DE10317207A1

DE10317207A1 - Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE10317207A1
Application number: DE10317207A
Authority: DE
Inventors: Manfred Ackermann; Klaus Rechberger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-04-18
Filing date: 2003-04-15
Publication date: 2003-10-30

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine, insbesondere eine Synchronmaschine im Motorbetrieb mittels einer zugeordneten Umrichterbrücke, die zwischen der elektrischen Maschine und einer Batterie angeordnet ist. Die Umrichterbrücke wird durch Blocktaktung so gesteuert, dass die Schaltzeitpunkte von der Rotorlage und von der Drehzahl bestimmt werden. Mittels drehzahlabhängiger Schaltwinkelnachführung und/oder drehzahlabhängiger Erregerstromreduktion werden Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien erhalten, die gegenüber herkömmlichen Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien besonders im oberen Drehzahlbereich erhöht und damit verbessert sind. Die für die Steuerung bzw. Regelung benötigten Zusammenhänge sind z. B. in Tabellenform im Speicher einer Steuereinrichtung abgelegt, damit ist keine weitere Istwerterfassung zusätzlich zur Winkellage- und Drehzahlerfassung des Ankers der elektrischen Maschine erforderlich.

Description

Stand der Technik

Ein riemengetriebener Startergenerator wird vorzugsweise mit einer Klauenpolmaschine (KPM) ausgeführt und umfasst in bekannter Weise Statorwicklungen und eine Erregerwicklung, durch die der mittels eines zugeordneten Spannungsreglers veränderbare Erregerstrom fließt. Die als Synchronmaschine betriebene elektrische Maschine bzw. der Startergenerator wird mittels Stromrichter bzw. Wechselrichter (WR) so angesteuert, dass ein Motorbetrieb möglich ist, und somit der Start eines Verbrennungsmotors ermöglicht wird. Die im Motorbetrieb benötigte elektrische Leistung wird von der Fahrzeugbatterie bereitgestellt. Das mechanische Übersetzungsverhältnis des Riementriebs zwischen Verbrennungsmotor und Klauenpolmaschine ist im Bereich 2,5-3. Fig. 1 zeigt ein Beispiel für den prinzipiellen Aufbau eines riemengetriebenen Startergenerators (RSG). Im Generatorbetrieb wird der Stromrichter bzw. Wechselrichter oder ein zweiter parallel geschalteter Stromrichter als einfacher Gleichrichter betrieben. Der Stromrichter umfasst üblicherweise eine Brückenschaltung mit sechs Brückenelementen bzw. steuerbaren Ventilen, beispielsweise Bipolar-Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren (MOSFETs) oder sonstigen Halbleiterschaltern und liegt zwischen der Fahrzeugbatterie und dem Startergenerator.
Nun wird ein intern bekanntes Steuerverfahren für eine stromrichtergespeiste Synchronmaschine (Klauenpolmaschine) vorgestellt. Die Maschine wird dabei nach dem sogenannten BLDC-Steuerverfahren (BrushLessDirectCurrent) gesteuert, indem mittels einer Ansteuereinrichtung, die von einem Inkremental-Lagegebersystem erhaltene Information über die Winkellage der elektrischen Maschine bereitgestellt wird. Über eine Logik werden dann direkt die Halbbrückenmodule eines zwischen der elektrischen Maschine und der Fahrzeugbatterie liegenden Wechselrichters angesteuert. Diese Schaltung bzw. Ansteuereinrichtung ist sehr einfach realisierbar.
Die Nachteile dieses Aufbaus bestehen darin, dass einerseits der Einschaltwinkel eines Ventils bzw. MOSFETs nur 120° elektr. beträgt, und andererseits zwischen der Polrad- Wicklungsachse und dem Ein- bzw. Ausschaltwinkel eines Halbbrückenzweigs eine fixe Einstellung besteht. Ebenso ist in der vorgestellten bekannten Steuerung der Erregerstrom der Maschine konstant auf maximalem Wert eingestellt.
Der Stromkreis wird so dimensioniert, dass die Summe aller Widerstände im Kreis den Strom auf ein zulässiges Maß beschränken. Sinnvollerweise wird dies durch die Ausführungsform (Windungszahl) der Statorwicklung an die jeweiligen Gegebenheiten angepasst, wobei der Gesamtwiderstand gleich der Summe aus Batterieinnenwiderstand, Kontaktwiderstände, Zuleitungswiderstände, Widerstand der Halbleiter und Wicklungswiderstand ist.
Um einen Verbrennungsmotor in sehr kurzer Zeit starten zu können, ist es erforderlich, den Verbrennungsmotor in der Startphase bis zu möglichst hohen Drehzahlen mit Antriebsleistung über den Starter (integrierter Startergenerator, riemengetriebener Startergenerator) zu unterstützen. Bei einer fixen Winkelbeziehung zwischen Stator- Spannungsraumzeiger und Rotorlage über den gesamten Drehzahlbereich ist dies nicht möglich, da die Synchronmaschine mit zunehmender Drehzahl eine Gegenspannung gegen die eingeprägte Spannung aufbaut. Dies führt dazu, dass das Drehmoment bei höheren Drehzahlen stark zurückgeht und die Maschine ab einer bestimmten Drehzahl generatorisch (= bremsend) arbeitet. Eine Drehmoment-Drehzahlkennlinie für eine Klauenpolmaschine, die nach diesem Steuerverfahren betrieben wird, ist in Fig. 2 dargestellt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung einen elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine einfach realisierbare Steuerung vorliegt, mit erheblich verbesserter Drehmoment-Drehzahlcharakteristik. Die Drehmoment Drehzahlcharakteristik wird in vorteilhafter Weise erheblich verbessert, dies führt dazu, dass ein höheres Drehmoment über einen vergrößerten Drehzahlbereich erhalten wird. Erzielt wird dieser Vorteil durch ein Steuerverfahren, das je nach Art der Lageerfassung unter Benutzung eines Mikrocontrollers oder eines Logikschaltwerks, oder Komparatoren etc. arbeitet.
Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt. Dabei ist von besonderem Vorteil, dass kürzere Hochlaufzeiten des riemengetriebenen Startergenerators RSG erhalten werden, die es erlauben, eine komfortable Start-Stopp-Funktion mit dem RSG zu erhalten.
Es ist vorteilhaft, die Winkelnachführung in jedem Fall zu verwenden und eine Erregerstromreduktion optional dazu zu realisieren. Damit ergibt sich ein flexibler Aufbau des gesamten Steuersystems bzw. der eingesetzten Steuerverfahren.
Im Start-Fall ist die Umsetzung der verbesserten Momenten-Charakteristik mit höheren Strömen gegeben, da für die kurze Start-Zeit keine thermischen Probleme zu erwarten sind. Die Verbesserung der Kennlinie bei höheren Drehzahlen verbessert in vorteilhafter Weise zusätzlich die Hochlauf-Unterstützung bei Start-Stopp-Betrieb.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der Beschreibung näher erläutert.
Im Einzelnen zeigt Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines bekannten riemengetriebenen Startergenerators (RSG), für den das erfindungsgemäße Steuerverfahren durchführbar ist. In Fig. 2 ist eine Drehmomentkennlinie eines riemengetriebenen Startergenerators (RSG) als Drehmoment über der Drehzahl aufgetragen. In Fig. 3 ist eine optimierte Schalt-Winkel-Nachführung über der Drehzahl aufgetragen und Fig. 4 zeigt Drehzahl- Drehmoment-Kennlinien bei erfindungsgemäßen Steuerverfahren. In Fig. 5 ist ein Blockdiagramm für eine erfindungsgemäße Steuerung eines riemengetriebenen Startergenerators angegeben.

