EP4097841A1 - Verfahren und vorrichtung zur regelung einer elektrischen maschine - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur regelung einer elektrischen maschine

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Publication number
EP4097841A1
EP4097841A1 EP21702614.5A EP21702614A EP4097841A1 EP 4097841 A1 EP4097841 A1 EP 4097841A1 EP 21702614 A EP21702614 A EP 21702614A EP 4097841 A1 EP4097841 A1 EP 4097841A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sine
cosine
variables
function
idsin
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.)
Pending
Application number
EP21702614.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen Fassnacht
Sven Reimann
David Gaenzle
Maximilian MANDERLA
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4097841A1 publication Critical patent/EP4097841A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/50—Reduction of harmonics

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for regulating an electrical machine.
  • the invention also relates to an electric drive system with a corresponding device and a heat pump with an electric drive system as well as a computer program and a computer-readable storage medium.
  • the document DE 10 2009 000 930 A1 discloses a method and an arrangement for reducing the torque ripple in a permanent magnet motor system.
  • the motor system includes a permanent magnet motor coupled to an inverter.
  • the method described in this document comprises a step for modifying operating control signals in order to generate operating control signals which reduce ripple. These modified operation control signals are supplied to an inverter for controlling the permanent magnet motor.
  • Rotary field machines such as squirrel cage asynchronous machines or permanent magnet synchronous machines, do not have ideal sinusoidal flux distributions in the air gap due to their design. In operation, this leads to non-uniform torques with harmonics when regulating with sinusoidal currents.
  • the irregularities mentioned also result in radial force excitations between the stator and rotor, which are expressed directly in the form of housing vibrations and consequently sound emissions (Noise Vibration Harshness - NVH).
  • the problem is exacerbated by external oscillating load torques such as a compressor such as that installed in heat pumps.
  • the structural properties of the electric drive system consequently occasionally cause undesirable perceptible vibrations in the drive train, in the electrical network and / or acoustically perceptible noise emissions.
  • the first possibility is the targeted activation of an exogenous disturbance variable compensation, which is the case with operation-dependent (e.g. temperature-dependent) parameters or manufacturing-related tolerances lead to inadequate performance in real operation.
  • operation-dependent e.g. temperature-dependent
  • manufacturing-related tolerances lead to inadequate performance in real operation.
  • a method for regulating an electrical machine with a harmonic regulator which comprises an input stage, a regulator and an output stage.
  • the procedure consists of the following steps:
  • Control of the electrical machine as a function of the determined manipulated variables Control of the electrical machine as a function of the determined manipulated variables.
  • Field-oriented controls are widely used to control electrical machines, preferably synchronous machines excited by permanent magnets.
  • the alternating quantities of the phase currents to be regulated in the time domain preferably sinusoidal, also called the fundamental waves, are each transferred by means of a mathematical transformation into a coordinate system rotating with the frequency of the alternating quantities.
  • the frequency of the alternating variables also determines the frequency of the magnetic field in the machine, so that this coordinate system rotating with the frequency of the alternating variables is also called a field-oriented system.
  • the field-oriented system is also called the d / q coordinate system.
  • d-axis points in the direction of the rotor flux.
  • the q-axis is perpendicular to the d-axis.
  • a sinusoidal phase current is represented as a stator current vector or stator current vector, which is characterized by its length and direction. This current pointer rotates synchronously with the rotating stator or rotor flux of the electrical machine.
  • the current vector can be represented according to its length and its direction by means of two components Id and Iq which are perpendicular to one another and which are equal in the stationary case.
  • At least two measured variables of the electrical machine are recorded in the field-oriented system, preferably the two components of the stator current indicator in the field-oriented system.
  • these measured variables include harmonics or at least one harmonic that superimposes the phase current through the electrical machine.
  • the fundamental electrical wave is constant, whereas the harmonic is an alternating variable.
  • the input stage is used to determine a frequency component of a predetermined frequency, which preferably corresponds to the frequency of a harmonic of a predetermined order.
