DE102021202868A1 - Verfahren zum Ansteuern einer leistungselektronischen Vorrichtung eines elektrischen Antriebs, Kontroll-Einheit für einen elektrischen Antrieb sowie elektrischer Antrieb - Google Patents

Verfahren zum Ansteuern einer leistungselektronischen Vorrichtung eines elektrischen Antriebs, Kontroll-Einheit für einen elektrischen Antrieb sowie elektrischer Antrieb Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Ansteuern einer leistungselektronischen Vorrichtung (80) eines elektrischen Antriebs (100) für ein Kontrollieren eines Drehmoments eines Rotors (94) einer elektrischen Rotationsmaschine (90) des elektrischen Antriebs (100), vorzugsweise eines elektrischen Traktionsantriebes eines Fahrzeuges,wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist:- Vorgeben (320) eines Soll-Drehmoments (T*) an eine Kontroll-Einheit (20),- basierend auf einer direkten Selbstregelung Ermitteln (322) zumindest eines Schaltzeitpunktes (tswt,abc) für eine Pulsweitenmodulations-Einheit (60) der Kontroll-Einheit (20) in Abhängigkeit eines von dem vorgegebenen Soll-Drehmoment (T*) abhängigen Soll-Statorflusses (ψ*) eines Stators (92) der elektrischen Rotationsmaschine (90) und in Abhängigkeit eines Ist-Statorflusses (ψL-L,est) des Stators (92) durch die Kontroll-Einheit (20),- Ansteuern (324) der leistungselektronischen Vorrichtung (80) entsprechend des zumindest einen berechneten Schaltzeitpunktes (tswt,abc) durch die Pulsweitenmodulations-Einheit (60) der Kontroll-Einheit (20) für das Kontrollieren des Drehmoments des Rotors (94) der elektrischen Rotationsmaschine (90) auf das Soll-Drehmoment (T*).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer leistungselektronischen Vorrichtung, eine Kontrolleinheit für einen elektrischen Antrieb und einen elektrischen Antrieb.
  • Kraftfahrzeuge stellen für viele Menschen ein wichtiges Fortbewegungsmittel dar. Insbesondere der Anteil an Fahrzeugen mit elektrischen Traktionsmotoren nimmt derzeit immer weiter zu. Bei Elektrokraftfahrzeugen kann die Energie in einem Batteriesystem gespeichert werden und bei Bedarf kann diese Energie aus den Batterien des Batteriesystems den elektrischen Traktionsmotoren zugeführt werden, um das Elektrokraftfahrzeug fortzubewegen. Die in dem Batteriesystem gespeicherte elektrische Energie, insbesondere ein daraus resultierender elektrischer Strom, kann mittels einem Umrichter umgerichtet werden. Bspw. kann eine elektrische Gleichstromenergie bzw. ein elektrischer Gleichstrom bzw. eine elektrische Gleichspannung von dem Batteriesystem mittels dem Umrichter in eine elektrische Wechselstromenergie bzw. einen elektrischen Wechselstrom bzw. eine elektrische Wechselspannung umgerichtet werden, sodass sich aufgrund eines Stromflusses in Statorwicklungen eines Stators des elektrischen Motors ein Drehfeld ausbildet für das Drehen des Rotors des elektrischen Motors zum Antreiben eines Rades des Elektrofahrzeuges.
  • Der Umrichter weist insbesondere leistungselektronische Komponenten wie leistungselektronische Schalter auf, bspw. ein insulated-gate bipolar transistor. Der Umrichter bzw. die leistungselektronischen Komponenten können durch Kontrollsignale einer Kontrollvorrichtung, insbesondere einer Regelungs- und/oder Steuerungsvorrichtung, angesteuert werden für das Drehen des Rotors des elektrischen Motors zum Antreiben eines Rades des Elektrofahrzeuges.
  • Übliche stromreglerbasierte Regelungsverfahren, wie die feldorientierte Stromregelung (FOC), nutzen die Spannung als Stellgröße und benötigen nachteiligerweise bspw. ein Mindestmaß an Stellgrößenreserve, um stabil zu funktionieren. Ferner weisen direkte Drehmomentregelungsverfahren (DTC) ungünstigerweise eine geringe Drehmomentdynamik und Stabilitätsprobleme an der Spannungsgrenze auf. Modellprädiktive Regelungen (MPC) fordern die Lösung eines komplexen, mathematischen Optimierungsproblems in jedem Abtastschritt, welches mit handelsüblichen Regelungsplattformen nachteiligerweise nicht in harter Echtzeit bearbeitet werden kann. Eine Ausschöpfung des Leistungs- bzw. Drehmomentpotentials eines elektrischen Antriebs bzw. eines elektrischen Motors des elektrischen Antriebs ist mit diesen Regelungsverfahren, insbesondere auf Basis digitaler Regelungssysteme, daher nur eingeschränkt möglich.
  • Die DE 11 2004 001 141 T5 offenbart eine Steuerungsvorrichtung für einen Elektromotor.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Antrieb bzw. einen elektrischen Umrichter besonders effizient, besonders einfach und mit einem besonders hohen Wirkungsgrad zu betreiben. Ferner ist es insbesondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Rotationsmaschine eines elektrischen Antriebs in einem Flussschwächbereich besonders vorteilhaft, vorzugsweise besonders vorteilhaft in einem Blockbetrieb, zu betreiben.
  • Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Kontroll-Einheit mit den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie einem elektrischen Antrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kontroll-Einheit und/oder dem elektrischen Antrieb und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
  • Gemäß einem ersten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern einer leistungselektronischen Vorrichtung eines elektrischen Antriebs für ein Kontrollieren eines Drehmoments eines Rotors einer elektrischen Rotationsmaschine des elektrischen Antriebs, vorzugsweise eines elektrischen Traktionsantriebes eines Fahrzeuges, wobei insbesondere die elektrische Rotationsmaschine in einem Flussschwächbereich ist. Das erfindungsgemäße Verfahren weist als zumindest einen Schritt ein Vorgeben eines Soll-Drehmoments an eine Kontroll-Einheit auf. Ferner weist das Verfahren als einen weiteren Schritt ein basierend auf einer direkten Selbstregelung Ermitteln zumindest eines Schaltzeitpunktes für eine Pulsweitenmodulations-Einheit der Kontroll-Einheit zumindest in Abhängigkeit eines von dem vorgegebenen Soll-Drehmoment abhängigen Soll-Statorflusses eines Stators der elektrischen Rotationsmaschine und in Abhängigkeit eines Ist-Statorflusses des Stators durch die Kontroll-Einheit auf. Außerdem umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Ansteuern der leistungselektronischen Vorrichtung entsprechend des zumindest einen berechneten Schaltzeitpunktes durch die Pulsweitenmodulations-Einheit der Kontroll-Einheit für das Kontrollieren des Drehmoments des Rotors der elektrischen Rotationsmaschine auf das Soll-Drehmoment.
    Die zuvor und die im Nachfolgenden beschrieben Verfahrensschritte können, sofern technisch sinnvoll, einzeln, zusammen, einfach, mehrfach, zeitlich parallel und/oder nacheinander in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden.
  • Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für eine in einem Flussschwächbereich betriebene elektrische Rotationsmaschine.
  • Die leistungselektronische Vorrichtung umfasst insbesondere zumindest einen leistungselektronischen Schalter wie bspw. einen insulated-gate bipolar transistor. Ferner ist die elektrische Rotationsmaschine insbesondere eine dreiphasige Drehfeldmaschine.
  • Der elektrische Antrieb ist insbesondere ein elektrischer Traktionsantrieb. Ferner ist der elektrische Antrieb insbesondere für ein Fahrzeug, vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug, ganz vorzugsweise für ein Automobil wie ein Pkw oder ein Lkw.
  • Ferner ist das Kontrollieren des Drehmoments des Rotors der elektrischen Rotationsmaschine des elektrischen Antriebs insbesondere ein Regeln des Drehmoments des Rotors der elektrischen Rotationsmaschine des elektrischen Antriebs.
  • Die elektrische Rotationsmaschine weist insbesondere einen Ankerstellbereich als einen ersten Drehzahlbereich und einen Flussschwächbereich als einen zweiten Drehzahlbereich auf, wobei vorzugsweise der zweite Drehzahlbereich höhere Drehzahlen als der erste Drehzahlbereich aufweist. Der Flussschwächbereich ist insbesondere ein Drehzahlbereich der elektrischen Rotationsmaschine bzw. des Rotors der elektrischen Rotationsmaschine, in welcher der magnetische Statorfluss der elektrischen Rotationsmaschine geschwächt ist, insbesondere bezogen auf den Ankerstellbereich geschwächt ist. In dem Flussschwächbereich kann ferner eine Zwischenkreisspannung des elektrischen Antriebs nicht mehr gesteigert werden, wobei eine Erhöhung der Drehzahl der elektrischen Rotationsmaschine bzw. des Rotors der elektrischen Rotationsmaschine zu einer Schwächung des Statorflusses der elektrischen Rotationsmaschine führt.
  • Das Vorgeben des Soll-Drehmoments erfolgt insbesondere durch eine externe Kontrollvorrichtung. Vorzugsweise erfolgt das Vorgeben des Soll-Drehmoments durch eine externe Kontrollvorrichtung, wie bspw. eine Steuereinheit, eines Fahrzeuges.
  • Das Ermitteln des Schaltzeitpunktes für die Pulsweitenmodulations-Einheit, wobei das Ermitteln auf der direkten Selbstregelung basiert, erfolgt insbesondere durch eine direkte Selbstregelungs-Einheit der Kontroll-Einheit. Ferner kann das Ermitteln des Schaltzeitpunktes als ein Berechnen verstanden werden, vorzugsweise mittels eines Algorithmus. Insbesondere vergleicht die direkte Selbstregelungs-Einheit einen Soll-Statorfluss mit einem Ist-Statorfluss zum Ermitteln bzw. Berechnen des Schaltzeitpunktes für die Pulsweitemodulations-Einheit. Ferner kann das Ermitteln des zumindest einen Schaltzeitpunktes insbesondere als ein Ermitteln mehrerer Schaltzeitpunkte für die Pulsweitenmodulations-Einheit verstanden werden. Außerdem kann das Ermitteln des Schaltzeitpunktes insbesondere zumindest zusätzlich in Abhängigkeit einer elektrischen Größe des elektrischen Antriebs, wie bspw. einem elektrischen Strom und/oder einer elektrischen Spannung und/oder einer elektrischen Frequenz, und/oder in Abhängigkeit einer mechanischen Größe des elektrischen Antriebs, wie bspw. einer Rotorlage des Rotors und/oder einer Rotorgeschwindigkeit des Rotors, erfolgen. Der elektrische Antrieb kann zumindest einen Sensor oder mehrere Sensoren zum Erfassen elektrischer Größen des elektrischen Antriebs und/oder zumindest einen Sensor oder mehrere Sensoren zum Erfassen mechanischer Größen des elektrischen Antriebs umfassen.
