DE102022116947A1 - Verfahren, Steuergerät und Computerprogrammprodukt zur Bestimmung von Maschinenparametern einer elektrischen Maschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung von elektromagnetischen und/oder thermischen Maschinenparametern (Θ) einer elektrischen Maschine. In dem Verfahren werden erste Betriebsgrößen (A) der elektrischen Maschine zu einem ersten Zeitschritt (k-1) und einem zweiten Zeitschritt (k) erfasst und mindestens eine zweite Betriebsgröße (σ) der elektrischen Maschine oder eines mit der elektrischen Maschine in Verbindung stehenden Systems erfasst. Der zweite Zeitschritt (k) ist durch das Erreichen einer vordefinierten Abweichung der mindestens einen zweiten Betriebsgröße (σ) im Vergleich zum Wert der mindestens einen zweiten Betriebsgröße (σ) zum ersten Zeitschritt (k-1) definiert, wobei die Abweichung aus einem Normalbetrieb der elektrischen Maschine resultiert. Die Maschinenparameter (Θ) werden durch einen Beobachter unter Verwendung der erfassten ersten Betriebsgrößen (A) des ersten Zeitschritts (k-1) und des zweiten Zeitschritts (k) bestimmt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Maschinenparametern einer elektrischen Maschine, ein zum Ausführen des Verfahrens eingerichtetes Steuergerät sowie ein Computerprogrammprodukt.
• Aus der DE 10 2017 221 610 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung von Maschinenparametern einer elektrischen Maschine bekannt, in dem eine Signalinjektion mit einem schwingenden Signal erfolgt. Die elektrische Maschine gibt auf die Signalinjektion eine Systemantwort aus, dessen Werte mittels eines Beobachters ermittelt werden und zur Ermittlung der Maschinenparameter genutzt werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Bestimmung von elektromagnetischen und/oder thermischen Maschinenparametern (Θ) einer elektrischen Maschine, wobei in dem Verfahren
• - erste Betriebsgrößen (A) der elektrischen Maschine zu einem ersten Zeitschritt (k-1) und einem zweiten Zeitschritt (k) erfasst werden,
• - mindestens eine zweite Betriebsgröße (σ) der elektrischen Maschine oder eines mit der elektrischen Maschine in Verbindung stehenden Systems erfasst wird,
• - der zweite Zeitschritt (k) durch das Erreichen einer vordefinierten Abweichung der mindestens einen zweiten Betriebsgröße (σ) im Vergleich zum Wert der mindestens einen zweiten Betriebsgröße (σ) zum ersten Zeitschritt (k-1) definiert ist und wobei die Abweichung aus einem Normalbetrieb der elektrischen Maschine resultiert,
• - die Maschinenparameter (Θ) durch einen Beobachter unter Verwendung der erfassten ersten Betriebsgrößen (A) des ersten Zeitschritts (k-1) und des zweiten Zeitschritts (k) bestimmt werden.
• Die Kenntnis über die Maschinenparameter ist essentiell für die Steuerung, Regelung und Überwachung der elektrischen Maschine.
• Der „Normalbetrieb der elektrischen Maschine“ ist im Zusammenhang der Erfindung so zu verstehen, dass eine Abweichung der zweiten Betriebsgröße (σ) der elektrischen Maschine im Vergleich zu einem vorherigen Zeitschritt aus Veränderungen des Betriebszustands der elektrischen Maschine zur Erfüllung sich ändernder Anforderungen an die elektrische Maschine, aus sich ändernden Umgebungsbedingungen der elektrischen Maschine oder aus systembedingten Schwankungen resultiert. Gezielte Änderungen des Betriebszustands der elektrischen Maschine zum Herbeiführen einer Differenz der zweiten Betriebsgrößen (σ), ohne dass diese Differenz zur Erfüllung sich ändernder Anforderungen an die elektrische Maschine notwendig ist, werden vom „Normalbetrieb der elektrischen Maschine“ nicht abgedeckt. Insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannte Signalinjektion hat das dedizierte Ziel, den Betriebszustand der elektrischen Maschine derart zu verändern, dass eine zur Bestimmung der Maschinenparameter erforderliche Abweichung der zweiten Betriebsgröße (σ) herbeigeführt wird. Entsprechend ist die bekannte Methode der Signalinjektion nicht vom erfindungsgemäßen „Normalbetrieb der elektrischen Maschine“ abgedeckt.
• Dadurch, dass zur Bestimmung des zweiten Zeitschritts (k) lediglich eine Abweichung der zweiten Betriebsgröße (σ) herangezogen wird, die aus einem Normalbetrieb der elektrischen Maschine resultiert, ermöglicht die Erfindung, dass zur Bestimmung der gesuchten Maschinenparameter lediglich solche Abweichungen benötigt werden, die ohnehin beim gewöhnlichen Betrieb der elektrischen Maschine oder eines mit der elektrischen Maschine in Verbindung stehenden Systems auftreten.
• Gemäß einer Ausführung des Verfahrens ist die Anzahl der zu bestimmenden Maschinenparameter (Θ) größer als der Rang der Beobachtbarkeitsmatrix des Beobachters. Dies bedeutet, dass mehr Maschinenparameter (Θ) bestimmt werden als linear unabhängige Zeilen- oder Spaltenvektoren in der Beobachtbarkeitsmatrix vorliegen. Entsprechend können nicht alle gesuchten Maschinenparameter (Θ) ohne Weiteres anhand eines einzelnen Betriebspunkts bestimmt werden. Dies wird im erfindungsgemäßen Verfahren gelöst, indem der Beobachter zwei Betriebspunkte der elektrischen Maschine betrachtet.
