DE102020214644A1 - Method and device for controlling an electrical machine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer elektrischen Maschine (30), wobei das Regeln der elektrischen Maschine (30) mittels einer drehgeberlosen Regelung erfolgt, wobei hierzu ein elektrischer Rotorlagewinkel (11) geschätzt wird, wobei der elektrische Rotorlagewinkel (11) unterhalb einer vorgegebenen Drehzahl der elektrischen Maschine (30) mittels eines ersten Beobachters (6-1) und bei Erreichen oder oberhalb der vorgegebenen Drehzahl mittels eines zweiten Beobachters (6-2) geschätzt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (1) zum Regeln einer elektrischen Maschine (30), umfassend eine Regeleinrichtung (2), wobei die Regeleinrichtung (2) dazu eingerichtet ist, das Regeln der elektrischen Maschine (30) mittels einer drehgeberlosen Regelung durchzuführen, und hierzu einen elektrischen Rotorlagewinkel (11) zu schätzen, wobei der elektrische Rotorlagewinkel (11) unterhalb einer vorgegebenen Drehzahl der elektrischen Maschine (30) mittels eines ersten Beobachters (6-1) und bei Erreichen oder oberhalb der vorgegebenen Drehzahl mittels eines zweiten Beobachters (6-2) geschätzt wird.The invention relates to a method for controlling an electrical machine (30), the electrical machine (30) being controlled by means of a rotary encoder-free control system, an electrical rotor position angle (11) being estimated for this purpose, the electrical rotor position angle (11) being below a predetermined The speed of the electrical machine (30) is estimated by a first observer (6-1) and when the specified speed is reached or exceeded by a second observer (6-2). The invention also relates to a device (1) for controlling an electrical machine (30), comprising a control device (2), the control device (2) being set up to regulate the electrical machine (30) by means of a rotary encoder-free control, and estimating an electrical rotor position angle (11) for this purpose, the electrical rotor position angle (11) being measured below a specified speed of the electrical machine (30) by a first observer (6-1) and when the specified speed is reached or exceeded by a second observer (6 -2) is estimated.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln einer elektrischen Maschine.The invention relates to a method and a device for controlling an electrical machine.

Es ist bekannt, elektrische Maschinen mittels einer drehgeberlosen Regelung zu regeln. Hierbei wird in der Regelstrecke auf ein Erfassen eines Rotorlagewinkels mittels eines Sensors verzichtet und der Rotorlagewinkel wird hingegen aus erfassten Strangströmen geschätzt. Durch den Verzicht auf den Sensor können Bauraum und Kosten eingespart werden.It is known to control electrical machines by means of a control system without a rotary encoder. In this case, in the controlled system, a rotor position angle is not detected by means of a sensor and the rotor position angle, on the other hand, is estimated from detected phase currents. By doing without the sensor, installation space and costs can be saved.

Im unteren Drehzahlbereich der elektrischen Maschine ist das Schätzen des Rotorlagewinkels derzeit jedoch nur unbefriedigend gelöst.In the lower speed range of the electric machine, however, the estimation of the rotor position angle is currently only unsatisfactorily solved.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln einer elektrischen Maschine zu schaffen, mit denen eine Rotorlagewinkel insbesondere im unteren Drehzahlbereich der elektrischen Maschine verbessert geschätzt werden kann.The invention is based on the object of creating a method and a device for controlling an electrical machine, with which a rotor position angle can be better estimated, particularly in the lower speed range of the electrical machine.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object is achieved according to the invention by a method having the features of patent claim 1 and a device having the features of patent claim 10 . Advantageous configurations of the invention result from the dependent claims.

Insbesondere wird ein Verfahren zum Regeln einer elektrischen Maschine zur Verfügung gestellt, wobei das Regeln der elektrischen Maschine mittels einer drehgeberlosen Regelung erfolgt, wobei hierzu ein elektrischer Rotorlagewinkel geschätzt wird, wobei der elektrische Rotorlagewinkel unterhalb einer vorgegebenen Drehzahl der elektrischen Maschine mittels eines ersten Beobachters und bei Erreichen oder oberhalb der vorgegebenen Drehzahl mittels eines zweiten Beobachters geschätzt wird.In particular, a method for controlling an electric machine is provided, the electric machine being controlled by means of an encoder-less control system, for which purpose an electric rotor position angle is estimated, the electric rotor position angle being below a specified speed of the electric machine by means of a first observer and at Reaching or above the predetermined speed is estimated by a second observer.

Ferner wird insbesondere eine Vorrichtung zum Regeln einer elektrischen Maschine geschaffen, umfassend eine Regeleinrichtung, wobei die Regeleinrichtung dazu eingerichtet ist, das Regeln der elektrischen Maschine mittels einer drehgeberlosen Regelung durchzuführen, und hierzu einen elektrischen Rotorlagewinkel zu schätzen, wobei der elektrische Rotorlagewinkel unterhalb einer vorgegebenen Drehzahl der elektrischen Maschine mittels eines ersten Beobachters und bei Erreichen oder oberhalb der vorgegebenen Drehzahl mittels eines zweiten Beobachters geschätzt wird.Furthermore, in particular a device for controlling an electrical machine is created, comprising a control device, wherein the control device is set up to regulate the electrical machine by means of a rotary encoder-less control, and to estimate an electrical rotor position angle, the electrical rotor position angle below a predetermined speed of the electrical machine is estimated by a first observer and when the specified speed is reached or exceeded by a second observer.

Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen es, für unterschiedliche Drehzahlen unterschiedliche Beobachter und Verfahren zum Schätzen des elektrischen Rotorlagewinkels zu verwenden. Hierdurch können der jeweils verwendete Beobachter bzw. das Verfahren auf einen jeweiligen Drehzahlbereich und ein Verhalten der elektrischen Maschine innerhalb des Drehzahlbereichs abgestimmt werden. Ebenso kann ein Schätzverfahren angepasst werden, um beispielsweise andere physikalische und/oder elektrische Effekte ausnutzen zu können, um den elektrischen Rotorlagewinkel zu schätzen. Insgesamt kann das Schätzen des elektrischen Rotorlagewinkels hierdurch, insbesondere in einem unteren Drehzahlbereich, verbessert werden.The method and the device make it possible to use different observers and methods for estimating the electrical rotor position angle for different speeds. As a result, the observer used in each case or the method can be matched to a particular speed range and a behavior of the electric machine within the speed range. An estimation method can also be adapted in order to be able to use other physical and/or electrical effects, for example, in order to estimate the electrical rotor position angle. Overall, the estimation of the electrical rotor position angle can be improved as a result, in particular in a lower speed range.

Das Verfahren und die Vorrichtung zum Regeln der elektrischen Maschine regeln insbesondere ein Drehmoment der elektrischen Maschine.The method and the device for controlling the electric machine control in particular a torque of the electric machine.

