DE102021211631A1

DE102021211631A1 - Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102021211631A1
Application number: DE102021211631.0A
Authority: DE
Inventors: Georg Mallebrein; Philip Nagel; Steffen Rose; Nils Steker; Daniel Neyer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-10-14
Filing date: 2021-10-14
Publication date: 2023-04-20
Also published as: CN115987175A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (2), der eine Achse oder ein drehbares Element einer Arbeitsmaschine (30) antreibt; wobei aus einem Signal (S) eine Drehzahl-Anforderung (n_a) und eine Maximaldrehmoment-Anforderung (M_a) bestimmt werden (110, 120); wobei basierend auf einem Ist-Drehmoment (M_i) und der Maximaldrehmoment-Anforderung (M_a) ein Drehmoment-Nutzungsfaktor (F) bestimmt wird (140); wobei eine Soll-Drehzahl (n_s) aus der Drehzahl-Anforderung (n_a) unter Berücksichtigung des Drehmoment-Nutzungsfaktors (F) bestimmt wird (150); und wobei die elektrische Maschine entsprechend der Soll-Drehzahl angesteuert wird (170).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine einer Arbeitsmaschine, insbesondere einer mobilen Arbeitsmaschine.
Hintergrund der Erfindung
Zunehmend werden auch mobile Arbeitsmaschinen mit elektrischen Antrieben ausgestattet. Dabei werden auch Antriebe, die bisher mit hydraulischen Motoren betrieben werden, durch rein elektrische Antriebe ersetzt. Beispiele bei einem Mobil-Bagger sind der Fahrmotor und der Drehwerksmotor.
Bei hydraulischen Antrieben ist es bei einem sanften Anfahren sehr einfach, z.B. mit Hilfe eines hydraulischen Rückschlagventils, ein Rückwärtsdrehen (etwa beim Anfahren an einem Hang) zu vermeiden. Die bisherige Realisierung mit einem Hydraulikmotor ermöglicht neben dem sicheren Vermeiden von Rückdrehen auch ein sanftes Anfahren mit Momentenbegrenzung durch ein zunächst langsames Schließen eines Bypassventils.
Bei elektrischen Antrieben ist es eine Herausforderung, sowohl ein sanftes Losdrehen zu ermöglichen als auch ein Rückwärtsdrehen sicher zu vermeiden. Steht z.B. ein Mobil-Bagger an einem Hang, wird bei einem beladenen und ausgeschwenkten Ausleger durch die Schwerkraft im Allgemeinen ein Drehmoment auf das Drehwerk des Baggers ausgeübt. Hier stellt sich das Problem, ein langsames und gegebenenfalls auch sanftes (d.h. mit Drehmomentbegrenzung) Andrehen des Drehwerks zu gewährleisten, ohne dass sich der Ausleger zunächst auf Grund der Schwerkraft in die Richtung der Schwerkraft dreht. Ähnlich stellt sich bei einem Fahrzeug mit elektrischem Fahrantrieb (z.B. ein Mobil-Bagger oder auch ein Elektroauto) das an einem Hang steht, das Problem, ein langsames Anfahren hangaufwärts zu erreichen, ohne dass das Fahrzeug zunächst zurückrollt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, eine Recheneinheit, eine Arbeitsmaschine, ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Mit der Erfindung ist es möglich, eine kupplungsfrei mit dem Antrieb verbundene elektrische Maschine so zu steuern bzw. zu betreiben, dass ein sanftes Andrehen oder Anfahren ohne Rückwärtsdrehen bzw. Rückwärtsrollen gewährleistet ist, wenn ein statisches Drehmoment auf dem Antrieb lastet.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft das Betreiben einer elektrischen Maschine, die eine Welle (bzw. Achse) oder ein drehbares Element einer Arbeitsmaschine, insbesondere einer mobilen Arbeitsmaschine, (eventuell über ein Getriebe, aber vorzugsweise ohne Kupplung) antreibt, wobei aus einem Signal (insbesondere einem Bediensignal, z.B. einem Joystick-Signal) eine Vorgabe-Drehzahl bestimmt wird, entsprechend der die elektrische Maschine angesteuert bzw. geregelt wird. Die Erfindung bedient sich der Maßnahme, aus dem Signal eine Drehzahl-Anforderung und eine Maximaldrehmoment-Anforderung zu bestimmen. Basierend auf einem Ist-Drehmoment (der elektrischen Maschine) und der Maximaldrehmoment-Anforderung wird ein Drehmoment-Nutzungsfaktor bestimmt, der bei der Bestimmung der Vorgabe-Drehzahl aus der Drehzahl-Anforderung (vorzugsweise multiplikativ) berücksichtigt wird. Durch die Berücksichtigung des Drehmoment-Nutzungsfaktors wird über die Reduktion der Vorgabe-Drehzahl bis hin zu einem Wert von Null eine Momentenlimitierung realisiert, so dass insbesondere ein langsames, momentenbegrenztes Anfahren bzw. Andrehen ermöglicht wird. Es erfolgt also eine vorteilhafte Vorverarbeitung des Signals, um die Vorgabe-Drehzahl, entsprechend dem die elektrische Maschine angesteuert bzw. geregelt wird, zu bestimmen.
