DE60313458T2 - Regelung eines bürstenlosen motors unter verwendung unabhängiger phasenparameter - Google Patents

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Drehmotoren, insbesondere die präzise Steuerung von bürstenlosen Permanentmagnetmotoren.
• Hintergrund
• Effiziente Elektromotorantriebe für Fahrzeuge als eine praktikable Alternative zu Verbrennungsmotoren zu entwickeln, stellt viele Herausforderungen bereit. Eine elektronisch gesteuerte gepulste Betätigung von Wicklungen von Motoren stellt die Aussicht auf ein flexibleres Management von Motoreigenschaften bereit. Mittels einer Steuerung von Pulsbreite, Arbeitszyklus und umgeschalteter Anwendung einer Batteriequelle zu geeigneten Statorwicklungen kann eine funktionale Vielseitigkeit erreicht werden, die nahezu ununterscheidbar von einem Wechselstromsynchronmotorbetrieb ist. Die Verwendung von Permanentmagneten zusammen mit solchen Wicklungen ist vorteilhaft bei einem Einschränken des Stromverbrauchs.
• In einer Fahrzeugantriebsumgebung ist es sehr erwünscht, einen gleichmäßigen Betrieb über einen weiten Geschwindigkeitsbereich zu erreichen, während eine hohe Drehmomentausgabefähigkeit bei minimalem Leistungsverbrauch aufrechterhalten wird. In den schwebenden Anmeldungen beschriebene strukturelle Motoranordnungen tragen zu diesen Zielen bei. Elektromagnetische Kernsegmente können als isolierte, magnetisch durchlässige Strukturen in einem kreisförmigen Ring ausgestaltet sein, um eine erhöhte Flusskonzentration bereitzustellen. Eine Isolierung der elektromagnetischen Kernsegmente ermöglicht eine individuelle Konzentration des Flusses in den magnetischen Kernen bei einem minimalen Flussverlust oder minimalen schädlichen Umwandlerinterferenzeffekten mit anderen elektromagnetischen Elementen.
• Eine präzisionsgesteuerte Leistung bei bürstenlosen Motoranwendungen umfasst die Fusion von nichtlinearer Feedforward- bzw. Vorwärtskopplungskompensierung gekoppelt mit Stromrückkopplungselementen. Jedoch hängen Vorwärtskopplungskompensierungsausdrücke typischerweise stark von verschiedenen Schaltungsparametern ab, wie beispielsweise Phasenwiderstand, Phasenselbstinduktivität und ähnliches, welche im entsprechenden Schaltungsdiagramm für eine individuelle Motorphase in 1 erklärend dargestellt sind. V_i(t) bezeichnet die Spannungseingabe pro Phase, R_i bezeichnet den Wicklungswiderstand pro Phase und L_i stellt die Selbstinduktivität pro Phase dar. E_i(t) stellt die gegengerichtete Rück-EMK-Span nung des Motors pro Phase dar und kann durch den folgenden Ausdruck angenähert werden: Ei = (Keiω)sin(Nrθi)wobei K_ei den Rück-EMK-Spannungskoeffizienten pro Phase bezeichnet, ω(t) die Rotorgeschwindigkeit darstellt, N_r die Anzahl der Permanentmagnetenpaare bezeichnet und θ_i(t) die relative Verschiebung zwischen der i-ten Phasenwicklung und einem Rotorreferenzpunkt darstellt.
• Aufgrund von Phänomenen, die durch mechanische/Herstellungstoleranzen und andere strukturelle Eigenschaften beeinflusst werden, wird jede Motorphase einen Bereich von Werten für jedes Schaltungselement aufweisen. Faktoren, die die Größen der Schaltungsparameter beeinflussen können, umfassen: die Nettoflusszusammenführung der elektromagnetischen Kerne; Fluktuationen in der Induktivität des Kerns bezüglich der elektrischen Schaltung; Abweichungen im Widerstand der Phasenwicklung aufgrund von Veränderungen in den Herstellungstoleranzen, wie beispielsweise der Querschnittsfläche und Wicklungsspannung; Abweichungen in der Permeabilität des Kerns (bezüglich der Klasse und der Verarbeitungs- und Feinbearbeitungshistorie des Materials); die Phasenwicklungsmethode (einheitlich oder verwürfelungsgewickelt) oder die Aufbauqualität der Spulen an jedem Statorkern; die Position der Elektromagnet- und Permanentmagnetwechselwirkung (d. h., der magnetische Leitwert des Magnetkreises); Abweichungen in der Luftspalt-Flussdichte, welche von der Permanentmagnetrotormagnet-Unterbaugruppe abhängig ist; eine magnetische Restflussdichte; ein Vormagnetisieren des Magnetfelds aufgrund externer Magnetfelder; eine Form des Spulendrahts (rechteckig, rund oder spiralförmig); der in der Spule erreichte Wicklungsfaktor; in der Kerngeometrie erreichte Herstellungstoleranzen, welche die Querschnittstoleranz des Kerns verändern könnten; die effektive Länge, über welche die Spule gewickelt ist.
