DE102020130509A1

DE102020130509A1 - Vorsteuerung von mehrphasigen permanentmagnet-gleichstrommotor-antrieben

Info

Publication number: DE102020130509A1
Application number: DE102020130509.5A
Authority: DE
Inventors: Prerit Pramod
Original assignee: Steering Solutions IP Holding Corp
Current assignee: Steering Solutions IP Holding Corp
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2020-11-18
Publication date: 2021-06-02
Also published as: CN112886881A; US11218096B2; US20210167703A1

Abstract

Systeme und Verfahren zur Steuerung eines Ausgangsdrehmoments einer Permanentmagnet-Gleichstrommaschine (PMDC-Maschine) umfassen einen PMDC-Motor, der mehrere Wicklungssätze und eine Steuerung umfasst. Der PMDC-Motor ist so konfiguriert, dass er das Ausgangsdrehmoment erzeugt. Die Steuerung ist so konfiguriert, dass sie: für einen ersten Wicklungssatz des PMDC-Motors einen ersten Spannungsbefehl auf der Grundlage eines ersten Eingangsdrehmomentbefehlssignals und einer Gegen-EMK-Abfallspannung des ersten Wicklungssatzes bestimmt; für einen zweiten Wicklungssatz des PMDC-Motors einen zweiten Spannungsbefehl auf der Grundlage eines zweiten Eingangsdrehmomentbefehlssignals bestimmt; und den PMDC-Motor gemäß dem ersten Spannungsbefehl und dem zweiten Spannungsbefehl selektiv steuert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenlegung bezieht sich auf das Ermöglichen einer Vorsteuerung von Drehmoment und Strom von mehrphasigen Permanentmagnet-Gleichstrommotoren.
HINTERGRUND
Permanentmagnet-Gleichstrommotoren (PMDC-Motoren) (auch bürstenbehaftete Gleichstrommotoren genannt) werden häufig für Bewegungssteuerungsanwendungen eingesetzt, z. B. in elektrischen Servolenkungssystemen (EPS-Systemen), Elektrowerkzeugen und dergleichen. PMDC-Motoren mit mehreren Wicklungssätzen wurden entwickelt, um Redundanz in EPS-Anwendungen zu gewährleisten. Während diese Motoren ihren typischen Gegenstücken mit einer Wicklung ähneln, führen die meisten der üblicherweise verwendeten Wicklungsschemata zu einer induktiven Kopplung zwischen den verschiedenen Wicklungssätzen. Dies hat zur Folge, dass sich das Strom- und damit das Drehmomentsteuerungsverhalten dieser Motoren von dem von Motoren mit einer Wicklung unterscheidet. Daher sind bestehende Steuerungssysteme nicht auf mehrphasige PMDC-Motoren erweiterbar.
Die Drehmomentsteuerung von PMDC-Motorantrieben erfolgt durch eine Stromsteuerung unter Verwendung einer gemessenen Stromrückkopplung (durch Strommessschaltungen). Beispielsweise ist die Strom- und Drehmomentsteuerung mit Vorsteuerung ein Modus zur Steuerung von PMDC-Motorantrieben. Um eine Vorsteuerung des PMDC-Motors zu implementieren, ist ein genaues Modell des PMDC-Motors (einschließlich von Nichtlinearitäten wie etwa der Bürstenabfallspannung) erforderlich.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Offenlegung bezieht sich allgemein auf das Ermöglichen einer Vorsteuerung der Drehmoment- und Stromsteuerung von mehrphasigen Permanentmagnet-Gleichstrommotoren (PMDC-Motoren).
Ein Aspekt der offengelegten Ausführungsformen beinhaltet ein System zur Steuerung eines Ausgangsdrehmoments einer PMDC-Maschine. Das System umfasst einen PMDC-Motor, der mehrere Wicklungssätze und eine Steuerung umfasst. Der PMDC-Motor ist so konfiguriert, dass er das Ausgangsdrehmoment erzeugt. Die Steuerung ist so konfiguriert, dass sie: für einen ersten Wicklungssatz des PMDC-Motors einen ersten Spannungsbefehl auf der Grundlage eines ersten Eingangsdrehmomentbefehlssignals und einer Gegen-EMK-Abfallspannung des ersten Wicklungssatzes bestimmt; für einen zweiten Wicklungssatz des PMDC-Motors einen zweiten Spannungsbefehl auf der Grundlage eines zweiten Eingangsdrehmomentbefehlssignals bestimmt; und den PMDC-Motor gemäß dem ersten Spannungsbefehl und dem zweiten Spannungsbefehl selektiv steuert.
Ein weiterer Aspekt der offengelegten Ausführungsformen beinhaltet eine Steuerung zum Steuern des Ausgangsdrehmoments eines PMDC-Motors. Die Steuerung ist so konfiguriert, dass sie: für einen ersten Wicklungssatz des mehrphasigen PMDC-Motors einen ersten Spannungsbefehl bestimmt, der auf einem ersten Eingangsdrehmomentbefehlssignal und einer Gegen-EMK-Abfallspannung des ersten Wicklungssatzes basiert; für einen zweiten Wicklungssatz des mehrphasigen PMDC-Motors einen zweiten Spannungsbefehl bestimmt, der auf einem zweiten Eingangsdrehmomentbefehlssignal basiert; und den mehrphasigen PMDC-Motor gemäß dem ersten Spannungsbefehl und dem zweiten Spannungsbefehl selektiv steuert.
Ein weiterer Aspekt der offengelegten Ausführungsformen beinhaltet ein Verfahren zur Steuerung eines Ausgangsdrehmoments eines PMDC-Motors. Das Verfahren umfasst für einen ersten Wicklungssatz des mehrphasigen PMDC-Motors die Bestimmung eines ersten Spannungsbefehls auf der Grundlage eines ersten Eingangsdrehmomentbefehlssignals und einer Gegen-EMK-Abfallspannung des ersten Wicklungssatzes. Das Verfahren umfasst auch die Bestimmung eines zweiten Spannungsbefehls für einen zweiten Wicklungssatz des mehrphasigen PMDC-Motors, der auf einem zweiten Eingangsdrehmomentbefehlssignal basiert. Das Verfahren umfasst auch die selektive Steuerung des mehrphasigen PMDC-Motors gemäß dem ersten Spannungsbefehl und dem zweiten Spannungsbefehl.
Diese und andere Aspekte der vorliegenden Offenlegung werden in der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen, den beigefügten Ansprüchen und den begleitenden Figuren offengelegt.
Figurenliste
Die Offenlegung lässt sich am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung verstehen, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird. Es wird betont, dass die verschiedenen Merkmale der Zeichnungen nach gängiger Praxis nicht maßstabsgetreu sind. Im Gegenteil, die Dimensionen der verschiedenen Merkmale sind der Klarheit halber willkürlich erweitert oder reduziert.

1 veranschaulicht allgemein ein Fahrzeug gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenlegung.
2 veranschaulicht allgemein ein Beispiel für eine Permanentmagnet-Gleichstrommaschine (PMDC-Maschine) mit mehreren Wicklungen nach den Prinzipien der vorliegenden Offenlegung.
3 veranschaulicht allgemein ein Blockdiagramm einer PMDC-Maschine mit zwei Wicklungen unter Verwendung eines mathematischen Modells gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenlegung.
4 zeigt allgemein ein Blockdiagramm eines Systems zur Vorsteuerung von Strom und Drehmoment nach den Prinzipien der vorliegenden Offenlegung.
5 veranschaulicht allgemein ein weiteres Blockdiagramm eines Systems zur Vorsteuerung von Strom und Drehmoment nach den Prinzipien der vorliegenden Offenlegung.
6 ist ein Flussdiagramm, das im Allgemeinen ein Verfahren zur Vorsteuerung von Strom und Drehmoment gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenlegung veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Diskussion richtet sich auf verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Obwohl eine oder mehrere dieser Ausführungsformen bevorzugt sein können, sollten die offengelegten Ausführungsformen nicht so interpretiert oder anderweitig verwendet werden, dass sie den Umfang der Offenbarung, einschließlich der Ansprüche, einschränken. Darüber hinaus wird der Fachmann verstehen, dass die folgende Beschreibung ein breites Anwendungsgebiet aufweist, und die Erörterung einer beliebigen Ausführungsform ist nur als Beispiel für diese Ausführungsform gedacht und soll nicht andeuten, dass der Umfang der Offenbarung, einschließlich der Ansprüche, auf diese Ausführungsform beschränkt ist.
Wie beschrieben, werden Permanentmagnet-Gleichstrommotoren (PMDC-Motoren) (auch bürstenbehaftete Gleichstrommotoren genannt) in großem Umfang für Bewegungssteuerungsanwendungen eingesetzt, z. B. in elektrischen Servolenkungssystemen (EPS-Systemen), Elektrowerkzeugen und dergleichen. PMDC-Motoren mit mehreren Wicklungssätzen wurden entwickelt, um Redundanz in EPS-Anwendungen zu gewährleisten. Während diese Motoren ihrem typischen Gegenstück mit einer Wicklung ähneln, führen die meisten der üblicherweise verwendeten Wicklungsschemata zu einer induktiven Kopplung zwischen den verschiedenen Wicklungssätzen. Dies führt dazu, dass sich das Strom- und damit das Drehmomentsteuerverhalten dieser Motoren von dem von Motoren mit einer Wicklung unterscheidet. Daher sind bestehende Steuerungssysteme nicht auf mehrphasige PMDC-Motoren erweiterbar.
