DE102020201200A1

DE102020201200A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102020201200A1
Application number: DE102020201200.8A
Authority: DE
Inventors: Jochen Fassnacht; Sven Reimann; David GAENZLE; Maximilian Manderla
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-01-31
Filing date: 2020-01-31
Publication date: 2021-08-05
Also published as: EP4097841A1; CN115004542A; WO2021151950A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verfahren (100) zur Regelung einer elektrischen Maschine (204) mit einem Oberwellenregler (200), welcher eine Eingangsstufe (210), einen Regler (220) und eine Ausgangsstufe (230) umfasst, mit den Schritten:Ermitteln (110) mindestens zweier Messgrößen (id, iq);Ermitteln (120) von Cosinusmessanteilen und Sinusmessanteilen (idcos_m, idsin_m, iqcos_m, iqsin_m)Ermitteln (130) der Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen (idcos_s, idsin_s, iqcos_s, iqsin_s)Ermitteln (140) mindestens zweier Stellgrößen (ud, uq)Ansteuern (150) der elektrischen Maschine (204) in Abhängigkeit der ermittelten Stellgrößen (ud, uq).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung einer elektrischen Maschine. Ferner betrifft die Erfindung ein elektrisches Antriebssystem mit einer entsprechenden Vorrichtung und eine Wärmepumpe mit einem elektrischen Antriebssystem sowie ein Computerprogramm und ein computerlesbares Speichermedium.
Stand der Technik
Die Druckschrift DE 10 2009 000 930 A1 offenbart ein Verfahren und eine Anordnung zur Reduktion der Drehmomentwelligkeit in einem Permanentmagnet-Motorsystem. Das Motorsystem umfasst einen Permanentmagnetmotor, der an einen Wechselrichter gekoppelt ist. Das in dieser Druckschrift beschriebene Verfahren umfasst einen Schritt zum Modifizieren von Betriebssteuersignalen, um welligkeitsreduzierende Betriebssteuersignale zu generieren. Diese modifizierten Betriebssteuersignale werden an einen Inverter zur Steuerung des Permanentmagnetmotors geliefert.
Aufgrund konstruktiver Eigenschaften oder bei Auftreten von Fehlerfällen zeigen elektrische Antriebssysteme, bestehend aus elektrischer Maschine und Leistungselektronik, keine glatten sondern vielmehr oberwellenbehaftete Drehmomentverläufe. Ebenso entstehen radiale Kraftanregungen am Rotor der elektrischen Maschine. Wird mit der elektrischen Maschine eine ungleichmäßige Last, beispielsweise ein Kompressor für eine Wärmepumpe angetrieben, so ergeben sich zusätzliche oberwellenbehaftete Schwingungen der Drehzhal des Rotors der elektrischen Maschine. Die oberwellenbehafteten Schwingungen, Drehmomentverläufe und radialen Kraftanregungen überlagern sich nud führen zu Gehäuseschwingungen und somit zu Schallabstrahlungen führen.
Zur Reduktion der mechanischen Belastung der einzelnen Komponenten des Antriebssystems aber auch zur Reduktion von Geräuschen sollen diese Effekte reduziert werden. Hierzu wird die Ansteuerung der elektrischen Maschine so verändert, dass sich oberwellenbehaftete Ströme ergeben, die den störenden Effekten entgegenwirken.