• Typischerweise nehmen Motorsteuerstrategien eine Einheitlichkeit von Parameterwerten im gesamten Motor an. Ein mittlerer Parameterwert wird genommen, um alle zugehörigen Schaltungselemente des Motors darzustellen. Dieser Ansatz der konzentrierten Parameter führt oft zu einer Verschlechterung der Nachführungsleistung aufgrund von Über-/Unterkompensierung der Steuerstrategie aufgrund einer Parameterwertfehlanpassung in den individuellen Phasenkompensierungsaktionsroutinen. Solche angenommenen Parameter sind anfällig für noch größere Diskrepanzen in Statorstrukturen, die als eigenständige ferromagnetisch isolierte Kernkomponen ten ausgestaltet sind. Somit besteht ein Bedarf an einer individualisierten Schaltungsparameterkompensierung, welche die Parameterabweichungen in den einzelnen Phasenwicklungen und Statorphasenkomponentenstrukturen berücksichtigen.
• Das Dokument DE-A-195 03 492 offenbart ein Steuersystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
• Offenbarung der Erfindung
• Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Steuersystem nach Anspruch 1 bereitgestellt. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt wird ein Verfahren zum Steuern eines Motors gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch 8 bereitgestellt.
• Die vorliegende Erfindung erfüllt den oben genannten Bedarf, während sie die Vorteile der getrennten und ferromagnetisch isolierten individuellen Statorkernelementausgestaltungen aufrechterhält. Die Fähigkeit der vorliegenden Erfindung, eine Steuerstrategie umzusetzen, die individuelle Phasensteuerelemente kompensiert, bietet einen höheren Grad an Präzisionssteuerung, da jede Phasensteuerschleife eng an ihre zugehörige Wicklung und Struktur angepasst ist. Diese Fähigkeit wird zumindest teilweise erreicht mittels Einrichtens eines oder mehrerer Sätze von Parametern in einem Steuersystem für einen Mehrphasenmotor, wobei die Parameter jedes Satzes spezifisch an Eigenschaften einer entsprechenden Statorphase angepasst sind. Eine nachfolgend geschaltete Betätigung jeder Phasenwicklung wird mittels eines Controllers bzw. einer Steuerung bestimmt, der einen Spannungssteuerausdruck pro Phase gemäß den Parametern erzeugt, die der Statorphasenkomponente für die betätigte Phasenwicklung zugehörig sind. Eine solche Steuerung stellt Vorteile bei Motoren einer Vielzahl von Bauarten bereit und kann auf einen Motor angewandt werden, in welchem jede Statorphasenkomponente einen ferromagnetisch isolierten Statorelektromagneten aufweist, wobei die Elektromagnetkernelemente vor einem direkten Kontakt zueinander getrennt sind und mit getrennten Phasenwicklungen ausgebildet sind.
• Ein digitaler Signalprozessor kann verwendet werden, der einen Algorithmus anwendet, der die Parameter als konstante Werte einschließt, wobei auf die Parameter für eine bestimmte Phase zugegriffen wird, um die geeigneten Steuersignale zum Betätigen der Phase zu erzeugen. Andere Parameter sind in Abhängigkeit von ausgewählten Zuständen des Systems, wie beispielsweise der Position, Temperatur und anderer externer Zustände, veränderbar. Der Controller ist mit einer separaten Schleife für jede Phase ausgestattet, wobei jede Schleife einen Steueralgorithmus ausführt, der die Parameter für die entsprechende Phase enthält. Die Algorithmen enthalten Komponenten beruhend auf dem Strom, der in jeder Phase erfasst wird, der erfassten Position und Geschwindigkeit des Rotors und der erfassten Zustände, die als Eingabesignale am Controller empfangen werden.
• Die vorliegende Erfindung ist insbesondere vorteilhaft bei Anwendungen, in welchen der Motor eine veränderbare, nutzeriniziierte Eingabe nachhalten soll, wie beispielsweise einen elektrischen Fahrzeugbetrieb. Als Reaktion auf die Drehmomentbefehlseingabesignale werden mittels des Controllers gewünschte Stromtrajektorien pro Phase ausgewählt, und zwar gemäß einem Ausdruck, der die bestimmten Parameter für jede Phase umfasst.
