DE102022208234A1 - Method for operating an electric machine of a rotary drive - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (4) eines Drehantriebs mit einem Getriebe (2), das eine Getriebelose aufweist, wobei eine Regelung der elektrischen Maschine (4) entsprechend einem Soll-Wert (n_EMsoll) einer Regelgröße erfolgt, wobei die Regelung einen Proportional-Regler einschließt, und wobei ein Proportional-Verstärkungsfaktor (K_P) des Proportional-Reglers in Abhängigkeit von einer Größe variiert wird, die auf einen kraftfreien Zustand des Getriebes (2) schließen lässt.The invention relates to a method for operating an electric machine (4) of a rotary drive with a gearbox (2) which has a gear unit, wherein the electric machine (4) is regulated in accordance with a target value (n_EMsoll) of a controlled variable, wherein the Control includes a proportional controller, and wherein a proportional gain factor (K_P) of the proportional controller is varied depending on a size that indicates a force-free state of the transmission (2).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines Drehantriebs sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.The present invention relates to a method for operating an electrical machine of a rotary drive as well as a computing unit and a computer program for carrying it out.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Bei mechanischen Getrieben in Drehantrieben kann ein Getriebespiel bzw. eine Getriebelose auftreten, d.h. es kann ein Spiel in dem Getriebe zwischen dem Antrieb und dem Abtrieb auftreten. Die Getriebelose kann z.B. als Winkelintervall beschrieben werden, in dem ein Antrieb sich verdrehen kann, ohne dass es zu einer Bewegung des Abtriebs kommt. Eine Getriebelose tritt etwa an jeder Zahnradpaarung eines Getriebes auf. Bei einem mehrstufigen Getriebe addieren sich die Getriebelose-Winkelintervalle multipliziert mit den jeweiligen Übersetzungsverhältnissen. Getriebelose können beispielsweise bei Lenkungen als Lenkungsspiel, bei Fahrzeugantrieben als Spiel zwischen Schub und Antrieb, bei Werkzeugmaschinen z.B. an Spindeln, oder bei Drehantrieben wie z.B. Drehwerken von Baggern oder Kranen auftreten.In mechanical gears in rotary drives, gear play or backlash can occur, i.e. there can be play in the gear between the drive and the output. The gear backlash can be described, for example, as an angular interval in which a drive can rotate without the output moving. Gear looseness occurs at approximately every gear pairing in a transmission. In the case of a multi-stage gearbox, the gearless angle intervals are multiplied by the respective gear ratios. Gearless problems can occur, for example, in steering systems as steering play, in vehicle drives as play between thrust and drive, in machine tools, for example on spindles, or in rotary drives such as slewing gears of excavators or cranes.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines Drehantriebs sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a method for operating an electrical machine of a rotary drive as well as a computing unit and a computer program for carrying it out are proposed with the features of the independent patent claims. Advantageous refinements are the subject of the subclaims and the following description.
Die Erfindung bedient sich der Maßnahme, in der Regelung einer elektrischen Maschine eines Drehantriebs mit einem Getriebe, das eine Getriebelose aufweist, die Verstärkung eines P-Reglers in Abhängigkeit von einer Größe, die auf einen Kraftzustand, insbesondere kraftlosen Zustand, schließen lässt, zu variieren. Schwingungen und hohe mechanische Belastungen, die insbesondere bei hoher Regelverstärkung auftreten können, wenn der Antriebsmotor bzw. die elektrische Maschine im Winkelbereich innerhalb der Getriebelose gegenüber dem Abtrieb stark beschleunigt und Zahnflanken mit hoher Differenzgeschwindigkeit aufeinanderprallen, können so vermieden werden. Das Getriebe kann ein oder mehrere Getriebestufen mit jeweils einer Getriebelose aufweisen, die zusammen die gesamte Getriebelose ergeben.The invention uses the measure of varying the gain of a P controller in the control of an electric machine of a rotary drive with a gearbox that has a gearless unit, depending on a variable that indicates a power state, in particular a powerless state . Vibrations and high mechanical loads, which can occur particularly with high control gain when the drive motor or the electrical machine accelerates strongly in the angular range within the gear unit compared to the output and tooth flanks collide with a high differential speed, can be avoided. The transmission can have one or more gear stages, each with a gear unit, which together form the entire gear unit.
Es wird davon ausgegangen, dass der Proportional-Verstärkungsfaktor und gegebenenfalls der Integral-Verstärkungsfaktor (siehe weiter unten) positiv ist.It is assumed that the proportional gain factor and, if applicable, the integral gain factor (see below) are positive.