Insbesondere ist vorgesehen, dass ausgehend von mittels Stromsensoren erfassten Strangströmen an Strängen, die die elektrische Maschine speisen, eine aktuelle Drehzahl der elektrischen Maschine bestimmt wird. Die bestimmte Drehzahl wird beispielsweise mittels einer Steuereinrichtung oder Recheneinrichtung der Vorrichtung mit der vorgegebenen Drehzahl verglichen. In Abhängigkeit eines Vergleichsergebnisses wird dann der erste Beobachter oder der zweite Beobachter zum Schätzen des Rotorlagewinkels von der Steuereinrichtung oder Recheneinrichtung aktiviert.In particular, it is provided that a current rotational speed of the electrical machine is determined on the basis of phase currents detected by means of current sensors in phases that feed the electrical machine. The speed determined is compared with the specified speed, for example by means of a control device or computing device of the device. Depending on a comparison result, the first observer or the second observer is then activated by the control device or the computing device to estimate the rotor position angle.

Ein Beobachter ist insbesondere ein regelungstechnischer Beobachter (engl. state observer), der ausgehend von einem Modell der elektrischen Maschine einen Zustand der elektrischen Maschine schätzt. Der geschätzte Zustand der elektrischen Maschine wird mit einem Istzustand der elektrischen Maschine verglichen und bei Abweichungen wird mindestens ein Parameter des Modells so lange angepasst, bis der geschätzte Zustand und der Istzustand wieder übereinstimmen. Ein hierbei angepasster Parameter ist insbesondere der elektrische Rotorlagewinkel oder eine Größe, aus der der elektrische Rotorlagewinkel abgeleitet werden kann.An observer is in particular a control engineering observer (state observer) who estimates a state of the electrical machine based on a model of the electrical machine. The estimated state of the electrical machine is compared to an actual state of the electrical machine and, if there are discrepancies, at least one parameter of the model is adjusted until the estimated state and the actual state match again. A parameter adapted here is in particular the electrical rotor position angle or a variable from which the electrical rotor position angle can be derived.

Die Vorrichtung kann neben der Regeleinrichtung eine Modulationssteuerung eines Antriebsstromrichters aufweisen, die beispielsweise zum Ansteuern von Leistungshalbleitern mittels pulsdauermodulierten Spannungen dient.In addition to the control device, the device can have a modulation control of a drive converter, which is used, for example, to control power semiconductors by means of pulse duration modulated voltages.

Teile der Vorrichtung, insbesondere die Regeleinrichtung, können einzeln oder zusammengefasst als eine Kombination von Hardware und Software ausgebildet sein, beispielsweise als Programmcode, der auf einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass Teile einzeln oder zusammengefasst als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) ausgebildet sind.Parts of the device, in particular the control device, can be designed individually or combined as a combination of hardware and software, for example as program code that runs on a microcontroller or microprocessor. However, it can also be provided that parts are designed individually or combined as an application-specific integrated circuit (ASIC).

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Beobachter mittels mindestens eines feldprogrammierbaren Gatterfelds bereitgestellt werden, wobei das feldprogrammierbare Gatterfeld unterhalb einer vorgegebenen Drehzahl auf das Bereitstellen des ersten Beobachters konfiguriert ist oder konfiguriert wird und bei Erreichen oder oberhalb der vorgegebenen Drehzahl auf das Bereitstellen des zweiten Beobachters konfiguriert ist oder konfiguriert wird. Hierdurch können Hardwareressourcen eingespart werden. Darüber hinaus ermöglicht ein feldprogrammierbares Gatterfeld eine hochfrequente Signalerfassung und Signalverarbeitung. Hochfrequent soll hierbei insbesondere bedeuten, dass ein zugehöriger Frequenzbereich oberhalb einer Modulationsfrequenz einer Pulsdauermodulation eines Antriebsstromrichters liegt. Insbesondere bezeichnet hochfrequent eine um einen Faktor 5, bevorzugt um einen Faktor 10, besonders bevorzugt um einen Faktor 50 größere Frequenz im Vergleich zu der Modulationsfrequenz. Ist eine Modulationsfrequenz beispielswiese 20 kHz, so ist eine Frequenz der Signalerfassung und Signalverarbeitung des feldprogrammierbaren Gatterfeldes beispielsweise 1 MHz. Da eine Dauer für das Umkonfigurieren des feldprogrammierbaren Gatterfeldes im Bereich von Mikro- bis Millisekunden liegt, hat das Umkonfigurieren keinen Einfluss auf die elektrische Maschine, sodass der Wechsel zwischen dem ersten Beobachter und dem zweiten Beobachter von Nutzern der elektrischen Maschine beim Regeln nicht wahrgenommen wird. Insbesondere umfasst die Regeleinrichtung das mindestens eine feldprogrammierbare Gatterfeld.In one embodiment, it is provided that the observers are provided by means of at least one field-programmable gate array, the field-programmable gate array being configured or being configured to provide the first observer below a specified speed and to provide the second observer when the specified speed is reached or above is or will be configured. Hardware resources can be saved as a result. In addition, a field-programmable gate array enables high-frequency signal acquisition and signal processing. In this case, high-frequency should mean in particular that an associated frequency range is above a modulation frequency of a pulse duration modulation of a drive converter. In particular, high frequency refers to a frequency that is higher by a factor of 5, preferably by a factor of 10, particularly preferably by a factor of 50, compared to the modulation frequency. If a modulation frequency is 20 kHz, for example, then a frequency of the signal detection and signal processing of the field-programmable gate array is 1 MHz, for example. Since the time for reconfiguring the field-programmable gate field is in the range of microseconds to milliseconds, the reconfiguration has no effect on the electric machine, so that the change between the first observer and the second observer is not perceived by users of the electric machine when controlling. In particular, the control device includes the at least one field-programmable gate array.

