EP1301370A1

EP1301370A1 - Verfahren zur sensorlosen antriebsregelung eines elektrofahrzeugs sowie danach arbeitende antriebsregelung

Info

Publication number: EP1301370A1
Application number: EP01960329A
Authority: EP
Inventors: Bernd Peter Elgas; Karl-Heinz Lust; Josef Wiesing; Manfred Dollinger; Wolfgang Benzing
Original assignee: Lust Antriebstechnik GmbH; ABM Greiffenberger Antriebstechnik GmbH
Current assignee: ABM Greiffenberger Antriebstechnik GmbH; Keba Industrial Automation Germany GmbH
Priority date: 2000-07-17
Filing date: 2001-06-19
Publication date: 2003-04-16
Also published as: WO2002006076A1; AU2001281851A1; JP2004504792A; US20030127289A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur sensorlosen Antriebsregelung eines Elektrofahrzeugs (1), insbesondere eines Flurförderfahrzeugs, das von einem Drehfeldmotor (3) angetrieben wird, der mit einem von einer mitbewegten Gleichspannungsquelle (11) gespeisten Wechselrichter (10) betrieben wird, werden aus der erfassten Ständerspannung (us) und aus mindestens n-1 gemessenen Strangströmen (ia,b,c) Ist-Werte der Flussverkettung (Γist) des Drehfeldmotors (3) sowie mindestens einer weiteren hiervon abhängigen Große (Tist, nist) berechnet. Anhand dieser Ist-Werte (Γist, Tist, nist) wird der durch die Strangströme (ia,b,c) bestimmte Ständerstrom (is) des Drehfeldantriebs (3) eingestellt.

Description

Beschreibung

Verfahren zur sensorlosen Antriebsregelung eines Elektrofahrzeugs sowie danach arbeitende Antriebsregelung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur sensorlosen Antriebsregelung eines Elektrofahrzeugs. Sie bezieht sich weiter auf eine danach arbeitende Antriebsregelung. Unter Elektrofahrzeug oder -mobil wird hierbei insbesondere ein Flurförderfahrzeug (Flurförderzeug) verstanden.

Ein elektromotorisch betriebenes Flurförderfahrzeug wird üblicherweise im Bereich des Hebens oder Fördems von Lasten eingesetzt, wobei Lasten gehoben und im Innen- und Außenbereich transportiert werden können. Dazu weist ein solches Flurförderfahrzeug einen oder mehrere Antriebsmotoren auf und verfügt über eine Hubeinrichtung. Die üblicherweise hohe Anzahl von Einzelantrieben, insbesondere mindestens ein Fahrantrieb, ein Hydraulikpumpenantrieb und ein Lenkungsantrieb, werden vom Flurförderfahrzeug mitgeführt. Außerdem umfaßt ein derartiges Flurförderfahrzeug eine eingebaute Energie- oder Gleichspannungsquelle, üblicherweise in Form einer Batterie, um ohne Versorgungskabel und somit mobil die bestimmungsgemäße Aufgabe durch- zuführen.

Aus der DE 4042 041 A1 ist es bekannt, ein Flurförderfahrzeug mit einem Gleichstrommotor in Reihenschlußausführung ohne zusätzliche Sensoren zur Drehzahlerfassung zu betreiben. Nachteilig bei einem solchen Reihenschlußmotor ist jedoch der Verschleiß des Kommutators und insbesondere der Kohlebürsten, so dass in unerwünschter Weise regelmäßige Wartungsarbeiten erforderlich sind.

Demgegenüber zeichnen sich bürstenlose Drehfeldantriebe, insbesondere Asynchronoder Synchron motoren - mit Ausnahme der Lager- durch eine wartungsfreie und ko- stengünstige sowie robuste Technik aus. Dabei ist gegenüber einer Synchronmaschine mit einer Asynchronmaschine eine vergleichsweise einfache Regelung oder Steuerung möglich. Zudem kann die für Elektromobile oder -fahrzeuge wichtige Feldschwächung vergleichsweise effektiv eingesetzt werden. Demgegenüber ist die Synchronmaschine hinsichtlich des Wirkungsgrades im Teillastbereich vorteilhaft.

Bezüglich der Steuerverfahren kommt derzeit überwiegend eine U/f-Kennlinien- Steuerung zum Einsatz, die von einem stationären Betrieb der Asynchronmaschine ausgeht. Diese Steuerverfahren können auch in Kombination mit überlagerten Drehzahl- und/oder Schlupfregelung betrieben werden. Eine derartige, beispielsweise aus der DE 196 51 281 C2 bekannte Drehzahlregelung erfordert jedoch insbesondere bei Verwendung in einem Flurförderfahrzeug mit Drehfeldantrieb einen zusätzlichen Dreh- zahlsensor oder Drehwinkelgeber.

Diese von einem stationären Betrieb der Asynchronmaschine ausgehenden einfachen Steuerungen oder Regelungen haben daher gravierende Nachteile, wenn kein eingeschwungener Zustand und somit eine Änderung der Drehzahl oder des Drehmoments vorliegt. In diesen Fällen kann die Asynchronmaschine „kippen". Auch können Überströme auftreten, oder es wird bei niedrigen Drehzahlen das Nennmoment nicht erreicht, so dass ein Anfahren des Motors praktisch nicht möglich ist.

