EP3679646A1 - Vorrichtung und verfahren zum steuern eines betriebs einer elektrischen maschine - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum steuern eines betriebs einer elektrischen maschine

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Publication number
EP3679646A1
EP3679646A1 EP18755459.7A EP18755459A EP3679646A1 EP 3679646 A1 EP3679646 A1 EP 3679646A1 EP 18755459 A EP18755459 A EP 18755459A EP 3679646 A1 EP3679646 A1 EP 3679646A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
unit
signal
feedback
actuator
output
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18755459.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Joao Bonifacio
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ZF Friedrichshafen AG filed Critical ZF Friedrichshafen AG
Publication of EP3679646A1 publication Critical patent/EP3679646A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/24—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets axially facing the armatures, e.g. hub-type cycle dynamos
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • H02P21/18—Estimation of position or speed
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/03—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control specially adapted for very low speeds
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/34—Modelling or simulation for control purposes
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for controlling an operation of an electric machine.
  • model-based approaches and approaches with signal feed-in exist for sensorless control or self-detection in control technology.
  • the first category relies on machine parameters, for example, to reconstruct the rotor position of an electric machine, and the second category relies on injecting high frequency voltage signals or current signals to observe the rotor position.
  • the present invention provides an improved apparatus for controlling an operation of an electric machine and an improved method for controlling an operation of an electric machine according to the main claims.
  • Advantageous embodiments will become apparent from the dependent claims and the description below.
  • sensorless control can be realized with low frequency signal injection and subtractive feedback filtering or subtractive feedback filtering.
  • a rotor position of an electric machine for example a synchronous machine or permanent magnet synchronous machine, in particular at low speeds or rotational speeds can be determined or estimated.
  • two parallel return branches can be used.
  • a duality between bandwidth and feed-in frequency may be bypassed using subtractive feedback filtering and a hybrid voltage observing device, which may allow feeding in of frequencies that may overlap or otherwise be close to the current bandwidth of the regulator without the same to disturb.
  • a feed frequency By reducing a feed frequency, losses and acoustic emissions can be reduced.
  • a low-frequency feed can reduce requirements compared with current measuring devices, since higher current responses may be generated without influencing the overall system's acoustic behavior.
  • a cost reduction and an increase in availability and reliability of electric drives can be achieved.
  • a high bandwidth characteristic of a voltage model may be available even at lower speeds.
  • An apparatus for controlling an operation of an electric machine having a rotor and a stator, has the following features:
  • the setting unit is electrically connected on the input side to the control unit and on the output side is electrically connectable to the electric machine;
  • feed point is electrically connected between the regulator unit and the actuator, wherein at the feed point, an electrical detection signal is fed;
  • a first feedback unit for returning a first feedback signal to the controller unit, wherein the first feedback unit is connected in parallel with the controller unit and the actuator, the first feedback signal representing a version of an output signal of the actuator formed and processed by the first feedback unit;
  • a second feedback unit for returning at least one second feedback signal to the first feedback unit and / or to the actuator, wherein the second feedback unit is connected in parallel to the first feedback unit, wherein the second feedback signal comprises a signal generated by the first feedback unit. represented and processed by the second feedback unit version of the output signal of the actuator, wherein the second feedback signal represents an angle between the rotor and the stator of the electric machine.
  • the device may be designed as a control loop.
  • the electric machine may be any type of synchronous machine, such as permanent magnet synchronous motor, synchronous reluctance motor, etc., or an asynchronous machine. Under taxes rules can also be understood.
  • the controller unit may be implemented as a PI controller or another controller.
  • the detection signal can be fed in various ways, such as rotating, changing in stator coordinates, arbitrary.
  • the detection signal can be fed in addition to a signal which is transmitted between the regulator unit and the setting unit and represents a manipulated variable.
  • the output signal of the actuator may represent a controlled variable.
  • the second feedback unit may comprise a demodulation device and a model observation device.
  • the demodulation device can be designed to demodulate the version of the output signal of the actuating unit that has been converted by the first feedback unit.
  • the model observation device can be designed to generate the second feedback signal at least using an output signal of the demodulation device.
  • the model observer may be implemented as a hybrid observer, a voltage model observer, or the like.
  • the demodulation device can be a bandpass filter centered on a feed-in frequency of the detection signal for filtering the version of the output signal of the actuating unit formed by the first feedback unit, a signum functional unit signal-transmittingly connected to the bandpass filter, a multiplication unit connected to the bandpass filter and the signum function unit and having a correction unit capable of transmitting in a signal-transmitting manner to the multiplication unit for applying a correction factor dependent on the detection signal.
  • the demodulation device may optionally additionally have a low-pass filter connected in a signal-transmitting manner to the correction unit.
  • the demodulation device can be designed to detect an error signal.
  • the model observation device may have a model controller unit, a delay element and an output device.
  • the output device may have a phase locked loop or a mechanical observer.
  • the model controller unit may be implemented as a PI controller or a similar controller.
  • the model observation device may be configured to receive the error signal from the demodulation device, a voltage signal and a current signal in stator-fixed coordinates. Such an embodiment offers the advantage that the feedback signal can be reliably and accurately determined even for transient operating states of the electrical machine.
  • the second feedback unit may be configured to feed back a third feedback signal to a reference signal generation unit upstream of the regulator unit for generating a reference signal for the regulator unit and additionally or alternatively to a speed control unit upstream of the regulator unit.
  • the third feedback signal may represent an angular velocity of the rotor relative to the stator of the electric machine.
  • the first feedback unit can also be a first signal converter for converting a coordinate system related to phases of the electrical machine into a stator-fixed coordinate system, a second signal converter connected to the first signal converter for transforming from a fixed-stator coordinate system into a rotor-fixed coordinate system, one capable of signal transmission with the second signal converter Connected signal reconstruction device for reconstructing the output signal of the actuator, a signal converter capable of signal conversion capable third transducer for reshaping of a rotor fixed coordinate system in a statorfestes coordinate system and a signal converter connected to the first signal converter and the third transducer fourth signal converter for forming a stator fixed coordinate system in a Have rotor-fixed coordinate system.
  • the second feedback unit can be connected or connected to the second signal converter.
  • the signal reconstruction device can be designed as a Kalman filter.
  • the first feedback unit can be designed to subtract a version of the output signal of the actuating unit reconstructed by means of the signal reconstruction device from a measured version of the output signal of the actuating unit.
  • the signal reconstruction device can be designed to reconstruct the output signal of the setting unit using a feed-in frequency of the detection signal and a matrix stored as a look-up table.
  • the setting unit can have a series circuit which has a signal converter for converting from a rotor-fixed coordinate system into a stator-fixed coordinate system, a pulse width modulation device and additionally or alternatively a converter device for providing the output signal of the setting unit.
  • the second feedback signal can be received by the signal converter.
  • the signal converter may be configured to receive the second feedback signal.
  • the method can be carried out in conjunction with an embodiment of the device mentioned above. Also, the method is executable using a control device by means of suitable devices of the control unit.
  • a controller may be an electrical device that processes electrical signals, such as sensor signals, and outputs control signals in response thereto.
  • the control unit may have one or more suitable interfaces, which may be formed in hardware and / or software.
  • the interfaces may be part of an integrated circuit in which functions of the device are implemented.
  • the interfaces may also be their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
  • Also of advantage is a computer program product with program code which can be stored on a machine-readable carrier such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and is used to carry out the method according to one of the embodiments described above, when the program is on a computer or a control unit is performed.
  • a machine-readable carrier such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory
  • FIG. 1 is a schematic representation of a device for controlling according to an embodiment of the present invention and an electric machine;
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a demodulation device of the device from FIG. 1;
  • FIG. 1 is a schematic representation of a device for controlling according to an embodiment of the present invention and an electric machine;
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a demodulation device of the device from FIG. 1;
  • FIG. 1 is a schematic representation of a device for controlling according to an embodiment of the present invention and an electric machine;
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a demodulation device of the device from FIG. 1;
  • Fig. 3 is a schematic representation of a model observing device of the apparatus of Fig. 1;
  • FIG. 4 is a flowchart of a method of controlling according to an embodiment of the present invention.
  • methods, methods or approaches for self-detection or sensorless control can be divided into two categories: model-based approaches and approaches with signal feed-in. According to embodiments, these categories can be combined.
  • Model-based approaches use machine parameters to reconstruct rotor position information.
  • such approaches are particularly advantageous for high-speed operation, and according to embodiments, for example, performance may be maintained even at lower speeds, with observation also possible at zero speed.
  • a stable operation can be made possible.
  • a dependence of a performance of these approaches on a quality of the value of the machine parameters, which varies with temperature, age, manufacturing tolerances, etc. can be reduced or eliminated.
  • an increase in losses, generation of acoustic noise, parameter dependency, loss of low speed observability, bandwidth limitation of a current regulator, etc. for high power applications may be avoided or at least reduced.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device 100 for controlling according to an embodiment of the present invention and an electric machine M.
  • the device 100 is designed to control an operation of the electric machine M.
  • the device 100 for controlling according to the embodiment of the present invention shown in Fig. 1 is designed as a control loop.
  • the electric machine M has a rotor and a stator.
  • the electric machine M is a synchronous machine, in particular a permanent magnet synchronous machine.
  • the electric machine M can also be designed as an asynchronous machine.
  • the device 100 and the electric machine M are connected to each other in a signal-transmitting manner.
  • the device 100 has a regulator unit 110, a feed point 120, an actuating unit 130, a first feedback unit 140 and a second feedback unit 160.
  • the controller unit 110 is implemented, for example, as a PI controller.
  • the feed point 120 is electrically connected between the regulator unit 110 and the actuator unit 130.
  • the control unit 130 is input-side via the feed point 120 electrically connected to the controller unit 110 and the output side is electrically connected to the electrical machine M. In the illustration of FIG. 1, the electric machine M is connected to the setting unit 130.
  • an electrical detection signal 125 can be fed in.
  • the electrical detection signal 125 represents a fed voltage V in j at the position Ok.
  • the electrical sense signal 125 can be added to a regulator output signal 115.
  • the regulator output signal 115 represents a manipulated variable of the device 100.
  • the actuator 130 is configured to provide an output signal 138.