Durch die parallele Signalverarbeitung eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes kann dieses mit Vorteil hochfrequent (~MHz) abgetastete Größen verarbeiten. Durch die hochfrequente Abtastung lassen sich Abtast- bzw. Aliasing-Effekte als Störgrößen im Signal reduzieren. Eventuelle Rauschanteile der Sensorik können im feldprogrammierbaren Gatterfeld digital gefiltert werden, sodass ein sehr großes Signal-zu-Rausch-Verhältnis für die digitale Weiterverarbeitung bereitgestellt werden kann. Im Vergleich dazu ist ein Mikrocontroller (z.B. DSP) deutlich weniger geeignet, um hochfrequente Signale zu verarbeiten, da die erfassten Werte des DSP jeweils vom erfassenden internen Analog-Digital-Wandler (ADC) zum Prozessorkern transportiert und verarbeitet werden müssen, was zu signallaufzeitbedingten und vorverarbeitungsbedingten Verzögerungen beim Auswerten führt. Bei einem feldprogrammierbaren Gatterfeld stehen die erfassten Werte des ADC den Logikeinheiten stattdessen unmittelbar, das heißt in Echtzeit, zur Verfügung. Auch können mit feldprogrammierbaren Gatterfeldern kostengünstige ADCs ohne weitere Maßnahmen ausgewertet werden, welche einen hochfrequenten digitalen Datenstrom (Bitstrom) erzeugen können, z.B. Delta-Sigma Wandler. Insgesamt kann der elektrische Rotorlagewinkel hierdurch verbessert geschätzt werden.Due to the parallel signal processing of a field-programmable gate array, this can advantageously process high-frequency (~MHz) sampled quantities. Due to the high-frequency sampling, sampling or aliasing effects can be reduced as disturbance variables in the signal. Any noise components of the sensors can be digitally filtered in the field-programmable gate array, so that a very high signal-to-noise ratio can be provided for further digital processing. In comparison, a microcontroller (e.g. DSP) is significantly less suitable for processing high-frequency signals, since the recorded values of the DSP have to be transported and processed by the internal analog-to-digital converter (ADC) to the processor core, which leads to propagation delay-related and preprocessing-related delays in evaluation. With a field-programmable gate array, the sensed values of the ADC are instead available to the logic units immediately, that is, in real time. Inexpensive ADCs that can generate a high-frequency digital data stream (bit stream), e.g. delta-sigma converters, can also be evaluated with field-programmable gate arrays without further measures. Overall, the electrical rotor position angle can be better estimated as a result.

Das feldprogrammierbare Gatterfeld ist insbesondere ein zur Laufzeit partiell (d.h. teilweise) umkonfigurierbares feldprogrammierbares Gatterfeld. Das Umkonfigurieren erfolgt insbesondere im Wege der partiellen Umkonfiguration, bei der nur ein Teil des Gatterfeldes zur Laufzeit umkonfiguriert bzw. umprogrammiert wird, andere Teile des Gatterfeldes jedoch ihre jeweilige Konfiguration bzw. Programmierung beibehalten. Das Umkonfigurieren wird insbesondere mittels einer Konfigurationssteuerung durchgeführt, welche das Umkonfigurieren durchführt und überwacht. Die Konfigurationssteuerung kann auch mittels der Regeleinrichtung oder einer gesonderten Steuereinrichtung der Vorrichtung bereitgestellt werden. Zum Umkonfigurieren des mindestens einen feldprogrammierbaren Gatterfelds können insbesondere Verfahren zur automatischen Codegenerierung eingesetzt werden, wie beispielsweise der „Xilinx System Generator for DSP“, welcher sowohl eine Quellcode-Modellierung als auch eine Funktionsanalyse automatisiert durchführen kann. Der „System Generator for DSP“ ermöglicht beispielsweise die Modellierung von FPGA-Funktionen in einer Matlab Simulink-Umgebung, sodass die Eigenschaften gegenüber weiteren Simulink-Funktionsblöcken getestet werden können. Durch die automatische Codegenerierung kann sichergestellt werden, dass sich das feldprogrammierbare Gatterfeld identisch zur Simulink-Modellierung verhält.In particular, the field-programmable gate array is a run-time partially (i.e., partially) reconfigurable field-programmable gate array. The reconfiguration takes place in particular by way of partial reconfiguration, in which only part of the gate array is reconfigured or reprogrammed at runtime, but other parts of the gate array retain their respective configuration or programming. The reconfiguration is carried out in particular by means of a configuration controller, which carries out and monitors the reconfiguration. The configuration control can also be provided by means of the control device or a separate control device of the device. Methods for automatic code generation can be used to reconfigure the at least one field-programmable gate field, such as the “Xilinx System Generator for DSP”, which can automatically carry out both source code modeling and a functional analysis. For example, the "System Generator for DSP" enables the modeling of FPGA functions in a Matlab Simulink environment so that the properties can be tested against other Simulink function blocks. The automatic code generation ensures that the field-programmable gate array behaves identically to Simulink modeling.

Eine Konfiguration eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes umfasst insbesondere Anweisungen, mit denen das feldprogrammierbare Gatterfeld derart programmiert werden kann, dass mittels des programmierten (bzw. konfigurierten oder umkonfigurierten) Teils des feldprogrammierbaren Gatterfeldes eine bestimmte Funktionalität zur Datenverarbeitung bereitgestellt werden kann. Eine solche Funktionalität umfasst vorliegend das drehzahlabhängige Bereitstellen des ersten Beobachters und des zweiten Beobachters.A configuration of a field-programmable gate array includes in particular instructions with which the field-programmable gate array can be programmed such that by means of the programmed (or configured or reconfigured) part of the field-programmable gate array a specific Functionality for data processing can be provided. In the present case, such a functionality includes the speed-dependent provision of the first observer and the second observer.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass mittels des ersten Beobachters der elektrische Rotorlagewinkel über eine Abhängigkeit der Induktivitätsmatrix der elektrischen Maschine von dem elektrischen Rotorlagewinkel geschätzt wird, wobei hierzu mindestens einem die elektrische Maschine speisenden Strang ein hochfrequentes Spannungssignal aufgeprägt wird und eine resultierende hochfrequente Stromantwort erfasst und ausgewertet wird. Hierdurch lässt sich der elektrische Rotorlagewinkel im unteren Drehzahlbereich unterhalb der vorgegebenen Drehzahl verbessert schätzen, da dort ansonsten üblicherweise verwendete Verfahren, bei denen insbesondere eine Spannungsinduktion im Stator ausgewertet wird, nur unzureichend funktionieren. Das hochfrequente Spannungssignal ist beispielsweise breitbandig ausgebildet, sodass ebenfalls eine breitbandige Stromantwort hervorgerufen wird.In one embodiment, it is provided that the electrical rotor position angle is estimated by means of the first observer via a dependency of the inductance matrix of the electrical machine on the electrical rotor position angle, with a high-frequency voltage signal being impressed on at least one phase feeding the electrical machine and a resulting high-frequency current response being recorded and is evaluated. As a result, the electrical rotor position angle can be better estimated in the lower speed range below the specified speed, since otherwise commonly used methods, in which in particular a voltage induction in the stator is evaluated, only work inadequately there. The high-frequency voltage signal is broadband, for example, so that a broadband current response is also generated.