  • Insbesondere wird bei der direkten Selbstregelung mithilfe von Spannungsraumzeigern der Statorfluss-Raumzeiger der elektrischen Rotationsmaschine auf einer Trajektorie geführt, wobei sich durch ein Aufschalten eines Spannungsraumzeigers an die elektrische Rotationsmaschine ein Statorfluss-Raumzeiger in der elektrischen Rotationsmaschine einstellt. Bei der direkten Selbstregelung wird insbesondere das Weiterschalten zwischen Spannungsraumzeigern vom Statorfluss-Raumzeiger bestimmt. Das erfindungsgemäße Ermitteln, insbesondere Berechnen, des zumindest einen Schaltzeitpunktes für die Pulsweitenmodulations-Einheit basierend auf der direkten Selbstregelung erfolgt insbesondere derart, dass ein Statorfluss-Raumzeiger der elektrischen Rotationsmaschine auf einer Trajektorie, vorzugsweise einer hexagonförmigen Trajektorie, mit einer Amplitude geführt wird zum Ermitteln, insbesondere Berechnen, des zumindest einen Schaltzeitpunktes für die Pulsweitenmodulations-Einheit. Die Amplitude der Trajektorie, insbesondere der hexagonalen Trajektorie, ist insbesondere durch den Soll-Statorfluss gegeben.
  • Vorteilhafterweise können mit einem erfindungsgemäßen Verfahren nun zeitkontinuierlich arbeitende Hystereseregler durch ein erfindungsgemäßes Ermitteln von Schaltzeitpunkten in Verbindung mit einer Pulsweitenmodulation ersetzt werden. Ferner kann somit eine einfache zeitdiskrete Implementierung der direkten Selbstregelung mit einer besonders hohen Regelungsleistung auf einfachen Mikrokontrollern möglich sein. Außerdem kann ein Leistungs- bzw. Drehmomentpotential des elektrischen Antriebs bzw. der elektrischen Rotationsmaschine, insbesondere in einem Flussschwächbereich, des elektrischen Antriebs besonders gut ausgeschöpft werden. Somit kann der erfindungsgemäße elektrische Antrieb bzw. ein elektrischer Umrichter besonders effizient, besonders einfach und mit einem besonders hohen Wirkungsgrad betrieben werden. Ferner kann die erfindungsgemäße elektrische Rotationsmaschine des elektrischen Antriebs in einem Flussschwächbereich besonders vorteilhaft, vorzugsweise besonders vorteilhaft in einem Blockbetrieb, betrieben bzw. geregelt werden.
  • Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Ermitteln des Schaltzeitpunktes unabhängig von einem zeitkontinuierlich arbeitenden Hystereseregler erfolgt. Somit kann das Kontrollieren des Drehmoments des Rotors der elektrischen Rotationsmaschine, insbesondere in einem Flussschwächbereich, des elektrischen Antriebs besonders vorteilhaft sein. Vorzugsweise erfolgt das Ermitteln des Schaltzeitpunktes ohne einen zeitkontinuierlich arbeitenden Hystereseregler. Mit anderen Worten weist die Kontroll-Einheit insbesondere keinen zeitkontinuierlich arbeitenden Hystereseregler zum Ermitteln des Schaltzeitpunktes für die Pulsweitenmodulations-Einheit auf.
  • Vorteilhafterweise kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Ist-Statorfluss des Stators für das Ermitteln des Schaltzeitpunktes mittels einer Magnetflussprädiktion ermittelt werden, vorzugsweise mittels eines Algorithmus. Somit kann das Kontrollieren des Drehmoments des Rotors der elektrischen Rotationsmaschine, insbesondere in einem Flussschwächbereich, des elektrischen Antriebs besonders vorteilhaft sein. Das Ermitteln des Ist-Statorflusses des Stators mittels der Magnetflussprädiktion ist insbesondere ein Schätzen des Ist-Statorflusses, vorzugsweise mittels eines Algorithmus. Vorzugsweise erfolgt die Magnetflussprädiktion des Ist-Statorflusses durch eine Magnetflussprädiktions-Einheit der Kontroll-Einheit. Das Ermitteln bzw. Berechnen des Schaltzeitpunktes erfolgt insbesondere derart, dass der ermittelte Schaltzeitpunkt innerhalb eines Pulsweitenmodulations-Intervalls mit den Schaltzeitpunkten zeitkontinuierlich arbeitender Hystereseregler im Wesentlichen übereinstimmen würde bzw. im Wesentlichen übereinstimmt. Die Magnetflussprädiktion bzw. die Magnetflussprädiktions-Einheit kann insbesondere zumindest auf Basis einer elektrischen Größe des elektrischen Antriebs, wie bspw. einem elektrischen Strom und/oder einer elektrischen Spannung und/oder einer elektrischen Frequenz, und/oder auf Basis einer mechanischen Größe des elektrischen Antriebs, wie bspw. einer Rotorlage des Rotors und/oder einer Rotorgeschwindigkeit des Rotors, den Ist-Statorfluss des Stators des elektrischen Antriebs ermitteln, vorzugsweise schätzen.
