DE112015003858T5

DE112015003858T5 - System und verfahren zur steuerung einer geschalteten reluktanzmaschine im kontinuierlichen stromführungsmodus

Info

Publication number: DE112015003858T5
Application number: DE112015003858.2T
Authority: DE
Inventors: Jackson Wai; Carlos Nino Baron; Jesse Gerdes; Ahmed Khalil
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2014-09-22
Filing date: 2015-09-18
Publication date: 2017-05-18
Also published as: US20160087570A1; WO2016048819A1; US9391555B2

Abstract

Offenbart wird ein Steuersystem für eine geschaltete Reluktanz- oder SR-Maschine. Die SR-Maschine kann einen Rotor und einen Stator umfassen. Das Steuersystem kann eine Wandlerschaltung aufweisen, die wirkmäßig mit dem Stator gekoppelt ist und eine Vielzahl von Gattern in selektiver Kommunikation mit jeder Phase des Stators, und ein Steuergerät in Kommunikation mit dem Stator und der Wandlerschaltung umfasst. Das Steuergerät kann dazu ausgestaltet sein, eine fixierte Verweilperiode eines Theta-Ein-Winkels und eines Theta-Aus-Winkels zu befehlen und einen Strombefehl an die Vielzahl von Gattern zu variieren, wenn die SR-Maschine sich in einem kontinuierlichen Stromführungsmodus befindet.

Description

Technisches Gebiet der Offenbarung
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein geschaltete Reluktanzmaschinen und insbesondere Systeme und Verfahren zur Steuerung geschalteter Reluktanzmaschinen.
Hintergrund der Offenbarung
Mit dem wachsenden Interesse an Energieeinsparung werden immer mehr industrielle Arbeitsmaschinen mit elektrischen Antriebsanordnungen zum Antreiben der Arbeitsmaschine und zum Betreiben ihrer verschiedenen Werkzeuge oder Funktionen ausgestattet. Laufende Entwicklungen bei elektrischen Antrieben haben es möglich gemacht, dass elektrisch angetriebene Arbeitsmaschinen effektiv die Leistung von rein mechanisch angetriebenen Arbeitsmaschinen erreichen oder sogar übertreffen, während sie bedeutend weniger Kraftstoff und Energie insgesamt benötigen. Da elektrische Antriebsanordnungen immer häufiger für industrielle Arbeitsmaschinen und dergleichen eingesetzt werden, haben auch die Anforderungen für effizientere Motoren und Generatoren sowie für Techniken zur Steuerung derselben zugenommen.
Ein Generator einer elektrischen Antriebsmaschine wird typischerweise verwendet, um mechanische Leistung, die von einer primären Leistungsquelle erhalten wird, etwa einem Verbrennungsmotor, in elektrische Leistung zur Durchführung eines oder mehrerer Operationen der Arbeitsmaschine umzuwandeln. Zusätzlich kann ein Generator verwendet werden, um elektrische Leistung, die auf einer gemeinsamen Busleitung oder einer Speichervorrichtung gespeichert ist, in mechanische Leistung umzuwandeln. Unter den verschiedenen Typen von Generatoren, die zur Nutzung mit einem elektrischen Antriebssystem verfügbar sind, sind geschaltete Reluktanzmaschinen (SR für switched reluctance) auf größtes Interesse gestoßen, da sie robust, kosteneffektiv und insgesamt effizienter sind. Obwohl derzeit existierende Systeme und Verfahren zur Steuerung geschalteter Reluktanzmaschinen eine adäquate Steuerung bereitstellen können, gibt es noch Raum für Verbesserungen.
Insbesondere kann eine geschaltete Reluktanzmaschine mit einer Leistungsdichtekonstruktion in der Regel während eines kontinuierlichen Stromführungsmodus einen plötzlichen Leistungsanstieg erfahren. Darüber hinaus können bei kontinuierlicher Stromführung kleine Änderungen in dem Steuereingang der geschalteten Reluktanzmaschine zu beträchtlichen Leistungsänderungen führen. Dementsprechend herrscht Bedarf, ein Steuersystem und -verfahren bereitzustellen, die Leistungssprünge in geschalteten Reluktanzmaschinen bei kontinuierlicher Stromführung minimieren.
Ein Verfahren zur Steuerung eines geschalteten Reluktanzantriebs ist in dem US-Patent Nr. 6,972,533 mit dem Titel ”Control of a Switched Reluctance Drive” offenbart. Das ’533-Patent beschreibt ein Verfahren zur Steuerung, das eine Kombination eines Einschaltwinkels, eines Ausschaltwinkels und Strompegel verwendet, um eine optionale Freilaufperiode auszulösen, die den Ruhestrom in der Phase steuert. Im Betrieb wird die Phase bei dem Einschaltwinkel eingeschaltet, und der Strompegel wird ein wenig geringer als der natürliche Spitzenstrom der Phase gewählt. Das Steuersystem des ’533-Patents ist so angeordnet, dass, wenn der Phasenstrom den Ruhestrom erreicht, die Phase in den Freilauf versetzt wird, bis der Ausschaltwinkel erreicht wird.
Während das ’533-Patent den Ruhestrom auf der Grundlage des Strompegels steuert, verwendet das ’533-Steuersystem bei kontinuierlicher Stromführung noch immer die herkömmlichen Einschalt- und Ausschaltwinkel zusätzlich zum Ruhestrom. Die Verwendung der herkömmlichen Ein- und Ausschaltwinkel kann zu einer instabilen Steuerung des geschalteten Reluktanzantriebs führen, da eine geringfügige Änderung in einem der Winkelparameter zu beträchtlichen Leistungsänderungen führen kann. Dementsprechend werden weiter verbesserte Systeme und Verfahren zur Steuerung von SR-Maschinen bei kontinuierlicher Stromführung benötigt.
