzustellen, dass es zahlreiche bekannte Verfahren zur Durchführung der Funktion einer Ableitung gibt.
Wenn 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 abgebildet) und einen variablen Widerstandssensor (ebenfalls nicht abgebildet) enthalten, der ein variables Drehmomentsignal 18 an die Steuerung 16 in Abhängigkeit vom Grad der Verdrehung des Torsionsstabs ausgibt. Obwohl es sich hierbei um einen Typ von Drehmomentsensor handelt, ist jede andere geeignete Drehmomenterfassungsvorrichtung, die mit bekannten Signalverarbeitungstechniken verwendet wird, ausreichend. Als Reaktion auf die verschiedenen Eingangssignale sendet die Steuerung einen Befehl 22 an den Elektromotor 46, der über eine Schnecke 47 und ein Schneckenrad 48 eine Drehmomentunterstützung für das Lenksystem liefert und damit die Fahrzeuglenkung unterstützt.
Es ist zu beachten, dass, obwohl die offengelegten Ausführungsformen durch Bezugnahme auf eine Motorsteuerung für elektrische Servolenkungsanwendungen beschrieben werden, es festzustellen ist, dass solche Bezugnahmen nur illustrativen Charakter haben und die offengelegten Ausführungsformen auf jede Motorsteuerungsanwendung mit einem Elektromotor, z.B. Lenkung, Ventilsteuerung und dergleichen, angewendet werden können. Darüber hinaus können die hierin enthaltenen Verweise und Beschreibungen für viele Formen von Parametersensoren gelten, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Drehmoment, Position, Drehzahl und ähnliches. Es ist auch zu beachten, dass bei den hierin enthaltenen Verweisen auf elektrische Maschinen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Motoren, im Folgenden der Kürze und Einfachheit halber nur auf Motoren ohne Einschränkung Bezug genommen wird.
Im dargestellten Steuergerät 24 nutzt die Steuerung 16 das Drehmoment, die Position und die Drehzahl und ähnliches, um einen oder mehrere Befehle zu berechnen, um die erforderliche Ausgangsleistung zu liefern. Die Steuerung 16 ist in Kommunikation mit den verschiedenen Systemen und Sensoren des Motorsteuerungssystems angeordnet. Die Steuerung 16 empfängt Signale von jedem der Systemsensoren, quantifiziert die empfangenen Informationen und liefert als Reaktion darauf ein oder mehrere Ausgangsbefehlssignale, in diesem Fall z.B. an den Motor 46. Die Steuerung 16 ist so konfiguriert, dass sie die entsprechende(n) Spannung(en) aus einem Wechselrichter (nicht gezeigt) entwickelt, der optional in die Steuerung 16 eingebaut sein kann und hier als die Steuerung 16 bezeichnet wird, so dass, wenn sie an den Motor 46 angelegt wird/werden, das gewünschte Drehmoment oder die gewünschte Position erzeugt wird. In einem oder mehreren Beispielen arbeitet das Steuergerät 24 in einem Steuerungsmodus mit Rückkopplung als Stromregler, um den Befehl 22 zu erzeugen. In einem oder mehreren Beispielen arbeitet das Steuergerät 24 alternativ in einem Steuerungsmodus mit Vorsteuerung, um den Befehl 22 zu erzeugen. Da diese Spannungen mit der Position und Drehzahl des Motors 46 und dem gewünschten Drehmoment zusammenhängen, 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 auf der Grundlage von optischer Erfassung, von Magnetfeldänderungen oder von anderen Verfahren erfassen. Zu den typischen Positionssensoren gehören Potentiometer, Resolver, Synchros, Geber und dergleichen sowie Kombinationen, die mindestens eines der vorgenannten Verfahren umfassen. Der Positionsgeber gibt ein Positionssignal 20 aus, das die Winkelstellung der Lenkwelle 51 und damit die des Motors 46 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 beispielhafte Ausführungsformen umfassen einen solchen Drehmomentsensor 28 und das bzw. die Drehmomentsignal(e) 18 davon, das bzw. die auf einen nachgiebigen Torsionsstab, T-Stab, eine Feder oder eine ähnliche Vorrichtung (nicht abgebildet) ansprechen kann bzw. können, die so konfiguriert ist, dass sie eine Antwort liefert, die das aufgebrachte Drehmoment anzeigt.
In einem oder mehreren Beispielen befinden sich ein oder mehrere Temperatursensor(en) 23 an der elektrischen Maschine 46. Vorzugsweise ist der Temperatursensor 23 so konfiguriert, dass er die Temperatur des Sensorteils des Motors 46 direkt misst. Der Temperatursensor 23 überträgt ein Temperatursignal 25 an die Steuerung 16, um die hier vorgeschriebene Verarbeitung und Kompensation zu erleichtern. Typische Temperatursensoren sind Thermoelemente, Thermistoren, Thermostate und dergleichen sowie Kombinationen aus mindestens einem der vorgenannten Sensoren, die bei geeigneter Anordnung ein kalibrierbares Signal liefern, das proportional zu der jeweiligen Temperatur ist.
An die Steuerung 16 werden u.a. das Positionssignal 20, das Drehzahlsignal 21 und ein oder mehrere Drehmomentsignale 18 angelegt. Die Steuerung 16 verarbeitet alle Eingangssignale, um Werte zu erzeugen, die jedem der Signale entsprechen, so dass ein Rotorpositionswert, ein Motordrehzahlwert und ein Drehmomentwert für die Verarbeitung in den hier beschriebenen Algorithmen zur Verfügung stehen. Messsignale, wie die oben genannten, werden auch üblicherweise linearisiert, kompensiert und nach Wunsch gefiltert, um die Eigenschaften zu verbessern oder unerwünschte Eigenschaften des erfassten Signals zu eliminieren. Beispielsweise können die Signale linearisiert werden, um die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu verbessern oder um einen großen Dynamikbereich des Signals anzusprechen. Darüber hinaus kann eine frequenz- oder zeitbasierte Kompensation und Filterung eingesetzt werden, um Rauschen zu eliminieren oder unerwünschte spektrale Eigenschaften zu vermeiden.
