DE102021110124A1

DE102021110124A1 - Verfahren und systeme zum detektieren einer rotorstellung und einer rotordrehzahl einer wechselstrom-elektromaschine

Info

Publication number: DE102021110124A1
Application number: DE102021110124.7A
Authority: DE
Inventors: Shamsuddeen Nalakath; Dianxun Xiao; Jia Xiu Dong; Gaoliang Fang; Ali Emadi; Yingguang SUN; jason Wiseman
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2020-04-24
Filing date: 2021-04-21
Publication date: 2021-10-28
Also published as: CN113556074A; US11394327B2; US20210336572A1; CN113556074B

Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen der Rotorcharakteristik einer Wechselstrom (AC)-Elektromaschine beinhaltet, ein Referenzspannungssignal, einen oder mehrere Phasenströme und Rotordaten zu erlangen. Das Verfahren beinhaltet, orthogonale Komponenten eines Modells der erweiterten gegenelektromotorischen Kraft (GEMK) der Wechselstrom-Elektromaschine auf Basis des Referenzspannungssignals, der einen oder mehreren Phasenstromcharakteristika und der Rotordaten zu bestimmen. Das Verfahren beinhaltet, ein Produkt der orthogonalen Komponenten des Modells der erweiterten GEMK zu bestimmen. Das Verfahren beinhaltet, eine quadrierte Magnitude der orthogonalen Komponenten des Modells der erweiterten GEMK zu bestimmen. Das Verfahren beinhaltet, die Rotorcharakteristik der Wechselstrom-Elektromaschine auf Basis des Produkts der orthogonalen Komponenten und der quadrierten Magnitude der orthogonalen Komponenten zu bestimmen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 63/014,819 eingereicht am 24. April 2020, deren Offenbarung durch Bezugnahme aufgenommen ist, als ob sie hier ausführlich dargelegt wäre.
ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Systeme und Verfahren zum Detektieren einer Rotorstellung und einer Rotordrehzahl einer Wechselstrom (Alternating Current, AC)-Elektromaschine.
HINTERGRUND
Die Ausführungen in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundinformationen in Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit und bilden möglicherweise nicht den Stand der Technik.
Wechselstrom-Elektromaschinen stellen elektrische Leistung für verschiedene Komponenten und Systeme bereit, wie zum Beispiel ein Hybridelektrofahrzeug (Hybrid Electric Vehicle, HEV), ein Elektrofahrzeug (Electric Vehicle, EV) und dergleichen. Eine Steuerung, die kommunizierend mit der Wechselstrom-Elektromaschine gekoppelt ist, kann Leistungsdaten aus einem oder mehreren Sensoren der Wechselstrom-Elektromaschine erlangen, um verschiedene Leistungscharakteristika der Wechselstrom-Elektromaschine auszuwerten. Als ein Beispiel: Die Steuerung kann Sensordaten aus einem Rotorstellungssensor (z. B. unter anderem einem Encoder, einem elektromagnetischen Resolver) erlangen, um eine Stellung eines Rotors eines Permanentmagnet-Synchronmotors (PMSM) zu bestimmen und feldorientierte Steuerroutinen durchzuführen. Allerdings können Rotorstellungssensoren die Größe der Wechselstrom-Elektromaschine und die Komplexität der zum Verarbeiten der Sensordaten benötigten Steuerungslogik erhöhen. Des Weiteren können geringe Fehlertoleranzen der Rotorstellungssensoren die Stellungsdaten unzuverlässig zum Bestimmen der Stellung des Rotors machen.
Um mit den Fehlertoleranzen der Rotorstellungssensoren umzugehen, kann die Steuerung zusätzlich (oder alternativ) ein Stellungsschätzsystem enthalten. Das Stellungsschätzsystem kann einen Signalkonditionierer und ein Phasenregelkreis (Phase Locked Loop, PLL)-System enthalten. Der Betrieb des Signalkonditionierers kann auf Basis der Topologien, der Betriebsdrehzahlen und der Steuerroutinen der Wechselstrom-Elektromaschine definiert werden.
Bei Wechselstrom-Elektromaschinen, die bei niedrigen Drehzahlen arbeiten, kann der Signalkonditionierer eine Überlagerungsroutine durchführen, die Demodulieren einer Antwort auf ein eingekoppeltes hochfrequentes Trägersignal (z. B. unter anderem Impulsvektoren, Rechteckschwingungen) zum Extrahieren der Rotorstellung beinhaltet. Als ein Beispiel: Wenn ein Impulsvektor eingekoppelt wird, kann der Signalkonditionierer die Rotorstellung auf Basis der Differentialstromantwort des Impulsvektors bestimmen. Als ein anderes Beispiel: Wenn eine Rechteckschwingung eingekoppelt wird, kann der Signalkonditionierer die Rotorstellung auf Basis der Stromhüllkurve oder der Querstromantwort bestimmen. Allerdings können Modellierungsfehler und Phasenfehler, die durch digitale Filter eingebracht werden, die Überlagerungsroutine zum Bestimmen der Rotorstellung bei höheren Drehzahlen ungeeignet machen.
Bei Wechselstrom-Elektromaschinen, die bei höheren Drehzahlen arbeiten, kann der Signalkonditionierer die Rotorstellung bestimmen, indem er eine Arcustangens-Routine oder eine Quadratur-PLL-Routine auf den Quadraturkomponenten eines Modells der erweiterten gegenelektromotorischen Kraft (GEMK) der Wechselstrom-Elektromaschine durchführt. Allerdings separieren die Arcustangens-Routine und die Quadratur-PLL-Routine die mit hochfrequenten Stromantworten eingebetteten Rotorstellungsinformationen nicht, was diese Routinen zum Bestimmen der Rotorstellung bei niedrigen oder Leerlaufdrehzahlen ungeeignet macht.
KURZDARSTELLUNG
Dieser Abschnitt stellt eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung dar und ist keine umfassende Offenbarung seines gesamten Schutzbereichs oder aller seiner Merkmale.
Ein Verfahren zum Bestimmen der Rotorcharakteristik einer Wechselstrom (AC)-Elektromaschine beinhaltet, ein Referenzspannungssignal, einen oder mehrere Phasenströme und Rotordaten zu erlangen. Das Verfahren beinhaltet, orthogonale Komponenten eines Modells der erweiterten gegenelektromotorischen Kraft (GEMK) der Wechselstrom-Elektromaschine auf Basis des Referenzspannungssignals, der einen oder mehreren Phasenstromcharakteristika und der Rotordaten zu bestimmen. Das Verfahren beinhaltet, ein Produkt der orthogonalen Komponenten des Modells der erweiterten GEMK zu bestimmen. Das Verfahren beinhaltet, eine quadrierte Magnitude der orthogonalen Komponenten des Modells der erweiterten GEMK zu bestimmen. Das Verfahren beinhaltet, die Rotorcharakteristik der Wechselstrom-Elektromaschine auf Basis des Produkts der orthogonalen Komponenten und der quadrierten Magnitude der orthogonalen Komponenten zu bestimmen.
In einigen Formen ist die Rotorcharakteristik wenigstens eines von einer Rotorstellung und einer Rotordrehzahl.
In einigen Formen beinhaltet das Bestimmen der orthogonalen Komponenten des Modells der erweiterten GEMK der Wechselstrom-Elektromaschine des Weiteren, wenigstens eines von dem Referenzspannungssignal, dem einen oder mehreren Phasenströmen und den Rotordaten in einen zweiachsigen rotierenden Referenzrahmen umzuformen.
In einigen Formen beinhaltet das Bestimmen der Rotorcharakteristik der Wechselstrom-Elektromaschine auf Basis des Produkts der orthogonalen Komponenten und der quadrierten Magnitude der orthogonalen Komponenten des Weiteren, ein Winkelstellungs-Fehlersignal zu generieren.