  • Mit besonderem Vorteil kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Soll-Statorfluss in Abhängigkeit eines Soll-Lastwinkels der elektrischen Rotationsmaschine und in Abhängigkeit eines Ist-Lastwinkels der elektrischen Rotationsmaschine ermittelt werden, wobei insbesondere der Ist-Lastwinkel mittels einer Magnetflussprädiktion der elektrischen Rotationsmaschine ermittelt wird. Somit kann das Kontrollieren des Drehmoments des Rotors der elektrischen Rotationsmaschine, insbesondere in einem Flussschwächbereich, des elektrischen Antriebs besonders vorteilhaft sein. Ein Lastwinkel ist insbesondere der Winkel zwischen dem Statorfluss des Stators der elektrischen Rotationsmaschine und einem Rotorfluss des Rotors der elektrischen Rotationsmaschine. Das Ermitteln des Soll-Statorflusses in Abhängigkeit des Soll-Lastwinkels der elektrischen Rotationsmaschine und in Abhängigkeit des Ist-Lastwinkels ist insbesondere ein Berechnen des Soll-Statorflusses, vorzugsweise mittels eines Algorithmus. Insbesondere wird der Soll-Statorfluss durch eine Lastwinkel-Regeleinheit ermittelt. Außerdem erfolgt vorzugsweise die Magnetflussprädiktion des Ist-Lastwinkels durch eine Magnetflussprädiktions-Einheit der Kontroll-Einheit. Die Magnetflussprädiktion bzw. die Magnetflussprädiktions-Einheit kann insbesondere zumindest auf Basis einer elektrischen Größe des elektrischen Antriebs, wie bspw. einem elektrischen Strom und/oder einer elektrischen Spannung und/oder einer elektrischen Frequenz, und/oder auf Basis einer mechanischen Größe des elektrischen Antriebs, wie bspw. einer Rotorlage des Rotors und/oder einer Rotorgeschwindigkeit des Rotors, den Ist-Lastwinkel des elektrischen Antriebs ermitteln, vorzugsweise schätzen.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Ist-Lastwinkel der elektrischen Rotationsmaschine mittels des Soll-Statorflusses als Stellgröße auf den Soll-Lastwinkel geregelt werden. Somit kann das Ermitteln des Schaltzeitpunktes für eine Pulsweitenmodulations-Einheit, wobei das Ermitteln auf der direkten Selbstregelung basiert, besonders vorteilhaft sein. Vorzugsweise wird der Ist-Lastwinkel der elektrischen Rotationsmaschine mittels des Soll-Statorflusses als Stellgröße in einem geschlossenen Regelkreis auf den Soll-Lastwinkel geregelt.
  • Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Soll-Lastwinkel der elektrischen Rotationsmaschine in Abhängigkeit des vorgegebenen Soll-Drehmoments und in Abhängigkeit des Soll-Statorflusses ermittelt wird. Somit kann das Kontrollieren des Drehmoments des Rotors der elektrischen Rotationsmaschine, insbesondere in einem Flussschwächbereich, des elektrischen Antriebs besonders vorteilhaft sein. Das Ermitteln des Soll-Lastwinkels in Abhängigkeit des vorgegebenen Soll-Drehmoments und in Abhängigkeit des Soll-Statorflusses ist insbesondere ein Berechnen des Soll-Lastwinkels, vorzugsweise mittels eines Algorithmus. Insbesondere wird der Soll-Lastwinkel durch eine Lastwinkel-Referenzeinheit ermittelt. Vorzugsweise wird der Soll-Lastwinkel der elektrischen Rotationsmaschine in Abhängigkeit des vorgegebenen Soll-Drehmoments und in Abhängigkeit des Soll-Statorflusses auf Basis von vorab-berechneten Kennfeldern, insbesondere vorab-berechneten Statorfluss-Drehmoment-Lastwinkel Kennfeldern, des elektrischen Antriebs bzw. der elektrischen Rotationsmaschine ermittelt. Die vorab-berechneten Kennfelder können auf einem Speicher der Kontroll-Einheit abgespeichert sein. Ferner wird insbesondere durch die Lastwinkel-Referenzeinheit zusätzlich ein maximal zulässiger Statorfluss für die direkte Selbstregelungs-Einheit und/oder für die Lastwinkel-Regeleinheit ermittelt, wobei insbesondere das Ermitteln des maximal zulässigen Statorflusses auf Basis der vorab-berechneten Kennfelder erfolgt. Somit kann das Kontrollieren des Drehmoments des Rotors der elektrischen Rotationsmaschine, insbesondere in einem Flussschwächbereich, des elektrischen Antriebs besonders vorteilhaft sein.
  • Vorteilhafterweise kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Soll-Statorfluss in Abhängigkeit des vorgegebenen Soll-Drehmoments auf einen maximal zulässigen Statorfluss begrenzt werden. Der maximal zulässige Statorfluss ist insbesondere eine Stellgrößenbegrenzung für die Lastwinkel-Regeleinheit. Der maximal zulässige Statorfluss stellt somit insbesondere eine Grenze zum Ankerstellbereich dar, wobei vorzugsweise der maximal zulässige Statorfluss nicht überschritten wird. Vorteilhafterweise kann somit ein sicheres und/oder effizientes Betreiben des elektrischen Antriebs, insbesondere in einem Flussschwächbereich der elektrischen Rotationsmaschine, sichergestellt werden.
