DE102020211511A1

DE102020211511A1 - Verfahren zum Anpassen von Strukturschwingungen einer elektrischen Maschine und entsprechende Steuereinrichtung

Info

Publication number: DE102020211511A1
Application number: DE102020211511.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Weigand; Josef Laumer; Rainer Weber
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2020-09-14
Filing date: 2020-09-14
Publication date: 2022-03-17

Abstract

Es wird beschrieben ein Verfahren zum Anpassen einer Strukturschwingung (411, 412) beim Betrieb einer elektrischen Maschine (110). Das Verfahren weist auf ein Erfassen einer Eigenschaft (301, 302, 303, 304, 305, 306, 401, 402) eines Stroms (201), mit welchem die elektrische Maschine (110) betrieben wird; ein Auswerten eines Kriteriums, welches sich auf die Eigenschaft (301, 302, 303, 304, 305, 306, 401, 402) bezieht, wobei das Kriterium für die Strukturschwingung (411, 412) indikativ ist; und ein Verändern des Stroms (201) basierend auf dem Kriterium, so dass die Strukturschwingung (411, 412) angepasst wird. Ferner wird eine Steuereinrichtung (120) zum Durchführen eines solchen Verfahrens beschrieben.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft allgemein das technische Gebiet der Schall- und Schwingungsadaption bei Elektromotoren. Die Erfindung betrifft konkret ein Verfahren zur Anpassung von Strukturschwingungen beim Betrieb einer elektrischen Maschine sowie eine Steuereinrichtung, um solch ein Verfahren durchzuführen.
Hintergrund der Erfindung
Ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung und beim Betrieb von Elektromotoren oder auch von Hybridmotoren betrifft eine adäquate Steuerung des Schwingungsverhaltens des Motors. Solche Schwingungen werden häufig unter der Bezeichnung NVH für „noise, vibration, harshness“ zusammengefasst. Hierbei bezeichnet „noise“ hörbare Geräusche, „vibration“ Schwingungen im nicht hörbaren Bereich und „harshness“ den Übergangsbereich.
Zum Beispiel sollen Schwingungen vermindert oder unterdrückt werden, die übermäßige Lärmemissionen des Fahrzeugs verursachen. Dabei geht es insbesondere um die Vermeidung von lästigen Geräuschen und um die Erzeugung eines an das menschliche Geräuschempfinden angepassten Wohlklangs. So kann ein besserer Komfort für die Insassen des Fahrzeugs oder auch für andere Verkehrsteilnehmer erreicht werden. Weiterhin können Schwingungen zu einem schnelleren Verschleiß von Fahrzeugteilen oder zu höheren Wartungserfordernissen führen. Andererseits kann es gelegentlich erwünscht sein, bestimmte Schwingungen zu verstärken, beispielsweise um ein charakteristisches Geräuschprofil eines Elektrofahrzeugs oder eines Sportwagens zu entwickeln.
Das Schwingungsverhalten eines Elektromotors oder auch eines Hybridmotors kann stark von den jeweiligen Betriebsbedingungen abhängen, insbesondere natürlich von der Drehzahl des Motors. Entsprechend kann es notwendig sein, das Schwingungsverhalten in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen zu steuern. Ein Kalibrieren des Motors in Bezug auf sein Schwingungsverhalten kann daher schnell sehr aufwendig werden. Ein solches Kalibrieren wird der Vielzahl möglicher Betriebszustände im Allgemeinen nur ungenügend gerecht und kann auch produktionsbedingte Abweichungen individueller Motoren nicht berücksichtigen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und effizientes Verfahren zur Steuerung des Schwingungsverhaltens eines Elektromotors oder eines Hybridmotors bereitzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen, weitere Merkmale und Details der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Anpassen einer Strukturschwingung, insbesondere einer mechanischen Schwingung, beim Betrieb einer elektrischen Maschine beschrieben. Das Verfahren weist auf (i) ein Erfassen einer Eigenschaft eines Stroms, mit welchem die elektrische Maschine betrieben wird; (ii) ein Auswerten eines Kriteriums, welches sich auf die Eigenschaft bezieht, wobei das Kriterium für die Strukturschwingung indikativ ist; und (iii) ein Verändern des Stroms basierend auf dem Kriterium, so dass die Strukturschwingung angepasst wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Steuereinrichtung beschrieben, welche konfiguriert ist, ein solches Verfahren zum Anpassen einer Strukturschwingung einer elektrischen Maschine durchzuführen.
Der Begriff „elektrische Maschine“ bezeichnet in diesem Dokument jegliche Vorrichtung, welche elektrische Energie zumindest teilweise in Bewegungsenergie umwandelt, wobei die Bewegungsenergie beispielsweise für den Antrieb eines Fahrzeugs genutzt werden kann. Insbesondere kann die elektrische Maschine ein Elektromotor sein oder auch ein Hybridmotor, welcher einen elektrischen Motor mit einer oder mehreren anderen Antriebsformen kombiniert. Zum Beispiel kann ein Hybridmotor eine Brennkraftmaschine aufweisen, welche eingerichtet ist, in einem Kraftstoff gespeicherte Energie zumindest teilweise in Bewegungsenergie umzuwandeln. Die elektrische Maschine kann mit einem Energiespeicher, insbesondere einer Batterie, verbunden sein, welcher die für den Betrieb der elektrischen Maschine notwendige elektrische Energie zur Verfügung stellt.
Eine „Strukturschwingung“ kann eine mechanische Schwingung von zumindest einer Komponente der elektrischen Maschine bezeichnen. Zusätzlich oder alternativ kann eine Strukturschwingung eine mechanische Schwingung von mit der elektrischen Maschine verbundenen Teilen bezeichnen, insbesondere Teilen eines Antriebssystems und/oder allgemein von Fahrzeugteilen. Dabei werden die mechanischen Schwingungen der verbundenen Teile des Antriebssystems und/oder die mechanischen Schwingungen der Fahrzeugteile zumindest teilweise durch den Betrieb der elektrischen Maschine angeregt. Die Strukturschwingung kann bezogen auf einen Betriebszustand und/oder eine Motorordnung definiert sein. Die Strukturschwingung kann eine einzelne Schwingung mit einer vorgegebenen Frequenz oder einem vorgegebenen Frequenzbereich aber auch das gesamte Schwingungsverhalten bzw. Schwingungsspektrum bezeichnen.
Strukturschwingungen können spürbare und/oder hörbare Schwingungen sein. Die Strukturschwingungen können Geräusche, insbesondere Fahrzeuggeräusche, zumindest teilweise verursachen. Insbesondere kann die Amplitude einer Strukturschwingung mit einer Lautstärke eines zugehörigen Fahrzeuggeräuschs korrelieren. Durch ein Abschwächen der Strukturschwingung kann die Lautstärke des Fahrzeuggeräuschs reduzierbar sein. Durch ein Verstärken der Strukturschwingung kann die Lautstärke des Fahrzeuggeräuschs vergrößerbar sein. Durch Strukturschwingungen verursachte Geräusche können durch die Luft und/oder über Fahrzeugteile übertragen werden.
Die Strukturschwingungen können direkt durch das Wirken elektromagnetischer Kräfte verursacht werden, beispielsweise durch diejenigen elektromagnetischen Kräfte, mit welchen der Elektromotor betrieben wird. Alternativ oder zusätzlich können die Strukturschwingungen durch aerodynamische Effekte, die etwa durch den Fahrtwind, einen Kühler oder einen Lüfter bedingt sind, oder durch mechanische Vorgänge, etwa beim Bremsen oder Lenken eines Fahrzeugs, verursacht und/oder modifiziert werden. Gleichermaßen können aerodynamische Effekte und/oder mechanische Vorgänge Fahrgeräusche mitbestimmen, die durch Strukturschwingungen verursacht werden.
