DE19832876C1

DE19832876C1 - Verfahren zum Steuern einer Reluktanzmaschine

Info

Publication number: DE19832876C1
Application number: DE19832876A
Authority: DE
Inventors: Armin Nickel
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1998-07-22
Filing date: 1998-07-22
Publication date: 1999-10-21
Anticipated expiration: 2018-07-23
Also published as: US6359414B1; WO2000005095A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Reluktanzmaschine, insbesondere einer geschalteten Reluktanzmaschine, mittels einer Drehmomentsteuerung, wobei Motorstränge entsprechend der Rotorwinkellage (gamma¶EL¶) bei einem Einschaltwinkel (gamma¶A¶) eingeschaltet und bei einem Kommutierungswinkel (gamma¶K¶) ausgeschaltet werden, wobei die Winkel als Steuerparameter (i¶W¶, gamma¶A¶, gamma¶K¶) aus gespeicherten und im Betrieb der Reluktanzmaschine ausgelesenen Steuerkoeffizienten (gamma¶O¶, C¶A¶, M¶W¶·mA·, C¶K¶, C¶AG¶, C¶KG¶, M¶W¶·mAG·, p, q) als Funktion der Drehzahl (n) bestimmt werden, wobei für jede Drehzahl (n) der Kommutierungswinkel (gamma¶K¶), ausgehend von einem maximalen Wert (c¶1¶(n)) bei einem maximalen Solldrehmoment (M¶W,max¶) zu kleinen Solldrehmomentwerten (M¶W¶) hin zumindest konstant bleibt oder zunimmt und anschließend eine als Steuerparameter berechnete Strangstrom-Sollwertvorgabe (i¶W¶) für die Stränge (A, B, C) der Reluktanzmaschine, zu einer Stromregelung gesendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer geschalteten Reluktanzmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und des nebengeordneten Patentanspruchs 4.

Übliche Antriebe insbesondere für Elektrofahrzeuge werden häufig drehmomentgeregelt betrieben. Es ist jedoch vorteilhaft, einen solchen Antrieb als fahrpedalgesteuerte Drehmomentquelle betreiben zu können, wobei ein lineare Abhängigkeit zwischen Steuer- und Ausgangsgröße angestrebt wird.

Bei bekannten konventionellen Antrieben läßt sich diese Forderung realisieren, indem der magnetische Fluß und/oder der Strom gesteuert wird. Dabei ist Voraussetzung, daß Fluß und Strom unabhängig voneinander sind und getrennt voneinander beeinflußt werden können.

Diese Voraussetzung ist bei Reluktanzmaschinen nicht erfüllt, da wegen der einseitigen Erregung Fluß und Strom grundsätzlich miteinander gekoppelt sind. Erschwerend kommt hinzu, daß die Kopplung zwischen Fluß und Strom i. a. nichtlinear ist. Es ist im Stand der Technik kein eindeutiges elektrisches Signal bekannt, aus dem ein momentanes oder durchschnittliches Drehmoment mit ausreichender Genauigkeit ableitbar wäre.

Das Drehmoment hängt von der Stromform und dessen Lage über dem Rotordrehwinkel ab, die ihrerseits empfindlich durch die Schaltwinkel beeinflußt wird. Zwar lassen sich durch empirisch gewonnene Informationen über die Schaltwinkel Werte für Einschalt- und Kommutierungswinkel gewinnen, die vorzugsweise in Speicher abgelegt werden und im Betrieb zur Verfügung stehen. Obwohl sich daraus zwar eine Proportionalität zwischen Soll- und Istwert des Drehmoments herstellen läßt, gelingt es jedoch nicht, einen linearen Zusammenhang herzustellen. Aus diesem Grund können zwar drehzahlgeregelte Reluktanzantriebe realisiert werden. Für eine Realisierung eines ausreichend genauen drehmomentgeregelten Reluktanzantriebs gibt es jedoch erst wenige Ansätze.

Reluktanzmaschinen eignen sich besonders neben den konventionellen elektrischen Maschinen für Traktionsantriebe, da sie im Rotor keine Stromwärme erzeugen und im Stator eine Wasserkühlung implementierbar ist, und eine gute Ausnutzung erlauben, da sie aufgrund der intrinsischen Eigenschaften des magnetischen Kreises hohe Drehmomente auch bei kleinen Drehzahlen erlauben. Außerdem weisen sie im unteren Drehzahlbereich sehr gute Teillastwirkungsgrade auf.

Der einfache Aufbau der Maschine führt zu Fertigungsvorteilen gegenüber konventionellen Maschinen. Der Rotor hat eine geringe Drehmasse, und die Stromrichterschaltung weist eine inhärente Kurzschlußsicherheit auf.

