DE102021203591A1 - Process for field-oriented control of an electric motor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur feldorientierten Regelung eines Elektromotors (4), bei welchem ein Betriebszustand des Elektromotors (4) über eine Stromregelung (64) im d-q-Referenzsystem mit einer Direktkomponente (Id) und einem Quadraturstrom (Iq) eingestellt wird, wobei ein Sollwert (Id_set) der Direktkomponente (Id) zur Bewirkung eines Betriebszustands des Elektromotors (4) mit maximalen Drehmoment pro Ampere geschätzt wird, wobei anhand des Sollwerts (Id_set) mindestens eine Führungsgröße (IMTPAControl) zur Führung der Direktkomponente (Id) der Stromregelung (64) bestimmt wird, mittels welcher der Elektromotor (4) in einem ersten Betriebspunkt und einem sich hiervon unterscheidenden zweiten Betriebspunkt betrieben wird, wobei mindestens eine Optimierungsgröße (I1, I2) als Reaktion des Elektromotors (4) auf den Betrieb im ersten Betriebspunkt und im zweiten Betriebspunkt erfasst wird, wobei die mindestens eine Optimierungsgröße (I1, I2) hinsichtlich des Betriebszustands des Elektromotors mit maximalen Drehmoment pro Ampere ausgewertet wird, und wobei Sollwert (Id_set) der Direktkomponente (Id) anhand der Auswertung eingestellt wird.The invention relates to a method for field-oriented control of an electric motor (4), in which an operating state of the electric motor (4) is set via a current control (64) in the d-q reference system with a direct component (Id) and a quadrature current (Iq), with a Target value (Id_set) of the direct component (Id) to bring about an operating state of the electric motor (4) with maximum torque per ampere is estimated, with the reference value (Id_set) at least one reference variable (IMTPAControl) for controlling the direct component (Id) of the current control (64 ) is determined by means of which the electric motor (4) is operated at a first operating point and a second operating point that differs therefrom, with at least one optimization variable (I1, I2) as a reaction of the electric motor (4) to operation at the first operating point and at the second Operating point is detected, the at least one optimization variable (I1, I2) with regard to the operating state de s electric motor is evaluated with maximum torque per ampere, and the setpoint (Id_set) of the direct component (Id) is set based on the evaluation.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur feldorientierten Regelung eines Elektromotors, bei welchem ein Betriebszustand des Elektromotors über eine Stromregelung im d-q-Referenzsystem mit einer Direktkomponente und einem Quadraturstrom eingestellt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Elektromotor sowie eine Software auf einem Datenträger.The invention relates to a method for field-oriented control of an electric motor, in which an operating state of the electric motor is set via current control in the d-q reference system with a direct component and a quadrature current. The invention also relates to an electric motor and software on a data carrier.
Elektromotorisch an- oder betriebene Verstellsysteme als Kraftfahrzeugkomponenten, wie beispielsweise Fensterheber, Sitzverstellungen, Tür- und Schiebedachantriebe oder Kühlerlüfterantriebe sowie Pumpen und Innenraumgebläse weisen typischerweise einen elektrischen Antrieb mit einem gesteuerten Elektromotor auf. Für solche elektromotorische Antriebe werden zunehmend häufig sogenannte bürstenlose Elektromotoren (bürstenloser Gleichstrommotor, BLDC-Motor) eingesetzt, bei denen die verschleißanfälligen Bürstenelemente eines starren (mechanischen) Kommutators durch eine elektronische Kommutierung des Motorstroms ersetzt sind.Adjustment systems powered or operated by electric motors as motor vehicle components, such as window lifters, seat adjusters, door and sunroof drives or radiator fan drives, as well as pumps and interior fans, typically have an electric drive with a controlled electric motor. So-called brushless electric motors (brushless DC motors, BLDC motors) are increasingly being used for such electromotive drives, in which the wear-prone brush elements of a rigid (mechanical) commutator are replaced by electronic commutation of the motor current.
Elektromotorische Antriebe für Kraftfahrzeuge werden in der Regel von einer (Hochvolt-)Batterie als fahrzeuginternem Energiespeicher gespeist, aus welchem der Elektromotor mit elektrischer Energie in Form eines Gleichstroms (Gleichspannung) versorgt wird. Zur Wandlung des Gleichstroms in den Motorstrom ist geeigneterweise ein Stromrichter (Wechselrichter, Inverter) zwischen dem Energiespeicher und dem Elektromotor verschaltet. Der Stromrichter weist eine Brückenschaltung auf, welche über einen elektrischen Zwischenkreis mit der Gleichstrom oder Gleichspannung des Energiespeichers versorgt wird. Der Motorstrom wird durch eine pulsweitenmodulierte (PWM) Ansteuerung oder Regelung von Halbleiterschaltern der Brückenschaltung als ein mehrphasiger Ausgangsstrom erzeugt. Durch die Pulse der PWM-Signale werden die Halbleiterschalter getaktet zwischen einem leitenden und einem sperrenden Zustand umgeschaltet.Electromotive drives for motor vehicles are usually fed by a (high-voltage) battery as an on-board energy store, from which the electric motor is supplied with electrical energy in the form of a direct current (direct current). In order to convert the direct current into the motor current, a power converter (inverter) is suitably connected between the energy store and the electric motor. The power converter has a bridge circuit, which is supplied with the direct current or direct voltage of the energy store via an electrical intermediate circuit. The motor current is generated as a multi-phase output current by a pulse width modulated (PWM) control or regulation of semiconductor switches of the bridge circuit. The semiconductor switches are switched between a conducting and a blocking state in a clocked manner by the pulses of the PWM signals.
Die Brückenschaltung speist im Betrieb in die Statorspulen des Elektromotors den elektrischen Motorstrom (Drehstrom) ein, welcher in der Folge ein bezüglich des Stators rotierendes magnetisches Drehfeld erzeugt. Der Rotor des Elektromotors weist hierbei geeigneterweise eine Anzahl von Permanentmagneten auf, wobei durch die Wechselwirkung der Permanentmagnete mit dem Drehfeld ein resultierendes Drehmoment erzeugt wird, welches den Rotor in Rotation versetzt.During operation, the bridge circuit feeds the electric motor current (three-phase current) into the stator coils of the electric motor, which subsequently generates a rotating magnetic field with respect to the stator. In this case, the rotor of the electric motor suitably has a number of permanent magnets, the interaction of the permanent magnets with the rotary field producing a resulting torque which causes the rotor to rotate.
Die Phasen des von der Brückenschaltung erzeugten Drehstroms und des zugehörigen Drehfeldes werden als (Motor-)Phasen bezeichnet. Im übertragenen Sinne werden hierunter auch die jeweils einer solchen Phase zugeordneten Statorspulen (Phasenwicklung) mit den zugehörigen Verbindungsleitungen (Phasenende) verstanden. Die Phasen sind hierbei beispielsweise in einem Sternpunkt einer Sternschaltung miteinander verschaltet.The phases of the three-phase current generated by the bridge circuit and the associated rotating field are referred to as (motor) phases. In a figurative sense, this also includes the stator coils (phase winding) assigned to such a phase with the associated connecting lines (phase end). In this case, the phases are connected to one another, for example, in a star point of a star connection.
Für einen effizienten Betrieb ist es notwendig, dass die Phasen zum richtigen Zeitpunkt mit Strom versorgt werden. Hierzu ist beispielsweise eine Vektorregelung, auch feldorientierte Regelung (engl.: Field Oriented Control, FOC) genannt, möglich. Bei einer solchen feldorientierten Regelung oder FOC wird der Drehstrom als zwei orthogonale Komponenten identifiziert, die mit einem Stromraumvektor visualisiert werden können. Die eine Komponente (Direktkomponente) definiert den magnetischen Fluss des Motors, die andere das Drehmoment (Quadraturstrom).For efficient operation, it is necessary that the phases are supplied with power at the right time. Vector control, also known as field-oriented control (FOC), is possible for this purpose. With such a field-oriented control or FOC, the three-phase current is identified as two orthogonal components that can be visualized with a current space vector. One component (direct component) defines the magnetic flux of the motor, the other the torque (quadrature current).
