DE102022117961B3

DE102022117961B3 - Positionsschätzung für permanentmagnet-synchronmaschinenmittels rotorfluss-raumvektoridentifikation

Info

Publication number: DE102022117961B3
Application number: DE102022117961.3A
Authority: DE
Inventors: Pawel Szymula; Prerit Pramod
Original assignee: Steering Solutions IP Holding Corp
Current assignee: Steering Solutions IP Holding Corp
Priority date: 2022-07-12
Filing date: 2022-07-19
Publication date: 2023-12-14
Anticipated expiration: 2042-07-20
Also published as: CN117439471A; US20240022194A1; US11936316B2

Abstract

Ein Verfahren zum Steuern einer Permanentmagnet-Synchronmaschine (PMSM) umfasst: Bestimmen einer geschätzten gegenelektromotorischen Kraft (Gegen-EMK), die in Wicklungen der PMSM erzeugt wird, basierend auf einer geschätzten Spannung, die an die Wicklungen der PMSM angelegt wird, einem geschätzten Motorstrom der PMSM, einem geschätzten Motorschaltkreiswiderstand und einer geschätzten synchronen Induktivität der PMSM. Das Verfahren umfasst auch das Bestimmen einer geschätzten Permanentmagnet-Flussverkettung (PM-Flussverkettung) in der PMSM auf der Grundlage des geschätzten Motorstroms der PMSM; das Bestimmen eines Gegen-EMK-Korrekturterms auf der Grundlage der geschätzten PM-Flussverkettung; und das Bestimmen eines geschätzten Rotorflussraumvektors auf der Grundlage der geschätzten Gegen-EMK und des Gegen-EMK-Korrekturterms.

Description

Diese Offenbarung bezieht sich auf Permanentmagnet-Synchronmaschinen (PMSM) und insbesondere auf das Schätzen einer Rotorposition einer PMSM.
Permanentmagnet-Synchronmaschinen (PMSM), wie etwa Elektromotoren und Motoren/Generatoren, werden üblicherweise in zahlreichen Anwendungen innerhalb eines Fahrzeugs eingesetzt, z. B. in einem Pkw, Lkw, Sportnutzfahrzeug, Crossover, Mini-Van, Wasserfahrzeug, Flugzeug, Geländewagen, Freizeitfahrzeug oder einem anderen geeigneten Fahrzeug. Das Fahrzeug kann zum Beispiel einen oder mehrere PMSM enthalten, um verschiedene Aspekte eines Lenksystems des Fahrzeugs zu steuern.
Die genaue Bestimmung der Rotorposition ist wichtig für eine leistungsstarke Drehmomentsteuerung von PMSM. Die Rotorposition wird in der Regel mit einem zugehörigen Sensor, wie einem Codierer oder einem Resolver, gemessen. Alternativ oder zusätzlich kann die Rotorposition unter Verwendung anderer verfügbarer Signalmessungen, wie etwa Motorströme und -spannungen, geschätzt werden. Für sicherheitskritische Anwendungen ist eine hochgenaue Schätzung der Rotorposition über den gesamten Betriebsbereich hinweg erforderlich. Eine solche hochgenaue Schätzung der Rotorposition kann zur Steuerung des Motors und/oder zur Diagnose einer Messung von einem Positionssensor verwendet werden.
DE 10 2019 127 750 A2 offenbart eine Steuerschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrom-Motor, mittels der eine Gegen-EMK basierend auf einer messbaren Phasenspannung V, einem Wicklungswiderstand Rs, einem Motorstrom i und einer Statorinduktivität Ls bestimmt wird, wobei ferner ein Permanentmagnetfluss basierend auf einem Motorstrom berechnet wird. URBANSKI (Estimation of back EMF for PMSM at low speed range. In: MM Science Journal, 2015, S. 564-569. ISSN 1803-1269 (P)) lehrt ein Verfahren zur Steuerung einer Permanentmagnet-Synchronmaschine mit Wicklungen, bei dem eine Gegen-EMK basierend auf einem Statorstrom, einer Statorspannung, einem Statorwicklungswiderstand und einer Statorinduktivität geschätzt wird, wobei ein PMSM-Modell basierend auf einer Permanentmagnetflussverkettung erzeugt wird.
Es ist eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ein verbessertes Verfahren und System zur Steuerung einer Permanentmagnet-Synchronmaschine (PMSM) bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Diese Offenbarung bezieht sich allgemein auf das Steuern des Betriebs einer Permanentmagnet-Synchronmaschine unter Verwendung einer Motorsteuerung.
Ein Aspekt der offengelegten Ausführungsformen umfasst ein Verfahren zum Steuern einer Permanentmagnet-Synchronmaschine (PMSM). Das Verfahren umfasst: Bestimmen einer geschätzten gegenelektromotorischen Kraft (Gegen-EMK), die in Wicklungen der PMSM erzeugt wird, basierend auf einer geschätzten Spannung, die an die Wicklungen der PMSM angelegt wird, auf einem geschätzten Motorstrom der PMSM, auf einem geschätzten Motorschaltkreiswiderstand und auf einer geschätzten synchronen Induktivität der PMSM; Bestimmen einer geschätzten Permanentmagnet-Flussverkettung (PM-Flussverkettung) in der PMSM auf der Grundlage des geschätzten Motorstroms der PMSM; Bestimmen eines Gegen-EMK-Korrekturterms auf der Grundlage der geschätzten PM-Flussverkettung; und Bestimmen eines geschätzten Rotorflussraumvektors auf der Grundlage der geschätzten Gegen-EMK und des Gegen-EMK-Korrekturterms.
Ein Aspekt der offengelegten Ausführungsformen umfasst ein Steuerungssystem zum Steuern einer Permanentmagnet-Synchronmaschine (PMSM). Das Steuerungssystem umfasst einen Wechselrichter mit einer Vielzahl von Schaltern, die betrieben werden können, um einen Wechselstrom an die PMSM zu liefern. Das Steuerungssystem umfasst auch ein Steuergerät, das so konfiguriert ist, dass es: eine geschätzte gegenelektromotorische Kraft (Gegen-EMK) bestimmt, die in Wicklungen der PMSM erzeugt wird, basierend auf einer geschätzten Spannung, die an die Wicklungen der PMSM angelegt wird, auf einem geschätzten Motorstrom der PMSM, auf einem geschätzten Motorschaltkreiswiderstand und auf einer geschätzten synchronen Induktivität der PMSM; eine geschätzte Permanentmagnet-Flussverkettung (PM-Flussverkettung) in der PMSM auf der Grundlage des geschätzten Motorstroms der PMSM bestimmt; einen Gegen-EMK-Korrekturterm auf der Grundlage der geschätzten PM-Flussverkettung bestimmt; und einen geschätzten Rotorflussraumvektor auf der Grundlage der geschätzten Gegen-EMK und des Gegen-EMK-Korrekturterms bestimmt.
Diese und andere Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden in der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen, den beigefügten Ansprüchen und den begleitenden Figuren offenbart.
Die Offenbarung wird am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird. Es wird betont, dass gemäß gängiger Praxis die verschiedenen Merkmale in den Zeichnungen nicht maßstabsgetreu sind. Im Gegenteil, die Abmessungen der verschiedenen Merkmale sind zur Verdeutlichung willkürlich vergrößert oder verkleinert.

1 zeigt ein Blockdiagramm eines ersten Motorsteuerungssystems gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Motorpositionsschätzers eines Motorsteuerungssystems gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung.
3 zeigt ein Blockdiagramm eines Flussverkettungsschätzers eines Motorsteuerungssystems gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
4 zeigt ein Blockdiagramm eines Motorschaltkreis-Widerstandsschätzers eines Motorsteuerungssystems gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
5 zeigt ein Blockdiagramm eines Schätzers für eine synchrone Induktivität eines Motorsteuerungssystems gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
6 zeigt ein Blockdiagramm eines zweiten Motorsteuerungssystems gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
7 zeigt ein Blockdiagramm eines dritten Motorsteuerungssystems gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
8 zeigt ein Blockdiagramm, das Hardwarekomponenten eines Motorsteuerungssystems gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt.
9A-9C zeigen ein Flussdiagramm, das allgemein ein Verfahren zum Steuern einer Permanentmagnet-Synchronmaschine gemäß Prinzipien der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.

Die folgende Diskussion bezieht sich auf verschiedene Ausführungsformen der Offenbarung. Obwohl eine oder mehrere dieser Ausführungsformen bevorzugt sein können, sollen die offengelegten Ausführungsformen nicht als Einschränkung des Umfangs der Offenbarung, einschließlich der Ansprüche, interpretiert oder anderweitig verwendet werden. Darüber hinaus wird der Fachmann verstehen, dass die folgende Beschreibung einen breiten Anwendungsbereich aufweist, und dass die Erörterung einer beliebigen Ausführungsform nur als beispielhaft für diese Ausführungsform gedacht ist und nicht andeuten soll, dass der Umfang der Offenbarung, einschließlich der Ansprüche, auf diese Ausführungsform beschränkt ist.
Wie beschrieben umfasst ein Fahrzeug, wie z. B. ein Pkw, ein Lkw, ein Sportnutzfahrzeug, ein Crossover, ein Mini-Van, ein Wasserfahrzeug, ein Flugzeug, ein Geländewagen, ein Freizeitfahrzeug oder andere geeignete Fahrzeuge, typischerweise eine oder mehrere Permanentmagnet-Synchronmaschinen (PMSM), wie z. B. Elektromotoren und dergleichen. Zum Beispiel kann das Fahrzeug eine oder mehrere PMSM enthalten, die so konfiguriert sind, dass sie verschiedene Aspekte eines Lenksystems des Fahrzeugs steuern.
Viele PMSM-Steuerungssysteme benötigen genaue Rotorpositionsinformationen für eine präzise und schnelle Drehmomentregelung. Ein gängiges Verfahren zur Drehmomentregelung für PMSM ist die feldorientierte Regelung (FOC), bei der die Rotorposition zur Transformation von dreiphasigen Variablen in einen rotierenden Referenzrahmen verwendet wird. Der rotierende Referenzrahmen umfasst eine d-Achse, die in der Regel auf den Rotorflussraumvektor ausgerichtet ist. Dies geschieht in der Regel durch Kalibrierung des Motorpositionssensors, derart, dass die eingestellte Motorpositionsschätzung auf den Rotorflussraumvektor ausgerichtet ist.
Die gemäß der vorliegenden Offenbarung ermittelte Rotorposition kann in anderen PMSM-Steuerungssystemen als der FOC verwendet werden, für die die Rotorposition erforderlich ist.
Typische Systeme verwenden einen zugehörigen Sensor, z. B. einen Codierer oder Resolver, zum Messen der Rotorposition. Solche typischen Systeme können jedoch kostspielig (z. B. aufgrund der Kosten für den zugehörigen Sensor) und/oder anfällig für Sensorausfälle sein. Dementsprechend können Systeme und Verfahren, wie die hier beschriebenen, die so konfiguriert sind, dass sie die Rotorposition ohne Verwendung eines zugehörigen Sensors bestimmen, wünschenswert sein. Beispielsweise kann ein alternatives Verfahren zur Bestimmung oder Schätzung der Rotorposition verwendet werden, um den Betrieb eines zugehörigen Sensors zu überprüfen und um Fehler in dem zugehörigen Sensor zu erkennen. Die vorliegende Offenbarung stellt eine Schätzung der Rotorposition einer PMSM unter Verwendung von Motorspannungs- und -stromsignalen und Motorparametern bereit. Dieser Ansatz kann niedrigere Systemkosten, höhere Zuverlässigkeit und Sicherheit ermöglichen. Einige oder alle der Werte, die zur Schätzung der Rotorposition verwendet werden, können bekannt sein oder mit Hilfe von Informationen bestimmt werden, die bereits in einem vorhandenen Motorsteuergerät verfügbar sind, das zur Steuerung der PMSM-Betriebs verwendet wird.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung kann eine Schätzung des Rotorflussraumvektors verwendet werden, um eine Rotorflussvektorposition zu erhalten, die eine Winkelposition des Rotors über einen gesamten Betriebsdrehzahlbereich der PMSM darstellt. Die gemäß der vorliegenden Offenbarung ermittelte Rotorposition kann als Alternative für ein Motorpositionssensorsignal verwendet werden, das ansonsten zur Steuerung der PMSM eingesetzt werden kann. In einigen Ausführungsformen kann die gemäß der vorliegenden Offenbarung ermittelte Rotorposition zusätzlich zu einem Sensorsignal in verschiedenen Motorpositionskorrelations-, Diagnose- oder Arbitrierungstechniken verwendet werden.
