DE102020133487B4

DE102020133487B4 - Verfahren zum Ausregeln und/oder Einprägen von Schwingungen bei wenigstens einer Frequenz und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020133487B4
Application number: DE102020133487.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Adam; Nils Conzelmann
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-12-15
Filing date: 2020-12-15
Publication date: 2024-01-25
Anticipated expiration: 2040-12-16
Also published as: DE102020133487A1

Abstract

Verfahren zum Ausregeln und/oder Einprägen von Schwingungen bei wenigstens einer Frequenz in einem oder einen Motorstrom einer elektrischen Maschine (2), wobei der Motorstrom aus wenigstens einer Stellgröße erzeugt wird, wobei durch einen Frequenzgenerator (10) für die Frequenz der auszuregelnden oder einzuprägenden Schwingung wenigstens ein Frequenzsignal erzeugt wird, wobei das Frequenzsignal fortlaufend in Abhängigkeit einer Differenz zwischen wenigstens einem den aktuellen Motorstrom oder eine Komponente des aktuellen Motorstroms beschreibenden Ist-Wert (9) und einer für den Motorstrom oder die Komponente des Motorstroms und der Frequenz vorgegebenen Stromvorgabe (11) angepasst wird, wobei die Stromvorgabe (11) den Motorstrom oder die Komponente des Motorstroms mit der ausgeregelten und/oder eingeprägten Schwingung bei der Frequenz beschreibt und das angepasste Frequenzsignal fortlaufend als Korrekturgröße der Stellgröße des Motorstroms beaufschlagt wird, wobei die Korrekturgröße ermittelt wird, indem das wenigstens eine Frequenzsignal jeweils einem Streckenmodell mit einer modellierten Übertragungsfunktion einer Regelstrecke aus einem die elektrische Maschine (2) bestromenden Umrichter (3) und der elektrischen Maschine (2) zugeführt und nach Berücksichtigung des Streckenmodells mit der Differenz zwischen dem jeweiligen Ist-Wert (9) und der jeweiligen Stromvorgabe (11) multipliziert wird, wonach das dadurch erhaltene Signal einem Integrator oder einem PT1-Glied zur Bildung eines Gleichanteils zugeführt wird, wonach der Gleichanteil mit dem jeweiligen ursprünglichen Frequenzsignal des Frequenzgenerators (10) multipliziert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausregeln und/oder Einprägen von Schwingungen bei wenigstens einer Frequenz in einem oder einen Motorstrom einer elektrischen Maschine, wobei der Motorstrom aus wenigstens einer Stellgröße erzeugt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.
Bei einem Betrieb von elektrischen Maschinen treten im Motorstrom neben einer der Frequenz des Motorstroms entsprechenden Grundwelle aus verschiedenen Gründen Oberschwingungen bzw. weitere Harmonische der Grundschwingung auf. Ursache dafür können zum Beispiel in der elektrischen Maschine auftretende Harmonische aufgrund des Wicklungssystems und/oder Sättigungsharmonische sein. Die weiteren Harmonischen in dem Motorstrom können bei einem Betrieb der elektrischen Maschine unerwünschte Effekte hervorrufen. Beispielsweise tragen diese Harmonischen zu einem ungewünschten akustischen Verhalten der elektrischen Maschine bei. Auch das Entstehen von Drehmomentrippeln, welche den Verschleiß der elektrischen Maschine erhöhen und/oder eine Verschlechterung des Wirkungsgrades der elektrischen Maschine durch das Erzeugen zusätzlicher Verluste bewirken, ist möglich.
Bei der üblicherweise zur Regelung von dreiphasigen elektrischen Maschinen verwendeten feldorientierten Regelung verschieben sich die Frequenzanteile des dreiphasigen Motorstroms zu anderen Frequenzen. Es ist möglich, dass eine beispielsweise mittels eines PI-Reglers in dem transformierten d/q-System der feldorientieren Regelung durchgeführte Stromregelung die störenden Frequenzanteile im Motorstrom, insbesondere höhere Harmonische, nicht vollständig ausregeln kann.
Neben einem Ausregeln störender Schwingungen kann auch das Einprägen von Schwingungen in den Motorstrom gewünscht sein, da durch das Erzeugen zusätzlicher Schwingungen im Motorstrom das Verhalten der elektrischen Maschine gezielt beeinflusst und dadurch angepasst bzw. verbessert werden kann. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Beeinflussung von mechanischen bzw. akustischen Schwingungen in einem Motorstrom bekannt.
DE 10 2018 115 148 A1 beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung und/oder Kompensation von Schwingungen mittels elektrischer Maschinen. Dabei wird eine bestehende Ansteuerung oder eine feldorientierte Regelung einer Synchronmaschine, einer Asynchronmaschine oder einer Gleichstrommaschine um die Steuergrößen für wenigstens eine Stromkomponente, welche ein Drehmoment bildet, erweitert. Die zusätzliche Steuergröße für die Stromkomponente wird aus einer Vorgabefunktion errechnet und erzeugt und/oder kompensiert hörbare und spürbare Schwingungen beim Betrieb der elektrischen Maschine.
Aus DE 10 2009 056 784 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Motoransteuersignal erzeugt und zum Motor übertragen, wobei zur Verminderung von durch den Betrieb des Motors erzeugten Störgeräuschen ein geeignetes Zusatzsignal erzeugt und dem Motoransteuersignal bei dessen Übertragung zum Motor überlagert wird. Das Zusatzsignal wird dabei mithilfe eines Mikrofonsignals eines in unmittelbarer Nähe des Motors angeordneten Mikrofons bestimmt.
