DE102020215802A1

DE102020215802A1 - Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102020215802A1
Application number: DE102020215802.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Gunnar Loehning; Felix Berkel; Maximilian Manderla; Jannis Hoppe
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-12-14
Filing date: 2020-12-14
Publication date: 2022-06-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine, die gesteuert wird, indem Schaltelemente an Schaltzeitpunkten geschaltet werden, umfassend Erfassen eines Ist-Messwerts (iabc) zu einem Erfassungszeitpunkt; Bestimmen von Soll-Schaltzeitpunkten (u*), die innerhalb einer mit dem Erfassungszeitpunkt beginnenden Optimierungs-Zeitspanne liegen, die mehrere Soll-Schaltzeitpunkte umfasst; Bestimmen einer Ist-Zustandsdifferenz (Δx) basierend auf dem Ist-Messwert; Bestimmen von Schaltzeitpunktänderungen (Δu) für die Soll-Schaltzeitpunkte, wobei Schaltzeitpunktänderungen für Optimierungs-Schaltzeitpunkte so bestimmt werden, dass ein Optimierungsproblem gelöst wird, das von der Ist-Zustandsdifferenz und den Schaltzeitpunktänderungen der Optimierungs-Schaltzeitpunkte abhängig ist, wobei die Optimierungs-Schaltzeitpunkte nur ein Teil aller innerhalb der Optimierungs-Zeitspanne umfassten Soll-Schaltzeitpunkte sind; Bilden von Ist-Schaltzeitpunkten (u), jeweils als Summe aus Soll-Schaltzeitpunkt (u*) und Schaltzeitpunktänderung (Δu); Ansteuern der elektrischen Maschine unter Verwendung der Ist-Schaltzeitpunkte (u).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Hintergrund der Erfindung
Auf dem Gebiet der Kraftfahrzeug-Antriebstechnik ist es beispielsweise aus der DE 10 2010 061897 A1 bekannt, eine elektrische Maschine als Antrieb für ein Fahrzeug zu verwenden. In derartigen Elektrofahrzeugen wird eine elektrische Maschine als Antriebsmotor verwendet. Zur Ansteuerung der elektrischen Maschine kann eine Leistungselektronik, die einen Wechselrichter beinhaltet, der die Gleichspannung/Gleichstrom einer an Bord des Kraftfahrzeuges befindlichen (Hochvolt)-Batterie in Wechselstrom umwandelt, eingesetzt werden. Der Wechselrichter weist dabei in der Regel eine Mehrzahl von ansteuerbaren Leistungsschaltern auf, die mittels eines Steuergerätes pulsbreitenmoduliert (PWM) angesteuert werden, damit die elektrische Maschine im Motorbetrieb ein bestimmtes Drehmoment bei einer bestimmten Drehzahl einer Abtriebswelle der elektrischen Maschine erzeugt.
Zur Ansteuerung derartiger Wechselrichter für elektrische Maschinen kann eine feldorientierte Regelung (auch Vektorregelung genannt) verwendet werden. Hierbei wird ein Raumzeiger (beispielsweise ein Stromzeiger) bewegt, der mit der Abtriebswelle der elektrischen Maschine rotiert. Mit anderen Worten werden die zur Ansteuerung der elektrischen Maschine benötigten Phasenströme in ein rotorfestes, mit dem Magnetfeld der Maschine mitdrehendes Koordinatensystem (sogenanntes dq-System) umgerechnet. Bei der feldorientierten Regelung werden statt der Phasenströme (Wechselgrößen) dann die auf diese Weise transformierten Stromkomponenten Id und Iq als Gleichgrößen geregelt und die Sollwerte für die an der Maschine einzustellende Spannung errechnet.
Da Inverter nur diskrete, gepulste Spannungsverläufe darstellen können, muss die kontinuierliche Spannung in ein Schaltmuster für die Leistungselektronik umgesetzt werden. Diese Aufgabe übernimmt ein der Regelung nachgelagerter Modulator. Der Modulator sorgt dafür, dass über einen Schaltzyklus der Elektronik im Mittel die richtige Spannung angelegt wird. Dieser Schaltzyklus ist dabei wesentlich kürzer als die elektrische Periode der einzustellenden Spannung. Durch diese Tatsache können in Reglersystemen dynamische Antworten auf Änderungen der Führungsgrößen (wie z.B. Strom- oder Momentensollwerte) erreicht werden. Die Schaltpulse bzw. Schaltzeiten werden dabei beispielsweise mittels eines Vergleichs mit einer Dreiecksfunktion (Sine-Triangle-PWM) oder durch einfache trigonometrische Berechnungen (Space-Vector- PWM) errechnet. Dies begrenzt die Wahl der Schaltzeitpunkte und damit auch die Möglichkeit verschiedene Performanceindizes zu verbessern, etwa verlustoptimiert zu schalten.
Eine weitere Möglichkeit zum Realisieren hochdynamischer Regelungen sind hysterese-basierte, direktschaltende Regler. Dabei wird kontinuierlich (bzw. hochfrequent abgetastet) verglichen, ob eine Führungsgröße, wie z.B. der Strom, innerhalb eines Toleranzbandes liegt. Sobald es zu einer Verletzung des Bandes kommt, wird je nach Art der Verletzung direkt die Leistungselektronik geschaltet. Dieses Verfahren führt zwar zu einem sehr dynamischen Folgen der Führungsgröße wie Strom oder Drehmoment, allerdings auch zu kaum kontrollierbaren Frequenzspektren der Führungsgrößen (inklusive Subharmonischer), unbestimmten Schaltfrequenzen und tendenziell hohen Verlusten. Daher ist ein praktischer Einsatz unüblich.
Die feldorientierte Regelung ermöglicht somit hochdynamische Antworten auf Änderungen der Führungsgrößen wie zum Beispiel der Drehzahl oder dem Drehmoment sowie relativ geringe Verluste. Dabei können allerdings Verluste durch harmonische Oberwellen oder durch Schalten der Elektronik gar nicht oder nur bedingt kontrolliert werden.
Konträr dazu kann durch die Anwendung von optimierten Pulsmustern für die Leistungselektronik stationär eine genaue Einstellung der Verluste erreicht werden. Dabei kann die Maschine mit offline voroptimierten Pulsmustern betrieben werden. Ein Pulsmuster ist eine Abfolge von Ein-/Aus-Schaltzuständen der Leistungshalbleiter über eine elektrische Periode, welche über Ein- und Ausschaltzeitpunkte oder Schaltwinkel für die Leistungshalbleiter über einer elektrischen Periode definiert werden oder sich daraus ergeben. Über eine elektrische Periode wird das Schaltmuster bezüglich einer beliebigen Kostenfunktion optimiert. Wird diese Kostenfunktion so gewählt, dass sie die gewichteten Verluste charakterisiert, kann Verlustoptimalität durch das Pulsmuster erreicht werden. Im Gegensatz zu den mittels PWM generierten Mustern wird die Spannung hier üblicherweise über eine elektrische Periode und nicht über einen kurzen Abtastschritt korrekt eingestellt. Aus diesem Grund kommt es im transienten Fall, bei abrupter Änderung des Musters (bzw. dem schnellen Durchlaufen einer Abfolge von Mustern), zu unerwünschten Spannungsmustern an der Maschine. Diese sorgen für stark verzerrte Volt-Sekunden-Gleichgewichte über den Spulen und im Allgemeinen für nur schwach gedämpftes Überschwingen. Dieses kann nicht nur die Leistungselektronik nachhaltig beschädigen, sondern führt ebenfalls zu langen Einstellzeiten. Daher ist dieses Verfahren nicht sinnvoll anwendbar. Regelsysteme auf Basis solcher Muster zeigen somit erhebliche Nachteile bezüglich der Dynamik der Führungsgrößen.
