DE102021102666A1

DE102021102666A1 - Regelkreissteuerung für den transienten betrieb von elektrischen maschinen mit variablem fluss und permanentmagneten

Info

Publication number: DE102021102666A1
Application number: DE102021102666.0A
Authority: DE
Inventors: Xin Jing; Bojian Cao; Brent S. GAGAS
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2021-09-02
Also published as: US20210273505A1; CN113346823A; US11316391B2

Abstract

Ein Verfahren zum Steuern eines transienten Betriebs einer rotationselektrischen Maschine in einem elektrischen Antriebsstrang oder einem anderen elektrischen System umfasst, während eines Nebenschlusswinkelübergangs, der während eines maximalen Drehmoment pro Ampere (MTPA)-Steuerbereichs auftritt, das Bestimmen eines geschätzten Ausgangsdrehmoments der elektrischen Maschine über einen Drehmomentschätzblock unter Verwendung von d-Achsen- und q-Achsen-Strombefehlen und eines zusätzlichen Werts, d.h. eines tatsächlichen Nebenschlusswinkels oder einer Maschinentemperatur. Das Verfahren umfasst das Subtrahieren des geschätzten Ausgangsdrehmoments von einem befohlenen Ausgangsdrehmoment, um einen angepassten befohlenen Drehmomentwert oder Drehmomentfehler abzuleiten, und das Berechnen eines delta-d-Achsen-Strombefehls und eines delta-q-Achsen-Strombefehls aus dem Drehmomentfehler. Das Verfahren umfasst das Anpassen von d-Achsen- und q-Achsen-Strombefehlen unter Verwendung der Delta-Befehle, um angepasste d-Achsen- und q-Achsen-Strombefehle zu erzeugen, die dann als Regelkreis-Rückgabesteuerungsterme durch den Drehmomentschätzblock verwendet werden.

Description

EINLEITUNG
Rotationselektrische Maschinen werden zur Bereitstellung von Drehmoment in einer Vielzahl von elektromechanischen Systemen verwendet. In einer typischen Radialflussmaschine wird z. B. ein zylindrischer Rotor von einem zylindrischen Stator mit einem Satz von Statorfeldwicklungen umschlossen. Der Rotor und eine damit verbundene Rotorwelle drehen sich im Gleichklang, wenn die Statorfeldwicklungen nacheinander von einer Hochspannungsstromversorgung, typischerweise in Form eines Leistungswechselrichtermoduls und einer mehrzelligen Batteriepackung, erregt werden. Das durch die Maschinendrehung erzeugte Drehmoment wird dann auf eine gekoppelte Last übertragen, um Arbeit zu verrichten, wie z. B. die Erzeugung von Elektrizität, das Anlassen und Starten eines Verbrennungsmotors oder der Antrieb von Straßenrädern, Propellerblättern oder anderen angetriebenen Lasten, je nach Anwendung.
In einer Permanentmagnet (PM)-Maschine sind starke Permanentmagnete auf einzelnen Eisenblechen des Rotors oberflächenmontiert oder in diese eingebettet. Die Permanentmagnete sind so angeordnet, dass sie abwechselnd magnetische Nord- und Südpole um den Umfang des Rotors bilden. Das rotierende Statorfeld interagiert mit den starken Magnetfeldern der Permanentmagnete, um die Rotorwelle zu drehen. Eine externe Steuerung einer Eingangsspannung, die an die einzelnen Statorwicklungen geliefert wird, steuert letztendlich die Drehzahl und das Drehmoment, das von der PM-Maschine erzeugt wird. Eine erregte PM-Maschine erzeugt eine gegenelektromotorische Kraft (Gegen-EMF) als eine Spannung, die der der erregten Statorwicklungen entgegengesetzt ist. Daher wird der Betrieb einer PM-Maschine häufig durch Feldschwächungstechniken gesteuert, die die Gegen-EMF der elektrischen Maschine bei höheren Drehzahlen reduzieren. Im Gegensatz zu einer PM-Maschine verzichtet eine Maschine mit variablem Fluss (VFM) auf den Einsatz der oben erwähnten Permanentmagnete. Eine VFM ist in der Lage, ein relativ hohes Ausgangsdrehmoment zu liefern und gleichzeitig mit hoher Energieeffizienz zu arbeiten, während PM-Maschinen dazu neigen, unter Hochgeschwindigkeits-/Niedriglast-Betriebsbedingungen höhere Energieverluste zu erfahren.
Der magnetische Fluss kann innerhalb der Flusspfade einer rotationselektrischen Maschine variiert werden, um die Gegen-EMF der elektrischen Maschine zu verändern, z. B. durch Entmagnetisierung oder Magnetisierung der Maschine, mechanische Fluss-Nebenschlusselemente oder die oben genannten Feldschwächungstechniken. Eine typische VFM kann z. B. die Position oder den Winkel (Nebenschlusswinkel) von in der elektrischen Maschine eingebetteten Hardwarevorrichtungen ändern, um eine gezielte Richtungsänderung des magnetischen Flusses zu bewirken, der durch einen Magnetfeldkreis oder ein Nebenschlussfeld fließt. Feldschwächungstechniken in VFM- oder PM-Maschinen haben letztlich den Effekt, den Statorfeldstrom und die Gegen-EMF der elektrischen Maschine zu reduzieren.
BESCHREIBUNG
Hierin werden Steuerungsstrategien, Steuerungssysteme und zugehörige Steuerungslogik zum Steuern einer transienten Antwort einer rotationselektrischen Maschine beschrieben. Insbesondere bietet die vorliegende Offenbarung geschlossene Regelkreis-/Rückgabe-basierte Steuerungslösungen zum Zweck der Verbesserung der Gesamtgeschwindigkeit und Genauigkeit einer Drehmoment-Transienten-Antwort in einer Maschine mit variablem Fluss (VFM), wobei die vorliegende Lehre auch auf eine Echtzeit-Steuerung und thermische Regulierung einer Permanentmagnet (PM)-Maschine unter Verwendung der einfachen temperaturbasierten Substitutionen, wie hier beschrieben, erweiterbar ist.
Ein computergesteuertes System, wie z. B. eine rotationselektrische Maschine des hier behandelten Typs, wird im Laufe des laufenden Betriebs eine Periode von stationärem und instationärem Betrieb aufweisen, wie von Fachleuten verstanden wird. Beispielsweise wird sich das von einem elektrischen Fahrmotor erzeugte Ausgangsdrehmoment, wenn er mit einer konstanten Spannung bei einer konstanten Betriebstemperatur versorgt wird, schließlich auf ein relativ vorhersehbares stationäres Drehmoment einpendeln. Die stationäre Leistung ist daher normalerweise in Form von kalibrierten Drehmoment-Drehzahl-Kurven für eine bestimmte elektrische Maschine, die in einer bestimmten Anwendung verwendet wird, verfügbar. Das stationäre Drehmomentverhalten einer elektrischen Maschine kann von zugehörigen Motorsteuerungsprozessoren, hierarchischen Steuerungen und zugehöriger Steuerungslogik genutzt werden, um eine angetriebene Last auf vorhersehbare und wiederholbare Weise anzutreiben.