• Bevorzugt durchläuft der Beobachter zum Bestimmen der Maschinenparameter (Θ) folgende Schritte:
• - Ableiten einer tatsächlichen Systemantwort (y) der elektrischen Maschine für den zweiten Zeitschritt (k) aus den erfassten ersten Betriebsgrößen (A) des ersten Zeitschritts (k-1) und/oder des zweiten Zeitschritts (k),
• - Berechnen einer erwarteten Systemantwort (y_e) der elektrischen Maschine für den zweiten Zeitschritt (k),
• - Bestimmen einer Abweichung (ε) zwischen der tatsächlichen Systemantwort (y) der elektrischen Maschine und der erwarteten Systemantwort (y_e) der elektrischen Maschine,
• - Bestimmen der Maschinenparameter (Θ) für den zweiten Zeitschritt (k) aus der bestimmten Abweichung (ε).
• Weiterhin bevorzugt basiert die Berechnung der erwarteten Systemantwort (y_e) auf einer Auswahl der erfassten ersten Betriebsgrößen (A) der elektrischen Maschine und einer Auswahl von Werten der Maschinenparameter (Θ) des ersten Zeitschritts (k-1).
• Die ersten Betriebsgrößen (A) umfassen vorzugsweise den Strom (i_d, i_q) in einer d-Achse und einer q-Achse der elektrischen Maschine, die Spannung (u_d, u_q) in der d-Achse und der q-Achse der elektrischen Maschine und die Winkelgeschwindigkeit (ω_el) des Rotors der elektrischen Maschine.
• Als elektrische Maschine kommen bevorzugt permanenterregten Synchronmaschinen (PMSM) oder fremderregte Synchronmaschinen (FSM) in Betracht.
• Die mindestens eine zweite Betriebsgröße (σ) umfasst bevorzugt eine oder mehrere der folgenden Größen:
• - Strom (i_q) in der q-Achse der elektrischen Maschine,
• - Strom (i_d) in der d-Achse der elektrischen Maschine,
• - Spannung (u_q) in der q-Achse der elektrischen Maschine,
• - Spannung (u_d) in der d-Achse der elektrischen Maschine,
• - Winkelgeschwindigkeit (ω_el) des Rotors der elektrischen Maschine,
• - Temperatur (T) der elektrischen Maschine oder Teilkomponenten der elektrischen Maschine,
• - Drehmoment (M) der elektrischen Maschine,
• - zurückgelegte Strecke (s) eines die elektrische Maschine umfassenden Fahrzeugs,
• - Geschwindigkeit (v) des die elektrische Maschine umfassenden Fahrzeugs.
• Diese Größen variieren in einem Normalbetrieb der elektrischen Maschine und sind daher als Maß zur Definition der Zeitschritte geeignet. Die Größen, bspw. die Spannung (u_q) in der q-Achse der elektrischen Maschine, können sowohl Bestandteil der ersten Betriebsgrößen (A) als auch der zweite Betriebsgröße (σ) sein.
• Die Maschinenparameter (Θ) der elektrischen Maschine umfassen vorzugsweise den Permanentmagnetfluss (Ψ_PM), den elektrischen Statorwiderstand (R_s) und/oder die Induktivität (L_q, L_d).
• Der erste Zeitschritt (k-1) und der zweite Zeitschritt (k) werden vorzugsweise jeweils als eine Mittelungsperiode abgebildet.
• Ein erfindungsgemäßes Steuergerät ist zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet.
• Ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt umfasst Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch ein Steuergerät dieses veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
• Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figur näher erläutert.
• 1 zeigt schematisch das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der elektrischen Maschine um eine permanenterregte Synchronmaschine (PMSM) 10. In alternativen Ausführungsformen kann es sich bei der elektrischen Maschine um eine fremderregte Synchronmaschine (FSM) handeln.
• Im Verfahren werden erste Betriebsgrößen (A) der PMSM 10 zu einem ersten Zeitschritt (k-1) und einem zweiten Zeitschritt (k) erfasst.
• Des Weiteren wird eine zweite Betriebsgröße (σ) der PMSM 10 erfasst. Beispielhaft handelt es sich bei der zweiten Betriebsgröße um die Winkelgeschwindigkeit (ω_el) des Rotors der PMSM 10. In alternativen Ausführungen kann die zweite Betriebsgröße (σ) auch eine Betriebsgröße eines mit der PMSM 10 in Verbindung stehenden System sein. Auch ist es möglich, dass die zweite Betriebsgröße über eine Kombination mehrerer Betriebsgrößen der elektrischen Maschine und/oder eines mit der elektrischen Maschine in Verbindung stehenden System bestimmt wird.
• Über die erfasste zweite Betriebsgröße (σ) wird das Fortschreiten der Zeitschritte gesteuert. Der zweite Zeitschritt (k) wird durch das Erreichen einer vordefinierten Abweichung der zweiten Betriebsgröße (σ) im Vergleich zum Wert der zweiten Betriebsgröße (σ) zum ersten Zeitschritt (k-1) definiert. Im betrachteten Ausführungsbeispiel beträgt die zu erreichende vordefinierte Abweichung der Winkelgeschwindigkeit Δω_el=10 rad/s. Ebenfalls möglich sind vordefinierte Abweichungen in Form von relativen Größenänderungen (z.B. $\Delta {\mathrm{\omega }}_{\text{el}}=\left|\frac{{\mathrm{\omega }}_{\text{el}\text{,k}}-{\mathrm{\omega }}_{\text{el}\text{,k-1}}}{{\mathrm{\omega }}_{\text{el}\text{,k-1}}}\right|\ge \mathrm{0,02}$