In WO 2014/014558 A1 wird ein Verfahren zum Ausregeln von Schwingungen bei harmonischen Frequenzen während des Betriebs eines mit einer Stirlingmaschine gekoppelten Elektromotors beschrieben. Dabei wird durch verschiedene Frequenzgeneratoren in Abhängigkeit des Messsignals eines mit dem Motor gekoppelten Vibrationssensors ein Zusatzsignal erzeugt, welches einer Steuerung der elektrischen Maschine zugeführt wird.
Die Druckschrift US 7 952 308 B2 betrifft die Unterdrückung von Drehmomentschwankungen in einem permanenterregten Elektromotor. Hierbei wird zu Stellgrößen, die zur Vorgabe eines mehrphasigen Motorstroms dienen, ein zusätzliches Signal addiert, das zur Reduzierung von Drehmomentschwankungen dient. Im Rahmen der Erzeugung dieses zusätzlichen Signals werden Ist-Werte von skalierten Sollwerten für Komponenten eines Drehmomentschwankungsunterdrückungssignals subtrahiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Ausregeln und/oder Einprägen von Schwingungen bei wenigstens einer Frequenz in einem oder einen Motorstrom einer elektrischen Maschine anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht das Nachbilden einer Störung bzw. das Bilden eines einzuprägenden Signals aus dem wenigstens einen Frequenzsignal des Frequenzgenerators, zum Beispiel gemäß dem Inneren-Modell-Prinzip bei einer Regelung bzw. einem Internal Model Control bei einer Steuerung. Der Stellgröße kann dadurch eine Schwingung bei der wenigstens einen Frequenz hinzugefügt werden, wodurch entweder zusätzliche Schwingungen eingeprägt oder bereits im Motorstrom vorhandene Schwingungen ausgeregelt bzw. kompensiert werden können.
Dazu wird die auszuregelnde oder einzuprägende Schwingung bei der Steuerung oder der Regelung des Motorstroms der dabei verwendeten Stellgröße als Korrekturgröße beaufschlagt bzw. überlagert, bis in dem Motorstrom für die Frequenz ein durch die Stromvorgabe vorgegebener Zustand bzw. die jeweiligen Verhältnisse einer Amplitude und einer Phasenlage erreicht werden. Je nach Wahl der Stromvorgabe können so gezielt Störungen bei der wenigstens einen Frequenz ausgeregelt werden oder es kann ein Signal bei der wenigstens einen Frequenz durch das Aufschalten der Korrekturgröße auf die Stellgröße des Motorstroms erzeugt werden.
Die Stellgröße des Motorstroms kann z. B. eine Spannung sein, aus der mittels einer Ansteuerschaltung der Motorstrom erzeugt wird. Das Frequenzsignal kann zum Beispiel ein Wechselspannungssignal sein, welches angepasst und der Stellgröße, insbesondere einer Spannung, beaufschlagt werden kann. Bei Verwendung einer anderen Art von Stellgröße kann entsprechend ein Frequenzsignal verwendet werden, dessen Einheit der Amplitude bzw. dessen physikalische Größe der Stellgröße, zu der die Korrekturgröße hinzugefügt bzw. beaufschlagt wird, entspricht.
Durch das Beaufschlagen der Stellgröße mit der Korrekturgröße, welche in Abhängigkeit der Differenz zwischen dem wenigstens einen, den aktuellen Motorstrom oder eine Komponente des aktuellen Motorstrom beschreibenden Ist-Werts und der Stromvorgabe ermittelt wird, kann erreicht werden, dass der Motorstrom der Stromvorgabe bzw. der Verlauf des Motorstroms dem Verlauf der Stromvorgabe angepasst wird, wodurch gezielt die Schwingungsanteile im Motorstrom und somit auch die Schwingungen in der elektrischen Maschine beeinflusst werden können. Die Stromvorgabe stellt somit eine Stromformvorgabe dar, welche die zu erreichende Form des durch den Ist-Wert beschriebenen Motorstroms bzw. der durch den Ist-Wert beschriebenen Komponente des Motorstroms vorgibt.
Vorteilhaft kann dadurch das Verhalten der elektrischen Maschine beeinflusst werden. Insbesondere können störende Geräusche beim Betrieb der elektrischen Maschine unterdrückt werden oder es kann das akustische Verhalten durch gezieltes Einprägen weiterer Schwingungen angepasst und/oder verändert werden, beispielsweise wenn ein wahrnehmbares Betriebsgeräusch der elektrischen Maschine gewünscht ist. Weiterhin kann durch die Stromvorgabe ein Wirkungsgrad der elektrischen Maschine gesteigert werden, beispielsweise durch das gezielte Unterdrücken von Verlustanteilen bei bestimmten Frequenzen. Auch eine Beeinflussung der Stromqualität und/oder eines Vibrationsverhaltens der elektrischen Maschine, insbesondere als Maßnahme gegen die Erzeugung von Geräuschen, Vibrationen und Rauigkeiten (Noise, Vibration, Harshness, NVH), kann vorgenommen werden, wozu beispielsweise bei einer in einem Kraftfahrzeug eingesetzten elektrischen Maschine Schwingungen der elektrischen Maschine, die einen Fahrkomfort des Kraftfahrzeugs beeinträchtigen, ausgeregelt werden können.