Zur Durchführung der vorgeschriebenen Funktionen und der gewünschten Verarbeitung sowie der entsprechenden Berechnungen (z.B. die Identifizierung von Motorparametern, Steuerungsalgorithmus(en) und dergleichen) kann die Steuerung 16 unter anderem einen oder mehrere Prozessoren, Computer, DSP, Arbeitsspeicher, Massenspeicher, Register, Zeitgeber, Interrupt(s), Kommunikationsschnittstelle(n) und Ein-/Ausgangssignalschnittstellen und dergleichen sowie Kombinationen aus mindestens einem der vorgenannten Elemente umfassen. Zum Beispiel kann die Steuerung 16 eine Eingangssignalverarbeitung und Filterung enthalten, um eine genaue Abtastung und Umwandlung oder Erfassung solcher Signale von Kommunikationsschnittstellen zu ermöglichen. Weitere Merkmale der Steuerung 16 und bestimmte darin enthaltene Prozesse werden zu einem späteren Zeitpunkt eingehend erörtert.
In einem oder mehreren Beispielen ermöglichen die hier beschriebenen technischen Lösungen das Leistungsmanagement des elektrischen Antriebsteils des EPS-Systems, d.h. des Motorsteuerungssystems. Es ist zu beachten, dass die hier beschriebenen technischen Lösungen zwar unter Verwendung von Ausführungsformen eines elektrischen Servolenkungssystems beschrieben werden, dass die technischen Lösungen jedoch auf jedes andere Motorsteuerungssystem anwendbar sind, das mit jedem anderen PMSM verwendet wird.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines beispielhaften Drehmomentsteuerungsalgorithmus 170 für PMSMs. Das Blockdiagramm zeigt ein Motorsteuerungssystem 100, bei dem für eine gegebene Zwischenkreisspannung V_DC, die von einer Batterie 110 abgeleitet ist, und für eine (mechanische) Motordrehzahl ω_m das maximale Drehmoment T_e,max berechnet und dann durch ein Drehmomentbegrenzungsmodul 120 mit einem gegebenen Drehmomentbefehl T_e* verglichen wird, um einen endgültigen Drehmomentbefehl $T_{e, f i n a l}^{*}$
innerhalb der Systemkapazität zu erzeugen. $T_{e, f i n a l}^{*}$
wird an ein Modul 130 für ein maximales Drehmoment pro Ampere (MTPA) gesendet, um Strombefehle $i_{d}^{*}$
und $i_{q}^{*}$
zu berechnen, die in ein Modul 140 für ein maximales Drehmoment pro Spannung (MTPV) geschickt werden, um zu prüfen, ob die entsprechende PMSM-Spannung v_m den maximal machbaren Wert $v_{d, f i n a l}^{*}$
überschreitet, der durch die Zwischenkreisspannung V_DC begrenzt wird. Wenn die PMSM-Spannung v_m v_m = V_m,max nicht überschreitet, werden die von dem MTPA-Modul 130 berechneten Strombefehle als endgültige Befehle $i_{d, f i n a l}^{*} u n d i_{q, f i n a l}^{*}$
zur PMSM-Steuerung verwendet; andernfalls werden andere Befehle $i_{d, f i n a l}^{*}$
und $i_{q, f i n a l}^{*}$
durch den MTPV-Block 140 erzeugt, um die PMSM-Spannungsbeschränkung zu erfüllen. Das Motorsteuerungssystem 100 ermöglicht somit die Steuerung des Motordrehmoments und die Steuerung des Motorstroms. Die endgültigen Strombefehle werden dann an einen Stromregler 150 für einen PMSM 160 gesendet. Der Stromregler stellt die Strom- und damit die Drehmomentverfolgung sicher. Hier bezieht sich „Verfolgung bzw. Tracking“ darauf, wie nahe der Ausgangsstrom (oder das Ausgangsdrehmoment) am gewünschten Strom (oder gewünschten Drehmoment) liegt, wie vom Strombefehl (Drehmomentbefehl) angefordert.
In Übereinstimmung mit beispielhaften Ausführungsformen wird ein verbesserter Drehmomentsteuerungsalgorithmus für einen PMSM-Antrieb bereitgestellt, der ein Maschinenstrom- und Spannungsmanagement aktiv durchführt. Die Entwicklung dieses Algorithmus wird durch eine Analyse verschiedener Betriebsarten des PMSM-Antriebssystems ermöglicht, die in 3 dargestellt sind. Es gibt grundsätzlich zwei Betriebsbereiche in einem PMSM-Antriebssystem, d.h. MTPA und MTPV, die in 3 als Bereich I bzw. Bereich III bezeichnet sind. Die Strombefehle in diesen beiden verschiedenen Bereichen werden mit MTPA- bzw. MTPV-Techniken oder -Operationen erzeugt, um eine optimale Strombefehlstrajektorie und damit eine optimale Motorsteuerung zu erreichen. Im Wesentlichen besteht die MTPA-Operation darin, die dq-Strombefehle $i_{d}^{*}$
und $i_{q}^{*}$
so zu bestimmen, dass der Drehmomentbefehl $T_{e}^{*}$
mit dem minimalen Maschinenstrom produziert wird. Der MTPV-Betrieb bestimmt die Strombefehle im Bereich mit Spannungssättigung, d.h. wenn die Größe des Spannungsbefehls gleich der Zwischenkreisspannung ist, so dass die Strombefehle ein Drehmoment erzeugen, das so nahe wie möglich am gewünschten Drehmomentbefehl liegt, um eine optimale Stromtrajektorie zu gewährleisten. Sowohl MTPA- als auch MTPV-Techniken oder -Operationen verwenden Schätzungen der Maschinen- und Wechselrichterparameter, was beinhaltet, dass das Maschinenmodell Nichtlinearitäten berücksichtigt, um die Strombefehle online zu bestimmen.
Neben Bereich I und III gibt es dazwischen auch einen Übergangsbereich, der in 3 als Bereich II bezeichnet wird und bei dem $T_{e, f i n a l}^{*} = T_{e}^{*} und v_{m} =$
$V_{m, m a x} .$
In diesem Bereich wird eine Flussschwächung durchgeführt, um die Maschinenspannung innerhalb V_m,max zu halten, während der endgültige Drehmomentbefehl gleich dem Original gehalten wird.
Das Management von Maschinenstrom und -spannung ist bei einem PMSM-Antrieb von entscheidender Bedeutung und muss im Steuerungssystem berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass die Maschine in dem optimalen Betriebszustand arbeitet. Die Spannung eines gegebenen PMSM-Systems muss zunächst unterhalb der Spannungskapazität garantiert werden, um einen Ausfall des Steuerungsalgorithmus zu vermeiden. Darüber hinaus muss der Maschinenstrom unter einer bestimmten Höchstgrenze gehalten werden, da er die Verlustleistung und die Wärmeabgabe im Inneren der Maschine beeinflusst und in direktem Zusammenhang mit dem Wechselrichterdesign steht, das in der Lage sein muss, den maximalen Maschinenstrom zu leiten. Wenn der Maschinenstrom höher als die Nennleistung des Geräts ist, kann der Wechselrichter ausfallen. Daher muss der Maschinenstrom innerhalb des Gerätenennstroms sorgfältig gesteuert werden, um einen Wechselrichterausfall zu vermeiden und somit die Systemzuverlässigkeit zu verbessern. Darüber hinaus kann ein gut gesteuerter Maschinenstrom die Anforderungen an die Gerätenennleistung im Wechselrichterentwurfsprozess reduzieren, was den Entwurf von Hardwareschaltungen mit kostengünstigeren Komponenten ermöglicht.