Drehfeldmaschinen, wie zum Beispiel Käfigläufer-Asynchronmaschinen oder Permanentmagnet-Synchronmaschinen, besitzen aufgrund ihrer Bauweise keine idealen sinusförmigen Flussverteilungen im Luftspalt. Im Betrieb führt dies bei einer Regelung mit sinusförmigen Strömen zu oberwellenbehafteten ungleichmäßigen Drehmomenten. Neben den dadurch hervorgerufenen Torsionsschwingungen im Antriebsstrang ergeben sich durch die genannten Ungleichförmigkeiten auch radiale Kraftanregungen zwischen Stator und Rotor, die sich unmittelbar in Form von Gehäuseschwingungen und folglich Schallabstrahlungen (Noise Vibration Harshness - NVH) äußern. Verstärkt wird die Problematik durch externe oszillierende Lastmomente wie beispielsweise durch einen Kompressor, wie er in Wärmepumpen verbaut ist. Insgesamt bewirken die konstruktiven Eigenschaften des elektrischen Antriebssystems folglich mitunter unerwünschte spürbare Schwingungen im Antriebsstrang, im elektrischen Netz und/oder akustisch wahrnehmbare Schallemissionen. Es ist bekannt elektrische Drehfeldmaschinen mittels der feldorientierten Regelung (FOR, engl.: Field Oriented Control (FOC))zu regeln. Diese Regelung ist im Wesentlichen ausgelegt auf die Regelung der Grundwelle des Stroms, wobei hierzu mittels der d/q Transformation die Grundwelle des Stroms in Gleichgrößen id, iq in dem mitrotierenden dq-Koordinatensystem transformiert wird. Die Gleichgrößen werden in dem Koordinatensystem geregelt und die ermittelten Stellgrößen du, uq anschließend zurücktransformiert in den Zeitbereich und als Grundwelle der Spannug zur Ansteuerung der elektrischen Maschine verwendet. Eine Beeinflussung oder Reduktion von Oberwellen ist hiermit nicht möglich.
Für die Minimierung von harmonischen Oberwellen sind zwei grundsätzliche Ansätze möglich. Die erste Möglichkeit besteht in der gezielten Aufschaltung einer exogenen Störgrößenkompensation, was bei betriebsabhängigen (wie z.B. temperaturabhängigen) Parametern oder herstellungsbedingten Toleranzen zu einer unzureichenden Performance im realen Betrieb führt.
Alternative, feedback-basierte Konzepte sind zwar robuster hinsichtlich parametrischer Abweichungen, sie sind in bekannten Varianten allerdings nur für Eingrößensysteme (eine Stellgröße sowie eine Messgröße) geeignet. Elektrische Drehfeldmaschinen besitzen jedoch bereits bei der feldorientierten Regelung in dem d/q Koordinatensystem zwei unabhängigen Stellspannungen $u_{d} / u_{q}$
und somit zwei Stellgrößen.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine mit einem Oberwellenregler bereitgestellt, welcher eine Eingangsstufe, einen Regler und eine Ausgangsstufe umfasst. Das Verfahren umfasst die Schritte:

Ermitteln mindestens zweier Messgrößen;
Ermitteln von Cosinusmessanteilen und Sinusmessanteilen einer vorbestimmten Frequenz in Abhängigkeit der erfassten Messgrößen mittels der Eingangsstufe; Ermitteln von Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen in Abhängigkeit der Cosinusmessanteile und Sinusmessanteile mittels des Reglers und einer vorbestimmten Regelungsmatrix des Reglers;
Ermitteln mindestens zweier Stellgrößen in Abhängigkeit der ermittelten Cosinustellgrößen und Sinusstellgrößen mittels der Ausgangsstufe;
Ansteuern der elektrischen Maschine in Abhängigkeit der ermittelten Stellgrößen.

Zur Regelung elektrischer Maschinen, bevorzugt permanentmagnetisch erregte Synchronmaschinen, werden verbreitet feldorientierte Regelungen verwendet. Dabei werden die Wechselgrößen der im Zeitbereich, bevorzugt sinusförmigen, einzuregelnden Phasenströme, auch die Grundwellen genannt, mittels einer mathematischen Transformation jeweils in ein mit der Frequenz der Wechselgrößen rotierendes Koordinatensystem übertragen. Die Frequenz der Wechselgrößen bestimmt auch die Frequenz des magnetischen Feldes in der Maschine, sodass dieses mit der Frequenz der Wechselgrößen rotierende Koordinatensystem auch feldorientiertes System genannt wird. Im stationären Betrieb der elektrischen Maschine ergeben sich aus den Wechselgrößen im Zeitbereich Gleichgrößen im feldorientierten System, welche mittels der üblichen Verfahren der Regelungstechnik geregelt werden können. Das feldorientierte System wird auch d/q-Koordinatensystem genannt. Dabei zeigt dessen d-Achse in Richtung des Rotorflusses. Die q-Achse ist senkrecht zu der d-Achse. Ein sinusförmiger Phasenstrom wird als Statorstromzeiger oder Statorstromvektor repräsentiert, welcher über seine Länge und seine Richtung charakterisiert wird. Dieser Stromzeiger dreht sich synchron mit dem rotierenden Stator- oder Rotorfluss der elektrischen Maschine. In dem d/q Koordinatensystem kann der Stromzeiger entsprechend seiner Länge und seiner Richtung mittels zwei senkrecht aufeinander stehenden Komponenten Id und Iq dargestellt werden, welche im stationären Fall Gleichgrößen sind.