  • Mit besonderem Vorteil kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das vorgegebene Soll-Drehmoment auf ein maximal stellbares Soll-Drehmoment gesetzt werden, wenn das vorgegebene Soll-Drehmoment aufgrund einer Zustandsgröße des elektrischen Antriebs nicht realisierbar ist. Somit kann das Kontrollieren des Drehmoments des Rotors der elektrischen Rotationsmaschine, insbesondere in einem Flussschwächbereich, des elektrischen Antriebs besonders vorteilhaft sein. Insbesondere wird das Soll-Drehmoment auf ein maximal stellbares Soll-Drehmoment begrenzt, wenn das, bspw. durch eine externe Kontrollvorrichtung, vorgegebene Soll-Drehmoment, außerhalb des auf Grund einer Zustandsgröße des elektrischen Antriebs maximal stellbaren Soll-Drehmoment Betrages liegt. Die Zustandsgröße des elektrischen Antriebs ist insbesondere eine elektrische Größe des elektrischen Antriebs, wie bspw. ein elektrischer Strom und/oder eine elektrische Spannung, vorzugsweise eine Zwischenkreisspannung, des elektrischen Antriebs.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann ein erfindungsgemäßes Verfahren das Ansteuern der leistungselektronischen Vorrichtung durch die Kontroll-Einheit derart erfolgen, dass die elektrische Rotationsmaschine mit Blocktaktung betrieben wird. Somit kann die Schaltfrequenz der leistungselektronischen Vorrichtung besonders geringgehalten werden und das Kontrollieren des Drehmoments des Rotors der elektrischen Rotationsmaschine, insbesondere in einem Flussschwächbereich, des elektrischen Antriebs besonders vorteilhaft sein. Die Blocktaktung kann insbesondere auch als Grundfrequenztaktung bzw. Six-Step-Betrieb verstanden werden.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung eine Kontroll-Einheit für einen elektrischen Antrieb, vorzugsweise für einen elektrischen Traktionsantrieb eines Fahrzeuges, wobei die Kontroll-Einheit dazu ausgebildet ist ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
  • Die Kontroll-Einheit weist insbesondere eine Lastwinkel-Referenzeinheit und/oder eine Lastwinkel-Regeleinheit und/oder eine direkte Selbstregelungs-Einheit und/oder eine Pulsweitenmodulations-Einheit und/oder eine Magnetflussprädiktions-Einheit und/oder eine leistungselektronische Vorrichtung auf, wobei insbesondere die Kontroll-Einheit einen elektrischen Umrichter des elektrischen Antriebes ausbildet. Vorzugsweise bildet die Kontroll-Einheit mit einer Lastwinkel-Referenzeinheit, einer Lastwinkel-Regeleinheit, einer direkten Selbstregelungs-Einheit, einer Pulsweitenmodulations-Einheit, einer Magnetflussprädiktions-Einheit sowie einer leistungselektronischen Vorrichtung einen elektrischen Umrichter des elektrischen Antriebes aus.
  • Insbesondere wird durch die Lastwinkel-Referenzeinheit aus dem durch die Lastwinkel-Regeleinheit ermittelten Soll-Statorfluss und dem vorgegebenen Soll-Drehmoment ein Soll-Lastwinkel ermittelt, wobei vorzugsweise ein Soll-Lastwinkel und ein maximal zulässiger Statorfluss ermittelt wird.
  • Ferner kann durch die Lastwinkel-Regeleinheit aus dem durch die Lastwinkel-Referenzeinheit ermittelten Soll-Lastwinkel und einem Ist-Lastwinkel, wobei insbesondere der Ist-Lastwinkel von einer Magnetflussprädiktions-Einheit ermittelt wird, der Soll-Statorfluss ermittelt werden, wobei insbesondere zusätzlich der durch die Lastwinkel-Referenzeinheit ermittelte maximal zulässige Statorfluss für die Ermittlung des Soll-Statorflusses berücksichtigt wird.
  • Insbesondere kann durch die direkte Selbstregelungs-Einheit aus dem durch die Lastwinkel-Regeleinheit ermittelten Soll-Statorfluss und dem durch die Magnetflussprädiktions-Einheit ermittelten Ist-Statorflusses der Schaltzeitpunkt bzw. die Schaltzeitpunkte für die Pulsweitenmodulations-Einheit ermittelt, vorzugsweise berechnet, werden.
  • Insbesondere wird erfindungsgemäß der zumindest eine Schaltzeitpunkt und/oder der Soll-Statorfluss und/oder der Ist-Statorfluss und/oder der maximal zulässige Statorfluss und/oder der Soll-Lastwinkel und/oder der Ist-Lastwinkel durch einen jeweiligen Algorithmus ermittelt bzw. berechnet.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere Algorithmen des erfindungsgemäßen Verfahrens, ist/sind insbesondere zumindest teilweise softwaretechnisch in der Kontroll-Einheit implementiert. Die Kontroll-Einheit weist hierfür insbesondere einen Computer mit einem Prozessor zum zumindest teilweisen Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf. Ferner kann der Computer insbesondere zusätzlich einen Speicher aufweisen. Der Computer ist vorzugsweise ein Mikrokontroller.
  • Die Kontroll-Einheit gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
  • Gemäß einem dritten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung einen elektrischen Antrieb, insbesondere einen elektrischen Traktionsantrieb für ein Fahrzeug, wobei der elektrische Antrieb eine elektrische Rotationsmaschine mit einem Stator und einem Rotor aufweist. Ferner umfasst der elektrische Antrieb eine leistungselektronische Vorrichtung sowie eine erfindungsgemäße Kontroll-Einheit zum Ansteuern der leistungselektronischen Vorrichtung für ein Kontrollieren eines Drehmoments des Rotors der elektrischen Rotationsmaschine.