Bisherige Techniken berücksichtigen in erster Linie die optimale Stromtrajektoriensteuerung, so dass das Drehmoment oder der Wirkungsgrad maximiert werden kann. Der maximale Maschinenstrom wird jedoch nicht berücksichtigt. Um potenzielle durch hohe Maschinenströme verursachte Probleme zu vermeiden, wird ein PMSM-Steuerungsschema mit sowohl maximaler Maschinenstrombegrenzung als auch optimaler Stromtrajektoriensteuerung gewünscht, um das Systemdesign zu verbessern und in der Zwischenzeit ein maximales Drehmoment oder einen maximalen Wirkungsgrad bei PMSM-Antrieben zu gewährleisten.
Das hier anhand von beispielhaften Ausführungsformen beschriebene PMSM-Steuerungsschema sichert das Ziel der Strom- und Spannungsbegrenzung der Maschine, kann ein maximales Drehmoment oder einen maximalen Wirkungsgrad gewährleisten, ist einfach online zu implementieren und weist eine gute Genauigkeit über die gesamten Betriebsbereiche der Maschine hinweg auf. Um den Maschinenstrom aktiv zu begrenzen, muss die PMSM-Betriebstrajektorienanalyse durchgeführt werden, die in 3 dargestellt ist.
Es gibt grundsätzlich zwei Betriebsbereiche in einem PMSM-Antriebssystem, d.h. MTPA und MTPV, die in 2(a) als Bereich I bzw. Bereich III bezeichnet sind. Die Strombefehle in diesen beiden unterschiedlichen Bereichen werden mit MTPA- bzw. MTPV-Techniken erzeugt, um eine optimale Stromtrajektorie und damit eine optimale Motorsteuerung zu erreichen. Im Wesentlichen besteht die MTPA-Technik darin, die dq-Strombefehle $i_{d}^{*}$
und $i_{q}^{*}$
so zu bestimmen, dass der Drehmomentbefehl $T_{e}^{*}$
mit dem minimalen Maschinenstrom produziert wird. Die MTPV-Technik bestimmt die Strombefehle im spannungsgesättigten Bereich, d.h. wenn die Größe des Spannungsbefehls gleich der Zwischenkreisspannung ist oder die Maschine impedanzbegrenzt ist, so dass die Strombefehle ein Drehmoment erzeugen, das so nah wie möglich an dem gewünschten Drehmomentbefehl liegt. Beide Techniken nutzen Ergebnisse einer Parameterschätzung zusammen mit dem Maschinenmodell unter Berücksichtigung von Nichtlinearitäten, um die Strombefehle online zu bestimmen. Neben Bereich I und III gibt es dazwischen auch einen Übergangsbereich, der in 2(a) als Bereich II bezeichnet wird, wobei $T_{e, f i n a l}^{*} = T_{e}^{*}$
und $v_{m} = V_{m, m a x} .$
In diesem Bereich wird eine Flussschwächung durchgeführt, um die Maschinenspannung innerhalb von V_m,max zu halten, während der endgültige Drehmomentbefehl gleich dem Original gehalten wird.
Die PMSM-MTPA-Trajektorie ist in 4 dargestellt. Wie in der Figur zu sehen ist, gibt es für einen gegebenen Drehmomentbefehl, z.B, T_e = 0,2 pu zahlreiche Kombinationen der dq-Ströme i_d und i_q, die die Drehmomentanforderung erfüllen. Es gibt jedoch einen Punkt, an dem der endgültige Maschinenstrom im minimal ist, d.h. der MTPA-Betriebspunkt bei diesem Drehmomentbefehl. Das Verbinden aller MTPA-Betriebspunkte bei verschiedenen Drehmomentbefehlen führt zu einer kontinuierlichen MTPA-Trajektorie. Der MTPA-Betrieb ist in einem PMSM-Antriebssystem sehr erwünscht, da der Drehmomentbefehl verfolgt wird und währenddessen der minimale Maschinenstrom beibehalten wird, wodurch die Maschinenverluste minimiert werden. Durch die Erweiterung der MTPA-Trajektorie wird der MTPA-Betrieb jedoch letztendlich nicht möglich, da die Spannungskapazität, die durch die Zwischenkreisspannung V_m,max bestimmt wird, an einem bestimmten Punkt erreicht wird, wie in 5 dargestellt. Die Erhöhung entweder eines gegebenen Drehmomentbefehls $T_{e}^{*}$
oder der Motordrehzahl ω_m wird zu einer höheren PMSM-Spannung beitragen und die Annäherung an die Spannungskapazitätskurve beschleunigen. Nach dem MTPA-Betriebsbereich und vor der Durchführung eines MTPV-Betriebs könnte es einen Bereich geben, in dem eine Flussschwächung durchgeführt wird und die vorgegebene Drehmomentanforderung noch erfüllt werden kann. Sobald ein PMSM in seinen MTPV-Betriebsbereich eintritt, kann der Drehmomentbefehl nicht mehr verfolgt werden. Stattdessen wird ein maximal mögliches Drehmoment T_e,max innerhalb der Spannungskapazität des PMSM genutzt, um eine optimale Stromtrajektorie zu gewährleisten. Die Wellenformen in einem ausgeprägten PMSM-Antrieb sind in 3 dargestellt, um die verschiedenen Betriebsbereiche zu veranschaulichen.
