DE102023101154A1 - Vektorsteuerverfahren für eine Synchronmaschine und Steuereinheit - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Vektorsteuerverfahren für eine Synchronmaschine, insbesondere eine Permanentmagnet-Synchronmaschine, bei dem Q-Achsen- und D-Achsen-Sollströme (Iq, Id) durch jeweilige Zuordnungen (4), die ein Sollmoment (MTgt) und eine Sollflussstärke (ΨTgt_MTPA) mit dem Q-Achsen-Sollstrom (Iq) bzw. dem D-Achsen-Sollstrom (Id) ohne Berücksichtigung einer Spannungsvariation einer an Statorwicklungen der Synchronmaschine anzulegenden Spannung verknüpfen, bestimmt werden. Die Spannungsvariation wird vorhergehend durch Anpassung der Sollflussstärke (ΨTgt_MTPA) ausgeregelt oder kompensiert. Ein Spannungsabfall an Statorwicklungen als Bestandteil der Spannungsvariation wird durch eine Vorsteuerung (11) berücksichtigt. Die Erfindung betrifft ferner eine Steuereinheit, die ausgebildet und programmiert ist, das Verfahren auszuführen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Vektorsteuerverfahren für eine Synchronmaschine, insbesondere eine Permanentmagnet-Synchronmaschine, und eine Steuereinheit, die ausgebildet und programmiert ist, das Vektorsteuerverfahren auszuführen.
• Um bei einer Synchronmaschine, insbesondere einer Permanentmagnet-Synchronmaschinen, einen Betrieb bei hohen Drehzahlen über eine Basisdrehzahl, die aufgrund einer durch eine Leistungselektronikeinheit anlegbaren Maximalspannung vorgegeben ist, hinaus zu ermöglichen, muss ein Magnetfeld in der Synchronmaschine über eine Anpassung der angelegten Ströme, insbesondere eines Q-Achsen- und eines D-Achsen-Stroms, geschwächt werden. Ein Betrieb der Synchronmaschine kann sonst im schlimmsten Fall instabil und unkontrollierbar werden. Im Generatorbetrieb kann es bei Überschreiten der Maximalspannung zu Stromspitzen, die die Leistungselektronikeinheit beschädigen können, kommen. Außerdem können schwingende Momente, die drastisch vom geforderten Solldrehmoment abweichen, auftreten, wodurch bei Elektrofahrzeugen ein ungewolltes und unsicheres Fahrzeugverhalten verursacht werden kann.
• Dabei wird eine Spannung, die das Magnetfeld in der Synchronmaschine erzeugt, von einer Spannungsvariation beeinflusst. Die Spannungsvariation wird aufgrund von Verlusten verursacht und somit in Wärme und nicht in mechanische Kraft zum Antreiben eines Rotors der Synchronmaschine umgewandelt.
• Die Spannungsvariation wird konventionell über eine Anpassung von Sollstromtabellen, die zum Ermitteln eines Q-Achsen-Sollstroms bzw. eine D-Achsen-Sollstroms verwendet werden, berücksichtigt. Da die Spannungsvariation von einer Drehzahl, einem Spannungsniveau und einer Temperatur abhängt, erfordert eine entsprechende Berücksichtigung in den Stromtabellen einen hohen Speicherbedarf und eine manuelle Parametrierung der Stromtabellen ist aufgrund der großen Anzahl von Eingangsparameterkombinationen sehr aufwändig.
• Bei einem schnellem Lastwechsel und bei einem Wechsel von einem Motorbetrieb zu einem Generatorbetrieb und umgekehrt kann sich die Spannungsvariation signifikant schnell ändern. Diese schnelle Änderung kann für eine vorgelagerte Spannungsregelung zu schnell sein, da sie zur Vermeidung einer Rückkopplung mit einer Stromregelung zum Regeln des Stroms in Statorwicklungen der Synchronmaschine nicht sehr schnell eingestellt werden kann.
• Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Vektorsteuerverfahren für eine Synchronmaschine und eine Steuereinheit bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch das Vektorsteuerverfahren und die Steuereinheit mit den Merkmalen gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Bei einem erfindungsgemäßen Vektorsteuerverfahren für eine Synchronmaschine, insbesondere eine Permanentmagnet-Synchronmaschine, werden Q-Achsen- und D-Achsen-Sollströme durch jeweilige Zuordnungen, die ein Sollmoment und eine Sollflussstärke mit dem Q-Achsen-Sollstrom bzw. dem D-Achsen-Sollstrom ohne Berücksichtigung einer Spannungsvariation einer an Statorwicklungen der Synchronmaschine anzulegenden Spannung verknüpfen, bestimmt. Die Zuordnungen können insbesondere als Lookup-Tabelle hinterlegt sein. Die Spannungsvariation wird dabei durch einen Spannungsabfall an einem Widerstand der Statorwicklungen, durch Verluste in einer Leistungselektronikeinheit zum Ansteuern der Synchronmaschine und einen Spannungsabfall in den verwendeten Leitungen beeinflusst und sorgt somit für eine Variation der Flussstärke in der Synchronmaschine. Den Hauptbestandteil der Spannungsvariation bildet jedoch der Spannungsabfall an den Statorwicklungen. Die Spannungsvariation wird vorhergehend durch Anpassung der Sollflussstärke ausgeregelt oder kompensiert. Der Spannungsabfall an den Statorwicklungen als Bestandteil der Spannungsvariation wird durch eine Vorsteuerung berücksichtigt. Die Spannungsvariation kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren somit ohne Erweiterung der Zuordnung kompensiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt zudem aus, dass die idealen Q-Achsen und D-Achsen-Ströme näherungsweise linear mit der Flussstärke zusammenhängen. Es ist anzumerken, dass die Flussstärke der Quotient aus der Spannung und der elektrischen Frequenz ist. Durch diesen linearen Zusammenhang kann im Gegensatz zu konventionellen Lookup-Tabellen die Anzahl der Stützstellen deutlich verringert werden. Beispielsweise lässt sich ein Kurzschlussstrompunkt als ein Punkt mit der Flussstärke 0 Vs abbilden. Durch die Vorsteuerung des Spannungsabfalls an den Statorwicklungen stellt das erfindungsgemäße Verfahren zudem eine schnelle Steuerung bzw. Regelung der Q-Achsen- und D-Achsen-Sollströme bereit.
• Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung können die jeweiligen Zuordnungen zusätzlich einen Eigenschaftsparameter, der eine Veränderlichkeit von magnetischen und elektrischen Eigenschaften der Synchronmaschine betrifft, mit dem Q-Achsen-Sollstrom bzw. dem D-Achsen-Sollstrom verknüpfen. Der Eigenschaftsparameter kann dabei insbesondere eine Rotortemperatur sein. Demzufolge können die Q-Achsen- und D-Achsen-Sollströme genauer bestimmt werden.
• Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann in der Vorsteuerung eine spannungsabfallkorrigierte Spannung bestimmt werden, die einem Betrag eines Spannungsvektors entspricht, der durch Subtraktion eines Vektors des Spannungsabfalls an den Statorwicklungen von einem auf eine Maximalspannung skalierten Vektor der gegenwärtig an den Statorwicklungen anliegenden Spannung erhalten wird. Demzufolge wird der Spannungsabfall genauer berücksichtigt, als wenn der Spannungsabfall nur durch lineare Berechnung, d.h. durch Produkt aus Widerstand der Statorwicklung mal Strom, ermittelt wird. Demzufolge kann auch eine genauere Vorsteuerung und somit eine schnellere Anpassung der Sollflussstärke erfolgen.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Vektor des Spannungsabfalls anhand von Q-Achsen- und D-Achsen-Sollströmen eines vorherigen Zeitschritts bestimmt werden. Demzufolge kann eine einfache Bestimmung des Vektors des Spannungsabfalls erfolgen, ohne dass zusätzliche Werte eingegeben werden müssen. Es ist lediglich erforderlich, die vorherigen Q-Achsen- und D-Achsen-Sollströme aus einem Speicher zu laden.