Zusammenfassung der Offenbarung
In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform wird ein Steuersystem für eine geschaltete Reluktanz- oder SR-Maschine offenbart. Die SR-Maschine kann einen Rotor und einen Stator umfassen. Das Steuersystem kann eine Wandlerschaltung aufweisen, die wirkmäßig mit dem Stator gekoppelt ist und eine Vielzahl von Gattern in selektiver Kommunikation mit jeder Phase des Stators, und ein Steuergerät in Kommunikation mit dem Stator und der Wandlerschaltung. Das Steuergerät kann dazu ausgestaltet sein, eine feste Verweilperiode eines Theta-Ein-Winkels und eines Theta-Aus-Winkels an die Vielzahl von Gattern zu befehlen, wenn die SR-Maschine in einem kontinuierlichen Stromführungsmodus ist.
In Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform wird ein elektrischer Antrieb offenbart. Der elektrische Antrieb kann eine geschaltete Reluktanz- oder SR-Maschine mit einem Stator und einem Rotor, der relativ zu dem Stator drehbar angeordnet ist, eine Wandlerschaltung, die wirkmäßig mit dem Stator gekoppelt ist und eine Vielzahl von Gattern in selektiver Kommunikation mit jeder Phase des Stators umfasst, sowie ein Steuergerät in Kommunikation mit dem Stator und der Wandlerschaltung umfassen. Das Steuergerät kann dazu ausgestaltet sein, die Vielzahl von Gattern während eines kontinuierlichen Stromführungsmodus in Übereinstimmung mit einem Strombefehl und einer konstanten Verweilperiode eines Theta-Ein-Winkels und eines Theta-Aus-Winkels zu steuern.
In Übereinstimmung mit noch einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zur Steuerung einer geschalteten Reluktanz- oder SR-Maschine offenbart. Die SR-Maschine kann einen Rotor, einen Stator, eine Wandlerschaltung, die wirkmäßig mit dem Stator gekoppelt ist und eine Vielzahl von Gattern in selektiver Kommunikation mit jeder Phase des Stators umfasst, und ein Steuergerät in Kommunikation mit dem Stator und der Wandlerschaltung umfassen. Das Verfahren kann umfassen, dass das Steuergerät einen kontinuierlichen Stromführungsmodus der SR-Maschine bestimmt; und wenn die SR-Maschine im kontinuierlichen Stromführungsmodus ist, das Steuergerät die Vielzahl von Gattern der Wandlerschaltung in Übereinstimmung mit einem Strombefehl und einer fixierten Verweilperiode eines Theta-Ein-Winkels und eines Theta-Aus-Winkels steuert.
Diese und weitere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden bei der Lektüre der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen deutlicher werden. Obwohl verschiedene Merkmale in Bezug auf spezifische beispielhafte Ausführungsformen offengelegt werden, ist außerdem klar, dass die verschiedenen Merkmale miteinander kombiniert oder alleine mit beliebigen der verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen verwendet werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht eines elektrischen Antriebs mit einem Steuersystem zur Steuerung einer geschalteten Reluktanz- oder SR-Maschine in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine diagrammatische Ansicht einer Maschine, die den elektrischen Antrieb von 1 umfasst;
3 ist eine diagrammatische Ansicht eines Verfahrens zur Steuerung des SR-Maschine von 1; und
4 ist eine diagrammatische Ansicht eines weiteren Verfahrens zur Steuerung des SR-Maschine von 1.
Obwohl die vorliegende Offenbarung für verschiedene Abwandlungen und alternative Konstruktionen offen ist, werden im Folgenden bestimmte Ausführungsformen zur Veranschaulichung dargestellt und detailliert beschrieben. Die Offenbarung ist nicht auf die spezifischen offenbarten Ausführungsformen begrenzt, sondern umfasst vielmehr alle Abwandlungen, alternativen Konstruktionen und Äquivalente davon.
Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden wird nun im Detail auf spezielle Ausführungsformen oder Merkmale Bezug genommen, für die Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind. Im Allgemeinen werden, wo immer möglich, innerhalb der Zeichnungen dieselben Bezugszeichen verwendet, um auf gleiche oder entsprechende Teile zu verweisen.
1 veranschaulicht schematisch einen elektrischen Antrieb 100, der eingesetzt werden kann, um Leistung zwischen einer Leistungsquelle 102 und einer Last 104 zu kommunizieren, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Leistungsquelle 102 kann eine primäre Leistungsquelle, etwa einen Dieselmotor, einen Benzinmotor, einen Erdgasmotor, oder eine beliebige andere Quelle mechanischer oder Drehenergie umfassen, die gewöhnlich in Verbindung mit mobilen Werkzeugen, Industriemaschinen, und dergleichen verwendet werden. Die Leistungsquelle 102 kann alternativ eine primäre Leistungsquelle umfassen, die in Verbindung mit stationären Anwendungen verwendet wird, etwa Windkraftturbinen, hydroelektrische Dämme, Batterien, Brennstoffzellen oder eine beliebige andere geeignete Energiequelle. Die Last 104 kann eine oder mehrere Einrichtungen oder Komponenten umfassen, die elektrische Leistung empfangen. Zum Beispiel kann in Bezug auf industrielle Arbeitsmaschinen oder mobile Arbeitsfahrzeuge die Last 104 einen oder mehrere Motoren zum Betreiben von Werkzeugen der Maschine und/oder einen oder mehrere Traktionsmotoren umfassen, um eine Bewegung des Fahrzeugs zu veranlassen.