In einigen Formen beinhaltet das Generieren des Winkelstellungs-Fehlersignals des Weiteren, das Produkt der orthogonalen Komponenten durch die quadrierte Magnitude der orthogonalen Komponenten zu dividieren.
In einigen Formen beinhaltet das Bestimmen der Rotorcharakteristik der Wechselstrom-Elektromaschine auf Basis des Produkts der orthogonalen Komponenten und der quadrierten Magnitude der orthogonalen Komponenten des Weiteren, eine Rotordrehzahl auf Basis des Winkelstellungs-Fehlersignals zu bestimmen.
In einigen Formen beinhaltet das Bestimmen der Rotorcharakteristik der Wechselstrom-Elektromaschine auf Basis des Produkts der orthogonalen Komponenten und der quadrierten Magnitude der orthogonalen Komponenten des Weiteren, eine Rotordrehzahl auf Basis des Winkelstellungs-Fehlersignals zu bestimmen und eine Rotorstellung auf Basis der Rotordrehzahl zu bestimmen.
Die vorliegende Offenbarung stellt ein Verfahren zum Bestimmen der Rotorcharakteristik einer Wechselstrom (AC)-Elektromaschine bereit. Das Verfahren beinhaltet, ein Referenzspannungssignal, einen oder mehrere Phasenströme und Rotordaten zu erlangen. Das Verfahren beinhaltet, orthogonale Komponenten eines Modells der erweiterten gegenelektromotorischen Kraft (GEMK) der Wechselstrom-Elektromaschine auf Basis des Referenzspannungssignals, der einen oder mehreren Phasenstromcharakteristika und der Rotordaten zu bestimmen. Das Verfahren beinhaltet, ein Produkt der orthogonalen Komponenten des Modells der erweiterten GEMK zu bestimmen. Das Verfahren beinhaltet, eine quadrierte Magnitude der orthogonalen Komponenten des Modells der erweiterten GEMK zu bestimmen. Das Verfahren beinhaltet, eine quadrierte Differenz der orthogonalen Komponenten des Modells der erweiterten GEMK zu bestimmen. Das Verfahren beinhaltet, die Rotorcharakteristik der Wechselstrom-Elektromaschine auf Basis des Produkts der orthogonalen Komponenten, der quadrierten Magnitude der orthogonalen Komponenten und der quadrierten Differenz der orthogonalen Komponenten zu bestimmen.
In einigen Formen ist die Rotorcharakteristik wenigstens eines von einer Rotorstellung und einer Rotordrehzahl.
In einigen Formen beinhaltet das Bestimmen der orthogonalen Komponenten des Modells der erweiterten GEMK der Wechselstrom-Elektromaschine des Weiteren, wenigstens eines von dem Referenzspannungssignal, dem einen oder mehreren Phasenströmen und den Rotordaten in einen zweiachsigen stationären Referenzrahmen umzuformen.
In einigen Formen beinhaltet das Bestimmen der Rotorcharakteristik der Wechselstrom-Elektromaschine auf Basis des Produkts der orthogonalen Komponenten und der quadrierten Magnitude der orthogonalen Komponenten des Weiteren, ein Winkelstellungs-Fehlersignal zu generieren.
In einigen Formen beinhaltet das Generieren des Winkelstellungs-Fehlersignals des Weiteren, das Produkt der orthogonalen Komponenten durch die quadrierte Magnitude der orthogonalen Komponenten zu dividieren.
In einigen Formen beinhaltet das Bestimmen der Rotorcharakteristik der Wechselstrom-Elektromaschine auf Basis des Produkts der orthogonalen Komponenten und der quadrierten Magnitude der orthogonalen Komponenten des Weiteren, eine Rotordrehzahl auf Basis des Winkelstellungs-Fehlersignals zu bestimmen.
In einigen Formen umfasst das Generieren des Winkelstellungs-Fehlersignals des Weiteren, eine vorherige Rotorstellung in das Winkelstellungs-Fehlersignal umzuformen.
Weitere Bereiche der Verwendbarkeit werden sich anhand der hier bereitgestellten Beschreibung ergeben. Es versteht sich, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele lediglich der Veranschaulichung dienen und den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung nicht beschränken sollen.
Figurenliste
Damit die Offenbarung gut verstanden wird, werden jetzt verschiedene ihrer Formen mittels Beispielen beschrieben, wobei Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen genommen wird:

Die 1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Fahrzeugs gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung;
die 2A ist ein Blockdiagramm eines Systems zum Bestimmen einer Rotordrehzahl und einer Rotorstellung gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung;
die 2B ist ein Blockdiagramm eines anderen Systems zum Bestimmen einer Rotordrehzahl und einer Rotorstellung gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung;
die 3 ist ein Flussdiagramm zum Bestimmen einer Rotordrehzahl und einer Rotorstellung gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung; und
die 4 ist ein Flussdiagramm zum Bestimmen einer Rotordrehzahl und einer Rotorstellung gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung.

Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung nicht in irgendeiner Form beschränken.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist von ihrem Wesen her lediglich beispielhaft und soll die vorliegende Offenbarung, die Anwendung oder die Verwendungen nicht beschränken. Es versteht sich, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen durchweg gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
Die vorliegende Offenbarung stellt ein System bereit, das die Rotorstellung und Rotordrehzahl von Wechselstrom-Elektromaschinen bei Leerlauf-, niedrigen und hohen Betriebsdrehzahlen bestimmt. Eine Motorsteuerung ist dazu ausgelegt, eine Stellungssignal-Konditionierungsroutine auszuführen, die die Rotorstellungsinformationen aus einem Produkt der orthogonalen Komponenten des Modells der erweiterten GEMK extrahiert. Bei niedrigen Betriebsdrehzahlen separiert das Produkt der orthogonalen Komponenten der erweiterten GEMK die Rotorstellungsinformationen von den hochfrequenten Komponenten. Bei hohen Betriebsdrehzahlen enthält das Produkt der orthogonalen Komponenten der erweiterten GEMK die Rotorstellungsinformationen und enthält keine hochfrequenten Komponenten als ein Ergebnis des Fehlens einer hochfrequenten Einkopplung. Ein PLL-Modul bestimmt anschließend die Rotorstellung und die Rotordrehzahl.
Unter Bezugnahme auf die 1 wird ein Fahrzeug 5 gezeigt. Das Fahrzeug 5 enthält eine Leistungsversorgung 10, einen Leistungsumformer 20 und eine Steuerung 30, die ein Rotorcharakterisierungsmodul 32 und ein Motorsteuermodul 34 enthält. Des Weiteren enthält das Fahrzeug 5 einen Elektromotor 40, der einen Rotor 42, Phasenstromsensoren 50, einen Rotordrehzahlsensor 60 und einen Rotorstellungssensor 65 enthält. Es versteht sich, dass das Fahrzeug 5 verschiedene andere Komponenten enthält und nicht auf die hier beschriebenen Komponenten beschränkt ist.
Die Leistungsversorgung 10 ist dazu ausgelegt, verschiedenen Komponenten des Fahrzeugs 5 elektrische Leistung bereitzustellen, wie zum Beispiel dem Leistungsumformer 20 und der Steuerung 30. Als ein Beispiel: Die Leistungsversorgung 10 enthält eine Gleichstrom (Direct Current, DC)-Leistungsquelle (z. B. eine oder mehrere Batterien), die dazu ausgelegt ist, elektrische Gleichstromleistung bereitzustellen. Als ein anderes Beispiel: Die Leistungsversorgung 10 enthält eine Wechselstrom-Leistungsquelle, die dazu ausgelegt ist, die elektrische Wechselstromleistung bereitzustellen.
