DE10330425A1

DE10330425A1 - Vektor-orientiertes Regelungssystem für synchrone Maschinen mit Permanent-Magneten unter Verwendung von Parameter-Einstellungstabellen

Info

Publication number: DE10330425A1
Application number: DE10330425A
Authority: DE
Inventors: Zhenxing Ann Arbor Fu
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2002-07-11
Filing date: 2003-07-04
Publication date: 2004-01-29
Also published as: US20040007997A1; GB2390766A; GB0313162D0; FR2843658A1

Abstract

Ein Verfahren zur Realisierung einer Drehmoment-Steuerung für einen Synchronmotor mit Permanent-Magneten wird dargestellt, dabei werden die Betriebsbedingungen des Motors sensorisch erfasst und in einer Wertetabelle verwendet, so dass die entsprechenden Referenzwerte daraus zur Berechnung der Kommandos für den elektrischen Strom aus einem Drehmoment-Kommando entnommen werden können. Eine Wertetabelle zur Steuerung eines Synchronmotors mit Permanent-Magneten wird ebenfalls dargestellt. Die Wertetabelle weist einen Eingang für mindestens eine Referenz-Betriebsbedingung und einen Ausgangs-Wert einer ermittelten Betriebsbedingung für jeden Wert der Referenz-Betriebsbedingungen auf. Eine Methode für die Steuerung der Wertetabelle für einen Synchronmotor mit Permanent-Magneten wird auch angegeben, wobei das Differenzial der Induktivität und eine Kopplung des nicht kompensierten magnetischen Flusses mit Hilfe einer Wertetabelle berechnet und begrenzt werden. Diese Werte werden dann verwendet, um eine geschätzte Induktivität und eine magnetische Fluss-Kopplung zu ermitteln.

Description

Synchrone Maschinen mit Permanent-Magneten werden oft in Anwendungen eingesetzt, wo die Effizienz des Systems, die Größe des Systems, das Verhältnis von Drehmoment und Volumen, und die dynamische Antwortzeit von Bedeutung sind. Diese Kriterien sind besonders für Motoren mit geringer Leistungsaufnahme oder mit großem mechanischem Luftspalt wichtig. Typische Anwendungen von synchronen Maschinen mit Permanent-Magneten, die auch als bürstenlose Sinus-Gleichstrommotoren (BLDC) bekannt sind, in der Automobilindustrie, sind Motoren für elektrische Servolenkung (EPAS), integrierte Starter-Generator-Motoren, (ISA), und Antriebsmotoren für hybride elektrische Fahrzeuge (HEV) und elektrische Fahrzeuge (EV). Synchrone Maschinen mit Permanent-Magneten erfordern typisch eine Spannungsversorgung mit sinusförmigen Wellenformen zur Anregung. Solche Maschinen sind gesteuert mit Hilfe von Vektor-Steuerungstechniken typisch, auch bekannt als vektororientierte Steuerungen, um schnelle dynamische Ansprechzeiten zu erhalten, hohe Effizienz, optimale Spitzenleistungs- oder Drehmoment Charakteristiken, und einen großen Bereich von Betriebs-Geschwindigkeiten zu erreichen.
In Anwendungen unter der Motorhaube von Automobilen, wie zum Beispiel elektrische Servolenkung, integrierter Starter-Generator, hybride elektrische Fahrzeuge oder elektrische Fahrzeuge, reichen die typischen Umgebungstemperaturen während des Betriebs der Fahrzeuge von ungefähr –40 Grad Celsius bis ungefähr 125 Grad Celsius. Insbesondere für Systeme mit integrierten Starter-Generator-Motoren und hybride elektrische Fahrzeuge können die Motor-Betriebstemperaturen sogar ungefähr 200 Grad Celsius erreichen, dies sogar bei erzwungener Flüssigkeitskühlung. Die Anforderung an einen großen Bereich von Betriebstemperaturen haben nachteilige Auswirkungen auf die Leistung der Systeme in integrierten Starter-Generator-Systemen oder hybriden elektrischen Fahrzeugen, da die meisten Vektorsteuerungssysteme mit Hilfe von Regelungen der Motor Ströme mit ungeregelten Drehmoment-Steuerungen aufgebaut sind. Drehmoment Steuerung oder Steuerung der Geschwindigkeit der Maschine wird erreicht, indem die erforderlichen oder angeforderten Drehmomente in Strom-Kommandos unter Nutzung der Motor-Parameter umgewandelt werden, die Steuerungen des Drehmoments sind ungeregelt. Da die Motor-Parameter sehr stark von den Betriebsbedingungen der Maschine abhängen, wie zum Beispiel der Umgebungstemperatur und dem Grad der magnetischen Sättigung, ist ein wesentlicher Anteil von Fehler mit der Umwandlung von Drehmoment-Kommandos in Strom-Kommandos verbunden.