Darüber hinaus kann mechanische Energie, die von der Leistungsquelle 102 geliefert wird, durch den elektrischen Antrieb 100 zur Verwendung durch die Last 104 in elektrische Leistung umgewandelt werden. Umgekehrt kann elektrische Leistung, die von der Last 104 und/oder dem elektrischen Antrieb 100 geliefert wird, zum Antrieb von mechanischer Leistung an die Leistungsquelle 102 geliefert werden. In einem in 2 dargestellten Beispiel kann eine Maschine 106 den elektrischen Antrieb 100 einsetzen, um Leistung zwischen der Leistungsquelle 102 und den Lasten 104 zu kommunizieren. Obwohl die Maschine 106 als ein Radlader veranschaulicht wird, kann die Maschine 106 ein beliebiger anderer Typ sein. So wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Begriff ”Maschine” auf eine mobile Maschine, die einen angetriebenen Betrieb ausführt, der eine physische Bewegung umfasst, die einer bestimmten Industrie zugeordnet ist, ohne Einschränkung etwa Landschaftsgestaltung, Bau, Bergbau, Landwirtschaft, Transport, Forstwirtschaft etc.
Nicht einschränkende Beispiele für Maschinen umfassen kommerzielle und industrielle Maschinen, etwa Lader, Schlepper, Motorgrader, Lastwagen, Erdbewegungsfahrzeuge, Bergbaufahrzeuge, Tieflöffelbagger, Materialhandhabungsgeräte, landwirtschaftliche Geräte und Maschinen, seegängige Schiffe, Straßenfahrzeuge und andere Typen von Maschinen, die in einer Arbeitsumgebung betrieben werden. Es sollte auch klar sein, dass die Maschine 106 hauptsächlich zum Zweck der Veranschaulichung dargestellt ist, um die Offenbarung der Merkmale verschiedener Ausführungsformen zu unterstützen, und dass 2 nicht alle Komponenten einer Maschine zeigt.
Erneut auf 1 und weiter auf 2 bezugnehmend, kann der elektrische Antrieb 100 mit der Leistungsquelle 102 durch eine geschaltete Reluktanz- oder SR-Maschine 108 oder dergleichen kommunizieren. Es können stattdessen jedoch auch andere Typen elektrischer Maschinen als die SR-Maschine 108 verwendet werden. Die SR-Maschine 108 kann einen Rotor 110 umfassen, der drehbar innerhalb eines fixierten Stators 112 angeordnet ist. Der Rotor 110 der SR-Maschine 108 kann starr und drehbar mit einem Ausgang der Leistungsquelle 102 über eine Kupplung 114 gekoppelt sein, oder in anderen Ausführungsformen über eine direkte Kurbelwelle, einen Getriebezug, einen Hydraulikkreis oder dergleichen. Jede Phase oder Phasenwicklung des Stators 112 der SR-Maschine 108 kann mit einem gemeinsamen Bus 116 des elektrischen Antriebs 100 über eine Wandlerschaltung 118 elektrisch gekoppelt sein.
In einem Generator-Betriebsmodus kann, wenn der Rotor 110 der SR-Maschine 108 innerhalb des Stators 112 durch die Leistungsquelle 102 gedreht wird, elektrischer Strom innerhalb des Stators 112 induziert und der Wandlerschaltung 118 zugeführt werden. Die Wandlerschaltung 118 kann ihrerseits die elektrischen Signale in die für die Verteilung an die elektrische Last 104 und/oder eine beliebige andere Vorrichtung über die gemeinsame Busleitung 116 geeignete Gleichstrom- oder DC-Spannung umwandeln. Der gemeinsame Bus 116 kann Anschlüsse 120, etwa positive oder negative oder Masseleitungen bereitstellen, über welche der gemeinsame Bus 116 eine Busspannung oder DC-Verbindungsspannung zwischen einer oder mehreren elektrisch parallelen Vorrichtungen des elektrischen Antriebs 100 kommunizieren kann.
Die Last 104 kann eine Schaltung zur Umwandlung der von der Wandlerschaltung 118 gelieferten Gleichspannung in geeignete elektrische Signale zum Betreiben einer oder mehrerer beliebiger dem elektrischen Antrieb 100 zugeordneter Vorrichtungen umfassen. Zusätzlich kann die SR-Maschine 108 während eines Motor-Betriebsmodus in der Lage sein, eine Drehung des Rotors 110 in Ansprechen auf elektrische Signale zu veranlassen, die von der gemeinsamen Busleitung 116 an den Stator 112 bereitgestellt werden.
Wie in 1 gezeigt kann die Wandlerschaltung 118 eine Reihe von Transistoren oder gattergesteuerten Schaltern 122 und Dioden 124 zur selektiven Aktivierung einer oder mehrerer Phasenwicklungen der SR-Maschine 108 umfassen. Eine SR-Maschine 108 mit drei Phasen kann zum Beispiel unter Verwendung einer Wandlerschaltung 118 mit sechs Schaltern 122 und sechs Dioden 124 zum selektiven Aktivieren und Deaktivieren jeder der drei Phasen der SR-Maschine 108 angesteuert werden. Es sind jedoch natürlich auch andere Konfigurationen für die SR-Maschine 108 möglich. Jeder der Schalter 122 kann des Weiteren über Gattersignale aktiviert oder deaktiviert werden, während eine externe oder sekundäre Leistungsquelle (nicht dargestellt) Leistung über die positiven und negativen Leitungen oder Anschlüsse 120 der gemeinsamen Busleitung 116 bereitstellen kann, um Strom durch die jeweils aktivierten Schalter 122 und Dioden 124 zu erzwingen. Zum Beispiel kann die sekundäre Leistungsquelle eine Batterie sein, obwohl natürlich auch andere geeignete Leistungsversorgungen möglich sind.
