DE112018001130T5 - Motorsteuerungsverfahren, motorsteuerungssystem und elektronisches servolenkungssystem - Google Patents

Abstract

Ein Motorsteuerungsverfahren weist auf: einen Schritt zum Erhalten eines resultierenden Magnetflusses, eines Statorstroms und einer Statorspannung, die durch einen Phasor dargestellt sind, in Bezug auf ein festes α-β-Koordinatensystem oder ein rotierendes d-q-Koordinatensystem, einen Schritt zum Berechnen eines Winkels (ϕ) zwischen dem Statorstrom und der Statorspannung, einen Schritt zum Berechnen eines Drehmomentwinkels (δ) gemäß Gleichung 1:[Mathematische Gleichung 1]wobei L eine Ankerinduktivität ist, Ψeinen Betrag des resultierenden Magnetflusses angibt und Ieinen Betrag des Statorstroms angibt, und einen Schritt zum Steuern eines Motors basierend auf dem Drehmomentwinkel (δ).

Description

• [Technisches Gebiet]
• Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Motorsteuerungsverfahren, ein Motorsteuerungssystem und ein elektronisches Servolenkungssystem.
• [Hintergrundtechnik]
• In letzter Zeit ist ein elektrisches Antriebssystem in verschiedenen Anwendungen weit verbreitet eingesetzt worden. Ein Beispiel für das elektrische Antriebssystem kann ein Motorsteuerungssystem aufweisen. Das Motorsteuerungssystem steuert beispielsweise einen Elektromotor (nachfolgend als „Motor“ bezeichnet) unter Verwendung einer Vektorsteuerung/-regelung. Die Vektorsteuerung/-regelung weist beispielsweise auf: ein Verfahren, das einen Stromsensor und einen Positionssensor verwendet (nachfolgend als „Sensorsteuerung“ bezeichnet), und ein Verfahren, welches nur einen Stromsensor verwendet (nachfolgend als „sensorlose Steuerung“ bezeichnet). In der Sensorsteuerung wird eine Rotorposition (nachfolgend als „Rotorwinkel“ bezeichnet) basierend auf einem Messwert des Positionssensors berechnet. Andererseits wird bei der sensorlosen Steuerung ein Rotorwinkel basierend auf einem vom Stromsensor gemessenen Strom oder dergleichen geschätzt.
• Im Allgemeinen werden Drehmomentinformationen für die Vektorsteuerung/- regelung benötigt. So kann beispielsweise ein Drehmoment basierend auf einem Drehmomentwinkel des Motors berechnet werden. Insbesondere bei der sensorlosen Steuerung ist es erforderlich, einen Rotorwinkel basierend auf einem Drehmomentwinkel zu schätzen. Wie vorstehend beschrieben, ist es unerlässlich, den Drehmomentwinkel präzise zu ermitteln, um die Genauigkeit der Vektorsteuerung/- regelung zu verbessern. So ist beispielsweise bekannt, dass der Drehmomentwinkel in der Sensorsteuerung unter Verwendung einer Variablen in einem rotierenden d-q-Koordinatensystem berechnet werden kann. Der Drehmomentwinkel wird auch als Lastwinkel bezeichnet.
• Patentdokument 1 offenbart eine sensorlose Steuerung zum Schätzen eines Drehmomentwinkels unter Verwendung eines sogenannten Beobachters. Insbesondere schätzt der Beobachter einen Rotorwinkel basierend auf einem von einem Stromsensor gemessenen Stromwert und schätzt auch einen Rückkopplungsdrehmomentwinkel basierend auf dem geschätzten Rotorwinkel. Patentdokument 2 offenbart eine Betriebsgleichung zum Erhalten eines Drehmomentwinkels basierend auf einem geschätzten Drehmomentwert.
• [DOKUMENTE DES STANDES DER TECHNIK]
• [PATENTDOKUMENT]
• Patentdokument 1: Japanische Übersetzung der Veröffentlichung der internationalen PCT-Anmeldung Nr. 2007-525137
• Patentdokument 2: Beschreibung der veröffentlichten chinesischen Patentanmeldung Nr. 103684169
• [NICHT-PATENT-DOKUMENTE]
• Ghaderi, Ahmad und Tsuyoshi Hanamoto. „Wide-speed-range sensorless vector control of synchronous reluctance motors based on extended programmable cascaded low-pass filters." IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 58, Nr. 6, (Juni 2011), S. 2322-2333.
• [Offenbarung]
• [Technische Aufgabe]
• Es gibt einen Fall, in dem eine Berechnung eines Drehmomentwinkels basierend auf Variablen in einem rotierenden d-q-Koordinatensystem, das für eine Sensorsteuerung verwendet wird, für eine sensorlose Steuerung nicht anwendbar ist. Der Grund dafür ist wie folgt. Das rotierende d-q-Koordinatensystem ist ein rotierendes Koordinatensystem, das sich zusammen mit einem Rotor dreht und ist ein Koordinatensystem, das basierend auf einem Rotorwinkel und einer Drehzahl eingestellt wird. Andererseits gibt es bei der sensorlosen Steuerung einen Fall, in dem ein Drehmomentwinkel zur Schätzung eines Rotorwinkels benötigt wird. In diesem Fall ist in der sensorlosen Steuerung ein Verfahren zur Berechnung eines Drehmomentwinkels erforderlich, das nicht von Variablen im rotierenden d-q-Koordinatensystem abhängt.
• Eine sensorlose Steuerung zum Schätzen eines Drehmomentwinkels unter Verwendung eines Beobachters, das im Patentdokument 1 offenbart ist, erfordert in der Regel verschiedene Parameter (z.B. Ankerinduktivität und -reaktanz) in Bezug auf einen Motor und wird stark von den Parametern beeinflusst. So wird beispielsweise in Patentdokument 1 beschrieben, dass die Schätzung unter Verwendung des Beobachters stark von einem Anfangswert und insbesondere einer Rauschkovarianzmatrix abhängt. Infolgedessen ist es wahrscheinlich, dass ein Motor bei falscher Auswahl von Wert und Matrix instabil gesteuert/geregelt wird. Darüber hinaus erfordert die Schätzung durch den Beobachter eine kompliziertere Berechnung. Daher besteht ein Problem darin, dass eine Rechenlast eines Computers erhöht wird. Aus diesem Grund ist ein Verfahren zum Schätzen eines Drehmomentwinkels erforderlich, das in der sensorlosen Steuerung keine besonders komplizierte Berechnung erfordert.
• Die vorliegende Offenbarung zielt darauf ab, ein neuartiges Motorsteuerungsverfahren, das in der Lage ist, einen Drehmomentwinkel unabhängig von Variablen in einem rotierenden d-q-Koordinatensystem in einer sensorlosen Steuerung zu schätzen, ein Motorsteuerungssystem und ein elektronisches Servolenkungssystem, das das Motorsteuerungssystem aufweist, bereitzustellen.
• [Technische Lösung]
• Ein beispielhaftes Motorsteuerungsverfahren der vorliegenden Offenbarung ist ein Motorsteuerungsverfahren zum Steuern/Regeln eines Oberflächenpermanentmagnetmotors, wobei das Motorsteuerungsverfahren aufweist: einen Schritt zum Erhalten eines resultierenden Magnetflusses, eines Statorstroms und einer Statorspannung, die durch einen Phasor dargestellt sind, in Bezug auf ein festes α-β-Koordinatensystem oder ein rotierendes d-q-Koordinatensystem, einen Schritt zum Berechnen eines Winkels (ϕ) zwischen dem Statorstrom und der Statorspannung, einen Schritt zum Berechnen eines Drehmomentwinkels (δ) gemäß Gleichung 1:
  [Mathematische Gleichung 1] $$\mathrm{\delta }={\text{cot}}^{-1}\left({\mathrm{\psi }}_{\text{s}}/\left({\text{LI}}_{\text{s}}\text{cos}\left(\mathrm{\varphi }\right)\right)-\text{tan}\left(\mathrm{\varphi }\right)\right)$$