In synchronen Maschinen mit Permanent-Magneten, die zum Beispiel in Anwendungen für integrierte Starter-Generator Systeme, hybride elektrische Fahrzeuge und elektrische Servolenkung verwendet werden, erfordert die Berechnung der Strom-Kommandos aus dem Drehmoment-Kommando die Verwendung des Wertes für die Fluss-Kopplung (bzw. den Wert des magnetischen Flusses im Luftspalt), die durch die Magneten pro Phase erzeugt wird, λ e / PM, und auch der Motor-Induktivität entlang der direkten und der Querachse, L_d und L_q, wie unten in der Gleichung 1 beschrieben:
In der obigen Gleichung hängt die Fluss-Kopplung λ e / PM, die durch den Magneten erzeugt wird, stark von der Betriebs-Temperatur und dem Grad der magnetischen Sättigung der Maschine ab. Außerdem hängt die Induktivität des Motors stark ab vom Grad der magnetischen Sättigung im Eisen, das für die Maschine verwendet wird. Daher entstehen wesentliche Fehler in der Berechnung der Strom-Kommandos und dadurch auch in der Steuerung des Drehmoments, wenn die Fluss-Kopplung und die Motor-Induktivität nicht an die sich dauernd ändernden Betriebsbedingungen der Maschine angeglichen werden. Der gesamte Fehler der Drehmoment Steuerung, gemessen als das angeforderte Drehmoment und verglichen mit dem tatsächlich vom Motor erzeugten Drehmoment, kann plus/minus 20 Prozent überschreiten, wie in der zusammenfassenden Tabelle 1 von Fehlern der Drehmoment-Steuerung dargestellt ist. Tabelle 1 Abschätzung der Fehler der Drehmoment Steuerung für nicht kompensierte vektorgesteuerte Motoren mit Permanent-Magneten

Ein solch hoher Fehler der Drehmoment-Steuerung hat nachteiligen Einfluss auf die Leistung des Gesamtsystems, verringert das Fahrgefühl des Fahrers, und reduziert die Zufriedenheit des Kunden mit dem Fahrzeug. Da die hauptsächliche Quelle der Beiträge zu den hohen Fehlern in der Drehmoment-Steuerung die elektrischen Parameter der Maschine sind, wie zum Beispiel λ e / PM und L_q, sind Verbesserungen in der Bestimmung dieser Parameter erforderlich, die die tatsächlichen Betriebsbedingungen der Maschine berücksichtigen.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Methode zur Erzeugung von Strom-Kommandos für einen Synchronmotor mit Permanent-Magneten vorgestellt, die geeignet ist, eine Drehmoment-Steuerung zu erreichen. Die Betriebstemperatur und die Geschwindigkeit des Motors werden sensorisch erfasst. Eine Wertetabelle bzw. Nachschautabelle für den magnetischen Fluss wird mit Werten verwendet, die zu den erfassten Betriebsbedingungen korrespondieren. Der Wert für den magnetischen Fluss wird aus der Wertetabelle auf Basis der erfassten Betriebstemperatur und der Geschwindigkeit des Motors entnommen. Strom-Kommandos werden als eine Funktion des ermittelten Wertes für den magnetischen Fluss dann berech net.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Methode zur Steuerung eines synchronen Motors mit Permanent-Magneten vorgestellt. Die Betriebsbedingungen des Motors mit Permanent-Magneten werden sensorisch erfasst. Die Werte werden aus mindestens einer Wertetabelle entnommen, die zu den sensorisch erfassten Betriebsbedingungen korrespondiert. Schließlich wird in einer nachfolgenden Iteration ein neues Drehmoment Kommando als eine Funktion der ermittelten Werte bestimmt.
Entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Einrichtung mit Wertetabellen bzw. Wertetabellen vorgestellt, die zur Steuerung eines Synchronmotors mit Permanent-Magneten dient und einen Eingang für mindestens eine referenzierte Betriebsbedingung aufweist und einen Speicher für eine Vielzahl von Werten für jede der besagten referenzierten Betriebsbedingungen hat. Die Einrichtung weist weiterhin mindestens eine (aus den Tabellen) ermittelte Betriebsbedingung auf und einen Ausgangs-Wert, der ermittelten Betriebsbedingung für jeden Wert der referenzierten Betriebsbedingungen.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Methode zur Steuerung eines synchronen Motors mit Permanent-Magneten mit Hilfe einer Wertetabelle bzw. Wertetabelle vorgestellt. Ein Differenzial-Wert der Induktivität wird berechnet und auf Gültigkeit und Grenzwert überprüft. Der Differenzial-Wert der Induktivität wird dann verwendet, um eine Abschätzung der Induktivität zu berechnen. Eine nicht kompensierte Magnetfluss-Kopplung wird ebenfalls berechnet und auf Gültigkeit und Grenzwert überprüft. Die nicht kompensierte Magnetfluss-Kopplung wird verwendet, um eine Magnetfluss-Kopplung zu berechnen.
Andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden klar in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung und der Zeichnung, in dieser zeigen:
1A eine schematische Darstellung einer eindimensionalen Wertetabelle,
1B eine schematische Darstellung einer zweidimensionalen Wertetabelle,
2 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführung der Wertetabelle in der vorliegenden Erfindung,
3 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführung der Steuerungs-Methode der vorliegenden Erfindung; und
4 ein Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführung der Steuerungs-Methode der vorliegenden Erfindung.
Die Einrichtung, die die Ausführung der vorliegenden Erfindung verkörpert, enthält vier generelle Elemente: den Synchronmotor mit Permanent-Magneten, einen Positions-Sensor, eine Leistungselektronik mit Spannungswandler und eine Steuerungseinrichtung. Die Leistungs-Elektronik mit Spannungswandler kann eine Vielzahl von Leistungselektronik-Schaltern und Strom-Sensoren enthalten, einen Kondensator zur Filterung der Gleichstrom-Versorgung, Ansteuerungs-Schaltkreise für die genannten Schalter der Leistungs-Elektronik, einen Kühlkörper, um die Schalter der Leistungs-Elektronik zu kühlen, und ein Gehäuse. Die Steuerungseinrichtung kann eine Anzahl von analogen elektronischen Komponenten auf einer Schaltkreis-Platine enthalten, einen Mikroprozessor oder digitalen Signalprozessor, und eine Anzahl von digitalen elektronischen Komponenten.
In der Nomenklatur der Variablen innerhalb dieser Patentanmeldung werden spezifische Konventionen verwendet. Zum Beispiel bezeichnet eine Vari able, die mit einem Stern "*" gekennzeichnet ist, einen Steuerungs-Wert, in anderen Worten einen Wert für die Variable, die eine Eingangsgröße von einem übergreifenden Fahrzeugsteuerungssystem oder einem anderen internen Prozess repräsentiert. Weiterhin bezeichnet eine Variable, an die ein "^" angehängt ist, einen Wert, der aus einer Wertetabelle abgeleitet ist. Außerdem sind die Werte, die in dieser Anwendung verwendet werden, bevorzugt Vektor-Werte. Deswegen bezeichnet eine Variable, die gefolgt ist vom Subscript "d", den Vektor-Wert in der direkten Achse, der Richtung des Stromflusses. Diese Koordinate des Vektor-Werts ist für die Erzeugung des magnetischen Feldes und des magnetischen Flusses verantwortlich. Eine Variable, die gefolgt ist vom Subscript "q", bezeichnet den Vektor-Wert in der um 90 Grad gedrehten oder senkrechten Achse. Diese Koordinate des Vektor-Wertes ist verantwortlich für die Erzeugung von Drehmoment.
Beispiele von Wertetabellen sind in den 1A und 1B dargestellt. Eine Wertetabelle enthält eine Vielzahl von Referenz-Werten 10. Die Wertetabelle kann einen einzelnen Satz von Referenz-Werten 10 enthalten, wie in 1A dargestellt, oder mehrere Sätze von Referenz-Werten 10 und 10', wie in 1B dargestellt. Jeder Referenz-Wert 10 oder die Kombination von Referenz-Werten 10 und 10' ist mit einem Ausgangs-Wert 12 verknüpft. Der Ausgangs-Wert 12, der mit jedem Referenz-Wert 10 verbunden ist, wird bevorzugt durch Berechnung oder durch Experiment bestimmt, bevor die Wertetabelle bzw. Nachschautabelle erzeugt wird. Der Prozess kann beschleunigt werden, wenn nur erforderlich ist, dass ein Wert durch Suchen an Stelle durch Berechnung ermittelt wird. Zusätzlich sollte die Auflösung, oder die Differenz zwischen aufeinander folgenden Referenz Werten einer Wertetabelle bevorzugt so klein wie möglich sein, um eine große Genauigkeit in den durch Suchen gefundenen Ausgangs-Werten zu begünstigen. Für Werte, die zwischen den Referenz-Werten (oder Stützpunkten) liegen, werden numerische Interpolationen verwendet. Allerdings wird die Auflösung durch den Speicherplatz beschränkt, der für die Wertetabelle verfügbar ist.
