DE102020205059A1

DE102020205059A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102020205059A1
Application number: DE102020205059.7A
Authority: DE
Inventors: Felix Berkel; Maximilian Manderla; Jannis Hoppe
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-04-22
Filing date: 2020-04-22
Publication date: 2021-10-28
Also published as: CN115380467A; WO2021213814A1

Abstract

Verfahren (100) zur Regelung einer elektrischen Maschine (310),mit den Schritten: Ermitteln (110) eines Soll-Schaltwinkels (u*); Ermitteln (120) eines Soll-Zustands (y*); Ermitteln (130) eines Ist-Zustands (y);Ermitteln (140) einer Differenz (d) aus dem Soll-Zustand (y*) und dem Ist-Zustand (y); Ermitteln (150) einer Schaltwinkelanpassung (delta_u) mittels eines Reglers (320) in Abhängigkeit der Differenz (d);Ansteuern (160) der elektrischen Maschine (310) mittels der Summe (u) aus Soll-Schaltwinkel (u*) und Schaltwinkelanpassung (delta_u).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung einer elektrischen Maschine. Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang mit einer entsprechenden Vorrichtung und ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang sowie ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium.
Stand der Technik
Auf dem Gebiet der Kraftfahrzeug-Antriebstechnik ist es beispielsweise aus der DE 10 2010 061897 A1 bekannt, eine elektrische Maschine als Antrieb für ein Fahrzeug zu verwenden. In derartigen Elektrofahrzeugen wird eine elektrische Maschine als Antriebsmotor verwendet. Zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine in einem Kraftfahrzeug dient eine Leistungselektronik, die einen Wechselrichter beinhaltet, der die Gleichspannung/Gleichstrom einer an Bord des Kraftfahrzeuges befindlichen (Hochvolt)-Batterie in einen Wechselstrom umwandelt. Der Wechselrichter weist dabei in der Regel eine Mehrzahl von ansteuerbaren Leistungsschaltern auf. Die Leistungsschalter werden mittels eines Steuergerätes pulsweiten-moduliert angesteuert, damit die elektrische Maschine im Motorbetrieb ein bestimmtes Drehmoment bei einer bestimmten Drehzahl einer Abtriebswelle der elektrischen Maschine erzeugt. Zur Ansteuerung derartiger Wechselrichter für elektrische Maschinen ist es bekannt, eine feldorientierte Regelung (auch Vektorregelung genannt) zu verwenden. Hierbei wird ein Raumzeiger (beispielsweise ein Stromzeiger) bewegt, der mit der Abtriebswelle der elektrischen Maschine rotiert. Mit anderen Worten werden die zur Ansteuerung der elektrischen Maschine benötigten Phasenströme in ein rotorfestes, mit dem Magnetfeld der Maschine mitdrehendes Koordinatensystem (sogenanntes dq-System) umgerechnet. Bei der feldorientierten Regelung werden statt der Phasenströme (Wechselgrößen) dann die auf diese Weise transformierten Stromkomponenten Id und Iq als Gleichgrößen geregelt und die Sollwerte für die an der Maschine einzustellende Spannung errechnet. Da Inverter nur diskrete, gepulste Spannungsverläufe darstellen können, muss die kontinuierliche Spannung in ein Schaltmuster für die Leistungselektronik umgesetzt werden. Diese Aufgabe übernimmt ein der Regelung nachgelagerter Modulator. Der Modulator sorgt dafür, dass über einen Schaltzyklus der Elektronik im Mittel die richtige Spannung angelegt wird. Dieser Schaltzyklus ist dabei wesentlich kürzer als die elektrische Periode der einzustellenden Spannung. Durch diese Tatsache können in Reglersystemen dynamische Antworten auf Änderungen der Führungsgrößen (wie z.B. Strom- oder Momentensollwerte) erreicht werden. Die Schaltpulse bzw. Schaltzeiten werden dabei beispielsweise mittels eines Vergleichs mit einer Dreiecksfunktion (Sine-Triangle PWM) oder durch einfache trigonometrische Berechnungen (Space Vector PWM) errechnet. Dies begrenzt die Möglichkeit, verlustoptimiert zu schalten.
Ein weiteres Verfahren, mit dem hochdynamische Regelungen realisiert werden können, sind Hysterese basierte, direktschaltende Regler. Dabei wird kontinuierlich (bzw. hochfrequent abgetastet) verglichen, ob eine Führungsgröße, wie z.B. der Strom, innerhalb eines Toleranzbandes liegt. Sobald es zu einer Verletzung des Bandes kommt, wird je nach Art der Verletzung direkt die Leistungselektronik geschaltet. Dieses Verfahren führt zwar zu einem sehr dynamischen Folgen der Führungsgröße wie Strom oder Drehmoment, allerdings auch zu kaum kontrollierbaren Frequenzspektren der Führungsgrößen (inklusive Subharmonischer), unbestimmten Schaltfrequenzen und tendenziell hohen Verlusten. Daher ist ein praktischer Einsatz unüblich. Die feldorientierte Regelung ermöglicht somit hochdynamische Antworten auf Änderungen der Führungsgrößen wie zum Beispiel der Drehzahl oder dem Drehmoment sowie möglichst geringe Verluste.