• Zusätzliche Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der folgenden genauen Beschreibung schnell ersichtlich, in der nur die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt und beschrieben ist, und zwar lediglich mittels Darstellung der besten betrachteten Ausführungsform zur Umsetzung der Erfindung. Wie ersichtlich wird, ist die Erfindung zu anderen und unterschiedlichen Ausführungsformen fähig, und ihre vielen Details sind zu Modifikationen in verschiedenen offensichtlichen Hinsichten fähig, und zwar ohne dass eine davon von der Erfindung, wie sie durch die angehängten Ansprüche definiert ist, abweicht. Dementsprechend sind die Zeichnungen und die Beschreibung als darstellend und nicht als beschränkend anzusehen.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Die vorliegende Erfindung ist in den Figuren der beiliegenden Zeichnungen beispielhaft und nicht beschränkend dargestellt, in welchen gleiche Bezugsziffern gleiche Elemente bezeichnen, und in welchen:
• 1 ein äquivalentes Schaltungsdiagramm für eine individuelle Motorphase ist,
• 2 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Motorsteuersystems ist,
• 3 ein teilweises Schaltungsdiagramm eines Schaltersatzes und eines Treibers für eine individuelle Statorkernsegmentwicklung eines Motors ist, der mittels des Systems aus 2 gesteuert wird,
• 4 eine dreidimensionale Schnittzeichnung einer Motorstruktur ist, die zur Verwendung im Steuersystem aus 2 geeignet ist,
• 5 ein Blockdiagramm ist, das eine Drehmomentcontrollermethodik zur Verwendung im Steuersystem aus 2 zeigt,
• 6 ein Teilblockdiagramm ist, das eine Variante der Controllermethodik aus 5 zeigt.
• Genaue Beschreibung der Erfindung
• 2 ist ein Blockdiagramm eines Motorsteuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Mehrphasenmotor 10 weist einen Rotor 20 und einen Stator 30 auf. Der Stator weist eine Vielzahl von Phasenwicklungen auf, die schaltbar mittels eines Betriebsstroms betätigt werden, der von einer Gleichstromquelle 40 über elektronische Schaltersätze 42 geliefert wird. Die Schaltersätze werden mit dem Controller 44 über Tortreiber 46 gekoppelt. Der Controller 44 besitzt einen oder mehrere Nutzereingänge und eine Vielzahl von Eingängen für Motorzustände, die während einem Betrieb erfasst werden. Strom in jeder Phasenwicklung wird mittels eines entsprechenden aus einer Vielzahl von Stromsensoren 48 erfasst, dessen Ausgaben dem Controller 44 bereitgestellt werden. Der Controller kann eine Vielzahl von Eingängen für diesen Zweck aufweisen, oder alternativ können Signale von den Stromsensoren gemultiplext und mit einem einzelnen Controllereingang verbunden werden. Ein Rotorpositionssensor 46 ist mit einem weiteren Eingang des Controllers 44 verbunden, um Positionssignale dorthin bereitzustellen. Die Ausgabe des Positionssensors wird auch auf den Geschwindigkeitsapproximator 50 angewandt, welcher die Positionssignale in Geschwindigkeitssignale umwandelt, die an einen weiteren Eingang des Controllers 44 anzulegen sind.
• Der Abfolge- bzw. Sequenzcontroller kann einen Mikroprozessor oder entsprechenden Mikrocontroller aufweisen, wie beispielsweise einen digitalen Signalprozessor TMS320LF2407APG von Texas Instrument. Die Schaltersätze können eine Vielzahl von MOSFET-H-Brücken aufweisen, wie beispielsweise eine IRFIZ48N-ND von International Rectifier. Der Gate- bzw. Tortreiber kann einen MOSFET-Gate bzw. Tortreiber HIP4082IB von Intersil aufweisen. Der Positionssensor kann jegliches bekannte Erfassungsmittel aufweisen, wie beispielsweise Hall-Effekt-Vorrichtungen (Allegro Microsystems 92B5308), GMR ("giant magneto resistive"; Riesenmagnetwiderstand) – Sensoren, kapazitive Drehsensoren, Reed-Schalter, Pulsdrahtsensoren einschließlich amorpher Sensoren, Drehmelder, optische Sensoren und ähnliches. Hall-Effekt-Stromsensoren, wie beispielsweise F.W. Bell SM-15, können für Stromsensoren 48 verwendet werden. Der Geschwindigkeitsdetektor 50 stellt eine Annäherung der Zeitableitung der erfassten Positionssignale bereit.
