DE102022201195A1 - Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine (2), aufweisend eine Regeleinheit (66) zur Erzeugung einer Steuergröße (UABSteuer, UdqSteuer, UdqSteuer') für einen Elektromotor (4) anhand eines Strom-Istwerts (IIST) und eines Positions-Istwerts (θel, θel'), wobei die Regeleinheit (66) eine Grundwellenregeleinheit (68) zur Regelung einer Grundwelle des Elektromotors (4) und mindestens eine zusätzliche Oberwellenregeleinheit (80, 82) zur Regelung einer Oberwelle des Elektromotors (4) aufweist, wobei mittels der Grundwellenregeleinheit (68) anhand eines ersten Strom-Sollwerts (ISOLLdq, ISOLLAB) und dem Strom-Istwert (IIST) sowie dem Positions-Istwert (θel, θel') eine erste Ausgangsgröße (Udq, UAB) erzeugt wird, wobei mittels der Oberwellenregeleinheit (80, 82) anhand eines zweiten Strom-Sollwerts (ISOLLdqHarm1, ISOLLdqHarm2, ISOLLABHarm1, ISOLLABHarm2) und dem Strom-Istwert (IIST) sowie einem der Oberwelle entsprechenden Vielfachen des Positions-Istwerts (θelHarm1, θelHarm2, θelHarm1', θelHarm2') eine zweite Ausgangsgröße (UdqHarm1, UdqHarm2, UdqHarm12, UdqHarm12', UABHarm1, UABHarm2) erzeugt wird, und wobei die erste Ausgangsgröße (Udq, UAB) und die zweite Ausgangsgröße (UdqHarm1, UdqHarm2, UdqHarm12, UdqHarm12', UABHarm1, UABHarm2) zu der Steuergröße (UABSteuer, UdqSteuer, UdqSteuer') addiert werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine, aufweisend eine Regeleinheit zur Erzeugung einer Steuergröße für einen Elektromotor anhand eines Strom-Istwerts und eines Positions-Istwerts. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine zur Durchführung des Verfahrens, sowie eine Software.
• Elektromotorisch an- oder betriebene Verstellsysteme als Kraftfahrzeugkomponenten, wie beispielsweise Fensterheber, Sitzverstellungen, Tür- und Schiebedachantriebe oder Kühlerlüfterantriebe sowie Pumpen und Innenraumgebläse weisen typischerweise einen elektrischen Antrieb mit einem gesteuerten Elektromotor auf. Für solche elektromotorische Antriebe werden zunehmend häufig sogenannte bürstenlose Elektromotoren (bürstenloser Gleichstrommotor, BLDC-Motor) eingesetzt, bei denen die verschleißanfälligen Bürstenelemente eines starren (mechanischen) Kommutators durch eine elektronische Kommutierung des Motorstroms ersetzt sind.
• Elektromotorische Antriebe für Kraftfahrzeuge werden in der Regel von einer (Hochvolt-)Batterie als fahrzeuginternem Energiespeicher gespeist, aus welchem der Elektromotor mit elektrischer Energie in Form eines Gleichstroms (Gleichspannung) versorgt wird. Zur Wandlung des Gleichstroms in den Motorstrom ist geeigneterweise ein Stromrichter (Wechselrichter, Inverter) zwischen der Batterie und dem Elektromotor verschaltet. Der Stromrichter weist eine Brückenschaltung auf, welche über einen elektrischen Zwischenkreis mit der Gleichstrom oder Gleichspannung des Energiespeichers versorgt wird. Der Motorstrom wird durch eine pulsweitenmodulierte (PWM) Ansteuerung oder Regelung von Halbleiterschaltern der Brückenschaltung als ein mehrphasiger Ausgangsstrom erzeugt. Durch die Pulse der PWM-Signale werden die Halbleiterschalter getaktet zwischen einem leitenden und einem sperrenden Zustand umgeschaltet.
• Die Brückenschaltung speist im Betrieb in die Statorspulen des Elektromotors den elektrischen Motorstrom (Drehstrom) ein, welcher in der Folge ein bezüglich des Stators rotierendes magnetisches Drehfeld erzeugt. Der Rotor des Elektromotors weist hierbei geeigneterweise eine Anzahl von Permanentmagneten auf, wobei durch die Wechselwirkung der Permanentmagnete mit dem Drehfeld ein resultierendes Drehmoment erzeugt wird, welches den Rotor in Rotation versetzt.
• Die Phasen des erzeugten Drehstroms und des zu-gehörigen Drehfeldes werden als (Motor-)Phasen bezeichnet. Im übertragenen Sinne werden hierunter auch die jeweils einer solchen Phase zugeordneten Statorspulen (Phasenwicklung) mit den zugehörigen Verbindungsleitungen (Phasenende) verstanden. Die Phasen sind hierbei beispielsweise in einem Sternpunkt einer Sternschaltung miteinander verschaltet.
• Für einen effizienten Betrieb ist es notwendig, dass die Phasen zum richtigen Zeitpunkt mit Strom versorgt werden. Hierzu ist beispielsweise eine Vektorregelung, auch feldorientierte Regelung (engl.: Field Oriented Control, FOC) genannt, möglich. Bei einer solchen feldorientierten Regelung oder FOC wird der Drehstrom als zwei orthogonale Komponenten identifiziert, die mit einem Stromraumvektor visualisiert werden können. Die eine Komponente (Direktkomponente) definiert den magnetischen Fluss des Motors, die andere das Drehmoment (Quadraturstrom).
• Die feldorientierte Regelung regelt den Drehstrom in einem d-q-Referenzsystem (Bezugsystem) des Elektromotors. Im Idealfall ist der Stromraumvektor in Bezug auf den Rotor in Betrag und Richtung (Quadratur) fest, also unabhängig von der Rotation. Da der Strom-Raumvektor im d-q- Referenzsystem statisch ist, erfolgt die Stromregelung anhand von Gleichstromsignalen. Dies isoliert die Regler von den zeitlich variierenden Wicklungsströmen und -spannungen und eliminiert daher die Begrenzung des Reglerfrequenzgangs und der Phasenverschiebung auf das Motordrehmoment und die Drehzahl.
• Der Elektromotor weist hierbei eine zugeordnete Motorsteuerung auf, welche die entsprechenden Stromkomponenten-Sollwerte aus den Fluss- und Drehmoment-Sollwerten, welche von einer Drehzahlregelung vorgegeben werden, bestimmt. Die Motor- oder Phasenströme werden hierbei in das d-q-Referenzsystem transformiert.
• Bei einer gewöhnlichen feldorientierten Regelung wird typischerweise ein Grundwellenmodell für die Regelung verwendet. Dies bedeutet, dass lediglich der Grundwellenanteil der Stromkomponenten geregelt wird. Dadurch werden Oberwellen beziehungsweise Oberwellenanteile im Elektromotor nicht gezielt geregelt. Die Oberwellen können bei der Ansteuerung des Elektromotors zu einer erhöhten Drehmomentwelligkeit und einem verschlechterten Wirkungsgrad führen. Des Weiteren können Drehmomentwelligkeiten zu akustischen Problemen im Motorbetrieb führen. Insbesondere kommt es im Motorbetrieb somit zu Vibrationen, welche zur Abstrahlung von Körperschall und letztlich hörbarem Luftschall führen können. Dadurch wird eine NVH-Leistung (NVH: Noise, Vibration, Harshness) des Elektromotors verschlechtert.
• Aus der DE 10 2018 127 508 A1 ist ein Verfahren zur Drehmomentwelligkeitskompensation bei einem feldorientiert geregelten Elektromotor beschrieben, bei welchem zusätzliche pulsierende Stromsignale in die d/q-Achse injiziert werden. Die auftretenden Drehmomentwelligkeiten im Motorbetrieb sind hierbei durch Messungen vorcharakterisiert und in einer Nachschlagetabelle hinterlegt. Aus den hinterlegten Drehmomentwelligkeiten wird während des Motorbetriebs ein jeweiliger Injektionsstrom bestimmt.
