Es ist daher Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur feldorientierten
Regelung des Startvorgangs einer Elektromaschine zu schaffen, durch
welche es mit geringem Aufwand ermöglicht wird, eine Elektromaschine
mittels feldorientierter Regelung innerhalb einer sehr kurzen Zeit
zu starten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch
die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Ermittlung
des Statorwiderstandes bzw. des Widerstandes des den Stator umfassenden
Primärkreises
kann der nachfolgende Schritt, nämlich
die Ermittlung der Winkellage des Rotors, vorteilhafterweise mit
einem sehr viel einfacheren Berechnungs- bzw. Regelungsalgoritmus
durchgeführt werden,
da die bekannte Größe des zuvor
ermittelten Statorwiderstandes in die Berechnung einfließen kann. Auf diese
Weise ist es möglich,
innerhalb einer sehr kurzen Zeit die Winkellage des Rotors zu ermitteln
und die Elektromaschine zu starten.
Dadurch, dass erfindungsgemäß nach dem
Starten der Elektromaschine die Winkellage des Rotors relativ zu
dem Stator überwacht
wird, kann die Elektromaschine außerdem innerhalb sehr kurzer
Zeit auf eine Drehzahl von 1500/min beschleunigt werden, so dass
es in insgesamt ca. 300 – 350
ms möglich
ist, mit Hilfe der Elektromaschine als Startergenerator die Brennkraftmaschine
zu starten.
Das erfindungsgemäße Regelungsverfahren lässt sich
in besonders vorteilhafter Weise mit einer in Anspruch 5 angegebenen
Vorrichtung ausführen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie
aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten
Ausführungsbeispiel.
Dabei zeigen:
1 eine
schematische Darstellung einer Elektromaschine;
2 ein
elektrisches d,q-Koordinatensystem;
3 einen
Signalflussplan, der die Einrichtung zur Ermittlung des elektrischen
Widerstandes der Statorwicklung darstellt;
4 ein
Diagramm, das den Verlauf des Statorwiderstandes zeigt;
5 einen
Signalflussplan, der die Einrichtung zur Ermittlung der Winkellage
des Rotors relativ zu dem Stator zeigt;
6 ein
Diagramm, das den Verlauf des herausgefilterten Gleichanteils Uq0 zeigt;
7 ein
Diagramm, das den Verlauf der Fehlwinkelinformation zeigt;
8 ein
Diagramm, das den Verlauf der Hysteresekurve der Vormagnetisierung
des Stators zeigt;
9 eine
schematische Darstellung des Zusammenhangs der Fehlorientierung
und der Polradspannung in d-Richtung;
und
10 einen
Signalflussplan, der die Implementierung des Drehzahlbeobachters
während
des Betriebs der Elektromaschine zeigt.
1 zeigt
in schematischer Darstellung eine Elektromaschine 1, welche im vorliegenden
Fall als sogenannter Startergenerator zum Starten einer Brennkraftmaschine 2 eingesetzt
wird. Zu diesem Zweck ist eine Kurbelwelle 3 der Brennkraftmaschine 2 mit
einem Rotor 4 der Elektromaschine 1 gekoppelt. Der Rotor 4 ist in
an sich bekannter Weise innerhalb eines Stators bzw. einer Statorwicklung 5 der
Elektromaschine 1 angeordnet. Im vorliegenden Fall handelt es sich
bei der Elektromaschine 1 um eine Klauenpolsynchronmaschine, wobei
allerdings auch jede andere Bauform in Frage kommen würde.
Im folgenden wird ein Verfahren zur
sogenannten feldorientierten Regelung des Startvorgangs der Elektromaschine 1 beschrieben,
bei welchem auf einen ansonsten erforderlichen Rotorlagesensor verzichtet werden
kann. Ziel dieses Verfahrens ist es, die relative Lage des Rotors 4 zu
dem Stator 5 festzustellen, um die Elektromaschine 1 starten
zu können.
Eine Feldorientierung wird angestrebt, weil dadurch die Elektromaschine
1 zu jedem Zeitpunkt ihr maximales Drehmoment abgibt.
Hierzu ist es allerdings erforderlich,
dass der Statorstromzeiger senkrecht auf dem Rotorstromzeiger steht.
In einem ersten Schritt wird hierzu
der elektrische Widerstand RReg der Statorwicklung 5 bzw.
eines die Statorwicklung 5 umfassenden Primärkreises
ermittelt. Neben dem eigentlichen Widerstand der Statorwicklung 5 umfasst
der Widerstand RReg somit auch den Widerstand
der Leitungen, der Verbindungen und der Batterie, die zusammen den
Primärkreis
bilden, zu der die Statorwicklung 5 gehört.