Das Frequenzspektrum der Strukturschwingungen kann Vielfache einer Grundfrequenz aufweisen, insbesondere der Motordrehzahl oder Umlauffrequenz, d.h. Umdrehungen des Motors pro Zeiteinheit. Solche Vielfache werden auch als „Ordnungen“ bzw. als Motorordnungen oder magnetische Ordnungen bezeichnet, weil der Motor typischerweise durch magnetische Kräfte angetrieben wird. Weiterhin werden die Vielfachen entsprechend einer in der klassischen Physik etablierten Terminologie auch als „Harmonische“ bezeichnet. Die Grundfrequenz entspricht dabei der 1. Ordnung bzw. 1. Harmonischen und die n-fache Grundfrequenz entspricht der n-ten Ordnung bzw. n-ten Harmonischen. Die Grundfrequenz kann eine Eigenfrequenz und/oder eine Resonanzfrequenz einer Komponente der elektrischen Maschine sein, beispielsweise eines Lagers.
Die Frequenz oder der Frequenzbereich der Strukturschwingung kann in einem hörbaren Frequenzbereich liegen. Sie kann größer als oder zumindest größer gleich einer Drehzahl der elektrischen Maschine sein. Sie kann auch kleiner als die Drehzahl der elektrischen Maschine sein, beispielsweise durch eine Resonanzfrequenz und/oder eine Eigenfrequenz eines Lagers der elektrischen Maschine bestimmt sein. Die Frequenz oder der Frequenzbereich kann zwischen 0 Hz und 100 kHz liegen, insbesondere zwischen 20 Hz und 100 kHz, insbesondere zwischen 100 Hz und 50 kHz.
Die elektrische Maschine wird zumindest teilweise mit einem „Strom“ betrieben. Der Strom kann ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom sein. Er kann ein Gleichstrom mit überlagerten Wechselstromanteilen sein. Er kann ein Mehrphasenwechselstrom sein, insbesondere ein Dreiphasenwechselstrom oder Drehstrom. Der Strom kann ein Phasenstrom sein oder einen Phasenstrom aufweisen, insbesondere einen Phasenstrom eines Mehrphasenwechselstroms. Er kann auch mehrere Phasenströme eines Mehrphasenwechselstroms aufweisen, beispielsweise zwei, drei oder mehr als drei. Der Strom kann ein transformierter Mehrphasenwechselstrom sein, insbesondere durch eine Clarke- und/oder Park-Transformation.
Eine „Eigenschaft“ des Stroms ist jegliches qualitative oder quantitative Merkmal, welches den Strom charakterisiert. Die Eigenschaft kann zumindest eines aufweisen oder sein von einer Stromstärke, einer Spannung und einer Feldstärke, insbesondere einer Feldstärke zum Erzeugen von Kräften innerhalb der elektrischen Maschine. Die Eigenschaft kann eine zeitliche Veränderung des Stromes charakterisieren, beispielsweise die Frequenz eines Wechselstroms sein oder aufweisen. Die Eigenschaft kann sich auf eine Zeit- und/oder eine Frequenzdarstellung des Stroms beziehen, wobei diese Darstellungsformen über eine Fourier-Transformation voneinander ableitbar sein können. Die Eigenschaft kann das Frequenzspektrum eines oder mehrerer Ströme, insbesondere eines oder mehrerer Phasenströme, sein oder aufweisen. Die Eigenschaft kann sich auf eines oder mehrere Maxima in dem Frequenzspektrum beziehen, insbesondere auf zumindest eines von einer Frequenz, einer Amplitude und einer Breite der Maxima.
Verschiedene Maxima des Frequenzspektrums können Vielfache einer Grundfrequenz sein, welche insbesondere mit der Motordrehzahl korrelieren oder gleich der Motordrehzahl sein kann. Solche Vielfache werden auch als „Phasenstromordnungen“ oder wiederum als „Harmonische“ bezeichnet. Die Grundfrequenz entspricht dabei der 1. Phasenstromordnung bzw. 1. Harmonischen und die n-fache Grundfrequenz entspricht der n-ten Phasenstromordnung bzw. n-ten Harmonischen.
Das „Erfassen“ der Eigenschaft kann beispielsweise mittels eines oder mehrerer Sensoren geschehen, beispielsweise eines Strom- und/oder Spannungssensors. Der Sensor kann ein Sensorsignal bereitstellen, welches mit der Eigenschaft korreliert, und dieses Sensorsignal als Eingabe an eine Steuereinrichtung weiterleiten. Alternativ oder zusätzlich kann das Erfassen der Eigenschaft ein Modellieren aufweisen beispielsweise basierend auf Betriebs- und/oder Umgebungsvariablen der elektrischen Maschine. Dafür kann auf der Steuereinrichtung eine Software installiert sein, in welcher ein entsprechendes Modell implementiert ist. Insbesondere kann die Eigenschaft ohne Zuhilfenahme von Sensoren erfasst werden, also vollständig modelliert werden. Weiterhin kann das Erfassen bereits ein Weiterverarbeiten aufweisen, bei welchem aus einem Messwert und/oder aus einem modellierten Wert die Eigenschaft bestimmt wird. Das Weiterverarbeiten kann beispielsweise eine Transformation von Zeitdarstellung in Frequenzdarstellung eines gemessenen und/oder modellierten Signals aufweisen.
Im Kontext der Anmeldung bezeichnet ein „Kriterium“ ein Merkmal, welches indikativ ist für die Strukturschwingung. Anders gesagt lassen sich aus dem Kriterium Informationen ableiten, die die Strukturschwingung zumindest teilweise charakterisieren. Das Kriterium kann als Basis für eine Anpassung der Strukturschwingung dienen. Das Kriterium kann sich auf einen Betriebszustand und/oder eine Motorordnung der elektrischen Maschine beziehen oder von diesen abhängen. Das Merkmal oder Kriterium kann eine qualitative und/oder eine quantitative Größe aufweisen oder sein. Das Merkmal oder Kriterium kann eine skalare Größe, eine Vektorgröße oder eine zwei- oder mehrdimensionale Matrix aufweisen oder sein.
Das Kriterium bezieht sich auf die Eigenschaft, d.h. das dem Kriterium entsprechende Merkmal korreliert mit der Eigenschaft und/oder hängt von dieser ab. Das Kriterium kann eine Formel sein oder aufweisen, in welche die Eigenschaft als ein Parameter eingeht und welche als Ergebnis das dem Kriterium entsprechende Merkmal bestimmt. Das Kriterium kann zusätzlich oder alternativ einen Algorithmus aufweisen, welcher ausgehend von der Eigenschaft das Merkmal in einer vorgegebenen Abfolge von Schritten bestimmt. Beispielsweise kann das Kriterium eine Tabelle aufweisen, deren Einträge das Merkmal in Abhängigkeit von der Eigenschaft bestimmen.
Das Kriterium kann einen Vergleich zwischen zwei oder mehr Größen beinhalten, welche durch die Eigenschaft gegeben oder bestimmt sind. Beispielsweise kann das Kriterium den Vergleich zwischen zwei oder mehr Ordnungen eines Frequenzspektrums des Stroms beinhalten. Das dem Kriterium entsprechende Merkmal kann etwa die Differenz und/oder der Quotient zwischen den Amplituden und/oder Phasen dieser Ordnungen sein oder aufweisen.