Ein weiterer Nachteil dieser einfacheren Steuerverfahren oder -Strukturen ist, dass die Maschine im Teillastbereich nicht mit optimalem Wirkungsgrad betrieben wird. Dies ist insbesondere bei einem Flurförderfahrzeug mit einer begrenzten Kapazität der mitgeführten Batterie kritisch, da hierdurch die Einsatzzeit pro Batterieladung drastisch verkürzt wird. Nachteilig ist zudem, dass mit einer U/f-Kennliniensteuerung zunächst nur die Möglichkeit einer Geschwindigkeitsvorgabe gegeben ist. Häufig ist jedoch bei Flur- förderfahrzeugen eine Möglichkeit zur Drehmomentvorgabe wünschenswert, da damit für den Fahrer die Bedienung des Fahrantriebes der vertrauten Bedienung des PKW gleicht. In diesem Fall wird quasi der Drehzahlregelkreis über den Fahrer geschlossen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vemeidung der genannten Nachteile ein besonders geeignetes Verfahren zur sensorlosen Antriebsregelung oder - Steuerung insbesondere eines Flurförderfahrzeugs anzugeben. Des Weiteren soll eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Antriebsregelung sowie ein mit einer derartigen Antriebsregelung betreibenes Flurförderfahrzeug angegeben werden. Bezüglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Dazu wird bei einem Fahrzeug, insbesondere einem Flurförderfahrzeug, das mit einem Drehfeldmotor angetrieben wird, der seinerseits mit einem von einer mitbewegten Gleichspannungsquelle gespeisten Wechselrichter betrieben wird, eine sensorlose Antriebsregelung eingesetzt. Dabei werden aus der erfaßten Ständerspannung des Drehfeldmotors und aus mindestens n-1 gemessenen Strangströmen Ist-Werte der Flußverkettung des Drehfeldmotors sowie mindestens einerweiteren hiervon abhängigen Größe berechnet. Anhand dieser Werte wird der durch die Strangstöme bestimmte Ständerstrom des Drehfeldantriebs eingestellt. Unter sensorlos wird hierbei die Vermeidung des Einsatzes oder der Verwendung eines Drehzahlsensors verstanden.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die genannten Nachteile ver- mieden werden können, wenn einerseits ein höherwertiges Verfahren - wie beispielsweise die feldorientierte Regelung - zum Einsatz kommt, und wenn andererseits bei Verwendung einer Asynchronmaschinen als Drehfeldmotor eine geeignete Flussverkettung berechnet und damit sensorlos ein Ist-Wert der aktuellen Drehzahl, des Drehmomentes und/oder des Drehwinkels für die Antriebsregelung bereitgestellt wird. Dadurch ist ein bei der Regelung einer Asynchronmaschine mit Orientierung an Ständer- oder Rotorflussverkettung ansonsten notwendiger, kostenintensiver Drehzahl- bzw. Drehmomentgeber oder -sensor mit aufwendiger Verkabelung gerade nicht erforderlich.

Hierbei erfolgt zweckmäßigerweise mittels eines mathematischen Algorithmus oder eines Rechenwerkes eine Bestimmung oder Schätzung der Flußverkettung, insbesondere der Rotor- oder Ständerflussverkettung. Dazu wird zweckmäßigerweise ein anhand von Motorkenndaten des Drehfeldmotors parametriert.es Motormodell für die Antriebsregelung eingesetzt, das die Ist-Wert der Flußverkettung sowie insbesondere auch der Drehzahl und des Drehmomentes ermittelt. Anhand eines Vergleichs des Ist-Wertes des Drehmomentes mit einem Soll-Wert sowie anhand eines Vergleichs des Ist-Wertes der Flußverkettung mit einem Soll-Wert wird dann zweckmäßigerweise der Soll-Wert der jeweiligen Ständerspannung bzw. des jeweiligen Strangstoms bestimmt. Dabei wird der Soll-Wert der Flußverkettung vorteilhafterweise anhand eines Steuergleides ermittelt, dem eingangsseitig der Ist-Wert der Drehzahl und/oder der Betrag der Soll-Werte der Ständerspannung zugeführt wird. Alternativ kann der Soll-Wert der Flußverkettung vorteilhaft mittels eines Kennliniengleid aus den Ist-Werten des Drehmomentes und der Drehzehl ermittelt werden.

Unter Berücksichtigung des Drehmomentes, das als zusätzliche Eingangsgröße dem Steuerglied bzw. dem Kennlinienglied zugeführt wird, erfolgt dabei eine hinsichtlich des Wirkungsgrads optimierte Antriebsregelung. Dabei werden zweckmäßigerweise die Ist- Wert des Drehmomentes und/oder der Drehzahl herangezogen. Sind der Ist-Wert und der Soll-Wert des Drehmomentes bzw. der Drehzahl zumindest annähernd gleich, so können zur Wirkungsgradoptimierung auch die Soll-Werte herangezogen werden.

Mit Kenntnis der Flussverkettungen ist - analog zu einem geberbehafteten System - eine hochwertige feldorientierte Regelung möglich. Die sensorlose Regelung zielt dabei auf Traktionsanwendungen oder auf netzgebundene Antriebe ab. Die Flussverkettung kann mathematisch beschrieben werden gemäß der Beziehung

N

Ψ = ∑ )Bdä n

Hierbei handelt es sich um eine aus der Grundüberlegung abgeleitete Hilfsgröße, wo- nach zunächst bekanntlich der eine Fläche durchströmende Fluss als Flächenintegral der Flussdichte definiert ist. Betrachtet man nun die Wirkung auf eine Wicklung, so ist für die Bestimmung der induzierten Spannung oder anderer Größen die Windungszahl mit einzubeziehen.