In einer Ausgestaltung wird das Verfahren eingesetzt bei Drehantrieben mit einem Getriebe, das eine Getriebelose von wenigstens 10°, wenigstens 20° oder wenigstens 30° aufweist und/oder das eine Übersetzung (zwischen Antriebsachse und Abtriebsachse) von wenigstens 20:1, wenigstens 50:1 oder wenigstens 100:1 aufweist. Getriebelose soll hier die Größe des (maximalen) Winkelbereichs bezeichnen, in dem die Antriebsachse des Getriebes bzw. die damit verbundene Ausgangsachse der elektrischen Maschine hin und her gedreht werden kann, ohne dass eine korrespondierende (entsprechend der Übersetzung) Drehung der Abtriebsachse des Getriebes auftritt.In one embodiment, the method is used for rotary drives with a gearbox that has a gear range of at least 10°, at least 20° or at least 30° and/or that has a ratio (between the drive axle and the output axle) of at least 20:1, at least 50: 1 or at least 100:1. Here, gearless is intended to refer to the size of the (maximum) angular range in which the drive axle of the gearbox or the associated output axis of the electric machine can be rotated back and forth without a corresponding (corresponding to the gear ratio) rotation of the output axis of the gearbox occurring.
In einer Ausgestaltung ist die Größe, die auf einen kraftfreien Zustand des Getriebes schließen lässt, eine Regelabweichung der Regelgröße (z.B. Differenz zwischen Soll-Wert und Ist-Wert der Regelgröße). In einer Ausgestaltung nimmt der Proportional-Verstärkungsfaktor mit zunehmendem Betrag der Größe zu. Die Regelabweichung wird im Rahmen der Regelung ohnehin bestimmt, entsprechend sind keine zusätzlichen Berechnungen notwendig. Die Regelabweichung zeigt an, inwiefern die elektrische Maschine dem Soll-Wert der Regelgröße folgen kann und ist demgemäß ein Maß dafür, wie stark die elektrische Maschine belastet ist, wobei im kraftfreien Zustand lediglich eine geringe Belastung durch das Trägheitsmoment der elektrischen Maschine vorliegt, so dass die Regelabweichung klein bleibt.In one embodiment, the variable that indicates a force-free state of the transmission is a control deviation of the controlled variable (e.g. difference between the target value and the actual value of the controlled variable). In one embodiment, the proportional gain factor increases as the magnitude increases. The control deviation is determined as part of the control anyway, so no additional calculations are necessary. The control deviation indicates to what extent the electrical machine can follow the target value of the controlled variable and is therefore a measure of how heavily the electrical machine is loaded, with only a small load due to the moment of inertia of the electrical machine in the force-free state, so that the control deviation remains small.
In einer Ausgestaltung ist die Regelgröße eine Drehzahl der elektrischen Maschine. Ebenso kann in einer Ausgestaltung die Regelgröße als Drehmoment der elektrischen Maschine gegeben sein.In one embodiment, the controlled variable is a speed of the electrical machine. Likewise, in one embodiment, the controlled variable can be given as the torque of the electric machine.
In einer Ausgestaltung wird ein Gradient des Proportional-Verstärkungsfaktors nach oben beschränkt. Es wird also die Geschwindigkeit, mit der der Proportional-Verstärkungsfaktor zunimmt bzw. aufgebaut wird, beschränkt. Eine Beschränkung nach unten, d.h. eine Beschränkung der Geschwindigkeit, mit der der Proportional-Verstärkungsfaktor abnimmt bzw. abgebaut wird, kann optional ebenfalls vorgesehen sein, jedoch sollte betragsmäßig die Schranke, mit der der Aufbau beschränkt wird, deutlich kleiner sein als die Schranke, mit der der Abbau beschränkt wird (z.B. um mindestens einen Faktor 10). Es kann vorgesehen sein, dass die Schranke, mit der Gradient des Proportional-Verstärkungsfaktors nach oben beschränkt wird, abhängig vom Proportional-Verstärkungsfaktor ist, insbesondere mit zunehmendem Proportional-Verstärkungsfaktor zunimmt.In one embodiment, a gradient of the proportional gain factor is limited upwards. The speed at which the proportional gain factor increases or is built up is therefore limited. A downward limitation, i.e. a limitation of the speed at which the proportional amplification factor decreases or is reduced, can also optionally be provided, but the amount of the limit with which the structure is limited should be significantly smaller than the limit with which the reduction is limited (e.g. by at least a factor of 10). It can be provided that the barrier with which the gradient of the proportional amplification factor is limited upwards is dependent on the proportional amplification factor, in particular increasing as the proportional amplification factor increases.
In einer Ausgestaltung wird (in der Regelung) eine Drehmomentanforderung bestimmt, mit der ein Inverter der elektrischen Maschine angesteuert wird, wobei ein Gradient des Betrags der Drehmomentanforderung unsymmetrisch beschränkt wird, und wobei weiter in einer Ausgestaltung der Betrag einer unteren Schranke für den Gradienten der Drehmomentanforderung größer ist als eine obere Schranke für den Gradienten der Drehmomentanforderung. Durch diese unsymmetrische Beschränkung können insbesondere Schwingungen, z.B. aufgrund von Latenzen im System, vermieden werden.In one embodiment, a torque requirement is determined (in the control system) with which a Inverter of the electric machine is controlled, wherein a gradient of the amount of the torque request is limited asymmetrically, and further in one embodiment the amount of a lower limit for the gradient of the torque request is greater than an upper limit for the gradient of the torque request. This asymmetrical restriction makes it possible to avoid vibrations in particular, for example due to latencies in the system.