• In der DE 10 2018 202 967 A1 ist eine Steuereinheit beschrieben, welche dazu ausgebildet ist, ein insbesondere pulsweitenmoduliertes, einen in den Stator einzuspeisenden Strom repräsentierendes Steuersignal zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes zu erzeugen und dieses ausgangsseitig auszugeben. Die Steuereinheit ist ausgebildet, dem Steuersignal ein wenigstens eine Oberwelle repräsentierendes Überlagerungssignal zu überlagern, sodass Oberwellen in einem Maschinestrom der Maschine, insbesondere Motorstrom, reduziert oder eliminiert werden können. Hierbei ist die Steuereinheit ausgebildet, das Überlagerungssignal mit wenigstens zwei, oder nur zwei zueinander verschiedenen Anteilen zu erzeugen. Die zueinander verschiedenen Anteile umfassen bevorzugt einen positiven Anteil und einen negativen Anteil, wobei der positive Anteil einen in Rotorumlaufrichtung drehenden Stromvektor repräsentiert, und wobei der negative Anteil einen entgegen der Rotorumlaufrichtung drehenden Stromvektor repräsentiert.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine anzugeben. Insbesondere soll eine zuverlässige Reduzierung von Drehmomentwelligkeiten realisiert werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete elektrische Maschine sowie eine besonders geeignete Software anzugeben.
• Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie hinsichtlich der Software mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Sofern nachfolgend Verfahrensschritte beschrieben werden, ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen für die elektrische Maschine insbesondere dadurch, dass diese dazu ausgebildet ist, einen oder mehrere dieser Verfahrensschritte auszuführen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betrieb einer elektrischen Maschine vorgesehen, sowie dafür geeignet und ausgestaltet. Verfahrensgemäß ist hierbei eine Regeleinheit zur Erzeugung einer Steuergröße für einen Elektromotor der elektrischen Maschine vorgesehen. Der Elektromotor ist hierbei insbesondere als ein bürstenloser Elektromotor mit einer mehrphasigen, insbesondere mindestens dreiphasigen, Drehfeldwicklung ausgeführt. Die Regeleinheit erzeugt die Steuergröße für die Motoransteuerung anhand eines Strom-Istwerts (Eingangsströme U, V, W) und eines Positions-Istwerts (Rotorposition). Unter dem Strom-Istwert sind hierbei insbesondere die Eingangsströme für die Motorphasen zu verstehen, wobei der Positions-Istwert insbesondere eine mechanische Position oder eine elektrische Position des Rotors des Elektromotors angibt. Die mechanische Position (mechanischer Winkel) beschreibt hierbei insbesondere die absolute mechanische Lage des Rotors zum Stator, wobei die elektrische Position (elektrischer Winkel) insbesondere den für die Kommutierung des Motorstroms maßgebenden Lagewert beschreibt. Die elektrische Position gibt hierbei insbesondere die Phasenlage eines Stromvektors zur Kommutierung des Elektromotors an. Vorzugsweise entspricht der Positions-Istwert der elektrischen Rotorposition.
• Der Motorbetrieb des Elektromotors wird durch eine feldorientierte Regelung (FOC) der Regeleinheit geregelt. Hierbei wird ein Motor- oder Phasenstrom des Elektromotors als Strom-Istwert mittels einer Stromregelung in einem d/q-Koordinatensystem mit einer Gleichspannungskomponente und einem Quadraturstrom geregelt. Die Regeleinheit beziehungsweise die Stromregelung weist hierbei erfindungsgemäß eine Grundwellenregeleinheit zur Regelung einer Grundwelle des Elektromotors und mindestens eine zusätzliche Oberwellenregeleinheit zur Regelung einer Oberwelle des Elektromotors auf. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist das Grundwellenmodell zur Regelung hierbei mit einem Oberwellenmodell zur Regelung der Oberwellenanteile ergänzt. Unter einer Regelung wird hierbei insbesondere eine feldorientierte Regelung verstanden.
• Die Grundwellenregeleinheit erzeugt hierbei anhand eines ersten Strom-Sollwerts und dem Strom-Istwert sowie dem Positions-Istwert eine erste Ausgangsgröße, wobei mittels der Oberwellenregeleinheit anhand eines zweiten Strom-Sollwerts und dem Strom-Istwert sowie einem der Oberwelle entsprechenden Vielfachen des Positions-Istwerts eine zweite Ausgangsgröße erzeugt wird. Die Ausgangsgrößen der Grundwellenregeleinheit und Oberwellenregeleinheit werden erfindungsgemäß zu der Steuergröße addiert. Mit anderen Worten weist die Steuergröße zusätzlich zu einem Grundwellenanteil mindestens einen Oberwellenanteil auf. Dadurch ist ein besonders geeignetes Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine realisiert.
• Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass sich die feldorientierte Regelung im d/q-Koordinatensystem für die Regelung der Grundwelle bewährt hat. Erfindungsgemäß wird die feldorientierte Regelung für höhere Frequenzanteile erweitert. Ähnlich wie für die Grundwelle werden ein oder mehrere Oberwellen geregelt. Dadurch wird der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine beziehungsweise des Elektromotors verbessert. Insbesondere wird eine Drehmomentwelligkeit im Motorbetrieb reduziert, wodurch die Akustik der elektrischen Maschine verbessert wird.
• Beispielsweise wird der Strom-Istwert mit Hilfe einer Park-Clarke-Transformation transformiert. Als (Transformations-)Winkel wird hierbei nicht die (elektrische) Rotorposition verwendet, sondern ein (harmonisches) Vielfaches. Nachdem die Differenz aus dem zweiten Strom-Sollwert und dem transformierten Strom-Istwerts gebildet wurde, wird dieser Wert einem Regler der Oberwellenregeleinheit zugeführt. Das Regelergebnis wird mit dem gleichen Winkel rücktransformiert und als zweite Ausgangsgröße im statorfesten A/B-Koordinatensystem mit der ersten Ausgangsgröße der Grundwelle und gegebenenfalls mit anderen Oberwellenergebnissen zu der Steuergröße addiert. Die Steuergröße ist wiederum der Eingang für die Modulation zur Ansteuerung des Elektromotors beziehungsweise der (Stator-)Drehfeldwicklung.
• Unter einer Clarke-Transformation, also einer A/B- beziehungsweise α/β-Transformation, wird hier und im Folgenden insbesondere eine Koordinatentransformation verstanden, bei welcher Strom- und/oder Spannungsvektoren in einem statorfesten Koordinatensystem (A/B-Koordinatensystem) erzeugt werden. Unter einer Park-Transformation, also einer d/q-Transformation, wird hier und im Folgenden insbesondere eine Koordinatentransformation verstanden, bei welcher Strom- und/oder Spannungsvektoren in einem rotorfesten Koordinatensystem (d/q-Koordinatensystem) erzeugt werden. Unter einer Park-Clarke-Transformation ist hier und im Folgenden insbesondere das Produkt aus einer Clarke-Transformation und einer Park-Transformation zu verstehen.