  

  wobei L eine Ankerinduktivität ist, Ψ_s einen Betrag des resultierenden Magnetflusses angibt und I_s einen Betrag des Statorstroms angibt, und einen Schritt zum Steuern eines Motors basierend auf dem Drehmomentwinkel (δ).
• Ein beispielhaftes Motorsteuerungssystem der vorliegenden Offenbarung weist auf: einen Oberflächenpermanentmagnetmotor und eine Steuerungsschaltung, die zum Steuern des Oberflächenpermanentmagnetmotors konfiguriert ist, wobei die Steuerungsschaltung erhält: einen resultierenden Magnetfluss, einen Statorstrom und eine Statorspannung, die durch einen Phasor dargestellt sind, in Bezug auf ein festes α-β-Koordinatensystem oder ein rotierendes d-q-Koordinatensystem, einen Winkel (Φ) zwischen dem Statorstrom und der Statorspannung berechnet, einen Drehmomentwinkel (δ) gemäß Gleichung 2 berechnet: $$\mathrm{\delta }={\text{cot}}^{-1}\left({\mathrm{\psi }}_{\text{s}}/\left({\text{LI}}_{\text{s}}\text{cos}\left(\mathrm{\varphi }\right)\right)-\text{tan}\left(\mathrm{\varphi }\right)\right)$$

  