Das Verfahren kann grundsätzlich bei jeder Art von elektrischer Maschine eingesetzt werden. Der den aktuellen Motorstrom oder eine Komponente des aktuellen Motorstroms beschreibende Ist-Wert kann beispielsweise durch wenigstens einen dem Motor zugeordneten Stromsensor, welcher den Motorstrom und/oder wenigstens eine Komponente des aktuellen Motorstroms misst, erzeugt werden. Die Verwendung dieser Ist-Werte in dem Verfahren zum Ausregeln und/oder Einprägen von Schwingungen hat den Vorteil, dass auf weitere Sensoren wie Mikrofone und/oder Vibrationssensoren verzichtet werden kann. Ein oder mehrere, den Motorstrom oder eine Komponente des aktuellen Motorstroms messende Stromsensoren sind für eine Regelung des Motorstroms ohnehin vonnöten, so dass auch bei dem Verfahren zum Ausregeln und/oder Einprägen von Schwingungen vorteilhaft auf bereits vorliegende Messgrößen zurückgegriffen werden kann. Weiterhin ermöglicht es das Verwenden des Motorstroms sowie das Bilden der Differenz mit der Stromvorgabe beliebige Beeinflussungen des Motorstroms vorzunehmen, so dass das Verfahren flexibel einsetzbar ist.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Stromvorgabe in Abhängigkeit eines Arbeitspunkts der elektrischen Maschine, insbesondere einer Drehzahl der elektrischen Maschine, gewählt wird. Dies ermöglicht es, auch einen auszuregelnden und/oder einzuprägenden Schwingungsanteil des Motorstroms in Abhängigkeit des Arbeitspunktes, insbesondere der Drehzahl der elektrischen Maschine, zu bestimmen, so dass der jeweilig gewünschte Effekt durch das Ausregeln bzw. das Einprägen der Schwingung bei der wenigstens einen Frequenz in dem Motorstrom an den aktuellen Arbeitspunkt der elektrischen Maschine angepasst werden kann. Die Drehzahl der elektrischen Maschine kann zum Beispiel mittels einem der elektrischen Maschine zugeordneten Drehzahlsensors ermittelt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Frequenzgenerator zur Ausgabe von wenigstens einem Frequenzsignal bei einer variablen Frequenz ausgebildet ist, wobei die wenigstens eine Frequenz und die Erzeugung des Frequenzsignals durch den Frequenzgenerator in Abhängigkeit eines Arbeitspunkts der elektrischen Maschine, insbesondere einer Drehzahl der elektrischen Maschine, eingestellt werden. Dies ermöglicht es, dass abhängig vom Arbeitspunkt der elektrischen Maschine bzw. der Drehzahl der elektrischen Maschine die Korrekturgröße aus einem Frequenzsignal erzeugt wird, welches beispielsweise der zur Einstellung des Arbeitspunkts bzw. der Drehzahl der elektrischen Maschine verwendeten Frequenz des Motorstroms entspricht. Auch das Erzeugen eines Frequenzsignals, welches eine weitere Harmonische bzw. eine Oberschwingung dieser Frequenz darstellt, ist möglich, so dass arbeitspunktabhängig auftretende Störungen ausgeregelt werden können bzw. arbeitspunktabhängig eine Beeinflussung des Verhaltens der elektrischen Maschine erfolgen kann.
Zur Bildung der Korrekturgröße kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass sie aus dem Frequenzsignal und der Differenz zwischen dem Ist-Wert und der Stromvorgabe mittels eines FxLMS-Algorithmus gebildet wird. Die Verwendung eines Filtered-x Least Mean Square-Algorithmus (FxLMS-Algorithmus) ermöglicht es, für einen bestimmten Frequenzanteil eines zeitlich veränderlichen Signals die Schwingungsamplitude und die Phasenlage zu bestimmen und somit durch das von dem Frequenzgenerator erzeugte Frequenzsignal die Korrekturgröße zu bilden. Die Korrekturgröße wird dann der Stellgröße beaufschlagt, bis die gewünschten, also das von der Stromvorgabe vorgegebenen, Verhältnisse der Amplitude und der Phasenlage des wenigstens einen Frequenzanteils erreicht werden. Der FxLMS-Algorithmus wird folglich insbesondere zur Ermittlung der Differenz zwischen dem Ist-Wert und der Stromvorgabe und für das Anpassen des Frequenzsignals zur Bildung der Korrekturgröße verwendet.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der Frequenzgenerator bei der Frequenz zwei orthogonale Frequenzsignale, insbesondere ein Sinus-Signal und ein Cosinus-Signal, erzeugt, wobei die Korrekturgröße aus den orthogonalen Frequenzsignalen gebildet wird. Durch die Verwendung von zwei orthogonalen Frequenzsignalen wie eines Sinus-Signals und eines Cosinus-Signals wird es ermöglicht, die auszuregelnde Schwingung bei der Frequenz vollständig nachzubilden bzw. eine beliebige Schwingung bei der Frequenz einzuprägen. Durch die Verwendung von zwei orthogonalen Frequenzsignalen wie des Sinus-Signals und des Cosinus-Signals können dabei insbesondere die Amplitude und die Phasenlage der auszuregelnden und/oder der einzuprägenden Schwingung nachgebildet werden. Dabei kann für jedes der orthogonalen Frequenzsignale für jede Frequenz, bei der eine Schwingung ausgeregelt bzw. eingeprägt werden soll, jeweils eine Stromvorgabe verwendet werden, aus der jeweils der entsprechende Anteil des angepassten Frequenzsignals ermittelt wird. So können zum Beispiel ein Sinus-Anteil und ein Cosinus-Anteil des angepassten Frequenzsignals, beispielsweise eines angepassten Wechselspannungssignals, jeweils separat ermittelt und als Korrekturgröße zusammengefasst werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein mehrphasiger Motorstrom, welcher