DE19961798A1

DE19961798A1 - Verfahren und Anordnung zur Regelung des Stroms in einer geschalteten Reluktanzmaschine

Info

Publication number: DE19961798A1
Application number: DE19961798A
Authority: DE
Inventors: Andreas Greif
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 1999-12-22
Publication date: 2001-08-02
Anticipated expiration: 2019-12-23
Also published as: US6366048B2; US20010024099A1; DE19961798C2

Abstract

Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Anordnung zur Regelung des Strangstroms in den Wicklungen einer Reluktanzmaschine. Geregelt wird mit einem nach der PI-Charakteristik arbeitenden digitalen Regler, der einem Gleichstromsteller pulsweitenmodulierte Impulse vorgibt. Durch eine Vorsteuerung werden strangspannungsabhängige Stellwerte der Stellgröße des Reglers überlagert (Fig. 1).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anord nung zur Regelung des Strangstroms in einer geschalteten Re luktanzmaschine, deren Statorwicklungen pro Phase jeweils mit einem Gleichstromsteller verbunden sind, der mit einem die Re gelabweichung zwischen Stromsoll- und gemessenem Stromistwert verarbeitenden Regler verbunden ist, der den Gleichstromstel ler mit pulsweitenmodulierten elektrischen Impulsen beauf schlagt.

Eine Anordnung der vorstehend beschriebenen Art ist bekannt (US 5754 024 A1). Der Gleichstromsteller pro Phase der bekann ten Anordnung besteht aus einer ersten Reihenschaltung eines Schalttransistors mit einer Freilaufdiode und einer zweiten Reihenschaltung einer Freilaufdiode mit einem Schalttransi stor. Der Schalttransistor der ersten Reihenschaltung ist mit dem positiven Pol und der Schalttransistor der zweiten Reihen schaltung mit dem negativen Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden. Die Freilaufdioden sind in bezug auf die Polarität der Gleichspannungsquelle in Sperrichtung gepolt. Die Steuer elektroden der als IGBTs ausgebildeten Schalttransistoren sind mit einem Pulsweitenmodulator verbunden, der einen ersten an, einen Taktgenerator angeschlossenen Eingang, einen zweiten, an einen Komparator angeschlossenen Eingang und einen dritten, von einem Ein-, Aus-Signal beaufschlagten Eingang aufweist. Die Phasenwicklung ist in Reihe mit einem Stromsensor zwischen den Verbindungsstellen der Schalttransistoren mit den Frei laufdioden angeordnet. Der Komparator wird an einem ersten Eingang mit einem Stromsollwert und an einem zweiten Eingang vom Stromistwert des Stromsensors beaufschlagt. Der Stromsoll wert und das Ein-Signal sowie das Aus-Signal für den Puls weitenmodulator werden in Abhängigkeit von der mit einem Sensor gemessenen Rotorposition bestimmt. Der Pulsweiten modulator startet, wenn die jeweilige Wicklung mit Strom beaufschlagt werden soll, und stoppt, wenn die Wicklung wieder stromlos gemacht werden soll.

Zur Regelung des Strangstroms einer Reluktanzmaschine eignet sich ein Dreipunkteregler mit Hysterese. Der Ausgang des Drei punktreglers kann drei Zustände einnehmen, denen jeweils ein Schaltzustand eines Stromrichters bzw. Gleichstromstellers zu geordnet werden kann. Durch die Zuordnung zu den Schaltzustän den "Ein, Kurzschluß" und " Aus" des Stromreglers kann der Strangstrom sowohl im Motor- als auch im Generatorbetrieb bis hin zum Stillstand geregelt werden, ohne daß der Dreipunktreg ler umgeschaltet werden muß. Bei gleichen Schaltschwellen des Dreipunktreglers im Motor- und Generatorbetrieb der Reluktanz maschine ergibt sich hierbei allerdings im Generatorbetrieb ein höherer Strommittelwert als im Motorbetrieb. Dieser Effekt kann durch übereinander geschobene Hystereseschleifen minimiert werden. Ein Vorteil des Dreipunktreglers mit Hysterese ist seine einfache Struktur.

Nachteilig ist, daß die vom Dreipunktregler veranlaßte Schalt frequenz des Stromrichters nicht nur von den Schaltschwellen sondern auch von der Stromänderungsgeschwindigkeit in der Wicklung der Maschine abhängt, die wiederum von der Strang spannung, dem Wicklungswiderstand, dem aktuellen Stromwert, der rotorpositionsabhängigen Stranginduktivität und der Dreh zahl abhängt. Unter Beachtung dieser Einflußgrößen müssen die Schaltschwellen des Dreipunktreglers so gewählt werden, daß die maximale Schaltfrequenz der Leistungshalbleiter des Stromrichters nicht überschritten wird. Dadurch ergeben sich in Betrieb der Reluktanzmaschine Schaltfrequenzen, die weit unterhalb der maximalen Schaltfrequenz im Hörbereich liegen, wodurch die Reluktanzmaschine als unangenehm empfundene Geräusche erzeugt.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein flexibel an un terschiedliche Gegebenheiten bei Reluktanzmaschinen anpaßbares Verfahren und eine Anordnung zur Regelung des Stroms in Strangwicklungen einer geschalteten Reluktanzmaschine anzu geben, wobei von durch Schaltfrequenzen der Stromrichter ventile verursachte störende Geräusche der Reluktanzmaschine weitgehend vermieden werden und die Strangströme dynamisch schnell auf die vorgegebenen Sollwerte eingestellt werden können.