Beschreibung

Den starken Drehmomenteinbußen bei zunehmender Drehzahl, die bei herkömmlich gesteuerten geregelten Synchronmaschinen auftreten, kann durch spezielle Steuerverfahren entgegengewirkt werden. Als Ausführungsbeispiele der Erfindung werden hier zwei Verfahren vorgestellt, die wahlweise kombiniert oder separat eingesetzt werden können. Zusätzlich kann der Einschaltwinkel der Halbleiterschalter der Wechselrichterbrücke durch geeignete Maßnahmen von 120° auf 180° elektrisch pro Grundwellenperiode erhöht werden.
Die beiden Maßnahmen sind:

1. drehzahlabhängige Schaltwinkelnachführung
2. drehzahlabhängige Erregerstromreduktion

Zu 1. drehzahlabhängige Schaltwinkelnachführung:
Der induktive Widerstand der Klauenpolmaschine (KPM) steigt mit zunehmender Drehzahl bzw. steigender Frequenz. Daher muss bei steigender Drehzahl der Winkel zwischen dem Stator-Spannungsraumzeiger und der Rotorlage verändert werden, um den maximal möglichen Strom in die Maschine einprägen zu können, und damit das maximal mögliche Drehmoment zu erzielen. Durch eine Analyse des physikalischen Verhaltens der Maschine kann gezeigt werden, dass der Winkel mit zunehmender Drehzahl ausgehend von Null Grad in Motor-Drehrichtung bzw. Voreilung gedreht werden muss. Eine optimierte Schalt-Winkel-Nachführung in Abhängigkeit von der Drehzahl zeigt Fig. 3. Dieser Zusammenhang zwischen Drehzahl und Winkel kann für die Realisierung des Steuerungsalgorithmus in einer Tabelle der Steuereinrichtung für den RSG abgelegt werden. Die Steuereinrichtung umfasst in üblicher Weise einen Mikroprozessor, Speicher und Ansteuermittel, die die Ventile bzw. Transistoren bzw. Halbleiterschalter des Wechselrichters so ansteuern, dass das erfindungsgemäße Steuerverfahren erhalten wird. Der Zusammenhang zwischen Winkelnachführung und Drehzahl kann stetig oder diskret über mehrere Stufen realisier werden, je nach Anforderung an den Drehmomentverlauf der elektrischen Maschine und beispielsweise in einer Tabelle abgespeichert sein.
Zu 2. drehzahlabhängige Erregerstromreduktion:
Mit zunehmender Drehzahl wird der Einfluss der von der Maschine induzierten Gegenspannung gegenüber der angelegten Wechselrichter-Spannung immer stärker. Es ist daher sinnvoll, den Erregerstrom ab einer bestimmten Drehzahl zu reduzieren, um diese induzierte Gegenspannung auch zu reduzieren. Damit gelingt es über einen größeren Drehzahlbereich drehmomentenbildenden Strom einzuprägen, und somit die Maschine besser auszunutzen. Der Zusammenhang zwischen der Drehzahl der elektrischen Maschine bzw. des RSG und dem Erregerstrom kann für die Realisierung des Steueralgorithmus in einer Tabelle in der Steuereinrichtung abgelegt werden und stetig oder diskret über mehrere Stufen realisiert werden.
Zusammenfassung der Auswirkungen nach Verfahren 1 oder 2:
Ausgehend von der aus dem Stand der Technik bekannten Drehmoment-Kennlinie nach Fig. 2, bei der gilt, dass der Erregerstrom stets maximal ist und die Schaltwinkel konstant sind, mit 120°-Spannungsblöcken sind die Ergebnisse der beiden Verbesserungsvarianten bzw. Ausführungsformen der Erfindung in Fig. 4 dargestellt, wobei Fig. 4 verschiedene Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien bei unterschiedlichen Steuerverfahren angibt. Dabei bedeutet:
A: Stand der Technik, maximaler Erregerstrom, konstanter Schaltwinkel, 120°- Spannungsblöcke.
B: drehzahlabhängige Reduktion des Erregerstroms und Schaltwinkelnachführung nach Fig. 3, 180°-Spannungsblöcke.
C: Konstanter, insbesondere maximaler Erregerstrom und Schaltwinkelnachführung nach Fig. 3, 180°-Spannungsblöcke.
Das Steuerverfahren kann in unterschiedlichster Art realisiert werden, beispielsweise mittels:
Implementierung des Vorganges in einem einfachen Mikrocontroller, Darstellung des Verfahrens in ASICs, vereinfachte Darstellung durch einfache Logikoperationen oder Logikelemente (Und, Oder, . . . Verknüpfungen).
