EP2036199A1 - Regler und verfahren zur regelung eines stufenlosen elektrischen getriebes - Google Patents

Abstract

Ein stufenloses elektrisches Getriebe enthält einen rotierbaren Rotor, einen Stator, einen mit Rotor und Stator zusammenwirkenden Interrotor mit einem ersten und zweiten Käfig zur Führung von ersten (I<SUB>i</SUB>) und zweiten (I<SUB>o</SUB>) Magnetisierungsströmen. Ein Regler für das Getriebe enthält ein dem elektrischen Getriebe vorschaltbares Entkopplungsnetzwerk mit den Eingangsgrößen: Sollwert (i<SUB>it</SUB>) für Betrag des ersten (I<SUB>i</SUB>), und Sollwert (i<SUB>ot</SUB>) für Betrag des zweiten (I<SUB>o</SUB>) Magnetisierungsstroms, Sollwert (T<SUB>it</SUB>) für erstes (T<SUB>i</SUB>), und Sollwert (T<SUB>ot</SUB>) für zweites (T<SUB>o</SUB>) Drehmoment zwischen Rotor und Interrotor bzw. Stator und Interrotor, und den Ausgangsgrößen: Rotorstrom (I<SUB>r</SUB>) und Statorstrom (I<SUB>s</SUB>), eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung von erstem (I<SUB>i</SUB>) und zweitem (I<SUB>o</SUB>) Magnetisierungsstrom, eine Rückkopplungseinrichtung zur Rückkopplung von erstem (I<SUB>i</SUB>) und zweitem (I<SUB>o</SUB>) Magnetisierungsstrom als Eingangsgrößen des Entkopplungsnetzwerks. Bei einem Verfahren zur Regelung des Getriebes wird Rotorstrom (I<SUB>r</SUB>) und Statorstrom (I<SUB>s</SUB>) aus den Eingangsgrößen: Sollwert (i<SUB>it</SUB>) für Betrag des ersten (I<SUB>i</SUB>), Sollwert (i<SUB>ot</SUB>) für Betrag des zweiten (I<SUB>o</SUB>) Magnetisierungsstroms, Sollwert (T<SUB>it</SUB>) für erstes (T<SUB>i</SUB>), und Sollwert (T<SUB>ot</SUB>) für zweites (T<SUB>o</SUB>) Drehmoment ermittelt, erster (I<SUB>i</SUB>) und zweiter (I<SUB>o</SUB>) Magnetisierungsstrom erfasst und als Eingangsgrößen zum Entkopplungsnetzwerk rückkoppelt.

Description

Beschreibung

Regler und Verfahren zur Regelung eines stufenlosen elektrischen Getriebes

Die Erfindung betrifft einen Regler und ein Verfahren zur Regelung eines stufenlosen elektrischen Getriebes.

Ein stufenloses elektrisches Getriebe (electric variable transmission, EVT) ist eine elektrische Maschine, die aus zwei elektromagnetisch gekoppelten Asynchronmaschinen - nachstehend Rotor-ASM und Stator-ASM genannt - besteht. Ein der^¬ artiges Getriebe kann z.B. in einem Kraftfahrzeug Kupplung, Schaltung, Anlasser und Generator ersetzen.

Sowohl die Rotor-ASM als auch die Stator-ASM müssen mit einem entsprechenden Rotor bzw. Statorstrom versorgt werden. Hierzu ist ein Regler notwendig und ein entsprechendes Verfahren, nach welchem der Regler arbeitet. Wären Rotor-ASM und Stator- ASM nicht elektromagnetisch, sondern lediglich mechanisch gekoppelt, so könnten für beide Maschinen klassische Regelungs^¬ verfahren bzw. bekannte Regler verwendet werden z.B. feldorientierte Regler. [S. W. Leonhard: Control of Electrical Driver, Springer 2001].

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und einen entsprechenden Regler zur Regelung eines stufenlosen elektrischen Getriebes anzugeben.

