DE112013002987T5

DE112013002987T5 - Variabler Drehmomentwinkel für Elektromotor

Info

Publication number: DE112013002987T5
Application number: DE112013002987.1T
Authority: DE
Inventors: Michael Laursen
Original assignee: Danfoss Drives AS
Current assignee: Danfoss Power Electronics AS
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2015-03-19
Also published as: US9692340B2; GB2503040A; US20150115850A1; WO2013185761A2; GB2503040B; CN104335479A; CN104335479B; GB201210706D0; WO2013185761A3

Abstract

Ein Verfahren zum Steuern eines Elektromotors (wie z. B. eines Sychron- Reluktanz-Elektromotors) wird vorgeschlagen, bei dem der Drehmomentwinkel in dem d-q-Referenzrahmen zumindest teilweise und/oder zumindest zeitweise in Abhängigkeit von mindestens einer Arbeitsbedingung des Elektromotors variiert wird.

Description

SACHGEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Elektromotors. Ferner betrifft die Erfindung eine Steuerungseinheit, insbesondere eine Steuerungseinheit für einen Elektromotor.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Elektromotoren werden heutzutage für eine Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungen im Wesentlichen in sämtlichen technischen Bereichen verwendet. In Abhängigkeit von der tatsächlichen Verwendung des jeweiligen Elektromotors werden verschiedene Typen und verschiedene Größen von Elektromotoren verwendet.
Zum Beispiel kann dann, wenn ein Elektromotor für eine Anwendung verwendet werden muss, bei der eine konstante Drehzahl des Elektromotors verwendet werden kann oder sogar erforderlich ist, ein Synchron-Elektromotor ohne einen Kommutator verwendet werden, insbesondere dann, wenn ein Wechselstrom zur Verfügung steht. Ein Starten eines solchen Elektromotors kann jedoch schwierig sein, wenn eine Last mit einem großen Trägheitsmoment angetrieben werden muss.
Wenn jedoch eine variable Drehzahl des Elektromotors vorgesehen sein muss (und des Weiteren im Fall einer Gleichstromquelle), wurden bei der bekannten Vorgehensweise Elektromotoren verwendet, die einen Kommutator umfassen (sogenannte asynchrone Elektromotoren). Ein Problem, das bei solchen kommutierten elektrischen Maschinen auftritt, ist der Kommutator, da dieser eine Komponente ist, die besonders anfällig für einen nicht zu vernachlässigenden Verschleiß ist. Ferner treten dann, wenn ein Kommutator verwendet wird, typischerweise Funken auf, wenn sich der Elektromotor dreht. Durch solche Funken kann der entsprechende Elektromotor für bestimmte Anwendung unbrauchbar werden, insbesondere wenn entzündliche Gase vorhanden sind, es sei denn, dass zusätzliche Vorsichtsmaßnahmen getroffen worden sind.
Mit dem Auftreten der modernen halbleiterbasierten Leistungselektronik verbreitete sich die Verwendung von Synchron-Elektromotoren, insbesondere Synchron- Reluktanzmotoren, immer weiter. Bei solchen Synchron-Elektromotoren können Kommutatoren entfallen. Ferner kann durch Liefern eines elektrischen Wechselstroms mit einer variablen Frequenz ein Synchron-Elektromotor im Wesentlichen mit jeder Drehgeschwindigkeit angetrieben werden. Selbst Veränderungen der Drehgeschwindigkeit können realisiert werden. Dies ermöglicht bestimmte Anwendungen, die zuvor schwer, wenn überhaupt, zu erzielen waren.
Mit der steigenden Anzahl von Elektromotoren und steigenden Energiepreisen wird das Problem der Effizienz immer bedeutender. Effizienz bezieht sich nicht notwendigerweise nur auf den Verbrauch von elektrischer Energie relativ zu der mechanischen Leistung, die von dem Elektromotor erzeugt wird. Stattdessen kann sie sich auch auf die Größe (Volumen) des Elektromotors beziehen, die erforderlich ist, um einen bestimmten Pegel an mechanischer Energie zu erzielen.
Obwohl eine Anzahl von unterschiedlichen Steuerungseinrichtungen für Elektromotoren, eine Vielzahl von Elektromotoren und eine Vielzahl von Verfahren zum Antreiben eines Elektromotors beim Stand der Technik bekannt sind, besteht immer noch Bedarf an weiteren Verbesserungen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern eines Elektromotors zu schaffen, das gegenüber beim Stand der Technik bekannten Verfahren zum Steuern eines Elektromotors verbessert ist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Steuerungseinheit, insbesondere eine Steuerungseinheit für einen Elektromotor, zur Verfügung zu stellen, die gegenüber beim Stand der Technik bekannten Steuerungseinheiten verbessert ist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor zur Verfügung zu stellen, der gegenüber beim Stand der Technik bekannten Elektromotoren verbessert ist.
Die hier vorgeschlagene Erfindung dient zur Lösung dieser Aufgaben.