In einer Ausgestaltung wird eine Abtriebsdrehzahl bestimmt, wobei aus der Abtriebsdrehzahl unter Berücksichtigung der Übersetzung des Getriebes eine korrespondierende Drehzahl der elektrischen Maschine bestimmt wird, und wobei eine Drehzahl-Differenz als Differenz zwischen der Ist-Drehzahl der elektrischen Maschine der korrespondierenden Drehzahl der elektrischen Maschine bestimmt wird. Die Abtriebsdrehzahl ist dabei die Drehzahl einer Abtriebsachse des Getriebes oder einer Last, die durch den Drehantrieb über das Getriebe angetrieben wird. Zwischen der Abtriebsachse des Getriebes und einer Antriebsachse des Getriebes, die der Ausgangsachse der elektrischen Maschine entspricht, besteht ein Drehzahlverhältnis entsprechend der Übersetzung des Getriebes, soweit sich das Getriebe nicht innerhalb der Getriebelose befindet.In one embodiment, an output speed is determined, a corresponding speed of the electric machine being determined from the output speed, taking into account the gear ratio of the transmission, and a speed difference being determined as the difference between the actual speed of the electric machine and the corresponding speed of the electric machine becomes. The output speed is the speed of an output axle of the transmission or a load that is driven by the rotary drive via the transmission. Between the output axis of the transmission and a drive axle of the transmission, which corresponds to the output axis of the electric machine, there is a speed ratio corresponding to the gear ratio of the transmission, as long as the transmission is not within the gear range.
Die Drehzahl-Differenz stellt ein Maß bzw. eine Größe dar, die anzeigt, inwieweit ein kraftfreier Zustand des Getriebes vorliegt (d.h., ob sich der Drehantrieb innerhalb der Getriebelose befindet). Entsprechend ist weiter in einer Ausgestaltung die Größe, die auf einen kraftfreien Zustand des Getriebes schließen lässt, die Drehzahl-Differenz, wobei noch in einer Ausgestaltung der Proportional-Verstärkungsfaktor mit zunehmendem Betrag der Größe abnimmt.The speed difference represents a measure or quantity that indicates the extent to which the gearbox is in a force-free state (i.e. whether the rotary drive is within the gearbox). Accordingly, in one embodiment, the variable that indicates a force-free state of the transmission is the speed difference, with the proportional amplification factor decreasing as the amount of the variable increases.
Ebenso weiter wird in einer Ausgestaltung der Soll-Wert der Regelgröße so gebildet bzw. gefiltert, dass ein Gradient des Soll-Werts der Regelgröße entsprechend einer Schranke beschränkt wird, die von der Drehzahl-Differenz abhängig ist; wobei in einer Ausgestaltung der Betrag der Schranke des Gradienten des Soll-Werts der Regelgröße mit zunehmender Drehzahl-Differenz abnimmt. Hierdurch können hohe Momentenanschläge, etwa von Zahnflanken im Getriebe, vermieden werden.Likewise, in one embodiment, the target value of the controlled variable is formed or filtered in such a way that a gradient of the target value of the controlled variable is limited in accordance with a limit that is dependent on the speed difference; wherein in one embodiment the amount of the barrier of the gradient of the setpoint value of the controlled variable decreases as the speed difference increases. This makes it possible to avoid high torque stops, for example from tooth flanks in the gearbox.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Drehantriebs oder einer Maschine mit einem Drehantrieb, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.A computing unit according to the invention, for example a control device of a rotary drive or a machine with a rotary drive, is set up, in particular in terms of programming, to carry out a method according to the invention.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.The implementation of a method according to the invention in the form of a computer program or computer program product with program code for carrying out all method steps is also advantageous because this causes particularly low costs, especially if an executing control device is used for additional tasks and is therefore present anyway. Suitable data carriers for providing the computer program are, in particular, magnetic, optical and electrical memories, such as hard drives, flash memories, EEPROMs, DVDs, etc. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the accompanying drawing.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben. The invention is shown schematically in the drawing using exemplary embodiments and is described in detail below with reference to the drawing.
FigurenbeschreibungCharacter description
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1 zeigt eine beispielhafte Topologie eines elektrischen Drehantriebs mit einem Getriebe.1 shows an exemplary topology of an electric rotary drive with a gear. -
2 zeigt eine Reglerstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.2 shows a controller structure according to an embodiment of the invention. -
3 zeigt als Beispiel für eine Maschine, in der die Erfindung angewendet werden kann, einen Bagger, der ein elektrisch angetriebenes Drehwerkt aufweist.3 shows, as an example of a machine in which the invention can be applied, an excavator which has an electrically driven slewing gear.