Im Gegensatz zur stationären Drehmomentantwort ist eine transiente Drehmomentantwort einer elektrischen Maschine die zeitlich veränderliche Reaktion der Maschine auf eine oder mehrere veränderte Eingangsbedingungen vor oder nach dem stationären Betrieb. Relativ langsame und/oder große Drehmomenttransienten können Geräusch-, Vibrations- und Härte-Effekte („NVH“) verschlimmem. Beispielsweise kann eine zu abrupte Drehmomenttransientenantwort in einem Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsstrang, der von einem elektrischen Traktionsmotor angetrieben wird, von einem Bediener des Kraftfahrzeugs als Drehmomentstörung und infolgedessen als eine verschlechterte Antriebsqualität wahrgenommen werden. Die vorliegenden Steuerungsstrategien zielen daher darauf ab, die Geschwindigkeit und Genauigkeit einer Drehmomenttransientenantwort von rotationselektrischen Maschinen, einschließlich einer VFM- und einer PM-Maschine, zu optimieren, wobei die vorgeschlagenen Lösungen und die zugehörige Hardware auf solche Zwecke gerichtet sind.
In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Steuern eines transienten Betriebs einer rotationselektrischen Maschine, während eines Nebenschlusswinkelübergangs, der während eines MTPA-Steuerbereichs der elektrischen Maschine auftritt, in dem der Übergang Flusspfade innerhalb und eine Gegen-EMK der elektrischen Maschine modifiziert, das Bestimmen eines geschätzten Ausgangsdrehmoments der elektrischen Maschine. Dieser Verfahrensschritt wird von einem Drehmomentschätzblock einer Steuerung unter Verwendung eines d-Achsen-Strombefehls, eines q-Achsen-Strombefehls und eines zusätzlichen Werts durchgeführt. Der zusätzliche Wert ist ein tatsächlicher Nebenschlusswinkel oder eine Temperatur der elektrischen Maschine, abhängig von der Konstruktion der elektrischen Maschine, wie unten angegeben. Das Verfahren umfasst das Subtrahieren des geschätzten Ausgangsdrehmoments von einem befohlenen Ausgangsdrehmoment, um dadurch einen angepassten befohlenen Drehmomentwert oder Drehmomentfehler abzuleiten, und das Berechnen eines delta-d-Achsen-Strombefehls und eines delta-q-Achsen-Strombefehls unter Verwendung des angepassten befohlenen Drehmomentwerts oder Drehmomentfehlers.
Zusätzlich umfasst das Verfahren in dieser Ausführungsform die Anpassung eines d-Achsen-Strombefehls und eines q-Achsen-Strombefehls der elektrischen Maschine über die Steuerung unter Verwendung des delta-d-Achsen-Strombefehls bzw. des delta-q-Achsen-Strombefehls. Letztendlich liefert die Steuerung den d-Achsen-Befehl und den q-Achsen-Befehl an den Drehmomentschätzblock als Regelkreis-Rückgabesteuerungsterme.
Die rotationselektrische Maschine kann optional als eine Maschine mit variablem Fluss ausgeführt sein, in diesem Fall ist der zusätzliche Wert der oben genannte tatsächliche Nebenschlusswinkel. Wenn die elektrische Maschine eine Permanentmagnetmaschine ist, ist der zusätzliche Wert die Temperatur der elektrischen Maschine.
Das Verfahren kann das Zuführen einer Gleichstrom-Busspannung, eines Drehmoment-Änderungsbefehls und einer Drehzahl der elektrischen Maschine in separate d-Achsen- und q-Achsen-Befehlsnachschlagetabellen der Steuerung und das Hinzufügen des delta-d-Achsen-Strombefehls und des delta-q-Achsen-Strombefehls zu entsprechenden Ausgaben der separaten d-Achsen- und q-Achsen-Befehlsnachschlagetabellen umfassen, um dadurch den d-Achsen-Strombefehl und den q-Achsen-Strombefehl abzuleiten.
Das Berechnen der delta-d-Achsen- und delta-q-Achsen-Strombefehle kann das Verarbeiten des angepassten befohlenen Drehmomentwerts oder Drehmomentfehlers durch einen Proportional-Integral (PI)-Regler beinhalten, um eine delta-Stationärzustandsstromstärke zu erzeugen, das Hinzufügen der delta-Stationärzustandsstromstärke zu einer Stationärzustandsstromstärke, um einen neuen Stationärzustandsstromwert zu erzeugen, das Verarbeiten des neuen Stationärzustandsstromwerts durch eine MTPA-Beta-Winkel-Nachschlagetabelle, um einen Strombefehl-Beta-Winkel der elektrischen Maschine zu erzeugen, und das Transformieren des Strombefehl-Beta-Winkels in angepasste d-Achsen- und q-Achsen-Werte unter Verwendung eines Transformationsblocks der Steuerung.
Das Verfahren kann ein selektives und automatisches Zurücksetzen des PI-Reglers als Reaktion auf eine vorbestimmte Bedingung beinhalten.
Während eines Feldschwächungs-Steuerbereichs der elektrischen Maschine, der vor oder nach dem MTPA-Steuerbereich auftritt, kann das Verfahren die Verwendung eines Modulationsindex-Regelkreises der Steuerung zur Regelung des d-Achsen-Strombefehls und danach die Regelung des q-Achsen-Strombefehls über den Drehmoment-Regelkreis der Steuerung umfassen.
Ein kalibriertes Drehmoment-Hystereseband kann von der Steuerung implementiert werden, um ein Schwingen oder Zittern zwischen dem MTPA-Steuerbereich und dem Feldschwächungs-Steuerbereichs zu vermeiden.
Die Bestimmung des geschätzten Ausgangsdrehmoments kann die Verwendung einer Flussnachschlagetabelle beinhalten, um einen jeweiligen d-Achsen- und einen q-Achsen-Flussbeitrag zu bestimmen. Der Block zur Drehmomentabschätzung in einer solchen Ausführungsform enthält eine Nachschlagetabelle, die durch den d-Achsen-Strom, den q-Achsen-Strom, den d-Achsen-Flussbeitrag und den q-Achsen-Flussbeitrag indiziert ist.
Hierin wird auch ein elektrischer Antriebsstrang offenbart, der eine rotationselektrische Maschine mit Phasenwicklungen, ein über die Phasenwicklungen mit der rotationselektrischen Maschine verbundenes Traktionsleistungs-Wechselrichtermodul (TPIM) und ein automatisches Steuersystem oder eine Steuerung aufweist. Die Steuerung in einer möglichen Ausführungsform hat einen Stromsteuerungsblock, der mit dem TPIM verbunden ist und so konfiguriert ist, dass er d-Achsen- und q-Achsen-Strombefehle empfängt und als Reaktion auf die d-Achsen- und q-Achsen-Strombefehle d-Achsen- und q-Achsen-Spannungsbefehle an das TPIM ausgibt. Die Steuerung umfasst auch einen Nebenschlusssteuerungsblock, der so konfiguriert ist, dass er einen tatsächlichen Nebenschlusswinkel der elektrischen Maschine während eines MTPA-Steuerbereichs der elektrischen Maschine ändert, um dadurch die Flusspfade innerhalb und die Gegen-EMK der elektrischen Maschine zu modifizieren.