In der Dissertation von A. Nickel an der Fakultät für Elektrotechnik der Universität der Bundeswehr München, Mai 1998, welche den unabhängigen Ansprüchen gattungsbildend zugrunde gelegt wird, ist bereits eine drehmomentgesteuerte geschaltete Reluktanzmaschine vorgeschlagen worden, bei der eine hoch ausgelastete Maschine modelliert wird und durch die daraus gewonnenen Simulationsparameter die Vorausberechnung der Strangströme und der davon abhängigen Strangmomentenverläufe sowohl im gepulsten als auch im Blockbetrieb mit hinreichender Genauigkeit erlaubt. Daraus können die Steuerparameter in Abhängigkeit vom Mittelwert des inneren Drehmoments der m Stränge auf eine geringe Stromwärme hin optimiert und für den gesamten Betriebsbereich iterativ berechnet werden.

Die Lage der Schaltwinkel in der Drehmomentsollwert- Rotordrehwinkelebene werden mit Hilfe von Parabelfunktionen und die der Stromsollwerte mit Wurzelfunktionen approximiert. Die dabei erhaltenen Steuerkoeffizienten dienen zur Echtzeitberechnung der Steuerparameter im Betrieb. Die so berechneten Schaltwinkel werden an einen Stromrichter und der Stromsollwert an eine analoge Stromregelung mit Zweipunktregler ausgegeben.

Im Motor- und Generatorbetrieb wird dabei im gepulsten Betrieb jeweils mit einer alternierenden Taktung der Spannung gearbeitet. Hierbei werden alle drei Steuerparameter, Einschalt- und Kommutierungswinkel sowie Strangstromsollwert, benötigt. Im Blockbetrieb arbeitet die Steuerung im Motorbetrieb vor allem mit den beiden Schaltwinkeln. Der Stromsollwert greift nur bei Überspannung als Steuergröße ein, um ein unkontrolliertes Ansteigen des Strangstromes zu verhindern. Im Generatorbetrieb hingegen arbeitet die Steuerung im Blockbetrieb mit dem Einschaltwinkel und dem Stromsollwert, der Kommutierungswinkel verliert an Bedeutung.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Steuern einer geschalteten Reluktanzmaschine der voranstehend beschriebenen Art zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiter Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung hervor.

Erfindungsgemäß wird für jede Drehzahl der Kommutierungswinkel so gewählt, daß dieser ausgehend von einem maximalen Wert bei einem maximalen Drehmoment zu kleinen Drehmomentwerten hin zumindest konstant bleibt oder zunimmt. Anschließend wird eine als Steuerparameter berechnete Strangstrom-Sollwertvorgabe für die Stränge des Reluktanzmotors zu einer Stromregelung gesendet. Der besondere Vorteil besteht darin, daß der Kommutierungswinkel bei gegebener Drehzahl entweder nur eine vom Drehmoment unabhängige Konstante und nicht statt dessen drehmomentabhängige Werte aus Speicherplatz und Rechenzeit konsumierenden Tabellen ausgelesen werden müssen, oder aber der bereits bekannte oder berechnete Zweig der Einschaltparabel verwendet werden kann. Trotzdem ist die Momentausnutzung des Motors gut.

Vorteilhaft ist, daß zumindest im Motorbetrieb für jede Drehzahl der Kommutierungswinkel ausgehend von einem maximalen Wert bei einem maximalen Drehmoment zu kleinen Drehmomentwerten hin zumindest konstant bleibt oder zunimmt. Günstig ist auch, sowohl im Generatorbetrieb als auch im Motorbetrieb für jede Drehzahl den Kommutierungswinkel ausgehend von einem maximalen Wert bei einem maximalen Drehmoment zu kleinen Drehmomentwerten hin zumindest konstant oder ansteigend zu wählen.

Der Vorteil bei beiden Maßnahmen ist, daß sowohl Speicherplatz als auch Rechenzeit bei der Steuerung gespart werden kann. Damit gelingt es, eine Echtzeitberechnung der Steuerparameter mit hinreichender Genauigkeit und geringem Winkelfehler vorzunehmen.

Eine weitere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ist, bei jeder Drehzahl einen konstanten, vom Drehmomentsollwert unabhängigen Kommutierungswinkel zu verwenden. Bei guter Momentausnutzung wird Rechenzeit und Speicherplatz einer Steuerung eingespart. Besonders bevorzugt ist, bei gegebener Drehzahl als Konstante den maximalen Kommutierungswinkel bei maximalem Drehmoment zu wählen.

Eine weitere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ist, den Kommutierungswinkel nach der Beziehung γ_K(n) = c₁(n) + γ_A(n) zu bilden, wobei γ_A(n) der Zweig der Einschaltparabel in Abhängigkeit vom Drehmoment ist. Besonders günstig ist dabei, daß kein zusätzlicher Rechenaufwand notwendig ist, obwohl für den Kommutierungswinkel nunmehr eine drehmomentabhängige Größe eingesetzt wird, da der Einschaltparabelzweig bereits berechnet ist. Die Momentausnutzung des Motors ist durch die größeren Kommutierungswinkel bei kleinen Drehmomenten weiter verbessert.

Vorteilhaft ist, eine Überwachung eines maximalen Kommutierungswinkels vorzusehen, insbesondere wird ein maximaler Kommutierungswinkel von mehr als 370° zuverlässig verhindert. Vorzugsweise ist eine Überwachung des Kommutierungswinkels in eine Steuerungs-Software der Maschine implementiert.

Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben, wobei

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Drehmomentsteuerung,

Fig. 2 den Verlauf einer Einschalt- und Kommutierungsparabel über dem Drehmomentsollwert,

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer Steuerung mit analoger Stromregelung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 4 ein Flußdiagramm eines Haupt- und Unterprogramms,

Fig. 5 einen prinzipiellen Verlauf von Strom und Spannung im Generatorbetrieb,

Fig. 6 einen prinzipiellen Verlauf von Strom und Spannung im Motorbetrieb,

Fig. 7 den Verlauf einer Kommutierungsgeraden und

Fig. 8 den Verlauf einer Kommutierungsparabel zeigt.

Im folgenden ist die Erfindung anhand einer Reluktanzmaschine für den Fahrbetrieb in einem Kraftfahrzeug beschrieben, bei dem ein lineares Fahrpedalsignal eines Fahrers zum Steuern eines hoch nichtlinearen Systems verwendet wird. Sie ist jedoch nicht auf diesen Einsatzbereich beschränkt. Die Erfindung wird weiterhin anhand einer dreisträngigen Maschine erläutert, kann jedoch für Maschinen mit beliebiger Strangzahl ≧ 2 verwendet werden.

In Fig. 1 ist ein Verfahrensablauf gemäß der Erfindung skizziert. Eine geschaltete Reluktanzmaschine GRM ist mit einem Stromrichter SR verbunden, der mit einer nicht näher darge stellten, üblichen Schaltung die geschaltete Reluktanzmaschine mit Strom versorgt. Es können Meßfühler oder Sensoren 6 in den Verbindungsleitungen zwischen Stromrichter und Reluktanz maschine angeordnet sein. Der Stromrichter SR ist weiterhin mit einer Gleichspannungsquelle Q über zwei Leitungen verbunden, welche einen Meßfühler oder Sensor 2 aufweist. Zwischen Stromrichter SR und Reluktanzmaschine GRM erfolgt für jeden Strang ein Abgriff des aktuellen Stromwertes i über einen Meßfühler oder Sensor 3, der als Istwert in eine Stromregelung eingeht. Die Stromregelung ASR ist vorzugsweise eine analoge Regelung.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung erfolgt die Stromregelung in digitaler Form, insbesondere mit einem sogen. DSP-Standardbaustein (Digital Signal Processor).

Weitere Eingangsgrößen sind Steuerparameter Einschaltwinkel γ_A, Kommutierungswinkel γ_K und Strangstrom-Sollwert i_W. Diese Steuerparameter werden von einer Steuerungseinheit ST weitergegeben, wobei die Schaltwinkel γ_A, γ_K an den Stromrichter SR und der Stromsollwert an die Stromregelung ARS geleitet werden. Die Steuerungseinheit ST selbst erhält als Eingangsparameter eine Sollwertvorgabe des Drehmoments M_W und den aktuellen Wert des Rotorlagewinkels γ. Die Rotorlage wird von einem Rotorlagegeber RG von der Reluktanzmaschine GRM abgegriffen und an die Steuerung ST geleitet. Die Sollwertvorgabe des Drehmoments M_W erfolgt vorzugsweise durch ein lineares Fahrpedalsignal, wobei ein Fahrer eines Kraftfahrzeugs durch die Stellung des Fahrpedals ein höheres oder ein geringeres Drehmoment anfordert. Der Fahrer selbst kann als ein Element in einer Regelung betrachtet werden, der einen Regelkreis schließt, dessen Bestandteil eine Drehmomentsteuerung ist.

Die Steuerparameter Schaltwinkel γ_A, γ_K und Strangstromsollwert i_W werden mittels Steuerkoeffizienten berechnet, die vorzugsweise als Tabellenwerte in einem Speichermedium abgelegt sind. Ein vorteilhaftes Raster der Koeffizienten ist 1 Wert pro 10 Umdrehungen. Diese Steuerkoeffizienten werden von der Drehmomentsteuerung benutzt, um die Steuerparameter γ_A, γ_K, i_W während des Betriebs in Echtzeit zu berechnen und dem Stromrichter SR bzw. der Stromregelung ASR vorzugeben. Da diese Steuerparameter nicht nur von dem geforderten Sollmoment M_W, sondern auch von der Drehzahl n der Reluktanzmaschine GRM abhängig sind, muß die Steuerung eine Information über die aktuelle zeitliche Änderung der Rotorlage erhalten, welche über den Rotorlagegebers RG zugänglich ist.

Die Steuerparameter Einschalt- und Kommutierungswinkel ergeben für jede Drehzahl n eine parallel zur Drehmomentachse liegende Parabel mit einem Scheitelpunkt γ₀. Die Verläufe der Parabelfunktionen, welche die Zusammenhänge zwischen Steuerkoeffizienten und Steuerparametern beschreiben, sind durch folgende, an sich bekannte Zahlenwertgleichungen dargestellt:

γ_A(M_W, n) = γ₀ + c_A M_W ^mA mit γ_A, γ₀ in ° und M_W ^mA in Nm (1)

und

γ_A(M_W, n) = γ₀ + c_A M_W ^mK mit γ_A, γ₀ in ° und M_W ^mK in Nm (2)

Die Steuerkoeffizienten c_K, mK, c_A, mA sind nur Funktionen der Drehzahl n.