Detaillierte Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing
Die elektrische Maschine 4 wird über einen Inverter 8 angesteuert, der typischerweise ein Invertersteuerung aufweist, die insbesondere dazu eingerichtet ist, (Halbleiter-)Schaltelemente des Inverters entsprechend einer Ansteuergröße 14 anzusteuern. Die Ansteuergröße 14 kann insbesondere ein angefordertes Drehmoment (Drehmomentanforderung) oder eine angeforderte Drehzahl (Drehzahlanforderung) sein. Im Fall einer Ansteuerung entsprechend einer angeforderten Drehzahl bzw. Drehzahlanforderung kann der Inverter 8 bzw. die Invertersteuerung eine Drehzahlregelung aufweisen. Der Inverter 8 ist typischerweise dazu eingerichtet, eine tatsächliche Drehzahl bzw. Ist-Drehzahl der elektrischen Maschine 4 zu bestimmen. Etwa mittels eines in der elektrischen Maschine vorgesehenen Resolvers, wobei in der Figur ein entsprechendes Signal des Resolvers, d.h. eine Drehzahlrückmeldung vom Resolver, als Pfeil 9 eingezeichnet ist.The
Die Ansteuergröße 14 wird durch eine Steuerungseinrichtung 10, z.B. ein Steuergerät, bestimmt. Dazu implementiert die Steuerungseinrichtung 10 insbesondere eine Regelung, etwa entsprechend
In der dargestellten Ausführungsform ist die Ansteuergröße 14 ein Soll-Drehmoment, das an den Inverter 8 übergeben wird. Gemäß einer anderen Ausführungsform (hier nicht dargestellt) kann die Steuereinrichtung 10 bzw. die von dieser implementierte Funktionalität (z.B. durch Ausführen wenigstens eines entsprechenden Computerprogramm) zumindest teilweise Teil des Inverters 8 sein bzw. die Funktionalität der Steuereinrichtung zumindest teilweise durch den Inverter 8 implementiert werden (z.B. indem wenigstens ein entsprechendes Computerprogramm durch die Invertersteuerung ausgeführt wird). In diesem Fall verbleibt beispielsweise eine Vorfilterung 60 der Soll-Drehzahl (siehe
Im Wesentlichen umfasst die dargestellte Reglerstruktur einen Proportional-Regler, in dem eine Drehzahldifferenz Δn_EM der elektrischen Maschine zwischen einer Soll-Drehzahl n_EMsoll der elektrischen Maschine und der Ist-Drehzahl n_EMist der elektrischen Maschine (Δn_EM = n_EMsoll - n_EMist) mit einem Proportional-Verstärkungsfaktor K_P multipliziert wird (Proportional-Glied 24), um eine Drehmomentanforderung M_Anf an die elektrische Maschine zu bestimmen. Die Drehzahldifferenz Δn_EM stellt in diesem Beispiel die Regelabweichung dar. Die Drehzahl der elektrischen Maschine ist ein Beispiel für eine Regelgröße, die Soll-Drehzahl ist ein Beispiel für einen Soll-Wert der Regelgröße und die Ist-Drehzahl ist ein Beispiel für einen Ist-Wert der Regelgröße.Essentially, the controller structure shown comprises a proportional controller in which a speed difference Δn_EM of the electrical machine between a target speed n_EMsoll of the electrical machine and the actual speed n_EMist of the electrical machine (Δn_EM = n_EMsoll - n_EMist) with a proportional amplification factor K_P is multiplied (proportional element 24) to determine a torque request M_Anf to the electrical machine. In this example, the speed difference Δn_EM represents the control deviation. The speed of the electric machine is an example of a controlled variable, the target speed is an example of a target value of the controlled variable and the actual speed is an example of an actual value the controlled variable.
