DE10219826A1

DE10219826A1 - Verfahren und Vorrichtung zur feldorientierten Regelung einer permanentmagneterregten Synchronmaschine

Info

Publication number: DE10219826A1
Application number: DE2002119826
Authority: DE
Inventors: Klaus Rechberger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-05-03
Filing date: 2002-05-03
Publication date: 2003-11-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur feldorientierten Regelung einer permanentmagneterregtenSynchronmaschine. Die Ausgangsgrößen eines Längsstromreglers und eines Querstromreglers werden in einem stationären Entkopplungsnetzwerk in eine Längsspannungskomponente und eine Querspannungskomponente umgewandelt. Diese werden in Abhängigkeit von der Drehzahl einer Begrenzung unterworfen. Die drehzahlabhängig begrenzte Längsspannungskomponente und Querspannungskomponente wird in einem Transformator in Spannungen eines Mehrphasen-Drehstromsystems umgesetzt. Diese Spannungen werden an einen Pulswechselrichter weitergegeben und von diesem in eine Regelspannung für die Synchronmaschine umgesetzt. Durch die drehzahlabhängige Begrenzung wird erreicht, dass im unteren Drehzahlbereich eine Übersteuerung des Stromrichters vermieden wird.

Description

Stand der Technik

In der Kraftfahrzeugtechnik ist es bereits bekannt, in den Antriebsstrang eines Fahrzeugs zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe eine permanentmagneterregte Synchronmaschine (PM-Synchronmaschine) als integrierten Kurbelwellenstartergenerator einzubauen.

Die Regelung einer derartigen PM-Synchronmaschine erfolgt im rotorfeldorientierten Koordinatensystem. Ein Beispiel für eine feldorientierte Stromregelung einer PM-Synchronmaschine mit Pulswechselrichter ist in der Fig. 1 gezeigt.

Bei dieser Regelung werden die aus dem 3-Phasen-Drehstromsystem der PM-Maschine abgeleiteten Phasenströme ia, ib, ic in einem Park-Transformator 13 in die Ströme Id_ist und Iq_ist eines rechtwinkeligen Koordinatensystems umgewandelt. Der Strom Id_ist stellt dabei den Istwert für den Längsstrom der Maschine dar. Der Strom Iq_ist bezeichnet den Istwert für den Querstrom der Maschine.

Der Längsstrom-Istwert Id_ist wird über ein Überlagerungsglied 12 einem Längsstromregler 1 zugeführt, der Querstrom-Istwert Iq_ist als Istwert einem Querstromregler 2. Das Überlagerungsglied 12 erhält als weiteres Eingangssignal ein Rückkopplungssignal, welches aus der Ausgangsgröße uq' eines stationären Entkopplungsnetzwerks 5 erhalten wird. Das stationäre Entkopplungsnetzwerk 5erfüllt neben der für die Regelung wichtigen Entkopplung auch noch die Aufgabe, in Zusammenarbeit mit den Ausgangsbegrenzern 3 und 4 und einem Anti-Windup-Verfahren am Längsstromregler 1 eine Feldschwächung im oberen Drehzahlbereich zu erzielen. Diese Feldschwächung der PM- Synchronmaschine bei höheren Drehzahlen ist erforderlich, weil sonst die induzierte Maschinenspannung größer wäre als die maximale Stromrichterausgangsspannung. Letztere ist durch die Versorgungsspannung, bei der es sich um die Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs handelt, begrenzt.

Dem Sollwerteingang des Längsstromreglers 1 wird ein von einem Längsstrom-Sollwertgeber 9 generiertes Sollwertsignal und dem Sollwerteingang des Querstromreglers 2 ein von einem Querstrom-Sollwertgeber 14 generiertes Sollwertsignal zugeführt.

Am Ausgang des Längsstromreglers 1 wird eine Stellgröße Id* für den Längsstrom und am Ausgang des Querstromreglers 2 eine Stellgröße Iq* für den Querstrom zur Verfügung gestellt. Diese Stellgrößen werden dem stationären Entkopplungsnetzwerk 5 zugeführt, welches unter Verwendung der genannten Stellgrößen eine Längsspannungskomponente ud' und eine Querspannungskomponente uq' für die Regelspannung der PM-Synchronmaschine ermittelt.