aus wenigstens zwei Stellgrößen erzeugt wird, verwendet wird, wobei wenigstens zwei jeweils eine Komponente des Motorstroms beschreibende Ist-Werte, welche durch eine Transformation ermittelt werden, verwendet werden, wobei für jeden Ist-Wert jeweils eine Korrekturgröße aus dem wenigstens einen Frequenzsignal gebildet wird und die Korrekturgrößen jeweils einer der Stellgrößen beaufschlagt werden. Neben einem direkten Messen der tatsächlichen Phasenströme eines mehrphasigen Motorstroms als Ist-Werte ist auch das Verwenden von transformierten Ist-Werten, welche mittels einer Transformation erzeugt werden, möglich. Dabei kann insbesondere eine Transformation verwendet werden, welche auch für die Steuerung bzw. Regelung des Motors über die wenigstens eine Stellgröße verwendet wird, so dass entsprechend aus den transformierten Ist-Werten abgeleitete Korrekturgrößen den Stellgrößen beaufschlagt werden können.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die transformierten Ist-Werte durch eine d/q-Transformation oder eine αβ-Transformation von gemessenen Phasenströmen des Motorstroms ermittelt werden. Aufgrund der Bedingung, dass die Summe der Phasenströme in einem Dreiphasensystem Null sein muss, lassen sich dort nur bestimmte Frequenzanteile einprägen. Im d/q-System einer d/q-Transformation gibt es keine solche Einschränkung, so dass vorteilhaft die mittels einer d/q-Transformation bestimmten d/q-Ströme als jeweils eine Komponente des Motorstroms beschreibende Ist-Werte verwendet werden können. Dabei erfolgt dann die Ermittlung jeweils einer Korrekturgröße für den Direktanteil und den Orthogonalanteil unter Verwendung jeweils einer zugeordneten Stromvorgabe. Die Korrekturgrößen, welche in Abhängigkeit der transformierten Ist-Werte, insbesondere aus wenigstens einem Wechselspannungssignal als wenigstens einem Frequenzsignal, ermittelt werden, können dann den als Stellgrößen verwendeten d/q-Spannungen beaufschlagt werden, so dass die Schwingung mit der gewünschten Amplitude und der gewünschten Phasenlage im Motorstrom ausgeregelt bzw. in den Motorstrom eingeprägt wird. Analog dazu ist auch die Verwendung von mittels einer αβ-Transformation erzeugten Ist-Werten möglich, welche zur Erzeugung von Korrekturgrö-ßen zur Beaufschlagung der αβ-Spannungen als Stellgrößen herangezogen werden.
Ferner kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass Schwingungen mehrerer Frequenzen ausgeregelt und/oder eingeprägt werden, wobei für jede der Frequenzen ein Frequenzgenerator verwendet wird, welcher wenigstens ein Frequenzsignal mit der jeweiligen Frequenz erzeugt, und für jedes der Frequenzsignale unter Verwendung einer der jeweiligen Frequenz und/oder dem Frequenzsignal zugeordneten Stromvorgabe eine Korrekturgröße berechnet und der wenigstens einen Stellgröße beaufschlagt wird. Dadurch können mehrere Frequenzanteile des Motorstroms beeinflusst werden, da mittels der mehreren Frequenzgeneratoren für mehrere Frequenzen jeweils wenigstens ein Frequenzsignal erzeugt wird, aus denen für jede der Frequenzen jeweils eine Korrekturgröße bestimmbar ist.
Auf diese Weise kann durch ein mehrfaches, paralleles Ermitteln von Korrekturgrößen unter Verwendung von jeweils einer Stromvorgabe für jede Frequenz und/oder für jedes Frequenzsignal eine weitere Verbesserung in der Anpassung des Verhaltens der elektrischen Maschine erreicht werden. Das mehrfache parallele Erzeugen von Korrekturgrößen für jeweils unterschiedliche Frequenzen ermöglicht es, einzelne Frequenzanteile im Motorstrom gezielt und separat voneinander zu beeinflussen. Dazu kann für jede zu beeinflussende Frequenz eine Stromvorgabe vorgegeben werden, wobei aus den für die jeweilige Frequenz durch die Frequenzgeneratoren erzeugten Frequenzsignalen jeweils eine Korrekturgröße wie vorangehend beschrieben ermittelt werden kann. Die verschiedenen Korrekturgrößen können dann der Stellgröße beaufschlagt werden, so dass entsprechend die Schwingungsbeeinflussung im Motorstrom erreicht wird.
Erfindungsgemäß können mehrere Frequenzen verwendet werden, welche Harmonische sind. Auf diese Weise können z. B. drehzahlabhängig eine der Drehzahl entsprechende Grundfrequenz sowie eine oder mehrere Oberschwingungen der Grundfrequenz jeweils separat voneinander beeinflusst werden. Auf diese Weise können gezielt verschiedene Ordnungen des Motorstroms der elektrischen Maschine beeinflusst werden.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Korrekturgröße aus dem angepassten Frequenzsignal und einem aus einer Vorsteuerung ermittelten Vorsteuerungssignal gebildet wird, und/oder dass das angepasste Frequenzsignal spannungsbegrenzt wird. Es ist möglich, dass im Rahmen einer Vorsteuerung bereits bekannte Frequenzanteile berücksichtigt und der Korrekturgröße hinzugefügt werden. Auf diese Weise wird ein schnelleres Erreichen des gewünschten Zustands mit der ausgeregelten bzw. eingeprägten Schwingung bei der jeweiligen Frequenz erreicht. Auch eine Spannungsbegrenzung des angepassten Frequenzsignals bzw. wenigstens eines angepassten Frequenzsignals von mehreren Frequenzsignalen ist möglich, um den Einfluss, den die Korrekturgröße auf die Stellgröße und somit auf die Erzeugung des Motorstroms hat, innerhalb gewisser Grenzen zu beschränken.