Bevorzugt wird aus der Maximaldrehmoment-Anforderung und weiter bevorzugt weiteren Vorgaben, insbesondere einem Drehmoment einer Bremse, ein maximal abrufbares Drehmoment bestimmt, so dass eine Änderungsrate zumindest in betragsmäßig zunehmende Richtung des maximal abrufbaren Drehmoments beschränkt ist, wobei der Drehmoment-Nutzungsfaktor basierend auf dem maximal abrufbaren Drehmoment bestimmt wird. Neben dem maximal abrufbaren Drehmoment können bei der Bestimmung des Drehmoment-Nutzungsfaktors auch andere Größen berücksichtigt werden. Dies ermöglicht es, weitere Drehmoment-Vorgaben oder -Einschränkungen, z.B. durch eine mechanische Bremse, zu berücksichtigen. Der Ausdruck „zumindest in betragsmäßig zunehmende Richtung“ bezieht sich darauf, dass zumindest die Änderungsrate eines betragsmäßig zunehmenden maximal abrufbaren Drehmoments, d.h. die Zunahmerate des Betrags des maximal abrufbaren Drehmoments, beschränkt wird.
Bevorzugt wird der Drehmoment-Nutzungsfaktor mittels einer Nutzungsfaktor-Funktion aus einem Quotienten des Ist-Drehmoments und der Maximaldrehmoment-Anforderung oder gegebenenfalls einem Quotienten des Ist-Drehmoments und dem maximal abrufbaren Drehmoment bestimmt; wobei die Nutzungsfaktor-Funktion bevorzugt ausgehend von Null mit zunehmendem Betrag des Quotienten monoton abnimmt. Bevorzugt liegt der Drehmoment-Nutzungsfaktor im Intervall von 0 bis 1 und nimmt weiter bevorzugt mit zunehmendem Drehmoment (Ist-Drehmoment) und/oder abnehmender angeforderter Drehzahl (Maximaldrehmoment-Anforderung) ab (monoton oder streng monoton). Hier kann auch vorgesehen sein, dass der Drehmoment-Nutzungsfaktor zunächst bis zu einem bestimmten Wert des Quotienten, z.B. 0,5, konstant bleibt, vorzugsweise gleich 1,0 bleibt, und ab diesem Wert auf 0 abfällt, wobei der Abfall insbesondere in seiner Steilheit mit zunehmendem Quotienten zunehmen kann (monotone Abnahme). Bei hohem äußeren Drehmoment kann so eine sanfte, ruckfreie Drehung bzw. ein momentbegrenztes, ruckfreies Anfahren erreicht werden. Selbstverständlich kann der Drehmoment-Nutzungsfaktor in äquivalenter Weise auch als Prozentwert oder ähnlich angegeben werden, dann liegt bevorzugt der Drehmoment-Nutzungsfaktor in einem Intervall, das dem vorstehend genannten Intervall von 0 bis 1 entspricht, also im Falle eines Prozentwerts im Intervall von 0 bis 100 %.
Bevorzugt wird nach Berücksichtigung des Drehmoment-Nutzungsfaktors eine Vorgabe-Drehzahl erhalten (d.h. durch Berücksichtigung des Drehmoment-Nutzungsfaktors, z.B. durch Multiplikation mit diesem, aus der Drehzahl-Anforderung bestimmt), wobei die Vorgabe-Drehzahl gefiltert bzw. in ihrer Dynamik begrenzt wird, um die Soll-Drehzahl zu bestimmen. Das Filtern der Vorgabe-Drehzahl ermöglicht es, Drehzahl-Sollwert-Änderungen an die Vorgaben des Signals (z.B. Joystick-Signals) anzupassen (sanftes Auf-/Absteuern, schnelles Auf-/Absteuern, Kontern), um so unerwünschte Drehmomente und Drehmomentänderungen zu verhindern. Die erhaltene Soll-Drehzahl wird gegebenenfalls auch zusätzlich abhängig von Drehzahl-Istwert limitiert. Das zusätzliche Begrenzung der Soll-Drehzahl verhindert ein „Aufziehen“ der Drehzahl-Sollvorgabe, wenn der Istwert nicht folgen kann (weil beispielsweise das Drehwerk festgefahren ist).
Bevorzugt wird, wenn die Vorgabe-Drehzahl und/oder ein daraus abgeleiteter Wert außerhalb bestimmter Grenzen liegt, die Vorgabe-Drehzahl so geändert, dass die Grenzen eingehalten werden, um die Soll-Drehzahl zu bestimmen, wobei, wenn die Vorgabe-Drehzahl und/oder der daraus abgeleiteter Wert innerhalb der bestimmten Grenzen liegt, die Soll-Drehzahl als gleich der Vorgabe-Drehzahl bestimmt wird. Dieses Filtern der Vorgabe-Drehzahl ermöglicht es, unerwünschte Drehmomentänderungen, insbesondere starke bzw. schnelle Drehmomentanstiege, zu verhindern. Grenzen können jeweils auch nur in eine Richtung, z.B. Vergrößerung bzw. Vergrößerungsrate bzw. Zunahmerate des Betrags, vorgesehen sein. Anders gesagt können die Grenzen jeweils halbseitig beschränkte Intervalle eingrenzen.
Bevorzugt umfassen die Grenzen Drehzahlgrenzen, wobei, wenn die Vorgabe-Drehzahl außerhalb bestimmter Drehzahlgrenzen liegt, die Vorgabe-Drehzahl so geändert wird, dass die Drehzahlgrenzen eingehalten werden, um die Soll-Drehzahl zu bestimmen. Bevorzugt umfassen die Grenzen Änderungsratengrenzen, wobei eine Änderungsrate der Vorgabe-Drehzahl bestimmt wird, wobei, wenn die Änderungsrate außerhalb bestimmter Änderungsratengrenzen liegt, die Vorgabe-Drehzahl so geändert wird, dass die Änderungsratengrenzen eingehalten werden, um die Soll-Drehzahl zu bestimmen. Soll-Drehzahlen, die sich zu stark von der Ist-Drehzahl unterscheiden, und große Änderungen der Soll-Drehzahl, insbesondere schnelle Drehzahlanstiege, und in der Folge große Drehmomentänderungen (ruckartiges Drehen) können so vermieden werden. Die Änderungsrate der Soll-Drehzahl soll insbesondere in Richtung „Vergrößerung“ des Betrags der Soll-Drehzahl begrenzt werden soll. In Richtung absolute Drehzahl gegen Null soll der Soll-Drehzahl-Gradient nicht beschränkt werden. Insbesondere kann also vorgesehen sein, dass die Änderungsrate (Zunahmerate) bei zunehmenden Betrag der Soll-Drehzahl bzw. Vorgabe-Drehzahl begrenzt wird, wobei die Änderungsrate (Abnahmerate) bei abnehmenden Betrag der Soll-Drehzahl bzw. Vorgabe-Drehzahl nicht begrenzt wird.