Dabei können allerdings Verluste durch harmonische Oberwellen, oder durch Schalten der Elektronik gar nicht oder nur bedingt kontrolliert werden. Konträr dazu kann durch die Anwendung von optimierten Pulsmustern für die Leistungselektronik stationär eine genaue Einstellung der Verluste erreicht werden. Dabei wird die Maschine mit offline voroptimierten Pulsmustern betrieben. Ein Pulsmuster ist eine Abfolge von Ein-/Aus-Schaltzuständen der Leistungshalbleiter über eine elektrische Periode, welche über Ein- und Ausschaltzeitpunkte oder Schaltwinkel für die Leistungshalbleiter über einer elektrischen Periode definiert werden oder sich daraus ergeben. Über eine elektrische Periode wird das Schaltmuster bezüglich einer beliebigen Kostenfunktion optimiert. Wird diese Kostenfunktion so gewählt, dass sie die gewichteten Verluste charakterisiert, kann Verlustoptimalität durch das Pulsmuster erreicht werden. Im Gegensatz zu den mit einer PWM generierten Mustern wird die Spannung hier lediglich über eine elektrische Periode und nicht über einen kurzen Abtastschritt korrekt eingestellt. Aus diesem Grund kommt es im transienten Fall, bei abrupter Änderung des Musters (bzw. dem schnellen Durchlaufen einer Abfolge von Mustern) zu unerwünschten Spannungsmustern an der Maschine. Diese sorgen für stark verzerrte Volt-Sekunden Gleichgewichte über den Spulen und somit im Allgemeinen zu starkem Überschwingen. Dieses kann nicht nur die Leistungselektronik nachhaltig beschädigen, sondern führt ebenfalls zu langen Einstellzeiten. Daher ist dieses Verfahren nicht sinnvoll anwendbar. Regelsysteme auf Basis solcher Muster zeigen somit erhebliche Nachteile bezüglich der Dynamik oder starkes Überschwingen der Führungsgrößen. Beispielhaft für ein direktschaltendes und hochdynamisches, als auch auf optimalen stationären Pulsmustern basierendes Verfahren, zeigt die Veröffentlichung: „GEYER, Tobias, et al. Model predictive pulse pattern control. IEEE Transactions on Industry Applications, 2011, 48. Jg., Nr. 2, S. 663-676“ eine online Anpassung offline generierter Schaltmuster, um die Dynamikanforderungen zu erfüllen. Es wird online ein Optimierungsproblem gelöst, welches die Schaltwinkel (der Leistungshalbleiter bezüglich der elektrischen Grundwelle) anpasst. Dabei werden Abweichungen von den offline errechneten Größen in der Optimierungsfunktion berücksichtigt. Aus den Schaltmustern werden Trajektorien für den Statorfluss einer ASM errechnet, die möglichst ohne Abweichung geregelt nachgefahren werden sollen. Für die online Optimierung wird dabei ein stark vereinfachtes Modell bestehend aus der Statorflussgleichung der ASM unter Vernachlässigung von Widerständen genutzt. Die Optimierungsfunktion bestraft dabei Abweichungen von den offline errechneten Größen, um so Optimalität im stationären Zustand zu erreichen. Das Ergebnis der Optimierung sind Schaltzeitpunkte, die direkt vom Regler auf die Leistungselektronik gegeben werden.
Es besteht der Bedarf für ein Verfahren, welches die Vorteile beider Verfahren, also der feldorientierten Regelung und der offline voroptimierten Pulsmuster oder Schaltmuster vereint.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine bereitgestellt mit den Schritten:

Ermitteln eines Soll-Schaltwinkels;
Ermitteln eines Soll-Zustands;
Ermitteln eines Ist-Zustands;
Ermitteln einer Differenz aus dem Soll-Zustand und dem Ist-Zustand;
Ermitteln einer Schaltwinkelanpassung mittels eines Reglers in Abhängigkeit der Differenz;
Ansteuern der elektrischen Maschine mittels der Summe aus Soll-Schaltwinkel und Schaltwinkelanpassung.