Der Leistungsumformer 20 enthält eine oder mehrere Schaltungen, die dazu ausgelegt sind, elektrische Leistung aus der Leistungsversorgung 10 in ein dreiphasiges elektrisches Wechselstromsignal umzuformen und das dreiphasige elektrische Wechselstromsignal an den Elektromotor 40 auszugeben. Als ein Beispiel:

Der Leistungsumformer 20 kann eine Umrichterschaltung (z. B. unter anderem eine dreiphasige Umrichterschaltung, einen zweistufigen Spannungsquellenumrichter, einen mehrstufigen Umrichter) enthalten, die eine oder mehrere Schalteinrichtungen enthält, wie zum Beispiel einen bipolaren Sperrschichttransistor (Bipolar Junction Transistor, BJT), einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT), einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET) und/oder dergleichen. Es versteht sich, dass der Leistungsumformer 20 verschiedene diskrete und/oder integrierte Schaltungen enthalten kann, die das dreiphasige Wechselstromsignal ausgeben, und nicht auf die hier beschriebenen Beispiele beschränkt ist.

Die Steuerung 30 kann verschiedene Hardware-Komponenten enthalten, wie zum Beispiel unter anderem Transceiver, Router, Eingabe-/Ausgabe-Ports, um die hier beschriebene Funktionalität durchzuführen. Des Weiteren können das Rotorcharakterisierungsmodul 32 und das Motorsteuermodul 34 der Steuerung 30 durch einen oder mehrere Prozessoren umgesetzt sein, die dazu ausgelegt sind, Anweisungen auszuführen, die in einem nichtflüchtigen computerlesbaren Medium gespeichert sind, wie zum Beispiel einem Direktzugriffsspeicher (Random-Access Memory, RAM) und/oder einem Nur-Lese-Speicher (Read-Only Memory, ROM).
Das Rotorcharakterisierungsmodul 32 ist dazu ausgelegt, die Drehzahl des Rotors 42 auf Basis von Sensordaten, die durch den Rotordrehzahlsensor 60 generiert werden, zu bestimmen. Des Weiteren ist das Rotorcharakterisierungsmodul 32 dazu ausgelegt, eine Winkelstellung des Rotors 42 auf Basis von Sensordaten, die durch den Rotorstellungssensor 65 generiert werden, zu bestimmen. In einigen Formen ist das Rotorcharakterisierungsmodul 32 dazu ausgelegt, die Stellung und/oder die Drehzahl des Rotors 42 zu bestimmen, indem es eine Stellungssignal-Konditionierungsroutine durchführt, wie nachstehend ausführlicher unter Bezugnahme auf die 2A - 2B und 3 - 4 beschrieben wird.
Das Motorsteuermodul 34 ist dazu ausgelegt, den Betrieb des Leistungsumformers 20 selektiv zu steuern, indem es die Spannungsmagnitude und/oder die Frequenz des dreiphasigen elektrischen Wechselstromsignals steuert, das an den Elektromotor 40 ausgegeben wird. Als ein Beispiel: Das Motorsteuermodul 34 kann eine Pulsweitenmodulations (Pulse Width Modulation, PWM)-Steuerroutine ausführen, um die Spannungsmagnitude des dreiphasigen elektrischen Wechselstromsignals selektiv zu steuern. Um die Spannungsmagnitude des dreiphasigen elektrischen Wechselstromsignals unter Verwendung der PWM-Steuerroutine zu steuern, ist das Motorsteuermodul 34 dazu ausgelegt, den Schalteinrichtungen des Leistungsumformers 20 selektiv eine Vorspannung bereitzustellen, wodurch es die Schalteinrichtungen aktiviert oder deaktiviert. Als ein anderes Beispiel: Das Motorsteuermodul 34 kann eine Direktansteuerungs-Steuerroutine ausführen, um die Spannungsmagnitude des dreiphasigen elektrischen Wechselstromsignals selektiv zu steuern. Um die Spannungsmagnitude des dreiphasigen elektrischen Wechselstromsignals unter Verwendung der Direktansteuerungs-Steuerroutine zu steuern, ist das Motorsteuermodul 34 dazu ausgelegt, einen Spannungsvektor direkt an die Schalteinrichtungen des Leistungsumformers 20 anzulegen, der auf einer vordefinierten Schalttabelle basiert, die in einem Speicher der Steuerung 30 gespeichert ist.
In einigen Formen kann das Motorsteuermodul 34 den Betrieb des Leistungsumformers 20 selektiv als Reaktion auf Anwenderbefehle, die über die Steuerung 30 empfangen werden, und auf Rückkopplungssignale, die verschiedene Betriebscharakteristika des Elektromotors 40 angeben, steuern. Die Anwenderbefehle können unter anderem eine Referenzspannungsanforderung, eine Drehzahlanforderung, eine Drehmomentanforderung und/oder Anforderungen von elektrischer Leistung enthalten, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Die Rückkopplungssignale können unter anderem Phasenstrominformationen, die aus den Phasenstromsensoren 50 erlangt werden, Rotordrehzahlinformationen, die aus dem Rotordrehzahlsensor 60 und/oder dem Rotorcharakterisierungsmodul 32 erlangt werden, und/oder Rotorstellungsinformationen, die aus dem Rotorstellungssensor 65 und/oder dem Rotorcharakterisierungsmodul 32 erlangt werden, enthalten, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Der Elektromotor 40 ist eine Wechselstrom-Elektromaschine, die dazu ausgelegt ist, ein zum Antrieb einer Last erforderliches Drehmoment zu produzieren. Zu beispielhaften Wechselstrom-Elektromaschinen zählen unter anderen eine Synchronelektromaschine (z. B. ein PMSM), eine Asynchronelektromaschine, eine Schenkelpol-Elektromaschine, eine Vollpol-Elektromaschine. Es versteht sich, dass der Elektromotor 40 verschiedene Typen von Wechselstrom-Elektromaschine sein kann und nicht auf die hier beschriebenen Beispiele beschränkt ist. Obwohl der Elektromotor 40 so veranschaulicht ist, dass er den Rotor 42 enthält, versteht es sich, dass der Elektromotor 40 verschiedene andere Komponenten enthalten kann, die hier nicht veranschaulicht sind.
Die Phasenstromsensoren 50 sind dazu ausgelegt, Informationen zu generieren, die eine Strommagnitude des elektrischen Wechselstromsignals, das vom Leistungsumformer 20 ausgegeben wird, darstellen. Als ein Beispiel: Die Phasenstromsensoren 50 können ein Hall-Effekt-Sensor, ein Transformator, ein Stromzangenmessgerät, ein Glasfaser-Stromsensor und/oder dergleichen sein. In einigen Formen kann die Anzahl an Phasenstromsensoren 50 gleich der Anzahl an Phasen des Elektromotors 40 sein.
Wie oben beschrieben wird, ist der Rotordrehzahlsensor 60 dazu ausgelegt, Informationen zu generieren, die eine Drehzahl des Rotors 42 darstellen, und der Rotorstellungssensor 65 ist dazu ausgelegt, Informationen zu generieren, die die Winkelstellung des Rotors 42 darstellen. Als ein Beispiel: Der Rotordrehzahlsensor 60 und der Rotorstellungssensor 65 können ein Encoder, ein elektromagnetischer Resolver und/oder dergleichen sein.