Für jede Drehzahl n ergibt sich demnach eine liegende Parabel als Funktion des Drehmomentsollwerts M_W, wobei der Ast der Einschaltwinkel γ_A unter dem Ast der Kommutierungswinkel γ_K liegt. Ein Beispiel für eine solche Parabel ist in Fig. 2 für eine Drehzahl von n = 2000 l/min dargestellt. Der Scheitelpunkt γ₀ liegt auf der Winkelachse γ_EL. Der Wert γ_EL = 360° entspricht dabei der sogen. aligned-Position, bei der ein Rotorzahn einem stromerregten Statorzahn der Reluktanzmaschine gegenübersteht, und bei der der magnetische Widerstand minimal ist. Der Wert γ_EL = 180° entspricht der sogen. unaligned-Position, bei der die Mitte einer Rotornut genau einem stromerregten Statorzahn gegenübersteht.

Die Verläufe der einzelnen Einschalt- und Kommutierungsparabeln können mit der Methode der kleinsten Quadrate approximiert werden. Die approximierten Verläufe sind mit diskret berechneten Werten γ_A und γ_K in der Fig. 2 eingetragen. Es ergibt sich eine sehr gute Übereinstimmung. Aus dem Verlauf sind die Steuerkoeffizienten extrahierbar, so daß zur Berechnung der Schaltwinkel γ_K und γ_A nur noch der Drehmoment sollwert M_W, der vorzugsweise durch die Stellung des Fahrpedals vorgegeben wird, und die aktuelle Drehzahl n, die mittels des Rotorlagegebers RG bestimmt wird, benötigt wird.

Die Einschalt- und Kommutierungsparabeln verschieben sich mit steigender Drehzahl n hin zu kleineren Winkelwerten. Je größer die Drehzahl n und das angeforderte Sollmoment M_W, desto früher wird ein Strang der Reluktanzmaschine ein- oder ausgeschaltet.

Für den Stromsollwert, dessen Verlauf sich ebenso wie der der Einschalt- und Kommutierungsparabeln numerisch bestimmen läßt, ergibt sich als Zahlenwertgleichung eine Wurzelfunktion

Die Koeffizienten p und q sind nur Funktionen der Drehzahl.

Als Steuerparameter im Pulsbetrieb werden γ_A, γ_K und i_W verwendet, während als Steuerparameter im Blockbetrieb γ_A, γ_K ausreichend sind.

Somit ist auch hier zur Berechnung von i_W nur der Drehmomentsollwert M_W und die Drehzahl n notwendig. Über dem Sollmoment M_W steigt der Stromsollwert i_W kontinuierlich mit der Drehzahl n an.

Es ist vorteilhaft, Stromsollwerte i_W bis zu den höchsten Drehzahlen zu berechnen, obwohl sie im Blockbetrieb nicht benötigt werden. Der Vorteil ist darin zu sehen, daß bei Verwendung einer Spannungsquelle Q, deren Ausgangsspannung insbesondere belastungsabhängig ist, wie dies etwa bei einem Einsatz von Brennstoffzellen der Fall ist, etwaige Spannungsschwankungen der Quelle Q ausgeglichen werden können. Das Drehmoment kann unabhängig vom aktuellen Spannungswert eingestellt werden. Bevorzugt werden die Steuerkoeffizienten mit einer minimalen, konstanten Gleichspannung U_derrechnet. Treten Spannungsschwankungen auf, so ergibt sich damit ein Betrieb mit einer variablen Überspannung. Solche Veränderungen wirken sich besonders im Blockbetrieb auf einen sich einstellenden Strangstrom und somit auch auf das innere Drehmoment aus. Vorteilhaft ist auch, mit Stromsollwerten i_W zu arbeiten, welche etwas oberhalb von den mit minimaler, konstanter Gleichspannung U_d errechneten Scheitelwerten des Strangstromes liegen. Damit werden etwaige Abweichungen vom mittleren inneren Drehmoment der Reluktanzmaschine vermindert. Die gegenüber den Scheitelwerten leicht erhöhten Stromsollwerte i_W fangen die ansteigenden Strangströme ab und verhindern damit deren unkontrolliertes Ansteigen, wie auch gleichzeitig ein entsprechendes Ansteigen von Strangmomenten und mittlerem Strangmoment.