Diese Regelspannungskomponenten ud' und uq', bei denen es sich um Regelspannungskomponenten im rechtwinkeligen Koordinatensystem handelt, werden über die Ausgangsbegrenzer 3 bzw. 4 einem inversen Park-Transformator 6 zugeführt. Dieser hat die Aufgabe, die im rechtwinkeligen Koordinatensystem vorliegenden begrenzten Regelspannungskomponenten ud und uq in Regelspannungskomponenten ua, ub und uc des 3-Phasen-Drehstromsystems umzuwandeln. Diese werden über einen Pulswechselrichter 7 der PM-Synchronmaschine 8 zugeführt.

Die am Ausgang des stationären Entkopplungsnetzwerks 5 ausgegebene Querspannungskomponente uq' der Regelspannung wird dem Betragsbildner 10 zugeführt, welcher den Betrag |uq'| der genannten Querspannungskomponente ermittelt.

Das Ausgangssignal des Betragsbildners 10 wird als Eingangssignal für einen Schwellwertschalter 11 verwendet. Überschreitet der Betrag |uq'| einen vorgegebenen Schwellenwert, dann wird am Ausgang des Schwellwertschalters 11 der Wert 0 ausgegeben. Unterschreitet der Betrag |uq'| den vorgegebenen Schwellenwert, dann wird am Ausgang des Schwellwertschalters 11 der Wert 1 ausgegeben.

Ausführungsbeispiele für die Ausgestaltung eines Entkopplungsnetzwerks sind in der DE 100 44 181.5 der Anmelderin beschrieben.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung stellt gegenüber dem Stand der Technik ein einfaches Regelungsprinzip über den gesamten Drehzahlstellbereich zur Verfügung. Es ist keine Umschaltung der Regelung notwendig, da eine stetige Regelung ohne Sprung erfolgen kann. Insbesondere weist die Erfindung gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass im unteren Drehzahlbereich keine Übersteuerung des Stromrichters auftritt. Bei der oben beschriebenen Art des Feldschwächbetriebes wird der Stromrichter generell im übersteuerten Zustand betrieben, so dass die Stromrichter- Ausgangsspannung nicht mehr sinusförmig ist.

Diese nicht-sinusförmige Stromrichterausgangsspannung verursacht zusammen mit der sinusförmigen Maschinengegenspannung neben der Stromgrundschwingung auch Stromoberschwingungen. Im Feldschwächbereich ist das Verhältnis von Polradspannung zu Stromrichterausgangsspannung aber so groß, dass die Oberwellenströme vernachlässigbar klein werden. Im unteren Drehzahlbereich, wo die Maschinenspannung kleiner als die maximale Stromrichterausgangsspannung ist, würde eine nicht-sinusförmige Stromrichterausgangsspannung allerdings sehr große Stromoberschwingungen, insbesondere 5. und 7. Harmonische hervorrufen. Damit verbunden wären erhöhte Verluste oder gar eine Unregelbarkeit des Systems.

Dies wird durch die Erfindung in vorteilhafter Weise vermieden, da durch die beanspruchte drehzahlabhängige Begrenzung sichergestellt ist, dass im unteren Drehzahlbereich keine Übersteuerung des Stromrichters auftritt. Damit werden Stromoberschwingungen verhindert und die Strecke bleibt voll regelbar.

Vorzugsweise verfügt die Begrenzerschaltung über zwei Betriebsbereiche mit einem stetigen Übergang. Um die volle Funktion des Regelungsprinzips zu erhalten, wird im Übergangsbereich eine leichte Übersteuerung zugelassen.