  • the output signal 138 of the actuating unit 130 represents a controlled variable of the device 100.
  • the first feedback unit 140 is electrically connected in parallel with the regulator unit 110 and the actuator unit 130.
  • the first feedback unit 140 is configured to feed back a first feedback signal 148 to the controller unit 110.
  • the first feedback signal 148 represents a version of an output signal 138 of the actuator 130 that has been transformed and processed by the first feedback unit 140.
  • the second feedback unit 160 is electrically connected in parallel to the first feedback unit 140.
  • the second feedback unit 160 is designed to feed back at least one second feedback signal 165 to the first feedback unit 140 and / or to the actuator unit 130.
  • the second feedback signal 165 represents a version of the output signal 138 of the actuator 130 processed by the first feedback unit 140 and processed by the second feedback unit 160.
  • the second feedback signal 165 represents an angle ⁇ between the rotor and the stator of the electric machine M ,
  • the actuator unit 130 comprises an electrical series circuit.
  • a signal converter 132 for converting from a rotor-fixed coordinate system (dq) into a stator-fixed coordinate system (ANT), a pulse width modulation means 134 and a converter means 136 for providing the output signal 138 of Actuator 130 connected in series.
  • the signal converter 132 is configured to receive the second feedback signal 165 from the second feedback unit 160.
  • the first feedback unit 140 includes a first transducer 142, a second transducer 152, a signal reconstruction device 154, a third transducer 156, a fourth transducer 146, and a subtraction point 144.
  • the first signal converter 142 is designed to carry out a conversion from a coordinate system (abc) based on phases of the electrical machine M into a fixed-stator coordinate system (a ⁇ ).
  • the first signal converter 142 is designed to carry out the conversion on the output signal 138 of the actuating unit 130.
  • the first transducer 142 is configured to provide or output a converted output signal 143 and measured output signal 143, respectively.
  • the first signal converter 142 is connected on the output side to the second signal converter 152 and to the subtraction point 144 in a signal-transferable manner.
  • the second signal converter 152 is designed to carry out a further transformation of the converted output signal 143 from a stator-fixed coordinate system (a ⁇ ) into a rotor-fixed coordinate system (dq). At this time, the second signal converter 152 is configured to receive an angle signal 151 (0 k ). Further, the second transducer 152 is configured to provide or output another reshaped output signal 153. The second signal converter 152 is connected on the output side to the signal reconstruction device 154 and to the second feedback unit 160 in a manner capable of transmitting signals. Signal reconstructor 154 is configured to generate a reconstructed version of the actuator output signal 138 using the further reshaped output signal 153. The third transducer 156 is signal transmitting capable connected to the signal reconstruction device 154.
  • the third signal converter 156 is designed to convert the version of the output signal 138 of the actuating unit reconstructed by means of the signal reconstruction device 154 from a rotor-fixed coordinate system (dq) into a stator-fixed coordinate system (a).
  • the third transducer 156 is configured to receive the angle signal 151 (6 k).
  • the third signal converter 156 is connected to the subtraction point 144 in a signal-transmitting manner. At the subtraction point 144, a subtraction of an output signal of the third signal converter 156 from the converted output signal 143 or measured output signal 143 from the first signal converter 142 takes place.
  • the fourth transducer 146 is signal transmitting capable of being connected to the first transducer 142 and to the third transducer 156. In other words, the fourth transducer 146 is connected to the subtraction point 144.
  • the fourth transducer 146 is configured to transform an output signal of the subtraction point 144 from a fixed-stator coordinate system (a ⁇ ) to a rotor-fixed coordinate system (dq) to produce the first feedback signal 148.
  • the fourth transducer 146 is the output side connected to the control unit 110 signal transmitting capability. More specifically, the fourth transducer 146 has its output connected to a further subtraction point 105 signal transmitting capability. At the further subtraction point 105, a subtraction of the first feedback signal 148 from a guide signal 175 or reference signal 175 takes place.
  • the guide signal 175 represents a reference variable of the device 100.
  • the signal reconstruction device 154 is implemented as a Kalman filter.
  • the first feedback unit 140 is designed to subtract the version of the output signal 138 of the actuator 130 reconstructed by the signal reconstruction device 154 from the converted output signal 143 or measured output signal 143, ie from a measured version of the output signal 138 of the actuator 130.
  • the signal reconstruction device 154 is configured to process the output signal 138 of the actuator 130 using a feed-in ratio. sequence of the detection signal 125 and a matrix stored as a look-up table. This will be discussed in more detail below.
  • the second feedback unit 160 comprises a demodulator 162 and a model observer 164.
  • the demodulator 162 is configured to demodulate the further converted output signal 153 from the second transducer 152 of the first feedback unit 140, ie the version of the output signal 138 of the actuator 130 converted by the first feedback unit 140.
  • the model observation device 164 is designed to generate the second feedback signal 165, at least using a demodulation signal 163 or output signal 163 of the demodulation device 162.
  • the demodulation signal 163 represents an error ⁇ or an error signal.
  • the model observer 164 is configured to further generate the second feedback signal 165 using an electrical voltage signal V ⁇ and an electrical current signal l ⁇ .
  • the electrical voltage signal V ⁇ and the electrical current signal l ⁇ are present in the stator-fixed coordinate system (a ⁇ ).
  • the device 100 has a reference signal generation unit 170 arranged upstream of the control unit 110 for generating the reference signal 175 for the controller unit 110 and / or a speed control unit 180 connected upstream of the controller unit 110.
  • the reference signal 175 is in particular a current signal.
  • the second feedback unit 160 is configured to feed back a third feedback signal 166 to the reference signal generation unit 170 and / or to the velocity control unit 180.
  • the third feedback signal 166 represents an angular velocity ⁇ of the rotor relative to the stator of the electric machine M.
  • the reference signal generation unit 170 and the velocity control unit 180 are electrically connected in series.
  • the reference signal generating unit 170 is connected via the further subtraction point 105 to the controller unit 110 in a manner capable of transmitting signals.
  • the reference signal generation unit 170 is electrically connected between the speed control unit 180 and the further subtraction point 105 is switched.
  • the speed control unit 180 is electrically connected between an additional subtraction point 190 and the reference signal generation unit 170.
  • the speed control unit 180 is configured to generate a default signal 185 (T ref ) for the reference signal generation unit 170.
  • T ref a default signal 185
  • Subtracting the third feedback signal 166 from another reference signal 195 is effected at the additional subtraction point 190.
  • the further reference signal 195 represents a reference variable in the form of a reference angular velocity (u ref .)
  • the third feedback signal 166 at the reference signal generation unit 170 is optional as well receivable at the additional subtraction point 190.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the device 100 with a self-detection strategy with a generic field-oriented controller.
  • an algorithm for estimating the rotor position of a synchronous machine or permanent magnet synchronous machine is implemented as an electrical machine M, in particular at low speeds or speeds. It is assumed that the drive system or the device 100 operates a synchronous machine with field-oriented control.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of such a type of device 100 with an optional speed control loop.
  • the signal input of the detection signal 125 is performed, for example, in an estimated reference frame having a selected angle ⁇ k between the signal and the estimated d-axis.
  • the shape of the feed can be a square wave or sine wave.
  • a current response is reconstructed using signal converter 154 using a Kalman filter and subtracted from the measured output signal 143, which is then fed back to the controller unit 110.
  • the Kalman filter is derived as follows:
  • the current response is a sum of the fundamental current and the high frequency response of the electric machine M to the voltage feed of the detection signal 125.
  • the feed frequency f inj is known and the angle 0 d is a phase delay and a a and a 2 are real.
  • Y n is an n-th measured value and v n is a measurement noise.
  • the matrix H is stored as a lookup table and its actual value is updated at each iteration based on this lookup table. This can save computer time.
  • This formulation is extensible to identify other frequencies in the signal, such as the 3rd harmonic in square wave feed. Only the vectors X and H need to be adjusted. The filtering is then performed by subtracting the estimated signal from the measured signal. The advantage of this filtering is that phase distortions or bandwidth limitations of the feedback control loop are avoided.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a demodulation device 162 of the device of FIG. 1.
  • the demodulation device 162 is designed to output the demodulation signal 163 to the model observation device using the further converted output signal 153 from the second signal converter of the first feedback device of the device to create.
  • the demodulation device 162 has a bandpass filter 201, a signum function unit 204 (sgn), a multiplication unit 206, a correction unit 208 and optionally a low-pass filter 209.
  • the band-pass filter 201 is centered at a feed frequency for the detection signal.
  • the bandpass filter 201 is designed to filter the further converted output signal 153 or the version of the output signal of the actuating unit formed by the first feedback unit.
  • the bandpass filter 201 is configured to provide a first filter signal 202 (i C d) and a second filter signal 203 (i cq ).
  • the signum functional unit 204 is signal transmitting capable connected to the bandpass filter 201.
  • the signum functional unit 204 is configured to receive the first filter signal 202 from the bandpass filter 201.
  • the multiplication unit 206 is connected to the bandpass filter 201 and to the signum functional unit 204 in a manner capable of transmitting signals.
  • the multiplication unit 206 is configured to multiply the second filter signal 203 from the bandpass filter 201 and a version of the first filter signal 202 processed by means of the signum functional unit 204 in order to generate a multiplication signal 207.
  • the correction unit 208 is connected to the multiplication unit 206 signal transmitting capability. In this case, the correction unit 208 is designed to receive the multiplication signal 207 from the multiplication unit 206.
  • the correction unit 208 is designed to apply a correction factor k which depends on the input detection signal, more precisely to apply to the multiplication signal 207.
  • the optional low-pass filter 209 is signal transmitting capable connected to the correction unit 208.
  • the correction unit 208 is electrically connected between the multiplication unit 206 and the low-pass filter 209.
  • the low-pass filter 209 is designed in accordance with one embodiment to provide or output the demodulation signal 163.
  • the demodulation is performed in the estimated frame as shown in FIG.
  • the bandpass filter 201 is centered at the feed-in frequency and the signum function unit 204 is configured to perform a function that outputs the sign of the input signal or further converted output signal 153.
  • the parameter-dependent factor or correction factor k can be adapted to keep a bandwidth of a cascaded controller constant, even if saturation effects and changes in the voltage supply should occur.