Beispielhaft für ein direktschaltendes und hochdynamisches, als auch auf optimalen stationären Pulsmustern basierendes Verfahren, zeigt die Veröffentlichung: „GEYER, Tobias, et al., Model predictive pulse pattern control, IEEE Transactions on Industry Applications, 2011, 48. Jg., Nr. 2, S. 663-676“ eine Online-Anpassung offline generierter Schaltmuster, um die Dynamikanforderungen zu erfüllen. Es wird online ein Optimierungsproblem gelöst, welches die Schaltwinkel (der Leistungshalbleiter bezüglich der elektrischen Grundwelle) anpasst. Dabei werden Abweichungen von den offline errechneten Größen in der Optimierungsfunktion berücksichtigt. Aus den Schaltmustern werden Trajektorien für den Statorfluss einer ASM (Asynchronmaschine) errechnet, die möglichst ohne Abweichung geregelt nachgefahren werden sollen. Für die Online-Optimierung wird dabei ein stark vereinfachtes Modell bestehend aus der Statorflussgleichung der ASM unter Vernachlässigung von Widerständen genutzt. Die Optimierungsfunktion bestraft dabei Abweichungen von den offline errechneten Größen, um so Optimalität im stationären Zustand zu erreichen. Das Ergebnis der Optimierung sind Schaltzeitpunkte, die direkt vom Regler auf die Leistungselektronik gegeben werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Regelung einer rotierenden elektrischen Maschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Regelung einer rotierenden elektrischen Maschine, wobei einerseits mit hoher Dynamik auf wechselnde Lastanforderung reagiert und die Maschine im Hinblick auf Regelungsziele, etwa im Hinblick auf Verluste, optimal betrieben wird und andererseits während des Betriebs der elektrischen Maschine relativ wenig Rechenleistung benötigt wird, um das Verfahren durchzuführen.
Im Einzelnen wird davon ausgegangen, dass die elektrische Maschine gesteuert wird, indem Schaltelemente, insbesondere Halbleiterschalter, an Schaltzeitpunkten geschaltet werden. Über die Schaltelemente kann also der Stromfluss durch Spulen, entsprechend Phasen, der elektrischen Maschine gesteuert werden.
Weiter wird zu einem Erfassungszeitpunkt ein Ist-Messwert erfasst und Soll-Schaltzeitpunkte, die innerhalb einer mit dem Erfassungszeitpunkt beginnenden Optimierungs-Zeitspanne liegen, die üblicherweise mehrere Soll-Schaltzeitpunkte umfasst, bestimmt. Basierend auf dem Ist-Messwert wird eine Ist-Zustandsdifferenz, insbesondere eine Ist-Stromdifferenz, bestimmt.
Weiter wird ein Optimierungsproblem gelöst, das von der Ist-Zustandsdifferenz und Schaltzeitpunktänderungen für als Optimierungs-Schaltzeitpunkte bezeichnete Soll-Schaltzeitpunkte abhängig ist, um Schaltzeitpunktänderungen für die Soll-Schaltzeitpunkte zu bestimmen. Es werden also ausgehend von der Ist-Zustandsdifferenz Schaltzeitpunktänderungen bezüglich der Soll-Schaltzeitpunkte bestimmt. Hierbei sind die (freien) Optimierungs-Schaltzeitpunkte nur ein Teil aller innerhalb der Optimierungs-Zeitspanne umfassten Soll-Schaltzeitpunkte. Die Anzahl von Optimierungs-Schaltzeitpunkten ist also kleiner als die Gesamtzahl von Soll-Schaltzeitpunkten innerhalb der Optimierungs-Zeitspanne. Dies führt zu einer vereinfachten Optimierung, die schneller durchgeführt werden kann als die entsprechende vollständige Optimierung, in der alle Soll-Schaltzeitpunkte optimiert werden.
Die elektrische Maschine wird dann unter Verwendung von Ist-Schaltzeitpunkten angesteuert, die jeweils als Summe aus Soll-Schaltzeitpunkt und Schaltzeitpunktänderung (Δu) gebildet sind.
Das Optimierungsproblem kann als Variationsproblem formuliert werden, in dem ein Funktional F, das von der Ist-Zustandsdifferenz Δx und von Schaltzeitpunktänderungen Δu^O, Δu^N und vorwärtssimulierten bzw. modellierten Zustandsdifferenzen Δx^M abhängig ist, minimiert wird, wobei lediglich die Optimierungs-Schaltzeitpunktänderungen variiert werden, d.h. als unabhängige Parameter betrachtet werden: $min_{Δ u^{O}} F [Δ x, Δ x^{M}, Δ u^{N}, Δ u^{O}] .$
Die modellierten Zustandsdifferenzen Δx^M werden mittels des Maschinenmodels unter Verwendung der Schaltzeitpunktänderungen aus der Ist-Zustandsdifferenz gewonnen. Entsprechend sind die Zustandsdifferenzen durch Funktionen, die von der Ist-Zustandsdifferenz und von den Schaltzeitpunktänderungen abhängig sind, gegeben.
Schaltzeitpunktänderungen von Schaltzeitpunkten, die kein Optimierungs-Schaltzeitpunkt sind, können Null gesetzt werden (die entsprechenden Schaltzeitpunkte bleiben also unverändert gegenüber den Soll-Schaltzeitpunkten) oder über das Maschinenmodell als Funktion der Optimierungs-Schaltzeitpunkte gegeben sein.
Insgesamt ist das Funktional bzw. das Optimierungsproblem also nur von der Ist-Zustandsdifferenz und von den Schaltzeitpunktänderungen Δu^O für Optimierungs-Schaltzeitpunkte abhängig: $\begin{array}{l} min_{Δ u^{O}} F [Δ x, Δ x^{M}, Δ u^{N}, Δ u^{O}] \\ = min_{Δ u^{O}} F [Δ x, Δ x^{M} (Δ x, Δ u^{N} (Δ u^{O}), Δ u^{O}), Δ u^{N} (Δ u^{O}), Δ u^{O}] \\ = min_{Δ u^{O}} F [Δ x, Δ u^{O}] . \end{array}$
Da im Optimierungsproblem lediglich die Optimierungs-Schaltzeitpunkte variiert werden, nicht alle Schaltzeitpunkte, ergibt sich eine erhebliche Vereinfachung. Dies ermöglicht es, die Bestimmung der Schaltzeitpunktänderungen gegenüber einer vollständigen Formulierung, in der alle Schaltzeitpunkte im Optimierungsproblem variiert werden, erheblich zu beschleunigen. Das Verfahren kann also mit weniger leistungsstarken Rechnereinheiten durchgeführt werden und dennoch eine Ansteuerung der elektrischen Maschine in Echtzeit gewährleisten.
Allgemein wird bevorzugt in dem Optimierungsproblem ein Funktional bezüglich der Schaltzeitpunktänderungen für die Optimierungs-Schaltzeitpunkte variiert, so dass dieses minimiert bzw. maximiert wird; wobei, gegebenenfalls, weiter bevorzugt in dem Funktional die Ist-Zustandsdifferenz, die Modell-Zustandsdifferenzen und die Optimierungs-Schaltzeitpunktänderungen mit jeweiligen Normen gewichtet werden und summiert werden. Ebenso bevorzugt werden die Schaltzeitpunktänderungen für Soll-Schaltzeitpunkte, die keine Optimierungs-Schaltzeitpunkte sind, als Null bestimmt oder basierend auf den Schaltzeitpunktänderungen für Optimierungs-Schaltzeitpunkte bestimmt, insbesondere durch eine lineare Abbildung. Mit diesen bevorzugten Ausführungsformen ergibt sich eine weitere Vereinfachung des Verfahrens.