Es wird ein Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine bereitgestellt. Zur Ermittlung mindestens eines Soll-Schaltwinkels wird bevorzugt mittels eines möglichst exakten Modells der Maschine und auf Basis einer Kostenfunktion, die beispielsweise die verschiedenen, gewichteten Verlustterme der Maschine beschreibt, ein optimales Pulsmuster (OPP) offline errechnet. Das Ergebnis dieser Optimierung sind Soll-Schaltzeitpunkte bzw. Soll-Schaltwinkel über eine elektrische Periode. Hiermit ist ein Soll-Schaltwinkelverlauf eindeutig charakterisiert. Bevorzugt wird dieser in Abhängigkeit der aktuellen Rotorlage oder Rotorwinkelsausgelesen. Die Begriffe Soll-Schaltzeitpunkt (0..1) bzw. Soll-Schaltwinkel (0..360°) werden im Weiteren inhaltlich als gleichbedeutend erachtet, da sie beide auf eine elektrische Periode bezogen sind und somit eindeutig in einander überführbar sind. Bevorzugt ergibt sich der Soll-Schaltwinkel aus dem Produkt der Winkelgeschwindigkeit und dem Soll-Schaltzeitpunkt. Zur Ermittlung mindestens eines Soll-Zustands wird ein ermittelter Soll-Schaltwinkel bevorzugt auf ein Modell G einer Strecke gegeben, welches wiederum das Verhalten einer realen Strecke, bevorzugt eines Antriebs oder eines Antriebstrangs, möglichst exakt repräsentiert, um einen Soll-Zustand (d.h. einen elektrischen Strom- oder magnetischen Fluss) zu erhalten. Bevorzugt wird ein Soll-Zustand in einem geeigneten Bezugsystem (dq, aβ, abc) generiert. Somit ist das Verfahren nicht auf die Verwendung einer bestimmten Führungsgröße begrenzt. Die Berechnung eines Soll-Zustands erfolgt bevorzugt offline, sodass dies nicht zu Lasten der benötigten Rechenleistung eines Steuergerätes erfolgt. Bevorzugt wird der Soll-Zustand aus den Ergebnissen der in Form von Look-up Tabellen gespeicherten offline Berechnungen ausgelesen. Zur Ermittlung mindestens eines Ist-Zustands wird bevorzugt eine Zustandsgröße der realen Strecke ermittelt. Mittels Differenzbildung wird eine Differenz aus dem Soll-Zustand und dem Ist-Zustand ermittelt. Zur Ermittlung einer Schaltwinkelanpassung mittels eines Reglers in Abhängigkeit der Differenz wird bevorzugt die Differenz aus dem Soll-Zustand und dem Ist-Zustand einem Regler, bevorzugt einem modellprädiktiven Regler, zugeführt. In Abhängigkeit der ermittelten Schaltwinkelanpassung, bevorzugt mittels der Summe aus Soll-Schaltwinkel und Schaltwinkelanpassung wird die elektrische Maschine, bevorzugt mittels eines Inverters, angesteuert.
Eine wiederholte, bevorzugt zeitlich versetzte, Ermittlung eines Soll-Schaltwinkels führt zu der Ermittlung eines Soll-Schaltwinkelverlaufs. Dies bedeutet, dass zur Ermittlung von Soll-Schaltwinkelverläufen oder Soll-Schaltwinkeltrajektorien das Verfahren bevorzugt wiederholt ausgeführt wird. Entsprechendes gilt für die Ermittlung des Soll- bzw. Ist-Zustands. Eine bevorzugt wiederholte, bevorzugt zeitlich versetzte, Ermittlung von Soll- bzw. Ist-Zuständen führt zu der Ermittlung von Soll- bzw. Ist-Zustandsverläufen oder Soll- bzw. Ist-Zustandstrajektorien. Entsprechendes gilt für die Ermittlung der Schaltwinkelanpassung. Eine bevorzugt wiederholte, bevorzugt zeitlich versetzte, Ermittlung der Schaltwinkelanpassung führt zu der Ermittlung eines Schaltwinkelanpassungsverlaufs oder einer Schaltwinkelanpassungstrajektorie.
Somit wird ein Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine für einenhochdynamischen und im stationären Fall verlustoptimalen Betrieb von elektrischen Antriebssystemen bereitgestellt. Mittels der Berücksichtigung der Differenz aus dem Soll-Zustand und dem Ist-Zustand, also der Delta Formulierung des Systems, wird eine stationäre Optimalität bezüglich beliebiger vorher berechneter Kriterien, wie z.B. Verluste, Zwischenkreiswelligkeit, eingestellt. Der Regler betrachtet somit bevorzugt nicht absolute Größen (wie Flüsse, Ströme, etc.), sondern nur die Abweichungen der Referenzwerte oder von Referenzverläufen (also Delta-Größen). Der Regler regelt lediglich die Delta-Größe zu null und minimiert damit die Abweichungen zu offline optimierten Werten. Dies reduziert den Aufwand bei der Online Berechnung des Reglers signifikant und verbessert gleichzeitig die Performance. Daher ist die Regelung hochdynamisch und stationär optimal, bevorzugt unter nominalen Bedingungen . Das Verfahren gibt direkt die Schaltzeitpunkte für die Leistungselektronik vor, d.h. der zwischengelagerte Modulator entfällt. Das Verfahren kann mittels unterschiedlicher Führungsgrößen (Strom oder Fluss) betrieben werden. Das dynamische Modell, auf dessen Basis der Regler arbeitet und entworfen wird, ist ein Modell in Delta- bzw. Fehlerkoordinaten, welches lediglich die Differenz aus Soll- und Ist-Zustand oder Soll-Zustandstrajektorien und der Ist-Zustandstrajektorien (Abweichung von den Trajektorien) beschreibt, um den Fehler zeitdiskret oder winkeldiskret voraus zu simulieren und zu regeln. Die Anwendung dieses Verfahrens des Delta Reglers ist verbessert, indem strukturelle und auch modellierungstechnische Anpassungen vorgenommen werden. Mit einer allgemeingültigen Delta Formulierung kann der Ansatz ebenfalls mit Strömen statt Flüssen als Führungsgröße angewendet werden. Des Weiteren können beliebige Modelle verwendet werden. Dies ist vorteilhaft, wenn die idealisierten Annahmen verworfen werden müssen, beispielsweise bei einer verkoppelten 6-phasigen PSM, jedoch auch für andere Maschinen eines breiten Spektrums. Durch eine allgemeingültige Formulierung in Fehlerkoordinaten wird, bevorzugt bei Einsatz eines prädiktiven Reglers, die Abweichung der Regelgröße von der Führungsgröße in jedem einzelnen Prädiktionsschritt des modellprädiktiven Reglers einbezogen und in der Optimierung bestraft. Dadurch verbessert sich die Möglichkeit, den Regler gezielt einzustellen und die Abhängigkeit der Reglerdynamik vom Prädiktionshorizont verringert sich. Zudem werden zeitvariante Systeme durch eine schrittweise Linearisierung deutlich besser geregelt, da eine schrittweise Linearisierung über den Horizont erfolgt.
