DE69919065T2

DE69919065T2 - Antriebsregelvorrichtung für eine elektrische Synchronmaschine mit Feldwicklung

Info

Publication number: DE69919065T2
Application number: DE69919065T
Authority: DE
Inventors: Kazuyoshi Kariya-shi Obayashi; Hiroya Kariya-shi Tsuji; Tsuneyuki Kariya-shi Egami
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1999-04-16
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2019-04-17
Also published as: JP3899668B2; DE69919065D1; EP0954092A2; JPH11313498A; EP0954092A3; US6118247A; EP0954092B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ansteuervorrichtung für eine elektrische Synchronmaschine mit einer Feldwicklung.
Eine elektrische Synchronmaschine besteht aus einer dreiphasigen Ankerwicklung und einer Feldwicklung. Die Ankerwicklung weist eine Dreiphasen-Wicklung auf, die jeweils mit einem Ansteuerphasenstrom iu, iv und iw versorgt wird. Eine Spannung Vf wird an die Feldwicklung angelegt, um den Feldstrom zu liefern, wodurch ein magnetischer Feldfluß erzeugt wird.
Der Feldstrom kann in einem Vektorsteuerverfahren unter Verwendung von rechtwinkligen d-q-Koordinatenachsen gesteuert werden, wobei die Magnetfeldkomponente auf eine der Achsen gesetzt wird.
Die DE 3149402 offenbart ein Steuerverfahren, das hauptsächlich auf grundlegenden theoretischen Überlegungen bezüglich eines Vektorsteuerverfahrens für eine Synchronmaschine im Feldschwächungsbereich basiert. Das Steuerverfahren berücksichtigt eine Maschine, die auf rapide Veränderungen des Hauptmagnetflusses Φh einer Synchronmaschine reagieren kann, die in Verbindung mit einem öffentlichen Versorgungsnetz betrieben werden kann.
Eine elektrische Synchronmaschine, die in der JP-A-9-74607 offenbart ist, ist zusammen mit einem Verbrennungsmotor und einem stufenlos verstellbaren Getriebe in einem Parallel-Hybridfahrzeug angebracht. Die Synchronmaschine wird nicht verwendet, wenn das Fahrzeug mit konstanter Geschwindigkeit gefahren wird, sondern wird nur dann verwendet, wenn das Fahrzeug sich im transienten Betrieb befindet, wenn es z. B. beschleunigt oder verlangsamt wird.
Der Feldstrom sollte bevorzugt nur dann geliefert werden, wenn das Fahrzeug beschleunigt oder verlangsamt wird, um die Leistungseffizienz des Hybridfahrzeugs zu verbessern. Bei der herkömmlichen Ansteuervorrichtung kann der Feldstrom jedoch nicht unmittelbar anstiegen, wenn während des transienten Betriebs eine Antriebsleistung oder Batterieaufladungsenergie von der Synchronmaschine benötigt wird. Wird an die Feldwicklung eine Feldspannung Vf angelegt, wird eine elektromotorische Gegenkraft ef gemäß nachstehendem Ausdruck erzeugt. ef = Lf(dif/dt) [E1], wobei Lf eine Induktivität der Feldwicklung ist.
Die elektromotorische Gegenkraft ef behindert den Anstieg des Feldstroms if und erhöht wiederum den Magnetfuß Φf.
Die Erfindung wurde in Anbetracht der vorstehenden Probleme entwickelt, und es ist eine Hauptaufgabe der Erfindung, eine verbesserte Ansteuervorrichtung zu schaffen, die einen Anstieg des magnetischen Feldflusses verbessern kann.
Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe verfügt eine Ansteuervorrichtung für eine elektrische Synchronmaschine über eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines transienten Betriebs der Synchronmaschine und über eine Stromsteuereinrichtung zum Versorgen der Ankerwicklung mit einem Betrag bzw. einer Menge einer Stromkomponente, um die in der Feldwicklung erzeugte elektromotorische Gegenkraft aufzuheben, wenn der transiente Betrieb erfaßt wird.
Mit anderen Worten wird bei Erfassung eines transienten Betriebs ein Sollbetrag bzw. eine Sollmenge einer Ankerstromkomponente bereitgestellt, um eine elektromotorische Kraft in der Feldwicklung zu erzeugen, um die elektromotorische Gegenkraft aufgrund der Eigeninduktivität der Feldwicklung aufzuheben. Dementsprechend wird die Anstiegszeit des Magnetfeldflusses und die Drehmomentantwort verbessert.