Mit Bezug auf die 2A: Ein beispielhaftes Funktionsblockdiagramm des Rotorcharakterisierungsmoduls 32 (in der 2A als Rotorcharakterisierungsmodul 32-1 bezeichnet) und des Motorsteuermoduls 34 wird gezeigt. Das Rotorcharakterisierungsmodul 32-1 kann ein Phasenstrom-Bestimmungsmodul 70, einen Referenzspannungsgenerator 80, einen Hochfrequenzsignalgenerator 85 und ein Generierungsmodul für einen rotierenden Referenzrahmen (Rotating Reference Frame Generation Module, RRFGM) 100 enthalten. Das Rotorcharakterisierungsmodul 32-1 kann auch ein GEMK-Modul 110, ein Produktmodul 120, ein Quadratmagnitudenmodul 130, ein Dividierermodul 140 und ein PLL-Modul 145, das ein Proportional-Integral- (Pl)-Modul 150 und ein Integratormodul 160 enthält, enthalten.
In einigen Formen bestimmt das Phasenstrom-Bestimmungsmodul 70 die Magnitude des Stroms, der jeder Phase des Elektromotors 40 bereitgestellt wird, auf Basis der Sensordaten, die aus den Phasenstromsensoren 50 erlangt werden.
Der Referenzspannungsgenerator 80 koppelt ein Signal mit einer vordefinierten Frequenz und Spannungsamplitude ein. Das heißt: In einer Form sind die Frequenz und die Amplitude des eingekoppelten Signals konstant, und die Frequenzimpedanz ist eine Funktion des Laststroms. In einigen Varianten kann das eingekoppelte Signal eine hochfrequente Komponente aufweisen, die durch den Hochfrequenzsignalgenerator 85 generiert wird, und die hochfrequente Komponente kann einen Frequenzbereich von einem Hundertstel der Schaltfrequenz bis zur Schaltfrequenz aufweisen, zum Beispiel 100 Hz bis 10 kHz. Die Frequenz und die Spannungsamplitude des eingekoppelten Signals können zum Beispiel durch einen Anwenderbefehl definiert werden, der der Steuerung 30 über eine damit kommunizierend gekoppelte Eingabeeinrichtung bereitgestellt wird. Als ein Beispiel: Das eingekoppelte Signal kann ein sinusförmiges Signal oder ein Rechtecksignal mit einer Amplitude von 15 V und einer Frequenz von 500 Hz sein. Es versteht sich, dass der Referenzspannungsgenerator 80 andere Typen von Signalen (z. B. unter anderem Zufallssignale) einkoppeln kann, die andere Frequenzen und Spannungsamplituden in anderen Formen aufweisen, und nicht auf die hier beschriebenen Beispiele beschränkt ist.
Das RRFGM 100 formt die Phasenströme und das eingekoppelte Signal in einen zweiachsigen rotierenden Referenzrahmen um, wie zum Beispiel den Direkt-Quadratur-Null-Rahmen (hier nachstehend als der dq-Rahmen bezeichnet). Das RRFGM 100 kann die Phasenströme und das eingekoppelte Signal, die jeweils als Vektoren dargestellt sind, in den dq-Rahmen umformen, indem es eine Clarke-Transformation und eine Park-Transformation durchführt.
Als ein Beispiel: Das RRFGM 100 kann zuerst die Clarke-Transformation durchführen, um die Vektoren, die die Phasenströme darstellen, und die eingekoppelten Spannungen in eine stationäre Quadraturachsendarstellung zu transformieren (hier nachstehend als der aß-Rahmen bezeichnet), wie durch die folgenden Beziehungen angegeben wird: $I_{αβ} = T_{αβ} I_{a b c}$
$V_{αβ} = T_{αβ} V_{a b c}$
$T_{αβ} = \frac{2}{3} [\begin{matrix} 1 & - \frac{1}{2} & - \frac{1}{2} \\ 0 & \frac{\sqrt{3}}{2} & - \frac{\sqrt{3}}{2} \\ \frac{1}{2} & \frac{1}{2} & \frac{1}{2} \end{matrix}]$
In den Beziehungen (1), (2) und (3) ist I_αβ die stationäre Achse der Quadraturachsendarstellung der Phasenströme, V_αβ ist die stationäre Achse der Quadraturachsendarstellung der eingekoppelten Spannung, und T_αβ ist die Transformationsmatrix. Nach dem Durchführen der Clarke-Transformation kann das RRFGM 100 die stationären Quadraturachsendarstellungen in die dq-Darstellungen umformen, indem es die Park-Transformation durchführt, wie durch die folgenden Beziehungen angegeben wird: $I_{dq} = T_{dq} I_{αβ}$
$V_{dq} = T_{dq} V_{αβ}$
$T_{dq} = [\begin{matrix} cos θ & sin θ & 0 \\ - sin θ & cos θ & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}]$
In den Beziehungen (4), (5) und (6) ist I_dq die dq-Rahmendarstellung der Phasenströme, V_dq ist die dq-Rahmendarstellung der eingekoppelten Spannung, T_dq ist die Transformationsmatrix, und θ ist der Rotationswinkel, in dem der dq-Rahmen gegenüber dem aß-Rahmen rotiert ist.
Anschließend kann das RRFGM 100 die rotierende Achse der Quadraturachsendarstellungen in den geschätzten Rotorreferenzrahmen (hier nachfolgend als der δγ-Rahmen bezeichnet) umformen, indem es die Park-Transformation durchführt, wie durch die folgenden Beziehungen angegeben wird: $I_{δγ} = T_{δγ} I_{dq}$
$V_{δγ} = T_{δγ} V_{dq}$
$T_{δγ} = [\begin{matrix} cos \tilde{θ} & sin \tilde{θ} & 0 \\ - sin \tilde{θ} & cos \tilde{θ} & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}]$
In den Beziehungen (7), (8) und (9) ist I_δγ die δγ-Rahmendarstellung der Phasenströme, V_δγ ist die δγ-Rahmendarstellung der eingekoppelten Spannung, T_δγ ist die Transformationsmatrix, und θ̃ stellt den Rotationswinkel dar, in dem der δγ-Rahmen gegenüber dem dq-Rahmen rotiert ist.
Das GEMK-Modul 110 ist dazu ausgelegt, als Reaktion auf das Umformen der Phasenströme und des eingekoppelten Signals in den δγ-Rahmen, die orthogonalen Komponenten des Modells der erweiterten GEMK des Elektromotors 40 zu bestimmen. Die orthogonalen Komponenten e_δ und e_γ) können unter Verwendung der folgenden Beziehung dargestellt werden: $[\begin{matrix} e_{δ} \\ e_{γ} \end{matrix}] = [\begin{matrix} v_{δ}^{*} \\ v_{γ}^{*} \end{matrix}] - [\begin{array}{l} R_{s} + p L_{d} - \hat{ω} L_{q} \\ \hat{ω} L_{q} R_{s} + p L_{d} \end{array}] [\begin{matrix} i_{δ} \\ i_{γ} \end{matrix}] - Z_{d h} [\begin{matrix} i_{δ h} \\ i_{γ h} \end{matrix}]$
In der Beziehung (10) ist v_δ* die eingekoppelte Spannung in der δ-Achse des δγ-Rahmens, v_γ* ist die eingekoppelte Spannung in der γ-Achse des δγ-Rahmens, Rs ist der Statorwiderstand des Elektromotors 40, p ist ein differenzieller Operator, L_d ist die Induktanz der d-Achse des dq-Rahmens, L_q ist die Induktanz der q-Achse des dq-Rahmens, und ω̂ ist eine vorherige Wiederholung der geschätzten Rotordrehzahl, die aus dem PLL-Modul 145 erlangt worden ist. In der oben genannten Beziehung ist i_δh die hochfrequente Stromantwort in der δ-Achse des δγ-Rahmens, die durch das eingekoppelte Signal bewirkt wird, i_γh ist die hochfrequente Stromantwort in der γ-Achse, die durch das eingekoppelte Signal bewirkt wird, und Z_dh ist die Hochfrequenzimpedanz in der d-Achse des dq-Rahmens.