Noch immer bezugnehmend auf 1 kann der elektrische Antrieb 100 auch mit einem Steuersystem 126 versehen sein. Das Steuersystem 126 kann dazu ausgestaltet sein, eine Stellung des Rotors 110 der SR-Maschine 108 relativ zu dem Stator 112 zu bestimmen, und um den Betrieb der SR-Maschine 108 auf der Grundlage der bestimmten Rotorstellung zu steuern. Das Steuersystem 126 kann auch die Wandlerschaltung 118, zumindest ein Steuergerät 128 in Kommunikation mit dem gattergesteuerten Schaltern 122 der Wandlerschaltung 118, sowie einen Speicher 130 umfassen, der dem Steuergerät 128 zugeordnet und innerhalb und/oder außerhalb des Steuergeräts 128 vorgesehen ist.
Insbesondere kann das Steuergerät 128 elektrisch mit den Schaltern 122 auf eine Weise gekoppelt sein, die das Steuergerät 128 in die Lage versetzt, selektiv die Schalter 122 zu aktivieren und Strom durch die unterschiedlichen Phasen der SR-Maschine 108 zu führen, sowie auf eine Weise, die das Steuergerät 128 in die Lage versetzt, die elektrischen Eigenschaften der SR-Maschine 108 und der Bus- oder DC-Verbindungsspannung der gemeinsamen Busleitung 116 während des Betriebs der SR-Maschine 108 zu überwachen. Der Speicher 130 kann abrufbar einen oder mehrere Algorithmen, Maschinendaten, vorbestimmte Beziehungen zwischen unterschiedlichen Maschinenparametern, vorprogrammierte Modelle, etwa in Form von Nachschautabellen und/oder Kennfeldern, oder beliebige andere Informationen speichern, auf die das Steuergerät 128 zugreifen kann und die relevant für den Betrieb der SR-Maschine 108 sind.
Das Steuergerät 128 kann unter Verwendung eines oder mehrerer aus einem Prozessor, einem Mikroprozessor, einem digitalen Signalprozessor (DSP), einem feldprogrammierbaren Gatter-Array (FPGA), einem elektronischen Steuermodul, einer elektronischen Steuereinheit (ECU), oder einem beliebigen anderen geeigneten Mittel zur elektronischen Steuerung der Funktionalität des Steuersystems 126 implementiert werden. Das Steuergerät 128 kann dazu ausgestaltet sein, gemäß vorbestimmter Algorithmen und Anweisungssätzen zum Betreiben des elektrischen Antriebs 100 und der SR-Maschine 108 auf der Grundlage eines Betriebsmodus der SR-Maschine 108 oder anderer betrieblicher Eigenschaften des elektrischen Antriebs 100 zu arbeiten. Solche Algorithmen und Anweisungssätze können in den Speicher 130 vorprogrammiert und inkorporiert sein, der dem Steuergerät 128 zugeordnet ist oder für dieses zumindest zugänglich ist.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Im Allgemeinen ist die vorstehende Offenbarung nützlich in verschiedenen Anwendungen, die geschaltete Reluktanz- oder SR-Maschinen oder beliebige andere geeignete elektrische Maschine betreffen, die als Motoren und/oder Generatoren eingesetzt werden. Insbesondere können die offenbarten Systeme und Verfahren verwendet werden, um eine glattere, effektivere Steuerung von SR-Maschinen bereitzustellen und die Stabilität von SR-Maschinen bei kontinuierlicher Stromführung aufrechtzuerhalten, die in der Regel in Verbindung mit den elektrischen Antrieben von Leistungserzeugungsmaschinen, industriellen Arbeitsfahrzeugen, und weiteren Typen von stationären oder mobilen Maschinen eingesetzt werden. Die vorliegende Offenbarung kann auch mit weiteren Antrieben mit variabler Drehzahl implementiert werden, die gewöhnlich in Verbindung mit Industrie- oder Endverbraucher-Anwendungen verwendet werden. Die vorliegende Offenbarung kann des Weiteren mit integrierten Startern, Generatoren oder dergleichen verwendet werden, die gewöhnlich Automobil-, Luftfahrt- und anderen vergleichbaren mobilen Anwendungen zugeordnet sind.
Nun auf 3 und weiter auf 1 und 2 bezugnehmend, wird ein beispielhafter Algorithmus oder ein beispielhaftes Verfahren 140 zur Steuerung der SR-Maschine 108 bereitgestellt. Insbesondere kann das Verfahren 140 verwendet werden, um die SR-Maschine 108 zu steuern, wenn sich die SR-Maschine 108 in einem kontinuierlichen Stromführungsmodus befindet, und wenn die SR-Maschine 108 in und aus dem kontinuierlichen Stromführungsmodus übergeht. Es sollte klar sein, dass ein kombinierter Algorithmus zur Steuerung bei kontinuierlicher Stromführung und zur Steuerung außerhalb der kontinuierlichen Stromführung verwendet werden kann.
Bei Block 142 startet das Verfahren 140. Bei Block 144 bestimmt das Steuergerät 128, ob die SR-Maschine 108 sich in dem kontinuierlichen Stromführungsmodus befindet. Um zu bestimmen, ob die SR-Maschine 108 sich in dem kontinuierlichen Stromführungsmodus befindet, kann das Steuergerät 128 zum Beispiel zunächst einen Drehmomentausgang und eine Rotordrehzahl der SR-Maschine 108 bestimmen.