Ist die elektrische Maschine beispielsweise als Permanentmagnet-Synchronmaschine ausgebildet, so ergibt sich das folgende Modell der elektrischen Maschine in aß-Koordinaten: ( u α u β ) = R ( i α i β ) + d d t ( ( L ( 1 0 0 1 ) + Δ L ( cos ( 2 γ e l ) sin ( 2 γ e l ) sin ( 2 γ e l ) cos ( 2 γ e l ) ) ) ( i α i β ) ) + d d t ψ P M ( cos ( 2 γ e l ) sin ( 2 γ e l ) )

Figure DE102020214644A1_0001
mit L = L d + L q 2 und Δ L = L d L q 2 und L α β = ( L ( 1 0 0 1 ) + Δ L ( c o s ( 2 γ e l ) s i n ( 2 γ e l ) s i n ( 2 γ e l ) c o s ( 2 γ e l ) ) )
Figure DE102020214644A1_0002
If the electrical machine is designed as a permanent magnet synchronous machine, for example, the following model of the electrical machine results in ß coordinates: ( and a and β ) = R ( i a i β ) + i.e i.e t ( ( L ( 1 0 0 1 ) + Δ L ( cos ( 2 g e l ) sin ( 2 g e l ) sin ( 2 g e l ) cos ( 2 g e l ) ) ) ( i a i β ) ) + i.e i.e t ψ P M ( cos ( 2 g e l ) sin ( 2 g e l ) )
Figure DE102020214644A1_0001
With L = L i.e + L q 2 and Δ L = L i.e L q 2 and L a β = ( L ( 1 0 0 1 ) + Δ L ( c O s ( 2 g e l ) s i n ( 2 g e l ) s i n ( 2 g e l ) c O s ( 2 g e l ) ) )
Figure DE102020214644A1_0002

Hierbei bezeichnen uα und uβ die Spannungen und iα und iβ die Ströme an der elektrischen Maschine in statorfesten Koordinaten. Ld und Lq bezeichnen die Induktivitäten der elektrischen Maschine in rotorfesten Koordinaten und γel bezeichnet den elektrischen Rotorlagewinkel. ΨPM bezeichnet die Flussverkettung der elektrischen Maschine.In this case, u α and u β denote the voltages and i α and i β the currents in the electrical machine in coordinates fixed to the stator. L d and L q designate the inductances of the electrical machine in coordinates fixed to the rotor and γ el designates the electrical rotor position angle. Ψ PM designates the flux linkage of the electrical machine.

Nach einer Transformation in geschätzte d̂q̂-Koordinaten, bei der von einem kleinen Fehler γer = γel - γ̂el ausgegangen wird, ergibt sich mit einer Drehzahl ωel: ( u d ^ u q ^ ) = R ( i d ^ i q ^ ) + ω ^ e l ( ( 0 L q L d 0 ) + Δ L ( 2 γ e r 0 0 2 γ e r ) ) ( i d ^ i q ^ ) + d d t ( ( ( L d 0 0 L q ) + Δ L ( 0 2 γ e r 2 γ e r 0 ) ) ( i d ^ i q ^ ) ) + ω e l ψ P M ( γ e r 1 )

Figure DE102020214644A1_0003
wobei L d ^ q ^ = ( ( L d 0 0 L q ) + Δ L ( 0 2 γ e r 2 γ e r 0 ) )
Figure DE102020214644A1_0004
After a transformation into estimated d̂q̂ coordinates, which assumes a small error γ er = γ el - γ̂ el , the result with a speed ω el is: ( and i.e ^ and q ^ ) = R ( i i.e ^ i q ^ ) + ω ^ e l ( ( 0 L q L i.e 0 ) + Δ L ( 2 g e right 0 0 2 g e right ) ) ( i i.e ^ i q ^ ) + i.e i.e t ( ( ( L i.e 0 0 L q ) + Δ L ( 0 2 g e right 2 g e right 0 ) ) ( i i.e ^ i q ^ ) ) + ω e l ψ P M ( g e right 1 )
Figure DE102020214644A1_0003
whereby L i.e ^ q ^ = ( ( L i.e 0 0 L q ) + Δ L ( 0 2 g e right 2 g e right 0 ) )
Figure DE102020214644A1_0004

Über die Abhängigkeit der Induktivitätsmatrix Ld̂q̂, von γer lässt sich dann der Rotorlagewinkel über γer schätzen, indem mittels des ersten Beobachters insbesondere Ströme und Stromsteigungen ausgewertet werden, die in der durch das hochfrequente Spannungssignal hervorgerufenen Stromantwort enthalten sind. Durch Vergleichen einer mittels der obigen Gleichung ermittelten idealen Stromantwort mit der erfassten Stromantwort lässt sich der Wert für γer und hierüber der elektrische Rotorlagewinkel schätzen. Insbesondere wird das Modell der elektrischen Maschine dann so lange angepasst, bis die ideale Stromantwort der real erfassten Stromantwort entspricht. Als Modellparameter wird dann insbesondere γer angepasst und kann nach erfolgreicher Angleichung der idealen Stromantwort an die erfasste Stromantwort ausgelesen werden. Das Anpassen kann beispielsweise mittels des Newtonverfahrens oder mittels des Gradientenabstiegsverfahrens in an sich bekannter Weise erfolgen. Anders ausgedrückt wird insbesondere ein durch γer ausgedrückter Vorhersagefehler eines Stromanstiegs durch den Beobachter angepasst.The rotor position angle can then be estimated via γ er via the dependence of the inductance matrix L d̂q ̂, on γ er , in that the first observer is used to evaluate in particular currents and current gradients that are contained in the current response caused by the high-frequency voltage signal. By comparing an ideal current response determined using the above equation with the detected current response, the value for γ er and, via this, the electrical rotor position angle can be estimated. In particular, the model of the electrical machine is then adjusted until the ideal current response corresponds to the actually recorded current response. γ er in particular is then adapted as a model parameter and can be read out after the ideal current response has been successfully matched to the detected current response. The adaptation can take place, for example, by means of the Newton method or by means of the gradient descent method in a manner known per se. In other words, in particular, a prediction error of a current increase expressed by γ er is adjusted by the observer.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass mittels des zweiten Beobachters der elektrische Rotorlagewinkel durch Auswerten einer Spannungsinduktion im Stator der elektrischen Maschine geschätzt wird. Hierdurch kann in einem Drehzahlbereich, der mit der vorgegebenen Drehzahl beginnt und sich oberhalb von dieser erstreckt, der Rotorlagewinkel zuverlässig bestimmt werden. In diesem Drehzahlbereich dominiert insbesondere der letzte Term in den vorgenannten Gleichungen des Modells, sodass hierüber der elektrische Rotorlagewinkel zuverlässig bestimmt werden kann. Die Rotorlagewinkelschätzung erfolgt hier ebenfalls durch das Auswerten von Vorhersagefehlern des zweiten Beobachters im Vergleich zu einer gemessenen Stromantwort. Um den vorgenannten letzten Term der Gleichung zu schätzen, wird die Bildung des Gradienten bezüglich der Auswertung des Gradientenabstiegsverfahrens angepasst.In one embodiment it is provided that the electrical rotor position angle is estimated by evaluating a voltage induction in the stator of the electrical machine by means of the second observer. As a result, the rotor position angle can be reliably determined in a speed range that begins with the specified speed and extends above it. In this speed range, the last term in the above-mentioned equations of the model in particular dominates, so that the electrical rotor position angle can be reliably determined here. The rotor position angle estimation takes place here also by evaluating the second observer's prediction errors in comparison to a measured current response. In order to estimate the aforementioned last term of the equation, the formation of the gradient is adjusted with respect to the evaluation of the gradient descent method.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens einer der Beobachter mittels eines Maschinenlernverfahrens bereitgestellt wird oder mindestens ein Maschinenlernverfahren umfasst. Beispielsweise kann das Maschinenlernverfahren ein trainiertes künstliches Neuronales Netz sein. Es können grundsätzlich aber auch andere Verfahren eingesetzt werden.In one embodiment it is provided that at least one of the observers is provided by means of a machine learning method or comprises at least one machine learning method. For example, the machine learning method can be a trained artificial neural network. In principle, however, other methods can also be used.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass beim Schätzen des elektrischen Rotorlagewinkels mindestens ein drehzahlabhängiger Korrekturterm verwendet wird. Hierdurch können zusätzlich auch parasitäre Effekte berücksichtigt werden. Dieser Korrekturterm umfasst beispielsweise Oberharmonische in Bezug auf die Induktivitätsmatrix der Maschine.One embodiment provides that at least one speed-dependent correction term is used when estimating the electrical rotor position angle. In this way, parasitic effects can also be taken into account. This correction term includes, for example, harmonics related to the inductance matrix of the machine.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens ein weiterer Beobachter für mindestens einen weiteren Drehzahlbereich zum Schätzen des elektrischen Rotorlagewinkels verwendet wird. Hierdurch kann ein Betriebsbereich der elektrischen Maschine in weitere Drehzahlbereiche aufgeteilt werden, die mit jeweils für einen Drehzahlbereich optimierten Beobachtern ausgewertet werden.In one embodiment, it is provided that at least one additional observer is used for at least one additional speed range to estimate the electrical rotor position angle. As a result, an operating range of the electric machine can be divided into further speed ranges, which are evaluated with observers that are optimized for a speed range.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine eine Permanentmagnet-Synchronmaschine ist.In one embodiment it is provided that the electrical machine is a permanent magnet synchronous machine.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine eine Drehstrom-Asynchronmaschine ist. Im Vergleich zur Synchronmaschine wird bei der Asynchronmaschine zusätzlich eine Spannungsdifferentialgleichung für den Rotorkreis betrachtet und berücksichtigt.In one embodiment it is provided that the electrical machine is a three-phase asynchronous machine. In comparison to the synchronous machine, a voltage differential equation for the rotor circuit is also considered and taken into account for the asynchronous machine.