Wenn eine Maschinenstromgrenze I_m,max im bestehenden Drehmomentsteuerungsalgorithmus 170 als PMSM-Steuerungsbeschränkung berücksichtigt werden soll, muss der Drehmomentbefehl entsprechend geändert werden. Die Herausforderung ergibt sich daraus, dass das maximal zulässige Drehmoment zur Verhinderung einer Grenzüberschreitung des Maschinenstroms unbekannt ist und aufgrund der Komplexität der MTPA- und MTPV-Techniken zur Aufrechterhaltung einer optimalen Stromtrajektorie analytisch kaum zu lösen ist. Beispielhafte Ausführungsformen bieten eine technische Lösung für dieses Problem. Um dieses Problem zu lösen, wird ein auf der Suche nach dem maximalen Drehmoment basierendes Verfahren, das den maximalen Maschinenstrom berücksichtigt, über einen verbesserten Drehmomentsteuerungsalgorithmus implementiert (siehe z.B. die Beispielalgorithmen 170', 170" und 180, die unter Bezugnahme auf FIG: 6, 7 und 8 beschrieben sind), das die analytische Komplexität der Berechnung des maximalen Drehmoments bei einer gegebenen Maschinenstromgrenze vermeidet. Der verbesserte Drehmomentsteuerungsalgorithmus der gezeigten Ausführungsformen kann z.B. von einer Verarbeitungseinrichtung wie der Steuerung 16 durchgeführt werden.
Das Flussdiagramm eines PMSM-Steuerungsschemas mit einem verbesserten Drehmomentsteuerungsalgorithmus 170', der die Strom- und Spannungskapazität berücksichtigt, ist in 6 dargestellt. Der verbesserte Drehmomentsteuerungsalgorithmus 170', der die Strom- und Spannungskapazität berücksichtigt, wird durch Modifizierung des Berechnungsprozesses der Strombefehle des bestehenden Drehmomentsteuerungsalgorithmus 170 erreicht. Insbesondere wird eine zusätzliche Beschränkung der Maschinenstrombegrenzung zu dem Drehmomentsuchvorgang 120' hinzugefügt, um das maximale Drehmoment innerhalb der Systemkapazität zu finden, das gleichzeitig den Maschinenstrom innerhalb des begrenzten Wertes I_m,max sicherstellt. Das maximale Drehmoment wird dann an die MTPA-Operation 130 und die MTPV-Operation 140' gesendet, um die Strombefehle $i_{d, f i n a l}^{*}$
und $i_{q, f i n a l}^{*}$
für eine optimale Verfolgung der Stromtrajektorie zu berechnen.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 6 führt der verbesserte Drehmomentsteuerungsalgorithmus 170' eine Drehmomentbegrenzungsoperation 120' durch, um einen Drehmomentbefehl $T_{e, f i n a l}^{*}$
zu bestimmen, der auf ein maximales Drehmoment T_e,max des PMSM für eine festgelegte maximale Zwischenkreisspannung V_m,max begrenzt ist und der einen festgelegten PMSM-Stromwert I_m,max nicht überschreitet. Der verbesserte Drehmomentsteuerungsalgorithmus 170' führt auch eine MTPA-Operation (130) unter Verwendung des Drehmomentbefehls $T_{e, f i n a l}^{*}$
aus, um Strombefehle $i_{d}^{*} und i_{q}^{*}$
für die PMSM-Steuerung zu bestimmen.
Mathematische Gleichungen zur Berechnung von T_e,max sind: $V_{d} = T i_{d} + ω_{e} L_{q} I_{q}$
$V_{q} = R I_{q} + K_{e} ω_{m} - ω_{e} L_{d} I_{d}$
$T_{e} = \frac{3}{2} K_{e} I_{q} + \frac{3}{4} N_{p} (L_{q} - L_{d}) I_{d} I_{q}$
$V_{d}^{2} + V_{q}^{2} = V_{D C}^{2} / 3$
$I_{d}^{2} + I_{q}^{2} = I_{m}^{2}$
Die Gleichungen (1) und (2) sind Motorspannungsgleichungen. Gleichung (3) ist die Drehmomentgleichung. Gleichung (4) ist die Spannungsbeschränkung. Gleichung (5) ist die Motorphasenstrom-Beschränkung. Das Ziel der durch die beispielhafte Ausführungsform von 6 realisierten Optimierung ist es, das Drehmoment in Gleichung (3) zu maximieren und gleichzeitig die Spannungs- und Motorstrombeschränkungen zu erfüllen. Es ist zu beachten, dass in diesen Gleichungen R der Motorwiderstand (Ohm) ist, L_d die d-Achsen-Induktivität (Henry) ist, L_q die q-Achsen-Induktivität (Henry) ist, K_e eine Motorspannungskonstante (V/rad/s) ist, ω_m eine mechanische Motordrehzahl (rad/s) ist, ω_e eine elektrische Motordrehzahl (rad/s) ist und N_p die Polzahl des Motors 160 ist.
Unter weiterer Bezugnahme auf 6 führt der verbesserte Drehmomentsteuerungsalgorithmus 170' eine MTPV-Operation (140') durch, die bestimmt, ob eine PMSM-Spannung eine festgelegte maximale Zwischenkreisspannung des Systems überschreitet (Block 142), und verwendet die Strombefehle $i_{d}^{*}$
und $i_{q}^{*}$
aus der MTPA-Berechnung für die PMSM-Steuerung, wenn die PMSM-Spannung v_m die festgelegte maximale Zwischenkreisspannung V_m,max nicht überschreitet (Block 143). Wenn die MTPV-Berechnung 140' bestimmt, dass die PMSM-Spannung v_m die festgelegte maximale Zwischenkreisspannung V_m,max überschreitet (Block 142), ist der verbesserte Drehmomentsteuerungsalgorithmus 170' weiter konfiguriert, um zu bestimmen, ob das maximale Drehmoment T_e,max des PMSM kleiner oder gleich einem gegebenen Drehmomentbefehl $T_{e}^{*}$
ist (Block 144). Die MTPV-Berechnung 140' bestimmt Strombefehle für die PMSM-Steuerung, die das maximale Drehmoment T_e,max des PMSM für die festgelegte maximale Zwischenkreisspannung erreichen, wenn das maximale Drehmoment T_e,max des PMSM als kleiner oder gleich einem gegebenen Drehmomentbefehl bestimmt wird (Block 145). Die MTPV-Berechnung 140' bestimmt Strombefehle für die PMSM-Steuerung, die den gegebenen Drehmomentbefehl $T_{e}^{*}$
erreichen, wenn das maximale Drehmoment T_e,max des PMSM den gegebenen Drehmomentbefehl $T_{e}^{*}$
überschreitet (Block 148).