Zeichnung

Die beiliegenden Figuren dienen der beispielhaften Erläuterung der Erfindung. Die Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer herkömmlichen feldorientierten Stromregelung einer PM-Synchronmaschine. Die Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen feldorientierten Stromregelung einer PM-Synchronmaschine. Die Fig. 3 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Begrenzung des maximalen Aussteuergrades des Pulswechselrichters in Abhängigkeit von der Drehzahl.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen feldorientierten Stromregelung einer PM-Synchronmaschine 8.
Bei dieser Regelung werden die aus dem 3-Phasen- Drehstrdmsystem der PM-Maschine abgeleiteten Phasenströme ia, ib, ic in einem Park-Transformator 13 in die Ströme id_ist und iq_ist eines rechtwinkligen Koordinatensystems umgewandelt. Der Strom id_ist stellt dabei den Istwert für den Längsstrom der Maschine dar. Der Strom iq_ist bezeichnet den Istwert für den Querstrom der Maschine.
Der Längsstrom-Istwert Id_ist wird über ein Überlagerungsglied 12 einem Längsstromregler 1 zugeführt, der Querstrom-Istwert Iq_ist als Istwert einem Querstromregler 2. Das Überlagerungsglied 12 erhält als weiteres Eingangssignal ein Rückkopplungssignal, welches aus der Ausgangsgröße ug' eines stationären Entkopplungsnetzwerks 5 erhalten wird. Das stationäre Entkopplungsnetzwerk 5 erfüllt neben der für die Regelung wichtigen Entkopplung auch noch die Aufgabe, in Zusammenarbeit mit den Ausgangsbegrenzern 3 und 4 und einem Anti-Windup-Verfahren am Längsstromregler 1 eine Feldschwächung im oberen Drehzahlbereich zu erzielen. Diese Feldschwächung der PM- Synchronmaschine bei höheren Drehzahlen ist erforderlich, weil sonst die induzierte Maschinenspannung größer wäre als die maximale Stromrichterausgangsspannung. Letztere ist durch die Versorgungsspannung, bei der es sich um die Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs handelt, begrenzt.
Dem Sollwerteingang des Längsstromreglers 1 wird ein von einem Längsstrom-Sollwertgeber 9 generiertes Sollwertsignal und dem Sollwerteingang des Querstromreglers 2 ein von einem Querstrom-Sollwertgeber 14 generiertes Sollwertsignal zugeführt.
Am Ausgang des Längsstromreglers 1 wird eine Stellgröße Id* für den Längsstrom und am Ausgang des Querstromreglers 2 eine Stellgröße Iq* für den Querstrom zur Verfügung gestellt. Diese Stellgrößen werden dem stationären Entkopplungsnetzwerk 5 zugeführt, welches unter Verwendung der genannten Stellgrößen eine Längsspannungskomponente ud' und eine Querspannungskomponente uq' für die Regelspannung der PM-Synchronmaschine ermittelt.
Diese Regelspannungskomponenten ud' und uq', bei denen es sich um Regelspannungskomponenten im rechtwinkeligen Koordinatensystem handelt, werden über die Ausgangsbegrenzer 3 bzw. 4 einem drehzahlabhängigen Begrenzer 15 zugeführt. Dessen Aufgabe besteht darin zu verhindern, dass im unteren Drehzahlbereich eine Übersteuerung des Stromrichters auftritt.
Grundsätzlich kann in der Nähe der Leistungsgrenzen der PM-Synchronmaschine die geometrische Summe

u = (ud*² + ug*²)exp(1/2)

auch im unteren Drehzahlbereich, also unterhalb des Feldschwächbetriebes bzw. im linearen Betriebsbereich, größer als die maximale Stromrichterausgangsspannung werden.
Dies wird mittels des drehzahlabhängigen Begrenzers 15 verhindert.
Der Begrenzer 15 weist zwei Betriebsbereiche mit einem stetigen Übergang auf.
Der erste Betriebsbereich des Begrenzers 15 ist der untere Drehzahlbereich, in welchem die Drehzahl n kleiner als ein vorgegebener Drehzahlschwellenwert n_Schwelle ist. In diesem ersten Betriebsbereich darf der Stromrichter nicht übersteuert werden. Wird in diesem ersten Betriebsbereich die geometrische Summe u größer als die maximale Stromrichterausgangsspannung, dann erfolgt die Regelung derart, dass durch eine Verkleinerung der Teilkomponenten ud* und uq* erreicht wird, dass die geometrische Summe der Längskomponente ud der Regelspannung und der Querkomponente uq der Regelspannung gleich der maximalen Stromrichterausgangsspannung ist.
Der zweite Betriebsbereich des Begrenzers 15 ist der obere Drehzahlbereich, in welchem die Drehzahl n größer ist als der vorgegebene Drehzahlschwellenwert n_Schwelle. In diesem Betriebsbereich erfolgt eine Feldschwächung. Der Stromrichter wird übersteuert betrieben. Die Begrenzung im Begrenzer 15 ist unwirksam. Die an den Eingang des Begrenzers 15 angelegten Spannungskomponenten ud* und uq* werden in ihrer Größe unverändert als Längsspannungskomponente ud und Querspannungskomponente uq der Regelspannung am Ausgang des Begrenzers 15 zur Verfügung gestellt.
Die im Begrenzer 15 erfolgende drehzahlabhängige Begrenzung wird gemäß folgender Beziehungen realisiert:

wobei

auf den Bereich von 0 bis 1 begrenzt und wobei k ≥ 2 ist.
Wie aus diesen Angaben ersichtlich ist, arbeitet der Begrenzer 15 in Abhängigkeit von der Ist-Drehzahl, einem vorgegebenen Drehzahlschwellenwert und der Batteriespannung.
Wie aus den vorherigen Angaben weiterhin ersichtlich ist, sind die obigen Beziehungen nur auf Maschinendrehzahlen n anzuwenden, die kleiner sind als der vorgegebene Schwellenwert n_Schwelle.
Die Fig. 3 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Begrenzung des maximalen Aussteuergrades bzw. des Übersteuerungsgrades g in Abhängigkeit von der Drehzahl n. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, dass für niedrige Drehzahlen der maximale Aussteuergrad auf Werte im Bereich g ≍ 1 begrenzt wird. Für eine Drehzahl von 500 Umdrehungen pro Minute wird ein maximaler Aussteuergrad g ≍ 2 zugelassen, für eine Drehzahl von 600 Umdrehungen pro Minute ein maximaler Aussteuergrad g ≍ 3 und für eine Drehzahl von 700 Umdrehungen pro Minute ein maximaler Aussteuergrad g ≍ 5.
Der in den obigen Beziehungen angegebene Wert k sollte größer oder gleich 2 sein. Je größer k ist, desto stärker ist der Knick in der in Fig. 3 gezeigten Kurve ausgebildet. Vorzugsweise wird k = 3 verwendet. Bezugszeichenliste 1 Längsstromregler
2 Querstromregler
3 Begrenzer
4 Begrenzer
5 Entkopplungsnetzwerk
6 Inverser Park-Transformator
7 Pulswechselrichter
8 PM-Synchronmaschine
9 Längsstrom-Sollwertgeber
10 Betragsbildner
11 Schwellwertschalter
12 Überlagerungsglied
13 Park-Transformator
14 Querstrom-Sollwertgeber
15 drehzahlabhängiger Begrenzer
g Übersteuerungsgrad
ia, ib, ic Phasenströme aus dem 3-Phasen-Drehstromsystem
Id_ist Längsstrom-Istwert
Id_soll Längsstrom-Sollwert
Iq_ist Querstrom-Istwert
Iq_soll Querstrom-Sollwert
Id* Stellgröße für den Längsstrom
Iq* Stellgröße für den Querstrom
n Drehzahl
n_Schwelle Drehzahlschwellenwert
ua, ub, uc Regelspannungen für das 3-Phasen-Drehstromsystem
uB Batteriespannung
ud, ud' Längskomponenten der Regelspannung
uq, uq' Querkomponenten der Regelspannung
u geometrische Summe von Spannungswerten

Claims

1. Verfahren zur feldorientierten Regelung einer permanentmagneterregten Synchronmaschine mit folgenden Verfahrensschritten:

- Durchführen einer Regelung des Längsstroms zum Erhalt einer Stellgröße für den Längsstrom,

- Durchführen einer Regelung des Querstroms zum Erhalt einer Stellgröße für den Querstrom,

- Zuführen der erhaltenen Stellgrößen für den Längsstrom und den Querstrom an ein stationäres Entkopplungsnetzwerk,

- Ermittlung einer Längsspannungskomponente und einer Querspannungskomponente im Entkopplungsnetzwerk,

- Umwandeln der ermittelten Längsspannungskomponente und der ermittelten Querspannungskomponente in Spannungen eines Mehrphasen-Drehstromsystems mittels eines Transformators,

