DE102021131016A1

DE102021131016A1 - Lineare zeitvariable modellprädiktive drehmomentsteuerung

Info

Publication number: DE102021131016A1
Application number: DE102021131016.4A
Authority: DE
Inventors: Yue-Yun Wang; Lei Hao; Suresh Gopalakrishnan
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2021-01-11
Filing date: 2021-11-25
Publication date: 2022-07-14
Also published as: US20220219548A1; US11987132B2; CN114765438A

Abstract

Ein System zur Drehmomentsteuerung eines Elektromotors in einem Kraftfahrzeug umfasst einen Leistungswechselrichter, der einen Strom an den Elektromotor liefert, um das Drehmoment des Elektromotors zu regeln, und ein modellprädiktives Steuermodul, das eine dreiphasige Spannung an den Leistungswechselrichter sendet, um den Betrieb des Leistungswechselrichters zu steuern.

Description

EINFÜHRUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Elektromotoren. Genauer gesagt, die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die Drehmomentsteuerung von Elektromotoren für Kraftfahrzeuge.
In vielen Kraftfahrzeugen werden Elektromotoren eingesetzt. Insbesondere Hybridfahrzeuge verwenden einen oder mehrere Elektromotoren zusätzlich zu einem Verbrennungsmotor, und Elektrofahrzeuge verwenden einen oder mehrere Elektromotoren als Hauptantrieb.
Der Betrieb dieser Elektromotoren erfordert die Steuerung des von den Motoren abgegebenen Drehmoments. Derzeit basiert die Drehmomentsteuerung von Elektromotoren auf einem offenen Regelkreis. Solche Systeme erfordern eine umfangreiche Kalibrierung zahlreicher Nachschlagetabellen, um eine robuste Leistung der Kraftfahrzeuge zu erreichen.
Während die derzeitigen Systeme zur Steuerung des Drehmoments von Elektromotoren ihren Zweck erfüllen, besteht ein Bedarf an neuen und verbesserten Systemen zur Regelung der Drehmomentabgabe von Elektromotoren.
BESCHREIBUNG
Gemäß mehreren Aspekten umfasst ein System zur Drehmomentsteuerung eines Elektromotors in einem Kraftfahrzeug einen Wechselrichter, der einen Strom an den Elektromotor liefert, um das Drehmoment des Elektromotors zu regeln, und ein Modul zur modellprädiktiven Steuerung (MPC), das eine dreiphasige Spannung an den Wechselrichter sendet, um den Betrieb des Wechselrichters zu steuern.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung basiert das MPC-Modul auf einem linearen zeitvariablen Modell des Motors zu jedem Abtastzeitpunkt.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung basiert das MPC-Modul auf einem linearen, parameterveränderlichen Modell innerhalb des MPC-Regelhorizonts.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung nutzt das MPC-Modul die Flussrückmeldung eines Kalman-Filters.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung verwendet das MPC-Modul eine Stromrückführung.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das System außerdem einen Kalman-Filter zur Schätzung von Strömen, um Störungen aus Strommessungen bei ausgewählten Motorbetriebsbedingungen zu entfernen.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das System außerdem einen Drehmomentsensor, der das Drehmoment des Elektromotors misst.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das System außerdem einen Kalman-Filter, der einen Fluss oder Ströme für das MPC-Modul auf der Grundlage von Spannungen vom Elektromotor und dem gemessenen Drehmoment des Elektromotors schätzt.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung basiert das MPC-Modul auf einer Zwei-Schleifen-Regelungsarchitektur.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die Zwei-Schleifen-Regelungsarchitektur einen innere Schleife, die die Ströme zum Elektromotor steuert.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die Zwei-Schleifen-Regelungsarchitektur eine äußere Schleife, die auf dem Drehmoment-Feedback des Elektromotors basiert.