Der verbesserte Drehmomentsteuerungsalgorithmus 170' in 6 ist in der Lage, eine optimale Drehmomentsteuerung in PMSM-Antrieben zu erreichen. Die Spannungsausnutzung ist jedoch in einigen Betriebspunkten möglicherweise nicht optimal, die sich, wie in 3 dargestellt, im Bereich II des PMSM-Betriebs befinden, d.h. wenn das maximale Drehmoment bei V_m,max höher ist als $T_{e}^{*}$
mit Flussschwächung. Der nicht-optimale Betrieb des PMSM-Antriebs ist darauf zurückzuführen, dass die Maschinenspannung nicht optimal genutzt wird. Daher kann eine Optimierung durchgeführt werden, um eine bessere Ausnutzung der Maschinenspannung zu erreichen, wie der verbesserte Drehmomentsteuerungsalgorithmus 170" in 7 zeigt. Die Operationen des verbesserten Drehmomentsteuerungsalgorithmus 170" für eine bessere Spannungsausnutzung sind ähnlich denen, die im Hinblick auf den verbesserten Drehmomentsteuerungsalgorithmus 170' in 6 beschrieben sind, mit Ausnahme der Hinzufügung eines weiteren Schritts (Block 146) bei Operationen (Block 149), die ausgeführt werden, nachdem die modifizierte MTPV-Operation 140" bestimmt, dass das maximale Drehmoment T_e,max des PMSM den gegebenen Drehmomentbefehl $T_{e}^{*}$
überschreitet (Block 144).
In der Praxis kann die Reduzierung der Maschinenspannung V_m,max durch manuelles Hinzufügen einer Spannungsgrenze in den Algorithmus 170" (Block 146) gesteuert werden, nachdem die MTPV-Operation 140" bestimmt hat, dass das maximale Drehmoment T_e,max des PMSM den gegebenen Drehmomentbefehl $T_{e}^{*}$
überschreitet (Block 144). Die Spannungsgrenze kann ein bezeichneter Parameterwert in dem Programmcode sein, der den Algorithmus 170" implementiert, oder sie kann empirisch oder iterativ bestimmt werden. Der Algorithmus 170" reduziert die PMSM-Spannung V_m,max, bis das maximale Drehmoment T_e,max des PMSM im Wesentlichen gleich dem gegebenen Drehmomentbefehl $T_{e}^{*}$
für eine festgelegte Motordrehzahl ist. Durch Reduzierung von V_m,max über Block 146 und bessere Nutzung von V_m,max so dass das maximale Drehmoment bei V_m,max gleich $T_{e}^{*}$
mit Flussschwächung ist, kann der Maschinenstrom auf einem Minimum gehalten werden, was bei den PMSM-Antrieben, wie oben beschrieben, von Vorteil ist.
Da die Maschine 160 und der Wechselrichter 150 so ausgelegt werden können, dass sie den Maschinenstrom unter den meisten Betriebsbedingungen führen (d.h. oder bei allen Betriebsbedingungen ohne Optimierung des Maschinen- und Wechselrichterdesigns durch Maschinenstrombegrenzung), mit Ausnahme eines schmalen Übergangsbereichs nach dem MTPA-Bereich bei großem Drehmomentbefehl, führen die Maschinenströme ohne jede Begrenzung in den meisten Fällen nicht zu Schäden an der Maschine 160 und dem Wechselrichter 150 in einem PMSM-Antriebssystem. Daher wird in Übereinstimmung mit einer anderen beispielhaften Ausführungsform ein verbesserter Drehmomentsteuerungsalgorithmus 180 bereitgestellt, der eine Modifikation der Strombefehle nach der Befehlsgenerierung verwendet, wie in 8 dargestellt.
Wie in 8 gezeigt, verwendet der verbesserte Drehmomentsteuerungsalgorithmus 180 ein Modul zur Erzeugung von Strombefehlen, das dem bestehenden Drehmomentsteuerungsalgorithmus 170 ähnlich ist, der unter Bezugnahme auf 2 beschrieben ist. Der verbesserte Drehmomentsteuerungsalgorithmus 180 erreicht die Maschinenstrombegrenzung, indem er zunächst den Maschinenstrom im am Ausgang des vorhandenen Drehmomentsteuerungsalgorithmus 170 berechnet (Block 182). Wenn der Maschinenstrom im I_m,max nicht überschreitet (Block 184), verwendet der verbesserte Drehmomentsteuerungsalgorithmus 180 die Strombefehle aus dem Drehmomentsteuerungsalgorithmus 170 für die Motorsteuerung (Block 186). Wenn der Maschinenstrom i_m I_m,max übersteigt (Block 184), bestimmt der verbesserte Drehmomentsteuerungsalgorithmus 180 aktualisierte Strombefehle für die Motorsteuerung auf der Grundlage eines ausgewählten Stromwinkels, wie in den Blöcken 190, 192 und 194 in 8 angegeben. Wenn der Maschinenstrom im die Grenze I_m,max überschreitet, wird die Größe des Stroms auf den Grenzwert festgelegt (Block 190) und der Winkel a wird von $\frac{π}{2}$
in Richtung 0 schrittweise durchlaufen (Block 192), bis das modifizierte Drehmoment ansteigt und gleich dem befohlenen Drehmoment wird und die Spannung kleiner oder gleich der maximalen Spannung V_m,max ist. Diese Suche wird durchgeführt, weil, wenn der Strom einfach auf die maximale Grenze I_m,max begrenzt wird, während der Winkel a unverändert ist, dies zu einem drastisch niedrigeren modifizierten Drehmoment führen kann, obwohl die Spannungsbegrenzung immer noch erfüllt wäre. Somit wird der Winkel von einem Wert von $\frac{π}{2},$
bei dem nur der Strom der d-Achse ungleich Null ist, während der Strom der q-Achse Null ist (d.h. das Drehmoment ist Null), in Richtung auf Null geändert, da das maximale Ausgangsdrehmoment in einem Winkel zwischen diesen beiden Extremen liegt.
Die Suchoperation (Block 192) für den ausgewählten Stromwinkel umfasst das Durchlaufen des Stromwinkels α, um V_dq und T_e zu erhalten, wobei $I_{d} = I_{m, m a x} cos α$
$I_{q} = I_{m, m a x} sin α$
verwendet werden, um I_dq zu bestimmen, wobei I_m,max die festgelegte maximale Motorphasenstromgrenze ist, und V_dq und T_e unter Verwendung von I_dq in den folgenden Gleichungen bestimmt werden: $V_{d} = R I_{d} + ω_{e} L_{q} I_{q},$
$V_{q} = R I_{q} + K_{e} ω_{m} - ω_{e} L_{d} I_{d},$
$T_{e} = \frac{3}{2} K_{e} I_{q} + \frac{3}{4} N_{p} (L_{q} - L_{d}) I_{d} I_{q},$
wobei R der Widerstand der Motorschaltung (Ohm) ist, L_d die d-Achsen-Induktivität (Henry) ist, L_q die q-Achsen-Induktivität (Henry) ist, K_e die Motorspannungskonstante (Volt/rad/s) ist, ω_m die mechanische Motordrehzahl (rad/s) ist, ω_e die elektrische Motordrehzahl (rad/s) ist und N_p die Anzahl der magnetischen Pole des Motors ist.