2 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführung einer Wertetabelle der vorliegenden Erfindung. In einer bevorzugten Ausführung werden die Werte für die Induktivität Lq, und die magnetische Fluss-Kopplung λ e / PM, aus Wertetabellen, die sich auf Werte für Betriebsbedingungen einschließlich der Motor-Temperatur und dergleichen beziehen und die schwierig direkt zu messen sind, ermittelt. Allerdings sind Werte wie elektrische Ströme, Motor-Geschwindigkeit und Betriebstemperatur des Motors leicht zu messen, und jeder von ihnen beeinflusst den Wert der Kopplung des magnetischen Flusses oder die Induktivität. Zum Beispiel kann eine Wertetabelle für die Kopplung des magnetischen Flusses Werte enthalten, die mit den Kombinationen von Motor-Strom, Motor-Geschwindigkeit und der Motor-Betriebs-Temperatur korrespondieren.
In 2 empfängt ein Absolutwert-Berechner 14, wie er unter Fachleuten bekannt ist, den Wert des Stroms entlang der q-Achse, I_q, als Eingangsgröße, und er gibt den absoluten Wert des Stroms entlang der q-Achse, |I_q| , als Ausgangs-Wert heraus. Der Wert von I_q als Eingangsgröße zum Absolutwert-Berechner 14 wird auf Basis der Ströme im Motor mit Permanent-Magneten und der Winkelstellung des Motors berechnet. Eine Vektorrotations-Transformation wird verwendet, als solche wird im Allgemeinen eine Park-Transformation eingesetzt. Auf Basis von ausgiebigen numerischen Analysen des magnetischen Feldes innerhalb der Maschine und ausgiebigen Testmessungen lässt sich ableiten, dass die Kopplung des magnetischen Flusses und die Induktivität des Motors überwiegend durch den Strom entlang der q-Achse, I_q, beeinflusst sind.
Eine Wertetabelle 16 für die Induktivitäten nimmt als Eingangsgröße den Absolutwert des Stroms entlang der q-Achse, |I_q|, auf und ermittelt einen korrespondierenden Wert für die Differenz der Induktivitäten entlang der d-Achse und der q-Achse, (L_d – L_q)^, eine Größe, die auch bekannt ist als das Differenzial der Induktivität. Die Induktivitäts-Wertetabelle 16 ist wie weiter oben beschrieben strukturiert. Ein Begrenzer 18 verarbeitet dann das Induktivitäts-Differenzial (L_d – L_q)^, und limitiert die Differenz innerhalb eines vorgegebenen Bereichs. Ein Begrenzer 18, wie er unter Fachleuten bekannt ist, bewirkt eine Überprüfung der Plausibilität des Eingangs-Wertes – falls der Eingangswert außerhalb der erwarteten Wertebereichs liegt, stellt der Begrenzer 18 einen Wert innerhalb des Wertebereichs als Ausgangsgröße bereit. Zum Beispiel wäre, wenn der erwartete Wert für den Begrenzer zwischen 0,2 und 0,5 wäre, und 0,8 als Eingangsgröße anläge, der Ausgangs-Wert 0,5, oder der obere Grenzwert des erwarteten Bereiches. Wenn nun 0,4 der Eingangswert wäre, würde der Ausgang bei 0,4 bleiben, da der Wert innerhalb des erwarteten Bereichs liegt. Die ermittelte Induktivität des Motors entlang der q-Achse, L_q^, wird dann durch den Vergleicher 20 ermittelt. Ein Vergleicher bzw. Komparator, wie in Fachkreisen bekannt, empfängt zwei Eingangs-Werte und gibt als Ausgangs-Wert die Differenz zwischen den zwei Eingängen. Hier nimmt der Vergleicher 20 L_d, und das Induktivitäts-Differenzial, (L_d – L_q)^, als Eingang und gibt die Differenz L_q^ als Ausgang.
Inzwischen wird der Wert für die Kopplung des Magnetfeldes λ e / PM über die Wertetabelle für den magnetischen Fluss 22 ermittelt. Dieser Wert ist ein Wert, der nicht tmperatur-kompensiert ist, oder ein Wert bei dem die Einflüsse der Temperatur bei der Bestimmung des Wertes nicht einbezogen sind. Die Wertetabelle für den magnetischen Fluss 22 verwendet auch den absoluten Wert des Stroms entlang der q-Achse, |I_q| , als Eingang, aber diese Wertetabelle gibt als Ausgangswerte die Werte für die Kopplung des magnetischen Flusses λ e / PM. Nachdem ein Wert für die Kopplung des magnetischen Flusses λ e / PM aus der Wertetabelle für den magnetischen Fluss 22 ermittelt worden ist , wird dieser als Eingang in den Begrenzer 24 gegeben, um den Wert innerhalb des erwarteten Wertebereichs zu halten.