Der Proportional-Verstärkungsfaktor K_P ist nicht konstant, sondern variabel in Abhängigkeit von der Regelabweichung, d.h. von der Drehzahldifferenz Δn_EM. Die Regelabweichung, d.h. im gezeigten Beispiel die Drehzahldifferenz Δn_EM, ist eine Größe, die anzeigt, ob oder ob nicht sich das Getriebe im kraftfreien Zustand bzw. innerhalb der Getriebelose befindet, d.h. einen Zustand, in dem kein Drehmoment auf die Last übertragen wird. Da kein Drehmoment auf die Last übertragen wird, wirkt im kraftfreien Zustand bzw. innerhalb der Getriebelose lediglich das Trägheitsmoment der elektrischen Maschine selbst (und eventuell direkt damit verbundener Achsen und/oder Zahnräder) auf die elektrische Maschine. Das Trägheitsmoment der elektrischen Maschine ist jedoch selbst unter Berücksichtigung der Übersetzung des Getriebes sehr viel kleiner (z.B. um einen Faktor 100) als das Trägheitsmoment der Last, das auf die elektrische Maschine wirkt, wenn kein kraftfreier Zustand vorliegt bzw. außerhalb der Getriebelose. Innerhalb der Getriebelose kann die Regelabweichung (z.B. Drehzahldifferenz Δn_EM) auch mit einem relativ kleinen Proportional-Verstärkungsfaktor K_P klein gehalten werden, da die elektrische Maschine lediglich ein relativ kleines Drehmoment aufbringen muss, um das Trägheitsmoment lediglich der elektrischen Maschine zu überwinden, und somit die Regelgröße schnell eingeregelt werden kann. Außerdem kann durch eine optionale Vorfilterung (siehe unten) der Soll-Drehzahl der maximale Drehzahlgradient der Sollgröße (n_EMsoll) stark begrenzt werden, so dass keine großen Beschleunigungen der elektrischen Maschine gefordert werden.The proportional gain factor K_P is not constant, but variable depending on the control deviation, ie the speed difference Δn_EM. The control deviation, ie the speed difference Δn_EM in the example shown, is a quantity that indicates whether or not the gear is in the force-free state or within the gear slack, ie a state in which no torque is transmitted to the load. Since no torque is transmitted to the load, only the moment of inertia of the electric machine itself (and possibly of axles and/or gears directly connected to it) acts on the electric machine in the power-free state or within the gearbox. However, even taking the gear ratio into account, the moment of inertia of the electric machine is much smaller (e.g. by a factor of 100) than the moment of inertia of the load acting on the electric Machine works when there is no power-free state or outside the gearbox. Within the gear unit, the control deviation (e.g. speed difference Δn_EM) can also be kept small with a relatively small proportional amplification factor K_P, since the electric machine only has to apply a relatively small torque in order to overcome the moment of inertia of only the electric machine, and thus the controlled variable can be regulated quickly. In addition, the maximum speed gradient of the target variable (n_EMsoll) can be greatly limited by optional pre-filtering (see below) of the target speed, so that no large accelerations of the electrical machine are required.
Es wird ein progressiver Proportional-Verstärkungsfaktor K_Pprog bestimmt (Glied 22), der in Abhängigkeit von der Drehzahldifferenz Δn_EM (Regelabweichung) zwischen einem minimalen Proportional-Verstärkungsfaktor und einem maximalen Proportional-Verstärkungsfaktor variiert bzw. geändert wird. In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der progressiv bestimmte Proportional-Verstärkungsfaktor K_Pprog mit zunehmender Drehzahldifferenz Δn_EM monoton zunimmt. Dies kann insbesondere symmetrisch erfolgen, d.h. der progressiv bestimmte Proportional-Verstärkungsfaktor K_Pprog ist eine Funktion des Betrags der Drehzahldifferenz Δn_EM (wie beispielhaft dargestellt). Entsprechend (bei monotoner Zunahme) ist bei einer Regelabweichung von null der progressiv bestimmte Proportional-Verstärkungsfaktor K_Pprog gleich dem minimalen Proportional-Verstärkungsfaktor und bei einer hohen Regelabweichung gleich dem maximalen Proportional-Verstärkungsfaktor. Durch diese Ausgestaltung wird ein Schwingen des Reglers verhindert, auch dann, wenn die Drehzahlrückmeldung etwas verzögert ist (Latenzzeit). Eine sehr hohe P-Verstärkung könnte zusammen mit der kleinen Trägheit der Maschine schon bei einer kleinen Latenzzeit (z.B. 5 ms) zum Schwingen (bzw. einem Jitter von Drehzahl und Moment) führen, das deutlich merkbar wäre und zu einem hohen Verschleiß des Getriebes führen kann. Zwischen dem maximalen und dem minimalen Proportional-Verstärkungsfaktor kann beispielsweise ein Verhältnis von mindestens 5 oder mindestens 10 vorliegen. Der minimale Proportional-Verstärkungsfaktor sollte ungleich null sein bzw. so groß gewählt werden, dass die frei laufende elektrische Maschine der gewünschten Drehzahldynamik weitestgehend folgen kann. Er soll aber so klein gewählt werden, dass innerhalb der Getriebelose Drehzahlschwingungen vermieden werden.A progressive proportional gain factor K_Pprog is determined (element 22), which varies or is changed depending on the speed difference Δn_EM (control deviation) between a minimum proportional gain factor and a maximum proportional gain factor. In one embodiment it is provided that the progressively determined proportional amplification factor K_Pprog increases monotonically as the speed difference Δn_EM increases. This can in particular be done symmetrically, i.e. the progressively determined proportional amplification factor K_Pprog is a function of the amount of the speed difference Δn_EM (as shown as an example). Correspondingly (with a monotonic increase), with a control deviation of zero, the progressively determined proportional gain factor K_Pprog is equal to the minimum proportional gain factor and with a high control deviation it is equal to the maximum proportional gain factor. This design prevents the controller from oscillating, even if the speed feedback is slightly delayed (latency). A very high P gain, together with the small inertia of the machine, could lead to oscillation (or a jitter of speed and torque) even with a small latency time (e.g. 5 ms), which would be clearly noticeable and lead to high wear on the gearbox can. For example, there may be a ratio of at least 5 or at least 10 between the maximum and the minimum proportional gain factor. The minimum proportional amplification factor should be non-zero or chosen so large that the free-running electric machine can largely follow the desired speed dynamics. However, it should be chosen so small that speed oscillations within the gearbox are avoided.