  • the demodulation device 162 may have another suitable structure.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a model observer 164 of the device of FIG. 1.
  • the model observer 164 is configured to use the demodulation signal 163 from the demodulation device of FIG. 2, the electrical current signal I a, and the electrical voltage signal V a to generate the second feedback signal 165 and, optionally, the third feedback signal 166.
  • the model observation device 164 has a model controller unit 301, a first linkage point 302, an R-unit 303, an Lq-unit 304, a delay element 306 (1 / s), a second linkage point 307 and an output link. gear device 308 on.
  • the model controller unit 301 is designed to receive or read in the demodulation signal 163.
  • the model controller unit 301 is connected to the first connection point 302 in a manner capable of transmitting signals.
  • the R unit 303 and the Lq unit 304 are configured to receive or read in the electric current signal I ⁇ .
  • the R unit 303 is connected to the first connection point 302.
  • the Lq unit 304 has its output connected to the second node 307.
  • the electric voltage signal V ⁇ is added to an output signal of the model regulator unit 301, and an output of the R unit 303 is subtracted from the output of the model regulator unit 301.
  • the first link 302 is signal transmitting capable connected to the delay element 306.
  • the delay element 306 is electrically connected between the first node 302 and the second node 307.
  • a subtraction of an output signal of the Lq unit 304 from an output signal of the delay element 306 takes place at the second connection point 307.
  • the output device 308 is connected to the second connection point 307 in a signal-transmitting manner.
  • the output device 308 has a phase locked loop or a mechanical observer.
  • the output device 308 is designed to provide or output the second feedback signal 165 and, if appropriate, optionally the third feedback signal 166.
  • the model observer 164 is implemented as a hybrid observer for blending estimates.
  • the error signal or demodulation signal 163 determined by means of the demodulation device is supplied to the model observation device 164 or voltage model observation device.
  • An angle determined by the signal feed approach is dominant in a steady-state mode, and an angle determined by the voltage model is dominant at transients.
  • a flux, which is determined as the output of the voltage model or the model observation device 164, is a phase-locked loop (PLL, phase-locked loop) or a mechanical observer to the output device 308 to determine and smooth the angle information and speed information represented by the second feedback signal 165 and the third feedback signal 166.
  • PLL phase-locked loop
  • the model observer 164 may have another suitable structure.
  • the method 400 of controlling is executable to control operation of an electric machine.
  • the method 400 can be carried out for controlling in conjunction with the device from FIG. 1 or a similar device.
  • the electric machine has a rotor and a stator.
  • a feed-in step 410 in the method 400 for controlling at a feed point, which is electrically connected between a regulator unit and an actuator, an electrical detection signal is input.
  • the control unit is electrically connected on the input side to the control unit and can be electrically connected to the electrical machine on the output side.
  • a subsequent step 420 of the processing in the method 400 for controlling using a first feedback unit and a second feedback unit, an output signal of the actuator is processed.
  • the first feedback unit is electrically connected in parallel to the regulator unit and the setting unit
  • the second feedback unit is connected electrically parallel to the first feedback unit.
  • the step 420 of processing is executable to return a first feedback signal from the first feedback unit to the controller unit.
  • the first feedback signal represents a version of an output signal of the actuator formed and processed by the first feedback unit.
  • the step 420 of processing is executable to return at least one second feedback signal from the second feedback unit to the first feedback unit and / or to the actuator.
  • the second feedback signal represents a signal converted by the first feedback unit. formed and processed by the second feedback unit version of the output signal of the actuator.
  • the second feedback signal represents an angle between the rotor and the stator of the electric machine.
  • other suitable methods may be used to track a sinusoid of known frequency.
  • an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature
  • this can be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment, either only the first Feature or only the second feature.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (100) zum Steuern eines Betriebs einer elektrischen Maschine (M) vorgestellt. Die elektrische Maschine (M) weist einen Rotor und einen Stator auf. Die Vorrichtung (100) weist eine Reglereinheit (110) auf. Auch weist die Vorrichtung (100) eine Stelleinheit (130) auf. Die Stelleinheit (130) ist eingangsseitig elektrisch mit der Reglereinheit (110) verbunden und ist ausgangsseitig elektrisch mit der elektrischen Maschine (M) verbindbar. Die Vorrichtung (100) weist ferner eine Einspeisungsstelle (120) auf. Die Einspeisungsstelle (120) ist elektrisch zwischen die Reglereinheit (110) und die Stelleinheit (130) geschaltet. An der Einspeisungsstelle (120) ist ein elektrisches Erfassungssignal (125) einspeisbar. Zudem weist die Vorrichtung (100) eine erste Rückführungseinheit (140) zum Rückführen eines ersten Rückführungssignals (148) an die Reglereinheit (110) auf. Die erste Rückführungseinheit (140) ist parallel zu der Reglereinheit (110) und der Stelleinheit (130) geschaltet. Das erste Rückführungssignal (148) repräsentiert eine durch die erste Rückführungseinheit (140) umgeformte und verarbeitete Version eines Ausgangssignals (138) der Stelleinheit (130). Die Vorrichtung (100) weist auch eine zweite Rückführungseinheit (160) zum Rückführen zumindest eines zweiten Rückführungssignals (165) an die erste Rückführungseinheit (140) und/oder an die Stelleinheit (130) auf. Die zweite Rückführungseinheit (160) ist parallel zu der ersten Rückführungseinheit (140) geschaltet. Das zweite Rückführungssignal (165) repräsentiert eine durch die erste Rückführungseinheit (140) umgeformte und durch die zweite Rückführungseinheit (160) verarbeitete Version des Ausgangssignals (138) der Stelleinheit (130). Das zweite Rückführungssignal (165) repräsentiert einen Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator der elektrischen Maschine (M).

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Steuern eines Betriebs einer elektrischen Maschine
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Steuern eines Betriebs einer elektrischen Maschine.
Zur sensorlosen Steuerung bzw. Selberfassung in der Steuerungs- und Regelungstechnik bestehen beispielsweise unter anderem modellbasierte Ansätze und Ansätze mit Signaleinspeisung. Die erste Kategorie stützt sich auf Masch inenparameter, um beispielsweise die Rotorposition einer elektrischen Maschine zu rekonstruieren, und die zweite Kategorie stützt sich auf eine Einspeisung hochfrequenter Spannungssignale oder Stromsignale, um die Rotorposition zu beobachten.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Vorrichtung zum Steuern eines Betriebs einer elektrischen Maschine und ein verbessertes Verfahren zum Steuern eines Betriebs einer elektrischen Maschine gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann insbesondere eine sensorlose Steuerung mit Niederfrequenzsignaleinspeisung und Subtractive- Feedback-Filtering bzw. subtraktiver Rückführungsfilterung bzw. Filterung mit sub- traktiver Rückführung realisiert werden. Hierbei kann eine Rotorposition einer elektrischen Maschine, zum Beispiel einer Synchronmaschine oder Permanentmagnet- Synchronmaschine, insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten bzw. Drehzahlen bestimmt oder geschätzt werden. Dabei können insbesondere zwei parallele Rückführungszweige zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann eine Dualität zwischen Bandbreite und Einspeisefrequenz unter Verwendung von Subtractive-Feedback- Filtering und einer Hybrid-Spannungsbeobachtungseinrichtung umgangen werden, was eine Einspeisung von Frequenzen ermöglichen kann, die sich mit der Strombandbreite des Reglers überlappen oder derselben beliebig nahe sein können, ohne dieselbe zu stören. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann vorteilhafterweise eine Einspeisung von Signalen mit niedrigeren Frequenzen ermöglicht werden, die beispielsweise beliebig nahe an einer Bandbreite einer Reglereinheit liegen oder dieselbe sogar überlappen können. Durch Verringerung einer Einspeisungsfrequenz können Verluste und akustische Emissionen verringert werden. Eine solche niederfrequente Einspeisung kann insbesondere Anforderungen gegenüber Strommessvorrichtungen verringern, da höhere Stromantworten erzeugt werden dürfen, ohne ein akustisches Verhalten des Gesamtsystems zu beeinflussen. Vorteilhafterweise können gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beispielsweise eine Kostenreduzierung und eine Erhöhung von Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit elektrischer Antriebe erreicht werden. Insbesondere unter Verwendung eines Hybrid- Reglers kann eine Charakteristik hoher Bandbreite eines Spannungsmodells auch bei niedrigeren Geschwindigkeiten bzw. Drehzahlen verfügbar sein.
Eine Vorrichtung zum Steuern eines Betriebs einer elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine einen Rotor und einen Stator aufweist, weist folgende Merkmale auf:
eine Reglereinheit;
eine Stelleinheit, wobei die Stelleinheit eingangsseitig elektrisch mit der Reglereinheit verbunden ist und ausgangsseitig elektrisch mit der elektrischen Maschine verbindbar ist;
eine Einspeisungsstelle, wobei die Einspeisungsstelle elektrisch zwischen die Reglereinheit und die Stelleinheit geschaltet ist, wobei an der Einspeisungsstelle ein elektrisches Erfassungssignal einspeisbar ist;
eine erste Rückführungseinheit zum Rückführen eines ersten Rückführungssignals an die Reglereinheit, wobei die erste Rückführungseinheit parallel zu der Reglereinheit und der Stelleinheit geschaltet ist, wobei das erste Rückführungssignal eine durch die erste Rückführungseinheit umgeformte und verarbeitete Version eines Ausgangssignals der Stelleinheit repräsentiert; und
eine zweite Rückführungseinheit zum Rückführen zumindest eines zweiten Rückführungssignals an die erste Rückführungseinheit und/oder an die Stelleinheit, wobei die zweite Rückführungseinheit parallel zu der ersten Rückführungseinheit geschaltet ist, wobei das zweite Rückführungssignal eine durch die erste Rückführungseinheit um- geformte und durch die zweite Rückführungseinheit verarbeitete Version des Ausgangssignals der Stelleinheit repräsentiert, wobei das zweite Rückführungssignal einen Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator der elektrischen Maschine repräsentiert.