Das Prinzip der erfindungsgemäßen Vektorsteuerung wird unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. In einem Graphen aus rechtwinkligen d-q-Achsen wird das Magnetfeld der Feldwicklung F auf die d-Achse gesetzt, und eine Komponente id des Ankerstroms der Ankerwicklung S wird auf die d-Achse gesetzt. Eine elektromotorische Gegenkraft ef wird in der Feldwicklung erzeugt, wie in nachstehendem Ausdruck [E2] beschrieben. ef = Lf·(dif/dt) – Mfd·(did/dt) [E2]
Hierbei steht Lf für eine Induktivität der Feldwicklung, und Mfd steht für eine Gegeninduktivität zwischen der Feldwicklung und der Ankerwicklung. Da die elektromotorische Kraft Mfd·(did/dt) bewirkt, daß die elektromotorische Kraft ef aufgehoben wird, kann die Anstiegsgeschwindigkeit des magnetischen Feldflusses erhöht werden.
In der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung empfängt die Stromsteuereinrichtung praktisch ein Drehmomentbefehlssignal und ein Signal des Ankerstromsensors zur Berechnung eines Sollbetrags bzw. einer Sollmenge des Magnetflusses, eines Grundbetrags bzw. einer Grundmenge des Ankerstroms, der durch die Gegeninduktivität in die gleiche Richtung wie der Magnetfeldfluß einen Magnetfluß bildet, und berechnet einen Kompensationsbetrag bzw. eine Kompensationsmenge anhand einer Differenz zwischen dem Soll-Magnetfluß und dem Ist-Magnetfluß und addiert die Kompensationsmenge zur Grundmenge des Ankerstroms, um eine Sollmenge des Ankerstroms zu liefern. Dadurch kann die Anstiegsgeschwindigkeit des Magnetfeldflusses erhöht werden.
Die Kompensationsmenge kann anhand einer Differenz zwischen einem Soll-Feldstrom und einem Ist-Feldstrom berechnet werden.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sowie Funktionen von dazugehörigen Teilen der vorliegenden Erfindung werden nach Durchsicht der nachstehenden ausführlichen Beschreibung, der beigefügten Ansprüche und der Zeichnungen verständlich. Es zeigen:
1 ein Diagramm, das einen Aufbau einer Ansteuervorrichtung eines Elektrofahrzeugs gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zeigt;
2 einen Schaltplan einer Umrichterschaltung der Ansteuervorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
3 eine Längsquerschnittsansicht eines Elektromotors, der in einem Elektrofahrzeug montiert ist, um durch die Ansteuervorrichtung gemäß der bevorzugten Ausführungsform gesteuert zu werden;
4A eine Querschnittsansicht des in 3 gezeigten Elektromotors entlang einer Schnittlinie 4A-4A, und 4B eine Querschnittsansicht des in 3 gezeigten Elektromotors entlang einer Schnittlinie 4B-4B.
5 ein Flußdiagramm eines Teils eines Hauptprogramms für einen Controller der Ansteuervorrichtung gemäß der Ausführungsform;
6 ein Flußdiagramm eines weiteren Teils des Hauptprogramms;
7 einen Grundlage der Erfindung; und
8 einen Graphen, der Veränderungen im Magnetfluß im Zeitverlauf darstellt.
Es folgt eine Beschreibung einer Ansteuervorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
In 1 ist die Steuervorrichtung mit einem Synchronmotor 1000 verbunden, der über eine dreiphasige Ankerwicklung 1110 und eine Feldwicklung 1230 verfügt. Der Motor 100 ist in einem Elektrofahrzeug als Ansteuerquelle montiert.
Die Steuervorrichtung besteht aus einem Controller 100, einem Wechsel- bzw. Umrichter 200, einer Batterieeinheit 300 und einer Magnetfeldschaltung 400.