„Änderungsrate“ ist hier im Sinne einer diskreten zeitlichen Ableitung zu verstehen. Die Zeitdiskretisierung ergibt sich insbesondere aus mit bestimmter Frequenz gemessen Ist-Werten, einer Bearbeitungsfrequenz eines Mikrocontrollers, der das Verfahren implementiert, und/oder einer Frequenz des Signals. Für eine Funktion f, die von der Zeit t abhängig ist, kann beispielsweise die Änderungsrate bzw. diskrete zeitliche Ableitung f` gegeben sein durch f`(t) = (f(t) - f(t - Δt))/Δt; wobei hier auch andere Ausdrücke denkbar sind, etwa als symmetrischer Ausdruck f`(t) = (f(t + Δt) - f(t - Δt))/(2Δt). Der zeitliche Abstand zwischen zwei diskreten Zeitpunkten wird als Zeitschritt Δt bezeichnet. Die Änderungsrate der Vorgabe-Drehzahl kann sowohl deren erste Ableitung als auch eine höhere, insbesondere die zweite, Ableitung sein. Selbstverständlich können auch mehrere Änderungsraten berücksichtigt werden, die auf verschiedene Weisen bestimmt werden, z.B. Ableitungen verschiedener Ordnung und/oder Ableitungen mit verschiedenen diskreten Zeitschritten Δt.
Bevorzugt werden die Drehzahlgrenzen und/oder die Änderungsratengrenzen unabhängig voneinander basierend auf einer Ist-Drehzahl der elektrischen Maschine und/oder basierend auf einem Drehmoment-Aufsteuergradienten-Begrenzungsfaktor und/oder basierend auf dem Signal und/oder gegebenenfalls basierend auf der Vorgabedrehzahl bestimmt; wobei weiter bevorzugt der Drehmoment-Aufsteuergradienten-Begrenzungsfaktor mittels einer Nutzungsgradient-Funktion aus dem Quotienten des Ist-Drehmoments und des maximal abrufbaren Drehmoments bestimmt wird. Insbesondere kann der Drehmoment-Aufsteuergradienten-Begrenzungsfaktor mittels einer Nutzungsgradient-Funktion aus einer Änderungsrate des Quotienten des Ist-Drehmoments und der Maximaldrehmoment-Anforderung bzw. des Quotienten des Ist-Drehmoments und des maximal abrufbaren Drehmoments bestimmt werden. Der Drehmoment-Aufsteuergradienten-Begrenzungsfaktor ermöglicht es insbesondere dann einen schnellen Drehmomentanstieg zu verhindern, wenn der Drehmoment-Aufsteuergradienten-Begrenzungsfaktor bereits einen hohen Wert erreicht hat. Auf diese Weise können Schwingungen bei der Bestimmung der Soll-Drehzahl vermieden werden.
Bevorzugt wird die Drehzahl-Anforderung durch eine monoton steigende oder monoton fallende erste Funktion aus dem Signal erhalten, wobei der Betrag der Steigung der ersten Funktion mit zunehmendem Betrag des Signals zunimmt und/oder wird die Maximaldrehmoment-Anforderung durch eine (vorzugsweise streng) monoton steigende zweite Funktion des Betrags des Signals erhalten, wobei bevorzugt die zweite Funktion linear ist oder innerhalb vorgegebener Grenzen durch eine lineare Funktion approximiert werden kann. Bei Verwendung einer Benutzerschnittstelle, z.B. eines Joysticks, um das Signal zu erfassen, wird somit bei kleinen Schnittstellensignalen ein sanftes Drehen mit ausreichend Drehmoment ermöglicht.
Bevorzugt ist das Signal ein Ausgangssignal einer Benutzerschnittstelle, insbesondere eines Joysticks, wobei das Verfahren ein Erfassen des Signals durch die und/oder der Benutzerschnittstelle umfasst. Diese Ausgestaltung ist zweckmäßig, da sie die Bedienung durch einen Bediener der Arbeitsmaschine ermöglicht.
Bevorzugt wird durch eine Reglerstruktur aus der Vorgabe-Drehzahl und einer Ist-Drehzahl ein Stell-Drehmoment bestimmt, mit dem die elektrische Maschine angesteuert wird, wobei die Reglerstruktur einen beschränkten integrierenden Regler und bevorzugt einen beschränkten proportionalen Regler umfasst, wobei der beschränkte integrierende Regler basierend auf Integralgrenzen beschränkt wird, die durch eine Integralgrenzen-Funktion bestimmt werden. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine einfache, rechenressourcenschonende Implementierung in einem einzelnen Steuergerät, z.B. Mikrocontroller, der Arbeitsmaschine.