ZUSAMMENFASSENDER ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Es wird vorgeschlagen, ein Verfahren zum Steuern eines Elektromotors (wie z. B. eines Synchron-Reluktanz-Elektromotors) so durchzuführen, dass der Drehmomentwinkel in dem d-q-Referenzrahmen zumindest teilweise und/oder zumindest zeitweise in Abhängigkeit von mindestens einer Arbeitsbedingung des Elektromotors variiert. Der d-q-Referenzrahmen ist normalerweise der Referenzrahmen des sich drehenden Rotors, der mit der Welle des Elektromotors verbunden ist. Er ist normalerweise nicht mit dem sich drehenden Magnetfeldsystem des Stators (das typischerweise als das sogenannte Stator-Referenzsystem und/oder das x-y-System und/oder der x-y-Referenzrahmen bezeichnet wird) identisch, insbesondere wenn eine Last auf den Elektromotor aufgebracht wird. Typischerweise vergrößert sich dann, wenn die Last auf den Elektromotor erhöht wird, der Winkel zwischen dem d-q-System (d-q-Referenzrahmen) und dem x-y-System. Typischerweise kann, sobald ein Winkel von 90° zwischen dem d-q-System und dem x-y-System überschritten wird, eine normale mechanische Drehung des Elektromotors typischerweise nicht länger aufrechterhalten werden. Das d-q-System kann normalerweise auch als die "mechanische Orientierung" des sich drehenden Rotors relativ zu der Hochpermeanzachse der Maschine (d-Achse) bezeichnet werden. Der Drehmomentwinkel ist normalerweise der Winkel zwischen dem resultierenden (vektoriellen) Statorstrom i_s und der d-Achse des d-q-Referenzrahmens (Rotorreferenzrahmen). Folglich kann der Anteil des Statorstroms i_s in der q-Richtung mittels des Drehmomentwinkels bestimmt werden. Beim Stand der Technik ist normalerweise vorgeschlagen worden, einen konstanten Drehmomentwinkel von im Wesentlichen 45° beim Antreiben eines Elektromotors zu verwenden (wenn überhaupt ein Vorschlag gemacht worden ist), um eine Maximal-Drehmoment-pro-Ampere-Steuerung (maximum torque per ampere control – MTPAC) zu erhalten und dadurch die Verluste beim Statorwiderstand soweit wie möglich zu verringern. Dieser Winkel wurde insbesondere vorgeschlagen, wenn ein Betätigungssignal zum Antreiben eines Elektromotors, bei dem Inverter mit variabler Frequenz zum Einsatz kommen, verwendet wird.
Überraschenderweise hat der Erfinder festgestellt, dass ein verbessertes Verhalten des Elektromotors realisiert werden kann, wenn ein variabler Drehmomentwinkel beim Erzeugen des elektrischen Stroms zum Antreiben des Elektromotors verwendet wird. Es wird vorgeschlagen, den angemessenen Drehmomentwinkel zumindest teilweise und/oder zumindest zeitweise in Abhängigkeit von mindestens einer Arbeitsbedingung des Elektromotors zu wählen. Selbstverständlich können zusätzlich dazu auch andere Abhängigkeiten verwendet werden, wie eine Benutzereingabe oder dergleichen (eine solche Abhängigkeit kann zusätzlich und/oder alternativ zu einer Abhängigkeit von mindestens einer Arbeitsbedingung des Elektromotors verwendet werden). Erste Experimente haben gezeigt, dass durch Verwenden eines variablen Drehmomentwinkels ein höheres mechanisches Drehmoment mit demselben Elektromotor realisiert werden kann. Des Weiteren zeigen erste Experimente, dass sogar der Energieverbrauch des Elektromotors verringert werden kann. Mit beiden Effekten in Kombination kann normalerweise eine beträchtliche Verbesserung realisiert werden.
Es wird vorgeschlagen, dass mindestens eine Arbeitsbedingung des Elektromotors zumindest teilweise von einem Auslegungsparameter des Elektromotors und/oder einem Betriebsparameter abgeleitet wird, insbesondere einem elektrischen Parameter und/oder einem mechanischen Parameter. Ein Auslegungsparameter des Elektromotors kann insbesondere das Layout und/oder die Auslegung der elektrischen Wicklungen des Stators und/oder des Rotors des Elektromotors sein. Insbesondere können die Induktivitäten der jeweiligen Spulen (oder sogar andere Teile des Elektromotors) für diesen Zweck verwendet werden. Es können jedoch sogar noch mehr Auslegungsparameter einen Einfluss auf mindestens eine Arbeitsbedingung haben, wie das Gewicht der elektrischen Maschine, die Dicke der Drähte (maximaler elektrischer Strom, der angelegt werden kann (kurzfristige/langfristige Beschränkung)) oder dergleichen. Mit Betriebsparameter sind insbesondere Parameter gemeint, die nur abgeleitet werden können, wenn der Elektromotor aktuell betrieben wird (sich zum Beispiel dreht). Dabei kann es sich um den angelegten Ist-Strom, die Drehzahl des Elektromotors, die Temperatur des Elektromotors, das Ist- und/oder Soll-Drehmoment oder dergleichen handeln. Es ist möglich, dass der jeweilige Betriebsparameter von speziell vorgesehenen Sensoren abgleitet wird und/oder aus anderen Werten (wie dem Betätigungssignal, das von der Steuerungseinheit selbst für den Elektromotor erzeugt wird) berechnet wird. Erste Experimente haben gezeigt, dass diese Arbeitsbedingungen normalerweise einen besonders großen Einfluss auf die Größe des Drehmomentwinkels, der gewählt werden sollte, haben.
Vorzugsweise wird das Verfahren so durchgeführt, dass mindestens eine Arbeitsbedingung des Elektromotors zumindest teilweise von dem d-q-Referenzrahmen abgeleitet wird. Im Prinzip können dafür sämtliche Typen von Arbeitsbedingungen gewählt werden. Die Arbeitsbedingung kann in dem d-q-System gemessen werden und/oder in das d-q-System transformiert werden, z. B. erforderlichenfalls durch Berechnungen. Erste Experimente zeigen, dass ein besonders weit entwickeltes Verfahren erzielt werden kann, wenn die vorgeschlagene Ausführungsform realisiert wird.