- Zuführen der Spannungen des Mehrphasen-Drehstromsystems an einen Pulswechselrichter und

- Regelung der Synchronmaschine durch die Ausgangssignale des Pulswechselrichters,

gekennzeichnet durch folgenden weiteren Verfahrensschritt:

- Durchführen einer drehzahlabhängigen Begrenzung der im Entkopplungsnetzwerk ermittelten Spannungskomponenten zwischen dem Entkopplungsnetzwerk und dem Transformator.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die drehzahlabhängige Begrenzung bei niedrigen Drehzahlen vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die drehzahlabhängige Begrenzung dann vorgenommen wird, wenn die Drehzahl kleiner ist als ein vorgegebener Drehzahlschwellenwert.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drehzahlabhängige Begrenzung dann vorgenommen wird, wenn die geometrische Summe der ermittelten Längsspannungskomponente und der ermittelten Querspannungskomponente größer als die maximale Stromrichterausgangsspannung ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die drehzahlabhängige Begrenzung dadurch erfolgt, dass die ermittelte Längsspannungskomponente und/oder die ermittelte Querspannungskomponente verkleinert wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der drehzahlabhängigen Begrenzung die Batteriespannung als Parameter berücksichtigt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die drehzahlabhängige Begrenzung folgende Beziehung verwendet wird:

wobei k ≥ 2 und

auf den Bereich von 0 bis 1 begrenzt ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die drehzahlabhängige Begrenzung folgende Beziehung verwendet wird:

wobei k ≥ 2 und
wobei

auf den Bereich von 0 bis 1 begrenzt ist.

9. Vorrichtung zur feldorientierten Regelung einer permanentmagneterregten Synchronmaschine mit

- einem Längsstromregler (1), der an seinem Ausgang eine Stellgröße (Id*) für den Längsstrom zur Verfügung stellt,

- einem Querstromregler (2), der an seinem Ausgang eine Stellgröße (Iq*) für den Querstrom zur Verfügung stellt,

- einem stationären Entkopplungsnetzwerk (5), welches an den Ausgang des Längsstromreglers (1) und den Ausgang des Querstromreglers (2) angeschlossen ist und zur Ermittlung einer Längsspannungskomponente und einer Querspannungskomponente der Regelspannung vorgesehen ist,

- einem Transformator (6) zur Umwandlung der Längsspannungskomponente und der Querspannungskomponente in Spannungen eines Mehrphasen-Drehstromsystems,

- einem an den Transformator angeschlossenen Pulswechselrichter (7), der an seinem Ausgang ein Regelsignal für die Synchronmaschine zur Verfügung stellt,

dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin einen zwischen dem Entkopplungsnetzwerk (5) und dem Transformator (6) angeordneten drehzahlabhängigen Begrenzer (15) aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Begrenzer (15) einen Eingangsanschluss aufweist, über welchen ihm eine Information über die Drehzahl (n) zuführbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Begrenzer (15) dazu vorgesehen ist, die drehzahlabhängige Begrenzung dann vorzunehmen, wenn die Drehzahl kleiner ist als ein vorgegebener Drehzahlschwellenwert.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, dass der Begrenzer (15) dazu vorgesehen ist, die drehzahlabhängige Begrenzung dann vorzunehmen, wenn die geometrische Summe der ermittelten Längsspannungskomponente und der ermittelten Querspannungskomponente größer als die maximale Stromrichterausgangsspannung ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9-12, dadurch gekennzeichnet, dass der Begrenzer (15) Mittel zur Verringerung der ermittelten Längsspannungskomponente und/oder der ermittelten Querspannungskomponente aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9-13, dadurch gekennzeichnet, dass der Begrenzer (15) einen Eingangseinschluss aufweist, über welchen ihm eine Information über die Batteriespannung (uB) zuführbar ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Begrenzer (15) dazu vorgesehen ist, die drehzahlabhängige Begrenzung gemäß folgender Beziehung durchzuführen:

wobei k ≥ 2 und

auf den Bereich von 0 bis 1 begrenzt ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Begrenzer (15) dazu vorgesehen ist, die drehzahlabhängige Begrenzung gemäß folgender Beziehung durchzuführen:

wobei k ≥ 2 und

auf den Bereich von 0 bis 1 begrenzt ist.