Die Drehmomentsteuerung von PMDC-Motorantrieben erfolgt durch eine Stromregelung unter Verwendung einer gemessenen Stromrückkopplung (durch Strommessschaltungen). Beispielsweise ist die Vorsteuerung von Strom und Drehmoment ein Modus zur Steuerung von PMDC-Motorantrieben. Die Vorsteuerung ist typischerweise nicht anfällig für Instabilitäten (aufgrund des offenen Regelkreises) und rauschfrei, da für die Implementierung der Vorsteuerung normalerweise keine Stromsensoren erforderlich sind. Außerdem ist die Rauschübertragungscharakteristik von Vorsteuerungssystemen im Vergleich zu anderen Steuerungssystemen geringer. Daher ist es vorteilhaft, PMDC-Motoren in Anwendungen wie z.B. EPS-Systemen, Elektrowerkzeugen u.a. mit einer Stromvorsteuerung zu betreiben.
Dementsprechend können Systeme und Verfahren, wie die hier beschriebenen, die eine Vorsteuerung von PMDC-Motorantrieben ermöglichen, wünschenswert sein. Um eine Vorsteuerung von PMDC-Motorantrieben zu implementieren, ist ein genaues Modell des PMDC-Motors (einschließlich von Nichtlinearitäten wie z. B. der Bürstenabfallspannung) erforderlich. In einigen Ausführungsformen können die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren beispielsweise so konfiguriert sein, dass ein Steuersignal (z.B. ein Spannungsbefehl) unter Verwendung eines inversen mathematischen Modells der Anlage (oder des Motors) bestimmt oder berechnet wird. Insbesondere implementieren die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren eine Vorsteuerung des Stroms (Drehmoments) von mehrphasigen PMDC-Motoren (z.B. mit mindestens zwei Wicklungssätzen) basierend auf einem Strombefehl (Referenz) und einem Motorgeschwindigkeitssignal, das durch einen Geschwindigkeitssensor oder durch Differenzierung der von einem Positionssensor erhaltenen Motorposition geschätzt oder gemessen werden kann. In einigen Ausführungsformen kann eine auf einem Maschinenmodell basierende Steuerung auf einem im Wesentlichen ähnlichen Modell einer PMDC-Maschine mit geschätzten Parametern basieren. Zusätzlich oder alternativ kann ein Geschwindigkeitsparameter direkt von einem Sensor (Positions- oder Geschwindigkeitssensor) oder einem Beobachterausgang erhalten werden. In einigen Ausführungsformen kann eine auf einem transformierten Maschinenmodell basierende Steuerung den Spannungsbefehl unter Verwendung einer Umkehrung eines modifizierten Maschinenmodells berechnen. Der Spannungsbefehl kann für die Anwendung an PMDC-Maschinenanschlüssen mathematisch transformiert werden.
1 illustriert allgemein ein Fahrzeug 10 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenlegung. Das Fahrzeug 10 kann jedes geeignete Fahrzeug umfassen, wie z.B. ein Auto, einen Lastwagen, ein Sport Utility Vehicle, einen Mini-Van, einen Crossover, jedes andere Personenfahrzeug, jedes geeignete Nutzfahrzeug oder jedes andere geeignete Fahrzeug. Während das Fahrzeug 10 als Personenkraftwagen mit Rädern und für den Einsatz auf Straßen dargestellt wird, können die Grundsätze dieser Offenlegung auch auf andere Fahrzeuge wie Flugzeuge, Boote, Züge, Drohnen oder andere geeignete Fahrzeuge Anwendung finden.
Das Fahrzeug 10 besteht aus einer Fahrzeugkarosserie 12 und einer Motorhaube 14. Ein Fahrgastraum 18 wird zumindest teilweise durch die Fahrzeugkarosserie 12 definiert. Ein weiterer Teil der Fahrzeugkarosserie 12 definiert einen Motorraum 20. Die Motorhaube 14 kann beweglich an einem Teil der Fahrzeugkarosserie 12 befestigt sein, so dass die Motorhaube 14 den Zugang zum Motorraum 20 ermöglicht, wenn sich die Motorhaube 14 in einer ersten oder offenen Stellung befindet, und die Motorhaube 14 den Motorraum 20 abdeckt, wenn sich die Motorhaube 14 in einer zweiten oder geschlossenen Stellung befindet. In einigen Ausführungsformen kann der Motorraum 20 an dem hinteren Teil des Fahrzeugs 10 angeordnet sein, anders, als dies im Allgemeinen dargestellt ist.
Der Fahrgastraum 18 kann hinter dem Motorraum 20 angeordnet sein, kann aber vor dem Motorraum 20 in Ausführungsformen angeordnet sein, bei denen der Motorraum 20 am hinteren Teil des Fahrzeugs 10 angeordnet ist. Das Fahrzeug 10 kann jedes geeignete Antriebssystem einschließlich eines Verbrennungsmotors, eines oder mehrerer Elektromotoren (z.B. eines Elektrofahrzeugs), einer oder mehrerer Brennstoffzellen, eines Hybridantriebssystems (z.B. eines Hybridfahrzeugs) mit einer Kombination aus einem Verbrennungsmotor, einem oder mehreren Elektromotoren und/oder jeder anderen geeigneten Konfiguration, wie z.B. einer Version mit zwei Wicklungen, umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann das Fahrzeug 10 einen Benzin- oder Ottomotor enthalten, wie z.B. einen Funkenzündungsmotor. In einigen Ausführungsformen kann das Fahrzeug 10 einen Dieselkraftstoffmotor enthalten, wie z.B. einen Kompressionszündungsmotor. Der Motorraum 20 beherbergt und/oder umschließt zumindest einige Komponenten des Antriebssystems des Fahrzeugs 10. Zusätzlich oder alternativ dazu sind im Fahrgastraum 18 des Fahrzeugs 10 Bedienelemente für den Antrieb, wie ein Gaspedal, ein Bremspedal, ein Lenkrad und andere derartige Komponenten angeordnet. Die Bedienelemente für den Antrieb können von einem Fahrer des Fahrzeugs 10 betätigt oder gesteuert werden und können direkt mit entsprechenden Komponenten des Antriebssystems verbunden sein, wie z.B. einer Drosselklappe, einer Bremse, einer Fahrzeugachse, einem Fahrzeuggetriebe und dergleichen. In einigen Ausführungsformen können die Bedienelemente für den Antrieb Signale an einen Fahrzeugrechner übermitteln (z.B. drive by wire), der seinerseits die entsprechende Antriebskomponente des Antriebssystems steuern kann. In einigen Ausführungsformen kann das Fahrzeug 10 daher ein autonomes Fahrzeug sein.
In einigen Ausführungsformen enthält das Fahrzeug 10 ein Getriebe, das über ein Schwungrad oder eine Kupplung oder Flüssigkeitskopplung mit einer Kurbelwelle in Verbindung steht. In einigen Ausführungsformen enthält das Getriebe ein Schaltgetriebe. In einigen Ausführungsformen enthält das Getriebe ein Automatikgetriebe. Das Fahrzeug 10 kann im Falle eines Verbrennungsmotors oder eines Hybridfahrzeugs einen oder mehrere Kolben enthalten, die mit der Kurbelwelle zusammenwirken, um eine Kraft zu erzeugen, die durch das Getriebe auf eine oder mehrere Achsen übertragen wird und Räder 22 dreht. Wenn das Fahrzeug 10 einen oder mehrere Elektromotoren enthält, liefert eine Fahrzeugbatterie und/oder eine Brennstoffzelle Energie an die Elektromotoren, um die Räder 22 zu drehen.
Das Fahrzeug 10 kann automatische Fahrzeugantriebssysteme, wie z.B. einen Geschwindigkeitsregler, einen adaptiven Geschwindigkeitsregler, eine automatische Bremssteuerung, andere automatische Fahrzeugantriebssysteme oder eine Kombination davon enthalten. Das Fahrzeug 10 kann ein autonomes oder halbautonomes Fahrzeug oder ein anderer geeigneter Fahrzeugtyp sein. Das Fahrzeug 10 kann zusätzliche oder weniger Merkmale als die hier allgemein abgebildeten und/oder offengelegten aufweisen.
In einigen Ausführungsformen kann das Fahrzeug 10 eine Ethernet-Komponente 24, eine Controller Area Network-Komponente (CAN) 26, eine Media Oriented Systems Transport Komponente (MOST) 28, eine FlexRay-Komponente 30 (z. B. Brake-by-Wire-System und dergleichen) und eine Local Interconnect Network-Komponente (LIN) 32 enthalten. In einigen Ausführungsformen ist das Fahrzeug 10 für die Domänensteuerung mit Over-the-Air-Programmierunterstützung konfiguriert. Beispielsweise kann das Fahrzeug 10, wie beschrieben, Aktualisierungen für jede geeignete Softwarekomponente des Fahrzeugs 10 über das Internet (z.B. oder ein anderes geeignetes Netzwerk) erhalten. Das Fahrzeug 10 kann Softwarekomponenten auf der Grundlage der Aktualisierung aktualisieren oder ändern. Das Fahrzeug 10 kann zusätzliche oder weniger Funktionen als die hier allgemein abgebildeten und/oder offengelegten enthalten.