Der progressiv bestimmte Proportional-Verstärkungsfaktors K_Pprog kann direkt als Proportional-Verstärkungsfaktor K_P verwendet werden. Optional kann (abweichend von einer direkten Verwendung) eine Gradienten-Beschränkung (Block 30) des Proportional-Verstärkungsfaktors K_P vorgesehen sein. Die dargestellte Implementierung dieser Gradienten-Beschränkung soll beispielhaft sein; selbstverständlich sind auch andere Implementierungen denkbar.The progressively determined proportional gain factor K_Pprog can be used directly as the proportional gain factor K_P. Optionally (deviating from direct use) a gradient limitation (block 30) of the proportional gain factor K_P can be provided. The implementation of this gradient restriction shown is intended to be exemplary; Of course, other implementations are also conceivable.
Bei der (beispielhaften) Gradienten-Beschränkung erfolgt eine Beschränkung des Gradienten (Änderungsrate) des Proportional-Verstärkungsfaktors nach oben. Die entsprechende obere Schranke ist abhängig vom progressiv bestimmten Proportional-Verstärkungsfaktor K_Pprog, z.B. entsprechend einer Gradienten-Beschränkungsfunktion (Glied 32), die monoton, insbesondere streng monoton, steigend mit dem progressiv bestimmten Proportional-Verstärkungsfaktors K_Pprog zunimmt (insbesondere nicht konstant über den gesamten Wertebereich ist). Die obere Schranke ist positiv, entsprechend einem steigenden Proportional-Verstärkungsfaktor, d.h. positiver Gradient. Im Minimum-Glied 34 wird der kleinere Wert einerseits des mittels der Gradienten-Beschränkungsfunktion erhaltenen (Beschränkungs-)Werts und andererseits der Abweichung ΔK, die als Differenz zwischen dem gewünschten, progressiv bestimmten Proportional-Verstärkungsfaktor K_Pprog und dem aktuell verwendeten Wert des Proportional-Verstärkungsfaktors K_P bestimmt wird (ΔK = K_Pprog - K_P), ausgewählt, um die Beschränkung nach oben zu verwirklichen. Wie dargestellt kann noch eine Skalierung (Glied 36) bzw. Normierung der Abweichung ΔK erfolgen. Die Skalierung in Glied 36 kann als eine Regelverstärkung des Rückkopplungskreises, der in Block 30 gebildet ist angesehen werden. Dies kann auch durch geeignete Parameterwahl in anderen Gliedern der Gradienten-Beschränkung erreicht werden. Die Dynamik der Gradienten-Beschränkung (Block 30) kann durch geeignet gewählte Werte der Parameter von Glied 32, Glied 36 und der Schranke 38 eingestellt werden.With the (exemplary) gradient limitation, the gradient (rate of change) of the proportional gain factor is limited upwards. The corresponding upper limit is dependent on the progressively determined proportional amplification factor K_Pprog, e.g. corresponding to a gradient limitation function (term 32), which increases monotonically, in particular strictly monotonically, with the progressively determined proportional amplification factor K_Pprog (in particular not constantly over the entire range of values is). The upper bound is positive, corresponding to an increasing proportional gain factor, i.e. positive gradient. In the
Zusätzlich kann bei der Gradienten-Beschränkung der Gradient des Proportional-Verstärkungsfaktors wie gezeigt nach unten beschränkt werden. Hierzu ist eine untere (negative) Schranke 38 vorgesehen, deren Betrag (deutlich) größer als jeder Wert ist, der von der Gradienten-Beschränkungsfunktion angenommen wird (im möglichen Wertebereich des progressiv bestimmten Proportional-Verstärkungsfaktors K_Pprog, Glied 32). Im Vergleich zur Gradienten-Beschränkung nach oben ist die Gradienten-Beschränkung nach unten also schwächer. Hier wird ein Maximum-Glied 40 verwendet, um die Beschränkung nach unten zu verwirklichen.Additionally, with gradient limiting, the gradient of the proportional gain factor can be limited downwards as shown. For this purpose, a lower (negative) limit 38 is provided, the amount of which is (significantly) larger than any value assumed by the gradient limitation function (in the possible range of values of the progressively determined proportional amplification factor K_Pprog, element 32). Compared to the upward gradient restriction, the downward gradient restriction is weaker. Here a
Insgesamt wird nach oben und gegebenenfalls nach unten ein beschränkter Gradient ΔK_lim des Proportional-Verstärkungsfaktors erhalten, der in einem Integral-Glied 42 integriert wird, um den Proportional-Verstärkungsfaktors K_P zu bestimmen.Overall, a limited gradient ΔK_lim of the proportional amplification factor is obtained upwards and, if necessary, downwards, which is integrated in an