Die Vorrichtung kann als ein Regelkreis ausgeführt sein. Die elektrische Maschine kann eine beliebige Art von Synchronmaschine, wie beispielsweise Permanentmagnet-Synchronmotor, Synchron-Reluktanzmotor, etc., oder eine Asynchronmaschine sein. Unter Steuern kann auch Regeln verstanden werden. Die Reglereinheit kann als ein Pl-Regler oder ein anderer Regler ausgeführt sein. Das Erfassungssignal kann auf verschiedene Arten einspeisbar sein, wie beispielsweise drehend, wechselnd in Statorkoordinaten, beliebig. Das Erfassungssignal kann additiv in ein zwischen der Reglereinheit und der Stelleinheit übertragenes, eine Stellgröße repräsentierendes Signal eingespeist werden. Das Ausgangssignal der Stelleinheit kann eine Regelgröße repräsentieren.
Gemäß einer Ausführungsform kann die zweite Rückführungseinheit eine Demodula- tionseinrichtung und eine Modellbeobachtungseinrichtung aufweisen. Hierbei kann die Demodulationseinrichtung ausgebildet sein, um die durch die erste Rückführungseinheit umgeformte Version des Ausgangssignals der Stelleinheit zu demodulieren. Dabei kann die Modellbeobachtungseinrichtung ausgebildet sein, um zumindest unter Verwendung eines Ausgangssignals der Demodulationseinrichtung das zweite Rückführungssignal zu erzeugen. Die Modellbeobachtungseinrichtung kann als ein Hybrid-Beobachter, eine Spannungsmodell-Beobachtungseinrichtung oder dergleichen ausgeführt sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass Demodulation und Filterung des eingespeisten Erfassungssignals parameterunabhängig durchgeführt werden können, sodass lediglich eine Kenntnis einer Einspei- sungsfrequenz zur Durchführung ausreichend ist.
Hierbei kann die Demodulationseinrichtung ein auf einer Einspeisefrequenz des Erfassungssignals zentriertes Bandpassfilter zum Filtern der durch die erste Rückführungseinheit umgeformten Version des Ausgangssignals der Stelleinheit, eine mit dem Bandpassfilter signalübertragungsfähig verbundene Signum-Funktionseinheit, eine mit dem Bandpassfilter und der Signum-Funktionseinheit signalübertragungsfä- hig verbundene Multiplikationseinheit und eine mit der Multiplikationseinheit signal- übertragungsfähig verbundene Korrektureinheit zum Anwenden eines von dem Erfassungssignal abhängigen Korrekturfaktors aufweisen. Hierbei kann die Demodulationseinrichtung optional zusätzlich ein mit der Korrektureinheit signalübertragungs- fähig verbundenes Tiefpassfilter aufweisen. Die Demodulationseinrichtung kann ausgebildet sein, um ein Fehlersignal zu ermitteln. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass Verluste und akustische Emissionen sowie Anforderungen gegenüber Strommessvorrichtungen verringert werden können und zudem höhere Stromantworten zulässig sein können.
Dabei kann die Modellbeobachtungseinrichtung eine Modell-Reglereinheit, ein Verzögerungsglied und eine Ausgangseinrichtung aufweisen. Hierbei kann die Ausgangseinrichtung eine Phasenregelschleife oder einen mechanischen Beobachter aufweisen. Insbesondere kann die Modell-Reglereinheit als ein Pl-Regler oder ein ähnlicher Regler ausgeführt sein. Die Modellbeobachtungseinrichtung kann ausgebildet sein, um das Fehlersignal von der Demodulationseinrichtung, ein Spannungssignal sowie ein Stromsignal in statorfesten Koordinaten zu empfangen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass das Rückführungssignal zuverlässig und genau auch für transiente Betriebszustände der elektrischen Maschine bestimmt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann die zweite Rückführungseinheit ausgebildet sein, um ein drittes Rückführungssignal an eine der Reglereinheit vorgeschaltete Referenzsignal-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines Referenzsignals für die Reglereinheit und zusätzlich oder alternativ an eine der Reglereinheit vorgeschaltete Geschwindigkeitssteuereinheit rückzuführen. Hierbei kann das dritte Rückführungssignal eine Winkelgeschwindigkeit des Rotors relativ zu dem Stator der elektrischen Maschine repräsentieren. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine sichere und exakte Bestimmung einer Position des Rotors relativ zu dem Stator der elektrischen Maschine ermöglicht wird. Auch kann die erste Rückführungseinheit einen ersten Signalumformer zum Umformen von einem auf Phasen der elektrischen Maschine bezogenen Koordinatensystem in ein statorfestes Koordinatensystem, einen mit dem ersten Signalumformer signalübertragungsfähig verbundenen zweiten Signalumformer zum Umformen von einem statorfesten Koordinatensystem in ein rotorfestes Koordinatensystem, eine mit dem zweiten Signalumformer signalübertragungsfähig verbundene Signalrekonstruktionseinrichtung zum Rekonstruieren des Ausgangssignals der Stelleinheit, einen mit der Signalrekonstruktionseinrichtung signalübertragungsfähig verbundenen dritten Signalumformer zum Umformen von einem rotorfesten Koordinatensystem in ein statorfestes Koordinatensystem und einen mit dem ersten Signalumformer und mit dem dritten Signalumformer signalübertragungsfähig verbundenen vierten Signalumformer zum Umformen von einem statorfesten Koordinatensystem in ein rotorfestes Koordinatensystem aufweisen. An dem zweiten Signalumformer die zweite Rückführungseinheit anschließbar oder angeschlossen sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass auf kostengünstige und zuverlässige Weise eine Signalantwort rekonstruiert und im Rückführungszweig zur Verfügung werden kann.
Hierbei kann die Signalrekonstruktionseinrichtung als ein Kaiman-Filter ausgeführt sein. Dabei kann die erste Rückführungseinheit ausgebildet sein, um eine mittels der Signalrekonstruktionseinrichtung rekonstruierte Version des Ausgangssignals der Stelleinheit von einer gemessenen Version des Ausgangssignals der Stelleinheit zu subtrahieren. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass Fehler in Messwerten reduziert werden können, Schätzungen für nicht messbare Systemgrößen geliefert werden können und die rekonstruierte Signalantwort auf einfache Weise von einem gemessenen Signal subtrahiert werden kann.
Ferner kann dabei die Signalrekonstruktionseinrichtung ausgebildet sein, um das Ausgangssignal der Stelleinheit unter Verwendung einer Einspeisefrequenz des Erfassungssignals und einer als Nachschlagtabelle gespeicherten Matrix zu rekonstruieren. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Signalrekonstruktion vereinfacht werden kann und Rechenzeit eingespart werden kann. Gemäß einer Ausführungsform kann die Stelleinheit eine Reihenschaltung aufweisen, die einen Signalumformer zum Umformen von einem rotorfesten Koordinatensystem in ein statorfestes Koordinatensystem, eine Pulsweitenmodulationseinrich- tung und zusätzlich oder alternativ eine Wandlereinrichtung zum Bereitstellen des Ausgangssignals der Stelleinheit aufweist. Hierbei kann das zweite Rückführungssignal durch den Signalumformer empfangbar sein. Anders ausgedrückt kann der Signalumformer ausgebildet sein, um das zweite Rückführungssignal zu empfangen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass auf zuverlässige und kostengünstige Weise das Ausgangssignal zum Ansteuern der elektrischen Maschine bereitgestellt werden kann.
Ein Verfahren zum Steuern eines Betriebs einer elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine einen Rotor und einen Stator aufweist, dadurch gekennzeichnet, weist folgende Schritte auf:
Einspeisen eines elektrischen Erfassungssignals an einer Einspeisungsstelle, die elektrisch zwischen eine Reglereinheit und eine Stelleinheit geschaltet ist, wobei die Stelleinheit eingangsseitig elektrisch mit der Reglereinheit verbunden ist und aus- gangsseitig elektrisch mit der elektrischen Maschine verbindbar ist; und
Verarbeiten eines Ausgangssignals der Stelleinheit unter Verwendung einer ersten Rückführungseinheit und einer zweiten Rückführungseinheit, wobei die erste Rückführungseinheit parallel zu der Reglereinheit und der Stelleinheit geschaltet ist, wobei die zweite Rückführungseinheit parallel zu der ersten Rückführungseinheit geschaltet ist, um ein erstes Rückführungssignal von der ersten Rückführungseinheit an die Reglereinheit rückzuführen, wobei das erste Rückführungssignal eine durch die erste Rückführungseinheit umgeformte und verarbeitete Version eines Ausgangssignals der Stelleinheit repräsentiert, und zumindest ein zweites Rückführungssignal von der zweiten Rückführungseinheit an die erste Rückführungseinheit und/oder an die Stelleinheit rückzuführen, wobei das zweite Rückführungssignal eine durch die erste Rückführungseinheit umgeformte und durch die zweite Rückführungseinheit verarbeitete Version des Ausgangssignals der Stelleinheit repräsentiert, wobei das zweite Rückführungssignal einen Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator der elektrischen Maschine repräsentiert. Das Verfahren ist in Verbindung mit einer Ausführungsform der vorstehend genannten Vorrichtung ausführbar. Auch ist das Verfahren unter Verwendung eines Steuergerätes mittels geeigneter Einrichtungen des Steuergerätes ausführbar.
Ein Steuergerät kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine oder mehrere geeignete Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät ausgeführt wird.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Steuern gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und einer elektrischen Maschine; Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Demodulationseinrichtung der Vorrichtung aus Fig. 1 ;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Modellbeobachtungseinrichtung der Vorrichtung aus Fig. 1 ; und
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bevor Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert werden, wird zunächst kurz auf Hintergründe, Grundlagen und Vorteile von Ausführungsbeispielen eingegangen.
Verfahren, Methoden bzw. Ansätze für eine Selbsterfassung bzw. sensorlose Steuerung lassen sich beispielsweise in zwei Kategorien einteilen: modellbasierte Ansätze und Ansätze mit Signaleinspeisung. Gemäß Ausführungsbeispielen können diese Kategorien kombiniert werden.