In Fig. 3 sind Details einer Steuerung mit analoger Stromregelung festgehalten, wie sie in einer Anordnung gemäß Fig. 1 eingesetzt werden kann. Die verwendeten Steuer algorithmen sind jeweils Steuerungsprogrammkomponenten zugeordnet. Die Steuerung kann in einem Prozessor implementiert sein. Als Sollwertvorgabe des Drehmoments M_W dient die Stellung eines Fahrpedals. Die Momentanforderung geht sowohl in die Stromsteuerung, wo sie in Element R1 zur Berechnung eines Stromsollwerts i_W verwendet wird, als auch in den Stromrichter ein, wo in einem Element R2 die Schaltwinkel γ_K, γ_A errechnet werden. Die Information über die aktuelle Rotorlage γ der Reluktanzmaschine GRM und deren zeitliche Änderung wird aus den Signalen des Rotorlagegebers RG gewonnen und daraus die Drehzahl n im Element R3 berechnet.

Mit dem berechneten Wert n werden die Steuerkoeffizienten γ₀, c_A, mA, c_K, mK, p und q aus Tabellen, die vorzugsweise in Speichermedien abgelegt sind, ausgelesen und entsprechend den Gleichungen (1), (2), (3) die Schaltwinkel γ_A, γ_K und der Stromsollwert i_W berechnet. Vorzugsweise erfolgt die Berechnung in einem Unterprogramm eines Hauptprogrammes, welches in einer bevorzugten Ausführung in einem Prozessor implementiert ist.

Für eine hinreichende Genauigkeit der Regelung ist ein Schwellwert bei der Winkelbestimmung von höchstens 6° elektrisch anzunehmen. Der zulässige mechanische Winkelfehler ergibt sich dann aus etwaigen Programmlaufzeiten und/oder weiteren Parametern der Maschine, insbesondere der tatsächlichen Zahnzahlkombination der Maschine.

In einer besonders bevorzugten Ausführung ist das Hauptprogramm in einem Mikrocontrollersystem implementiert, welches Laufzeiten des Hauptprogrammes von weniger als 5 µs und Laufzeiten des Unterprogrammes von weniger als 14 µs erlaubt. Bei realisierten Laufzeiten von 4 bzw. 13 µs von Haupt- bzw. Unterprogramm entspricht dies jeweils einem maximalen elektrischen Winkelfehler von 1,7° bzw. 5,6° für Haupt- bzw. Unterprogramm. Bei einer Drehzahl von 9000 l/min und einer Zahnzahlkombination von 12/8 (Statorzahnzahl/Rotorzahnzahl) sind diese Werte für eine Drehmomentsteuerung ausreichend genau.

In Fig. 4 sind die Flußdiagramme eines bevorzugten Haupt- und Unterprogrammes dargestellt. Das Unterprogramm wird nur bei Änderungen der Drehzahl n und/oder des Drehmomentsollwerts M_W aktiviert. Falls keine Änderung anliegt, wird die Rotorlage γ_EL mit Einschalt- und Kommutierungswinkel-Sollwert γ_A, γ_K verglichen und entsprechend Stränge, bei einer dreisträngigen Maschine Stränge A, B, C, der Reluktanzmaschine GRM geschaltet. Dann erfolgt der Rücksprung zum Anfang des Hauptprogramms.

Werden Änderungen von Drehzahl n und/oder Drehmomentsollwert M_W festgestellt, so erfolgt ein Sprung in das Unterprogramm NEUPAR.

Dort werden die Steuerkoeffizienten c_A, mA, c_K, mK, p, q und γ₀ aus einer Tabelle ausgelesen. Dann werden γ_A und γ_K sowie i_W berechnet. i_W wird dann direkt vom Unterprogramm zur analogen Stromregelung gesendet und die berechneten Steuerwinkel nach dem Rücksprung in das Hauptprogramm zum Vergleich mit der Rotorlage übergeben. Das Hauptprogramm errechnet im wesentlichen nur die aktuelle Rotorlage γ_EL.

Vorteilhaft ist, eine Überwachung eines maximalen Kommutierungswinkels vorzusehen, insbesondere wird ein maximaler Kommutierungswinkel von mehr als 370° zuverlässig verhindert. Vorzugsweise ist eine Überwachung des Kommutierungswinkels in das Hauptprogramm implementiert, besonders bevorzugt in den Programmteil, bei dem der elektrische Winkel mit Ausschalt- und Kommutierungswinkel verglichen wird.

Die Stromregelung SR weist vorzugsweise einen analogen Zweipunktregler mit Hysteresebandeinstellung auf. Die analoge Stromregelung hält im gepulsten Betrieb den Strangstrom i vorzugsweise mit alternierender Taktung im vorgegebenen Hystereseband. Der Stromrichter ist dementsprechend auszulegen, daß alle drei Schaltzustände U_d, - U_d, 0 V in jedem Strang der Reluktanzmaschine GRM unabhängig von den anderen möglich sind.