Das Funktional ist bevorzugt quadratisch in den (Ist-)Zustandsdifferenzen und in den Schaltzeitpunktänderungen. Bei dem Maschinenmodel handelt es sich bevorzugt um ein zeitdiskretes, insbesondere affines oder lineares, Modell. Damit ergibt sich ein quadratisches Optimierungsproblem: $min_{Δ u^{O} (k) \dots Δ u^{O} (k + N)} \sum_{r = k}^{k + N + 1} {| Δ x (r) |}_{Q_{k}} + {\sum_{r = k}^{k + N} | Δ u (r) |}_{R'},$
wobei $Δ x (r + 1) = A_{r} Δ x (r) + B_{r}^{'} Δ u (r) .$
Hierbei werden die Zustandsdifferenzen zu Zeitpunkten t_r des zeitdiskreten Modells vereinfacht mit dem Index r bezeichnet, z.B. Δx(r) = Δx(t_r); bei regelmäßig beabstandeten Zeitpunkten ist etwa t_r = r-t^D, wobei t^D durch die Zeitdiskretisierung gegeben ist. Der Index k bezeichnet den Erfassungszeitpunkt t_k, d.h. Δx(k) ist die Ist-Zustandsdifferenz. A_r und B'_r sind durch das lineare Maschinenmodell gegeben.
Bei den mit Indizes Q, R' versehenen Normen |·|_e, |·|_R' handelt es sich um quadrierte gewichtete 2-Normen der Form Δx^T(r) Q Δx(r) bzw. Δu^T(r) R'Δu(r). Dabei sind Q und R' die üblichen Matrizen für das MPC-Reglerdesign (Modellprädiktive Regelung, engl.: Model Predictive Control). Der hochgestellte Index T bezeichnet wie üblich die transponierte Matrix bzw. den transponierten Vektor.
Die Notation Δu(r) bezieht sich auf alle Schaltzeitpunktänderungen während des Zeitraums [t_r, t_r+1], Δu(r) ist also ein Vektor, dessen Einträge die einzelnen Schaltzeitpunktänderungen in diesem Zeitraum sind. Dies sind einerseits die Optimierungs-Schaltzeitpunktänderungen Δu^O der Optimierungs-Schaltzeitpunkte in diesem Zeitraum und andererseits, falls Nichtoptimierungs-Schaltzeitpunktänderungen Δu^N für Schaltzeitpunkte, die kein Optimierungs-Schaltzeitpunkt sind, basierend auf bzw. als Funktion von Optimierungs-Schaltzeitpunktänderungen Δu^O von Optimierungsschaltzeitpunkten erfolgen sollen, ebenfalls diese Nichtoptimierungs-Schaltzeitpunktänderungen Δu^N.
Bei einer linearen Abhängigkeit der Nichtoptimierungs-Schaltzeitpunktänderungen Δu^N von den Optimierungs-Schaltzeitpunktänderungen Δu^O kann diese Abhängigkeit mittels einer Matrixmultiplikation berücksichtigt werden, d.h. es gilt: Δu = T·Δu^O.
Diese Abbildung kann in die Matrizen B'_r und R'_r mit aufgenommen werden, d.h. die obigen Formeln können unter Verwendung lediglich der Optimierungs-Schaltzeitpunktänderungen Δu^O wie folgt geschrieben werden: $\begin{matrix} min_{Δ u^{O} (k) \dots Δ u^{O} (k + N)} \sum_{r = k}^{k + N + 1} {| Δ x (r) |}_{Q_{r}} + {\sum_{r = k}^{k + N} | Δ u^{O} (r) |}_{R}, \\ Δ x (r + 1) = A_{r} Δ x (r) + B_{r} Δ u^{O} (r) + d_{r} . \end{matrix}$
Bei diesem Optimierungsproblem handelt es sich um ein konvexes, quadratisches Optimierungsproblem (QP). Dieses kann mit Standardverfahren wie „Active Set“- oder „Interior Point“-Methoden gelöst werden.
Die Optimierungs-Schaltzeitpunktänderungen Δu^O müssen Nebenbedingungen erfüllen, die sich etwa aus der Schaltreihenfolge, Totzeiten der Schaltelemente usw. ergeben. Diese haben beispielsweise die Form: $\begin{array}{l} - Δ u_{p, r e f} (k) \leq Δ u_{p} (k) \leq Δ u_{p, r e f} (k + 1) + Δ u_{p} (k + 1) \\ Δ u_{p} (k) - Δ u_{p, r e f} (k + 1) \leq Δ u_{p} (k + 1) \leq Δ u_{p, r e f} (k + 2) + Δ u_{p} (k + 2) \\ \dots \\ Δ u_{p} (k + N - 1) - Δ u_{p, r e f} (k + N) \leq Δ u_{p} (k + N) \leq Δ u (k + N + 1) \end{array}$
Mit einer geringeren Anzahl von Optimierungs-Schaltzeitpunkten verringert sich auch die Anzahl der zu berücksichtigenden Nebenbedingungen gegenüber der vollständigen Formulierung, was zu einer zusätzlichen Beschleunigung des Verfahrens führt.
Vorzugsweise werden maximal 50 %, weiter bevorzugt maximal 35 %, aller Schaltzeitpunkte in der Optimierungs-Zeitspanne als Optimierungs-Schaltzeitpunkte verwendet und/oder es werden maximal 50 %, weiter bevorzugt maximal 35 %, einer bezogen auf mehrere Erfassungszeitpunkte maximalen Anzahl von Schaltzeitpunkten als Optimierungs-Schaltzeitpunkte verwendet und/oder es werden maximal 75 %, weiter bevorzugt maximal 50%, einer über mehrere Erfassungszeitpunkte gemittelten Anzahl von Schaltzeitpunkten als Optimierungs-Schaltzeitpunkte verwendet und/oder eine Anzahl von Optimierungs-Schaltzeitpunkten ist kleiner als 15, mehr bevorzugt kleiner als 12, noch mehr bevorzugt kleiner als 7, am meisten bevorzugt kleiner als 4. Diese Werte gewährleisten eine kurze Rechenzeit, wenn das Verfahren ausgeführt wird, bei gleichzeitig hoher Dynamik der Regelung. Für verschiedene Erfassungszeitpunkte kann sich die Anzahl der Schaltzeitpunkte, die in der sich daran anschließenden Optimierungszeitspanne liegen, unterscheiden. Entsprechend ist es möglich, die Anzahl der Optimierungszeitpunkte in Abhängigkeit einer maximalen oder gemittelten Anzahl von Schaltzeitpunkten zu wählen.
Die Begriffe ‚Schaltzeitpunkt‘ und ‚Schaltwinkel‘ (0..360°) werden im Rahmen dieser Anmeldung inhaltlich als gleichbedeutend erachtet, da sie beide auf eine elektrische Periode bezogen sind und somit eindeutig in einander überführbar sind. Bevorzugt ergibt sich der Schaltwinkel aus dem Produkt der Winkelgeschwindigkeit und dem Schaltzeitpunkt.
Bevorzugt ist ein Auswählen der Optimierungs-Schaltzeitpunkte umfasst, wobei die Auswahl gemäß einer der folgenden Vorgehensweisen erfolgt:

- Auswählen derjenigen Soll-Schaltzeitpunkte als Optimierungs-Schaltzeitpunkte, so dass die Schaltelemente, die an den Optimierungs-Schaltzeitpunkten geschaltet werden, über eine maximale Anzahl von Phasen der elektrischen Maschine verteilt sind;
- Auswählen derjenigen Soll-Schaltzeitpunkte als Optimierungs-Schaltzeitpunkte, die den größten Änderungsspielraum aufweisen;
- Auswählen der zeitlich auf den Erfassungszeitpunkt nächstfolgenden Soll-Schaltzeitpunkte als Optimierungs-Schaltzeitpunkte; oder
- Auswählen der Optimierungs-Schaltzeitpunkte mittels eines adaptiven oder auf maschinellem Lernen basierenden Auswahlmusters;

„Änderungsspielraum“ ist als zeitlicher Spielraum zu verstehen, um den ein Schaltzeitpunkt sinnvoll im Hinblick auf die Ansteuerung der elektrischen Maschine maximal verschoben werden kann. Insbesondere ist dieser eingegrenzt durch benachbarte Schaltzeitpunkte desselben Schaltelements, wobei weitergehend Schaltelemente zur Ansteuerung einer Phase gleichzeitig geschaltet werden, so dass sich weitere Einschränkungen ergeben. Auch ist dieser Änderungsspielraum durch den Erfassungszeitpunkt und die Optimierungs-Zeitspanne eingegrenzt.