  wobei L eine Ankerinduktivität ist, Ψ_s einen Betrag des resultierenden Magnetflusses angibt und I_s einen Betrag des Statorstroms angibt, und einen Motor basierend auf dem Drehmomentwinkel (δ) steuert.
• [Vorteilhafte Effekte]
• Gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind bereitgestellt: ein neuartiges Motorsteuerungsverfahren, das in der Lage ist, einen Drehmomentwinkel unabhängig von Variablen in einem rotierenden d-q-Koordinatensystem in einer sensorlosen Steuerung zu schätzen, ein Motorsteuerungssystem und ein elektronisches Servolenkungssystem, das das Motorsteuerungssystem aufweist.
• Figurenliste
• 1 ist ein Blockdiagramm, das einen Hardwareblock eines Motorsteuerungssystems (1000) gemäß Ausführungsform 1 darstellt.
• 2 ist ein Blockdiagramm, das eine Hardwarekonfiguration eines Wechselrichters 300 des Motorsteuerungssystems (1000) gemäß Ausführungsform 1 darstellt.
• 3 ist ein Blockdiagramm, das einen Hardwareblock eines Motorsteuerungssystems 1000 gemäß einem modifizierten Beispiel der Ausführungsform 1 darstellt.
• 4 ist ein Funktionsblockdiagramm, das einen Funktionsblock einer Steuerungseinheit 100 darstellt.
• 5 ist ein Phasor-Diagramm, das Variable (I_s , Ψ_s , ϕ und V_s ) zeigt.
• 6 ist ein Phasor-Diagramm, das einen resultierenden Magnetfluss (Ψ_s ) in einem festen α-β-Koordinatensystem oder einem rotierenden d-q-Koordinatensystem darstellt.
• 7 ist ein Phasor-Diagramm, das einen Rotormagnetfluss (Ψ_m ), einen Ankermagnetfluss (Ψ_a ) und einen resultierenden Magnetfluss (Ψ_s ) darstellt.
• 8 ist eine grafische Darstellung, die eine Wellenform eines Drehmoments (oben), Wellenformen von dreiphasigen Strömen (Mitte) und Wellenformen von dreiphasigen Spannungen (unten) innerhalb eines bestimmten Zeitraums darstellt.
• 9 ist eine grafische Darstellung, die eine Wellenform eines Drehmomentwinkels (Grad), der unter Verwendung einer Berechnungsgleichung der vorliegenden Offenbarung geschätzt wird, und eines Messwertes eines Drehmomentwinkels innerhalb einer bestimmten Zeitdauer zeigt.
• 10 ist eine schematische Darstellung, die eine typische Konfiguration eines elektrischen Servolenkungssystems (EPS-Systems) (2000) gemäß Ausführungsform 2 darstellt.
• [Modi der Erfindung]
• Nachfolgend werden Ausführungsformen eines Motorsteuerungsverfahrens, eines Motorsteuerungssystems und eines elektronischen Servolenkungssystems, das das Motorsteuerungssystem aufweist, gemäß der vorliegenden Offenbarung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es gibt jedoch Fälle, in denen eine unnötig detaillierte Beschreibung weggelassen wird. Damit soll verhindert werden, dass die folgende Beschreibung unnötig lang wird, um ein Verständnis für einen Fachmann auf dem Gebiet zu erleichtern. So entfallen in einigen Fällen beispielsweise detaillierte Beschreibungen von bereits bekannten Sachverhalten sowie eine redundante Beschreibung von Komponenten, die im Wesentlichen gleich sind.
• (Ausführungsform 1)
• [Konfiguration eines Motorsteuerungssystems 1000]
• 1 zeigt schematisch einen Hardwareblock eines Motorsteuerungssystems 1000 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
• Das Motorsteuerungssystem 1000 weist typischerweise auf: einen Motor M, eine Steuerungseinheit (Steuerungsschaltung) 100, eine Treiberschaltung 200, einen Wechselrichter (auch als „Wechselrichterschaltung“ bezeichnet) 300, eine Vielzahl von Stromsensoren 400, eine Analog-Digital-Wandlerschaltung (nachfolgend als „AD-Wandler“ bezeichnet) 500 und einen Nur-Lese-Speicher (ROM) 600. Das Motorsteuerungssystem 1000 kann modularisiert sein. So kann beispielsweise das Motorsteuerungssystem 1000 als Motormodul, das einen Motor, einen Sensor, einen Treiber und eine Steuerungseinheit aufweist, hergestellt und verkauft werden. Darüber hinaus wird in der vorliegenden Beschreibung das Motorsteuerungssystem 1000 am Beispiel eines Systems beschrieben, das den Motor M als Komponente aufweist. Das Motorsteuerungssystem 1000 kann jedoch ein System zum Antreiben des Motors M sein, das den Motor M nicht als Komponente aufweist.
• Der Motor M ist ein Oberflächenpermanentmagnetmotor (SPM-Motor), zum Beispiel ein Oberflächenpermanentmagnetsynchronmotor (SPMSM). Der Motor M weist dreiphasige Spulen (U-Phasenspule, V-Phasenspule und W-Phasenspule) (nicht dargestellt) auf. Die dreiphasigen Spulen sind elektrisch mit dem Wechselrichter 300 verbunden. Darüber hinaus beschränkt sich die vorliegende Offenbarung nicht auf einen Dreiphasenmotor, sondern auch Mehrphasenmotoren, wie ein Fünfphasenmotor und ein Siebenphasenmotor, sind vom Umfang der vorliegenden Offenbarung erfasst. In der vorliegenden Beschreibung werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung am Beispiel eines Motorsteuerungssystems zur Steuerung eines Dreiphasenmotors beschrieben.
• Die Steuerungseinheit 100 ist beispielsweise eine Mikrocontroller-Einheit (MCU). Alternativ kann die Steuerungseinheit 100 auch z.B. als Field Programmable Gate Array (FPGA), das mit einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) als Kern ausgestattet ist, implementiert sein.
• Die Steuerungseinheit 100 steuert die Gesamtheit des Motorsteuerungssystems 1000 und steuert beispielsweise Drehmoment und Drehzahl des Motors M über eine Vektorsteuerung/-regelung. Darüber hinaus beschränkt sich die vorliegende Offenbarung auch nicht auf die Vektorsteuerung/-regelung, sondern der Motor M kann auch durch andere Steuerungen/Regelungen gesteuert/geregelt werden. Die Drehzahl wird in Umdrehungen pro Minute (U/min bzw. rpm) ausgedrückt, bei denen sich ein Rotor für eine Zeiteinheit (z.B. für eine Minute) dreht, oder Umdrehungen pro Sekunde (U/s bzw. rps), bei denen sich der Rotor für eine Zeiteinheit (z.B. für eine Sekunde) dreht. Die Vektorsteuerung/-regelung ist ein Verfahren zum Unterteilen eines in einem Motor fließenden Stroms in eine Stromkomponente, die zur Erzeugung von Drehmoment beiträgt, und eine Stromkomponente, die zur Erzeugung eines Magnetflusses beiträgt, und zum unabhängigen Steuern/Regeln der Stromkomponenten orthogonal zueinander. Die Steuerungseinheit 100 stellt beispielsweise einen Soll-Stromwert gemäß einem von der Vielzahl von Stromsensoren 400 gemessenen Ist-Stromwert und einem auf Grundlage des Ist-Stromwertes geschätzten Rotorwinkel ein. Die Steuerungseinheit 100 erzeugt basierend auf dem Soll-Stromwert ein Pulsweitenmodulationssignal (PWM-Signal) und gibt das erzeugte PWM-Signal an die Treiberschaltung 200 aus.
• Die Treiberschaltung 200 ist z.B. ein Gate-Treiber. Die Treiberschaltung 200 erzeugt ein Steuerungssignal zum Steuern eines Schaltbetriebs eines Schaltelements im Wechselrichter 300 gemäß dem von der Steuerungseinheit 100 ausgegebenen PWM-Signal. Darüber hinaus kann, wie nachfolgend beschrieben, die Treiberschaltung 200 an der Steuerungseinheit 100 montiert sein.
• So wandelt beispielsweise der Wechselrichter 300 Gleichstromleistung (DC-Leistung), die von einer Gleichstromleistungsquelle (nicht dargestellt) geliefert wird, in Wechselstromleistung (AC-Leistung) um und treibt den Motor M mit der umgewandelten AC-Leistung an. So wandelt beispielsweise der Wechselrichter 300 DC-Leistung in dreiphasige AC-Leistung um, bei der es sich um eine pseudosinusförmige Welle handelt, die eine U-Phase, eine V-Phase und eine W-Phase aufweist, auf Grundlage eines Steuerungssignals, das von der Treiberschaltung 200 ausgegeben wird. Der Motor M wird durch die umgewandelte dreiphasige AC-Leistung angetrieben.
• Die Vielzahl von Stromsensoren 400 weist wenigstens zwei Stromsensoren auf, die dazu eingerichtet sind, wenigstens zwei Ströme zu erfassen, die in den U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasenspulen des Motors M fließen. In der vorliegenden Ausführungsform weist die Vielzahl von Stromsensoren 400 zwei Stromsensoren 400A und 400B (siehe 2) auf, die dazu eingerichtet sind, Ströme zu erfassen, die in der U-Phase und der V-Phase fließen. Natürlich kann die Vielzahl von Stromsensoren 400 drei Stromsensoren aufweisen, die dazu eingerichtet sind, drei Ströme zu erfassen, die in den U-Phasen-, V-Phasen und W-Phasenspulen fließen. So kann beispielsweise die Vielzahl von Stromsensoren 400 zwei Stromsensoren aufweisen, die dazu eingerichtet sind, Ströme zu erfassen, die in der V-Phase und der W-Phase fließen, oder Ströme, die in der W-Phase und der U-Phase fließen. Der Stromsensor weist beispielsweise einen Nebenschlusswiderstand und eine Stromdetektionsschaltung (nicht dargestellt) auf, die dazu eingerichtet ist, einen im Nebenschlusswiderstand fließenden Strom zu erfassen. Ein Widerstandswert des Nebenschlusswiderstandes beträgt z.B. ca. 0,1 Ω.
• Der AD-Wandler 500 tastet ein analoges Signal ab, das von der Vielzahl von Stromsensoren 400 ausgegeben wird, wandelt das analoge Signal in ein digitales Signal um und gibt das umgewandelte digitale Signal an die Steuerungseinheit 100 aus. Die Steuerungseinheit 100 kann auch eine AD-Wandlung durchführen. In diesem Fall gibt die Vielzahl von Stromsensoren 400 direkt ein analoges Signal an die Steuerungseinheit 100 aus.
• Die ROM 600 ist beispielsweise ein beschreibbarer Speicher (z.B. ein programmierbarer Nur-Lese-Speicher (PROM)), ein wiederbeschreibbarer Speicher (z.B. ein Flash-Speicher) oder ein Nur-Lese-Speicher. Die ROM 600 speichert ein Steuerungsprogramm, welches eine Befehlsgruppe aufweist, zum Steuern des Motors M in der Steuerungseinheit 100. So wird beispielsweise das Steuerungsprogramm zum Zeitpunkt eines Bootvorgangs zunächst in einen Direktzugriffsspeicher (RAM, nicht dargestellt) geladen. Ebenso muss die ROM 600 nicht außerhalb der Steuerungseinheit 100 montiert sein, sondern kann an der Steuerungseinheit 100 montiert sein. Die mit der ROM 600 ausgestattete Steuerungseinheit 100 kann beispielsweise die vorangehend beschriebene MCU sein.
• Eine Hardwarekonfiguration des Wechselrichters 300 wird unter Bezugnahme auf 2 im Detail beschrieben.
• 2 zeigt schematisch die Hardwarekonfiguration des Wechselrichters 300 des Motorsteuerungssystems 1000 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
• Der Wechselrichter 300 weist drei niederseitige Schaltelemente und drei hochseitige Schaltelemente auf. Wie dargestellt, sind Schaltelemente SW_L1, SW_L2 und SW_L3 die niederseitigen Schaltelemente und Schaltelemente SW_H1, SW_H2 und SW_H3 die hochseitigen Schaltelemente. Als das Schaltelement kann beispielsweise ein Halbleiterschaltelement, wie ein Feldeffekttransistor (FET, typischerweise ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET)) oder ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) verwendet werden. Das Schaltelement weist eine Rückflussdiode auf, die derart konfiguriert ist, dass ein zum Motor M fließender Regenerativstrom daraus fließen kann.
• 2 zeigt Nebenschlusswiderstände Rs von zwei Stromsensoren 400A und 400B, die dazu eingerichtet sind, Ströme zu erfassen, die in der U- und V-Phase fließen. Wie beispielsweise dargestellt, kann der Nebenschlusswiderstand Rs zwischen dem niederseitigen Schaltelement und einer Masse elektrisch verbunden sein. Alternativ kann der Nebenschlusswiderstand Rs beispielsweise zwischen dem hochseitigen Schaltelement und einer Leistungsquelle elektrisch verbunden sein.
• So kann beispielsweise die Steuerungseinheit 100 den Motor M antreiben, indem sie eine Steuerung durch eine Dreiphasenleitung (nachfolgend als „Dreiphasenleitungssteuerung“ bezeichnet) basierend auf einer Vektorsteuerung/- regelung durchführt. So erzeugt die Steuerungseinheit 100 beispielsweise ein PWM-Signal zur Durchführung einer Dreiphasenleitungssteuerung und gibt das PWM-Signal an die Treiberschaltung 200 aus. Die Treiberschaltung 200 erzeugt ein Gate-Steuerungssignal zum Steuern eines Schaltbetriebs jedes FET des Wechselrichters 300 basierend auf dem PWM-Signal und führt das erzeugte Gate-Steuerungssignal einem Gate jedes FET zu.
• 3 zeigt schematisch einen Hardwareblock eines Motorsteuerungssystems 1000 gemäß einem modifizierten Beispiel der vorliegenden Ausführungsform.
• Wie in der Zeichnung dargestellt, kann das Motorsteuerungssystem 1000 keine Treiberschaltung 200 aufweisen. In diesem Fall weist eine Steuerungseinheit 100 einen Anschluss auf, der in der Lage ist, einen Schaltbetrieb jedes FET eines Wechselrichters 300 direkt zu steuern. Insbesondere kann die Steuerungseinheit 100 ein Gate-Steuerungssignal basierend auf einem PWM-Signal erzeugen. Die Steuerungseinheit 100 kann das Gate-Steuerungssignal über den Anschluss ausgeben und das Gate-Steuerungssignal einem Gate jedes FET zuführen.
• Wie in 3 dargestellt, kann das Motorsteuerungssystem 1000 ferner einen Positionssensor 700 aufweisen. Der Positionssensor 700 ist in einem Motor M angeordnet, erfasst einen Rotorwinkel und gibt den erfassten Rotorwinkel an die Steuerungseinheit 100 aus. Der Positionssensor 700 ist beispielsweise durch eine Kombination aus einem magnetoresistiven (MR) Sensor, der ein MR-Element aufweist, und einem Sensormagneten implementiert. Der Positionssensor 700 ist beispielsweise unter Verwendung einer integrierten Hall-Schaltung (IC), die ein Hallelement oder einen Resolver aufweist, implementiert.
• Das Motorsteuerungssystem 1000 kann beispielsweise einen Drehzahlsensor oder einen Beschleunigungssensor anstelle des Positionssensors 700 aufweisen. Wenn der Drehzahlsensor als Positionssensor verwendet wird, kann die Steuerungseinheit 100 einen Rotorwinkel, d.h. einen Drehwinkel, berechnen, indem sie eine Integration oder dergleichen an einem Drehzahlsignal oder einem Winkelgeschwindigkeitssignal durchführt. Eine Winkelgeschwindigkeit wird in Bogenmaß pro Sekunde (rad/s) ausgedrückt, bei der sich ein Rotor für eine Sekunde dreht. Darüber hinaus kann die Steuerungseinheit 100, wenn der Beschleunigungssensor als Positionssensor verwendet wird, einen Drehwinkel berechnen, indem sie eine Integration oder dergleichen an einem Winkelbeschleunigungssignal durchführt.
• Das Motorsteuerungssystem der vorliegenden Offenbarung kann beispielsweise als Motorsteuerungssystem zur Durchführung einer sensorlosen Steuerung verwendet werden, die, wie in den 1 und 2 gezeigt, keinen Positionssensor aufweist. Darüber hinaus kann das Motorsteuerungssystem der vorliegenden Offenbarung beispielsweise als Motorsteuerungssystem zur Durchführung einer Sensorsteuerung verwendet werden, die, wie in 3 gezeigt, einen Positionssensor aufweist.
• Nachfolgend wird am Beispiel eines Motorsteuerungssystems zum Steuern einer sensorlosen Steuerung ein spezifisches Beispiel für ein im System verwendetes Motorsteuerungsverfahren mit Bezug auf die 4 bis 7 beschrieben, und Berechnungen zum Schätzen eines Drehmomentwinkels werden hauptsächlich beschrieben. Das Motorsteuerungsverfahren der vorliegenden Offenbarung kann in verschiedenen Motorsteuerungssystemen zum Steuern eines SPM-Motors verwendet werden, bei dem eine Drehmomentwinkelschätzung erforderlich ist.
• [Steuerungsverfahren eines Motorsteuerungssystems 1000]
• Ein Überblick über ein Steuerungsverfahren eines Motorsteuerungssystems 1000 ist wie folgt.
• Zunächst werden die mit einem Stromsensor 400 gemessenen dreiphasigen Ströme I_a , I_b und I_c in einen Strom I_α und einen Strom I_β auf einer α-Achse und einer β-Achse eines festen α-β-Koordinatensystems umgewandelt. Anschließend wird ein Phasenwinkel p basierend auf dem Strom I_α und dem Strom I_β berechnet. Zusätzlich werden ein Statorstrom I_s , ein resultierender Magnetfluss Ψ_s und ein Winkel ϕ (nachfolgend als „Phasenwinkel ϕ“ bezeichnet) zwischen einer Statorspannung V_s und dem Statorstrom I_s berechnet. Danach wird ein Drehmomentwinkel δ basierend auf dem Statorstrom I_s , dem resultierenden Magnetfluss Ψ_s und dem Phasenwinkel ϕ geschätzt. Darüber hinaus werden ein Drehmoment T und ein zur Steuerung eines Motors erforderlicher Rotorwinkel θ basierend auf dem Drehmomentwinkel δ ermittelt. Schließlich wird ein Motor M basierend auf dem Drehmoment T und dem Rotorwinkel θ gesteuert.
• Ein Algorithmus zur Implementierung des Motorsteuerungsverfahrens gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann beispielsweise nur durch Hardware, wie eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder ein FPGA, oder auch durch eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden.
• 4 stellt schematisch einen Funktionsblock einer Steuerungseinheit 100 zum Schätzen eines Drehmomentwinkels δ dar. In der vorliegenden Beschreibung wird jeder Block in einem Funktionsblockdiagramm in einer Funktionsblockeinheit und nicht in einer Hardwareeinheit dargestellt. Eine Motorsteuerungssoftware kann beispielsweise ein Modul sein, das ein Computerprogramm zur Ausführung einer bestimmten Verarbeitung, die zu jedem Funktionsblock korrespondiert, darstellt. Ein solches Computerprogramm ist z.B. in einer ROM 600 gespeichert.
• Wie in 4 dargestellt, weist die Steuerungseinheit 100 beispielsweise eine Vorberechnungseinheit 110, eine Drehmomentwinkelberechnungseinheit 120, eine Phasenwinkelberechnungseinheit 130, eine Rotorwinkelberechnungseinheit 140, eine Drehmomentberechnungseinheit 150 und eine Motorsteuerungseinheit 160 auf. Die Steuerungseinheit 100 kann einen Drehmomentwinkel δ basierend auf einem Statorstrom I_s , einem resultierenden Magnetfluss Ψ_s und einem Phasenwinkel ϕ berechnen. In der vorliegenden Beschreibung wird darüber hinaus zur Vereinfachung der Beschreibung jeder Funktionsblock als Einheit ausgedrückt. Natürlich ist die Gleichung nicht dazu gedacht, jeden Funktionsblock auf Hard- oder Software zu beschränken.
• Wenn jeder Funktionsblock in der Steuerungseinheit 100 als Software implementiert ist, kann ein Ausführungsgegenstand der Software beispielsweise ein Kern der Steuerungseinheit 100 sein. Wie vorstehend beschrieben, kann die Steuerungseinheit 100 als FPGA implementiert sein. In diesem Fall können alle oder einige der Funktionsblöcke in Hardware implementiert sein.
• Die Verarbeitung kann unter Verwendung einer Vielzahl von FPGAs verteilt werden, so dass es möglich ist, eine Rechenlast eines bestimmten Computers zu verteilen. In diesem Fall können alle oder einige der in 4 dargestellten Funktionsblöcke verteilt und in der Vielzahl von FPGAs montiert sein. So ist beispielsweise die Vielzahl von FPGAs über einen CAN-Bus (CAN) für ein Fahrzeug verbunden, um miteinander kommunizieren zu können, und somit wird das Senden/Empfangen von Daten durchgeführt.
• Zum Beispiel wird bei einer Dreiphasenleitungssteuerung die Summe der in den jeweiligen Phasen fließenden Ströme idealerweise Null. In der vorliegenden Beschreibung wird ein Strom, der in einer U-Phasenspule eines Motors M fließt, durch I_a bezeichnet, wird ein Strom, der in einer V-Phasenspule des Motors M fließt, durch I_b bezeichnet, und wird ein Strom, der in einer W-Phasenspule des Motors M fließt, durch I_c bezeichnet. Die Summe der Ströme I_a , I_b und I_c ist Null.
• Die Steuerungseinheit 100 (z.B. ein CPU-Kern) empfängt zwei Ströme aus den Strömen I_a , I_b und I_c und erhält den restlichen Strom durch eine Berechnung. In der vorliegenden Ausführungsform erhält die Steuerungseinheit 100 den von einem Stromsensor 400A gemessenen Strom I_a und den von einem Stromsensor 400B gemessenen Strom I_b . Die Steuerungseinheit 100 berechnet den Strom I_c basierend auf den Strömen I_a und I_b unter Verwendung einer solchen Beziehung, bei der die Summe der Ströme I_a , I_b und I_c Null ist. Die Ströme I_a , I_b und I_c können darüber hinaus auch unter Verwendung von drei Stromsensoren gemessen und über einen AD-Wandler 500 in die Steuerungseinheit 100 eingegeben werden.
• Die Steuerungseinheit 100 kann den Strom I_a , den Strom I_b und den Strom I_c in einen Strom I_α auf einer α-Achse und einen Strom I_β auf einer β-Achse eines festen α-β-Koordinatensystems unter Verwendung einer sogenannten Clarke-Transformation umwandeln, die für eine Vektorsteuerung/-regelung und dergleichen verwendet wird. Das feste α-β-Koordinatensystem ist hier ein stationäres Koordinatensystem. Von drei Phasen korrespondiert eine Richtung einer Phase (z.B. die Richtung einer U-Phase) zu der α-Achse und eine Richtung orthogonal zur α-Achse korrespondiert zu der β-Achse.
• Zusätzlich wandelt die Steuerungseinheit 100 Referenzspannungen V_a*, V_b* und V_c* in eine Referenzspannung V_α* auf der α-Achse und eine Referenzspannung V_β* auf der β-Achse des festen α-β-Koordinatensystems unter Verwendung der Clark-Transformation um. Die Referenzspannungen V_a*, V_b* und V_c* zeigen das vorangehend beschriebene PWM-Signal zum Steuern jedes Schaltelements eines Wechselrichters 300 an.
• So können beispielsweise Berechnungen zum Erhalten von I_α und I_β sowie der Referenzspannungen V_α* und V_β* auch von der Motorsteuerungseinheit 160 der Steuerungseinheit 100 durchgeführt werden. Die Ströme I_α und I_β sowie die Referenzspannungen V_α* und V_β* werden in die Vorberechnungseinheit 110 und die Phasenwinkelberechnungseinheit 130 eingegeben.
• In einer Motorsteuerung gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden der Statorstrom I_s , der resultierende Magnetfluss Ψ_s und der Phasenwinkel ϕ als Variable angegeben und ein Ankerwiderstand R (mΩ), eine Ankerinduktivität L (µH) und ein Rotormagnetfluss Ψ_m (Wb) werden als Parameter angegeben. Hier zeigt der Rotormagnetfluss Ψ_m einen Betrag eines Magnetflusses eines Permanentmagneten eines Rotors an.
• Die Vorberechnungseinheit 110 erhält die Variablen I_s , V_s , Ψ_s und ϕ basierend auf den Strömen I_α und I_β und den Referenzspannungen V_α* und V_β* in Bezug auf das feste α-β-Koordinatensystem oder das rotierende d-q-Koordinatensystem. Da die Vorberechnungseinheit 110 die Variablen an die nachgeschaltete Drehmomentwinkelberechnungseinheit 120 liefert, ist die Vorberechnungseinheit 110 eine Einheit, die dazu eingerichtet ist, eine Vorberechnung durchzuführen.
• 5 ist ein Phasor-Diagramm, das Variable I_s , Ψ_s , ϕ und V_s zeigt. 6 ist ein Phasor-Diagramm, welches einen resultierenden Magnetfluss Ψ_s in einem festen α-β-Koordinatensystem oder einem rotierenden d-q-Koordinatensystem zeigt. Alle dargestellten Variablen werden durch einen Phasor dargestellt. Nachfolgend wird jede Variable als ein Phasor behandelt.
• <Variable: Statorstrom I_s>
• Die Vorberechnungseinheit 110 berechnet einen Statorstrom I_s in einem Phasor-Diagramm gemäß Gleichung 1. $${\text{I}}_{\text{s}}={\left({\text{I}}_{\mathrm{\alpha }}{}^2+{\text{I}}_{\mathrm{\beta }}{}^2\right)}^{1/2}$$