Die feldorientierte Regelung regelt den Drehstrom in einem d-q-Referenzsystem (Bezugsystem) des Elektromotors. Im Idealfall ist der Stromraumvektor in Bezug auf den Rotor in Betrag und Richtung (Quadratur) fest, unabhängig von der Rotation. Da der Strom-Raumvektor im d-q- Referenzsystem statisch ist, erfolgt die Stromregelung anhand von Gleichstromsignalen. Dies isoliert die Regler von den zeitlich variierenden Wicklungsströmen und -spannungen und eliminiert daher die Begrenzung des Reglerfrequenzgangs und der Phasenverschiebung auf das Motordrehmoment und die Drehzahl.The field-oriented control regulates the three-phase current in a d-q reference system (reference system) of the electric motor. In the ideal case, the current space vector is fixed in magnitude and direction (quadrature) with respect to the rotor, independent of the rotation. Since the current space vector is static in the d-q reference system, the current control is based on direct current signals. This isolates the regulators from the time varying winding currents and voltages and therefore eliminates the limitation of regulator frequency response and phase shift on motor torque and speed.
Der Elektromotor weist hierbei eine zugeordnete Motorsteuerung auf, welche die entsprechenden Stromkomponentensollwerte aus den Fluss- und Drehmomentsollwerten, welche von einer Drehzahlregelung vorgegeben werden, bestimmt. Die Motor- oder Phasenströme werden hierbei in das d-q-Referenzsystem transformiert. Die Stromregelung weist typischerweise zwei proportional-integrale Regler (PI-Regler) auf; einen für die Direktkomponente (Direktstrom) und einen für den Quadraturstrom, um die gemessenen Stromkomponenten auf den vorgegebenen Sollwerten zu halten.In this case, the electric motor has an associated motor controller, which determines the corresponding current component setpoint values from the flux and torque setpoint values, which are specified by a speed controller. The motor or phase currents are transformed into the d-q reference system. The current control typically has two proportional-integral (PI) controllers; one for the direct component (direct current) and one for the quadrature current, in order to keep the measured current components at the preset setpoints.
Die Ausgänge der beiden PI-Regler stellen einen Spannungsraumvektor in Bezug auf den Rotor dar. Spiegelbildlich zur Transformation, die an den Motorströmen durchgeführt wird, werden diese statischen Signale durch eine Reihe von Referenzsystemtransformationen verarbeitet, um Spannungssteuersignale für die PWM-Ansteuerung zu erzeugen.The outputs of the two PI controllers represent a voltage space vector with respect to the rotor. Mirroring the transformation performed on the motor currents, these static sig nale is processed through a series of reference system transforms to generate voltage control signals for the PWM drive.
Die Höhe des Drehmoments ist von der Stromamplitude und dem Stromwinkel des Drehstroms abhängig. Ist der Stromwinkel so gewählt, dass der Elektromotor bei einer gegebenen Stromamplitude das maximale Drehmoment erzeugt, so spricht man von einem Betriebszustand des Elektromotors mit maximalen Drehmoment pro Ampere (engl.: Max Torque Per Ampere, MTPA). Der MTPA-Betriebspunkt weist hierbei den besten Wirkungsgrad für den Elektromotorbetrieb auf. Dieser MTPA-Betriebspunkt ist von vielen Einflussfaktoren abhängig, so dass eine Ermittlung und gegebenenfalls Korrektur während des Betriebs des Elektromotors, also zur Laufzeit des Elektromotors, gewünscht ist.The amount of torque depends on the current amplitude and the current angle of the three-phase current. If the current angle is selected in such a way that the electric motor generates the maximum torque at a given current amplitude, the electric motor is said to be in an operating state with maximum torque per ampere (Max Torque Per Ampere, MTPA). The MTPA operating point has the best efficiency for electric motor operation. This MTPA operating point depends on many influencing factors, so that it is desirable to determine and, if necessary, to correct it during operation of the electric motor, that is to say when the electric motor is running.
Herkömmlicherweise gibt ein Drehmomentregler den Sollwert beziehungsweise die Führungsgröße für den Quadraturstrom vor, wobei ein Feldschwächeregler die Führungsgröße für die Direktkomponente erzeugt. Ist keine Feldschwächung notwendig (Grunddrehzahlbereich) so hat die Führungsgröße der Direktkomponente den Wert Null (0). Dadurch wird die Direktkomponente auf null gefahren und somit der Strom-Raumvektor gezwungen, ausschließlich in Quadraturrichtung zu verlaufen. Da lediglich der Quadraturstrom ein nutzbares Drehmoment erzeugt, maximiert dies den Drehmomentwirkungsgrad des Elektromotors. Eine verbesserte feldorientierte Regelung kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass das Reluktanzmoment genutzt wird, und die Führungsgröße der Direktkomponente auf einen Wert ungleich Null gesetzt wird. Abhängig von den Systemkenntnissen und den Toleranzen wird der MTPA-Betriebspunkt und somit der beste Wirkungsgrad des Elektromotors mehr oder weniger erreicht.Conventionally, a torque controller specifies the desired value or the command variable for the quadrature current, with a field weakening controller generating the command variable for the direct component. If field weakening is not necessary (basic speed range), the reference variable of the direct component has the value zero (0). This drives the direct component to zero and thus forces the current space vector to run exclusively in the quadrature direction. Since only the quadrature current produces useful torque, this maximizes the torque efficiency of the electric motor. An improved field-oriented control can be implemented, for example, by using the reluctance torque and setting the command variable of the direct component to a value not equal to zero. Depending on the system knowledge and the tolerances, the MTPA operating point and thus the best efficiency of the electric motor is more or less achieved.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zur feldorientierten Regelung eines Elektromotors anzugeben. Insbesondere sollen eine zuverlässige Ermittlung und gegebenenfalls Korrektur des MTPA-Betriebspunkts während der Laufzeit ermöglicht werden. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Elektromotor und eine Software auf einem Datenträger.The invention is based on the object of specifying a particularly suitable method for field-oriented control of an electric motor. In particular, a reliable determination and, if necessary, correction of the MTPA operating point should be made possible during the runtime. The invention also relates to an electric motor and software on a data carrier.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Elektromotors mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie hinsichtlich der Software mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.With regard to the method, the object is achieved with the features of claim 1 and with regard to the electric motor with the features of claim 9 and with regard to the software with the features of
Sofern nachfolgend Verfahrensschritte beschrieben werden, ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen für den Elektromotor insbesondere dadurch, dass dieser ausgebildet ist, einen oder mehrere dieser Verfahrensschritte auszuführen.Insofar as method steps are described below, advantageous configurations for the electric motor result in particular from the fact that it is designed to carry out one or more of these method steps.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur feldorientierten Regelung eines Elektromotors vorgesehen sowie dafür geeignet und ausgestaltet. Mit anderen Worten ist verfahrensgemäß ein feldorientiert-geregelter Betrieb des Elektromotors (Motorbetrieb) vorgesehen. Das Verfahren ist also zum Betrieb des Elektromotors geeignet, sowie dafür vorgesehen und ausgestaltet.The method according to the invention is intended for the field-oriented control of an electric motor and is suitable and designed for this. In other words, a field-oriented controlled operation of the electric motor (motor operation) is provided according to the method. The method is therefore suitable for operating the electric motor and is provided and designed for this purpose.
Bei der feldorientierten Regelung (FOC) wird ein Betriebszustand des Elektromotors über eine Stromregelung (engl.: Current Control Loop, CCL) in einem d-q-Referenzsystem mit einer Gleichspannungskomponente und einem Quadraturstrom geregelt.With field-oriented control (FOC), an operating state of the electric motor is controlled via a current control loop (CCL) in a d-q reference system with a direct voltage component and a quadrature current.
Die Stromregelung des Elektromotors weist hierbei vorzugsweise zwei (Strom-)Regler, insbesondere in Form von PI-Reglern, auf, mit welchem die Direktkomponente (Direktstrom) einerseits und der Quadraturstrom andererseits geregelt und/oder gesteuert werden. Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.The current control of the electric motor preferably has two (current) controllers, in particular in the form of PI controllers, with which the direct component (direct current) on the one hand and the quadrature current on the other hand are regulated and/or controlled. The conjunction “and/or” is to be understood here and in the following in such a way that the features linked by means of this conjunction can be designed both together and as alternatives to one another.