Hinsichtlich des Reglers wird die Aufgabe gelöst durch einen Regler gemäß Patentanspruch 1. Da der Regler ersten und zweiten Magnetisierungsstrom im Interrotor bzw. dessen erstem und zweitem Käfig erfasst, arbeitet der Regler also feldorientiert. Die Magnetisierungsströme unterscheiden sich hierbei von den tatsächlich in den Käfigen fließenden Strömen, stehen jedoch mit diesen im Zusammenhang. Nachdem die Magnetisierungsströme erfasst sind, werden sie außerdem von der Rück^¬ kopplungseinrichtung als Eingangsgrößen des Entkopplungsnetz- werkes zu diesem zurückgekoppelt und zur Regelung verwendet. Durch diese Maßnahme ist eine Entkopplung der beiden Asynchronmaschinen möglich und damit eine quasi-instantane Dreh^¬ momentregelung bei nicht verschwindenden Magnetisierungsströ- men .

Stromgrößen sind hierbei komplexe Stromzeiger im statorfesten Koordinatensystem, charakterisiert durch jeweils zeitabhängige Beträge und Phasen. Die komplexen Stromzeiger lassen sich in bekannter Weise in 3. Phasen-Ströme umrechnen.

Im Vergleich zur feldorientierten Regelung einer einzigen Asynchronmaschine, bei der lediglich die Phase des Magneti^¬ sierungsstromes beobachtet werden muss, ist beim erfindungs- gemäßen Regler Betrag und Phase von erstem und zweitem Magnetisierungsstrom zu erfassen.

Die Entkopplung der beiden Asynchronmaschinen wird durch das Entkopplungsnetzwerk realisiert, welches Rotorstrom als auch Statorstrom als separate Ausgangsgrößen aufweist. Das Ent^¬ kopplungsnetzwerk wird dem elektrischen Getriebe vorgeschaltet.

Die direkte Erfassung von erstem und zweitem Magnetisierungs- ström durch die Erfassungseinrichtung kann messtechnisch schwierig zu realisieren sein. Die Erfassungseinrichtung kann daher insbesondere ein ersten und zweiten Magnetisierungs^¬ strom nachbildender regelungstechnischer Beobachter sein. Die beiden Asynchronmaschinen werden dabei im Beobachter durch ein sogenanntes Maschinenmodell dargestellt, um ersten und zweiten Magnetisierungsstrom, im ersten und zweiten Luftspalt von erster und zweiter Asynchronmaschine, zu ermitteln. Im Gegensatz zu einem Beobachter für eine einzige Asynchronmaschine muss der Beobachter hierbei nicht nur die Phase, son- dern auch den Betrag des Magnetisierungsstromes ermitteln.

Ein entsprechender Beobachter ist also aufwendiger, kann aber analog zum Beobachter für eine einzelne Asynchronmaschine aufgebaut werden. Das Entkopplungsnetzwerk im Regler kann insbesondere gemäß Patentanspruch 3 gestaltet sein. Da der Interrotor in einem EVT die elektromagnetische Kopplung zwischen beiden Asyn- chronmaschinen übernimmt, fließt in diesem ein sogenannter

Interrotorkopplungsstrom. Dieser wird in einem Maschinenkopplungsmodell ermittelt. Die Kenntnis des Interrotorkopplungs- stroms wiederum erlaubt es, im Regler eine separate Rotor^¬ steuerung und Statorsteuerung zu realisieren, welche vonein- ander entkoppelt sind. Die Realisierung eines entsprechenden Reglers ist dann modular möglich und führt zu einem einfache^¬ ren und klarer strukturierten Aufbau des Reglers.

Insbesondere arbeitet der Regler besonders günstig für ein Getriebe, in dem der Interrotor konzentrisch zwischen Stator und Rotor angeordnet ist und erster und zweiter Käfig konzen^¬ trisch angeordnet sind. Dadurch ist die gesamte Asynchronma^¬ schine konzentrisch angeordnet. Ob eine nichtkonzentrische Anordnung überhaupt denkbar ist, ist fraglich.

Der Regler kann insbesondere in einem EVT eingesetzt werden, bei dem im Interrotor erster und zweiter Käfig ein gemeinsames Joch aufweisen. Erster und zweiter Käfig sind dann derart "nah" beieinander, dass anstelle von zwei elektromagnetisch separaten Maschinen eine magnetische Kopplung, also eine

"starke Kopplung" stattfindet. Die beiden Asynchronmaschinen sind dann stark gekoppelt, der Interrotor kann besonders klein ausgeführt werden. Dies ermöglicht eine möglichst kom^¬ pakte Bauweise.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 8. Das erfindungsgemäße Verfahren sowie dessen Vorteile wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Regler erläutert.

Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze: Fig. 1 eine Amplituden-Phasen-Darstellung (Raumzeigerdarstellung) der Stator- und Magnetisierungsströme ei^¬ ner Induktionsmaschine gemäß Stand der Technik,

Fig. 2 ein Eingangs-Ausgangs-Diagramm einer durch feldorientierte Regelung entkoppelten Induktionsmaschine gemäß Stand der Technik,

Fig . 3 einen feldorientierten Regler und ein Maschinenmodell einer Induktionsmaschine eines Induktionsmotors gemäß Stand der Technik,

Fig . 4 den feldorientierten Regler aus Fig. 3 im Detail gemäß Stand der Technik,

Fig . 5 das Maschinenmodell aus Fig. 3 im Detail gemäß Stand der Technik,

Fig . 6 eine Raumzeiger-Darstellung der Ströme in einem EVT,

Fig . 7 ein gegenüber Fig. 2 gekürztes Eingangs- Ausgangsblockdiagramm einer durch feldorientierte Regelung entkoppelten Induktionsmaschine,

Fig . 8 ein gekürztes Eingangs-Ausgangsblockdiagramm eines durch feldorientierte Regelung entkoppelten EVT,

Fig . 9 ein Simulink-Modell eines EVT mit FOC,

Fig . 10 den Regler für die innere Maschine aus Fig. 9,

Fig . 11 den Regler für die äußere Maschine aus Fig. 9,

Fig . 12 das Maschinenkopplungsmodell aus Fig. 9,

Fig . 13 das Modell der Stator-ASM aus Fig. 9,

Fig . 1 144 das Modell der Rotor-ASM aus Fig. 9,

Im Folgenden wird die feldorientierte Regelung (field orien- ted control, FOC) eines stufenlosen elektrischen Getriebes beschrieben. Grundlagen hierfür ist die feldorientierte Regelung einer Induktionsmaschine gemäß [BLA72] ("F. Blaschke: Das Verfahren der Feldorientierung zur Regelung der Asynchronmaschine. Siemens Forschungs- und Entwicklungsbericht Band 1, Nr. 172, Springer 1972, Seiten 184 bis 193"). Unter der feldorientierten Regelung einer Induktionsmaschine kann man sich ein statisches, nichtlineares Entkopplungsvorfilter und einen Beobachter (Maschinenmodell) für den Flusswinkel vorstellen. Dieses Grundgerüst kann vervollständigt werden durch ein (größtenteils) lineares Steuersignalvorfilter und eine lineare, stabilisierende Rückkopplung.

Im Folgenden wird der Entwurf eines statischen nichtlinearen Entkopplungsvorfilters für die feldorientierte Regelung des EVT vorgestellt. In erster Näherung kann angenommen werden, dass der Beobachter für Betrag und Phase für inneren und äußeren Magnetisierungsstrom (Flussverbindung) ein idealer Beobachter ist, d.h. diese Größen exakt bekannt oder messbar sind.

Zunächst wird die feldorientierte Regelung einer Induktions^¬ maschine vorgestellt und die wichtigsten Aspekte zur Übertra^¬ gung auf das EVT umrissen. Die feldorientierte Regelung wird dann auf das EVT übertragen.

Im Folgenden werden die Grundlagen für eine feldorientierte Regelung einer Induktionsmaschine dargestellt. Die bestimmen^¬ den Gleichungen in einem statorfesten Bezugsystem sind das elektrische Drehmoment

T = K₁ • M^TD(JJ λ^s _r, mit K₁ := | p. Gl. 3

Für die Rotorspannung gilt

mit ω als Winkelgeschwindigkeit des Rotors. Die Rotor- und Statorflüsse sind

I; = I -f; +L_rσ ■!;, λζ=L-ϊ; +L_sσ-ϊ;. GL 5

Durch geeignete Transformation können die Streuinduktanzen L_rσ und L_sσ eliminiert werden, wodurch sich Gl. 5 vereinfacht zu λ^s ;= λ^s = λ^s = L - i: . Gl . 6

Der in Gl . 5 eingeführte Magnetisierungsstrom i_μ ist gegeben durch

ϊ;=ϊ;+ϊ;. GL i

Zur Vereinfachung der bestimmenden Gleichungen werden zunächst alle Rotorströme und Flüsse eliminiert, wodurch nur die Stator- und Magnetisierungsströme in den Gleichungen verbleiben. Einsetzen von Gl. 6 in Gl . 3 liefert