• 3 ist ein Teilschaltungsdiagramm eines Schaltersatzes und eines Treibers für eine individuelle Statorkernsegmentwicklung. Eine Statorphasenwicklung 34 ist mit einer Brückenschaltung von vier FETs verbunden. Es ist zu beachten, dass jegliche von verschiedenen bekannten elektronischen Schaltelementen zum Richten von Antriebsstrom in die geeignete Richtung zur Statorwicklung 34 verwendet werden können, wie beispielsweise Bipolartransistoren. FET 53 und FET 55 sind in Reihe über die Stromquelle verbunden, so wie FET 54 und FET 56. Die Statorwicklung 34 ist zwischen den Verbindungsknoten der zwei Reihen von FET-Schaltungen verbunden. Der Tortreiber 46 reagiert auf Steuersignale, die vom Sequenzcontroller 44 empfangen werden, um Betätigungssignale an die Gate- bzw. Toranschlüsse der FETs anzulegen. Die FETs 53 und 56 werden für einen Motorstromfluss in einer Richtung gleichzeitig betätigt. Für einen Stromfluss in die umgekehrte Richtung werden die FETs 54 und 55 gleichzeitig betätigt. Der Tortreiber 46 kann alternativ in den Sequenzcontroller 44 integriert sein.
• Der erfindungsgemäße Motor ist zur Verwendung beim Antreiben eines Fahrzeugrads eines Automobils, Motorrads, Fahrrads oder ähnlichem geeignet. 4 ist eine Schnittzeichnung der Motorstruktur, die in einem Fahrzeugrad aufgenommen sein kann, wobei der Stator fest an einer stationären Welle angebracht und von einem Rotor zum Antreiben des Rads umgeben sein kann. Der Motor 10 weist einen ringförmigen Permanentmagnetrotor 20 auf, der vom Stator mittels eines radialen Luftspalts getrennt ist. Der Rotor und der Stator sind koaxial um eine Drehachse angeordnet, welche in der ortsfesten Welle zentriert ist. Der Stator weist eine Vielzahl von ferromagnetisch isolierten Elementen oder Statorgruppen auf. Kernelemente 32 aus magnetisch permeablem Material, die von einem direkten Kontakt miteinander abgeschnitten sind, weisen entsprechende Wicklungsteile 34 auf, die an jedem Pol gebildet sind. In diesem Beispiel sind sieben Statorgruppen gezeigt, von denen jede aus zwei hervorspringenden Elektromagnetpolen besteht, die umlaufend um den Luftspalt herum verteilt sind. Der Rotor weist eine Vielzahl von Permanentmagneten 22 auf, die umlaufend um den Luftspalt herum verteilt sind und an einer ringförmigen Rückplatte 24 befestigt sind. Es wird Bezug genommen auf die oben diskutierte Anmeldung 09/966,102 von Maslov et al. zur genaueren Diskussion eines Motors, der diese Bauart aufweist. Es ist jedoch zu beachten, dass der Fahrzeugkontext nur bei spielhaft für eine Vielzahl bestimmter Anwendungen ist, in welchen der erfindungsgemäße Motor verwendet werden kann. Die nachstehend ausführlicher beschriebenen Konzepte dieser Erfindung sind auch auf andere Permanentmagnetmotorstrukturen anwendbar, einschließlich eines einheitlichen Statorkerns, der alle Phasenwicklungen trägt.
• Im Fahrzeugantriebsanwendungsbeispiel stellt einer der Nutzereingänge zum Controller ein gewünschtes Drehmoment dar, das mittels des Gaspedalbefehls des Nutzers angezeigt wird. Eine Verstärkung beim Gaspedal zeigt einen Befehl an, die Geschwindigkeit zu erhöhen, was durch einen Anstieg im Drehmoment umgesetzt wird. Eine weitere externe Eingabe an den Controllerprozessor kann ein Bremssignal umfassen, das erzeugt wird, wenn der Fahrer ein Bremspedal oder -hebel betätigt. Der Prozessor kann reagieren, indem er unmittelbar den Motorantrieb deaktiviert oder stattdessen die Antriebssteuerung ändert, um Drehmoment und Geschwindigkeit zu verringern. Ein separates externes Deaktivierungssignal kann als Reaktion auf den Befehl des Fahrers angelegt werden.