Dieser Wert von λ e / PM wird dann in einen Kompensations-Berechner 26 eingegeben, um λ e / PM^ zu ermitteln, den ermittelten Wert des der Kopplung des magnetischen Flusses, der die Motor-Temperatur berücksichtigt. Der magnetische Fluss λ e / PM, die Motor-Geschwindigkeit und die Temperatur des Stators des Motors sind Eingangsgrößen für den Kompensations-Berechner 26, der die ermittelte Fluss-Kopplung λ e / PM^ berechnet. Die Motor-Geschwindigkeit und die Temperatur des Stators des Motors MotorTemp werden bevorzugt mit Hilfe von Sensoren gemessen. Der Sensor für die Geschwindigkeit des Motors 28 ist bevorzugt an dem der Antriebs-Seite gegenüberliegenden Ende des Rotors des Motors mit Permanent-Magneten angebracht. Der Sensor für die Temperatur des Motor-Stators 30 ist bevorzugt am Stator des Motors angebracht, in der Nähe der Anfangs- oder End- Wicklungen des Stators. Diese Platzierung ergibt Vorteile bei der Herstellung des Motors.
3 ist eine schematische Zeichnung, die eine Einrichtung zur Implementierung der bevorzugten Ausführung der Steuerungs- Methode in der vorliegenden Erfindung beschreibt.
In 3 berechnet der Geschwindigkeits-Regler 32 die mechanische Geschwindigkeit des Motors in Umdrehungen pro Minute (RPR), die elektrische Geschwindigkeit in Winkelgraden pro Sekunde, ωr, und das Drehmoment, das erforderlich ist, um ein Geschwindigkeits-Kommando zu erhalten. Das Geschwindigkeits-Kommando, RPM*, ist definiert als die Geschwindigkeit, die durch den Fahrer des Fahrzeugs oder die übergeordnete Steuerung angefordert wird. Geschwindigkeitskommandos können durch konventionelle Methoden gegeben werden, wie zum Beispiel die Position des Fußes des Fahrers auf einem Gaspedal, oder können ein Ergebnis einer eingestellten Geschwindigkeit auf einem Geschwindigkeits-Regel-System sein, oder durch die übergeordnete Steuerung während der Schaltung von Gängen ermittelt werden. Um diese Werte zu berechnen, werden das Geschwindigkeits-Kommando, RPR*, die Motor-Position, 0, und die Spannung des Leistungs-Elektronik-Konverters HBusV, als Eingangsgrößen verwendet. Die Motor-Position Θ wird bevorzugt durch einen Sensor für die Motor-Position 34 ge messen, der am Motor mit Permanent-Magneten lokalisiert ist, noch mehr bevorzugt ist er an der Rotor-Welle des Motors mit Permanent-Magnet lokalisiert. Die Geschwindigkeits-Steuerung des Geschwindigkeits-Reglers 32 wird bevorzugt mit Hilfe eines konventionellen Proportional-Integral-Derivativ-Reglers (PID-Regler) erhalten, wobei der Integrator mit einem Mechanismus gegen das Hängenbleiben ausgestattet ist, wie er in Fachkreisen bekannt ist. Bevorzugt verhindern solche Mechanismen gegen Hängenbleiben, dass Integratoren nach der Sättigung des PID-Reglers hängen bleiben.
Das erforderliche Drehmoment, um das Geschwindigkeits-Kommando zu erhalten, wird dann als ein Eingangssignal auf den Modus-Selektor 36 gegeben. Der Modus-Selektor 36 bestimmt, ob das Gerät im Modus Geschwindigkeits-Steuerung oder Drehmoment-Steuerung läuft, entsprechend der Position eines Modus-Schalters 38. Der Modus-Schalter 38 ist bevorzugt ein digitaler Schalter, der vom Fahrer des Fahrzeugs betätigt werden kann. Die Differenz zwischen den zwei Einstellungen ist der gesteuerte Wert. Der Modus der Geschwindigkeits-Kontrolle kann während der Schaltung von Gängen oder dem Leerlauf der Maschine bevorzugt werden im Fall von hybriden elektrischen Fahrzeugen, während der Modus der Drehmoment-Kontrolle bevorzugt wäre bei den alltäglichen Fahrten und dem Laden der Batterie. Der Modus-Selektor 36 hat als Ausgangs-Signal ein Drehmoment-Kommando. Dieses Drehmoment-Kommando repräsentiert das verlangte Drehmoment, wenn der Modus-Schalter 38 sich im Drehmoment-Kontrollmodus befindet, oder das Drehmoment, das erforderlich ist, um die gewünschte Geschwindigkeit zu erzielen, wenn der Modus-Schalter 38 sich im Modus der Geschwindigkeits-Steuerung befindet.