Der Elektromotor kann hierbei auch eine Geschwindigkeitsregelung (engl.: Speed Control Loop, SCL), beispielsweise eine Drehzahl- oder Drehmomentregelung, mit einem Regler, insbesondere einem PI-Regler, aufweisen, welche einen Sollwert für den Quadraturstrom-Regler erzeugt.The electric motor can also have a speed control loop (SCL), for example a speed or torque control, with a controller, in particular a PI controller, which generates a setpoint for the quadrature current controller.
Verfahrensgemäß wird zunächst ein Sollwert der Direktkomponente zur Bewirkung eines Betriebszustand des Elektromotors mit maximalen Drehmoment pro Ampere geschätzt. Mit anderen Worten wird ein Sollwert der Direktkomponente für den MTPA-Betriebspunkt bestimmt. Unter „Schätzung“ oder „schätzen“ ist hier und im Folgenden eine genäherte Bestimmung des MTPA-Betriebspunkts beispielsweise durch Auswertung der Phasenspannungen und/oder Phasenströme, oder durch vorcharakterisierten Messungen, hinterlegte Tabellen oder Kennlinien, oder mittels (statistisch-)mathematischer Methoden, zu verstehen. Insbesondere zu Beginn des Verfahrens kann eine anfängliche (Start-)Schätzung des Soll-Betriebspunkts beispielsweise auch darin bestehen, den Sollwert auf null, oder unter Berücksichtigung eines Reluktanzmoments auf einen Wert ungleich Null, zu setzen.According to the method, a target value of the direct component to bring about an operating state of the electric motor with maximum torque per ampere is first estimated. In other words, a target value of the direct component for the MTPA operating point is determined. Here and in the following, "estimate" or "estimate" means an approximate determination of the MTPA operating point, for example by evaluating the phase voltages and/or phase currents, or by pre-characterized measurements tables or characteristic curves, or by means of (statistical) mathematical methods. In particular at the beginning of the method, an initial (start) estimate of the target operating point can also consist, for example, in setting the target value to zero or, taking into account a reluctance torque, to a value not equal to zero.
Anhand des Sollwerts wird anschließend eine Führungsgröße für die Stromregelung, insbesondere für den Regler der Direktkomponente, bestimmt. Die Führungsgröße führt somit die Direktkomponente bei der Stromregelung. Mittels der Führungsgröße wird der Elektromotor in einem ersten Betriebspunkt und einen sich hiervor unterscheidenden zweiten Betriebspunkt betrieben. Der erste oder zweite Betriebspunkt kann hierbei beispielsweise der geschätzte MTPA-Betriebspunkt sein. Mit anderen Worten kann die Führungsgröße für den ersten oder zweiten Betriebspunkt dem Sollwert entsprechen.A command variable for the current control, in particular for the controller of the direct component, is then determined on the basis of the setpoint value. The reference variable thus leads the direct component in the current control. The electric motor is operated at a first operating point and at a second operating point, which differs therefrom, by means of the reference variable. The first or second operating point can be the estimated MTPA operating point, for example. In other words, the reference variable for the first or second operating point can correspond to the setpoint.
Verfahrensgemäß wird anschließend mindestens eine Optimierungsgröße als Reaktion des Elektromotors auf den Betrieb im ersten Betriebspunkt und im zweiten Betriebspunkt erfasst. Mit anderen Worten ist die Optimierungsgröße ein Maß für den Betrieb des Elektromotors, insbesondere ermöglicht die Optimierungsgröße einen Rückschluss auf den im jeweiligen Betriebspunkt vorliegenden Wirkungsgrad. Die mindestens eine Optimierungsgröße wird hierbei hinsichtlich des Betriebszustands des Elektromotors mit maximalen Drehmoment pro Ampere ausgewertet. Mit anderen Worten werden der erste und zweite Betriebspunkt hinsichtlich des MTPA-Betriebspunkts ausgewertet. Anhand der Auswertung wird der Sollwert beziehungsweise die Führungsgröße für die Stromregelung eingestellt. Der Sollwert wird also derart eingestellt, dass der Wirkungsgrad des Elektromotors maximiert wird.According to the method, at least one optimization variable is then recorded as a reaction of the electric motor to operation at the first operating point and at the second operating point. In other words, the optimization variable is a measure of the operation of the electric motor; in particular, the optimization variable enables conclusions to be drawn about the degree of efficiency present at the respective operating point. The at least one optimization variable is evaluated here with regard to the operating state of the electric motor with maximum torque per ampere. In other words, the first and second operating point are evaluated with regard to the MTPA operating point. The setpoint or the reference variable for the current control is set on the basis of the evaluation. The target value is therefore set in such a way that the efficiency of the electric motor is maximized.
Verfahrensgemäß wird der Elektromotor in dem ersten und/oder zweiten Betriebspunkt abweichend von dem geschätzten MTPA-Betriebspunkt betrieben. Dadurch stellt sich ein vom MTPA-Betriebspunkt unterschiedlicher Betriebspunkt ein. Diese Betriebspunkt- oder Betriebszustandsänderung ermöglicht anhand der erfassten Optimierungsgröße einen Rückschluss, ob sich die Führungsgröße - und somit der Sollwert der Direktkomponente - dem MTPA-Betriebspunkt annähert oder sich von diesem entfernt. Durch die Einstellung des Sollwerts anhand dieser Auswertung ist es somit möglich, während des Motorbetriebs den MTPA-Betriebspunkt zu ermitteln, und sich sukzessive oder iterativ an diesen anzunähern.According to the method, the electric motor is operated at the first and/or second operating point that deviates from the estimated MTPA operating point. This results in an operating point that differs from the MTPA operating point. This change in the operating point or operating state makes it possible to use the detected optimization variable to draw a conclusion as to whether the reference variable—and thus the setpoint value of the direct component—is approaching or moving away from the MTPA operating point. By setting the setpoint based on this evaluation, it is thus possible to determine the MTPA operating point during engine operation and to approach it successively or iteratively.
Erfindungsgemäß ist somit eine Regelung des Sollwerts der Direktkomponente auf den MTPA-Betriebspunkt vorgesehen, welche anhand der Optimierungsgröße als Eingangsgröße geregelt wird.According to the invention, regulation of the setpoint of the direct component to the MTPA operating point is therefore provided, which is regulated using the optimization variable as the input variable.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Abweichungen von dem MTPA-Betriebspunkt über die Lebenszeit des Elektromotors erkannt und korrigiert oder gemeldet werden. Des Weiteren reduziert das Verfahren die Anforderung an die (Kalibrier-)Genauigkeit eines Positionssystems des Elektromotors, da durch die Regelung des Sollwerts etwaige Ungenauigkeiten bei der Positions- oder Lagebestimmung herausgeregelt werden.With the method according to the invention, deviations from the MTPA operating point can be detected and corrected or reported over the lifetime of the electric motor. Furthermore, the method reduces the requirement for the (calibration) accuracy of a positioning system of the electric motor, since any inaccuracies in the determination of the position or attitude are eliminated by controlling the setpoint.
Die verfahrensgemäße Optimierung kann während dem gesamten Lebenszyklus des Elektromotors erfolgen. Alternativ dazu kann er auch nur zu bestimmten Zeiten erfolgen. Beispielsweise ist die Betriebssituation nach der Herstellung des Elektromotors, also am Ende der Produktion (engl.: End of Line, EOL), sehr gut bekannt, so dass eine gezielte und zuverlässige Schätzung für den Sollwert ermöglicht ist. Dadurch ist eine besonders effektive Optimierung ermöglicht.The optimization according to the method can take place during the entire life cycle of the electric motor. Alternatively, it can also only take place at certain times. For example, the operating situation after the production of the electric motor, i.e. at the end of production (End of Line, EOL), is very well known, so that a targeted and reliable estimate for the setpoint is made possible. This enables a particularly effective optimization.