Das „Auswerten“ des Kriteriums kann mittels der Steuereinrichtung geschehen, insbesondere mittels einer entsprechenden auf der Steuereinrichtung installierten Software. Das Auswerten kann ein Bestimmen aufweisen, wie auf Grundlage des Kriteriums die Strukturschwingung beeinflusst oder angepasst werden kann. Beispielsweise kann dafür modelliert werden, welchen Wert oder welchen Wertebereich das Kriterium einnehmen müsste, damit die Strukturschwingung in gewünschter Weise angepasst wird, etwa deren Amplitude verringert wird.
Das „Verändern des Stroms basierend auf dem Kriterium“ kann ein Beeinflussen des Stroms aufweisen, beispielsweise durch Zuführung oder Einspeisung eines elektrischen Signals. Dabei kann der Strom so beeinflusst werden, dass das Kriterium derart verändert wird, beispielsweise einen solchen Wert oder Wertebereich einnimmt, dass die Strukturschwingung in gewünschter Weise angepasst wird. Dafür kann das Verändern des Stroms aufweisen ein Modellieren, insbesondere mittels der Steuereinrichtung, wie der Strom zu verändern ist, um eine gewünschte Änderung des Kriteriums zu erzielen, beispielweise einen bestimmten Wert oder Wertebereich für das Kriterium zu realisieren. In dem weiter oben eingeführten Beispiel kann etwa ein zugeführtes oder eingespeistes elektrisches Signal derart ausgebildet werden, dass die Differenz zwischen Amplituden und/oder Phasen zweier Ordnungen möglichst klein wird und/oder der Quotient sich möglichst an eins annähert.
Ein „Anpassen“ der Strukturschwingung kann derart geschehen, dass ein vorgegebenes oder gewünschtes Schwingungsverhalten realisiert oder zumindest angenähert wird. Das Anpassen der Strukturschwingung kann insbesondere ein Abschwächen der Strukturschwingung aufweisen, insbesondere derart, dass ein mit der Strukturschwingung korrelierendes akustisches Signal abgeschwächt wird. Das Anpassen kann ein Verstärken der Strukturschwingung aufweisen, insbesondere derart, dass ein korrelierendes akustisches Signal verstärkt wird. Das Anpassen kann alternativ oder zusätzlich auch das Verändern weiterer Eigenschaften der Strukturschwingung aufweisen, beispielsweise eine Frequenzverschiebung oder eine Aufweitung der Bandbreite des Frequenzspektrums. Das Anpassen kann ein Verändern der Strukturschwingung bei vorgegebenem, insbesondere konstantem, Betriebszustand sein oder aufweisen, insbesondere bei konstanter Drehzahl. Die Strukturschwingung kann bei einem stationären oder quasistationären Betrieb der elektrischen Maschine angepasst werden oder auch bei einem dynamischen Betrieb der elektrischen Maschine.
Die „Steuereinrichtung“ kann dazu eingerichtet sein, das Erfassen der Eigenschaft des Stroms, das Auswerten des Kriteriums und/oder das Verändern des Stroms zu steuern. Die Steuerung kann über Signale, beispielsweise über elektrische und/oder optische Signale, erfolgen. Die Steuereinrichtung kann einen Prozessor besitzen, in welchem Rechenoperationen ablaufen und die Steuersignale erzeugt werden. Sie kann einen Speicher aufweisen, in welchem Kenngrößen oder Parameter gespeichert werden, insbesondere für die Datenverarbeitung und/oder Steuerung.
Mit dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bzw. einer entsprechenden Steuereinrichtung gemäß dem zweiten Aspekt lässt sich ein Schwingungsverhalten der elektrischen Maschine und/oder von Bauteilen, die mit der elektrischen Maschine verbunden sind, steuern. Eine solche Steuerung kann vorteilhaft sein, um ein akustisches Profil der elektrischen Maschine und/oder der Bauteile anzupassen, beispielsweise um Lärmemissionen zu mindern. Dadurch können vorgegebene Grenzwerte einhaltbar sein, insbesondere auf den Schalldruck bezogene Grenzwerte, und durch Beeinflussung tonaler Störgeräusche kann eine psychoakustische Lästigkeit reduzierbar sein. Bei einem Elektromotor kann es zudem vorteilhaft sein, bestimmte Elemente des akustischen Profils zu verstärken, etwa um die Aufmerksamkeit anderer Verkehrsteilnehmer auf sich zu ziehen, beispielsweise zum Fußgängerschutz. Auch ein auf jeweilige Fahrzeugtypen abgestimmtes Akustikdesign ist realisierbar. Dadurch können separate Lautsprecher vermeidbar sein, mit welchen ansonsten ein solches akustisches Profil realisiert wird.
Durch die Vorgabe eines Kriteriums und das Verändern des Stroms basierend auf dem Kriterium kann ein selbstoptimierendes Anpassen des Schwingungsverhaltens ermöglicht werden. Auf diese Weise kann ein aufwändiges und kostenintensives Kalibrieren des Schwingungsverhaltens zumindest teilweise vermieden werden. Ein solches Kalibrieren wird üblicherweise anhand eines Prototyps der elektrischen Maschine bzw. des entsprechenden Fahrzeugs durchgeführt, und zwar zumeist bevor das Fahrzeug in Betrieb genommen wird. Hingegen erlaubt das oben beschriebene Verfahren ein Anpassen des Schwingungsverhaltens im laufenden Betrieb, insbesondere im dynamischen Betrieb. Eine Anpassung im dynamischen Betrieb kann neben einer schnelleren auch eine realistischere Parametrisierung als bei einer stationären Kalibrierung, insbesondere am Prüfstand, ermöglichen. So können auch etwaige Veränderungen in den Betriebsbedingungen berücksichtigt werden, beispielsweise wenn das Schwingungsverhalten durch Verschleiß von Bauteilen, durch die aktuelle Batteriespannung oder durch die Umgebungstemperatur beeinflusst wird. Weiterhin erlaubt das oben beschriebene Verfahren ein individuelles Anpassen des Schwingungsverhaltens jeder einzelnen elektrischen Maschine, abgestimmt etwa auf individuelle Herstellungsvarianzen oder Bauteilschwankungen, statt eines Anpassens lediglich anhand eines Prototyps. Das ermöglicht generell eine genauere, robustere und weniger fehleranfällige Anpassung des Schwingungsverhaltens.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ändert das Verändern des Stroms ein akustisches Verhalten, das durch die Strukturschwingung verursacht wird, insbesondere ein akustisches Signal, das durch die Strukturschwingung verursacht wird.
Eine solche Ausführungsform kann vorteilhaft sein, weil auf diese Weise das akustische Verhalten bzw. Signal angepasst werden kann, beispielsweise zur Verringerung von Lärmemissionen oder für ein akustisches Design. Insbesondere kann die Intensität des akustischen Signals einstellbar sein, beispielsweise auf einen vorgegebenen Wert, unter einen vorgegebenen Maximalwert und/oder innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Verändern des Stroms auf ein Bestimmen eines Parameters oder einer Kenngröße basierend auf dem Kriterium und ein Verändern des Stroms basierend auf dem Parameter bzw. der Kenngröße. Der Parameter kann indikativ sein für eine Stellgröße, mit welcher der Strom verändert wird, beispielsweise für einen eingespeisten elektrischen Strom. Insbesondere kann der Parameter diese Stellgröße zumindest teilweise charakterisieren. Der Parameter kann eine quantitative und/oder eine qualitative Größe sein oder aufweisen. Er kann eine skalare Größe, ein Vektor und/oder eine zwei- oder mehrdimensionale Matrix sein oder aufweisen.