Die Systeme und Verfahren der vorliegenden Offenbarung können eine Schätzung der Rotorposition der PMSM beinhalten. Ein Teil des Verfahrens oder das gesamte Verfahren kann als ein von einem Prozessor ausgeführtes Programm implementiert werden. Die Systeme und Verfahren der vorliegenden Offenbarung können mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Mitteln zur Bestimmung der Rotorposition bieten. Zu den Vorteilen können niedrigere Systemkosten, höhere Zuverlässigkeit, verbesserte Diagnose und Fehlererkennung sowie erhöhte Sicherheit gehören. Die Systeme und Verfahren der vorliegenden Offenbarung können einen einzigen Algorithmus zur Bestimmung der Rotorposition über einen weiten Bereich von Motordrehzahlen bereitstellen. Der einzige Algorithmus kann die Rotorposition für jede beliebige Drehzahl innerhalb eines Betriebsbereichs der PMSM bereitstellen. Die Systeme und Verfahren der vorliegenden Offenbarung können die Rotordrehzahl liefern, ohne die Ausgaben von zwei oder mehr verschiedenen Algorithmen für unterschiedliche Drehzahlen zu mischen.
Die Systeme und Verfahren der vorliegenden Offenbarung können verwendet werden, um eine Rotorposition einer PMSM ohne magnetische Ausprägung zu bestimmen, welche eine Eigenschaft ist, die üblicherweise PMSM mit oberflächenmontierten Permanentmagneten zeigen. Das System und Verfahren der vorliegenden Offenbarung können verwendet werden, um eine Rotorposition einer PMSM mit Ausprägung zu bestimmen, wie z. B. einer PMSM mit innenliegenden Permanentmagneten.
Die Systeme und Verfahren der vorliegenden Offenbarung umfassen ein Steuerungssystem zum Steuern des Betriebs einer PMSM. Das Steuerungssystem umfasst einen Wechselrichter mit einer Vielzahl von Schaltern, die betrieben werden können, um eine Wechselspannung (AC-Spannung) an die PMSM anzulegen.
Die Systeme und Verfahren der vorliegenden Offenbarung können den Rotorflussraumvektor auf der Grundlage von Informationen über eine gegenelektromotorische Kraft (Gegen-EMK) der PMSM, Statorströme und Kompensation der Größe des Rotorflusses bestimmen oder schätzen. Der Winkel des Rotorflussraumvektors kann als Alternative für das Positionssensorsignal verwendet werden, das für verschiedene Funktionen in der PMSM-Steuerung eingesetzt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Winkel des Rotorflussraumvektors in verschiedenen Motorpositionskorrelations- und/oder Arbitrierungsverfahren verwendet werden, wie z. B. Verfahren für die Betriebssicherheit von Motorsteuerungssystemen. Die Verwendung des Werts des Permanentmagnetflusses (PM-Fluss) zur Schätzung der Rotorposition kann eine hohe Genauigkeit für den Betrieb mit sehr niedrigen und hohen Geschwindigkeiten bieten, selbst in Fällen, in denen ein oder mehrere Motorparameter eine hohe Unsicherheit aufweisen. Es ist zu beachten, dass der PM-Fluss, der auch als PM-Flussverkettung bezeichnet wird, eine Gegen-EMK-Konstante der elektrischen Maschine darstellt. Genauer gesagt ist die Gegen-EMK-Konstante gleich dem PM-Fluss skaliert mit der Anzahl der Magnetpolpaare der elektrischen Maschine.
Gemäß einem Aspekt der Offenlegung bietet ein auf einem Spannungsmodell basierender Rotorflussvektorschätzer eine gute Positionsgenauigkeit bei sehr niedrigen PMSM-Drehzahlen. Die vorliegende Offenbarung stellt einen Algorithmus bereit, der eine genaue Schätzung des Rotor-PM-Flusses verwendet, um die Genauigkeit der Schätzung des Rotorflussraumvektorwinkels zu erhöhen. Eine Phasenverschiebung des geschätzten Signals kann durch die Verwendung reiner Integratoren des Gegen-EMK-Signals reduziert werden. Das System und Verfahren der vorliegenden Offenbarung bieten eine einzige Lösung für die Rotorpositionsschätzung in einem breiten Bereich von Motorbetriebsdrehzahlen, ohne dass zwischen verschiedenen Algorithmen für unterschiedliche Motorbetriebsdrehzahlen umgeschaltet und/oder gemischt werden muss.
Im Allgemeinen lassen sich Techniken zur Schätzung der Rotorposition für PMSM in zwei Kategorien einteilen, nämlich in grundlegende modellbasierte Schätzer und in Signalinjektionsschätzer auf der Grundlage der Motorausprägung. Die grundlegenden modellbasierten Schätzer können weiter in drei Kategorien unterteilt werden, nämlich Zustandsbeobachter, Gegen-EMK-Schätzer und Stator- oder Rotorflussschätzer. Die Stator- oder Rotorflussschätzer können entweder unter Verwendung eines Strommodells oder eines Spannungsmodells realisiert werden, die unterschiedliche Darstellungen des mathematischen Modells der PMSM sind. Die vorliegende Offenbarung bietet technische Lösungen, die einen Spannungsmodell-Rotorflussschätzer verwenden.
Spannungsmodell-Rotorflussschätzer werden in der Regel in mittleren bis hohen PMSM-Drehzahl-Betriebsbereichen eingesetzt, da die in Spannungsmodell-Flussschätzern verwendeten Integratoren inhärente Eigenschaften aufweisen. Reine Integratoren sind anfällig für Driftprobleme, die sich aus Anfangsbedingungen des Integrators, einer nicht idealen Darstellung der Statorspannung, ungenauen und/oder verzerrten Strommessungen und Fehlern bei der Schätzung des Motorwiderstands ergeben können. Es gibt viele bekannte Möglichkeiten, die Auswirkungen der Integrator-Drift zu begrenzen. Dazu gehört z. B. die Tiefpassfilter-Näherung des Integrators, die aus einem Integrator in Reihe mit einem Hochpassfilter besteht. Die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters kann als Funktion der Motordrehzahl oder anderer Signale modelliert werden. Der Integrator kann verwendet werden, um den PM-Fluss aus der Motor-Gegen-EMK zu erhalten, und das Hochpassfilter kann verwendet werden, um die Drift des Integrators zu entfernen, die aus anfänglichen Ungenauigkeiten des Integratorzustands resultieren kann. Diese Verfahren bieten jedoch immer noch nicht die erforderliche Genauigkeit der Positionsschätzung bei einer PMSM-Drehzahl von null bis zu niedrigen PMSM-Drehzahlen.
Der Elektromotor 102 kann eine mehrphasige elektrische Maschine oder eine andere geeignete Maschine beinhalten. In einigen Ausführungsformen, wie allgemein dargestellt, kann der Elektromotor 102 eine dreiphasige Maschine beinhalten. Zusätzlich oder alternativ können der Elektromotor 102 und der Wechselrichter 104 eine beliebige Anzahl von Phasen aufweisen.
Die vorliegende Offenbarung stellt einen auf einem Spannungsmodell basierenden Rotorflussvektorschätzer bereit, der die geschätzte elektrische Motorposition ${\hat{θ}}_{e}^{s}$
mit guter Genauigkeit bei einer PMSM-Drehzahl von null bis zu niedrigen PMSM-Drehzahlen liefert. Das System und Verfahren der vorliegenden Offenbarung können die Verwendung eines bekannten Wertes des PMSM-Rotornennflusses oder einer Gegen-EMK-Konstante für die geschätzte Rotorflussraumvektor-Kompensation in einem Steuerungssystem mit Rückkopplung beinhalten. Die vorliegende Offenbarung sieht eine Steuerung mit Rückkopplung vom Typ Proportionalregler vor, aber verschiedene andere Arten von linearen oder nichtlinearen Reglern können für die Kompensation der Rotorflussraumvektorregelung verwendet werden.
Der auf einem Spannungsmodell basierende Rotorflussvektorschätzer der vorliegenden Offenbarung kann reine Integratoren zur Integration des Gegen-EMK-Signals verwenden, was die Phasenverschiebung eines resultierenden geschätzten Signals reduzieren kann.
1 zeigt allgemein ein Blockdiagramm eines ersten Motorsteuerungssystems 100 zur Durchführung einer Drehmomentregelung über eine Stromregelung mit Rückkopplung des Elektromotors 102. Das erste Motorsteuerungssystem 100 kann auch als Elektromotorantriebssystem bezeichnet werden. Der Elektromotor 102 kann eine PMSM sein. Das erste Motorsteuerungssystem 100 kann ganz oder teilweise als Programmanweisungen implementiert werden, die von dem Steuergerät ausgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Teil oder die Gesamtheit des ersten Motorsteuerungssystems 100 durch andere Hardware und/oder durch anderswo ausgeführte Programmanweisungen ausgeführt werden. Der Motorpositionssensor 108 misst eine Rotorposition θ_r. Die gemessene Rotorposition θ_r kann zur Steuerung des Betriebs des Elektromotors 102 verwendet werden. Zum Beispiel kann die gemessene Rotorposition θ_r für die Vektorregelung des Elektromotors 102 verwendet werden. Der Motorpositionsrechner 114 empfängt die gemessenen Rotorpositionsinformationen vom Motorpositionssensor 108, um eine berechnete elektrische Motorposition ${\hat{θ}}_{e}^{m}$
zu berechnen.
Das erste Motorsteuerungssystem 100 umfasst einen Stromregler 112, der für das Durchführen der Nachführung des Motorstroms zuständig ist. Die Motorstromnachführung beinhaltet die Minimierung des Fehlers zwischen dem befohlenen Strom $I_{d q}^{*}$
und einem geschätzten Motorstrom Î_dq des Elektromotors 102. Der befohlene Strom $I_{d q}^{*}$
kann aus einem Direkt-Achsenstrombefehl (d-Achsenstrombefehl) $I_{d}^{*}$
und einem Quadratur-Achsenstrombefehl (q-Achsenstrombefehl) $I_{q}^{*}$
bestehen und kann unter Verwendung weit verbreiteter Techniken (nicht dargestellt) des maximalen Drehmoments pro Ampere (MTPA) und des maximalen Drehmoments pro Spannung (MTPV) bestimmt werden, die optimale Strombefehle berechnen, die gleichzeitig sicherstellen, dass die für die Erzeugung der Strombefehle $I_{d q}^{*}$
benötigte Spannung die verfügbare Spannung nicht übersteigt, während gleichzeitig der Gesamtstrom optimiert wird, der zur bestmöglichen Erfüllung des befohlenen Drehmoments erforderlich ist, um minimale Verluste zu gewährleisten. Der Stromregler 112 kann den Stromfehler z. B. mit einem PID-Regler (Proportional-Integral-Derivativ-Regler) minimieren. Es können jedoch auch andere Regelungstechniken verwendet werden, wie z. B. ein Proportional-Integral-Regler (PI-Regler). Der geschätzte Motorstrom Î_dq wird vom Motorstromschätzer 116 unter Verwendung einer allgemein bekannten Referenzrahmentransformation berechnet, die auf Messungen von Phasenströmen I_abc in einem stationären Referenzrahmen und auf der berechneten elektrischen Position ${\hat{θ}}_{e}^{m}$
des Motors beruht.
Der Stromregler 112 erzeugt Motorspannungsbefehle $V_{d q}^{*},$
die von einem Wechselrichterkommutator 106 verwendet werden, der Schaltsignale $S_{a b c}^{*}$
berechnet, die wiederum von einem Pulsbreitenmodulator 107, der auch als Gatetreiber bezeichnet werden kann, verwendet werden, um Schalter eines Wechselrichters 104 ein- und auszuschalten, um Motorspannungen V_abc zu erzeugen und an die Wicklungen des Elektromotors 102 anzulegen. Es ist zu beachten, dass der Wechselrichterkommutator 106 eine Logik zur Berechnung von Wechselrichterspannungs-Ausgangsbefehlen und/oder für eine Schalttechnik mit gewünschten Ein- und Ausschaltzeiten für die einzelnen Schalter des Wechselrichters 104 enthalten kann. Die angelegten Motorspannungen V_abc veranlassen, dass der Elektromotor 102 die Phasenströme I_abc und das tatsächliche elektromagnetische Drehmoment T_e erzeugt.