Die oben genannte Beziehung der orthogonalen Komponenten (es und e_γ) des Modells der erweiterten GEMK (k_gemk) kann auch unter Verwendung der folgenden Beziehungen dargestellt werden: $[\begin{matrix} e_{δ} \\ e_{γ} \end{matrix}] = k_{g e m k} [\begin{matrix} - sin \tilde{θ} \\ cos \tilde{θ} \end{matrix}]$
$k_{g e m k} = (L_{d} - L_{q}) (\hat{ω} i_{d} - p i_{q}) + \hat{ω} ψ_{m} + (Z_{q h} - Z_{d h}) i_{q h}$
In den Beziehungen (11) und (12) ist i_d die Strommagnitude der d-Achse des dq-Rahmens, i_q ist die Strommagnitude der q-Achse des dq-Rahmens, Z_qh ist die Hochfrequenzimpedanz der q-Achse des dq-Rahmens, Z_dh ist die Hochfrequenzimpedanz der d-Achse des dq-Rahmens, i_qh ist die hochfrequente Stromantwort der q-Achse des dq-Rahmens, Ψ_m ist Permanentmagnetflussverkettung, und θ ist der Winkelstellungsfehler. In einigen Formen kann die Z_qh nichtlinear sein und variiert auf Basis der Frequenz und der Amplitude des eingekoppelten Signals und/oder eines Laststroms des Elektromotors 40.
Das Produktmodul 120 ist dazu ausgelegt, wenn das GEMK-Modul 110 die orthogonalen Komponenten der erweiterten GEMK bestimmt, ein Produkt der orthogonalen Komponenten e_δ × e_γ) zu erlangen, wie durch die folgende Beziehung gezeigt wird: $e_{δ} \times e_{γ} = \frac{- k_{g e m k}^{2}}{2} sin 2 \tilde{θ}$
Dementsprechend kann, wenn der Rotor 42 des Elektromotors 40 bei niedrigeren Drehzahlen und/oder in der Nähe des Leerlaufs arbeitet, die erweiterte GEMK (k_gemk) unter Verwendung der folgenden Beziehung dargestellt werden: $k_{g e m k} = - (L_{d} - L_{q}) p i_{q} + (Z_{q h} - Z_{d h}) i_{q h}$
Von daher ist die erweiterte GEMK (k_gemk) ein Wert ungleich null, wenn eine grundlegende Schenkeligkeit vorliegt, eine Nutstreuungsschenkeligkeit vorliegt oder eine Hochfrequenzimpedanzschenkeligkeit zusammen mit Transienten in der q-Achse des dq-Rahmens vorliegt.
Wenn der Rotor 42 des Elektromotors 40 bei höheren Drehzahlen arbeitet, kann die erweiterte GEMK (k_gemk) unter Verwendung der folgenden Beziehung dargestellt werden: $k_{g e m k} = {(L_{d} - L_{q}) i_{d} + ψ_{m}} \tilde{ω}$
Dementsprechend ist die erweiterte GEMK (k_gemk) ein Wert nicht null, wenn sich der Rotor 42 nicht im Leerlauf befindet, eine grundlegende Schenkeligkeit vorliegt oder eine Nutstreuungsschenkeligkeit zusammen mit einer Anregung in der d-Achse des dq-Rahmens vorliegt.
Das Quadratmagnitudenmodul 130 ist dazu ausgelegt, wenn das GEMK-Modul 110 die orthogonalen Komponenten der erweiterten GEMK bestimmt, eine quadrierte Magnitude der orthogonalen Komponenten (|e_δ
γ|²) zu erlangen, wie durch die folgende Beziehung gezeigt wird: ${| e_{δ γ} |}^{2} = e_{δ}^{2} + e_{γ}^{2}$
Das Dividierermodul 140 kann dann das Produkt der orthogonalen Komponenten (e_δ × e_γ) durch die quadrierte Magnitude der orthogonalen Komponenten (|e_δγ|²) dividieren, um das Winkelstellungs-Fehlersignal zu erlangen, wie durch die folgende Beziehung gezeigt wird: $\frac{e_{δ} \times e_{γ}}{{| e_{δ γ} |}^{2}} = - \frac{1}{2} sin 2 \tilde{θ}$
Das PI-Modul 150 des PLL-Moduls 145 empfängt das Winkelstellungs-Fehlersignal und führt eine Proportional-Integral-Routine auf dem Stellungssignal durch, um die geschätzte Rotordrehzahl zu erlangen. Das PI-Modul 150 gibt dann die geschätzte Rotordrehzahl an das GEMK-Modul 110 aus, das die geschätzte Rotordrehzahl als einen Rückkopplungsparameter zum Bestimmen der orthogonalen Komponenten nutzt, wie oben beschrieben wird. Des Weiteren gibt das PI-Modul 150 auch die geschätzte Rotordrehzahl an das Motorsteuermodul 34 aus, das selektiv den Betrieb des Leistungsumformers 20 auf Basis der geschätzten Rotordrehzahl steuert, wie oben beschrieben wird.
Das Integratormodul 160 des PLL-Moduls 145 empfängt die geschätzte Rotordrehzahl aus dem PI-Modul 150 und führt eine Integrationsroutine auf der geschätzten Rotordrehzahl durch, um die geschätzte Rotorstellung zu erlangen. Das Integratormodul 160 gibt dann die geschätzte Rotorstellung an das Motorsteuermodul 34 aus, das selektiv den Betrieb des Leistungsumformers 20 auf Basis der geschätzten Rotorstellung steuert, wie oben beschrieben wird.
Indem es die Signalkonditionierungsroutine durchführt, die unter Bezugnahme auf die 2A beschrieben wird, kann das Rotorcharakterisierungsmodul 32-1 die Drehzahl und die Winkelstellung des Rotors 42 ohne die Verwendung des Rotordrehzahlsensors 60 und des Rotorstellungssensors 65 bestimmen. Obwohl die in der 2A beschriebene beispielhafte Signalkonditionierungsroutine das Umformen der Phasenströme und des eingekoppelten Signals in einen zweiachsigen rotierenden Referenzrahmen beschreibt, können die Phasenströme und das eingekoppelte Signal in einen zweiachsigen stationären Referenzrahmen umgeformt werden, wie nachstehend ausführlicher unter Bezugnahme auf die 2B beschrieben wird.
Mit Bezug auf die 2B: Ein anderes beispielhaftes Funktionsblockdiagramm des Rotorcharakterisierungsmoduls 32 (als Rotorcharakterisierungsmodul 32-2 bezeichnet) und des Motorsteuermoduls 34 wird gezeigt. Das Rotorcharakterisierungsmodul 32-2 kann das Phasenstrom-Bestimmungsmodul 70, den Referenzspannungsgenerator 80, den Hochfrequenzsignalgenerator 85, das GEMK-Modul 110, das Produktmodul 120, das Quadratmagnitudenmodul 130, das Dividierermodul 140 und das PLL-Modul 145 enthalten. Das Rotorcharakterisierungsmodul 32-2 kann auch ein Generierungsmodul für einen stationären Referenzrahmen (Stationary Reference Frame Generation Module, SRFGM) 170, ein Quadratdifferenzmodul 180, ein Dividierermodul 190, ein Cosinusmodul 200, ein Sinusmodul 210, ein Produktmodul 220, ein Produktmodul 230 und ein Summiermodul 240 enthalten.