Weitere Merkmale zur Ausgestaltung der Vorrichtung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausgestaltungen des Verfahrens. Die Vorteile der Vorrichtung sind hierbei jeweils die gleichen wie bei den Ausgestaltungen des Verfahrens.Further features for the configuration of the device result from the description of configurations of the method. The advantages of the device are in each case the same as in the embodiments of the method.

Es wird insbesondere auch ein Fahrzeug geschaffen, umfassend mindestens eine Vorrichtung nach einer der beschriebenen Ausführungsformen. Das Fahrzeug ist insbesondere ein Kraftfahrzeug. Grundsätzlich kann das Fahrzeug aber auch ein anderes Land-, Schienen-, Wasser-, Luft- oder Raumfahrzeug sein. Ein Luftfahrzeug ist beispielsweise eine Drohne oder ein Lufttaxi.In particular, a vehicle is also created, comprising at least one device according to one of the described embodiments. The vehicle is in particular a motor vehicle. In principle, however, the vehicle can also be another land, rail, water, air or space vehicle. An aircraft is, for example, a drone or an air taxi.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Regeln einer elektrischen Maschine;
  • 2a eine schematische Darstellung eines erfassten Strangstroms zur Verdeutlichung des Verfahrens;
  • 2b eine schematische Darstellung einer zugehörigen Strangspannung zur Verdeutlichung des Verfahrens;
  • 2c eine schematische Darstellung eines Trägersignals für eine Modulationsperiode zur Verdeutlichung des Verfahrens.
The invention is explained in more detail below on the basis of preferred exemplary embodiments with reference to the figures. Here show:
  • 1 a schematic representation of an embodiment of the device for controlling an electrical machine;
  • 2a a schematic representation of a detected phase current to clarify the method;
  • 2 B a schematic representation of an associated phase voltage to clarify the method;
  • 2c a schematic representation of a carrier signal for a modulation period to clarify the method.

In 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung 1 zum Regeln einer elektrischen Maschine 30 gezeigt. Die elektrische Maschine 30 wird von einem Pulswechselrichter 20, beispielsweise von einem Zweipunktwechselrichter, über ein Pulsdauermodulationsverfahren gespeist. Das in dieser Offenbarung beschriebene Verfahren wird nachfolgend anhand der Vorrichtung 1 erläutert.In 1 a schematic representation of an embodiment of the device 1 for controlling an electrical machine 30 is shown. The electrical machine 30 is fed by a pulse-controlled inverter 20, for example by a two-level inverter, using a pulse duration modulation method. The method described in this disclosure is explained below using the device 1 .

Die Vorrichtung 1 umfasst eine Regeleinrichtung 2. Der Regeleinrichtung 2 werden mittels einer aus Stromsensoren 16u, 16v, 16w und einem Analog-Digital-Wandler 17 gebildeten Stromsensorik 15 an Strängen U, V, W der elektrischen Maschine 30 erfasste Strangströme lu, Iv, Iw zugeführt. Die Regeleinrichtung 2 stellt eine Regelstrecke zum Regeln eines Drehmoments der elektrischen Maschine 30 in an sich bekannter Weise bereit. Zum Regeln benötigt die Regelstrecke einen aktuellen Wert für einen elektrischen Rotorlagewinkel 11 der elektrischen Maschine 30.The device 1 comprises a control device 2. The control device 2 uses a current sensor system 15 formed from current sensors 16u, 16v, 16w and an analog-to-digital converter 17 on phases U, V, W of the electrical machine 30 to detect phase currents lu, Iv, Iw fed. The control device 2 provides a controlled system for controlling a torque of the electrical machine 30 in a manner known per se. To regulate, the controlled system requires a current value for an electrical rotor position angle 11 of the electrical machine 30.

Die Regeleinrichtung 2 umfasst insbesondere eine Recheneinrichtung 3 und ein feldprogrammierbares Gatterfeld 4. Das feldprogrammierbare Gatterfeld 4 weist einen Funktionsblock 5-1 auf, der eine Modulationssteuerung bereitstellt. Die Modulationssteuerung gibt zeitabhängige Werte für Strangspannungen der elektrischen Maschine 30 vor, die von dem Pulswechselrichter 20 zum Speisen der elektrischen Maschine 30 umgesetzt werden.The control device 2 includes, in particular, a computing device 3 and a field-programmable gate array 4. The field-programmable gate array 4 has a function block 5-1 that provides modulation control. The modulation control specifies time-dependent values for phase voltages of the electrical machine 30, which are converted by the pulse-controlled inverter 20 to feed the electrical machine 30.