Eine solche Ausführungsform kann vorteilhaft sein, weil der Parameter für einen schnellen Zugriff bereitgestellt werden kann. Bei einem nachfolgenden Anpassen der Strukturschwingung muss das Kriterium dann nicht mehr vollständig oder gar nicht mehr ausgewertet werden. Infolgedessen kann ein schnelleres und/oder weniger rechenintensives Anpassen der Strukturschwingung ermöglicht werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Parameter in bestimmten vorgegebenen Zeitintervallen jeweils neu bestimmt und/oder bei Eintreten bestimmter Betriebsbedingungen jeweils neu bestimmt, etwa wenn die Batteriespannung unter einen vorgegebenen Wert fällt und/oder wenn die Umgebungstemperatur in einem vorgegebenen Wertebereich liegt.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Verändern des Stroms ferner auf ein Abspeichern des Parameters in einer Steuertabelle in einem Datenspeicher, wobei die Steuertabelle eine Vielzahl von Parametern enthält, die unterschiedlichen Betriebszuständen oder Betriebspunkten der elektrischen Maschine und/oder unterschiedlichen Motorordnungen zugeordnet sind. Dabei kann die Steuereinrichtung den Datenspeicher aufweisen.
Ein „Betriebszustand“ oder Betriebspunkt kann durch Rahmenbedingungen beim Betrieb der elektrischen Maschine bestimmt sein, insbesondere durch externe und/oder interne Rahmenbedingungen. Eine externe Rahmenbedingung bezieht sich dabei auf Gegebenheiten außerhalb der elektrischen Maschine, beispielsweise die Umgebungstemperatur oder den Fahrtwind. Hingegen bezieht sich eine interne Rahmenbedingung auf Gegebenheiten innerhalb der elektrischen Maschine, insbesondere auf Bauteile der elektrischen Maschine. Eine interne Rahmenbedingung ist beispielsweise die Drehzahl der elektrischen Maschine. Ein Betriebszustand kann durch vorgegebene Werte und/oder durch vorgegebene Wertebereiche für eine oder mehrere Rahmenbedingungen bestimmt sein.
Wie bereits eingeführt, bezeichnet eine Motorordnung eine Frequenz oder einen Frequenzbereich im Frequenzspektrum der Strukturschwingungen. Die n-te Motorordnung kann das n-te Vielfache der Drehzahl des Motors bezeichnen. Solche Motorordnungen können maßgeblich für das Schwingungsverhalten sein. Beispielsweise können die Frequenzen der stärksten Strukturschwingungen den Motorordnungen zumindest näherungsweise entsprechen. Um das Schwingungsverhalten gezielt zu beeinflussen, kann es daher vorteilhaft sein, die Strukturschwingungen separat für verschiedene Motorordnungen anzupassen, insbesondere unter Berücksichtigung unterschiedlicher Betriebszustände, die beispielsweise durch eine Drehzahl, eine Last und/oder eine Temperatur bestimmt sein können. Entsprechend können den jeweiligen Motorordnungen separate Parameter zugeordnet werden, welche die für die Anpassung verwendeten Stellgrößen charakterisieren. Beispielsweise kann ein eingespeistes elektrisches Signal eine Überlagerung einzelner elektrischer Signale aufweisen, die verschiedenen Motorordnungen zugeordnet sind.
Die „Steuertabelle“ kann einem oder mehreren Betriebszuständen und/oder einer oder mehreren Motorordnungen jeweils einen bestimmten Parameter zuordnen. Sie kann eine sogenannte Lookup-Tabelle oder Umsetzungstabelle sein, in welcher die entsprechenden Parameter für einen schnellen Zugriff abfragbar sind. Die Steuertabelle kann in einer Software der Steuereinrichtung explizit realisiert sein, beispielsweise in Form einer Matrix oder Steuermatrix. Eine Steuertabelle kann auch implizit realisiert sein, wofür es genügt, dass durch die Software Parameter für zugehörige Betriebszustände abgespeichert werden. Beispielsweise kann die Steuertabelle aus einer Vielzahl von Kennfeldern bestehen.
Eine solche Ausführungsform kann vorteilhaft sein, weil die Steuertabelle einen schnellen Zugriff auf entsprechende Parameter in Abhängigkeit vom Betriebszustand und damit ein schnelles und effizientes Anpassen des Schwingungsverhaltens ermöglichen kann. Ein Aktualisieren der Parameter kann ebenfalls anhand der Steuertabelle geplant und durchgeführt werden, beispielsweise in vorgegebenen Zeitabständen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verändern des Phasenstroms auf ein Bestimmen des Betriebszustands der elektrischen Maschine und ein Bestimmen des Parameters basierend auf dem Betriebszustand, insbesondere mittels der Steuertabelle.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist der Betriebszustand der elektrischen Maschine zumindest teilweise bestimmt durch zumindest eines von einer Drehzahl der elektrischen Maschine, einem Drehmoment der elektrischen Maschine, einer Umgebungstemperatur, einer Batteriespannung und einer Betriebsdauer der elektrischen Maschine. Die Betriebsdauer kann mit einem Verschleiß von Bauteilen der elektrischen Maschine und/oder des Fahrzeugs korrelieren.
Die genannten Größen können alle die Strukturschwingung beeinflussen. Entsprechend kann es vorteilhaft sein, diese Größen beim Anpassen des Schwingungsverhaltens zu berücksichtigen. Insbesondere kann der Parameter so bestimmt werden, dass er von den genannten Größen abhängt. Dadurch kann ein genaues und situationsbezogenes Anpassen des Schwingungsverhaltens erreicht werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist der Parameter ein dynamischer Parameter, welcher beim Betrieb der elektrischen Maschine angepasst wird. Das Anpassen kann kontinuierlich oder in diskreten Zeitschritten erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann das Anpassen beim Eintreten bestimmter Betriebsbedingungen veranlasst werden, beispielsweise wenn die Batteriespannung oder die Umgebungstemperatur einen vorgegebenen Grenzwert über- oder unterschreitet.
Im Gegensatz zu Parametern, welche ursprünglich vorgegeben sind, welche in der Software der Steuereinrichtung vorprogrammiert sind und/oder welche an einem Prototyp kalibriert wurden, erlauben dynamische Parameter, die beim Betrieb der elektrischen Maschine angepasst werden, ein situationsbezogenes Anpassen der Parameter. Ein solches situationsbezogenes Anpassen kann insbesondere aktuelle Betriebsbedingungen berücksichtigen und/oder kann individuell auf eine elektrische Maschine abgestimmt sein, beispielsweise auf Herstellungsvarianzen oder Verschleiß der elektrischen Maschine.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Anpassen der Strukturschwingung beim Betrieb der elektrischen Maschine ein Anpassen der Strukturschwingung bei einem dynamischen Betrieb der elektrischen Maschine. Dabei kann ein „dynamischer Betrieb“ ein Betrieb unter realistischen Anwendungsbedingungen sein, insbesondere kein Betrieb unter fest vorgegebenen Betriebsbedingungen und/oder unter zeitlich konstanten Betriebsbedingungen, insbesondere kein Betrieb am Prüfstand. Im Gegensatz dazu kann ein „stationärer Betrieb“ durch fest vorgegebene und/oder zeitlich konstante Betriebsbedingungen bestimmt sein. Für einen „quasistationären Betrieb“ sind die Betriebsbedingungen entsprechend näherungsweise konstant und/oder sind lediglich Parameterbereiche für zumindest einige Betriebsbedingungen vorgegeben.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Verändern des Stroms basierend auf dem Parameter ein Einspeisen eines elektrischen Signals in den Strom auf, wobei das elektrische Signal durch den Parameter zumindest teilweise bestimmt ist. Beim Einspeisen des Signals kann elektrische Leistung zu- oder abgeführt werden. Das Einspeisen kann auch leistungsneutral sein. Das Einspeisen kann ein Zuschalten elektrischer Bauelemente, beispielsweise eines Widerstands, umfassen. Der Parameter kann ein bestimmtes Signal innerhalb einer Klasse möglicher Signale festlegen. Das Einspeisen kann über eine Spannungsänderung den Strom indirekt verändern. Das Einspeisen kann beispielsweise auf Modulatorebene und/oder auf Pulsebene erfolgen.