Bevorzugt ist die Integralgrenzen-Funktion eine Funktion von Vorgabe-Drehzahl und/oder des Drehmoments der elektrischen Maschine und/oder weiteren Größen wie der aus dem Drehmoment adaptierten Hangneigung. Die Integralgrenzen-Funktion kann insbesondere so gewählt werden, dass bei kleinen Vorgabe-Drehzahlen ein Halten gegen ein statisches Drehmoment ermöglicht wird.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät einer Arbeitsmaschine, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Eine erfindungsgemäße Arbeitsmaschine umfasst eine elektrische Maschine, die eine Achse oder ein drehbares Element der Arbeitsmaschine antreibt, und eine erfindungsgemäße Recheneinheit.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt ein Ablaufdiagramm gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, in dem insbesondere ein Vorverarbeitungs-Ablauf gezeigt ist, der es ermöglicht, aus einem Signal, insbesondere einem Benutzerschnittstellen-Signal, eine Vorgabe-Drehzahl für eine elektrische Maschine zu gewinnen.
2 zeigt eine Reglerstruktur zur Ansteuerung der elektrischen Maschine gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
3 zeigt beispielhaft eine Arbeitsmaschine, nämlich einen mobilen Bagger, in der die Erfindung implementiert werden kann.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt ein Ablaufdiagramm gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, in dem insbesondere ein Vorverarbeitungs-Ablauf gezeigt ist, der es ermöglicht, aus einem Signal S, insbesondere einem Benutzerschnittstellen-Signal, eine Soll-Drehzahl n_s für eine elektrische Maschine 2 einer Arbeitsmaschine zu gewinnen. Gezeigt ist eine Benutzerschnittstelle 105, z.B. ein Joystick, durch die in Schritt 100 eine Benutzereingabe erfasst und in das Signal S gewandelt wird. Das Signal S entspricht beispielsweise einer Joystick-Auslenkung. Das Signal S entspricht insbesondere einer Zahl innerhalb eines bestimmten Wertebereichs, der vorzugsweise Null einschließt, und soll anzeigen, in welche Richtung (Vorzeichen von S) und mit welcher Geschwindigkeit eine Drehung der von der elektrischen Maschine 2 angetriebenen Achse bzw. des vom der elektrischen Maschine angetriebenen drehbaren Elements erwünscht ist. Im Allgemeinen kann, statt durch eine Benutzerschnittstelle, das Signal S auch auf andere Weise, insbesondere durch eine automatische Steuerung der Arbeitsmaschine, erhalten werden.
Aus dem Signal S werden eine Drehzahl-Anforderung n_a (Schritt 110) und eine Maximaldrehmoment-Anforderung M_a (Schritt 120) bestimmt. Zur Bestimmung der Drehzahl-Anforderung n_a in Schritt 110 wird das Signal S bevorzugt mittels einer monoton, vorzugsweise streng monoton, steigenden oder fallenden (je nachdem, wie das Vorzeichen des Signals S mit dem Vorzeichen der Drehzahl, das die Drehrichtung der Achse bzw. des drehbaren Elements angibt, zusammenhängt) Funktion bzw. auf die Drehzahl-Anforderung n_a abgebildet. Bevorzugt ist diese Abbildung progressiv, d.h. bei betragsmäßig kleinen Signalwerten ist der Betrag der Steigung der Abbildung gering und nimmt mit dem Betrag der Signalwerte zu.
Die Bestimmung der Maximaldrehmoment-Anforderung M_a in Schritt 120 erfolgt bevorzugt basierend auf dem Betrag |S| des Signals S, der durch eine Funktion 125, die vorzugsweise monoton steigend, insbesondere linear oder im Wesentlichen linear (d.h. Funktionswerte können innerhalb bestimmter Grenzen, z.B. plus/minus 20 %, durch eine lineare Funktion approximiert werden), ist, auf die Maximaldrehmoment-Anforderung M_a abgebildet wird.
Im bevorzugten Schritt 130 wird aus der Maximaldrehmoment-Anforderung M_a und optional weiteren Vorgaben M_b bzw. Einschränkungen ein maximal abrufbares Drehmoment M_m bestimmt. Die (optionalen) weiteren (Drehmoment-)Vorgaben können etwa durch ein Drehmoment M_b einer mechanischen Bremse oder durch Leistungsvorgaben der Stromversorgung (Batterie o.ä.), die das erzielbare Drehmoment einschränken, gegeben sein. Gegebenenfalls kann aus der Maximaldrehmoment-Anforderung M_a und den weiteren Vorgaben zunächst ein Zwischen-Maximaldrehmoment bestimmt werden, insbesondere als Minimum der verschiedenen Vorgaben (Maximaldrehmoment-Anforderung M_a und weitere Vorgaben). Weiter wird die Änderungsrate der Maximaldrehmoment-Anforderung M_a bzw., falls weitere Vorgaben gegeben sind, des Zwischen-Maximaldrehmoments beschränkt, d.h. der Gradient 135 der Maximaldrehmoment-Anforderung M_a bzw. des Zwischen-Maximaldrehmoments wird limitiert. Das maximal abrufbares Drehmoment M_m wird als die im Gradienten limitierte Maximaldrehmoment-Anforderung M_a bzw. das im Gradienten limitierte Zwischen-Maximaldrehmoment bestimmt.
Falls auf Schritt 130 verzichtet wird, wird das maximal abrufbare Drehmoment M_m gleich der Maximaldrehmoment-Anforderung M_a gesetzt bzw., anders formuliert, statt des maximal abrufbaren Drehmoments M_m wird im nachfolgenden Schritt 140 die Maximaldrehmoment-Anforderung M_a verwendet.