  

  ) und variierende vordefinierte Abweichungen für verschiedene Betriebspunkte der elektrischen Maschine oder des damit in Verbindung stehenden Systems.
• Die Maschinenparameter (Θ) der PMSM 10 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als folgender Vektor darstellbar: $$\overrightarrow{\Theta }=\left[\begin{array}{c}{\text{R}}_{\text{S}}\\ {\text{L}}_{\text{q}}\\ {\text{L}}_{\text{d}}\\ {\mathrm{\psi }}_{\text{PM}}\end{array}\right],$$

  

  wobei R_s den elektrischen Statorwiderstand, L_q die Induktivität der q-Achse, L_d die Induktivität der d-Achse und Ψ_PM den Permanentmagnetfluss bezeichnet.
• Aus den ersten Betriebsgrößen (A) wird mittels des Beobachters 20 die tatsächliche Systemantwort (y) bestimmt. Diese entspricht zum zweiten Zeitschritt (k) im Ausführungsbeispiel dem folgenden Vektor: $$\overrightarrow{{\text{y}}_{\text{k}}}=\left[\begin{array}{c}{\text{u}}_{\text{d}\text{,k}}\\ {\text{u}}_{\text{d},\text{k-1}}\\ {\text{u}}_{\text{q},\text{k}}\\ {\text{u}}_{\text{q},\text{k}-1}\end{array}\right].$$

  
• Dabei kennzeichnen u_d,k die Spannung in der d-Achse zum Zeitschritt k, u_d,k-1 die Spannung in der d-Achse zum Zeitschritt k-1, u_q,k die Spannung in der q-Achse zum Zeitschritt k und u_q,k-1 die Spannung in der q-Achse zum Zeitschritt k-1.
• Die erwartete Systemantwort (y_e) zum zweiten Zeitschritt (k) lässt sich im Ausführungsbeispiel gemäß folgender Formel berechnen: $${\text{y}}_{\text{e}\text{,k}}={\text{X}}_{\text{k}}^{\text{T}}{\overrightarrow{\Theta }}_{\text{k}-1},$$