Gemäß mehreren Aspekten umfasst ein System zur Drehmomentsteuerung eines Elektromotors in einem Kraftfahrzeug einen Wechselrichter, der einen Strom an den Elektromotor liefert, um das Drehmoment des Elektromotors zu regeln, und ein Modul zur modellprädiktiven Steuerung (MPC), das eine dreiphasige Spannung an den Wechselrichter sendet, um den Betrieb des Wechselrichters zu steuern. Das MPC-Modul basiert auf einem linearen zeitvariablen Modell oder einem linearen parametervariablen Modell.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung nutzt das MPC-Modul die Flussrückmeldung eines Kalman-Filters.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung verwendet das MPC-Modul eine Stromrückkopplung, wobei das System ferner einen Kalman-Filter zur Schätzung von Strömen umfasst, um Störungen aus Strommessungen bei ausgewählten Motorbetriebsbedingungen zu entfernen.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das System außerdem einen Drehmomentsensor, der das Drehmoment des Elektromotors misst.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das System außerdem einen Kalman-Filter, der einen Fluss oder Ströme für das MPC-Modul auf der Grundlage von Spannungen vom Elektromotor und dem gemessenen Drehmoment des Elektromotors schätzt.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung basiert das MPC-Modul auf einer Zwei-Schleifen-Regelungsarchitektur.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die Zwei-Schleifen-Regelungsarchitektur eine innere Schleife, die die Ströme zum Elektromotor steuert.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die Zwei-Schleifen-Regelungsarchitektur eine äußere Schleife, die auf der Drehmomentrückmeldung des Elektromotors basiert.
Gemäß mehreren Aspekten umfasst ein System zur Drehmomentsteuerung eines Elektromotors in einem Kraftfahrzeug einen Wechselrichter, der einen dreiphasigen Wechselstrom an den Elektromotor liefert, um das Drehmoment des Elektromotors zu regeln; einen Batteriesatz, der eine Gleichspannung an den Wechselrichter anlegt, und ein Modul zur modellprädiktiven Steuerung (MPC), das eine dreiphasige Spannung an den Wechselrichter sendet, um den Betrieb des Wechselrichters zu steuern. Das MPC-Modul basiert auf einem linearen zeitvariablen Modell oder einem linearen parametervariablen Modell.
Weitere Anwendungsbereiche werden sich aus der vorliegenden Beschreibung ergeben. Es sollte verstanden werden, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur zur Veranschaulichung dienen und den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken sollen.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Figuren dienen nur der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.

1A ist eine schematische Darstellung eines Systems zur Drehmomentsteuerung eines Motors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
1B ist eine schematische Darstellung einer Unterkomponente des in 1A dargestellten Systems;
1C ist eine schematische Darstellung eines Kalman-Filters, der in dem in 1A dargestellten System verwendet wird;
2 ist eine schematische Darstellung eines anderen Systems zur Drehmomentsteuerung eines Motors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
3 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Systems zur Drehmomentsteuerung eines Motors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform; und
4 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Systems zur Drehmomentsteuerung eines Motors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhaft und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendung nicht einschränken.
In den 1A, 1B und 1C ist ein System 10 zur Steuerung des Drehmoments (T_q) eines Wechselstrom-Elektromotors 24 dargestellt. Das System 10 umfasst einen Batteriesatz 12, der eine Spannung 14 an einen Wechselrichter 16 liefert. Der Wechselrichter wiederum liefert einen Dreiphasenstrom 20, 21 und 22 an den Elektromotor 24.
Das System 10 umfasst ferner ein modellprädiktives Steuermodul (MPC) 36, das die vom Wechselrichter 16 an den Elektromotor 24, z. B. eine Drehstrommaschine, übertragenen Ströme regelt. In einigen Anordnungen ist das MPC 36 linear zeitvariabel (LTV), d. h. die Modellparameter des Motorsystems sind zeitvariabel. In anderen Anordnungen sind die Systemmodellparameter linear parameter variierend (LPV), d. h. einige der Systemparameter ändern sich langsam. Bei dem Elektromotor 24 handelt es sich um eine Permanentmagnetmaschine (PM), die auch als Permanentmagnet-Asynchronmaschine (PMSM) bezeichnet wird.