Zur Regelung einer mit dem Oberwellenregler verbindbaren oder an den Oberwellenregler anschließbaren elektrischen Maschine werden mindestens zwei Messgrößen der elektrischen Maschine in dem feldorientierten System erfasst, bevorzugt die beiden Komponenten des Statorstromzeigers in dem feldorientierten System. Wie oben erläutert umfassen diese Messgrößen Oberwellen oder mindestens eine Oberwelle, welche den Phasenstrom durch die elektrische Maschine überlagern. In dem feldorientierten System ist die elektrische Grundwelle eine Gleichgröße wohingegen die Oberwelle eine Wechselgröße ist.
Zur Regelung der Oberwelle erfolgt, ähnlich der Transformation aus dem Zeitbereich in den feldorientierten Bereich, mittels der Eingangsstufe eine Ermittlung eines Frequenzanteils einer vorbestimmten Frequenz, welche bevorzugt der Frequenz einer Oberwelle einer vorbestimmten Ordnung entspricht. Bevorzugt wird eine Oberwelle einer vorbestimmten Ordnung der elektrischen Grundwelle oder elektrischen Grundfrequenz, welche in dem feldorientierten System in den beiden Komponenten des Statorstromzeigers enthalten ist, mittels der Eingangsstufe in ein oberwellenorientiertes System zu jeweils einem Cosinusmessanteil und einem Sinusmessanteil abgebildet. Die jeweiligen Cosinusmessanteile und Sinusmessanteile sind wiederum Gleichgrößen. Größen, die im feldorientierten System als Wechselgrößen dargestellt werden, werden im stationären Betrieb der elektrischen Maschine im oberwellenorientierten System als Gleichgrößen dargestellt. Diese können mittels der Regelungstechnik geregelt werden. Die vorbestimmte Frequenz ist bevorzugt eine n-te Ordnung der Grundfrequenz des Phasenstroms oder der elektrischen Grundwelle, welche einen signifikanten Beitrag für die mechanischen Schwingungen der elektrischen Maschine oder des Antriebssystems liefert. Bevorzugt sind dies die 6-te, 4-te, 3-te, 2-te, und/oder erste Ordnung. Bevorzugt werden mehrere insbesondere mehr als eine oder mehr als zwei harmonische Ordnungen gleichzeitig berücksichtigt.
Dabei steigt der Rechenaufwand linear mit der Anzahl der Ordnungen.
Mittels des Reglers und einer vorbestimmten Regelungsmatrix werden aus den Cosinusmessanteilen und Sinusmessanteilen die Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen ermittelt. Hierzu wird bevorzugt ein Vektor in Abhängigkeit der oder aus den Cosinusmessanteilen und Sinusmessanteilen mit einer Regelungsmatrix multipliziert. Bevorzugt bilden die Komponenten der Regelungsmatrix ein Modell der anschließbaren elektrischen Maschine oder des elektrischen Antriebssystems ab zur Ermittlung der Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen. Aus diesen Gleichstellgrößen im oberwellenorientierten System, den Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen, werden zur weiteren Verwendung in der feldorientierten Regelung der elektrischen Maschine mittels der Ausgangsstufe zwei Stellgrößen ermittelt, bevorzugt als Phasenspannungszeiger oder Phasenspannungsvektor. Im feldorientierten System umfasst die Stellgröße eine Wechselgröße, eine Oberwelle. Schließlich umfasst das Verfahren einen Schritt zum Ansteuern der elektrischen Maschine in Abhängigkeit der zwei Stellgrößen. Das Ansteuern der elektrischen Maschine umfasst bevorzugt die Bestromung der Phasen der elektrischen Maschine oder das Anlegen einer Phasenspannug an die Wicklungen der elektrischen Maschine, die sich aus einer Rücktransformation des Phasenspannungsvektors aus dem feldorientierten System in den Zeitbereich ergibt.