Der Fluss-Strom-Stratege 40 ist darauf eingerichtet, den magnetisierenden Strom (in der d-Achse), I_ds ^e*, zu berechnen. Der Fluss-Strom-Stratege 40 hat als Eingangsgröße die elektrische Geschwindigkeit des Motors in Winkelgraden/usec (rad/s),ωr, das Drehmoment-Kommando und die Batteriespannung.
Indem eine "maximales Drehmoment pro Ampere" – Strategie für den gesamten Bereich der Betriebsgeschwindigkeit verwendet wird, einschließlich Vorgängen mit konstanter Leistung, wie in Fachkreisen bekannt, kann I_ds ^e* ermittelt werden.
Der Strom-Entkoppler 42 berechnet den erforderlichen Strom in der q-Achse, I_q*, für den Motor, so dass dieser das erforderliche Drehmoment-Kommando, auf Basis von Gleichung 1 wie oben, liefert. Der Strom-Entkoppler 42 nimmt I_ds ^e*, das Drehmoment- Kommando, und die Werte von λ e / PM^ und L_q^, die er aus der Parameter-Wertetabelle 43 erhält, als Eingangsgröße. Gleichung 1 wird angewendet, um als Ausgangsgröße den erforderlichen Strom in der q-Achse zu erhalten, I_q*. Dieses berechnete Kommando für den Strom in der q-Achse, I_q*, wird limitiert durch den Begrenzer 44. Die maximalen Strom- und Spannungs-Bereiche der Leistungs-Elektronik des Motorsystems werden verwendet, um den Bereich zu bestimmen, in dem I_q* durch den Begrenzer 44 gehalten wird. Diese Überprüfung ist erforderlich, wie oben, um zu verhindern, dass das System die Grenzen von Strom und Spannung überschreitet und um sicherzustellen, dass das System stabil arbeitet.
Als nächster Schritt wird der Sensor für die Motor-Position 34 als Eingangsgröße in einen Positions-Konverter 46 verwendet, um die Sinus- und Cosinus-Werte der elektrischen Position des Rotors, sin(Θ) and cos(Θ), zu berechnen. Diese Sinus- und Cosinus-Werte werden in einem Vektor-Rotations-Übersetzer 48 verwendet, um die Motor-Ströme aus der Darstellung in stationären Referenz-Koordinaten in eine Darstellung in synchrone (mitbewegte) Referenz-Koordinaten zu transformieren, und umgekehrt. Bevorzugt verwendet der Vektor-Rotations-Übersetzer einen Park-Transformations-Algorithmus, wie in Fachkreisen bekannt. In der bevorzugten Ausführung von 3 ist der Vektor-Rotations-Übersetzer r eine Park-Transformation. Der Vektor-Rotations-Übersetzer 48 berechnet die d- Achsen- und q-Achsen-Ströme im System der synchronen Referenz-Koordinaten, I_ds ^e und I_qs ^e aus den Motor-Phasenströmen in den stationären Referenz-Koordinaten i_a und i_b, indem er die entsprechenden Sinus- und Cosinus-Werte der elektrischen Position Θ des Rotors verwendet.
Der synchrone Strom-Regler 50 berechnet die Spannungen, die erforderlich sind, um die d-Achsen und q-Achsen- Ströme, I_ds ^e und I_qs ^e entsprechend den Strom-Kommandos, I_ds ^e* und I_qs ^e*, anzusteuern. Als Teil dieser Berechnung berechnet der synchrone Strom-Regler 50 auch die d-Achsen- und q-Achsen-Strom-Regel-Fehler, ΔId and ΔIq. Sie werden intern verwendet in der Berechnung des synchronen Strom-Reglers 50 als Eingangsgrößen für konventionelle PID-Regler, die die Werte von I_ds ^e und I_qs ^e bestimmen. Wie vorhin schon angewendet, werden Mechanismen gegen das Hängenbleiben bevorzugt in diesem PID-Regler verwendet. Zusätzlich werden Vorsteuerungs-Kompensationen („feed forward compensation") bevorzugt verwendet, um die Übertragung von Störsignalen durch das nicht gesteuerte System zu reduzieren und um die Dynamik zu verbessern. Vorsteuerungs-Kompensation verringert den Effekt der Koeffizienten, die im Betrieb eines PID-Reglers verwendet werden und verringern dadurch die Übertragung von Störsignalen. Die erforderlichen synchronen Referenzspannungen, die zur Ansteuerung der Strom-Kommandos für die d- und q-Achsen-Strom-Kommandos erforderlich sind, werden durch Addieren der Ausgänge von PID-Reglern und Spannungs-Vorsteuerungs-Kompensationen erhalten. Nach der Einstellung von geeigneten Spannungs-Grenzen werden die Spannungs-Kommandos in den synchronen Referenz-Koordinaten V_ds ^e* und V_qs ^e* bestimmt.