Der Drehmomentausgang und die Rotordrehzahl der SR-Maschine 108 können durch Kodierer oder Sensoren, etwa Rotorstellungssensoren, Rotordrehzahlsensoren, oder dergleichen bestimmt werden, die dazu geeignet sind, Sensorsignale zu erzeugen, die der Drehzahl und/oder Stellung des Rotors 110 relativ zu dem Stator 112 entsprechen, und die Sensorsignale an einen Eingang des Steuergeräts 128 zu kommunizieren. Die Sensoren können einen variablen Reluktanzsensor, einen Kapazitätssensor, einen Hall-Effekt-Sensor, einen anisotropen Magnetwiderstands-Sensor oder dergleichen umfassen. Die Sensoren können auch Mittel zur Messung von einem oder mehreren aus Busspannung, Strom durch eine oder mehrere Phasen des Stators 112 oder Maschinenstrom und dergleichen umfassen. Alternativ können ein oder mehrere Parameter aus Drehmomentausgang, Rotordrehzahl, Rotorstellung, Busspannung und Maschinenstrom durch sensorlose Mittel durch das Steuergerät 128 abgeschätzt oder abgeleitet werden, statt durch Kodierer oder Sensoren gemessen zu werden.
Auf der Grundlage des bestimmten Drehmomentausgangs und der bestimmten Rotordrehzahl kann das Steuergerät 128 einen Betriebsmodus der SR-Maschine 108 bestimmen. Zum Beispiel kann das Steuergerät 128 den bestimmten Drehmomentausgang und die bestimmte Rotordrehzahl mit vorbestimmten Niveaus des Drehmomentausgangs und der Rotordrehzahl vergleichen, die dem kontinuierlichen Stromführungsmodus zugeordnet sind, der für einen Typ der SR-Maschine 108 spezifisch ist. Die vorbestimmten Niveaus des Drehmomentausgangs und der Rotordrehzahl können in dem Speicher 130, der dem Steuergerät 128 zugeordnet ist, etwa in Nachschautabellen oder Kennfeldern gespeichert sein. Wenn der bestimmte Drehmomentausgang und die bestimmte Rotordrehzahl beide über den vorbestimmten Niveaus liegen, kann das Steuergerät 128 dann bestimmen, dass die SR-Maschine 108 sich in dem kontinuierlichen Stromführungsmodus befindet.
Wenn das Steuergerät 128 bestimmt, dass sich die SR-Maschine 108 nicht in dem kontinuierlichen Stromführungsmodus befindet, kehrt das Verfahren 140 zum Start bei Block 142 zurück, um weiter zu überwachen, wann die SR-Maschine 108 in den oder aus dem kontinuierlichen Stromführungsmodus übergeht. Wenn das Steuergerät 128 bestimmt, dass sich die SR-Maschine 108 in dem kontinuierlichen Stromführungsmodus befindet, geht das Verfahren 140 weiter auf Block 146 über. Bei Block 146 können Steuereingangsparameter der SR-Maschine 108 eingestellt werden, wenn die SR-Maschine 108 sich in dem kontinuierlichen Stromführungsmodus befindet, um eine stabile Steuerung der SR-Maschine 108 in dem kontinuierlichen Stromführungsmodus und beim Übergang in den und aus dem kontinuierlichen Stromführungsmodus sicherzustellen.
Die Steuereingangsparameter der SR-Maschine 108 können einen Strombefehl, einen Theta-Ein-Winkel, und einen Theta-Aus-Winkel umfassen, die von dem Steuergerät 128 an die Vielzahl von Gattern oder Schaltern 122 der Wandlerschaltung 118 gesendet werden. Das Steuergerät 128 kann dazu ausgestaltet sein, die SR-Maschine 108 zu steuern, indem die Vielzahl von Gattern oder Schaltern 122 der Wandlerschaltung 118 in Übereinstimmung mit dem Strombefehl, dem Theta-Ein-Winkel und dem Theta-Aus-Winkel angesteuert wird. Der Strombefehl kann einen Zielstrom für jede Phase der SR-Maschine 108 umfassen, der einem gegebenen Drehmoment und einer gegebenen Rotordrehzahl entspricht. Der Zielstrom kann einem mittleren Strom entsprechen, den ein Stromregler des elektrischen Antriebs 100 während des Betriebs der SR-Maschine 108 zu erreichen versuchen kann. Der Theta-Ein-Winkel kann einem Winkel entsprechen, bei dem Spannung an jede Phase der SR-Maschine 108 angelegt werden kann, um die Schalter 122 einzuschalten oder zu öffnen. Der Theta-Aus-Winkel kann einem Winkel entsprechen, bei dem eine umgekehrte Spannung an jede Phase der SR-Maschine 108 angelegt werden kann, um die Schalter 122 auszuschalten oder zu schließen.
Bei Block 146 kann eine Verweilperiode des Theta-Ein-Winkels und des Theta-Aus-Winkels fixiert werden, wenn die SR-Maschine 108 sich in dem kontinuierlichen Stromführungsmodus befindet und/oder in den oder aus dem kontinuierlichen Stromführungsmodus übergeht. So wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Begriff "Verweilperiode" auf eine Winkeldifferenz zwischen dem Theta-Ein-Winkel und dem Theta-Aus-Winkel. Zum Beispiel kann die Verweilperiode durch Subtrahieren des Theta-Ein-Winkels von dem Theta-Aus-Winkel, oder umgekehrt, bestimmt werden. Die Verweilperiode des Theta-Ein-Winkels und des Theta-Aus-Winkels kann einem Leitungsfenster entsprechen, in dem die Spannung an jede Phase der SR-Maschine 108 angelegt wird und die Schalter 122 offen sind.