Bei elektrischen Maschinen werden in der Regel nicht alle Windungen vom gleichen Fluss durchflössen, so dass die genannte Hilfsgröße, d.h. die sogenannte Flussverkettung gemäß der genannten Beziehung definiert werden kann. Dabei wird die Wirkung aller Windungen zusammengefasst, so dass in die damit realisierte mathematische Beziehung oder Darstellung die Windungszahl nicht mehr eingeht. Mit anderen Worten: Die Flußverkettung faßt die Wirkung des magnetischen Flusses auf die Summe der Windungen einer Wicklung zusammen, indem die Gesamtwirkung durch einen gedank- lichen oder fiktiven bzw. virtuellen Fluß beschrieben wird, der genau eine (gedachte) Wicklung mit einer einzigen Windung durchströmt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Spannung des Energiespeichers ge- messen und mit den bekannten Tastverhältnisses eines Pulswechselrichters zu den Ständerspannungen verrechnet, die in diesem Fall mit den Soll-Werten der Ständerspannungen identisch sind. Alternativ wird die Ständerspannung, d. h. deren Ist-Werte direkt erfasst. Zudem werden mindestens n-1 Strangströme bei einem Motor mit n Strängen oder n Phasen gemessen, wobei n eine beliebige natürliche Zahl mit n > 1 ist. Diese Eingangsgrößen werden mittels eines Rechenwerkes oder eines Algorithmus anhand des Motormodells zur Flußverkettung verrechnet. Mit dieser Größe wiederum können dann die weiteren zu bestimmenden Größen oder Parametern, insbesondere das Drehmoment, die Drehzahl, der Drehwinkel, der Rotor-, Ständer- bzw. Luftspalt- fluss oder dazu jeweils proportionalen Größen ermittelt werden. Das Rechenwerk stellt die berechneten Größen als analoge und/oder digitale Größen in Form entsprechender Ist-Werte zur Verfügung. Auch können diese Größen in einem Speicher eines digitalen Rechenwerkes abgelegt werden.

So wird zur Regelung des Drehmoments - oder einer dazu proportionalen Größe des Drehfeldantriebes - als Ist-Wert für die Regelung eine entsprechende Größe des Rechenwerkes verwendet. Analog wird zur Regelung der Drehzahl - oder einer dazu proportionalen Größe - als Ist-Wert für die Regelung die entsprechende Größe des Rechenwerkes verwendet. Ebenso kann zur Regelung des Drehwinkels oder einer dazu proportionalen Größe als Ist-Wert für die Regelung die entsprechende Größe des Re- chenwerkes verwendet werden.

Zweckmäßigerweise wird mindestens eine der Ausgangsgrößen des Rechenwerkens für Betriebsdatenschreiber, Diagnosetools, Servicetools oder Lebenszyklusüberwachungstools genutzt. Auch wird vorteilhafterweise eine der Ausgangsgrößen des Re- chenwerkes dazu genutzt, die Antriebseinheit wirkungsgradoptimiert zu betreiben, indem anhand der bekannten Größen von Drehzahl und Drehmoment oder Drehmomentsollwert oder einer dazu jeweils proportionalen Größe die Ständerflussverkettung, die Rotorflussverkettung oder die Luftspaltflussverkettung beeinflusst wird. Auch kann bei einem Flurförderfahrzeug mit den berechneten Größen von Drehmoment und/oder Drehzahl - oder dazu jeweils proportionalen Größen - und mit den gegebenenfalls bekannten hydraulischen und mechanischen Konstanten, wie beispielsweise dem Wirkungsgrad, dem spezifischen Fördervolumen der Hydraulikpumpe, der Zylinderfläche des Hubzylinders und/oder der Übersetzung des Hubgerüstes, die Hublast und/oder die Fahrgeschwindigkeit der Last bestimmt werden. Diese Größen können auch zur Anzeige, Überwachung oder Regelung der Verfahrgeschwindigkeit genutzt werden.

Zweckmäßigerweise kann zudem in denjenigen Zeiten, in denen die Hydraulikpumpe über Ventile entkoppelt von den hydraulischen Lasten arbeitet, mit den berechneten Größen von Drehmoment und/oder Drehzahl - oder dazu jeweils proportionalen Größen - und mit den gegebenenfalls bekannten hydraulischen und mechanischen Konstanten oder Parametern, insbesondere dem Wirkungsgrad oder dem spezifischen Förderverhalten der Hydraulikpumpe, die Viskosität und/oder die Temperatur des Hydrauliköls und/oder die Temperatur des Hydrauliksystems bestimmt werden. Auch können diese Größen wiederum zur Anzeige oder Überwachung genutzt werden.

Die Messung der Ströme erfolgt zweckmäßigerweise mittels Magnetfeldgradiometern, wobei die oder jede Messung auf der Basis des magnetoresistiven Effektes oder des GMR-Effektes (giant magneto resisistiv effect) oder des CMR-Effektes (coliosal ma- gneto resisistiv effect) durchgeführt wird.

Die Bestimmung der Ständerspannung wird zweckmäßigerweise direkt durch Messung von n-1 Leiterspannungen oder n Strangspannungen bei einem Motor mit n Strängen vorgenommen. Die erforderlichen Berechnungen mittels oder innerhalb des Algorithmus bzw. Rechenwerkes werden zweckmäßigerweise mittels eines gemeinsam genutzten Mikrocontrollers oder Signalprozessors durchgeführt.

Der mit der sensorlosen Antriebsregelung verbundene Inbetriebnahmeaufwand kann vorteilhaft durch eine Selbstinbetriebnahme reduziert werden. Diese umfaßt dabei eine vorzugsweise automatische Indentifikation der Parameter der Drehfeldmaschine und eine Arbeitspunkteinstellung bezüglich der vorgegebenen Flußverkettung sowie einen Abgleich des oder jedes Regelkreises. Die Mechanismen zur automatischen Parameteridentifikation können darüber hinaus im Servicefall oder während Stillstandszeiten des Antriebs zur Fehlererkennung und Fehlerdiagnose genutzt werden.

Die Qualität und Leistungsfähigkeit der sensorlosen Antriebsregelung kann erhöht werden, wenn die Drehfeldmaschine geeignet modifiziert wird. So kann der sogenannte Blechschnitt des Rotors oder des Stators verändert werden, so dass sich in Abhängigkeit einerseits unterschiedlicher Bestromungsrichtungen und andererseits der Rotorlage deutliche Induktivitätsunterschiede ergeben. Diese wiederum können bestimmt werden, wobei mit den entsprechenden Ergebnissen auf die aktuelle Rotorlage zurückgeschlossen werden kann. Insbesonder kann auch bei kleinen Drehzahlen eine hochwertige sensorlose Regelung erreicht werden, da die Möglichkeit der Aufschaltung von Testsignalen besteht, die wiederum eine zuverlässige Identifikation der Induktivitäten ermög- liehen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass bei gleichzeitig besonders geeigneter sensorloser Antriebsregelung zusätzlich relevante Zu- standsgrößen oder Antriebsparameter, wie insbesondere das Motordrehmoment, die Motordrehzahl, der Drehwinkel, der Rotorfluss, der Ständerfluss und/oder der Luftspalt- fluss, eines mit einem Pulswechselrichter betriebenen Asynchronmotors oder Synchronmotors eines derartigen elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit Drehfeldantrieb- stechnik bestimmt und vorzugsweise auch zu Diagnosezwecken und zur Lebensdauer- bestimmungn herangezogen werden können.