In einem Funktionsblock 5-2 wird ausgehend von den erfassten Strangströmen lu, Iv, Iw eine Drehzahl 10 der elektrischen Maschine 30 geschätzt. Dies erfolgt beispielsweise unter Verwendung von Filtern und/oder einer Frequenzanalyse. Die geschätzte Drehzahl 10 wird an die Recheneinrichtung 3 übergeben, welche die geschätzte Drehzahl 10 mit einer vorgegebenen Drehzahl vergleicht.In a function block 5-2, a rotational speed 10 of the electric machine 30 is estimated based on the detected phase currents Iu, Iv, Iw. This is done, for example, using filters and/or a frequency analysis. The estimated speed 10 is transferred to the computing device 3, which compares the estimated speed 10 with a predetermined speed.

Liegt die geschätzte Drehzahl 10 unterhalb der vorgegebenen Drehzahl, so wird im Funktionsblock 5-2 ein elektrischer Rotorlagewinkel 11 mittels eines ersten Beobachters 6-1 geschätzt. Dies betrifft insbesondere einen Drehzahlbereich von Null bis zum Wert der vorgegebenen Drehzahl.If the estimated speed 10 is below the specified speed, an electrical rotor position angle 11 is estimated in the function block 5-2 by means of a first observer 6-1. This applies in particular to a speed range from zero to the value of the specified speed.

Ist die geschätzte Drehzahl 10 hingegen gleich oder größer als die vorgegebene Drehzahl, so wird im Funktionsblock 5-2 der elektrischer Rotorlagewinkel 11 mittels eines zweiten Beobachters 6-2 geschätzt.If, on the other hand, the estimated speed 10 is equal to or greater than the specified speed, then the electrical rotor position angle 11 is estimated in the function block 5-2 by means of a second observer 6-2.

Der Wert der vorgegebenen Drehzahl kann beispielsweise mittels empirischer Versuche bestimmt werden, bei denen unter Laborbedingungen beispielsweise zusätzlich ein Rotorlagewinkel mittels einer Sensorik erfasst wird. Über einen Vergleich des erfassten Rotorlagewinkels und des geschätzten Rotorlagewinkels 11 kann bestimmt werden, ab welcher Drehzahl 10 von dem ersten Beobachter 6-1 zum zweiten Beobachter 6-2 gewechselt werden sollte, das heißt ab welcher Drehzahl der erste Beobachter 6-1 bzw. der zweite Beobachter 6-2 zum Schätzen des elektrischen Rotorlagewinkels besser geeignet ist.The value of the specified speed can be determined, for example, by means of empirical tests in which, for example, a rotor position angle is additionally detected by means of a sensor system under laboratory conditions. By comparing the detected rotor position angle and the estimated rotor position angle 11, it can be determined from which speed 10 you should switch from the first observer 6-1 to the second observer 6-2, ie from which speed the first observer 6-1 or the second observer 6-2 is better suited for estimating the electrical rotor position angle.

Der geschätzte Rotorlagewinkel 11 wird anschließend zum Regeln des Drehmoments der elektrischen Maschine 30 mittels der Regelstrecke in an sich bekannter Weise verwendet. Insbesondere ist der geschätzte Rotorlagewinkel 11 ein Eingangsparameter für die Modulationssteuerung, die im Funktionsblock 5-1 Sollwerte für die Strangspannungen bestimmt, welche dann mittels des Pulswechselrichters 20 erzeugt werden.The estimated rotor position angle 11 is then used to regulate the torque of the electric machine 30 by means of the controlled system in a manner known per se. In particular, the estimated rotor position angle 11 is an input parameter for the modulation control, which in function block 5 - 1 determines setpoint values for the phase voltages, which are then generated by means of the pulse-controlled inverter 20 .

Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Beobachter 6-1, 6-2 mittels des feldprogrammierbaren Gatterfelds 4 bereitgestellt werden, wobei das feldprogrammierbare Gatterfeld 4 unterhalb einer vorgegebenen Drehzahl auf das Bereitstellen des ersten Beobachters 6-1 konfiguriert ist oder konfiguriert wird und bei Erreichen oder oberhalb der vorgegebenen Drehzahl auf das Bereitstellen des zweiten Beobachters 6-2 konfiguriert ist oder konfiguriert wird. Dies erfolgt insbesondere mittels eines Funktionsblocks 5-3, der eine Konfigurationssteuerung bereitstellt, in der die Konfigurationen der beiden Beobachter 6-1, 6-2 oder gegebenenfalls weiterer Beobachter für weitere Drehzahlbereiche hinterlegt sind und bei Bedarf zum Konfigurieren des feldprogrammierbaren Gatterfeldes 4 verwendet werden. Das feldprogrammierbare Gatterfeld 4 ist insbesondere ein teilweise rekonfigurierbares feldprogrammierbares Gatterfeld 4, bei dem nur ein Teil umkonfiguriert wird und eine restliche Konfiguration beibehalten werden kann. Durch das Umkonfigurieren auf den jeweils benötigten Beobachter 6-1, 6-2 können Hardware- und Rechenressourcen eingespart werden.In particular, it is provided that the observers 6-1, 6-2 are provided by means of the field-programmable gate array 4, with the field-programmable gate array 4 being configured or being configured to provide the first observer 6-1 below a specified rotational speed and upon reaching or above the predetermined speed is configured or will be configured to provide the second observer 6-2. This is done in particular by means of a function block 5-3, which provides a configuration control in which the configurations of the two observers 6-1, 6-2 or possibly other observers for other speed ranges are stored and used to configure the field-programmable gate array 4 if necessary. In particular, the field-programmable gate array 4 is a partially reconfigurable field-programmable gate array 4 in which only a part is reconfigured and a remaining configuration can be retained. Hardware and computing resources can be saved by reconfiguring to the respectively required observer 6-1, 6-2.

Es ist insbesondere vorgesehen, dass mittels des ersten Beobachters 6-1 der elektrische Rotorlagewinkel 11 über eine Abhängigkeit der Induktivitätsmatrix der elektrischen Maschine 30 von dem elektrischen Rotorlagewinkel 11 geschätzt wird, wobei hierzu mindestens einem die elektrische Maschine 30 speisenden Strang ein hochfrequentes Spannungssignal 12 aufgeprägt wird und eine resultierende hochfrequente Stromantwort 13 erfasst und ausgewertet wird. Das hochfrequente Spannungssignal wird beispielsweise mittels der Modulationssteuerung im Funktionsblock 5-1 erzeugt und der Pulsdauermodulation überlagert. Grundsätzlich können jedoch auch andere Verfahren in diesem Drehzahlbereich verwendet werden.Provision is made in particular for the electrical rotor position angle 11 to be estimated by means of the first observer 6-1 via a dependency of the inductance matrix of the electrical machine 30 on the electrical rotor position angle 11, with a high-frequency voltage signal 12 being impressed on at least one phase feeding the electrical machine 30 and a resulting high-frequency current response 13 is recorded and evaluated. The high-frequency voltage signal is generated, for example, by means of the modulation control in function block 5-1 and is superimposed on the pulse duration modulation. In principle, however, other methods can also be used in this speed range.