Ferner wird vorgeschlagen, dass mindestens eine Arbeitsbedingung des Elektromotors aus der Gruppe entnommen wird, die das erforderliche Drehmoment, mindestens eine Induktivität, mindestens einen angelegten Strom, mindestens einen Sättigungseffekt, mindestens eine Induktivitätsdifferenz, mindestens eine Elektrostromdifferenz und mindestens einen Eingangsbefehl umfasst. Erste Experimente zeigen, dass diese Werte von besonderer Bedeutung sind, wenn ein optimaler oder zumindest verbesserter Drehmomentwinkel bestimmt werden soll. Als ein Sättigungseffekt muss insbesondere ein Effekt berücksichtigt werden, bei dem ein erhöhter elektrischer Strom nicht zu einer beträchtlichen Vergrößerung des daraus resultierenden Magnetfelds führt.
Ein noch stärker bevorzugterer Vorschlag ist, dass der Drehmomentwinkel zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise von dem Produkt aus mindestens zwei Arbeitsbedingungen des Elektromotors bestimmt wird. Als der Erfinder versucht hat, eine zufriedenstellende mathematische Regel für das Erhalten eines optimierten Drehmomentwinkels zu finden, hat er festgestellt, dass ein Produkt aus zwei oder mehr Arbeitsbedingungen des Elektromotors ein guter Weg ist, dieses Ziel zu erreichen. Selbstverständlich sind Modifikationen an dieser Basisformel auch möglich, wie ein Multiplikationsfaktor und/oder Verrechnungen durch Addieren und/oder Subtrahieren bestimmter Werte (relativ zum Gesamtergebnis und/oder zu einzelnen Parametern).
Ferner wird vorgeschlagen, dass der Drehmomentwinkel zumindest teilweise von einem Produkt aus mindestens einem Multiplikationsfaktor und mindestens einer Arbeitsbedingung bestimmt wird, die vorzugsweise der Gruppe entnommen wird, welche eine Induktivität, eine Differenz der Induktivität, mindestens einen elektrischen Strom und mindestens eine Differenz von elektrischen Strömen umfasst. Eine solche mathematische Formel zum Erhalten eines optimierten Drehmomentwinkels scheint bessere Ergebnisse zu erbringen als erste Experimente gezeigt haben.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, das Verfahren so durchzuführen, dass zumindest zeitweise mindestens eine Dämpfungsfunktion verwendet wird. Bei Verwenden einer solchen Dämpfungsfunktion können kurzzeitige Schwankungen "ausgefiltert" werden. Daher kann ein stabileres System erzielt werden, das weniger anfällig gegenüber Schwankungen, numerischen Artefakten und/oder Vibrationen (als Beispiele) ist. Insbesondere kann elektrisches Rauschen ausgefiltert werden, insbesondere ein elektrisches Rauschen, das von einer Invertereinheit (falls vorhanden) erzeugt wird. Es ist leicht verständlich, dass ein solches Verfahren normalerweise vorteilhaft ist.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der Drehmomentwinkel innerhalb eines Intervalls zwischen 45° als untere Grenze und 46°, 47°, 48°, 49°, 50°, 55°, 60°, 65°, 70°, 75°, 80°, 85° und 90° als obere Grenze variiert wird. Obwohl relativ große Variationen bei dem Drehmomentwinkel möglich sind, haben erste Experimente gezeigt, dass der "zulässige Bereich" von Drehmomentwinkeln in gewissem Maße begrenzt werden sollte, insbesondere auf die vorgeschlagene obere und/oder untere Grenze.
Eine weitere verbesserte Ausführungsform des Verfahrens kann erzielt werden, wenn ein Fallback-Wert für den Drehmomentwinkel verwendet wird, insbesondere ein Fallback-Wert für den Drehmomentwinkel von 45°, 46°, 47°, 48°, 49°, 50°, 51°, 52°, 53°, 54° oder 55°. Ein solcher Drehmomentwinkel kann insbesondere in einer Situation gewählt werden, in der ein Drehmomentwinkel nicht sinnvoll bestimmt werden kann. Zum Beispiel kann eine solche Situation eintreten, wenn einige Eingangsdaten fehlen (wenn zum Beispiel eine Datenleitung zusammengebrochen ist und/oder ein Sensor außer Betrieb ist und/oder die Eingangswerte ein widersprüchliches Bild der Situation produzieren). Durch das Verwenden eines Fallback-Werts gemäß der hier vorgeschlagenen Ausführungsform wird die Effizienz des Elektromotors typischerweise verringert. Trotzdem ist ein "Notbetrieb" immer noch möglich, so dass eine Stillstandzeit (die normalerweise sehr teuer ist) normalerweise vermieden werden kann.
Obwohl das vorgeschlagene Verfahren generell angewendet werden kann, wird bevorzugt, dass das Verfahren zum Antreiben eines Elektromotors mit variabler Frequenz und/oder eines Synchron-Elektromotors und/oder eines Permanentmagnet-Elektromotors und/oder eines Synchron-Reluktanz- Elektromotors angewendet wird. Die Anwendung des Verfahrens bei solchen Elektromotoren erbringt typischerweise besondere Verbesserungen.
Ferner wird eine Steuerungseinheit, insbesondere eine Steuerungseinheit für einen Elektromotor, vorgeschlagen, die so ausgelegt und angeordnet ist, dass sie ein Verfahren nach den vorstehenden Vorschlägen durchführt. Eine solche Steuerungseinheit kann zum Antreiben eines Elektromotors verwendet werden. Die entsprechende Steuerungseinheit und/oder der entsprechende Elektromotor, der von der Steuerungseinheit angetrieben wird, können die zuvor beschriebenen oder zumindest analoge Merkmale und Vorteile aufweisen. Ferner können zumindest analoge Variationen und Verbesserungen entsprechend der vorstehenden Beschreibung auch bei der Steuerungseinheit angewendet werden.