  • a harmonic of a predetermined order of the electrical fundamental wave or electrical fundamental frequency which is contained in the field-oriented system in the two components of the stator current vector, is mapped by means of the input stage into a harmonic-oriented system, each with a cosine measurement component and a sine measurement component.
  • the respective cosine measurement components and sine measurement components are in turn equal.
  • Variables that are represented as alternating variables in the field-oriented system are used in stationary operation of the electrical machine in harmonic-oriented system shown as equal sizes.
  • the predetermined frequency is preferably an nth order of the fundamental frequency of the phase current or of the fundamental electrical wave, which makes a significant contribution to the mechanical vibrations of the electrical machine or of the drive system.
  • These are preferably the 6th, 4th, 3rd, 2nd and / or first order.
  • Several, in particular more than one or more than two harmonic orders are preferably taken into account at the same time.
  • the cosine control variables and sine control variables are determined from the cosine measurement components and sine measurement components.
  • a vector is preferably multiplied by a control matrix as a function of or from the cosine measurement components and sine measurement components.
  • the components of the control matrix preferably form a model of the connectable electrical machine or the electrical drive system for determining the cosine manipulated variables and sine manipulated variables. From these equal manipulated variables in the harmonic-oriented system, the cosine manipulated variables and sine manipulated variables, two manipulated variables are determined by means of the output stage for further use in the field-oriented control of the electrical machine, preferably as a phase voltage indicator or a phase voltage vector.
  • the manipulated variable includes an alternating variable, a harmonic.
  • the method includes a step for controlling the electrical machine as a function of the two manipulated variables.
  • the control of the electrical machine preferably includes the energization of the phases of the electrical machine or the application of a phase voltage to the windings of the electrical machine, which results from a reverse transformation of the phase voltage vector from the field-oriented system into the time domain.
  • a method for an effective harmonic regulator is advantageously provided.
  • variable of the control loop comprises a harmonic or a fundamental wave
  • a variable of the control loop characterizes or characterizes at least one harmonic or fundamental describes, whereby the respective size of the control loop can also contain further signal components, for example fundamental wave and one or more harmonics as well as additional disturbance variables.
  • the at least two measured variables characterize a current in the electrical machine.
  • the at least two measured variables are determined by measuring at least one phase current.
  • a measurable variable of the electrical drive system is advantageously provided as an input variable for the harmonic regulator.
  • the input stage is used to multiply the measured variables recorded by a cosine function and a sine function of a predetermined frequency, which preferably corresponds to the frequency of a harmonic of a predetermined order.
  • the cosine measurement components and sine measurement components with the predetermined frequency are determined as the results of the multiplications.
  • the cosine measurement components and sine measurement components correspond to the cosine and sine components of the harmonic harmonics to be regulated or minimized of the predetermined frequency of the measured variables.
  • the current reference angle for the respective harmonic must be taken into account.
  • the measured variables are preferably amplified by a scalar parameter P before multiplication with the cosine function and sine function.
  • the scalar parameter P represents a tuning parameter with which the convergence rate of the regulation is set for a certain harmonic order.
  • harmonic setpoint values are preferably specified in a targeted manner, which lead to a reduction or else an increase in the current harmonics.
  • a superimposed optimization of the drive system with regard to noise generation or control or reduction of mechanical loads (extension of service life) can take place in a targeted manner.
  • harmonic controller the approach is preferred: chosen what the, preferably static and / or
  • This complex representation of the inverse transfer function as a control matrix can preferably be represented in real-valued form as a predetermined control matrix as follows:
  • This real-valued representation is preferably used to determine the cosine and sine variables by means of a computing unit, where m is the mth order of the harmonic, R is the ohmic resistance, coel is the basic electrical frequency, Ld is the inductance in the d direction and Lq is the inductance in Q Describes direction.
  • the determined cosine manipulated variables and sine manipulated variables are each multiplied by the cosine function and the sine function of the predetermined frequency by means of the output stage in order to determine the manipulated variables.
  • the manipulated variables are determined as the results of the multiplications.
  • the determined cosine manipulated variables and sine manipulated variables are preferably integrated by means of a, preferably numerical, integration. This results in the manipulated variables which are superimposed on the voltage space vector of the electrical machine for control.