Vorteilhaft wird ein Verfahren, welches die Vorteile beider Verfahren vereint, bereitgestellt, indem die offline optimierten Pulsmuster bzw. Schaltzeitpunkte dynamisch durch eine modellprädiktive Regelung online angepasst werden. Dies wird durch eine Formulierung in Delta/Fehler Koordinaten durch simple Modelle und kurze Horizonte erreicht. Das Regelkonzept regelt stationär verlustoptimal und dennoch hochdynamisch.
Bezüglich des gesamten elektrischen Antriebssystems ergeben sich vorteilhaft eine Verlustoptimalität im Sinne einer Kostenfunktion. Eigenheiten des Anwendungsfalls, beispielsweise Getriebegeräusche, werden in einer offline Optimierung berücksichtigt ohne einen Dynamikverlust der Regelung. Die Closed-Ioop-Performance bleibt von Vereinfachungen bei der Modellierung unberührt, sodass seitens der Regelung selbst hohe Toleranzen bei der Fertigung die Closed-Ioop-Performance bevorzugt nicht beeinträchtigen.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung charakterisiert der Ist-Zustand einen Ist-Phasenstrom durch die elektrische Maschine und der Soll-Zustand einen Soll-Phasenstrom durch die elektrische Maschine.
Mittels dem Ist-Zustand wird bevorzugt ein Ist-Phasenstrom durch die elektrische Maschine, welcher bevorzugt mittels geeigneter Messeinrichtungen ermittelt wird, charakterisiert und mittels dem Soll-Zustand wird bevorzugt ein Soll-Phasenstrom charakterisiert, welcher bevorzugt in Abhängigkeit einer Drehmomentvorgabe ermittelt wird. Vorteilhaft werden den Zuständen oder Trajektorien Größen zugeordnet, die eine spezielle Variante der Regelung einer elektrischen Maschine ermöglichen.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine Soll-Zustand in Abhängigkeit der Parameter Drehmoment, Drehzahl und Rotorwinkel in einem Kennfeld abgelegt. Für die Regelung wird der mindestens eine Soll-Zustand in Abhängigkeit der Parameter Drehmoment, Drehzahl und Rotorwinkel für die Regelung aus dem Kennfeld ermittelt.
Ein Soll-Zustand ist in Abhängigkeit mehrerer Parameter in einem Kennfeld abgelegt und wird für das Verfahren in Abhängigkeit mehrerer Parameter aus dem Kennfeld ermittelt. Vorteilhaft wird eine Verfahren bereitgestellt, welches eine Berücksichtigung mehrerer Ziele oder Dimensionen ermöglicht.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird der mindestens eine Soll-Zustand mittels einem Maschinenmodells ermittelt, wobei das Maschinenmodell eine Induktivitätsmatrix, eine Widerstandsmatrix, einen Magnetfluss und/ oder eine Winkelgeschwindigkeit der elektrischen Maschine berücksichtigt.
Vorteilhaft wird ein Verfahren bereitgestellt, welches ein Maschinenmodell berücksichtigt.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird mittels des Reglers ein Optimierungsproblem gelöst. Bevorzugt ist der Regler ein modellprädiktiver Regler.
Mittels des Reglers wird ein Optimierungsproblem gelöst, bevorzugt ein konvexes, quadratisches Optimierungsproblem (QP). Vorteilhaft wird ein Verfahren mit einem Regler bereitgestellt für eine effiziente Mehrgrößenregelung einer elektrischen Maschine.
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 Regeleinrichtung. Die Regeleinrichtung ist dazu eingerichtet, einen Soll-Schaltwinkel zu ermitteln, einen Soll-Zustand zu ermitteln, einen Ist-Zustand zu ermitteln, eine Differenz aus dem Soll-Zustand und dem Ist-Zustand zu ermitteln, eine Schaltwinkelanpassung mittels eines Reglers in Abhängigkeit der Differenz zu ermitteln und die elektrische Maschine mittels der Summe aus Soll-Schaltwinkel und Schaltwinkelanpassung anzusteuern.