T = K₂ • fe]^TD(jj ϊ_μ, mit K₂ := K₁-L. Gl. 8

Einsetzen von Gl. 6 und Gl. 7 in Gl . 4 und Division durch R₁. ergibt

^diμ (πλ →_s →_s L i^ + τ —- - τ ^• ω ^• D — M-_u = iL mit τ := — . Gl . 9 ^μ dt \2 ^μ R_^

Fig. 1 zeigt die Betrags- und Phasendarstellung der Stator und Magnetisierungsströme einer Induktionsmaschine in einem zweidimensionalen Koordinatensystem 2. In einem zweiten Vereinfachungsschritt werden die vektoriellen Stator- und Magne^¬ tisierungsströme durch ihre Amplituden und Phasen ersetzt. Die Drehmomentgleichung Gl. 8 ändert sich daher in

Die Aufteilung der Gl. 9 in eine bestimmende Gleichung für die Amplitude i_μ und die Phase φ^s (in einem statorfesten Ko^¬ ordinatensystem) des vektoriellen Magnetisierungsstromes i_μ ergibt

di i_μ+τ^^L = i_s -COs^, Gl. 11

Im Folgenden wird die grundlegende Idee einer feldorientierten Regelung dargestellt. Das Ziel einer feldorientierten Re- gelung einer Induktionsmaschine ist Amplitude und Phase des Statorstromes, also /_s(t) und ε^s(t), derart zu steuern, dass die Trajektorie des gewünschten Drehmoments so dicht und so schnell wie möglich angenähert wird, während der Magnetisie^¬ rungsstrom bzw. dessen Amplitude auf einem gewünschten Wert gehalten wird. (Dieser Wert kann sich mit der Winkelgeschwindigkeit ω oder den Drehmoment T ändern, d.h. zur Vermeidung von Überspannungen oder zur Verbesserung des Motorwirkungsgrades, sei aber zunächst als konstant angenommen) . Betrach^¬ tet man Gl. 10 und Gl. 12, kann dieses Ziel erreicht werden, in dem man

e_ι:=i_s-cosε^φ gleich der Zielamplitude des Magnetisierungsstro^¬ mes und

e₂:=i_s •sinf*' gleich dem Zieldrehmoment geteilt durch die Ampli^¬ tude des Magnetisierungsstromes multipliziert mit K₂, setzt.

Hierdurch ergibt sich das kontrollierte System 10 gemäß Fig. 2 als entkoppeltes System. Fig. 2 zeigt das Eingangs-/Aus- gangsblockdiagramm einer durch feldorientierte Regelung entkoppelten Induktionsmaschine 10. e_x und e₂ sind die Steuer^¬ signale oder Eingangsvariablen der Induktionsmaschine 10 und deren Ausgangsvariablen sind das aktuelle Drehmoment T , die Amplitude des Magnetisierungsstromes i_μ , und dessen Phase φ^s .

Das folgende Eingangs-/Ausgangsverhalten einer Induktionsmaschine, entkoppelt durch feldorientierte Regelung, ist erwäh^¬ nenswert : Die Ubertragungsfunktion von zu i_μ{t) ist linear

und zeitinvariant.

(ii) Die Übertragungsfunktion von zu T(t) ist bilinear

also eine Produktfunktion.

;iii) Die Übertragungsfunktion von zu φ^s(t) ist nicht^¬ linear, d.h. hat keine bestimmte Eigenschaft.

Wie im Folgenden gezeigt wird, verallgemeinern sich diese Eigenschaften auf die Konfiguration der zwei Asynchronmaschinen des EVT. Die eben beschriebene Entkopplung wird erreicht durch eine geeignete statische, nichtlineare Übertragungs^¬ funktion (oder Entkopplungsnetzwerk) zwischen den Zielvariab- len (=Steuersignalen) (eΛ*)} und den (tatsächlichen) Eingän-

W^t)) gen der Induktionsmaschine

Dieses Entkopplungsnetzwerk der feldorientierten Regelung, kombiniert mit dem Modell der Induktionsmaschine ist in Fig. 3 dargestellt. Fig. 4 und 5 zeigen das Innere der Blöcke „feldorientierter Regler" und „Induktionsmaschine" aus Fig. 3. Fig. 3 zeigt also links den feldorientierten Regler 20 und rechts das Maschinenmodell 22 eines Induktionsmotors. Fig. 4 zeigt den feldorientierten Regler 20 aus Fig. 3, Fig. 5 die Induktionsmaschine 22 aus Fig. 3 jeweils im Detail. Wie in Fig. 4 zu sehen ist, benötigt das Entkopplungsnetzwerk Wissen des Flusswinkels <p^s (t) . Der Flusswinkel <p^s (t) wird ty^¬ pischerweise nicht gemessen, sondern vom (gesamten) feldorientierten Regler unter Benutzung eines geeigneten Maschinenmodells berechnet.