Die Vermeidung des Einsatzes von Sensorkomponenten zur Drehzahl- und/oder Drehmomenterfassung bietet den erheblichen Vorteil, dass eine verminderte Robustheit des Gesamtsystems aufgrund einer infolge der rauhen Einsatzbedingungen für derartige Flurförderfahrzeuge praktisch unvermeidbaren Gefährdung der Funktion die- ser Komponenten ausgeschlossen werden kann. Zusätzlich kann der Wirkungsgrad verbessert werden. Auch kann - abgesehen von der Möglichkeit einer effizienten Feldschwächung - eine Synchronmaschine als Drehfeldmotor für den Antrieb eines Flurförderfahrzeugs eingesetzt werden. Die Erfindung ist auch bei einem solchen elektrisch betriebenen Fahrzeug, insbesondere hinsichtlich des Lenkausschlags bei einem elektrisch gelenkten Fahrzeug, besonders geeignet, bei dem ein redundantes Systems mit zusätzlichem Drehzahlsensor gefordert oder gewünscht ist.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 u. 2 in einer Seitenansicht bzw. in einer Draufsicht ein Flurförderfahrzeug mit einem elektromotorischen Antrieb und einer sensorlosen Antriebsregelung, Fig. 3 schematisch in einem Blockschaltbild Funktionskomponenten der sensorlosen Antriebsregelung, Fig. 4 in einem vergleichsweise detaillierten Blockschaltbild eine indirekte Spannungsermittlung für die Antriebsregelung, Fig. 5 in einer Darstellung gemäß Fig. 4 eine alternative Realisierung der Spannungserfassung, Fig. 6 in einem Blockschaltbild das Regelschema der Antriebsregelung, und Fig. 7 ein Drehmoment-Drehzahl- Diagramm eines Steuergliedes.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Flurförderfahrzeug 1 führt eine Batterie 11 als Gleichspannungsquelle sowie eine nachfolgend als Antriebsregelung bezeichnete Regelvorrichtung 2 und einen elektromotorischen Antrieb 3 in Form eines bürstenlosen Drehfeldantriebes, vorzugsweise einen Asynchronmotor, mit. Das batteriebetriebene Flurförderfahrzeug 1 umfasst zwei Zinken 4, die sich jeweils auf Laufrollen 5 abstützen. Die Zinken 4 bilden von oben gesehen zusammen mit einer Basiskonsole 6 einen U- förmigen Rahmen. Im Bereich der Basiskonsole 6 befindet sich zumindest die eine elektrische Antriebseinheit 3 mit einem Laufrad 7, die mit Hilfe einer Handdeichsel 8 um eine vertikale Achse 9 geschwenkt werden kann und zum Lenken des Flurförderfahr- zeugs oder Gabelhubwagens dient. Die Antriebseinheit 3 wird über die Antriebsregelung 2 von einem Energiespeicher in Form einer Gleichspannungsquelle 11 , insbesondere einer Batterie, z.B. einer 24V- oder einer 48V-Batterie, gespeist, die in der Basiskonsole 6 angeordnet ist.

Die sensorlos arbeitende Antriebsregelung 2 umfasst gemäß Fig. 3 einen Wechselrichter oder Pulswechselrichter 10, eine Meßeinrichtung 12 und ein Rechenwerk 14. Die dem Wechselrichter 10 über Zuleitungen 15 zugeführte Gleichspannung u_z wird mittels des Wechselrichters 10 in eine Drei-Phasen-Wechselspannung umgewandelt, die - bzw. der entsprechende Strom - über drei Phasenleitungen LN (L1 ,L2,L3 bzw. u,v,w) dem Drehfeldantrieb 3 zugeführt wird.

Die Fig. 4 und 5 zeigen vergleichsweise detailliert die Antriebsregelung 2 mit dem Pulswechselrichter 10 sowie mit einem Meßmodul 12a zur Spannungserfassung und einem Meßmodul 12b zur Stromerfassung. Mit VS ist dabei die jeweilige Ventilsteuerung 16 des Pulswechselrichter 10 bezeichnet. Die Meßmodule 12a, 12b sind aus- gangsseitig mit Eingängen des Rechenwerks 14 verbunden.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 wird die Spannung u_z des Energiespeichers bzw. der Batterie 11 gemessen und mit den bekannten Tastverhältnissen des Pulswechselrichters 10 zu den Ständerspannungen verrechnet. Hierzu werden dem Rechenwerk 14 eingangsseitig Soll-Tastverhältnisse z_a,Z_b,z_c zugeführt, die von einem dem Pulswechselrichter 10 zugeordneten Pulsweitenmodulator 17 aus Sollwerten der Ständerströme i_a,_b,c generiert sind. Demgegenüber werden bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 die Ständerspannungen u_a,_b,_c direkt erfasst und über das Meßmodul 12a dem Rechenwerk 14 zugeführt.