In Schritt 140 wird aus dem maximal abrufbaren Drehmoment M_m und einem aktuellen Drehmoment bzw. Ist-Drehmoment M_i der elektrischen Maschine 2 ein Drehmoment-Nutzungsfaktor F bestimmt. Wie in einem eingezeichneten Ausschnitt skizziert, wird dabei bevorzugt zunächst der Quotient aus Ist-Drehmoment M_i und maximal abrufbaren Drehmoment M_m berechnet, insbesondere aus dem Betrag des Ist-Drehmoments M_i und dem maximal abrufbaren Drehmoment M_m berechnet. Der Quotient weist typischerweise einen Wert zwischen Null und einem Maximalwert von 1.0 oder auch kurzzeitig etwas größer als 1.0 auf. Der Quotient weist typischerweise konstruktionsbedingt einen Wert von -1 bis 1 auf. Der Drehmoment-Nutzungsfaktor F wird dann mittels einer Funktion bzw. Nutzungsfaktor-Funktion dieses Quotienten berechnet. Vorzugsweise weist die Nutzungsfaktor-Funktion für betragsmäßig niedrige Werte, nahe 0, des Quotienten einen höheren Funktionswert auf als für betragsmäßig größere Werte, nahe 1. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Nutzungsfaktor-Funktion für einen Quotienten mit Wert 0 einen Funktionswert ungleich (und größer) Null aufweist, z.B. gleich 1, und monoton mit größer werdendem Betrag des Quotienten abfällt, so dass beispielsweise bei einem Quotienten mit Betrag 1 der Funktionswert gleich Null ist. Diese Ausführung ist in einem Detail-Ausschnitt in der Figur skizziert, wobei hier der Funktionswert zunächst konstant für von 0 ausgehend zunehmenden Quotienten ist und ab einem bestimmten Wert des Quotienten (z.B. ein Wert im Bereich von 0,4 bis 0,8) linear auf Null abfällt. Selbstverständlich sind auch andere funktionale Abhängigkeiten denkbar.
Weiterhin wird in Schritt 140 vorzugsweise ein Drehmoment-Aufsteuergradienten-Begrenzungsfaktor G bestimmt. Dieser wird so bestimmt, dass er die betragsmäßige Vergrößerung der Soll-Drehzahl verlangsamt, das Verkleinern des Betrags der Soll-Drehzahl ist jedoch nicht verlangsamt. Dieser wird bevorzugt basierend auf einem Quotienten-Gradienten, d.h. basierend auf einer Änderungsrate bzw. zeitlichen Ableitung des Quotienten aus Ist-Drehmoment M_i und maximal abrufbaren Drehmoment M_m, berechnet, wobei eine Nutzungsgradient-Funktion verwendet werden kann. Die Nutzungsgradient-Funktion kann die gleiche oder eine ähnliche funktionale Abhängigkeit aufweisen, wie die vorstehend beschriebene Nutzungsfaktor-Funktion. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Nutzungsgradient-Funktion für einen Quotienten-Gradienten einen von Null verschiedenen Wert aufweist und mit zunehmenden Quotienten-Gradienten monoton abfällt. Nutzungsfaktor-Funktion und/oder Nutzungsgradient-Funktion sind vorzugsweise stetig. Zusammenfassend realisieren die Schritte 140, 150 und 160 die Momentenbegrenzung durch eine schnelle Abregelung der Soll-Drehzahl (Ausgang von Schritt 160) auf Null, wenn das Ist-Moment (M_i) das maximal abrufbare Drehmoment (M_m) erreicht oder sogar überschreitet. Die gleichzeitige Reduktion des Sollwerts (Schritt 150) durch Faktor F sowie die Reduktion des Soll-Drehzahl Aufsteuergradienten (durch Faktor G) ermöglicht ein schwingungsfreies Verhalten.
Basierend auf dem Drehmoment-Nutzungsfaktor F wird in Schritt 150 die Drehzahl-Anforderung n_a modifiziert, um eine Vorgabe-Drehzahl n_v zu erhalten. Bevorzugt erfolgt dies, wie in der Figur dargestellt, durch Multiplikation der Drehzahl-Anforderung n_a mit dem Drehmoment-Nutzungsfaktor F; n_v = F · n_a. Allgemeiner sind auch andere Abbildungen denkbar.
Die Vorgabe-Drehzahl n_v kann als Soll-Drehzahl n_s für die Ansteuerung 170 der elektrischen Maschine 2 verwendet werden. Bevorzugt ist allerdings in Schritt 160 ein Ändern bzw. Korrigieren bzw. Filtern der Vorgabe-Drehzahl n_v vorgesehen, um die Soll-Drehzahl n_s zu bestimmen. Dabei wird geprüft, ob die Vorgabe-Drehzahl n_v selbst und/oder Werte, die aus der Vorgabe-Drehzahl abgeleitet werden können, innerhalb bestimmter entsprechender Grenzen liegen. Aus der Vorgabe-Drehzahl n_v abgeleitete Werte können bevorzugt eine oder mehrere Änderungsraten der Vorgabe-Drehzahl n_v sein, insbesondere deren erste zeitliche Ableitung oder eine zeitliche Ableitung höherer Ordnung.
Die Grenzen sind nicht zwangsläufig feststehend, sondern werden bevorzugt basierend auf der Ist-Drehzahl n_i der elektrischen Maschine 2 und/oder basierend auf dem Drehmoment-Aufsteuergradienten-Begrenzungsfaktor G bestimmt. Insbesondere können Drehzahlgrenzen (d.h. eine untere und einer obere Drehzahlgrenze) aus der Ist-Drehzahl n_i bestimmt werden und Änderungsratengrenzen aus dem Drehmoment-Aufsteuergradienten-Begrenzungsfaktor G bestimmt werden. Wenn eine oder mehrere der dieser Grenzen nicht eingehalten wird, erfolgt eine Änderung der Vorgabe-Drehzahl n_v, so dass die Grenze bzw. die Grenzen von der Soll-Drehzahl n_s eingehalten werden. Die geänderte Vorgabe-Drehzahl n_v wird dann als die Vorgabe-Drehzahl n_s verwendet. Wenn die Grenzen eingehalten werden, kann die Vorgabe-Drehzahl n_v selbst als Soll-Drehzahl n_s verwendet werden.