Die für das Steuerverfahren erforderliche Rotorlage bzw. Polradlage kann über einfache Inkrementalgeber, beispielsweise mit einem Zahnrad mit p Zähnen und 3 um 120° versetzte feststehende Sensoren, die das mit dem Anker der Maschine rotierende Zahnrad abtasten oder mittels eines Resolvers ermittelt werden.
Die Gesamtfunktion ist in Fig. 5 als Blockdiagramm für die Steuerung eines riemengetriebenen Startergenerator (RSG) dargestellt, wobei die erfindungsgemäßen Regel- bzw. Steuerverfahren gegebenenfalls mit erforderlichen Abwandlungen für alle geeigneten elektrischen Maschinen durchgeführt werden kann.
Der riemengetriebene Startergenerator RSG ist über einen Wechsel- bzw. Stromrichter WR mit den Anschlüssen einer nicht dargestellten Batterie oder sonstigen Spannungsquelle verbindbar. Die Ansteuerung des Wechsel- bzw. Stromrichters WR erfolgt mittels einer Steuereinrichtung, die die erforderlichen Mikroprozessoren bzw. Speicher usw. umfasst, beispielsweise einer BLDC-Steuerung, die auch noch einen Gate- Treiber umfasst, der die Schaltelemente des Wechselrichters WR schaltet. Der BLCD- Steuerung werden Informationen einer RSG-Lageerfassung zugeführt, insbesondere die jeweilige Rotorlage oder Polradlage. Die RSG-Lageerfassung kann mit bekannten Sensorsystemen durchgeführt werden oder mit sensorreduzierten Systemen oder mit sensorlosen Systemen, wobei in den letzteren Fällen geeignete Schätzverfahren oder Rechenverfahren zur Bestimmung der Polradlage einzusetzen sind.
Aus der Information der RSG-Lageerfassung wird ein einem Block zur Drehzahlberechnung DB die Drehzahl der elektrischen Maschine n berechnet. Aus der Drehzahl n wird im Block zur Winkelnachführung WN die für die jeweilige Drehzahl benötigte Winkelnachführung ermittelt, unter Verwendung eines entsprechenden Kennfeldes. Weiterhin wird die Drehzahl gegebenenfalls in einem Block zur Erregerstromsteuerung Es ausgewertet, zur ermittlung des für die jeweilige Drehzahl optimalen Erregerstromes Ie, der durch die Erregerwicklung EW fließt und für die bestmögliche Erregung der elektrischen Maschine sorgt.
Der RSG, der in bekannter Weise mit einem Verbrennungsmotor in Verbindung steht und mit diesem zusammenwirkt, kann dazu benutzt werden, eine Start-Stopp für den Verbrennungsmotor zu optimieren.
Mit den erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine sind folgende Ergebnisse erreichbar:
Die angegebene Steuerung ist einfach realisierbar, unter Verwendung eines Mikrocontrollers oder eines Logikschaltwerks, oder Komparatoren etc., je nach Art der Lageerfassung. Die Drehmoment Drehzahlcharakteristik wird erheblich verbessert, dies führt insbesondere zu höherem Drehmoment über einen vergrößerten Drehzahlbereich.
Bei Einsatz in Verbindung mit einem riemengetriebenen Generator (RSG) und einem Start-Stopp-System erlauben kürzere Hochlaufzeiten des RSG eine besonders komfortable Start-Stopp-Funktion. Im Start-Fall ist die Umsetzung der verbesserten Momenten-Charakteristik mit höheren Strömen gegeben, da für die kurze Start-Zeit keine thermischen Probleme zu erwarten sind. Die Verbesserung der Kennlinie bei höheren Drehzahlen verbessert in vorteilhafter Weise zusätzlich die Hochlauf-Unterstützung bei Start-Stopp-Betrieb.
Es ist sinnvoll, die Winkelnachführung in jedem Fall zu verwenden, die Erregerstromreduktion kann optional dazu realisiert werden. Damit ergibt sich ein flexibler Aufbau des Gesamtsystems.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine mit einer Wechselrichterbrücke, über die der elektrische Maschine eine Versorgungsspannung zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der Wechselrichterbrücke bei vorgebbaren Schaltwinkeln mittels blockförmiger Ein- und Ausschaltung der Brückenelemente für den Motorbetrieb der erfolgt, mittels einer Steuereinrichtung, die die Ansteuerung abhängig von der ermittelten Polradlage relativ zur Statorwicklung und abhängig von der Drehzahl durchführt, wodurch eine drehzahlabhängige Schaltwinkelnachführung erhalten wird.

2. Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine mit einer Wechselrichterbrücke, über die der elektrische Maschine eine Versorgungsspannung zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der Wechselrichterbrücke bei vorgebbaren Schaltwinkeln mittels blockförmiger Ein- und Ausschaltung der Brückenelemente für den Motorbetrieb erfolgt, mittels einer Steuereinrichtung, die die Ansteuerung abhängig von der ermittelten Polradlage relativ zur Statorwicklung durchführt und die eine drehzahlabhängige Erregerstromreduzierung durchführt.

3. Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die blockförmige Ein- und Ausschaltung mittels 180° Spannungsblöcken realisiert wird.

4. Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine nach Anspruch 1, 2 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenelemente steuerbare Ventile, insbesondere Halbleiter oder Bipolar-Transistoren oder MOS- Feldeffekttransistoren sind.

5. Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung wenigstens über eine Logik verfügt.

6. Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung wenigsten einen Mikroprozessor und Speichermittel zur Speicherung vorgebbarer Kennfelder umfasst.

7. Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenhang zwischen Schaltwinkelnachführung und Drehzahl in einer Tabelle angelegt ist und stetig oder diskret über mehrere Stufen realisiert ist, abhängig von Anforderung an den Drehmomentverlauf der elektrischen Maschine.

8. Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polradlage relativ zur Statorwicklung über eine Lageerfassung mit Lagesensoren, oder über eine Lageerfassung mit sensorlosen oder sensorreduzierten Systemen ermittelt wird und diese Lageerfassung auch zur Drehzahlberechnung herangezogen wird.

9. Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Schaltwinkelnachführung für den Motorbetrieb eine drehzahlvariable Erregerstromsteuerung oder Regelung vorgesehen wird.

10. Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenhang zwischen Erregerstrom und Drehzahl in einer Tabelle abgelegt ist und stetig oder diskret über mehrere Stufen realisiert wird.

11. Vorrichtung zur Steuerung einer elektrischen Maschine dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zur Durchführung eines Verfahrens zur Steuerung einer elektrischen Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.