• Gemäß einem alternativen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Vektor des Spannungsabfalls anhand von gemessenen dreiphasigen Strömen in den Statorwicklungen der Synchronmaschine bestimmt werden. Es ist anzumerken, dass die dreiphasigen Ströme durch Park- und Clarke-Transformation in ein d/q-Koordinatensystem transformiert werden können. Demzufolge können aktuell gemessene Wert berücksichtigt werden und der Vektor des Spannungsabfalls kann somit genau bestimmt werden.
• Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Spannungsvariation anhand einer Flussstärkedifferenz zwischen einer Maximalflussstärke, die der Maximalspannung, die durch eine Leistungselektronikeinheit zum Ansteuern der Statorwicklungen der Synchronmaschine angelegt werden kann, entspricht, und einer gegenwärtigen Flussstärke, die der gegenwärtig an den Statorwicklungen anliegenden Spannung entspricht, ausgeregelt oder kompensiert werden. Demzufolge kann die Spannungsvariation angemessen ausgeregelt werden. Es ist anzumerken, dass die Maximalflussstärke als Quotient der maximal durch die Leistungselektronikeinheit an die Statorwicklungen anlegbaren Spannung und der elektrischen Frequenz bestimmt werden kann. Die gegenwärtige Flussstärke kann als der Quotient einer gegenwärtig an den Statorwicklungen anliegenden Spannung und der elektrischen Frequenz bestimmt werden.
• Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Flussstärkedifferenz in einen I-Regler eingebeben werden, um eine Korrekturflussstärke zu ermitteln. Folglich kann die Korrekturflussstärke auf einfache Weise ermittelt werden.
• Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine Summe aus einer spannungsabfallkorrigierten Flussstärke, die der spannungsabfallkorrigierten Spannung entspricht, und der Korrekturflussstärke oder eine wirkungsgradoptimale Flussstärke für den Fall, dass die Summe die wirkungsgradoptimale Flussstärke überschreitet, als die Sollflussstärke verwendet werden. Es ist anzumerken, dass die spannungsabfallkorrigierte Flussstärke als der Quotient der spannungsabfallkorrigierten Spannung und der elektrischen Frequenz erhalten werden kann. Auf diese Weise kann die in der Vorsteuerung bestimmte spannungsabfallkorrigierte Spannung angemessen berücksichtigt werden und die Sollflussstärke kann schnell und genau bestimmt werden. Zudem wird sichergestellt, dass die Sollflussstärke stets auf die wirkungsgradoptimale Flussstärke begrenzt ist.
• Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung kann die wirkungsgradoptimale Flussstärke unter Verwendung des Maximum Torque per Ampere (MTPA)-Verfahrens bestimmt werden. Demzufolge kann die wirkungsgradoptimale Flussstärke auf einfache Weise bestimmt werden.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Sollmoment auf ein Maximalmoment, d.h. auf das bei der Sollflussstärke maximal erreichbare Moment, normiert werden und die jeweiligen Zuordnungen zum Bestimmen der Q-Achsen- und D-Achsen-Sollströme können das normierte Sollmoment als das Sollmoment empfangen. Bei konventionellen Lookup-Tabellen sind die Werte der Momente als Absolutwerte hinterlegt. D.h. es werden Flussstärkewerte im vorgegebenen Momentabständen, z.B. 10 Nm, bestimmt und in den Tabellen hinterlegt. Im Feldschwächebetrieb kann allerdings das maximal verfügbare Moment deutlich sinken. Demzufolge ist ein Teil der Lookup-Tabellen nicht nutzbar und die Auflösung in einem effektiv nutzbaren Bereich nimmt ab. Zudem kann es bei Feldschwächung im Bereich eines Maximalmoments der Synchronmaschine zu starken Interpolationsfehlern kommen, die nur schwer korrigierbar sind. Durch Normierung des Sollmoments auf das Maximalmoment und die Bestimmung der Stromwerte in vorgegebenen Abständen des Anteils am Maximalmoment, z.B. 0,05 oder 0,1, können die Kennlinien der Ströme im Bereich eines maximalen Moments ausreichend genau interpoliert werden und es kann eine hohe Auflösung der Zuordnung im gesamten Arbeitsbereich der Synchronmaschine sichergestellt werden.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Maximalmoment auf Grundlage der Sollflussstärke und des Eigenschaftsparameters bestimmt werden. Demzufolge kann das Maximalmoment auf einfache Weise bestimmt werden.
• Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung können die jeweiligen Zuordnungen zum Bestimmen der Q-Achsen- und D-Achsen-Sollströme für einen Motorbetrieb der Synchronmaschine parametriert sein und ein Generatorbetrieb der Synchronmaschine kann durch Invertieren des Q-Achsen-Stroms berücksichtigt werden. Demzufolge kann im Gegensatz zu einer Parametrierung für den Motorbetrieb und den Generatorbetrieb der Speicherplatz zum Speichern der jeweiligen Zuordnungen auf die Hälfte reduziert werden. Im Gegensatz zu konventionellen Lookup-Tabellen kann der erforderliche Speicherplatz sogar auf ungefähr ein Sechstel reduziert werden.
• Eine erfindungsgemäße Steuereinheit ist ausgebildet und programmiert, das Vektorsteuerverfahren gemäß einem der vorhergehenden Aspekte auszuführen. Die Steuereinheit kann dazu die erforderlichen Eingangsgrößen entweder direkt z.B. von Sensoren oder indirekt von anderen Steuereinheiten empfangen und die eventuell erforderlichen Transformationen, z.B. Clarke- und Park-Transformation, durchführen. Die Steuereinheit kann außerdem Parameter zum Betreiben einer Leistungselektronikeinheit, die die Synchronmaschine antreibt, an die Leistungselektronikeinheit ausgeben.
• Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren im Detail beschrieben. Es zeigen:
• 1 eine schematische Ansicht einer Steuereinheit;
• 2 ein Diagramm, das Strompunkte für Stromtabellen zum Bestimmen eines Q-Achsen-Sollstroms und eines D-Achsen-Sollstroms zeigt, wobei das Diagramm eine MTPA-Linie zeigt;
• 3 ein Diagramm, das Strompunkte in Abhängigkeit einer Sollflussstärke und eines Sollmoments sowie die MTPA-Linie zeigt;
• 4 ein Diagramm, das Strompunkte, die für auf das Maximalmoment normierte Werte des Sollmoments ermittelt wurden, in Abhängigkeit der Sollflussstärke und des Sollmoments sowie die MTPA-Linie zeigt;
• 5 eine schematische Ansicht eines Sollflussstärkeanpassungsabschnitts der Steuereinheit;
• 6 eine schematische Ansicht eines Spannungsregelungsabschnitts mit Vorsteuerung in dem Sollflussstärkeanpassungsabschnitt;
• 7 eine schematische Ansicht der Vorsteuerung des Spannungsregelungsabschnitts; und
• 8 ein Zeigerdiagramm, das die einzelnen Spannungen und Ströme, die in der Vorsteuerung verwendet und bestimmt werden, zeigt.
• Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
• 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Steuereinheit 1 zum Steuern eines Betriebs einer Synchronmaschine bzw. einer Leistungselektronikeinheit, die wiederum die Synchronmaschine ansteuert, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Steuereinheit 1 umfasst Funktionsabschnitte zum Ausführen von Verarbeitungen eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Funktionsabschnitte werden durch Ausführen einer in der Steuereinheit 1 gespeicherten Software bzw. durch Aufrufen von in der Steuereinheit 1 gespeicherten Daten implementiert.