Obwohl nicht explizit in der Figur dargestellt, ist bei den Berechnungen das Vorzeichen der Größen, insbesondere der Drehzahl (entsprechend verschiedenen Drehrichtungen) zu berücksichtigen und eventuell dem Vorzeichen gesondert Rechnung zu tragen. Insbesondere ist das Vorzeichen gesondert zu berücksichtigen, wenn Größen, die aus nichtvorzeichenbehafteten Größen (z.B. Maximaldrehmoment-Anforderung M_a) abgleitet sind, mit vorzeichenbehafteten Größen zusammengeführt werden.
Die Soll-Drehzahl n_s wird von einer Ansteuerung 170 zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 2 verwendet. Dabei erfolgt im Allgemeinen eine Regelung durch die Ansteuerung 170, wobei ein Stell-Drehmoment M_q bestimmt wird, mit dem die elektrische Maschine 2 angesteuert wird. Eine entsprechende bevorzugte Reglerstruktur 51 wird nachfolgend anhand der 2 erläutert. Falls das Ist-Drehmoment M_i typischerweise nicht eigens erfasst wird, wird das Ist-Drehmoment M_i vorzugsweise gleich dem Stell-Drehmoment M_q gesetzt. In der Regel wird das Ist-Drehmoment aus dem Inverter-Strom (d und q-Anteil) mit Kenntnis der Motorparameter (Magnetfluss, Polpaarzahl,..) bestimmt.
2 zeigt eine mögliche Reglerstruktur 51 zur Ansteuerung der elektrischen Maschine. Es wird ausgehend von der Soll-Drehzahl n_s und der Ist-Drehzahl n_i ein Stell-Drehmoment M_q bestimmt, mittels dem die elektrische Maschine angesteuert wird.
Die Reglerstruktur 51 der 2 bildet die Differenz D zwischen Soll-Drehzahl n_s und Ist-Drehzahl n_i und bestimmt aus dieser Differenz D das Stell-Drehmoment M_q. Dazu umfasst die Reglerstruktur 51 einen beschränkten integrierenden Regler 54 (bzw. ein integrierendes Glied) und bevorzugt einen beschränkten proportionalen Regler 58 (bzw. ein proportionales Glied) sowie optional einen beschränkten differenzierenden Regler 62 (bzw. ein differenzierendes Glied), die Summanden bestimmen, die addiert werden, um das Stell-Drehmoment M_q zu bestimmen. Ebenso kann für den integrierenden Regler 54, gegebenenfalls für den proportionalen Regler 58 und den differenzierenden Regler 62 jeweils ein Umrechnungsglied 52, 56, 60 (Regler-Parameter; P,I,D-Verstärkungsfaktor) vorgesehen sein, dass die Differenz D mit einem Proportionalitätsfaktor multipliziert, um das Eingangssignal bzw. den Eingangswert für den jeweiligen Regler 54, 58, 62 zu bestimmen.
Der beschränkte integrierende Regler 54 (I-Regler, I-Glied, Übertagungsfunktion G(s) ~ 1/s), wird basierend auf (zwei) Integralgrenzen I_u, I_o beschränkt, d.h. die Differenz D wird über die Zeit integriert, wobei das Integral, das die Ausgabe bildet, so eingeschränkt wird, dass sie zwischen den Integralgrenzen liegt. Diese Beschränkung ist im Regler als Beschränkungsfunktion symbolisiert.
Die Integralgrenzen I_u, I_o sind nicht fest vorgegeben, sondern werden durch eine Integralgrenzen-Funktion G_I (symbolisiert durch ein entsprechendes Regler-Modul 64) bestimmt, die eine Funktion der Soll-Drehzahl n_s und/oder des Drehmoments M_i der elektrischen Maschine 2 ist. Vorzugsweise ist die Integralgrenzen-Funktion G_I eine Funktion der Soll-Drehzahl n_s. Die Integralgrenzen-Funktion ordnet jeder Eingabe (Soll-Drehzahl und/oder Drehmoment) die untere Integralgrenze I_u und die obere Integralgrenze I_o zu. Gleichbedeutend kann von einer unteren Integralgrenzen-Funktion G_Iu, die die untere Integralgrenze I_u bestimmt, und einer oberen Integralgrenzen-Funktion G_Io, die die obere Integralgrenze I_o bestimmt, gesprochen werden; G_I(·) = (G_Iu(·), G_Io(·)). Bevorzugt werden die Grenzen des integralen Reglers in Abhängigkeit der Soll-Drehzahl gemacht. Bei einem kleinen Betrag der Soll-Drehzahl sollen die Integralgrenzen so weit gewählt werden, so dass ein ausreichend hohes Moment erzielt wird, um ein Festhalten gegenüber Rückdrehen zu erreicht wird. Bei höheren Beträgen der Vorgabe-Drehzahl sollen die Integralgrenzen reduziert werden. Der Betrag der Integralgrenzen-Funktion nimmt also bevorzugt mit zunehmendem Betrag der Soll-Drehzahl ab; weiter bevorzugt ist diese Abnahme monoton oder streng monoton. Bevorzugt ist die Integralgrenzen-Funktion symmetrisch bezüglich der Soll-Drehzahl n_s (G_I(n_s) = G_I(-n_s)). Ebenso bevorzugt ist untere Integralgrenzen-Funktion G_Iu gleich dem negativen der oberen Integralgrenzen-Funktion G_Io; G_Iu(n_s) = -G_Io(n_s).