Das Verändern des Stroms mittels eines Einspeisens eines elektrischen Signals stellt eine besonders einfache und leicht zu steuernde Möglichkeit einer Veränderung des Stroms dar.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist der Parameter zumindest eines von einer Frequenz, einer Amplitude und einer Phase des elektrischen Signals auf.
Das elektrische Signal kann ein periodisches Signal sein. Es kann insbesondere ein sinusförmiges Signal sein und/oder aus einer Überlagerung mehrerer sinusförmiger Signal-Bestandteile zusammengesetzt sein. Es kann beispielsweise ein Rechtecksignal oder ein Sägezahnsignal sein. Eine Frequenz des elektrischen Signals kann einer Grundfrequenz des Stroms oder einer Harmonischen einer Grundfrequenz des Stroms entsprechen oder daraus abgeleitet sein. Der Parameter kann die Frequenz, die Amplitude und/oder die Phase eines sinusförmigen elektrischen Signals sein oder aufweisen. Er kann die Frequenzen, Amplituden und/oder Phasen jeweiliger sinusförmiger Signal-Bestandteile des elektrischen Signals sein oder aufweisen.
Elektrische Signale, insbesondere sinusförmige Signale, die durch Frequenz, Amplitude und/oder Phase charakterisiert sind, haben sich als besonders geeignet erwiesen, eine gewünschte Anpassung der Strukturschwingung zu erzielen. Vorteilhaft bei der beschriebenen Ausführungsform kann zudem sein, dass Amplituden- und Phaseninformationen direkt verfügbar sind, beispielsweise zum Ausgleichen von Störeffekten.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel entspricht eine Frequenz des eingespeisten Signals einer Harmonischen einer Grundfrequenz des Stroms. Die Frequenz kann durch die anzupassende Motorordnung bestimmt sein. Derartige Frequenzen haben sich als besonders geeignet erwiesen, um Strukturschwingungen in gewünschter Weise anzupassen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform erfolgt das Einspeisen des elektrischen Signals nach einer Transformation des Stroms, insbesondere nach einer Clarke-Transformation und/oder einer Park-Transformation, insbesondere in einer d/q-Darstellung des Stroms. Der Strom kann ein Drehstrom sein, d.h. ein Dreiphasenwechselstrom. Das Erfassen der Eigenschaft des Stroms kann das Erfassen einer Eigenschaft des transformierten und/oder des ursprünglichen Stroms aufweisen.
Die Transformation kann dreiphasige Größen einer Drehstrommaschine, d.h. einer elektrischen Maschine, die mit Dreiphasen-Wechselstrom betrieben wird, in ein zweiachsiges Koordinatensystem überführen. Die Achsen eines solchen zweiachsigen Koordinatensystems werden üblicherweise mit d und q bezeichnet. Dabei kann der Wert auf der d-Achse mit der magnetischen Flussdichte der magnetischen Erregung im Rotor der elektrischen Maschine korrelieren und der Wert auf der q-Achse kann mit dem vom Rotor erzeugten Drehmoment korrelieren. Die beschriebene Transformation kann durch die Abfolge einer sogenannte Clarke-Transformation und einer sogenannten Park-Transformation erzielt werden. Durch eine inverse Park-Transformation und nachfolgend eine inverse Clarke-Transformation kann in die Darstellung der dreiphasigen Größen zurückgewechselt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Transformation einen Wechsel von Stromgrößen in Spannungsgrößen aufweisen. Das elektrische Signal kann bezogen auf die Spannungsgrößen, beispielsweise v_d und v_q, eingespeist werden oder bezogen auf die Stromgrößen, beispielsweise i_d und i_q.
Durch eine Transformation, insbesondere die beschriebene d/q-Transformation, können periodische, insbesondere sinusförmige, Wechselgrößen, beispielsweise Wechselspannungen und/oder Wechselströme, in ein mit der Frequenz der Wechselgrößen rotierendes Koordinatensystem übertragen werden. Entsprechend ergeben sich zu den Wechselgrößen korrespondierende Gleichgrößen in dem rotierenden Koordinatensystem, insbesondere zeitlich konstante Größen. Das zuvor beschriebene d/q-Koordinatensystem ist ein solches rotierendes Koordinatensystem.
Die beschriebene Ausführungsform kann vorteilhaft sein, weil eine Steuerung bzw. Regelung, die in dem rotierenden Koordinatensystem durchgeführt wird, besonders einfach oder effizient sein kann.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist der Strom zumindest zwei Phasenströme auf und das Kriterium basiert auf einem Vergleich der zumindest zwei Phasenströme.
Beispielsweise kann die erfasste Eigenschaft des Stroms die Amplituden der Phasenströme aufweisen und das Kriterium auf einem Vergleich der Amplituden der beiden Phasenströme oder mehrerer Paare von Phasenströmen basieren, insbesondere unter Berücksichtigung der Phasenlage. Ein entsprechend eingespeistes Signal kann derart ausgebildet sein, dass sich die Amplituden zumindest annähern, insbesondere vollständig angleichen. Eine solche Ausführungsform kann vorteilhaft sein, weil es sich gezeigt hat, dass durch Angleichen der Phasenströme unerwünschte Strukturschwingungen zumindest reduziert werden können.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist der Strom zumindest einen Phasenstrom auf und das Kriterium basiert auf einem Vergleich zweier Ordnungen des zumindest einen Phasenstroms, insbesondere des Frequenzspektrums des zumindest einen Phasenstroms, wobei die Ordnungen Vielfache einer Grundfrequenz des Phasenstroms sind.
Die beiden Ordnungen des Phasenstroms können mit einer Motorordnung bzw. magnetischen Ordnung korrelieren. Insbesondere kann eine Veränderung der beiden Phasenstromordnungen eine Anpassung der zugehörigen Motorordnung bewirken und damit eine Veränderung der entsprechenden Strukturschwingung.
Beispielsweise können die fünfte und die siebte Ordnung des Phasenstroms mit der 24ten Motorordnung korrelieren. Ebenso können die elfte und die 13te Phasenstromordnung mit der 48ten Motorordnung korrelieren. Die genannten Phasenstromordnungen sind elektrische Phasenstromordnungen. Elektrische Phasenstromordnungen können mit mechanischen Phasenstromordnungen korrespondieren. Dabei können elektrische und mechanische Phasenstromordnungen dieselben Phasenstromordnungen in unterschiedlichen Bezugssystemen bezeichnen, wobei der Umrechnungsfaktor durch die Motorpolpaarzahl gegeben sein kann, beispielsweise vier. Entsprechend können die 20te und die 28te Phasenstromordnung (mechanische Ordnung) mit der 24ten Motorordnung korrelieren, die 44te und 52te Phasenstromordnung (mechanische Ordnung) mit der 48ten Motorordnung korrelieren und/oder die 68te und 76te Phasenstromordnung (mechanische Ordnung) mit der 72ten Motorordnung korrelieren. Eine Veränderung der jeweiligen Phasenstromordnungen kann eine Veränderung der zugehörigen Motorordnung bewirken, insbesondere kann ein Angleichen der Phasenstromordnungen ein Abschwächen der zugehörigen Motorordnung bewirken.