Bevorzugt umfasst das Bestimmen der Ist-Zustandsdifferenz (Δx), dass ein Soll-Messwert bestimmt wird, eine Ist-Messwertdifferenz als Differenz zwischen Soll-Messwert und Ist-Messwert bestimmt wird, und die Ist-Zustandsdifferenz basierend auf der Ist-Messwertdifferenz bestimmt wird; oder dass ein Ist-Zustand basierend auf dem Ist-Messwert oder als der Ist-Messwert bestimmt wird, ein Soll-Zustand bestimmt wird, und die Ist-Zustandsdifferenz als Differenz zwischen Soll-Zustand und Ist-Zustand bestimmt wird.
Diese Verfahrensweisen sind im Prinzip gleichwertig. Je nachdem, ob ein Beobachter im Regler umfasst ist, kann eine entsprechende Verfahrensweise beim Bestimmen der Ist-Zustandsdifferenz gewählt werden. Ist kein Beobachter vorhanden, kann der Ist-Messwert (etwa Phasenströme) von einem Soll-Messwert (etwa Soll-Phasenströme) subtrahiert werden, um eine Ist-Messdifferenz zu bestimmen, die als Ist-Zustandsdifferenz verwendet wird. Der Ist-Messwert stellt also den Ist-Zustand der Maschine dar.
Mit einem Beobachter kann entweder durch diesen zunächst aus dem Ist-Messwert (etwa Phasenströme) ein Ist-Zustand (etwa magnetischer Fluss) gebildet werden, der von einem Soll-Zustand (der etwa durch eine Referenz-Trajektorie für die beobachteten Zustände gegeben ist) subtrahiert wird, um die Ist-Zustandsdifferenz zu bestimmen. Oder es kann zunächst der Ist-Messwert von einem Soll-Messwert (der etwa durch eine Referenz-Trajektorie für die Messwerte gegeben ist) subtrahiert werden, um eine Ist-Messdifferenz zu bestimmen, und der Beobachter bildet dann aus der Ist-Messdifferenz die entsprechende Ist-Zustandsdifferenz. Zumindest, wenn die Abbildung von Messwerten auf beobachtete Zustände im Beobachter linear ist, sind diese Vorgehensweisen gleichwertig.
Vorzugsweise charakterisieren die Soll-Messwerte bzw. die Soll-Zustände Soll-Phasenströme und/oder Soll-Magnetflüsse der elektrischen Maschine und die Ist-Messwerte bzw. die Ist-Zustände charakterisieren Ist-Phasenströme und/oder Ist-Magnetflüsse der elektrischen Maschine. Diese Größen sind für elektrische Maschinen besonders geeignet und einfach zugänglich.
Bevorzugt werden die Soll-Schaltzeitpunkte und der Soll-Messwert bzw. der Soll-Zustand mittels einer Referenz-Trajektorie von vorbestimmten Soll-Messwerten bzw. Soll-Zuständen und zugehörigen vorbestimmten Soll-Schaltzeitpunkten bestimmt; wobei die Referenz-Trajektorie als eine aus einer Vielzahl vorbestimmter Trajektorien oder durch Interpolation aus der Vielzahl vorbestimmter Trajektorien bestimmt wird; wobei das Bestimmen der Referenz-Trajektorie bevorzugt auf Grundlage eines Arbeitspunktes oder auf Grundlage eines Aussteuergrads und Vorsteuerwinkels der elektrischen Maschine erfolgt. Das rechenintensive genaue Bestimmen der Referenz-Trajektorien kann offline, d.h. außerhalb der Regelung der elektrischen Maschine, durchgeführt werden. Die berechneten Referenz-Trajektorien bzw. ein entsprechendes Kennfeld können in einer Recheneinheit, die das Regelungsverfahren durchführt und die elektrische Maschine steuert, gespeichert werden, z.B. in Form von Look-Up-Tabellen.
Zur Ermittlung der Soll-Schaltzeitpunkt wird bevorzugt mittels eines möglichst exakten Modells der Maschine und auf Basis einer Kostenfunktion, die beispielsweise die verschiedenen, gewichteten Verlustterme der Maschine beschreibt, ein optimales Pulsmuster (OPP) offline errechnet. Das Ergebnis dieser Optimierung sind Soll-Schaltzeitpunkte bzw. Soll-Schaltwinkel über eine elektrische Periode. Hiermit ist ein Soll-Schaltzeitpunktverlauf eindeutig charakterisiert. Bevorzugt wird dieser in Abhängigkeit von der aktuellen Rotorlage oder dem Rotorwinkel ausgelesen. Dies kann für eine Vielzahl von Arbeitspunkten ausgeführt werden, so dass letztendlich eine Art Kennfeld erhalten wird. Der Arbeitspunkt der elektrischen Maschine kann beispielsweise durch Drehzahl n und Drehmoment M oder auch über Ströme oder Spannungen bestimmt bzw. parametrisiert sein. Aus den Soll-Schaltzeitpunkten (für einen Arbeitspunkt) ergibt sich über die Modellierung ein entsprechender Verlauf der Soll-Messwerte bzw. (mit Beobachter) der Soll-Zustände, dieser Verlauf bildet zusammen mit den Soll-Schaltzeitpunkten (d.h. dem OPP) eine Referenz-Trajektorie, die vom Regler verwendet werden kann, um daraus Soll-Schaltzeitpunkte und Soll-Messwerte bzw. Soll-Zustände zu bestimmen.
Die vorbestimmten Trajektorien werden bevorzugt vor Betrieb der elektrischen Maschine mittels einer insbesondere zeitkontinuierlichen physikalischen Modellierung der elektrischen Maschine bestimmt; wobei die Modellierung eine Induktivitätsmatrix und/oder eine Widerstandsmatrix und/oder einen Magnetfluss und/oder eine Winkelgeschwindigkeit der elektrischen Maschine berücksichtigt; wobei bevorzugt das Maschinenmodell ein zeitdiskretes, insbesondere affines oder lineares, Maschinenmodell ist, das aus der Modellierung gewonnen wurde. Die (zeitkontinuierliche physikalische) Modellierung kann als möglichst präzise Simulation der elektrischen Maschine gesehen werden, die normalerweise Offline berechnet wird, da sie zeitaufwändig ist. Das weniger aufwändige, z.B. lineare oder affine, Maschinenmodel wird online in der Optimierung verwendet.
Alternativ können die vorbestimmten Trajektorien auch datenbasiert anhand von Daten bestimmt werden, die während des realen Betriebs oder eines Prüfstandbetriebs der elektrischen Maschine erfasst werden. Hier ist auch ein Lernen während des Betriebs denkbar.
Bevorzugt werden die vorbestimmten Trajektorien in Abhängigkeit von Parametern in einem Kennfeld abgelegt und die Referenz-Trajektorie wird mittels der Parameter aus dem Kennfeld ermittelt, bzw. für die Interpolation verwendete vorbestimmte Trajektorien werden mittels der Parameter aus dem Kennfeld ermittelt; wobei die Parameter bevorzugt Drehmoment und/oder Drehzahl und/oder Rotorwinkel und/oder Modulationsgrad und/oder Vorsteuerwinkel und/oder (Phasen-)Ströme der elektrischen Maschine umfassen. Die Parameter charakterisieren also insbesondere einen Arbeitspunkt.