• Die Steuersystem-Drehmomentnachführfunktionalität sollte einen gleichmäßigen Betriebszustand für einen konstanten Eingabebefehl über sich ändernde externe Zustände hinweg aufrechterhalten, wie beispielsweise Veränderungen in den Fahrbedingungen, Lastneigung, Untergrund usw. Das Steuersystem sollte auf die Gaspedaleingabe des Fahrers reagieren, um Änderungen in den Drehmomentbefehlen exakt und gleichmäßig anzupassen. 5 ist ein Blockdiagramm, das eine Drehmomentcontrollermethodik zeigt, welche Vorwärtskompensierungsausdrücke verwendet, die erfasste Motorbetriebszustände sowie individuelle Schaltungsparameterwerte berücksichtigt, um diese Ziele zu erreichen. Für ein präzises Nachführen des Drehmoments werden die gewünschten Stromtrajektorien pro Phase gemäß folgendem Ausdruck ausgewählt:

  

  wobei I_di die gewünschte Stromtrajektorie pro Phase bezeichnet, τ_d den vom Nutzer angeforderte Drehmomentbefehl bezeichnet, N_S die Gesamtzahl der Phasenwicklungen darstellt, K einen Phasenübertragungskoeffizienten pro Phase bezeichnet und θ_i eine relative Positionsverschiebung zwischen der i-ten Phasenwicklung und einem Rotorreferenzpunkt darstellt. Die Stromstärke pro Phase hängt vom Wert des Drehmomentübertragungskoeffizienten K_τi ab.
• Um die gewünschten Phasenströme zu entwickeln, wird der folgende Spannungssteuerausdruck pro Phase an den Treiber für die Phasenwicklungen angelegt: Vi(t) = LidId i/dt + RiIi + Ei + ksei
• 5 stellt die Methodik dar, die allgemein durch die Bezugsziffer 60 angegeben ist, mittels welcher der Controller die Komponenten dieses Spannungssteuerausdrucks in Echtzeit ableitet, und zwar unter Verwendung der Drehmomentbefehlseingabe und der Signale, die von Phasenstromsensoren, Positionssensor und Geschwindigkeitssensor empfangen werden. Der externe, vom Nutzer angeforderte (gewünschte) Drehmomentbefehl τ_d(t), der auf das Gaspedal reagiert, wird in den Controllerfunktionsblock 62 eingegeben, und die Rotorposition θ wird in den Controllerfunktionsblock 64 eingegeben. Der Block 64 erzeugt eine Ausgabe, die einen Erregungswinkel θ_i(t) beruhend auf der Rotorposition, der Anzahl von Permanentmagnetpolpaaren (N_r), der Anzahl von Statorphasen (N_S) und der Phasenverzögerung der bestimmten Phase darstellt. Die Ausgabe des Controllerfunktionsblocks 64 wird in den Controllerfunktionsblock 62 eingespeist. Unter Verwendung der so empfangenen Erregungswinkeleingabe bestimmt der Controllerfunktionsblock 62 gemäß des oben ausgeführten Ausdrucks, wie Phasenströme unter den N_S Phasen derart verteilt werden, dass das vom Nutzer angeforderte Drehmoment τ_d(t) vom Motor entwickelt wird. Der Steuerfunktionsblock 66 berechnet die Differenz zwischen dem gewünschten Phasenstrom I_di(t), der vom Block 62 empfangen wird, und dem erfassten Phasenstrom I_i(t), um ein Phasenstromnachführfehlersignal e_i(t) auszugeben. Dieses Fehlersignal wird mit dem Verstärkungsfaktor k_S im Controllerfunktionsblock 68 multipliziert. Der Effekt der Stromrückkopplungsverstärkung ist es, die Gesamtsystemrobustheit über die Zurückweisung von Systemstörungen aufgrund von Messrauschen und jeglichen Modellparameterungenauigkeiten zu erhöhen. Die Ausgabe des Blocks 68 wird in den Controllerfunktionsblock 70 eingespeist. Der Block 70 gibt zeitveränderliche Spannungssignale V_i(t) an die Tortreiber 52 zur gezielten gesteuerten Betätigung der Phasenwicklungen 34 aus. V_i(t) weist Komponenten auf, welche die Effekte von Induktivität, induziertem Rück-EMK und Widerstand kompensieren.
• Um das Vorhandensein einer Induktivität in Phasenwicklungen zu kompensieren, wird der Ausdruck LdI_di/dt, wobei LdI_di/dt die Standardzeitableitung des gewünschten Phasenstroms I_di(t) bezeichnet, in den Controllerfunktionsblock 70 eingegeben, um in der Phasenspannungsberechnung hinzugefügt zu werden. Eine Bestimmung von LdI_di/dt wird am Controllerfunktionsblock 72 vorgenommen, der auf die empfange nen Eingaben τ_d(t), θ_i(t) und ω(t) hin agiert. Um die induzierte Rück-EMK-Spannung zu kompensieren, wird der Ausdruck E_i in der Phasenspannungsberechnung vom Controllerfunktionsblock 74 als eine Eingabe in den Funktionsblock 70 hinzugefügt. Der Rück-EMK-Kompensierungswert wird aus Erregungswinkel und -geschwindigkeit, die als Eingaben bei Block 74 empfangen werden, abgeleitet, und zwar unter Verwendung des Rück-EMK-Koeffizienten K_ei. Um einen Spannungsabfall zu kompensieren, der auf Phasenwicklungswiderstand und Störwiderstand zurückzuführen ist, wird der Ausdruck R_iI_i(t) in der Phasenspannungsberechnung vom Controllerfunktionsblock 76 als eine Eingabe in den Funktionsblock 70 hinzugefügt.