Das Verfahren ist insbesondere für einen statischen Betrieb des Elektromotors geeignet. Daher kann es sinnvoll sein, bei Änderungen des Betriebzustandes (z.B. Drehzahl oder Last) die erfindungsgemäße Anpassung des Sollwerts auszusetzen oder die Anpassungsgeschwindigkeit zu reduzieren. Ist das System bereits an der Regelgrenze, so kann die Optimierung auch gestoppt oder angehalten werden.The method is particularly suitable for static operation of the electric motor. It can therefore make sense to suspend the adjustment of the setpoint according to the invention or to reduce the adjustment speed in the event of changes in the operating state (e.g. speed or load). If the system is already at the control limit, the optimization can also be stopped or halted.
Befindet sich der Regler (bewusst) außerhalb des MTPA (z.B. bei einer Feldschwächung), so wird die Optimierung beziehungsweise das Verfahren zweckmäßigerweise ebenfalls gestoppt, pausiert oder unterbrochen.If the controller is (deliberately) outside the MTPA (e.g. in the event of field weakening), the optimization or the process is also stopped, paused or interrupted.
Der mit dem Verfahren ermittelte Sollwert für den MTPA-Betriebspunkt (Optimierungswert) kann bei einer Beendigung oder Unterbrechung des Verfahrens abgespeichert oder hinterlegt werden, und somit als neuer Startpunkt (Schätzpunkt) bei einem Start oder einer Wiederbeginn des Verfahrens wiederverwendet werden.The target value for the MTPA operating point (optimization value) determined using the method can be saved or stored when the method is terminated or interrupted, and can thus be reused as a new starting point (estimated point) when the method is started or restarted.
Alternativ oder in Ergänzung zur vorstehend beschriebenen Ausblendung (Beendigung, Unterbrechung) des Verfahrens kann auch die Anpassung an den MTPA begrenzt werden. Dies bedeutet, dass beispielsweise ein Regelfaktor mit welchem der Sollwert angepasst wird, reduziert oder begrenzt wird.As an alternative or in addition to the above-described hiding (termination, interruption) of the method, the adjustment to the MTPA can also be limited. This means that, for example, a control factor with which the setpoint is adjusted is reduced or limited.
In einer bevorzugten Anwendung oder Verwendung des Verfahrens, wird das Verfahren dazu genutzt eine einzelne unbekannte beziehungsweise ungenaue Systemgröße zu ermitteln. Vorzugsweise wird hierbei ein Positionsoffset der Lage der Motorwelle beziehungsweise des Rotors ermittelt. Bei Positionserfassungssystemen kann es zu Abweichungen in der Positionserfassung kommen. Um diese Abweichung zu ermitteln und zu beseitigen, kann der Elektromotor im vermuteten oder geschätzten MTPA-Betriebspunkt betrieben werden. Anstelle der Direktkomponente wird hierbei ein Offset in der Ist-Position variiert. Auch hier ist die Zielgrö-ße das Erreichen das MTPA-Betriebspunktes. Dies wird aber über eine Korrektur der Position erreicht.In a preferred application or use of the method, the method is used to determine an individual, unknown or imprecise system variable. A position offset of the position of the motor shaft or the rotor is preferably determined here. With position detection systems, there may be deviations in the position detection. In order to determine and eliminate this deviation, the electric motor can be operated at the presumed or estimated MTPA operating point. Instead of the direct component, an offset is varied in the actual position. Here, too, the target is reaching the MTPA operating point. However, this is achieved by correcting the position.
In einer zweckmäßigen Ausführung des Verfahrens wird der erste und/oder zweite Betriebspunkt durch einen Testwert der Führungsgröße bewirkt. Die Führungsgröße setzt sich hierbei insbesondere aus einer Summe oder Differenz des Sollwerts und des Testwerts zusammen. Der Testwert ist eine bekannte Abweichung oder Störung welche auf den (geschätzten) Sollwert addiert (bzw. von diesem abgezogen) wird, um zwei unterschiedliche Betriebspunkte zu realisieren.In an expedient embodiment of the method, the first and/or second operating point is brought about by a test value of the reference variable. In this case, the command variable is composed in particular of a sum or difference between the desired value and the test value. The test value is a known deviation or disturbance which is added to (or subtracted from) the (estimated) target value in order to realize two different operating points.
In einer denkbaren Ausführungsform wird nach Beginn des Verfahrens in einem ersten Verfahrensschritt als (erste) Führungsgröße der geschätzte Sollwert verwendet. Dies bedeutet, dass der Regler der Direktkomponente zunächst den geschätzten MTPA-Betriebspunkt einstellt und den Elektromotor in diesem (ersten) Betriebspunkt betreibt. In einem zweiten Verfahrensschritt wird die Reaktion des Elektromotors auf diesen Betriebspunkt mit einer ersten Optimierungsgröße erfasst. Die Optimierungsgröße ist hierbei beispielsweise ein Phasenstrom des Elektromotors. Die Optimierungsgröße wird hinterlegt und anschließend in einem dritten Verfahrensschritt eine (zweite) Führungsgröße verwendet, welche sich aus dem geschätzten Sollwert und dem Testwert zusammensetzt. Durch den zusätzlichen Testwert in der Führungsgröße wird ein zweiter Betriebspunkt eingestellt, welcher sich von dem ersten Betriebspunkt unterscheidet. In einem vierten Verfahrensschritt wird die Reaktion des Elektromotors auf diesen zweiten Betriebspunkt mit einer zweiten Optimierungsgröße erfasst, und die zweite Optimierungsgröße hinterlegt. In einem fünften Verfahrensschritt wird als Auswertung ein Vergleich durchgeführt, ob die erste oder zweite Optimierungsgröße einen besseren Motorbetrieb aufweist. Ist die zweite Optimierungsgröße besser wird der Sollwert der Direktkomponente neu eingestellt. Ist die erste Optimierungsgröße besser werden die Verfahrensschritte eins bis fünf wiederholt, wobei im dritten Verfahrensschritt mittels des Testwerts wechselweise in die eine und dann die andere Richtung abgewichen wird.In a conceivable embodiment, after the start of the method, the estimated setpoint is used in a first method step as the (first) reference variable. This means that the controller of the direct component first sets the estimated MTPA operating point and operates the electric motor at this (first) operating point. In a second method step, the reaction of the electric motor to this operating point is recorded using a first optimization variable. In this case, the optimization variable is, for example, a phase current of the electric motor. The optimization variable is stored and then, in a third method step, a (second) reference variable is used, which is made up of the estimated target value and the test value. A second operating point, which differs from the first operating point, is set by the additional test value in the reference variable. In a fourth method step, the reaction of the electric motor to this second operating point is recorded using a second optimization variable, and the second optimization variable is stored. In a fifth method step, a comparison is carried out as an evaluation as to whether the first or second optimization variable has better engine operation. If the second optimization variable is better, the target value of the direct component is readjusted. If the first optimization variable is better, method steps one to five are repeated, with the test value being used in the third method step to deviate alternately in one direction and then the other.
In einer ebenso denkbaren alternativen Ausführungsform wird in dem ersten Verfahrensschritt eine Führungsgröße mit einem Testwert oder Abweichung in die eine Richtung und in dem dritten Verfahrensschritt eine Führungsgröße mit einem Testwert oder Abweichung in die andere (gegensätzliche) Richtung verwendet.In an equally conceivable alternative embodiment, a reference variable with a test value or deviation in one direction is used in the first method step and a reference variable with a test value or deviation in the other (opposite) direction is used in the third method step.
Der Testwert kann auf verschiedene Arten gewählt werden. Beispielsweise weist der Testwert einen konstanten Wert, zum Beispiel 0,5 A, (Ampere) auf. Der Testwert kann alternativ einen alternierenden Wert, beispielsweise ± 0,5 A, oder Variationen in der Amplitude aufweisen. Weiterhin ist es möglich die Amplitude des Testwerts abhängig vom Betriebszustand oder der Änderung des Betriebszustands (z.B. Beschleunigung) zu wählen.The test value can be chosen in different ways. For example, the test value has a constant value, for example 0.5 A (ampere). The test value may alternatively have an alternating value, for example ±0.5 A, or variations in amplitude. It is also possible to select the amplitude of the test value depending on the operating status or the change in operating status (e.g. acceleration).