Ein zweiter Vektor-Rotations-Übersetzer 52 wird dann verwendet, um aus der Darstellung in synchronen Referenz-Koordinaten, die mathematische Seite der vorliegenden Erfindung, zurück in stationäre Referenz-Koordinaten zu übersetzen, die für die physikalische Seite der vorliegenden Erfindung repräsentativ sind. Der Strom-Kommando-Vektor, wie er durch I_ds ^e* und I_q* definiert, ist eine rein mathematische Konstruktion – er hat keine spezifische Bedeutung in der physikalischen Welt. Stattdessen entkoppelt er bloß den Effekt der Motor-Phasen-Ströme entsprechend ihrer Beiträge zum magnetischen Fluss und Drehmoment. Diese Darstellung des Strom-Kommando-Vektors führt zu einer schnellen und effizienten Steuerung des Motors. Andererseits ist die physikalische Ausführung eines synchronen Motors mit Permanent-Magneten ein Multi-Phasen-System. Bevorzugt ist dies ein dreiphasiges System. Die Spannung, die in jeder dieser Phasen benötigt wird, wird durch das Strom-Kommando dargestellt, und sollte bevorzugt berechnet werden, um tatsächlich den gegenwärtigen Kommando-Vektor auf den physikalischen Motor mit Permanent-Magneten anzuwenden.
In einer bevorzugten Ausführung, wie in 3 dargestellt, ist der zweite Vektor-Rotations-Übersetzer 52 eine inverse Park-Transformation. Der zweite Vektor-Rotations-Übersetzer 52 übersetzt die erforderliche Spannung in synchronen mathematischen Referenz-Koordinaten in solche, die in stationären physikalischen Referenz-Koordinaten erforderlich sind. Die erforderlichen Spannungen in stationären Referenz-Koordinaten werden bezeichnet als va*, vb* and vc* in 3.
Die Spannungen, ausgedrückt im stationären Referenz-Koordinaten, stellen die aktuellen Spannungen dar, die an den Motor mit Hilfe der Leistungs-Elektronik angelegt werden sollen, um die Strom-Kommandos zu beeinflussen, und dadurch das Drehmoment-Kommando. Bevorzugt ist die Wellenform der erforderlichen Spannungen sinusförmig, oder ein Wechselstrom. Die erforderlichen sinusförmigen Spannungen werden bevorzugt erzeugt, indem sinusförmige pulsbreiten-modulierte Signale (PWM) an die Steuereingänge der Leistungs-Elektronik angelegt werden. Die Steuereingänge der Leistungs-Elektronik steuern diese so, dass sie sinus-förmige pulsbreitenmodulierte Signale an den Motor übergeben. Ein pulsbreiten-modulierter (PWM) Signal-Generator 54 ist darauf eingerichtet, um die erforderlichen PWM Signale auf Grund der erforderlichen Spannung in stationären Referenz-Koordinaten zu berechnen.
Der PWM-Signalgenerator 54 verwendet eine Raumvektor-Modulations-Technik, um sinusförmige Spannungs-Wellenformen zu synthetisieren, und dabei harmonische Frequenzen der Spannungen zu minimieren und eine verbesserte Nutzung der effektiven Versorgungsspannung zu ermöglichen. Eine solche Raumvektor-Modulationstechnik ist Fachleuten bekannt. Batterie- oder allgemein eine Gleichspannung ist die geeignete Eingangsgröße für den PWM-Signal-Generator, und sie wird für die PWM Signale verwendet. Die individuellen PWM Signale werden an die Steuereingänge übergeben, um das Ein- und Ausschalten der Leistungs-Elektronik zu steuern. Dadurch ist die Leistungs-Elektronik in der Lage, eine gesteuerte elektrische Versorgung mit der richtigen Größe und Frequenz an den Motor mit Permanent-Magneten zu übergeben, und damit die geforderte Größe von Motor-Strom und Drehmoment zu erzeugen.