Als Referenz wird in der vorliegenden Offenbarung die folgende Nomenklatur verwendet: r(k): Regelungssollwert zum Abtastzeitpunkt k; Tq_ref: Motordrehmomentsollwert oder -befehl, r(k)=Tq_ref; v_a, v_b und v_cr(k)=Tq_ref: Dreiphasenspannung, die an den Elektromotor 24 zur Drehmomentsteuerung angelegt wird; i_a,i_b i_c: Dreiphasenstrom des Elektromotors 24; θ, ω: Rotorposition des Elektromotors und Motordrehzahl; Motordrehzahl berechnet als ω_e elektrische Motordrehzahl, und ω_m mechanische Motordrehzahl oder physikalische Drehgeschwindigkeit, die durch den Ausdruck ω_e= p/2 ω_m wobei p die Anzahl der Magnetpole im Motor ist; Tq: Motordrehmoment; i_d, i_q Motorströme im rotierenden Bezugssystem des Rotors (diese beiden Ströme stehen im Magnetfeld senkrecht zueinander); V_d, V_q: Motorspannungen im rotierenden Bezugssystem des Rotors (diese Spannungen stehen senkrecht im Magnetfeld und werden auch als Gleichspannung und Quadraturspannung bezeichnet); die Phasentransformation (θ) transformiert die Ströme oder Spannungen des rotierenden Bezugssystems in dreiphasige Ströme oder Spannungen und umgekehrt; λ_d, λ_q, Motorfluss im rotierenden Bezugssystem; λ̃_q λ̃_d Addition der Neigungsmittel des geschätzten Motorflusses.
Der MPC 36 erzeugt eine gewünschte Motorsteuerspannung Vd, Vq auf der Grundlage des befohlenen Motordrehmoments (oder Referenzdrehmoments), Tq_ref, der Motordrehzahl und der Rückkopplung des Motorflusses, wie sie von einem Sensor 26 und Sensoren zur Messung der dreiphasigen Ströme geschätzt werden. Mithilfe der Phasentransformation (θ) 32 werden die optimalen Steuersignale Vd und Vq in die gewünschten Dreiphasenspannungen va, vb und vc umgewandelt, die an den Elektromotor 24 angelegt werden. Auf der Grundlage der gewünschten dreiphasigen Spannungen va, vb und vc wird die Raumvektormodulation oder PWM 34 auf die Schalter des Steuerinverters 16 angewendet, um die gewünschten dreiphasigen Ströme 20, 21 und 22 für den Elektromotor 24 zu erzeugen, die das gewünschte Drehmoment T erzeugen_q. Als solches verwendet das System 10 eine modellprädiktive Steuerung des Motordrehmoments mit Flussrückführung.
Die MPC 26 verwendet einen Optimierungsalgorithmus, um die gewünschten Spannungen Vd und Vq zu erhalten, um das gewünschte Drehmoment T_q zu steuern. Das Ziel der Steuerung ist die Minimierung einer Kostenfunktion (1) bei einem vorausschauenden Zeithorizont mit einer Anzahl von N Stichproben. $\underset{v i}{m i n} \sum_{i = k}^{k + N} W^{y} {(T q (i) - r (i))}^{2} + {‖ W^{u} (v_{i} - v_{r e f}) (i) ‖}^{2} + ‖ W^{Δ u} Δ v_{i} ‖ wobei v_{i} = [v_{d} (i) v_{q} (i)]$
In dieser Kostenfunktion bezeichnet i die diskrete Abtastzeit zum i-ten Abtastschritt, Tq(i) ist das Drehmoment zum Abtastzeitpunkt i. r(i) ist der Sollwert für die Drehmomentregelung zum Abtastzeitpunkt i, k ist die aktuelle Abtastzeit, v_ref(i) die Sollwerte Vd und Vq, die auf Null gesetzt werden, Δv_i ist die Änderungsrate von Vd und Vq, W^y, W^u, W^Δu sind die abstimmbaren Gewichtungsfunktionen, und ||*|| bezeichnet die Vektornorm.