Weiterhin kann optional ein Integral-Regler 50 vorgesehen sein, der einen variablen Integral-Verstärkungsfaktor K_I aufweist und der einen additiven Integral-Anteil zur Drehmomentanforderung M_Anf bestimmt. Der Integral-Verstärkungsfaktor K_I ist, wie dargestellt, insbesondere vom Betrag der Ist-Drehzahl n_EMist der elektrischen Maschine abhängig, der im Betrags-Glied 52 gebildet wird. Der Integral-Verstärkungsfaktor K_I wird als Funktion (Glied 54) des Betrags der Ist-Drehzahl gebildet, wobei der Integral-Verstärkungsfaktor K_I mit zunehmendem Betrag der Ist-Drehzahl monoton abnimmt. Diese Funktion kann konstante Abschnitte (wie hier bei kleinen Betragswerten) einschließen, sollte jedoch nicht konstant sein. Die Drehzahldifferenz Δn_EM wird entsprechend dem Integral-Verstärkungsfaktor K_I (z.B. mit diesem multipliziert) in einem Integral-Glied 56 integriert.Furthermore, an
Der Integral-Regler 50 kann wie dargestellt optional einen maximalen Wert (Max) und einen minimalen Wert (Min) aufweisen, d.h. die Integration ist auf den Wertebereich vom minimalen bis zum maximalen Wert eingeschränkt. Der maximale und der minimale Wert können variabel sein. Dabei können maximale und der minimale Wert, ähnlich dem Integral-Verstärkungsfaktor K_I, vom Betrag der Ist-Drehzahl n_EMist der elektrischen Maschine abhängig sein, wobei insbesondere der Betrag von maximalem und minimalem Wert mit zunehmendem Betrag der Ist-Drehzahl monoton abnehmen. Beispielsweise kann vom variablen Integral-Verstärkungsfaktor K_I ausgegangen werden, der bereits eine entsprechende funktionale Abhängigkeit aufweist. Der variable Integral-Verstärkungsfaktor K_I kann mit einem Integralschranken-Faktor multipliziert werden (Glied 57). Der erhaltene Wert kann unmittelbar als maximaler Wert verwendet werden und zusätzlich mit -1 multipliziert werden, um den minimalen Wert zu erhalten.As shown, the
Ebenso kann optional ein Differential-Regler, insbesondere mit variablem Verstärkungsfaktor (variabler Differential-Anteil), vorgesehen sein (zusätzlich oder statt des Integral-Reglers; nicht dargestellt).Likewise, a differential controller, in particular with a variable gain factor (variable differential component), can optionally be provided (in addition to or instead of the integral controller; not shown).
Der Sollwert der Regelgröße, d.h. die Soll-Drehzahl n_EMsoll der elektrischen Maschine in
Gemäß einer optionalen Ausgestaltung ist als Vorverarbeitung insbesondere eine (zweite) Vorfilterung 60 der Soll-Drehzahl n_EMsoll der elektrischen Maschine vorgesehen, in der ein Gradient (bzw. eine Änderungsrate) der Soll-Drehzahl n_EMsoll in Abhängigkeit vom Betrag einer Differenz-Drehzahl n_diff zwischen der Ist-Drehzahl n_EMist der elektrischen Maschine und einer zur Ist-Drehzahl n_Abtrieb des Abtriebs korrelierenden (erwarteten) Drehzahl i · n_Abtrieb der elektrischen Maschine beschränkt wird, wobei i die Übersetzung des Getriebes ist (n_diff = n_EMist - i · n_Abtrieb). Die korrelierende (erwartete) Drehzahl i · n_Abtrieb ist diejenige Drehzahl, mit der sich die elektrische Maschine bei gegebener Ist-Drehzahl n_Abtrieb des Abtriebs drehen müsste, wenn sich das Getriebe außerhalb der Getriebelose befindet bzw. wenn Kraftschluss im Getriebe vorliegt. Wenn die Differenz-Drehzahl n_diff ungleich null ist, muss davon ausgegangen werden, dass sich das Getriebe in der Getriebelose befindet. Die Differenz-Drehzahl n_diff ist entsprechend ebenfalls eine Größe, die anzeigt, ob oder ob nicht sich das Getriebe im kraftfreien Zustand bzw. innerhalb der Getriebelose befindet. Im Prinzip könnte Differenz-Drehzahl n_diff statt oder zusätzlich zur Regelabweichung bei der Bestimmung des progressiven Proportional-Verstärkungsfaktors verwendet werden.According to an optional embodiment, a (second) pre-filtering 60 of the target speed n_EMsoll of the electrical machine is provided as preprocessing, in which a gradient (or a rate of change) of the target speed n_EMsoll depends on the amount of a difference speed n_diff between the Actual speed n_EMist of the electrical machine and an (expected) speed i · n_Abtrieb of the electrical machine which correlates to the actual speed n_Abtrieb of the output is limited, where i is the gear ratio of the transmission (n_diff = n_EMist - i · n_Abtrieb). The correlating (expected) speed i · n_Abtrieb is the speed at which the electric machine would have to rotate at a given actual speed n_Abtrieb of the output if the gearbox is outside the gearbox or if there is adhesion in the gearbox. If the differential speed n_diff is not equal to zero, it must be assumed that the gearbox is in gearless position. The differential speed n_diff is also a quantity that indicates whether or not the transmission is in the power-free state or within the gear range. In principle, differential speed n_diff could be used instead of or in addition to the control deviation when determining the progressive proportional gain factor.