Das Problem wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebe nen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Regelabwei chung aus den Sollwerten und aus durch Abtastung in äquidi stanten Intervallen erhaltenen Stromistwerten bestimmt wird, daß aus der Regelabweichung digital nach einer PI-Charakteri stik eine erste Stellgröße durch lineare Überlagerung eines Integral-Anteils und eines mit der jeweiligen elektrischen Winkelposition der Reluktanzmaschine multiplizierten Propor tionalanteils gebildet wird, und daß der ersten Stellgröße eine zweite Stellgröße linear überlagert wird, die als Vor steuerwert durch Multiplikation mit der Drehzahl eines Kenn werts gebildet wird, der aus einem Kennfeld, das die Ableitung des Flusses der Reluktanzmaschine nach der elektrischen Winkelstellung als Funktion der elektrischen Winkelstellung des Rotors der Reluktanzmaschine und des Strangstroms enthält, strangstromabhängig und abhängig von der elektrischen Winkel position des Rotors ausgelesen wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Strangströme auch bei hohen Drehzahlen und bei hohen Frequenzen für die Pulsweitenmodulation sowie schnellen Änderungen der induzierten Strangspannung gut ausge regelt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß in einer Tabelle Kennwerte als Funktion der elektrischen Rotor winkelpositionen gespeichert sind, daß die Kennwerte aus einem Datensatz mit den magnetischen Flußwerten der Reluktanzma schine als Funktion der elektrischen Rotorwinkelposition und der Strangströme durch Ableitung der Flußwerte nach den Rotor winkelpositionen, durch Division mit einem für den Übergang in den gesättigten magnetischen Zustand typischen Sättigungsstrom und Bildung der Mittelwerte für die jeweilige Rotorwinkel position bestimmt sind und daß der Vorsteuerwert durch Multiplikation des jeweils in Abhängigkeit von der gemessenen Rotorwinkelposition und dem Strangstrom ausgelesenen Kennwerts mit der Drehzahl und dem Strangstrom gebildet wird. Bei dieser Ausführungsform wird für die Speicherung der Kennwerte relativ wenig Speicherkapazität benötigt. Die näherungsweise Bestim mung des rotatorischen Spannungswerts für die Vorsteuerung wirkt sich nicht nachteilig aus, da der Regler kleinere Soll- Ist-Abweichung schnell ausregeln kann.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform wird die Regelab weichung nach folgender Gleichung e(k) = w(k) - x(k) zum Zeitpunkt t_K = k.T_A berechnet, worin mit e die Regelab weichung, mit x der Stromistwert, mit w der Sollwert, mit t_K der Zeitpunkt, mit k die Anzahl des Abtastintervalle und mit T_A die Abtastzeit bezeichnet sind, und nach folgender Gleichung mit der Regelabweichung die Stellgröße berechnet:
y(k) = K_p.e(k) + y_I(k - 1) + K_I.e(k - 1), worin mit y(k) die Stellgröße, mit K_p die proportionale Verstärkung, mit y_I der Integral-Anteil der Stellgröße, mit K_I das Produkt aus proportionaler Verstärkung mit dem Quotienten aus der Ab tastzeit und der Nachstellzeit des Reglers und mit e(k) die Regelabweichung bezeichnet sind. Mit dem vorstehend beschrie benen Verfahren läßt sich die Stellgröße in relativ kurzer Zeit aus der Regelabweichung bestimmen. Die Rechenzeit des Reglers wird somit sehr kurz. Unter Rechenzeit ist hierbei die Zeit zu verstehen, die vom Einlesen des Istwerts über einen A/D-Umsetzer bis zu dem Zeitpunkt vergeht, an dem das Stell signal den Stromrichter beaufschlagt.

Insbesondere werden einerseits die Nachstellzeit der PI- Regelung auf die Zeitkonstante der Strangwicklung der Re luktanzmaschine und andererseits der Faktor des Integral- Anteils nach folgender Beziehung eingestellt:

worin mit K_I der Faktor des Integral-Anteils, mit T_A das Ab tastintervall, mit K_S die Streckenzeitkonstante der Regel strecke und mit T_t die Totzeit der Regelung bezeichnet sind, während der Verstärkungsfaktor nach folgender Beziehung:

rotorpositionsabhängig nachgeführt wird, worin mit K_p(γ) der Verstärkungsfaktor, mit T₁(γ) die strom- und rotorpositionsab hängige Zeitkonstante der Strangwicklung, mit K_S die Strecken zeitkonstante und mit T_t die Totzeit der Regelung bezeichnet sind. Mit einer derartigen Einstellung wird ein gutes Zeitver halten des Regelkreises erreicht.

Geschaltete Reluktanzmaschinen haben eine strom- und rotorpositionsabhängige Zeitkonstante für die gilt:

worin mit T₁ die Zeitkonstante, mit Ψ der magnetische Fluß, mit y die Rotorposition, mit i der Strangstrom und mit R der ohmsche Widerstand der Strangwicklung bezeichnet sind.

Besonders günstig ist es, wenn die Zeitkonstante T₁(γ) der Strangwicklung für die q-Stellung und die d-Stellung des Ro tors nach folgenden Beziehungen ermittelten Werten:

und für Zwischenstellungen des Rotors zwischen q-Stellung und d-Stellung mit dem Produkt aus der elektrischen Winkelposition des Rotors und dem Verhältnis von

bestimmt werden, worin T_1q die Zeitkonstante der Strangwicklung in q-Stellung des Rotors, T_1d die Zeitkonstante der Strangwick lung in d Stellung des Rotors, Ψ(γ_q, imax) der magnetische Fluß der Reluktanzmaschine in q-Stellung des Rotors bei dem maximalen Strom in Betrieb der Reluktanzmaschine und R der Wi derstand der Strangwicklung und Ψ(γ_d, imax) der magnetische Fluß der Reluktanzmaschine in d-Stellung des Rotors bei maxi malen Strom sind, bei dem die Reluktanzmaschine betrieben werden soll. Mit diesem Verfahren kann die Zeitkonstante der Strangwicklung mit hinreichender Genauigkeit und kurzer Rechenzeit bestimmt werden.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird jeweils beim Erreichen eines Einschaltwinkels für den Strangstrom ein Startimpuls nach folgender Beziehung durch den Stromrichter eingestellt:

worin mit PWM_start das Startsignal, mit n die gemessene Drehzahl, mit nmax die Maximaldrehzahl, mit I_max der Maximalstrom des An triebs, mit i_w der eingestellt Sollstrom und mit PWM_100% der Pulsweitenimpuls für Vollsteuerung bezeichnet sind. Mit diesem Startwert werden der Abtasttakt der Regelung und das Ein- und Ausschalten der Stränge so zusammengeführt, daß keine Winkel fehler durch das asynchrone Verhältnis zwischen Abtasttakt und von der Drehzahl abhängigem Schalten der Wicklungsstränge ent stehen. Außerdem wird die Reaktionszeit der Regelung mini miert. Weiterhin wird hierdurch ein unstetiger Übergang von gepulsten Betrieb der Reluktanzmaschine in den Blockbetrieb vermieden.

Bei einer Anordnung zur Regelung des Strangstroms in einer ge schalteten Reluktanzmaschine, deren Statorwicklungen pro Phase jeweils mit einem Gleichstromsteller verbunden sind, der mit einem die Regelabweichung zwischen Stromsoll- und gemessenen Stromistwert verarbeitenden Regler verbunden ist, der dem Gleichstromsteller mit pulsweitenmodulierten elektrischen Im pulsen beaufschlagt, wird das Problem erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Regler einen Mikrocontroller aufweist, dem eingangsseitig Stromsollwerte und Stromistwerte über einen A/D-Umsetzer sowie von einen Drehpositionssensor des Reluk tanzmaschinenrotors erzeugte Rotorpositionssignale zuführbar sind, daß im Regler ein Programm zur Berechnung der Regelab weichung und der Stellgröße nach einer PI-Charakteristik ge speichert ist, daß das Programm einen Teil zur getrennten Be rechnung des Proportional- und des I-Anteils gemäß der PI-Cha rakteristik aufweist, daß die Proportional- und I-Anteile ein ander überlagert werden, daß eine Konstante zur Berechnung des I-Anteils als Quotient aus einem gleichbleibenden Abtastinter vall und dem Produkt aus doppelter Steckenverstärkung der Re gelstrecke und der Totzeit des Regler gespeichert ist, daß für die Bestimmung des Verstärkungsfaktors in einem Speicher Werte der Zeitkonstanten der Strangwicklung rotorpositionsabhängig und gespeichert sind, und daß weiterhin für die Bestimmung von durch Multiplikation der Rotordrehzahl mit Kennwerten zu bil denden Vorsteuerwerten, die der Stellgöße am Ausgang des Reglers überlagert werden, ein Kennfeld, das die Ableitung des magnetischen Flusses der Reluktanzmaschine nach der elektri schen Winkelposition als Funktion der elektrischen Rotorwin kelposition und des Strangstroms enthält, strangstromabhängig und rotorwinkelpositionsabhängig gespeichert ist.

Eine wesentliche Einsparung an Speicherplatz ergibt sich, wenn das Kennfeld aus einer Reihe von Kennwerten besteht, die auf folgende Weise bestimmt worden sind: Ableitung der magneti schen Flußwerte der Reluktanzmaschine als Funktion der elek trischen Rotorwinkelposition und der Strangströme nach der Rotorwinkelposition. Division der abgeleiteten Werte durch einen für den Übergang in den gesättigten magnetischen Zustand typischen Sättigungsstrom. Bildung der Mittelwerte für die jeweilige Rotorposition.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in einer Zeich nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten Merkmale und Vorteile ergeben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Regelung des Strangstroms in einer geschalteten Reluktanzmaschine,

Fig. 2 ein Strukturbild des Regelkreises für die Regelung des Strangstroms,

Fig. 3 ein Zeitdiagramm von pulsweitenmodulierten Impulsen mit verschiedenen Tastverhältnissen,

Fig. 4 nähere Einzelheiten des in Fig. 2 dargestellten Strukturbilds,

Fig. 5 für eine Reluktanzmaschine typische Kennlinien des Flusses in Abhängigkeit vom Strangstrom mit der Ro tordrehstellung als Parameter,

Fig. 6 genäherte Kennlinien des Flusses in Abhängigkeit vom Strangstrom für eine Reluktanzmaschine,

Fig. 7 der näherungsweise Verlauf der Zeitkonstante der Reluktanzmaschine in Abhängigkeit von der Rotordreh stellung,

Fig. 8 eine für eine Reluktanzmaschine typische Kennlinie des magnetischen Flusses in Abhängigkeit der Rotor drehstellung bei konstanten Strangstrom,

Fig. 9 die partielle Ableitung der Kennlinie gemäß Fig. 8 nach der Rotordrehstellung für einen konstanten Strangstrom.

Eine Anordnung zur Regelung des Strangstroms in einer geschal teten Reluktanzmaschine weist eine in Fig. 1 mit 1 bezeichnete Regel- und Steueranordnung auf, der an einem nicht näher be zeichneten Eingang Stromsollwerte zugeführt werden, die in der Anordnung 1 auch gespeichert oder als Führungsgröße vorgesehen werden. Die Regel- und Steueranordnung 1 erzeugt Ansteuersi gnale für einen Strom- bzw. Wechselrichter 2, der zwei, je aus der Reihenschaltung eines kontaktlosen Schalters 3, 4 und einer Freilaufdiode 5, 6 bestehende Schaltungshälften auf weist, wobei der Schalter 3 und die Diode 6 an den positiven Pol 7 und der Schalter 3 und die Diode 4 an den negativen Pol 8 einer Gleichspannungsquelle angeschlossen sind. An die ge einsame Verbindungsstelle zwischen dem Schalter 3 und der Diode 5 sowie dem Schalter 4 und der Diode 6 ist die Reihen schaltung aus einer Strangwicklung 9 der Reluktanzmaschine und einem Stromsensor angeschlossen. Der Strom- bzw. Wechselrich ter 2 ist ein Gleichstromsteller, dessen Schalter insbesondere IGBTs sind.