Der Controller 100 weist einen Mikrocomputer auf, der ein Drehmomentbefehlssignal empfängt, das durch eine Drehmomentbefehlsschaltung 500 geliefert wird, wenn ein Gas- oder Bremspedal betätigt wird. Der Controller 100 steuert einen Elektromotor 1000 als Reaktion auf das Drehmomentbefehlssignal gemäß in einem ROM gespeicherten Programmen. Der Controller 100 weist einen Signalprozeßabschnitt auf, der die Position eines Rotors 1200 entsprechend einem Signal von einem Rotorpositionssensor 1930 erfaßt.
Der Umrichter 200 ist mit dem Controller 100, der Batterieeinheit 300 und drei Eingangsklemmen der Ankerwicklung 1110 verbunden.
Wie in 2 gezeigt, weist der Umrichter 200 Haupteingangsklemmen 201, 202, die mit Plus- und Minusklemmen der Batterieeinheit 300 verbunden sind, Ausgangsklemmen 203, 204, 205, die jeweils mit U-, V-, W-Phasenwicklungen des Elektromotors 1000 verbunden sind, und Eingangsklemmen 206, 207, 208, 209, 210, 211 auf, die mit Gate-Ansteuerungsschaltungen (nicht gezeigt) des Controllers 100 verbunden sind.
Der Umrichter verfügt auch über IGBT-Module 212, 213, 214, Stromsensoren 215, 216 und deren Ausgangsklemmen 217, 218.
Die IGBT-Module 212, 213, 214 weisen jeweils zwei Sätze eines IGBT-Elements (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate) und eine Freilaufdiode auf, die hinreichend bekannt sind. Das IGBT-Modul 212 weist einen Anschluß C1, der mit der Haupteingangsklemme 201 verbunden ist, einen Anschluß E2, der mit der Hauptklemme 202 verbunden ist, und Anschlüsse E1 und C2 auf, die gemeinsam mit der Ausgangsklemme 203 verbunden sind, wodurch eine Ansteuerschaltung für die U-Phasenwicklung des Elektromotors 1000 gebildet wird. Die IGBT-Module 213, 214 weisen zudem im wesentlichen die gleichen Komponenten wie das IGBT-Modul 212 auf, wobei sie Ansteuerschaltungen für die V-Phasen- und W-Phasen-Wicklungen bilden.
Stromsensoren 215, 216 sind an Leitungsdrähten befestigt, die jeweils mit den Klemmen 203, 205 verbunden sind, und sind mit dem Controller 100 durch die Klemmen 217, 218 verbunden. Die Stromsensoren 215, 216 bestehen jeweils aus einem Hall-Element, und es handelt sich bei ihnen um kontaktlose Klemmsensoren. Die Stromsensoren 215, 216 erfassen jeweils den Ausgangsstrom der Klemme 203, 205 und liefern Spannungssignale. Das heißt, der Stromsensor 215 erfaßt den Strom iu der U-Phasenwicklung, und der Stromsensor 216 erfaßt den Strom iw der W-Phasenwicklung.
Die Magnetfeldschaltung 400 ist mit dem Controller 100 und der Feldwicklung 1230 verbunden, um den an sie gelieferten Feldstrom if zu steuern. Der Umrichter 200 und die Magnetfeldschaltung 400 werden durch den Controller 100 gesteuert.
Wie in 3, 4A und 4B gezeigt ist, besteht der Elektromotor 1000 aus einem Vorderrahmen 1910, einem Endrahmen 1911, einem Stator 1100, der in den Rahmen 1910, 1911 untergebracht ist, einem Paar von Lagern 1920, 1921, einem Rotor 1200, der jeweils durch die Rahmen 1910, 1911 über das Paar von Lagern 1920, 1921 drehbar gelagert ist, und einem Rotorpositionssensor 1930. Der Rotor 1200 dreht sich in einem Luftspalt, der sich an einer radial nach innen gerichteten Seite des Stators 1100 befindet.
Der Rotorpositionssensor 1930 besteht aus einem bekannten Satz aus einem Resolver-Rotor (bzw. Drehmelder-Rotor) 1931 und einem Resolver-Stator (Drehmelder-Stator) 1932, der mit dem Controller 100 verbunden ist. Der Controller 100 berechnet die Rotorposition θ gemäß dem Signal vom Rotorpositionssensor 1930.