Da im Generatorbetrieb der Reluktanzmaschine GRM sich der rotatorische Anteil der Spannung der Maschine mit wachsender Drehzahl n erhöht, vergrößert dieser Spannungsanteil beim Einschalten bei γ_A die für den Stromanstieg verfügbare Spannung. Dies gilt insbesondere für den Blockbetrieb der Reluktanzmaschine GRM. Ab einer gewissen Drehzahl n ist auch nach dem Umschalten bei γ_K diese Gegenspannung größer als die Summe aus der negativen Gleichspannung und der ohmschen Spannung. Dementsprechend steigt der Strangstrom weiter an und stellt sich frei ein. Die Steuergrößen reduzieren sich dann auf die Schaltwinkel γ_A, γ_K, der Strangstromsollwert i_W ist an sich nicht mehr unmittelbar relevant.

In Fig. 5 ist der prinzipielle Verlauf des Strangstromes i und der Spannung u mit den Steuerparametern γ_A und. γ_K im Generatorbetrieb aufgezeigt. Bei γ_A wird durch Anlegen einer positiven Spannung U_d der Strang eingeschaltet. Der Strangstrom steigt an, bis der Strang bei γ_K wieder abgeschaltet wird. Der Strangstrom wird jedoch, wie oben beschrieben, durch die Gegen- EMK weiter erhöht, erreicht ein Maximum und fällt auf Null bei einem Endwinkel γ_E, der größer als γ_K ist. Dies entspricht einem Schaltverhalten wie im Motorbetrieb, bei dem der Stromsollwert i_W als Steuerparameter keine unmittelbare Rolle mehr spielt.

Im Generatorbetrieb besteht jedoch die Möglichkeit, den ansteigenden Strangstrom durch einen entsprechenden Stromsollwert abzufangen. Dabei wird das Umschalten der Strangspannung von U_d nach -U_d nicht durch den Kommutierungswinkel γ_K, sondern durch den Stromsollwert i_W bestimmt. Der Kommutierungswinkel γ_K verliert an Bedeutung, er muß lediglich zwischen den beiden Schnittpunkten der Stromkurve mit der Geraden bei i_W parallel zur Winkelachse liegen. Damit ist auch sichergestellt, daß nach Absinken des Strangstromes i unter den Wert von i_W die analoge Stromregelung die Strangspannung u nicht auf Null setzen und in den gepulsten Betrieb übergehen würde.

Diese Schaltmethode hat gegenüber dem konventionellen Abschalten bei γ_K den Vorteil, daß sie mit steigender Drehzahl n immer exakter arbeitet. Der Grund ist, daß mit steigender Drehzahl n der Einschaltwinkel γ_A immer weiter in den Motorbetriebsbereich zwischen der unaligned- und der aligned- Position vorverlegt wird. In diesem Bereich ist die Änderung der Stranginduktivität L(γ) mit dem Winkel γ noch positiv und die lineare Stranginduktivität L(γ) ist in diesem Bereich maximal. Dementsprechend steigt der Strangstrom i mit zunehmender Drehzahl n immer langsamer an, wodurch der Umschaltvorgang von +U_d nach -U_d bei höheren Drehzahlen n exakt bei dem durch i_W vorgegebenen Wert stattfinden kann, während gleichzeitig der Winkelfehler durch die Laufzeiten des Steuerprogramms mit steigender Drehzahl immer größer und die Schaltgenauigkeit durch den Kommutierungswinkel γ_K entsprechend ungenauer wird.

Die Genauigkeit der Drehmomentsteuerung im Generatorbetrieb läßt sich durch diese Maßnahme gegenüber dem konventionellen Verfahren weiter steigern. Außerdem ist eine Vereinfachung der Echtzeitberechnung des Kommutierungswinkels γ_K möglich.

Die Berechnung des Kommutierungswinkels γ_K läßt sich vereinfachen, und die Zahlenwertgleichung des entsprechenden Parabelastes wird zu einer Geraden. Der Kommutierungswinkel γ_K ergibt sich nunmehr als

γ_K(n) = γ_0G(n) + c_KG(n) mit γ_0G und γ_K in ° (4)

wobei Index G für Generatorbetrieb steht. Vorzugsweise ist γ_0G so gewählt. Die Konstante c_KG kann drehzahlabhängig gewählt werden oder auch als drehzahlunabhängige Konstante gewählt werden. Der Kommutierungswinkel γ_K ist nur noch eine Funktion der Drehzahl n und unabhängig vom Drehmomentsollwert M_W. Die Lage der Einschaltwinkel γ_A verschiebt sich mit steigender Drehzahl sowie größerem Solldrehmoment hin zu kleineren Winkelwerten, die Geraden für den Kommutierungswinkel γ_K verschieben sich mit steigender Drehzahl unabhängig vom Drehmomentsollwert M_W ebenfalls zu kleineren Winkeln.

Die Reduzierung der Abhängigkeit des Kommutierungswinkels auf die Drehzahl vereinfacht vorteilhaft die Echtzeitberechnung im Steuerprogramm, sondern verkleinert ebenfalls den benötigten Speicherplatz für die Steuerkoeffizienten.

Im Gegensatz zum Generatorbetrieb der Reluktanzmaschine GRM treffen diese Überlegungen im Motorbetrieb nicht zu, da ein Stromsollwert i_W im Motorbetrieb vor Abschalten des Stranges nicht mehr erreicht wird. Dies ist in Fig. 6 dargestellt.