Die Reluktanzmaschine kann mehre Phasen haben von denen Fig. 1 nur eine dargestellt ist. Die Anzahl der Gleichstromsteller entspricht der Anzahl der Phasen- bzw. Strangwicklungen.

Dem Rotor 1 der Reluktanzmaschine ist ein Drehpositionssensor 12 zugeordnet, der in Abhängigkeit von der jeweiligen Drehwin kelposition des Rotors 1 entsprechende Signale an die Regel- und Steueranordnung 1 abgibt. Die Drehwinkelposition kann in Absolutwerten kodiert sein, so daß keine Umformung in eine digitale Größe notwendig ist. Mit dem Drehstellungssensor 12 kann auch die Winkelgeschwindigkeit gemessen werden.

In Fig. 2 ist das Strukturbild des Regelkreises dargestellt. Der Strom- bzw. Wechselrichter 2 ist das Stellglied. Der Stromsensor 10 ist das Meßglied. Die Strangwicklung 9 mit ihrer Induktivität und dem ohmschen Widerstand bildet die Re gelstrecke. Die Regel- und Steueranordnung 1 enthält einen Regler 13 und eine Vorsteueranordnung 14.

Mit dem Regler 13 soll über das Stellglied eine Spannung an die Strangwicklung 9 angelegt werden, die so groß ist, daß der Strom in der Strangwicklung 9 der Reluktanzmaschine dem Soll wert entspricht, der in Fig. 2 mit w(k) bezeichnet ist. Der Regler 13 ist als digitaler Regler ausgebildet, d. h. er ent hält einen Mikrocontroller, der nicht näher dargestellt ist.

Da der Strom- bzw. Wechselrichter 2 kontaktlose Schalter aufweist, die zur Vermeidung von Verlustleistung in Schalter betrieb arbeiten, wird aus der vorgegebenen Gleichspannung U_d eine gepulste Spannung für die Strangwicklung 9 erzeugt. Aus der Gleichspannung werden pulsweitenmodulierte Impulse er zeugt. Hierfür wird eine Pulsweitenmodulationseinheit (auch PWM genannt) verwendet, die insbesondere im Mikrocontroller integriert ist. Es wird durch ein Programm die konstante Peri odendauer eingestellt und durch ein Register die Pulsweite vorgegeben.

Die Fig. 3 zeigt für die Periode T_PWM die Impulse für die Tast verhältnisse 10%, 50% und 90%. Der an der Strangwicklung 9 anliegende Mittelwert der Spannung kann zwischen 0 und 100% oder zwischen +100% und -100% der Gleichspannung U_d vari iert werden, wenn die Durchlaßspannung der Halbleitschalter vernachlässigt wird. Die Variation im Bereich +100% und -100% ist in der Patentanmeldung 199 43 542.1 der Anmelderin eingehend beschrieben, auf die hiermit Bezug genommen wird. Der Stellbereich des Reglers ist hierbei so ausgelegt, daß der Regelung Werte zwischen +100% und -100% annehmen kann.

Wenn der Reglerausgang negativ ist, was auftritt bei einer Sollwertüberschreitung, wird durch eine Logik veranlaßt, daß die PWM zwischen den beiden Schaltzuständen "Aus" und "Kurz schluß" hin und her schaltet, um den Strangstrom zu verringern (Mode "0" = Strom abbauen). Bei positivem Reglerausgang, wenn der Stromsollwert unterschritten wird, bewirkt die Steuer logik, daß die PWM zwischen "Ein" und "Kurzschluß" hin und her schaltet, um den Strangstrom zu erhöhen (Mode "1" = Strom aufbauen).

Der Bereich -100% bis 0 wird in einem PWM-Wert von 0 bis +100% und der Bereich zwischen 0 und +100% ebenfalls einen PWM-Wert zwischen 0 und +100% umgerechnet.

Das entspricht im Mode "0" (Strom abbauen) einer Strangspannung von -U_d bis 0 und im Mode "1" (Strom aufbauen) einer Strang spannung von = bis +U_d. Auf dieser Weise steuert der Strom regler selbständig den Modus und es entsteht keine Unstetig keitsstelle zwischen den beiden Betriebsarten "Strom aufbauen" und "Strom abbauen".

Die Streckenverstärkung des in Fig. 2 dargestellten Regelkrei- ses ist K_S = K_Stelle.K_Mot.K_meß,
wobei mit K_S die gesamte Steckenverstärkung mit K_mot die Ver stärkung der Strangwicklung und mit K_meß die Verstärkung der Meßeinrichtung bezeichnet sind.

Für die Bestimmung der Verstärkung des Stellglieds K_Stell wird der Zahlenwert, der in das Register für 100%-Pulsweitenmodu lation eingetragen werden muß, in Bezug zur Gleichspannung U_d wie folgt gesetzt:

Die Verstärkung der Strangwicklung 9 ist durch deren ohmschen Widerstand R bestimmt. Deshalb ist

Dieser Wert gibt an, welcher Strom sich bei einer bestimmten angelegten (Gleich-) Spannung im Stillstand der Reluktanz maschine einstellen würde.

Der Stromsensor 9 führt dem digitalen Regler 13 die Istwerte über einen A/D-Umsetzer (ADC) zu. Für die Bestimmung der Ver stärkung der Meßeinrichtung gilt dann:

d. h. das Verhältnis maximaler Ausgangswert des ADC zum maxi malen Strom in der Reluktanzmaschine.