Es wird eine Vorrichtung bereitgestellt mit einer Regeleinrichtung, wobei die Regeleinrichtung einen Regler und bevorzugt ein Modell umfasst. Die Regeleinrichtung ist dazu eingerichtet einen Soll-Schaltwinkel zu ermitteln, bevorzugt mittels einem möglichst exakten Modells einer zu regelnden Strecke und auf Basis einer Kostenfunktion. Weiter ist die Regeleinrichtung dazu eingerichtet, einen Sollzustand zu ermitteln in Abhängigkeit des ermittelten Soll-Schaltwinkels. Weiter ist die Regeleinrichtung dazu eingerichtet, einen Ist-Zustand zu ermitteln. Die Regeleinrichtung ist dazu eingerichtet, mittels Differenzbildung eine Differenz aus dem Soll-Zustand und dem Ist-Zustand zu ermitteln. Die Regeleinrichtung ist dazu eingerichtet, eine Schaltwinkelanpassung mittels eines Reglers in Abhängigkeit der Differenz zu ermitteln. Weiter ist die Regeleinrichtung dazu eingerichtet, in Abhängigkeit der ermittelten Schaltwinkelanpassung die elektrische Maschine, bevorzugt mittels eines Inverters, anzusteuern.
Vorteilhaft wird eine Vorrichtung für eine effektive Regelung einer elektrischen Maschine bereitgestellt.
Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebstrang mit einer elektrischen Maschine und einer beschriebenen Vorrichtung. Ein derartiger elektrischer Antriebsstrang dient beispielsweise dem Antrieb eines elektrischen Fahrzeugs. Mittels des Verfahrens und der Vorrichtung wird ein optimierter Betrieb des Antriebstrangs ermöglicht.
Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, mit einem beschriebenen Antriebsstrang. Vorteilhaft wird somit ein Fahrzeug bereitgestellt, welches 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. den Antriebsstrang und das Fahrzeug 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

1 eine schematische Darstellung einer Reglerstruktur für ein Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine,
2 ein schematisch dargestelltes Fahrzeug mit einem Antriebsstrang,
3 ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine.

Ausführungsformen der Erfindung
Die 1 zeigt eine Reglerstruktur 300, einen Delta Regler, mit einer Regeleinrichtung 340 für ein Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine 310. Die Regeleinrichtung 340 umfasst einen Regler 320 und bevorzugt ein Modell 330, einen Differenzpunkt 322 und/ oder einen Summationspunkt 324. Ein Soll-schaltwinkel u* wird ermittelt und einem Regler 320 und einem Modell 330, bevorzugt einem physikalischen Modell der zu regelnden Strecke oder einem Maschinenmodell, zugeführt. Mittels des Modells wird ein Soll-Zustand y* in Abhängigkeit des ermittelten Soll-Schaltwinkels u* ermittelt. Weiter wird ein Ist-Zustand y ermittelt, welcher bevorzugt an der realen zu regelnden Strecke mittels geeigneter Messeinrichtungen ermittelt wird. Mittels einer Differenzbildung im Differenzpunkt 322 wird eine Differenz d aus dem Soll-Zustand y*und dem Ist-Zustand y ermittelt und dem Regler 320 zugeführt. Der Regler 320 ermittelt eine Schaltwinkelanpassung delta_u in Abhängigkeit der Differenz d, wobei bevorzugt auch der Soll-Schaltwinkels u* vom Regler 320 berücksichtigt wird. Die Ermittlung der Schaltwinkelanpassung delta_u erfolgt bevorzugt modellprädiktiv. Der Soll-Schaltwinkelverlauf u* wird bevorzugt dabei berücksichtigt, um eine Schaltwinkelanpassung delta_u zu vermeiden, welche zu nicht erlaubten Schaltmustern führen (beispielsweise durch Berücksichtigung von erforderlichen Totzeiten oder minimalen Ein- und Ausschaltzeiten der Leistungshalbleiter). Bevorzugt werden derartige Bedingungen vom Regler 320 als Nebenbedingungen berücksichtigt.
Mittels des Reglers 320 wird bevorzugt ein direktschaltendes Regelkonzept entwickelt, welches auf Basis der Abweichung der Differenz d zwischen einem optimierten Soll-Zustand y* und dem Ist-Zustand y, bevorzugt Messungen der Größen an einer realen Maschine, bevorzugt einer Permanentmagnet Synchron Maschine PSM, eine Schaltwinkelanpassung delta_u oder Anpassung der Schaltzeitpunkte errechnet und so die vorhandene Abweichung ausregelt. Dies geschieht durch Lösung eines Optimierungsproblems nach dem „receding horizon“ Prinzip, es handelt sich also um einen modellprädiktiven (MPC) Ansatz. Das im Regler 320 bevorzugt verwendete Modell oder der Ansatz dient dabei nicht dem Zweck einer Vorwärtssimulation des gesamten Systems über den Prädiktionshorizont, sondern lediglich einer Vorwärtssimulation der Differenz d. Diese Formulierung mittels der Differenz d aus dem Soll-Zustand y*und dem Ist-Zustand y, also in „Delta/Fehler Koordinaten“ bewirkt erhebliche Vorteile bei der Regelung, da das Modell wesentlich einfacher ist im Vergleich zu einem vollständigen Modell der elektrischen Maschine.