4 ist ein übersichtliches Flussdiagramm einer Ausführung des Vektor-Steuerungs-Prozesses, der von der bevorzugten Ausführung in 3 oder einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird. Zuerst wird dort ein Drehmoment- oder Geschwindigkeits-Kommando an das System übergeben und durch den Geschwindigkeits-Regler 32 in Schritt 100 verarbeitet. Dieses Drehmoment- oder Geschwindigkeits-Kommando kann ein Kommando sein, das vom Fahrer des Fahrzeugs gegeben wird, oder eines, das von einem Fahrzeug-System, wie dem integrierten Starter-Generator oder dem elektrischen Servolenkungssystem, gefordert wird, um die Leistung des Fahrzeugs zu erbringen. Das Drehmoment- oder Geschwindigkeits-Kommando wird dann durch den Modus-Selektor 36 in Schritt 110 verarbeitet, um ein Kommando für das erforderliche Drehmoment zu erzeugen. Das Kommando für das erforderliche Drehmoment ist der Eingang für den Fluss-Strom-Strategen 40 in Schritt 120, der als Ausgang ein Strom- Kommando herausgibt. Inzwischen werden die Betriebsbedingungen des Motors, wie die Motor-Temperatur, Position und Geschwindigkeit, in Schritt 130 ermittelt, und in eine Parameter-Wertetabelle 43 in Schritt 140 eingegeben. Die ermittelten Werte werden an den Strom-Entkoppler 42 geleitet, wo der Teil des Strom-Kommandos, der sich auf das Drehmoment bezieht, Iq*, in Schritt 150 bestimmt werden kann. Der synchrone Strom-Regler 50 überträgt in Schritt 160 die Stromkommandos in Spannungskommandos. Die Spannung wird in Schritt 170 aus einer zweidimensionalen synchronen Vektor-Darstellung in eine dreiphasige physikalische Darstellung im zweiten Vektor-Rotations-Übersetzer 52 transformiert. Die dreiphasige Darstellung der Spannung wird in Schritt 180 mittels des PWM-Signal-Generators 54 in eine Wechselspannung umgesetzt, bevor sie an den Motor mit Permanent-Magnet angelegt wird. Die Veränderungen in den Betriebsbedingungen des Motors durch das Anlegen des Drehmoment-Kommandos an den Motor mit Permanent-Magnet werden in Schritt 130 und 140 erfasst, und die neuen Bedingungen werden als Eingang für eine nachfolgende Iteration verwendet.
Tabelle 2 stellt nachfolgend die simulierten Fehler der Drehmoment Steuerung dar, die mit Hilfe der hier beschriebenen Steuerungs-Strategie erreicht werden. Es werden signifikante Verbesserungen in der Genauigkeit der Drehmoment-Steuerung erreicht. Tabelle 2 Geschätzte Fehler der Drehmoment-Steuerung für einen Motor mit Permanent-Magnet, der über eine Parameter Wertetabelle Vektor gesteuert ist

Wie in Tabelle 2 dargestellt, können signifikante Verbesserungen in der Genauigkeit der Drehmoment-Steuerung erreicht werden. Die erwarteten Fehler in der Drehmoment-Steuerung für ein Vektor-Steuerungssystem mit Hilfe von Wertetabellen können von ungefähr plus minus 28 Prozent auf weniger als ungefähr +/–12 Prozent verringert werden. Der Fehler kann weiter reduziert werden, wenn mehr Speicher für die Konstruktion der Wertetabellen verfügbar ist, wie weiter oben diskutiert.
Obwohl die hier erläuterte Erfindung in Verbindung mit einer bevorzugten Ausführung beschrieben ist, werden Fachleute erkennen, dass Zusätze, Veränderungen, Modifikationen, und Streichungen, die nicht spezifisch beschrieben sind, gemacht werden können, ohne vom Geist und Geltungsumfang der Erfindung ab zu gehen, wie er in den nachfolgenden Patentansprüchen definiert ist.

Claims

Ein Verfahren zur Steuerung eines synchronen Motors mit Permanent-Magneten mit Hilfe von Wertetabellen weist folgende Verfahrensschritte auf: – Berechnen eines Differenzials der Induktivität; – Begrenzen des Differenzials der Induktivität; und – Berechnen eines geschätzten Wertes der Induktivität auf Basis des Differenzials der Induktivität.
Das Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Berechnens eines Differenzials der Induktivität mit Hilfe einer Wertetabelle (16) für die Induktivität durchgeführt wird.
Das Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Begrenzung des Differenzials der Induktivität durch einen Begrenzer (18) durchgeführt wird.
Das Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Berechnens eines geschätzten Wertes der Induktivität durch einen Subtrahierer durchgeführt wird.
Das Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, das weiterhin die folgenden Schritte aufweist: – Berechnung einer nicht kompensierten Kopplung des magnetischen Flusses; Begrenzung der nicht kompensierten Kopplung des magnetischen Flusses; und – Berechnung einer geschätzten Kopplung des magnetischen Flusses aus der nicht kompensierten Kopplung des magnetischen Flusses.
Das Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Berechnung einer nicht kompensierten Kopplung des magnetischen Flusses mit Hilfe einer Wertetabelle für die Kopplung des magnetischen Flusses durchgeführt wird.
Das Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Schritt der Begrenzung der besagten Kopplung des nicht kompensierten magnetischen Flusses mittels eines Begrenzers (18) durchgeführt wird.
Das Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Berechnung einer Kopplung des geschätzten magnetischen Flusses durch einen Kompensations-Rechner durchgeführt wird.