Die mit dem Rechenwerk 14 bestimmten Zustandsgrößen oder Parameter, insbesondere die Flussverkettung Ψ, die Drehzahl n, das Drehmoment T und z. B. auch der Dreh- winkel, lassen sich für die Antriebsregelung 2 des Drehfeldmotors 3 vielfältig nutzen. Sie erlauben eine indirekte Regelung des Drehmomentes T, der Drehzahl n, der Lage des Rotors des Drehfeldantriebs 3 oder der Flussverkettung Ψ. Der Anwender hat damit bezüglich einer Schnittstelle zum Antrieb 3 keine Beschränkungen. Ein weiterer wichtiger Einsatzfall ist die Verwendung der ermittelten Daten für Datenlogger oder Lebenszyklusüberwachungen. Dabei werden z.B. Überlastfälle erkannt und bei einem abzusehenden Ausfall der Fahrantriebe oder der Hydraulikpumpe wird recht- zeitig eine Warnung an den Anwender ausgelöst, so dass eine prädiktive Wartung vorgenommen wird. Ebenfalls hilfreich sind diese Ausgangsgrößen für Diagnosetools, die im Störungsfall dem Servicetechniker entscheidende Hilfestellungen bei der Fehlersuche geben, so dass Ausfallzeiten verkürzt werden können.

Ferner ist ein wichtiger Einsatzfall die Verwendung der ermittelten Daten mit dem Ziel einer wirkungsgradoptimalen Einstellung des Arbeitspunktes der Antriebsregelung 2 des insbesondere als Asynchronmaschine ausgeführten Drehfeldantriebs 3. Mit bekannter Drehzahl n und bekanntem Drehmoment T sowie bekannten Parametern der Asynchronmaschine kann deren Flussverkettung Ψ derart eingestellt werden, dass die Summe von Eisenverlusten und Kupferverlusten minimal ist. Im Teillastbereich lässt sich damit eine deutliche Steigerung des Wirkungsgrades erreichen, was bei einem batteriebetriebenen Flurförderfahrzeug 1 von großem Nutzen ist.

Außerdem ist ein wichtiger Einsatzfall die Verwendung der ermittelten Daten für eine Berechnung der Hublast des Flurförderfahrzeugs 1 , indem aus Größen von Drehmoment T und Drehzahl n unter Berücksichtigung der physikalischen Gesetzmäßigkeiten, insbesondere dem Wirkungsgrad von Hydraulikpumpen und dem Wirkungsgrad der Mechanik sowie das spezifische Fördervolumen der Hydraulikpumpe, zunächst der Hydraulikdruck bestimmt werden kann. Unter Berücksichtigung der Zylinderfläche des Hubzylinders und der Übersetzung des Hubgerüsts kann die Hublast und die Verfahrensgeschwindigkeit des Hubgerüsts bestimmt werden. Falls die Hydraulikpumpe über Ventile von dem Hubzylinder abgekoppelt werden kann, kann mit einer ähnlichen Vorgehensweise die Viskosität des Hydrauliköls und damit die Temperatur des Hydrauliköls bzw. des Hydrauliksystems bestimmt werden. Das Drehmoment T, welches der Antrieb 3 zum Betreiben der Hydraulikpumpe mit einer definierten Drehzahl n aufwenden muss, hängt dann allein von der Viskosität des Hydrauliköls ab. Darüber hinaus ist ein wichtiger Einsatzfall die Verwendung der ermittelten Daten für ein redundantes System. Wird nämlich zusätzlich ein Drehzahl- oder Drehwinkelgeber zum Einsatz gebracht, so können die entsprechenden Messgrößen mit Ausgangsgrößen des Rechenwerkes 14 verglichen werden. Dazu werden die Ausgangsgrößen des Rechenwerkes 14 mit den Messwerten eines Drehwinkelgebers oder eines Drehzahlgebers oder eines Drehmomentgebers verglichen, wobei das Ergebnis des Vergleichs zur Fehlererkennung von eingesetzten Sensoren oder des Antriebs 3 genutzt wird. Im Falle eines auftretenden Defektes eines Sensors kann dann die Antriebsregelung oder -Steuerung 2 mit der entsprechenden Ausgangsgröße T, n, Ψ des Rechenwerkes 14 fortgeführt werden, so dass ein vorteilhaftes redundantes System entsteht. Bei nennenswerten Abweichungen liegt ein Fehler im Antriebssystem oder bei den Gebern vor und der Antrieb 3 kann abgeschaltet werden oder in einer Art Notbetrieb ohne die Sensoren betrieben werden, bis der Fehler beim nächsten Service- oder Wartungstermin behoben werden kann.

Da aufgrund der verwendeten kleinen Batteriespannungen mit sehr hohen Strömen i_a,b,c gearbeitet werden muss, ist das im Gegensatz zur U/f-Kennliniensteuerung für diese Anwendung erforderliche Meßmodul 12b zur Messung der Ströme i_a>b,_c als Magnetfeld- gradiometer auf Basis des MR-Effektes (magneto resistiven Effektes), des GMR- Effektes (giant magneto resistive) oder des CMR-Effektes (colossal magneto resistive) ausgeführt. Diese Magnetfeldgradiometer erlauben eine Messung der Ströme i_a,_b,c auf engstem Raum, da aufgrund der hohen Empfindlichkeit eine Messung ohne magnetischen Flusskonzentrator möglich ist.

Fig. 6 zeigt das Regelschema der sensorlosen Antriebsregelung 2 mit wiederum dem Drehfeldantrieb 3 und dem diesen betreibenden Wechselrichter 10 sowie mit dem Rechenwerk 14. Das Rechenwerk 14 umfasst ein den Drehfeldantrieb 3 nachbildendes Motor- oder Antriebsmodell 20, dem eingangsseitig die erfassten Strangströme i_a,_b,_c sowie der Meßwerte u₂ der von der Gleichspannungsquelle 11 gelieferten Gleich- oder Zwischenkreisspannung zugeführt wird. Zudem wird dem Motormodell 20 das Pulsweitenverhältnis oder der Modulationsgrad P des Pulsweitenmodulators 17 zugeführt. Aus diesen Eingangswerten i_a,b,c, PM und u₂ ermittelt das Motormodell 20 den Ist-Wert der Flussverkettung ψ_ist und den Ist-Wert des Drehmomentes T_ist sowie den Ist-Wert der Drehzahl n_ist.