In einigen Ausführungsformen kann das Fahrzeug 10 ein elektrisches Servolenkungssystem (EPS-System) mit PMDC-Motoren enthalten. PMDC-Motoren können einen Stator, einen Rotor und einen Kommutator enthalten. Typischerweise enthält der Stator Magnetpole, und der Rotor ist ein Anker, der Wicklungen trägt. Der Kommutator ist an Bürsten und Schleifringen befestigt, die die mechanische Kommutierung einer PMDC-Maschine ermöglichen. Die Bürsten sind an Phasenleiteranschlüssen angeschlossen, über die Spannungen an die PMDC-Maschine angelegt werden können. Der Begriff „Maschine“ wird hier austauschbar mit dem Begriff „Motor“ verwendet und bezieht sich ausschließlich auf einen PMDC-Motor (z.B. einen PMDC-Motor 520, dargestellt in 3-5) eines Systems (z.B. ein Motorsteuerungssystem 300, dargestellt in 2-5).
Das mathematische Modell einer PMDC-Maschine mit einer einzigen Wicklung besteht aus zwei Hauptgleichungen, die Spannung, Strom und (elektromagnetisches) Drehmoment der Maschine wie folgt in Beziehung setzen. $v = e_{g} + R i_{a} + L \frac{d i_{a}}{d t} + v b$
$e_{g} = K_{e} ϖ_{m}$
$T_{e} = K_{e} i_{a}$
wobei v, i_a und T_e Eingangsspannung, Strom bzw. elektromagnetisches Drehmoment der Maschine sind, K_e, R und L die Gegen-EMK-Konstante (und das Drehmoment) der Maschine, den Widerstand der Motorschaltung bzw. die Induktivität repräsentieren, eg eine Gegen-EMK-Abfallspannung darstellt, und v_b eine nichtlineare Bürstenabfallspannung ist und eine Funktion des Stroms wie folgt ist. $v_{b} = σ (i_{a}) V_{0} (1 - e^{- | \frac{i_{a}}{I_{0}} |})$
wobei V₀ und I₀ Bürstenabfallparameter sind. Im Allgemeinen sind alle Maschinenparameter nichtlineare Funktionen der Betriebstemperatur und der magnetischen Sättigung (verursacht durch Hochstrombetrieb).
Außerdem variieren die elektrischen Parameter des Motors, nämlich die Gegen-EMK-Konstante oder Drehmomentkonstante K_e, der Widerstand R und die Induktivität L dynamisch mit dem Betriebszustand des Motors. Die Variation von K_e für eine gegebene Magnettemperatur θ_m kann ausgedrückt werden als: $K_{e} = γ_{k} (K_{e n} (1 + α_{m} (θ - θ_{n})))$
wo γ_k ein Skalierungsfaktor ist, der die magnetische Sättigung berücksichtigt und eine Funktion des Motorstroms i_a ist, K_en der nominale (ungesättigte) Wert von K_e bei einer Temperatur von θ_n ist und α_m eine Konstante ist, die einen Wärmekoeffizienten des im Motor verwendeten Permanentmagnetmaterials darstellt.
Die Induktivität des Motors kann durch die Gleichung beschrieben werden: $L = γ_{l} L_{n}$
wobei γ_L ein Skalierungsfaktor für die Induktivität ist, der auf der magnetischen Sättigungscharakteristik des Motors basiert und eine Funktion des Motorstroms i_a ist und L_n der nominale (ungesättigte) Induktivitätswert ist.
Darüber hinaus kann der Widerstand der Motorschaltung durch die Gleichung beschrieben werden: $R = R_{f} (1 - α_{f} (θ_{f} - θ_{n})) + R_{m} (1 + α_{w} (θ_{w} - θ_{n}))$
wobei R_f ein Nennwert des Widerstandes eines Feldeffekttransistors (FET) ist, α_f eine Konstante ist, die einen Temperaturkoeffizienten von FETs darstellt, θ_f eine Temperatur der FETs ist, θ_n eine Nenntemperatur ist, bei der R_r gemessen wird, R_m ein Nennwert des Motorwiderstands ist, α_w eine Konstante ist, die einen Temperaturkoeffizienten der Wicklungen darstellt, θ_w eine Temperatur der Wicklungen ist, θ_n eine Nenntemperatur ist, bei der R_m gemessen wird.
Die obige Gleichung für den Widerstand liefert den Widerstand des Motorstromkreises und nicht nur den Widerstand der Motorwicklungen. In einigen Ausführungsformen werden die Motorparameter kontinuierlich in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit geschätzt, was zu einer verbesserten Schätzung der vom Motorsteuerungssystem 300 verwendeten Signale führen kann.
Aus der Sicht des Steuerungssystemdesigns ist der PMDC-Motor 520 eine Anlage, und das Zeitbereichsmodell des PMDC-Motors 520, wie beschrieben, kann in den s-Bereich transformiert werden als: $V (s) = (L s + R) I_{a} (s) + E_{g} (s) + V_{B} (s)$
Die Bürsten einer PMDC-Maschine sind typischerweise anfällig für mechanischen Verschleiß. Der mechanische Verschleiß kann zu einem Ausfall des Motors führen, woraufhin die Maschine nicht mehr betrieben werden kann. Bei einer Einstellung eines EPS-Systems führt die Nichtverwendung des PMDC-Motors zum Verlust der Unterstützung für einen Bediener des Fahrzeugs 10. Um dieser Herausforderung zu begegnen, wurden PMDC-Motoren mit mehreren Wicklungssätzen entwickelt, um Redundanz in Systemen zu gewährleisten.
2 veranschaulicht allgemein das Motorsteuerungssystem 300 mit einer PMDC-Maschine mit mehreren Wicklungen gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenlegung. Genauer gesagt ist das Motorsteuerungssystem 300 ein Beispiel für eine „PMDC-Maschine mit zwei Wicklungen“ mit vier Statorpolen (d.h. zwei Magnetpolpaare (N und S) 110, zwei Bürstenpaaren (B1-B4) 120, zwölf Kommutatorplatten und Rotornuten (d.h, Lücken zwischen den Rotorpolen) 130, und entsprechenden Kommutatorsegmenten (z.B. 1.1-1.2, 1.3-1.4, 2.1-2.2, 2.3-2.4, 3.1-3.2 und 3.3-3.4) 140, mit einer verteilten Wicklung 150 mit diametraler Teilung. Es ist zu beachten, dass die hier beschriebenen technischen Lösungen nicht auf das Motorsteuerungssystem 300 mit der in 2 gezeigten Konfiguration beschränkt sind. Vielmehr kann das Motorsteuerungssystem 300 in anderen Beispielen zusätzliche Bürstenpaare 120 und/oder Magnetpolpaare 110 enthalten. Alternativ oder zusätzlich kann das Motorsteuerungssystem 300 in anderen Beispielen eine andere Anzahl von Rotornuten 130 oder eine andere Art der Wicklung für die Kommutatorsegmente 140 enthalten.
Während PMDC-Motoren mit mehreren Wicklungen ihrem typischen Gegenstück mit einer Wicklung ähneln, führen die meisten der üblicherweise verwendeten Wicklungsschemata zu einer induktiven Kopplung zwischen den verschiedenen Wicklungssätzen. Dies führt dazu, dass sich das Strom- und damit das Drehmomentsteuerungsverhalten dieser Motoren von dem der Motoren mit einer Wicklung unterscheidet. Daher sind bestehende Steuerungsschemata für PMDC-Motoren mit einer Wicklung nicht auf mehrphasige PMDC-Motoren erweiterbar. Die Drehmomentsteuerung von PMDC-Motorantrieben erfolgt durch Stromregelung unter Verwendung einer gemessenen Stromrückkopplung (durch Strommessschaltungen). Beispielsweise ist eine Vorsteuerung von Strom und Drehmoment ein Modus zur Steuerung von PMDC-Motorantrieben. Um die Vorsteuerung des PMDC-Motors zu implementieren, ist ein genaues Modell des PMDC-Motors (einschließlich Nichtlinearitäten wie z.B. die Bürstenabfallspannung) erforderlich.
3 veranschaulicht allgemein ein Blockdiagramm einer PMDC-Maschine mit zwei Wicklungen unter Verwendung eines mathematischen Modells gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Offenlegung. Die Ansicht des Motorsteuerungssystems 300 in 3 enthält eine Steuerung 510 und einen PMDC-Motor 520, wobei der Motor 520 in diesem Fall zwei Wicklungen enthält. Die Steuerung 510 kann jede geeignete Steuerung enthalten, wie z.B. eine elektronische Steuereinheit des Fahrzeugs, einen Prozessor oder jede andere geeignete Steuerung, wie die hier beschriebenen. Die Steuerung 510 kann in Kommunikation mit einem Speicher stehen. Der Speicher kann jeden geeigneten nichtflüchtigen oder flüchtigen Speicher enthalten. Der Speicher kann eine Speichermatrix, ein Speichergerät oder einen anderen geeigneten Speicher umfassen. Der Speicher kann Anweisungen enthalten, die, wenn sie von der Steuerung 510 ausgeführt werden, die Steuerung 510 veranlassen, zumindest PMDC-Motoren zu steuern, die von Systemen des Fahrzeugs 10 verwendet werden. Zusätzlich oder alternativ dazu können die Anweisungen, wenn sie von der Steuerung 510 ausgeführt werden, die Steuerung 510 veranlassen, verschiedene andere Funktionen des Fahrzeugs 10 auszuführen.