Der digitale Regler 13 arbeitet aufgrund des Mikrocontrollers als Abtastregler, wobei vorzugsweise äquidistante Abtastinter valle T_A verwendet werden. Das Abtastintervall hat großen Ein fluß auf das dynamische Verhalten der Regelung.

Der digitale Regler 13 arbeitet nach einer PI (Proportional- Integral)-Charakteristik und benötigt für die Zeit vom Ein lesen der Stromistwerte über den A/D-Umsetzer bis zum Zeit punkt, an den die Pulsweitenmodulationseinheit mit dem jeweils neu bestimmten Pulsweitenwert arbeitet, die sog. Rechenzeit T_R.

Zu dieser Rechenzeit T_R wird der statische Mittelwert der Ab tastzeit addiert. Hieraus ergibt sich die Totzeit T_t des Reg lers 13:

T_t = _TR + T_A/2

Eine Störgröße kann im Zeitraum von unmittelbar nach bis un mittelbar vor der Abtastung durch den A/D-Umsetzer auftreten. Die kleinste wirksame Rechenzeit ist aber die Periode der Pulsweitenmodulation, da ein neuer PWM-Wert erst beim Start einer neuen Periode von der PWM-Einheit übernommen wird.

Die Fig. 7 zeigt die Struktur des PI-Reglers 13 innerhalb der Steuer- und Regelanordnung 1. Es ist ein P-Glied 15 mit der Verstärkung P- und ein I-Glied mit der Nachstellzeit T_n/K_p vorhanden.

Der I-Anteil wird durch die Konstante

bestimmt, wobei T_A die Abtastzeit ist.

Zum jeweiligen Zeitpunkt t_K = k.T_A wird mit der Regel- und Steueranordnung 1 die Regelabweichung e(k), ausgehend vom Sollwert w(k) und dem Istwert des Stroms x(k), die Regelabweichung e(k) wie folgt berechnet,

e(k) = w(k) - x(k).

Der P-Anteil y_p(k) wird aus der Regelabweichung e(k) wie folgt bestimmt:

y_p(k) = Kp.e(k-1)

Der I-Anteil

wird getrennt vom P-Anteil bestimmt. P- und I-Anteil werden aufaddiert, so daß sich ergibt: y(k) = y_p(k) + yt(k).

Um den Rechenaufwand zu reduzieren werden nur die Änderungen Δy (K) gegenüber den vorherigen Wert y(k - 1) berechnet und zu diesem aufaddiert:

y(k) = y(k - 1) + ΔY(k)

Für die P- und I-Anteile ergeben sich:

Δy_p(k) = K_p[e(k) - e(k - 1)]

und

Δy_l(k) = K_le(k - 1)

Die zusammengefaßten Anteile y_p(k) und y_l(k) sind:

y_p(k) = K_p.e(k)

und

y_l(k) = y_l(k - 1) + K_I.e(k - 1)

Da bei der vorstehend beschriebenen Vorgehensweise immer nur die Abweichung und der I-Anteil, der im vorherigen Abtastin tervall bestimmt wurde, gespeichert werden muß, ergibt sich eine kurze Rechenzeit.

Bei der geschalteten Reluktanzmaschine ist die elektrische Zeitkonstante der einzelnen Phasenwicklungen stark von der Ro tordrehstellung γ und vom Strangstrom i abhängig. Damit ergibt sich eine strom- und positionsabhängige Zeitkonstante T₁(γ, i), die aus Kennlinie des Flusses in Abhängigkeit vom Strom bestimmt wird, d. h.

Die Zeitkonstante T₁(γ, i) kann als Kennfeld abgelegt und bei jedem Regelzyklus ausgelesen werden.

Eine typische Kennlinie des Flusses Ψ einer Reluktanzmaschine in Abhängigkeit vom Strangstrom i mit der Drehposition γ des Rotors als Parameter ist in Fig. 5 dargestellt. Die Stromän derungsgeschwindigkeit wird aus der Steigung einer Geraden durch den Vorsprung und dem momentanen Arbeitspunkt in der Ψ- i-Kennlinie bestimmt. Es hat sich gezeigt, daß eine näherungs weise Bestimmung der Zeitkonstante auf die nachstehend be schriebene zu guten Regeleigenschaften führt:

Bei einer geschalteten Reluktanzmaschine ändert sich der ma gnetische Widerstand in Abhängigkeit von der Drehstellung des Rotors. Der kleinste Wert ist erreicht, wenn ein Rotorzahn einen stromerregten Statorzahn gegenübersteht. Dies Stellung wird als Längsfeld- oder d-Stellung bezeichnet. Wenn die Mitte der Rotornut einen stromerregten Statorzahn gegenübersteht, ist der magnetische Widerstand am größten. Diese Stellung wird als Querfeld- oder q-Stellung bezeichnet. Die Stranginduktivi tät L ändert sich reziprok zum magnetischen Widerstand. Es kann für die Stranginduktivität und damit für die Zeitkon stante ein idealisierter Verlauf über der Rotordrehstellung γ angenommen. Für die Zeitkonstante T₁ ist dieser Verlauf in Fig. 7 dargestellt. Die Zeitkonstante T₁ für die q-Stellung und dem maximalen Strom, bei dem die geschaltete Reluktanzmaschine be trieben werden soll, ergibt sich zu:

für die Zeitkonstante in d-Stellung gilt:

Die Zwischenwerte der Zeitkonstanten zwischen T_1q und T_1d werden durch eine Gerade bestimmt, die durch die beiden Punkte T_1q und T_1d verläuft. Die Fig. 7 zeigt den Verlauf der Zeitkonstanten für den Motor- und Generatorbetrieb der Reluktanzmaschine.