  
• Dabei kennzeichnen ${\text{X}}_{\text{k}}^{\text{T}}$

  

  die transponierte Datenmatrix und ${\overrightarrow{\Theta }}_{\text{k}-1}$

  

  die Betriebsparameter der PMSM 10 zum ersten Zeitschritt k-1.
• Die Datenmatrix (X_k) basiert im Ausführungsbeispiel auf einer Auswahl von ersten Betriebsgrößen (A) zum ersten und zweiten Zeitschritt: $${\text{X}}_{\text{k}}=\left[\begin{array}{cccc}{\text{i}}_{\text{d},\text{k}}& {\text{i}}_{\text{d},\text{k-1}}& {\text{i}}_{\text{q},\text{k}}& {\text{i}}_{\text{q},\text{k-1}}\\ -{\mathrm{\omega }}_{\text{el},\text{k}}\cdot {\text{i}}_{\text{q},\text{k}}& -{\mathrm{\omega }}_{\text{el},\text{k}-\text{1}}\cdot {\text{i}}_{\text{q},\text{k}-\text{1}}& \frac{\text{d}}{\text{dT}}{\text{i}}_{\text{d}\text{,k}}& \frac{\text{d}}{\text{dT}}{\text{i}}_{\text{d}\text{,k}-\text{1}}\\ \frac{\text{d}}{\text{dT}}{\text{i}}_{\text{d}\text{,k}}& \frac{\text{d}}{\text{dT}}{\text{i}}_{\text{d}\text{,k}-1}& {\mathrm{\omega }}_{\text{el},\text{k}-\text{1}}\cdot {\text{i}}_{\text{d},\text{k}}& {\mathrm{\omega }}_{\text{el},\text{k}-\text{1}}\cdot {\text{i}}_{\text{d},\text{k}-\text{1}}\\ 0& 0& {\mathrm{\omega }}_{\text{el},\text{k}}& {\mathrm{\omega }}_{\text{el},\text{k}-\text{1}}\end{array}\right],$$

  

  wobei gilt:
• i_d,k= Strom in der d-Achse zum zweiten Zeitschritt k,
• i_q,k= Strom in der q-Achse zum zweiten Zeitschritt k,
• ω_el,k= Winkelgeschwindigkeit des Rotors zum zweiten Zeitschritt k,
• i_d,k-1 = Strom in der d-Achse zum ersten Zeitschritt k-1,
• i_q,k-1 = Strom in der q-Achse zum ersten Zeitschritt k-1,
• ω_el,k-1 = Winkelgeschwindigkeit des Rotors zum ersten Zeitschritt k-1,
$$\text{T}=\text{Zeit}\text{.}$$

• Aus der erwarteten Systemantwort (y_e,k) und der tatsächlichen Systemantwort (y_k) kann die Abweichung (ε_k) berechnet werden: $${\overrightarrow{\epsilon }}_{\text{k}}={\overrightarrow{\text{y}}}_{\text{k}}-{\overrightarrow{\text{y}}}_{\text{e},\text{k}}$$

  
• Entsprechend der nachstehenden Gleichung wird die Verstärkungsmatrix (K_k) mittels der inversen Korrelationsmatrix (P_k-1) des ersten Zeitschritts (k-1) und dem aktuellen Datenvektor (X_k) berechnet, wobei E die Einheitsmatrix und λ den Vergessensfaktor kennzeichnet. Der Vergessensfaktor gibt an, wie schnell das Verfahren auf Änderungen der Parameter zwischen zwei Zeitschritten reagiert und wie gut das Verfahren Messrauschen unterdrückt. Üblicherweise liegt sein Wert zwischen 0,9 und 1. $${\text{K}}_{\text{k}}=\frac{{\text{P}}_{\text{k}-1}{\text{X}}_{\text{k}}}{\text{E}\mathrm{\lambda +}{\text{T}}_{\text{k}}^{\text{T}}{\text{P}}_{\text{k}-1}{\text{X}}_{\text{k}}}$$

  
• Ausgehend von der Verstärkungsmatrix für den Zeitschritt k wird die inverse Korrelationsmatrix (P_k) für den Zeitschritt k gemäß der nachstehenden Gleichung ermittelt: $${\text{P}}_{\text{k}}=\left(\text{E}-{\text{K}}_{\text{k}}{\text{X}}_{\text{k}}^{\text{T}}\right){\text{P}}_{\text{k}-1}\frac{1}{\mathrm{\lambda }}$$