• Wie in 1 gezeigt, weist die Steuereinheit 1 einen Strombestimmungsabschnitt 2 und einen Sollflussstärkeanpassungsabschnitt 3 auf. Der Strombestimmungsabschnitt 2 weist wiederum Stromtabellen 4 als Zuordnungen zum Bestimmen des Q-Achsen-Stroms I_q bzw. des D-Achsen-Stroms I_d auf. Die Stromtabellen 4 weisen mindestens eine Sollflussstärke Ψ_{Tgt_MTPA} und ein Sollmoment M_Tgt als Eingangsparameter auf. Das heißt, die Stromtabellen 4 verknüpfen jeweils die Sollflussstärke Ψ_{Tgt_MTPA} und das Sollmoment M_Tgt mit dem Q-Achsen-Strom I_q bzw. dem D-Achsen-Strom I_d. Die Verknüpfungen können dabei in einer gemeinsamen Tabelle oder in unterschiedlichen Tabellen gespeichert sein. Bei Verwendung von unterschiedlichen Tabellen können die Tabellen eine unterschiedliche Auflösung aufweisen.
• Besonders bevorzugt können die Stromtabellen 4 auch einen Eigenschaftsparameter, der eine Veränderlichkeit von elektrischen oder magnetischen Eigenschaften der Synchronmaschine bzw. ihrer Komponenten betrifft, als Eingangsparameter aufweisen. In der vorliegenden Ausführungsform weisen die Stromtabellen 4 eine Rotortemperatur T_Rotor als weiteren Eingangsparameter auf. Demzufolge können die Ströme I_q und I_d noch genauer bestimmt werden.
• In den Stromtabellen 4 werden nur stationäre Arbeitspunkte der Synchronmaschine hinterlegt, so dass Terme hinsichtlich transienter Änderungen der Ströme I_q und I_d unberücksichtigt bleiben. Darüber hinaus wird in den Stromtabellen 4 nur die Flussstärke berücksichtigt, die für die Erzeugung des Statorfelds verantwortlich ist. Eine Spannungsvariation, die durch z.B. einen Spannungsabfall an Statorwicklungen, einen Verlust in der Leitungselektronikeinheit und einen Spannungsabfall in den verwendeten Leitungen beeinflusst wird, wird folglich in den Stromtabellen 4 vernachlässigt. Aufgrund dieses Vorgehens decken die Stromtabellen 4 alle Spannungsniveaus und Drehzahlen ab. Das Diagramm in 2 zeigt Strompunkte mit den dazugehörigen I_q- und I_d-Werten bei einer Rotortemperatur von 20 °C sowie die daraus resultierende Flussstärke und das erreichbare Moment. Das Diagramm aus 2 veranschaulicht folglich die in den Stromtabellen 4 hinterlegten Werte.
• Es ist anzumerken, dass die Flussstärke dem Quotienten der an die Statorwicklungen angelegten Spannung und der elektrischen Frequenz entspricht. Die Spannungsvariation entspricht somit einer Schwächung der Flussstärke aufgrund von Verlusten. Die Spannungsvariation kann somit auch als Flussstärkevariation angesehen werden. Die elektrische Frequenz kann anhand der mechanischen Drehzahl eines Rotors der Synchronmaschine und der Polanzahl berechnet werden.
• Darüber hinaus wurde als vorteilhaft herausgefunden, wenn, wie in 1 gezeigt, das Sollmoment M_Tgt nicht als Absolutwert in die Stromtabellen 4 eingegeben wird, sondern vorhergehend auf ein Maximalmoment M_{max_MTPA} normiert wird. Dies rührt daher, dass bei steigender Drehzahl und folglich bei verringerter anlegbarer Flussstärke, die sich aus der maximal im Feldschwächebetrieb anlegebaren Spannung ergibt, das maximal einstellbare Moment abnimmt. Demzufolge sind bei Verwendung von absoluten Momentwerten für niedrige Flussstärken weniger Strompunkte entlang der Moment-Achse verwendbar, so dass nur ein reduzierter Teil der Stromtabellen 4 tatsächlich nutzbar ist.
• 3 zeigt ein Diagramm, in dem Strompunkte für unterschiedliche Kombinationen von Sollflussstärke Ψ_{Tgt_MTPA} und Sollmoment M_Tgt aufgetragen sind. Die einzelnen Strompunkte werden dabei in einem vorgegebenen Momentabstand, z.B. 10 Nm, bestimmt. Zudem ist in dem Diagramm eine Maximum Torque per Ampere (MTPA)-Linie gezeichnet. Strompunkte, die zum Steuern der Synchronmaschine tatsächlich verwendet werden, sind in dem Diagramm mit einem x gekennzeichnet. Wie beschrieben, ist zu erkennen, dass kaum Strompunkte für niedrige Flussstärken verwendbar sind, da das maximal erreichbare Moment deutlich reduziert ist.