Zum Beispiel kann Verweilperiode größer oder gleich 180 Grad sein. So wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Begriff ”fixierte Verweilperiode” auf eine Winkeldifferenz zwischen dem Theta-Ein-Winkel und dem Theta-Aus-Winkel, die sich über die Zeit nicht verändert. Zum Beispiel kann die fixierte Verweilperiode auch eine konstante Verweilperiode sein, die sich über eine vorbestimmte Zeitperiode nicht ändert. Daher ist, anstatt das Leitungsfenster bei kontinuierlicher Stromführung präzise zu manipulieren, die Verweilperiode des Theta-Ein-Winkels und des Theta-Aus-Winkels fixiert und bleibt während des kontinuierlichen Stromführungsmodus konstant. Die Verweilperiode ändert sich nicht mit der Drehzahl oder dem Drehmoment, sobald die SR-Maschine 108 sich im kontinuierlichen Stromführungsmodus befindet.
In einem Beispiel kann die fixierte Verweilperiode gleich etwa 185 Grad sein. In einem weiteren Beispiel kann die fixierte Verweilperiode gleich etwa 182 Grad sein. In noch einem weiteren Beispiel kann die fixierte Verweilperiode gleich etwa 181 Grad sein. Ein Wert der fixierten Verweilperiode kann eine Funktion der Konstruktion der SR-Maschine sein. Zum Beispiel kann sich die Konstruktion der SR-Maschine auf Komponenten wie etwa, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, eine Einbaulänge oder axiale Länge der SR-Maschine, einen Außendurchmesser der SR-Maschine, und eine Anzahl der Statorpole und -zähne beziehen. Der Wert der fixierten Verweilperiode kann beeinflussen, ob die kontinuierliche Stromführung erreicht ist, und auch, bei welchem Lastwert die kontinuierliche Stromführung einsetzt. Ein Wert von mehr als 180 Grad kann die SR-Maschine bei einer höheren Last und einer höheren Drehzahl in den kontinuierlichen Stromführungsmodus versetzen.
Darüber hinaus können durch die fixierte Verweilperiode bei kontinuierlicher Stromführung der Theta-Ein-Winkel und der Theta-Aus-Winkel fixiert werden und während einer gesamten Periode, für die die SR-Maschine im kontinuierlichen Stromführungsmodus ist, bei konstanten Werten bleiben. Alternativ können der Theta-Ein-Winkel und der Theta-Aus-Winkel während des kontinuierlichen Stromführungsmodus nicht fixiert werden oder können nicht konstant sein, so lange die Verweilperiode zwischen dem Theta-Ein-Winkel und dem Theta-Aus fixiert bleibt. Daher können sich der Theta-Ein-Winkel und der Theta-Aus-Winkel bei kontinuierlicher Stromführung ändern oder variieren, während die Winkeldifferenz dazwischen konstant bleibt.
Bei Block 148 betreibt das Steuergerät 128 den elektrischen Antrieb 100 in Übereinstimmung mit dem Strombefehl und der fixierten Verweilperiode des Theta-Ein-Winkels und des Theta-Aus-Winkels. Mit der fixierten Verweilperiode bei kontinuierlicher Stromführung der SR-Maschine 108 steuert das Steuergerät 128 eine Leistungsabgabe der SR-Maschine 108 nicht länger durch Steuern einer Breite und eines Auftretens des Leitungsfensters. Während die Verweilperiode fixiert ist, ist der Strombefehl nicht fixiert. Das Steuergerät 128 steuert die Leistungsabgabe der SR-Maschine 108 nur in Übereinstimmung mit dem Strombefehl. Somit ist das Steuergerät dazu ausgestaltet, die Leistungsabgabe der SR-Maschine zu verwalten oder einzustellen, indem nur der Strombefehl variiert wird, wenn die SR-Maschine sich in dem kontinuierlichen Stromführungsmodus befindet. Dadurch werden Leistungssprünge der SR-Maschine bei kontinuierlicher Stromführung minimiert. Mit der fixierten Verweilperiode führen geringfügigen Änderungen des Stroms zu geringfügigen Veränderungen der Leistung, und die Intensität der Leistungssprünge wird beträchtlich verringert.
Nun auf 4 und weiter auf 1 und 3 bezugnehmend, wird ein weiterer beispielhafter Algorithmus oder ein weiteres beispielhaftes Verfahren 150 zur Steuerung der SR-Maschine 108 bereitgestellt. Ähnlich dem Verfahren 140 in 3 startet das Verfahren 150 bei Block 152, und das Steuergerät 128 bestimmt bei Block 154, ob sich die SR-Maschine 108 in dem kontinuierlichen Stromführungsmodus befindet. Wenn der bestimmte Drehmomentausgang und die bestimmte Rotordrehzahl beide über den vorbestimmten Niveaus liegen, kann das Steuergerät 128 bei Block 154 zum Beispiel bestimmen, dass die SR-Maschine 108 sich in dem kontinuierlichen Stromführungsmodus befindet. Wenn das Steuergerät 128 bei Block 156 bestimmt, dass die SR-Maschine 108 sich im kontinuierlichen Stromführungsmodus befindet, kann das Steuergerät 128 aus dem Speicher 130 die Steuereingangsparameter für die SR-Maschine 108 für den Betrieb während des kontinuierlichen Stromführungsmodus abrufen.