Für den PMDC-Motor 520 mit zwei Wicklungen können zwei Eingangsspannungen, V₁ 530a und V₂ 530b, auf Spannungsbefehlen basieren, die von der Steuerung 510 erzeugt werden, zum Beispiel durch einen Leistungsregler (nicht abgebildet). Es ist zu beachten, dass die von der Steuerung 510 erzeugten Spannungsbefehle im Idealfall zwar gleich den Eingangsspannungen V₁ 530a und V₂ 530b des PMDC-Motors 520 sind, die Werte in der Praxis jedoch leicht abweichen können, z.B. aufgrund von Nichtlinearitäten in der Stromrichterschaltung. Wie in 4 und 5 näher erläutert, kann die Steuerung 510 die Spannungsbefehle auf der Grundlage eines oder mehrerer Eingangsdrehmomentbefehlssignale (z.B. Eingangsstrombefehle $(I_{1}^{*})$
402a und $(I_{2}^{*})$
402b der 4 und 5) bestimmen. Das eine oder die mehreren Eingangsdrehmomentbefehlssignale können auf der Grundlage eines Eingangsdrehmoments $(T_{e}^{*})$
560 erzeugt werden.
Außerdem werden die Spannungsbefehle aufgrund von Gegen-EMKs (ω_m) für jede einzelne Wicklung modifiziert. Die Gegen-EMKs basieren auf einer Geschwindigkeit des Motors 520. Zum Beispiel basiert eine erste Gegen-EMK-Spannung (ω_m) 532a des ersten Wicklungssatzes des Motors 520 auf der Motorgeschwindigkeit und einer ersten Gegen-EMK-Konstante (und Drehmoment-Konstante) K_e1 des ersten Satzes von Wicklungen. In ähnlicher Weise basiert eine zweite Gegen-EMK-Spannung (ω_m) 532b des zweiten Wicklungssatzes des Motors 520 auf der Motorgeschwindigkeit und einer zweiten Gegen-EMK-Konstante (und Drehmoment-Konstante) K_e2 der zweiten Wicklung.
Die Spannungsbefehle 530a-b werden wegen der Bürstenabfallspannung (V_bd) jeder Wicklung weiter modifiziert. Zum Beispiel wird die erste Spannung V₁ 530a zu der Bürstenabfallspannung der ersten Wicklung addiert, und die zweite Spannung V₂ wird zu der Bürstenabfallspannung der zweiten Wicklung addiert. Die Spannungen werden auf der Grundlage der Induktivität und des Widerstands jeder Wicklung in die Ströme 540a und 540b für jede Wicklung umgewandelt, und der Strom erzeugt weiterhin das resultierende Drehmoment (T_e) 550 aus dem Motor 520. Das Ausgangsdrehmoment 550 ist proportional zu den Strömen I₁ und I₂ basierend auf den entsprechenden Konstanten K_e1 und K_e2 für jede Wicklung. Außerdem beeinflusst eine magnetische Kopplung, die durch eine gegenseitige Induktivität (M) zwischen den beiden Wicklungen dargestellt wird, weiterhin die durch die Spannungsbefehle erzeugten Ströme.
Aufgrund der zusätzlichen magnetischen Kopplung zwischen den Phasen der PMDC-Maschine 300 mit zwei Wicklungen unterscheidet sich das Maschinenmodell der Maschine 300 von dem der Maschine mit einer Wicklung. Zum Beispiel ist das mathematische Modell für die PMDC-Maschine 300 mit zwei Wicklungen wie folgt angegeben: $V_{1} = L_{1} {\dot{I}}_{1} + R_{1} I_{1} + K_{e 1} ϖ_{m} + σ (I_{1}) V_{01} (1 - e^{- | \frac{I_{1}}{I_{01}} |}) + M_{12} {\dot{I}}_{2}$
$V_{1} = L_{2} {\dot{I}}_{2} + R_{2} I_{2} + K_{e 2} ϖ_{m} + σ (I_{2}) V_{02} (1 - e^{- | \frac{I_{2}}{I_{02}} |}) + M_{21} {\dot{I}}_{1}$
$T_{e} = K_{e 1} I_{1} + K_{e 2} I_{2}$
wo M₁₂ = M₂₁ = M die induktive Kopplung zwischen den beiden Phasen darstellt. Die Terme der gegenseitigen Induktivität (M₁₂I₂ und M₂₁I₁) variieren im Allgemeinen nichtlinear mit den Maschinenströmen I₁ und I₂.
Dieses Modell kann auf eine PMDC-Maschine mit n Phasen erweitert werden, wobei n für eine Anzahl von verwendeten Wicklungen steht (oder für eine Anzahl von redundanten Maschinen, die in der PMDC-Maschine mit einer Wicklung enthalten sind). Ein allgemeines Modell einer Maschine mit n Phasen kann wie folgt ausgedrückt werden: $V_{1} = L_{1} {\dot{I}}_{1} + R_{1} I_{1} + K_{e} ϖ_{m} + σ (I_{1}) V_{01} (1 - e^{- | \frac{I_{1}}{I_{01}} |}) + M_{12} {\dot{I}}_{2} + M_{13} {\dot{I}}_{3} + ... + M_{1 n} {\dot{I}}_{n}$
$\begin{array}{l} V_{2} = L_{2} {\dot{I}}_{2} + R_{2} I_{2} + K_{e 2} ω_{m} + σ (I_{2}) V_{02} (1 - e^{- | \frac{I_{2}}{I_{02}} |}) + M_{21} {\dot{I}}_{1} + M_{23} {\dot{I}}_{3} + ... + M_{2 n} {\dot{I}}_{\begin{array}{l} n \end{array}} \\ V_{n} \\ = L_{n} {\dot{I}}_{2} + R_{n} I_{n} + K_{e n} ω_{m} + σ (I_{n}) V_{0 n} (1 - e^{- | \frac{I_{n}}{I_{0 n}} |}) + M_{n 1} {\dot{I}}_{1} + M_{n 2} {\dot{I}}_{2} + ... + M_{n - 1, n} {\dot{I}}_{\begin{array}{l} n - 1 \end{array}} \\ T_{e} = K_{e 1} I_{1} + K_{e 1} I_{2} + ... + ... K_{e n} I_{n} \end{array}$
wobei die gegenseitigen Induktivitäten für die Verallgemeinerung unterschiedlich angegeben sind. Die gegenseitigen Induktivitäten für zwei Wicklungssätze (sagen wir Satz α und Satz b) sind gleich (z.B, Mab = M_ba).
Der Einfachheit halber wird der Rest der Beschreibung für eine Maschine mit zwei Wicklungen dargestellt, die zu einer allgemeinen Maschine mit n Phasen erweitert werden kann. Die Spannungs-Strom-Gleichungen der Maschine mit zwei Wicklungen können in Transfermatrixform wie folgt dargestellt werden: $[\begin{matrix} V_{1} \\ V_{2} \end{matrix}] = [\begin{matrix} L_{1} s + R_{1} & M s \\ M s & L_{2} s + R_{2} \end{matrix}] [\begin{matrix} I_{1} \\ I_{2} \end{matrix}] + [\begin{matrix} K_{e 1} ω_{m} \\ K_{e 1} ω_{m} \end{matrix}] + [\begin{matrix} V_{b d 1} \\ V_{b d 2} \end{matrix}]$
$[\begin{matrix} V_{1} \\ V_{2} \end{matrix}] - [\begin{matrix} K_{e 1} ω_{m} \\ K_{e 1} ω_{m} \end{matrix}] - [\begin{matrix} V_{b d 1} \\ V_{b d 2} \end{matrix}] = [\begin{matrix} L_{1} s + R_{1} & M s \\ M s & L_{2} s + R_{2} \end{matrix}] [\begin{matrix} I_{1} \\ I_{2} \end{matrix}]$
wobei die beiden Bürstenabfall-Terme als unabhängig von Strömen angenommen werden, um die Transfermatrix-Darstellung der PMDC-Maschine zu erzeugen (weil die Transfermatrix-Darstellung im Frequenzbereich ein lineares zeitinvariantes Modell im Zeitbereich erfordert). Daher können die Ausgangsströme in Bezug auf die Eingangsspannungen wie folgt ausgedrückt werden: $[\begin{matrix} I_{1} \\ I_{2} \end{matrix}] = {[\begin{matrix} L_{1} s + R_{1} & M s \\ M s & L_{2} s + R_{2} \end{matrix}]}^{- 1} ([\begin{matrix} V_{1} \\ V_{2} \end{matrix}] - [\begin{matrix} K_{e 1} ω_{m} \\ K_{e 2} ω_{m} \end{matrix}] - [\begin{matrix} V_{b d 1} \\ V_{b d 2} \end{matrix}])$
$\begin{array}{l} = \frac{1}{Δ (s)} [\begin{matrix} L_{2} s + R_{2} & - M \\ - M & L_{1} s + R_{1} \end{matrix}] ([\begin{matrix} V_{1} \\ V_{2} \end{matrix}] - [\begin{matrix} K_{e 1} ω_{m} \\ K_{e 2} ω_{m} \end{matrix}] - [\begin{matrix} V_{b d 1} \\ V_{b d 2} \end{matrix}]) \\ Δ (s) = (L_{1} s + R_{1}) (L_{2} s + R_{2}) - s^{2} M^{2} = (L_{1} L_{2} - M^{2}) s^{2} + (L_{1} R_{2} + L_{2} R_{1}) s + R_{1} R_{2} \end{array}$
Wenn die Wicklungsanordnung symmetrisch ist und die beiden Bürstenpaare ähnlich sind, kann das obige Modell vereinfacht werden, indem angenommen wird, dass die Halbmaschinen identisch sind (z.B. sind die Eigeninduktivitäten, Widerstände, Spannungskonstanten und Bürstenabfallparameter gleich).