• Um diesen Nachteil zu beheben, kann der Strombestimmungsabschnitt 2, wie in 1 gezeigt, bevorzugt einen Maximalmomentbestimmungsabschnitt 5 und einen Normierungsabschnitt 6 aufweisen. Der Maximalmomentbestimmungsabschnitt 5 kann als Lookup-Tabelle ausgestaltet sein und kann anhand der Sollflussstärke Ψ_{Tgt_MTPA} und der Rotortemperatur T_Rotor ein entsprechend erreichbares Maximalmoment M_{max_MTPA} bestimmen. Das Maximalmoment M_{max_MTPA} entspricht dabei in 3 dem obersten noch verwendbaren Strompunkt. Das Sollmoment M_Tgt wird anschließend auf das bestimmte Maximalmoment M_{max_MTPA} normiert und in die Stromtabellen 4, die entsprechend das normierte Sollmoment M_Relativ als Eingangsparameter empfangen können, eingegeben. Ein Diagramm in 4 zeigt Strompunkte für unterschiedliche Kombinationen von Sollflussstärke Ψ_{Tgt_MTPA} und Sollmoment M_Tgt, wobei die Strompunkte im vorgegebenen Abständen des normierten Sollmoments M_Relativ, z.B. 0,05 oder 0,1, bestimmt wurden. Es ist anzumerken, dass die Moment-Achse in dem Diagramm den tatsächlichen Leistungswert angibt. Es ist daher in dem Diagramm zu erkennen, dass durch die Normierung des Sollmoments M_Tgt auf das Maximalmoment M_{max_MTPA} eine Dichte von Strompunkten für niedrige Flussstärken deutlich erhöht werden kann, so dass eine effizientere Regelung der Synchronmaschine in diesem Bereich ermöglicht ist.
• Wie bereits erwähnt, vernachlässigen die Stromtabellen 4 eine Spannungsvariation der an die Statorwicklungen anzulegenden Spannung. Daher ist eine Anpassung der Sollflussstärke Ψ_{Tgt_MTPA} in dem überlagerten bzw. vorgelagerten Sollflussstärkeanpassungsabschnitt 3 notwendig, um die Spannungsvariation auszuregeln oder zu kompensieren.
• 5 zeigt eine schematische Ansicht des Sollflussstärkeanpassungsabschnitts 3, der wiederum einen Abschnitt 7 zum Bestimmen der wirkungsgradoptimalen Flussstärke und einen Spannungsregelungsabschnitt 8 aufweist. Der Sollflussstärkeanpassungsabschnitt 3 empfängt das Sollmoment M_Tgt, die Rotortemperatur T_Rotor, eine Maximalspannung U_Max, eine gegenwärtig an die Statorwicklungen angelegte Spannung U_{ctrl_req}, eine spannungsabfallkorrigierte Spannung U_{Max_R} und die gegenwärtige elektrische Frequenz ω_el. Es ist anzumerken, dass die Maximalspannung U_Max durch eine Limitierung der Leistungselektronikeinheit, die die Synchronmaschine ansteuert, vorgegeben ist.
• Wie in 6 gezeigt, wird die spannungsabfallkorrigierte Spannung U_{Max_R} vorhergehend durch eine Vorsteuerung 11 bestimmt. Die Vorsteuerung 11 empfängt einen Widerstand R_Copper der Statorwicklungen und einen Strom I_{req_t-1} sowie die Maximalspannung U_Max und eine gegenwärtig an den Statorwicklungen anliegende Spannung U_{crtl_req} als Eingangsparameter, um die spannungsabfallkorrigierte Spannung zu bestimmen. Der Wiederstand R_Copper kann dabei entsprechend einer Temperatur der Statorwicklungen angepasst werden. Der Strom I_{req_t-1} kann dabei durch Q-Achsen- und D-Achsen-Sollströme eines vorherigen Zeitschritts vorgegeben sein. Alternativ kann der Strom I_{req_t-1} durch gemessenen dreiphasige Ströme in den Statorwicklungen der Synchronmaschine bestimmt werden. Es ist anzumerken, dass die dreiphasigen Ströme durch Park- und Clarke-Transformation in ein d/q-Koordinatensystem transformiert werden können.