Eine solche Ausführungsform kann vorteilhaft sein, weil es sich gezeigt hat, dass insbesondere das Verhältnis zweier Phasenstromordnungen für das Anpassen einer zugehörigen Motorordnung relevant sein kann.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird der zumindest eine Phasenstrom derart verändert, dass sich die Amplituden und/oder Phasen der beiden Ordnungen angleichen, insbesondere dass sich das Verhältnis der Amplituden der beiden Ordnungen einen vorgegebenen Wert annähert, insbesondere an eins. Der vorgegebene Wert kann ein Faktor sein, durch welchen eine Teil-Kompensation einer Strukturschwingung bestimmt ist, beispielsweise zur Vermeidung von ausgeprägten Senken beim Hoch- oder Niederlauf der elektrischen Maschine. Alternativ oder zusätzlich kann der zumindest eine Phasenstrom derart verändert werden, dass sich die Differenz zwischen den Amplituden der beiden Ordnungen verkleinert und/oder dass sich die relative Phase verändert, beispielsweise an 0° oder an 180° annähert.
Eine solche Ausführungsform kann vorteilhaft sein, weil es sich gezeigt hat, dass das Verhältnis der Amplituden der beiden Ordnungen mit der Intensität der Strukturschwingung der zugehörigen Motorordnung korreliert, insbesondere die Intensität der Strukturschwingung bei einem Annähern des Verhältnisses an eins abnimmt. Auch der Phasenunterschied
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel hat das eingespeiste elektrische Signal eine Frequenz, die zwischen den beiden Phasenstromordnungen liegt, insbesondere eine Frequenz, die einer Phasenstromordnung zwischen den beiden Phasenstromordnungen entspricht. So kann beispielsweise für eine Anpassung der 24ten Motorordnung, welche mit der fünften und siebten Phasenstromordnung korreliert, ein elektrisches Signal der sechsten Phasenstromordnung eingespeist werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Auswerten des Kriteriums ein Erfassen eines Sensorsignals eines Sensors auf, wobei das Sensorsignal indikativ ist für die Strukturschwingung der elektrischen Maschine, wobei sich das Kriterium auf das Sensorsignal bezieht. Ein solcher Sensor kann einen Bewegungssensor, welcher insbesondere Strukturschwingungen direkt misst, und/oder einen akustischen Sensor aufweisen.
Das Verwenden eines Sensors kann vorteilhaft sein, um das Anpassen der Strukturschwingung anhand von Messwerten und nicht lediglich anhand einer Modellierung zu überprüfen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform beinhaltet das Anpassen der Strukturschwingung einen selbststeuernden, insbesondere selbstoptimierenden, Prozess, insbesondere zumindest eines von einem maschinellen Lernen, einem iterativen Optimierungsprozess, beispielsweise einer iterativen Tabellenoptimierung (Iterative Table Optimization), einem Regelkreis und einem Spitzenverfolgungsregler (Peak Tracking Controller). Der selbststeuernde Prozess kann auf dem Kriterium beruhen, insbesondere ein Verändern des Kriteriums in vorgegebener oder gewünschter Weise umfassen. Der selbststeuernde Prozess kann einen vorgegebenen Sollwert oder Sollwertebereich für das Kriterium anstreben. Er kann eine Rückführung eines aktuellen Werts oder Wertebereichs des Kriteriums umfassen sowie ein Bestimmen, wie der Strom verändert werden muss, um eine Annäherung an den Sollwert bzw. Sollwertebereich zu erzielen. Wenn das Anpassen der Strukturschwingung zu einer Veränderung des akustischen Profils führt, kann somit das Anpassen der Strukturschwingung auch als selbstoptimierendes Rauschformen (Self-Optimizing Active Noise Shaping SOANS) bezeichnet werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen.
Figurenliste

1 zeigt schematisch den Signalfluss einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2A bis 2C zeigen die Veränderung eines Dreiphasenwechselstroms in d/q-Darstellung aufgrund des Einspeisens eines elektrischen Signals gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Figure 3A und 3B zeigen die Veränderung des Frequenzspektrums eines Phasenstroms aufgrund des Einspeisens eines elektrischen Signals gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
4A bis 4C zeigen die Veränderung zweier Phasenstromordnungen (mechanische Ordnung) sowie der zugehörigen Motorordnung aufgrund des Einspeisens eines elektrischen Signals gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung
Bevor unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarische Ausführungsformen näher beschrieben werden, werden zuerst einige grundlegende Überlegungen zusammengefasst, auf deren Basis exemplarische Ausführungsformen der Erfindung entwickelt wurden.
Über die sogenannte Active Noise Control oder Active Noise Shaping, ANS, können durch die Einspeisung von Sinussignalen in den Phasenstrom spezifische Motorordnungen eliminiert oder zumindest reduziert werden. Stellgrößen (Parameter) dazu sind die Amplituden und die Phasen der eingespeisten Signale, die für jeden einzelnen Betriebspunkt (Betriebszustand) und Motorordnungen optimiert werden müssen. Die jeweiligen Einstellungen müssen in Kennfelder (Steuertabelle) der Software für die ECU (Steuereinheit) abgespeichert werden. Die Optimierung solcher Kennfelder ist aufwendig und Bauteilschwankungen werden ungenügend berücksichtigt.
Gemäß einer Ausführungsform lassen sich aus den Phasenströmen Kriterien abbilden, die die magnetischen Anregungskräfte von Elektromotoren reduzieren. Zwei Ordnungen der Phasenströme korrespondieren mit einer Ordnung bei der magnetischen Anregung beim Elektromotor. Die Ordnungen der Phasenströme werden, nach Zuschalten eines Signales, durch eine Variation der Amplituden und Phasen über eine Software automatisiert optimiert. Dazu sind Kriterien nötig. Ein Optimierunqskriterium ist z.B. die Anpassung der Amplituden und Phasen vom eingespeisten Signal insoweit, dass sich gleiche oder ähnliche Amplituden der Phasenpaare bei Berücksichtigung der Phasenlage ergeben. Weitere Kriterien sind möglich. Es können verschiedene magnetische Ordnungen an unterschiedlichen Betriebspunkten optimiert werden. Die Parameter sollten über die Software gelernt werden. Als Ergebnis resultieren für die Betriebspunkte und die betrachteten Ordnungen die Parameter Amplituden und Phasen, die in Adaptionskennfelder abgelegt werden und für den schnellen Zugriff zur Verfügung stehen. Es konnte nachgewiesen werden, dass das Verfahren für vorgegebene Betriebspunkte zu einer Verbesserung hinsichtlich akustischer Parameter bzw. Beschleunigungen führt.
Eine solche Ausführungsform kann vorteilhaft sein, weil auf eine aufwändige Kalibrierung verzichtet werden kann, da von der Software eine Adaptierung der Amplitude und Phasenstrom nach den oben genannten Kriterien vorgenommen werden kann. Zudem kann eine individuelle Optimierung für jeden Motor möglich sein, und es kann eine Erhöhung der Robustheit folgen.