Vorteilhaft wird ein Verfahren für einen effektiven Oberwellenregler bereitgestellt.
Die Formulierung, dass eine Größe des Regelkreises eine Oberwelle oder eine Grundwelle umfasst, bedeutet im Rahmen dieser Anmeldung, dass eine Größe des Regelkreises zumindest eine Oberwelle oder Grundwelle charakterisiert oder beschreibt, wobei die jeweilige Größe des Regelkreises auch weitere Signalanteile, beispielsweise Grundwelle und eine oder mehrere Oberwellen sowie zusätzlich noch vorhandene Störgrößen beinhalten kann.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung charakterisieren die mindestens zwei Messgrößen einen Strom in der elektrischen Maschine. Mittels Messung mindestens eines Phasenstroms werden die mindestens zwei Messgrößen ermittelt.
Vorteilhaft wird eine messbare Größe des elektrischen Antriebssystem als Eingangsgröße für den Oberwellenregler bereitgestellt.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung werden mittels der Eingangsstufe die erfassten Messgrößen jeweils mit einer Cosinusfunktion und einer Sinusfunktion einer vorbestimmten Frequenz, welche bevorzugt der Frequenz einer Oberwelle einer vorbestimmten Ordnung entspricht, multipliziert. Die Cosinusmessanteile und Sinusmessanteile mit der vorbestimmten Frequenz werden als Ergebnisse der Multiplikationen ermittelt. Die Cosinusmessanteile und Sinusmessanteile entsprechen dabei den Cosinus- und Sinus-Anteilen der zu regelnden oder minimierenden harmonischen Oberwellen der vorbestimmten Frequenz der Messgrößen. Bei der Multiplikation ist der aktuelle Bezugswinkel für die jeweilige harmonische Oberwelle zu berücksichtigen. Er ergibt sich beispielhaft aus $φ_{d} = m N_{p φ m e c h}$
mit dem mechanischen Rotorlagewinkel φ_mech, der Polpaarzahl N_p und der harmonischen Ordnung m. Bevorzugt werden die Messgrößen vor der Multiplikation mit der Cosinusfunktion und Sinusfunktion multiplikativ mit einem skalaren Parameter P verstärkt. Der skalare Parameter P stellt einen Tuningparameter dar, mit dem die Konvergenzrate der Regelung für eine bestimmte harmonische Ordnung eingestellt wird.
Vorteilhaft wird ein effizientes Verfahren zur Extraktion der Cosinus- und Sinus-Anteile harmonischer Oberwellen bereitgestellt.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung werden mittels des Reglers Differenzen der jeweiligen Cosinusmessanteile und Sinusmessanteile und vorgebbarer Cosinussollanteile und Sinussollanteile mit der vorbestimmten Regelungsmatrix multipliziert zur Ermittlung der Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen.
Vor der Multiplikation mit der Regelungsmatrix werden zunächst vorgebbare Cosinussollanteile und Sinussollanteile von den jeweiligen Cosinusmessanteilen und Sinusmessanteilen subtrahiert. Die sich ergebenden Koeffizientenvektoren Θ_c,y und Θ_s,y werden bevorzugt zu einem komplexen Vektor Θ_y = Θ_s,y +jΘ_c,y zusammengefasst. Es ergibt sich eine vereinfachte Beschreibung der anschließenden Operation. Für eine elektrische Maschine ergibt sich beispielsweise mittels der beiden Ströme i_d und i_q als Messgrößen: $Θ_{s, y} = (\begin{matrix} Θ_{s, i_{d}} \\ Θ_{s, i_{q}} \end{matrix}), Θ_{c, y} = (\begin{matrix} Θ_{c, i_{d}} \\ Θ_{c, i_{q}} \end{matrix}) \Rightarrow Θ_{y} = (\begin{matrix} Θ_{s, i_{d}} + Θ_{c, i_{d}} \\ Θ_{s, i_{q}} + Θ_{c, i_{q}} \end{matrix})$
Aufgrund der Subtraktion der Sollwerte von den Messwerten kann mittels der Multiplikation eine Regelung oder Minimierung der harmonischen Oberwellen erfolgen. Bevorzugt werden somit gezielt Oberwellen-Sollwerte vorgegeben welche zu einer Reduktion oder aber auch einer Erhöhung der Stromoberwellen führen. So kann gezielt eine überlagerte Optimierung des Antriebssystems hinsichtlich Geräuscherzeugung oder Steuerung oder Reduktion von mechanischen Belastungen (Verlängerung Lebensdauer) erfolgen.