Der Stator 1100 besteht aus einer Dreiphasenwicklung 1110 und einem Statorkern 1120, bei dem es sich um ein Stator-Kernblech aus einer Mehrzahl von laminierten Elektrostahlblechen handelt. Der Statorkern 1120 weist eine Mehrzahl von Schlitzen 1121, Zähnen 1122 und einen hinteren Kernabschnitt 1123 zum Aufnehmen der dreiphasigen Ankerwicklung 1110 auf.
Der Rotor 1200 besteht aus einem Rotorjoch 1210, bei dem es sich um ein zylindrisches Kernblech aus einer Mehrzahl von laminierten Elektrostahlblechen handelt, einem Paar von radförmigen Rotorjochen 1220, bei denen es sich um ein Kernblech aus einer Mehrzahl von laminierten Elektrostahlblechen handelt, die an gegenüberliegenden Enden des Rotorjochs 1210 angeordnet sind, und einer Feldwicklung 1230, die innerhalb des Rotorjochs 1210 angeordnet ist. Die zylindrischen Rotorjoche 1210, das Paar von radförmigen Rotorjochen 1220 und die Feldwicklung 1230 bilden einen Magnetschaltungs-Abschnitt 1250 aus. Ein Paar von nichtmagnetischen Platten 1260 ist an den gegenüberliegenden Enden des Magnetschaltungs-Abschnitts 1250 angeordnet.
In dem Magnetschaltungs-Abschnitt 1250 ist ein zylindrischer Eisenkern 1231 an einer Welle 1240 an einem gerillten Abschnitt derselben mit Preßsitz aufgenommen, und ein Wickelkörper 1232 aus Harzmaterial ist am äußeren Umfang des Eisenkerns 1231 befestigt. Die Feldwicklung 1230 ist in einer Richtung auf den Wickelkörper 1232 aufgewickelt. An einem linken Abschnitt der Welle 1240 in 3 ist ein Keilprofil 1241 ausgebildet. Die Welle 1240 ist die Ausgangswelle des Elektromotors 1000, die mit den Rädern des Fahrzeugs (nicht gezeigt) verbunden werden soll.
Die Feldwicklung 1230 wird von der Magnetfeldschaltung 400 durch die Bürstenhalter 1310, Bürsten 1320, Schleifringe 1330 und Leitungsdrähte 1350 mit Feldstrom versorgt. Die Leitungsdrähte 1350 sind durch eine isolierende Form 1340 aus Harzmaterial in die Welle 1240 integriert.
Wie in 4A gezeigt ist, weist das Rotorjoch 1210 an einem Umfang zwölf gleichmäßig beabstandete Magnetöffnungen 1211 auf. In die Magnetöffnungen 1211 sind jeweils zwölf Permanentmagneten eingefügt. Das Rotorjoch 1210 weist zudem zwölf Rundöffnungen 1212 auf, die zwischen den Magnetöffnungen 1211 ausgebildet sind.
Wie in 4B gezeigt ist, weist das Rotorjoch 1220 einen ringförmigen Abschnitt 1221, einen Nabenabschnitt 1222 und sechs Speichen 1223 auf, die den ringförmigen Abschnitt 1221 und den Nabenabschnitt 1222 verbinden. Mit anderen Worten sind die Speichen 1223 bei 720/12 (wobei 12 die Anzahl der Pole ist) oder im 60-Grad-Winkel voneinander beabstandet. Der ringförmige Abschnitt 1221 weist wie beim Rotorjoch 1210 um einen Umfang herum zwölf gleichmäßig beabstandete Magnetöffnungen 1224 sowie Rundöffnungen 1225 auf, die auf den Umfang bezogen an mittleren Abschnitten zwischen den Magnetöffnungen 1224 benachbart zueinander ausgebildet sind. Die Magnetöffnungen 1211 des Rotorjochs 1210 sind ihrer Form und Größe nach mit den Magnetöffnungen 1224 des Rotorjochs 1220 identisch, und die Rundöffnungen 1212 sind ebenfalls in Form und Größe mit den Rundöffnungen 1225 identisch. Dementsprechend weist der Magnetschaltungs-Abschnitt vierundzwanzig Durchgangsöffnungen auf, die sich von seinem einen axialen Ende zum anderen erstrecken. In 3 ist ein Paar von rechten und linken Rotorjochen 1220 so zusammengebaut, daß die Speichen 1223 des einen, bezogen auf den Umfang, nicht mit den Speichen 1223 des anderen überlappen können.