In dem verbesserten Drehmomentsteuerungsalgorithmus 180, der ein Begrenzungsmodul 180 für i_m nach einem bestehenden Drehmomentsteuerungsalgorithmus 170 bereitstellt, werden ursprüngliche Strombefehle $i_{d, f i n a l}^{*}$
und $i_{q, f i n a l}^{*}$
aus dem bestehenden Drehmomentsteuerungsalgorithmus 170 die meiste Zeit direkt an den Stromregler 150 gehen, wenn die PMSM-Stromgrenze nicht überschritten wird. Für den Fall eines großen Drehmomentbefehls in dem speziellen Bereich, wenn der ursprüngliche im höher ist als I_m,max, wird eine weitere Berechnung durchgeführt, um neue $i_{d, f i n a l}^{*}$
und $i_{q, f i n a l}^{*}$
(z.B. Blöcke 190, 192 und 194), so zu erzeugen, dass die Strom- und Spannungsgrenzen des PMSM nicht überschritten werden. Dieser Ansatz 180 entspricht im Wesentlichen der in 6 gezeigten technischen Lösung 170, kann aber potenziell Rechenressourcen einsparen.
Jede der in den beispielhaften Ausführungsformen der 6, 7 und 8 genannten beispielhaften technischen Lösungen kann unter Berücksichtigung der Strom- und Spannungskapazität der Maschine erwartete Ergebnisse hinsichtlich einer optimalen Stromtrajektorienverfolgung liefern. Für den Fall, dass der ursprüngliche im höher ist als I_m,max, können die in den beispielhaften Ausführungsformen der 6, 7 und 8 genannten technischen Lösungen neue $i_{d, f i n a l}^{*}$
und $i_{q, f i n a l}^{*}$
so erzeugen, dass die Strom- und Spannungsgrenzen des PMSM nicht überschritten werden.
Die Maschinenstrombegrenzung ist bei elektrischen Antrieben unerlässlich, um zum Schutz des Motors, des Wechselrichters und anderer Teile des elektrischen Antriebssystems beizutragen. Obwohl bestehende Techniken für das Motorstrommanagement zur Verfügung stehen, sind diese bestehenden Techniken mit Nachteilen behaftet. Beispielsweise kann eine Offline-Kalibrierung durchgeführt werden; die kalibrierte Stromgrenze ist jedoch oft zu konservativ. Außerdem muss die Offline-Kalibrierung für verschiedene Motoren durchgeführt werden, was zeitaufwändig ist. Ferner sind aufgrund des Offline-Charakters dieser Techniken die Strom- und Drehmomentbefehle nicht optimal, da sich dynamisch ändernde Betriebsbedingungen des PMSM 160 nicht berücksichtigt werden. Andererseits sind dynamische Techniken, die den Motor-Drehmomentbefehl iterativ modifizieren, zwar genauer, aber bei der Implementierung rechenintensiv.
Die technischen Lösungen für das Motorstrommanagement anhand der beispielhaften Ausführungsformen der 6, 7 und 8 sind gegenüber den vorgenannten Strombegrenzungstechniken aus einer Reihe von Gründen vorteilhaft. Zum Beispiel sind die beispielhaften Ausführungsformen rechnerisch effiziente Lösungen, indem eine zusätzliche Motorstrombegrenzung an das ursprüngliche Referenzmodell angehängt wird (z.B. an den Drehmomentsteuerungsalgorithmus 170 aus 2 und PMSM-Betriebsbereiche oder Betriebsarten und Trajektorienanalysen in 3-5). Darüber hinaus bieten die mehreren beispielhaften Ausführungsformen von 6-8 einen bequemen Kompromiss zwischen Genauigkeit und Komplexität. Die beispielhaften Ausführungsformen der 6-8 berücksichtigen die dynamische Veränderung der Betriebsbedingungen durch Online-Begrenzungskapazitäten, sind in der Lage, den maximalen Motorstrom dynamisch zu begrenzen, sind für alle Permanentmagnet-Synchronmaschinen unter allen Bedingungen anwendbar.
Aspekte der vorliegenden technischen Lösungen sind hier unter Bezugnahme auf Flussdiagrammabbildungen und/oder Blockdiagramme von Verfahren, Apparaten (Systemen) und Computerprogrammprodukten entsprechend den Ausführungsformen der technischen Lösungen beschrieben. Es wird davon ausgegangen, dass jeder Block der Flussdiagrammabbildungen und/oder Blockdiagramme und Kombinationen von Blöcken in den Flussdiagrammabbildungen und/oder Blockdiagrammen durch computerlesbare Programmanweisungen implementiert werden kann.
Das Flussdiagramm und die Blockdiagramme in den Figuren veranschaulichen die Architektur, die Funktionalität und die Funktionsweise möglicher Implementierungen von Systemen, Verfahren und Computerprogrammprodukten entsprechend den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden technischen Lösungen. In dieser Hinsicht kann jeder Block in dem Flussdiagramm oder den Blockdiagrammen ein Modul, ein Segment oder einen Teil von Befehlen darstellen, der einen oder mehrere ausführbare Befehle 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 z.B. zwei nacheinander dargestellte Blöcke im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden, oder die Blöcke können manchmal tatsächlich in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden, je nach der betreffenden Funktionalität. Es wird auch darauf hingewiesen, dass jeder Block der Blockdiagramme und/oder der Flussdiagrammdarstellung sowie Kombinationen von Blöcken in den Blockdiagrammen und/oder der Flussdiagrammdarstellung durch auf Spezialzweck-Hardware basierende Systeme implementiert werden kann, die die angegebenen Funktionen oder Handlungen ausführen oder Kombinationen von Spezialzweck-Hardware und Computerbefehlen ausführen.