Es ergeben sich gute Ergebnisse, weil der Regler 13 nur beim Einschalten eines Stranges mit einem Sollwertsprung beauf schlagt wird. Das ist für den Motorbetrieb in der Nähe der q- Stellung und im Generatorbetrieb in der Nähe der d-Stellung der Fall. Für alle anderen Rotorpositionen muß der Strom in der Regel nur auf den konstanten Istwert geregelt werden. Der Strom kann aber auch als Führungsgröße vorgegeben werden.

Die Nachstellzeit T_n des Reglers 13 wird gleich der Zeitkon stante der Regelstrecke gesetzt. Es ergibt sich damit eine von der Rotordrehstellungsabhängige Nachstellzeit:

T_n(γ) = T₁(γ)

Die Regelung wird nach dem Betragsoptimum eingestellt. Hier nach berechnet sich der Verstärkungsfaktor des Reglers 13 zu

da T_t die Summe der kleinsten Zeitkonstanten ist und keine weiteren Zeitkonstanten im Regelkreis vorhanden sind.

Für den I-Anteil des Reglers 13 gilt:

K_I ist somit unabhängig von der Rotorposition. Der Strangstrom regler hat daher einen konstanten I-Anteil und einen P-Anteil, der adaptiv (abhängig von der Rotorposition) nachgeführt wird. Fig. 4 zeigt diese Regelstruktur.

Die in der Strangwicklung 9 induzierte Strangspannung hängt von der Rotordrehstellung 8, dem Strangstrom i und der Winkel geschwindigkeit ω ab. Der rotatorische Anteil der induzierten Strangspannung u_rot(γ, i) ist:

Die induzierte Spannung ist im Bereich der q-Stellung 0, nimmt erst langsam zu und steigt ab einem bestimmten elektrischen Rotorwinkel sehr steil an, um dann auf einem Platz an zu ver weilen. Dieses Verhalten läßt sich an Hand der Fig. 8 erklä ren. Um zu verhindern, daß während der endlichen Abtastzeit durch steile Verläufe der induzierten Spannungen der Strang strom unerwünschte Werte annimmt, wird der Stellgröße am Aus gang des Reglers 13 eine Vorsteuergröße überlagert, die dem aktuellen Wert der induzierten Spannung in Strang 9 entspricht und daher von γ, i und ω abhängig gemacht wird.

Der Vorsteuerwert kann aus einem Kennfeld

das für die jeweilige Reluktanzmaschine bestimmt und gespei chert ist, abhängig von aktuellen Strangstrom ausgelesen, mit der Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit multipliziert und dem Ausgang des Reglers 13 addiert werden.

Es hat sich allerdings gezeigt, daß es nicht erforderlich ist, die induzierte Spannung exakt zu bestimmten, da der Regler 13 kleinere Soll-Ist-Abweichungen gut ausregelt. Die Vorsteuer werte können daher auf einfachere Weise bestimmt werden.

Es wird angenommen, daß im ungesättigten Bereich der Ψ-i-Kenn linien, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, die partielle Ab leitung

für beliebige Rotorwinkel linear mit dem Strangstrom zusammen hängt. In Fig. 6 ist dieser lineare Verlauf dargestellt. Im Bereich der Sättigung werden die Ψ-i-Kennlinien als parallel verlaufenden Geraden angenommen, die ebenfalls in Fig. 6 dar gestellt sind. Deshalb kann das Kennfeld δΨ(y,i) auf einen Verlauf

reduziert werden.

Im linearen Bereich ergibt sich dann die induzierte Spannung zu:

Im gesättigten Bereich für Ströme oberhalb I_satt gilt:

Zur Bestimmung des Verlaufs von

werden für alle im Ψ(γ,i)-Datensatz enthaltenen Strangstrom werte die

Verläufe gebildet, durch den auf I_Satt begrenzten Strangstrom dividiert und gemit telt. Der resultierende Verlauf wird für die Berechnung der induzierten Spannung herangezogen.

Ein für eine Reluktanzmaschine typischer Verlauf von

ist in Fig. 9 dargestellt. Eine solche Kennlinie wird für die jeweilige Reluktanzmaschine in einer eindimensionalen Tabelle gespeichert, was in Fig. 4 durch den mit Vorsteuerung Behr zeichneten Block dargestellt ist. In Abhängigkeit vom Strang strom und von der Rotordrehstellung wird ein entsprechender Wert aus der Tabelle ausgelesen und mit der Drehzahl bzw. Win kelgeschwindigkeit multipliziert und als Vorsteuerwert dem Reglerausgang hinzugefügt. Der Wert für die Sättigungsgrenze I_satt wird in den Bereich der stärksten Krümmung der Ψ-i- Kennlinie für die d-Stellung gesetzt.

Alle Strangstromregler und Pulsweitenmodulationseinheiten ar beiten zweckmäßigerweise mit einer gemeinsamen Zeitbasis syn chron.

Das Ein- und Ausschalten der einzelnen Stränge muß in Abhän gigkeit von der aktuellen Rotorposition und dem Ein- bzw. Aus schaltwinkel erfolgen. Durch die variable Drehzahl der GRM ist dieses Schalten der Stränge vollkommen asynchron zum Takt.

Um zu vermeiden, daß beim Erreichen des Einschaltwinkels der Reglerzyklus gerade abgearbeitet wurde und somit erst nach der nächsten Abtastzeit T_A wieder in neuer PWM-Wert berechnet wird, wird ein gezielt an den momentanen Betriebspunkt des Antriebs angepaßter Startwert vorgesehen, der schon bei Erreichen des Ausschaltwinkels in das PWM-Register eingetragen wird. Der PWM-Ausgang des Mikrokontrollers wird dann inaktiv geschaltet werden, so daß sich die eingestellte Pulsbreite noch nicht auswirkt. Dies wird durch einen programmierbaren Logikbaustein (PLD) gewährleistet. Dieser führt dann praktisch die beiden asynchronen Vorgänge (Abtasttakt des Reglers und Ein- bzw. Ausschalter der Stränge) zusammen.