  • the method steps are carried out as a function of a current rotor angle of the electrical machine.
  • the rotor angle is determined as a function of the recorded measured variables.
  • the rotor angle of the electrical machine is required to regulate the electrical machine. If a measurement of the rotor angle is not provided, the rotor angle, and preferably also the speed, is determined from existing determined physical variables, preferably from the measured variables.
  • a PLL method phase-locked loop
  • EKF method Extended Kalman Filter
  • the back EMF voltage is preferably calculated based on the model using the phase currents and voltages.
  • the back EMF voltage in the d direction is zero.
  • the back EMF voltage in the d direction is regulated to zero by means of a PI controller, the manipulated variable for this being the angular velocity w.
  • a Kalman filter method is preferably used. Linearization around the current operating point and subsequent discretization results in a linear, time-variable model that is taken into account in the Extended Kalman Filter. The method comprises the steps of prediction and correction.
  • the invention also relates to a computer program which comprises commands which, when executed by a computer, cause the computer to carry out the steps of the method described so far.
  • the invention also relates to a computer-readable storage medium, comprising instructions which, when executed by a computer, cause the computer to carry out the steps of the method described so far.
  • the invention also relates to a device for regulating an electrical machine, having a computing unit and a harmonic regulator, the harmonic regulator comprising an input stage, a regulator and an output stage.
  • the device is set up to carry out the steps of the method described.
  • the invention also relates to an electric drive system with an electric machine and a device described.
  • Such an electrical drive system is used, for example, to drive a compressor of a heat pump.
  • the invention also relates to a heat pump with a described electrical drive system, the heat pump comprising a compressor (640) and in particular a condenser (610), a throttle (620) or an evaporator (630).
  • a heat pump is thus advantageously provided which comprises a device with which an electrical machine is effectively controlled.
  • FIG. 1 shows a schematic control structure of a harmonic regulator
  • FIG. 2 shows an alternative, schematic control structure of a harmonic regulator.
  • FIG. 4 shows a schematically illustrated device for regulating an electrical machine
  • FIG. 5 shows a schematically illustrated heat pump with an electric drive system
  • FIG. 1 shows a schematic control structure of a harmonic regulator 200, the harmonic regulator 200 comprising an input stage 210, a regulator 220 and an output stage 230.
  • Determined measured variables id, iq are fed to input stage 210. These measured variables preferably characterize an electrical current in the electrical machine.
  • the cosine measurement components and sine measurement components idcos_m, idsin_m, iqcos_m, iqsin_m of a predetermined frequency are determined by means of the input stage 210 as a function of the recorded measured variables id, iq.
  • the measured variables are preferably by means of the multiplier 211, 212 is multiplied by a cosine function and a sine function cos, sin of a predetermined frequency.
  • the cosine manipulated variables and sine manipulated variables idcos_s, idsin_s, iqcos_s, iqsin_s are determined as a function of the cosine measurement components and sine measurement components idcos_m, idsin_m, iqcos_m, iqsin_m by means of the controller 220 and a predetermined control matrix 224 of the controller 220.
  • At least two manipulated variables ud, uq are determined by means of the output stage 230 as a function of the determined cosine partial variables and sine manipulated variables idcos_s, idsin_s, iqcos_s, iqsin_s.
  • the cosine partial variables and sine manipulated variables idcos_s, idsin_s, iqcos_s, iqsin_s are multiplied by a cosine function and a sine function cos, sin of a predetermined frequency by means of the multipliers 231, 232.
  • An electrical machine 204 is controlled as a function of the determined manipulated variables ud, uq, preferably by means of an inverter 203.
  • FIG. 2 shows an alternative schematic control structure of a harmonic controller 200.
  • the controller 220 includes two differentiators 221 and 222 for forming the differences between the respective cosine measurement components and sine measurement components idcos_m, idsin_m, iqcos_m, iqsin_m and prescribable cosine target components and sine target components idcos_so, idsin_so, idsin_so iqcos_so, iqsin_so.