Es ist auch festzustellen, dass jedes hier beispielhaft dargestellte Modul, jede Einheit, Komponente, jeder Server, Computer, jedes Endgerät oder Gerät, das Anweisungen ausführt, computerlesbare Medien wie Speichermedien, Computerspeichermedien oder Datenspeichergeräte (entfernbar und/oder nicht entfernbar) wie z.B. Magnetplatten, optische Platten oder Bänder enthalten oder anderweitig Zugriff darauf haben kann. Zu den Computerspeichermedien können flüchtige und nicht flüchtige, austauschbare und nicht austauschbare Medien gehören, die in einer beliebigen Methode oder Technologie zur Speicherung von Informationen implementiert sind, wie z.B. computerlesbare Anweisungen, Datenstrukturen, Programm-Module oder andere Daten. Solche Computerspeichermedien können Teil des Geräts sein oder dafür zugänglich sein oder daran angeschlossen werden. Jede hierin beschriebene Anwendung oder jedes hierin beschriebene Modul kann unter Verwendung computerlesbarer/ausführbarer Anweisungen implementiert werden, die auf solchen computerlesbaren Medien gespeichert oder anderweitig festgehalten werden können.
Obwohl die vorliegende Offenlegung im Zusammenhang mit nur einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen detailliert beschrieben wurde, sollte leicht verständlich sein, dass die vorliegende Offenlegung nicht auf solche offengelegten Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann die vorliegende Offenlegung so modifiziert werden, dass sie eine beliebige Anzahl von Variationen, Änderungen, Substitutionen oder gleichwertigen Anordnungen enthält, die bisher nicht beschrieben wurden, die aber im Umfang der vorliegenden Offenlegung angemessen sind. Darüber hinaus sind zwar verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung beschrieben worden, aber es ist zu verstehen, dass Aspekte der vorliegenden Offenlegung nur einige der beschriebenen Ausführungsformen oder Kombinationen der verschiedenen Ausführungsformen umfassen können. Dementsprechend ist die vorliegende Offenbarung nicht als durch die vorstehende Beschreibung eingeschränkt zu betrachten.

Claims

System, das umfasst: eine Permanentmagnet-Synchronmaschine (PMSM); und ein Motorsteuerungssystem, das so konfiguriert ist, dass es einen Maschinenstrom begrenzt, wobei das Motorsteuerungssystem konfiguriert ist, um: einen Drehmomentbefehl zu bestimmen, der auf ein maximales Drehmoment des PMSM für eine festgelegte maximale Zwischenkreisspannung begrenzt ist und einen festgelegten maximalen PMSM-Stromgrenzwert nicht überschreitet; und eine Berechnung des maximalen Drehmoments pro Ampere (MTPA) unter Verwendung des Drehmomentbefehls durchzuführen, um Strombefehle für die PMSM-Steuerung zu bestimmen.
System nach Anspruch 1, wobei das Motorsteuerungssystem weiter konfiguriert ist, um: zu bestimmen, ob eine PMSM-Spannung eine festgelegte maximale Zwischenkreisspannung des Systems überschreitet; und die Strombefehle aus der MTPA-Berechnung für die PMSM-Steuerung zu verwenden, wenn die PMSM-Spannung die festgelegte maximale Zwischenkreisspannung nicht überschreitet.
System nach Anspruch 2, wobei, wenn die MTPV-Berechnung feststellt, dass die PMSM-Spannung die festgelegte maximale Zwischenkreisspannung überschreitet, das Motorsteuerungssystem ferner so konfiguriert ist, dass es eine MTPV-Berechnung durchführt, um zu bestimmen: Strombefehle für die PMSM-Steuerung, die das maximale Drehmoment des PMSM für die festgelegte maximale Zwischenkreisspannung erreichen, wenn festgestellt wird, dass das maximale Drehmoment des PMSM kleiner oder gleich einem gegebenen Drehmomentbefehl ist; und Strombefehle für die PMSM-Steuerung, die den gegebenen Drehmomentbefehl erreichen, wenn festgestellt wird, dass das maximale Drehmoment des PMSM größer als der gegebene Drehmomentbefehl ist.
System nach Anspruch 3, wobei, wenn während der MTPV-Berechnung festgestellt wird, dass das maximale Drehmoment des PMSM größer als der gegebene Drehmomentbefehl ist, das Motorsteuerungssystem ferner so konfiguriert ist, dass es die PMSM-Spannung reduziert, bis das maximale Drehmoment des PMSM im Wesentlichen gleich dem gegebenen Drehmomentbefehl für eine festgelegte Motordrehzahl ist, und dann Strombefehle für die PMSM-Steuerung bestimmt.
Motorsteuerungssystem, das so konfiguriert ist, dass es einen Versorgungsstrom und einen Rückspeisestrom begrenzt, wobei das Motorsteuerungssystem umfasst: ein Drehmomentsteuerungsmodul, das konfiguriert ist, um: einen Drehmomentbefehl zu bestimmen, der auf ein maximales Drehmoment eines Motors begrenzt ist, eine Berechnung des maximalen Drehmoments pro Ampere (MTPA) unter Verwendung des Drehmomentbefehls durchzuführen, um Strombefehle für die Motorsteuerung zu bestimmen; und eine Berechnung des maximalen Drehmoments pro Spannung (MTPV) durchzuführen, die die Strombefehle nach Bedarf modifiziert, um eine Systemspannungsbeschränkung zu erfüllen; und ein Motorstrombegrenzungsmodul, das konfiguriert ist, um: einen Motorstromwert zu berechnen; die Strombefehle von dem Drehmomentsteuerungsmodul für die Motorsteuerung zu verwenden, wenn der berechnete Motorstromwert einen festgelegten maximalen Motorphasenstrom-Grenzwert nicht überschreitet; und wenn der berechnete Motorstromwert den festgelegten maximalen Motorphasenstrom-Grenzwert überschreitet, aktualisierte Strombefehle für die Motorsteuerung auf der Grundlage eines ausgewählten Stromwinkels zu bestimmen; wobei der ausgewählte Stromwinkel unter Verwendung einer Suchoperation für einen Motorstromwinkel derart bestimmt wird, dass, wenn der berechnete Motorstrom den festgelegten maximalen Motorphasenstrom-Grenzwert überschreitet, die Größe des berechneten Motorstroms auf den festgelegten maximalen Motorphasengrenzwert festgelegt wird und der ausgewählte Stromwinkel von $\frac{π}{2}$
in Richtung 0 durchlaufen wird, bis ein modifiziertes Drehmoment ansteigt und gleich dem von dem Drehmomentsteuerungsmodul befohlenen Drehmoment wird und die Spannung kleiner oder gleich einer festgelegten maximalen Zwischenkreisspannung des Motors ist.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 5, wobei die Suchoperation für den ausgewählten Stromwinkel das Durchlaufen des Stromwinkels a umfasst, um V_dq und T_e zu erhalten, wobei $I_{d} = I_{m, m a x} cos α$
und $I_{d} = I_{m, m a x} sin α,$
verwendet werden, um I_dq zu bestimmen, wobei I_m,max die festgelegte maximale Motorphasenstromgrenze ist, und V_dq und T_e unter Verwendung von I_dq in den folgenden Gleichungen bestimmt werden $V_{d} = R I_{d} + ω_{e} L_{q} I_{q},$
$V_{q} = R I_{q} + K_{e} ω_{m} - ω_{e} L_{d} I_{d},$
$T_{e} = \frac{3}{2} K_{e} I_{q} + \frac{3}{4} N_{p} (L_{q} - L_{d}) I_{d} I_{q},$
wobei R der Widerstand der Motorschaltung (Ohm) ist, L_d die d-Achsen-Induktivität (Henry) ist, L_q die q-Achsen-Induktivität (Henry) ist, K_e die Motorspannungskonstante (Volt/rad/s) ist, ω_m die mechanische Motordrehzahl (rad/s) ist, ω_e die elektrische Motordrehzahl (rad/s) ist und N_p die Anzahl der magnetischen Pole des Motors ist.