Insbesondere ist es möglich, dass die Steuerungseinheit mindestens eine Invertereinheit umfasst. Solche Invertereinheiten werden typischerweise zum Umschalten eines elektrischen Gleichstroms in einen elektrischen Wechselstrom (typischerweise mit einer variablen Frequenz) verwendet. Ferner können solche Invertereinheiten zum Variieren der Frequenz eines elektrischen Wechselstroms verwendet werden. Im Prinzip kann die Invertereinheit jede Auslegung aufweisen.
Zum Beispiel können DIACs, TRIACs, Thyristoren, IGBTs, FETs, MOSFETs oder dergleichen verwendet werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Steuerungseinheit mindestens eine programmierbare Speichervorrichtung umfasst. In der programmierbaren Speichervorrichtung kann ein Verfahren nach der vorstehenden Beschreibung gespeichert werden.
Selbstverständlich kann die Steuerungseinheit auf eine Vielzahl von Arten ausgelegt sein. Insbesondere ist eine teilweise analoge und/oder teilweise digitale Auslegung möglich. Insbesondere können programmierbare Computervorrichtungen (zum ein Beispiel Einplatinen-Computer) verwendet werden.
Ferner wird eine Elektromotoreinheit, insbesondere eine Synchron-Elektromotoreinheit, vorzugsweise eine Synchron-Reluktanz-Elektromotoreinheit vorgeschlagen, die mindestens eine Steuerungseinheit nach der vorstehenden Beschreibung umfasst und/oder die so ausgelegt und angeordnet ist, dass sie ein Verfahren nach der vorstehenden Beschreibung durchführt. Eine solche Elektromotoreinheit kann die gleichen oder zumindest analoge Merkmale und Vorteile aufweisen wie sie vorstehend beschrieben sind. Ferner kann eine solche Elektromotoreinheit auch entsprechend der vorstehenden Beschreibung oder zumindest analog dazu modifiziert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung und deren Vorteile werden anhand der folgenden Beschreibung von möglichen Ausführungsformen der Erfindung offensichtlich, die mit Bezug auf die beiliegenden Figuren beschrieben werden. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer möglichen Ausführungsform einer Elektromotoreinheit;
2 ein Vektordiagramm mit Darstellung der Beziehung zwischen den unterschiedlichen Vektoren in den unterschiedlichen Referenzschemata;
3 eine mögliche Ausführungsform eines Verfahrens zum Steuern eines Elektromotors;
4 eine Darstellung von Sättigungseffekten einer Spule eines Elektromotors;
5 die Abhängigkeit des Drehmoments von dem Drehmomentwinkel für unterschiedliche Ströme;
6 ein Blockschaltbild einer weiteren möglichen Ausführungsform einer Elektromotoreinheit.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In 1 ist ein schematisches Blockschaltbild einer möglichen Ausführungsform einer Elektromotoreinheit 1 gezeigt. Die Elektromotoreinheit 1 nach der hier gezeigten Ausführungsform umfasst einen Elektromotor 2 einer Synchron-Reluktanzmotor-Auslegung. Der Elektromotor 2 wird von einer Invertereinheit 3 elektrisch angetrieben, die verwendet wird, um den Elektromotor 2 mit einem elektrischen Antriebsstrom 4 mit einer variablen Frequenz zu versorgen. Bei der hier gezeigten Ausführungsform ist der elektrische Strom 4, der zum Antreiben des Elektromotors 2 verwendet wird (und somit der elektrische Strom, der von der Invertereinheit 3 geliefert wird) vom Dreiphasentyp. Bei der hier gezeigten Ausführungsform erzeugt die Invertereinheit 3 den elektrischen Antriebsstrom 4 aus einem elektrischen Gleichstrom (Gleichstromquelle in 1 nicht gezeigt).
Ferner ist in 1 eine elektronische Steuerungseinrichtung 5 gezeigt, die bei der hier gezeigten Ausführungsform vom Typ eines Einplatinen-Computers ist. Innerhalb des Blocks, der die elektronische Steuerungseinrichtung 5 darstellt, ist ein weiterer Block gezeigt, der einen elektronischen Speicher 6 darstellt, in dem ein Programm zum Betreiben des Elektromotors 2 über die Invertereinheit 3 gespeichert ist.
Die elektronische Steuerungseinrichtung 5 weist unterschiedliche Dateneingangsquellen auf. Zunächst handelt es sich bei dem elektrischen Antriebsstrom 4 (genauer gesagt: den drei unterschiedlichen Phasen des elektrischen Antriebsstroms 4) um Eingangsparameter für die elektrische Steuerungseinrichtung 5, wie in 1 gezeigt ist. Des Weiteren können einige Sensordaten, die aus den Sensoreinheiten 7 kommen, ebenfalls in die elektronische Steuerungseinrichtung 5 eingegeben werden (bei der hier gezeigten Ausführungsform ist die Sensoreinheit 7 in Verbindung mit dem Elektromotor 2 ausgelegt. Es sind jedoch auch andere Ausführungsformen möglich). Insbesondere ist es möglich, dass die Verwendung von zusätzlichen Sensordaten und/oder zusätzlichen Sensoreinheiten 7 im Wesentlichen oder sogar vollständig entfällt. Mit anderen Worten kann normalerweise eine vorteilhafte Drehmomentwinkelsteuerung in den meisten Fällen und/oder die meiste Zeit allein auf der Basis des gemessenen elektrischen Stroms 4 durchgeführt werden.
Noch eine weitere Eingangsleitung 8 ist in 1 gezeigt, die für die Eingabe von Benutzerbefehlen, wie eine geforderte Drehzahl und/oder ein gefordertes Ausgangsdrehmoment des Elektromotors, verwendet werden kann.