Vorzugsweise wird der Testwert zeitlich mit einer Testwertfrequenz variiert. Beispielsweise weist der Testwert einen sinusförmigen Wert auf:
Der Testwert kann auch als Sägezahn, Trapezform, oder trapezformähnlich ausgeführt sein. Unter „trapezformähnlich“ ist hierbei insbesondere eine einem Trapez ähnliche Anregungsform zu verstehen, wobei die Eckbereiche abgerundet ausgeführt sind, um beispielsweise die (Motor-)Akustik zu verbessern.The test value can also be in the form of a sawtooth, trapezoidal shape, or a shape similar to a trapezoidal shape. In this context, “similar to a trapezoidal shape” is to be understood in particular as an excitation shape similar to a trapezoidal shape, with the corner regions being rounded in order, for example, to improve the (engine) acoustics.
Als Testwert insbesondere als zeitlich variierender Testwert können auch Zufallswerte verwendet werden. Hierbei werden vorzugsweise Verteilungen ohne hohe Frequenzen verwendet.Random values can also be used as a test value, in particular as a time-varying test value. Distributions without high frequencies are preferably used here.
Die Regler (z. B. CCL & SCL) beeinflussen den Einfluss des Testwertes auf die Reaktion des Elektromotors beim jeweiligen Betriebspunkt. Beispielsweise ist eine gewisse Einregelzeit notwendig, oder es ergibt sich eine Phasenverschiebung. Dieser Einfluss wird daher vorzugsweise beim Verfahren, insbesondere bei der Ermittlung der Optimierungsgröße, berücksichtigt, beispielsweise mittels einer Wartezeit.The controllers (e.g. CCL & SCL) influence the influence of the test value on the reaction of the electric motor at the respective operating point. For example, a certain settling time is necessary, or there is a phase shift. This influence is therefore preferably taken into account in the method, in particular when determining the optimization variable, for example by means of a waiting time.
Neben der vorstehend beschriebenen schrittweisen Optimierung ist auch eine kontinuierlichen Optimierung des Sollwerts mittels des Verfahrens möglich. Vorzugsweise wird hierbei die Führungsgröße kontinuierlich variiert, so dass ein kontinuierlicher Übergang zwischen zwei oder mehreren unterschiedlichen Betriebspunkten realisiert ist. Dabei wird zweckmäßigerweise die Korrelation zwischen der Führungsgröße und der Optimierungsgröße ermittelt und genutzt. Beispielsweise wird als Sollwert eine Korrelationsfunktion der Optimierungsgröße und der Reaktion des Elektromotors auf den Testwert verwendet, welche die Korrelation zwischen der Änderung der Steuergröße und der Optimierungsgröße darstellt:
Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Führungsgröße zusätzlich zu der Direktkomponente auch den Quadraturstrom der Stromregelung führt oder beeinflusst. Bei einer Veränderung der Direktkomponente regeln die weiteren Regler im System (z.B. die SCL) das System aus. Um dies zu beschleunigen kann die Führungsgröße optional auch die Regelung des Quadarturstroms beeinflussen. Es werden also sowohl die Direktkomponente als auch der Quadraturstrom mittels der Führungsgröße angepasst. Vorzugsweise ist der Wert so zu wählen, dass die Optimierungsgröße, zum Beispiel die Wurzel aus der Summe der Quadrate der Ist-Direktkomponente und des Ist-Quadraturstroms, unverändert bleibt.An additional or further aspect of the invention provides that the command variable also leads or influences the quadrature current of the current control in addition to the direct component. If the direct component changes, the other controllers in the system (e.g. the SCL) regulate the system. In order to accelerate this, the command variable can optionally also influence the regulation of the quadrature current. So both the direct component and the quadrature current are adjusted using the command variable. The value should preferably be selected in such a way that the optimization variable, for example the square root of the sum of the squares of the actual direct component and the actual quadrature current, remains unchanged.
Besonders hervorzuheben sind feldorientierte Regelungen von Elektromotoren, deren Systeme keine SCL haben. Bei einer Veränderung der Direktkomponente bleibt hier die Amplitude des Motorstroms gleich. Die sich einstellende Geschwindigkeit kann hier als Optimierungsgröße verwendet werden (die ohmschen Verluste bleiben konstant, aber die Drehzahl variiert).Particularly noteworthy are field-oriented controls of electric motors whose systems do not have SCL. If the direct component changes, the amplitude of the motor current remains the same. The resulting speed can be used here as an optimization parameter (the ohmic losses remain constant, but the speed varies).
Um die Einregelung zu beschleunigen kann die Führungsgröße auch zur Veränderung anderer Größen, insbesondere im Zuge einer Vorsteuerung, dienen. Beispielsweise verändert die Führungsgröße die Direktkomponente. Über die Stromregler (CCL) verändert die Direktkomponente auch die der Direktkomponente zugeordnete Phasenspannung. Durch eine geeignete Vorsteuerung kann diese Einregelung beschleunigt werden. Dies ist auch für andere Größen zum Beispiel für den Quadraturstrom und/oder dessen zugeordnete Phasenspannung möglich.In order to accelerate adjustment, the reference variable can also be used to change other variables, particularly in the course of pre-control. For example, the reference variable changes the direct component. The direct component also changes the phase voltage assigned to the direct component via the current controller (CCL). This adjustment can be accelerated by a suitable pre-control. This is also possible for other variables, for example for the quadrature current and/or its associated phase voltage.
Je nach Regelung (z. B. mit und ohne SCL) können unterschiedliche Optimierungsgrößen verwendet werden. Beispielsweise wird als Optimierungsgröße ein Batteriestrom oder Zwischenkreisstrom der Motorelektronik verwendet. In einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens wird als Optimierungsgröße ein Motorstrom, insbesondere ein Istwert für den Motorstrom verwendet. Neben den Istwerten für dem Motorstrom können auch die Sollwerte als Optimierungsgröße verwendet werden, um den Einfluss von Messrauschen reduzieren. Zweckmäßigerweise inklusive des verfahrensgemäß geregelten Sollwerts. Die Sollwerte weisen gefilterte Eigenschaften auf, da durch die Bestimmung der Sollwerte bereits eine gewisse Filterung oder Unterdrückung des Messrauschens bewirkt wird.Depending on the control (e.g. with and without SCL), different optimization variables can be used. For example, a battery current or an intermediate circuit current of the motor electronics is used as an optimization parameter. In one possible embodiment of the method, a motor current, in particular an actual value for the motor current, is used as the optimization variable. In addition to the actual values for the motor current, the setpoints can also be used as an optimization parameter to reduce the influence of measurement noise. Expediently including the setpoint value regulated according to the procedure. The target values have filtered properties, since the determination of the target values already results in a certain filtering or suppression of the measurement noise.
Der erfindungsgemäße Elektromotor ist beispielsweise Teil eines (Stell-)Antriebs eines Kraftfahrzeugs. Der Elektromotor weist hierbei Motorelektronik mit einem Controller zur feldorientierten Regelung des Elektromotorbetriebs auf. Der Controller weist hierbei eine Stromregelung und optional eine Drehmoment- oder Drehzahlregelung auf. Der Controller weist weiterhin einen Optimalregler auf.The electric motor according to the invention is, for example, part of an (actuating) drive of a motor vehicle. In this case, the electric motor has motor electronics with a controller for field-oriented regulation of the electric motor operation. In this case, the controller has a current control and optionally a torque or speed control. The controller also has an optimal regulator.
Der Optimalregler ist hierbei allgemein - programm- und/oder schaltungstechnisch - zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Der Optimalregler ist somit konkret dazu eingerichtet, den Elektromotor abweichend von einem geschätzten MTPA-Betriebspunkt zu betreiben, und aufgrund der sich einstellenden Veränderung einen Rückschluss zuziehen, ob eine Annäherung oder Entfernung von dem tatsächlichen MTPA-Betriebspunkt vorliegt.In this case, the optimum controller is generally set up--in terms of program and/or circuitry--to carry out the method according to the invention described above. The optimal controller is thus specifically set up to operate the electric motor deviating from an estimated MTPA operating point and, based on the change that occurs, to draw a conclusion as to whether the actual MTPA operating point is approaching or moving away.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Optimalregler zumindest im Kern durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren - gegebenenfalls in Interaktion mit einem Vorrichtungsnutzer - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch durchgeführt wird. Der Optimalregler kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch ein nicht-programmierbares elektronisches Bauteil, wie zum Beispiel einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.In a preferred embodiment, the optimum controller is formed, at least in its core, by a microcontroller with a processor and a data memory, in which the functionality for carrying out the method according to the invention is implemented programmatically in the form of operating software (firmware), so that the method - optionally in interaction with a device user - is performed automatically upon execution of the operating software in the microcontroller. Alternatively, within the scope of the invention, the optimum controller can also be formed by a non-programmable electronic component, such as an application-specific integrated circuit (ASIC), in which the functionality for carrying out the method according to the invention is implemented with circuitry means.
Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf den Elektromotor übertragbar und umgekehrt.The advantages and configurations given with regard to the method can also be transferred to the electric motor and vice versa.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist hierbei als ein Regelkonzept für die Stromregelung ausgeführt. Beispielsweise wird von dem Optimalregler zunächst ein Nullstrom (IMTPAControl=0 A) als Schätzung für den MTPA-Betriebspunkt ausgegeben. Dieser Nullstrom wird anfänglich als Führungsgröße zur Ansteuerung des Stromreglers der Direktkomponente zugeführt, und der Elektromotor in dem geschätzten (ersten) Betriebspunkt betrieben. Anschließend erfasst und hinterlegt der Optimalregler eine erste Optimierungsgröße 11, wobei als Optimierungsgröße I1 zum Beispiel die Wurzel aus der Summe der Quadrate der Ist-Direktkomponente Id und des Ist-Quadraturstroms Iq verwendet wird (l1 = √(Id2 + Iq2)). Anschließend verändert der Optimalregler den Id-Sollwert an seinem Ausgang um den Testwert IDelta, beispielsweise indem der Id-Sollwert um einen Wert von 0,5 A erhöht wird. Anschließend erfolgt einer Wartezeit bis sich die Regler des Controllers eingeregelt haben. Hernach wird die zweite Optimierungsgröße I2 (I2 = √(Id2 + Iq2)) erfasst und hinterlegt. Abschließend wird die Führungsgröße beziehungsweise der Sollwert IMTPAControl in Abhängigkeit der Optimierungsgröße angepasst. Beispielsweise wird als neuer Sollwert eine mit einem Regelfaktor k gewertete Differenz der Optimierungsgrößen (Zielgrößendifferenz) verwendet: IMTPAControl = k (12 - 11).The method according to the invention is implemented as a control concept for current control. For example, the optimum controller initially outputs a zero current (I MTPAControl =0 A) as an estimate for the MTPA operating point. This zero current is initially supplied as a reference variable for controlling the current controller of the direct component, and the electric motor is operated at the estimated (first) operating point. The optimal controller then records and stores a first optimization variable 11, the root of the sum of the squares of the actual direct component Id and the actual quadrature current Iq, for example, being used as the optimization variable I 1 (l 1 = √(Id 2 + Iq 2 ) ). The optimal controller then changes the Id setpoint at its output by the test value I Delta , for example by increasing the Id setpoint by a value of 0.5 A. Then there is a waiting period until the regulators of the controller have adjusted. The second optimization variable I 2 (I 2 =√(Id 2 +Iq 2 )) is then recorded and stored. Finally, the reference variable or the target value I MTPAControl is adjusted depending on the optimization variable. For example, a difference in the optimization variables (target variable difference) weighted with a control factor k is used as the new target value: I MTPAControl = k (12 - 11).
Hierbei kann eine variable Anpassung des Lern- oder Regelfaktors k vorteilhaft sein. So kann beispielsweise bei besonders geeigneten (z. B. statischen) Betriebssituationen der Faktor höher gesetzt werden, als weniger bei geeigneten Betriebssituationen.A variable adjustment of the learning or control factor k can be advantageous here. For example, the factor can be set higher in particularly suitable (e.g. static) operating situations than less in suitable operating situations.
Auch kann ein Lernerfolg abhängig von den vergangenen Lernschritten beschleunigt werden. Ist beispielsweise eine aktuelle Lernrichtung erkennbar (z.B. mehrere Lernschritte nacheinander in die gleiche Richtung), so kann der Lernfaktor erhöht werden. Anstelle einer Schrittweite, welche proportional zur Zielgrößendifferenz ist, kann auch eine nicht lineare Funktion verwendet werden, beispielsweise das Produkt aus k und einem Vorzeichenfaktor sowie der Differenz der Optimierungsgrößen.A learning success can also be accelerated depending on the past learning steps. If, for example, a current learning direction is recognizable (e.g. several learning steps in succession in the same direction), the learning factor can be increased. Instead of an increment that is proportional to the target variable difference, a non-linear function can also be used, for example the product of k and a sign factor and the difference in the optimization variables.
Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht eine Software auf einem Medium oder Datenträger zur Durchführung oder Ausführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens vor, wenn die Software auf einem Computer abläuft. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren und/oder dem Elektromotor sinngemäß auch für die Software und umgekehrt.An additional or further aspect of the invention provides software on a medium or data carrier for carrying out or executing the method described above when the software runs on a computer. The explanations in connection with the method and/or the electric motor also apply to the software and vice versa.
Unter einem Computer ist hierbei ein Gerät zu verstehen, welches mittels programmierbarer Rechenvorschriften Daten verarbeitet. Der Computer ist beispielsweise ein Rechner, Controller, oder Mikrocontroller.A computer is to be understood here as a device which processes data using programmable calculation rules. The computer is, for example, a calculator, controller, or microcontroller.
Die Software ist auf einem Datenträger hinterlegt, und zur Ausführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens vorgesehen, sowie dafür geeignet und ausgestaltet ist. Dadurch ist eine besonders geeignete Software für den Betrieb eines Elektromotors realisiert, mit welcher die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens programmtechnisch implementiert wird. Die Software ist somit insbesondere eine Betriebssoftware (Firmware), wobei der Datenträger beispielsweise ein Datenspeicher des Controllers ist.The software is stored on a data carrier and is intended to carry out the method described above, and is suitable and designed for this. As a result, particularly suitable software for the operation of an electric motor is implemented, with which the functionality for carrying out the method according to the invention is implemented in terms of programming. The software is thus, in particular, operating software (firmware), with the data medium being, for example, a data memory of the controller.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischen und vereinfachten Darstellungen:
-
1 eine elektrische Maschine mit einer Stromquelle und mit einem Elektromotor sowie mit einem dazwischen verschalteten Stromrichter, -
2 drei Phasenwicklungen eines dreiphasigen Elektromotors der Maschine in Sternschaltung, -
3 ein Brückenmodul einer Brückenschaltung des Stromrichters zur Ansteuerung einer Phasenwicklung des Elektromotors, -
5 eine feldorientierte Regelung des Elektromotors, -
6 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur feldorientierten Regelung eines Elektromotors, und -
7 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer zweiten Ausführungsform.
-
1 an electrical machine with a power source and with an electric motor and with a power converter connected in between, -
2 three phase windings of a three-phase machine electric motor in star connection, -
3 a bridge module of a bridge circuit of the power converter for controlling a phase winding of the electric motor, -
5 a field-oriented control of the electric motor, -
6 a flowchart of a method according to the invention for field-oriented control of an electric motor, and -
7 a flowchart of the method according to the invention in a second embodiment.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts and sizes are always provided with the same reference symbols in all figures.