Bei der PMDC-Maschine 300 mit zwei Wicklungen verwendet die Steuerung 510 also beide Wicklungen gleichzeitig, um das Ausgangsdrehmoment 550 zu erzeugen, indem sie Spannungsbefehle erzeugt, die die Spannungen 530a-b so verursachen, dass die resultierenden Ströme das Ausgangsdrehmoment 550 ergeben. Die Steuerung 510 erzeugt die Spannungsbefehle 530a-b basierend auf dem Ausgangsdrehmoment 550, das von dem Motor 520 erzeugt werden soll. Falls eine der Wicklungen ausfällt, z.B. die erste Wicklung, bewirkt der zweite Spannungsbefehl 530b, dass die zweite Wicklung weiterhin den entsprechenden Strom 540b erzeugt, so dass sich zumindest ein Teil des Ausgangsdrehmoments 550 ergibt.
Alternativ oder zusätzlich erzeugt die Steuerung 510 nur einen einzigen Spannungsbefehl, um zu veranlassen, dass eine Eingangsspannung, z.B. die erste Spannung 530a, das Ausgangsdrehmoment nur mit der ersten Wicklung erzeugt. Im Falle eines Fehlers in der ersten Wicklung verwendet die Steuerung 510 anschließend die zweite Wicklung, um den zweiten Spannungsbefehl zu erzeugen, der veranlasst, dass eine zweite Eingangsspannung V₂ 530b das Ausgangsdrehmoment 550 erzeugt.
Das obige Modell ist erweiterbar auf eine PMDC-Maschine mit n Wicklungen (anstelle von nur den zwei Wicklungen), bei der die Steuerung 510 mehr als zwei Spannungsbefehle V₁-V_n für n Wicklungen verwendet, die jeweils zu entsprechenden Strömen I₁-I_n führen und die zusammen bewirken, dass der Motor das Ausgangsdrehmoment 550 erzeugt.
Es ist zu beachten, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen für die Vorsteuerung von mehrphasigen PMDC-Motoren in jeder Anwendung mit PMDC-Motoren anwendbar sind, wie z.B. Wasserfahrzeuge, Elektrowerkzeuge, Rotorpumpen und alle anderen derartigen Anwendungen. PMDC-Motorantriebe werden in der Industrie in großem Umfang für kostengünstige Anwendungen eingesetzt. Typischerweise werden für die Steuerung von Strom und Drehmoment von PMDC-Maschinen Regelungstechniken mit Stromrückkopplung verwendet. Die hier beschriebenen technischen Lösungen ermöglichen den Einsatz der Vorsteuerung und bieten somit mehrere Vorteile. Zum Beispiel erfordert die Verwendung der Vorsteuerung keine Stromsensoren, wenn Positions- oder Geschwindigkeitssensoren verfügbar sind, was zu Kosteneinsparungen führt. Darüber hinaus verringert die Vorsteuerung die Instabilität aufgrund des offenen Regelkreises des Motorsteuerungssystems. Darüber hinaus sorgt die Vorsteuerung für einen fehlertoleranten Steuerungsbetrieb eines PMDC-basierten Antriebssystems. Zusätzliche Vorteile werden vom Fachmann leicht verstanden. Die hier beschriebenen technischen Lösungen stellen verschiedene Konfigurationen der Vorsteuerung von PMDC-Motoren bereit, die für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden können.
Die Stromvorsteuerung verwendet die Motorgeschwindigkeit für die Stromsteuerung. Die Motordrehzahl kann zwar mit Geschwindigkeitssensoren gemessen oder durch Differenzierung der von Positionssensoren gemessenen Positionssignale erhalten werden, sie kann aber auch mit Beobachtern geschätzt werden.
4 veranschaulicht allgemein ein Blockdiagramm eines Systems zur Vorsteuerung von Strom (und Drehmoment) gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenlegung. In 4 ermöglicht das Motorsteuerungssystem 300 die Vorsteuerung des PMDC-Motors 520 und steuert dementsprechend die Drehmomentausgabe des PMDC-Motors 520. In einigen Ausführungsformen enthält das Motorsteuerungssystem 300 neben weiteren Komponenten eine Steuerung 510 mit Stromvorsteuerung. Die vorliegende Offenlegung verwendet den Begriff „Motorsteuerungssystem“, um die Steuerung 510 mit Stromvorsteuerung und den PMDC-Motor 520 zu bezeichnen. In einigen Ausführungsformen steuert die Steuerung 510 das Ausgangsdrehmoment 550 des PMDC-Motors 520, indem sie Spannungen unter Verwendung einer Umkehrung des Maschinenmodells des PMDC-Motors 520 mit geschätzten Parametern und Sollstrom berechnet. Alle in 4 mit einer Tilde dargestellten Parameter zeigen an, dass die Parameter geschätzt sein können. Die Parameter können in Echtzeit durch Ausnutzung der Temperatureigenschaften und der magnetischen Sättigungseigenschaften der verschiedenen Teile des PMDC-Motors 520 geschätzt werden.
Wie dargestellt, wird der Spannungsbefehl 530a basierend auf einem Eingangsstrombefehl $(I_{1}^{*})$
402a, auf einer geschätzten Bürstenabfallspannung (Ṽ_bd1) 404a, und auf einer geschätzten Gegen-EMK-Abfallspannung (Ẽ_g1) 406a bestimmt. Der Spannungsbefehl 530b wird auf der Grundlage eines Eingangsstrombefehls $(I_{1}^{*})$
402b, einer geschätzten Bürstenabfallspannung (Ṽ_bd2) 404b, und einer geschätzten Gegen-EMK-Abfallspannung (Ẽ_g2) 406b bestimmt.
Die Steuerung 510 erzeugt die geschätzten Bürstenabfallspannungen 404a und 404b mit Hilfe der Ausdrücke: ${\tilde{V}}_{b d 1} = - σ (I_{1}^{*}) {\tilde{V}}_{01} (1 - e^{- | \frac{I_{1}^{*}}{I_{01}} |})$
${\tilde{V}}_{b d 2} = - σ (I_{2}^{*}) {\tilde{V}}_{02} (1 - e^{- | \frac{I_{2}^{*}}{I_{02}} |})$
wobei Ṽ₀₁, Ṽ₀₂, $I_{1}^{*}$
und $I_{2}^{*}$
vorgegebene Bürstenabfallparameter sind, und $I_{1}^{*}$
und $I_{2}^{*}$
I₂ die Strombefehle sind. Während die Schätzung des Bürstenabfalls als eine Funktion des Strombefehls dargestellt wird, kann sie auch geschätzt werden, indem der Strombefehl durch den gemessenen Motorstrom ersetzt wird, wenn Motorstrommessungen verfügbar sind.
Außerdem erzeugt die Steuerung 510 530a und 530b auf der Grundlage von Schätzungen des Widerstandes der Motorschaltung (R̃), und von Werten der Induktivität (L̃), für den Eingangsstrombefehl $(I_{1}^{*})$
402a und $(I_{2}^{*})$
402b. Die Werte für den Widerstand der Motorschaltung und die Induktivität sind vorgegebene Werte oder Schätzwerte. Die Approximation des Ableitungsterms s̃ kann eine Standardform aufweisen, wie zum Beispiel $\frac{2}{{(τ s + 1)}^{n'}}$
die dann mit verschiedenen Techniken wie Rückwärtsdifferenz, bilineare Transformation usw. diskretisiert werden können, oder es kann sich um einen direkten digitalen Ableitungsentwurf mit sehr gezielten Verstärkungs- und Phasengängen zur Erzielung der gewünschten Genauigkeit, Komplexität und Rauschübertragungseigenschaften handeln.