• Das Verfahren wird beispielsweise bei einem dreiphasigen Elektromotor angewendet. Bei einem mehrphasigen (3*n mit n>1) Elektromotor kann das Regelungsverfahren den Antrieb (ansteuertechnisch) effektiv in eine Anzahl von Teilsystemen unterteilen. Hierbei kann eines der Teilsysteme mit dem verfahrensgemäß erweiterten feldorientierten Regelung geregelt werden, wobei das Ergebnis mit Hilfe einer Transformation auf die weiteren Teilsysteme übertragen wird. Die Übertragung erfolgt hierbei in Abhängigkeit der Oberwelle. Da die Oberwellenanteile bei dem erfindungsgemäß geregelten Teilsystem bekannt sind, kann die Übertragung hierbei leicht erfolgen. Dadurch wird mit dem Verfahren auch eine Verbesserung der (An-)Steuerung von Teilmotoren ermöglicht.
• Optional können, wie in der klassischen feldorientierten Regelung auch, die d/q-Achsen bei der Regelung durch Berücksichtigung des gegenseitigen Einflusses entkoppelt werden. Durch die Eigenschaft des Elektromotors wirken sich Änderungen auf der d-Achse auf die q-Achse und umgekehrt aus. Dies kann durch eine geeignete Vorsteuerung kompensiert werden.
• Im Zuge der Grundwellenregelung wird anhand des ersten Strom-Sollwerts und des Strom-Istwerts sowie des Positions-Istwerts beispielsweise zunächst ein eine erste Führungsgröße aus dem Strom-Istwert und Positions-Istwert bestimmt. Anschließend wird insbesondere eine Regelabweichung aus dem ersten Strom-Sollwert und der ersten Führungsgröße als Eingangsgröße für einen Grundwellenregler, beispielsweise einen PI-Regler, erzeugt, welcher die erste Ausgangsgröße ausgibt.
• Entsprechend wird im Zuge der Oberwellenregelung beispielsweise zunächst ein Vielfaches des Positions-Istwerts bestimmt, und anschließend eine zweite Führungsgröße aus dem Strom-Istwert und dem Vielfachen des Positions-Istwerts erzeugt. Hernach wird eine Regelabweichung aus dem ersten Strom-Sollwert und der ersten Führungsgröße als Eingangsgröße für einen Oberwellenregler, beispielsweise einem I-Regler, erzeugt, welcher die zweite Ausgangsgröße ausgibt.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Regeleinheit eine Anzahl von Oberwellenregeleinheiten, also mehrere Oberwellenregeleinheiten, insbesondere mindestens zwei Oberwellenregeleinheiten, für unterschiedliche Oberwellenanteile auf, mittels welchen jeweils eine zweite Ausgangsgröße erzeugt wird, welche mit der ersten Ausgangsgröße zu der Steuergröße addiert werden. Dadurch wird sichergestellt, dass mehrere Oberwellenanteile ausgeregelt werden können. Beispielsweise sind zwei Oberwellenregeleinheiten für die dritte und fünfte Oberwelle, insbesondere für die fünfte und siebte Oberwelle, vorgesehen.
• Die Differenzbildung der Sollwerte mit den Istwerten findet für jeden Frequenzanteil (Grundwelle, Oberwellen) beispielsweise getrennt statt. Dadurch erscheinen die Frequenzanteile an allen Reglereingängen. Dies hat zur Folge, dass auch in einem nach außen statischem Fall ein Fehlerwert vorhanden ist, welchen die Regler permanent regeln. In einer geeigneten Ausführung werden der erste Strom-Sollwert und der zweite Strom-Sollwert zunächst zu einem gemeinsamen Strom-Sollwert addiert werden, wobei aus dem Strom-Istwert und dem gemeinsamen Strom-Sollwert eine Führungsgröße für die Grundwellenregeleinheit und für die Oberwellenregeleinheit bestimmt wird. Insbesondere wird Addition der Strom-Sollwerte in einem statorfesten A/B-Koordinatensystem durchgeführt. Indem man im statorfesten Koordinatensystem die Summe der Sollwerte mit dem Istwert subtrahiert, kann eine unnötige Regelung im statischen Fall vermieden werden. Dadurch ist ein besonders regeleffizienter Betrieb der elektrischen Maschine ermöglicht.
• In einer denkbaren Weiterbildung wird die Regelung der Grundwellenregeleinheit und der Oberwellenregeleinheit jeweils in einem rotorfesten d/q-Koordinatensystem durchgeführt. Insbesondere ist das d/q-Koordinatensystem der Oberwellenregeleinheit hierbei gegenüber dem d/q-Koordinatensystem der Grundwellenregeleinheit gedreht. Effektiv wird ein Koordinatensystem für einen mit der Oberwelle rotierenden Rotor für die Oberwellenregeleinheit verwendet. Dadurch ist eine einfache und zuverlässige Regelung der Oberwellenanteile gewährleistet.
• In einer zweckmäßigen Ausgestaltung wird der Strom-Istwert als Regelgröße für die Oberwellenregeleinheit verwendet. Dadurch, insbesondere die Regelung im dq-Bereich, ist eine Amplituden- und/oder Phasenverschiebung vermieden.
• Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ist zum Betrieb, insbesondere zur feldorientierten Regelung, eines Elektromotors vorgesehen, sowie dafür geeignet und eingerichtet. Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf die elektrische Maschine übertragbar und umgekehrt.
• Die elektrische Maschine weist einen bürstenlosen Elektromotor mit einem drehbaren Rotor und einem mit einer mehrphasigen Drehfeldwicklung versehenen Stator auf. Der zum Betrieb des Elektromotors vorgesehene Motorstrom wird beispielsweise mittels eines Umrichters (Wechselrichters) erzeugt. Der Umrichter ist hierbei Teil einer Motorelektronik. Der Umrichter ist mit einem Controller (das heißt einer Steuereinheit) gekoppelt, welcher vorzugsweise ebenfalls Teil der Motorelektronik ist.
• Der Controller weist hierbei eine Regeleinheit zur insbesondere feldorientierten Regelung des Motorbetriebs beziehungsweise des Motorstroms, auf, welche mit dem Controller gekoppelt, oder in diesen integriert ist. Die Regeleinheit erzeugt im Betrieb eine Steuergröße für den Elektromotor anhand eines Strom-Istwert und eines Positions-Istwerts, welche insbesondere mittels einer Messeinheit der elektrischen Maschine erfasst werden. Die Regeleinheit weist hierbei eine Grundwellenregeleinheit zur Regelung einer Grundwelle des Elektromotors und mindestens eine zusätzliche Oberwellenregeleinheit zur Regelung einer Oberwelle beziehungsweise eines Oberwellenanteils des Elektromotors auf.
• Der Controller ist hierbei allgemein - programm- und/oder schaltungstechnisch - zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Der Controller ist somit konkret dazu eingerichtet, eine feldorientierte Regelung sowohl für die Grundwelle als auch für mindestens eine Oberwelle durchzuführen.
• In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Controller zumindest im Kern durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren - gegebenenfalls in Interaktion mit einem Maschinennutzer - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch durchgeführt wird. Der Controller kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch ein nicht-programmierbares elektronisches Bauteil, wie zum Beispiel einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.
• In einer möglichen Ausführung weist die Grundwellenregeleinheit einen PI-Regler und die Oberwellenregeleinheit einen I-Regler auf. Anstelle des PI-Reglers und der I-Regler können auch andere Regler, wie beispielsweise P-Regler, PID-Regler oder Zweipunktregler, verwendet werden.
• Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht eine Software auf einem Medium oder Datenträger zur Durchführung oder Ausführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens vor. Dies bedeutet, dass die Software auf einem Datenträger hinterlegt ist, und zur Ausführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens vorgesehen, sowie dafür geeignet und ausgestaltet ist, wenn die Software auf einem Computer oder einem Rechner abläuft. Dadurch ist eine besonders geeignete Software für den Betrieb eines Elektromotors realisiert, mit welcher die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens programmtechnisch implementiert wird. Die Software ist somit insbesondere eine Betriebssoftware (Firmware), wobei der Datenträger beispielsweise ein Datenspeicher des Controllers ist, und wobei der Computer insbesondere ein Prozessor des Controllers ist. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren und/oder der elektrischen Maschine sinngemäß auch für die Software und umgekehrt.
• Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
• 1 eine elektrische Maschine mit einer Stromquelle und mit einem Elektromotor sowie mit einem dazwischen verschalteten Stromrichter,
• 2 drei Phasenwicklungen eines dreiphasigen Elektromotors der Maschine in Sternschaltung,
• 3 ein Brückenmodul einer Brückenschaltung des Stromrichters zur An-steuerung einer Phasenwicklung des Elektromotors,
• 4 ein Ersatzschaltbild für die Stromquelle,
• 5 ein Blockdiagramm für einen erfindungsgemäß geregelten Motorbetrieb, und
• 6 ein Blockdiagramm für einen Motorbetrieb, bei welchem in einem statorfesten Koordinatensystem eine Führungsgröße bestimmt wird,
• 7 ein Blockdiagramm für einen Motorbetrieb mit einer kaskadierten Regelung und gemeinsamer Differenzbildung,
• 8 ein Blockdiagramm eine erste Ausführung für einen Motorbetrieb mit einer kaskadierten Regelung und verteilter Differenzbildung,
• 9 ein Blockdiagramm eine zweite Ausführung für einen Motorbetrieb mit einer kaskadierten Regelung und verteilter Differenzbildung, und
• 10 ein Blockdiagramm für einen Multiphasenantrieb.
• Die Erfindung ist im Nachfolgenden beispielhaft anhand eines Antriebs mit B6-Schaltung erläutert. Die Erfindung kann jedoch auch auf andere Anordnungen angewendet werden.
• Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• Die 1 zeigt eine elektrische Maschine 2 für einen elektromotorischen Antrieb eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs, beispielsweise für einen Kältemittelverdichter oder für eine Sitzverstellung. Die Maschine 2 umfasst hierzu einen dreiphasigen bürstenlosen Elektromotor 4, welcher mittels eines Stromrichters (Umrichter, Wechselrichter) 6 an eine Stromquelle (Spannungsversorgung) 8 angeschlossen ist. Die Stromquelle 8 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen fahrzeuginternen Energiespeicher in Form einer (Kraftfahrzeug-)Batterie 10, sowie einen damit verbundenen (Gleichspannungs-)Zwischenkreis 12, welcher sich zumindest teilweise in den Stromrichter 6 erstreckt.
• Der Zwischenkreis 12 ist im Wesentlichen durch eine Hinleitung 12a und eine Rückleitung 12b gebildet, mittels welchen der Stromrichter 6 an die Batterie 10 angeschlossen ist. Die Leitungen 12a und 12b sind zumindest teilweise in den Stromrichter 6 geführt, in welchen zwischen diesen ein Zwischenkreiskondensator 14 sowie eine Brückenschaltung 16 verschaltet sind.
• Im Betrieb der Maschine 2 wird ein der Brückenschaltung 16 zugeführter Eingangsstrom I_E (4) in einen dreiphasigen Ausgangsstrom (Motorstrom, Drehstrom) lu, Iv, Iw für die drei Phasen U, V, W des Elektromotors 4 gewandelt. Die nachfolgend auch als Phasenströme bezeichneten Ausgangsströme lu, Iv, Iw werden an die entsprechenden Phasen(-wicklungen) U, V, W (2) eines nicht näher dargestellten Stators geführt.
• In der 2 ist eine Sternschaltung 18 der drei Phasenwicklungen U, V, W dargestellt. Die Phasenwicklungen U, V und W sind mit jeweils einem (Phasen-)Ende 22, 24, 26 an ein jeweiliges Brückenmodul 20 (3) der Brückenschaltung 16 geführt, und mit dem jeweils gegenüberliegenden Ende in einem Sternpunkt 28 als gemeinsamen Verbindungsanschluss miteinander verschaltet.
• In der Darstellung der 2 sind die Phasenwicklungen U, V und W jeweils mittels eines Ersatzschaltbildes in Form einer Induktivität 30 und eines ohmschen Widerstandes 32 sowie einem jeweiligen Spannungsabfall 34, 36, 38 gezeigt. Die jeweils über die Phasenwicklung U, V, W abfallende Spannung 34, 36, 38 ist schematisch durch Pfeile repräsentiert und ergibt sich aus der Summe der Spannungsabfälle über der Induktivität 30 und dem ohmschen Widerstand 32 sowie der induzierten Spannung 40. Die durch eine Bewegung eines Rotors des Elektromotors 4 induzierte Spannung 40 (elektromagnetische Kraft, EMK, EMF) ist in der 2 anhand eines Kreises dargestellt.
• Die Ansteuerung der Sternschaltung 18 erfolgt mittels der Brückenschaltung 16. Die Brückenschaltung 16 ist mit den Brückenmodulen 20 insbesondere als eine B6-Schaltung ausgeführt. In dieser Ausgestaltungsform wird im Betrieb an jede der Phasenwicklungen U, V, W in hoher Schaltfrequenz getaktet zwischen einem hohen (Gleich-)Spannungsniveau der Zuleitung 12a und einem niedrigen Spannungsniveau der Rückleitung 12b umgeschaltet. Das hohe Spannungsniveau ist hierbei insbesondere eine Zwischenkreisspannung U_ZK des Zwischenkreises 12, wobei das niedrige Spannungsniveau vorzugsweise ein Erdpotential U_G ist. Diese getaktete Ansteuerung ist als eine - in 1 mittels Pfeilen dargestellte - PWM-Ansteuerung durch einen Controller 42 ausgeführt, mit welcher eine Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl, der Leistung sowie der Drehrichtung des Elektromotors 4 möglich ist.
• Die Brückenmodule 20 umfassen jeweils zwei Halbleiterschalter 44 und 46, welche in der 2 lediglich schematisch und beispielhaft für die Phase W dargestellt sind. Das Brückenmodul 20 ist einerseits mit einem Potentialanschluss 48 an die Zuleitung 12a und somit an die Zwischenkreisspannung U_ZK angeschlossen. Andererseits ist das Brückenmodul 20 mit einem zweiten Potentialanschluss 50 an die Rückleitung 12b und somit an das Erdpotential U_G kontaktiert. Über die Halbleiterschalter 44, 46 ist das jeweilige Phasenende 22, 24, 26 der Phase U, V, W entweder mit der Zwischenkreisspannung U_ZK oder mit dem Erdpotential U_G verbindbar. Wird der Halbleiterschalter 44 geschlossen (leitend) und der Halbleiterschalter 46 geöffnet (nichtleitend, sperrend), so ist das Phasenende 22, 24, 26 mit dem Potential der Zwischenkreisspannung U_ZK verbunden. Entsprechend ist bei einem Öffnen des Halbleiterschalters 44 und einem Schließen des Halbleiterschalters 46 die Phase U, V, W mit dem Erdpotential U_G kontaktiert. Dadurch ist es mittels der PWM-Ansteuerung möglich, jede Phasenwicklung U, V, W mit zwei unterschiedlichen Spannungsniveaus zu beaufschlagen.