Bei Berücksichtigung des stationären Übertragungsverhaltens einer elektrischen Maschine oder einer Übertragungsstrecke, bevorzugt des elektrischen Antriebssystems, gilt: $Θ_{y} = G (j ω_{d}) Θ_{u} .$
Für den Oberwellenregler (HC) wird bevorzugt der Ansatz: G^HC (jω_d) = G^-1(jω_d) gewählt, was der, bevorzugt statischen und/oder Mehrgrößen-, Inversion derGleichungen der elektrischen Maschine oder Übertragungsstrecke entspricht. Die harmonische Frequenz wird bevorzugt mittels des Terms ω_d = mω_el = mN_pω_mech mit der mechanischen Kreisfrequenz ω_mech = 2πf_mech bzw. mit der elektrischen Kreisfrequenz ω_el = N_pω_mech ermittelt. Bevorzugt ergibt sich für eine elektrische Maschine $G^{H C} (j ω_{d}) = G^{- 1} (j ω_{d}) = [\begin{matrix} j m ω_{e l} L_{d} + R & - ω_{e l} L_{q} \\ ω_{e l} L_{d} & j m ω_{e l} L_{q} + R \end{matrix}]$
Diese komplexe Darstellung der inversen Übertragungsfunktion als Regelungsmatrix kann bevorzugt in reellwertiger Form folgendermaßen als vorbestimmte Regelungsmatrix dargestellt werden: $[\begin{matrix} {\dot{Θ}}_{c, u_{d}} \\ {\dot{Θ}}_{s, u_{d}} \\ {\dot{Θ}}_{c, u_{q}} \\ {\dot{Θ}}_{s, u_{q}} \end{matrix}] = [\begin{matrix} R & m ω_{e l} L_{d} & - ω_{e l} L_{q} & 0 \\ - m ω_{e l} L_{d} & R & 0 & - ω_{e l} L_{q} \\ ω_{e l} L_{d} & 0 & R & m ω_{e l} L_{q} \\ 0 & ω_{e l} L_{d} & - m ω_{e l} L_{q} & R \end{matrix}] [\begin{matrix} {\dot{Θ}}_{c, i_{d}} \\ {\dot{Θ}}_{s, i_{d}} \\ {\dot{Θ}}_{c, i_{q}} \\ {\dot{Θ}}_{s, i_{q}} \end{matrix}]$
Diese reellwertige Darstellung wird bevorzugt für die Ermittlung der Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen mittels einer Recheneinheit verwendet, wobei m die m-te Ordnung der Oberwelle, R den ohmschen Widerstand, ωel die elektrische Grundfrequenz, Ld die Induktivität in d-Richtung und Lq die Induktivität in Q Richtung beschreibt.
Hierbei wird die dargestellte vorbestimmte Regelungsmatrix mit den Differenzen, der jeweiligen Cosinusmessanteile und Sinusmessanteile und vorgebbarer Cosinussollanteile und Sinussollanteile, multipliziert. Somit werden die Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen ermittelt und als eine zeitliche Änderung der Parameter ^Θuvorgegeben.
Vorteilhaft wird ein effizientes Verfahren zur Ermittlung der Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen bereitgestellt.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung werden mittels der Ausgangsstufe die ermittelten Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen jeweils mit der Cosinusfunktion und der Sinusfunktion der vorbestimmten Frequenz multipliziert zur Ermittlung der Stellgrößen. Die Stellgrößen werden als Ergebnisse der Multiplikationen ermittelt. Bevorzugt werden vor der Multiplikation die ermittelten Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen mittels einer, bevorzugt numerischen, Integration integriert. Es ergeben sich die Stellgrößen , welche dem Spannungsraumzeiger der elektrischen Maschine zur Ansteuerung überlagert wird.