Als elektrische Maschine kann erfindungsgemäß ein Traktionselektromotor eines Kraftfahrzeugs, ein Stellmotor einer Komponente des Kraftfahrzeugs und/oder ein einer Komponente des Kraftfahrzeugs zugeordneter Antriebsmotor verwendet werden. Insbesondere bei einem Traktionselektromotor eines Kraftfahrzeugs bietet sich eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten des Verfahrens zum Ausregeln und/oder Einprägungen von Schwingungen, da bei einem Kraftfahrzeug der elektrische Traktionsmotor eine maßgebliche Quelle von Störgeräuschen und/oder von störenden Schwingungen sein kann. Ein Ausregeln dieser Geräusche bzw. Schwingungen und/oder ein Anpassen dieser Geräusche bzw. Schwingungen zur Verbesserung eines akustischen Verhaltens und/oder eines Vibrationsverhaltens des Traktionsmotors kann somit vorteilhaft den Betrieb des Traktionsmotors verbessern.
Auch eine Wirkungsgradsteigerung durch das Ausregeln und/oder Einprägen von Schwingungen bei wenigstens einer Frequenz kann sich positiv auf eine beispielsweise mit einem Elektrofahrzeug zu erzielende Reichweite auswirken und somit mit Vorteil bei einem elektrischen Traktionsmotor eingesetzt werden. Entsprechend trifft dies auch auf Stellmotoren einer Komponente des Kraftfahrzeugs und/oder auf einer Komponente des Kraftfahrzeugs zugeordnete Antriebsmotoren zu. Insbesondere ein Stellmotor einer Komponente und/oder einer Komponente des Kraftfahrzeugs zugeordneter Antriebsmotor kann auch zum Erzeugen von Geräuschen verwendet werden, so dass auch bei diesem vorteilhaft ein Einprägen von Schwingungen bei wenigstens einer Frequenz möglich ist.
Für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ist vorgesehen, dass es eine elektrische Maschine, eine Leistungselektronik, durch welche ein Motorstrom der elektrischen Maschine in Abhängigkeit wenigstens einer vorgegebenen Stellgröße erzeugbar ist, wenigstens ein Messmittel zur Bestimmung wenigstens eines den aktuellen Motorstrom oder eine Komponente des aktuellen Motorstroms beschreibenden Ist-Werts und eine Steuereinrichtung mit wenigstens einem Frequenzgenerator umfasst, wobei die Steuereinrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet bzw. eingerichtet ist.
Die Steuereinrichtung kann insbesondere eine Software umfassen bzw. derart programmiert sein, dass sie wenigstens einen Frequenzgenerator enthält, mit dem das wenigstens eine Frequenzsignal erzeugt und wie vorangehend beschrieben die Korrekturgröße zur Beaufschlagung des Motorstroms bestimmt werden kann. Die Steuereinrichtung kann auch dazu eingerichtet sein, die wenigstens eine Stromvorgabe zu ermitteln. Dazu kann beispielsweise eine in der Steuereinrichtung hinterlegte Zuordnungsvorschrift verwendet werden, welche einem Arbeitspunkt der elektrischen Maschine, insbesondere einer Drehzahl der elektrischen Maschine, eine oder mehrere Stromvorgaben zuordnet. Es ist auch möglich, dass die Stromvorgabe der Steuereinrichtung von einer weiteren Steuereinrichtung des Kraftfahrzeugs übermittelt wird. Ferner kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, die wenigstens eine Stellgröße zur Erzeugung des Motorstroms zu ermitteln, zum Beispiel im Rahmen einer Regelung oder einer Steuerung der elektrischen Maschine.
Sämtliche vorangehend in Bezug zum erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
2 ein Blockdiagramm zur Erläuterung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
3 ein Blockdiagramm zur Erläuterung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

In 1 ist eine Seitenansicht eines Kraftfahrzeugs 1 dargestellt. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst eine als Traktionsmotor ausgebildete elektrische Maschine 2, einen Traktionsumrichter 3 sowie einen beispielsweise als Batterie ausgebildeten Traktionsenergiespeicher 4. Mittels des Traktionsumrichters 3 wird ein von dem Traktionsenergiespeicher 4 abgegebener Gleichstrom in einen dreiphasigen Motorstrom zum Bestromen des Traktionselektromotors 2 gewandelt.
Das Kraftfahrzeug 1 umfasst weiterhin eine Steuereinrichtung 5 sowie ein Strommessmittel 6, über welches wenigstens ein den Motorstrom oder eine Komponente des Motorstroms beschreibender Messwert erfasst werden kann. Insbesondere sind mit dem Strommessmittel 6 die einzelnen Phasenströme des dreiphasigen Motorstroms messbar. Die Steuereinrichtung 5 ist weiterhin dazu eingerichtet, eine Regelung des Motorstroms vorzunehmen, wozu die Steuereinrichtung 5 eine Stellgröße erzeugen kann, aus welcher der Motorstrom erzeugt wird. Zusätzlich dazu ist die Steuereinrichtung 5 dazu eingerichtet und/oder ausgebildet Schwingungen bei wenigstens einer Frequenz in dem Motorstrom auszuregeln bzw. in den Motorstrom einzuprägen.
In 2 ist ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Ausregeln und/oder Einprägen von Schwingungen bei wenigstens einer Frequenz in dem oder den Motorstrom der elektrischen Maschine 2 dargestellt. Das Verfahren wird von der Steuereinrichtung 5 ausgeführt, wozu beispielsweise eine Software in der Steuereinrichtung 5 hinterlegt ist. Die Steuereinrichtung 5 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine Motorregelung 7, welche wenigstens eine Stellgröße zur Erzeugung des Motorstroms ermittelt. Diese Stellgröße wird dem Umrichter 3 zur Erzeugung des dreiphasigen Motorstroms zugeführt.