Vorzugweise wird der Ist-Messwert zu einem weiteren Erfassungszeitpunkt erneut erfasst und das Bestimmen der Schaltzeitpunktänderungen und das Bestimmen der Ist-Schaltzeitpunkte basierend darauf erneut durchgeführt; wobei bevorzugt der zeitliche Abstand zwischen dem Erfassungszeitpunkt und dem weiteren Erfassungszeitpunkt kleiner als die Optimierungs-Zeitspanne ist. So kann insbesondere ein MPC-Regler implementiert werden.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt ein Strukturdiagramm der Regelung einer elektrischen Maschine unter Verwendung eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 zeigt bespielhaft Ausführungszeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei unterschiedlich viele Schaltzeitpunkte optimiert werden;
3 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und
4 zeigt ein schematisch dargestelltes Fahrzeug, das eine elektrische Maschine umfasst.

Ausführungsform(en) der Erfindung
1 stellt ein Strukturdiagramm der Regelung einer elektrischen Maschine 2 unter Verwendung eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Die Maschine 2 ist hier mit einer Steuerungselektronik 4 verbunden, die einen Stromrichter bzw. Schaltelemente zum Betrieb der elektrischen Maschine entsprechend Ist-Schaltzeitpunkten u ansteuert. Die Steuerungselektronik 4 erzeugt also Steuersignale so, dass die Schaltelemente zu den Schaltzeitpunkten schalten.
Zu einem Erfassungszeitpunkt T_S (Abtastzeitpunkt t_k) wird wenigstens ein Ist-Messwert der elektrischen Maschine, insbesondere Drehzahl n, Drehwinkel ϕ_el und Strom i_abc (Ist-Messwert), gemessen. Auf Basis von Drehzahl, Drehwinkel und einer Drehmomentvorgabe M_ref wird durch ein Musterwahlmodul 6 das entsprechende vorher berechnete OPP, d.h. Soll-Schaltwinkel-Muster, aus einem abgelegten Kennfeld von Referenz-Trajektorien ausgelesen. Anhand von Drehzahl und Drehwinkel können hierbei ausgehend vom Erfassungszeitpunkt die den Soll-Schaltwinkeln entsprechenden Soll-Schaltzeitpunkte u* bestimmt werden.
Die Soll-Schaltzeitpunkte u* werden an ein Reglermodul 10, in dem die Optimierung ausgeführt wird, weitergegeben. Ebenso kann aus der ausgewählten Referenz-Trajektorie der zum Erfassungszeitpunkt zugehörige Soll-Messwert, d.h. Soll-Strom i_abc,ref, bestimmt werden. Darauffolgend wird die Abweichung Δi_abc des Stroms von der Referenz-Trajektorie, d.h. die Ist-Messwertdifferenz, berechnet.
Mit Hilfe eines Beobachters 12 wird daraus die momentane, geschätzte Zustandsabweichung Δx (Ist-Zustandsdifferenz) berechnet und an das Reglermodul 10 weitergegeben. Alternativ wird aus dem Ist-Messwert durch den Beobachter zunächst der entsprechende Ist-Zustand bestimmt, der dann vom Soll-Zustand subtrahiert wird, um die Ist-Zustandsdifferenz zu erhalten. Auf einen Beobachter kann auch verzichtet werden, dann wäre die Ist-Messwertdifferenz die Ist-Zustandsdifferenz (Δx = Δi_abc). Die Ist-Zustandsdifferenz stellt sozusagen einen Tracking-Fehler dar.
Außer an das Reglermodul 10 werden die Soll-Schaltzeitpunkte u* vom Musterwahlmodul 6 auch an ein Schaltzeitpunkt-Auswahlmodul 8 weitergegeben. Dieses Schaltzeitpunkt-Auswahlmodul 8 wählt eine Anzahl n_opt von Optimierungs-Schaltzeitpunkten aus den vom Musterwahlmodul 6 erhaltenen Soll-Schaltzeitpunkten aus. Die Anzahl n_opt wird dem Schaltzeitpunkt-Auswahlmodul 8 vorgegeben. Die Auswahl der Optimierungs-Schaltzeitpunkte wird an das Reglermodul 10 etwa in Form einer Liste sw_opt weitergegeben.
Das Reglermodul 10 führt jetzt eine Optimierung durch, wobei in der Optimierung die Schaltzeitpunktänderungen Δu der Optimierungs-Schaltzeitpunkte so bestimmt werden, dass ein entsprechendes Funktional minimiert (bzw. maximiert) wird. Die durch das Reglermodul 10 erhaltenen Schaltzeitpunktänderungen Δu werden zu den vom Musterwahlmodul 6 weitergegeben Soll-Schaltzeitpunkten u* addiert, um die Ist-Schaltzeitpunkte u zu bilden, die an die Steuerungselektronik 4 weitergegeben werden.
Im Schaltzeitpunkt-Auswahlmodul 8 kann die Auswahl der zu optimierenden Schaltzeitpunkte, d.h. der Optimierungs-Schaltzeitpunkte auf verschiedene Weisen erfolgen.
Die Auswahl kann so erfolgen, dass sie über eine maximale Anzahl an Halbbrücken bzw. Phasen der Maschine verteilt sind. Dies hat den Effekt, dass der Tracking-Fehler Δx in so vielen Phasen wie möglich korrigiert werden kann. Dazu wird die Sequenz u* der Soll-Schaltzeitpunkte entsprechend ihrer zeitlichen Abfolge durchlaufen. Wann immer ein Schaltzeitpunkt in einer noch nicht in der Liste sw_opt der zu Optimierungs-Schaltzeitpunkte repräsentierten Phase erreicht wird, wird dieser zu der Liste sw_opt hinzugefügt, falls die Liste nicht bereits n_opt Einträge hat. Alternativ kann, falls die Liste bereits n_opt Einträge hat, die Ersetzung eines Listeneintrags auf Basis von weiteren Kriterien, z.B. den in beiden nachfolgen beschriebenen Auswahl-Vorgehensweisen, vorgenommen werden.
Weiterhin kann die Auswahl so erfolgen, dass die Optimierungs-Schaltzeitpunkte so frei wie möglich angepasst werden können. Da die Korrektur des Tracking-Fehlers Δx proportional zur Schaltzeitpunktänderung Δu ist, ist eine größerer Änderungsspielraum gleichbedeutend mit einem größeren Potenzial, einen größeren Tracking-Fehler Δx zu korrigieren. Dies ist für eine vereinfachte Regelung relevant, da die nicht optimierten Schaltzeitpunkte und der Anfang bzw. Ende der Optimierungs-Zeitspanne harte Grenzen für die Schaltzeitpunktänderungen darstellen. Es werden daher die Soll-Schaltzeitpunkte als Optimierungs-Schaltzeitpunkte gewählt, für die das Minimum aus dem (betragsmäßigen) Abstand zum vorherigen Soll-Schaltzeitpunkt, zum folgenden Soll-Schaltzeitpunkt und dem Anfang bzw. Ende der Optimierungs-Zeitspanne maximal ist. Mit dieser Wahlmethode können große Tracking-Fehler Δx so gut wie möglich korrigiert werden.
Außerdem kann die Auswahl so erfolgen, dass die nächstmöglichen Schaltzeitpunkte optimiert werden, unabhängig davon, in welcher Phase sie auftreten. Auf diese Weise kann der Tracking-Fehler Δx potenziell schnellstmöglich korrigiert werden.