Wie in Fig. 3 zu sehen ist, versorgt der feldorientierte Reg^¬ ler 20 die Induktionsmaschine 22 mit dem Statorstrom, gekenn- zeichnet durch dessen Amplitude i_s und Phase ε^s , welcher vom in Fig. 3 nicht dargestellten Entkopplungsnetzwerk im Regler 20 erzeugt wird.

Im Folgenden wird die feldorientierte Regelung eines stufen^¬ losen elektrischen Getriebes dargestellt. Die bestimmenden Gleichungen in einem statorfesten Bezugssystem sind das elektrische Drehmoment am inneren und äußeren Luftspalt

T₁ = K₁₁ • [i_rPoff] K, mit K₁₁ := ^p; Gl. 13

T„ = Kol fc\ ^'<!' *' mit K Gl. 14

* " 2 ^P-

die Spannungsgleichungen am Interrotor, also am inneren und äußeren Käfig lauten:

O = R .J^s +^-_ω D\-\A^S, und Gl. 15 dt [2

O = R₀-I; ₊^-ω₂.D^A:. Gl. 16

Die inneren und äußeren Luftspaltflussverbindungen sind:

V=L₁-I₁;, K=L₀-I₀;. Gl. 17

Die Flussverbindungen λ\ and λ_o ^s hängen zusammen über

-λ_o ^s+λ_y ^s _h+k_sr-λ:=0, Gl. 18

wobei gilt

Λ_y'_k Gl. 19 Die Magnetisierungsströme i^* and i_o ^s aus Gleichung 17 sind gegeben durch:

ζ=^+r;+^-r;, GL 20

h_μ=h +h -^lyk- Gl. 21

Im Folgenden werden die bestimmenden Gleichungen in einem erstem Schritt vereinfacht. Entsprechend der Vereinfachung für den Induktionsmotor werden jetzt alle Interrotorströme und Flüsse eliminiert, worauf lediglich die Rotor- und Sta^¬ tor- sowie Magnetisierungsströme in den bestimmenden Glei^¬ chungen verbleiben. Einsetzen von Gl. 17 in Gl. 13 und Gl. 14 ergibt

T₁ = K₁₂ • [ϊ_r]^TD(jJ ϊ^_μ, mit K₁₂ := K₁₁ • L₁; Gl. 22

T₀ = K₀₂ ^• fe]^TD(jJ ϊ_oμ, mit K₀₂ := K₀₁ ^• L₀. Gl. 23

Einsetzen von Gl. 17, Gl. 20 und Gl. 21 in Gl. 15 und Divisi^¬ on durch R₁ ergibt

!_iμ + ^₁ ^• — X₁ ^• ω₂ - D - i_iμ = i_r + k_sr ^• i_yh, dt yzj _{G1 > 24}

L₁ mit X₁ := .

R₁

In analoger Weise ergibt Einsetzen von Gl. 17, Gl. 20 und Gl. 21 in Gl. 16 und Division durch R

mit x_o := —2- .

^Ro

Schließlich ergibt Einsetzen von Gl. 17 und Gl. 19 in Gl. 18

Gl. 26 Der zweite Vereinfachungsschritt besteht darin, alle vekto- riellen Ströme durch ihre Amplituden und Phasen entsprechend Fig. 6 zu ersetzen. Fig. 6 zeigt die Amplituden- und Phasen- darstellung der Ströme in einem EVT wieder im Koordinatensystem 2. Die Drehmomentgleichungen Gl. 22 und Gl. 23 werden so umgeformt in