Wie dargestellt, erzeugt die Steuerung 510 die geschätzte Gegen-EMK-Abfallspannung (Ẽ_g1) 406a auf der Grundlage des vorbestimmten konstanten Gegen-EMK-Wertes und einer geschätzten Motorgeschwindigkeit (ω̃_m). Das Motorgeschwindigkeitssignal kann mit einem Geschwindigkeitssensor gemessen oder durch Differenzierung der Motorposition von einem Positionssensor erhalten werden. Beispielsweise kann eine Schaltung zur Geschwindigkeitserfassung eine Motorgeschwindigkeit überwachen und die erfasste Geschwindigkeit als Eingang für die Steuerung 510 bereitstellen. Die Geschwindigkeitserfassungsschaltung kann eine Übertragungsfunktion aufweisen, die die Dynamik des Geschwindigkeitssensors darstellt. In einigen Ausführungsformen kann ein Tiefpassfilter eine vorgegebene Grenzfrequenz verwenden, die von der Motorgeschwindigkeit abhängt.
In einigen Ausführungsformen kann eine Vorsteuerung die von einem Positionssensor gemessene Geschwindigkeit nutzen. Ein Positionserfassungsschaltkreis kann eine Position des Motors überwachen und die ermittelte Position als Eingabe an die Steuerung 510 liefern. In einigen Ausführungsformen enthält die Steuerung 510 ein Motorgeschwindigkeitsmodul, das die geschätzte Motorgeschwindigkeit auf der Grundlage des Motorpositionssignals berechnet. Beispielsweise kann das Motorgeschwindigkeitsmodul die Motorgeschwindigkeit durch Differenzierung des Motorpositionssignals berechnen. Das Motorpositionssignal kann eine Winkelposition der Motorwelle liefern. Die Implementierung s̃_p der Ableitung zum Erhalten der geschätzten Motorgeschwindigkeit aus dem Motorpositionssignal kann eine Form aufweisen wie $\frac{2}{{(τ s + 1)}^{n'}}$
die dann mit verschiedenen Techniken diskretisiert werden kann, wie z.B. Rückwärtsdifferenz oder bilineare Transformation, oder sie kann ein direkter digitaler Ableitungsentwurf mit sehr gezielten Verstärkungs- und Phasengängen sein, um die gewünschten Eigenschaften der Genauigkeit, Komplexität und Rauschübertragung zu erhalten. Es ist zu beachten, dass in anderen Beispielen die Übertragungsfunktion, die die Dynamik des Positionssensors darstellt, je nach den speziellen Sensoreigenschaften von der in der Figur gezeigten Übertragungsfunktion erster Ordnung abweichen kann.
In einigen Ausführungsformen können die Bürstenabfallparameter bei dem Motorsteuerungssystem 300 weggelassen werden, um die Steuerung 510 zu vereinfachen. Das Motorsteuerungssystem 300 kann auf jede mehrphasige Maschine mit mehr als zwei Wicklungssätzen erweitert werden, indem die von der gegenseitigen Induktivität abhängigen Spannungsterme um die Querkopplung zwischen allen Wicklungssätzen der mehrphasigen Maschine erweitert werden.
5 zeigt allgemein ein weiteres beispielhaftes Blockdiagramm des Motorsteuerungssystems 300 zur Vorsteuerung von Strom (und Drehmoment) nach einer oder mehreren Ausführungsformen. Dieser Steuerkreis wird mit Hilfe eines alternativen mathematischen Modells der Maschine mit mehreren Wicklungen implementiert, das allgemein in 5 wie folgt dargestellt ist. $\begin{array}{l} [\begin{matrix} V_{+} \\ V_{-} \end{matrix}] = [\begin{matrix} (L + M) s + R & 0 \\ 0 & (L - M) s + R \end{matrix}] [\begin{matrix} I_{+} \\ I_{-} \end{matrix}] + [\begin{matrix} 2 ω_{e} λ_{m} + V_{b d +} \\ V_{b d -} \end{matrix}] \\ V_{+} = V_{1} + V_{2} V_{-} = V_{1} - V_{2} \\ I_{+} = V_{1} + V_{2} V_{-} = V_{1} - V_{2} \\ T_{e} = K_{e} I_{+} \end{array}$
Wie allgemein in 5 dargestellt, wird die Steuerungslogik auf der Grundlage der Stromsummen- und Stromdifferenzbefehle implementiert, die Funktionen der einzelnen Strombefehle sind. Der Steuerkreis bestimmt Spannungssummenbefehle und Spannungsdifferenzbefehle, die dann bei 410 wieder in einzelne Spannungsbefehle transformiert und an die PMDC-Maschine angelegt werden. Der Stromsummensteuerkreis enthält eine Vorwärtsschätzung der Werte des Motorschaltungswiderstands (R̃), der Eigeninduktivität (L̃) und der gegenseitigen Induktivität (M̃) zusammen mit einer (modifizierten) Gegen-EMK (Ẽ_g) und Bürstenabfallparametern (Ṽ_bd+), während der Stromdifferenzkreis die beiden letztgenannten Begriffe nicht enthält. Dieses alternative mathematische Modell ermöglicht es, die Implementierung der Steuerungslogik von mehrphasigen PMDC-Maschinen zu vereinfachen.
6 ist ein Flussdiagramm, das allgemein ein Verfahren 600 zur Steuerung eines mehrphasigen PMDC-Motors gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenlegung veranschaulicht. Bei 602 bestimmt das Verfahren 600 für einen ersten Wicklungssatz des mehrphasigen PMDC-Motors einen ersten Spannungsbefehl auf der Grundlage eines ersten Eingangsdrehmomentbefehlssignals und einer Gegen-EMK-Abfallspannung des ersten Wicklungssatzes. Zum Beispiel bestimmt die Steuerung 510 für einen ersten Wicklungssatz des mehrphasigen PMDC-Motors einen ersten Spannungsbefehl auf der Grundlage eines ersten Eingangsdrehmomentbefehlssignals und einer Gegen-EMK-Abfallspannung des ersten Wicklungssatzes. Bei 604 bestimmt das Verfahren 600 für einen zweiten Wicklungssatz des mehrphasigen PMDC-Motors einen zweiten Spannungsbefehl auf der Grundlage eines zweiten Eingangsdrehmomentbefehlssignals. Zum Beispiel bestimmt die Steuerung 510 für einen zweiten Wicklungssatz des mehrphasigen PMDC-Motors einen zweiten Spannungsbefehl auf der Grundlage eines zweiten Eingangsdrehmomentbefehlssignals. Bei 606 steuert das Verfahren 600 den mehrphasigen PMDC-Motor selektiv gemäß dem ersten Spannungsbefehl und dem zweiten Spannungsbefehl. Zum Beispiel steuert die Steuerung 510 selektiv den mehrphasigen PMDC-Motor gemäß dem ersten Spannungsbefehl und dem zweiten Spannungsbefehl.
In einigen Ausführungsformen umfasst ein System zur Steuerung eines Ausgangsdrehmoments einer Permanentmagnet-Gleichstrommaschine (PMDC-Maschine): einen PMDC-Motor, der so konfiguriert ist, dass er das Ausgangsdrehmoment erzeugt, wobei der PMDC-Motor mehrere Wicklungssätze umfasst; und eine Steuerung, die so konfiguriert ist, dass sie: für einen ersten Wicklungssatz des PMDC-Motors einen ersten Spannungsbefehl bestimmt, der auf einem ersten Eingangsdrehmomentbefehlssignal und einer Gegen-EMK-Abfallspannung des ersten Wicklungssatzes basiert; für einen zweiten Wicklungssatz des PMDC-Motors einen zweiten Spannungsbefehl bestimmt, der auf einem zweiten Eingangsdrehmomentbefehlssignal basiert; und den PMDC-Motor gemäß dem ersten Spannungsbefehl und dem zweiten Spannungsbefehl selektiv steuert.
In einigen Ausführungsformen ist die Steuerung ferner so konfiguriert, dass sie den ersten Spannungsbefehl auf der Grundlage einer Bürstenabfallspannung des ersten Wicklungssatzes bestimmt.
In einigen Ausführungsformen ist die Steuerung ferner so konfiguriert, dass sie den zweiten Spannungsbefehl unter Verwendung einer Bürstenabfallspannung und einer Gegen-EMK-Abfallspannung des zweiten Wicklungssatzes bestimmt.
In einigen Ausführungsformen ist die Steuerung ferner so konfiguriert, dass sie den ersten Spannungsbefehl auf der Grundlage einer elektrischen Induktivität einer elektrischen Schaltung des PMDC-Motors und eines elektrischen Widerstands der elektrischen Schaltung des PMDC-Motors bestimmt.
In einigen Ausführungsformen ist die Steuerung ferner so konfiguriert, dass sie den zweiten Spannungsbefehl auf der Grundlage einer elektrischen Induktivität einer elektrischen Schaltung des PMDC-Motors und eines elektrischen Widerstands der elektrischen Schaltung des PMDC-Motors bestimmt.
In einigen Ausführungsformen ist die Steuerung außerdem so konfiguriert, dass sie: einen Spannungswert auf der Grundlage des ersten Eingangsdrehmomentbefehlssignals, einer elektrischen Induktivität einer elektrischen Schaltung des PMDC-Motors und eines elektrischen Widerstands der elektrischen Schaltung des PMDC-Motors bestimmt; und eine Summe aus dem Spannungswert und der Gegen-EMK-Abfallspannung des ersten Wicklungssatzes berechnet.