Im Reglermodul 10 erfolgt dann die Schaltwinkeloptimierung. Hierfür kann ein geeignetes zeitdiskretes Modell der Maschine, d.h. ein Maschinenmodell, verwendet werden. Ein beispielhaftes Modell wird im Folgenden beschrieben. Für einen vollständigen Regler, d.h. alle Soll-Schaltwinkel innerhalb der Optimierungs-Zeitspanne sind Optimierungs-Schaltwinkel, werden also im Funktional variiert, lautet dies $\begin{matrix} Δ x (k + 1) = (I + A_{t} (t_{k})) Δ x (k) + {\tilde{B}}_{t} (t_{k}) \hat{U} (k) Δ u (k) \\ = A_{k} Δ x (k) + B_{k} Δ u (k) . \end{matrix}$
Dabei stammen A_t(t_k) und B_r(t_k) von der Diskretisierung eines zeitkontinuierlichen Streckenmodells und t_k ist der Zeitpunkt an dem die Periode k beginnt. Die Matrix Û(k) wird ebenfalls aus der Diskretisierung erhalten und entsteht durch die Matrixschreibweise des Integrals über die gepulste Delta-Spannung Δu_uvw(t), wobei u, v, w für eine Phase stehen. Für eine beliebige Phase lautet die zugehörige Gleichung: $\begin{array}{l} \int_{t_{k}}^{t_{k + 1}} U_{p} (t) - U_{p}^{*} (t) d t \\ = ({\hat{U}}_{p, s w 1}^{*} - {\hat{U}}_{p, s w 2}^{*}) (t_{p, s w 1} - t_{p, s w 1}^{*}) + \dots + ({\hat{U}}_{p, s w j}^{*} - {\hat{U}}_{p, s w j + 1}^{*}) (t_{p, s w n_{p}} - t_{p, s w n_{p}}^{*}) \\ = Δ {\hat{U}}_{p} (k) Δ u_{p} (k) \end{array}$
wobei U_p(t) den tatsächlichen Verlauf und U_p*(t) den Verlauf der Referenzklemmenspannung für die Phase p beschreiben und die Variable t_p,swj den Schaltzeitpunkt bzw. -winkel j in der Phase p. Der Vektor ΔÛ_p(k) enthält die Differenzen der Spannungen ${\hat{U}}_{p, s w j}^{*}$
und ${\hat{U}}_{p, s w j + 1}^{*}$
vor dem Schaltvorgang j bzw. j+1 und es gilt j ∈ ℤ (j ist ganze Zahl); n_p beschreibt die Anzahl der Schaltvorgänge in Phase p während des Zeitraums [t_k, t_k+1]. Eine Matrix Û(k) entsteht durch Zusammenfassen der Vektoren ΔÛ_p(k) aller Phasen zu einer Matrix und enthält folglich die Differenzen der Spannungen, die vor und nach allen Schaltvorgängen an den jeweiligen Klemmen für alle Phasen p anliegen. Ebenso können die Schaltzeitpunktänderungen Δu_p(k), die sich auf einzelne Phase beziehen, für alle Phasen zu Δu(k) zusammengefasst werden.
Für den vereinfachten Regler, der ein Regelungsverfahren gemäß der Erfindung implementiert, d.h. der nicht alle, sondern nur einen Teil der Soll-Schaltwinkel innerhalb der Optimierungs-Zeitspanne optimiert, werden nun Ü(k) und Δu(k) so angepasst, dass lediglich die Schaltzeitpunkte berücksichtigt werden, die auch optimiert werden, d.h. in einem entsprechenden Funktional variiert werden. In der Delta-Formulierung sorgt dies für keinen Modellfehler, da für die nicht optimierten Schaltzeitpunkte die Schaltzeitpunktänderungen auf Null gesetzt werden. Eine Verallgemeinerung, in der die Schaltzeitpunktänderungen für nicht optimierte Schaltzeitpunkte nicht Null gesetzt werden, sondern als abhängig von den Schaltzeitpunktänderungen für die optimierten Schaltzeitpunkte betrachtet werden, wird weiter unten beschrieben.
Werden beispielsweise bei der Regelung einer sechsphasigen Maschine, etwa in 2x3-Sternverschaltung, nur der erste Schaltzeitpunkt in Phase 1 und nur der zweite Schaltzeitpunkt in Phase 5 angepasst, gilt: $\hat{U} (k) Δ u (k) = [\begin{matrix} {\hat{U}}_{1, s w 1}^{*} - {\hat{U}}_{1, s w 2}^{*} & 0 \\ 0 & 0 \\ 0 & 0 \\ 0 & 0 \\ 0 & {\hat{U}}_{5, s w 2}^{*} - {\hat{U}}_{5, s w 3}^{*} \\ 0 & 0 \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} t_{1, s w 1} - t_{1, s w 2}^{*} \\ t_{5, s w 2} - t_{5, s w 3}^{*} \end{matrix}]$
Dabei beinhalten die Einträge des Vektors Δu(k) in jedem Schritt der Optimierung und in jeder Periode des Reglers unterschiedliche Werte für den Schaltzeitpunkt bzw. -winkel.
Im Optimierungsproblem werden lediglich Schaltzeitpunkte in den Nebenbedingungen berücksichtigt, die optimiert werden, d.h. im entsprechenden Funktional variiert werden. Folglich verringert sich die Anzahl der zu berücksichtigenden Nebenbedingungen.
Dadurch, dass die Matrizen A_t(t_k) und B̃_r(t_k), die direkt vom verwendeten Maschinenmodell stammen, von der Vereinfachung unberührt bleiben, können weiterhin beliebige Führungsgrößen und Maschinenmodelle im Regler verwendet werden. Um Rechenzeiten so niedrig wie möglich zu halten, sollte jedoch ein möglichst einfaches Modell verwendet werden.
Eine Verallgemeinerung kann realisiert werden, indem die Schaltzeitpunktänderungen der optimierten Schaltzeitpunkte auf die nicht optimierten abgebildet werden. Dies bedeutet, dass nur eine feste Anzahl n_opt von Schaltzeitpunkten optimiert wird, die aber eine Änderung von n_manip > n_opt Schaltzeitpunkten zur Folge hat. Dies kann vorzugsweise durch eine lineare Abbildung T dargestellt werden, welche die Änderung der optimierten Schaltzeitpunkte auf eine Änderung für eine Teilmenge/alle Schaltzeitpunkte abbildet. Die entsprechende Abbildung T kann spezifisch für Anwendungs- und Arbeitspunkte gewählt werden und muss in der Optimierung berücksichtigt werden.
Hierzu muss die obige Gleichung für das Maschinenmodell durch die Abbildung T ergänzt werden: $\begin{matrix} Δ x (k + 1) = (I + A_{t} (t_{k})) Δ x (k) + {\tilde{B}}_{t} (t_{k}) \hat{U} (k) T Δ u (k) \\ = A_{k} Δ x (k) + B_{k} Δ u (k) . \end{matrix}$
Zusätzlich sind die Nebenbedingungen so anzupassen, dass unter der Abbildung keine Verletzungen von Schaltungsbedingungen der Schaltelemente (Inverter) auftreten können. Alternativ kann dies auch in einem Nachverarbeitungsschritt oder direkt bei der Wahl der Abbildung T sichergestellt werden. Insgesamt erhöht sich durch die Verwendung einer geeigneten Abbildung T die Flexibilität der Regelung.
Nachfolgend werden Ergebnisse einer Simulation für die Verwendung eines erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens kurz beschrieben. Dabei wurde die Regelung auf Basis der (Stator-)Flusskomponenten in der Maschine aufgebaut und ein sehr einfaches Maschinenmodel verwendet. Ein geeigneter Beobachter wurde implementiert. Eine Totzeit von einer Abtastperiode wurde ebenfalls in der Simulation berücksichtigt. Es wurde keine Abbildung T verwendet, d.h. die n_opt optimierten Schaltzeitpunkte sind die einzigen, die vom Regler angepasst werden. Die zu optimierenden Schaltzeitpunkte (Optimierungs-Schaltzeitpunkte) wurden entsprechend der dritten oben genannten Vorgehensweise ausgewählt, d.h. es wurden die auf den Erfassungszeitpunkt nächstfolgenden n_opt Schaltzeitpunkte optimiert.
Dabei wurde ein Drehmomentsprung von M = 2,5 Nm auf M =10 Nm zum Zeitpunkt T = 2 ms bei einer Drehzahl von n = 4000 U/min simuliert. Die Gesamtsimulationsdauer beträgt 12 ms bei einer Abtastperiode von 100 µs.