  • Der elektrische Antrieb gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bzw. der Kontroll-Einheit gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
  • Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
  • Es zeigen schematisch:
    • 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebs,
    • 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontroll-Einheit, und
    • 3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen identische Bezugszeichen verwendet.
  • 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebs 100, insbesondere einen elektrischen Traktionsantrieb für ein Fahrzeug, wobei der elektrische Antrieb 100 eine elektrische Rotationsmaschine 90 mit einem Stator 92 und einem Rotor 94 aufweist. Ferner weist der elektrische Antrieb 100 eine leistungselektronische Vorrichtung 80 sowie eine erfindungsgemäß ausgebildete Kontroll-Einheit 20 zum Ansteuern der leistungselektronischen Vorrichtung 80 für ein Kontrollieren eines Drehmoments des Rotors 94 der elektrischen Rotationsmaschine 90 auf. Die Kontroll-Einheit 20 umfasst insbesondere eine Lastwinkel-Referenzeinheit 30 und/oder eine Lastwinkel-Regeleinheit 40 und/oder eine direkte Selbstregelungs-Einheit 50 und/oder eine Pulsweitenmodulations-Einheit 60 und/oder eine Magnetflussprädiktions-Einheit 70 und/oder die leistungselektronische Vorrichtung 80, wobei insbesondere die Kontroll-Einheit 20 einen elektrischen Umrichter ausbildet. Der Kontroll-Einheit 20 wird insbesondere durch eine externe Kontrollvorrichtung (nicht dargestellt) eine Soll-Drehmoment T* vorgegebenen, auf welches der Rotor 94 der elektrischen Rotationsmaschine 90, insbesondere in einem Flussschwächbereich der elektrischen Rotationsmaschine 90, geregelt werden soll. Ferner ist in 1 die leistungselektronische Vorrichtung 80 insbesondere zusätzlich mit einer externen elektrischen Energiequelle 110 des Fahrzeuges, wie bspw. einem Batteriesystem des Fahrzeuges, elektrisch verbunden für ein Versorgen der elektrischen Rotationsmaschine 90 mit elektrischer Energie. Insbesondere kann das Ermitteln des Schaltzeitpunktes tswt, abc zumindest zusätzlich in Abhängigkeit einer elektrischen Größe des elektrischen Antriebs 100, wie bspw. einem elektrischen Strom und/oder einer elektrischen Spannung und/oder einer elektrischen Frequenz, und/oder in Abhängigkeit einer mechanischen Größe des elektrischen Antriebs 100, wie bspw. einer Rotorlage des Rotors 94 und/oder einer Rotorgeschwindigkeit des Rotors 94, erfolgen. Der elektrische Antrieb 100 kann hierfür insbesondere zumindest einen Sensor oder mehrere Sensoren zum Erfassen elektrischer Größen des elektrischen Antriebs 100 und/oder zumindest einen Sensor oder mehrere Sensoren zum Erfassen mechanischer Größen des elektrischen Antriebs 100 umfassen. In 1 ist beispielhaft dargestellt, dass zusätzlich zumindest ein Sensor eine elektrische und/oder zumindest ein Sensor eine mechanische Größe des Rotors 94 erfasst und an die Kontroll-Einheit 20 bzw. an die Lastwinkel-Referenzeinheit 30 und/oder die Lastwinkel-Regeleinheit 40 und/oder die direkte Selbstregelungs-Einheit 50 und/oder die Pulsweitenmodulations-Einheit 60 und/oder die Magnetflussprädiktions-Einheit 70 übermittelt. Ferner ist in 1 beispielhaft dargestellt, dass zusätzlich zumindest ein weiterer Sensor eine elektrische Größe von zumindest einer elektrischen Leitung zum elektrischen Verbinden der leistungselektronischen Vorrichtung 80 mit der elektrischen Rotationsmaschine 90 erfasst und an die Kontroll-Einheit 20 bzw. an die Lastwinkel-Referenzeinheit 30 und/oder die Lastwinkel-Regeleinheit 40 und/oder die direkte Selbstregelungs-Einheit 50 und/oder die Pulsweitenmodulations-Einheit 60 und/oder die Magnetflussprädiktions-Einheit 70 übermittelt.