Es ist insbesondere vorgesehen, dass mittels des zweiten Beobachters 6-2 der elektrische Rotorlagewinkel 11 durch Auswerten einer Spannungsinduktion im Stator der elektrischen Maschine 30 geschätzt wird.Provision is made in particular for the electrical rotor position angle 11 to be estimated by evaluating a voltage induction in the stator of the electrical machine 30 by means of the second observer 6 - 2 .

Es kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass mindestens einer der Beobachter 6-1, 6-2 mittels eines Maschinenlernverfahrens bereitgestellt wird oder mindestens ein Maschinenlernverfahren umfasst. Ein solches Maschinenlernverfahren kann beispielsweise mittels eines künstlichen Neuronalen Netzes bereitgestellt werden oder ein solches umfassen. Insbesondere ist dies ein trainiertes künstliches Neuronales Netz, das darauf trainiert wurde, den ersten Beobachter 6-1 oder den zweiten Beobachter 6-2 bereitzustellen. Es können auch beide der Beobachter 6-1, 6-2 mittels eines jeweils trainierten künstlichen Neuronalen Netzes bereitgestellt werden. Die Funktionalitäten der künstlichen Neuronalen Netze werden insbesondere mittels des feldprogrammierbaren Gatterfeldes 4 bereitgestellt.Alternatively or additionally, it can be provided that at least one of the observers 6-1, 6-2 is provided by means of a machine learning method or comprises at least one machine learning method. Such a machine learning method can be provided, for example, by means of an artificial neural network or can include one. In particular, this is a trained artificial neural network that has been trained to provide the first observer 6-1 or the second observer 6-2. Both of the observers 6-1, 6-2 can also be trained by means of an artificial Neural network are provided. The functionalities of the artificial neural networks are provided in particular by means of the field-programmable gate array 4 .

Es kann vorgesehen sein, dass beim Schätzen des elektrischen Rotorlagewinkels 11 mindestens ein drehzahlabhängiger Korrekturterm 14 verwendet wird. Der Korrekturterm 14 kann sowohl beim Schätzen mittels des ersten Beobachters 6-1 als auch beim Schätzen mittels des zweiten Beobachters 6-2 berücksichtigt werden.Provision can be made for at least one speed-dependent correction term 14 to be used when estimating the electrical rotor position angle 11 . The correction term 14 can be taken into account both when estimating using the first observer 6-1 and when estimating using the second observer 6-2.

Es kann vorgesehen sein, dass mindestens ein weiterer Beobachter 6-3 für mindestens einen weiteren Drehzahlbereich zum Schätzen des elektrischen Rotorlagewinkels 11 verwendet wird. Beispielsweise kann zwischen dem ersten Beobachter 6-1 und dem zweiten Beobachter 6-2 noch ein weiterer Drehzahlbereich vorgesehen sein, in dem der elektrische Rotorlagewinkel 11 mittels eines hierfür eingerichteten weiteren Beobachters 6-3 geschätzt wird.Provision can be made for at least one additional observer 6-3 to be used for at least one additional speed range for estimating the electrical rotor position angle 11 . For example, a further speed range can be provided between the first observer 6-1 and the second observer 6-2, in which the electrical rotor position angle 11 is estimated by means of a further observer 6-3 set up for this purpose.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine 30 eine Drehstrom-Asynchronmaschine ist. Das grundsätzliche Vorgehen ist hierbei analog.Alternatively it can be provided that the electrical machine 30 is a three-phase asynchronous machine. The basic procedure here is analogous.

In den 2a, 2b und 2c sind schematische Darstellungen zur Verdeutlichung des Verfahrens gezeigt.In the 2a , 2 B and 2c Schematic representations are shown to clarify the process.

Der Strangstrom i wird hochfrequent erfasst, das heißt mit einer Abtastfrequenz, die größer ist als eine Modulationsfrequenz (2c) des Pulswechselrichters 20 (1), mit dem die elektrische Maschine 30 gespeist wird. Insbesondere erfolgt im Vergleich zu einer Dauer einer Pulsdauermodulationsperiode T eine Überabtastung mittels des jeweiligen Stromsensors.The phase current i is recorded at high frequency, i.e. with a sampling frequency that is greater than a modulation frequency ( 2c ) of the pulse-controlled inverter 20 ( 1 ) with which the electrical machine 30 is fed. In particular, compared to a duration of a pulse duration modulation period T, oversampling takes place by means of the respective current sensor.

In der 2a ist ein mittels eines zeitlich hochauflösenden Stromsensors an dem Strang erfasster Strom i im Verlauf über der Zeit t dargestellt, wobei einzelne Abtastwerte mittels einer linearen Regression während der Nullspannungszustände (2b, u = 0) zu rekonstruierten Strömen i_r und während der aktiven Spannungszustände (2b, u > 0) zu rekonstruierten Stromanstiegen (d/dt) i_r gemittelt werden. Die gemittelten Werte für den rekonstruierten Strom i_r und die rekonstruierten Stromanstiege (d/dt) i_r werden von den Beobachtern zum Schätzen des Rotorlagewinkels verwendet, d.h. auf Grund der beschriebenen Spannungsdifferentialgleichungen werden Vorhersagen für die Stromanstiege berechnet. Durch einen Vergleich der Vorhersagen mit den rekonstruierten Anstiegen auf Grundlage der Überabtastung des hochauflösenden Stromsensors ergeben sich Vorhersagefehler, welche für die Schätzung der Rotorlage ausgewertet werden.In the 2a shows a current i recorded by means of a high-resolution current sensor on the strand over time t, with individual sampled values being determined by means of a linear regression during the zero-voltage states ( 2 B , u = 0) to reconstructed currents i_r and during the active voltage states ( 2 B , u > 0) are averaged to reconstructed current rises (d/dt) i_r. The mean values for the reconstructed current i_r and the reconstructed current increases (d/dt) i_r are used by the observers to estimate the rotor position angle, ie predictions for the current increases are calculated on the basis of the voltage differential equations described. A comparison of the predictions with the reconstructed increases based on the oversampling of the high-resolution current sensor results in prediction errors, which are evaluated for the estimation of the rotor position.

In der 2b ist eine auf dem Strang effektiv abfallende Spannung u' im Verlauf über der Zeit t' gezeigt, die mit dem Strom i korrespondiert. Für die aktiven Spannungszustände (u > 0) können gemittelte Spannungen berechnet werden, die beim Schätzen des elektrischen Rotorlagewinkels mittels der Beobachter eingesetzt werden können.In the 2 B shows a voltage u' effectively dropping on the strand over time t', which corresponds to the current i. For the active stress states (u > 0), mean stresses can be calculated, which can be used when estimating the electrical rotor position angle using the observers.