Die Steuerung in dieser Ausführungsform ist so konfiguriert, dass sie Befehle ausführt, um dadurch einen transienten Betrieb der rotationselektrischen Maschine zu steuern, der das Steuersystem dazu veranlasst, während des Nebenschlusswinkelübergangs ein geschätztes Ausgangsdrehmoment der rotationselektrischen Maschine über einen Drehmomentschätzblock unter Verwendung eines d-Achsen-Strombefehls, eines q-Achsen-Strombefehls und eines zusätzlichen Werts zu bestimmen. Wie oben erwähnt, kann der zusätzliche Wert ein tatsächlicher Nebenschlusswinkel der elektrischen Maschine sein, wenn die elektrische Maschine eine Maschine mit variablem Fluss ist, oder eine Temperatur der elektrischen Maschine, wenn die elektrische Maschine eine Permanentmagnetmaschine ist.
Die Steuerung ist so konfiguriert, dass er das geschätzte Ausgangsdrehmoment von einem befohlenen Ausgangsdrehmoment subtrahiert, um dadurch einen angepassten befohlenen Drehmomentwert oder Drehmomentfehler abzuleiten, sowie um aus dem angepassten befohlenen Drehmomentwert oder Drehmomentfehler einen delta-d-Achsen-Strombefehl und einen delta-q-Achsenstrombefehl zu berechnen. Die Steuerung passt auch einen aktuellen d-Achsen-Strombefehl und einen aktuellen q-Achsen-Strombefehl der elektrischen Maschine unter Verwendung des delta-d-Achsen-Strombefehls bzw. des delta-q-Achsen-Strombefehls an, um dadurch den d-Achsen-Strombefehl und den q-Achsen-Strombefehl zu erzeugen. Die Steuerung liefert dann die d-Achsen- und q-Achsen-Befehle als Regelkreis-Rückgabesteuerungsterme an den Drehmomentschätzblock.
Die oben genannten und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen und besten Modi zur Durchführung der Offenbarung einfach ersichtlich sein, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und beigefügten Ansprüchen genommen werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Antriebsstrang mit einer rotationselektrischen Maschine und einem Regelkreis/Rückgabe-Steuersystem, das wie hier beschrieben konfiguriert ist.
2 ist ein schematisches Logikdiagramm der transienten Drehmomentsteuerung einer beispielhaften Maschine mit variablem Fluss (VFM), wenn sie in einem Steuerbereich mit maximalem Drehmoment pro Ampere (MTPA) arbeitet.
3 ist ein schematisches Logikdiagramm der transienten Drehmomentsteuerung eines beispielhaften VFM bei Betrieb in einem Feldschwächungs-Steuerbereich.
4 ist eine modifizierte Ausführungsform des in 2 dargestellten schematischen Logikdiagramms, das eine optionale thermische Anpassung für eine Permanentmagnet (PM)-Maschine bietet, die im MTPA-Steuerbereich arbeitet.
5 und 6 sind schematische Darstellungen einer optionalen Freigabebedingung bzw. einer Integrator-Rücksetzlogik, die beide im MTPA-Steuerbereich verwendbar sind.

Die vorliegende Offenbarung ist zugänglich für verschiedene Modifikationen und alternative Formen, und einige repräsentative Ausführungsformen wurden beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt und werden hier im Detail beschrieben. Es sollte jedoch verstanden werden, dass die neuartigen Aspekte der vorliegenden Offenbarung nicht auf die in den beigefügten Zeichnungen dargestellten besonderen Formen beschränkt sind. Vielmehr soll die Offenbarung Modifikationen, Äquivalente, Kombinationen und Alternativen umfassen, die in den Umfang und den Kern der Offenbarung fallen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung kann in vielen verschiedenen Formen verwirklicht werden. Repräsentative Beispiele der Offenbarung sind in den Zeichnungen dargestellt und hier im Detail beschrieben, wobei die beschriebenen Ausführungsformen als Beispiele für die offenbarten Prinzipien und nicht als Einschränkungen der allgemeinen Aspekte der Offenbarung zu verstehen sind. Zu diesem Zweck sollten Elemente und Beschränkungen, die in den Abschnitten „Zusammenfassung“, „Einleitung“, „Beschreibung“ und „Detaillierte Beschreibung“ beschrieben, aber nicht explizit in den Ansprüchen dargelegt sind, nicht in die Ansprüche aufgenommen werden, weder einzeln noch gemeinsam, weder durch Implikation noch durch Schlussfolgerung noch auf andere Weise.
Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung schließt die Verwendung des Singulars, sofern nicht ausdrücklich ausgeschlossen, den Plural ein und umgekehrt, die Begriffe „und“ und „oder“ gelten sowohl im Konjunktiv als auch im Disjunktiv, „jeder“ und „alle“ bedeuten „jeder und alle“, und die Wörter „einschließlich“, „enthaltend“, „umfassend“, „mit“ und dergleichen bedeuten „einschließlich ohne Einschränkung“. Darüber hinaus können Wörter der Annäherung wie „etwa“, „fast“, „im Wesentlichen“, „im Allgemeinen“, „ungefähr“ usw. hier im Sinne von „bei, nahe oder fast bei“ oder „innerhalb von 0-5 % von“ oder „innerhalb akzeptabler Fertigungstoleranzen“ oder logischen Kombinationen davon verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Referenznummern auf gleiche Komponenten beziehen, zeigt 1 schematisch ein Kraftfahrzeug 10 mit einer Fahrzeugkarosserie 11, einem elektrischen Antriebsstrang 12 und einem oder mehreren Straßenrädern 13 in Rollkontakt mit einer Straßenoberfläche 15. Obwohl der Einfachheit halber weggelassen, enthält der elektrische Antriebsstrang 12 auch eine Bordstromversorgung, wie z.B. eine Hochspannungs-Gleichstrom-Batteriepackung mit einer für die Anwendung geeigneten Anzahl von wiederaufladbaren Hochenergie-Batteriezellen, z.B. Lithium-Ionen-Batteriezellen oder Zellen aus einer anderen geeigneten Batteriechemie.
Ein solcher Batteriesatz wird kontrolliert entladen, um die Phasenwicklungen einer rotationselektrischen Maschine (M_E) 14 zu erregen, die ihrerseits als eine Maschine mit variablem Fluss (VFM) oder eine Permanentmagnetmaschine (PM) gemäß den hier beschriebenen repräsentativen Ausführungsformen ausgeführt sein kann. Die elektrische Maschine 14 kann optional als ein elektrischer Antriebsmotor für die Verwendung als primäre Drehmomentquelle in dem elektrischen Antriebsstrang 12 konfiguriert werden, wobei die elektrische Maschine 14 in einer solchen Konfiguration für die Erzeugung von Motordrehmoment (Pfeil T_M) betreibbar ist, auf Stufen ausreichend für den Antrieb des Kraftfahrzeugs 10 oder als elektrischer Generator zum Aufladen der oben genannten Batteriepackung.