In einigen Ausführungsformen ist die Steuerung ferner so konfiguriert, dass sie den ersten Spannungsbefehl auf der Grundlage des Spannungswerts und der Summe aus dem Spannungswert, einer Bürstenabfallspannung des ersten Wicklungssatzes und der Gegen-EMK-Abfallspannung des ersten Wicklungssatzes bestimmt.
In einigen Ausführungsformen ist die Steuerung außerdem so konfiguriert, dass sie die Gegen-EMK-Abfallspannung des ersten Wicklungssatzes mit Hilfe einer Schätzung des Motorgeschwindigkeitssignals bestimmt.
In einigen Ausführungsformen ist die Steuerung ferner so konfiguriert, dass sie: den ersten Spannungsbefehl für den ersten Wicklungssatz anlegt, wobei der erste Wicklungssatz als Reaktion auf den ersten Spannungsbefehl einen ersten Strom erzeugt; und den zweiten Spannungsbefehl für den zweiten Wicklungssatz anlegt, wobei der zweite Wicklungssatz als Reaktion auf den zweiten Spannungsbefehl einen zweiten Strom erzeugt; wobei der PMDC-Motor das Ausgangsdrehmoment als Reaktion auf den ersten Strom und den zweiten Strom erzeugt.
In einigen Ausführungsformen ist die Steuerung darüber hinaus so konfiguriert, dass sie den ersten Spannungsbefehl und den zweiten Spannungsbefehl unter Verwendung einer mathematischen Transformation bestimmt.
In einigen Ausführungsformen ist eine Steuerung zum Steuern eines Ausgangsdrehmoments eines mehrphasigen Permanentmagnet-Gleichstrommotors (PMDC-Motors) so konfiguriert, dass sie: für einen ersten Wicklungssatz des mehrphasigen PMDC-Motors einen ersten Spannungsbefehl bestimmt, der auf einem ersten Eingangsdrehmomentbefehlssignal und einer Gegen-EMK-Abfallspannung des ersten Wicklungssatzes basiert; für einen zweiten Wicklungssatz des mehrphasigen PMDC-Motors einen zweiten Spannungsbefehl bestimmt, der auf einem zweiten Eingangsdrehmomentbefehlssignal basiert; und den mehrphasigen PMDC-Motor gemäß dem ersten Spannungsbefehl und dem zweiten Spannungsbefehl selektiv steuert.
In einigen Ausführungsformen ist die Steuerung ferner so konfiguriert, dass sie den ersten Spannungsbefehl auf der Grundlage einer Bürstenabfallspannung des ersten Wicklungssatzes bestimmt.
In einigen Ausführungsformen ist die Steuerung ferner so konfiguriert, dass sie den zweiten Spannungsbefehl unter Verwendung einer Bürstenabfallspannung und einer Gegen-EMK-Abfallspannung des zweiten Wicklungssatzes bestimmt.
In einigen Ausführungsformen ist die Steuerung ferner so konfiguriert, dass sie den ersten Spannungsbefehl auf der Grundlage einer elektrischen Induktivität einer elektrischen Schaltung des mehrphasigen PMDC-Motors und eines elektrischen Widerstands der elektrischen Schaltung des mehrphasigen PMDC-Motors bestimmt.
In einigen Ausführungsformen umfasst ein Verfahren zum Steuern eines Ausgangsdrehmoments eines mehrphasigen Permanentmagnet-Gleichstrommotors (PMDC-Motors): Bestimmen, für einen ersten Wicklungssatz des mehrphasigen PMDC-Motors, eines ersten Spannungsbefehls auf der Grundlage eines ersten Eingangsdrehmomentbefehlssignals und einer Gegen-EMK-Abfallspannung des ersten Wicklungssatzes; Bestimmen, für einen zweiten Wicklungssatz des mehrphasigen PMDC-Motors, eines zweiten Spannungsbefehls auf der Grundlage eines zweiten Eingangsdrehmomentbefehlssignals; und selektives Steuern des mehrphasigen PMDC-Motors gemäß dem ersten Spannungsbefehl und dem zweiten Spannungsbefehl.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner die Bestimmung des ersten Spannungsbefehls auf der Grundlage einer Bürstenabfallspannung des ersten Wicklungssatzes.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner die Bestimmung des zweiten Spannungsbefehls unter Verwendung einer Bürstenabfallspannung und einer Gegen-EMK-Abfallspannung des zweiten Wicklungssatzes.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner die Bestimmung des ersten Spannungsbefehls auf der Grundlage einer elektrischen Induktivität einer elektrischen Schaltung des mehrphasigen PMDC-Motors und eines elektrischen Widerstands der elektrischen Schaltung des mehrphasigen PMDC-Motors.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner die Bestimmung der Gegen-EMK-Abfallspannung des ersten Wicklungssatzes unter Verwendung einer Schätzung des Motorgeschwindigkeitssignals.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner: Anlegen des ersten Spannungsbefehls für den ersten Wicklungssatz, wobei der erste Wicklungssatz als Reaktion auf den ersten Spannungsbefehl einen ersten Strom erzeugt; und Anlegen des zweiten Spannungsbefehls für den zweiten Wicklungssatz, wobei der zweite Wicklungssatz als Reaktion auf den zweiten Spannungsbefehl einen zweiten Strom erzeugt; wobei der mehrphasige PMDC-Motor das Ausgangsdrehmoment als Reaktion auf den ersten Strom und den zweiten Strom erzeugt.
Die obige Diskussion soll die Prinzipien und verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Zahlreiche Variationen und Modifikationen werden dem Fachmann auffallen, sobald die obige Offenbarung in vollem Umfang gewürdigt wird. Es ist beabsichtigt, dass die folgenden Ansprüche so ausgelegt werden, dass sie alle diese Variationen und Modifikationen umfassen.
Das Wort „Beispiel“ wird hier verwendet, um als Beispiel, Instanz oder Illustration zu dienen. Jeder hier als „Beispiel“ beschriebene Aspekt oder Entwurf ist nicht notwendigerweise als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Aspekten oder Entwürfen auszulegen. Vielmehr soll die Verwendung des Wortes „Beispiel“ dazu dienen, Konzepte auf konkrete Weise darzustellen. So wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, soll der Begriff „oder“ eher ein einschließendes „oder“ als ein ausschließendes „oder“ bedeuten. Das heißt, sofern es nicht anders angegeben ist oder aus dem Kontext klar hervorgeht, bedeutet „X schließt A oder B ein“ eine der natürlichen einschließenden Permutationen. Das heißt, wenn X A einschließt; X B einschließt; oder X sowohl A als auch B einschließt, dann ist „X schließt A oder B ein“ in jedem der vorstehenden Fälle erfüllt. Darüber hinaus sind die Artikel „einer/eine/eines“, wie sie in dieser Anmeldung und den beigefügten Ansprüchen verwendet werden, allgemein so auszulegen, dass sie „einen/eine/eines oder mehrere“ bedeuten, es sei denn, es ist anders angegeben oder aus dem Kontext klar, dass sie auf eine Singularform gerichtet sind. Darüber hinaus ist die durchgängige Verwendung des Begriffs „eine Implementierung“ oder „die eine Implementierung“ nicht so zu verstehen, dass damit dieselbe Ausführungsform oder Implementierung gemeint ist, es sei denn, sie wird als solche beschrieben.
Implementierungen der hier beschriebenen Systeme, Algorithmen, Verfahren, Anweisungen usw. können in Hardware, Software oder einer beliebigen Kombination davon realisiert werden. Die Hardware kann z.B. Computer, IP-Kerne (Intellectual Property), anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), programmierbare Logik-Arrays, optische Prozessoren, programmierbare Logik-Steuerungen, Mikrocode, Mikrocontroller, Server, Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren oder jede andere geeignete Schaltung umfassen. In den Ansprüchen ist der Begriff „Prozessor“ so zu verstehen, dass er jede der vorgenannten Hardware, entweder einzeln oder in Kombination, umfasst. Die Begriffe „Signal“ und „Daten“ werden austauschbar verwendet.
Wie hier verwendet, kann der Begriff Modul eine gepackte funktionale Hardware-Einheit umfassen, die für die Verwendung mit anderen Komponenten ausgelegt ist, einen Satz von Anweisungen, die von einer Steuerung ausgeführt werden können (z.B. ein Prozessor, der Software oder Firmware ausführt), eine Verarbeitungsschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie eine bestimmte Funktion ausführt, und eine in sich geschlossene Hardware- oder Software-Komponente, die eine Schnittstelle zu einem größeren System bildet. Ein Modul kann zum Beispiel eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), ein Field Programmable Gate Array (FPGA), eine Schaltung, eine digitale Logikschaltung, eine analoge Schaltung, eine Kombination von diskreten Schaltungen, Gattern und andere Arten von Hardware oder eine Kombination davon enthalten. In anderen Ausführungsformen kann ein Modul einen Speicher enthalten, der von einer Steuerung ausführbare Anweisungen speichert, um ein Merkmal des Moduls zu implementieren.