Bisher waren dem Stand der Technik entsprechende Elektromotoren so ausgelegt, dass der Drehmomentwinkel 10 (siehe 2) auf einen konstanten Winkel von 45° gesetzt worden war, um eine Maximal-Drehmoment-pro-Ampere-Steuerung (MTPAC) durchzuführen (falls ein gewünschter Drehmomentwinkel überhaupt angezeigt und/oder gesteuert worden ist).
In 2 sind unterschiedliche Referenzschemata und unterschiedliche vektorielle Parameter zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung dargestellt. Der x-y-Referenzrahmen (x-y-System) wird von der x-Achse 12 und der y-Achse 13 gebildet. Das x-y-System stellt das Koordinatensystem des sich drehenden Magnetfelds dar, das von dem Stator des Elektromotors 2 geschaffen wird. Das x-y-System dreht sich mit der Drehfrequenz ω der Antriebswelle des Elektromotors 2.
Der d-q-Referenzrahmen (d-q-System), der von der d-Achse 14 und der q-Achse 15 umspannt ist, ist der (sich ebenfalls drehende) Referenzrahmen des sich drehenden Rotors. Das d-q-System dreht sich mit der gleichen Frequenz ω wie das x-y-System. Wenn eine Last auf den sich drehende Rotor des Elektromotors 2 aufgebracht wird, tritt normalerweise eine Verschiebung zwischen dem x-y-System und dem d-q-System auf. Diese Verschiebung manifestiert sich in Form des Belastungswinkels 11 (des Winkels zwischen der y-Achse 13 des x-y-Koordinatensystems und der q-Achse 15 des d-q-Systems).
Der oben genannte Drehmomentwinkel 10 ist der Winkel zwischen dem angelegten Strom i_s und der d-Achse 14 des d-q-Systems. Der angelegte Strom i_s kann in eine aktive Strom- i_sd (parallel zu der d-Achse 14) und eine reaktive Stromkomponente i_sq aufgespalten werden, die parallel zu der q-Achse 15 des d-q-Koordinatensystems gerichtet ist.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird der angelegte Strom i_s von der Invertereinheit 3 (unter der Steuerung der elektronischen Steuerungseinrichtung 5) so erzeugt, dass der Drehmomentwinkel 10 in Abhängigkeit von den Eingangssignalen, wie z. B dem elektrischen Antriebsstrom 4 und den Nutzereingabedaten 8, variiert wird.
In 3 ist eine schematische Darstellung des vorgeschlagenen Steuerungsverfahrens 16 gezeigt. Das Steuerungsverfahren 16 beginnt beim Startschritt 17. Beim Startschritt 17 ist es möglich, dass einige "Hardware"-Auslegungsparameter des Elektromotors 2 und anderer Vorrichtungen aus einer Speichervorrichtung gelesen werden, so dass sie später bei den verschiedenen Schritten des Steuerungsverfahrens 16 verwendet werden können.
Als Nächstes werden die verschiedenen Daten beim Eingabeschritt 18 eingegeben. Insbesondere werden ein Benutzerbefehl, der elektrische Zustand des Elektromotors 2 (wie zum Beispiel von dem elektrischen Antriebsstrom 4 angezeigt, der auch einen Rückführsignalteil aus dem Elektromotor 2 aufweist) und besondere Sensordaten (die von den Sensoreinheiten 7, falls diese vorgesehen sind, erzeugt werden) eingelesen.
Wie nachstehend genauer beschrieben wird, sind die d-Achsen-Induktivität (L_d) und die q-Achsen-Induktivität (L_q) des Motors 2 besonders wichtig bei der Erzeugung des optimalen Drehmomentwinkels 10. Entsprechend werden bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Werte für L_d und L_q in dieser Phase in den Algorithmus eingegeben.
Auf der Basis der eingegebenen Daten 18 (einschließlich der d-Achsen-Induktivität (L_d), der q-Achsen-Induktivität (L_q) und des Statorstroms (i_s)) wird ein optimaler Drehmomentwinkel 10 berechnet. Anhand dieses Drehmomentwinkels 10 wird das Betätigungssignal, das von der Invertereinheit 3 zu liefern ist, beim Signalerzeugungsschritt 19 berechnet.
Bei einer Form der Erfindung wird der Motor 2 durch Steuern des d-Achsen-Stroms gesteuert. Der d-Achsen-Strom (i_sd) kann durch die folgende Formel (in der k_t der Drehmomentwinkel 10 ist) angegeben werden: i_sd = i_s·cos(k_t).
Das berechnete elektrische Signal wird beim Ausgabeschritt 20 an die Invertereinheit 3 ausgegeben. Danach wird das Steuerungsverfahren 16 wiederholt, wie von der Schleife 21 angezeigt ist.
Bei dem hier gezeigten Beispiel kann das resultierende Drehmoment anhand der folgenden Formel berechnet werden. k·(I_d (i_d) – I_q (i_q))·I_sd·i_sq wobei:

I_d(i_d): die d-Induktivität ausgedrückt als eine Funktion des d-Stroms ist
I_q(i_q): die q-Induktivität ausgedrückt als eine Funktion des q-Stroms ist
i_sd: der aktive Teil des angelegten Stroms i_s ist; und
i_sq: der reaktive Teil des angelegten Stroms i_s ist.