• Eine genaue Bestimmung der spannungsabfallkorrigierten Spannung U_{Max_R} soll anhand der 7 und 8 beschrieben werden. Zunächst wird ein Vektor der gegenwärtig an den Statorwicklungen U_{crtl_req} auf den Betrag der Maximalspannung U_Max durch den Skalierungsabschnitt 12 skaliert. D.h. der Vektor der gegenwärtig an den Statorwicklungen anliegenden Spannung U_{crt_req} wird auf die Spannung U_Max verlängert und gibt somit die Spannung U_{to_Limit} an, die theoretisch maximal an die Statorwicklungen anlegbar wäre, aber aufgrund des aktuellen Arbeitspunktes oder der Feldschwächung nicht anliegt. Anschließend wird der Vektor des Spannungsabfalls U_{R_drop} durch Multiplikation des Vektors des Stroms I_{ctrl_req} mit dem Widerstand R_Copper der Statorwicklungen in einem Multiplikationsabschnitt 13 bestimmt. Die Bestimmung des Stroms I_{ctrl_req} ist wie vorhergehend beschrieben. Danach wird der Vektor des Spannungsabfalls U_{R_drop} vom Vektor der Spannung U_{to_Limit} subtrahiert, um einen Vektor der spannungsabfallkorrigierten Spannung U_{effektive_Limit} zu erhalten. Abschließend bestimmt ein Betragsbildungsabschnitt 14 den Betrag des Vektors, um die spannungsabfallkorrigierte Spannung U_{Max_R} zu erhalten.
• Die spannungsabfallkorrigierte Spannung U_{Max_R} kann nun verwendet werden, um die Sollflussstärke W_{Tgt_MTPA} anzupassen, so dass eine Spannungsvariation an den Statorwicklungen ausgeregelt bzw. kompensiert wird. Zunächst berechnet der Spannungsregelungsabschnitt 8, wie in 5 gezeigt, aus der Maximalspannung U_Max, der gegenwärtig angelegten Spannung U_{ctrl_req} und der spannungsabfallkorrigierte Spannung U_{Max_R} die dazugehörigen Flussstärken, d.h. eine Maximalflussstärke Ψ_Max, eine gegenwärtige Flussstärke Ψ_{ctrl_req} und eine spannungsabfallkorrigierte Flussstärke Ψ_{Max_R}, durch Division mit der elektrischen Frequenz ω_el. Durch Subtraktion der gegenwärtigen Flussstärke Ψ_{ctrl_req} von der Maximalflussstärke Ψ_Max wird anschließend eine Flussstärkedifferenz Ψ_Error berechnet. Die Flussstärkedifferenz Ψ_Error wird danach in einen I-Regler 9 eingegeben, um eine Korrekturflussstärke Ψ_correction zu bestimmen. Diese wird dann zu der spannungsabfallkorrigierten Flussstärke Ψ_{Max_R} hinzuaddiert.
• Außerdem bestimmt der Abschnitt 7, wie in 5 gezeigt, eine wirkungsgradoptimale Flussstärke Ψ_Max__MTPA für das Sollmoment M_Tgt bei der Rotortemperatur T_Rotor unter Verwendung des MTPA-Verfahrens und gibt diese in den Spannungsregelungsabschnitt 8 ein.
• Der Vergleichsabschnitt 10 des Spannungsregelungsabschnitts 8 vergleicht dann die wirkungsgradoptimale Flussstärke Ψ_{Max_MTPA} mit der Summe aus spannungsabfallkorrigierter Flussstärke Ψ_{Max_R} und Korrekturflussstärke Ψ_correction und gibt das Minimum dieser beiden Werte aus. Demzufolge wird die Sollflussstärke Ψ_{Tgt_MTPA} auf die wirkungsgradoptimale Flussstärke Ψ_{Max_MTPA} begrenzt. Das bedeutet, dass ein Bereich, der sich in dem Diagramm aus 4 rechts von der MTPA-Linie befindet, bei der Steuerung bzw. Regelung der Synchronmaschine unberücksichtigt bleibt. Abschließend wird die angepasste Sollflussstärke Ψ_{Tgt_MTPA} an den Strombestimmungsabschnitt 2 ausgeben, der dann den Q-Achsen-Sollstrom I_q und den D-Achsen-Sollstrom I_d unter Verwendung der Stromtabellen 4 bestimmt.
• Als besonders vorteilhaft hat es sich auch erwiesen, wenn die Stromtabellen 4 lediglich für einen Motorbetrieb der Synchronmaschine erstellt und in der Steuereinheit 1 hinterlegt werden. Der Generatorbetrieb der Synchronmaschine wird in diesem Fall durch Invertieren des Q-Achsen-Stroms berücksichtigt. Wie in 5 zu sehen, erfolgt diese Berücksichtigung dadurch, dass die gegenwärtig an den Statorwicklungen angelegte Spannung U_{crtl_req} ein anderes Vorzeichen als die Maximalspannung U_Max aufweist. Auf diese Weise können die Stromtabellen kleiner ausgebildet sein, so dass Speicherplatz in der Steuereinheit 1 gespart werden kann.
• Bezugszeichenliste