Das erste Motorsteuerungssystem 100 von 1 umfasst einen Motorpositionsschätzer 118. Der Motorpositionsschätzer 118 berechnet eine geschätzte elektrische Motorposition ${\hat{θ}}_{e}^{s}$
über die Identifizierung des Rotorflusses, die die Motorspannungsbefehle $V_{d q}^{*},$
den geschätzten Motorstrom Î_dq und Schätzungen von Motorantriebsparametern verwendet, die zusammen durch $\hat{\bar{X}}$
dargestellt sind.
Zur Schätzung der Parameter des Motorantriebs werden mathematische Modelle verwendet, die die Veränderung verschiedener Parameter als Funktion von Betriebsbedingungen darstellen, insbesondere der Temperatur von verschiedenen Teilen des Systems und des Grads der magnetischen Sättigung.
2 zeigt ein Blockdiagramm des Motorpositionsschätzers 118, der so konfiguriert ist, dass er einen geschätzten Rotorflussraumvektor λ̂_r basierend auf geschätzten Phasenströmen I_abc und geschätzten Phasenspannungen V̂_abc bestimmt, die dem Elektromotor 102 zugeführt werden. Die geschätzten Phasenströme Î_abc können den in den Wicklungen des Elektromotors 102 erzeugten Strom darstellen, und die geschätzten Phasenspannungen V̂_abc können Spannungen darstellen, die an die Wicklungen des Elektromotors 102 angelegt werden. Einer oder beide der geschätzten Phasenströme I_abc und der geschätzten Phasenspannungen V_abc können auf der Grundlage von Messungen von Sensoren bestimmt werden, die mit einem oder mehreren Leitern zwischen dem Wechselrichter 104 und dem Elektromotor 102 verbunden sind. Alternativ oder zusätzlich können einer oder beide der geschätzten Phasenströme I_abc und der geschätzten Phasenspannungen V_abc auf der Grundlage anderer Messungen und/oder auf der Grundlage von befohlenen oder tatsächlichen Betriebsvorrichtungen, wie z. B. Schalttransistoren, innerhalb des Wechselrichters 104 bestimmt werden.
Der Motorpositionsschätzer 118 ist so konfiguriert, dass er einen geschätzten Rotorflussraumvektor λ̂_r basierend auf mehreren Motorantriebsparametern $\hat{\bar{X}}$
des Elektromotors 102 bestimmt. Die Motorantriebsparameter $\hat{\bar{X}}$
können einen oder mehrere der folgenden Parameter umfassen: eine geschätzte synchrone Induktivität L̂, einen geschätzten Motorschaltkreiswiderstand R̂ und eine Schätzung mit Vorsteuerung der PM-Flussverkettung ${\hat{λ}}_{r}^{ƒ} .$
Der geschätzte Rotorflussraumvektor λ̂_r kann in Polarkoordinaten als ein geschätzter Rotorflusswinkel ∠λ̂_r und als eine geschätzte Größe des Rotorflusses |λ̂_r| dargestellt werden. Der geschätzte Rotorflußwinkel ∠λ̂_r ist gleichbedeutend mit der geschätzten elektrischen Motorposition ${\hat{θ}}_{e}^{s} .$
Der Motorpositionsschätzer 118 umfasst einen Rotorflussraumvektorschätzer 150, der den geschätzten Rotorflussraumvektor λ̂_r basierend auf einer geschätzten Gegen-EMK Ê_αβ, die in den Wicklungen des Elektromotors 102 erzeugt wird, und einem Gegen-EMK-Korrekturterm ΔÊ_αβ berechnet. Der Motorpositionsschätzer 118 umfasst einen Gegen-EMK-Spannungsrechner 152, der zum Berechnen der geschätzten Gegen-EMK Ê_αβ, die in den Wicklungen des Elektromotors 102 erzeugt wird, konfiguriert ist. Der Motorpositionsschätzer 118 umfasst auch einen Rotorflussraumvektorkompensator 154, der zur Berechnung des Gegen-EMK-Korrekturterms ΔÊ_αβ konfiguriert ist.
Der geschätzte Rotorflussraumvektor λ̂_r ist ein Vektor mit einer Größe |λ̂_r| gleich einer Permanentmagnet-Flussverkettung (PM-Flussverkettung) λ_r, der die magnetische Feldstärke von Rotormagneten im Elektromotor 102 darstellt und infolge einer magnetischen Sättigung, die bei hohen Strömen und aufgrund von Temperaturschwankungen der Magnete am stärksten ausgeprägt ist, variiert. Die Flussverkettung λ_r kann durch die nachstehende Gleichung (1) definiert werden: $λ_{r} = κ_{λ} λ_{r}^{0} (1 + α_{m} (Ω_{m} - Ω_{0}))$
wobei $λ_{r}^{0}$
der Wert der PM-Flussverkettung bei der Nenntemperatur Ω₀ ist, κ_λ ein Skalierungsfaktor ist, der mit den Motorströmen variiert, um die magnetische Sättigung zu berücksichtigen, α_m ein Temperaturkoeffizient der Permanentmagnete im Rotor des Elektromotors 102 ist, und Ω_m die tatsächliche Temperatur der Permanentmagnete im Rotor des Elektromotors 102 ist.
In einigen Ausführungsformen und wie in 2 gezeigt, kann der Rotorflussraumvektorschätzer 150 den Rotorflussraumvektor λ̂_r in Polarkoordinaten als einen geschätzten Rotorflusswinkel ∠λ̂_r und eine geschätzte Größe des Rotorflusses |λ̂_r| erzeugen. Der geschätzte Rotorflusswinkel ∠λ̂_r ist gleichbedeutend mit der geschätzten elektrischen Motorposition ${\hat{θ}}_{e}^{s} .$
Alternativ oder zusätzlich kann der Rotorflussraumvektorschätzer 150 den Rotorflussraumvektor λ̂_r in einer anderen Form erzeugen, die anschließend in die Polarkoordinaten umgewandelt werden kann, um die geschätzte elektrische Motorposition ${\hat{θ}}_{e}^{s}$
zu erzeugen.
Der Gegen-EMK-Spannungsrechner 152 ist konfiguriert, um die geschätzte Gegen-EMK Ê_αβ zu berechnen, die in den Wicklungen des Elektromotors 102 erzeugt wird, basierend auf: den geschätzten Phasenströmen Î_abc, den geschätzten Phasenspannungen V̂_abc, der geschätzten synchronen Induktivität L̂ und dem geschätzten Motorschaltkreiswiderstand R̂ des Elektromotors 102.
Der Gegen-EMK-Spannungsrechner 152 umfasst einen ersten Referenzrahmen-Transformator 156, der so konfiguriert ist, dass er eine geschätzte Alpha-Beta-Spannung V̂_αβ im Alpha-Beta-Referenzrahmen, der auch als Rotor-Referenzrahmen bezeichnet werden kann, auf der Grundlage der geschätzten Phasenspannungen V_abc berechnet. Der Gegen-EMK-Spannungsrechner 152 umfasst auch einen zweiten Referenzrahmen-Transformator 158, der so konfiguriert ist, dass er einen geschätzten Alpha-Beta-Strom Î_αβ in dem stationären Referenzrahmen auf der Grundlage der geschätzten Phasenströme I_abc berechnet. Einer oder beide der Referenzrahmen-Transformatoren 156, 158 können eine Transformation im stationären Referenzrahmen von drei Phasen in zwei Phasen verwenden, um die entsprechenden Berechnungen durchzuführen.
Der Gegen-EMK-Spannungsrechner 152 umfasst auch einen Impedanzkompensator 160, der zur Berechnung der geschätzten Gegen-EMK Ê_αβ basierend auf der Alpha-Beta-Spannung V̂_αβ, dem Alpha-Beta-Strom Î_αβ, der geschätzten synchronen Induktivität L̂ und dem geschätzten Motorschaltkreiswiderstand R̂ des Elektromotors 102 konfiguriert ist.
Der Rotorflussraumvektorkompensator 154 umfasst einen Flusskompensationsregler 162, der so konfiguriert ist, dass er den Gegen-EMK-Korrekturterm ΔÊ_αβ basierend auf einer PM-Flussverkettungsdifferenz Δλ̂_r berechnet, die eine Differenz zwischen einer geschätzten Permanentmagnet-Flussverkettung (PM-Flussverkettung) ${\hat{λ}}_{r}^{ƒ}$
im offenen Regelkreis oder mit Vorsteuerung und der geschätzten Rotorflussgröße |λ̂_r| darstellt, wie in 2 gezeigt. Der Rotorflussraumvektorkompensator 154 umfasst auch einen Differenzblock 164, der so konfiguriert ist, dass er die Flussverkettungsdifferenz Δλ̂r basierend auf der geschätzten Permanentmagnet-Flussverkettung (PM-Flussverkettung) im offenen Regelkreis oder mit Vorsteuerung ${\hat{λ}}_{r}^{ƒ}$
und der geschätzten Rotorflussgröße |λ̂_r| berechnet.
3 zeigt ein Blockdiagramm eines Flussverkettungsschätzers 170, der so konfiguriert ist, dass er die geschätzte Permanentmagnet-Flussverkettung (PM-Flussverkettung) mit Vorsteuerung ${\hat{λ}}_{r}^{ƒ}$
basierend auf dem geschätzten Motorstrom Î_dq bestimmt. Der Flussverkettungsschätzer 170 kann in den Motorpositionsschätzer 118 integriert sein, obwohl er auch separat implementiert werden kann. Der geschätzte Motorstrom Î_dq, der vom Flussverkettungsschätzer 170 verwendet wird, kann d,q-Achsenströme enthalten, obwohl der Flussverkettungsschätzer 170 den geschätzten Motorstrom in einer anderen Form verwenden kann, wie z.B. den geschätzten Alpha-Beta-Strom Î_αβ oder die geschätzten Phasenströme Î_abc.
Wie in 3 dargestellt, umfasst der Flussverkettungsschätzer 170 einen Schätzer 172 für den magnetischen Sättigungsfaktor, der so konfiguriert ist, dass er einen geschätzten magnetischen Sättigungsfaktor κ̂_λ des Elektromotors 102 auf der Grundlage des geschätzten Motorstroms Î_dq bestimmt. Der Flussverkettungsschätzer 170 umfasst auch einen Flussverkettungsschätzer 174 mit Vorsteuerung, der so konfiguriert ist, dass er die geschätzte PM-Flussverkettung ${\hat{λ}}_{r}^{ƒ}$
mit Vorsteuerung basierend auf dem geschätzten magnetischen Sättigungsfaktor κ̂_λ und einer geschätzten Temperatur Ω̂_m von Rotormagneten innerhalb des Elektromotors 102 bestimmt.
Die geschätzte PM-Flussverkettung ${\hat{λ}}_{r}^{ƒ}$
mit Vorsteuerung kann anhand der nachstehenden Gleichung (2) berechnet werden: ${\hat{λ}}_{r}^{ƒ} = {\hat{κ}}_{λ} λ_{r}^{0} (1 + {\hat{α}}_{m} ({\hat{Ω}}_{m} - {\hat{Ω}}_{0}))$
wobei der Akzent ^ Schätzungen der entsprechenden tatsächlichen Größen repräsentiert. Es ist zu beachten, dass der magnetische Sättigungsfaktor κ̂_λ eine Zuordnung von Skalaren nahe Eins ist, die als Funktion der Ströme I_d, I_q der d- und q-Achse variiert. Diese Zuordnung kann entweder mit Hilfe von hochgenauen Finite-Elemente-Modellen des Elektromotors 102 oder durch Experimente bestimmt werden.