Vorteilhaft wird ein effizientes Verfahren zur Ermittlung der Stellgrößen bereitgestellt.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung werden die Verfahrensschritte in Abhängigkeit eines aktuellen Rotorwinkels der elektrischen Maschine ausgeführt. Hierzu wird der Rotorwinkel in Abhängigkeit der erfassten Messgrößen ermittelt. Für die Regelung der elektrischen Maschine wird der Rotorwinkel der elektrischen Maschine benötigt. Falls eine Messung des Rotorwinkels nicht vorgesehen ist, wird der Rotorwinkel, und bevorzugt auch die Drehzahl, aus vorliegenden ermittelten physikalischen Größen ermittelt, bevorzugt aus den Messgrößen. Bevorzugt wird hierzu ein PLL-Verfahren (Phase-locked loop), ein EKF-Verfahren (Extended Kalman Filter) oder ein anderes Schätzverfahren angewendet. Verfahren angewendet. Für die Ermittlung des Rotorwinkels werden insbesondere die Messgrößen, Phasenspannungen der elektrischen Maschine und/oder vorhandene Modellparameter der elektrischen Maschine, die auch für die Regelungsmatrix verwendet werden, beispielsweise Ld, Lq, m, R, berücksichtigt.
Bevorzugt wird für ein PLL-Verfahren die Back EMF Spannung modellbasiert anhand der Phasenströme und -spannungen berechnet. In dem d/q-Koordiatensystem ist die Back EMF Spannung in d-Richtung gleich Null. Mittels eines Pl-Reglers wird die Back EMF Spannung in d-Richtung auf Null geregelt, wobei die Stellgröße hierzu die Winkelgeschwindigkeit ω ist.
Alternativ wird bevorzugt ein Kalman Filter-Verfahren verwendet. Durch Linearisierung um den aktuellen Arbeitspunkt und anschließender Diskretisierung ergibt sich ein lineares zeitvariables Modell, welches im Extended Kalman Filter berücksichtigt wird. Das Verfahren umfasst die Schritte Prädiktion (prediction) und Korrektur (correction).
Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, welches Befehle umfasst, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des bisher beschriebenen Verfahrens auszuführen.
Ferner betrifft die Erfindung ein computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des bisher beschriebenen Verfahrens auszuführen.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Regelung einer elektrischen Maschine, mit einer Recheneinheit und einem Oberwellenregler, wobei der Oberwellenregler eine Eingangsstufe, einen Regler und eine Ausgangsstufe umfasst. Die Vorrichtung ist dazu eingerichtet, die Schritte des beschriebenen Verfahrens auszuführen.
Vorteilhaft wird eine Vorrichtung für eine effektive Oberwellenregelung einer elektrischen Maschine bereitgestellt.
Ferner betrifft die Erfindung ein elektrisches Antriebssystem mit einer elektrischen Maschine und einer beschriebenen Vorrichtung. Ein derartiges elektrisches Antriebssystem dient beispielsweise dem Antrieb eines Kompressors einer Wärmepumpe. Mittels des Verfahrens und der Vorrichtung wird ein optimierter Betrieb hinsichtlich mechanischer Belastung und/ oder Geräuschentwicklung des Antriebsystems ermöglicht.
Ferner betrifft die Erfindung eine Wärmepmpe, mit einem beschriebenen elektrischen Antriebssystem, wobei die Wärmepumpe einen Kompressor (640) und insbesondere einen Kondensator (610), eine Drossel (620) oder einen Verdampfer (630) umfasst. Vorteilhaft wird somit eine Wärmepumpe bereitgestellt, welche eine Vorrichtung umfasst, mit der eine elektrische Maschine effektiv geregelt wird.
Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend auf die Vorrichtung bzw. das elektrische Antriebssystem und die Wärmepumpe und umgekehrt zutreffen bzw. anwendbar sind.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden, dazu zeigen:

1 eine schematische Regelstruktur eines Oberwellenreglers
2 eine alternative schematische Regelstruktur eines Oberwellenreglers
3 ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine.