Das Kraftfahrzeug 10 kann auch zusätzliche Drehmomentquellen enthalten, die hier nicht speziell beschrieben sind, z. B. einen Verbrennungsmotor und/oder zusätzliche elektrische Maschinen 14, und daher soll die repräsentative Ausführungsform von 1 die vorliegenden Lehren veranschaulichen und nicht einschränken. Die vorteilhaften Anwendungen der elektrischen Maschine 14 sind nicht auf mobile Anwendungen im Allgemeinen oder auf Fahrzeugantriebsanwendungen im Besonderen beschränkt. Fachleute werden verstehen, dass die damit verbundenen Vorteile der offenbarten elektrischen Maschine 14, wenn sie unter Verwendung der unten unter Bezugnahme auf die 2-6 beschriebenen Strategien gesteuert wird, auf stationäre und mobile Anwendungen ausgedehnt werden können, die auf der Verwendung von Motordrehmoment (Pfeil T_M) beruhen, z. B. Wasserfahrzeuge, Flugzeuge, Schienenfahrzeuge, mobile Plattformen, Roboter, Kraftwerke, Waschmaschinen oder andere Geräte oder andere stationäre oder mobile Systeme.
Als eine grundlegende Basis für die vorliegenden Lösungen, ist es hier anerkannt, dass die elektrische Maschine 14 von 1 einen konzentrisch angeordneten Rotor 14R und Stator 14S der allgemein oben erwähnten Typen umfasst. Ein magnetischer Kreis besteht zwischen laminierter Struktur des Rotors 14R und des Stators 14S, über einen kleinen Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator, und möglicherweise über kleine Lufttaschen, die durch den Rotor definiert sind. Flusspfade innerhalb eines solchen magnetischen Kreises werden in bestimmten Konstruktionen der elektrischen Maschine 14, z.B., der oben erwähnten VFM, variiert, z.B. durch selektives gezieltes Verschieben des magnetischen Flusses an bestimmten Betriebspunkten, z.B. durch Bewegen oder Versetzen von Phasenverschiebungsmechanismen oder anderen Nebenschlusselementen, z.B. wie im US-Patent mit der Nummer 8,562,471B2 von Savagian et al., US-Patent mit der Nummer 9,077,227B2 von Theobald et al. und US-Patent mit der Nummer 10,541,578B2 von Swales et al. dargelegt, die hiermit durch Bezugnahme in ihrer jeweiligen Gesamtheit einbezogen werden, oder andere geeignete Nebenschlussansätze ohne Einschränkung. Die passiv oder aktiv gesteuerte Versatzstellung dient dazu, die Drehmomentfähigkeiten des Motors zu erhöhen oder zu verringern, wie von Fachleuten erkannt werden wird. So ist ein befohlener Nebenschlusswinkel eine besondere Steuergröße, auf der eine zugehörige Motorsteuereinheit in einigen Arten von elektrischen Maschinen, einschließlich der vorliegenden elektrischen Maschine 14, beruht, wobei eine solche Steuereinheit in 1 schematisch als eine Steuerung (C) 50 dargestellt ist.
Der elektrische Antriebsstrang 12 in der dargestellten Ausführungsform umfasst ein Traktionsleistungs-Wechselrichtermodul (TPIM) 16, das elektrisch mit der oben beschriebenen Batteriepackung (nicht dargestellt) verbunden ist. Die EIN/AUS-Leitungszustände der internen Halbleiterschalter (nicht dargestellt) innerhalb des TPIM 16 werden automatisch über Pulsweitenmodulation (PWM) oder andere Modulationsverfahren über eine PWM-Steuerung 28 gesteuert, um eine Wechselstrom-Ausgangsspannung (VAC) mit Größen zu erzeugen, die für die Erregung der elektrischen Maschine 14 geeignet sind.
Die Steuerung 50 von 1 kann verwendet werden, um den laufenden transienten und stationären Betrieb der elektrischen Maschine 14 als Reaktion auf Eingangssignale (Pfeil CC_I) zu regeln, wobei die Steuerung 50 dies über die Übertragung von Steuersignalen (Pfeil CCo) an die elektrische Maschine 14 und/oder zugehörige Logikblöcke davon tut, wie hierin dargelegt und in den 2-6 dargestellt. Beispielsweise kann die Steuerung 50 die Drehzahl und das Drehmoment der elektrischen Maschine 14 mit Hilfe von Sensoren (nicht dargestellt), Modellierung und/oder Berechnungen überwachen und bei bestimmten Drehmoment-Drehzahl-Betriebspunkten oder bei Bedarf selektiv von einem Modus mit maximalem Drehmoment pro Ampere (MTPA) in einen Flussschwächungs-Steuermodus übergehen.
Die hier unter Bezugnahme auf die zugehörigen Logikblöcke der 2-4 beschriebene Steuerung 50 kann physisch als eine oder mehrere elektronische Steuereinheiten oder Computerknoten verkörpert werden, die jeweils den erforderlichen Speicher (M) und einen Prozessor (P) sowie andere zugehörige Hardware und Software, z. B. einen Taktgeber oder Zeitgeber, Eingangs-/Ausgangsschaltungen, Pufferschaltungen usw., aufweisen. Der Speicher (M) kann eine ausreichende Menge an Festwertspeicher enthalten, z. B. einen magnetischen oder optischen Speicher. Anweisungen, die ein Steuerungsverfahren verkörpern, können als computerlesbare Anweisungen 100 in den Speicher (M) programmiert und von dem/den Prozessor(en) (P) während des Betriebs des Fahrzeugs 10 ausgeführt werden, um dadurch die Betriebseffizienz zu optimieren. Der Begriff „Steuerung“ wird hier der Einfachheit halber verwendet und umfasst Steuermodule, Einheiten, Prozessoren und Permutationen davon, einschließlich logischer Schaltungen, anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (ASICs), elektronischer Schaltungen, zentraler Prozessoreinheiten, Mikroprozessoren und anderer Hardware, die benötigt wird, um die unten dargelegte programmierte Funktionalität bereitzustellen.
Die Kernhardware und die programmierten Speicherelemente der Steuerung 50 werden, wie oben allgemein beschrieben, zur Steuerung des stationären Betriebs der elektrischen Maschine 14 sowie zur Regelung des Betriebs der elektrischen Maschine 14 während einer Transientenantwort verwendet. Zum Beispiel kann die schematisch dargestellte Steuerlogik von 1 während des stationären Betriebs einer optionalen VFM-Ausführung der elektrischen Maschine 14 verwendet werden. Als Teil der Eingangssignale (Pfeil CC_I) kann die Steuerung 50 zum Beispiel Motorsteuereingänge 20 empfangen, die als Motordrehmoment-Änderungsbefehl $| T_{e}^{*} s l e w |,$
dargestellt sind, wobei die Änderungsrate hier als eine befohlene Änderungsrate pro Zeiteinheit von Drehmomentbefehlen definiert ist. Die Motorsteuereingänge 20 umfassen auch die aktuelle Gleichstrom-Busspannung (V_DC), die das TPIM 16 und die elektrische Maschine 14 speist, sowie eine gemessene oder tatsächliche/gemeldete Drehzahl |N_RPM| des Rotors 14R.