Das nachfolgend beschriebene Verfahren
zur Ermittlung des Widerstandes RReg ist
dabei unabhängig von
der Anfangslage des Rotors 4. Die Anfangslage des Rotors 4,
welche durch den Transformationswinkel ΔΘ des Statorkoordinationssystems
in das d,q-Koordinationssystem des Rotors ausgedrückt werden
kann, geht über
den Faktor cosΔΘ nämlich auf
jede Spannungskomponente gleichmäßig ein.
In 2 ist dieses Nichteingehen
des Einflusses des Lagewinkels des Rotors 5 eindeutig erkennbar.
In die q-Achse des rotorfesten Koordinatensystems
wird zunächst
ein konstanter Erkennungsstrom Iq Re
g eingespeist.
Daher muss im Stillstand der Elektromaschine 1 die gesamte Stellspannung
Uq Reg in q-Richtung
an dem widerstand RReg abfallen, da weder
ein rotatorischer noch ein induzierter Spannungsabfall existieren
darf. Falls ein falscher Widerstandswert zugrunde gelegt wird, so
muss der fehlende Spannungsanteil über eine Differenzspannung
bereitgestellt werden. Diese Differenzspannung wird über einen
Ausgang eines PI-Regelglieds 6 erzeugt,
welcher im normalen Regelbetrieb die Polradspannung in der q-Achse
liefert. Der Widerstand wird durch das PI-Regelglied 6 so
lange durch entsprechendes Rückspeisen
des zuvor ermittelten Wertes korrigiert, bis die Differenzspannung
zu Null geworden ist.
Zum Nachweis der Verfahrenstauglichkeit
weist die in 3 dargestellte
Schaltung bzw. Einrichtung zur Ermittlung des Widerstandes RR
eg auch noch ein
Verstärkungsglied 7 sowie
ein ideales Verzögerungsglied 8 auf,
da durch das Verstärkungsglied 7 und
das Verzögerungsglied 8 die
Statorwicklung 5 nachgebildet wird. Wenn nun auf die Statorwicklung 5 ein
Spannungssprung in Höhe
der für
einen bestimmten Stromwert erforderlichen Stellspannung gegeben
wird, so nähert
sich der Strom Iq nach den Gesetzmäßigkeiten
des Verzögerungsgliedes 8 erster
Ordnung exponentiell seinem Endwert an. Im vorliegenden Fall ist
das Verzögerungsglied
8 so ausgerichtet, dass der Strom Iq nach
5 ms 63% seines Endwertes erreicht hat.
Der nächste Schritt besteht darin,
die erforderliche Spannung an der Statorwicklung 5 durch
das PI-Regelglied 6 und einer weiteren Spannungskomponente ohne
Verzögerung
und Einbrüche
bereitzustellen. Durch ein Verstärkungsglied
9 und ein weiteres Regelungsglied 10, die ebenfalls in 3 dargestellt sind, wird die
oben beschriebene Schaltung mit dem PI-Regelglied 6 derart ergänzt (bzw.
der Ausgang des PI-Regelglieds 6),
dass der Statorwiderstand RReg so lange
angehoben wird, bis an dem PI-Regelglied 6 keine Stellspannung
mehr herausgegeben wird. In diesem Fall ist die Stellspannung dann
vollständig
durch das Produkt des Statorstroms Iq mit
dem korrigierten Statorwiderstand RReg ersetzt
worden. Mit anderen Worten: Der Statorstrom Iq wird
durch die Regelelemente 6, 7, 9 und 10 derart
zurückgeführt, dass
mit dem immer genauer werdenden Statorwiderstand RRe
g der gesuchte Widerstand ermittelt werden
kann.
In 4 ist
der zeitliche Verlauf des Statorwiderstandes RREG dargestellt,
und es wird deutlich, dass bereits nach ca. 0,1 s bzw. 100 ms der
Statorwiderstand RRe
g so
genau ermittelt worden ist, dass dies für die nachfolgend beschriebenen
Zwekke zur Ermittlung der Lage des Rotors 4 ausreichend
ist. Die beschriebene Ermittlung ist notwendig, da sich der Statorwiderstand
RReg aufgrund von Wärmeeinflüssen und dergleichen verändert und
deshalb nicht als konstant vorausgesetzt werden kann.