Bei der bevorzugten Anwendung des Ansatzes auf eine sechsphasige PSM in 2x3 Sternverschaltung ergibt sich für die Modellierung und Erstellung des Reglers für den Strom als Führungsgröße: y = x = iabc. Es wird eine Regelung auf Basis der momentanen Abweichung: Δi ^· abc (t) =i ^· abc (t) - i ^· abc,ref (t) der Ströme an einer realen Maschine und einer Referenztrajektorie genutzt. Wie auch in der allgemeinen Darstellung wird mit der Schaltwinkelanpassung delta_u die Korrektur der Schaltzeitpunkte (die sich eindeutig auf Schaltwinkel und umgekehrt abbilden lassen) beschrieben. Bevorzugt ergibt sich für die Dynamik des Phasenstroms als zeitkontinuierliches Zustandsmodell: $i_{a b c} (t) = - L_{a b c}^{- 1} S R i_{a b c} (t) + L_{a b c}^{- 1} S u_{u v w} (t) - L_{a b c}^{- 1} S ω_{e l} (\frac{d Ψ_{p m, a b c}}{d ϕ_{el}} + \frac{d L_{a b c}}{d ϕ_{el}} i_{a b c} (t))$
In dieser Gleichung beschreibt Labc die vollbesetzte 6x6 Induktivitätsmatrix der Maschine, R die (Stator-) Widerstandsmatrix, Ψpm,abc den Permanentmagnetfluss der Maschine und ωel die elektrische Winkelgeschwindigkeit mit dem zugehörigen Winkel Φel. Die Matrix S beinhaltet eine Kombination von Matrizen, deren Verwendung es erlaubt, im Modell die Klemmenspannung uuvw statt der Phasenspannung uabc zu nutzen. Die beiden Spannungen unterscheiden sich lediglich durch ihr Bezugspotential und es gilt uuvw = uabc + u*, wobei u* das Sternpunktpotential der elektrischen Maschine beschreibt. Die entsprechende Umformulierung wird nachfolgend in diskreten Koordinaten realisiert. Zudem sind bis auf den Widerstand alle vorkommenden Matrizen zeitvariant. Mithilfe des oben beschriebenen Modells werden optimierte Pulsmuster bzw. Spannungsverläufe berechnet, aus denen durch Vorwärtssimulation und Abtastung (unter Stationaritätsannahme) Stromtrajektorien berechnet werden. Die errechneten Pulsmuster sowie abgetasteten Trajektorien werden als Kennfelder über Drehzahl und Drehmoment abgelegt und können in Abhängigkeit des Betriebszustands der Maschine geladen und genutzt werden. Eine online Generierung der Referenzen oder des Soll-Zustands y* ist somit nicht notwendig, was den Rechenaufwand minimiert. Der resultierende berechnete Spannungs- und Stromverlauf über eine elektrische Periode ergibt ein gepulstes Spannungsmuster, welches einer sinusartigen Grundwelle folgt und einen ausgeprägten Oberwellenanteil aufweist. Dieser korrespondiert mit einem verlustoptimalem Betrieb der Maschine. Daher sollte dieser Stromverlauf im geregelten Betrieb nachgefahren werden. Dies geschieht durch optimales Verschieben der Spannungsflanken mittels dem Regler 320. Durch den Übergang zu einer Beschreibung in Delta/Fehler Koordinaten: $Δ i_{a b c} (t) = i_{a b c} (t) - i_{a b c, r e f} (t) und Δ u_{u v w} (t) = u_{u v w} (t) - u_{u v w, r e f} (t)$
ergibt sich das System: $Δ i_{a b c} (t) = - L_{a b c}^{- 1} S (R + ω_{e l} \frac{d L_{a b c}}{d ϕ_{el}}) Δ i_{a b c} (t) + L_{a b c}^{- 1} S Δ u_{u ν w} (t) = A_{t} Δ i_{a b c} (t) + {\tilde{B}}_{t} Δ u_{u ν w} (t)$
Dabei beschreibt Δi'abc (t) die momentane Abweichung von Strömen an der realen Maschine und den Soll-Zuständen der Soll-Zustandstrajektorie oder Referenztrajektorie und Δuuvw(t) die angelegte Spannungsdifferenz im Vergleich zum optimierten Pulsmuster. Es ist ersichtlich, dass alle von iabc (t) und uuvw(t) unabhängigen Terme wegfallen und sich somit die Parameterabhängigkeit der Reglung reduziert. Durch zeitliche Diskretisierung ergibt sich das folgende Modell: $Δ i_{a b c} (k + 1) = (I + A_{t} (t_{k})) Δ i_{a b c} (k) + {\tilde{B}}_{t} (t_{k}) \int_{t_{k}}^{t_{k - 1}} Δ u_{u ν w} (t) d t$
Das Integral über die Eingangsspannung zwischen den Abtastzeitpunkten tk und tk+1 kann aufgelöst werden, um die geforderte Formulierung als lineares Modell der Schaltzeiten (bzw.deren Verschiebung oder Schaltwinkel) zu erlangen: $\int_{t_{k}}^{t_{k + 1}} Δ u_{u ν w} (t) d t = \int_{t_{k}}^{t_{k + 1}} Δ u_{u ν w} (t) - u_{u v w},_{r e f} (t) d t$
Was durch phasenweise Betrachtung für die Phase p auf folgende Formulierung führt: $\begin{array}{l} \int_{t_{k}}^{t_{k + 1}} u_{p} (t) - u_{p, r e f} (t) d t = ({\hat{U}}_{p, s w 1} - {\hat{U}}_{p, s w 2}) (t_{p, s w 1} - t_{p, s w 1, r e f}) + \dots + ({\hat{U}}_{p, s w j} - {\hat{U}}_{p, s w j + 1}) (t_{p, s w n_{p}} - t_{p, s w n_{p}, r e f}) \\ = Δ {\hat{U}}_{p} Δ t_{p} \end{array}$