Hierzu werden im Motormodell 20, das anhand motorspezifischer Größen parametriert ist, die zu den Strangströmen i_a,b,_c proportionalen Größen gemäß den Beziehungen:

in Rotorflusskoordinaten und die Beziehungen:

3 T_eι ⁼ —P ^{, x}¥_Sd - i_Sq

^I &/ ⁼ S ^{' l}Sd ~ ^ωFR ' ~r ~ ^{" σ '} As ' ^lSq

^RR

in Ständerflusskoordinaten herangezogen. Dabei sind T_eι das innere Drehmoment des Drehfeldantriebs 3, p die Polpaarzahl, L_h die Hauptinduktivität, L_R die auf die Ständerseite des Drehfeldantriebs 3 bezogene Rotorinduktivität, ψ_Rd - mit ψ_Rd proportional zum Spannungsmeßwert u_z - die Flussverkettung, R_R der auf die Ständerseite bezogenen Rotorwiderstand und σ die Streuziffer. Der Index R steht stets für Rotorgrößen, während Index S für Statorgrößen steht. Der Index d bezeichnet den Realteil und der Index q bezeichnet den Imaginärteil eines Raumzeigers in Flusskoordinaten.

Zudem ist ωF_R die Kreisgeschwindigkeit der Flussverkettung ψ im rotorfesten Koordinatensystem. Die Kreisgeschwindigkeit der Flussverkettung ψ im ständerfesten Koordinatensystem ist gegeben durch die Beziehung:

wobei Usq die Ständerspannung ist.

Die Ständerflussverkettung ergibt sich gemäß der Beziehung:

Die Ist-Drehzahl oder der Ist-Wert nj_St der Drehzahl n bestimmt sich hieraus gemäß der Beziehung 2π ^• p ^• n-,_st = ω s = G>FS - G>F_R, wobei

die Kreisgeschwindigkeit der Flußverkettung ψ im ständerfesten Koordinatensystem und den Schlupf berücksichtigt, und wobei ω_Rs die Kreisgeschwindigkeit des Rotors des Drehfeldantriebs 3 ist.

Aus dem Ist-Wert der Drehzahl n_ist wird mittels eines Steuergliedes 21 der Soll-Wert ψsoii der Flussverkettung ermittelt. Dabei wird eine optimale Drehmomentbildung sicher- gestellt, indem die flussbildende und die drehmomentbildenden Komponenten des Stromraumzeigers derart geeignet vorgegeben werden, dass einerseits die maximal zulässige Länge des Stromraumzeigers und andererseits die durch den Wechselrichter 17 maximal stellbare Raumzeigerlänge der Ständerspannung Us nicht überschritten wird. Dabei kann das Steuerglied 21 als Kennlinienglied oder als Spannungsregler zur Flusseinstellung, d. h. zur Ermittlung des Soll-Wertes ψ_SOιι realisiert sein.

Bei Einsatz eines Kennliniengliedes als Steuerglied 21 werdem diesem eingangsseitig die Ist-Werte n_ist und T_ist der Drehzahl n bzw. des Drehmomentes T zugeführt. In dem ι I

Drehmoment-Drehzahl-Diagramm in Fig. 7 sind auf der Abszisse die Drehzahl n und auf der Ordinate das Drehmoment T abgetragen, jeweils bezogen auf die Nenndreh- zahl nnenn bzw. das Nenndrehmoment T_nenn. Gestrichelt eingezeichnet ist die Kennlinie K, die sich aus motorspezifischen Kenndaten ergibt und ab dem Wertepaar (1/2) mit der Funktion K « 1/n² als Einhüllende der Kippmomente für verschiedene Synchronoder Nenndrehzahlen verläuft, während die Nennkennlinie K_nenn ab dem Wertepaar (1/1) mit der Funktion K_nenn « 1/n verläuft. Ausgangsseitig liefert das Steuer- oder Kennlinienglied 21 den Soll-Wert ψ_son der Flussverkettung ψ als Funktion des Drehmomentes T und - über die Proportionalität zwischen der Drehzahl n und dem q-Anteil des Ständerstroms is_q - der Drehzahl n.

Durch die Forderung nach maximalem Drehmoment T ist der Soll-Wert ψ_SOιι der Flussverkettung ψ in Abhängigkeit von der Drehzahl n bei vorgegebener Zwischenkreisspan- nung u₂ eindeutig bestimmt. Im Teillastbereich des Fahrzeugs 1 entsteht ein zusätzlicher Freiheitsgrad, der zur Optimierung des Wirkungsgrades des Antriebs oder Motors 3 genutzt werden kann. Das Steuerglied 21 benötigt dazu zusätzlich den Ist-Wert T_ist oder den Soll-Wert T_son des Drehmomentes T.

Ist das Steuerglied 21 als Kennlinienglied realisiert, so entsteht in diesem Fall ein zwei- dimensionales Kennlinienfeid oder -glied mit der Drehzahl n und dem Drehmoment T als Eingangsgrößen. Die Ausgangsgröße des Steuergliedes 21 ist auch in diesem Fall der Soll-Wert ψ_son der Flussverkettung ψ. Somit kann mit dem Steuerglied 21 ein Arbeitspunkt des Drehfeldantriebs 3 gezielt angefahren werden. Die Verbesserung des Wirkungsgrades erfolgt mittels einer Optimierungsrechnung anhand eines die Kupfer- und Eisenverluste beschreibenden Modells der Drehfeldmaschine 3.