  • 2 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontroll-Einheit 20 für einen elektrischen Antrieb 100, vorzugsweise für einen elektrischen Traktionsantrieb eines Fahrzeuges, wobei die Kontroll-Einheit 20 dazu ausgebildet ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Ansteuern einer leistungselektronischen Vorrichtung 80 eines elektrischen Antriebs 100 für ein Kontrollieren eines Drehmoments eines Rotors 94 einer elektrischen Rotationsmaschine 90 des elektrischen Antriebs 100 durchzuführen. Die Kontroll-Einheit 20 weist in dieser Ausführungsform eine Lastwinkel-Referenzeinheit 30, eine Lastwinkel-Regeleinheit 40 sowie eine direkte Selbstregelungs-Einheit 50 auf. Zusätzlich kann die Kontroll-Einheit 20 eine Magnetflussprädiktions-Einheit 70 und/oder eine Pulsweitenmodulations-Einheit 60 und/oder eine leistungselektronische Vorrichtung 80 umfassen. Durch die Lastwinkel-Referenzeinheit 30 wird aus dem durch die Lastwinkel-Regeleinheit 40 ermittelten Soll-Statorfluss ψ* und dem vorgegebenen Soll-Drehmoment T* ein Soll-Lastwinkel δ* und ein maximal zulässiger Statorfluss ψMTPC ermittelt. Ferner wird durch die Lastwinkel-Regeleinheit 40 aus dem durch die Lastwinkel-Referenzeinheit 30 ermittelten Soll-Lastwinkel δ* und einem Ist-Lastwinkel δest, wobei insbesondere der Ist-Lastwinkel δest von einer Magnetflussprädiktions-Einheit 70 ermittelt wird, der Soll-Statorfluss ψ* ermittelt, wobei insbesondere zusätzlich der durch die Lastwinkel-Referenzeinheit 30 ermittelte maximal zulässige Statorfluss ψMTPC für die Ermittlung des Soll-Statorflusses ψ*berücksichtigt wird. Weiter wird durch die direkte Selbstregelungs-Einheit 50 aus dem durch die Lastwinkel-Regeleinheit 40 ermittelten Soll-Statorfluss ψ*und dem durch die Magnetflussprädiktions-Einheit 70 ermittelten Ist-Statorflusses ψL-L,est der Schaltzeitpunkt tswt, abc bzw. die Schaltzeitpunkte für die Pulsweitenmodulations-Einheit 60 ermittelt, vorzugsweise berechnet.
  • 3 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ansteuern einer leistungselektronischen Vorrichtung 80 eines elektrischen Antriebs 100 für ein Kontrollieren eines Drehmoments eines Rotors 94 einer elektrischen Rotationsmaschine 90 des elektrischen Antriebs 100. Das erfindungsgemäße Verfahren weist als einen ersten Schritt ein Vorgeben 320 eines Soll-Drehmoments T* an eine Kontroll-Einheit 20 auf. Als einen weiteren Schritt weist das Verfahren ein basierend auf einer direkten Selbstregelung Ermitteln 322 zumindest eines Schaltzeitpunktes tswt, abc für eine Pulsweitenmodulations-Einheit 60 der Kontroll-Einheit 20 zumindest in Abhängigkeit eines von dem vorgegebenen Soll-Drehmoment T* abhängigen Soll-Statorflusses ψ* eines Stators 92 der elektrischen Rotationsmaschine 90 und in Abhängigkeit eines Ist-Statorflusses ψL-L,est des Stators 92 durch die Kontroll-Einheit 20 auf. Insbesondere erfolgt zusätzlich das Ermitteln 322 des Schaltzeitpunktes tswt,abc unabhängig von einem zeitkontinuierlich arbeitenden Hystereseregler. Außerdem kann insbesondere für das Ermitteln 322 des Schaltzeitpunktes tswt, abc zusätzlich der Ist-Statorfluss ψL-L,est mittels einer Magnetflussprädiktion ermittelt werden. Weiter kann zusätzlich insbesondere der Soll-Statorfluss ψ* in Abhängigkeit eines Soll-Lastwinkels δ* der elektrischen Rotationsmaschine 90 und in Abhängigkeit eines Ist-Lastwinkels δest der elektrischen Rotationsmaschine 90 ermittelt werden, wobei vorzugsweise der Ist-Lastwinkel δest der elektrischen Rotationsmaschine 90 mittels des Soll-Statorflusses ψ* als Stellgröße auf den Soll-Lastwinkel δ* geregelt wird. Es ist bei einem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere außerdem auch denkbar, dass zusätzlich der Soll-Lastwinkel δ* der elektrischen Rotationsmaschine 90 in Abhängigkeit des vorgegebenen Soll-Drehmoments T* und in Abhängigkeit des Soll-Statorflusses ψ* ermittelt wird. Ferner kann zusätzlich insbesondere der Soll-Statorfluss ψ* in Abhängigkeit des vorgegebenen Soll-Drehmoments T* auf einen maximal zulässigen Statorfluss ψMTPC begrenzt werden. Auch kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zusätzlich insbesondere das vorgegebene Soll-Drehmoment T* auf ein maximal stellbares Soll-Drehmoment T*max gesetzt werden, wenn das vorgegebene Soll-Drehmoment T* aufgrund einer Zustandsgröße des elektrischen Antriebs 100 nicht realisierbar ist. Ferner umfasst das Verfahren als einen weiteren Schritt ein Ansteuern 324 der leistungselektronischen Vorrichtung 80 entsprechend des zumindest einen berechneten Schaltzeitpunktes tswt, abc durch die Pulsweitenmodulations-Einheit 60 der Kontroll-Einheit 20 für das Kontrollieren des Drehmoments des Rotors 94 der elektrischen Rotationsmaschine 90 auf das Soll-Drehmoment T*. Außerdem kann zusätzlich insbesondere das Ansteuern 324 der leistungselektronischen Vorrichtung 80 durch die Kontroll-Einheit 20 derart erfolgen, dass die elektrische Rotationsmaschine 90 mit Blocktaktung betrieben wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 20
    Kontroll-Einheit
    30
    Lastwinkel-Referenzeinheit
    40
    Lastwinkel-Regeleinheit