Die Permanentmagneten 1280 sind jeweils in die Magnetöffnungen 1211, 1224 in senkrechter Richtung zur Figur eingefügt, so daß eine Umfangsseite von einem der Permanentmagneten die gleiche Polarität wie die andere Umfangsseite des anderen zu ihm benachbarten Permanentmagneten aufweist. Weicheisenstifte 1281 sind ebenfalls in jeweiligen Rundöffnungen 1212, 1225 mit Preßsitz aufgenommen, um die Rotorjoche 1210, 1220 zusammenzufügen.
Die Permanentmagneten 1280 sind in Umfangsrichtung magnetisiert, um am äußeren Umfang des Rotors 1200 abwechselnd N- und S-Pole bereitzustellen. Der Magnetfluß wird vom N-Pol der Permanentmagnete 1280 zu deren S-Pol durch den Weicheisenstift 1281 auf der N-Polseite, die Speiche 1223 auf der N-Polseite, den Eisenkern 1231, die Speiche 1223 auf der S-Polseite und den Weicheisenstift 1281 auf der S-Polseite umgeleitet. Somit werden Umleitungskreise für den Magnetfluß der Permanentmagnete 1280 bereitgestellt. Dementsprechend kann eine Reluktanz des Umleitungskreises gesteuert werden, und der effektive Magnetfluß, der durch den Luftspalt an den Stator geliefert wird, kann ungeachtet dessen, ob die Feldwicklung 1230 mit Strom versorgt wird oder nicht, gesteuert werden.
Der Elektromotor 1000 wird in einem Vektorsteuerungsmodus entsprechend dem Drehmomentbefehlssignal T*, der Rotorposition θ und den Strommengen der U-Phasen- und W-Phasenwicklungen, die durch die Stromsensoren 215, 215 erfaßt werden, gesteuert.
Das Hauptprogramm wird gestartet, wenn ein Fahrzeug-Zündschlüsselschalter eingeschaltet wird. Wie in 5 und 6 gezeigt ist, liest der Controller 100 bei Schritt 101 ein Drehmomentbefehlssignal T* und eine Motordrehzahl Ωm. Das Drehmomentbefehlssignal T* wird erzeugt, wenn das Gaspedal oder Bremspedal betätigt wird. Die Motordrehzahl Ωm wird anhand des Signals des Rotorpositionssensors 1930 berechnet.
Bei Schritt S102 berechnet der Controller 100 die Grundmenge id0 der d-Achsen-Komponente des Ankerstroms, die notwendig ist, um die erforderliche Ausgangsleistung des Elektromotors 1000 bei Normalbetrieb zu erzeugen, die Sollmenge iq* der q-Achsenkomponente des Ankerstroms und die Sollmenge if* des Feldstroms anhand des aktuellen Drehmomentbefehlssignals T* und der aktuellen Motordrehzahl Ωm unter Bezugnahme auf ein in einem ROM gespeichertes Kennfeld.
Bei Schritt S103 prüft der Controller 100, ob sich das Fahrzeug im transienten Betrieb befindet oder nicht. Falls ein Pegel des Drehmomentbefehlssignals T* um einen bestimmten Wert höher als dessen letzter Pegel ist, wird bestimmt, daß das Fahrzeug beschleunigt oder verlangsamt wird bzw. sich in einem transienten Betrieb befindet.
Ansonsten erfolgt bei Schritt S103 NEIN, und der Controller 100 setzt den d-Achsen-Kompensationsbetrag idh auf „0". Das heißt, daß keine Kompensation am d-Achsen-Ankerstrom id vorgenommen wird. Dann folgt Schritt S108.