4 eine schematische dargestellte Vorrichtung zur Regelung einer elektrischen Maschine
5 eine schematisch dargestellte Wärmepumpe mit einem elektrischen Antriebssystem

Ausführungsformen der Erfindung
Die 1 zeigt eine schematische Regelstruktur eines Oberwellenreglers 200, wobei der Oberwellenregler 200 eine Eingangsstufe 210, einen Regler 220 und eine Ausgangsstufe 230 umfasst. Ermittelte Messgrößen id, iq werden der Eingangsstufe 210 zugeführt. Diese Messgrößen charakterisieren bevorzugt einen elektrischen Strom in die elektrische Maschine. Die Cosinusmessanteile und Sinusmessanteile idcos_m, idsin_m, iqcos_m, iqsin_m einer vorbestimmten Frequenz werden in Abhängigkeit der erfassten Messgrößen id, iq mittels der Eingangsstufe 210 ermittelt. Bevorzugt werden die Messgrößen hierzu mittels der Multiplizierer 211, 212 mit einer Cosinusfunktion und einer Sinusfunktion cos, sin einer vorbestimmten Frequenz multipliziert. Die Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen idcos_s, idsin_s, iqcos_s, iqsin_s werden in Abhängigkeit der Cosinusmessanteile und Sinusmessanteile idcos_m, idsin_m, iqcos_m, iqsin_m mittels des Reglers 220 und einer vorbestimmten Regelungsmatrix 224 des Reglers 220 ermittelt. Mindestens zwei Stellgrößen ud, uq werden in Abhängigkeit der ermittelten Cosinustellgrößen und Sinusstellgrößen idcos_s, idsin_s, iqcos_s, iqsin_s mittels der Ausgangsstufe 230 ermittelt. Bevorzugt werden die Cosinustellgrößen und Sinusstellgrößen idcos_s, idsin_s, iqcos_s, iqsin_s hierzu mittels der Multiplizierer 231, 232 mit einer Cosinusfunktion und einer Sinusfunktion cos, sin einer vorbestimmten Frequenz multipliziert. In Abhängigkeit der ermittelten Stellgrößen ud, uq wird, bevorzugt mittels einem Inverter 203, eine elektrische Maschine 204 angesteuert.
Die 2 zeigt eine alternative schematische Regelstruktur eines Oberwellenreglers 200. Ergänzend zu 1 umfasst der Regler 220 zwei Differenzierer 221 und 222 zru Bildung der Differenzen der jeweiligen Cosinusmessanteile und Sinusmessanteile idcos_m, idsin_m, iqcos_m, iqsin_m und vorgebbarer Cosinussollanteile und Sinussollanteile idcos_so, idsin_so, iqcos_so, iqsin_so. Gemäß 2 werden diese Differenzen mit der vorbestimmten Regelungsmatrix multipliziert zur Ermittlung der Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen idcos_s, idsin_s, iqcos_s, iqsin_s. Mittels der Ausgangsstufe 230 werden die ermittelten Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen idcos_s, idsin_s, iqcos_s, iqsin_s zunächst den Integrierern 233 und 234 zugeführt und anschließend jeweils mit der Cosinusfunktion und der Sinusfunktion (cos, sin) der vorbestimmten Frequenz multipliziert zur Ermittlung der zwei Stellgrößen ud, uq.
Die 3 zeigt ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren 400 zur Regelung einer elektrischen Maschine 204. Mit Schritt 110 werden mindestens zwei Messgrößen id, iq ermittelt. Mit Schritt 120 werden die Cosinusmessanteilen und Sinusmessanteilen idcos_m, idsin_m, iqcos_m, iqsin_m einer vorbestimmten Frequenz ermitelt. Mit Schritt 130 werden die Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen idcos_s, idsin_s, iqcos_s, iqsin_s ermittelt. Mit Schritt 140 werden die mindestens zwei Stellgrößen ud, uq ermittelt, mit denen in Schritt 150 die elektrische Maschine 204 angesteuert wird.
Die 4 zeigt eine schematische dargestellte Vorrichtung 300 zur Regelung einer elektrischen Maschine 204. Die elektrische Maschine 204 wird mittels eines Inverter 203 angesteuert. Die Vorrichtung 300 umfasst einen Oberwellenregler 200 und eine Recheneinheit 310 zur Steuerung und Umsetzung der Struktur des Oberwellenreglers 200. Die Vorrichtung ist dazu eingerichtet die oben beschriebenen Verfahrensschritte auszuführen und somit die elektrischen Maschine 204 zu betreiben und zu regeln.