Die
Der Zwischenkreis 12 ist im Wesentlichen durch eine Hinleitung 12a und eine Rückleitung 12b gebildet, mittels welchen der Stromrichter 6 an den Energiespeicher 10 angeschlossen ist. Die Leitungen 12a und 12b sind zumindest teilweise in den Stromrichter 6 geführt, in welchen zwischen diesen ein Zwischenkreiskondensator 14 sowie eine Brückenschaltung 16 verschaltet sind.The
Im Betrieb der Maschine 2 wird ein der Brückenschaltung 16 zugeführter Eingangsstrom IE in einen dreiphasigen Ausgangsstrom (Motorstrom, Drehstrom) IU, IV, IW für die drei Phasen U, V, W des Elektromotors 4 gewandelt. Die nachfolgend auch als Phasenströme bezeichneten Ausgangsströme IU, IV, IW werden an die entsprechenden Phasen(-wicklungen) U, V, W (
In der
Die Ansteuerung der Sternschaltung 18 erfolgt mittels der Brückenschaltung 16. Die Brückenschaltung 16 ist mit den Brückenmodulen 20 insbesondere als eine B6-Schaltung ausgeführt. In dieser Ausgestaltungsform wird im Betrieb an jede der Phasenwicklungen U, V, W in hoher Schaltfrequenz getaktet zwischen einem hohen (Gleich-)Spannungsniveau der Zuleitung 12a und einem niedrigen Spannungsniveau der Rückleitung 12b umgeschaltet. Das hohe Spannungsniveau ist hierbei insbesondere eine Zwischenkreisspannung UZK des Zwischenkreises 12, wobei das niedrige Spannungsniveau vorzugsweise ein Erdpotential UG ist. Diese getaktete Ansteuerung ist als eine - in
Die Brückenmodule 20 umfassen jeweils zwei Halbleiterschalter 44 und 46, welche in der
In der
Die
Abhängig von den Schaltzuständen der (Leistungs-)Halbleiterschalter 44, 46 fließt der Phasenstrom IU, IV, IW über den Shuntwiderstand 60. Der Spannungsabfall über dem Shuntwiderstand 60 wird verstärkt und ausgewertet. Mit Messungen und dem Kenntnisstand der Schaltzustände der Halbleiterschalter 44, 46 werden die Phasenströme lu, Iv, Iw von dem Controller 42 rekonstruiert. Es können auch andere Messmethoden zur Ermittlung der Motorströme verwendet werden (z. B. direkte Phasenstrommessung). Zusammen mit den gemessenen und/oder berechneten Phasenspannungen (Uu, Uv, Uw) stehen dem Controller 42 die Phasenspannungen (Uu, Uv, Uw) und die Phasenströme lu, Iv, Iw zur Verfügung.Depending on the switching states of the (power) semiconductor switches 44, 46, the phase current I U , I V , I W flows through the
Der Controller 42 ist zur feldorientierten Regelung (FOC) des Elektromotors 2 vorgesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet. Hierzu werden die (Ist-)Phasenströme lu, Iv, Iw mittels einer Park- oder d/q-Transformation in ein d/q-Referenzsystem transformiert. Hierbei werden die drei Phasenströme lu, Iv, Iw in zwei orthogonale Komponenten transformiert, welche nachfolgend als Direktkomponente Id und als Quadraturstrom Iq bezeichnet sind.The
Der Controller 42 weist hierbei - wie insbesondere in der
Die Stromregelung 64 weist hierbei im Wesentlichen vier Abschnitte 72, 74, 76, 78 auf. Die Abschnitte 72 und 74 sind hierbei für die Regelung des Quadraturstroms Iq, und die Abschnitte 76 und 78 für die Regelung der Direktkomponente Id ausgebildet. In den Abschnitten 72 und 76 werden hierbei die Sollwerte bestimmt, anhand welcher in den Abschnitten 74 und 78 eine Regeldifferenz für die Regler 66, 68 erzeugt wird.In this case, the current control 64 essentially has four
In dem Abschnitt 72 wird der FOC-Sollwert für den Quadraturstrom Iq bestimmt. Hierzu ist ein Geschwindigkeitsregler 80 vorgesehen. Der Geschwindigkeitsregler 80 ist beispielsweise als ein Drehzahl- oder Drehmomentregler ausgebildet. Dem Geschwindigkeitsregler 80 wird eine gewünschte oder eingestellte Soll-Geschwindigkeit SetSpeed und eine aktuelle Ist-Geschwindigkeit Speed zugeführt. Der Geschwindigkeitsregler 80 erzeugt anhand der Geschwindigkeitssignale einen Sollwert Iq_set als Führungsgröße für die Regelung des Quadraturstroms Iq.In
Der Abschnitt 74 weist den Regler 68 auf. In dem Abschnitt 74 wird eine Regeldifferenz Iq_Error anhand des aktuellen Ist-Werts des Quadraturstroms Iq und des Sollwerts Iq_set bestimmt, und dem Regler 68 als Eingangssignal zugeführt. Der Regler 68 erzeugt hieraus die Quadraturspannung Uq als Stellgröße.
Die Abschnitte 76 und 78 weisen einen Optimalregler 82 zur Ermittlung und gegebenenfalls Korrektur des MTPA-Betriebspunkts während der Laufzeit auf. Der Optimalregler 82 ist dazu vorgesehen und eingerichtet ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Dem Optimalregler 82 werden hierbei die aktuellen Ist-Werte des Quadraturstroms Iq und der Direktkomponente Id zugeführt. Der Optimalregler 82 bestimmt hieraus eine Optimierungsgröße, anhand welcher eine Führungsgröße IMTPAControl als Ausgangssignal erzeugt wird. In dem Abschnitt 78 wird eine Regeldifferenz Id_Error anhand des aktuellen Ist-Werts der Direktkomponente Id und der vom Optimalregler 82 erzeugten Führungsgröße IMTPAControl bestimmt, und dem Regler 66 als Eingangssignal zugeführt. Der Regler 66 erzeugt hieraus die Gleichspannungskomponente Ud als Stellgröße.In this case, the current actual values of the quadrature current I q and the direct component I d are supplied to the
Der Optimalregler 82 weist beispielsweise eine Sollwerteinheit 84 und eine Steuereinheit 86 auf. Die Sollwerteinheit 84 ist hierbei beispielsweise dem Abschnitt 76 und die Steuereinheit 86 dem Abschnitt 78 zugeordnet. Die Sollwerteinheit 84 erzeugt einen Sollwert Id_set, wobei die Steuereinheit 86 einen Testwert IDelta erzeugt. Der Steuereinheit 86 werden hierbei die aktuellen Ist-Werte des Quadraturstroms Iq und der Direktkomponente Id zugeführt. Der Sollwert Id_set und der Testwert IDelta werden zu der Führungsgröße IMTPAControl kombiniert.The
Das von dem Optimalregler 82 durchgeführte Verfahren ist nachfolgend anhand der
Das Verfahren wird in einem Verfahrensschritt 88 gestartet und in einem nicht näher gezeigten Verfahrensschritt beendet.The method is started in a method step 88 and ended in a method step not shown in detail.