Modellbasierte Ansätze nutzen Maschinenparameter, um eine Rotorpositionsinformation zu rekonstruieren. Im Allgemeinen sind solche Ansätze insbesondere für einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb vorteilhaft, und gemäß Ausführungsbeispielen kann beispielsweise auch bei niedrigeren bzw. Drehzahlen eine Leistungsfähigkeit beibehalten werden, wobei auch bei einer Geschwindigkeit von null eine Beobachtung möglich ist. Gemäß Ausführungsbeispielen kann insbesondere auch in einem Regenerationsbetrieb bei niedriger Last ein stabiler Betrieb ermöglicht werden. Zudem kann gemäß Ausführungsbeispielen eine Abhängigkeit einer Leistungsfähigkeit dieser Ansätze von einer Güte des Wertes der Maschinenparameter, die sich mit Temperatur, Alter, Fertigungstoleranzen etc. verändert, verringert oder beseitigt werden.
Auf der Einspeisung hochfrequenter Stromsignale oder Spannungssignale beruhende Ansätze sind insbesondere bei niedrigeren Geschwindigkeiten und einer Geschwindigkeit von null vorteilhaft. Gemäß Ausführungsbeispielen können trotz Einspeisung eines Erfassungssignals insbesondere Verluste aufgrund von Hysterese und Wirbelströmen, die sich mit der Frequenz erhöhen, sowie akustisches Rauschen, das bei einigen Anwendungen unannehmbar sein kann, vermieden oder zumindest verringert werden. Zudem kann gemäß Ausführungsbeispielen aufgrund der Nieder- frequenzsignaleinspeisung ein vorteilhafter Kompromiss zwischen der Einspeisefrequenz und einer maximal erreichbaren Bandbreite der Reglereinheit gefunden werden, wobei ein gemessenes elektrisches Signal, beispielsweise mittels Tiefpass-Filter oder Kerbfilter, gefiltert werden kann, bevor dasselbe an die Reglereinheit rückgeführt wird, um eine Störung zwischen Signaleinspeisung und Regelschleife zu ver- meiden. Somit kann eine Stabilität der Reglereinheit verbessert werden, wobei durch ein Feedback-Filter gemäß Ausführungsbeispielen insbesondere Phasen Verzerrungen einer Grundfrequenz vermieden oder zumindest verringert werden können.
Gemäß Ausführungsbeispielen können insbesondere eine Erhöhung von Verlusten, eine Erzeugung von akustischen Rauschen, eine Parameterabhängigkeit, ein Verlust an Beobachtbarkeit bei niedriger Geschwindigkeit bzw. Drehzahl, eine Bandbreitenbegrenzung eines Stromreglers etc. für Hochleistungsanwendungen vermieden oder zumindest verringert werden.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zum Steuern gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und einer elektrischen Maschine M. Die Vorrichtung 100 ist ausgebildet, um einen Betrieb der elektrischen Maschine M zu steuern. Dabei ist die Vorrichtung 100 zum Steuern gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als ein Regelkreis ausgeführt. Die elektrische Maschine M weist einen Rotor und einen Stator auf. Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der elektrischen Maschine M um eine Synchronmaschine, insbesondere eine Permanentmagnet-Synchronmaschine. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die elektrische Maschine M auch als eine Asynchronmaschine ausgeführt sein. Die Vorrichtung 100 und die elektrische Maschine M sind signalübertragungsfä- hig miteinander verbunden.
Die Vorrichtung 100 weist eine Reglereinheit 110, eine Einspeisungsstelle 120, eine Stelleinheit 130, eine erste Rückführungseinheit 140 und eine zweite Rückführungseinheit 160 auf. Die Reglereinheit 110 ist beispielsweise als ein PI -Regler ausgeführt. Die Einspeisungsstelle 120 ist elektrisch zwischen die Reglereinheit 110 und die Stelleinheit 130 geschaltet. Die Stelleinheit 130 ist eingangsseitig über die Einspeisungs- stelle 120 elektrisch mit der Reglereinheit 110 verbunden und ist ausgangsseitig elektrisch mit der elektrischen Maschine M verbindbar. In der Darstellung von Fig. 1 ist die elektrische Maschine M an die Stelleinheit 130 angeschlossen. An der Ein- speisungsstelle 120 ist ein elektrisches Erfassungssignal 125 einspeisbar. Das elektrische Erfassungssignal 125 repräsentiert eine eingespeiste Spannung Vinj an der Stelle Ok. Genauer gesagt ist an der Einspeisungsstelle 120 das elektrische Erfassungssignal 125 zu einem Reglerausgangssignal 115 addierbar. Das Reglerausgangssignal 115 repräsentiert eine Stellgröße der Vorrichtung 100. Die Stelleinheit 130 ist ausgebildet, um ein Ausgangssignal 138 bereitzustellen. Das Ausgangssignal 138 der Stelleinheit 130 repräsentiert eine Regelgröße der Vorrichtung 100.
Die erste Rückführungseinheit 140 ist elektrisch parallel zu der Reglereinheit 110 und der Stelleinheit 130 geschaltet. Die erste Rückführungseinheit 140 ist ausgebildet, um ein erstes Rückführungssignal 148 an die Reglereinheit 110 rückzuführen. Das erste Rückführungssignal 148 repräsentiert eine durch die erste Rückführungseinheit 140 umgeformte und verarbeitete Version eines Ausgangssignals 138 der Stelleinheit 130.
Die zweite Rückführungseinheit 160 ist elektrisch parallel zu der ersten Rückführungseinheit 140 geschaltet. Die zweite Rückführungseinheit 160 ist ausgebildet, um zumindest ein zweites Rückführungssignal 165 an die erste Rückführungseinheit 140 und/oder an die Stelleinheit 130 rückzuführen. Das zweite Rückführungssignal 165 repräsentiert eine durch die erste Rückführungseinheit 140 umgeformte und durch die zweite Rückführungseinheit 160 verarbeitete Version des Ausgangssignals 138 der Stelleinheit 130. Hierbei repräsentiert das zweite Rückführungssignal 165 einen Winkel bzw. geschätzten Winkel Θ zwischen dem Rotor und dem Stator der elektrischen Maschine M.
Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Stelleinheit 130 eine elektrische Reihenschaltung. Dabei sind ein Signalumformer 132 zum Umformen von einem rotorfesten Koordinatensystem (dq) in ein statorfestes Koordinatensystem (aß), eine Pulsweitenmodulationseinrichtung 134 und eine Wandlereinrichtung 136 zum Bereitstellen des Ausgangssignals 138 der Stelleinheit 130 in Reihe geschaltet. Der Signalumformer 132 ist ausgebildet, um das zweite Rückführungssignal 165 von der zweiten Rückführungseinheit 160 zu empfangen.
Ferner weist gemäß dem in Fig. 1 gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die erste Rückführungseinheit 140 einen ersten Signalumformer 142, einen zweiten Signalumformer 152, eine Signalrekonstruktionseinrichtung 154, einen dritten Signalumformer 156, einen vierten Signalumformer 146 und eine Subtraktionsstelle 144 auf.
Dabei ist der erste Signalumformer 142 ausgebildet, um eine Umformung von einem auf Phasen der elektrischen Maschine M bezogenen Koordinatensystem (abc) in ein statorfestes Koordinatensystem (aß) durchzuführen. Hierbei ist der erste Signalumformer 142 ausgebildet, um die Umformung an dem Ausgangssignal 138 der Stelleinheit 130 durchzuführen. Ferner ist der erste Signalumformer 142 ausgebildet, um ein umgeformtes Ausgangssignal 143 bzw. gemessenes Ausgangssignal 143 bereitzustellen oder auszugeben. Der erste Signalumformer 142 ist ausgangsseitig mit dem zweiten Signalumformer 152 und mit der Subtraktionsstelle 144 signalübertra- gungsfähig verbunden.
Der zweite Signalumformer 152 ist ausgebildet, um eine weitere Umformung des umgeformten Ausgangssignals 143 von einem statorfesten Koordinatensystem (aß) in ein rotorfestes Koordinatensystem (dq) durchzuführen. Dabei ist der zweite Signalumformer 152 ausgebildet, um ein Winkelsignal 151 (0k) zu empfangen. Ferner ist der zweite Signalumformer 152 ausgebildet, um ein weiteres umgeformtes Ausgangssignal 153 bereitzustellen oder auszugeben. Der zweite Signalumformer 152 ist ausgangsseitig mit der Signalrekonstruktionseinrichtung 154 und mit der zweiten Rückführungseinheit 160 signalübertragungsfähig verbunden. Die Signalrekonstruktionseinrichtung 154 ist ausgebildet, um unter Verwendung des weiteren umgeformten Ausgangssignals 153 eine rekonstruierte Version des Ausgangssignals 138 der Stelleinheit zu erzeugen. Der dritte Signalumformer 156 ist signalübertragungsfähig mit der Signalrekonstruktionseinrichtung 154 verbunden. Der dritte Signalumformer 156 ist ausgebildet, um die mittels der Signalrekonstruktionseinrichtung 154 rekonstruierte Version des Ausgangssignals 138 der Stelleinheit von einem rotorfesten Koordinatensystem (dq) in ein statorfestes Koordinatensystem (aß) umzuformen. Dabei ist der dritte Signalumformer 156 ausgebildet, um das Winkelsignal 151 (6k) zu empfangen. Ausgangsseitig ist der dritte Signalumformer 156 mit der Subtraktionsstelle 144 signalübertragungsfähig verbunden. An der Subtraktionsstelle 144 erfolgt eine Subtraktion eines Ausgangssignals des dritten Signalumformers 156 von dem umgeformten Ausgangssignal 143 bzw. gemessenen Ausgangssignal 143 von dem ersten Signalumformer 142.