BezugszeichenlisteReference List

11
Vorrichtungcontraption
22
Regeleinrichtungcontrol device
33
Recheneinrichtungcomputing device
44
feldprogrammierbares Gatterfeldfield-programmable gate array
5-15-1
Funktionsblockfunction block
5-25-2
Funktionsblockfunction block
5-35-3
Funktionsblockfunction block
6-16-1
erster Beobachterfirst observer
6-26-2
zweiter Beobachtersecond observer
1010
Drehzahlrotation speed
1111
elektrischer Rotorlagewinkelelectrical rotor position angle
1212
hochfrequentes Spannungssignalhigh-frequency voltage signal
1313
hochfrequente Stromantworthigh frequency current response
1414
Korrekturtermcorrection term
16u4pm
Stromsensorcurrent sensor
16v16v
Stromsensorcurrent sensor
16w16w
Stromsensorcurrent sensor
1717
Analog-Digital-WandlerAnalog to digital converter
2020
Pulswechselrichterpulse inverter
3030
elektrische Maschineelectric machine
Uu
Strangstrand
VV
Strangstrand
WW
Strangstrand
lulu
Strangstromstring current
IvIV
Strangstromstring current
IwIw
Strangstromstring current
ii
Strangstromstring current
i_ri_r
rekonstruierter Strangstromreconstructed string current
(d/dt) i_r(g/dt) i_r
rekonstruierte mittlere Steigung des Strangstromsreconstructed mean slope of the phase current
u'u'
effektive Strangspannungeffective string tension
tt
Zeittime
TT
Modulationsperiodemodulation period

Claims (10)

Verfahren zum Regeln einer elektrischen Maschine (30), wobei das Regeln der elektrischen Maschine (30) mittels einer drehgeberlosen Regelung erfolgt, wobei hierzu ein elektrischer Rotorlagewinkel (11) geschätzt wird, wobei der elektrische Rotorlagewinkel (11) unterhalb einer vorgegebenen Drehzahl der elektrischen Maschine (30) mittels eines ersten Beobachters (6-1) und bei Erreichen oder oberhalb der vorgegebenen Drehzahl mittels eines zweiten Beobachters (6-2) geschätzt wird.Method for controlling an electrical machine (30), the electrical machine (30) being controlled by means of a control system without a rotary encoder, an electrical rotor position angle (11) being estimated for this purpose, wherein the electrical rotor position angle (11) is estimated below a specified speed of the electrical machine (30) by a first observer (6-1) and when it reaches or above the specified speed by a second observer (6-2). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beobachter (6-1,6-2) mittels mindestens eines feldprogrammierbaren Gatterfelds (4) bereitgestellt werden, wobei das feldprogrammierbare Gatterfeld (4) unterhalb einer vorgegebenen Drehzahl auf das Bereitstellen des ersten Beobachters (6-1) konfiguriert ist oder konfiguriert wird und bei Erreichen oder oberhalb der vorgegebenen Drehzahl auf das Bereitstellen des zweiten Beobachters (6-2) konfiguriert ist oder konfiguriert wird.procedure after claim 1 , characterized in that the observers (6-1,6-2) are provided by means of at least one field-programmable gate array (4), the field-programmable gate array (4) being configured below a predetermined speed for the provision of the first observer (6-1). is or is configured and is configured or will be configured to provide the second observer (6-2) when the predetermined speed is reached or above. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des ersten Beobachters (6-1) der elektrische Rotorlagewinkel (11) über eine Abhängigkeit der Induktivitätsmatrix der elektrischen Maschine (30) von dem elektrischen Rotorlagewinkel (11) geschätzt wird, wobei hierzu mindestens einem die elektrische Maschine (30) speisenden Strang ein hochfrequentes Spannungssignal (12) aufgeprägt wird und eine resultierende hochfrequente Stromantwort (13) erfasst und ausgewertet wird.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the electrical rotor position angle (11) is estimated by means of the first observer (6-1) via a dependency of the inductance matrix of the electrical machine (30) on the electrical rotor position angle (11), with at least one electrical machine (30 ) a high-frequency voltage signal (12) is impressed on the feeding strand and a resulting high-frequency current response (13) is recorded and evaluated. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des zweiten Beobachters (6-2) der elektrische Rotorlagewinkel (11) durch Auswerten einer Spannungsinduktion im Stator der elektrischen Maschine (30) geschätzt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical rotor position angle (11) is estimated by evaluating a voltage induction in the stator of the electrical machine (30) by means of the second observer (6-2). Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Beobachter (6-1,6-2) mittels eines Maschinenlernverfahrens bereitgestellt wird oder mindestens ein Maschinenlernverfahren umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the observers (6-1, 6-2) is provided by means of a machine learning method or comprises at least one machine learning method. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schätzen des elektrischen Rotorlagewinkels (11) mindestens ein drehzahlabhängiger Korrekturterm (14) verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one speed-dependent correction term (14) is used when estimating the electrical rotor position angle (11). Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Beobachter (6-3) für mindestens einen weiteren Drehzahlbereich zum Schätzen des elektrischen Rotorlagewinkels (11) verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one further observer (6-3) is used for at least one further speed range for estimating the electrical rotor position angle (11). Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (30) eine Permanentmagnet-Synchronmaschine ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical machine (30) is a permanent magnet synchronous machine. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (30) eine Drehstrom-Asynchronmaschine ist.Procedure according to one of Claims 1 until 7 , characterized in that the electrical machine (30) is a three-phase asynchronous machine. Vorrichtung (1) zum Regeln einer elektrischen Maschine (30), umfassend eine Regeleinrichtung (2), wobei die Regeleinrichtung (2) dazu eingerichtet ist, das Regeln der elektrischen Maschine (30) mittels einer drehgeberlosen Regelung durchzuführen, und hierzu einen elektrischen Rotorlagewinkel (11) zu schätzen, wobei der elektrische Rotorlagewinkel (11) unterhalb einer vorgegebenen Drehzahl der elektrischen Maschine (30) mittels eines ersten Beobachters (6-1) und bei Erreichen oder oberhalb der vorgegebenen Drehzahl mittels eines zweiten Beobachters (6-2) geschätzt wird.Device (1) for controlling an electrical machine (30), comprising a control device (2), wherein the control device (2) is set up to regulate the electrical machine (30) by means of a rotary encoder-free control and to estimate an electrical rotor position angle (11) for this purpose, the electrical rotor position angle (11) being below a predetermined speed of the electrical machine ( 30) by means of a first observer (6-1) and when reaching or above the specified speed by means of a second observer (6-2).
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2023479A1 (en) 2007-08-06 2009-02-11 Baumüller Nürnberg Gmbh System for seamless velocity and/or location determination including standstill for a permanent magnet rotor of an electric machine

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EP2023479A1 (en) 2007-08-06 2009-02-11 Baumüller Nürnberg Gmbh System for seamless velocity and/or location determination including standstill for a permanent magnet rotor of an electric machine

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