4 zeigt ein Blockdiagramm eines Motorschaltkreiswiderstandsschätzers 180, der so konfiguriert ist, dass er den geschätzten Motorschaltkreiswiderstand R̂ des Elektromotors 102 bestimmt. Der Motorschaltkreiswiderstandsschätzer 180 kann im Motorpositionsschätzer 118 enthalten sein, obwohl er auch separat implementiert werden kann. Der Motorschaltkreiswiderstandsschätzer 180 umfasst einen Widerstandsschätzer 182 mit Vorsteuerung, der auch als Widerstandsschätzer mit offenem Kreis bezeichnet werden kann und so konfiguriert ist, dass er einen geschätzten Widerstand R̂^f mit Vorsteuerung basierend auf einer geschätzten Wicklungstemperatur Ω̂_w der Wicklungen des Elektromotors 102 und einer geschätzten Schaltertemperatur Ω̂_i eines Schaltkreises innerhalb des Wechselrichters 104, der den Elektromotor 102 mit Strom versorgt, bestimmt. Die geschätzte Wicklungstemperatur Ω̂_w und/oder die geschätzte Schaltertemperatur Ω̂_i können auf der Grundlage einer oder mehrerer Temperaturmessungen bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich können die geschätzte Wicklungstemperatur Ω̂_w und/oder die geschätzte Schaltertemperatur Ω̂_i auf der Grundlage anderer Faktoren bestimmt werden, z. B. auf der Grundlage der dem Elektromotor 102 im Laufe der Zeit zugeführten Leistung.
Der Motorschaltkreiswiderstand R setzt sich zusammen aus der Summe des Widerstands der Statorwicklung R_w und dem Widerstand R_i der Schalter des Wechselrichters, die von den entsprechenden Temperaturen der Wicklung Ω̂_w bzw. der Schalter Ω̂_i abhängen.
Der Motorschaltkreiswiderstand R kann durch die nachstehende Gleichung (3) ausgedrückt werden: $R = R_{w}^{0} (1 + α_{w} (Ω_{w} - Ω_{0})) + R_{i}^{0} (1 + α_{i} (Ω_{i} - Ω_{0}))$
wobei $R_{w}^{0}$
und $R_{i}^{0}$
die Nennwerte des Stator- bzw. Schalterwiderstands sind und α_w und α_i den Temperaturkoeffizienten der Statorwicklungen bzw. der Wechselrichterschalter darstellen.
Somit kann der geschätzte Widerstand R̂^f mit Vorsteuerung mit Hilfe der nachstehenden Gleichung (4) berechnet werden: ${\hat{R}}^{ƒ} = {\hat{R}}_{w}^{0} (1 + {\hat{α}}_{w} ({\hat{Ω}}_{w} - {\hat{Ω}}_{0})) + {\hat{R}}_{i}^{0} (1 + {\hat{α}}_{i} ({\hat{Ω}}_{i} - {\hat{Ω}}_{0}))$
Wie in 4 dargestellt, umfasst der Motorschaltkreiswiderstandsschätzer 180 auch einen Widerstandskorrekturschätzer 184, der so konfiguriert ist, dass er einen Widerstandskorrekturterm R̂^b bestimmt, der auch als geschätzter Widerstand mit Rückkopplung bezeichnet werden kann. Der Widerstandskorrekturschätzer 184 bestimmt den Widerstandskorrekturterm R̂^b basierend auf dem Motorspannungsbefehl $V_{d q}^{*}$
zur Steuerung des Wechselrichters 104, der den Elektromotor 102 mit Strom versorgt. Der Motorspannungsbefehl $V_{d q}^{*}$
kann eine gewünschte Spannung darstellen, die vom Wechselrichter 104 für die Stromversorgung des Elektromotors 102 erzeugt werden soll. Der Motorspannungsbefehl $V_{d q}^{*}$
kann ein oder mehrere Signale enthalten, die von dem Stromregler 112 erzeugt und von dem Wechselrichterkommutator 106 verwendet werden, um die Schaltsignale $S_{a b c}^{*}$
zur Steuerung der Schalter des Wechselrichters 104 zu berechnen. Der Widerstandskorrekturschätzer 184 bestimmt auch den Widerstandskorrekturterm R̂^b basierend auf einer Spannung $V_{d q}^{ƒ}$
mit Vorsteuerung, die auch als geschätzte Wicklungsspannung des Elektromotors 102 bezeichnet werden kann.
Der Motorschaltkreiswiderstandsschätzer 180 umfasst auch ein Spannungsmodell 186, das so konfiguriert ist, dass es die Spannung $V_{d q}^{ƒ}$
mit Vorsteuerung des Elektromotors 102 auf der Grundlage eines oder mehrerer Parameter des Elektromotors bestimmt. Beispielsweise kann das Spannungsmodell 186, wie in 4 gezeigt, die Spannung $V_{d q}^{ƒ}$
mit Vorsteuerung des Elektromotors 102 bestimmen basierend auf: dem geschätzten Widerstand R̂^f mit Vorsteuerung, einer geschätzten synchronen Induktivität L̂ und der geschätzten PM-Flussverkettung ${\hat{λ}}_{r}^{ƒ}$
mit Vorsteuerung des Elektromotors 102.
Der Motorschaltkreiswiderstandsschätzer 180 umfasst auch einen Widerstandssummierungsblock 188, der so konfiguriert ist, dass er den geschätzten Motorschaltkreiswiderstand R̂ als Summe aus dem geschätzten Widerstand R̂^f mit Vorsteuerung und dem Widerstandskorrekturterm R̂^b bestimmt.
5 zeigt ein Blockdiagramm eines Schätzers 190 für die synchrone Induktivität, der zur Bestimmung der geschätzten synchronen Induktivität L̂ des Elektromotors 102 konfiguriert ist. Der Schätzer 190 für die synchrone Induktivität kann in den Motorpositionsschätzer 118 integriert sein, obwohl er auch separat implementiert werden kann. Der Schätzer 190 für die synchrone Induktivität umfasst einen Induktivitäts-Skalierungsfaktor-Rechner 191, der so konfiguriert ist, dass er einen Induktivitäts-Skalierungsfaktor κ̂_l basierend auf dem geschätzten Motorstrom Î_dq bestimmt, der eine Schätzung des in den Wicklungen des Elektromotors 102 erzeugten Stroms darstellen kann. Der Schätzer 190 für die synchrone Induktivität umfasst auch einen Induktivitätsschätzer 192 mit Vorsteuerung, der so konfiguriert ist, dass er eine geschätzte Induktivität L̂^f mit Vorsteuerung basierend auf dem Induktivitätsskalierungsfaktor κ̂_l und basierend auf einer Nenninduktivität L⁰ des Elektromotors 102 bestimmt.
Die synchrone Induktivität L ändert sich aufgrund der magnetischen Sättigung, dargestellt durch einen Skalierungsfaktor κ_l, der eine Funktion der Motorströme ist, und sie kann durch die nachstehende Gleichung (5) dargestellt werden: $L = κ_{l} L^{0}$
Unter Verwendung des Modells kann der Induktivitätsschätzer 192 mit Vorsteuerung die geschätzte Induktivität L̂^f mit Vorsteuerung unter Verwendung der nachstehenden Gleichung (6) bestimmen: ${\hat{L}}^{ƒ} = {\hat{κ}}_{l} {\hat{L}}^{0}$
Wie in 5 gezeigt, umfasst der Schätzer 190 für die synchrone Induktivität auch einen Induktivitätskorrekturschätzer 194, der so konfiguriert ist, dass er einen Induktivitätskorrekturterm L̂^b bestimmt, der auch als geschätzte Induktivität mit Rückkopplung bezeichnet werden kann. Der Induktivitätskorrekturschätzer 194 bestimmt den Induktivitätskorrekturterm L̂^b basierend auf einem befohlenen Strom Î_dq, der dem Stromregler 112 zur Steuerung des Elektromotors 102 zugeführt wird. Der Induktivitätskorrekturschätzer 194 bestimmt auch den Induktivitätskorrekturterm L̂^b auf der Grundlage eines rekonstruierten Stroms $I_{d q}^{ƒ},$
der eine Berechnung des Motorstroms auf der Grundlage eines mathematischen Modells des Elektromotors 102, das als Strommodell bezeichnet wird, darstellen kann.
Der Schätzer 190 für die synchrone Induktivität umfasst auch ein Strommodell 196, das so konfiguriert ist, dass es den rekonstruierten Strom Î_dq basierend auf einem oder mehreren Parametern des Elektromotors bestimmt. Zum Beispiel kann das Strommodell 196, wie in 5 gezeigt, den rekonstruierten Strom Î_dq des Elektromotors 102 bestimmen, und zwar auf der Grundlage: der geschätzten Induktivität L̂^f mit Vorsteuerung, dem geschätzten Motorschaltkreiswiderstand R̂ und der geschätzten PM-Flussverkettung ${\hat{λ}}_{r}^{ƒ}$
mit Vorsteuerung des Elektromotors 102.
Der Schätzer 190 für die synchrone Induktivität umfasst auch einen Induktivitätssummierungsblock 198, der so konfiguriert ist, dass er die geschätzte synchrone Induktivität L̂ des Elektromotors 102 als eine Summe der geschätzten Induktivität L̂^f mit Vorsteuerung und dem Induktivitätskorrekturterm L̂^b bestimmt.
6 zeigt ein Blockdiagramm eines zweiten Motorsteuerungssystems 200. Das zweite Motorsteuerungssystem 200 kann ähnlich oder identisch mit dem ersten Motorsteuerungssystem 100 von 1 sein, jedoch mit dem Zusatz eines Motorpositionsprüfers 202, der so konfiguriert ist, dass er die Messung der Rotorposition θ_r durch Vergleichen der berechneten elektrischen Motorposition ${\hat{θ}}_{e}^{m}$
(die auf den gemessenen Rotorpositionsinformationen vom Motorpositionssensor 108 basiert) mit der geschätzten elektrischen Motorposition ${\hat{θ}}_{e}^{s}$
aus dem Motorpositionsschätzer 118 verifiziert. Der Motorpositionsprüfer 202 kann ein Winkelabweichungssignal bestimmen, das auf einer Differenz zwischen der berechneten elektrischen Motorposition ${\hat{θ}}_{e}^{m}$
und der geschätzten elektrischen Motorposition ${\hat{θ}}_{e}^{s}$
aus dem Motorpositionsschätzer 118 beruht.
Der Motorpositionsprüfer 202 kann die Messung der Rotorposition θ_r als fehlerhaft bestimmen, wenn die berechnete elektrische Motorposition ${\hat{θ}}_{e}^{m}$
und die geschätzte elektrische Motorposition ${\hat{θ}}_{e}^{s}$
um mehr als einen vorbestimmten Betrag voneinander abweichen. Das zweite Motorsteuerungssystem 200 kann so konfiguriert sein, dass es als Reaktion auf die Feststellung, dass die Messung der Rotorposition θ_r fehlerhaft ist, eine oder mehrere Korrekturmaßnahmen ergreift. Zum Beispiel kann das zweite Motorsteuerungssystem 200 die berechnete elektrische Motorposition ${\hat{θ}}_{e}^{m}$
als unzuverlässig und/oder für die Verwendung nicht verfügbar bezeichnen. Das zweite Motorsteuerungssystem 200 kann alternative Quellen für Motorpositionsdaten verwenden, wie etwa die geschätzte elektrische Motorposition ${\hat{θ}}_{e}^{s}$
und/oder einen Ersatz-Motorpositionssensor (nicht dargestellt). Alternativ oder zusätzlich kann das zweite Motorsteuerungssystem 200 eine Meldung, wie z. B. einen Diagnosefehlercode D_θ als Reaktion auf die Feststellung, dass die Messung der Rotorposition θ_r als fehlerhaft eingestuft wird, erzeugen, speichern und/oder übermitteln.
7 zeigt ein Blockdiagramm eines dritten Motorsteuerungssystems 220. Das dritte Motorsteuerungssystem 220 kann ähnlich oder identisch mit dem ersten Motorsteuerungssystem 100 von 1 sein, jedoch mit den hier beschriebenen Änderungen. Das dritte Motorsteuerungssystem 220 enthält keinen Motorpositionssensor. Alle Funktionen, die die Rotorposition des Elektromotors 102 verwenden, können stattdessen die geschätzte elektrische Motorposition ${\hat{θ}}_{e}^{s}$
aus dem Motorpositionsschätzer 118 verwenden. Zum Beispiel können der Wechselrichterkommutator 106 und der Motorstromschätzer 116 die geschätzte elektrische Motorposition ${\hat{θ}}_{e}^{s}$
des Motorpositionsschätzers 118 anstelle der berechneten elektrischen Motorposition ${\hat{θ}}_{e}^{m}$
zur Ausführung ihrer jeweiligen Funktionen verwenden.