  
• <Variable: Resultierender Magnetfluss Ψ_s>
• Die Vorberechnungseinheit 110 berechnet einen resultierenden Magnetfluss Ψ_s in einem Phasor-Diagramm basierend auf den Strömen I_α und I_β sowie den Referenzspannungen V_α* und V_β*. Insbesondere berechnet die Vorberechnungseinheit 110 den resultierenden Magnetfluss Ψ_s gemäß den Gleichungen 2 bis 4. Wie in 5 dargestellt, erhält man den resultierenden Magnetfluss Ψ_s durch Addieren eines Ankermagnetflusses Ψ_a (=L·I_s) zu einem Rotormagnetfluss Ψ_m .
• So berechnet beispielsweise die Vorberechnungseinheit 110 eine Komponente Ψ_α auf einer α-Achse des resultierenden Magnetflusses Ψ_s gemäß Gleichung 2. Die Vorberechnungseinheit 110 berechnet eine Komponente Ψ_β auf einer β-Achse des resultierenden Magnetflusses Ψ_s gemäß Gleichung 3. LPF in den Gleichungen 2 und 3 bedeutet hier eine Verarbeitung durch einen Tiefpassfilter. Zum Entfernen von Oberschwingungen kann beispielsweise ein allgemeiner Tiefpassfilter der Steuerungseinheit 100 verwendet werden. Der resultierende Magnetfluss Ψ_s wird durch Gleichung 4 dargestellt. $${\mathrm{\psi }}_{\mathrm{\alpha }}=\text{LPF}\left({\text{V}}_{\mathrm{\alpha }}*-\text{R}\cdot {\text{I}}_{\mathrm{\alpha }}\right)$$