    50
    direkte Selbstregelungs-Einheit
    60
    Pulsweitenmodulations-Einheit
    70
    Magnetflussprädiktions-Einheit
    80
    leistungselektronische Vorrichtung
    90
    elektrische Rotationsmaschine
    92
    Stator
    94
    Rotor
    100
    elektrischer Antrieb
    110
    externe, elektrische Energiequelle
    tswt, abc
    Schaltzeitpunkt(e)
    ψ*
    Soll-Statorfluss
    ψL-L,est
    Ist-Statorfluss
    ψMTPC
    Maximal zulässiger Statorfluss
    δ*
    Soll-Lastwinkel
    δest
    Ist-Lastwinkel
    T*
    Soll-Drehmoment
    T*max
    maximal stellbares Soll-Drehmoment
    320
    Vorgeben eines Soll-Drehmoments
    322
    Ermitteln eines Schaltzeitpunktes
    324
    Ansteuern einer leistungselektronischen Vorrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 112004001141 T5 [0005]

Claims (11)

  1. Verfahren zum Ansteuern einer leistungselektronischen Vorrichtung (80) eines elektrischen Antriebs (100) für ein Kontrollieren eines Drehmoments eines Rotors (94) einer elektrischen Rotationsmaschine (90) des elektrischen Antriebs (100), vorzugsweise eines elektrischen Traktionsantriebes eines Fahrzeuges, wobei insbesondere die elektrische Rotationsmaschine (90) in einem Flussschwächbereich ist, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist: - Vorgeben (320) eines Soll-Drehmoments (T*) an eine Kontroll-Einheit (20), - basierend auf einer direkten Selbstregelung Ermitteln (322) zumindest eines Schaltzeitpunktes (tswt, abc) für eine Pulsweitenmodulations-Einheit (60) der Kontroll-Einheit (20) zumindest in Abhängigkeit eines von dem vorgegebenen Soll-Drehmoment (T*) abhängigen Soll-Statorflusses (ψ*) eines Stators (92) der elektrischen Rotationsmaschine (90) und in Abhängigkeit eines Ist-Statorflusses (ψL-L,est) des Stators (92) durch die Kontroll-Einheit (20), - Ansteuern (324) der leistungselektronischen Vorrichtung (80) entsprechend des zumindest einen berechneten Schaltzeitpunktes (tswt,abc) durch die Pulsweitenmodulations-Einheit (60) der Kontroll-Einheit (20) für das Kontrollieren des Drehmoments des Rotors (94) der elektrischen Rotationsmaschine (90) auf das Soll-Drehmoment (T*).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln (322) des Schaltzeitpunktes (tswt, abc) unabhängig von einem zeitkontinuierlich arbeitenden Hystereseregler erfolgt.
  3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Statorfluss (ψL-L,est) des Stators (92) für das Ermitteln (322) des Schaltzeitpunktes (tswt, abc) mittels einer Magnetflussprädiktion ermittelt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Statorfluss (ψ*) in Abhängigkeit eines Soll-Lastwinkels (δ*) der elektrischen Rotationsmaschine (90) und in Abhängigkeit eines Ist-Lastwinkels (δest) der elektrischen Rotationsmaschine (90) ermittelt wird, wobei insbesondere der Ist-Lastwinkels (δest) mittels einer Magnetflussprädiktion der elektrischen Rotationsmaschine (90) ermittelt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Lastwinkel (δest) der elektrischen Rotationsmaschine (90) mittels des Soll-Statorflusses (ψ*) als Stellgröße auf den Soll-Lastwinkel (δ*) geregelt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Lastwinkel (δ*) der elektrischen Rotationsmaschine (90) in Abhängigkeit des vorgegebenen Soll-Drehmoments (T*) und in Abhängigkeit des Soll-Statorflusses (ψ*) ermittelt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Statorfluss (ψ*) in Abhängigkeit des vorgegebenen Soll-Drehmoments (T*) auf einen maximal zulässigen Statorfluss (ψMTPC) begrenzt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgegebene Soll-Drehmoment (T*) auf ein maximal stellbares Soll-Drehmoment (T*max) gesetzt wird, wenn das vorgegebene Soll-Drehmoment (T*) aufgrund einer Zustandsgröße des elektrischen Antriebs (100) nicht realisierbar ist.
  9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuern (324) der leistungselektronischen Vorrichtung (80) durch die Kontroll-Einheit (20) derart erfolgt, dass die elektrische Rotationsmaschine (90) mit Blocktaktung betrieben wird.
  10. Kontroll-Einheit (20) für einen elektrischen Antrieb (100), vorzugsweise für einen elektrischen Traktionsantrieb eines Fahrzeuges, wobei die Kontroll-Einheit (20) dazu ausgebildet ist ein Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche durchzuführen.
  11. Elektrischer Antrieb (100), insbesondere elektrischer Traktionsantrieb für ein Fahrzeug, wobei der elektrische Antrieb (100) aufweist: - eine elektrische Rotationsmaschine (90) mit einem Stator (92) und einem Rotor (94), - eine leistungselektronische Vorrichtung (80), - eine Kontroll-Einheit (20) zum Ansteuern der leistungselektronischen Vorrichtung (80) für ein Kontrollieren eines Drehmoments des Rotors (94) der elektrischen Rotationsmaschine (90), wobei die Kontroll-Einheit (20) gemäß Anspruch 10 ausgestaltet ist.
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Title
Schröder, Dierk: Elektrische Antriebe – Grundlagen. Berlin Heidelberg : Springer, 2009. 666 - 758. Kapitel 15. - ISBN 978-3-540-89612-8

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