• Beim Betrieb gibt der Controller 44 nacheinander Steuersignale V_i(t) an die Tortreiber zur individuellen Betätigung von jeweiligen Phasenwicklungen aus. Die Tortreiber aktivieren die jeweiligen Schaltersätze, sodass die Folge, in welcher die Wicklungen ausgewählt werden, mit einer Folge, die im Controller festgelegt ist, übereinstimmt. Die Folge wird zu den Tortreibern durch die Verbindung übertragen, die im Diagramm aus 5 nur allgemein dargestellt ist. Jedes aufeinanderfolgende Steuersignal V_i(t) bezieht sich auf den bestimmten Strom, der in der zugehörigen Phasenwicklung erfasst wird, die sofort erfasste Rotorposition und -geschwindigkeit und auch auf Modellparameter K_ei und K_τi, die speziell für die jeweiligen Phasen vorbestimmt worden sind. Somit muss der Controller für jedes abgeleitete Steuersignal V_i(t) zusätzlich dazu, dass er erfasste Motorrückkopplungssignale rechtzeitig empfängt, auf die Parameter zugreifen, die für die bestimmte Phase spezifisch sind, zu welcher die Steuersignale gehören. Der Controller hat somit die Fähigkeit, individuelle Differenzen in der Phaseneigenschaft unter den verschiedenen Statorphasen zu kompensieren. Um eine Über-/Unterkompensierung des Spannungssteuerablaufs zu vermeiden, werden die verwendeten Schaltungsparameter pro Phase genau an ihre tatsächlichen Phasenwerte angepasst.
• Der Drehmomentübergangskoeffizient pro Phase K_τi erfasst den Drehmomentbeitrag pro Phase jeder Phase. Dieser Parameter verhält sich proportional zum Verhältnis des effektiven Drehmoments, der pro angelegtem Strom für diese Phase erzeugt wird. Das Drehmoment, das von der Phase entwickelt wird, ist eine Funktion der Magnetflussdichte, die im Kernmaterial der Phase entwickelt wird, welche die effektive Luftspaltflussdichte erzeugt. Die Ausgestaltung der Elektromagnetkerngeometrie berücksichtigt die Stromdichte, welche eine Funktion der Ampere-Windungen an jedem Teil des Kerns ist, um die Induktivität im Material zu optimieren, ohne den Kern zur Sättigung zu bringen. Jedoch sind die magnetischen Eigenschaften des Kernmaterials überall im Statorkern oft nicht-homogen. Falls der Motor mit getrennten, fer romagnetisch eigenständigen Elektromagnetkernen ausgestaltet ist, können Unausgewogenheiten noch ausgeprägter sein. Schwankungen in Wicklung und Induktivität tragen auch dazu bei, die Drehmomentkonstante und die Rück-EMK-Koeffizientenparameter zu bestimmen. Es wird zu einer Verschlechterung im effektiven Flussaufbau kommen, falls sich Lufttaschen in den Wicklungen bilden. Obwohl durch einheitliche Wicklung hohe Packungsfaktoren erreicht werden können, kann es Schwankungen bei der Drahtherstellung geben. Somit erzeugt die Schwankung in den Eigenschaften der Phasen, falls ein nominaler Motordrehmomentübertragungskoeffizient und ein nominaler Rück-EMK-Koeffizient vom Controller verwendet werden, eine Gesamtmotorausgabedrehmomentwelligkeit. Die in 5 dargestellte Drehmomentcontrollermethodik vermeidet dieses Problem, indem sie den Drehmomentübertragungskoeffizienten pro Phase und die für jede Phase vorbestimmten Rück-EMK-Koeffizienten anwendet.
• Die in 5 dargestellten Berechnungen werden nacheinander in Echtzeit durchgeführt. Der in Bock 62 gezeigte Ausdruck wurde ausgewählt, um die gewünschten Ströme zum Nachführen des Drehmoments in der bevorzugten Ausführungsform bereitzustellen. Dieser Ausdruck kann modifiziert sein, falls andere Faktoren als genau Nachführungsveränderungen in Drehmomenteingabebefehlen auch von Bedeutung sind. Beispielsweise kann in einigen Fahrzeugumgebungen der Grad der Beschleunigung und Verlangsamung in Betracht gezogen werden, um unnötig raue Fahrzustände zu vermeiden. Der Ausdruck in Block 62 kann somit verändert werden, um zusätzliche Überlegungen aufzunehmen.