Der vierte Signalumformer 146 ist signalübertragungsfähig mit dem ersten Signalumformer 142 und mit dem dritten Signalumformer 156 verbunden. Anders ausgedrückt ist der vierte Signalumformer 146 mit der Subtraktionsstelle 144 verbunden. Der vierte Signalumformer 146 ist ausgebildet, um ein Ausgangssignal der Subtraktionsstelle 144 von einem statorfesten Koordinatensystem (aß) in ein rotorfestes Koordinatensystem (dq) umzuformen, um das erste Rückführungssignal 148 zu erzeugen. Der vierte Signalumformer 146 ist ausgangsseitig mit der Reglereinheit 110 signalübertragungsfähig verbunden. Genauer gesagt ist der vierte Signalumformer 146 ausgangsseitig mit einer weiteren Subtraktionsstelle 105 signalübertragungsfähig verbunden. An der weiteren Subtraktionsstelle 105 erfolgt eine Subtraktion des ersten Rückführungssignals 148 von einem Führungssignal 175 bzw. Referenzsignal 175. Das Führungssignal 175 repräsentiert eine Führungsgröße der Vorrichtung 100.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Signalrekonstruktionseinrichtung 154 als ein Kaiman-Filter ausgeführt. Hierbei ist die erste Rückführungseinheit 140 ausgebildet ist, um die mittels der Signalrekonstruktionseinrichtung 154 rekonstruierte Version des Ausgangssignals 138 der Stelleinheit 130 von dem umgeformten Ausgangssignal 143 bzw. gemessenen Ausgangssignal 143, d. h. von einer gemessenen Version des Ausgangssignals 138 der Stelleinheit 130, zu subtrahieren. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Signalrekonstruktionseinrichtung 154 ausgebildet, um das Ausgangssignal 138 der Stelleinheit 130 unter Verwendung einer Einspeisefre- quenz des Erfassungssignals 125 und einer als Nachschlagtabelle gespeicherten Matrix zu rekonstruieren. Hierauf wird nachfolgend noch detaillierter eingegangen.
Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die zweite Rückführungseinheit 160 eine Demodulationseinrichtung 162 und eine Modellbeobachtungseinrichtung 164 auf. Die Demodulationseinrichtung 162 ist ausgebildet, um das weitere umgeformte Ausgangssignal 153 von dem zweiten Signalumformer 152 der ersten Rückführungseinheit 140, d. h. die durch die erste Rückführungseinheit 140 umgeformte Version des Ausgangssignals 138 der Stelleinheit 130, zu demodulieren. Die Modellbeobachtungseinrichtung 164 ist ausgebildet, um zumindest unter Verwendung eines Demodulationssignals 163 bzw. Ausgangssignals 163 der Demodulationseinrichtung 162 das zweite Rückführungssignal 165 zu erzeugen. Das Demodulationssignal 163 repräsentiert einen Fehler ε bzw. ein Fehlersignal. Genauer gesagt ist die Modellbeobachtungseinrichtung 164 ausgebildet, um das zweite Rückführungssignal 165 ferner unter Verwendung eines elektrischen Spannungssignals Vαß und eines elektrischen Stromsignals lαß zu erzeugen. Das elektrische Spannungssignal Vαß und das elektrische Stromsignal lαß liegen hierbei in dem statorfesten Koordinatensystem (aß) vor.
Optional weist die Vorrichtung 100 eine der Reglereinheit 110 vorgeschaltete Referenzsignal-Erzeugungseinheit 170 zum Erzeugen des Referenzsignals 175 für die Reglereinheit 110 und/oder eine der Reglereinheit 110 vorgeschaltete Geschwindigkeitssteuereinheit 180 auf. Bei dem Referenzsignal 175 handelt es sich insbesondere um ein Stromsignal. Hierbei ist die zweite Rückführungseinheit 160 ausgebildet, um ein drittes Rückführungssignal 166 an die Referenzsignal-Erzeugungseinheit 170 und/oder an die Geschwindigkeitssteuereinheit 180 rückzuführen. Das dritte Rückführungssignal 166 repräsentiert eine Winkelgeschwindigkeit bzw. geschätzte Winkelgeschwindigkeit ώ des Rotors relativ zu dem Stator der elektrischen Maschine M. Die Referenzsignal-Erzeugungseinheit 170 und die Geschwindigkeitssteuereinheit 180 sind elektrisch in Reihe geschaltet. Dabei ist die Referenzsignal- Erzeugungseinheit 170 über die weitere Subtraktionsstelle 105 mit der Reglereinheit 110 signalübertragungsfähig verbunden. Die Referenzsignal- Erzeugungseinheit 170 ist elektrisch zwischen die Geschwindigkeitssteuereinheit 180 und die weitere Subtraktionsstelle 105 geschaltet. Die Geschwindigkeitssteuereinheit 180 ist elektrisch zwischen eine zusätzliche Subtraktionsstelle 190 und die Referenzsignal-Erzeugungseinheit 170 geschaltet. Die Geschwindigkeitssteuereinheit 180 ist ausgebildet, um ein Vorgabesignal 185 (Tref) für die Referenzsignal- Erzeugungseinheit 170 zu erzeugen. An der zusätzlichen Subtraktionsstelle 190 erfolgt eine Subtraktion des dritten Rückführungssignals 166 von einem weiteren Referenzsignal 195. Das weitere Referenzsignal 195 repräsentiert eine Führungsgröße in Gestalt einer Referenz-Winkelgeschwindigkeit (uref. Somit ist das dritte Rückführungssignal 166 an der Referenzsignal-Erzeugungseinheit 170 sowie optional auch an der zusätzlichen Subtraktionsstelle 190 empfangbar.
Anders ausgedrückt zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung 100 mit einer Selbsterfassungsstrategie mit generischem feldorientiertem Regler. In der Vorrichtung 100 wird beispielsweise ein Algorithmus für die Schätzung der Rotorposition einer Synchronmaschine bzw. Permanentmagnet-Synchronmaschine als elektrischer Maschine M insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten bzw. Drehzahlen umgesetzt bzw. ausgeführt. Dabei sei angenommen, dass das Antriebssystem bzw. die Vorrichtung 100 eine Synchronmaschine mit feldorientierter Regelung betreibt. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer solchen Art von Vorrichtung 100 mit einer optionalen Geschwindigkeitsregelschleife.
Die Signaleinspeisung des Erfassungssignals 125 wird beispielsweise in einem geschätzten Referenzrahmen (Frame) mit einem gewählten Winkel θk zwischen dem Signal und der geschätzten d-Achse durchgeführt. Die Form der Einspeisung kann eine Rechteckwelle oder Sinuswelle sein. Eine Stromantwort wird unter Verwendung eines Kaiman-Filters mittels der Signalrekonstruktionseinrichtung 154 rekonstruiert und von dem gemessenen Ausgangssignal 143 bzw. gemessenen Strom subtrahiert, der dann an die Reglereinheit 110 rückgeführt wird. Das Kaiman-Filter ist wie folgt hergeleitet:
Die Stromantwort ist eine Summe des Grundstroms bzw. Fundamentalstroms und der Hochfrequenzantwort der elektrischen Maschine M auf die Spannungseinspeisung bzw. Einspeisung des Erfassungssignals 125.
Dabei ist die Einspeisungsfrequenz finj bekannt und ist der Winkel 0d eine Phasenverzögerung und sind aa sowie a2 real.
Es gelten Modell- und Messgleichun
gen können unter der Annahme eines stationären Betriebs wie folgt geschrieben werden:
Dabei ist Yn ein n-ter Messwert und ist vn ein Messrauschen.
Es sei erwähnt, dass aufgrund einer Implementierung dieser Gleichungen in zeitdiskreten Reglern die Matrix H als eine Nachschlagtabelle gespeichert wird und ihr Ist- Wert bei jeder Iteration auf Grundlage dieser Nachschlagtabelle aktualisiert wird. So kann Rechenzeit eingespart werden.
Der Vektor X wird dann auf Grundlage der folgenden Gleichung aktualisiert:
Mit
Diese Formulierung ist zur Identifizierung anderer Frequenzen in dem Signal, beispielsweise der 3. Harmonischen bei Rechteckwelleneinspeisung, erweiterbar. Es brauchen lediglich die Vektoren X und H angepasst werden. Die Filterung wird dann ausgeführt, indem das geschätzte Signal von dem gemessenen Signal subtrahiert wird. Der Vorteil dieser Filterung besteht darin, dass Phasenverzerrungen oder Bandbreitenbegrenzungen der Feedback-Regelschleife vermieden werden.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Demodulationseinrichtung 162 der Vorrichtung aus Fig. 1. Die Demodulationseinrichtung 162 ist ausgebildet, um unter Verwendung des weiteren umgeformten Ausgangssignals 153 von dem zweiten Signalumformer der ersten Rückführungseinheit der Vorrichtung das Demodulationssig- nal 163 zur Ausgabe an die Modellbeobachtungseinrichtung zu erzeugen.
Dazu weist die Demodulationseinrichtung 162 ein Bandpassfilter 201 , eine Signum- Funktionseinheit 204 (sgn), eine Multiplikationseinheit 206, eine Korrektureinheit 208 und optional ein Tiefpassfilter 209 auf. Das Bandpassfilter 201 ist auf einer Einspeisefrequenz firij des Erfassungssignals zentriert. Das Bandpassfilter 201 ist ausgebildet, um das weitere umgeformten Ausgangssignal 153 bzw. die durch die erste Rückführungseinheit geformte Version des Ausgangssignals der Stelleinheit zu filtern. Das Bandpassfilter 201 ist ausgebildet, um ein erstes Filtersignal 202 (iCd) und ein zweites Filtersignal 203 (icq) bereitzustellen bzw. auszugeben.
Die Signum-Funktionseinheit 204 ist signalübertragungsfähig mit dem Bandpassfilter 201 verbunden. Die Signum-Funktionseinheit 204 ist ausgebildet, um das erste Filtersignal 202 von dem Bandpassfilter 201 zu empfangen. Die Multiplikationseinheit 206 ist mit dem Bandpassfilter 201 und mit der Signum-Funktionseinheit 204 signalübertragungsfähig verbunden. Die Multiplikationseinheit 206 ist ausgebildet, um das zweite Filtersignal 203 von dem Bandpassfilter 201 und eine mittels der Signum-Funktionseinheit 204 verarbeitete Version des ersten Filtersignals 202 miteinander zu multiplizieren, um ein Multiplikationssignal 207 zu erzeugen. Die Korrektureinheit 208 ist mit der Multiplikationseinheit 206 signalübertragungsfähig verbunden. Dabei ist die Korrektureinheit 208 ausgebildet, um das Multiplikationssignal 207 von der Multiplikationseinheit 206 zu empfangen. Die Korrektureinheit 208 ist ausgebildet, um einen von dem eingespeisten Erfassungssignal abhängigen Korrekturfaktor k anzuwenden, genauer gesagt auf das Multiplikationssignal 207 anzuwenden. Das optionale Tiefpassfilter 209 ist signalübertragungsfähig mit der Korrektureinheit 208 verbunden. Hierbei ist die Korrektureinheit 208 elektrisch zwischen die Multiplikationseinheit 206 und das Tiefpassfilter 209 geschaltet. Das Tiefpassfilter 209 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um das Demodulations- signal 163 bereitzustellen oder auszugeben.