Die maximale Anzahl der Schaltzeitpunkte in den Optimierungs-Zeitspannen beträgt 18. Es wurden verschiedene Simulationen durchgeführt, wobei die Anzahl n_opt der Optimierungs-Schaltzeitpunkte jeweils unterschiedlich war:

Einerseits eine erfindungsgemäße Anzahl: n_opt = 1, n_opt = 3, n_opt = 5.
Andererseits als Vergleich eine nicht erfindungsgemäße Anzahl: n_opt = 0 (d.h. sofortige Ansteuerung der Maschine mit neuem OPP nach Drehmomentsprung, keine Optimierung), n_opt = 18 (d.h. alle Schaltzeitpunkte in der Optimierungs-Zeitspanne werden optimiert, vollständiger Regler).

Es wurde festgestellt, dass bei n_opt = 0 (keine Optimierung) beim Drehmomentsprung ausgeprägte transiente Vorgänge in Form von Schwingungen, die bis zu 15 Nm reichen und sich über mehrere ms erstrecken, auftreten. Bereits bei n_opt = 1 werden diese weitestgehend vermieden, wobei das Drehmoment nach dem Drehmomentsprung nach einer Einstellzeit von ca. 1 - 1,5 ms um weniger als 1 Nm von dem Soll-Drehmoment von 10 Nm abweicht.
Für n_opt > 1 werden signifikant kleinere Einstellzeiten im Bereich von 0,8 - 0,9 ms erreicht, es wird also eine hochdynamische Antwort auf den Drehmomentsprung erreicht.
Für n_opt = 5 ergibt sich ein nahezu identischer Verlauf des Drehmoments zum vollständigen Regler n_opt = 18.
Weiterhin wurde für n_opt = 1, n_opt = 3, n_opt = 5 festgestellt, dass die Abweichung des eingeregelten Phasenstroms einer Phase nach Erreichen des stationären Zustands nach dem Drehmomentsprung bezogen auf das Maximum des Referenzstroms weniger als 1 % beträgt. Die erfindungsgemäße Regelung erlaubt also, die Offline bestimmten Referenz-Trajektorien innerhalb einer für stationär optimales Tracking üblichen Toleranz exakt einzuregeln.
Es kann gefolgert werden, dass für n_opt ≥ 5 alle Regelungs-Anforderungen erfüllt sind, wobei statt allen 18 Schaltzeitpunkten lediglich eine Anzahl n_opt < 18 optimiert wird, so dass eine Verringerung der Rechenzeit erreicht werden kann.
2 stellt in einem Diagramm die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Rechenzeit-Verringerungen dar. Dabei sind für unterschiedliche Parameter n_opt (Anzahl der optimierten Schaltzeitpunkte) jeweils die zugehörigen gemittelte Ausführungszeiten T_A in µs (Mikro-Sekunden) dargestellt. Die Ausführungszeiten beziehen sich jeweils auf die Zeitdauer ausgehend vom Erfassungszeitpunkt, die der Regler benötigt, um die Optimierung durchzuführen. Die Ausführungszeiten wurden mit einem Prototyp-System ermittelt, nämlich einem RTI1007 System der Firma dSPACE.
Wie klar erkennbar ist, wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren (n_opt = 2, n_opt = 3, n_opt = 5) die Ausführzeit gegenüber einer Optimierung aller 18 Schaltzeitpunkte erheblich verkürzt. Hier ergeben sich Laufzeitvorteile bzw. Ausführzeit-Verringerungen von ca. 70 %. Die Ausführung ohne Optimierung (n_opt = 0) ist zwar noch schneller, hier treten allerdings wie erwähnt unerwünschte transiente Vorgänge auf.
Insgesamt zeigt die Simulation, dass bereits eine Anzahl n_opt, die kleiner oder gleich 50 %, vorzugsweise kleiner oder gleich 35 %, der Gesamtanzahl bzw. maximalen Anzahl von Soll-Schaltzeitpunkten innerhalb der Optimierungs-Zeitspanne ist, zu einem im Vergleich zu nicht erfindungsgemäßen Implementierungen hervorragenden Regelungsergebnis führt.
3 stellt ein Ablaufdiagramm des Regelungsverfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dar.
Das Verfahren beginnt mit Schritt 20 mit dem Erfassen eines Ist-Messwerts zu einem Erfassungszeitpunkt. Weiterhin werden Soll-Schaltzeitpunkte bestimmt (Schritt 22), insbesondere entsprechend einem Arbeitspunkt (z.B. Drehzahl, Drehmoment) der elektrischen Maschine. Diese Soll-Schaltzeitpunkte können bevorzugt aus Referenz-Trajektorien in Form von Referenz-Schaltzeitpunkt-Mustern (OPP) erhalten werden.
Im bevorzugten Schritt 24, der anders als dargestellt auch nach Schritt 26 durchgeführt werden könnte, werden aus den bestimmten Soll-Schaltzeitpunkten zu optimierende Schaltzeitpunkte, sogenannte Optimierungs-Schaltzeitpunkte, ausgewählt. Dabei wird vorzugsweise eine der oben erläuterten Verfahrensweisen angewandt. Im Prinzip wäre es auch möglich, dass die Soll-Schaltzeitpunkte von vornherein in Optimierungs-Schaltzeitpunkte und nicht zu optimierende Schaltzeitpunkte unterteilt sind, etwa durch eine entsprechende Kennzeichnung in der Referenz-Trajektorie. In diesem Fall könnte auf Schritt 24 verzichtet werden.
In Schritt 26 erfolgt ein Bestimmen einer Ist-Zustandsdifferenz basierend auf dem Ist-Messwert. Dies kann, wie bereits erläutert, je nachdem, ob ein Beobachter implementiert ist, auf verschiedene Arten erfolgen.
In Schritt 28 werden die Schaltzeitpunktänderungen für Sollschaltzeitpunkte innerhalb der mit dem Erfassungszeitpunkt beginnenden Optimierungs-Zeitspanne bestimmt, indem ein Optimierungsproblem gelöst wird.
In Schritt 30 werden Ist-Schaltzeitpunkte gebildet, wobei jeweils die Summe aus Soll-Schaltzeitpunkt und Schaltzeitpunktänderung dieses Soll-Schaltzeitpunkts berechnet wird. Die elektrische Maschine wird in Schritt 32 unter Verwendung der Ist-Schaltzeitpunkte angesteuert.
Nachfolgend kann wieder zu Schritt 20 (Erfassen eines Ist-Messwerts) zurückgesprungen werden und das Verfahren für einen weiteren Erfassungszeitpunkt wiederholt durchgeführt werden.
4 zeigt ein Fahrzeug 50 mit einem elektrischen Antriebsstrang 52. Der Antriebsstrang 52 umfasst eine elektrische Maschine 54 und eine Regeleinrichtung 56, etwa ein Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Regelung auszuführen.
Die Leistungsansteuerung der elektrischen Maschine 54 erfolgt über Inverter bzw. Stromrichter 58 mit einer ausreichenden Anzahl von Schaltelementen.
Die Darstellung zeigt beispielhaft ein Fahrzeug mit vier Rädern, wobei die Erfindung gleichermaßen in beliebigen Fahrzeugen mit einer beliebigen Anzahl an Rädern zu Lande, zu Wasser und in der Luft einsetzbar ist.