Alternativ können die Integralgrenzen auch aus einer Erkennung des Schrägstands (z.B. Slope-Adaption oder Neigungssensor bzw. Sensor zur Erkennung der Hanglage) und der aktuellen Position der Ausrüstungen und/oder der Armelemente eines Arms oder Auslegers (Arbeitszylinder) abgeleitet werden um dem Umstand Rechnung zu tragen, dass ein statisches Drehmoment, das durch den Schrägstand erzeugt wird, abgeglichen werden muss.
Bevorzugt umfasst die Reglerstruktur 51 weiterhin einen beschränkten proportionalen Regler 58 (P-Regler, P-Glied, Übertagungsfunktion G(s) = konstant), z.B. einen Regler, dessen Ausgabe innerhalb bestimmter unterer und oberer Grenzen (durch Pfeile symbolisiert) proportional zur Eingabe (Differenz D) ist und, falls die Ausgabe unter oder über der jeweiligen Grenze liegen würde, gleich der unteren bzw. oberen Grenze gesetzt wird. Hier sind auch abweichende Ausgestaltungen mit anderen Übergängen denkbar. Die beschränkte Ausgabe des beschränkten proportionalen Reglers 58 wird zur Ausgabe des integrierenden Reglers 54 addiert.
Optional kann die Reglerstruktur einen beschränkten differenzierenden Regler 62 (D-Regler, D-Glied, Übertagungsfunktion G(s) ~ s) umfassen. Die Ausgabe des differenzierenden Reglers ist proportional zur zeitlichen Ableitung der Eingabe (Differenz D), wobei wieder eine Beschränkung der Ausgabe durch eine untere und eine obere Grenze (durch Pfeile symbolisiert) erfolgt. Die beschränkte Ausgabe des differenzierenden Reglers 62 wird zur Ausgabe des integrierenden Reglers 54 und gegebenenfalls des proportionalen Reglers 58 addiert, um das Stell-Drehmoment M_q zu bestimmen.
Die Grenzen des beschränkten proportionalen Reglers 58 und gegebenenfalls des beschränkten differenzierenden Reglers 62 können fest vorgegebene Grenzen sein.
Für den integrierenden Regler 54 und gegebenenfalls für den proportionalen Regler 58 und/oder den differenzierenden Regler 62 kann jeweils ein Umrechnungsglied 52, 56, 60 vorgesehen sein, dass die Differenz D mit einem Proportionalitätsfaktor multipliziert, um das Eingangssignal bzw. den Eingangswert für den jeweiligen Regler 54, 58, 62 zu bestimmen. Dies erlaubt einerseits eine unterschiedliche Gewichtung der Regler und andererseits können die Einheiten in geeigneter Weise umgerechnet werden (d.h. die Proportionalitätsfaktoren sind einheitenbehaftet). Die Proportionalitätsfaktoren können konstant gewählt werden. Es ist auch denkbar, dass die Proportionalitätsfaktoren in Abhängigkeit von bestimmten Gegebenheiten einstellbar sind, z.B. könnte vorgesehen sein, die Proportionalitätsfaktoren in Abhängigkeit vom Gewicht einer durch die Arbeitsmaschine aufgenommenen Last einzustellen, wenn die Arbeitsmaschine über eine Wiegefunktion verfügt.
3 zeigt einen Bagger 30, in dem elektrische Antriebe, die entsprechend der Erfindung geregelt werden können, vorgesehen sein können. Der Bagger 30 umfasst ein Fahrgestell 32 und einen darauf drehbar montierten Aufbau 34. Am Fahrgestell montierte Räder 36 können über einen erfindungsgemäß betriebenen, im Einzelnen nicht dargestellten elektrischen Fahr-Maschine angetrieben werden, dabei wird wenigstens eine Radachse, an der wenigstens eines der Räder befestigt ist, direkt oder über ein Getriebe mit der elektrischen Fahr-Maschine gekoppelt. Elektrische Fahr-Maschine, gegebenenfalls Getriebe und Räder bilden zusammen einen Fahrantrieb, der die Fahrbewegung des Baggers ermöglicht. Eine Drehung des Aufbaus relativ zum Fahrgestell wird durch ein Drehwerk 38 ermöglicht, welches über einen elektrischen Drehwerks-Maschine, der erfindungsgemäß betrieben wird, wobei vorzugsweise ein Getriebe vorgesehen ist. Das Drehwerk 38 bzw. dessen Antrieb ist in der Figur vergrößert dargestellt, wobei auf einer Ausgangswelle einer elektrischen Maschine 2 ein Zahnrad 37 angeordnet ist, das mit einem Zahnkranz 39 zusammenwirkt. Am Aufbau 34 ist ein Ausleger bzw. Baggerarm 40 befestigt, an dessen Ende sich eine Schaufel 42 befindet. Ausleger, Arm und Schaufel werden hier beispielsweise über eine Elektro-Hydraulik 44 mittels Hydraulikzylindern 46 bewegt bzw. angetrieben. Allerdings wäre auch hier ein rein elektrischer Anrieb unter Verwendung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens denkbar. Eine Batterie 48 versorgt den Fahr-Motor, die elektrische Drehwerks-Maschine und/oder die Elektro-Hydraulik mit elektrischer Energie. Wird der Bagger 30 in einer Hanglage eingesetzt, werden, je nach relativem Winkel zum Hang und der Stellung des Auslegers, des Arms und der Schaufel, aufgrund der Hangabtriebskraft und dem Gewicht des Auslegers Drehmomente auf die Fahr-Maschine bzw. Drehwerks-Maschine ausgeübt.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (2), der eine Achse oder ein drehbares Element einer Arbeitsmaschine (30) antreibt; wobei aus einem Signal (S) eine Drehzahl-Anforderung (n_a) und eine Maximaldrehmoment-Anforderung (M_a) bestimmt werden (110, 120); wobei basierend auf einem Ist-Drehmoment (M_i) und der Maximaldrehmoment-Anforderung (M_a) ein Drehmoment-Nutzungsfaktor (F) bestimmt wird (140); wobei eine Soll-Drehzahl (n_s) aus der Drehzahl-Anforderung (n_a) unter Berücksichtigung des Drehmoment-Nutzungsfaktors (F) bestimmt wird (150); und wobei die elektrische Maschine entsprechend der Soll-Drehzahl angesteuert wird (170).