Falls sich das Fahrzeug hingegen im transienten Betrieb befindet, erfolgt bei Schritt S103 JA, und der Controller 100 berechnet bei Schritt S105–107 die Kompensationsmenge idh des d-Achsen-Ankerstroms. Die Gesamtsollmenge Φ0 des Magnetflusses im Luftspalt wird bei Schritt S105 berechnet. Die Gesamtsollmenge Φ0 wird anhand des nachstehenden Ausdrucks [E3] berechnet, der den Soll-Magnetfeldfluß Φf0, der von der Feldwicklung 1230 geliefert wird, den Soll-Ankermagnetfluß Φd0, der durch die Grundmenge id0 der d-Achsenkomponente des Ankerstroms erzeugt wird, den Permanentmagnetfluß Φm, der von den Permanentmagneten 1280 geliefert wird, die Eigeninduktivität Lf der Feldwicklung 1230, eine Gegeninduktivität zwischen der Feldwicklung 1230 und dem d-Achsen-Abschnitt der Ankerwicklung 1110, die Anzahl der Windungen Nf der Feldwicklung 1230, die Anzahl der Windungen Nd des d-Achsenabschnitts der Ankerwicklung 1110, die Sollmenge des Feldstroms if* und die Sollmenge der d-Achsenkomponente des Ankerstroms id* aufweist. Φ = Φf0 + Φd0 + Φm = (Lf/Nf)·if* + (Mfd/Nd)·x id* + Φm [E3]
Die Gesamtsollmenge Φ0 des Magnetflusses kann von einem Kennfeld ausgewählt werden.
Bei Schritt 106 berechnet der Controller 100 eine Menge des Ist-Magnetflusses Φ1 in dem Luftspalt, die durch den nachstehenden Ausdruck [E4] gegeben ist.
Hier handelt es sich bei Φf1 um eine Ist-Menge des Magnetfeldflusses, die durch die Feldwicklung 1230 geliefert wird, bei Φd1 um eine Ist-Menge des Ankermagnetflusses in dem Luftspalt, die durch die d-Achsenkomponente id1 des Ankerstroms erzeugt wird. Φ1 = Φf1 + Φd1 + Φm = (Lf/Nf)·if1 + (Mfd/Nd)·id1 + Φm [E4]
In [E4] werden if1, id1 jeweils anhand der Mengen des U-Phasenstroms iu und des W-Phasenstroms iw berechnet. Φ1 kann jedoch durch einen Sensor 1115, wie z. B. eine Suchspule bzw. Prüfspule, die zwischen dem Stator 1100 und dem Rotor 1200 angeordnet ist, erfaßt werden.
Bei Schritt 107 berechnet der Controller 100 eine d-Achsen-Kompensationsmenge idh, um eine Differenz zwischen dem Soll-Magnetfluß Φ0 und dem Ist-Magnetfluß Φ1 zu reduzieren. Dies kann durch ein hinreichend bekanntes Rückkopplungs-, Vorwärtskopplungssystem oder eine Kombination aus beiden erfolgen.
Bei Schritt 108 addiert der Controller 100 die Grundmenge id0 des d-Achsen-Ankerstroms und die Kompensationsmenge idh, um eine d-Achsen-Sollmenge id* zu erhalten.
Falls der Feldstrom ausreichend groß ist, wird die Sollmenge id* der d-Achsenkomponente des Ankerstroms gesteuert, um eine negative elektromotorische Gegenkraft zu induzieren. Ist der Feldstrom hingegen nicht groß, wird die Sollmenge id* gesteuert, um eine positive elektromotorische Gegenkraft zu erzeugen.
Im Anschluß daran liest der Controller 100 bei Schritt S109 die Mengen iu, iw des U-Phasen- und W-Phasen-Ankerstroms durch die Stromsensoren 215, 216 und liest bei Schritt 110 die Rotorposition θ.
Bei Schritt S111 berechnet der Controller 100 die Mengen id, iq der d-Achsenkomponente und der q-Achsenkomponente des Ankerstroms der rechtwinkligen d-q-Koordinatenachsen anhand der erfaßten Mengen iu und iw.
Bei Schritt S112 liefert der Controller Stromdifferenzen εd und εq, wobei εd = id* – id, εq = iq* – iq. Bei Schritt 113 werden die d-Achsenkomponenten-Sollspannung Vd* und die q-Achsenkomponenten-Sollspannung Vq* anhand von εd, εq und den elektrischen Konstanten des Elektromotors 1000 berechnet. Bei Schritt S114 berechnet der Controller 100 die Soll-Phasenspannungen Vu*, Vv* und Vw* anhand der d-Achsenkomponenten-Sollspannung Vd* und der q-Achsenkomponenten-Sollspannung Vq*. Dann berechnet der Controller 100 bei Schritt S115 die Soll-Feldspannung Vf* anhand des Soll-Feldstroms if* und des Widerstands der Feldwicklung 1230. Bei Schritt S116 werden die Soll-Phasenspannungen Vu*, Vv* und Vw* und die Soll-Feldspannung Vf* jeweils zu PWM-Signalen (PWM = pulse width modulation = Pulsweitenmodulation) bei beispielsweise einer Frequenz von 10 kHz moduliert und an einen PWM-Widerstand geschrieben, um den berechneten Ankerstrom und den Feldstrom zu liefern.