Für die Auslegung des Drehfeldmotors 3 sind das maximale Drehmoment T und der Lastzyklus entscheidend. Da die Beschleunigung des Fahrzeugs 1 , die mit maximalem Drehmoment T erfolgt, in der Regel bereits nach kurzer Zeit beendet ist, kann der Drehfeldmotor 3 für den maximalen, vom Wechselrichter 17 stellbaren Ständerstrom is ausgelegt werden. Die maximale Geschwindigkeit des Fahrzeugs 1 wird in einem Be- reich gefahren, in dem das Kippmoment unterhalb des Nennmomentes liegt und damit bestimmend ist. Das Ergebnis des Vergleichs des somit ermittelten Soll-Wertes ψ_SOιι der Flussverkettung mit dem mittels des Motormodells 20 ermittelten Ist-Wert ψj_St der Flussverkettung einerseits sowie das Ergebnis des ebenfalls mittels des Motormodells 20 ermittelten Ist- Wertes Tjst des Drehmomentes mit einem vorgebbaren Soll-Wert T_SOιι des Drehmo- mentes werden einer Regeleinrichtung 22 des Rechenwerkes 14 eingangsseitig zugeführt. Anhand der die Eingangsgrößen bildenden Regelabweichungen von Flußverkettung ψ und Drehmoment T bestimmt die Regeleinrichtung 22 den Soll-Wert u_a,b,_c der Ständerspannung us. Da die Flußverkettung ψ proportional zur d-Komponente des Ständerstroms is_d ist, kann unmittelbar aus der Regelabweichung der Flußverkettung ψ eine Regelabweichung für die d-Stromkomponente is_d bestimmt werden.

Alternativ kann auch eine Flußregelung erfolgen und eine Regelung der entsprechenden Stromkomponente in einem unterlagerten Stromregelkreis durchgeführt werden. Ähnlich sind die Verhältnisse im drehmomentbildenden Zweig. Da das elektrische Drehmoment T_eι proportional zu der q-Ständerstromkomponente is_d ist, kann unmittelbar mit der Drehmomentregelabweichung eine Regelabweichung für die q- Ständerstromkomponente is_d bestimmt werden. Alternativ kann aber auch hier wiederum zunächst eine Drehmomentregelung erfolgen, während die Regelung der q- Stromkomponente i_Sd in einem unterlagerten Stromregelkreis vorgenommen wird.

Die Eingangsgrößen der Regeleinrichtung 22 liegen in einem feldorientierten Koordinatensystem vor. Die Ausgangsgrößen u_aιb,_c der Regeleinrichtung 22 liegen in ständerfesten Koordinaten vor. Innerhalb der Regeleinrichtung 22 wird deshalb die entsprechende Koordinatentransformation vorgenommen. Unerheblich ist dabei, an welcher Stelle diese Transformation erfolgt. So kann die Regelung der beiden Ständerstromkomponenten im feldorientierten Koordinatensystem vorgenommen werden. In diesem Fall werden die Ausgangsgrößen der Stromregler, nämlich die Spannungssollwerte usd und u_Sq zu den ständerfesten Größen u_a,_b,c transformiert. Alternativ können auch die Stromsollwerte isd und is_q zu den ständerfesten Größen i_aτb,_c transformiert werden und die Stromregelung kann in dem ständerfesten Koordinatensystem erfolgen. In diesem Fall liegen die Spannungssollwerte u_a,_b,_c unmittelbar in ständerfesten Koordinaten vor. Das Koordinatensystem, in dem die Stromregelung erfolgt, ist somit frei wählbar. Aus- gangsgröße der Regeleinrichtung 22 sind aber stets die Spannungssollwerte u_a,_b,_c bzw. die Ständerspannung us in ständerfesten Koordinaten.

Über den Pulsweitenmodulator 17 und die Ventilsteuerung oder Steuereinrichtung 16 werden diese Spanungs-Soll-Werte u_a, Ü_b, u_c als Schaltbefehle an den Pulswechselrichter 10 weitergereicht. Der Pulswechselrichter 17 stellt das Stellglied dar, mit dem die gewünschte Spannung us an den Drehfeldantrieb oder -motor 3 gelegt wird. In Abhängigkeit der elektrischen Parameter des Motors bzw. Antriebs 3 und der mechanischen Drehzahl n stellt sich in den Wicklungen des Motors 3 ein Ständerstrom i_s ein, der an- hand der Ist-Werte der Strangströme i_a,b,c über das Messmodul 12b gemessen und dem Motormodell 20 der Drehfeldmaschine 3 zugeführt wird.

Ist das Steuerglied 21 als Spannungsregler ausgelegt, so erlaubt diese Spannungsregelung eine einfache Vorgabe der Flußverkettung ψ_SOιι im Feldschwäch bereich. Die Regelgröße ist der Spannungsbedarf des Drehfeldmotors 3. Dementsprechend ergibt sich der dem Spannungsregler 21 zugeführte Ist-Wert Uj_St aus dem Betrag des Raumzeigers der Ständerspannung us, der durch die Stromregelung vorgegeben wird. Alternativ kann der Ständerspannungsbetrag auch durch direkte Messung bestimmt werden. Der Soll-Wert u_SOιι der Spannungsregelung wird aus der Zwischenkreisspannung u₂ abge- leitet und stellt den maximal mit dem Pulswechselrichter 17 stellbaren Betrag der Ständerspannung Us dar. Auch kann noch eine geringe Stellreserve vorgehalten werden.

Der Wirkungsmechanismus der Spannungsregelung im Steuerglied 21 ist wie folgt: Der Spannungsbedarf des Drehfeldantriebs 3 kann maßgeblich durch die Flußverkettung ψ beeinflußt werden. Ist nun der Spannungsbedarf des Antriebs 3 größer als der Soll- Wert Usoii der Spannungsregelung 21 , so wird die Stellgröße des Spannungsregelkreises, d. h. der Soll-Wert ψ_SOιι der Flußverkettung, reduziert. Dadurch verringert sich nach Abklingen der Einschwingvorgänge auch der Spannungsbedarf des Antriebs 3. Ist umgekehrt der Spannungsbedarf kleiner als der Soll-Wert u_SOιι der Spannungsregelung, so wird der Soll-Wert ψ_s0n der Flußverkettung erhöht. Im stationären Fall arbeitet der Antrieb 3 im Feldschwächbereich somit stets mit der maximal stellbaren Ständerspannung Us und die Einstellung der Flußverkettung ψ erfolgt automatisch. Die Antriebsregelung 2 ist vorteilhafterweise auch in einem Golf-cart oder dgl. einsetzbar.