Ein weiterer Vorteil dieses Startwertes für die PWM ist, daß die Reaktionszeit des Reglers beim Einschalten eines Stranges minimiert wird.

Ein weiterer Grund, der für die Verwendung eines PWM-Startwer tes spricht, ist der Übergang vom gepulsten Betrieb der GRM in den Blockbetrieb. Im gepulsten Betrieb muß der Regler als be grenzendes Element des Strangstroms eingreifen. Im Blockbe trieb jedoch muß der Reglerausgang ab den Einschaltwinkel zu 100% ausgesteuert sein, um die volle Zwischenkreisspannung für den Strang zur Verfügung zu stellen. Nur so kann die GRM optimal ausgenutzt werden. Dieser Übergang geschieht nicht schlagartig, sondern ist abhängig von der Drehzahl und dem Stromsollwert.

Es ist daher sinnvoll, keinen konstanten Startwert für die PWM zu gebrauchen, sondern eine Abhängigkeit von der Drehzahl und vom Stromsollwert herzustellen. Eine Möglichkeit hierfür lau tet:

Dabei ist n_max die Maximaldrehzahl und I_max der Maximalstrom des Antriebs, i_w ist der eingestellte Sollstrom und PWM_100% der PWM- Wert für Vollaussteuerung.

Der in Fig. 1 dargestellte Gleichstromsteller arbeitet im Zweiquadrantenbetrieb.

Für den Betrieb einer dreisträngigen GRM sind drei dieser Gleichstromsteller notwendig und entsprechend drei identische Stromregler, die unabhängig voneinander sind.

Durch diese Topologie ist die Stromrichtung im Strang unipolar vorgegeben, was aber den Betriebsbereich der GRM nicht ein schränkt, da die Drehmomentbildung unabhängig von der Strom richtung ist. Mit dieser Bauform des Stromrichters können vier Schaltzustände realisiert werden.

Wenn beide Schalter 3 und 4 eingeschaltet sind (Schaltzustand: Ein), liegt die positive Versorgungsspannung +U_d am Strang an, wodurch der Strangstrom ansteigt. Es wird Energie aus Span nungsquelle entnommen. Wenn ein Schalter 3 oder 4 geöffnet und der jeweils andere Schalter geschlossen ist (Schaltzustand: Kurzschluß), dann fließt der Strangstrom über die entspre chende Diode 6 bzw. 4. Der Strang ist somit kurzgeschlossen und die Strangspannung beträgt bei Vernachlässigung der Durch laßspannung der Schalter OV. Es findet kein Energieaustausch mit der Quelle statt. Wenn beide Schalter geöffnet sind (Schaltzustand: Aus), fließt der Strangstrom über beide Dioden was eine Strangspannung von -U_d bedeutet. Es wird Energie in die Quelle zurück gespeist.

Das erfindungsgemäße Regelverfahren läßt sich prinzipiell auch mit anderen Stromrichtertopologien realisieren.

Claims

1. Verfahren zur Regelung des Strangstroms in einer geschalteten Reluktanzmaschine, deren Statorwicklungen pro Phase jeweils mit einem Gleichstromsteller verbunden sind, der mit einem die Regelabweichung zwischen Stromsoll- und gemessenen Stromistwert verarbeitenden Regler verbunden ist, der den Gleichstromsteller mit pulsweitenmodulierten elektrischen Impulsen beaufschlagt, dadurch gekennzeich net, daß die Regelabweichung aus den Sollwerten und aus durch Abtastung in äquidistanten Intervallen erhaltenen Stromistwerten bestimmt wird, daß aus der Regelabweichung digital nach einer Proportional-Integral-Charakteristik eine erste Stellgröße durch lineare Überlagerung eines In tegral-Anteils und eines mit der jeweiligen elektrischen Winkelposition des Reluktanzmaschinenrotors multiplizier ten Proportionalanteils gebildet wird, und daß der ersten Stellgröße eine zweite Stellgröße linear überlagert wird, die als Vorsteuerwert durch Multiplikation mit der Rotor drehzahl eines Kennwerts gebildet wird, der aus einem Kennfeld, das die Ableitung des magnetischen Flusses der Reluktanzmaschine nach der elektrischen Winkelposition als Funktion der elektrischen Winkelstellung des Rotors und als Funktion des Strangstroms enthält, strangstromabhängig und von der elektrischen Winkelposition abhängig ausgelesen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Tabelle Kennwerte als Funktion der elektrischen Ro torwinkelpositionen gespeichert sind, daß die Kennwerte aus einem Datensatz mit den magnetischen Flußwerten der Reluktanzmaschine als Funktion der elektrischen Rotor winkelposition und der Strangströme durch Ableitung der Flußwerte nach dem Rotorwinkel, durch Division mit einem für den Übergang in den gesättigten magnetischen Zustand typischen Sättigungsstrom und Bildung der Mittelwerte für die jeweilige Rotorposition bestimmt sind, und daß der Vorsteuerwert durch Multiplikation des in Abhängigkeit von der gemessenen elektrischen Rotorwinkelposition ausge lesenen Kennwerts mit der Drehzahl und dem Strangstrom gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelabweichung nach folgender Gleichung:
e(k) e(k) - w(k) - x(k)
zum Zeitpunkt t_K = k.T_A berechnet wird, worin mit e(k) die Regelabweichung, mit w(k) der Stromsollwert, mit x (k) der Stromistwert, mit t_K der Zeitpunkt und mit k die Zahl der Abtastintervalle und mit T_A die Abtastzeit be zeichnet sind, und daß nach folgender Gleichung die Stell größe berechnet wird:
y(k) = K_p.e(k) + y_I(k - 1) + K_I.e(k - 1)
worin mit y(k) die Stellgröße, mit K_p die proportionale Verstärkung, mit y_I der Integral-Anteil der Stellgröße, mit K_I das Produkt aus proportionaler Verstärkung mit dem Quotienten aus der Abtastzeit und der Nachstellzeit der Regelung und mit e die Regelabweichung bezeichnet sind.