In der Vorfilterung 60 ist vorgesehen, dass die Soll-Drehzahl n_EMsoll der elektrischen Maschine so aus der Wunschdrehzahl n_w bestimmt wird, dass der Gradient der Soll-Drehzahl n_EMsoll in Abhängigkeit vom Betrag der Differenz-Drehzahl n_diff beschränkt wird, wobei insbesondere der Betrag des Gradienten der Soll-Drehzahl n_EMsoll kleiner als eine vom Betrag der Differenz-Drehzahl n_diff abhängige Schranke ist. Dabei nimmt die Schranke in einer Ausgestaltung monoton (insbesondere streng monoton) mit zunehmendem Betrag der Differenz-Drehzahl n_diff bis zu einem Minimalwert, der ungleich null sein sollte, ab (die Schranke sollte nicht konstant über den gesamten Bereich sein).In the pre-filtering 60 it is provided that the target speed n_EMsoll of the electric machine is determined from the desired speed n_w such that the gradient of the target speed n_EMsoll is limited depending on the amount of the difference speed n_diff, in particular the amount of the gradient the target speed n_EMsoll is smaller than a limit dependent on the amount of the difference speed n_diff. In one embodiment, the barrier decreases monotonically (in particular strictly monotonically) as the difference speed n_diff increases up to a minimum value, which should be non-zero (the barrier should not be constant over the entire range).
Durch die Beschränkung des Gradienten der Soll-Drehzahl wird eine zu starke Beschleunigung der elektrischen Maschine innerhalb der Getriebelose unterbunden, so dass hohe Momentenaufschläge im Getriebe vermieden werden. Eine konkrete Implementierung der Vorfilterung 60 kann beispielsweise ähnlich wie die Gradienten-Beschränkung (Block 30) des Proportional-Verstärkungsfaktors K_P verwirklicht werden.By limiting the gradient of the target speed, excessive acceleration of the electric machine within the gear unit is prevented, so that high torque surcharges in the gear unit are avoided. A concrete implementation of pre-filtering 60 can For example, similar to the gradient limitation (block 30) of the proportional gain factor K_P can be implemented.
Die elektrische Maschine bzw. die Inverter kann direkt mit der Drehmomentanforderung M_Anf angesteuert werden (d.h. als Ansteuergröße 14 verwendet werden). Optional kann eine Drehmoment-Beschränkung (Block 70) vorgesehen sein, in der aus der Drehmomentanforderung M_Anf eine beschränkte Drehmomentanforderung M_Anflim bestimmt wird (die als Ansteuergröße 14 verwendet wird).The electric machine or the inverter can be controlled directly with the torque request M_Anf (i.e. used as control variable 14). Optionally, a torque limitation (block 70) can be provided, in which a limited torque request M_Anflim is determined from the torque request M_Anf (which is used as control variable 14).
In der Drehmoment-Beschränkung (Block 70) wird ein Gradient (Änderungsrate) des Betrags (wenn je nach Drehrichtung zwischen positivem und negativem Drehmoment unterschieden wird) der Drehmomentanforderung beschränkt, d.h. in Bereichen der Drehmomentanforderung M_Anf, in denen der Gradient über einer oberen oder unter einer unteren Schranke liegt, wird die Drehmomentanforderung entsprechend dieser Schranken angepasst, um die beschränkte Drehmomentanforderung M_Anflim zu bestimmen. In einer Ausgestaltung ist der Betrag der unteren Schranke dabei größer als die obere Schranke, z.B. um mindestens einen Faktor 5 oder mindestens einen Faktor 10. D.h. die Beschränkung des Gradienten des Betrags der Drehmomentanforderung erfolgt unsymmetrisch. Damit können insbesondere Schwingungen vermieden werden.In the torque limitation (block 70), a gradient (rate of change) of the amount (if a distinction is made between positive and negative torque depending on the direction of rotation) of the torque request is limited, i.e. in areas of the torque request M_Anf in which the gradient is above or below is a lower limit, the torque request is adjusted according to these limits to determine the limited torque request M_Anflim. In one embodiment, the amount of the lower limit is greater than the upper limit, for example by at least a factor of 5 or at least a factor of 10. This means that the gradient of the amount of the torque request is limited asymmetrically. In this way, vibrations in particular can be avoided.
In
Als Beispiel für eine Maschine, in der die Erfindung angewendet werden kann, zeigt
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