Der Strang wird bei γ_Aeingeschaltet und bei γ_K ausgeschaltet. Dazwischen steigt der Strangstrom i an, ohne den Sollwert i_W zu erreichen. Der Grund ist, daß mit steigender Drehzahl n der rotatorische Anteil der Spannung sich vergrößert. Dieser rotatorische Anteil verringert die zum Stromanstieg zur Verfügung stehende Spannung soweit, daß i_W nicht mehr erreichbar ist. Der Strangstromverlauf stellt sich dann unterhalb von i_W nahezu frei ein, und die Steuerparameter reduzieren sich auf die Schaltwinkel γ_A, γ_K.

Trotzdem zeigt sich, daß sich im erfindungsgemäßen Verfahren auch im Motorbetrieb der obere Zweig der Einschalt- und Kommutierungsparabel wie im Generatorbetrieb durch eine Gerade mit einem, bei gegebener Drehzahl n, konstanten Kommutierungswinkel vorteilhaft ersetzen läßt. Dies führt zu einer weiteren vorteilhaften Reduzierung von Programmlaufzeiten und Speicherplatzbelegung, da keine umfangreichen Tabellen für Kommutierungswinkel notwendig sind. Der Kommutierungswinkel im Motorbetrieb wird dann nach der Gleichung

γ_K(n) = γ_0M(n) + c_KM(n) mit γ_0M und γ_K in ° (5)

bestimmt.

Bei geringen Drehmomentwerten M schaltet gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren demnach der Strang bei größeren Kommutierungswinkeln γ_K ab als bei Verwendung von Steuer parametern gemäß der Einschalt- und Kommutierungsparabeln. c_KM(n) kann sowohl als drehzahlunabhängiger als auch als drehzahlabhängiger Parameter gewählt werden. Vorzugsweise ist c_KM(n) gleich dem maximalen Kommutierungswinkel minus γ_0M(n) bei maximalem Drehmomentsollwert M_W ^max der den vorliegenden Bedingungen entsprechenden Einschalt- und Kommutierungsparabel.

Der Verlauf einer Kommutierungsgeraden als Funktion des Drehmomentsollwerts ist in Fig. 7 für eine Drehzahl von 2000 1/min dargestellt. Der Verlauf des entsprechenden oberen Astes der Einschalt- und Kommutierungsparabel ist gestrichelt eingezeichnet.

Vereinfachend können auch die Scheitelwerte der Einschalt- und Kommutierungsparabel so bestimmt werden, daß ein einziger Scheitelwert im Motor- und im Generatorbetrieb gilt mit γ₀(n) = γ_0M(n) = γ_0G(n). Es können jedoch auch unterschiedliche Scheitelwerte der Parabel für Motorbetrieb und Generatorbetrieb verwendet werden.

Eine besonders günstige Weiterbildung des Verfahren ist, statt einer Kommutierungsgeraden den unteren Ast der Einschalt- und Kommutierungsparabel zu verwenden. Der Kommutierungswinkel ergibt sich dann nach

γ_K(M_W, n) = c₁(n) + γ_A(M_W, n) mit γ_A, γ_K, c₁ in ° und M_W in Nm (6)

Der Parameter c₁(n) kann von der Drehzahl abhängig sein, kann aber auch als drehzahlunabhängige Konstante gewählt werden. Bevorzugt entspricht die Addition von c₁(n) dem maximalen Kommutierungswinkel bei maximalem Drehmomentsollwert M_W der den vorliegenden Bedingungen entsprechenden Einschalt- und Kommutierungsparabel. Zwar ist der Kommutierungswinkel γ_K nunmehr wieder vom Drehmoment anhängig, da jedoch in jedem Fall die Einschaltwinkel γ_A(M_W, n) gemäß dem Parabelverlauf berechnet werden müssen, ist kein zusätzlicher Rechenaufwand außer einer einfachen Addition durchzuführen, um die Werte für γ_K zu bestimmen. Der Verlauf von γ_K(M_W, n) ist dann parallel zu dem Einschaltast γ_A(M_W, n) der Einschalt- und Kommutierungsparabel, verschoben um den maximalen Kommutierungswinkel bei maximalem Drehmoment. Dieser Verlauf ist in Fig. 8 dargestellt. Der Verlauf des konventionellen Kommutierungsparabel-Astes ist gestrichelt eingezeichnet.

Da bei kleinen Drehmomenten M ein Strang erst bei noch größeren Kommutierungswinkeln γ_K abgeschaltet wird als bei Verwendung einer aus dem Stand der Technik bekannten Einschalt- und Kommutierungsparabeln oder einer erfindungsgemäßen Kommutierungsgeraden γ_K(n), gelingt eine weitere vorteilhafte Steigerung der Ausnutzung des Drehmomentprofils der Reluktanzmaschine GRM.