  

  $${\mathrm{\psi }}_{\mathrm{\beta }}=\text{LPF}\left({\text{V}}_{\mathrm{\beta }}*-\text{R}\cdot {\text{I}}_{\mathrm{\beta }}\right)$$

  

  $${\mathrm{\psi }}_{\text{s}}={\left({\mathrm{\psi }}_{\mathrm{\alpha }}{}^2-{\mathrm{\psi }}_{\mathrm{\beta }}{}^2\right)}^{1/2}$$

  
• <Variable: Phasenwinkel ϕ>
• Die Vorberechnungseinheit 110 berechnet eine gegenelektromotorische Kraftkomponente BEMF_α auf einer α-Achse und eine gegenelektromotorische Kraftkomponente BEMF_β auf einer β-Achse basierend auf den Strömen I_α und I_β und den Referenzspannungen Referenzspannungen V_α* und V_β*. Insbesondere berechnet die Vorberechnungseinheit 110 die gegenelektromotorische Kraftkomponente BEMF_α und die gegenelektromotorische Kraftkomponente BEMF_β gemäß Gleichungen 5 und 6. $${\text{BEMF}}_{\mathrm{\alpha }}={\text{V}}_{\mathrm{\alpha }}*-\text{R}\cdot {\text{I}}_{\mathrm{\alpha }}$$

  

  $${\text{BEMF}}_{\mathrm{\beta }}={\text{V}}_{\mathrm{\beta }}*-\text{R}\cdot {\text{I}}_{\mathrm{\beta }}$$

  
• Die Vorberechnungseinheit 110 berechnet eine Statorspannung V_s in einem Phasor-Diagramm gemäß Gleichung 7. Die Statorspannung V_s ist eine Spannung, die zu einer Spannung einer gegenelektromotorischen Kraft korrespondiert. Wie vorstehend beschrieben, wird die Spannung einer gegenelektromotorischen Kraft in der vorliegenden Beschreibung als Statorspannung bezeichnet. $${\text{V}}_{\text{s}}={\left({\text{BEMF}}_{\mathrm{\alpha }}{}^2+{\text{BEMF}}_{\mathrm{\beta }}{}^2\right)}^{1/2}$$