Das SRFGM 170 formt die Phasenströme und das eingekoppelte Signal in einen zweiachsigen stationären Referenzrahmen um, wie zum Beispiel den aß-Rahmen. Das SRFGM 170 kann die Phasenströme und das eingekoppelte Signal, die jeweils als Vektoren dargestellt sind, in den aß-Rahmen umformen, indem es eine Clarke-Transformation durchführt. Als ein Beispiel: Das SRFGM 170 kann die Clarke-Transformation durchführen, um die Vektoren, die die Phasenströme und die eingekoppelten Spannungen darstellen, unter Verwendung der folgenden Beziehungen umzuformen, wie durch die folgenden Beziehungen angegeben wird: $I_{αβ} = T_{αβ} I_{a b c}$
$V_{αβ} = T_{αβ} V_{a b c}$
$T_{αβ} = \frac{2}{3} [\begin{matrix} 1 & - \frac{1}{2} & - \frac{1}{2} \\ 0 & \frac{\sqrt{3}}{2} & - \frac{\sqrt{3}}{2} \\ \frac{1}{2} & \frac{1}{2} & \frac{1}{2} \end{matrix}]$
In den Beziehungen (18), (19) und (20) ist I_αβ die stationäre Achse der Quadraturachsendarstellung der Phasenströme, V_αβ ist die stationäre Achse der Quadraturachsendarstellung der eingekoppelten Spannung, und T_αβ ist die Transformationsmatrix.
Das GEMK-Modul 110 ist dazu ausgelegt, als Reaktion auf das Umformen der Phasenströme und des eingekoppelten Signals in den aß-Rahmen, die orthogonalen Komponenten des Modells der erweiterten GEMK des Elektromotors 40 zu bestimmen. Die orthogonalen Komponenten (e_α und e_β) können unter Verwendung der folgenden Beziehung dargestellt werden: $[\begin{matrix} e_{α} \\ e_{β} \end{matrix}] = [\begin{matrix} v_{α}^{*} \\ v_{β}^{*} \end{matrix}] - [\begin{array}{l} R_{s} + p L_{d} - \hat{ω} L_{q} \\ \hat{ω} L_{q} R_{s} + p L_{d} \end{array}] [\begin{matrix} i_{α} \\ i_{β} \end{matrix}] - Z_{d h} [\begin{matrix} i_{α h} \\ i_{β h} \end{matrix}]$
In der Beziehung (21) ist v_δ* die eingekoppelte Spannung in der α-Achse des aß-Rahmens, v_β* ist die eingekoppelte Spannung in der β-Achse des aß-Rahmens, Rs ist der Statorwiderstand des Elektromotors 40, p ist ein differenzieller Operator, L_d ist die Induktanz der d-Achse des dq-Rahmens, L_q ist die Induktanz der q-Achse des dq-Rahmens, und ω̂ ist eine vorherige Wiederholung der geschätzten Rotordrehzahl, die aus dem PLL-Modul 145 erlangt worden ist. In der oben genannten Beziehung ist i_αh die hochfrequente Stromantwort in der α-Achse des aß-Rahmens, die durch das eingekoppelte Signal bewirkt wird, i_βh ist die hochfrequente Stromantwort in der β-Achse, die durch das eingekoppelte Signal bewirkt wird, und Z_dh ist die Hochfrequenzimpedanz in der d-Achse des dq-Rahmens.
Die oben genannte Beziehung der orthogonalen Komponenten (e_α und e_β) des Modells der erweiterten GEMK (k_gemk) kann auch unter Verwendung der folgenden Beziehungen dargestellt werden: $[\begin{matrix} e_{α} \\ e_{β} \end{matrix}] = k_{g e m k} [\begin{matrix} - s i n θ \\ c o s θ \end{matrix}]$
$k_{g e m k} = (L_{d} - L_{q}) (\hat{ω} i_{α} - p i_{β}) + \hat{ω} ψ_{m} + (Z_{q h} - Z_{d h}) i_{β h}$
In den Beziehungen (22) und (23) ist i_α die Strommagnitude der α-Achse des aß-Rahmens, i_β ist die Strommagnitude der β-Achse des αβ-Rahmens, Z_qh ist die Hochfrequenzimpedanz der q-Achse des dq-Rahmens, Z_dh ist die Hochfrequenzimpedanz der d-Achse des dq-Rahmens, i_βh ist die hochfrequente Stromantwort der β-Achse des αβ-Rahmens, ψ_m ist Permanentmagnetflussverkettung, und θ ist die Winkelstellung des Rotors 42. In einigen Formen kann die Z_qh nichtlinear sein und variiert auf Basis der Frequenz und der Amplitude des eingekoppelten Signals und/oder eines Laststroms des Elektromotors 40.
Das Produktmodul 120 ist dazu ausgelegt, wenn das GEMK-Modul 110 die orthogonalen Komponenten der erweiterten GEMK bestimmt, ein Produkt der orthogonalen Komponenten (e_α × e_β) zu erlangen, wie durch die folgende Beziehung gezeigt wird: $e_{α} \times e_{β} = \frac{- k_{g e m k}^{2}}{2} s i n 2 θ$
Das Quadratmagnitudenmodul 130 ist dazu ausgelegt, wenn das GEMK-Modul 110 die orthogonalen Komponenten der erweiterten GEMK bestimmt, eine quadrierte
Magnitude der orthogonalen Komponenten (|e_aβ|²) zu erlangen, wie durch die folgende Beziehung gezeigt wird: ${| e_{αβ} |}^{2} = e_{α}^{2} + e_{β}^{2}$
Gleichermaßen ist das Quadratdifferenzmodul 180 dazu ausgelegt, wenn das GEMK-Modul 110 die orthogonalen Komponenten der erweiterten GEMK bestimmt, eine quadrierte Differenz der orthogonalen Komponenten (|e_Differenz|²) zu erlangen, wie durch die folgende Beziehung gezeigt wird: ${| e_{Differenz} |}^{2} = e_{α}^{2} - e_{β}^{2}$
Das Dividierermodul 140 kann dann das Produkt der orthogonalen Komponenten e_δ × e_γ) durch die quadrierte Magnitude der orthogonalen Komponenten (|e_aβ|²) dividieren, um ein erstes Winkelstellungs-Fehlersignal (e₁)) zu erlangen, wie durch die folgende Beziehung gezeigt wird: $\frac{e_{α} \times e_{β}}{{| e_{αβ} |}^{2}} = - \frac{1}{2} s i n 2 θ = e_{1}$
Gleichermaßen kann das Dividierermodul 190 dann die quadrierte Magnitude der orthogonalen Komponenten (|e_αβ|²) durch die quadrierte Differenz der orthogonalen Komponenten (|e_Differenz|²) dividieren, um ein zweites Winkelstellungs-Fehlersignal (e₂)) zu erlangen, wie durch die folgende Beziehung gezeigt wird: $\frac{{| e_{Differenz} |}^{2}}{{| e_{αβ} |}^{2}} = \frac{1}{2} c o s 2 θ = e_{2}$
Das Produktmodul 220 ist dazu ausgelegt, ein Produkt des ersten Winkelstellungs-Fehlersignals, das durch das Dividierermodul 140 ausgegeben wird (e₁)), und des Werts zu erlangen, der durch das Cosinusmodul 200 ausgegeben wird, das dazu ausgelegt ist, einen Cosinuswert des Doppelten der vorherigen geschätzten Winkelstellung, die durch das PLL-Modul 145 ausgegeben wird (2θ̂̂), zu erlangen. Das Signal, das durch das Produktmodul 220 (e₁*) ausgegeben wird, wird durch die folgende Beziehung gezeigt: $e_{1} * = e_{1} \times c o s 2 \hat{θ}$
Das Produktmodul 230 ist dazu ausgelegt, ein Produkt des ersten Winkelstellungs-Fehlersignals, das durch das Dividierermodul 140 ausgegeben wird (e₂), und des Werts zu erlangen, der durch das Sinusmodul 210 ausgegeben wird, das dazu ausgelegt ist, einen Sinuswert des Doppelten der vorherigen geschätzten Winkelstellung, die durch das PLL-Modul 145 ausgegeben wird (2θ̂), zu erlangen. Das Signal, das durch das Produktmodul 230 (e₂*) ausgegeben wird, wird durch die folgende Beziehung gezeigt: $e_{2} * = e_{2} \times sin 2 \hat{θ}$
Das Summiermodul 240 kann dann das Signal, das durch das Produktmodul 220 ausgegeben wird (e₁*), und das Signal, das durch das Produktmodul 230 ausgegeben wird (e₂*), addieren, um das Winkelstellungs-Fehlersignal zu erlangen, wie durch die folgende Beziehung gezeigt wird: $e_{1} * + e_{2} * = - \frac{1}{2} sin 2 \tilde{θ}$
Wie oben beschrieben wird, gibt das PLL-Modul 145 dann die geschätzte Rotordrehzahl und die geschätzte Rotorstellung an das GEMK-Modul 110 als einen Rückkopplungsparameter zum Bestimmen der orthogonalen Komponenten und an das Motorsteuermodul 34 zum Steuern des Betriebs des Leistungsumformers 20 auf Basis der geschätzten Rotorstellung aus. Indem es die Signalkonditionierungsroutine durchführt, die unter Bezugnahme auf die 2B beschrieben wird, kann das Rotorcharakterisierungsmodul 32-2 die Drehzahl und die Winkelstellung des Rotors 42 ohne die Verwendung des Rotordrehzahlsensors 60 und des Rotorstellungssensors 65 bestimmen.