Nachfolgend werden anhand der 1 bis 4 Ausführungsformen der Erfindung erläutert.
1 zeigt schematisch den Signalfluss 100 einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. An einer elektrischen Maschine 110 werden über Stromsensoren 130 die Phasenströme i_U, i_V und i_W erfasst, mittels einer Clarke-Transformation 101 in die Ströme i_α, i_β umgewandelt und schließlich mittels einer Park-Transformation 102 in die zeitlich konstanten Ströme i_d, i_q eines rotierenden Koordinatensystems umgewandelt, welches in Abhängigkeit von dem Winkel θ des Rotors der elektrischen Maschine rotiert. Der Winkel θ wird über einen Umwandler 109 aus entsprechenden Sinus- und Cosinussignalen bestimmt, welche mittels eines Winkelsensors 131 an der elektrischen Maschine 110 gemessen werden. Die d/q-Steuereinheit 103 regelt die Ströme i_d, i_q.
Die Steuereinrichtung 120 führt ein Verfahren zum Anpassen einer Strukturschwingung beim Betrieb der elektrischen Maschine 110 durch. Das Verfahren weist ein Erfassen einer Eigenschaft eines Stroms i_d, i_q auf, mit welchem die elektrische Maschine 110 betrieben wird. Ein Kriterium wird ausgewertet, welches sich auf die Eigenschaft bezieht, wobei das Kriterium für die Strukturschwingung indikativ ist. Schließlich wird der Strom i_d, i_q basierend auf dem Kriterium verändert, so dass die Strukturschwingung angepasst wird. Der Strom kann indirekt über die Ausgangsspannung v_d, v_q verändert werden. Er kann direkt auf Modulatorebene und/oder auf Pulsebene eingeprägt werden. Die Steuereinrichtung 120 kann in die d/q-Steuereinheit 103 integriert sein oder separat ausgebildet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das Verfahren direkt den Phasenstrom iu, iv, iw anpassen (in 1 durch die gestrichelte Linie ausgehend von der Steuereinrichtung 120 dargestellt). Beispielsweise kann der Phasenstrom iu, iv, iw neu transformiert, gefiltert und/oder mittels einer sogenannten schnellen Fourier-Transformation (FFT) ausgewertet werden.
Die Steuereinrichtung 120 stellt zum Anpassen der Strukturschwingung ein elektrisches Signal 121 bereit. Beispielsweise kann durch das elektrische Signal 121 die sechste Harmonische in dem d/q-Koordinatensystem hinzugefügt werden mittels einer Multiplikation der Amplitude mit der Funktion sin (6*φ + δ). Dabei kann φ aus dem Rotorwinkel θ abgeleitet werden und δ ist eine Phasenverschiebung.
Allgemein kann die n-te Harmonische mittels einer Multiplikation der Amplitude mit der Funktion sin (n*φ + δ) hinzugefügt werden. Das Hinzufügen der sechsten Harmonischen im d/q-Koordinatensystem beeinflusst die fünfte und siebte Harmonische der Phasenströme. Dadurch können Geräusche gemindert oder zumindest verändert werden, die von diesen Harmonischen verursacht werden. Es können zwei d/q-Transformationen mit beispielsweise einem 5-fachen und 7-fachen Winkel durchgeführt werden.
Das Einspeisen des elektrischen Signals 121 kann der d/q-Steuereinheit 103 vorgeschaltet oder nachgeschaltet sein. Die d/q-Steuereinheit 103 gibt zeitlich konstante Spannungen v_d, v_q in einem rotierenden d/q Koordinatensystem aus. Diese werden mittels einer inversen Park-Transformation 104 in die Spannungen v_α, v_β umgewandelt und anschließend mittels einer inversen Clarke-Transformation 105 in die Spannungen v_U, v_V und v_W umgewandelt. Diese werden anschließend mittels einer Raumzeigermodulation 106 sowie einer komplexen programmierbaren Logikvorrichtung 107 in Steuersignale für einen Vierquadrantensteller 108 umgewandelt, welcher die Spannungen U, V, W bereitstellt, mit welchen die elektrische Maschine 110 betrieben wird. Für die verschiedenen Variablen sind in 1 jeweils beispielhaft zugehörige Signalausprägungen dargestellt.
2A bis 2C zeigen die Veränderung eines Dreiphasenwechselstroms 201 aufgrund des Einspeisens eines elektrischen Signals gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Dargestellt ist der Dreiphasenwechselstrom 201 jeweils im d/q-Koordinatensystem. 2A zeigt den Dreiphasenwechselstrom 201 ohne eingespeistes elektrisches Signal. 2B zeigt den Dreiphasenwechselstrom 201 mit sechster Harmonischer sin (6*φ), die durch ein entsprechendes eingespeistes elektrisches Signal hinzugefügt ist. Deutlich zu erkennen sind die zugehörigen sechs Einbuchtungen im Vergleich mit der kreisförmigen Ausbildung in 2A. 2C schließlich zeigt ebenfalls den Dreiphasenwechselstrom 201 mit sechster Harmonischer sin (6*φ + δ), wobei zusätzlich noch eine Phasenverschiebung δ, hier 3 rad, realisiert ist, die an einer Rotation der Einbuchtungen im Vergleich mit 2B zu erkennen ist.
Das Hinzufügen der sechsten Harmonischen in der ausgegebenen Spannung kann zu Stromoszillationen innerhalb der Maschinensteuerung führen. Weil die Störung jedoch explizit eingeführt wurde, lässt sich darauf reagieren und diese fast vollständig beheben. Bei Spannungsbegrenzung ist dies jedoch nicht möglich, wenn keine zusätzliche Spannungsreserve für das Active Noise Shaping vorhanden ist.
3A und 3B zeigen die Veränderung des Frequenzspektrums eines Phasenstroms aufgrund des Einspeisens eines elektrischen Signals gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das abgebildete Frequenzspektrum beruht auf einer Fourier-Analyse der entsprechenden zeitlichen Abhängigkeiten. Dargestellt ist die Amplitude A in logarithmischer Skala in Abhängigkeit der Frequenz f. Die größte Amplitude weist jeweils die erste Phasenstromordnung 301 auf, welche zu der Drehzahl der elektrischen Maschine korrespondiert. Abgebildet sind zudem jeweils die dritte Phasenstromordnung 302, die fünfte Phasenstromordnung 303, die siebte Phasenstromordnung 304, die elfte Phasenstromordnung 305 und die dreizehnte Phasenstromordnung 306.
3A zeigt das Frequenzspektrum ohne Einspeisen eines elektrischen Signals zum Anpassen der Strukturschwingung, d.h. ohne Hinzufügen der sechsten Harmonischen wie weiter oben beschrieben. Hier haben die fünfte Phasenordnung 303 und die siebte Phasenordnung 304 erheblich abweichende Amplituden. Dagegen zeigt 3B das Frequenzspektrum mit Einspeisen des elektrischen Signals, also mit Hinzufügen der sechsten Harmonischen. Hier haben die fünfte Phasenordnung 303 und die siebte Phasenordnung 304 annähernd gleiche Amplituden, zumindest bezogen auf den Betrag der Amplituden. Anders gesagt ist das Verhältnis der Amplituden in 3B nahe eins, in 3A weicht es erheblich von eins ab. Die Amplituden sind in 3B zudem um ca. einen Faktor zehn größer im Vergleich mit dem Frequenzspektrum von 3A.