Die von dem Strommessmittel 6 gemessenen Phasenströme werden mittels einer Transformation 8, beispielsweise einer αβ-Transformation (auch als Clarke-Transformation bezeichnet) oder einer d/q-Transformation (auch als Park-Transformation bezeichnet), transformiert. Die dadurch erhaltenen Ströme, also die d/q-Ströme I_d und I_q bzw. die αβ-Ströme I_α und I_β, stellen jeweils einen eine Komponente des Motorstroms beschreibenden Ist-Wert 9 dar. Als Stellgrößen werden insbesondere entsprechend der Transformation 8 die d/q-Spannungen U_d und U_q bzw. die αβ-Spannungen U_α und U_β verwendet. Das Verwenden der transformierten d/q-Ströme I_d, und I_q ermöglicht es, unter der Einhaltung der Zwangsbedingung der Nullstromsumme für den dreiphasigen Motorstrom beliebige Anteile im Frequenzspektrum des dreiphasigen Motorstroms auszuregeln und/oder einzuprägen.
Eine aus I_d als Ist-Wert 9 ermittelte Korrekturgröße k_d kann dabei der als eine Stellgröße verwendeten Spannung U_d beaufschlagt werden und eine aus I_q als Ist-Wert 9 ermittelte Korrekturgröße k_q kann dabei der als eine Stellgröße verwendeten Spannung U_q beaufschlagt werden. Entsprechend trifft dies auch bei einer αβ-Transformation auf die Ströme I_α und I_β, die jeweils ermittelten Korrekturgrößen k_α und k_β sowie die als Stellgrößen verwendeten Spannungen U_α und U_β zu. Die nachfolgend beschriebenen Schritte zur Ermittlung der Korrekturgröße k werden jeweils für I_d und I_q bzw. für I_α und I_β separat durchgeführt.
Die Steuereinrichtung 5 umfasst einen Frequenzgenerator 10, welcher wenigstens ein als Wechselspannungssignal ausgebildetes Frequenzsignal mit einer ersten Frequenz f₁, welche in dem Motorstrom ausgeregelt oder eingeprägt werden soll, erzeugt. Für jeden der Ist-Werte 9 und für jede Frequenz f_i, bei der eine Schwingung ausgeregelt oder eingeprägt werden soll, wird wenigstens eine Stromvorgabe 11 vorgegeben, welche jeweils für den von dem Ist-Wert 9 beschriebenen Motorstrom bzw. die von dem Ist-Wert 9 beschriebene Komponente des Motorstroms mit der ausgeregelten und/oder der eingeprägten Schwingung bei der Frequenz beschreibt. Aus dem Ist-Wert 9 und der Stromvorgabe 11 wird in einem Block 12 eine Differenz ermittelt.
Das wenigstens eine Frequenzsignal wird in einem Block 13 einem Streckenmodell mit einer modellierten Übertragungsfunktion P̂ der Regelstrecke aus Umrichter 3 und elektrischer Maschine 2 zugeführt, um eine Phasenkorrektur des Frequenzsignals vorzunehmen. Als Teil der modellierten Übertragungsfunktion P̂ kann dabei auch eine Amplitude des Frequenzsignals angepasst werden. Nach Berücksichtigung des Streckenmodells P in Block 13 wird das Frequenzsignal mit der in Block 12 ermittelten Differenz zwischen dem Ist-Wert 9 und der Stromvorgabe 11 in Block 14 multipliziert. Das dadurch erhaltene Signal, welches schematisch im Block 15 dargestellt ist, wird in Block 16 einem Integrator oder einem PT1-Glied zur Bildung eines Gleichanteils zugeführt.
Anschließend werden der schematisch im Block 17 dargestellte Gleichanteile in Block 18 wieder zu dem ursprünglichen Frequenzsignal des Frequenzgenerators 10 multipliziert. Der so erhaltene Korrekturwert k wird der Stellgröße u in Block 19 beaufschlagt. Ein Ansteuern des Umrichters 3 erfolgt mit der korrigierten Stellgröße u'. Auf diese Weise wird erreicht, dass sich der Motorstrom bzw. die aus dem Motorstrom ermittelten Ist-Werte 9 den jeweiligen Stromvorgaben 11 annähern, so dass das durch die Stromvorgaben 11 vorgegebene Verhalten des Motorstroms erzeugt wird.
Der Frequenzgenerator 10 ist insbesondere zum Erzeugen von zwei orthogonalen Wechselspannungssignalen als Frequenzsignalen bei der Frequenz ausgebildet. Dabei werden beispielsweise ein Sinus- und ein Cosinus-Signal erzeugt. Für jedes der Frequenzsignale, also sowohl für das Sinus-Signal als auch für das Cosinus-Signal, enthält die Stromvorgabe 11 jeweils die zu erzeugende Amplitude. Für einen komplexwertigen Ist-Wert 9 wird das Cosinus-Signal in Block 14 mit der in Block 12 ermittelten Differenz zwischen dem Realteil des Ist-Werts 9 und einer dem Cosinus-Signal bzw. dem Realteil zugeordneten Stromvorgabe 11 multipliziert. Das Sinus-Signal wird entsprechend in Block 14 mit der in Block 12 ermittelten Differenz zwischen dem Imaginärteil des Ist-Werts 9 und einer dem Sinus-Signal bzw. dem Imaginärteil zugeordneten Stromvorgabe 11 multipliziert. Anschließend werden die Operationen in den Blöcken 16 und 18 jeweils für den Realteil und den Imaginärteil bzw. das Cosinus-Signal und das Sinussignal durchgeführt. Die Ermittlung der Korrekturgröße k aus dem oder den Ist-Werten des Motorstroms erfolgt mittels eines FxLMS-basierten Verfahrens 20, das die Blöcke 9 bis 18 umfasst.