Verfahren zur Begrenzung von Maschinenstrom und Maschinenspannung in einem Motorsteuerungssystem, das umfasst, dass ein Drehmomentbefehl bestimmt wird, der auf ein maximales Drehmoment des PMSM für eine festgelegte maximale Zwischenkreisspannung begrenzt ist und einen festgelegten maximalen PMSM-Stromgrenzwert nicht überschreitet; und eine Berechnung des maximalen Drehmoments pro Ampere (MTPA) unter Verwendung des Drehmomentbefehls durchgeführt wird, um Strombefehle für die PMSM-Steuerung zu bestimmen.
System nach Anspruch 7, wobei das Motorsteuerungssystem ferner konfiguriert ist, um: zu bestimmen, ob eine PMSM-Spannung eine festgelegte maximale Zwischenkreisspannung des Systems überschreitet; und die Strombefehle aus der MTPA-Berechnung für die PMSM-Steuerung zu verwenden, wenn die PMSM-Spannung die festgelegte maximale Zwischenkreisspannung nicht überschreitet.
System nach Anspruch 7, wobei, wenn die MTPV-Berechnung feststellt, dass die PMSM-Spannung die festgelegte maximale Zwischenkreisspannung überschreitet, das Motorsteuerungssystem ferner so konfiguriert ist, dass es eine MTPV-Berechnung durchführt, um zu bestimmen: Strombefehle für die PMSM-Steuerung, die das maximale Drehmoment des PMSM für die festgelegte maximale Zwischenkreisspannung erreichen, wenn festgestellt wird, dass das maximale Drehmoment des PMSM kleiner oder gleich einem gegebenen Drehmomentbefehl ist; und Strombefehle für die PMSM-Steuerung, die den gegebenen Drehmomentbefehl erreichen, wenn festgestellt wird, dass das maximale Drehmoment des PMSM größer als der gegebene Drehmomentbefehl ist.
System nach Anspruch 8, wobei, wenn während der MTPV-Berechnung festgestellt wird, dass das maximale Drehmoment des PMSM größer als der gegebene Drehmomentbefehl ist, das Motorsteuerungssystem ferner so konfiguriert ist, dass es die PMSM-Spannung reduziert, bis das maximale Drehmoment des PMSM im Wesentlichen gleich dem gegebenen Drehmomentbefehl für eine festgelegte Motordrehzahl ist, und dann Strombefehle für die PMSM-Steuerung bestimmt.
Verfahren zur Begrenzung eines Versorgungsstroms und eines Rückspeisestroms, wobei das Motorsteuerungssystem umfasst, dass: ein Drehmomentbefehl bestimmt wird, der auf ein maximales Drehmoment eines Motors begrenzt ist; eine Berechnung des maximalen Drehmoments pro Ampere (MTPA) unter Verwendung des Drehmomentbefehls zur Bestimmung von Strombefehlen für die Motorsteuerung durchgeführt wird; eine Berechnung des maximalen Drehmoments pro Spannung (MTPV) durchgeführt wird, die die Strombefehle nach Bedarf modifiziert, um eine Systemspannungsbeschränkung zu erfüllen; ein Motorstromwert berechnet wird; die Strombefehle für die Motorsteuerung verwendet werden, wenn der berechnete Motorstromwert einen festgelegten maximalen Motorphasenstrom-Grenzwert nicht überschreitet; und wenn der berechnete Motorstromwert den festgelegten maximalen Motorphasenstrom-Grenzwert überschreitet, aktualisierte Strombefehle für die Motorsteuerung auf der Grundlage eines ausgewählten Stromwinkels bestimmt werden; wobei der ausgewählte Stromwinkel unter Verwendung einer Suchoperation für einen Motorstromwinkel derart bestimmt wird, dass, wenn der berechnete Motorstrom den festgelegten maximalen Motorphasenstromgrenzwert überschreitet, die Größe des berechneten Motorstroms auf den festgelegten maximalen Motorphasengrenzwert festgelegt wird und der ausgewählte Stromwinkel von $\frac{π}{2}$
in Richtung 0 durchlaufen wird, bis ein modifiziertes Drehmoment ansteigt und gleich dem von dem Drehmomentsteuerungsmodul befohlenen Drehmoment wird und die Spannung kleiner oder gleich einer festgelegten maximalen Zwischenkreisspannung des Motors ist.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 11, wobei die Suchoperation für den ausgewählten Stromwinkel das Abtasten des Stromwinkels a umfasst, um V_dq und T_e zu erhalten, wobei $I_{d} = I_{m, m a x} cos α$
und $I_{q} = I_{m, m a x} sin α,$
verwendet werden, um I_dq zu bestimmen, wobei I_m,max die festgelegte maximale Motorphasenstromgrenze ist, und V_dq und T_e unter Verwendung von I_dq in den folgenden Gleichungen bestimmt werden $V_{d} = R I_{d} + ω_{e} L_{q} I_{q},$
$V_{q} = R I_{q} + K_{e} ω_{m} - ω_{e} L_{d} I_{d},$
$T_{e} = \frac{3}{2} K_{e} I_{q} + \frac{3}{4} N_{p} (L_{q} - L_{d}) I_{d} I_{q},$
wobei R der Widerstand der Motorschaltung (Ohm) ist, L_d die d-Achsen-Induktivität (Henry) ist, L_q die q-Achsen-Induktivität (Henry) ist, K_e die Motorspannungskonstante (Volt/rad/s) ist, ω_m die mechanische Motordrehzahl (rad/s) ist, ω_e die elektrische Motordrehzahl (rad/s) ist und N_p die Anzahl der magnetischen Pole des Motors ist.