Die Motorsteuereingänge 20 werden kalibrierten Nachschlagetabellen 22 zugeführt, d. h. Nachschlagetabellen 22A, 22B und 22C, die jeweils in die Steuerung 50 einprogrammiert oder für diese zugänglich sind und durch den Drehmomentänderungsbefehl, die Drehzahl und die Gleichstrom-Busspannung indiziert werden. In der dargestellten Ausführungsform liefert die Nachschlagetabelle 22A einen entsprechenden Nebenschlusswinkelbefehl (f*_shunt), die Nachschlagetabelle 22B liefert einen entsprechenden Direktachsen (d-Achsen)-Strombefehl (I_d*) und die Nachschlagetabelle 22C liefert einen entsprechenden Befehl für die Quadratur-Achsen (q-Achsen)-Strombefehl (I_q*).
Wie in 1 gezeigt, werden die Ausgangswerte aus den Nachschlagetabellen 22B und 22C zu den jeweiligen d-Achsen- und q-Achsen-Rückgabesteuerungstermen addiert, die hier als delta-Strombefehlswerte ΔI*_d und ΔI*_q bezeichnet werden, wobei das hochgestellte Sternchen (*) einen befohlenen Wert angibt, der wiederum auf eine der in den 2-4 dargestellten Arten bestimmt wird. Solche Werte können mit Hilfe eines entsprechenden Grenzwertblocks 24 („Grenze“), z. B. der Grenzwertblöcke 24A, 24B und 24C, auf eine kalibrierte zulässige maximale/minimale Änderungsrate begrenzt werden. Die korrigierten und drehzahlbegrenzten d-Achsen- und q-Achsen-Strombefehle $I_{d}^{*} und I_{q}^{*}$
werden dann in einen Stromsteuerblock 26 („Stromsteuern“) eingespeist, der umgangssprachlich als „Stromsteuerung“ bezeichnet wird, wobei der Stromsteuerblock 26 so konfiguriert ist, um die entsprechenden d-Achsen- und q-Achsen-Spannungsbefehle $v_{d}^{*}$
und $v_{q}^{*}$
zu berechnen.
Die d-Achsen- und q-Achsen-Spannungsbefehle $v_{d}^{*}$
und $v_{q}^{*},$
die vom Grenzwertblock 26 ausgegeben werden, werden anschließend von der Steuerung 50 in einem Modulationsprozess verwendet, z. B. durch Einspeisung der d-Achsen- und q-Achsen-Spannungsbefehle in einen PWM-Steuerblock 28, der wiederum a-, b- und c-Phasenschaltbefehle (Da, Db, Dc) an das TPIM 16 ausgibt. Als Reaktion darauf steuert das TPIM 16 die EIN/AUS-Zustände von darin untergebrachten Halbleiterschaltern, wie von Fachleuten erkannt werden wird, wobei das TPIM danach die mehrphasige Spannung (VAC) an die elektrische Maschine 14 ausgibt, um dadurch eine angeschlossene angetriebene Last, wie die Straßenräder 13, zu versorgen.
In der beispielhaften, in 1 dargestellten Stationärzustandssteuerlogik kann ein änderungsratenbegrenzter Nebenschlusspositionsbefehl vom Grenzwertblock 24A in einen Nachrichtenblock („MSG“) 28 zugeführt werden. Beispielsweise kann die Steuerung 50 Nachrichten an Bord des Kraftfahrzeugs 10 über ein Controller Area Network (CAN) oder ein anderes nachrichtenbasiertes Protokoll empfangen und senden. Der Nachrichtenblock 28 ist daher so konfiguriert, dass er die CAN-Nachrichten je nach Bedarf in geeignete Übertragungssteuerbefehle umwandelt. Entsprechende Steuersignale werden dann einem Nebenschluss-Steuerblock („Nebenschluss-Steuerung“) 30 zugeführt, d. h. einem Logikblock und zugehöriger Hardware, die so konfiguriert sind, dass sie den Nebenschlusswinkel von Nebenschlusselementen oder - mechanismen einstellen, die innerhalb der elektrischen Maschine 14 verwendet werden. Der Nebenschluss-Steuerblock 30 ist auch so konfiguriert, dass er eine tatsächliche Nebenschlussposition (f_shunt) misst und meldet, z. B. unter Verwendung eines Winkelkodierers oder eines anderen geeigneten Positionssensors. Die tatsächliche Nebenschlussposition wird über einen Kommunikationsrelaisblock 32 an die rotationselektrische Maschine 14 weitergeleitet, z. B. an einen Motorsteuerungsprozessor oder MCP, der sich in der elektrischen Maschine 14 befindet, z. B. als CAN-Nachricht („CAN-Nachricht an MCP“). Wie zu erkennen ist, kann sich der Nebenschluss-Steuerblock 30 in der gleichen Steuereinheit wie der Rest der Logik befinden, in diesem Fall besteht keine Notwendigkeit für die oben beschriebene CAN-Nachricht.
Unter Bezugnahme auf die schematisch dargestellte Steuerlogik 50L von 2, die zur Steuerung einer Drehmoment-Transientenantwort der rotationselektrischen Maschine 14 verwendet werden kann, wenn die elektrische Maschine 14 als VFM ausgeführt ist, wird die Steuerlogik 50L in einer solchen Ausführungsform verwendet, um die elektrische Maschine 14 während des Betriebs in einem Steuerbereich mit maximalem Drehmoment pro Ampere (MTPA) zu steuern. Wie dem Fachmann klar sein wird, hängen die Widerstandsverluste im Stator 14S der in 1 dargestellten elektrischen Maschine 14 von den Größen der Phasenströme ab, die in die einzelnen Statorwicklungen eingespeist werden. Der Betrieb im MTPA-Steuerbereich strebt daher die Maximierung des Ausgangsdrehmoments (Pfeil T_M) der elektrischen Maschine 14 bei einer gegebenen Stromgröße an. Wenn sich der Nebenschlusswinkel ändert, ändert sich auch die Gegen-EMK in der elektrischen Maschine 14, was wiederum eine Änderung des Ausgangsdrehmoments (Pfeil T_M von 1) bewirkt. Die Steuerlogik 50L von 2 kann daher bei Verwendung im MTPA-Steuerbereich dazu beitragen, die gesamte Transientenantwortzeit zu beschleunigen und mögliche Drehmomentstörungen zu glätten.
Wie in 2 gezeigt, enthält die Steuerlogik 50L einen Drehmomentschätzblock 40 („Drehmomentschätzung“), der so konfiguriert ist, dass er ein geschätztes Drehmoment (T_est) von der elektrischen Maschine 14 unter Verwendung der rückgekoppelten Strombefehle I_d*fd und I_q*fd bestimmt, die die tatsächlichen d-Achsen- und q-Achsen-Strombefehle sind, die in 2 ganz rechts dargestellt sind, und auch unter Verwendung des tatsächlichen Nebenschlusswinkels (f_shunt) der elektrischen Maschine 14. Letztendlich werden die d-Achsen/q-Achsen-Strombefehle an die elektrische Maschine 14 von der Steuerung 50 auf der Grundlage des tatsächlichen und des befohlenen Nebenschlusswinkels f_shunt bzw. f*_shunt angepasst.