Bezugszeichenliste

Flurförder-/Fahrzeug

Antriebsregelung

Antrieb/Drehfeldmotor

Zinken

Laufrolle

Basiskonsole

Laufrad

Handdeichsel

Achse

Puls-/Wechselrichter

Gleichspannungsquelle

Meßeinrichtung a,b Meßmodul

Rechenwerk

Zuleitung

Ventilsteuerung / Steuereinrichtung

Pulsweitenmodulator

Motormodel

Steuer-/Kennlinienglied

Regeleinrichtung

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur sensorlosen Antriebsregelung eines Elektrofahrzeugs (1 ), insbesondere eines Flurförderfahrzeugs, das mit einem Drehfeldmotor (3) angetrieben s wird, der mit einem von einer mitbewegten Gleichspannungsquelle (11 ) gespeisten Wechselrichter (10) mit n Strangströmen (i_a,_b,c) betrieben wird, die den Ständerstrom (is) des Drehfeldmotors (3) bestimmen,

- wobei aus der erfaßten Ständerspannung (us) des Drehfeldmotors (3) und aus mindestens n-1 gemessenen Strangströmen (i_a,_b,c) Ist-Werte der Fluß- 0 Verkettung (ψ) des Drehfeldmotors (3) sowie mindestens einerweiteren hiervon abhängigen Größe (T,n) ermittelt werden, und

- wobei anhand dieser Ist-Werte (ψj_St; Tj_St, n_ist) der Ständerstrom (i_s) eingestellt wird.

s 2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem zusätzlich zur Flußverkettung (ψ) des

Drehfeldmotors (3) sowohl das Drehmoment (T) als auch die Drehzahl (n) als Ist- Werte (ψist, Tj_st, n_ist) ermittelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Ständerstom (is) anhand eines Vergleichs 0 des Ist-Wertes (T_ist) des Drehmomentes mit einem Soll-Wert (T_SOιι) sowie eines

Vergleichs des Ist-Wertes (ψι_st) der Flußverkettung mit einem Soll-Wert (ψ_SOιι) eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Soll-Wert (ψ_SOιι) der Flußverkettung aus 5 der Drehzehl (nj_St) und/oder aus den Soll-Werten der Ständerspannung (us) des

Drehfeld motors (3) ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Soll-Wert (ψ_SOιι) der Flußverkettung zusätzlich anhand des Ist-Wertes (T_ist) des Drehmomentes ermittelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Ist-Werte der Flußverkettung (ψist) und des Drehmomentes (T_ist) sowie der Drehzahl (n,_st) mittels eines Motormodells (20) für die Antriebsregelung (2) ermittelt werden.

s 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Ständerspannung (us) indirekt aus der gemessenen Spannung (u_z) der mitgeführten Gleichspannungsquelle (11 ) ermittelt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei jeder Strangstrom (i_a,_b,c) mit 0 einem nach dem magnetoresistiven Effekt arbeitenden Meßmodul (12b) erfaßt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei mindestens ein ermittelter Ist-Wert (ψi_St, Tj_St, riist) zu Diagnosezwecken herangezogen wird. 5

10. Sensorlose Antriebsregelung eines Elektrofahrzeugs (1) mit einem Drehfeldmotor (3), der mit einem von einer mitbewegten Gleichspannungsquelle (11) gespeisten Wechselrichter (10) mit n Strangströmen (i_a,_b,_c) betrieben ist, die den Ständerstrom (is) des Drehfeldmotors (3) bestimmen, 0 - mit einer Meßeinrichtung (12), die bei n Strangströmen (i_a,_b,c) mindestens n-1

Strangströme (i_a,_b,c) und einen zur Bestimmung der Ständerspannung (us) des Drehfeldmotors (3) relevanten Spannungswert (u₂) erfaßt, und mit einem Rechenwerk (14), das aus den Strangströmen (i_a,_b>c) und aus der Ständerspannung (us) die Flußverkettung (ψ) des Drehfeldmotors (3) sowie 5 mindestens eine weitere hiervon abhängige Größe (T,n) ermittelt und aus dieser sowie aus der Flußverkettung (ψ) den Soll-Wert (u_a,b,c) der Sänder- spannung (us) des Drehfeldantriebs (3) und/oder der Strangströme (i_a,b,c) zur Einstellung des Ständerstroms (is) berechnet.

o 11. Sensorlose Antriebsregelung nach Anspruch 10, bei der das Rechenwerk (14) ein Motormodell (20) des Drehfeldmotors (3) und und eine Regeleinrichtung (22) umfaßt, - wobei das Motormodell (20) die Ist-Werte des Drehmomentes (Tj_St) und der Drehzahl (n_ist) sowie der Flußverkettung (ψ_ist) berechnet, und

- wobei die Regeleinrichtung (22) aus einer Abweichung des Ist-Wertes (ψj_St) der Flußverkettung von einem Soll-Wert (ψ_SOιι) die Soll-Werte (u_a,b,_c) der Ständerspannung (u_s) ermittelt.

12. Sensorlose Antriebsregelung nach Anspruch 11 , bei der das Rechenwerk (14) ein Steuerglied (21 ) umfaßt, das aus dem Ist-Wert (n_ist) der Drehzahl und/oder den Soll-Werten (u_a,_b,_c) der Ständerspannung (us) den Soll-Wert (ψ_soιι) der Flußverkettung ermittelt.

13. Sensorlose Antriebsregelung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der eine dem Rechenwerk (14) nachgeschaltete Steuereinrichtung (16) des Wechselrichters (10) aus den Soll-Werten (u_a,b,c) der Ständerspannung (us) ein ent- spechendes Steuersignal (z_a,b,c) für den Wechselrichter (10) erzeugt.

14. Flurförderfahrzeug mit einer sensorlosen Antriebsregelung (2) nach einem der Ansprüche 10 bis 13.