  • FIG. 1 shows an alternative schematic control structure of a harmonic controller 200.
  • the controller 220 includes two differentiators 221 and 222 for forming the differences between the respective cosine measurement components and sine measurement components idcos_m, idsin_m, iqcos_m, iqsin_m and prescribable cosine target components and sine target components idcos_so, idsin_so, ids
  • FIG. 3 shows a schematically illustrated flow chart for a method 400 for regulating an electrical machine 204.
  • step 110 at least two measured variables id, iq are determined.
  • step 120 the cosine measurement components and sine measurement components idcos_m, idsin_m, iqcos_m, iqsin_m of a predetermined frequency are determined.
  • step 130 the cosine manipulated variables and sine manipulated variables idcos_s, idsin_s, iqcos_s, iqsin_s determined.
  • step 140 the at least two manipulated variables ud, uq are determined, with which the electrical machine 204 is controlled in step 150.
  • FIG. 4 shows a device 300, shown schematically, for regulating an electrical machine 204.
  • the electrical machine 204 is controlled by means of a
  • the device 300 comprises a harmonic controller 200 and a computing unit 310 for controlling and implementing the structure of the harmonic controller 200.
  • the device is set up to carry out the method steps described above and thus to operate and regulate the electrical machine 204.
  • the electrical machine drives a compressor 640 of the heat pump.
  • the heat pump preferably comprises a condenser 610, a throttle 620 and / or an evaporator 630.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verfahren (100) zur Regelung einer elektrischen Maschine (204) mit einem Oberwellenregler (200), welcher eine Eingangsstufe (210), einen Regler (220) und eine Ausgangsstufe (230) umfasst, mit den Schritten: Ermitteln (110) mindestens zweier Messgrößen (id, iq); Ermitteln (120) von Cosinusmessanteilen und Sinusmessanteilen (idcos_m, idsin_m, iqcos_m, iqsin_m) Ermitteln (130) der Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen (idcos_s, idsin_s, iqcos_s, iqsin_s) Ermitteln (140) mindestens zweier Stellgrößen (ud, uq) Ansteuern (150) der elektrischen Maschine (204) in Abhängigkeit der ermittelten Stellgrößen (ud, uq).

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer elektrischen Maschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung einer elektrischen Maschine. Ferner betrifft die Erfindung ein elektrisches Antriebssystem mit einer entsprechenden Vorrichtung und eine Wärmepumpe mit einem elektrischen Antriebssystem sowie ein Computerprogramm und ein computerlesbares Speichermedium.
Stand der Technik
Die Druckschrift DE 10 2009 000 930 Al offenbart ein Verfahren und eine Anordnung zur Reduktion der Drehmomentwelligkeit in einem Permanentmagnet-Motorsystem. Das Motorsystem umfasst einen Permanentmagnetmotor, der an einen Wechselrichter gekoppelt ist. Das in dieser Druckschrift beschriebene Verfahren umfasst einen Schritt zum Modifizieren von Betriebssteuersignalen, um welligkeitsreduzierende Betriebssteuersignale zu generieren. Diese modifizierten Betriebssteuersignale werden an einen Inverter zur Steuerung des Permanentmagnetmotors geliefert.
Aufgrund konstruktiver Eigenschaften oder bei Auftreten von Fehlerfällen zeigen elektrische Antriebssysteme, bestehend aus elektrischer Maschine und Leistungselektronik, keine glatten sondern vielmehr oberwellenbehaftete Drehmomentverläufe. Ebenso entstehen radiale Kraftanregungen am Rotor der elektrischen Maschine. Wird mit der elektrischen Maschine eine ungleichmäßige Last, beispielsweise ein Kompressor für eine Wärmepumpe angetrieben, so ergeben sich zusätzliche oberwellenbehaftete Schwingungen der Drehzhal des Rotors der elektrischen Maschine. Die oberwellenbehafteten Schwingungen, Drehmomentverläufe und radialen Kraftanregungen überlagern sich nud führen zu Gehäuseschwingungen und somit zu Schallabstrahlungen führen. Zur Reduktion der mechanischen Belastung der einzelnen Komponenten des Antriebssystems aber auch zur Reduktion von Geräuschen sollen diese Effekte reduziert werden. Hierzu wird die Ansteuerung der elektrischen Maschine so verändert, dass sich oberwellenbehaftete Ströme ergeben, die den störenden Effekten entgegenwirken.