  
• Beispielsweise wird, wie in 5 dargestellt, der Phasenwinkel ϕ als Winkel zwischen dem Statorstrom I_s und der Statorspannung V_s im rotierenden d-q-Koordinatensystem ausgedrückt und ist ein Winkel, in dem eine Richtung gegen den Uhrzeigersinn eine positive Richtung ist. Das rotierende d-q-Koordinatensystem ist hier ein rotierendes Koordinatensystem, das sich zusammen mit einem Rotor dreht.
• Die Vorberechnungseinheit 110 berechnet den Phasenwinkel ϕ gemäß Gleichung 8. Hier ist „arg“ ein Operator, der ein Argument eines Phasors angibt. Der Phasenwinkel ϕ gibt eine Argumentdifferenz zwischen zwei Phasoren an. $$\mathrm{\varphi }=\text{arg}\left({\text{V}}_{\text{s}}\right)-\text{arg}\left({\text{I}}_{\text{s}}\right)$$

  
• Die Vorberechnungseinheit 110 gibt die Variablen I_s , Ψ_s und ϕ an die Drehmomentwinkelberechnungseinheit 120 aus. Zudem kann Hardware (z.B. ein FPGA), die sich von der Steuerungseinheit 100 unterscheidet, die Variablen I_s , Ψ_s und ϕ berechnen. Die Drehmomentwinkelberechnungseinheit 120 kann die Variablen I_s , Ψ_s und ϕ von anderer Hardware empfangen und erhalten. Gemäß einer solchen Konfiguration kann die Rechenlast der Steuerungseinheit 100 reduziert werden.
• Die Drehmomentwinkelberechnungseinheit 120 kann einen Drehmomentwinkel δ basierend auf dem Parameter L und den Variablen I_s , Ψ_s und ϕ berechnen. In 6 wird beispielsweise der Drehmomentwinkel δ als Winkel zwischen dem resultierenden Magnetfluss Ψ_s und einer d-Achse im rotierenden d-q-Koordinatensystem ausgedrückt und ist ein Winkel, in dem eine Richtung gegen den Uhrzeigersinn eine positive Richtung ist.
• 7 ist ein Phasor-Diagramm, das einen Rotormagnetfluss Ψ_m , einen Ankermagnetfluss Ψ_a und einen resultierenden Magnetfluss Ψ_s darstellt.
• Wie gezeigt, wird Gleichung 9 durch Anwenden eines sogenannten Sinussatzes auf ein Dreieck erhalten, das die drei Seiten Ψ_m , Ψ_a , und Ψ_s aufweist. Gleichung 9 kann in Gleichung 10 durch eine Beziehung sin(90-θ)=cosθ umgewandelt werden. $${\mathrm{\psi }}_{\text{a}}/\text{sin}\left(\mathrm{\delta }\right)={\mathrm{\psi }}_{\text{s}}/\text{sin}\left[90-\left(\mathrm{\delta }-\mathrm{\varphi }\right)\right]={\mathrm{\psi }}_{\text{m}}/\text{sin}\left(90-\mathrm{\varphi }\right)$$

  

  $${\mathrm{\psi }}_{\text{a}}/\text{sin}\left(\mathrm{\delta }\right)={\mathrm{\psi }}_{\text{s}}/\text{cos}\left(\mathrm{\delta }-\mathrm{\varphi }\right)\mathrm{=}{\mathrm{\psi }}_{\text{m}}/\text{cos}\left(\mathrm{\varphi }\right)$$

  
• Die Inversen der ersten und der zweiten Funktion von einer linken Seite der Gleichung 10 werden genommen, um Gleichung 11 zu erhalten. Wenn cos(δ-ϕ) von Gleichung 11 unter Verwendung eines allgemeinen Additionstheorems trigonometrischer Funktionen entwickelt wird, erhält man Gleichung 12. Eine Umwandlung wird darüber hinaus durchgeführt, um Gleichung 13 zu erhalten. Das Additionstheorem ist „cos(α-β)=cosαcosβ+sinαsinβ“. $$\text{sin}\left(\mathrm{\delta }\right)/{\mathrm{\psi }}_{\text{a}}=\text{cos}\left(\mathrm{\delta }-\mathrm{\varphi }\right)/{\mathrm{\psi }}_{\text{s}}$$

  

  [Mathematische Gleichung 3] $$\text{sin}\left(\mathrm{\delta }\right)/{\mathrm{\psi }}_{\text{a}}=\left(\text{cos}\left(\mathrm{\delta }\right)\text{cos}\left(\mathrm{\varphi }\right)+\text{sin}\left(\mathrm{\delta }\right)\text{sin}\left(\mathrm{\varphi }\right)\right)/{\mathrm{\psi }}_{\text{s}}$$

  

  [Mathematische Gleichung 4] $$\text{cot}\left(\mathrm{\delta }\right)={\mathrm{\psi }}_{\text{s}}/\left({\mathrm{\psi }}_{\text{a}}\text{cos}\left(\mathrm{\varphi }\right)\right)-\text{tan}\left(\mathrm{\varphi }\right)$$

  
• Ψ_a=L·I_s wird in Gleichung 13 substituiert und eine inverse trigonometrische Funktion von cot(δ) wird berechnet, um schließlich Gleichung 14 in Bezug auf δ zu erhalten.
  [Mathematische Gleichung 5] $$\mathrm{\delta }={\text{cot}}^{-1}\left({\mathrm{\psi }}_{\text{s}}/\left(\text{L}\cdot {\text{I}}_{\text{s}}\text{cos}\left(\mathrm{\varphi }\right)\right)-\text{tan}\left(\mathrm{\varphi }\right)\right)$$

  
• Die Drehmomentwinkelberechnungseinheit 120 gibt den Drehmomentwinkel δ an die Drehmomentberechnungseinheit 150 und die Rotorwinkelberechnungseinheit 140 aus. Wie in Gleichung 14 dargestellt, sind die Variablen im rotierenden d-q-Koordinatensystem und der Rotormagnetfluss Ψ_m für die Schätzung des Drehmomentwinkels δ nicht erforderlich. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann der Drehmomentwinkel δ basierend auf dem Parameter L und den Variablen I_s , Ψ_s und ϕ berechnet werden.
• Eine Phasenwinkelberechnungseinheit 130 schätzt einen Phasenwinkel p basierend auf den Strömen I_α und I_β und den Referenzspannungen V_α* und V_β*. Wie in der Vorberechnungseinheit berechnet die Phasenwinkelberechnungseinheit 130 beispielsweise Magnetflusskomponenten Ψ_a und Ψ_β gemäß Gleichungen 2 und 3. Darüber hinaus berechnet die Phasenwinkelberechnungseinheit 130 beispielsweise den Phasenwinkel p gemäß Gleichung 15. Beispielsweise wird, wie in 6 dargestellt, der Phasenwinkel p als Winkel zwischen dem resultierenden Magnetfluss Ψ_s und der α-Achse im festen α-β-Koordinatensystem ausgedrückt und ist ein Winkel, in dem eine Richtung gegen den Uhrzeigersinn eine positive Richtung ist. Die Phasenwinkelberechnungseinheit 130 gibt den Phasenwinkel p an die Rotorwinkelberechnungseinheit 140 aus. $$\mathrm{\rho }={\text{tan}}^{-1}\left({\mathrm{\psi }}_{\mathrm{\beta }}/{\mathrm{\psi }}_{\mathrm{\alpha }}\right)$$

  
• Die Rotorwinkelberechnungseinheit 140 berechnet basierend auf dem Drehmomentwinkel δ und dem Phasenwinkel p einen Rotorwinkel θ. Ein Verhältnis zwischen dem Drehmomentwinkel δ, dem Phasenwinkel p und dem Rotorwinkel θ ist wie in 6 dargestellt. Die Rotorwinkelberechnungseinheit 140 kann den Rotorwinkel θ gemäß Gleichung 16 berechnen und schätzen. $$\mathrm{\theta }=\mathrm{\rho }-\mathrm{\delta }$$