• Die in 5 dargestellte Controllermethodik kann in einem integrierten Ausführungsschema ausgeführt werden, in welchem bestimmte Phasenparameter für jede erzeugte Steuerspannungsausgabe ersetzt werden. Alternativ kann der Controller 44 eine getrennte Steuerschleife für jede Statorphase n bereitstellen, wie in dem teilweisen Blockdiagramm aus 6 dargestellt. Für jede der N_S Motorphasen wird eine entsprechende Steuerschleife 60_i bereitgestellt. Jede Schleife enthält die relevanten Parameter für die jeweilige Motorphase. Die Steuerschleifen werden gemäß der geeigneten Motorphasenbetätigungsfolge aktiviert und brauchen nur die erfassten Motorrückkopplungssignale für eine Erzeugung der Steuerspannungen.
• In dieser Offenbarung sind nur bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und nur ein paar Beispiele ihrer Vielseitigkeit gezeigt und beschrieben. Es ist zu beachten, dass die Erfindung zur Verwendung in verschiedenen anderen Kombinationen und Umgebungen geeignet ist und zu Änderungen oder Modifikationen innerhalb des Um fangs der angehängten Ansprüche in der Lage ist. Beispielsweise kann der gewünschte Strom pro Phase I_di(t) in der in 5 gezeigten Controllermethodik in Echtzeit aus den empfangenen Eingaben von τ_d(t), θ_i(t) mittels Bezugnahme auf in Nachschlagetabellen gespeicherte Werte bestimmt werden. Nachschlagetabellen für jede Statorphase würden bereitgestellt werden.
• Wie zu beachten ist, kann der erfindungsgemäße Motor in einer breiten Palette von Anwendungen zusätzlich zu Fahrzeugantrieben verwendet werden. Während es bevorzugt wird, dass in der Ausgestaltung eines Fahrzeugantriebs der Rotor den Stator umgibt, können andere Anwendungen, bei denen der Stator den Rotor umgibt, von vorteilhaftem Nutzen sein. Somit liegt es im Sinne der Erfindung, dass jedes innere und äußere ringförmige Element entweder den Stator oder den Rotor aufweisen kann und entweder die Gruppen von Elektromagneten oder die Gruppen von Permanentmagneten aufweisen kann.

Claims (11)

1. Steuersystem für einen Mehrphasen-Permanentmagnetmotor (10) mit einer Vielzahl von Statorphasenkomponenten und einem Rotor (20), wobei jede Statorphasenkomponente eine Phasenwicklung (34) aufweist, die an einem Kernelement (32) gebildet ist, wobei das System aufweist: eine Vielzahl von steuerbaren Schaltern (42), wobei jede Phasenwicklung (34) entsprechend mit einem oder mehreren der Schalter (42) und einer Leistungsquelle (40) zur selektiven Betätigung der Phasenwicklung (34) verbunden ist; und einen Controller (44) mit darin gespeichert einer Vielzahl von Steuerelementen, die mindestens einen Satz von Steuerparametern aufweisen, wobei jeder Satz für eine unterschiedliche entsprechende Statorphasenkomponente spezifisch bestimmt ist auf der Grundlage zugehöriger physikalischer Eigenschaften; einen entsprechenden Stromsensor (48), der mit jeder Phasenwindung gekoppelt ist und dazu eingerichtet ist, eine Eingabe an den Controller betreffend des Stroms (Ii(t)) in der entsprechenden Phasenwicklung bereitzustellen, der während des Betriebs des Motors erfasst wird, und wobei jede Phasenwicklung (34) als Antwort auf einen Spannungssteuerausdruck pro Phase (Vi(t)) aktiviert wird, welcher durch den Controller (44) erzeugt wird, und wobei der Spannungssteuerausdruck pro Phase (Vi(t)) aufeinanderfolgend in Echtzeit durch den Controller (4) gemäß dem Satz von Steuerparametern erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungssteuerausdruck pro Phase mindestens eine Drehmomentbefehlseingabe und eine Komponente aufweist, welche proportional zum Strom (Ii(t)) ist, welcher in Echtzeit erfasst wird, welcher der Statorphasenkomponente für die aktivierte Phasenwicklung (34) zugeordnet ist, wobei der Satz von Steuerparametern aufweist: – einen phasenabhängigen Drehmomentübertragungskoeffizienten; und – einen phasenabhängigen Rück-EMK-Koeffizienten, der jeder Statorphase zugeordnet ist.