  
• Nun können die Maschinenparameter (Θ) für den Zeitschritt k auf Basis der Maschinenparameter zum Zeitschritt k-1, der Verstärkungsmatrix sowie der Abweichung ε_k berechnet werden. $${\overrightarrow{\Theta }}_{\text{k}}={\overrightarrow{\Theta }}_{\text{k-1}}+{\text{K}}_{\text{k}}{\overrightarrow{\epsilon }}_{\text{k}}$$

  
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102017221610 A1 [0002]

Claims (11)

1. Verfahren zur Bestimmung von elektromagnetischen und/oder thermischen Maschinenparametern (Θ) einer elektrischen Maschine, wobei in dem Verfahren - erste Betriebsgrößen (A) der elektrischen Maschine zu einem ersten Zeitschritt (k-1) und einem zweiten Zeitschritt (k) erfasst werden, - mindestens eine zweite Betriebsgröße (σ) der elektrischen Maschine oder eines mit der elektrischen Maschine in Verbindung stehenden Systems erfasst wird, - der zweite Zeitschritt (k) durch das Erreichen einer vordefinierten Abweichung der mindestens einen zweiten Betriebsgröße (σ) im Vergleich zum Wert der mindestens einen zweiten Betriebsgröße (σ) zum ersten Zeitschritt (k-1) definiert ist und wobei die Abweichung aus einem Normalbetrieb der elektrischen Maschine resultiert, - die Maschinenparameter (Θ) durch einen Beobachter unter Verwendung der erfassten ersten Betriebsgrößen (A) des ersten Zeitschritts (k-1) und des zweiten Zeitschritts (k) bestimmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Anzahl der zu bestimmenden Maschinenparameter (Θ) größer ist als der Rang der Beobachtbarkeitsmatrix des Beobachters.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Beobachter zum Bestimmen der Maschinenparameter (Θ) folgende Schritte durchläuft: - Ableiten einer tatsächlichen Systemantwort (y) der elektrischen Maschine für den zweiten Zeitschritt (k) aus den erfassten ersten Betriebsgrößen (A) des ersten Zeitschritts (k-1) und/oder des zweiten Zeitschritts (k), - Berechnen einer erwarteten Systemantwort (y_e) der elektrischen Maschine für den zweiten Zeitschritt (k), - Bestimmen einer Abweichung (ε) zwischen der tatsächlichen Systemantwort (y) der elektrischen Maschine und der erwarteten Systemantwort (y_e) der elektrischen Maschine, - Bestimmen der Maschinenparameter (Θ) für den zweiten Zeitschritt (k) aus der bestimmten Abweichung (ε).
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Berechnen der erwarteten Systemantwort (y_e) basiert auf: - einer Auswahl der erfassten ersten Betriebsgrößen (A) der elektrischen Maschine, - einer Auswahl von Werten der Maschinenparameter (Θ) des ersten Zeitschritts (k-1).
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die ersten Betriebsgrößen (A) umfassen: - Strom (i_d, i_q) in einer d-Achse und einer q-Achse der elektrischen Maschine, - Spannung (u_d, u_q) in der d-Achse und der q-Achse der elektrischen Maschine, - Winkelgeschwindigkeit (ω_el) des Rotors der elektrischen Maschine.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei der elektrischen Maschine um eine permanenterregte Synchronmaschine (PMSM) handelt oder eine fremderregte Synchronmaschine (FSM) handelt.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens eine zweite Betriebsgröße (σ) eine oder mehrere der folgenden Größen umfasst: - Strom (i_q) in der q-Achse der elektrischen Maschine, - Strom (i_d) in der d-Achse der elektrischen Maschine, - Spannung (u_q) in der q-Achse der elektrischen Maschine, - Spannung (u_d) in der d-Achse der elektrischen Maschine, - Winkelgeschwindigkeit (ω_el) des Rotors der elektrischen Maschine, - Temperatur (T) der elektrischen Maschine oder Teilkomponenten der elektrischen Maschine, - Drehmoment (M) der elektrischen Maschine, - zurückgelegte Strecke (s) eines die elektrische Maschine umfassenden Fahrzeugs, - Geschwindigkeit (v) des die elektrische Maschine umfassenden Fahrzeugs.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Maschinenparameter (Θ) der elektrischen Maschine den Permanentmagnetfluss (Ψ_Pm), den elektrischen Statorwiderstand (R_s) und/oder die Induktivität (L_q, L_d) umfassen.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Zeitschritt (k-1) und der zweite Zeitschritt (k) jeweils als eine Mittelungsperiode abgebildet werden.
10. Steuergerät, eingerichtet zum Ausführen des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche.
11. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch ein Steuergerät dieses veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.

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