Als zweiter Schritt des Verfahrens
wird die Winkellage des Rotors
4 relativ zu dem Stator
5 ermittelt, wie
nachfolgend beschrieben. Wenn zwischen der d-Achse der Regelung
und der d-Achse der realen Elektromaschine 1 eine Fehlorientierung
existiert, so wird bei Einspeisung eines reinen Längsstroms
I
EK in die d-Achse der Regelung in der Elektromaschine
1 sowohl ein Längsstrom
I
d als auch ein Querstrom I
q erzeugt.
Dies führt
zur Entstehung von Spannungen, welche je nach Fehlorientierung ausgewertet
werden können.
Für die beiden
Spannungen U
d Reg und
U
q Reg gelten die
folgenden aus allgemeinen Grundsätzen
der Elektrotechnik hergeleiteten Gleichungen:
wobei
R
1 =
ermittelter Widerstand R
Re
g des
Primärkreises
I
EK = eingespeister Strom
L
d =
Induktivität
d-Achse
L
q = Induktivität q-Achse
ΔΘ = Fehlorientierung
des Rotors
4 gegenüber
dem Stator
5.
Um die relative Position des Rotors
4 endgültig
zu ermitteln, wird die q-Komponente der Regelungsstellspannung,
U
qReg nach Gleichung (B) mit dem Erkennungsstrom
I
EK herangezogen und es wird auf diese Spannung
eine Sinusfunktion der gleichen Frequenz aufmoduliert, um anschließend den
Gleichanteil U
q0 zu ermitteln. Hieraus ergibt
sich folgender Zusammenhang:
UqR
eg · sin(ωEK t) = Uq0 · [1 – cos(2(ωEK t)] (C) wobei
der Gleichanteil U
q0 sich folgendermaßen darstellt:
Der Gleichanteil Uq0,
der die gewünschte
Winkelinformation erhält,
kann nun mit einem in dem Signalflussplan gemäß 5 dargestellten Verzögerungsglied 11 ermittelt werden.
Bei dem Verzögerungsglied
11 handelt es sich um ein Verzögerungsglied
erster Ordnung, also um ein Tiefpassglied. Der Regelkreis nach 5 weist außerdem auch
ein PI-Regelglied 12 auf.
Nach Durchführung einer Laplace-Transformation
zur Abbildung der modulierten Spannung in die Bildebene ergibt sich
aus Gleichung (B) die oben angegebene Gleichung (D):
In 6 ist
der Verlauf des herausgefilterten Gleichanteils Uq0 über der
Zeit dargestellt und es ist zu erkennen, dass sich nach 0,2 s, also
nach 200 ms, dieser Gleichanteil Uq0 so
nah an den tatsächlichen
Wert angenähert
hat, dass dieser Spannungswert ausgewertet und somit die entsprechende
Information über
den Fehlwinkel ΔΘ, dessen
zeitlicher Verlauf in 7 angedeutet
ist, erhalten werden kann.
Aus der oben genannten Gleichung
(B) geht hervor, dass die q-Komponente
Uq Reg der Statorspannung dann
Null wird, wenn der Fehlwinkel ΔΘ 0° oder 180° beträgt. Dies
entspricht dem Sachverhalt, dass zwei senkrecht aufeinanderstehende
Spulen nicht ineinander induzieren. Aus diesem Grund wird dem in 5 dargestellten Signalflussplan
bzw. Regelkreis das Re gelungsziel Uq0 =
0 vorgegeben. Dies entspricht dem Sachverhalt, dass die Größe Uq0, die sowohl im Gleich- als auch im Wechselanteil
vorkommt, über
den Term sinΔΘ eine Funktion
der Fehlorientierung ΔΘ ist. Somit
wird, wenn sinΔΘ = 0, auch
die Funktion Uq Reg · sin (ωEKt) = 0 . Als Ausgangsgröße des Regelkreises wird folglich ΔΘ gewählt und
unmittelbar als Transformationswinkel für die Koordinatentransformation
weiterverwendet, da sich die Elektromaschine 1 im Stillstand befindet.
Mit abnehmender Fehlorientierung ΔΘ strebt
somit die Spannung Uq Reg · sin(ωK
Et) gegen Null.
Nachdem die Sinusfunktion sowohl
für 0° als auch
für 180° zu Null
wird, ist es nach dem Ermitteln des Fehlwinkels ΔΘ bzw. nachdem die Spannung
U
q R
eg · sin (ω
EKt) gleich Null ist noch erforderlich, festzustellen, ob
der Rotor
4 parallel oder antiparallel, also unter einem
Winkel von 0° oder
einem Winkel von 180° zur
tatsächlichen
d-Achse der Elektromaschine 1 angeordnet ist. Da aus oben genannten
Gründen
gilt U
q Reg = 0, besteht
nur noch die Möglichkeit,
die d-Komponente der Regelungsspannung aus der Gleichung (A) auszuwerten.