Es versteht sich, dass die Erfindung auch zur Regelung von elektrischen Maschinen Anwendung finden kann, die in maschinellen Vorrichtungen umfasst sind, die kein Fahrzeug sind, etwa einer maschinellen Vorrichtung, die in einer industriellen Anlage installiert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010061897 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine (2), wobei Schaltelemente an Schaltzeitpunkten geschaltet werden, umfassend: Erfassen (20) eines Ist-Messwerts (i_abc) zu einem Erfassungszeitpunkt; Bestimmen (22) von Soll-Schaltzeitpunkten (u*), die innerhalb einer mit dem Erfassungszeitpunkt beginnenden Optimierungs-Zeitspanne liegen; Bestimmen (26) einer Ist-Zustandsdifferenz (Δx) basierend auf dem Ist-Messwert; Bestimmen (28) von Schaltzeitpunktänderungen (Δu) für die Soll-Schaltzeitpunkte, wobei Schaltzeitpunktänderungen für Optimierungs-Schaltzeitpunkte so bestimmt werden, dass ein Optimierungsproblem gelöst wird, das von der Ist-Zustandsdifferenz und den Schaltzeitpunktänderungen der Optimierungs-Schaltzeitpunkte abhängig ist, wobei die Optimierungs-Schaltzeitpunkte nur ein Teil aller innerhalb der Optimierungs-Zeitspanne umfassten Soll-Schaltzeitpunkte sind; Bilden (30) von Ist-Schaltzeitpunkten (u), jeweils als Summe aus Soll-Schaltzeitpunkt (u*) und Schaltzeitpunktänderung (Δu); Ansteuern (32) der elektrischen Maschine unter Verwendung der Ist-Schaltzeitpunkte (u).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schaltzeitpunktänderungen für Soll-Schaltzeitpunkte, die keine Optimierungs-Schaltzeitpunkte sind, als Null bestimmt werden oder basierend auf den Schaltzeitpunktänderungen für Optimierungs-Schaltzeitpunkte bestimmt werden, insbesondere durch eine lineare Abbildung.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in dem Optimierungsproblem Modell-Zustandsdifferenzen durch ein Maschinenmodell aus der Ist-Zustandsdifferenz und den Schaltzeitpunktänderungen erhalten werden; wobei das Maschinenmodell bevorzugt ein zeitdiskretes lineares Maschinenmodell ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in dem Optimierungsproblem ein Funktional bezüglich der Schaltzeitpunktänderungen für die Optimierungs-Schaltzeitpunkte variiert wird, so dass dieses minimiert bzw. maximiert wird; wobei, falls abhängig von Anspruch 3, bevorzugt in dem Funktional die Ist-Zustandsdifferenz, die Modell-Zustandsdifferenzen und die Optimierungs-Schaltzeitpunktänderungen mit jeweiligen Normen gewichtet und summiert werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei maximal 50 %, bevorzugt maximal 35 %, aller Schaltzeitpunkte in der Optimierungs-Zeitspanne als Optimierungs-Schaltzeitpunkte verwendet werden und/oder wobei maximal 50 %, weiter bevorzugt maximal 35 %, einer bezogen auf mehrere Erfassungszeitpunkte maximalen Anzahl von Schaltzeitpunkten als Optimierungs-Schaltzeitpunkte verwendet werden und/oder wobei maximal 75 %, weiter bevorzugt maximal 50%, einer über mehrere Erfassungszeitpunkte gemittelten Anzahl von Schaltzeitpunkten als Optimierungs-Schaltzeitpunkte verwendet werden und/oder wobei eine Anzahl von Optimierungs-Schaltzeitpunkten kleiner ist als 15, mehr bevorzugt kleiner als 12, noch mehr bevorzugt kleiner als 7, am meisten bevorzugt kleiner als 4.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend ein Auswählen (24) der Optimierungs-Schaltzeitpunkte, wobei die Auswahl gemäß einer der folgenden Vorgehensweisen erfolgt: - Auswählen derjenigen Soll-Schaltzeitpunkte als Optimierungs-Schaltzeitpunkte, so dass die Schaltelemente, die an den Optimierungs-Schaltzeitpunkten geschaltet werden, über eine maximale Anzahl von Phasen der elektrischen Maschine verteilt sind; - Auswählen derjenigen Soll-Schaltzeitpunkte als Optimierungs-Schaltzeitpunkte, die den größten Änderungsspielraum aufweisen; - Auswählen der zeitlich auf den Erfassungszeitpunkt nächstfolgenden Soll-Schaltzeitpunkte als Optimierungs-Schaltzeitpunkte; oder - Auswählen der Optimierungs-Schaltzeitpunkte mittels eines adaptiven oder auf maschinellem Lernen basierenden Auswahlmusters; wobei bevorzugt mittels einer adaptiven oder auf maschinellem Lernen basierenden Methode abhängig von derzeitigen und früheren Ist-Zustandsdifferenzen jeweils eine der Vorgehensweisen ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei beim Bestimmen der Ist-Zustandsdifferenz (Δx) ein Soll-Messwert bestimmt wird, eine Ist-Messwertdifferenz als Differenz zwischen Soll-Messwert und Ist-Messwert bestimmt wird, und die Ist-Zustandsdifferenz basierend auf der Ist-Messwertdifferenz bestimmt wird; oder ein Ist-Zustand basierend auf dem Ist-Messwert oder als der Ist-Messwert bestimmt wird, ein Soll-Zustand bestimmt wird, und die Ist-Zustandsdifferenz als Differenz zwischen Soll-Zustand und Ist-Zustand bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Soll-Messwerte bzw. die Soll-Zustände Soll-Phasenströme und/oder Soll-Magnetflüsse der elektrischen Maschine charakterisieren und die Ist-Messwerte bzw. die Ist-Zustände Ist-Phasenströme und/oder Ist-Magnetflüsse der elektrischen Maschine charakterisieren.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Soll-Schaltzeitpunkte und der Soll-Messwert bzw. der Soll-Zustand mittels einer Referenz-Trajektorie von vorbestimmten Soll-Messwerten bzw. Soll-Zuständen und zugehörigen vorbestimmten Soll-Schaltzeitpunkten bestimmt werden; wobei die Referenz-Trajektorie als eine aus einer Vielzahl vorbestimmter Trajektorien oder durch Interpolation aus der Vielzahl vorbestimmter Trajektorien bestimmt wird; wobei das Bestimmen der Referenz-Trajektorie bevorzugt auf Grundlage eines Arbeitspunktes oder auf Grundlage eines Aussteuergrads und Vorsteuerwinkels der elektrischen Maschine erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die vorbestimmten Trajektorien datenbasiert anhand von Daten bestimmt werden, die während des realen Betriebs oder eines Prüfstandbetriebs der elektrischen Maschine erfasst werden; und/oder wobei die vorbestimmten Trajektorien vor Betrieb der elektrischen Maschine mittels einer insbesondere zeitkontinuierlichen physikalischen Modellierung der elektrischen Maschine bestimmt werden, wobei die Modellierung eine Induktivitätsmatrix, eine Widerstandsmatrix, einen Magnetfluss und/oder eine Winkelgeschwindigkeit der elektrischen Maschine berücksichtigt, wobei, falls abhängig von Anspruch 3, bevorzugt das Maschinenmodell ein zeitdiskretes, insbesondere affines oder lineares, Maschinenmodell ist, das aus der Modellierung gewonnen wurde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die vorbestimmten Trajektorien in Abhängigkeit von Parametern in einem Kennfeld abgelegt sind und die Referenz-Trajektorie bzw. für die Interpolation verwendete vorbestimmte Trajektorien mittels der Parameter aus dem Kennfeld ermittelt werden; wobei die Parameter bevorzugt Drehmoment und/oder Drehzahl und/oder Rotorwinkel und/oder Modulationsgrad und/oder Vorsteuerwinkel und/oder Ströme der elektrischen Maschine umfassen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Ist-Messwert zu einem weiteren Erfassungszeitpunkt erneut erfasst wird und das Bestimmen der Schaltzeitpunktänderungen und das Bestimmen der Ist-Schaltzeitpunkte basierend darauf erneut durchgeführt wird; wobei bevorzugt der zeitliche Abstand zwischen dem Erfassungszeitpunkt und dem weiteren Erfassungszeitpunkt kleiner als die Optimierungs-Zeitspanne ist.
Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 14.