  
• Die Drehmomentberechnungseinheit 150 berechnet ein Drehmoment T basierend auf dem Drehmomentwinkel δ. Wenn ein SPM-Motor verwendet wird, beträgt ein Vorsprungsverhältnis (Ld/Lq) 1 (d.h. L=Ld=Lq). In diesem Fall ist es bekannt, dass das Drehmoment T als Reaktion auf ein auf einen Anker wirkendes Drehmoment durch Gleichung 17 dargestellt wird. So kann beispielsweise die Drehmomentberechnungseinheit 150 das Drehmoment T basierend auf Gleichung 17 berechnen.
  [Mathematische Gleichung 6] $$\text{T}=3/2\cdot \text{P}\cdot \left({\mathrm{\psi }}_{\text{m}}\cdot {\mathrm{\psi }}_{\text{s}}/\text{L}\right)\text{sin}\left(\mathrm{\delta }\right)$$

  

  wobei P ein Parameter ist, der die Anzahl der Motorpolpaare angibt.
• Die Motorsteuerungseinheit 160 kann den Motor M basierend auf dem Drehmoment T und dem Rotorwinkel θ steuern/regeln. So führt beispielsweise die Motorsteuerungseinheit 160 eine Berechnung durch, die für eine allgemeine Vektorsteuerung/-regelung erforderlich ist. Da die Vektorsteuerung/-regelung eine wohlbekannte Technologie ist, entfällt darüber hinaus eine detaillierte Beschreibung der Steuerung/Regelung.
• Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann in der sensorlosen Steuerung ein Drehmomentwinkel unabhängig von Variablen im rotierenden d-q-Koordinatensystem erhalten werden. Da für die Schätzung des Drehmomentwinkels keine komplizierte Berechnung erforderlich ist, ist es außerdem möglich, die Belastung eines Computers zu reduzieren und die Speicherkosten zu senken.
• Die Gültigkeit der Berechnung des Drehmomentwinkels δ gemäß der vorliegenden Offenbarung wurde mit einem „Rapid Control Prototyping (RCP)-System“ der dSPACE-Gesellschaft und Matlab/Simulink der MathWorks-Gesellschaft überprüft. Überprüfungsergebnisse sind nachfolgend dargestellt. Für die Überprüfung wurde ein Modell eines SPM-Motors verwendet, der durch eine Vektorsteuerung/-regelung gesteuert wird. Werte verschiedener Systemparameter zum Zeitpunkt der Überprüfung sind in Tabelle 1 dargestellt.
• [TABELLE 1]

  Trägheitsmoment	6,9e-5[kgm2]
  Reibungskoeffizient	5,1e-3[Nm/(rad/s)]
  Widerstand (Motor+ECU)	8,50 mΩ+5,43 mΩ
  Ld (nominell)	40,7 µH
  Lq (nominell)	38,8 µH
  Spannungsbereich	10 bis 16 V
  Temperaturbereich	-40 bis 90 °C
  Motortyp	Bürstenloser Gleichstrommotor
  Polanzahl	8
  Steckplatzanzahl	12
  Maximaler Strom	77 A
  Nennspannung	13,5 V
  Nenntemperatur	80 °C
  Maximales Drehmoment	5,96 N·m
  Spulendurchmesser	Φ 1,45 mm
  Anzahl der Windungen	11,5

• 8 zeigt eine Wellenform eines Drehmoments (oben), Wellenformen von dreiphasigen Strömen (Mitte) und Wellenformen von dreiphasigen Spannungen (unten) innerhalb eines bestimmten Zeitraums (von 0,03 Sekunden von 0,35 Sekunden bis 0,38 Sekunden). 9 zeigt eine Wellenform eines Drehmomentwinkels (Grad), der unter Verwendung einer Berechnungsgleichung der vorliegenden Offenbarung geschätzt wird, und eines Messwertes eines Drehmomentwinkels innerhalb einer bestimmten Zeitdauer. Eine horizontale Achse der 8 und 9 stellt eine Zeit (ms) dar. Eine vertikale Achse von 8 stellt einen Betrag (N·m) des Drehmoments, einen Stromwert (mA) und einen Spannungswert (V) in der Reihenfolge von einer Oberseite von 8 dar. Eine vertikale Achse von 9 stellt eine Größe (Grad) eines Drehmomentwinkels dar.
• Aus einem Simulationsergebnis von 8 ist ersichtlich, dass eine Vektorsteuerung/-regelung ordnungsgemäß durchgeführt wird. Aus einem Simulationsergebnis von 9 ist ersichtlich, dass der geschätzte Drehmomentwinkel δ unter Verwendung der Berechnungsgleichung der vorliegenden Offenbarung dem Messwert ähnlich ist. Genauer gesagt, ein Fehler zwischen dem geschätzten Drehmomentwinkel δ und dem Messwert liegt bei etwa einem Grad. In einer sensorlosen Steuerung liegt ein zulässiger Wert eines Fehlers davon im Allgemeinen bei etwa zehn Grad. Der aus den Simulationsergebnissen resultierende Fehler ist ein Wert, der einen Bereich eines zulässigen Wertes ausreichend erfüllt.
• Aus den Simulationsergebnissen ist ersichtlich, dass ein Drehmomentwinkel in der sensorlosen Steuerung durch Verwenden eines in der vorliegenden Beschreibung vorgeschlagenen Verfahrens zur Berechnung eines Drehmomentwinkels präzise geschätzt wird.
• Die vorliegende Offenbarung beschränkt sich nicht auf die sensorlose Steuerung, wie vorstehend beschrieben, sondern das Verfahren zum Schätzen des Drehmomentwinkels δ gemäß der vorliegenden Offenbarung kann auch für das in 3 gezeigte Motorsteuerungssystem zum Steuern eines Sensors geeignet verwendet werden.
• Die Steuerungseinheit 100 des in 3 dargestellten Motorsteuerungssystems 1000 kann den Drehmomentwinkel δ basierend auf den Variablen im rotierenden d-q-Koordinatensystem berechnen. So kann beispielsweise die Steuerungseinheit 100 den Drehmomentwinkel δ gemäß Gleichung 18 berechnen (siehe 5). $$\mathrm{\delta }={\text{tan}}^{-1}\left[\left({\text{V}}_{\text{d}}-\text{R}\cdot {\text{I}}_{\text{d}}\right)/\left({\text{V}}_{\text{q}}-\text{R}\cdot {\text{I}}_{\text{q}}\right)\right]$$

  