T_o=K_o2-i_oμ-{i_s-ήn(ε_s-φ_o)). Gl. 28

Die Aufteilung von Gl. 24 in eine bestimmende Gleichung für die Amplitude i_ιμ und Phase φ_ι (in einem statorfesten Koordi- natensystem) des vektoriellen Magnetisierungsstromes i_ιμ er^¬ gibt

i_ιμ + τ_ι —^- = i_τ - cos{ε_τ - φ_ι ) + k_sr - i_yh - cos{φ_yh - φ_ι ), Gl . 29

^'dq±

-iμ - ω_n = i_r ^■ ύn(ε_r - φ_ι ) + k_sr ^■ i_yh ^■ ύn(φ_yh - φ_t ). Gl. 30 dt

Entsprechend wird Gleichung 25 in zwei Gleichungen aufgespal^¬ tet: eine für die Amplitude i_oμ und die andere für die Phase φ₀ des Magnetisierungsstromes i_oμ .

di ^ioμ+τ _° ^' dt ⁼^^'cos(^^"^^)"^^'cos(^-^)' ^G1- ³¹

Schließlich wird Gl. 26 entsprechend formuliert als

L_yh(t)-i_yh -D(^)Tj=L₀ -i_oμ -D(φ_o){^YK-L₁ -i_ιμ -0(^)Pj. Gl. 33 Im Folgenden wird die grundlegende Idee der feldorientierten Regelung für das EVT vorgestellt. Ziel der feldorientierten Regelung des EVT ist, die Amplituden und Phasen von Stator- und Rotorstrom, also i_s(t) , i_r(t) , ε_s(t) und ε_r(t) so zu kontrol^¬ lieren, dass den Trajektorien der Zieldrehmomente T_lt und T_ot so schnell und dicht wie möglich gefolgt wird, während die Amplituden der Magnetisierungsströme i_ιμ und i_oμ auf vordefi^¬ nierten Werten gehalten werden (diese Werte können über der Zeit variieren, aber in der Praxis geschieht dies vergleichs^¬ mäßig langsam, so dass wir diese hier als konstant annehmen können) .

Wie oben erwähnt, ist das Wesentliche der feldorientierten Regelung einer Induktionsmaschine eine Einführung von zwei Steuervariablen ^₁ und e₂ , so dass

Die Übertragungsfunktion von zum Magnetisierungs^¬ strom i_μ(t) linear und zeitinvariant ist,

;ii) die Ubertragungsfunktion von f^βi(OΪ

Ww zum Drehmoment T(t)

bilinear ist.

Entfernt man φ^s aus der Darstellung gemäß Fig. 2, können die

Übertragungsfunktionen von einer Induktions- maschine mit feldorientierter Regelung gem. Fig. 7 darge- stellt werden. Fig. 7 zeigt ein gekürztes Eingangs- Ausgangs^¬ blockdiagramm 40 einer durch feldorientierte Regelung entkoppelten Induktionsmaschine. In einem feldorientierten Regelungsschema des EVT führen wir Steuervariablen e_Λ , e_ol , e_[2 und e_o2 derart ein, dass die Übertragungsfunktion des gesteu-

erten Systems von gemäß Fig. 8 entkoppelt

wird. Fig. 8 zeigt das gekürzte Eingangs- Ausgangsblockdia^¬ gramm einer durch feldorientierte Regelung entkoppelten EVT 50. Derartige Steuervariablen sind gegeben durch

e_Λ :=i_r-cos(ε_r-φ_ι) + k_sr-i_yh-cos(φ_yh-φ_ι), Gl. 34

e_ι2 :=i_r -sin(^_r -φ_t), Gl. 35

e_ol := i_s ^■ cos(£_s - φ_o ) - i_yh ^■ cos(φ_yh - φ_o ), Gl . 3 6

e_o2 - i_s - ^iε_s - φ_o ). Gl . 37

Mit diesen Steuervariablen nehmen die Drehmomente und Magnetisierungsströme ihre Zielwerte im stationären Betrieb an, wenn wir

e_Λ gleich dem Zielwert der Amplitude des Magnetisierungs^¬ stroms / und e_ι2 gleich dem Zielwert des Drehmoments T₁ geteilt durch den Magnetisierungsstrom Amplitude / multipliziert mit K₁₂ , e_ol gleich dem Zielwert der Amplitude des Magnetisierungs^¬ stroms i_oμ und e_o2 gleich dem Zielwert des Drehmoments T₀ geteilt durch die Amplitude des Magnetisierungsstroms i_oμ multipliziert mit ,ST₀₂ setzen.