Zum Beispiel können der Strombefehl und die fixierte Verweilperiode des Theta-Ein-Winkels und des Theta-Aus-Winkels für den kontinuierlichen Stromführungsmodus und/oder den Übergang in den und aus dem kontinuierlichen Stromführungsmodus in Drehmoment-Drehzahl-Nachschaukennfeldern bereitgestellt werden, die in dem Speicher 130 gespeichert sind, der dem Steuergerät 128 zugeordnet ist. Es sind jedoch natürlich auch weitere Konfigurationen zur Bereitstellung des Strombefehls und der fixierten Verweilperiode möglich. Die Drehmoment-Drehzahl-Nachschaukennfelder können in den Speicher 130 vorprogrammiert sein und sich auf verschiedene Betriebsmodi der SR-Maschine beziehen. Die Nachschaukennfelder können auf unterschiedliche Steuerergebnisse optimiert sein, was, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, maximale Effizienz, minimale Drehmomentwelligkeit und dergleichen umfasst. Darüber hinaus können die Nachschaukennfelder mehr als ein Steuerungsverfahren enthalten.
Alternativ können Drehmoment-Drehzahl-Nachschautabellen oder andere geeignete programmierbare Beziehungen verwendet werden, um den Strombefehl und die fixierte Verweildauer bei kontinuierlichem Stromfluss zu speichern. Wenn das Steuergerät 128 bestimmt, dass sich die SR-Maschine in dem kontinuierlichen Stromführungsmodus befindet, ruft das Steuergerät 128 außerdem die Steuereingangsparameter aus den Nachschaukennfeldern, Tabellen oder Beziehungen ab, die in dem Speicher 130 gespeichert sind. Bei Block 158 betreibt das Steuergerät 128 den elektrischen Antrieb 100 auf der Grundlage der abgerufenen Steuereingangsparameter. Insbesondere steuert das Steuergerät 128 die Vielzahl von gattergesteuerten Schaltern 122 der Wandlerschaltung 118 in Übereinstimmung mit dem Strombefehl und der fixierten Verweilperiode des Theta-Ein-Winkels und des Theta-Aus-Winkels (an).
Es sollte klar sein, dass die Flussdiagramme in 3 und 4 rein beispielhaft zur Unterstützung der Offenbarung bestimmter Merkmale gezeigt sind, und dass mehr oder weniger Schritte als gezeigt in derselben oder einer anderen Reihenfolge in das Verfahren einbezogen werden können, entsprechend den verschiedenen, oben beschriebenen Merkmalen, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Durch Anwenden der fixierten Verweilperiode der Theta-Ein/Aus-Winkel auf die Gatter der Wandlerschaltung, wenn die SR-Maschine sich in dem kontinuierlichen Stromführungsmodus befindet, verwalten das Steuergerät des offenbarten elektrischen Antriebs und das Verfahren die Leistungsabgabe der SR-Maschine, indem sie nur den Strombefehl variieren. Dadurch verringern der offenbarte elektrische Antrieb und das entsprechende Verfahren plötzliche Leistungssprünge beträchtlich, etwa im kontinuierlichen Stromführungsmodus, während des Übergangs von Teillast auf den kontinuierlichen Stromführungsmodus, und während Übergängen in den und aus dem kontinuierlichen Stromführungsmodus. Als ein Ergebnis werden ein konstanter Betrieb und eine stabile Steuerung der SR-Maschine bei kontinuierlicher Stromführung erreicht. Obwohl hierin offenbart wird, dass die fixierte Verweilperiode auf den kontinuierlichen Stromführungsmodus angewendet wird, sollte klar sein, dass die fixierte Verweilperiode auch auf andere Betriebsmodi der SR-Maschine verwendet werden kann, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
Obwohl die vorstehende detaillierte Beschreibung in Bezug auf bestimmte spezifische Ausführungsformen gegeben und bereitgestellt wurde, ist doch klar, dass der Umfang der Offenbarung nicht auf diese Ausführungsformen begrenzt werden kann, sondern diese einfach zur Erläuterung und zur Darstellung der besten Ausführungsformen gegeben wurden. Die Breite und der Geist der vorliegenden Offenbarung gehen weiter als die im Besonderen offenbarten Ausführungsformen und werden von den beigefügten Ansprüchen eingegrenzt. Während außerdem einige Merkmale in Verbindung mit bestimmten spezifischen Ausführungsformen beschrieben werden, sind diese Merkmale nicht auf die Verwendung nur mit jener Ausführungsform, mit der sie beschrieben werden, begrenzt, sondern können stattdessen zusammen mit oder getrennt von anderen, in Verbindung mit alternativen Ausführungsformen offenbarten Merkmalen verwendet werden.

Claims

Steuersystem (126) für eine geschaltete Reluktanz- oder SR-Maschine (108) mit einem Rotor (110) und einem Stator (112), wobei das Steuersystem (126) umfasst: eine Wandlerschaltung (118), die wirkmäßig mit dem Stator (112) gekoppelt ist und eine Vielzahl von Gattern (122) in selektiver Kommunikation mit jeder Phase des Stators (112) umfasst; und ein Steuergerät (128) in Kommunikation mit dem Stator (112) und der Wandlerschaltung (118), wobei das Steuergerät (128) dazu ausgestaltet ist, eine fixierte Verweilperiode eines Theta-Ein-Winkels und eines Theta-Aus-Winkels an die Vielzahl von Gattern (122) zu verfügen, wenn die SR-Maschine (108) sich in einem kontinuierlichen Stromführungsmodus befindet.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät (128) dazu ausgestaltet ist, eine Leistungsabgabe der SR-Maschine (108) in dem kontinuierlichen Stromführungsmodus in Übereinstimmung mit einem Strombefehl an die Vielzahl von Gattern (122) zu steuern.