Wird in die Gleichung (A) die Bedingung für die korrekte, relative Nulllage
des Rotors
4 eingesetzt, so ergibt sich ein Term, welcher
dem einer Spule mit einem Ohmschen Widerstand entspricht:
Somit kann die Richtungsinformation
der absoluten Lage des Rotors 4 nur noch in der sättigungsabhängigen Induktivität Ld liegen.
Aufgrund der Tatsache, dass wenn der Rotor 4 parallel zu der d-Achse
der Elektromaschine 1 orientiert ist, der Stator 5 in positiver
Richtung der Sättigungskennlinie
vormagnetisiert wird und bei entgegengesetzt ausgerichtetem Rotor
4 der Stator 5 in negativer Richtung vormagnetisiert wird, ist es
erforderlich, zu ermitteln, ob die Sättigungskennlinie des Stators
5 beim Einspeisen eines entsprechenden Stroms im po sitiven oder
im negativen Ast des Diagramms gemäß
8 durchlaufen wird. Die hierzu dienende
Gleichung lautet:
wobei L(I) = L
0) die absolute Induktivität im jeweiligen
Arbeitspunkt ist.
Das Vorzeichen des Terms
ergibt
die absolute Lage des Zur Auswertung wird wiederum eine Sinusfunktion
der höchst
vorkommenden Frequenz, also 2(ω
EK) auf moduliert, was zu folgender Gleichung
führt:
Ud Reg · sin(2ωEK t) = Ud0 + Ud1 · (sin(ωEK t) + sin(3 ωEK t))
+ Ud2 · cos(ωEK t) + Ud3 · cos(3 ωEK t) + Ud4 · cos(4 ωEK t) (H) Wiederum wird zur Filterung des Gleichanteils
Udo ein Verzögerungsglied
erster Ordnung eingesetzt. Zum Beweis, dass dies ausreichend ist,
wird das Laplace'sche
Endwerttheorem auf die aufmodulierte Spannung nach der obigen Gleichung
angewendet, woraus folgt:
Nachdem die Winkellage des Rotors 4 gegenüber dem
Stator 5 ermittelt worden ist, kann die Elektromaschine
1 in an sich bekannter Weise gestartet werden. Dieses Starten der
Elektromaschine 1 bildet den dritten Schritt des hierin beschriebenen
Verfahrens.
Für
den gewünschten
feldorientierten, momentengeregelten Betrieb der Elektromaschine
1 muss der Lagewinkel des Rotors
4 auch nach Erkennung
der Anfangslage desselben ermittelt bzw. überwacht werden, was den vierten
Verfahrensschritt darstellt. Dabei kann von einem vereinfachten
Modell der Elektromaschine 1 ausgegangen werden, bei welchem die
elektrische Winkelgeschwindigkeit nach folgender Gleichung ermittelt
werden kann:
wobei Ψ = Flussverkettung.
Die Korrektur einer fehlerhaften
Rotorwinkelinformation wird hierbei durch die Korrektur der Flussverkettung
durchgeführt,
wobei bei einer Fehlorientierung die Polradspannung auch eine d-Komponente
in dem Regelungskoordinatensystem aufweist. Mit anderen Worten bedeutet
dies, dass die d-Komponente der Spannung Null sein muss, da ansonsten
eine Fehlorientierung des Rotors 4 vorliegt. Liegt eine
solche Fehlorientierung vor, so kann das Statordrehfeld des Statos 5 in
an sich bekannter Weise nachgeführt
werden. Es handelt sich also um die Nachbildung eines Drehzahlbeobachters,
der die Winkelgeschwindigkeit des Drehfeldes feststellt.
In 9 ist
der Zusammenhang der Fehlorientierung und der Polradspannung in
d-Richtung dargestellt. Für
dieses Raumzeigerdiagramm gilt die vereinfachende Annahme, dass
der Statorwiderstand R1 vernachlässigbar
ist. Die physikalischen Spannungszeiger U1,
UP, XgI1 in
der Maschine verändern
während
der Betrachtung ihre Lage nicht, da die Gesamtdurchlaufzeit eines
Regelungszyklus zum Zeitpunkt des Anfahrens wesentlich schneller
ist als die Drehfeldgeschwindigkeit. Man kann also von einem eingefrorenen
Zustand ausgehen.