Die Stromvorgabe 11 kann dabei derart vorgegeben werden, dass bei der Frequenz f₁ eine aufgrund des Betriebes der elektrischen Maschine 2 entstehende Schwingung ausgeregelt wird. Alternativ kann für die Frequenz f₁ auch ein Schwingungssignal als Korrekturgröße k in die Stellgröße u eingeprägt werden, um gezielt das Verhalten der elektrischen Maschine 2, insbesondere ein akustisches Verhalten und/oder ein Vibrationsverhalten, anzupassen. Auch eine Anpassung eines Wirkungsgrads der elektrischen Maschine 2 und/oder eine Reduktion von frequenzabhängigen Verlustanteilen in der elektrischen Maschine 2 kann durch das Ausregeln und/oder Einprägen wenigstens einer Schwingung in dem oder den Motorstrom erreicht werden. Die dazu jeweils verwendbaren Stromvorgaben 11 können zum Beispiel mittels Messungen, Rechnungen und/oder durch Simulation ermittelt und in der Steuereinrichtung 5 hinterlegt werden.
Es ist möglich, dass zu den jeweiligen Frequenzsignalanteilen bzw. Wechselspannungssignalanteilen mittels einer Vorsteuerung 21 bereits bekannte Signalanteile addiert werden. Auch ist eine Spannungsbegrenzung 22 für die jeweiligen Frequenzsignalanteile bzw. Wechselspannungssignalanteile möglich, so dass die jeweilige Korrekturgröße k die vorgesteuerten Signalanteile umfasst und/oder spannungsbegrenzt ist, bevor sie der Stellgröße u in Block 19 beaufschlagt wird.
Die Frequenz f₁ kann in Abhängigkeit eines Arbeitspunkts der elektrischen Maschine 2, insbesondere einer Drehzahl der elektrischen Maschine 2, gewählt bzw. durch den Frequenzgenerator 10 vorgegeben werden. Zum Beispiel kann als Frequenz f₁ eine der Drehzahl entsprechende Frequenz oder ein Vielfaches einer der Drehzahl entsprechenden Frequenz verwendet werden, so dass zum Beispiel eine Geräuschunterdrückung oder eine Geräuscherzeugung in der elektrischen Maschine 2 arbeitspunkt- bzw. drehzahlabhängig durchgeführt werden können. Auch die Stromvorgabe 11 kann entsprechend in Abhängigkeit des Arbeitspunkts der elektrischen Maschine 2 bzw. ihrer Drehzahl vorgegeben werden. Auch das parallele Durchführen der Ermittlung einer Korrekturgröße für mehrere, verschiedene Frequenzen f₁, f₂, ... f_i ist möglich, wie nachfolgend in Bezug zu dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel erläutert wird.
In 3 ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung eines zweiten Ausführungsbeispiels des Verfahrens dargestellt. Dabei werden beispielsweise bei einer d/q-Transformation der Phasenströme des Motorstroms die jeweiligen eine Komponente des Motorstroms beschreibenden d/q-Ströme I_d und I_q als transformierte Ist-Werte 9 separat zur Ermittlung jeweils einer Korrekturgröße k_d, bzw. k_q herangezogen.
Dazu wird für jede der Stromkomponenten I_d und I_q jeweils für mehrere Frequenzen f₁, f₂, ... f_i eine Korrekturgröße ermittelt und auf die jeweiligen Stellgrößen U_d bzw. U_q beaufschlagt. Jedes der FxLMS-basierten Verfahren 20 ist dabei entsprechend der Darstellung in 2 ausgeführt und umfasst einen Frequenzgenerator 10, welcher für die jeweilige Frequenz f₁, f₂, ... fi jeweils zwei orthogonale Frequenzsignale wie ein Sinus- und ein Cosinus-Signal erzeugt. Die Frequenzsignale bzw. das Sinus- und das Cosinus-Signal sind dabei ebenfalls als Wechselspannungssignale ausgeführt. Auf diese Weise können beispielweise für verschiedene Harmonische f₁, f₂, ..., f_i jeweils Schwingungsanteile im Motorstrom ausgeregelt und/oder eingeprägt werden.
Es ist insbesondere möglich, dass in den Ausführungsbeispielen des Verfahrens jeweils die Frequenzen f₁, f₂ in Abhängigkeit einer aktuellen Motordrehzahl des Elektromotors 2 verwendet werden. Dazu kann die elektrische Maschine beispielsweise einen Drehzahlsensor umfassen und/oder es kann eine Ermittlung der Drehzahl in Abhängigkeit des über die Stellgrößen u einzustellenden Betriebszustand der elektrischen Maschine 2 erfolgen. Auf diese Weise ist es möglich, beispielsweise Frequenzen f₁, f₂, ... fi zu wählen, welche jeweils eine Harmonische der Drehzahl sind, so dass das Verfahren während seiner Laufzeit an den jeweils aktuellen Betriebszustand der elektrischen Maschine 2 angepasst werden kann. Zum Beispiel kann die Frequenz f₁ der Drehzahl entsprechen und die Frequenzen f₂, ... f_i können jeweils eine Oberschwingung der der Drehzahl entsprechenden Frequenz darstellen.
Die Stromvorgabe 11 bzw. die Stromvorgaben 11 können jeweils durch Rechnung, Messung und/oder Simulation bestimmt werden und jeweils in einer Speichereinrichtung der Steuereinrichtung 5 hinterlegt oder von der Steuereinrichtung 5 ermittelt werden. Die Stromvorgaben 11 können dabei insbesondere in Abhängigkeit eines Arbeitspunkts, insbesondere einer Drehzahl, der elektrischen Maschine 2 hinterlegt sein bzw. ermittelt werden. Die Steuereinrichtung 5 kann ein oder mehrere, miteinander kommunizierende Steuergeräte umfassen, welche die vorangehend beschriebenen Funktionen der Steuereinrichtung 5 umsetzen.