Mit Bezug auf die 1, 2A - 2B und 3 wird eine beispielhafte Routine 300 gezeigt. Die Routine 300 stellt eine beispielhafte Signalkonditionierungsroutine zum Schätzen der Rotorstellung und der Rotordrehzahl unter Verwendung des zweiachsigen rotierenden Referenzrahmens (d. h. des δγ-Rahmens) dar. In 304 erlangt die Steuerung 30 die Phasenströme aus den Phasenstromsensoren 50, eine Referenzspannung (d. h. die eingekoppelte Spannung) und die vorherige geschätzte Rotordrehzahl. In 308 formt die Steuerung 30 die Referenzspannung und die Phasenströme in die Komponenten des rotierenden Referenzrahmens um (d. h. die Steuerung formt die Referenzspannung und die Phasenströme in den δγ-Rahmen um). In 312 bestimmt die Steuerung 30 die orthogonalen Komponenten des Modells der erweiterten GEMK. In 316 bestimmt die Steuerung 30 das Produkt der orthogonalen Komponenten des Modells der erweiterten GEMK. In 320 dividiert die Steuerung 30 das Produkt der orthogonalen Komponenten durch die quadrierte Magnitude des Modells der erweiterten GEMK. In 324 bestimmt die Steuerung 30 die Rotordrehzahl und die Rotorstellung unter Verwendung des PLL-Moduls 145 der Steuerung 30.
Mit Bezug auf die 1, 2A - 2B und 4 wird eine beispielhafte Routine 400 gezeigt. Die Routine 400 stellt eine beispielhafte Signalkonditionierungsroutine zum Schätzen der Rotorstellung und der Rotordrehzahl unter Verwendung des zweiachsigen stationären Referenzrahmens (d. h. des aß-Rahmens) dar. In 404 erlangt die Steuerung 30 die Phasenströme aus den Phasenstromsensoren 50, eine Referenzspannung (d. h. die eingekoppelte Spannung) und die vorherige geschätzte Rotordrehzahl. In 408 formt die Steuerung 30 die Referenzspannung und die Phasenströme in die Komponenten des stationären Referenzrahmens um (d. h. die Steuerung 30 formt die Referenzspannung und die Phasenströme in den aß-Rahmen um). In 412 bestimmt die Steuerung 30 die orthogonalen Komponenten des Modells der erweiterten GEMK. In 416 bestimmt die Steuerung 30 das Produkt und die quadrierte Differenz der orthogonalen Komponenten des Modells der erweiterten GEMK. In 420 dividiert die Steuerung 30 das Produkt und die quadrierte Differenz der orthogonalen Komponenten durch die quadrierte Magnitude des Modells der erweiterten GEMK. In 424 addiert die Steuerung 30 den einheitsbezogenen Wert des Produkts und der quadrierten Differenz der orthogonalen Komponenten des Modells der erweiterten GEMK. In 428 bestimmt die Steuerung 30 die Rotordrehzahl und die Rotorstellung unter Verwendung des PLL-Moduls 145 der Steuerung 30.
Es versteht sich, dass die Routinen 300, 400 lediglich beispielhafte Steuerroutinen sind und dass andere Steuerroutinen umgesetzt sein können.
Indem die hier beschriebene Signalkonditionierungsroutine durchgeführt wird, können die Rotorstellung und die Rotordrehzahl von Wechselstrom-Elektromaschinen bei Leerlauf-, niedrigen und hohen Betriebsdrehzahlen ohne die Verwendung der Rotorstellungssensoren und der Rotordrehzahlsensoren berechnet werden, wodurch sich die Größe der Wechselstrom-Elektromaschine und die Komplexität der zum Verarbeiten der Sensordaten benötigten Steuerungslogik reduzieren. Des Weiteren kann die Signalkonditionierungsroutine, wenn sie ausgeführt wird, in Verbindung mit dem Rotorstellungssensor und/oder dem Rotordrehzahlsensor genutzt werden, um fehlerhafte Rotorstellungssensoren und/oder Rotordrehzahlsensoren zu identifizieren.
Wenn hier nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben wird, sind alle numerischen Werte, die mechanische bzw. thermische Eigenschaften, Prozentsätze von Zusammensetzungen, Abmessungen und/oder Toleranzen oder andere Charakteristika angeben, in der Beschreibung des Schutzbereichs der vorliegenden Offenbarung als modifiziert durch das Wort „etwa“ oder „ungefähr“ zu verstehen. Diese Modifikation ist aus verschiedenen Gründen erwünscht, einschließlich des industriellen Einsatzes, der Herstellungstechnologie und der Prüffähigkeit.
Wie hier verwendet, sollte die Formulierung „wenigstens eines von A, B und C“ so ausgelegt werden, dass sie ein logisches (A ODER B ODER C) unter Verwendung eines nicht-exklusiven logischen ODER bedeutet, und sollte nicht so ausgelegt werden, dass sie „wenigstens eines von A, wenigstens eines von B und wenigstens eines von C“ bedeutet.
Die Beschreibung der Offenbarung ist lediglich beispielhafter Art, und somit sollen Varianten, die nicht vom Kern der Offenbarung abweichen, im Schutzbereich der Offenbarung liegen. Solche Varianten sind nicht als eine Abweichung vom Gedanken und Schutzbereich der Offenbarung anzusehen.
In den Figuren zeigt die Richtung eines Pfeils, wie sie durch die Pfeilspitze angegeben wird, im Allgemeinen den Informationsfluss (wie zum Beispiel von Daten oder Anweisungen), die für die Veranschaulichung von Interesse sind. Wenn zum Beispiel das Element A und das Element B eine Vielzahl von Informationen austauschen, jedoch für die Veranschaulichung Informationen relevant sind, die vom Element A zum Element B übertragen werden, kann der Pfeil vom Element A zum Element B zeigen. Dieser unidirektionale Pfeil impliziert nicht, dass keine anderen Informationen vom Element B zum Element A übertragen werden. Des Weiteren kann das Element B für Informationen, die vom Element A zum Element B gesendet werden, Anforderungen oder Empfangsbestätigungen für die Informationen zum Element A senden.