8 zeigt ein Blockdiagramm, das Hardwarekomponenten eines Motorsteuerungssystems darstellt. Wie in 8 dargestellt, umfasst das Motorsteuerungssystem ein Steuergerät 300. Das Steuergerät 300 kann jedes geeignete Steuergerät umfassen. In einigen Ausführungsformen kann das Steuergerät 300 so konfiguriert sein, dass es verschiedene Berechnungen und andere Funktionen und/oder Vorgänge des Fahrzeugs durchführt. In einigen Ausführungsformen kann das Steuergerät 300 so konfiguriert sein, dass es den Betrieb des Elektromotors 102 steuert, der eine PMSM umfassen kann. In einigen Ausführungsformen kann das Steuergerät 300 so konfiguriert sein, dass es verschiedene Motorsteuerungsanwendungen verwendet, wie z. B. verschiedene Regelkreissteuerungsanwendungen oder andere geeignete Steuerungsanwendungen. Das Steuergerät 300 kann so konfiguriert sein, dass es beispielsweise verschiedene Aspekte eines Bewegungssteuerungssystems, wie etwa eines elektronischen Servolenkungssystems, steuert. Das Steuergerät 300 kann einen Prozessor 302 und einen Speicher 304 umfassen.
Der Prozessor 302 kann jeden geeigneten Prozessor umfassen, wie er hier beschrieben ist. Zusätzlich oder alternativ kann das Steuergerät 300 eine beliebige geeignete Anzahl von Prozessoren enthalten, die zusätzlich zum Prozessor 302 oder auch anders als dieser eingesetzt werden können. Der Speicher 304 kann eine einzelne Platte oder eine Vielzahl von Platten (z. B. Festplatten) umfassen und enthält ein Speicherverwaltungsmodul, das eine oder mehrere Partitionen innerhalb des Speichers 304 verwaltet. In einigen Ausführungsformen kann der Speicher 304 einen Flash-Speicher, einen Halbleiterspeicher (Solid State) oder Ähnliches umfassen. Der Speicher 304 kann einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen Festwertspeicher (ROM) oder eine Kombination davon enthalten. Der Speicher 304 kann Anweisungen enthalten, die, wenn sie vom Prozessor 302 ausgeführt werden, den Prozessor 302 veranlassen, zumindest verschiedene Funktionen des Fahrzeugs zu steuern. Wie in 8 dargestellt, kann der Prozessor 302 in funktionaler Kommunikation mit dem Wechselrichter 104 stehen, um den Betrieb des Motorsteuerungssystems zu steuern.
9A-9C zeigen ein Flussdiagramm, das allgemein ein Verfahren 400 zur Steuerung einer PMSM gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung illustriert. Das Verfahren 400 kann mit einem oder mehreren der Motorsteuerungssysteme 100, 200, 220 und insbesondere mit einem Elektromotor 102, der eine PMSM enthält, implementiert werden. Ein oder mehrere Schritte des Verfahrens 400 können gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung von dem Steuergerät 300 durchgeführt werden. Wie im Lichte der Offenbarung zu erkennen ist, ist die Reihenfolge der Operationen in dem Verfahren nicht auf die in den 9A-9C dargestellte sequentielle Ausführung beschränkt, sondern kann in einer oder mehreren variierenden Reihenfolgen durchgeführt werden, je nach Anwendbarkeit und in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung.
Bei 402 bestimmt das Verfahren 400 eine geschätzte gegenelektromotorische Kraft (Gegen-EMK), die in den Wicklungen der PMSM erzeugt wird, unter Verwendung einer geschätzten Spannung, die an die Wicklungen der PMSM angelegt wird, eines geschätzten Motorstroms der PMSM, eines geschätzten Motorschaltkreiswiderstands und einer geschätzten synchronen Induktivität der PMSM. Beispielsweise kann das Steuergerät 300 eine oder mehrere Hardware- und/oder Softwarekomponenten enthalten, die den Gegen-EMK-Spannungsrechner 152 implementieren, um die geschätzte Gegen-EMK Ê_αβ zu berechnen, die in den Wicklungen des Elektromotors 102 erzeugt wird, basierend auf: den geschätzten Phasenspannungen V̂_abc, den geschätzten Phasenströmen Î_abc, dem geschätzten Motorschaltkreiswiderstand R̂ und der geschätzten synchronen Induktivität L̂ des Elektromotors 102.
Bei 404 bestimmt das Verfahren 400 eine geschätzte Permanentmagnet (PM)-Flussverkettung in der PMSM auf der Grundlage des geschätzten Motorstroms der PMSM. Beispielsweise kann das Steuergerät 300 eine oder mehrere Hardware- und/oder Softwarekomponenten enthalten, die den Flussverkettungsschätzer 170 implementieren, der so konfiguriert ist, dass er die geschätzte Permanentmagnet-Flussverkettung (PM-Flussverkettung) ${\hat{λ}}_{r}^{ƒ}$
mit Vorsteuerung basierend auf dem geschätzten Motorstrom Î_dq bestimmt.
In einigen Ausführungsformen kann Schritt 404 die Bestimmung eines geschätzten magnetischen Sättigungsskalierungsfaktors auf der Grundlage des geschätzten Motorstroms der PMSM umfassen. Beispielsweise kann das Steuergerät 300 eine oder mehrere Hardware- und/oder Softwarekomponenten umfassen, die den Schätzer 172 für den magnetischen Sättigungsfaktor implementieren, um den geschätzten magnetischen Sättigungsfaktor κ̂_λ des Elektromotors 102 auf der Grundlage des geschätzten Motorstroms Î_dq zu bestimmen.
In einigen Ausführungsformen kann Schritt 404 die Bestimmung der geschätzten PM-Flussverkettung auf der Grundlage des geschätzten magnetischen Sättigungsskalierungsfaktors umfassen. Beispielsweise kann das Steuergerät 300 eine oder mehrere Hardware- und/oder Softwarekomponenten enthalten, die den Flussverkettungsschätzer 174 mit Vorsteuerung implementieren, um die geschätzte PM-Flussverkettung ${\hat{λ}}_{r}^{ƒ}$
mit Vorsteuerung auf der Grundlage des geschätzten magnetischen Sättigungsfaktors κ̂_λ zu bestimmen. In einigen Ausführungsformen kann Schritt 404 ferner die Bestimmung der geschätzten PM-Flussverkettung auf der Grundlage einer geschätzten Temperatur der Rotormagnete der PMSM umfassen. Zum Beispiel kann der Flussverkettungsschätzer 174 mit Vorsteuerung auch eine geschätzte Temperatur Ω̂_m von Rotormagneten innerhalb des Elektromotors 102 verwenden, um die geschätzte PM-Flussverkettung ${\hat{λ}}_{r}^{ƒ}$
mit Vorsteuerung zu bestimmen. Die geschätzte Temperatur Ω̂_m kann auf einer oder mehreren Messungen basieren. Alternativ oder zusätzlich kann die geschätzte Temperatur Ω̂_m berechnet oder anderweitig unter Verwendung anderer Daten bestimmt werden, z. B. als Funktion der dem Elektromotor 102 über die Zeit zugeführten Leistung.
Bei 406 bestimmt das Verfahren 400 einen Gegen-EMK-Korrekturterm auf der Grundlage der geschätzten PM-Flussverkettung. Beispielsweise kann das Steuergerät 300 eine oder mehrere Hardware- und/oder Softwarekomponenten enthalten, die den Rotorflussraumvektorkompensator 154 implementieren, der so konfiguriert ist, dass er den Gegen-EMK-Korrekturterm ΔÊ_αβ auf der Grundlage der geschätzten PM-Flussverkettung ${\hat{λ}}_{r}^{ƒ}$
berechnet.
In einigen Ausführungsformen kann Schritt 406 die Bestimmung einer Differenz zwischen der geschätzten PM-Flussverkettung und einer Größe des geschätzten Rotorflussraumvektors umfassen. Zum Beispiel kann das Steuergerät 300 eine oder mehrere Hardware- und/oder Softwarekomponenten enthalten, die den Differenzblock 164 implementieren, um die Flussverkettungsdifferenz Δλ̂_r basierend auf der geschätzten Permanentmagnet-Flussverkettung (PM-Flussverkettung) ${\hat{λ}}_{r}^{ƒ}$
im offenen Regelkreis oder mit Vorsteuerung und der geschätzten Größe des Rotorflusses |λ̂_r| zu berechnen. In einigen Ausführungsformen kann Schritt 406 ferner die Bestimmung des Gegen-EMK-Korrekturterms auf der Grundlage der Differenz zwischen der geschätzten PM-Flussverkettung und der Größe des geschätzten Rotorflussraumvektors umfassen. Beispielsweise kann das Steuergerät 300 eine oder mehrere Hardware- und/oder Softwarekomponenten enthalten, die den Flusskompensationsregler 162 implementieren, um den Gegen-EMK-Korrekturterm ΔÊ_αβ basierend auf der PM-Flussverkettungsdifferenz Δλ̂_r zu berechnen.
Bei 408 bestimmt das Verfahren 400 einen geschätzten Rotorflussraumvektor auf der Grundlage der geschätzten Gegen-EMK und des Gegen-EMK-Korrekturterms. Zum Beispiel kann das Steuergerät 300 eine oder mehrere Hardware- und/oder Softwarekomponenten enthalten, die den Rotorflussraumvektorschätzer 150 implementieren, um den geschätzten Rotorflussraumvektor λ̂_r basierend auf der geschätzten Gegen-EMK Ê_αβ, die in den Wicklungen des Elektromotors 102 erzeugt wird, und auf dem Gegen-EMK-Korrekturterm ΔÊ_αβ zu berechnen.
Bei 410 bestimmt das Verfahren 400 eine geschätzte elektrische Motorposition der PMSM auf der Grundlage des geschätzten Rotorflussraumvektors. Schritt 410 kann die Bestimmung eines Winkels des geschätzten Rotorflussraumvektors umfassen, der die geschätzte elektrische Motorposition darstellt. Beispielsweise kann das Steuergerät 300 eine oder mehrere Hardware- und/oder Softwarekomponenten enthalten, die so konfiguriert sind, dass sie den geschätzten Rotorflussraumvektor λ̂_r in Polarkoordinaten umwandeln, einschließlich einer geschätzten Rotorflussgröße |λ̂_r| und eines geschätzten Rotorflusswinkels ∠λ̂_r, der der geschätzten elektrischen Motorposition ${\hat{θ}}_{e}^{s}$
entspricht.
Bei 411 bestimmt das Verfahren 400 eine berechnete elektrische Motorposition der PMSM basierend auf einer gemessenen Rotorposition der PMSM. Beispielsweise kann das Steuergerät 300 eine oder mehrere Hardware- und/oder Softwarekomponenten enthalten, die den Motorpositionsrechner 114 implementieren, um die berechnete elektrische Motorposition ${\hat{θ}}_{e}^{m}$
basierend auf den gemessenen Rotorpositionsinformationen von dem Motorpositionssensor 108 zu berechnen.
Bei 412 verifiziert das Verfahren 400 die gemessene Rotorposition der PMSM, indem es die berechnete elektrische Motorposition mit der geschätzten elektrischen Motorposition vergleicht. Beispielsweise kann das Steuergerät 300 eine oder mehrere Hardware- und/oder Softwarekomponenten enthalten, die den Motorpositionsprüfer 202 implementieren, um eine Messung der Rotorposition θ_r durch Vergleichen der berechneten elektrischen Motorposition ${\hat{θ}}_{e}^{m}$
mit der geschätzten elektrischen Motorposition ${\hat{θ}}_{e}^{s}$
aus dem Motorpositionsschätzer 118 zu verifizieren.