Fig. 9 zeigt ein Simulink-Modell des EVT mit entsprechender feldorientierter Regelung (FOC) . Der Vergleich von Fig. 9 mit Fig. 3 zeigt folgende Unterschiede:

(i) Für die FOC-Entkopplung einer Induktionsmaschine war es ausreichend, die Phase des Magnetisierungsstroms zu beobachten und rückzukoppeln, die Amplitude des Magneti^¬ sierungsstroms war nicht notwendig. Beim EVT 50 dagegen müssen sowohl Phase als auch Amplitude der zwei Magneti- sierungsströme bekannt sein, um eine Entkopplung zu er^¬ möglichen . (ii) Es gibt ein Maschinenkopplungsmodell 52, welches die

Kopplung zwischen innerer 54 und äußerer 56 Induktions- maschine darstellt und im Regler 58 enthalten ist. Of^¬ fensichtlich gibt es kein entsprechendes Element im feldorientierten Regler der einfachen Induktionsmaschine .

In den Figuren 11, 12 und 13 sind die einzelnen Blöcke von Fig. 9 nochmals detailliert dargestellt. Fig. 10 zeigt den Block „Regler innere Maschine" 60 aus Fig. 9, Fig. 11 zeigt den Block „Regler äußere Maschine" 62 aus Fig. 9, Fig. 12 zeigt den Block „Maschinenkopplungsmodell" aus Fig. 9.

Es ist anzumerken, dass alle Übertragungsfunktionen, welche in den Figuren 11 bis 13 gezeigt sind und welche zusammen den Regler aus Fig. 9 ausmachen, statisch sind. Der gesamte Regler, der zusätzlich einen Beobachter für die beiden Magneti- sierungsströme enthält und möglicherweise einen Vorfilter für die Steuervariablen, ist selbstverständlich dynamisch.

Fig. 13 zeigt den Block „Äußere Maschine" 56 aus Fig. 9 und Fig. 14 den Block „Innere Maschine" 54 aus Fig. 9.

Claims

Patentansprüche

1. Regler zur Regelung eines stufenlosen elektrischen Getriebes, wobei das Getriebe zwei gekoppelte Asynchronmaschinen umfasst, diese enthaltend:

- einen rotierbaren, mit Rotorstrom (I_r) zur Erzeugung eines ersten elektromagnetischen Feldes speisbaren Rotor,

- einen mit Statorstrom (I_s) speisbaren Stator zur Erzeugung eines zweiten elektromagnetischen Feldes, - einen mit erstem und zweitem elektromagnetischem Feld zusammenwirkenden Interrotor, mit einem ersten und zweiten Käfig zur Führung von durch erstes und zweites elektromag^¬ netisches Feld induzierten ersten (I₁) und zweiten (I₀) Magnetisierungsströmen, - wobei Rotor und Interrotor über ein erstes (T₁) und Interrotor und Stator über ein zweites (T₀) elektrisches Dreh^¬ moment zusammenwirken, und wobei der Regler enthält: ein dem elektrischen Getriebe vorschaltbares Entkopplungs- netzwerk mit den Eingangsgrößen: Sollwert (i_xt) für Betrag des ersten (I₁), und Sollwert (i_ot) für Betrag des zweiten

(1₀) Magnetisierungsstroms, Sollwert (T_lt) für erstes (T₁), und Sollwert (T_ot) für zweites (T₀) Drehmoment, und den Ausgangsgrößen: Rotorstrom (I_r) und Statorstrom (I_s), - eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung von erstem (I₁) und zweitem (I₀) Magnetisierungsstrom, eine Rückkopplungseinrichtung zur Rückkopplung von erstem

(1₁) und zweitem (I₀) Magnetisierungsstrom als Eingangs^¬ größen des Entkopplungsnetzwerks.

2. Regler nach Anspruch 1, bei dem die Erfassungseinrichtung ein ersten (I₁) und zweiten (I₀) Magnetisierungsstrom nachbildender regelungstechnischer Beobachter ist.

3. Regler nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Entkopplungsnetzwerk, enthaltend: ein Maschinenkopplungsmodell zur Ermittlung eines Interro- torkopplungsstroms (I_y) aus erstem (I₁) und zweitem (I₀) Magnetisierungsström,

- eine Rotorsteuerung zur Ermittlung des Rotorstroms (I_r) aus dem Interrotorkopplungsstrom (I_y), der Phase (PhI₁) des ersten Magnetisierungsstroms (I_x), den Sollwerten (i_lt) für Betrag des ersten Magnetisierungsstroms (I₁) , und (T_lt) für erstes Drehmoment (T₁) , eine Statorsteuerung zur Ermittlung des Statorstroms (I_s) aus dem Interrotorkopplungsstrom (I_y), der Phase (phi_o) des zweiten Magnetisierungsstroms (I₀), den Sollwerten

(i_ot) für Betrag des zweiten Magnetisierungsstroms (I₀) , und

(Tot) für zweites Drehmoment (T₀) .