Insbesondere ist die Steuerung 50 so konfiguriert, dass sie den oben beschriebenen befohlenen Nebenschlusswinkel (f*_shunt) empfängt oder anderweitig bestimmt und den befohlenen Nebenschlusswinkel (f*_shunt) durch eine kalibrierte Flussnachschlagetabelle 34 („Flussbefehl-Nachschlagetabelle“) verarbeitet. Eine solche Tabelle 34 ermöglicht es der Steuerung 50, die entsprechenden d-Achsen- und q-Achsen-Flussbeiträge $ϕ_{d}^{*}$
und $ϕ_{q}^{*}$
zu bestimmen. Die befohlenen Flussbeiträge $ϕ_{d}^{*}$
und $ϕ_{q}^{*}$
werden zusammen mit dem d-Achsen-Strombefehl $I_{d}^{*}$
und dem q-Achsen-Strombefehl $I_{q}^{*}$
in einen Drehmomentbefehlsberechnungsblock 35 („Drehmomentbefehlsberechnung“) eingegeben. Der oben erwähnte geschätzte Drehmomentwert (T_est) aus dem Drehmomentschätzblock 40 wird dann vom befohlenen Drehmoment (Pfeil T*) subtrahiert und an einen Proportional-Integral (PI)-Reglerblock weitergeleitet.
In einer möglichen Ausführungsform kann eine weitere Nachschlagetabelle 39 („Nachschlagetabelle für den tatsächlichen Fluss“) durch die tatsächliche Nebenschlussposition (f_shunt) und die jeweiligen q-Achsen- und d-Achsen-Rückgabe- (fd) Steuerterme/-werte indiziert werden, d.h. i_d*fd und i_q*fd, die jeweils den unten beschriebenen und in 2 dargestellten d-Achsen- und q-Achsen-Strombefehlen entsprechen. Die Ausgaben aus der Nachschlagetabelle 39 sind die oben beschriebenen tatsächlichen d-Achsen- und q-Achsen-Flussbeiträge (Φ_d, Φ_q, die in den Drehmomentschätzblock 40 eingespeist und dadurch zur Bestimmung des geschätzten Drehmoments (T_est) verwendet werden können, z. B. durch Extrahieren des geschätzten Drehmoments aus der Nachschlagetabelle. In anderen Ausführungsformen kann der Drehmomentschätzblock 40 kalibrierte Gleichungen verwenden, um das geschätzte Drehmoment abzuleiten, und daher ist die Verwendung einer Nachschlagetabelle für diesen Zweck lediglich beispielhaft.
Wie in 2 gezeigt, wird ein stationärer Delta-Stromwert (ΔI_SS) wird vom PI-Regler ausgegeben und als Anpassungswert zu den Größen der q-Achsen- und d-Achsen-Ströme (I_d* und I_q*) oder I_d*fd und I_q*fd addiert, um dadurch einen fehlerkorrigierten stationären Strom (I_SSNew) zu erhalten. Dieser stationäre Strom (I_SSNew) wird dann von einer MTPA-Strombefehlswinkel-Nachschlagtabelle 36 („MTPA-β-Nachschlagetabelle“) verwendet, um den entsprechenden Strombefehlswinkel (β) bereitzustellen, um den Iss-Befehl d-Achsen- und q-Achsen-Strombefehle zu entkoppeln. Ein Transformationsblock 37 der Steuerung 50 empfängt den β-Winkel und den fehlerkorrigierten stationären Strom (I_SSNew) und gibt unter Verwendung desselben korrigierte d-Achsen- und q-Achsen-Strombefehle/Drehmomentfehler, d.h. I_{d_adj}* und I_{q_adj}*, aus, die wiederum zur Modifizierung der tatsächlichen d-Achsen- und q-Achsen-Strombefehle, d. h. I_d* bzw. I_q*, verwendet werden. Fehlerkompensationswerte ΔI*_d und ΔI_q werden dann durch einen Begrenzerblock 24 („Begrenzer“) geleitet, um entsprechende Delta-Befehle ΔI_d* und ΔI_q* abzuleiten, die mit den Ausgängen der Nachschlagetabellen 22B (I_d*) und 22C (I_q*) addiert und dann dem in 1 dargestellten Stromsteuerblock 26 vorgeschaltet werden. Dort werden diese Werte zur Berechnung der endgültigen/aktuellen d-Achsen- und q-Achsen-Strombefehle I_d* und I_q* verwendet, die letztendlich von der Steuerung 50 verwendet werden, um den Betrieb der elektrischen Maschine 14 im MTPA-Steuerbereich zu regeln.
Die Steuerstrategie, deren Ablauf in 2 schematisch dargestellt ist, ist, wie oben erwähnt, auf die Verwendung mit einer VFM-Ausführung der elektrischen Maschine 14 zugeschnitten. Mit ein paar einfachen Anpassungen kann die Steuerlogik 50L jedoch einfach auf die Verwendung in einer PM-Maschine erweitert werden. Ein Beispiel für einen solchen Ansatz ist in 4 dargestellt. Unter Bezugnahme auf 4 kann man die in 2 gezeigten Werte für die Nebenschlussposition (f*_shunt und f_shunt) durch einen Temperaturwert ersetzen, z. B. durch befohlene und tatsächliche Magnettemperaturwerte (Temp* und Temp_act). 2 und 4 sind ansonsten in Aufbau und Funktion identisch. Die tatsächliche Temperatur kann geschätzt oder gemessen werden.
Wenn sich der Nebenschlusswinkel ändert, ändert sich auch die Motor-Gegen-EMF, und das entsprechende Motordrehmoment wird basierend auf dem aktuellen Nebenschlusswinkel angepasst. Das vorgeschlagene Regelungsverfahren kann den Strombefehl so anpassen, dass das erzeugte Drehmoment beibehalten wird, auch wenn sich der tatsächliche Nebenschlusswinkel ändert. Wenn sich bei einer PM-Maschine die Motortemperatur ändert, ändert sich auch die Motor-Gegen-EMF, und das entsprechende Motordrehmoment ändert sich ebenfalls unter denselben Strombefehlsbedingungen. Mit dem vorgeschlagenen Regelungsschema von 4 wird das Motorausgangsdrehmoment unabhängig von der Änderung der Motortemperatur beibehalten. Auf diese Weise ist der vorliegende Ansatz anpassungsfähig an thermische Änderungen in der PM-Maschine.