• In der 3 ist ein einzelnes Brückenmodul 20 vereinfacht dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Halbleiterschalter 44 und 46 beispielhaft als MOS-FETs (metal-oxide semiconductor field-effect transistor) realisiert, die jeweils mittels der PWM-Ansteuerung zwischen einem durchgeschalteten Zustand auf und einem sperrenden Zustand getaktet umschalten. Hierzu sind die jeweiligen Gateanschlüsse an entsprechende Steuerspannungseingänge 52, 54 geführt, mittels welcher die Signale der PWM-Ansteuerung des Controllers 42 übertragen werden.
• Die 4 zeigt ein Ersatzschaltbild für die Stromquelle 8. Im Betrieb erzeugt die Batterie 10 eine Batterieleistung P_Bat (5), eine Batteriespannung U_Bat sowie einen entsprechenden Batteriestrom I_Bat zum Betrieb des Stromrichters 6. In der 4 ist der Innenwiderstand der Batterie 10 als ein ohmscher Widerstand 56 und eine Eigeninduktivität der Batterie 10 als eine Induktivität 58 dargestellt. In der Rückleitung 12b ist ein Shuntwiderstand 60 geschaltet, an welchem die Zwischenkreisspannung U_ZK abfällt.
• Abhängig von den Schaltzuständen der (Leistungs-)Halbleiterschalter 44, 46 fließt der Phasenstrom lu, Iv, Iw über den Shuntwiderstand 60. Der Spannungsabfall über dem Shuntwiderstand 60 wird verstärkt und ausgewertet. Mit Messungen und dem Kenntnisstand der Schaltzustände der Halbleiterschalter 44, 46 werden die Phasenströme lu, Iv, Iw von dem Controller 42 als Strom-Istwerte I_IST rekonstruiert. Es können auch andere Messmethoden zur Ermittlung der Motorströme verwendet werden (z. B. direkte Phasenstrommessung). Zusammen mit den gemessenen und/oder berechneten Phasenspannungen Uu, Uv, Uw stehen dem Controller 42 die Phasenspannungen Uu, Uv, Uw und die Phasenströme lu, Iv, lw zur Verfügung. Der Controller 42 erfasst weiterhin mittels einer Messeinheit 62 ein Positionssignal 64, welches im Wesentlichen dem mechanischen Winkel des Rotors entspricht.
• Vorzugsweise erzeugt der Controller 42 zusätzlich oder alternativ zu dem Positionssignal 64 einen Positions-Istwert θ_el, welcher dem elektrischen Winkel des Rotors entspricht.
• Der Controller 42 ist zur feldorientierten Regelung des Elektromotors 4 vorgesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet. Die feldorientierte Regelung ist nachfolgend anhand der 5 bis 10 näher erläutert.
• Nachfolgend ist anhand der 5 das allgemeine Grundprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb der elektrischen Maschine 2 näher erläutert. Die 5 zeigt eine Regeleinheit 66 zur (feldorientierten) Stromregelung, welche beispielsweise schaltungstechnisch und/oder softwaretechnisch in den Controllers 42 integriert ist.
• Die Regeleinheit 66 weist hierbei eine Grundwellenregeleinheit 68 auf, welche einen Grundwellenanteil des Motorstroms beziehungsweise der Phasenströme lu, Iv, Iw regelt. Zur Regelung der Grundwelle wird anhand der Strom-Istwerte I_IST und der elektrischen Rotorposition beziehungsweise des Positions-Istwertes θ_el mittels einer Clarke-Park-Transformation 70 ein Stromvektor I_ISTdq in einem rotorfesten d/q-Koordinatensystem erzeugt. Von einer nicht näher gezeigten Motorsteuerung wird ein Strom-Sollwert I_SOLLdq als Stromvektor im d/q-Koordinatensystem vorgegeben, wobei eine Regelabweichung I_ABWdq aus der Differenz zwischen dem Strom-Sollwert I_SOLLdq und des Stromvektors I_ISTdq bestimmt wird. Die Regelabweichung I_ABWdq wird anschließend einem Grundwellenregler 72 zugeführt. Der Grundwellenregler 72 ist beispielsweise als ein PI-Regler, mit einem P-Glied 74 und mit einem I-Glied 76 ausgeführt. Der Grundwellenregler 72 erzeugt einen Spannungsvektor U_dq, welcher mittels des Positions-Istwerts θ_el in einer inversen Park-Transformation 78 in einen Spannungsvektor U_AB in einem statorfesten A/Bbeziehungsweise α/β- Koordinatensystem transformiert wird. Der Spannungsvektor U_AB ist nachfolgend auch als Ausgangsgröße der Grundwellenregeleinheit 68 bezeichnet.
• Die Regeleinheit 66 weist weiterhin zwei Oberwellenregeleinheiten 80, 82 auf, welche jeweils einen Oberwellenanteil des Motorstroms beziehungsweise der Phasenströme lu, Iv, Iw regeln. Die Oberwellenregeleinheit 80 regelt beispielsweise die fünfte Oberwelle, wobei die Oberwellenregeleinheit 82 die siebte Oberwelle regelt. Zur Regelung der Oberwellen wird zunächst durch einen harmonischen Faktor Harm1, Harm2 ein Vielfaches θ_elHarm1, θ_elHarm2 des Positions-Istwertes θ_el erzeugt. Für die Regelung der fünften und siebten Oberwelle ist Harm1 beispielsweise Fünf (5) und Harm2 beispielsweise Sieben (7). Anhand der Strom-Istwerte I_IST und des Vielfachen θ_elHarm1, θ_elHarm2 wird anschließend jeweils mittels einer Clarke-Park-Transformation 70 ein Stromvektor I_ISTdqHarm1, I_ISTdqHarm2 in einem rotorfesten d/q-Koordinatensystem erzeugt, welches sich mit dem Faktor Harm1, Harm2 schneller dreht als das d/q-Koordinatensystem der Grundwelle. Von der Motorsteuerung wird jeweils ein Strom-Sollwert I_SOLLdqHarm1, I_SOLLdqHarm2 vorgegeben, wobei jeweils eine Regelabweichung I_ABWdqHarm1, I_ABWdqHarm2 aus der Differenz zwischen dem jeweiligen Strom-Sollwert I_SOLLdqHarm1, I_SOLLdqHarm2 und des jeweiligen Stromvektors I_ISTdqHarm1, I_ISTdqHarm2 bestimmt wird. Die Regelabweichungen I_ABWdqHarm1, I_ABWdqHarm2 werden anschließend jeweils einem Oberwellenregler 84, 86 zugeführt. Die Oberwellenregler 84, 86 sind beispielsweise jeweils als I-Regler ausgeführt, und weisen hierbei jeweils ein I-Glied 76 auf. Die Oberwellenregler 84, 86 erzeugen jeweils einen Spannungsvektor U_dqHarm1, U_dqHarm2, welcher mittels des Vielfachen θ_elHarm1, θ_elHarm2 in einer inversen Park-Transformation 78 in einen Spannungsvektor U_ABHarm1, U_ABHarm2 in das statorfesten A/B- beziehungsweise α/β- Koordinatensystem transformiert wird. Der Spannungsvektoren U_ABHarm1, U_ABHarm2 sind nachfolgend auch als Ausgangsgrößen der Oberwellenregeleinheiten 80, 82 bezeichnet.
• Die Ausgangsgrößen U_AB, U_ABHarm1, U_ABHarm2 werden anschließend im statorfesten A/B-Koordinatensystem zu einer Steuergröße U_ABSteuer addiert. Die Steuergröße U_ABSteuer wird mittels einer inversen Clarke-Transformation 88 in drei Steuerwerte Uuvw transformiert, mittels welchen die PWM-Signale zur Ansteuerung der Brückenschaltung 16 erzeugt werden.
• Verfahrensgemäß erfolgt die feldorientierte Oberwellenregelung im Wesentlichen parallel zu der feldorientierten Regelung der Grundwelle.
• Die Differenzbildung der Sollwerte I_SOLLdq, I_SOLLdqHarm1, I_SOLLdqHarm2 mit den Stromvektoren der Istwerte I_ISTdq, I_ISTdqHarm1, I_ISTdqHarm2 findet in der Ausführung der 5 für jeden Frequenzanteil (Grundwelle, Oberwellen) getrennt statt. Dadurch erscheinen die Frequenzanteile an allen Reglereingängen. Dies hat zur Folge, dass auch in einem nach außen statischem Fall ein Fehlerwert oder Regelabweichung I_ABWdq, I_ABWdqHarm1, I_ABWdqHarm2 vorhanden ist, welchen die Regler 72, 84, 86 permanent regeln. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform des Verfahrens, bei welcher eine derartige unnötige Regelung im statischen Fall vermieden wird.