Es ist möglich, dass eine elektrische Maschine 2 mit einer von drei verschiedenen Anzahl an Phasen des Motorstroms verwendet wird. Auch bei einer über einen Gleichstrom betreibbaren elektrischen Maschine können Schwingungen bei wenigstens einer vorgegebenen Frequenz ausgeregelt und/oder eingeprägt werden. Ferner kann das Verfahren auch bei anderen Arten von elektrischen Maschinen 2, zum Beispiel bei einem Stellmotor einer Komponente des Kraftfahrzeugs 1 und/oder bei einem einer Komponente des Kraftfahrzeugs zugeordneten Antriebsmotor, eingesetzt werden.

Claims

Verfahren zum Ausregeln und/oder Einprägen von Schwingungen bei wenigstens einer Frequenz in einem oder einen Motorstrom einer elektrischen Maschine (2), wobei der Motorstrom aus wenigstens einer Stellgröße erzeugt wird, wobei durch einen Frequenzgenerator (10) für die Frequenz der auszuregelnden oder einzuprägenden Schwingung wenigstens ein Frequenzsignal erzeugt wird, wobei das Frequenzsignal fortlaufend in Abhängigkeit einer Differenz zwischen wenigstens einem den aktuellen Motorstrom oder eine Komponente des aktuellen Motorstroms beschreibenden Ist-Wert (9) und einer für den Motorstrom oder die Komponente des Motorstroms und der Frequenz vorgegebenen Stromvorgabe (11) angepasst wird, wobei die Stromvorgabe (11) den Motorstrom oder die Komponente des Motorstroms mit der ausgeregelten und/oder eingeprägten Schwingung bei der Frequenz beschreibt und das angepasste Frequenzsignal fortlaufend als Korrekturgröße der Stellgröße des Motorstroms beaufschlagt wird, wobei die Korrekturgröße ermittelt wird, indem das wenigstens eine Frequenzsignal jeweils einem Streckenmodell mit einer modellierten Übertragungsfunktion einer Regelstrecke aus einem die elektrische Maschine (2) bestromenden Umrichter (3) und der elektrischen Maschine (2) zugeführt und nach Berücksichtigung des Streckenmodells mit der Differenz zwischen dem jeweiligen Ist-Wert (9) und der jeweiligen Stromvorgabe (11) multipliziert wird, wonach das dadurch erhaltene Signal einem Integrator oder einem PT1-Glied zur Bildung eines Gleichanteils zugeführt wird, wonach der Gleichanteil mit dem jeweiligen ursprünglichen Frequenzsignal des Frequenzgenerators (10) multipliziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromvorgabe (11) in Abhängigkeit eines Arbeitspunkts der elektrischen Maschine (2), insbesondere einer Drehzahl der elektrischen Maschine (2), gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzgenerator (10) zur Ausgabe von wenigstens einem Frequenzsignal bei einer variablen Frequenz ausgebildet ist, wobei die wenigstens eine Frequenz und die Erzeugung des Frequenzsignals durch den Frequenzgenerator (10) in Abhängigkeit eines Arbeitspunkts der elektrischen Maschine (2), insbesondere einer Drehzahl der elektrischen Maschine (2), eingestellt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturgröße aus dem Frequenzsignal und der Differenz zwischen dem Ist-Wert (9) und der Stromvorgabe (11) mittels eines FxLMS-Algorithmus (20) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzgenerator (10) bei der Frequenz zwei orthogonale Frequenzsignale, insbesondere ein Sinus-Signal und ein Cosinus-Signal, erzeugt, wobei die Korrekturgröße aus den orthogonalen Frequenzsignalen gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mehrphasiger Motorstrom, welcher aus wenigstens zwei Stellgrößen erzeugt wird, verwendet wird, wobei wenigstens zwei jeweils eine Komponente des Motorstroms beschreibende Ist-Werte (9), welche durch eine Transformation (8) ermittelt werden, verwendet werden, wobei für jeden Ist-Wert (9) jeweils eine Korrekturgröße aus dem wenigstens einen Frequenzsignal gebildet wird und die Korrekturgrößen jeweils einer der Stellgrößen beaufschlagt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Werte durch eine d/q-Transformation oder eine αβ-Transformation von gemessenen Phasenströmen des Motorstroms ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schwingungen mehrerer Frequenzen ausgeregelt und/oder eingeprägt werden, wobei für jede der Frequenzen ein Frequenzgenerator (10) verwendet wird, welcher wenigstens ein Frequenzsignal mit der jeweiligen Frequenz erzeugt, und für jedes der Frequenzsignale unter Verwendung einer der jeweiligen Frequenz und/oder dem Frequenzsignal zugeordneten Stromvorgabe (11) eine Korrekturgröße berechnet und der wenigstens einen Stellgröße beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehreren Frequenzen verwendet werden, welche Harmonische sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturgröße aus dem angepassten Frequenzsignal und einem aus einer Vorsteuerung (21) ermittelten Vorsteuerungssignal gebildet wird, und/oder dass das angepasste Frequenzsignal spannungsbegrenzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Maschine (2) ein Traktionselektromotor eines Kraftfahrzeugs (1), ein Stellmotor einer Komponente des Kraftfahrzeugs (1) und/oder ein einer Komponente des Kraftfahrzeugs (1) zugeordneter Antriebsmotor verwendet wird.
Kraftfahrzeug, umfassend eine elektrische Maschine (2), eine Leistungselektronik (3), durch welche ein Motorstrom der elektrischen Maschine (2) in Abhängigkeit wenigstens einer vorgegebenen Stellgröße erzeugbar ist, wenigstens ein Messmittel (6) zur Bestimmung wenigstens eines den aktuellen Motorstrom oder eine Komponente des aktuellen Motorstroms beschreibenden Ist-Werts (9) und eine Steuereinrichtung (5) mit wenigstens einem Frequenzgenerator (10), wobei die Steuereinrichtung (5) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche eingerichtet ist.