Der Vektor ΔU ^ p enthält dabei Differenzen der Spannungen U ^ p,swj * und U ^ p,swj+1 * vor dem Schaltvorgang j bzw. j + 1 und es gilt j ∈ ℤ1:np , wobei np die Anzahl der Schaltvorgänge in Phase p während des Zeitraums [tk , tk+1] beschreibt. Die Variable tp,swj beschreibt den Schaltzeitpunkt j in Phase p. Folglich beschreibt Δtp den Vektor der Differenzen der Referenzschaltzeitpunkte tp,swj * und der realen Schaltzeitpunkte tp,swj für Phase p. Durch Anwendung dieses Zusammenhangs für alle Phasen und Zusammenfassung in Matrix-Schreibweise ergibt sich: $\begin{array}{l} Δ i_{a b c} (k + 1) = (I + A_{t} (t_{k})) Δ i_{a b c} (k) + {\tilde{B}}_{t} (t_{k}) \hat{U} (k) Δ t (k) \\ = A_{k} Δ i_{a b c} (k) + B_{k} Δ t (k) \end{array}$
Es ist ersichtlich, dass im Vergleich zur schematischen Darstellung in 1 Δx(k) = Δy(k) = Δiabc(k) und Δu(k) = Δt(k) gesetzt wird. Mit einer Abtastperiode Ts wird die derzeitige Drehzahl/Winkel und der Strom der Maschine gemessen. Auf Basis der Drehzahl/Winkel und einer Drehmomentvorgabe wird nachfolgend das passende, vorher berechnete optimale Pulsmuster aus dem abgelegten Kennfeld ausgelesen. Dabei werden im Speziellen der Referenzstrom und die Referenzschaltzeitpunkte extrahiert. Die Abweichung des Stroms vom Referenzwert wird errechnet und zusammen mit der zu modifizierenden Schaltwinkelsequenz auf den MPC Regler oder Regler 320 gegeben. In diesem wird auf Basis eines Optimierungsproblems die passende Anpassung der Schaltzeitpunkte oder der Schaltwinkelanpassung delta_u der Schaltwinkel ermittelt. Mittels einer Summenbildung im Summationspunkt 324 wird eine Summe u aus Soll-Schaltwinkel u* und der Schaltwinkelanpassung delta_u gebildet. Die Summe u umfasst die anzuwendende Schaltsequenz. Mittels der Summe u wird die elektrische Maschine 310 angesteuert, welche bevorzugt einen Inverter 312 und eine elektrische Antriebsmaschine 314 umfasst.
In der vorangegangenen Erklärung wurde implizit von messbaren Zuständen d.h. y = x ausgegangen. Ist dies nicht der Fall, so müssen Beobachter formuliert werden. In der beschriebenen Anwendung ist dies Fall, falls Flüsse statt Ströme als Führungsgrößen verwendet werden. Auch eine Formulierung des Beobachters ist in Fehlerkoordinaten möglich und vorteilhaft.
Mittels des Reglers 320 wird ein Optimierungsproblem gelöst, welches wie folgt lautet: $\begin{matrix} \underset{Δ u_{k} \dots Δ u_{k + Ν}}{m i n} & {| Δ y_{k + Ν + 1} |}_{Q_{Ν + 1}} + \sum_{r = k}^{k + Ν} | Δ y_{r} |_{Q_{k}} + {| Δ u_{r} |}_{R} \\ s . t & - Δ u_{k, r e f, p} \leq Δ u_{k, p} \leq Δ u_{k + 1, r e f, p} + Δ u_{k + 1, p} \\ Δ u_{k, p} - Δ u_{k + 1, r e f, p} \leq Δ u_{k + 1, p} \leq Δ u_{k + 2, r e f, p} + Δ u_{k + 2, p} \\ \dots \\ Δ u_{k + Ν - 1, p} + Δ u_{k + Ν, r e f, p} \leq Δ u_{k + Ν, p} \leq Δ u_{k + Ν + 1, p} \\ Δ x_{r + 1} = A_{r} Δ x + B_{r} Δ u_{r} \\ Δ y_{r} = C_{r} Δ x + d r \\ r \in ℤ_{1 : Ν}; k \in ℕ_{0; p} \in ℤ_{1 : 3 * Ν_{s y s}} \end{matrix}$
Der Index p beschreibt dabei die jeweilige Phase der Maschine und nimmt Werte zwischen eins und dem dreifachen der Systemanzahl an. Für die bevorzugt sechsphasige Maschine in 2x3 Verschaltung gilt Nsys = 2, da zwei Dreiphasensysteme vorliegen. Bei den mit den Indizes Q und R versehenen Normen handelt es sich um quadrierte gewichtete 2-Normen der Form Δyr TQΔyr bzw. ΔurTRΔ ur. Dabei sind Q und R die üblichen Matrizen für das MPC-Reglerdesign. Die letzten beiden als Gleichung formulierte Nebenbedingungen charakterisieren die oben plausibilisierte Fehlerdynamik. Bevorzugt sind weitere Nebenbedingungen, bevorzugt für
Zustandsbeschränkungen, zu berücksichtigen. Für die oben beschriebene Anwendung muss für die Verwendung des Stroms als Führungsgröße Δyr = Δxr= Δir,abc gesetzt werden, sowie die oben hergeleiteten Matrizen Ar , Br (oben mit Index k bezeichnet) und Cr = I, dr = 0 eingesetzt werden. Bei diesem Optimierungsproblem handelt es sich um ein konvexes, quadratisches Optimierungsproblem (QP). Dieses kann mit Standardverfahren wie „Active Set-“ oder „Interior Point-„Methoden“ gelöst werden.