• Hierzu wird der Strom-Istwert I_IST mittels einer Clarke-Transformation 90 von den drei Phasen U, V, W auf einen Stromvektor I_ISTAB in einem statorfesten A/B-Koordinatensystem transformiert. Mittels des Positions-Istwerts θ_el und dessen Vielfachen θ_elHarm1, θ_elHarm2 werden die Sollwerte I_SOLLdq, I_SOLLdqHarm1, I_SOLLdqHarm2 anhand einer inversen Park-Transformationen 78 ebenfalls in das statorfeste A/B-Koordinatensystem transformiert. Die resultierenden Stromvektoren I_SOLLAB, I_SOLLABHarm1, I_SOLLABHarm2 werden zu einem gemeinsamen Strom-Sollwert I_SOLLGesAB addiert. Aus der Differenz des Strom-Sollwerts I_SOLLGesAB und dem Stromvektor I_ISTAB wird anschließend eine Führungsgröße oder Regelabweichung I_ABWAB bestimmt. Die Regelabweichung I_ABWAB wird anschließend anhand des Positions-Istwerts θ_el und dessen Vielfachen θ_elHarm1, θ_elHarm2 mittels Park-Transformationen 92 in ein jeweiliges d/q-Koordinatensystem transformiert, und als Führungsgrößen I_ABWdq, I_{AB- WdqHarm1}, I_ABWdqHarm2 den Reglern 72, 84, 86 zugeführt. Die Spannungsvektoren U_dq, U_dqHarm1, U_dqHarm2 werden durch inverse Park-Transformationen 78 in die Ausgangsgrößen U_AB, U_ABHarm1, U_ABHarm2 gewandelt, welche anschließend im statorfesten A/B-Koordinatensystem zu der Steuergröße U_ABSteuer addiert werden. Die Steuergröße U_ABSteuer wird mittels einer inversen Clarke-Transformation 88 in drei Steuerwerte Uuvw transformiert, mittels welchen die PWM-Signale zur Ansteuerung der Brückenschaltung 16 erzeugt werden.
• Typischerweise haben die Oberwellenanteile, die ausgeregelt werden müssen die Ordnung n±1, wobei n in der Regel ein Vielfaches von Drei (3) ist. Hier bietet es sich an eine kaskadierte Regelungsberechnung durchzuführen, wie sie beispielsweise in den 7 bis 9 dargestellt ist. Hierzu werden die Eingangsströme (Ist-Stromwert I_IST) mit der elektrischen Rotorposition (Ist-Positionswert θ_el) transformiert. Dadurch entstehen Ordnung n sowie n±2. Die Anteile n±2 können in der Regel vernachlässigt werden oder fallen ganz heraus. Anschließend werden die transformierten Werte mit dem n-Vielfachen der elektrischen Rotorposition θ_eLHarm1, θ_elHarm2 transformiert (gedreht). Dadurch wird die Anzahl der Regler für das Verfahren reduziert und damit auch der Rechenaufwand. Auch hier kann die Differenzbildung der Soll- mit den Istwerten gemeinsam oder nach den Drehungen erfolgen. Bei der Rücktransformation erfolgt geeigneterweise wiederum eine entsprechende Kaskade. Mit einer solchen verteilten Differenzbildung wird der Rechenaufwand reduziert. Die Regler 72, 84, 86 sind hierbei jedoch auch in einem statischen Betriebszustand permanent aktiv.
• Die 7 zeigt hierbei eine kaskadierte Regelung mit gemeinsamer Differenzbildung. Der Strom-Istwert I_IST wird mittels einer Clarke-Park-Transformation 70 in den Stromvektor I_ISTdq transformiert. Die Strom-Sollwerte I_SOLLdqHarm1, I_SOLLdqHarm2 werden anhand der Vielfachen θ_elHarm1, θ_elHarm2 mittels einer Drehtransformation 94 transformiert, und anschließend mit dem Strom-Sollwert I_SOLLdq zu einem gemeinsamen Strom-Sollwert I_SOLLGesdq addiert. Aus der Differenz des Strom-Sollwerts I_SOLLGesdq und dem Stromvektor I_ISTdq wird anschließend die Führungsgröße oder Regelabweichung I_ABWdq bestimmt. Die Regelabweichung I_ABWdq wird anschließend einerseits dem Regler 72 zugeführt, und andererseits anhand der Vielfachen θ_elHarm1, θ_elHarm2 mittels Drehtransformationen 94 in ein jeweiliges d/q-Koordinatensystem transformiert, und als Führungsgrößen I_ABWdqHarm1, I_ABWdqHarm2 den Reglern 84, 86 zugeführt. Die Spannungsvektoren U_dqHarm1, U_dqHarm2 werden durch inverse Dreh-Transformationen 96 in Ausgangsgrößen gewandelt, welche zu einer gemeinsamen Ausgangsgröße U_dpHarm12 addiert werden. Der als Ausgangsgröße wirkende Spannungsvektor U_dq wird mit der Ausgangsgröße U_dqHarm12 einer Steuergröße U_dqSteuer addiert werden. Die Steuergröße U_dqSteuer wird mittels einer inversen Clarke-Park-Transformation 98 in die drei Steuerwerte Uuvw transformiert, mittels welchen die PWM-Signale zur Ansteuerung der Brückenschaltung 16 erzeugt werden.
• Die 8 und 9 zeigen jeweils eine kaskadierte Regelung mit verteilter Differenzbildung.
• In der Ausführungsform der 8 wird der Strom-Istwert I_IST mittels einer Clarke-Park-Transformation 70 in den Stromvektor I_ISTdq transformiert. Der Stromvektor I_ISTdq wird für die Oberwellenregelung jeweils mittels einer Drehtransformation 94 mit den Vielfachen θ_elHarm1, θ_elHarm2 zu einem Stromvektor I_ISTdqHarm1 und I_ISTdqHarm2 transformiert. Anschließend werden die Differenzen zwischen dem Strom-Sollwert I_SOLLdq und dem Stromvektor I_ISTdq, zwischen dem Strom-Sollwert I_SOLLdqHarm1 und dem Stromvektor I_ISTdqHarm1, und zwischen dem Strom-Sollwert I_SOLLdqHarm2 und dem Stromvektor I_ISTdqHarm2 gebildet um die korrespondierenden Führungsgrößen I_ABWdq, I_ABWdqHarm1, I_ABWdqHarm2 für die Regler 72, 84, 86 zu erzeugen.
• Die Ausführungsform der 9 entspricht im Wesentlichen der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der 8, wobei die Regelabweichung I_ABWdq mittels der Drehtransformationen 94 in Stromvektoren I_ABWHarml, I_ABWHarm2 gewandelt wird, welche als effektive Istwerte von den Strom-Sollwerten I_SOLLdqHarm1, I_SOLLdqHarm2 abgezogen werden, um die korrespondierenden Führungsgrößen I_{AB- WdqHarm1}, I_ABWdqHarm2 für die Regler 84 und 86 zu erzeugen.
• Die 10 zeigt eine Ausführung des Verfahrens für eine als Multiphasenantrieb ausgeführte elektrische Maschine 2, welche effektiv zwei dreiphasige Drehfeldwicklungen aufweist. Die Regelung für die erste Drehfeldwicklung entspricht hierbei der vorstehend zu 7 beschriebenen Variante. Für die Regelung der zweiten Drehfeldwicklung werden der Positions-Istwert θ_el und dessen Vielfache θ_elHarm1, θ_elHarm2 jeweils mittels eines geeigneten Phasenversatzes 100 phasenverschoben. Die phasenverschobenen Positionswerte θ_elHarm1', θ_elHarm2' werden zusammen mit den jeweiligen Stromvektoren U_dqHarm1, U_dqHarm2 durch inverse Dreh-Transformationen 96 in Ausgangsgrößen gewandelt, welche zu einer gemeinsamen Ausgangsgröße U_dpHarm12' addiert werden. Anschließend wird der Spannungsvektor U_dq wird mit der Ausgangsgröße U_dqHarm12' zu einer Steuergröße U_dqSteuer' addiert. Die Steuergröße U_dqSteuer' wird abschließend mittels einer inversen Clarke-Park-Transformation 98 und dem phasenverschobenen Positionswert θ_el' in die drei Steuerwerte Uuvw' transformiert, mittels welchen die PWM-Signale zur Ansteuerung der zweiten Drehfeldwicklung erzeugt werden.
• Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
• Bezugszeichenliste