Die Abstimmung der Gewichte sorgt für ein Gleichgewicht zwischen den schnellen Reaktionen auf die Drehmomentsteuerung und der Energie und Aggressivität der Steuereingänge durch die Ratenbegrenzung. Der Algorithmus löst die optimale Steuerung Vd und Vq, die die Kostenfunktion (1) minimiert, um die gewünschte Drehmomentsteuerung zu erreichen. Die Lösung dieses Optimierungsreglers unterliegt den dynamischen Reaktionen des Motors, die durch die Zustandsraumgleichung des Motorflusses gekennzeichnet sind: $\begin{array}{l} \frac{d λ_{q}}{d t} = - λ_{d} ω_{e} - r_{s} \frac{λ_{q}}{L_{q}} + v_{q} \end{array}$
$\frac{d λ_{q}}{d t} = + λ_{d} ω_{e} - r_{s} \frac{λ_{q} - λ_{m}}{L_{d}} + v_{d}$
$T_{q} = \frac{3}{2} P (λ_{d} λ_{q} [\frac{1}{L_{q}} - \frac{1}{L_{q}}] + \frac{λ_{q} λ_{m}}{L_{d}})$
Die Optimierung unterliegt auch dem Drehmoment, der maximalen Wechselrichterspannung und dem maximalen Wechselrichterstrom sowie der Temperaturbeschränkung: $\begin{array}{l} T_{q, m i n} (ω_{m}) < T_{q} < T_{q, m a x} (ω_{m}) \\ V_{s} = \sqrt{{(v_{d})}^{2} + {(v_{q})}^{2}} \leq V_{m a x} \\ I_{s} = \sqrt{{(i_{d})}^{2} + {(i_{q})}^{2}} \leq I_{m a x} \\ T_{m, m i n} < T_{m} < T_{m, m a x} \end{array}$
In Gleichung (2), r_s der Statorwicklungswiderstand, Ld und Lq die Motorinduktivitäten, die nichtlineare Funktionen von id und iq sind. Die dynamische Gleichung des Motors ist linear zeitvariabel (ω_e(t), L_q(i_d(t), i_q(t)), L_d(i_d(t), i_q(t))), wobei λ_m der mechanische Gestängefluss, der als Konstante betrachtet wird; V_max Maximale Spannungsgrenze des Umrichters; I_max Maximale Stromgrenze des Umrichters; T_q,min(ω_m): minimale Drehmomentgrenze in Abhängigkeit von der Motordrehzahl; und T_q,max(ω_m): maximaler Drehmomentgrenzwert in Abhängigkeit von der Motordrehzahl (der typische Drehmomentgrenzwert liegt im Bereich der Flussschwächung, wenn die Motordrehzahl einen bestimmten Grenzwert überschreitet; das Motordrehmoment nimmt in Abhängigkeit von der Drehzahl ab); und T_m,min < T_m< T_m,maxMotortemperatur und Min-Max-Grenzwerte.
Da die Computer- und Optimierungssteuerung zu diskreten Abtastzeiten für ein lineares System ausgeführt wird, wird die Motordifferentialgleichung linearisiert und zu jeder Abtastzeit über den Vorhersagezeitfensterhorizont diskretisiert, um eine lineare zeitvariable Modellvorhersageregelung (LTV/MPC) für die MPC 36 zu definieren. Die linearisierte diskrete Zustandsraumgleichung des Motors zu jedem Abtastzeitpunkt / lautet $\tilde{λ} (i + 1) = \tilde{A} \tilde{λ} (i) + {\tilde{B}}_{u} \tilde{v} ι$
$\tilde{y} (i) = G \tilde{λ} (i) + H \tilde{v} ι$
$\tilde{λ} (i) = [\tilde{λ} d (i) \tilde{λ} q (i)]$
Die sich daraus ergebende MPC 26 ist eine Zustandsrückmeldung von Flussschätzungen ṽi = ƒ(λ̃_q λ̃_d). Da der Fluss nicht direkt messbar ist, wird ein Kalman-Filter 30 angewandt, um den Motorfluss für die Rückkopplungssteuerung auf der Grundlage des Spannungsbefehls Vd und Vq und des gemessenen Stroms id und iq aus einer Phasentransformation (θ) 28 zu schätzen, wie in 1C ausführlicher dargestellt.