Bei 414 steuert das Verfahren 400 die PMSM auf der Grundlage der geschätzten elektrischen Motorposition der PMSM. Beispielsweise kann das Steuergerät 300 eine oder mehrere Hardware- und/oder Softwarekomponenten enthalten, die das dritte Motorsteuerungssystem 220 implementieren, wobei sowohl der Wechselrichterkommutator 106 als auch der Motorstromschätzer 116 so konfiguriert sind, dass sie die geschätzte elektrische Motorposition ${\hat{θ}}_{e}^{s}$
des Elektromotors 102 aus dem Motorpositionsschätzer 118 verwenden.
Bei 416 bestimmt das Verfahren 400 einen geschätzten Widerstand mit Vorsteuerung auf der Grundlage einer geschätzten Temperatur der Wicklungen der PMSM und einer geschätzten Temperatur eines Schaltkreises innerhalb eines Wechselrichters, der für die Stromversorgung der PMSM konfiguriert ist. Beispielsweise kann das Steuergerät 300 eine oder mehrere Hardware- und/oder Softwarekomponenten enthalten, die den Widerstandsschätzer 182 mit Vorsteuerung implementieren, um den geschätzten Widerstand R̂^f mit Vorsteuerung basierend auf der geschätzten Wicklungstemperatur Ω̂_w der Wicklungen des Elektromotors 102 und einer geschätzten Schaltertemperatur Ω̂_i eines Schaltkreises innerhalb des Wechselrichters 104 zu bestimmen, der so konfiguriert ist, dass er den Elektromotor 102 mit Strom versorgt.
Bei 418 bestimmt das Verfahren 400 den geschätzten Motorschaltkreiswiderstand basierend auf dem geschätzten Widerstand mit Vorsteuerung. Beispielsweise kann das Steuergerät 300 eine oder mehrere Hardware- und/oder Softwarekomponenten enthalten, die den Widerstandssummierungsblock 188 implementieren, um den geschätzten Motorschaltkreiswiderstand R̂ als Summe aus dem geschätzten Widerstand R̂^f mit Vorsteuerung und einem Widerstandskorrekturterm R̂^b zu bestimmen.
Bei 420 bestimmt das Verfahren 400 eine geschätzte Wicklungsspannung der PMSM auf der Grundlage des geschätzten Widerstands mit Vorsteuerung, der geschätzten synchronen Induktivität der PMSM und der geschätzten PM-Flussverkettung. Beispielsweise kann das Steuergerät 300 eine oder mehrere Hardware- und/oder Softwarekomponenten enthalten, die das Spannungsmodell 186 implementieren, um die geschätzte Wicklungsspannung des Elektromotors 102 als Spannung $V_{d q}^{ƒ}$
mit Vorsteuerung zu bestimmen basierend auf: dem geschätzten Widerstand R̂^f mit Vorsteuerung, der geschätzten synchronen Induktivität L̂ und der geschätzten PM-Flussverkettung ${\hat{λ}}_{r}^{ƒ}$
mit Vorsteuerung des Elektromotors 102.
Bei 422 bestimmt das Verfahren 400 einen Widerstandskorrekturterm auf der Grundlage der geschätzten Wicklungsspannung der Wicklungen der PMSM und eines Motorspannungsbefehls zur Steuerung eines Wechselrichters, der die PMSM mit Strom versorgt. In einigen Ausführungsformen kann Schritt 418 die Bestimmung des geschätzten Motorschaltkreiswiderstands ferner auf der Grundlage des Widerstandskorrekturterms umfassen. Beispielsweise kann das Steuergerät 300 eine oder mehrere Hardware- und/oder Softwarekomponenten enthalten, die den Widerstandskorrekturschätzer 184 implementieren, um den Widerstandskorrekturterm R̂^b basierend auf der Spannung $V_{d q}^{ƒ}$
mit Vorsteuerung, die auch als geschätzte Wicklungsspannung des Elektromotors 102 bezeichnet werden kann, und basierend auf dem Motorspannungsbefehl $V_{d q}^{*}$
zur Steuerung des Wechselrichters 104, der den Elektromotor 102 mit Strom versorgt, zu bestimmen.
Bei 424 bestimmt das Verfahren 400 einen Induktivitätsskalierungsfaktor auf der Grundlage des geschätzten Motorstroms. Zum Beispiel kann das Steuergerät 300 eine oder mehrere Hardware- und/oder Softwarekomponenten enthalten, die den Induktivitätsskalierungsfaktor-Rechner 191 implementieren, um einen Induktivitätsskalierungsfaktor κ̂_l auf der Grundlage des geschätzten Motorstroms Î_dq zu bestimmen.
Bei 426 bestimmt das Verfahren 400 eine geschätzte Induktivität mit Vorsteuerung auf der Grundlage des Induktivitätsskalierungsfaktors und einer Nenninduktivität der PMSM. Beispielsweise kann das Steuergerät 300 eine oder mehrere Hardware- und/oder Softwarekomponenten enthalten, die den Induktivitätsschätzer 192 mit Vorsteuerung implementieren, um die geschätzte Induktivität L̂^f mit Vorsteuerung basierend auf dem Induktivitätsskalierungsfaktor κ̂_l und basierend auf der Nenninduktivität L̂⁰ des Elektromotors 102 zu bestimmen.
Bei 428 bestimmt das Verfahren 400 die geschätzte synchrone Induktivität auf der Grundlage der geschätzten Induktivität mit Vorsteuerung. Beispielsweise kann das Steuergerät 300 eine oder mehrere Hardware- und/oder Softwarekomponenten enthalten, die den Induktivitätssummierungsblock 198 implementieren, um die geschätzte synchrone Induktivität L̂ des Elektromotors 102 auf der Grundlage der geschätzten Induktivität L̂^f mit Vorsteuerung zu bestimmen. In einigen Ausführungsformen basiert die Bestimmung der geschätzten synchronen Induktivität ferner auf einem Induktivitätskorrekturterm. Zum Beispiel bestimmt der Induktivitätssummierungsblock 198 die geschätzte synchrone Induktivität L̂ des Elektromotors 102 als eine Summe der geschätzten Induktivität L̂^f mit Vorsteuerung und dem Induktivitätskorrekturterm L̂^b.
Bei 430 bestimmt das Verfahren 400 einen rekonstruierten Motorstrom auf der Grundlage der geschätzten Induktivität mit Vorsteuerung, des geschätzten Motorschaltkreiswiderstands und der geschätzten PM-Flussverkettung. Beispielsweise kann das Steuergerät 300 eine oder mehrere Hardware- und/oder Softwarekomponenten enthalten, die das Strommodell 196 implementieren, um den rekonstruierten Strom $I_{d q}^{ƒ}$
zu bestimmen, der auch als rekonstruierter Motorstrom bezeichnet werden kann, und zwar auf der Grundlage der geschätzten Induktivität L̂^f mit Vorsteuerung, dem geschätzten Motorschaltkreiswiderstand R̂ und der geschätzten PM-Flussverkettung ${\hat{λ}}_{r}^{ƒ}$
mit Vorsteuerung des Elektromotors 102.
Bei 432 bestimmt das Verfahren 400 einen Induktivitätskorrekturterm auf der Grundlage des rekonstruierten Motorstroms und eines befohlenen Stroms, der an einen Stromregler zur Steuerung der PMSM geliefert wird. Beispielsweise kann das Steuergerät 300 eine oder mehrere Hardware- und/oder Softwarekomponenten enthalten, die den Induktivitätskorrekturschätzer 194 implementieren, um den Induktivitätskorrekturterm L̂^b basierend auf dem rekonstruierten Strom Î_dq und einem befohlenen Strom Î_dq, der dem Stromregler 112 zur Steuerung des Elektromotors 102 zugeführt wird.
Die vorliegende Offenbarung stellt ein Verfahren zur Steuerung einer Permanentmagnet-Synchronmaschine (PMSM) mit Wicklungen bereit. Das Verfahren umfasst: Bestimmen einer geschätzten gegenelektromotorischen Kraft (Gegen-EMK), die in den Wicklungen der PMSM erzeugt wird, basierend auf einer geschätzten Spannung, die an die Wicklungen der PMSM angelegt wird, einem geschätzten Motorstrom der PMSM, einem geschätzten Motorschaltkreiswiderstand und einer geschätzten synchronen Induktivität der PMSM; Bestimmen einer geschätzten Permanentmagnet (PM)-Flussverkettung in der PMSM auf der Grundlage des geschätzten Motorstroms der PMSM; Bestimmen eines Gegen-EMK-Korrekturterms auf der Grundlage der geschätzten PM-Flussverkettung; und Bestimmen eines geschätzten Rotorflussraumvektors auf der Grundlage der geschätzten Gegen-EMK und des Gegen-EMK-Korrekturterms.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner: Bestimmen einer geschätzten elektrischen Motorposition der PMSM auf der Grundlage des geschätzten Rotorflussraumvektors, einschließlich des Bestimmens eines Winkels des geschätzten Rotorflussraumvektors, und wobei der Winkel des geschätzten Rotorflussraumvektors die geschätzte elektrische Motorposition darstellt.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner: Bestimmen einer berechneten elektrischen Motorposition der PMSM auf der Grundlage einer gemessenen Rotorposition der PMSM; und Verifizieren der gemessenen Rotorposition der PMSM durch Vergleichen der berechneten elektrischen Motorposition mit der geschätzten elektrischen Motorposition.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner: Steuern der PMSM auf der Grundlage der geschätzten elektrischen Motorposition der PMSM.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Bestimmen des Gegen-EMK-Korrekturterms ferner: Bestimmen einer Differenz zwischen der geschätzten PM-Flussverkettung und einer Größe des geschätzten Rotorflussraumvektors; und Bestimmen des Gegen-EMK-Korrekturterms auf der Grundlage der Differenz zwischen der geschätzten PM-Flussverkettung und der Größe des geschätzten Rotorflussraumvektors.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Bestimmen der geschätzten PM-Flussverkettung ferner: Bestimmen eines geschätzten magnetischen Sättigungsskalierungsfaktors auf der Grundlage des geschätzten Motorstroms der PMSM; und Bestimmen der geschätzten PM-Flussverkettung auf der Grundlage des geschätzten magnetischen Sättigungsskalierungsfaktors.
In einigen Ausführungsformen basiert das Bestimmen der geschätzten PM-Flussverkettung außerdem auf einer geschätzten Temperatur von Rotormagneten der PMSM.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner: Bestimmen eines geschätzten Widerstands mit Vorsteuerung auf der Grundlage einer geschätzten Temperatur der Wicklungen der PMSM und einer geschätzten Temperatur eines Schaltkreises in einem Wechselrichter, der zur Stromversorgung der PMSM konfiguriert ist; und Bestimmen des geschätzten Motorschaltkreiswiderstands auf der Grundlage des geschätzten Widerstands mit Vorsteuerung.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner: Bestimmen einer geschätzten Wicklungsspannung der PMSM auf der Grundlage des geschätzten Widerstands mit Vorsteuerung, der geschätzten synchronen Induktivität der PMSM und der geschätzten PM-Flussverkettung; und Bestimmen eines Widerstandskorrekturterms auf der Grundlage der geschätzten Wicklungsspannung der Wicklungen der PMSM und eines Motorspannungsbefehls zum Steuern eines Wechselrichters, der die PMSM mit Strom versorgt, wobei das Bestimmen des geschätzten Motorschaltkreiswiderstands ferner auf dem Widerstandskorrekturterm basiert.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner: Bestimmen eines Induktivitätsskalierungsfaktors auf der Grundlage des geschätzten Motorstroms; Bestimmen einer geschätzten Induktivität mit Vorsteuerung auf der Grundlage des Induktivitätsskalierungsfaktors und einer Nenninduktivität der PMSM; und Bestimmen der geschätzten synchronen Induktivität auf der Grundlage der geschätzten Induktivität mit Vorsteuerung.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner: Bestimmen eines rekonstruierten Motorstroms auf der Grundlage der geschätzten Induktivität mit Vorsteuerung, eines geschätzten Motorschaltkreiswiderstands und einer geschätzten PM-Flussverkettung; und Bestimmen eines Induktivitätskorrekturterms auf der Grundlage des rekonstruierten Motorstroms und eines befohlenen Stroms, der einem Stromregler zur Steuerung der PMSM zugeführt wird, wobei das Bestimmen der geschätzten synchronen Induktivität ferner auf dem Induktivitätskorrekturterm basiert.