Steuersystem nach Anspruch 2, wobei der Strombefehl nicht fixiert ist, wenn die SR-Maschine (108) sich in dem kontinuierlichen Stromführungsmodus befindet.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei der Theta-Ein-Winkel und der Theta-Aus-Winkel fixiert sind, wenn die SR-Maschine (108) sich in dem kontinuierlichen Stromführungsmodus befindet.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei der Theta-Ein-Winkel und der Theta-Aus-Winkel nicht fixiert sind, wenn die SR-Maschine (108) sich in dem kontinuierlichen Stromführungsmodus befindet.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät (128) dazu ausgestaltet ist, zu bestimmen, wann sich die SR-Maschine (108) in einem kontinuierlichen Stromführungsmodus befindet.
Steuersystem nach Anspruch 6, wobei das Steuergerät (128) dazu ausgestaltet ist, den kontinuierlichen Stromführungsmodus der SR-Maschine (108) auf der Grundlage eines Drehmomentausgangs und einer Rotordrehzahl der SR-Maschine (108) zu bestimmen.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei die fixierte Verweilperiode größer als 180 Grad ist.
Steuersystem nach Anspruch 8, wobei die fixierte Verweilperiode etwa 185 Grad ist.
Elektrischer Antrieb (100), umfassend: eine geschaltete Reluktanz- oder SR-Maschine (108) mit einem Stator (112) und einem Rotor (110), der relativ zu dem Stator (112) drehbar angeordnet ist; eine Wandlerschaltung (118), die wirkmäßig mit dem Stator (112) gekoppelt ist und eine Vielzahl von Gattern (122) in selektiver Kommunikation mit jeder Phase des Stators (112) umfasst; und ein Steuergerät (128) in Kommunikation mit dem Stator (112) und der Wandlerschaltung (118), wobei das Steuergerät (128) dazu ausgestaltet ist, die Vielzahl von Gattern (122) während eines kontinuierlichen Stromführungsmodus in Übereinstimmung mit einem Strombefehl und einer konstanten Verweilperiode eines Theta-Ein-Winkels und eines Theta-Aus-Winkels zu steuern.
Elektrischer Antrieb nach Anspruch 10, wobei das Steuergerät (128) dazu ausgestaltet ist, eine Leistungsabgabe der SR-Maschine (108) während des kontinuierlichen Stromführungsmodus zu verwalten, indem es nur den Strombefehl an die Vielzahl von Gattern (122) variiert.
Elektrischer Antrieb nach Anspruch 10, wobei der Strombefehl und die konstante Verweilperiode des Theta-Ein-Winkels und des Theta-Aus-Winkels während des kontinuierlichen Stromführungsmodus in Drehmoment-Drehzahl-Nachschau-Kennfeldern bereitgestellt werden, die in einem dem Steuergerät (128) zugeordneten Speicher (130) gespeichert sind.
Elektrischer Antrieb nach Anspruch 10, wobei der Theta-Ein-Winkel und der Theta-Aus-Winkel während des kontinuierlichen Stromführungsmodus konstant sind.
Elektrischer Antrieb nach Anspruch 10, wobei der Theta-Ein-Winkel und der Theta-Aus-Winkel während des kontinuierlichen Stromführungsmodus nicht konstant sind.
Verfahren (140) zur Steuerung einer geschalteten Reluktanz- oder SR-Maschine (108), die einen Rotor (110), einen Stator (112), eine Wandlerschaltung (118), die wirkmäßig mit dem Stator (112) gekoppelt ist und eine Vielzahl von Gattern (122) in selektiver Kommunikation mit jeder Phase des Stators (112) umfasst, und ein Steuergerät (128) in Kommunikation mit dem Stator (112) und der Wandlerschaltung (118) aufweist, wobei das Verfahren (140) umfasst: dass das Steuergerät (128) einen kontinuierlichen Stromführungsmodus der SR-Maschine (108) bestimmt; und wenn die SR-Maschine (108) im kontinuierlichen Stromführungsmodus ist, das Steuergerät (128) die Vielzahl von Gattern (122) der Wandlerschaltung (118) in Übereinstimmung mit einem Strombefehl und einer fixierten Verweilperiode eines Theta-Ein-Winkels und eines Theta-Aus-Winkels steuert.
Verfahren nach Anspruch 15, des Weiteren umfassend, dass das Steuergerät (128) eine Leistungsabgabe der SR-Maschine (108) durch Variieren nur des Strombefehls einstellt, wenn die SR-Maschine (108) sich in dem kontinuierlichen Stromführungsmodus befindet.
Verfahren nach Anspruch 16, des Weiteren umfassend das Bereitstellen des Strombefehls und der konstanten Verweilperiode des Theta-Ein-Winkels und des Theta-Aus-Winkels während des kontinuierlichen Stromführungsmodus in Drehmoment-Drehzahl-Nachschau-Kennfeldern, die in einem dem Steuergerät (128) zugeordneten Speicher (130) gespeichert sind.
Verfahren nach Anspruch 16, des Weiteren umfassend, dass das Steuergerät (128) eine Rotordrehzahl und einen Drehmomentausgang der SR-Maschine (108) bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 18, des Weiteren umfassend, dass das Steuergerät (128) den kontinuierlichen Stromführungsmodus der SR-Maschine (108) auf der Grundlage der bestimmten Rotordrehzahl und des bestimmten Drehmomentausgangs der SR-Maschine (108) bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 16, des Weiteren umfassend, dass das Steuergerät (128) die Stabilität der SR-Maschine (108) beim Übergang in den und aus dem kontinuierlichen Stromführungsmodus aufrechterhält, indem es die Vielzahl von Gattern (122) in Übereinstimmung mit der fixierten Verweilperiode des Theta-Ein-Winkels und des Theta-Aus-Winkels ansteuert.