In 2 ist ein alternatives System 100 zur Steuerung des Drehmoments (T_q) des Wechselstrommotors 24 dargestellt. Hier verwendet der MPC 36 die Gleichstromrückführung 102. Da die Ströme id und iq aus den drei Phasenströmen ia, ib und ic transformiert werden, sind sie direkt messbar. Zu den Optionen gehört die Verwendung der direkten Stromrückführung ohne Kalman-Filter oder mit einem Kalman-Filter zur Schätzung der Ströme, um Störungen aus den Strommessungen zu entfernen. Die Zustandsraumgleichungen des Motors werden nun durch die Ströme id und iq mit dem Gleichungssatz beschrieben: $\begin{array}{l} L_{q} \frac{d i_{q}}{d t} = - L_{d} i_{d} ω_{e} - λ_{m} ω_{e} - r_{s} i_{q} + v_{q} \end{array}$
$L_{d} \frac{d i_{d}}{d t} = - L_{d} i_{d} ω_{e} - r_{s} i_{d} + v_{d}$
$T_{q} = \frac{3}{2} P (λ_{m} i_{q} - (L_{q} - L_{d}) i_{q} i_{d})$
$T_{e, m i n} < T_{e} < T_{e, m a x}$
$V_{s} = \sqrt{{(v_{d})}^{2} + {(v_{q})}^{2}} \leq V_{m a x}$
$I_{s} = \sqrt{{(i_{d})}^{2} + {(i_{q})}^{2}} \leq I_{m a x}$
$T_{m, m i n} < T_{m} < T_{m, m a x}$
wobei die Ausgangsgleichung für den Strombeobachter lautet y = [i_q i_d]'.
In 3 ist ein weiteres System 200 zur Steuerung des Drehmoments (T_q) des Wechselstrommotors 24 dargestellt. Dieses System verwendet einen Drehmomentsensor oder virtuellen Drehmomentsensor 202 für die direkte Drehmomentregelung. Dadurch entfallen alle dreiphasigen Strommessungen. Die im System 200 verwendeten Algorithmen ähneln denen, die in den oben beschriebenen Systemen 10 oder 100 eingesetzt werden. Der Kalman-Filter ist jedoch anders. Bei der Verwendung der direkten Drehmomentsensor-Rückkopplung schätzt der Kalman-Filter den Fluss oder die Ströme für die MPC-Rückkopplung auf der Grundlage von Vd- und Vq-Befehlen und dem gemessenen Motordrehmoment anstelle der gemessenen id- und iq-Ströme.
In 4 ist ein weiteres System 300 zur Regelung des Drehmoments (T_q) des Wechselstrommotors 24 dargestellt. Das System 300 umfasst zwei Regelkreise: ein innerer Regelkreis steuert die Ströme id und iq, und ein äußerer Regelkreis sorgt für eine Drehmomentrückkopplungssteuerung. Ein tiefes neuronales Lernnetzwerk (NNT) 302 erzeugt die gewünschten Strombefehle id* und iq* für den Elektromotor 24 auf der Grundlage des gewünschten Motordrehmoments (Tq), der Motordrehzahl (U/min), der Batteriespannung (Vdc) und der Motortemperatur (Temp) als Eingaben für das NNT 302. Dann steuert der MPC 36 im inneren Regelkreis die Ströme id und iq, um die Strombefehle id* und iq* zu verfolgen.