2

Maschine

4

Elektromotor

6

Stromrichter

8

Stromquelle

10

Batterie

12

Zwischenkreis

12a

Hinleitung

12b

Rückleitung

14

Zwischenkreiskondensator

16

Brückenschaltung

18

Sternschaltung

20

Brückenmodul

22,24,26

Phasenende

28

Sternpunkt

30

Induktivität

32

Widerstand

34, 36, 38

Spannungsabfall

40

Spannung

42

Controller

44, 46

Halbleiterschalter

48, 50

Potentialanschluss

52, 54

Steuerspannungseingang

56

Widerstand

58

Induktivität

60

Shuntwiderstand

62

Messeinheit

64

Positionssignal

66

Regeleinheit

68

Grundwellenregeleinheit

70

Clarke-Park-Transformation

72

Grundwellenregler

74

P-Glied

76

I-Glied

78

inverse Park-Transformation

80, 82

Oberwellenregeleinheiten

84, 86

Oberwellenregler

88

inverse Clarke-Transformation

90

Clarke-Transformation

92

Park-Transformation

94

Drehtransformation

96

inverse Drehtransformation

98

inverse Clarke-Park-Transformation

100

Phasenversatz

U, V, W

Phase/Phasenwicklung

lu, Iv, Iw

Phasenstrom/Ausgangsstrom

IE

Eingangsstrom

UZK

Zwischenkreisspannung

UG

Erdpotential

IBat

Batteriestrom

UBat

Batteriespannung

IIST

Strom-Istwert

θel, θel'