  Hier ist V_d eine Spannungskomponente einer Ankerspannung auf einer d-Achse und V_q ist eine Spannungskomponente der Ankerspannung auf einer q-Achse. I_d ist eine Stromkomponente eines Ankerstroms auf der d-Achse und I_q ist eine Stromkomponente des Ankerstroms auf der q-Achse.
• In einer Sensorsteuerung kann ein Rotorwinkel nicht gemessen werden, wenn ein Positionssensor aus irgendeinem Grund defekt ist. Daher ist es schwierig, die Sensorsteuerung fortzusetzen. Andererseits ist es bei Ausfall des Positionssensors möglich, eine Motorsteuerung von der Sensorsteuerung auf die sensorlose Steuerung umzuschalten. Selbst wenn der Positionssensor ausfällt, kann die Motorsteuerung fortgesetzt werden, indem das Verfahren zum Schätzen des Drehmomentwinkels gemäß der vorliegenden Offenbarung auf die sensorlose Steuerung angewendet wird.
• (Ausführungsform 2)
• 10 ist eine schematische Darstellung, die eine typische Konfiguration eines elektrischen Servolenkungssystems (EPS-Systems) 2000 gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
• Ein Fahrzeug, wie beispielsweise ein Auto, weist im Allgemeinen ein EPS-System auf. Das EPS-System 2000 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist auf: ein Lenksystem 520 und einen Hilfsdrehmomentmechanismus 540, der dazu eingerichtet ist, ein Hilfsdrehmoment zu erzeugen. Das EPS-System 2000 erzeugt ein Hilfsdrehmoment, das bei einem Lenkdrehmoment des Lenksystems hilft, das von einem Fahrer erzeugt wird, der ein Lenkrad betätigt. Eine Betriebslast des Fahrers wird durch das Hilfsdrehmoment reduziert.
• Beispielsweise weist das Lenksystem 520 auf: ein Lenkrad 521, eine Lenkwelle 522, Kreuzgelenke 523A und 523B, eine Drehwelle 524, einen Zahnstangenmechanismus 525, eine Zahnstangenwelle 526, ein linkes und ein rechtes Kugelgelenk 552A und 552B, Spurstangen 527A und 527B, Achsschenkel 528A und 528B sowie ein linkes und ein rechtes Lenkungsrad 529A und 529B.
• Der Hilfsdrehmomentmechanismus 540 weist beispielsweise auf: einen Lenkdrehmomentsensor 541, eine elektronische Steuerungseinheit (ECU) 542 für ein Fahrzeug, einen Motor 543 und einen Verzögerungsmechanismus 544. Der Lenkdrehmomentsensor 541 erfasst ein Lenkdrehmoment im Lenksystem 520. Die ECU 542 erzeugt ein Antriebssignal basierend auf einem Detektionssignal des Lenkdrehmomentsensors 541. Der Motor 543 erzeugt ein Hilfsdrehmoment gemäß einem Lenkdrehmoment basierend auf dem Antriebssignal. Der Motor 543 überträgt das erzeugte Hilfsdrehmoment über den Verzögerungsmechanismus 544 auf das Lenksystem 520.
• Die ECU 542 weist beispielsweise die Steuerungseinheit 100 und die Treiberschaltung 200 gemäß Ausführungsform 1 auf. In einem Auto wird ein elektronisches Steuerungssystem basierend auf der ECU aufgebaut. Im EPS-System 2000 ist beispielsweise ein Motorsteuerungssystem aus der ECU 542, dem Motor 543 und dem Wechselrichter 545 aufgebaut. Das Motorsteuerungssystem 1000 gemäß Ausführungsform 1 kann geeignet als Motorsteuerungssystem verwendet werden.
• Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden in geeigneter Weise in einem X-by-Wire-System (X-per-Draht-System), wie beispielsweise einem Shift-by-Wire-System (Schalten-per-Draht-System), einem Steer-by-Wire-System (Lenken-per-Draht-System) oder einem Brake-by-Wire-System (Bremsen-per-Draht-System), und einem Motorsteuerungssystem eines Fahrmotors oder dergleichen verwendet, bei dem eine Fähigkeit zum Schätzen eines Drehmoments erforderlich ist. So kann beispielsweise das Motorsteuerungssystem gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung an einem autonomen Fahrzeug montiert sein, das den Stufen 0 bis 4 (Automatisierungsstandard) entspricht, die von der japanischen Regierung und der National Highway and Traffic Safety Administration (NHTSA) des U.S. Department of Transportation definiert wurden.
• [Gewerbliche Anwendbarkeit]
• Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können in verschiedenen Vorrichtungen, einschließlich verschiedener Motoren, wie beispielsweise einem Staubsauger, einem Trockner, einem Deckengebläse, einer Waschmaschine, einem Kühlschrank und einem elektronischen Servolenkungssystem, weit verbreitet verwendet werden.
• Bezugszeichenliste
• 100: Steuerungseinheit, 110: Vorberechnungseinheit, 120: Drehmomentwinkelberechnungseinheit, 130: Phasenwinkelberechnungseinheit, 140: Rotorwinkelberechnungseinheit, 150: Drehmomentberechnungseinheit, 160: Motorsteuerungseinheit, 200: Treiberschaltung, 300: Wechselrichter, 400, 400A, 400B: Stromsensor, 500: AD-Wandler, 600: ROM, 700: Positionssensor, 1000: Motorsteuerungssystem, 2000: EPS-System
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• JP 2007525137 [0004]
• CN 103684169 [0004]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• Ghaderi, Ahmad und Tsuyoshi Hanamoto. „Wide-speed-range sensorless vector control of synchronous reluctance motors based on extended programmable cascaded low-pass filters.“ IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 58, Nr. 6, (Juni 2011), S. 2322-2333 [0005]

Claims (5)

1. Motorsteuerungsverfahren zum Steuern eines Oberflächenpermanentmagnetmotors, wobei das Motorsteuerungsverfahren aufweist: einen Schritt zum Erhalten eines resultierenden Magnetflusses, eines Statorstroms und einer Statorspannung, die durch einen Phasor dargestellt sind, in Bezug auf ein festes α-β-Koordinatensystem oder ein rotierendes d-q-Koordinatensystem; einen Schritt zum Berechnen eines Winkels (ϕ) zwischen dem Statorstrom und der Statorspannung; einen Schritt zum Berechnen eines Drehmomentwinkels (δ) gemäß Gleichung 1: [Mathematische Gleichung 1] $$\mathrm{\delta }={\text{cot}}^{-1}\left({\mathrm{\psi }}_{\text{s}}/\left({\text{LI}}_{\text{s}}\text{cos}\left(\mathrm{\varphi }\right)\right)-\text{tan}\left(\mathrm{\varphi }\right)\right)$$

   

   wobei L eine Ankerinduktivität ist, Ψ_s einen Betrag des resultierenden Magnetflusses angibt und I_s einen Betrag des Statorstroms angibt; und einen Schritt zum Steuern eines Motors basierend auf dem Drehmomentwinkel (δ).
2. Motorsteuerungsverfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen Schritt zum Berechnen eines Drehmoments (T) basierend auf dem Drehmomentwinkel (δ), wobei in dem Schritt zum Steuern des Motors der Oberflächenpermanentmagnetmotor basierend auf dem Drehmoment (T) gesteuert wird.
3. Motorsteuerungsverfahren nach Anspruch 2, ferner aufweisend einen Schritt zum Berechnen eines Phasenwinkels (p) basierend auf Komponenten des resultierenden Magnetflusses auf einer α-Achse und einer β-Achse im festen α-β-Koordinatensystem und zum Berechnen eines Rotorwinkels (θ) basierend auf dem Drehmomentwinkel (δ) und dem Phasenwinkel (p), wobei in dem Schritt zum Steuern des Motors der Oberflächenpermanentmagnetmotor basierend auf dem Rotorwinkel (θ) und dem Drehmoment (T) gesteuert wird.
4. Motorsteuerungssystem, aufweisend: einen Oberflächenpermanentmagnetmotor; und eine Steuerungsschaltung, die dazu eingerichtet ist, den Oberflächenpermanentmagnetmotor zu steuern, wobei die Steuerungsschaltung erhält: einen resultierenden Magnetfluss, einen Statorstrom und eine Statorspannung, die durch einen Phasor dargestellt sind, in Bezug auf ein festes α-β-Koordinatensystem oder ein rotierendes d-q-Koordinatensystem, einen Winkel (ϕ) zwischen dem Statorstrom und der Statorspannung berechnet, einen Drehmomentwinkel (δ) gemäß Gleichung 2 berechnet: $$\mathrm{\delta }={\text{cot}}^{-1}\left({\mathrm{\psi }}_{\text{s}}/\left({\text{LI}}_{\text{s}}\text{cos}\left(\mathrm{\varphi }\right)\right)-\text{tan}\left(\mathrm{\varphi }\right)\right)$$

   

   wobei L eine Ankerinduktivität ist, Ψ_s einen Betrag des resultierenden Magnetflusses angibt und I_s einen Betrag des Statorstroms angibt, und einen Motor basierend auf dem Drehmomentwinkel (δ) steuert.
5. Elektronisches Servolenkungssystem, aufweisend das Motorsteuerungssystem nach Anspruch 4.

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