Der MPC 36 minimiert eine Kostenfunktion: $\begin{array}{l} \underset{v}{m i n} \sum_{k = t}^{k + N} {‖ W^{y} (I_{k} - r (k)) ‖}^{2} + {‖ W^{u} (v_{k} - v_{r e f}) (k) ‖}^{2} + ‖ W^{Δ u} Δ v_{k} ‖ \end{array}$
$v_{k} = [v_{d} (k) v_{q} (k)], I_{k} = [i_{d} (k) i_{q} (k)], r (k) = [i d * (k) i q * (k)]$
wobei k die Abtastzeit bei k angibt. Bei dieser Optimierung geht es darum, die optimale Steuerung Vd und Vq zu finden, so dass id und iq den befohlenen id* und iq* auf der Grundlage der oben beschriebenen dynamischen Motorgleichung (4) folgen können. Die Drehmomentsteuerung im äußeren Regelkreis wird durch den Vergleich der tatsächlichen Drehmomentmessung mit dem Drehmomentbefehl erreicht. Die Fehler bei der Drehmomentnachführung werden durch einen PID-Regler 318 moduliert, der die id*- und iq*-Befehle für eine bessere Drehmomentnachführung modifiziert, wobei α<1 316 und (1- α) 314 PID-Modulationen zur Modifizierung einzelner id*- und iq*-Befehle zuordnet.
Ein System zur Steuerung des Drehmoments von Elektromotoren gemäß der vorliegenden Offenbarung bietet mehrere Vorteile. Dazu gehören die Verringerung der Kalibrierungszeiten und die Möglichkeit, einen oder mehrere Sensoren zu eliminieren, die beim Betrieb von Elektromotoren verwendet werden.
Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung ist lediglich beispielhaft, und Abweichungen, die nicht vom Kern der vorliegenden Offenbarung abweichen, sollen in den Anwendungsbereich der vorliegenden Offenbarung fallen. Solche Variationen sind nicht als Abweichung von Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung zu betrachten.

Claims

System zur Drehmomentsteuerung eines Elektromotors in einem Kraftfahrzeug, wobei das System Folgendes umfasst: einen Wechselrichter, der einen Strom an den Elektromotor liefert, um das Drehmoment des Elektromotors zu regulieren; und ein MPC-Modul, Model Predictive Control, das eine dreiphasige Spannung an den Wechselrichter sendet, um den Betrieb des Wechselrichters zu steuern.
System nach Anspruch 1, wobei das MPC-Modul auf einem linearen zeitvariablen Modell des Motors zu jedem Abtastzeitpunkt basiert.
System nach Anspruch 1, wobei das MPC-Modul auf einem linearen, parameterveränderlichen Modell innerhalb des MPC-Regelungshorizonts basiert.
System nach Anspruch 1, wobei das MPC-Modul eine geschätzte Flussrückführung von einem Kalman-Filter verwendet.
System nach Anspruch 1, wobei das MPC-Modul eine Stromrückführung verwendet.
System nach Anspruch 5, ferner umfassend einen Kalman-Filter zur Schätzung von Strömen, um Störungen aus Strommessungen bei ausgewählten Motorbetriebsbedingungen zu entfernen.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Drehmomentsensor, der das Drehmoment des Elektromotors misst.
System nach Anspruch 7, ferner umfassend einen Kalman-Filter, der einen Fluss oder Ströme für das MPC-Modul auf der Grundlage von Spannungen vom Elektromotor und dem gemessenen Drehmoment des Elektromotors schätzt.
System nach Anspruch 1, wobei das MPC-Modul auf einer Zwei-Schleifen-Regelungsarchitektur basiert.
System nach Anspruch 9, wobei die Zwei-Schleifen-Regelungsarchitektur einen innere Schleife umfasst, die die Ströme zum Elektromotor steuert.