2. Steuersystem nach Anspruch 1, bei dem der Controller (44) einen digitalen Signalprozessor aufweist.
3. Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem der Controller (44) mit einem getrennten Steuerkreis für jede Statorphase konfiguriert ist, wobei jede Phasenkreiskonfiguration den Satz der Parameter auf die entsprechende Motorphase anwendet, um die Steuersignale für die entsprechende Phasenwicklung (34) zu erzeugen.
4. Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Kernelement jeder Statorphasenkomponente einen ferromagnetisch isolierten Statorelektromagneten aufweist, wobei die Elektromagnetkernelemente (32) gegen direkten Kontakt voneinander getrennt sind und eine Phasenwicklung (34) an jedem Kernelement (32) ausgebildet ist.
5. Steuersystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der Eingang zum Controller vom Stromsensor (48) mit einem Eingang des digitalen Signalprozessors verbunden ist, und bei dem jedes folgende Steuersignal durch den digitalen Signalprozessor im Verhältnis zur Ausgabe des Stromsensors (48) erzeugt wird, welche von der zugeordneten Phasenwicklung abgeleitet wird.
6. Steuersystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, ferner aufweisend einen Rotorpositionssensor (46) mit einem Ausgang, der mit dem digitalen Signalprozessor gekoppelt ist, um Positionssignale dahin bereitzustellen.
7. Steuersystem nach Anspruch 6, bei dem ein Geschwindigkeitssignalgenerator zwischen dem Ausgang des Positionssensors (46) und dem digitalen Signalprozessor eingekoppelt ist, um Geschwindigkeitssignale dahin bereitzustellen.
8. Verfahren zur kontinuierlichen Echtzeitsteuerung eines Mehrphasen-Permanentmagnetmotors (10) mit einer Vielzahl von Statorphasenwicklungen (34), wobei jede Wicklung (34) an einem Kernelement (32) gebildet wird, und einem Rotor, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Eingeben eines Steuersignals an einen Controller (44), der darin gespeichert einer Vielzahl von Steuerparametern aufweist, die mindestens einen Satz von Steuerparametern aufweisen, wobei jeder Satz für eine entsprechende Statorphasenkomponente spezifisch bestimmt ist auf der Grundlage zugehöriger physikalischer Eigenschaften; Erfassen des Stroms in jeder Phasenwicklung während des Betriebs des Motors mittels eines entsprechenden Stromsensors (48) und Eingeben des erfassten Stroms an den Controller; Aktivieren der Phasenwicklungen (34) als Antwort auf einen Spannungssteuerausdruck pro Phase, welcher durch den Controller (44) aufeinanderfolgend in Echtzeit gemäß derjenigen Parameter erzeugt wird, die jeder entsprechenden zu aktiviereenden Phasenwicklung zugeordnet sind, wobei der Spannungssteuerausdruck pro Phase mindestens eine Drehmomentbefehlseingabe und mindestens eine Komponente aufweist, die proportional zum Strom ist, welcher in Echtzeit in der zu aktivierenden Wicklung erfasst worden ist, und wobei die Parameter aufweisen: – einen phasenabhängigen Drehmomentübertragungskoeffizienten; und – einen phasenabhängigen Rück-EMK-Koeffizienten, der jeder Statorphase zugeordnet ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Statorphasenkomponente ein ferromagnetisch isoliertes Kernelement (32) für jede Phasenwicklung (34) aufweist, wobei die Kernelemente (32) gegen direkten Kontakt voneinander getrennt sind und jeder Satz von Parametern bestimmte strukturelle Attribute des Kernelements (32) und der Phasenwicklung (34) betrifft.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 9, ferner aufweisend einen Schritt eines Erfassens einer Rotorposition, und bei dem die Steuersignale in Beziehung zur erfassten Position stehen.
11. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das nutzerinitiierte Steuersignal ein gewünschtes Motordrehmoment darstellt und der Schritt des aufeinanderfolgenden Aktivierens der Phasenwicklungen (34) das gewünschte Drehmoment in Übereinstimmung mit dem folgenden Ausdruck individuell nachhält:

    

    wobei I_di die gewünschte Stromtrajektorie pro Phase bezeichnet, τ_d den vom Nutzer angeforderte Drehmomentbefehl bezeichnet, N_S die Gesamtzahl der Phasenwicklungen (34) darstellt, K_ri einen Phasenübertragungskoeffizienten pro Phase bezeichnet und θ_i eine relative Positionsverschiebung zwischen der i-ten Phasenwicklung und einem Rotorreferenzpunkt darstellt.