1

Steuereinheit

2

Strombestimmungsabschnitt

3

Sollflussstärkeanpassungsabschnitt

4

Stromtabellen

5

Maximalmomentbestimmungsabschnitt

6

Normierungsabschnitt

7

Abschnitt zum Bestimmen der wirkungsgradoptimalen Flussstärke

8

Spannungsregelungsabschnitt

9

I-Regler

10

Vergleichsabschnitt

11

Vorsteuerung

12

Skalierungsabschnitt

13

Multiplikationsabschnitt

14

Betragsbildungsabschnitt

Claims (10)

1. Vektorsteuerverfahren für eine Synchronmaschine, insbesondere eine Permanentmagnet-Synchronmaschine, bei dem Q-Achsen- und D-Achsen-Sollströme (I_q, I_d) durch jeweilige Zuordnungen (4), die ein Sollmoment (M_Tgt) und eine Sollflussstärke (Ψ_{Tgt_MTPA}) mit dem Q-Achsen-Sollstrom (I_q) bzw. dem D-Achsen-Sollstrom (I_d) ohne Berücksichtigung einer Spannungsvariation einer an Statorwicklungen der Synchronmaschine anzulegenden Spannung verknüpfen, bestimmt werden, wobei die Spannungsvariation vorhergehend durch Anpassung der Sollflussstärke (Ψ_{Tgt_MTPA}) ausgeregelt oder kompensiert wird, wobei ein Spannungsabfall an Statorwicklungen als Bestandteil der Spannungsvariation durch eine Vorsteuerung (11) berücksichtigt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die jeweiligen Zuordnungen (4) zum Bestimmen des Q-Achsen-Sollstroms (I_q) und des D-Achsen-Sollstroms (I_d) zusätzlich einen Eigenschaftsparameter, der eine Veränderlichkeit von magnetischen und elektrischen Eigenschaften der Synchronmaschine betrifft, insbesondere eine Rotortemperatur (T_Rotor), mit dem Q-Achsen-Sollstrom (I_q) bzw. dem D-Achsen-Sollstrom (I_d) verknüpfen.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei in der Vorsteuerung (11) eine spannungsabfallkorrigierte Spannung (U_{Max_R}) bestimmt wird, die einem Betrag eines Spannungsvektors (U_{effective_limit}) entspricht, der durch Subtraktion eines Vektors des Spannungsabfalls (U_{R_drop}) an den Statorwicklungen von einem auf eine Maximalspannung (U_Max) skalierten Vektor der gegenwärtig an den Statorwicklungen anliegenden Spannung (U_{to_limit}) erhalten wird.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei der Vektor des Spannungsabfalls (U_{R_drop}) anhand von Q-Achsen- und D-Achsen-Sollströmen eines vorherigen Zeitschritts bestimmt wird
5. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei der Vektor des Spannungsabfalls (U_{R_drop}) anhand von gemessenen dreiphasigen Strömen in den Statorwicklungen der Synchronmaschine bestimmt wird.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spannungsvariation anhand einer Flussstärkedifferenz (W_Error) zwischen einer Maximalflussstärke (Ψ_Max), die der Maximalspannung entspricht, und einer gegenwärtigen Flussstärke (Ψ_{ctrl_req}), die der gegenwärtig an den Statorwicklungen anliegenden Spannung entspricht, ausgeregelt oder kompensiert wird.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die Flussstärkedifferenz (Ψ_Error) in einen I-Regler (9) eingebeben wird, um eine Korrekturflussstärke (Ψ_correction) zu ermitteln.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5 und Anspruch 7, wobei eine Summe aus einer spannungsabfallkorrigierten Flussstärke (Ψ_{Max_R}), die der spannungsabfallkorrigierten Spannung (U_{Max_R}) entspricht, und der Korrekturflussstärke (Ψ_correction) oder eine wirkungsgradoptimale Flussstärke (Ψ_{Max_MTPA}) für den Fall, dass die Summe die wirkungsgradoptimale Flussstärke (Ψ_{Max_MTPA}) überschreitet, als die Sollflussstärke (Ψ_{Tgt_MTPA}) verwendet werden.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die wirkungsgradoptimale Flussstärke unter Verwendung des Maximum Torque per Ampere (MTPA)-Verfahrens bestimmt wird.
10. Steuereinheit, die ausgebildet und programmiert ist, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.

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