Drehfeldmaschinen, wie zum Beispiel Käfigläufer-Asynchronmaschinen oder Permanentmagnet- Synchronmaschinen, besitzen aufgrund ihrer Bauweise keine idealen sinusförmigen Flussverteilungen im Luftspalt. Im Betrieb führt dies bei einer Regelung mit sinusförmigen Strömen zu oberwellenbehafteten ungleichmäßigen Drehmomenten. Neben den dadurch hervorgerufenen Torsionsschwingungen im Antriebsstrang ergeben sich durch die genannten Ungleichförmigkeiten auch radiale Kraftanregungen zwischen Stator und Rotor, die sich unmittelbar in Form von Gehäuseschwingungen und folglich Schallabstrahlungen (Noise Vibration Harshness - NVH) äußern. Verstärkt wird die Problematik durch externe oszillierende Lastmomente wie beispielsweise durch einen Kompressor, wie er in Wärmepumpen verbaut ist. Insgesamt bewirken die konstruktiven Eigenschaften des elektrischen Antriebssystems folglich mitunter unerwünschte spürbare Schwingungen im Antriebsstrang, im elektrischen Netz und/oder akustisch wahrnehmbare Schallemissionen.
Es ist bekannt elektrische Drehfeldmaschinen mittels der feldorientierten Regelung (FOR, engl.: Field Oriented Control (FOC))zu regeln. Diese Regelung ist im Wesentlichen ausgelegt auf die Regelung der Grundwelle des Stroms, wobei hierzu mittels der d/q Transformation die Grundwelle des Stroms in Gleichgroßen id, iq in dem mitrotierenden dq- Koordinatensystem transformiert wird. Die Gleichgroßen werden in dem Koordinatensystem geregelt und die ermittelten Stellgrößen du, uq anschließend zurücktransformiert in den Zeitbereich und als Grundwelle der Spannug zur Ansteuerung der elektrischen Maschine verwendet. Eine Beeinflussung oder Reduktion von Oberwellen ist hiermit nicht möglich.
Für die Minimierung von harmonischen Oberwellen sind zwei grundsätzliche Ansätze möglich. Die erste Möglichkeit besteht in der gezielten Aufschaltung einer exogenen Störgrößenkompensation, was bei betriebsabhängigen (wie z.B. temperaturabhängigen) Parametern oder herstellungsbedingten Toleranzen zu einer unzureichenden Performance im realen Betrieb führt.
Alternative, feedback-basierte Konzepte sind zwar robuster hinsichtlich parametrischer Abweichungen, sie sind in bekannten Varianten allerdings nur für Eingrößensysteme (eine Stellgröße sowie eine Messgröße) geeignet. Elektrische Drehfeldmaschinen besitzen jedoch bereits bei der feldorientierten Regelung in dem d/q Koordinatensystem zwei unabhängigen Stellspannungen ud/u9 und somit zwei Stellgrößen.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine mit einem Oberwellenregler bereitgestellt, welcher eine Eingangsstufe, einen Regler und eine Ausgangsstufe umfasst. Das Verfahren umfasst die Schritte:
Ermitteln mindestens zweier Messgrößen;
Ermitteln von Cosinusmessanteilen und Sinusmessanteilen einer vorbestimmten Frequenz in Abhängigkeit der erfassten Messgrößen mittels der Eingangsstufe; Ermitteln von Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen in Abhängigkeit der Cosinusmessanteile und Sinusmessanteile mittels des Reglers und einer vorbestimmten Regelungsmatrix des Reglers;
Ermitteln mindestens zweier Stellgrößen in Abhängigkeit der ermittelten Cosinustellgrößen und Sinusstellgrößen mittels der Ausgangsstufe;
Ansteuern der elektrischen Maschine in Abhängigkeit der ermittelten Stellgrößen.