Somit wird verhindert, daß die Feldwicklung 1230 einen Anstieg des Magnetfeldflusses behindert.
In 8 stellt eine durchgehende Linie den Magnetfluß in dem Luftspalt gemäß der Ausführungsform der Erfindung dar, und eine gestrichelte Linie stellt den Magnetfluß in dem Luftspalt einer herkömmlichen Vorrichtung dar. Es ist offensichtlich, daß der Magnetfluß der Ausführungsform der Erfindung viel schneller ansteigt als der der herkömmlichen Vorrichtung.
Schritt S103 entspricht der Einrichtung zum Erfassen eines transienten Betriebes, die Schritte S102–108 entsprechen der Stromsteuereinrichtung, und die Schritte S105–108 entsprechen der Kompensationseinrichtung.
Bei der vorstehenden Ausführungsform wird die Grundmenge berechnet und kompensiert, um die d-Achsen-Sollmenge id* bereitzustellen. Die Berechnung für die Kompensation kann jedoch durch ein Kennfeld auf Basis von Veränderungen im Magnetfluß und im Feldstrom ersetzt werden.
Die vorliegende Erfindung ist auch auf andere Steuersysteme als eines für Elektrofahrzeuge anwendbar. Sie kann beispielsweise auf das Steuersystem eines Hybridfahrzeugs oder von Synchronmotoren zur Verwendung in anderen Vorrichtungen als Fahrzeugen verwendet werden.
In der vorstehenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist die Erfindung unter Bezugnahme auf ihre. spezifischen Ausführungsformen offenbart worden. Es ist jedoch offensichtlich, daß verschiedene Modifizierungen und Veränderungen an den spezifischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom umfassenderen Schutzbereich der Erfindung, der in den beigefügten Ansprüchen angeführt ist, abzuweichen. Dementsprechend ist die Beschreibung der vorliegenden Erfindung in diesem Dokument als Veranschaulichung und nicht als Einschränkung aufzufassen.

Claims

Ansteuervorrichtung für eine elektrische Synchronmaschine (1000), die eine Feldwicklung (1230) zum Liefern eines Magnetfeldflusses (Φf0), eine Dreiphasen-Ankerwicklung (1110) und einen dazwischen angeordneten Luftspalt aufweist, wobei die Vorrichtung eine Stromsteuereinrichtung (100) zum Steuern eines Ankerstroms entsprechend einem Drehmomentbefehlssignal, um eine erforderliche Leistung bereitzustellen, und eine Erfassungseinrichtung (500) zum Erfassen eines Betriebs dieser Synchronmaschine (1000) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung (500) einen transienten Betrieb der Synchronmaschine (1000) erfaßt; wobei die Stromsteuereinrichtung (100) der Ankerwicklung (1110) einen Betrag an Kompensations-Ankerstrom (idh) zuführt, um einen Kompensations-Magnetfluß (Φ0–Φ1) in dem Luftspalt durch eine Gegeninduktivität zwischen der Feldwicklung (1230) und der Ankerwicklung (1110) richtungsgleich mit dem Magnetfeldfluß (Φ0) zum Kompensieren der elektromotorischen Gegenkraft (ef) zu bilden, die in der Feldwicklung (1230) infolge des Anlegens einer Feldspannung (Vf) induziert wird, wenn der transiente Betrieb erfaßt wird.
Ansteuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung (500) ferner einen Ankerstromsensor (215, 216) und einen Magnetflußsensor aufweist, und die Stromsteuereinrichtung (100) das Drehmomentbefehlssignal und ein Signal des Ankerstromsensors (215, 216) empfängt, um einen Sollbetrag eines Magnet flusses (Φ0) in dem Luftspalt zu berechnen, wobei ein Grundbetrag (id0) des Ankerstroms einen Magnetfluß (Φd0) in dem Luftspalt durch die Gegeninduktivität richtungsgleich mit dem Magnetfeldfluß (Φf0) bildet, und einen Kompensationsbetrag (idh) anhand einer Differenz zwischen dem Soll-Magnetfluß (Φ0) und dem Ist-Magnetfluß (Φ1) berechnet und den Kompensationsbetrag (idh) zum Grundbetrag (id0) des Ankerstroms hinzuaddiert, um einen Sollbetrag (id*) des Ankerstroms zu liefern.
Ansteuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung (500) einen Ankerstromsensor (215, 216) und einen Feldstromsensor aufweist, und die Stromsteuereinrichtung (100) das Drehmomentbefehlssignal und ein Signal des Ankerstromsensors (215, 216) empfängt, um einen Sollbetrag des Feldstroms (id*) zu berechnen, wobei ein Grundbetrag (id0) des Ankerstroms einen Magnetfluß (Φd0) in dem Luftspalt durch die Gegeninduktivität richtungsgleich mit dem Magnetfeldfluß (Φf0) bildet, und ein Kompensationsbetrag (idh) anhand einer Differenz zwischen dem Sollbetrag (if*) des Feldstroms und einem Betrag (if) des Ist-Feldstroms berechnet und den Kompensationsbetrag (idh) zum Grundbetrag (id0) des Ankerstroms hinzuaddiert, um einen Sollbetrag (id*) des Ankerstroms zu liefern.
Ansteuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankersteuereinrichtung (100, 200) die Kompensationsstromkomponente steuert, um eine negative elektromotorische Gegenkraft zu induzieren, wenn der Betrag (if) des Ist-Feldstroms groß genug ist, um die erforderliche Leistung zu erzeugen, und um eine positive elektromotorische Gegenkraft zu induzieren, wenn ein Betrag (if) des Feldstroms nicht groß genug ist, um die erforderliche Leistung zu erzeugen.
Verfahren zum Steuern einer elektrischen Synchronmaschine (1000), die eine Feldwicklung (1230), eine Ankerwicklung (1110) und einen Luftspalt zwischen der Feldwicklung (1230) und der Ankerwicklung (1110) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren folgende Schritte umfaßt: Erfassen eines Drehmomentbefehlssignals (T*) und einer Drehzahl (Ωm) der Maschine (1000); Berechnen eines Grundbetrgas (id0) eines Ankerstroms und eines Sollbetrags (if*) eines Feldstroms anhand des Drehmomentbefehlssignals (T*) und der Drehzahl (Ωm); Bestimmen, entsprechend dem Drehmomentbefehlssignal (T*), ob die Synchronmaschine (1000) sich im transienten Betrieb befindet oder nicht; Berechnen, entsprechend dem Drehmomentbefehlssignal (T*) und der Drehzahl (Ωm), eines Grundbetrags (Φ0) eines Gesamtmagnetflusses in dem Luftspalt, der notwendig ist, um eine erforderliche Leistung zu erzeugen, Erfassen eines Istbetrags (Φ1) eines Gesamtmagnetflusses in dem Luftspalt; Berechnen eines Kompensationsbetrags (idh) und eines Sollbetrags (id*) eines Ankerstroms entsprechend einer Differenz zwischen dem Grundbetrag des Gesamtmagnetflusses und dem Istbetrag eines Gesamtmagnetflusses zum Kompensieren der elektromotorischen Gegenkraft (ef), die in der Feldwicklung (1230) infolge des Anlegens einer Feldspannung (Vf) induziert wird; und Zuführen des Sollbetrags (if*) an Feldstrom zu der Feldwicklung (1230) und des Soll-Ankerstroms (id*) zur Ankerwicklung (1110), wenn bestimmt wird, daß die Synchronmaschine sich in einem transienten Betrieb befindet.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundbetrag (id0) einen Betrag einer Vektorkomponente des Ankerstroms ist, der einen Magnetfluß (Φd0) richtungsgleich mit dem Magnetfluß bildet, der durch die Feldwicklung (1230) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronmaschine (1000) eine rotierende elektrische Dreiphasen-Maschine (1000) ist, die Ankerwicklung (11110) aus Dreiphasen-Wicklungen besteht, und die Dreiphasen-Wicklungen mit jeweiligen Beträgen eines Phasenstroms versorgt werden, die anhand des Sollbetrags (id*) des Ankerstroms berechnet wurden.