Anders ausgedrückt wird die Demodulation in dem geschätzten Rahmen (Frame) durchgeführt, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Das Bandpassfilter 201 ist an der Einspei- sungsfrequenz zentriert und die Signum-Funktionseinheit 204 ist ausgebildet, um eine Funktion auszuführen, welche das Vorzeichen des Eingangssignals bzw. weiteren umgeformten Ausgangssignals 153 ausgibt. Der parameterabhängige Faktor bzw. Korrekturfaktor k kann angepasst werden, um eine Bandbreite eines kaskadier- ten Reglers konstant zu halten, selbst wenn Sättigungseffekte und Änderungen der Spannungseinspeisung vorliegen sollten.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Demodulationseinrichtung 162 einen anderen geeigneten Aufbau aufweisen.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Modellbeobachtungseinrichtung 164 der Vorrichtung aus Fig. 1. Die Modellbeobachtungseinrichtung 164 ist ausgebildet, um unter Verwendung des Demodulationssignals 163 von der Demodulationseinrichtung aus Fig. 2, des elektrischen Stromsignals laß und des elektrischen Spannungssignals Vaß das zweite Rückführungssignal 165 und gegebenenfalls bzw. optional das dritte Rückführungssignal 166 zu erzeugen.
Dazu weist die Modellbeobachtungseinrichtung 164 eine Modell-Reglereinheit 301 , eine erste Verknüpfungsstelle 302, eine R-Einheit 303, eine Lq-Einheit 304, ein Verzögerungsglied 306 (1/s), eine zweite Verknüpfungsstelle 307 und eine eine Aus- gangseinrichtung 308 auf. Die Modell-Reglereinheit 301 ist ausgebildet, um das De- modulationssignal 163 zu empfangen oder einzulesen. Ausgangsseitig ist die Modell- Reglereinheit 301 signalübertragungsfähig mit der ersten Verknüpfungsstelle 302 verbunden.
Die R-Einheit 303 und die Lq-Einheit 304 sind ausgebildet, um das elektrische Stromsignal lαß zu empfangen oder einzulesen. Ausgangsseitig ist die R-Einheit 303 mit der ersten Verknüpfungsstelle 302 verbunden. Die Lq-Einheit 304 ist ausgangsseitig mit der zweiten Verknüpfungsstelle 307 verbunden. An der ersten Verknüpfungsstelle wird zu einem Ausgangssignal der Modell-Reglereinheit 301 das elektrische Spannungssignal Vαß addiert und von dem Ausgangssignal der Modell- Reglereinheit 301 ein Ausgangssignal der R-Einheit 303 subtrahiert. Die erste Verknüpfungsstelle 302 ist signalübertragungsfähig mit dem Verzögerungsglied 306 verbunden. Das Verzögerungsglied 306 ist elektrisch zwischen die erste Verknüpfungsstelle 302 und die zweite Verknüpfungsstelle 307 geschaltet.
An der zweiten Verknüpfungsstelle 307 erfolgt eine Subtraktion eines Ausgangssignals der Lq-Einheit 304 von einem Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes 306. Die Ausgangseinrichtung 308 ist signalübertragungsfähig mit der zweiten Verknüpfungsstelle 307 verbunden. Die Ausgangseinrichtung 308 weist eine Phasenregel- schleife oder einen mechanischen Beobachter auf. Die Ausgangseinrichtung 308 ist ausgebildet, um das zweite Rückführungssignal 165 und gegebenenfalls bzw. optional das dritte Rückführungssignal 166 bereitzustellen oder auszugeben.
Anders ausgedrückt ist die Modellbeobachtungseinrichtung 164 als eine Hybrid- Beobachtungseinrichtung zum Mischen (Blending) von Schätzwerten ausgeführt. Das mittels der Demodulationseinrichtung bestimmte Fehlersignal bzw. Demodulati- onssignal 163 wird der Modellbeobachtungseinrichtung 164 bzw. Spannungsmodell- Beobachtungseinrichtung zugeführt. Ein durch den Signaleinspeisungsansatz ermittelter Winkel ist in einem stationären Betriebszustand dominant und ein durch das Spannungsmodell ermittelter Winkel ist bei Übergängen (Transienten) dominant. Ein Fluss, welcher als Ausgabe des Spannungsmodells bzw. der Modellbeobachtungseinrichtung 164 ermittelt wird, wird einer Phasenregelschleife (PLL, phase-locked loop) oder einem mechanischen Beobachter der Ausgangseinrichtung 308 zugeführt, um die durch das zweite Rückführungssignal 165 und das dritte Rückführungssignal 166 repräsentierte Winkelinformation und Geschwindigkeitsinformation bzw. Drehzahlinformation zu ermitteln und zu glätten.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Modellbeobachtungseinrichtung 164 einen anderen geeigneten Aufbau aufweisen.
Fig. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Steuern gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 400 zum Steuern ist ausführbar, um einen Betrieb einer elektrischen Maschine zu steuern. Dabei ist das Verfahren 400 zum Steuern in Verbindung mit der Vorrichtung aus Fig. 1 oder einer ähnlichen Vorrichtung ausführbar. Die elektrische Maschine weist einen Rotor und einen Stator auf.
In einem Schritt 410 des Einspeisens wird bei dem Verfahren 400 zum Steuern an einer Einspeisungsstelle, die elektrisch zwischen eine Reglereinheit und eine Stelleinheit geschaltet ist, ein elektrisches Erfassungssignal eingespeist. Die Stelleinheit ist eingangsseitig elektrisch mit der Reglereinheit verbunden und ist ausgangsseitig elektrisch mit der elektrischen Maschine verbindbar.
In einem nachfolgenden Schritt 420 des Verarbeitens wird bei dem Verfahren 400 zum Steuern unter Verwendung einer ersten Rückführungseinheit und einer zweiten Rückführungseinheit ein Ausgangssignal der Stelleinheit verarbeitet. Hierbei ist die erste Rückführungseinheit elektrisch parallel zu der Reglereinheit und der Stelleinheit geschaltet und ist die zweite Rückführungseinheit elektrisch parallel zu der ersten Rückführungseinheit geschaltet. Der Schritt 420 des Verarbeitens ist ausführbar, um ein erstes Rückführungssignal von der ersten Rückführungseinheit an die Reglereinheit rückzuführen. Das erste Rückführungssignal repräsentiert eine durch die erste Rückführungseinheit umgeformte und verarbeitete Version eines Ausgangssignals der Stelleinheit. Ferner ist der Schritt 420 des Verarbeitens ausführbar, um zumindest ein zweites Rückführungssignal von der zweiten Rückführungseinheit an die erste Rückführungseinheit und/oder an die Stelleinheit rückzuführen. Das zweite Rückführungssignal repräsentiert eine durch die erste Rückführungseinheit umge- formte und durch die zweite Rückführungseinheit verarbeitete Version des Ausgangssignals der Stelleinheit. Zudem repräsentiert das zweite Rückführungssignal einen Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator der elektrischen Maschine.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können andere geeignete Methoden verwendet werden, um einen Sinusoid bekannter Frequenz zu verfolgen.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder" Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
Bezuqszeichen
100 Vorrichtung
105 weitere Subtraktionsstelle
110 Reglereinheit
115 Reglerausgangssignal
120 Einspeisungsstelle
125 elektrisches Erfassungssignal
130 Stelleinheit
132 Signalumformer
134 Pulsweitenmodulationseinrichtung
136 Wandlereinrichtung
138 Ausgangssignal
140 erste Rückführungseinheit
142 erster Signalumformer
143 umgeformtes Ausgangssignal bzw. gemessenes Ausgangssignal
144 Subtraktionsstelle
146 vierter Signalumformer
148 erstes Rückführungssignal
151 Winkelsignal
152 zweiter Signalumformer
153 weiteres umgeformtes Ausgangssignal
154 Signalrekonstruktionseinrichtung
156 dritter Signalumformer
160 zweite Rückführungseinheit
162 Demodulationseinrichtung
163 Demodulationssignal
164 Modellbeobachtungseinrichtung
165 zweites Rückführungssignal
166 drittes Rückführungssignal
170 Referenzsignal-Erzeugungseinheit
175 Führungssignal bzw. Referenzsignal
180 Geschwindigkeitssteuereinheit 185 Vorgabesignal
190 zusätzliche Subtraktionsstelle
195 weiteres Referenzsignal
abc auf Phasen der elektrischen Maschine M bezogenen Koordinatensystem αß statorfesten Koordinatensystem
dq rotorfestes Koordinatensystem
lαß elektrisches Stromsignal
M elektrische Maschine
Vαß elektrisches Spannungssignal
201 Bandpassfilter
202 erstes Filtersignal
203 zweites Filtersignal
204 Signum-Funktionseinheit
206 Multiplikationseinheit
207 Multiplikationssignal
208 Korrektureinheit
209 Tiefpassfilter
301 Modell-Reglereinheit
302 erste Verknüpfungsstelle
303 R-Einheit
304 Lq-Einheit
306 Verzögerungsglied
307 zweite Verknüpfungsstelle
308 Ausgangseinrichtung
400 Verfahren zum Steuern
410 Schritt des Einspeisens
420 Schritt des Verarbeitens

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (100) zum Steuern eines Betriebs einer elektrischen Maschine (M), wobei die elektrische Maschine (M) einen Rotor und einen Stator aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) folgende Merkmale aufweist:
eine Reglereinheit (110);
eine Stelleinheit (130), wobei die Stelleinheit (130) eingangsseitig elektrisch mit der Reglereinheit (110) verbunden ist und ausgangsseitig elektrisch mit der elektrischen Maschine (M) verbindbar ist;
eine Einspeisungsstelle (120), wobei die Einspeisungsstelle (120) elektrisch zwischen die Reglereinheit (110) und die Stelleinheit (130) geschaltet ist, wobei an der Einspeisungsstelle (120) ein elektrisches Erfassungssignal (125) einspeisbar ist; eine erste Rückführungseinheit (140) zum Rückführen eines ersten Rückführungssignals (148) an die Reglereinheit (110), wobei die erste Rückführungseinheit (140) parallel zu der Reglereinheit (110) und der Stelleinheit (130) geschaltet ist, wobei das erste Rückführungssignal (148) eine durch die erste Rückführungseinheit (140) umgeformte und verarbeitete Version eines Ausgangssignals (138) der Stelleinheit (130) repräsentiert; und
eine zweite Rückführungseinheit (160) zum Rückführen zumindest eines zweiten Rückführungssignals (165) an die erste Rückführungseinheit (140) und/oder an die Stelleinheit (130), wobei die zweite Rückführungseinheit (160) parallel zu der ersten Rückführungseinheit (140) geschaltet ist, wobei das zweite Rückführungssignal (165) eine durch die erste Rückführungseinheit (140) umgeformte und durch die zweite Rückführungseinheit (160) verarbeitete Version des Ausgangssignals (138) der Stelleinheit (130) repräsentiert, wobei das zweite Rückführungssignal (165) einen Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator der elektrischen Maschine (M) repräsentiert.
2. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Rückführungseinheit (160) eine Demodulationseinrichtung (162) und eine Modellbeobachtungseinrichtung (164) aufweist, wobei die Demodulationseinrichtung (162) ausgebildet ist, um die durch die erste Rückführungseinheit (140) umgeformte Version (153) des Ausgangssignals (138) der Stelleinheit (130) zu demodulieren, wobei die Modellbeobachtungseinrichtung (164) ausgebildet ist, um zumindest unter Ver- wendung eines Ausgangssignals (163) der Demodulationseinrichtung (162) das zweite Rückführungssignal (165) zu erzeugen.
3. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Demodulationseinrichtung (162) ein auf einer Einspeisefrequenz des Erfassungssignals (125) zentriertes Bandpassfilter (201) zum Filtern der durch die erste Rückführungseinheit (140) umgeformten Version (153) des Ausgangssignals (138) der Stelleinheit (130), eine mit dem Bandpassfilter (201) signalübertragungsfähig verbundene Signum- Funktionseinheit (204), eine mit dem Bandpassfilter (201) und der Signum- Funktionseinheit (204) signalübertragungsfähig verbundene Multiplikationseinheit (206) und eine mit der Multiplikationseinheit (206) signalübertragungsfähig verbundene Korrektureinheit (208) zum Anwenden eines von dem Erfassungssignal (125) abhängigen Korrekturfaktors aufweist, wobei die Demodulationseinrichtung (162) optional zusätzlich ein mit der Korrektureinheit (208) signalübertragungsfähig verbundenes Tiefpassfilter (209) aufweist.
4. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Modellbeobachtungseinrichtung (164) eine Modell-Reglereinheit (301 ), ein Verzögerungsglied (306) und eine Ausgangseinrichtung (308) aufweist, wobei die Ausgangseinrichtung (308) eine Phasenregelschleife oder einen mechanischen Beobachter aufweist.
5. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Rückführungseinheit (160) ausgebildet ist, um ein drittes Rückführungssignal (166) an eine der Reglereinheit (110) vorgeschaltete Referenzsignal-Erzeugungseinheit (170) zum Erzeugen eines Referenzsignals (175) für die Reglereinheit (110) und/oder an eine der Reglereinheit (110) vorgeschaltete Geschwindigkeitssteuereinheit (180) rückzuführen, wobei das dritte Rückführungssignal (166) eine Winkelgeschwindigkeit des Rotors relativ zu dem Stator der elektrischen Maschine (M) repräsentiert.
6. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Rückführungseinheit (140) einen ersten Signalumformer (142) zum Umformen von einem auf Phasen (abc) der elektrischen Maschine (M) bezogenen Koordinatensystem in ein statorfestes Koordinatensystem (aß), einen mit dem ersten Signalumformer (142) signalübertragungsfähig verbundenen zweiten Signalumformer (152) zum Umformen von einem statorfesten Koordinatensystem (aß) in ein rotorfestes Koordinatensystem (dq), eine mit dem zweiten Signalumformer (152) signalübertragungsfähig verbundene Signalrekonstruktionseinrichtung (154) zum Rekonstruieren des Ausgangssignals (138) der Stelleinheit (130), einen mit der Signalrekonstruktionseinrichtung (154) signalübertragungsfähig verbundenen dritten Signalumformer (156) zum Umformen von einem rotorfesten Koordinatensystem (dq) in ein statorfestes Koordinatensystem (aß) und einen mit dem ersten Signalumformer (142) und mit dem dritten Signalumformer (156) signalübertragungsfähig verbundenen vierten Signalumformer (146) zum Umformen von einem statorfesten Koordinatensystem (αß) in ein rotorfestes Koordinatensystem (dq) aufweist.
7. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalrekonstruktionseinrichtung (154) als ein Kaiman-Filter ausgeführt ist, wobei die erste Rückführungseinheit (140) ausgebildet ist, um eine mittels der Signalrekonstruktionseinrichtung (154) rekonstruierte Version des Ausgangssignals (138) der Stelleinheit (130) von einer gemessenen Version (143) des Ausgangssignals (138) der Stelleinheit (130) zu subtrahieren.
8. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalrekonstruktionseinrichtung (154) ausgebildet ist, um das Ausgangssignal (138) der Stelleinheit (130) unter Verwendung einer Einspeisefrequenz des Erfassungssignals (125) und einer als Nachschlagtabelle gespeicherten Matrix zu rekonstruieren.
9. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinheit (130) eine Reihenschaltung aufweist, die einen Signalumformer (132) zum Umformen von einem rotorfesten Koordinatensystem (dq) in ein statorfestes Koordinatensystem (aß), eine Pulsweitenmodulationseinrichtung (134) und/oder eine Wandlereinrichtung (136) zum Bereitstellen des Ausgangssig- nals (138) der Stelleinheit (130) aufweist, wobei das zweite Rückführungssignal (165) durch den Signalumformer (132) empfangbar ist.
10. Verfahren (400) zum Steuern eines Betriebs einer elektrischen Maschine (M), wobei die elektrische Maschine (M) einen Rotor und einen Stator aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (400) folgende Schritte aufweist:
Einspeisen (410) eines elektrischen Erfassungssignals (125) an einer Einspeisungs- stelle (120), die elektrisch zwischen eine Reglereinheit (110) und eine Stelleinheit (130) geschaltet ist, wobei die Stelleinheit (130) eingangsseitig elektrisch mit der Reglereinheit (110) verbunden ist und ausgangsseitig elektrisch mit der elektrischen Maschine (M) verbindbar ist; und
Verarbeiten (420) eines Ausgangssignals (138) der Stelleinheit (130) unter Verwendung einer ersten Rückführungseinheit (140) und einer zweiten Rückführungseinheit (160), wobei die erste Rückführungseinheit (140) parallel zu der Reglereinheit (110) und der Stelleinheit (130) geschaltet ist, wobei die zweite Rückführungseinheit (160) parallel zu der ersten Rückführungseinheit (140) geschaltet ist, um ein erstes Rückführungssignal (148) von der ersten Rückführungseinheit (140) an die Reglereinheit (110) rückzuführen, wobei das erste Rückführungssignal (148) eine durch die erste Rückführungseinheit (140) umgeformte und verarbeitete Version eines Ausgangssignals (138) der Stelleinheit (130) repräsentiert, und zumindest ein zweites Rückführungssignal (166) von der zweiten Rückführungseinheit (160) an die erste Rückführungseinheit (140) und/oder an die Stelleinheit (130) rückzuführen, wobei das zweite Rückführungssignal (166) eine durch die erste Rückführungseinheit (140) umgeformte und durch die zweite Rückführungseinheit (160) verarbeitete Version des Ausgangssignals (138) der Stelleinheit (130) repräsentiert, wobei das zweite Rückführungssignal (166) einen Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator der elektrischen Maschine (M) repräsentiert.
11. Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, das Verfahren gemäß Anspruch 10 auszuführen und/oder anzusteuern.
12. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 11 gespeichert ist.
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Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5430362A (en) * 1993-05-12 1995-07-04 Sundstrand Corporation Engine starting system utilizing multiple controlled acceleration rates
KR100645807B1 (ko) * 2004-12-06 2007-02-28 엘지전자 주식회사 모터 기동 제어장치 및 그 방법
US8339081B2 (en) * 2009-09-11 2012-12-25 GM Global Technology Operations LLC Method and apparatus for low speed permanent magnet motor operation
US9263979B2 (en) * 2011-07-27 2016-02-16 Carrier Corporation Method for smooth motor startup
CN103117703B (zh) * 2013-02-05 2015-10-28 南京工程学院 一种永磁同步电机无传感器控制方法及其控制装置
US9093940B2 (en) * 2013-02-14 2015-07-28 Deere & Company Methods of determining initial position of a rotor and systems thereof
CN104320036A (zh) * 2014-11-07 2015-01-28 沈阳工业大学 基于pmsm低速无位置传感器矢量控制系统及方法
US9369073B1 (en) * 2015-03-20 2016-06-14 Linestream Technologies Load-adaptive smooth startup method for sensorless field-oriented control of permanent magnet synchronous motors
CN105245150A (zh) * 2015-10-14 2016-01-13 江苏微特利电机制造有限公司 一种无刷直流电机控制方法
CN105356806A (zh) * 2015-10-30 2016-02-24 哈尔滨工业大学 一种采用方波注入的永磁同步电机无位置传感器控制方法
CN105450125A (zh) * 2015-11-20 2016-03-30 南京航空航天大学 一种旋转高频电压信号注入法永磁同步电机转子位置估算误差的补偿方法
CN106026817A (zh) * 2016-08-04 2016-10-12 上海应用技术学院 一种基于采用卡尔曼滤波器的滑模观测器的无速度传感器控制系统
CN106849803B (zh) * 2017-04-07 2019-02-01 西安理工大学 基于均匀分布边缘粒子滤波永磁同步电动机转速估计方法
CN107104620A (zh) * 2017-04-24 2017-08-29 湖北汽车工业学院 一种永磁同步电机无传感器控制系统

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