4. Regler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Getriebe beide Asynchronmaschinen mechanisch gekoppelt sind.

5. Regler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Getriebe beide Asynchronmaschinen einen gemeinsamen Interro- tor aufweisen.

6. Regler nach einem Anspruch 5, wobei im Getriebe der Inter- rotor konzentrisch zwischen Stator und Rotor angeordnet, und erster und zweiter Käfig konzentrisch angeordnet sind.

7. Regler nach Anspruch 6, wobei im Getriebe erster und zweiter Käfig ein gemeinsames Joch aufweisen.

8. Verfahren zur Regelung eines stufenlosen elektrischen Ge- triebes, wobei das Getriebe zwei gekoppelte Asynchronmaschi^¬ nen umfasst, diese enthaltend:

- einen rotierbaren, mit Rotorstrom (I_r) zur Erzeugung eines ersten elektromagnetischen Feldes speisbaren Rotor,

- einen mit Statorstrom (I_s) speisbaren Stator zur Erzeugung eines zweiten elektromagnetischen Feldes,

- einen mit erstem und zweitem elektromagnetischem Feld zusammenwirkenden Interrotor, mit einem ersten und zweiten Käfig zur Führung von durch erstes und zweites elektromag- netisches Feld induzierten ersten (I₁) und zweiten (I₀) Magnetisierungsströmen, wobei Rotor und Interrotor über ein erstes (T₁) und Inter- rotor und Stator über ein zweites (T₀) elektrisches Dreh- moment zusammenwirken, bei dem: ein dem elektrischen Getriebe vorschaltbares Entkopplungs^¬ netzwerk als Ausgangsgrößen: Rotorstrom (I_r) und Statorstrom (I_s) aus den Eingangsgrößen: Sollwert (i_lt) für Betrag des ersten (I₁), Sollwert (i_ot) für Betrag des zwei^¬ ten (I₀) Magnetisierungsstroms, Sollwert (T_lt) für erstes (T₁) , und Sollwert (T_ot) für zweites (T₀) Drehmoment ermit^¬ telt,

- eine Erfassungseinrichtung ersten (I₁) und zweiten (I₀) Magnetisierungsstrom erfasst,

- eine Rückkopplungseinrichtung ersten (I₁) und zweiten (I₀) Magnetisierungsstrom als Eingangsgrößen zum Entkopplungsnetzwerk rückkoppelt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei erster (I₁) und zweiter

(I₀) Magnetisierungsstrom von einem diese nachbildenden rege^¬ lungstechnischen Beobachter als Erfassungseinrichtung ermittelt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem im Entkopplungsnetzwerk : ein Maschinenkopplungsmodell einen Interrotorkopplungs- strom (I_y) aus erstem (I₁) und zweitem (I₀) Magnetisie^¬ rungsstrom ermittelt, - eine Rotorsteuerung den Rotorstrom (I_r) aus dem Interro- torkopplungsstrom (I_y), der Phase (phi_x) des ersten Magnetisierungsstroms (I₁), den Sollwerten (i_lt) für Betrag des ersten Magnetisierungsstroms (I₁) , und (T_lt) für erstes Drehmoment (T₁) ermittelt, - eine Statorsteuerung den Statorstrom (I_s) aus dem Interro- torkopplungsstrom (I_y), der Phase (phi_o) des zweiten Mag^¬ netisierungsstroms (I₀), den Sollwerten (i_ot) für Betrag des zweiten Magnetisierungsstroms (I₀) , und (T_ot) für zwei^¬ tes Drehmoment (T₀) ermittelt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei im Ge- triebe beide Asynchronmaschinen mechanisch gekoppelt sind.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei im Getriebe beide Asynchronmaschinen einen gemeinsamen Interrotor aufweisen .

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei im Getriebe der Interrotor konzentrisch zwischen Stator und Rotor angeordnet, und erster und zweiter Käfig konzentrisch angeordnet sind.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei im Getriebe erster und zweiter Käfig ein gemeinsames Joch aufweisen.