Zur Regelung elektrischer Maschinen, bevorzugt permanentmagnetisch erregte Synchronmaschinen, werden verbreitet feldorientierte Regelungen verwendet. Dabei werden die Wechselgrößen der im Zeitbereich, bevorzugt sinusförmigen, einzuregelnden Phasenströme, auch die Grundwellen genannt, mittels einer mathematischen Transformation jeweils in ein mit der Frequenz der Wechselgrößen rotierendes Koordinatensystem übertragen. Die Frequenz der Wechselgrößen bestimmt auch die Frequenz des magnetischen Feldes in der Maschine, sodass dieses mit der Frequenz der Wechselgrößen rotierende Koordinatensystem auch feldorientiertes System genannt wird. Im stationären Betrieb der elektrischen Maschine ergeben sich aus den Wechselgrößen im Zeitbereich Gleichgroßen im feldorientierten System, welche mittels der üblichen Verfahren der Regelungstechnik geregelt werden können. Das feldorientierte System wird auch d/q- Koordinatensystem genannt. Dabei zeigt dessen d- Achse in Richtung des Rotorflusses. Die q-Achse ist senkrecht zu der d-Achse. Ein sinusförmiger Phasenstrom wird als Statorstromzeiger oder Statorstromvektor repräsentiert, welcher über seine Länge und seine Richtung charakterisiert wird. Dieser Stromzeiger dreht sich synchron mit dem rotierenden Stator- oder Rotorfluss der elektrischen Maschine. In dem d/q Koordinatensystem kann der Stromzeiger entsprechend seiner Länge und seiner Richtung mittels zwei senkrecht aufeinander stehenden Komponenten Id und Iq dargestellt werden, welche im stationären Fall Gleichgroßen sind.
Zur Regelung einer mit dem Oberwellenregler verbindbaren oder an den Oberwellenregler anschließbaren elektrischen Maschine werden mindestens zwei Messgrößen der elektrischen Maschine in dem feldorientierten System erfasst, bevorzugt die beiden Komponenten des Statorstromzeigers in dem feldorientierten System. Wie oben erläutert umfassen diese Messgrößen Oberwellen oder mindestens eine Oberwelle, welche den Phasenstrom durch die elektrische Maschine überlagern. In dem feldorientierten System ist die elektrische Grundwelle eine Gleichgroße wohingegen die Oberwelle eine Wechselgröße ist.
Zur Regelung der Oberwelle erfolgt, ähnlich der Transformation aus dem Zeitbereich in den feldorientierten Bereich, mittels der Eingangsstufe eine Ermittlung eines Frequenzanteils einer vorbestimmten Frequenz, welche bevorzugt der Frequenz einer Obenwelle einer vorbestimmten Ordnung entspricht. Bevorzugt wird eine Oberwelle einer vorbestimmten Ordnung der elektrischen Grundwelle oder elektrischen Grundfrequenz, welche in dem feldorientierten System in den beiden Komponenten des Statorstromzeigers enthalten ist, mittels der Eingangsstufe in ein oberwellenorientiertes System zu jeweils einem Cosinusmessanteil und einem Sinusmessanteil abgebildet. Die jeweiligen Cosinusmessanteile und Sinusmessanteile sind wiederum Gleichgroßen. Größen, die im feldorientierten System als Wechselgrößen dargestellt werden, werden im stationären Betrieb der elektrischen Maschine im oberwellenorientierten System als Gleichgroßen dargestellt. Diese können mittels der Regelungstechnik geregelt werden. Die vorbestimmte Frequenz ist bevorzugt eine n-te Ordnung der Grundfrequenz des Phasenstroms oder der elektrischen Grundwelle, welche einen signifikanten Beitrag für die mechanischen Schwingungen der elektrischen Maschine oder des Antriebssystems liefert. Bevorzugt sind dies die 6-te, 4-te, 3-te, 2-te, und/oder erste Ordnung. Bevorzugt werden mehrere insbesondere mehr als eine oder mehr als zwei harmonische Ordnungen gleichzeitig berücksichtigt.