Die 5 zeigt eine schematisch dargestellte Wärmepumpe 600, welche ein elektrisches Antriebssystem 500 umfasst. Das Antriebssystem 500 umfasst die elektrische Maschine 204, welche mittels eines Inverters 203 angesteuert wird, und eine Vorrichtung 300 zur Regelung der elektrischen Maschine 204, wie in 4 beschrieben. Die elektrische Maschine treibt einen Kompressor 640 der Wärmepumpe an. Bevorzugt umfasst die Wärmepumpe einen Kondensator 610, eine Drossel 620 und/ oder einen Verdampfer 630.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009000930 A1 [0002]

Claims

Verfahren (100) zur Regelung einer elektrischen Maschine (204), mit einem Oberwellenregler (200), welcher eine Eingangsstufe (210), einen Regler (220) und eine Ausgangsstufe (230) umfasst, mit den Schritten: Ermitteln (110) mindestens zweier Messgrößen (id, iq); Ermitteln (120) von Cosinusmessanteilen und Sinusmessanteilen (idcos_m, idsin_m, iqcos_m, iqsin_m) einer vorbestimmten Frequenz in Abhängigkeit der erfassten Messgrößen (id, iq) mittels der Eingangsstufe (210); Ermitteln (130) der Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen (idcos_s, idsin_s, iqcos_s, iqsin_s) in Abhängigkeit der Cosinusmessanteile und Sinusmessanteile (idcos_m, idsin_m, iqcos_m, iqsin_m) mittels des Reglers (220) und einer vorbestimmten Regelungsmatrix (224) des Reglers (220); Ermitteln (140) mindestens zweier Stellgrößen (ud, uq) in Abhängigkeit der ermittelten Cosinustellgrößen und Sinusstellgrößen (idcos_s, idsin_s, iqcos_s, iqsin_s) mittels der Ausgangsstufe (230); Ansteuern (150) der elektrischen Maschine (204) in Abhängigkeit der ermittelten Stellgrößen (ud, uq).
Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei die mindestens zwei Messgrößen (id, iq) einen elektrischen Strom in der elektrische Maschine (204) charakterisieren.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der Eingangsstufe (210) die erfassten Messgrößen (id, iq) jeweils mit einer Cosinusfunktion und einer Sinusfunktion (cos, sin) einer vorbestimmten Frequenz multipliziert werden zur Ermittlung der Cosinusmessanteile und Sinusmessanteile (idcos_m, idsin_m, iqcos_m, iqsin_m) mit der vorbestimmten Frequenz.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels des Reglers (220) Differenzen der jeweiligen Cosinusmessanteile und Sinusmessanteile (idcos_m, idsin_m, iqcos_m, iqsin_m) und vorgebbarer Cosinussollanteile und Sinussollanteile (idcos_so, idsin_so, iqcos_so, iqsin_so) mit der vorbestimmten Regelungsmatrix multipliziert werden zur Ermittlung der Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen (idcos_s, idsin_s, iqcos_s, iqsin_s).
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der Ausgangsstufe die ermittelten Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen (idcos_s, idsin_s, iqcos_s, iqsin_s) jeweils mit der Cosinusfunktion und der Sinusfunktion (cos, sin) der vorbestimmten Frequenz multipliziert werden zur Ermittlung der Stellgrößen (ud, uq).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verfahrensschritte in Abhängigkeit eines aktuellen Rotorwinkels der elektrischen Maschine ausgeführt werden und der Rotorwinkel in Abhängigkeit der erfassten Messgrößen (id, iq) ermittelt wird.
Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren/die Schritte des Verfahrens (100) nach Anspruch 1 bis 6 auszuführen.
Computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren/die Schritte des Verfahrens (100) nach Anspruch 1 bis 6 auszuführen.
Vorrichtung (300) zur Regelung einer elektrischen Maschine (204), mit einer Recheneinheit (310) und einem Oberwellenregler (200), wobei der Oberwellenregler eine Eingangsstufe (210), einen Regler (220) und eine Ausgangsstufe (230) umfasst, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-6 auszuführen.
Elektrisches Antriebssystem (500) mit einer elektrischen Maschine (204) und einer Vorrichtung (300) nach Anspruch 9.
Wärmepumpe (600) mit einem elektrischen Antriebssystem (500) nach Anspruch 10, wobei die Wärmepumpe einen Kompressor (640) und insbesondere einen Kondensator (610), eine Drossel (620) und/oder einen Verdampfer (630) umfasst.