In einem ersten Verfahrensschritt 90 wird von dem Optimalregler 82 zunächst ein Nullstrom als Führungsgröße (IMTPAControl=0 A) ausgegeben, welche als anfängliche Schätzung für den MTPA-Betriebspunkt dient. Dieser Nullstrom ist insbesondere durch einen Sollwert Id_set von 0 A und durch einen Testwert IDelta von 0 A realisiert. Dieser Nullstrom wird anfänglich als Führungsgröße IMTPAControl für die Bestimmung der Regelabweichung Id_Error verwendet. Dadurch regelt der Regler 66 zunächst auf den geschätzten MTPA-Betriebspunkt, wodurch der Elektromotor 4 beziehungsweise die Maschine 2 in diesem (ersten) Betriebspunkt betrieben wird.In a
Nachdem sich der Elektromotor 4 beziehungsweise die Maschine 2 eingeregelt hat, wird in einem zweiten Verfahrensschritt 92 die Reaktion des Elektromotors 4 beziehungsweise der Maschine 2 auf diesen Betriebspunkt mit einer ersten Optimierungsgröße I1 erfasst. Die Optimierungsgröße I1 wird hierbei von dem Optimalregler 82 beziehungsweise der Steuereinheit 86 anhand der Ist-Werte des Quadraturstroms Iq und der Direktkomponente Id bestimmt. Beispielsweise wird als Optimierungsgröße I1 die Wurzel aus der Summe der Quadrate der Ist-Direktkomponente Id und des Ist-Quadraturstroms Iq verwendet: I1 = √(Id + Iq). Die Optimierungsgröße I1 wird in einem Speicher des Optimalreglers 82 hinterlegt.After the
In einem dritten Verfahrensschritt 94 wird eine (zweite) Führungsgröße IMTPAControl erzeugt, welche sich von der Führungsgröße IMTPAControl des Verfahrensschritts 90 unterscheidet. Durch die veränderte Führungsgröße IMTPAControl wird in der Folge die Regelabweichung Id_Error verändert, so dass der Regler 66 auf einen neuen (zweiten) Betriebspunkt regelt. Hierzu verändert der Optimalregler 82 den Sollwert Id_set um einen Testwert IDelta, welcher ungleich 0 A ist. Beispielsweise weist der Testwert IDelta hierbei einen Stromwert von 0,5 A auf, so dass der Sollwert Id_set - und somit die Führungsgröße IMTPAControl - um einen Wert von 0,5 A erhöht wird.In a
Nachdem sich der Elektromotor 4 beziehungsweise die Maschine 2 auf den neuen Betriebspunkt eingeregelt hat, wird die Reaktion des Elektromotors 4 beziehungsweise der Maschine 2 auf diesen zweiten Betriebspunkt mit einer zweiten Optimierungsgröße I2 im Verfahrensschritt 96 erfasst. Die Optimierungsgröße I2 wird analog zu der Optimierungsgröße I1 aus den aktuellen Ist-Werten des Quadraturstroms Iq und der Direktkomponente Id bestimmt. Beispielsweise wird als Optimierungsgröße I2 die Wurzel aus der Summe der Quadrate der Ist-Direktkomponente Id und des Ist-Quadraturstroms Iq verwendet: I2 = √(Id + Iq).After the
In einem Verfahrensschritt 98 werden die Optimierungsgrößen I1 und I2 ausgewertet. Hierzu wird beispielsweise ein Vergleich durchgeführt. Weist die erste Optimierungsgröße I1 einen besseren Motorbetrieb, also einen Motorbetrieb mit höheren Wirkungsgrad auf, so werden die Verfahrensschritte 90 bis 98 wiederholt, wobei das Vorzeichen des Testwerts IDelta im Verfahrensschritt 94 geändert wird.In a
Wenn der zweite Betriebspunkt den höheren Wirkungsgrad aufweist, also die zweite Optimierungsgröße I2 einen besseren Motorbetrieb aufweist, so wird der Sollwert Id_set in einem Verfahrensschritt 100 angepasst, dies bedeutet, dass bei der folgenden Durchführung der Verfahrensschritte 90 bis 98 kein Nullstrom für den Sollwert Id_set verwendet wird. Der Sollwert Id Set wird somit sukzessive oder iterativ an den tatsächlichen MTPA-Betriebspunkt angenähert. Beispielsweise wird als neuer Sollwert Id_set eine mit einem Regelfaktor k gewertete Differenz der Optimierungsgrößen (Zielgrößendifferenz) verwendet: Id_set = k (I2 - I1).If the second operating point has the higher efficiency, i.e. the second optimization variable I 2 has better engine operation, the setpoint I d_set is adjusted in a
Die
Wenn der Betriebspunkt des Verfahrensschritts 94' den höheren Wirkungsgrad aufweist, also die zweite Optimierungsgröße I2 einen besseren Motorbetrieb aufweist, so wird der Sollwert Id_set in einem Verfahrensschritt 100a angepasst. Wenn der Betriebspunkt des Verfahrensschritts 90' den höheren Wirkungsgrad aufweist, also die erste Optimierungsgröße I1 einen besseren Motorbetrieb aufweist, so wird der Sollwert Id_set in einem Verfahrensschritt 100b angepasst.If the operating point of method step 94' has the higher efficiency, that is to say the second optimization variable I 2 has better engine operation, then the setpoint value I d_set is adjusted in a
Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.The claimed invention is not limited to the embodiments described above. Rather, other variants of the invention can also be derived from this by the person skilled in the art within the scope of the disclosed claims without departing from the subject matter of the claimed invention. In particular, all of the individual features described in connection with the various exemplary embodiments can also be combined in other ways within the scope of the disclosed claims, without departing from the subject matter of the claimed invention.
So ist es beispielsweise denkbar, dass die Führungsgröße IMTPAControl zusätzlich zu der Direktkomponente Id auch den Quadraturstrom Iq führt oder beeinflusst. Um die Einregelung zu beschleunigen kann die Führungsgröße IMTPAControl auch zur Veränderung anderer Größen, insbesondere im Zuge einer Vorsteuerung, dienen.For example, it is conceivable that the command variable I MTPAControl also leads or influences the quadrature current I q in addition to the direct component I d . In order to accelerate the adjustment, the reference variable I MTPAControl can also be used to change other variables, particularly in the course of a pre-control.
Je nach Regelung (z. B. mit und ohne Geschwindigkeitsregler 80) können unterschiedliche Optimierungsgrößen verwendet werden. Beispielsweise wird als Optimierungsgröße der Batteriestrom IBat verwendet. Neben den Istwerten für dem Motorstrom können auch die Sollwerte Id_Set, Iq_set als Optimierungsgröße oder als Grundlage zur Bestimmung der Optimierungsgröße verwendet werden.Depending on the control (e.g. with and without speed controller 80), different optimization variables can be used. For example, the battery current I Bat is used as an optimization variable. In addition to the actual values for the motor current, the setpoint values I d_Set , I q_set can also be used as an optimization variable or as a basis for determining the optimization variable.
BezugszeichenlisteReference List
- 22
- Maschinemachine
- 44
- Elektromotorelectric motor
- 66
- Stromrichterpower converter
- 88th
- Stromquellepower source
- 1010
- Energiespeicherenergy storage
- 1212
- Zwischenkreisintermediate circuit
- 12a12a
- Hinleitungdirection
- 12b12b
- Rückleitungreturn line
- 1414
- Zwischenkreiskondensatorintermediate circuit capacitor
- 1616
- Brückenschaltungbridge circuit
- 1818
- Sternschaltungstar connection
- 2020
- Brückenmodulbridge module
- 22,24,2622,24,26
- Phasenendephase end
- 2828
- Sternpunktstar point
- 3030
- Induktivitätinductance
- 3232
- WiderstandResistance
- 34, 36, 3834, 36, 38
- Spannungsabfallvoltage drop
- 4040
- Spannungtension
- 4242
- Controllercontrollers
- 44, 4644, 46
- Halbleiterschaltersemiconductor switch
- 48, 5048, 50
- Potentialanschlusspotential connection
- 52, 5452, 54
- Steuerspannungseingangcontrol voltage input
- 5656
- WiderstandResistance
- 5858
- Induktivitätinductance
- 6060
- Shuntwiderstandshunt resistance
- 6262
- feldorientierte Regelungfield-oriented regulation
- 6464
- Stromregelungcurrent control
- 66, 6866, 68
- Reglercontroller
- 7070
- Spannungssteuersignalvoltage control signal
- 72, 74, 76, 7872, 74, 76, 78
- Abschnittsection
- 8080
- Geschwindigkeitsreglerspeed controller
- 8282
- Optimalregleroptimal controller
- 8484
- Sollwerteinheitsetpoint unit
- 8686
- Steuereinheitcontrol unit
- 88... 10088... 100
- Verfahrensschrittprocess step
- 90', 94'90', 94'
- Verfahrensschrittprocess step
- 100a, 100b100a, 100b
- Verfahrensschritt process step
- U, V, WAND MANY MORE
- Phase/Phasenwicklungphase/phase winding
- lu, Iv, Iwlu, Iv, Iw
- Phasenstrom/Ausgangsstromphase current/output current
- IEie
- Eingangsstrominput current
- UZKUCC
- Zwischenkreisspannungintermediate circuit voltage
- UGUG
- Erdpotentialearth potential
- IBatIBat
- Batteriestrombattery power
- UBatUBat
- Batteriespannungbattery voltage
- Idid
- Direktkomponentedirect component
- IqIq
- Quadraturstromquadrature current
- SetSpeedSetSpeed
- Soll-Geschwindigkeittarget speed
- Speedspeed
- Ist-GeschwindigkeitIs speed
- Iq_setIq_set
- Sollwertsetpoint
- Iq_ErrorIq_Error
- Regelabweichungdeviation
- UqUq
- Quadraturspannungquadrature voltage
- Id_setid_set
- Sollwertsetpoint
- IMTPAControlIMTPAControl
- Führungsgrößebenchmark
- Id_ErrorId_Error
- Regelabweichungdeviation
- UdUd
- GleichspannungskomponenteDC component
- 11, 1211, 12
- Optimierungsgrößeoptimization size
Claims (10)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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