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei aus der Maximaldrehmoment-Anforderung (M_a) und bevorzugt weiteren Vorgaben, insbesondere einem Drehmoment (M_b) einer Bremse, ein maximal abrufbares Drehmoment (M_m) bestimmt wird (130), so dass eine Änderungsrate zumindest in betragsmäßig zunehmende Richtung des maximal abrufbaren Drehmoments beschränkt ist; wobei der Drehmoment-Nutzungsfaktor (F) basierend auf dem maximal abrufbaren Drehmoment (M_m) bestimmt wird (140).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Drehmoment-Nutzungsfaktor (F) mittels einer Nutzungsfaktor-Funktion aus einem Quotienten des Ist-Drehmoments (M_i) und der Maximaldrehmoment-Anforderung (M_a) oder, falls abhängig von Anspruch 2, einem Quotienten des Ist-Drehmoments und dem maximal abrufbaren Drehmoment (M_m) bestimmt wird; wobei die Nutzungsfaktor-Funktion bevorzugt ausgehend von Null mit zunehmendem Betrag des Quotienten monoton abnimmt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei nach Berücksichtigung des Drehmoment-Nutzungsfaktors (F) eine Vorgabe-Drehzahl (n_v) erhalten wird, insbesondere durch Multiplikation der Drehzahl-Anforderung (n_a) mit dem Drehmoment-Nutzungsfaktor (F); wobei die Vorgabe-Drehzahl (n_v) gefiltert bzw. in ihrer Dynamik begrenzt wird, um die Soll-Drehzahl (n_s) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei, wenn die Vorgabe-Drehzahl (n_v) und/oder ein daraus abgeleiteter Wert außerhalb bestimmter Grenzen liegt, die Vorgabe-Drehzahl (n_v) so geändert wird, dass die Grenzen eingehalten werden, um die Soll-Drehzahl (n_s) zu bestimmen; und wobei, wenn die Vorgabe-Drehzahl (n_v) und/oder der daraus abgeleiteter Wert innerhalb der bestimmten Grenzen liegt, die Soll-Drehzahl (n_s) als gleich der Vorgabe-Drehzahl (n_v) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Grenzen Drehzahlgrenzen umfassen; wobei, wenn die Vorgabe-Drehzahl (n_v) außerhalb bestimmter Drehzahlgrenzen liegt, die Vorgabe-Drehzahl so geändert wird, dass die Drehzahlgrenzen eingehalten werden, um die Soll-Drehzahl (n_s) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Grenzen Änderungsratengrenzen umfassen; wobei eine Änderungsrate der Vorgabe-Drehzahl (n_v) bestimmt wird; wobei, wenn die Änderungsrate außerhalb bestimmter Änderungsratengrenzen liegt, die Vorgabe-Drehzahl (n_v) so geändert wird, dass die Änderungsratengrenzen eingehalten werden, um die Soll-Drehzahl (n_s) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Drehzahlgrenzen und/oder die Änderungsratengrenzen unabhängig voneinander basierend auf einer Ist-Drehzahl (n_i) der elektrischen Maschine und/oder basierend auf einem Drehmoment-Aufsteuergradienten-Begrenzungsfaktor (G) bestimmt werden; wobei bevorzugt der Drehmoment-Aufsteuerungs-Begrenzungsfaktors (G) aus dem Quotienten des Ist-Drehmoments und des maximal abrufbaren Drehmoments (M_m) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Drehzahl-Anforderung (n_a) durch eine monoton steigende oder monoton fallende erste Funktion aus dem Signal (S) erhalten wird, wobei der Betrag der Steigung der ersten Funktion mit zunehmendem Betrag des Signals zunimmt; und/oder wobei die Maximaldrehmoment-Anforderung (M_a) durch eine monoton steigende zweite Funktion des Betrags des Signals erhalten wird, wobei bevorzugt die zweite Funktion linear ist oder innerhalb vorgegebener Grenzen durch eine lineare Funktion approximiert werden kann.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Signal (S) ein Ausgangssignal einer Benutzerschnittstelle, insbesondere eines Joysticks (105), ist; und wobei das Verfahren ein Erfassen (100) des Signals (S) durch die und/oder der Benutzerschnittstelle umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei durch eine Reglerstruktur (51) aus der Soll-Drehzahl (n_s) und einer Ist-Drehzahl (n_i) ein Stell-Drehmoment (M_q) bestimmt wird, mit dem die elektrische Maschine angesteuert wird; wobei die Reglerstruktur (51) einen beschränkten integrierenden Regler (54) und bevorzugt einen beschränkten proportionalen Regler (58) umfasst, wobei der beschränkte integrierende Regler (54) basierend auf Integralgrenzen (I_u, I_o) beschränkt wird, die durch eine Integralgrenzen-Funktion (64) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Integralgrenzen-Funktion eine Funktion von Soll-Drehzahl (n_s) und/oder des Drehmoments (M_i) der elektrischen Maschine ist und/oder weiteren Größen wie der aus dem Drehmoment adaptierten Hangneigung ist.
Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Arbeitsmaschine (30) umfassend eine elektrische Maschine (2), die eine Achse oder ein drehbares Element der Arbeitsmaschine (30) antreibt, und eine Recheneinheit gemäß Anspruch 13.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 15.