Ein System zur Steuerung einer Permanentmagnet-Synchronmaschine (PMSM) wird bereitgestellt. Das System umfasst: einen Wechselrichter mit einer Vielzahl von Schaltern, die betrieben werden können, um die PMSM mit Wechselstrom versorgen; und ein Steuergerät. In einigen Ausführungsformen ist das Steuergerät so konfiguriert, dass es: eine geschätzte gegenelektromotorische Kraft (Gegen-EMK), die in Wicklungen der PMSM erzeugt wird, basierend auf einer geschätzten Spannung, die an die Wicklungen der PMSM angelegt wird, einem geschätzten Motorstrom der PMSM, einem geschätzten Motorschaltkreiswiderstand und einer geschätzten synchronen Induktivität der PMSM bestimmt; eine geschätzte Permanentmagnet-Flussverkettung (PM-Flussverkettung) in der PMSM auf der Grundlage des geschätzten Motorstroms der PMSM bestimmt; einen Gegen-EMK-Korrekturterm auf der Grundlage der geschätzten PM-Flussverkettung bestimmt; und einen geschätzten Rotorflussraumvektor auf der Grundlage der geschätzten Gegen-EMK und des Gegen-EMK-Korrekturterms bestimmt.
In einigen Ausführungsformen ist das Steuergerät ferner so konfiguriert, dass es eine geschätzte elektrische Motorposition der PMSM auf der Grundlage des geschätzten Rotorflussraumvektors bestimmt, einschließlich der Bestimmung eines Winkels des geschätzten Rotorflussraumvektors, und wobei der Winkel des geschätzten Rotorflussraumvektors die geschätzte elektrische Motorposition darstellt.
In einigen Ausführungsformen ist das Steuergerät ferner so konfiguriert, dass es die geschätzte elektrische Motorposition der PMSM für mindestens einen der folgenden Zwecke verwendet: Überprüfen einer gemessenen Rotorposition der PMSM durch Vergleichen der gemessenen Rotorposition mit der geschätzten elektrischen Motorposition, oder Transformieren eines oder mehrerer Signale zwischen einem Zeitbereich und einem d-q-Referenzrahmen auf der Grundlage der geschätzten elektrischen Motorposition der PMSM.
In einigen Ausführungsformen ist das Steuergerät ferner konfiguriert, um: eine Differenz zwischen der geschätzten PM-Flussverkettung und einer Größe des geschätzten Rotorflussraumvektors zu bestimmen; und den Gegen-EMK-Korrekturterm auf der Grundlage der Differenz zwischen der geschätzten PM-Flussverkettung und der Größe des geschätzten Rotorflussraumvektors zu bestimmen.
In einigen Ausführungsformen ist das Steuergerät ferner so konfiguriert, dass es: einen geschätzten magnetischen Sättigungsskalierungsfaktor auf der Grundlage des geschätzten Motorstroms der PMSM bestimmt; und die geschätzte PM-Flussverkettung auf der Grundlage des geschätzten magnetischen Sättigungsskalierungsfaktors und einer geschätzten Temperatur von Rotormagneten der PMSM bestimmt.
In einigen Ausführungsformen ist das Steuergerät ferner so konfiguriert, dass es: einen geschätzten Widerstand mit Vorsteuerung auf der Grundlage einer geschätzten Temperatur der Wicklungen der PMSM und einer geschätzten Temperatur eines Schaltkreises innerhalb eines Wechselrichters, der zur Stromversorgung der PMSM konfiguriert ist, bestimmt; und den geschätzten Motorschaltkreiswiderstand auf der Grundlage des geschätzten Widerstands mit Vorsteuerung bestimmt.
In einigen Ausführungsformen ist das Steuergerät ferner so konfiguriert, dass es: eine geschätzte Wicklungsspannung der PMSM auf der Grundlage des geschätzten Widerstands mit Vorsteuerung, der geschätzten synchronen Induktivität der PMSM und der geschätzten PM-Flussverkettung bestimmt; und einen Widerstandskorrekturterm auf der Grundlage der geschätzten Wicklungsspannung der Wicklungen der PMSM und eines Motorspannungsbefehls zur Steuerung eines Wechselrichters, der die PMSM mit Strom versorgt, bestimmt, wobei das Bestimmen des geschätzten Motorschaltkreiswiderstands ferner auf dem Widerstandskorrekturterm beruht.
In einigen Ausführungsformen ist das Steuergerät ferner so konfiguriert, dass es: einen Induktivitätsskalierungsfaktor auf der Grundlage des geschätzten Motorstroms bestimmt; eine geschätzte Induktivität mit Vorsteuerung auf der Grundlage des Induktivitätsskalierungsfaktors und einer Nenninduktivität der PMSM bestimmt; und die geschätzte synchrone Induktivität auf der Grundlage der geschätzten Induktivität mit Vorsteuerung bestimmt.
In einigen Ausführungsformen ist das Steuergerät ferner konfiguriert, um: einen rekonstruierten Motorstrom zu bestimmen, der auf der geschätzten Induktivität mit Vorsteuerung, einem geschätzten Motorschaltkreiswiderstand und einer geschätzten PM-Flussverkettung basiert; einen Induktivitätskorrekturterm zu bestimmen, der auf dem rekonstruierten Motorstrom und einem befohlenen Strom basiert, der einem Stromregler zur Steuerung der PMSM zugeführt wird, wobei das Bestimmen der geschätzten synchronen Induktivität ferner auf dem Induktivitätskorrekturterm basiert.
Die obigen Ausführungen sollen die Grundsätze und verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung veranschaulichen. Zahlreiche Variationen und Modifikationen werden für den Fachmann offensichtlich, sobald die obige Offenbarung vollständig verstanden ist. Es ist beabsichtigt, dass die folgenden Ansprüche so ausgelegt werden, dass sie alle derartigen Variationen und Modifikationen umfassen.
Das Wort „Beispiel“ wird hier verwendet, um als Beispiel, Instanz oder Illustration zu dienen. Jeder hier als „Beispiel“ beschriebene Aspekt oder Entwurf ist nicht unbedingt als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Aspekten oder Entwürfen zu verstehen. Vielmehr soll die Verwendung des Wortes „Beispiel“ dazu dienen, Konzepte in einer konkreten Weise darzustellen. Wie in dieser Anmeldung verwendet, soll der Begriff „oder“ ein einschließendes „oder“ und nicht ein ausschließendes „oder“ bedeuten. Das heißt, sofern nicht anders angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich, ist mit „X schließt A oder B ein“ jede der natürlichen, einschließenden Permutationen gemeint. Das heißt, wenn X A einschließt, X B einschließt oder X sowohl A als auch B einschließt, dann ist „X schließt A oder B ein“ in jedem der vorgenannten Fälle erfüllt. Darüber hinaus sollten die Artikel „einer/eine/eines“, wie sie in dieser Anmeldung und den beigefügten Ansprüchen verwendet werden, im Allgemeinen so ausgelegt werden, dass sie „ein oder mehrere“ bedeuten, es sei denn, es ist etwas anderes angegeben oder aus dem Kontext geht eindeutig hervor, dass sie sich auf eine Singularform beziehen. Darüber hinaus ist die Verwendung des Begriffs „eine Implementierung“ oder „die eine Implementierung“ nicht gleichbedeutend mit derselben Ausführungsform oder Implementierung, es sei denn, sie wird als solche beschrieben.
Implementierungen der hier beschriebenen Systeme, Algorithmen, Verfahren, Anweisungen usw. können in Hardware, Software oder einer beliebigen Kombination davon realisiert werden. Bei der Hardware kann es sich beispielsweise um Computer, Kerne aus geistigem Eigentum (IP), anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), programmierbare Logikarrays, optische Prozessoren, programmierbare Logiksteuerungen, Mikrocode, Mikrocontroller, Server, Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren oder jede andere geeignete Schaltung handeln. In den Ansprüchen ist der Begriff „Prozessor“ so zu verstehen, dass er jede der vorgenannten Hardware entweder einzeln oder in Kombination umfasst. Die Begriffe „Signal“ und „Daten“ werden austauschbar verwendet.
Wie hier verwendet, kann der Begriff Modul eine verpackte funktionale Hardwareeinheit umfassen, die für die Verwendung mit anderen Komponenten ausgelegt ist, einen Satz von Anweisungen, die von einem Steuergerät (z. B. einem Prozessor, der Software oder Firmware ausführt) ausgeführt werden können, Verarbeitungsschaltungen, die für die Ausführung einer bestimmten Funktion konfiguriert sind, und eine in sich geschlossene Hardware- oder Softwarekomponente, die eine Schnittstelle zu einem größeren System bildet. Ein Modul kann beispielsweise einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), ein Field Programmable Gate Array (FPGA), einen Schaltkreis, einen digitalen Logikschaltkreis, einen analogen Schaltkreis, eine Kombination aus diskreten Schaltkreisen, Gattern und anderen Arten von Hardware oder einer Kombination davon umfassen. In anderen Ausführungsformen kann ein Modul einen Speicher enthalten, in dem Anweisungen gespeichert sind, die von einem Steuergerät ausgeführt werden können, um ein Merkmal des Moduls zu implementieren.
In einem Aspekt können die hier beschriebenen Systeme ferner beispielsweise mit einem Allzweckcomputer oder einem Allzweckprozessor mit einem Computerprogramm implementiert werden, das bei seiner Ausführung beliebige der jeweiligen hier beschriebenen Verfahren, Algorithmen und/oder Anweisungen ausführt. Zusätzlich oder alternativ kann z. B. ein Spezialcomputer/Prozessor verwendet werden, der andere Hardware zur Ausführung der hier beschriebenen Verfahren, Algorithmen oder Anweisungen enthalten kann.
Darüber hinaus können alle oder ein Teil der Implementierungen der vorliegenden Offenbarung die Form eines Computerprogrammprodukts annehmen, das beispielsweise von einem computerverwendbaren oder computerlesbaren Medium zugänglich ist. Ein computerverwendbares oder computerlesbares Medium kann ein beliebiges Gerät sein, das z. B. das Programm zur Verwendung durch oder in Verbindung mit einem beliebigen Prozessor konkret enthalten, speichern, übermitteln oder transportieren kann. Das Medium kann beispielsweise ein elektronisches, magnetisches, optisches, elektromagnetisches oder ein Halbleitergerät sein. Andere geeignete Medien sind ebenfalls verfügbar.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen, Implementierungen und Aspekte wurden beschrieben, um ein einfaches Verständnis der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen, und sie schränken die vorliegende Offenbarung nicht ein. Im Gegenteil, die Offenbarung soll verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdecken, die in den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche fallen, wobei der Anwendungsbereich so weit wie möglich auszulegen ist, um alle derartigen Modifikationen und äquivalenten Strukturen zu umfassen, die nach dem Gesetz zulässig sind.

Claims

Verfahren (400) zur Steuerung einer Permanentmagnet-Synchronmaschine (PMSM) mit Wicklungen, umfassend: Bestimmen einer geschätzten gegenelektromotorischen Kraft (Gegen-EMK) (Ê_αβ), die in Wicklungen der PMSM erzeugt wird, basierend auf einer geschätzten Spannung, die an die Wicklungen der PMSM angelegt wird, einem geschätzten Motorstrom (Î_dq) der PMSM, einem geschätzten Motorschaltkreiswiderstand (R̂) und einer geschätzten synchronen Induktivität (L̂) der PMSM; Bestimmen einer geschätzten Permanentmagnet-Flussverkettung (PM-Flussverkettung) (λ_r) in der PMSM auf der Grundlage des geschätzten Motorstroms (Î_dq) der PMSM; Bestimmen eines Gegen-EMK-Korrekturterms (ΔÊ_αβ) auf der Grundlage der geschätzten PM-Flussverkettung (λ_r); und Bestimmen eines geschätzten Rotorflussraumvektors (λ̂_r) auf der Grundlage der geschätzten Gegen-EMK (Ê_αβ) und des Gegen-EMK-Korrekturterms (ΔÊ_αβ).