Positions-Istwert

IISTdq, IISTdqHarm1, IISTdqHarm2

Stromvektor

IISTAB

Stromvektor

ISOLLdq, ISOLLdqHarm1, ISOLLdqHarm2

Strom-Sollwert

ISOLLAB, ISOLLABHarm1, ISOLLABHarm2

Strom-Sollwert, Stromvektor

ISOLLGesAB, ISOLLGesdq

Strom-Sollwert

IABWdq, IABWdqHarm1 IABWdqHarm2

Regelabweichung, Führungsgröße

IABWAB

Regelabweichung, Führungsgröße

Udq, UdqHarm1, UdqHarm2

Spannungsvektor, Ausgangsgröße

UdqHarm12, UdqHarm12'

Ausgangsgröße

UAB, UABHarm1, UABHarm2

Spannungsvektor, Ausgangsgröße

Harm1, Harm2

Faktor

θelHarm1, θelHarm2, θelHarm1', θelHarm2'

Vielfaches

UABSteuer, UdqSteuer, UdqSteuer'

Steuergröße

Uuvw, Uuvw'

Steuerwert

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102018127508 A1 [0010]
• DE 102018202967 A1 [0011]

Claims (10)

1. Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine (2), aufweisend eine Regeleinheit (66) zur Erzeugung einer Steuergröße (U_ABSteuer, U_dqSteuer, U_dqSteuer') für einen Elektromotor (4) anhand eines Strom-Istwerts (I_IST) und eines Positions-Istwerts (θ_el, θ_el'), wobei die Regeleinheit (66) eine Grundwellenregeleinheit (68) zur Regelung einer Grundwelle des Elektromotors (4) und mindestens eine zusätzliche Oberwellenregeleinheit (80, 82) zur Regelung einer Oberwelle des Elektromotors (4) aufweist, - wobei mittels der Grundwellenregeleinheit (68) anhand eines ersten Strom-Sollwerts (I_SOLLdq, I_SOLLAB) und dem Strom-Istwert (I_IST) sowie dem Positions-Istwert (θ_el, θ_el') eine erste Ausgangsgröße (U_dq, U_AB) erzeugt wird, - wobei mittels der Oberwellenregeleinheit (80, 82) anhand eines zweiten Strom-Sollwerts (I_SOLLdqHarm1, I_SOLLdqHarm2, I_SOLLABHarm1, I_SOLLABHarm2) und dem Strom-Istwert (I_IST) sowie einem der Oberwelle entsprechenden Vielfachen des Positions-Istwerts (θ_elHarm1, θ_elHarm2, θ_elHarm1', θ_elHarm2') eine zweite Ausgangsgröße (U_dqHarm1, U_dqHarm2, U_dqHarm12, U_dqHarm12', U_ABHarm1, U_ABHarm2) erzeugt wird, und - wobei die erste Ausgangsgröße (U_dq, U_AB) und die zweite Ausgangsgröße (U_dqHarm1, U_dqHarm2, U_dqHarm12, U_dqHarm12', U_ABHarm1, U_ABHarm2) zu der Steuergröße (U_ABSteuer, U_dqSteuer, U_dqSteuer') addiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (66) eine Anzahl von Oberwellenregeleinheiten (80, 82) für unterschiedliche Oberwellen aufweist, mittels welchen jeweils zweite Ausgangsgrößen (U_dqHarm1, U_dqHarm2, U_ABHarm1, U_ABHarm2) erzeugt werden, welche mit der ersten Ausgangsgröße (U_dq, U_AB) zu der Steuergröße (U_ABSteuer, U_dqSteuer, U_dqSteuer') addiert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strom-Sollwert (I_SOLLdq, I_SOLLAB) und der zweite Strom-Sollwert (I_SOLLdqHarm1, I_SOLLdqHarm2, I_SOLLABHarm1, I_SOLLABHarm2) zu einem gemeinsamen Strom-Sollwert (I_SOLLGesAB, I_SOLLGesdq) addiert werden, wobei aus dem Strom-Istwert (I_IST) und dem gemeinsamen Strom-Sollwert (I_SOLLGesAB, I_SOLLGesdq) eine Führungsgröße (I_ABWAB, I_ABWdq) für die Grundwellenregeleinheit (68) und für die Oberwellenregeleinheit (80, 82) bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Addition der Strom-Sollwerte (I_SOLLAB, I_SOLLABHarm1, I_SOLLABHarm2) in einem statorfesten A/B-Koordinatensystem durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Grundwellenregeleinheit (68) und der Oberwellenregeleinheit (80, 82) jeweils in einem rotorfesten d/q-Koordinatensystem durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das d/q-Koordinatensystem der Oberwellenregeleinheit (80, 82) gegenüber des d/q-Koordinatensystems der Grundwellenregeleinheit (68) gedreht ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom-Istwert (I_IST) als Regelgröße für die Oberwellenregeleinheit (80, 82) verwendet wird.
8. Elektrische Maschine (2), aufweisend - einen bürstenlosen Elektromotor (4) mit einem Rotor und mit einem Stator, - eine Messeinheit (62) zur Erfassung eines Strom-Istwerts (I_IST) und eines Positions-Istwerts (θ_el) des Elektromotors (4), - eine Regeleinheit (66) zur Erzeugung einer Steuergröße (U_ABSteuer, U_dqSteuer, U_dqSteuer') für den Elektromotor (4) anhand des Strom-Istwerts (I_IST) und des Positions-Istwerts (θ_el, θ_el'), - wobei die Regeleinheit (66) eine Grundwellenregeleinheit (68) zur Regelung einer Grundwelle des Elektromotors (4) und mindestens eine zusätzliche Oberwellenregeleinheit (80, 82) zur Regelung einer Oberwelle des Elektromotors (4) aufweist, und - einen Controller (42) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Elektrische Maschine (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, - dass die Grundwellenregeleinheit (68) einen PI-Regler aufweist, und - dass die Oberwellenregeleinheit (80, 82) einen I-Regler aufweist.
10. Software auf einem Datenträger zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wenn die Software auf einem Computer abläuft.

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