Dabei steigt der Rechenaufwand linear mit der Anzahl der Ordnungen.
Mittels des Reglers und einer vorbestimmten Regelungsmatrix werden aus den Cosinusmessanteilen und Sinusmessanteilen die Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen ermittelt. Hierzu wird bevorzugt ein Vektor in Abhängigkeit der oder aus den Cosinusmessanteilen und Sinusmessanteilen mit einer Regelungsmatrix multipliziert. Bevorzugt bilden die Komponenten der Regelungsmatrix ein Modell der anschließbaren elektrischen Maschine oder des elektrischen Antriebssystems ab zur Ermittlung der Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen. Aus diesen Gleichstellgrößen im oberwellenorientierten System, den Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen, werden zur weiteren Verwendung in der feldorientierten Regelung der elektrischen Maschine mittels der Ausgangsstufe zwei Stellgrößen ermittelt, bevorzugt als Phasenspannungszeiger oder Phasenspannungsvektor. Im feldorientierten System umfasst die Stellgröße eine Wechselgröße, eine Oberwelle. Schließlich umfasst das Verfahren einen Schritt zum Ansteuern der elektrischen Maschine in Abhängigkeit der zwei Stellgrößen. Das Ansteuern der elektrischen Maschine umfasst bevorzugt die Bestromung der Phasen der elektrischen Maschine oder das Anlegen einer Phasenspannug an die Wicklungen der elektrischen Maschine, die sich aus einer Rücktransformation des Phasenspannungsvektors aus dem feldorientierten System in den Zeitbereich ergibt.
Vorteilhaft wird ein Verfahren für einen effektiven Oberwellenregler bereitgestellt.
Die Formulierung, dass eine Größe des Regelkreises eine Oberwelle oder eine Grundwelle umfasst, bedeutet im Rahmen dieser Anmeldung, dass eine Größe des Regelkreises zumindest eine Oberwelle oder Grundwelle charakterisiert oder beschreibt, wobei die jeweilige Größe des Regelkreises auch weitere Signalanteile, beispielsweise Grundwelle und eine oder mehrere Obenwellen sowie zusätzlich noch vorhandene Störgrößen beinhalten kann.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung charakterisieren die mindestens zwei Messgrößen einen Strom in der elektrischen Maschine. Mittels Messung mindestens eines Phasenstroms werden die mindestens zwei Messgrößen ermittelt.
Vorteilhaft wird eine messbare Größe des elektrischen Antriebssystem als Eingangsgröße für den Oberwellenregler bereitgestellt.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung werden mittels der Eingangsstufe die erfassten Messgrößen jeweils mit einer Cosinusfunktion und einer Sinusfunktion einer vorbestimmten Frequenz, welche bevorzugt der Frequenz einer Oberwelle einer vorbestimmten Ordnung entspricht, multipliziert. Die Cosinusmessanteile und Sinusmessanteile mit der vorbestimmten Frequenz werden als Ergebnisse der Multiplikationen ermittelt. Die Cosinusmessanteile und Sinusmessanteile entsprechen dabei den Cosinus- und Sinus-Anteilen der zu regelnden oder minimierenden harmonischen Oberwellen der vorbestimmten Frequenz der Messgrößen. Bei der Multiplikation ist der aktuelle Bezugswinkel für die jeweilige harmonische Oberwelle zu berücksichtigen. Er ergibt sich beispielhaft aus F = m^P*P™e h jt dem mechanischen Rotorlagewinkel <Pmech, der Polpaarzahl 1VP und der harmonischen Ordnung ™. Bevorzugt werden die Messgrößen vor der Multiplikation mit der Cosinusfunktion und Sinusfunktion multiplikativ mit einem skalaren Parameter P verstärkt. Der skalare Parameter P stellt einen Tuningparameter dar, mit dem die Konvergenzrate der Regelung für eine bestimmte harmonische Ordnung eingestellt wird.