Verfahren (400) nach Anspruch 1, das ferner das Bestimmen einer geschätzten elektrischen Motorposition $({\hat{θ}}_{e}^{s})$
der PMSM auf der Grundlage des geschätzten Rotorflussraumvektors (λ̂_r) umfasst, einschließlich des Bestimmens eines Winkels (∠λ̂_r) des geschätzten Rotorflussraumvektors (λ̂_r), wobei der Winkel (∠λ̂_r) des geschätzten Rotorflussraumvektors (λ̂_r) die geschätzte elektrische Motorposition $({\hat{θ}}_{e}^{s})$
darstellt.
Verfahren (400) nach Anspruch 2, das ferner umfasst: Bestimmen einer berechneten elektrischen Motorposition $({\hat{θ}}_{e}^{m})$
der PMSM basierend auf einer gemessenen Rotorposition (θ_r) der PMSM; und Überprüfen der gemessenen Rotorposition (θ_r) der PMSM durch Vergleich der berechneten elektrischen Motorposition $({\hat{θ}}_{e}^{m})$
mit der geschätzten elektrischen Motorposition $({\hat{θ}}_{e}^{s}) .$
Verfahren (400) nach Anspruch 2, das ferner das Steuern der PMSM auf der Grundlage der geschätzten elektrischen Motorposition $({\hat{θ}}_{e}^{s})$
der PMSM umfasst.
Verfahren (400) nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen des Gegen-EMK-Korrekturterms (ΔÊ_αβ) weiterhin umfasst: Bestimmen einer Differenz zwischen der geschätzten PM-Flussverkettung (λ̂_r) und einer Größe des geschätzten Rotorflussraumvektors (λ̂_r); und Bestimmen des Gegen-EMK-Korrekturterms (ΔÊ_αβ) auf der Grundlage der Differenz zwischen der geschätzten PM-Flussverkettung (λ̂_r) und der Größe des geschätzten Rotorflussraumvektors (λ̂_r).
Verfahren (400) nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der geschätzten PM-Flussverkettung (λ̂_r) ferner umfasst: Bestimmen eines geschätzten magnetischen Sättigungsskalierungsfaktors auf der Grundlage des geschätzten Motorstroms (Î_dq) der PMSM; und Bestimmen der geschätzten PM-Flussverkettung (λ̂_r) auf der Grundlage des geschätzten magnetischen Sättigungsskalierungsfaktors.
Verfahren (400) nach Anspruch 6, wobei das Bestimmen der geschätzten PM-Flussverkettung (λ̂_r) ferner auf einer geschätzten Temperatur (Ω̂_m) von Rotormagneten der PMSM basiert.
Verfahren (400) nach Anspruch 1, wobei das Verfahren (400) ferner umfasst: Bestimmen eines geschätzten Widerstands (R̂^f) mit Vorsteuerung auf der Grundlage einer geschätzten Temperatur der Wicklungen der PMSM und einer geschätzten Temperatur eines Schaltkreises innerhalb eines Wechselrichters (104), der zur Stromversorgung der PMSM konfiguriert ist; und Bestimmen des geschätzten Motorschaltkreiswiderstands (R̂) auf der Grundlage des geschätzten Widerstands (R̂^f) mit Vorsteuerung.
Verfahren (400) nach Anspruch 8, wobei das Verfahren (400) ferner umfasst: Bestimmen einer geschätzten Wicklungsspannung der PMSM auf der Grundlage des geschätzten Motorstroms (Î_dq), des geschätzten Widerstands (R̂^f) mit Vorsteuerung, der geschätzten synchronen Induktivität (L̂) der PMSM und der geschätzten PM-Flussverkettung (λ̂_r); und Bestimmen eines Widerstandskorrekturterms (R̂^b) auf der Grundlage der geschätzten Wicklungsspannung der Wicklungen der PMSM und eines Motorspannungsbefehls $(V_{d q}^{*})$
zum Steuern eines Wechselrichters (104), der den PMSM mit Strom versorgt, wobei das Bestimmen des geschätzten Motorschaltkreiswiderstands (R̂) weiterhin auf dem Widerstandskorrekturterm (R̂^b) basiert.
Verfahren (400) nach Anspruch 1, wobei das Verfahren (400) ferner umfasst: Bestimmen eines Induktivitätsskalierungsfaktors (κ̂_l) auf der Grundlage des geschätzten Motorstroms (Î_dq); Bestimmen einer geschätzten Induktivität (L̂^f) mit Vorsteuerung auf der Grundlage des Induktivitätsskalierungsfaktors (κ̂_l) und einer Nenninduktivität (L⁰) der PMSM; und Bestimmen der geschätzten synchronen Induktivität (L̂) auf der Grundlage der geschätzten Induktivität (L̂^f) mit Vorspannung.
Verfahren (400) nach Anspruch 10, wobei das Verfahren (400) ferner umfasst: Bestimmen eines rekonstruierten Motorstroms $(I_{d q}^{ƒ})$
auf der Grundlage der geschätzten Induktivität (L̂^f) mit Vorsteuerung, eines geschätzten Motorschaltkreiswiderstands (R̂) und einer geschätzten PM-Flussverkettung (λ̂_r); und Bestimmen eines Induktivitätskorrekturterms (L̂^b) auf der Grundlage des rekonstruierten Motorstroms $(I_{d q}^{ƒ})$
und eines befohlenen Stroms $(I_{d q}^{*}),$
der einem Stromregler (112) zur Steuerung der PMSM zugeführt wird, wobei das Bestimmen der geschätzten synchronen Induktivität (L̂) weiterhin auf dem Induktivitätskorrekturterm (L̂^b) basiert.
System zur Steuerung einer Permanentmagnet-Synchronmaschine (PMSM), umfassend: einen Wechselrichter (104) mit einer Vielzahl von Schaltern, die so betrieben werden können, dass sie der PMSM einen Wechselstrom zuführen; und ein Steuergerät (300), das konfiguriert ist zum: Bestimmen einer geschätzten gegenelektromotorischen Kraft (Gegen-EMK) (Ê_αβ), die in Wicklungen der PMSM erzeugt wird, basierend auf einer geschätzten Spannung, die an die Wicklungen der PMSM angelegt wird, auf einem geschätzten Motorstrom (Î_dq) der PMSM, auf einem geschätzten Motorschaltkreiswiderstand (R̂) und auf einer geschätzten synchronen Induktivität (L̂) der PMSM; Bestimmen einer geschätzten Permanentmagnet-Flussverkettung (PM-Flussverkettung) (λ̂_r) in der PMSM auf der Grundlage des geschätzten Motorstroms (Î_dq) der PMSM; Bestimmen eines Gegen-EMK-Korrekturterms (ΔÊ_αβ) auf der Grundlage der geschätzten PM-Flussverkettung (λ̂_r); und Bestimmen eines geschätzten Rotorflussraumvektors (λ̂_r) auf der Grundlage der geschätzten Gegen-EMK (Ê_αβ) und des Gegen-EMK-Korrekturterms (ΔÊ_αβ).
System nach Anspruch 12, wobei das Steuergerät (300) ferner so konfiguriert ist, dass es eine geschätzte elektrische Motorposition $({\hat{θ}}_{e}^{s})$
der PMSM auf der Grundlage des geschätzten Rotorflussraumvektors (λ̂_r) bestimmt, einschließlich der Bestimmung eines Winkels (∠λ̂_r) des geschätzten Rotorflussraumvektors (λ̂_r), wobei der Winkel (∠λ̂_r) des geschätzten Rotorflussraumvektors (λ̂_r) die geschätzte elektrische Motorposition $({\hat{θ}}_{e}^{s})$
darstellt.
System nach Anspruch 13, wobei das Steuergerät (300) ferner so konfiguriert ist, dass es die geschätzte elektrische Motorposition $(θ_{e}^{s})$
der PMSM für mindestens einen der folgenden Punkte verwendet: Überprüfen einer gemessenen Rotorposition (θ_r) der PMSM durch Vergleichen der gemessenen Rotorposition (θ_r) mit der geschätzten elektrischen Motorposition $({\hat{θ}}_{e}^{s}),$
oder Umwandeln eines oder mehrerer Signale zwischen einem Zeitbereich und einem d-q-Referenzrahmen auf der Grundlage der geschätzten elektrischen Motorposition $({\hat{θ}}_{e}^{s})$
der PMSM.
System nach Anspruch 12, wobei das Steuergerät (300) ferner konfiguriert ist zum: Bestimmen einer Differenz zwischen der geschätzten PM-Flussverkettung (λ̂_r) und einer Größe des geschätzten Rotorflussraumvektors (λ̂_r); und Bestimmen des Gegen-EMK-Korrekturterms (ΔÊ_αβ) auf der Grundlage der Differenz zwischen der geschätzten PM-Flussverkettung (λ̂_r) und der Größe des geschätzten Rotorflussraumvektors (λ̂_r).
System nach Anspruch 12, wobei das Steuergerät (300) ferner konfiguriert ist zum: Bestimmen eines geschätzten magnetischen Sättigungsskalierungsfaktors auf der Grundlage des geschätzten Motorstroms (Î_dq) der PMSM; und Bestimmen der geschätzten PM-Flussverkettung (λ̂_r) auf der Grundlage des geschätzten magnetischen Sättigungsskalierungsfaktors und einer geschätzten Temperatur (Ω̂_m) von Rotormagneten der PMSM.
System nach Anspruch 12, wobei das Steuergerät (300) ferner konfiguriert ist zum: Bestimmen eines geschätzten Widerstands (R̂^f) mit Vorsteuerung auf der Grundlage einer geschätzten Temperatur der Wicklungen der PMSM und einer geschätzten Temperatur eines Schaltkreises innerhalb eines Wechselrichters (104), der zur Stromversorgung der PMSM konfiguriert ist; und Bestimmen des geschätzten Motorschaltkreiswiderstandes (R̂) auf der Grundlage des geschätzten Widerstands (R̂^f) mit Vorsteuerung.
System nach Anspruch 17, wobei das Steuergerät (300) ferner konfiguriert ist zum: Bestimmen einer geschätzten Wicklungsspannung der PMSM auf der Grundlage des geschätzten Motorstroms (Î_dq), des geschätzten Widerstands (R̂^f) mit Vorsteuerung, der geschätzten synchronen Induktivität (L̂) der PMSM und der geschätzten PM-Flussverkettung (λ̂_r); und Bestimmen eines Widerstandskorrekturterms (R̂^b) auf der Grundlage der geschätzten Wicklungsspannung der Wicklungen der PMSM und eines Motorspannungsbefehls $(V_{d q}^{*})$
zur Steuerung eines Wechselrichters (104), der die PMSM mit Strom versorgt, wobei das Bestimmen des geschätzten Motorschaltkreiswiderstands (R̂) weiterhin auf dem Widerstandskorrekturterm (R̂^b) basiert.
System nach Anspruch 12, wobei das Steuergerät (300) ferner konfiguriert ist zum: Bestimmen eines Induktivitätsskalierungsfaktors (κ̂_l) auf der Grundlage des geschätzten Motorstroms (Î_dq); Bestimmen einer geschätzten Induktivität (L̂^f) mit Vorsteuerung auf der Grundlage des Induktivitätsskalierungsfaktors (κ̂_l) und einer Nenninduktivität (L⁰) der PMSM; und Bestimmen der geschätzten synchronen Induktivität (L̂) auf der Grundlage der geschätzten Induktivität (L̂^f) mit Vorsteuerung.
System nach Anspruch 19, wobei das Steuergerät (300) ferner konfiguriert ist zum: Bestimmen eines rekonstruierten Motorstroms (Î_dq) auf der Grundlage der geschätzten Induktivität (L̂^f) mit Vorsteuerung, eines geschätzten Motorschaltkreiswiderstands (R̂) und einer geschätzten PM-Flussverkettung (λ̂_r); und Bestimmen eines Induktivitätskorrekturterms (L̂^b) auf der Grundlage des rekonstruierten Motorstroms (Î_dq) und eines befohlenen Stroms $(I_{d q}^{*}),$
der an einen Stromregler (112) zur Steuerung der PMSM geliefert wird, wobei das Bestimmen der geschätzten synchronen Induktivität (L̂) weiterhin auf dem Induktivitätskorrekturterm (L̂^b) basiert.