4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachstellzeit der PI- Regelung einerseits auf die Zeitkonstante der Strangwick lung der Reluktanzmaschine und der Faktor des Integral-An teils andererseits nach folgender Beziehung eingestellt werden:
worin mit K_I der Faktor des Integral-Anteils, mit T_A das Abtastintervall, mit K_S die Streckenzeitkostante der Re gelstrecke und mit T_t die Totzeit der Regelung bezeichnet sind, während der Verstärkungsfaktor nach folgender Bezie hung:
rotorpositionsabhängig nachgeführt wird, worin mit K_p(γ) der Verstärkungsfaktor, mit T₁(γ) die strom- und rotorpo sitionsabhängige Zeitkonstante der Strangwicklung, mit K_S die Streckenzeitkostante und mit T_t die Totzeit der Rege lung bezeichnet sind.

5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante der geschalteten Reluktanzmaschine nach folgender Gleichung bestimmt wird:
worin mit T₁ die Zeitkonstante, mit Ψ der magnetische Fluß, mit γ die Rotorposition, mit i der Strangstrom und mit R der ohmsche Widerstand der Strangwicklung bezeichnet ist.

6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante T₁(γ) der Strangwicklung für die q-Stellung und für die d-Stel lung des Rotors nach folgenden Beziehungen ermittelt wer den:
und für die Zwischenstellungen des Rotors zwischen q- und d-Stellung mit dem Produkt aus der elektrischen Winkelpo sition und dem Verhältnis von T_1d/T_1q multipliziert werden, worin mit T_1q die Zeitkonstante der Strangwicklung in q- Stellung des Rotors, mit T_1d die Zeitkonstante der Strang wicklung in d-Stellung des Rotors, mit Ψ(γ_q, i_max) der ma gnetische Fluß der Reluktanzmaschine in q-Stellung des Ro tors bei maximalen Strom im Betrieb der Reluktanzmaschine, mit R der ohmsche Widerstand der Strangwicklung und mit Ψ (γ_d, i_max) der magnetische Fluß der Reluktanzmaschine in d- Stellung des Rotors bei maximalen Strom bezeichnet sind, bei dem die Reluktanzmaschine betrieben werden soll.

7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils beim Erreichen eines Einschaltwinkels für den Strangstrom ein Startimpuls nach folgender Beziehung durch den Stromrichter einge stellt wird:
worin mit PWM_Start der Startimpuls, mit n die gemessene Drehzahl, mit n_max die Maximaldrehzahl, mit I_max der Maxi malstrom des Antriebs, mit i_w der eingestellte Sollstrom und mit PWM_100% der Pulsweitenimpuls für Vollsteuerung be zeichnet sind.

8. Anordnung zur Regelung des Strangstroms in einer geschalteten Reluktanzmaschine, deren Statorwicklungen je Phase jeweils mit einem Gleichstromsteller verbunden sind, der mit einem die Regelabweichung zwischen Stromsoll- und gemessenen Stromistwert verarbeitenden Regler verbunden ist, der den Gleichstromsteller mit pulsweitenmodulierten elektrischen Signalen beaufschlagt, dadurch gekennzeich net, daß der Regler (13) einem Mikrocontroller aufweist, dem eingangsseitig Stromsollwerte (w(k)) und Stromist werte (x(k)) über einen A/D-Umsetzer sowie von einem Rotorpositionssensor (12) der Reluktanzmaschine erzeugte Drehpositionssignale zuführbar sind, daß im Regler (13) ein Programm zur Berechnung der Stellgröße (y(k)) aus der Regelabweichung nach einer PI-Charakteristik gespeichert ist, daß die getrennt berechneten Proportional- und I-An teile summiert werden, daß eine Konstante zur Berechnung des T-Anteils als Quotient aus einem gleichbleibenden Ab tastintervall und dem Produkt aus der doppelten Strecken verstärkung der Regelstrecke und der Totzeit des Reglers (13) gespeichert ist, daß für die Bestimmung des Verstär kungsfaktors in einem Speicher Werte der Zeitkonstante der Strangwicklung rotorpositionsabhängig gespeichert sind und daß weiterhin für die Bestimmung von durch Multiplikation der Rotordrehzahl mit Kennwerten zu bildenden Vorsteuer werten, die der Stellgröße am Ausgang des Reglers über lagert werden, ein Kennfeld, das die Ableitung des magne tischen Flusses der Reluktanzmaschine nach der elek trischen Winkelposition als Funktion der elektrischen Rotorwinkelposition und des Strangstroms enthält, strang stromabhängig und rotorwinkelpositionsabhängig gespeichert ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kennfeld aus einer Reihe von Kennwerten besteht, die jeweils aus der Ableitung der magnetischen Flußwerte der Reluktanzmaschine als Funktion der elektrischen Rotor winkelposition und der Strangströme nach der Rotorwinkel position und durch Division dieser abgeleiteten Werte durch einen für den Übergang in den gesättigten magneti schen Zustand typischen Sättigungsstrom und Bildung der Mittelwerte für die jeweilige Rotorposition bestimmt sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn zeichnet, daß ein programmierbarer Logikbaustein vorge sehen ist, der einen beim Einschalten des jeweiligen Strangs an die Gleichstromsteller ausgegebenen Startwert in ein Pulsweitenmodulationsregister einschreibt.