In dieser Anmeldung kann sich der Ausdruck „Modul“ und/oder „Steuerung“ auf Folgendes beziehen, ein Teil von Folgendem sein oder Folgendes enthalten: eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (Application Specific Integrated Circuit, ASIC), eine digitale, analoge oder gemischt analog/digitale diskrete Schaltung, eine digitale, analoge oder gemischt analog/digitale integrierte Schaltung, eine Verknüpfungslogikschaltung, ein Field Programmable Gate Array (FPGA), eine Prozessorschaltung (gemeinsam genutzt, dediziert oder als Gruppe), die Code ausführt, eine Speicherschaltung (gemeinsam genutzt, dediziert oder als Gruppe), die Code speichert, der durch die Prozessorschaltung ausgeführt wird, andere geeignete Hardware-Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen, oder eine Kombination von einigem oder allem oben Genannten, wie zum Beispiel ein Systemon-Chip.
Der Ausdruck „Speicher“ ist eine Untermenge des Ausdrucks „computerlesbares Medium“. Der Ausdruck „computerlesbares Medium“, wie hier verwendet, umfasst keine flüchtigen elektrischen oder elektromagnetischen Signale, die sich durch ein Medium ausbreiten (wie zum Beispiel eine Trägerwelle); der Ausdruck „computerlesbares Medium“ kann daher als dinghaft und nichtflüchtig betrachtet werden. Nicht beschränkende Beispiele für ein nichtflüchtiges, dinghaftes computerlesbares Medium sind nichtflüchtige Speicherschaltungen (wie zum Beispiel eine Flash-Speicherschaltung, eine löschbare programmierbare Nur-Lese-SpeicherSchaltung oder eine Masken-Nur-Lese-Schaltung), flüchtige Speicherschaltungen (wie zum Beispiel eine statische Direktzugriffsspeicherschaltung oder eine dynamische Direktzugriffsspeicherschaltung), Magnetspeichermedien (wie zum Beispiel ein analoges oder digitales Magnetband oder ein Festplattenlaufwerk) und optische Speichermedien (wie zum Beispiel eine CD, eine DVD oder eine Blu-Ray Disc).
Die in dieser Anmeldung beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren können teilweise oder vollständig durch einen Spezialcomputer umgesetzt sein, der durch Auslegen eines Allzweckcomputers für das Ausführen einer oder mehrerer spezieller Funktionen, die in Computerprogrammen verkörpert sind, erstellt wird. Die Funktionsblöcke, Flussdiagrammkomponenten und andere oben beschriebene Elemente dienen als Software-Spezifikationen, die durch die Routinetätigkeit eines qualifizierten Technikers oder Programmierers in die Computerprogramme übersetzt werden können.
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 63014819 [0001]

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Rotorcharakteristik einer Wechselstrom (AC)-Elektromaschine, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: ein Referenzspannungssignal, einen oder mehrere Phasenströme und Rotordaten zu erlangen; orthogonale Komponenten eines Modells der erweiterten gegenelektromotorischen Kraft (GEMK) der Wechselstrom-Elektromaschine auf Basis des Referenzspannungssignals, der einen oder mehreren Phasenstromcharakteristika und der Rotordaten zu bestimmen; ein Produkt der orthogonalen Komponenten des Modells der erweiterten GEMK zu bestimmen; eine quadrierte Magnitude der orthogonalen Komponenten des Modells der erweiterten GEMK zu bestimmen; und die Rotorcharakteristik der Wechselstrom-Elektromaschine auf Basis des Produkts der orthogonalen Komponenten und der quadrierten Magnitude der orthogonalen Komponenten zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Rotorcharakteristik wenigstens eines von einer Rotorstellung und einer Rotordrehzahl ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der orthogonalen Komponenten des Modells der erweiterten GEMK der Wechselstrom-Elektromaschine des Weiteren umfasst, wenigstens eines von dem Referenzspannungssignal, dem einen oder mehreren Phasenströmen und den Rotordaten in einen zweiachsigen rotierenden Referenzrahmen umzuformen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der Rotorcharakteristik der Wechselstrom-Elektromaschine auf Basis des Produkts der orthogonalen Komponenten und der quadrierten Magnitude der orthogonalen Komponenten des Weiteren umfasst, ein Winkelstellungs-Fehlersignal zu generieren.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Generieren des Winkelstellungs-Fehlersignals des Weiteren umfasst, das Produkt der orthogonalen Komponenten durch die quadrierte Magnitude der orthogonalen Komponenten zu dividieren.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Bestimmen der Rotorcharakteristik der Wechselstrom-Elektromaschine auf Basis des Produkts der orthogonalen Komponenten und der quadrierten Magnitude der orthogonalen Komponenten des Weiteren umfasst, eine Rotordrehzahl auf Basis des Winkelstellungs-Fehlersignals zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Bestimmen der Rotorcharakteristik der Wechselstrom-Elektromaschine auf Basis des Produkts der orthogonalen Komponenten und der quadrierten Magnitude der orthogonalen Komponenten des Weiteren Folgendes umfasst: eine Rotordrehzahl auf Basis des Winkelstellungs-Fehlersignals zu bestimmen; und eine Rotorstellung auf Basis der Rotordrehzahl zu bestimmen.
Verfahren zum Bestimmen der Rotorcharakteristik einer Wechselstrom (AC)-Elektromaschine, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: ein Referenzspannungssignal, einen oder mehrere Phasenströme und Rotordaten zu erlangen; orthogonale Komponenten eines Modells der erweiterten gegenelektromotorischen Kraft (GEMK) der Wechselstrom-Elektromaschine auf Basis des Referenzspannungssignals, der einen oder mehreren Phasenstromcharakteristika und der Rotordaten zu bestimmen; ein Produkt der orthogonalen Komponenten des Modells der erweiterten GEMK zu bestimmen; eine quadrierte Magnitude der orthogonalen Komponenten des Modells der erweiterten GEMK zu bestimmen; eine quadrierte Differenz der orthogonalen Komponenten des Modells der erweiterten GEMK zu bestimmen; und die Rotorcharakteristik der Wechselstrom-Elektromaschine auf Basis des Produkts der orthogonalen Komponenten, der quadrierten Magnitude der orthogonalen Komponenten und der quadrierten Differenz der orthogonalen Komponenten zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Rotorcharakteristik wenigstens eines von einer Rotorstellung und einer Rotordrehzahl ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Bestimmen der orthogonalen Komponenten des Modells der erweiterten GEMK der Wechselstrom-Elektromaschine des Weiteren umfasst, wenigstens eines von dem Referenzspannungssignal, dem einen oder mehreren Phasenströmen und den Rotordaten in einen zweiachsigen stationären Referenzrahmen umzuformen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Bestimmen der Rotorcharakteristik der Wechselstrom-Elektromaschine auf Basis des Produkts der orthogonalen Komponenten und der quadrierten Magnitude der orthogonalen Komponenten des Weiteren umfasst, ein Winkelstellungs-Fehlersignal zu generieren.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Generieren des Winkelstellungs-Fehlersignals des Weiteren umfasst, das Produkt der orthogonalen Komponenten durch die quadrierte Magnitude der orthogonalen Komponenten zu dividieren.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bestimmen der Rotorcharakteristik der Wechselstrom-Elektromaschine auf Basis des Produkts der orthogonalen Komponenten und der quadrierten Magnitude der orthogonalen Komponenten des Weiteren umfasst, eine Rotordrehzahl auf Basis des Winkelstellungs-Fehlersignals zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Generieren des Winkelstellungs-Fehlersignals des Weiteren umfasst, eine vorherige Rotorstellung in das Winkelstellungs-Fehlersignal umzuformen.