Die Steuerlogik 50L aus 2, die für die MTPA-Steuerung in einer beispielhaften VFM-Ausführung der elektrischen Maschine 14 verwendet wird, kann auch ohne weiteres auf einen Feldschwächungs-Steuerbereich für dieselbe VFM erweitert werden. Wie in 3 gezeigt, kann beispielsweise ein Modulationsindexregelkreis/Spannungsregelkreis 150L, der von einem Drehmomentregelkreis 150T getrennt ist, für einen solchen Zweck verwendet werden. Wie dem Fachmann klar sein wird, können ein Berechnungsblock 42 und ein Proportional-Integral-Reglerblock (PI) verwendet werden, um die/den oben erwähnte(n) d-Achsen-Rückgabeanpassung/Deltastrom abzuleiten, d. h. ${Δ I}_{d}^{*} .$
Der Regelkreis 150L kann beispielsweise verwendet werden, um einen angepassten Modulationsindexbefehl (ΔMI*) wie gezeigt zu berechnen und den angepassten Modulationsindexbefehl (ΔMI*) in Block 42 einzuspeisen. Wie in der Technik verstanden und hier verwendet, ist ein Modulationsindex das Verhältnis des Anschlussspannungsbefehls der elektrischen Maschine 14 geteilt durch die befohlene Spannung (sechsstufige Spannung). Block 42 dividiert die aktuelle Gleichstrom-Busspannungszufuhr, die das TPIM 16 von 1 speist, durch die aktuelle elektrische Drehzahl, d.h. Vdc/ω_e, um so den d-Achsen-delta-Strom ${Δ I}_{d}^{*}$
abzuleiten. Ein solcher Ansatz ermöglicht eine transiente Drehmomentsteuerung im Flussschwächungs-Steuerbereich. Im Flussschwächungs-Steuerbereich wird eine Dualkreisregelung verwendet, bei der der Modulationsindexregelkreis 150L zur Regelung des d-Achsenstroms und der Drehmomentregelkreis, d. h. alles außerhalb des Regelkreises 150L in 3, zur Regelung des q-Achsenstroms verwendet wird.
Unter Bezugnahme auf die 5 und 6 kann die transiente Drehmomentsteuerung im MTPA-Bereich, wie oben unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, auf zwei Arten verbessert werden. In einer Darstellung 60 der Steuerbereiche in 5 kann ein Drehmoment-Hystereseband 63 zwischen dem MTPA-Steuerbereich 62 und dem Feldschwächungs-Steuerbereich 64 implementiert werden. Ein solcher Ansatz kann helfen, Oszillation oder Zittern zwischen dem MTPA-Steuerbereich und dem Feldschwächungs-Steuerbereich und damit verbundenen Strategien zu vermeiden. Die Bedingungen für den genauen Zeitpunkt des Eintritts in den MTPA-Steuerbereich oder des Verlassens des MTPA-Steuerbereichs können auf dem aktuellen Drehmomentbefehl relativ zu einem kalibrierten Schwellenwert basieren. Wie in der beispielhaften Anti-Abwicklungslogik 70 von 6 gezeigt, wäre es z. B. vorteilhaft, die Steuerung 50 von 1 mit Integrator-Rücksetzbedingungen zu programmieren, um eine Sättigung des PI-Reglers der 2-4 zu vermeiden, z.B. wenn berechnete Befehle nicht durch einen tatsächlichen Nebenschlusswinkel oder eine Maschinentemperatur erreicht werden können.
Beispielsweise können das befohlene Drehmoment (T*) und der tatsächliche Nebenschlusswinkel (f_shunt) als Eingänge für die Anti-Abwicklungslogik 70 verwendet werden, zusammen mit einem möglichen erzwungenen Rücksetzsignal (FW Reset), z.B. ausgelöst durch eine kalibrierte abgelaufene Zeit oder als Reaktion auf Fehler oder andere geeignete Bedingungen. Ein maximales Drehmoment pro Nebenschlussblock 71 kann verwendet werden, um einen Drehmomentwert bereitzustellen, der in einem Vergleichsblock 73 (≥) mit dem befohlenen Drehmoment (T*) verglichen wird. Solange das maximale Drehmoment pro Nebenschluss aus Block 71 das befohlene Drehmoment (T*) nicht überschreitet, kann der PI-Regler weiter integrieren und Fehler akkumulieren. Ein Integrator-Zurücksetzen (Reset) erfolgt, wenn das befohlene Drehmoment (T*) das maximale Drehmoment pro Nebenschluss überschreitet oder als Reaktion auf ein erzwungenes Zurücksetzen.
Wie von Fachleuten angesichts der vorangegangenen Offenbarung erkannt werden wird, sieht der vorliegende Ansatz eine schnelle Schätzung eines befohlenen Drehmoments für die rotationselektrische Maschine 14 von 1 unter Verwendung von Strom- und Nebenschlusswinkelbefehlen vor. Anstatt eine vollständige Drehmomentsteuerung der elektrischen Maschine 14 während einer Transientenantwort zu verwenden, wird ein Teil des Motordrehmoments (Pfeil T_M) über die in den verschiedenen Figuren dargestellten Rückgabeschleifen gesteuert. Der vorliegende Ansatz passt die d-Achsen- und die q-Achsen-Strombefehle an die elektrische Maschine 14 auf der Grundlage des befohlenen und des tatsächlichen Nebenschlusswinkels an, wobei das geschätzte Drehmoment der elektrischen Maschine 14 ebenfalls durch den Nebenschlusswinkel und die d-Achsen/q-Achsen-Strombefehle bereitgestellt wird. Somit zielt der vorliegende Ansatz darauf ab, ein sanftes Drehmomentübergangsverhalten und eine Drehmomentgenauigkeit während der Nebenschlusswinkelübergänge aufrechtzuerhalten, die innerhalb der VFM-Varianten der elektrischen Maschine 14 selbst bei Vorhandensein von Nebenschlussfehlern auftreten, wobei Aspekte der vorliegenden Offenbarung einfach auf die thermische Anpassung für PM-Maschinenvarianten erweitert werden können. Diese und andere Vorteile werden von Fachleuten in Anbetracht der vorangegangenen Offenbarung einfach erkannt werden.
Die vorliegende Offenbarung ermöglicht somit Verfahren zur Steuerung des transienten Betriebs der rotationselektrischen Maschine 14. In einer beispielhaften Ausführungsform kann dies zum Beispiel während eines Nebenschlusswinkelübergangs während eines MTPA-Steuerbereichs der elektrischen Maschine 14 über den Drehmomentregelkreis 150T von 3 erfolgen. Eine Ausführungsform eines solchen Verfahrens kann die Bestimmung des geschätzten Ausgangsdrehmoments (T_est) über den Drehmomentschätzblock 40 unter Verwendung der zurückgegebenen d-Achsen- und q-Achsen-Strombefehle (i_d*fd und i_q*fd) und eines zusätzlichen Werts, d. h. des tatsächlichen Nebenschlusswinkels f_shunt oder einer Temperatur der elektrischen Maschine 14 in Abhängigkeit von der Konfiguration der elektrischen Maschine 14, umfassen.
Ein solches Verfahren kann das Subtrahieren des geschätzten Drehmoments von dem befohlenen Drehmoment T* beinhalten, um einen angepassten befohlenen Drehmomentwert (T*adj) abzuleiten, und das Berechnen der delta-d-Achsen- und delta-q-Achsen-Strombefehle I_{d_adj} und l_{q_adj} aus dem angepassten befohlenen Drehmomentwert. Das Verfahren kann auch das Anpassen der tatsächlichen d-Achsen- und q-Achsen-Strombefehle über die Steuerung 50 unter Verwendung der delta-d-Achsen- bzw. delta-q-Achsen-Befehle umfassen, um dadurch die d-Achsen- und q-Achsen-Befehle I_d*fd und I_q*fd zu erzeugen, wobei die Steuerung 50 danach die d-Achsen- und q-Achsen-Befehle als Regelkreis-Rückgabe (fd) -Terme an den Drehmomentschätzblock 40 liefert.
Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren sind unterstützend und beschreibend für die vorliegenden Lehren, aber der Umfang der vorliegenden Lehren wird ausschließlich durch die Ansprüche definiert. Während einige der besten Modi und andere Ausführungsformen zur Ausführung der vorliegenden Lehren im Detail beschrieben wurden, existieren verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Ausführung der vorliegenden Lehren, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind. Außerdem schließt diese Offenbarung ausdrücklich Kombinationen und Unterkombinationen der oben und unten dargestellten Elemente und Merkmale ein.
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

US 8562471 B2 [0026]
US 10541578 B2 [0026]

Claims

Elektrischer Antriebsstrang, umfassend: eine rotationselektrische Maschine mit Phasenwicklungen; ein Traktionsleistungs-Umrichtermodul (TPIM), das über die Phasenwicklungen mit der rotationselektrischen Maschine verbunden ist; und eine Steuerung mit: einen Stromsteuerblock, der mit dem TPIM verbunden ist und so konfiguriert ist, dass er d-Achsen- und q-Achsen-Strombefehle empfängt und als Reaktion auf die d-Achsen- und q-Achsen-Strombefehle d-Achsen- und q-Achsen-Spannungsbefehle an das TPIM ausgibt; und einen Nebenschluss-Steuerblock, der so konfiguriert ist, dass er einen tatsächlichen Nebenschlusswinkel der elektrischen Maschine während eines Steuerbereichs mit einem maximalen Drehmoment pro Ampere (MTPA) der elektrischen Maschine wechselt, um dadurch Flusspfade innerhalb der elektrischen Maschine und eine Gegen-EMF der elektrischen Maschine zu modifizieren; wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie Anweisungen ausführt, um dadurch einen transienten Betrieb der rotationselektrischen Maschine zu steuern, und wobei eine Ausführung der Anweisungen das Steuerungssystem während des Wechsels des Nebenschlusswinkels veranlasst zum: Bestimmen eines geschätzten Ausgangsdrehmoments der rotationselektrischen Maschine über einen Drehmomentschätzblock unter Verwendung eines d-Achsen-Strombefehls, eines q-Achsen-Strombefehls und eines zusätzlichen Werts, wobei der zusätzliche Wert ein tatsächlicher Nebenschlusswinkel der elektrischen Maschine oder eine Temperatur der elektrischen Maschine ist; Subtrahieren des geschätzten Ausgangsdrehmoment von einem befohlenen Ausgangsdrehmoment, um dadurch einen angepassten befohlenen Drehmomentwert oder Drehmomentfehler abzuleiten; Berechnen eines delta-d-Achsen-Strombefehls und eines delta-q-Achsen-Strombefehls aus dem angepassten befohlenen Drehmomentwert oder Drehmomentfehler; Anpassen eines tatsächlichen d-Achsen-Strombefehls und eines tatsächlichen q-Achsen-Strombefehls der elektrischen Maschine unter Verwendung des delta-d-Achsen-Strombefehls bzw. des delta-q-Achsen-Strombefehls, um dadurch den d-Achsen-Befehl und den q-Achsen-Befehl zu erzeugen; und Bereitstellen des d-Achsen-Strombefehls und des q-Achsen-Strombefehls als Regelkreis-Rückgabesteuerungsterme an den Drehmomentschätzblock.
Elektrischer Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei die rotationselektrische Maschine eine Maschine mit variablem Fluss ist, und wobei der zusätzliche Wert der tatsächliche Nebenschlusswinkel ist.
Elektrischer Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei die elektrische Maschine eine Permanentmagnetmaschine ist, und wobei der zusätzliche Wert die Temperatur der elektrischen Maschine ist.
Elektrischer Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei die Steuerung konfiguriert ist zum: Zuführen einer Gleichstrom-Busspannung, eines Drehmoment-Änderungsbefehls und einer Drehzahl der elektrischen Maschine in separate d-Achsen- und q-Achsen-Strombefehl-Nachschlagtabellen; und Hinzufügen des delta-d-Achsenstrombefehls und des delta-q-Achsenstrombefehls zu den jeweiligen Ausgaben der d-Achsen- und q-Achsen-Strombefehl-Nachschlagtabellen, um dadurch den d-Achsen-Strombefehl und den q-Achsen-Strombefehl abzuleiten.
Elektrischer Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei die Steuerung konfiguriert ist zum: Berechnen des delta-d-Achsen-Strombefehls und des delta-q-Achsen-Strombefehls, indem der angepasste befohlene Drehmomentwert durch einen Proportional-Integral (PI)-Regler verarbeitet wird, um dadurch eine delta-Stationärzustandsstromstärke zu erzeugen; Hinzufügen der delta-Stationärzustandsstromstärke zu einer Stationärzustandsstromstärke, um einen neuen Stationärzustandstromwert zu erhalten; Verarbeiten des neuen Stationärzustandstromwerts durch eine MTPA-Beta-Winkel-Nachschlagetabelle, um einen Strombefehl-Beta-Winkel der elektrischen Maschine zu erzeugen; und Transformieren des aktuellen Strombefehl-Beta-Winkels in angepasste d-Achsen- und q-Achsen-Werte unter Verwendung eines Transformationsblocks der Steuerung.
Elektrischer Antriebsstrang nach Anspruch 5, wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie den PI-Regler als Reaktion auf eine vorbestimmte Bedingung selektiv und automatisch zurücksetzt.
Elektrischer Antriebsstrang nach Anspruch 5, wobei die Steuerung während eines Feldschwächungs-Steuerbereichs der rotationselektrischen Maschine, der vor oder nach dem MTPA-Steuerbereich auftritt, konfiguriert ist zum: Verwenden eines Modulationsindex-Regelkreises oder eines Spannungsregelkreises der Steuerung, um den d-Achsen-Strombefehl zu regeln; und Regeln des q-Achsen-Strombefehl über den Drehmomentregelkreis der Steuerung.
Elektrischer Antriebsstrang nach Anspruch 7, wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie ein kalibriertes Drehmoment-Hystereseband verwendet, um ein Schwingen zwischen dem MTPA-Steuerbereich und dem Feldschwächungs-Steuerbereich zu vermeiden.
Elektrischer Antriebsstrang nach Anspruch 5, wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie das geschätzte Ausgangsdrehmoment der elektrischen Maschine unter Verwendung einer Flussnachschlagetabelle bestimmt, um einen d-Achsen- und einen q-Achsen-Flussbeitrag zu bestimmen, und wobei der Drehmomentschätzblock eine Nachschlagetabelle enthält, die durch den d-Achsen-Strombefehl, den q-Achsen-Strombefehl, den d-Achsen-Flussbeitrag und den q-Achsen-Flussbeitrag indiziert ist.
Elektrischer Antriebsstrang nach Anspruch 5, ferner umfassend: eine angetriebene Last, die mit der rotationselektrischen Maschine verbunden ist.