Wenn Sättigungseffekte (zum Beispiel der verschiedenen elektrischen Spulen in dem Elektromotor 2) bei den zwei Induktivitäten I_d und I_q nicht berücksichtigt werden, ist eine optimale Steuerung des Elektromotors 2 nicht möglich. Dass eine solche Differenz zwischen gemessenen und berechneten Induktivitäten aufgrund von Sättigungseffekten auftreten kann, ist aus 4 ersichtlich. In diesem Diagramm ist die Induktivität pro Phase (entlang der Ordinate 23) in Abhängigkeit vom Statorstrom in relativen Einheiten (entlang der Abszisse 22) für ein beispielhaftes Synchron-Reluktanz-Maschinensystem (wie das nachstehend mit Bezug auf 6 beschriebene) gezeigt. Die Abhängigkeit ist durch eine durchgehende Linie 24 gezeigt, die die berechnete Induktivität darstellt, während die Punkte 25 die Messwerte zeigen. Die obere Auftragung ist die d-Induktivität (L_d); die untere Auftragung ist die q-Induktivität (L_q). Wie aus dem Diagramm von 4 ersichtlich ist, besteht eine deutliche Diskrepanz für den unterer Statorstrombereich.
Das scheint zu einer Variation des anzulegenden optimalen Drehmomentwinkels zu führen, wenn der elektrische Antriebsstrom 4 des Elektromotors 2 erzeugt wird. Der Effekt der Verwendung von unterschiedlichen Drehmomentwinkeln ist in 5 dargestellt, die erste Messergebnisse zeigt. Das resultierende Drehmoment (aufgetragen auf der Koordinate 23 von 5) ist in Abhängigkeit von dem Drehmomentwinkel 10 (auf der Abszisse 22 von 5 gezeigt) angezeigt. Die einzelnen Drehmomentwinkelkurven 26 bilden einen Satz von Kurven 27. Die einzelnen Drehmoment-zu-Drehmomentwinkel-Kurven variieren jeweils relativ zu dem angelegten Strom.
Ferner zeigt eine Linie 28 den optimalen Drehmomentwinkel zum Antreiben des Elektromotors 2. Wie aus 5 ersichtlich ist, führt eine Variation des Drehmomentwinkels in Abhängigkeit von dem erforderlichen Drehmoment und dem angelegten Strom (und wahrscheinlich zusätzlich dazu auch in Abhängigkeit von anderen Parametern) zu einem effizienteren Elektromotor.
In 6 ist ein schematisches Blockschaltbild einer beispielhaften Implementierung einer Elektromotoreinheit 29 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Elektromotoreinheit 29 nach der hier gezeigten Ausführungsform umfasst einen Elektromotor 30, der als ein Synchron-Reluktanzmotor (Synchron-Reluktanzmaschine) ausgelegt ist. Der Elektromotor 30 wird von einer Invertereinheit 31, die verwendet wird, um den Elektromotor 30 mit einem elektrischen Strom 32 mit einer variablen Frequenz zu versorgen, elektrisch angetrieben. Bei der hier gezeigten Ausführungsform ist der elektrische Strom 32, der zum Antreiben des Elektromotors 30 verwendet wird (und somit der elektrische Strom 32, der von der Invertereinheit 31 geliefert wird) von einem Dreiphasentyp. Bei der hier gezeigten Ausführungsform erzeugt die Invertereinheit 31 den elektrischen Strom 32 aus einem elektrischen Gleichstrom (Gleichstromquelle in 6 nicht gezeigt).
Die Steuerung der Invertereinheit 31 wird von einer elektronischen Steuerungseinheit 33 durchgeführt, die bei der hier gezeigten Ausführungsform vom Typ eines Einplatinen-Computers ist. In dem Block, der die elektronische Steuerungseinheit 33 darstellt, ist ein weiterer Block gezeigt, der einen elektronischen Speicher 34 darstellt, in dem ein Programm zum Betreiben des Elektromotors 30 über die Invertereinheit 31 gespeichert ist.
Es sei darauf hingewiesen, dass der elektrische Strom 32, der durch den Elektromotor 30 läuft, nicht direkt von der elektronischen Steuerungseinheit 33 und/oder der elektrischen Invertereinheit 31 gesteuert wird. Stattdessen ist der vektorielle Wert für den Antriebsspannungsvektor 35 der Wert, der direkt gesteuert wird. Dieser Wert ist der Ausgangswert (Spannungsvektor 35) der elektronischen Steuerungseinheit 33 und somit der Eingangswert der Invertereinheit 31. Der elektrische Strom 32 (insbesondere die vorliegenden drei Phasen u, v, w des elektrischen Stroms 32) enthält bereits eine gewissen "Antwortfunktion" des Elektromotors 30. Daher kann der elektrische Strom 32 (normalerweise) als der Haupteingangswert der elektronischen Steuerungseinheit 33 gemessen und verwendet werden. Des Weiteren ist eine Benutzereingabeleitung 36 in 6 gezeigt. Diese Benutzereingabeleitung 36 kann zum Anfordern einer bestimmten Drehzahl oder dergleichen verwendet werden. Ferner können einige Sensoren 37 zum Erfassen von zusätzlichen Daten vorgesehen sein (in 6 nur schematisch gezeigt). Zum Beispiel kann ein Sensor 37 eine Temperatur, die mechanische Position des Rotors, die Drehzahl des Rotors oder dergleichen erfassen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass nach der hier vorgeschlagenen Erfindung die Verwendung des elektrischen Stroms 32 allein für die Realisierung einer sehr fortschrittlichen Steuerung des Elektromotors 30 ausreicht und so typischerweise zusätzliche Sensoren entfallen. Die Elektromotoreinheit 29 (insbesondere die elektronische Steuerungseinheit 33) kann somit einfach, klein und relativ kostengünstig sein.