4A bis 4C zeigen die Veränderung zweier Phasenstromordnungen (mechanische Ordnung) sowie der zugehörigen Motorordnung aufgrund des Einspeisens eines elektrischen Signals gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
In 4A und 4B sind jeweils die Amplituden (RMS) A und Phasen φ der 20ten Phasenstromordnung 401 (mechanische Ordnung, Polpaarzahl berücksichtigt) und 28ten Phasenstromordnung 402 (mechanische Ordnung, Polpaarzahl berücksichtigt) in Abhängigkeit von der Drehzahl rpm dargestellt. Dabei entsprechen die 20te und 28te Phasenstromordnung 401, 402 aus 4A und 4B der fünften bzw. siebten Phasenstromordnung 303, 304 aus 3A und 3B. Diese Phasenstromordnungen sind lediglich in unterschiedlichen Bezugssystemen dargestellt, wobei sich der Multiplikator vier aufgrund der Motorpolpaarzahl ergibt. 4A zeigt die Phasenströme ohne Einspeisen eines elektrischen Signals, d.h. ohne Active Noise Shaping. 4B zeigt die Phasenströme mit Einspeisen eines elektrischen Signals, d.h. mit Active Noise Shaping. Zu sehen ist ein Annähern der Amplituden der beiden Phasenstromordnungen 401, 402 durch das Einspeisen des elektrischen Signals, insbesondere im Bereich des Punktes 421 von 800 rpm, für den die Kalibrierung des elektrischen Signals optimiert ist. Außerdem sind die Amplituden der beiden Phasenstromordnungen 401, 402 durch das Einspeisen des elektrischen Signals vergrößert. Generell zeigt sich ein Angleichen bzw. Harmonisieren der Amplituden und Phasen der beiden Phasenstromordnungen 401, 402 durch das Einspeisen des elektrischen Signals.
4C zeigt schließlich die zu der 20ten und der 28ten Phasenstromordnung (mechanische Ordnung, Polpaarzahl berücksichtigt) zugehörige 24te Motorordnung 411, 412. Dargestellt ist die gemessene Schwingungsamplitude A der24ten Motorordnung in Dezibel in Abhängigkeit von der Drehzahl rpm. 4C vergleicht die 24te Motorordnung 411 mit Einspeisen des elektrischen Signals bzw. mit Active Noise Shaping und die 24te Motorordnung 412 ohne Einspeisen des elektrischen Signals bzw. ohne Active Noise Shaping. Zu sehen ist eine deutliche Verringerung der Amplitude durch das Einspeisen, insbesondere im Bereich des Optimierungspunkts 421 von 800 rpm, wo die Amplitude von 104 auf 90 Dezibel verkleinert ist.
Bezugszeichenliste

100: Signalfluss
101: Clarke-Transformation
102: Park-Transformation
103: d/q-Steuereinheit
104: inverse Park-Transformation
105: inverse Clarke-Transformation
106: Raumzeigermodulation (Space Vector PWM)
107: komplexe programmierbare Logikvorrichtung (CPLD)
108: Vierquadrantensteller
109: Umwandler
110: elektrische Maschine
120: Steuereinrichtung
121: elektrisches Signal
130: Stromsensor
131: Winkelsensor
201: Dreiphasenwechselstrom (in zeitlich rotierender Raumzeigerdarstellung)
301: erste Phasenstromordnung
302: dritte Phasenstromordnung
303: fünfte Phasenstromordnung
304: siebte Phasenstromordnung
305: elfte Phasenstromordnung
306: dreizehnte Phasenstromordnung
401: 20te Phasenstromordnung (mechanische Ordnung)
402: 28te Phasenstromordnung (mechanische Ordnung)
411: 24te Motorordnung, angepasst
412: 24te Motorordnung, nicht angepasst
421: Optimierungspunkt

Claims

Ein Verfahren zum Anpassen einer Strukturschwingung (411, 412) beim Betrieb einer elektrischen Maschine (110), das Verfahren aufweisend Erfassen einer Eigenschaft (301, 302, 303, 304, 305, 306, 401, 402) eines Stroms (201), mit welchem die elektrische Maschine (110) betrieben wird; Auswerten eines Kriteriums, welches sich auf die Eigenschaft (301, 302, 303, 304, 305, 306, 401, 402) bezieht, wobei das Kriterium für die Strukturschwingung (411, 412) indikativ ist; und Verändern des Stroms (201) basierend auf dem Kriterium, so dass die Strukturschwingung (411, 412) angepasst wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Verändern des Stroms (201) ein akustisches Signal verändert, welches durch die Strukturschwingung (411, 412) verursacht wird.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verändern des Stroms (201) aufweist Bestimmen eines Parameters basierend auf dem Kriterium; und Verändern des Stroms (201) basierend auf dem Parameter.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei das Verändern des Stroms (201) ferner aufweist Abspeichern des Parameters in einer Steuertabelle in einem Datenspeicher, wobei die Steuertabelle eine Vielzahl von Parametern enthält, die unterschiedlichen Betriebszuständen der elektrischen Maschine (110) und/oder unterschiedlichen Motorordnungen (411, 412) zugeordnet sind.
Das Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei der Betriebszustand der elektrischen Maschine (110) zumindest teilweise bestimmt ist durch zumindest eines von einer Drehzahl der elektrischen Maschine (110), einem Drehmoment der elektrischen Maschine (110), einer Umgebungstemperatur, einer Batteriespannung und einer Betriebsdauer der elektrischen Maschine (110).
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Parameter ein dynamischer Parameter ist, welcher beim Betrieb der elektrischen Maschine (110) angepasst wird.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das Verändern des Stroms (201) basierend auf dem Parameter aufweist Einspeisen eines elektrischen Signals (121) in den Strom (201), wobei das elektrische Signal (121) durch den Parameter zumindest teilweise bestimmt ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei der Parameter zumindest eines von einer Frequenz, einer Amplitude und einer Phase des elektrischen Signals (121) aufweist.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei das Einspeisen des elektrischen Signals (121) nach einer Transformation des Stroms (101, 102) erfolgt, insbesondere nach einer Clarke-Transformation (101) und/oder einer Park-Transformation (102).
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strom (201) zumindest zwei Phasenströme aufweist und das Kriterium auf einem Vergleich der zumindest zwei Phasenströme basiert.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strom (201) zumindest einen Phasenstrom aufweist und das Kriterium auf einem Vergleich zweier Ordnungen (301, 302, 303, 304, 305, 306, 401, 402) des zumindest einen Phasenstroms basiert, wobei die Ordnungen (301, 302, 303, 304, 305, 306, 401, 402) Vielfache einer Grundfrequenz des Phasenstroms sind.
Das Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei der zumindest eine Phasenstrom derart verändert wird, dass sich das Verhältnis der Amplituden der beiden Ordnungen (301, 302, 303, 304, 305, 306, 401, 402) an einen vorgegebenen Wert annähert, insbesondere an eins.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Auswerten des Kriteriums aufweist Erfassen eines Sensorsignals eines Sensors, wobei das Sensorsignal indikativ ist für die Strukturschwingung (411, 412) der elektrischen Maschine (110), wobei sich das Kriterium auf das Sensorsignal bezieht.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anpassen der Strukturschwingung (411, 412) einen selbststeuernden Prozess beinhaltet, insbesondere zumindest eines von einem maschinellen Lernen, einem iterativen Optimierungsprozess und einem Regelkreis.
Eine Steuereinrichtung (120), welche konfiguriert ist, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 durchzuführen.