2 zeigt ein schematisch dargestelltes Fahrzeug 500 mit einem Antriebsstrang 400. Der Antriebsstrang 400 umfasst eine elektrische Maschine (310) und eine Vorrichtung mit einer Regeleinrichtung 340. Die Darstellung zeigt beispielhaft ein Fahrzeug mit vier Rädern, wobei die Erfindung gleichermaßen in beliebigen Fahrzeugen mit einer beliebigen Anzahl an Rädern zu Lande, zu Wasser und in der Luft einsetzbar ist.
Die 3 zeigt einen schematischen Ablauf eines Verfahrens 100 zur Regelung einer elektrischen Maschine 310. Das Verfahren beginnt mit Schritt 105. In Schritt 110 wird ein Soll-Schaltwinkel u* ermittelt. In Schritt 120 wird ein Soll-Zustand y* ermittelt. In Schritt 130 wird ein Ist-Zustand y ermittelt. Eine Differenz d wird aus dem Soll-Zustand y* und dem Ist-Zustand y in Schritt 140 ermittelt. In Schritt 150 wird eine Schaltwinkelanpassung delta_u mittels eines Reglers 320 in Abhängigkeit der Differenz d ermittelt. In Schritt 160 folgt das Ansteuern der elektrischen Maschine 310 mittels der Summe u aus Soll-Schaltwinkel u* und Schaltwinkelanpassung delta_u. Mit Schritt 195 endet das Verfahren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010061897 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

GEYER, Tobias, et al. Model predictive pulse pattern control. IEEE Transactions on Industry Applications, 2011, 48. Jg., Nr. 2, S. 663-676 [0004]

Claims

Verfahren (100) zur Regelung einer elektrischen Maschine (310), mit den Schritten: Ermitteln (110) eines Soll-Schaltwinkels (u*); Ermitteln (120) eines Soll-Zustands (y*); Ermitteln (130) eines Ist-Zustands (y); Ermitteln (140) einer Differenz (d) aus dem Soll-Zustand (y*) und dem Ist-Zustand (y); Ermitteln (150) einer Schaltwinkelanpassung (delta_u) mittels eines Reglers (320) in Abhängigkeit der Differenz (d); Ansteuern (160) der elektrischen Maschine (310) mittels der Summe (u) aus Soll-Schaltwinkel (u*) und Schaltwinkelanpassung (delta_u).
Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine nach Anspruch 1, wobei der Ist-Zustand (y) einen Ist-Phasenstrom (i_a,b,c) durch die elektrische Maschine charakterisiert und der Soll-Zustand (y*) einen Soll-Phasenstrom (i*_a,b,c) durch die elektrische Maschine charakterisiert.
Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Soll-Zustand (y*) in Abhängigkeit der Parameter Drehmoment, Drehzahl und Rotorwinkel in einem Kennfeld abgelegt ist und in Abhängigkeit der Parameter Drehmoment, Drehzahl und Rotorwinkel für die Regelung aus dem Kennfeld ermittelt wird.
Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine nach Anspruch 3, wobei der Soll-Zustand (y*) mittels einem Maschinenmodells (330) ermittelt wird, wobei das Maschinenmodell (330) eine Induktivitätsmatrix, eine Widerstandsmatrix, einen Magnetfluss und/ oder eine Winkelgeschwindigkeit der elektrischen Maschine berücksichtigt.
Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels des Reglers (320) ein Optimierungsproblem gelöst 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 5 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 5 auszuführen.
Vorrichtung (300) zur Regelung einer elektrischen Maschine (310), mit einer Regeleinrichtung (340), wobei die Regeleinrichtung (340) einen Regler (320) umfasst, und wobei die Regeleinrichtung (340) dazu eingerichtet ist, einen Soll-Schaltwinkel (u*) zu ermitteln; einen Soll-Zustand (y*) zu ermitteln; einen Ist-Zustand (y) zu ermitteln; eine Differenz (d) aus dem Soll-Zustand (y*) und dem Ist-Zustand (y) zu ermitteln; eine Schaltwinkelanpassung (delta_u) mittels eines Reglers (320) in Abhängigkeit der Differenz (d) zu ermitteln; die elektrische Maschine (310) mittels der Summe (s) aus Soll-Schaltwinkel (u*) und Schaltwinkelanpassung (delta_u) anzusteuern.
Antriebsstrang (400) mit einer elektrischen Maschine (310) und einer Vorrichtung (300) gemäß Anspruch 8.
Fahrzeug (500) mit einem Antriebsstrang (400) nach Anspruch 9.