Der gemessene elektrische Strom 32 (wobei die Messung von Stromsensoren durchgeführt werden kann, die hier nicht gezeigt sind) bildet die "Haupt"-Dateneingangsquelle für die elektronische Steuerungseinheit 33. Der gemessene elektrische Strom 32 (der in einem stationären Referenzrahmen gemessen wird und somit über die Zeit variiert; typischerweise mit einer Sinusform) wird zuerst in das x-y-System (x-y-Referenzrahmen; siehe auch 2; Block 40) transformiert. Das x-y-System entspricht dem sich drehenden Magnetfeld, das von dem Stator des Elektromotors 30 geschaffen wird. Das x-y-System dreht sich mit der Drehfrequenz ω der Antriebswelle 38/des Rotors des Elektromotors 30. Da sich das x-y-System zusammen mit dem Rotor des Elektromotors 30 dreht, sind die Ausgangsströme 39 i_sx und i_sy über die Zeit relativ konstant. Insbesondere variieren sie nicht mit der Drehfrequenz des Elektromotors 30. Veränderungen, die auf eine unterschiedliche Drehzahl, eine unterschiedliche auf den Elektromotor 30 wirkende Last oder dergleichen zurückzuführen sind, sind jedoch selbstverständlich immer noch möglich.
Die berechneten elektrischen Ströme i_sx, i_sy 39 in dem x-y-System werden zu dem nächsten Logikblock 41 weitergeführt, wo die elektrischen Ströme ein weiteres Mal in das d-q-System neuberechnet werden (siehe auch 2). Das d-q-System (d-q-Referenzrahmen) dreht sich mit der gleichen Frequenz ω wie das x-y-System und somit wie der Rotor des Elektromotors 30. Wenn jedoch eine Last auf die Drehwelle 38 des Elektromotors 30 aufgebracht wird, erfolgt normalerweise eine Verschiebung zwischen dem x-y-System und dem d-q-System. Wie oben mit Bezug auf 2 beschrieben worden ist, manifestiert sich diese Verschiebung in Form des sogenannten Belastungswinkels 11. Nun haben wir den elektrischen Strom 42 (einschließlich seiner verschiedenen Komponenten) in dem d-q-System.
Parallel dazu wird der gemessene Gesamtstatorstrom i_s 43 verwendet und mit den verschiedenen Benutzereingaben 8 verglichen. Anhand dessen wird der angeordnete Referenzierungs-Statorstrom in der d-Richtung isdRef 44 in dem isdRef-Berechnungsblock 45 berechnet.
Der Wert des angeordneten Referenzstroms 44 ist einer der drei Haupteingangsparameter für den Statorstromsteuerung-Kasten 46. Die zwei anderen entscheidenden Parameter sind der Teil des Statorstroms parallel zu der x-Achse in dem x-y-System i_sx 39a und der Teil des Statorstroms parallel zu der q-Achse in dem d-q-System i_sq 42a, wie in 5 zu sehen ist. Der Statorstromsteuerung-Kasten 17 berechnet einen Statorstrom in der x-Richtung, der vorhanden sein sollte, und vergleicht ihn mit dem gemessenen Statorstrom in der x-Richtung i_sx 39a. Die Diskrepanz zwischen dem berechneten und dem entsprechenden gemessenen Teil des Statorstroms in der x-Richtung wird verwendet, um einen Spannungsfehlerterm u_Comp 47 zu schaffen, der der Hauptausgang des Statorstromsteuerung-Kastens 46 ist. Diese Fehlerspannung 47 wird als ein Eingang für den Spannungsvektorsteuerung-Kasten 48 verwendet, wo der Spannungsvektor u_sy 35 berechnet wird. Dieser berechnete Wert des Spannungsvektors 35 wird zu der elektrischen Invertereinheit 31 übertragen, die zum Antreiben des Elektromotors 30 verwendet wird.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform ist ein relevanter Teil der Benutzereingabe 36 die Referenzfrequenz Wramp 49. Diese Referenzfrequenz Wramp 49 wird nicht nur als ein Eingangswert für den Berechnung-"Kasten" 45 für den Strom in der d-Richtung 44 verwendet, sondern wird auch für die Berechnung der Vektorwinkel verwendet, die in dem Vektorwinkelberechnung-Kasten 50 durchgeführt wird. Insbesondere wird in dem Vektorwinkelberechnung-Kasten 50 der Theta-Winkel 53 (der Winkel des Spanungsvektors, der von dem Raumvektor-PWM-Modulator verwendet wird) berechnet und als ein Eingangsparameter an die Invertereinheit 31 übertragen.
Die Dämpfungsschleife 51 ist zum Modulieren der Referenzfrequenz (WsRef) mit der Leistungsstörung vorgesehen, um die Maschine zu stabilisieren. Es ist generell nicht möglich, eine Synchron-Reluktanzmaschine ohne diese Dämpfungsschleife hochzufahren.
Eine Induktivitätsberechnungseinheit 54 ist zum Berechnen der d-Induktivität (L_d) und der q-Induktivität (L_q) des Systems vorgesehen. Diese Induktivitäten sind für den optimalen Drehmomentwinkel relevant und werden bei der Erzeugung des Spannungsvektors in dem Spannungsvektorsteuerung-Kasten 48 verwendet.
Zusätzliche Informationen können einer weiteren Anmeldung mit dem Titel "Method for controlling a synchronous reluctance electric motor" entnommen werden, die an demselben Tag von demselben Anmelder unter der Referenznummer PA15277 des Anmelders eingereicht worden ist (diese Anmeldung beansprucht Priorität gegenüber GB 1210705.8 ). Der Inhalt dieser Anmeldung ist vollständig in die vorliegende Anmeldung einbezogen.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind nur beispielhaft dargestellt worden. Der Fachmann erkennt zahlreiche Modifikationen, Änderungen und Ersetzungen, die durchgeführt werden können, ohne dass dadurch vom Umfang der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Die Ansprüche der vorliegenden Erfindung decken sämtliche solcher Modifikationen, Änderungen und Ersetzungen ab, die in den Geist und Umfang der Erfindung fallen.