Ausgangspunkt der weiteren Betrachtung
ist der Startzeitpunkt t0. Die vorgegebene
Flussverkettung ΨReg0 ist dabei zu groß, so dass die berechnete Winkelgeschwindigkeit ω0 zu klein wird. Da die Rotorlage aus der
Integration der Winkelgeschwindigkeit gewonnen wird, ist demnach
auch die berechnete Rotorlage kleiner als die tatsächliche
Rotorlage. Zum darauffolgenden Zeitpunkt t1 ist
daher eine Fehlorientierung ΔΘ1 vorhanden, welche für das Entstehen einer d-Komponente
in der Polradspannung UP der Regelung verantwortlich
ist. Aufgrund dieser d-Komponente UPd der
Polradspannung wird nun die Flussverkettung weiter reduziert auf ΨR
eg 1 = ΨReg 0 – ΔΨ1. Die jetzt ermittelte Winkelgeschwindigkeit ω1 wird dadurch größer als die zuvor berechnete Winkelgeschwindigkeit ω0. Hierdurch wird die neue Fehlorientierung ΔΘ2 kleiner als die vorherige Fehlorientierung ΔΘ1.
In 10 ist
ein Signalflussplan bzw. Regelkreis dargestellt, der die beschriebene
Implementierung des Drehzahlbeobachters während des Betriebs der Elektromaschine
1 zeigt, wobei zwei weitere Regelungsglieder 13 und 14 verwendet
werden.
Die angegebenen Zeiten, nach denen
die Spannungswerte in den einzelnen Verfahrensschritten abgenommen
werden können,
sind gegebenenfalls noch nach unten korrigierbar, so dass das Verfahren
beschleunigt werden kann, wobei selbstverständlich eine kürzere Auswertezeit
auch eine größere Meßungenauigkeit
zur Folge hat.
Nachdem die Elektromaschine 1 eine
bestimmte Drehzahl erreicht hat und die Brennkraftmaschine 2 auf
die entsprechende Drehzahl hochgeschleppt wurde, kann die Brennkraftmaschine
2 in an sich bekannter Weise gestartet werden.
Die vorangegangenen Ausführungen
betrafen lediglich die Startphase der Elektromaschine 1 und das damit
verbundene Anlassen der Brennkraftmaschine 2, gegebenenfalls auch
im Start-Stop-Betrieb derselben. In bekannter Weise kann während des
Betriebs der Brennkraftmaschine 2 die Elektromaschine 1 jedoch als Generator
wirken und eine nicht dargestellte Batterie aufladen.
Um diesen Generatorbetrieb ebenfalls
feldorientiert ausführen
zu können,
ist wiederum die Information über
die Lage des Rotors 4 erforderlich. Gegenüber dem Fall des Stillstandes
im Motorbetrieb besteht jedoch ein vereinfachender Vorteil: Im Generatorbetrieb
wird die Rotorwelle durch die Brennkraftmaschine 2 angetrieben,
so dass der Rotor 4 bereits eine Drehzahl hat. Daher ist es lediglich
erforderlich, die Drehzahl der als Generator arbeitenden Elektromaschine
1 genau zu erfassen bzw. rekonstruieren zu können, da der zurückgelegte
Rotorwinkel durch Integration der Geschwindigkeit gewonnen werden
kann. Dies wird wieder durch den bereits oben beschriebenen Drehzahlbeobachter
erreicht.
Da das Rotordrehfeld und das Statordrehfeld
die gleiche Geschwindigkeit haben, kann sich das Rotordrehfeld in
die Richtung des Statordrehfelds nach dem Prinzip einer Kompassnadel
im Erdmagnetfeld orientieren, was ein an sich bekannter Effekt ist.
Durch die geringe Rotormasse erfolgt die Synchronisation innerhalb
von weniger als 100 ms.
Durch die beschriebene Betriebsweise
ist es möglich,
eine solche Elektromaschine 1 als Startergenerator bei unveränderter
Wicklung mit einem optimalen Wirkungsgrad bei kleineren Drehzahlen
der Brennkraftmaschine 2 als die einer herkömmlichen Lichtmaschine zu betreiben.
Charakterisiert wird diese Eigenschaft durch die sogenannte Einsatzdrehzahl
bzw. Mindestdrehzahl, ab der der Generator arbeitet. Diese kann
durch das vorliegende Verfahren von ca. 1500 U/min auf ca. 900 U/min
abgesenkt werden.