Vorteilhaft ist, zumindest im Motorbetrieb oder im Generatorbetrieb zumindest eine Kommutierungsgerade oder einen Kommutierungsparabel-Ast gemäß der Erfindung für die Bestimmung von Einschalt- und/oder Kommutierungswinkel zu verwenden. Besonders vorteilhaft ist, eine Bestimmung von Einschalt- und Kommutierungswinkel mittels einer Kommutierungsgerade und/oder einen Kommutierungsparabel-Ast gemäß der Erfindung sowohl im Motor- als auch im Generatorbetrieb vorzunehmen.

Claims

1. Verfahren zum Steuern einer geschalteten Reluktanzmaschine mit tels einer Drehmomentsteuerung mit Betriebsbereichen Motorbetrieb und Generatorbetrieb, wobei Motorstränge entsprechend der Rotor winkellage (γ_EL) bei einem Einschaltwinkel (γ_A(M_W, n)) eingeschaltet und bei einem Kommutierungswinkel (γ_K(M_W, n)) ausgeschaltet werden, wobei die Winkel als Steuerparameter (i_W, γ_A(M_W, n), γ_K(M_W, n)) aus gespeicherten und im Betrieb der Reluktanzmaschine ausgelesenen Steuerkoeffizienten (γ₀, c_A, M_W ^mA, c_K, c_AG, c_KG, M_W ^mAG, p, q) als Funk tion der Drehzahl (n) bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß im Generatorbetrieb für jede Drehzahl (n) der Kommutierungs winkel (γ_K) ausgehend von einem maximalen Wert (c₁) bei einem maximalen Solldrehmoment (M_W,max) zu kleinen Solldrehmomentwerten (M_W) hin zunimmt, und daß anschließend eine als Steuerparameter berechnete Strangstrom-Sollwertvorgabe (i_W) für die Stränge (A, B, C) der Reluktanzmaschine zu einer Stromregelung gesendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Motorbetrieb für jede Drehzahl (n) der Kommutierungswinkel (γ_K) ausgehend von einem maximalen Wert (c₁) bei einem maximalen Solldrehmoment (M_W,max) zu kleinen Solldrehmomentwerten (M_W) hin konstant bleibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Motorbetrieb für jede Drehzahl (n) der Kommutierungswinkel (γ_K) ausgehend von einem maximalen Wert (c₁) bei einem maximalen Solldrehmoment (M_W,max) zu kleinen Solldrehmomentwerten (M_W) hin zunimmt.

4. Verfahren zum Steuern einer geschalteten Reluktanzmaschine mit tels einer Drehmomentsteuerung mit Betriebsbereichen Motorbetrieb und Generatorbetrieb, wobei Motorstränge entsprechend der Rotor winkellage (γ_EL) bei einem Einschaltwinkel (γ_A(M_W, n)) eingeschaltet und bei einem Kommutierungswinkel (γ_K(M_W, n)) ausgeschaltet werden, wobei die Winkel als Steuerparameter (i_W, γ_A, γ_K) aus gespeicherten und im Betrieb der Reluktanzmaschine ausgelesenen Steuerkoeffizi enten (γ₀, c_A, M_W ^mA, c_K, c_AG, c_KG, M_W ^mAG, p, q) als Funktion der Drehzahl (n) bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest im Motorbetrieb für jede Drehzahl (n) der Kommutie rungswinkel (γ_K) ausgehend von einem maximalen Wert (c₁) bei einem maximalen Solldrehmoment (M_W,max) zu kleinen Solldrehmomentwerten (M_W) hin zumindest konstant bleibt oder zunimmt, und daß anschlie ßend eine als Steuerparameter berechnete Strangstrom- Sollwertvorgabe (i_W) für die Stränge (A, B, C) des Reluktanzma schine zu einer Stromregelung gesendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Generatorbetrieb für jede Drehzahl (n) der Kommutierungs winkel (γ_K) ausgehend von einem maximalen Wert (c₁) bei einem maximalen Solldrehmoment (M_W,max) zu kleinen Solldrehmomentwerten (M_W) hin konstant bleibt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Generatorbetrieb für jede Drehzahl (n) der Kommutierungs winkel (γ_K) ausgehend von einem maximalen Wert (c₁) bei einem maximalen Solldrehmoment (M_W,max) zu kleinen Solldrehmomentwerten (M_W) hin zunimmt.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutierungswinkel (γ_K) nach der Beziehung γ_K(n) = c₁(n) gewählt wird, wobei c₁(n) der maximale Kommutierungswinkel (γ_K) bei gegebener Drehzahl (n) bei maximalem Solldrehmoment (M_W) ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutierungswinkel (γ_K) nach der Beziehung γ_K(n) = c₁ + γ_A(n) gebildet wird, wobei γ_A(n) der Zweig der Einschaltparabel in Ab hängigkeit vom Solldrehmoment (M_W) und c₁(n) der maximale Kommutierungswinkel (γ_K) bei gegebener Drehzahl (n) bei maximalem Solldrehmoment (M_W) ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutierungswinkel (γ_K) überwacht wird, so daß ein maxi maler Kommutierungswinkel (γ_K) nicht überschritten wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutierungswinkel (γ_K) durch ein Steuerprogramm über wacht wird.