Darüber hinaus können in einem Aspekt beispielsweise die hier beschriebenen Systeme unter Verwendung eines Allzweckrechners oder Allzweckprozessors mit einem Computerprogramm implementiert werden, das bei seiner Ausführung einige der hier beschriebenen Verfahren, Algorithmen und/oder Anweisungen ausführt. Zusätzlich oder alternativ kann z.B. ein spezieller Computer/Prozessor verwendet werden, der andere Hardware zur Ausführung der hier beschriebenen Verfahren, Algorithmen oder Anweisungen enthalten kann.
Ferner können alle oder ein Teil der Implementierungen der vorliegenden Offenlegung die Form eines Computerprogrammprodukts annehmen, das z.B. von einem computerverwendbaren oder computerlesbaren Medium zugänglich ist. Ein computerverwendbares oder computerlesbares Medium kann jedes Gerät sein, das z.B. das Programm zur Verwendung durch oder in Verbindung mit einem Prozessor greifbar enthalten, speichern, kommunizieren oder transportieren kann. Das Medium kann z.B. ein elektronisches, magnetisches, optisches, elektromagnetisches oder ein Halbleitergerät sein. Andere geeignete Medien sind ebenfalls verfügbar.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen, Implementierungen und Aspekte wurden beschrieben, um ein einfaches Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen und die vorliegende Erfindung nicht einzuschränken. Im Gegenteil, die Erfindung soll verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdecken, die in den Geltungsbereich der beigefügten Ansprüche fallen, wobei diesem Geltungsbereich die weiteste Auslegung zugestanden werden soll, um alle derartigen Modifikationen und äquivalenten Strukturen abzudecken, die nach dem Gesetz zulässig sind.

Claims

System zum Steuern eines Ausgangsdrehmoments einer Permanentmagnet-Gleichstrommaschine (PMDC-Maschine), umfassend: einen PMDC-Motor, der so konfiguriert ist, dass er das Ausgangsdrehmoment erzeugt, wobei der PMDC-Motor mehrere Wicklungssätze enthält; und eine Steuerung, die konfiguriert ist, um: für einen ersten Wicklungssatz des PMDC-Motors einen ersten Spannungsbefehl basierend auf einem ersten Eingangsdrehmomentbefehlssignal und einer Gegen-EMK-Abfallspannung des ersten Wicklungssatzes zu bestimmen; für einen zweiten Wicklungssatz des PMDC-Motors einen zweiten Spannungsbefehl basierend auf einem zweiten Eingangsdrehmomentbefehlssignal zu bestimmen; und den PMDC-Motor selektiv gemäß dem ersten Spannungsbefehl und dem zweiten Spannungsbefehl zu steuern.
System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner so konfiguriert ist, dass sie den ersten Spannungsbefehl auf der Grundlage einer Bürstenabfallspannung des ersten Wicklungssatzes bestimmt.
System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner so konfiguriert ist, dass sie den zweiten Spannungsbefehl unter Verwendung einer Bürstenabfallspannung und einer Gegen-EMK-Abfallspannung des zweiten Wicklungssatzes bestimmt.
System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner so konfiguriert ist, dass sie den ersten Spannungsbefehl auf der Grundlage einer elektrischen Induktivität einer elektrischen Schaltung des PMDC-Motors und eines elektrischen Widerstands der elektrischen Schaltung des PMDC-Motors bestimmt.
System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner so konfiguriert ist, dass sie den zweiten Spannungsbefehl auf der Grundlage einer elektrischen Induktivität einer elektrischen Schaltung des PMDC-Motors und eines elektrischen Widerstands der elektrischen Schaltung des PMDC-Motors bestimmt.
System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung weiter konfiguriert ist, um: einen Spannungswert basierend auf dem ersten Eingangsdrehmomentbefehlssignal, einer elektrischen Induktivität einer elektrischen Schaltung des PMDC-Motors und einem elektrischen Widerstand der elektrischen Schaltung des PMDC-Motors zu bestimmen; und eine Summe aus dem Spannungswert und der Gegen-EMK-Abfallspannung des ersten Wicklungssatzes zu berechnen.
System nach Anspruch 6, wobei die Steuerung ferner so konfiguriert ist, dass sie den ersten Spannungsbefehl auf der Grundlage des Spannungswerts und der Summe aus dem Spannungswert, einer Bürstenabfallspannung des ersten Wicklungssatzes und der Gegen-EMK-Abfallspannung des ersten Wicklungssatzes bestimmt.
System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner so konfiguriert ist, dass sie die Gegen-EMK-Abfallspannung des ersten Wicklungssatzes unter Verwendung einer Schätzung des Motorgeschwindigkeitssignals bestimmt.
System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung weiter konfiguriert ist, um: den ersten Spannungsbefehl für den ersten Wicklungssatz anzulegen, wobei der erste Wicklungssatz als Reaktion auf den ersten Spannungsbefehl einen ersten Strom erzeugt; und den zweiten Spannungsbefehl für den zweiten Wicklungssatz anzulegen, wobei der zweite Wicklungssatz als Reaktion auf den zweiten Spannungsbefehl einen zweiten Strom erzeugt; wobei der PMDC-Motor das Ausgangsdrehmoment als Reaktion auf den ersten Strom und den zweiten Strom erzeugt.
System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner so konfiguriert ist, dass sie den ersten Spannungsbefehl und den zweiten Spannungsbefehl unter Verwendung einer mathematischen Transformation bestimmt.
Steuerung zum Steuern eines Ausgangsdrehmoments eines mehrphasigen Permanentmagnet-Gleichstrommotors (PMDC-Motors), wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie: für einen ersten Wicklungssatz des mehrphasigen PMDC-Motors einen ersten Spannungsbefehl auf der Grundlage eines ersten Eingangsdrehmomentbefehlssignals und einer Gegen-EMK-Abfallspannung des ersten Wicklungssatzes bestimmt; für einen zweiten Wicklungssatz des mehrphasigen PMDC-Motors einen zweiten Spannungsbefehl auf der Grundlage eines zweiten Eingangsdrehmomentbefehlssignals bestimmt; und den mehrphasigen PMDC-Motor selektiv gemäß dem ersten Spannungsbefehl und dem zweiten Spannungsbefehl steuert.
Steuerung nach Anspruch 11, wobei die Steuerung ferner so konfiguriert ist, dass sie den ersten Spannungsbefehl auf der Grundlage einer Bürstenabfallspannung des ersten Wicklungssatzes bestimmt.
Steuerung nach Anspruch 11, wobei die Steuerung ferner so konfiguriert ist, dass sie den zweiten Spannungsbefehl unter Verwendung einer Bürstenabfallspannung und einer Gegen-EMK-Abfallspannung des zweiten Wicklungssatzes bestimmt.
Steuerung nach Anspruch 11, wobei die Steuerung ferner so konfiguriert ist, dass sie den ersten Spannungsbefehl auf der Grundlage einer elektrischen Induktivität einer elektrischen Schaltung des mehrphasigen PMDC-Motors und eines elektrischen Widerstands der elektrischen Schaltung des mehrphasigen PMDC-Motors bestimmt.
Verfahren zum Steuern eines Ausgangsdrehmoments eines mehrphasigen Permanentmagnet-Gleichstrommotors (PMDC-Motors), wobei das Verfahren umfasst: Bestimmen, für einen ersten Wicklungssatz des mehrphasigen PMDC-Motors, eines ersten Spannungsbefehls auf der Grundlage eines ersten Eingangsdrehmomentbefehlssignals und einer Gegen-EMK-Abfallspannung des ersten Wicklungssatzes; Bestimmen, für einen zweiten Wicklungssatz des mehrphasigen PMDC-Motors, eines zweiten Spannungsbefehls auf der Grundlage eines zweiten Eingangsdrehmomentbefehlssignals; und Selektives Steuern des mehrphasigen PMDC-Motors gemäß dem ersten Spannungsbefehl und dem zweiten Spannungsbefehl.
Verfahren nach Anspruch 15, das ferner das Bestimmen des ersten Spannungsbefehls auf der Grundlage einer Bürstenabfallspannung des ersten Wicklungssatzes umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, das ferner das Bestimmen des zweiten Spannungsbefehls unter Verwendung einer Bürstenabfallspannung und einer Gegen-EMK-Abfallspannung des zweiten Wicklungssatzes umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Verfahren ferner das Bestimmen des ersten Spannungsbefehls auf der Grundlage einer elektrischen Induktivität einer elektrischen Schaltung des mehrphasigen PMDC-Motors und eines elektrischen Widerstands der elektrischen Schaltung des mehrphasigen PMDC-Motors umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Verfahren ferner das Bestimmen der Gegen-EMK-Abfallspannung des ersten Wicklungssatzes unter Verwendung einer Schätzung des Motorgeschwindigkeitssignals umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Verfahren weiterhin umfasst: Anlegen des ersten Spannungsbefehls für den ersten Wicklungssatz, wobei der erste Wicklungssatz als Reaktion auf den ersten Spannungsbefehl einen ersten Strom erzeugt; und Anlegen des zweiten Spannungsbefehls für den zweiten Wicklungssatz, wobei der zweite Wicklungssatz als Reaktion auf den zweiten Spannungsbefehl einen zweiten Strom erzeugt; wobei der mehrphasige PMDC-Motor das Ausgangsdrehmoment als Reaktion auf den ersten Strom und den zweiten Strom erzeugt.