Bezugszeichenliste

1: Elektromotoreinheit
2: Elektromotor
3: Invertereinheit
4: Elektrischer Antriebsstrom
5: Elektronische Steuerungseinrichtung
6: Elektronischer Speicher
7: Sensoreinheit
8: Eingabeleitung
9: Unterschiedliche Referenzsysteme
10: Drehmomentwinkel
11: Belastungswinkel
12: x-Achse
13: y-Achse
14: d-Achse
15: q-Achse
16: Ablaufdiagramm
17: Start
18: Eingabeschritt
19: Signalerzeugungsschritt
20: Ausgabeschritt
21: Schleife
22: Abszisse
23: Ordinate
24: Berechnete Induktivität
25: Gemessene Induktivität
26: Drehmoment-Drehmomentwinkel-Linie
27: Satz von Kurven
28: Optimaler Drehmomentwinkel
29: Elektromotoreinheit
30: Elektromotor
31: Invertereinheit
32: Elektrischer Antriebsstrom
33: Elektronische Steuerungseinrichtung
34: Elektronischer Speicher
35: Elektrospannungsvektor
36: Benutzereingabeleitung
37: Sensor
38: Welle
39: i_sx, i_sy
40: Transformation in x-y-System
41: Transformation in d-q-System
42: Elektrischer Strom in d-q-System
43: Gesamtstatorstrom i_s
44: Statorstrom-Referenzwert in d-Richtung isdRef
45: Berechnung von 44
46: Statorstromsteuerung-Kasten
47: Fehlerspannung u_Comp
48: Spannungsvektorsteuerung-Kasten
49: Referenzspannung Wramp
50: Vektorwinkelberechnung-Kasten
51: Dämpfungsschleife
52: Gefilterte Referenzfrequenz WsRef
53: Theta-Winkel
54: Induktivitätsberechnungseinheit

Claims

Verfahren (16) zum Steuern eines Elektromotors (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentwinkel (10) in dem d-q-Referenzrahmen (14, 15) zumindest teilweise und/oder zumindest zeitweise in Abhängigkeit von mindestens einer Arbeitsbedingung (4, 7, 8) des Elektromotors (2) variiert wird.
Verfahren (16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Arbeitsbedingung (4, 7, 8) des Elektromotors (2) zumindest teilweise von einem Auslegungsparameter des Elektromotors (2) und/oder einem Betriebsparameter (4, 7), insbesondere einem elektrischen Parameter (4) und/oder einem mechanischen Parameter (7), abgeleitet wird.
Verfahren (16) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Arbeitsbedingung (4, 7, 8) des Elektromotors zumindest teilweise von dem d-q-Referenzrahmen (14, 15) abgeleitet wird.
Verfahren (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Arbeitsbedingung (4, 7, 8) des Elektromotors (2) aus der Gruppe entnommen ist, die das erforderliche Drehmoment, mindestens eine Induktivität (I), mindestens einen angelegten elektrischen Strom (i), mindestens einen Sättigungseffekt, mindestens eine Induktivitätsdifferenz, mindestens eine Elektrostromdifferenz und mindestens einen Eingangsbefehl umfasst.
Verfahren (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentwinkel (10) zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise von dem Produkt aus mindestens zwei Arbeitsbedingungen (4, 7, 8) des Elektromotors (2) bestimmt wird.
Verfahren (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentwinkel (10) zumindest teilweise von einem Produkt aus mindestens einem Multiplikationsfaktor (k) und mindestens einer Arbeitsbedingung (4, 7, 8) bestimmt wird, die vorzugsweise aus der Gruppe entnommen wird, welche eine Induktivität (I), eine Differenz der Induktivität, mindestens einen Elektrostrom (i) und mindestens eine Differenz der elektrischen Ströme umfasst.
Verfahren (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentwinkel (10) innerhalb eines Intervalls zwischen 45° als untere Grenze und 45°, 46°, 47°, 48°, 49°, 50°, 55°, 60°, 65°, 70°, 75°, 80°, 85° und 90° als obere Grenze variiert wird.
Verfahren (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fallback-Wert für den Drehmomentwinkel (10) verwendet wird, insbesondere ein Fallback-Wert für den Drehmomentwinkel (10) von 45°, 46°, 47°, 48°, 49°, 50°, 51°, 52°, 53°, 54° oder 55°.
Verfahren (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zum Antreiben eines Elektromotors mit variabler Frequenz und/oder eines Synchron-Elektromotors und/oder einer permanentmagnetunterstützten Synchron-Reluktanzmaschine und/oder eines Synchron-Reluktanz-Elektromotors (2) angewendet wird.
Steuerungseinheit (5), insbesondere Steuerungseinheit (5) für einen Elektromotor (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (5) so ausgelegt und angeordnet ist, dass sie ein Verfahren (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchführt.
Steuerungseinheit (5) nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch mindestens eine Invertereinheit (3).
Steuerungseinheit (5) nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch mindestens eine programmierbare Speichervorrichtung (6).
Elektromotoreinheit (1), gekennzeichnet durch mindestens eine Steuerungseinheit (5) nach einem der Ansprüche 10 bis 12 und/oder dadurch, dass sie so ausgelegt und angeordnet ist, dass sie ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchführt.
Elektromotoreinheit nach Anspruch 13, wobei die Elektromotoreinheit eine Synchron-Reluktanz-Elektromotoreinheit ist.