Vorteilhaft wird ein effizientes Verfahren zur Extraktion der Cosinus- und Sinus- Anteile harmonischer Oberwellen bereitgestellt.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung werden mittels des Reglers Differenzen der jeweiligen Cosinusmessanteile und Sinusmessanteile und vorgebbarer Cosinussollanteile und Sinussollanteile mit der vorbestimmten Regelungsmatrix multipliziert zur Ermittlung der Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen.
Vor der Multiplikation mit der Regelungsmatrix werden zunächst vorgebbare Cosinussollanteile und Sinussollanteile von den jeweiligen Cosinusmessanteilen und Sinusmessanteilen subtrahiert. Die sich ergebenden Koeffizientenvektoren und werden bevorzugt zu einem komplexen Vektor zusammengefasst. Es ergibt sich eine vereinfachte Beschreibung der anschließenden Operation. Für eine elektrische Maschine ergibt sich beispielsweise mittels der beiden Ströme und als Messgrößen:
Aufgrund der Subtraktion der Sollwerte von den Messwerten kann mittels der Multiplikation eine Regelung oder Minimierung der harmonischen Oberwellen erfolgen. Bevorzugt werden somit gezielt Oberwellen-Sollwerte vorgegeben welche zu einer Reduktion oder aber auch einer Erhöhung der Stromoberwellen führen. So kann gezielt eine überlagerte Optimierung des Antriebssystems hinsichtlich Geräuscherzeugung oder Steuerung oder Reduktion von mechanischen Belastungen (Verlängerung Lebensdauer) erfolgen.
Bei Berücksichtigung des stationären Übertragungsverhaltens einer elektrischen Maschine oder einer Übertragungsstrecke, bevorzugt des elektrischen Antriebssystems, gilt: — G a)d)®u-
Für den Oberwellenregler (HC) wird bevorzugt der Ansatz: gewählt, was der, bevorzugt statischen und/oder
Mehrgrößen-, Inversion derGleichungen der elektrischen Maschine oder Übertragungsstrecke entspricht. Die harmonische Frequenz wird bevorzugt mittels des Terms w<1 ~ mit der mechanischen Kreisfrequenz ^mech = bzw. mit der elektrischen Kreisfrequenz wbΐ ~ ermittelt. Bevorzugt ergibt sich für eine elektrische Maschine Diese komplexe Darstellung der inversen Übertragungsfunktion als Regelungsmatrix kann bevorzugt in reellwertiger Form folgendermaßen als vorbestimmte Regelungsmatrix dargestellt werden:
Diese reellwertige Darstellung wird bevorzugt für die Ermittlung der Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen mittels einer Recheneinheit verwendet, wobei m die m-te Ordnung der Oberwelle, R den ohmschen Widerstand, coel die elektrische Grundfrequenz, Ld die Induktivität in d- Richtung und Lq die Induktivität in Q Richtung beschreibt.
Hierbei wird die dargestellte vorbestimmte Regelungsmatrix mit den Differenzen, der jeweiligen Cosinusmessanteile und Sinusmessanteile und vorgebbarer Cosinussollanteile und Sinussollanteile, multipliziert. Somit werden die Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen ermittelt und als eine zeitliche Änderung der Parameter ®avorgegeben.
Vorteilhaft wird ein effizientes Verfahren zur Ermittlung der Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen bereitgestellt.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung werden mittels der Ausgangsstufe die ermittelten Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen jeweils mit der Cosinusfunktion und der Sinusfunktion der vorbestimmten Frequenz multipliziert zur Ermittlung der Stellgrößen. Die Stellgrößen werden als Ergebnisse der Multiplikationen ermittelt. Bevorzugt werden vor der Multiplikation die ermittelten Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen mittels einer, bevorzugt numerischen, Integration integriert. Es ergeben sich die Stellgrößen , welche dem Spannungsraumzeiger der elektrischen Maschine zur Ansteuerung überlagert wird. Vorteilhaft wird ein effizientes Verfahren zur Ermittlung der Stellgrößen bereitgestellt.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung werden die Verfahrensschritte in Abhängigkeit eines aktuellen Rotorwinkels der elektrischen Maschine ausgeführt. Hierzu wird der Rotorwinkel in Abhängigkeit der erfassten Messgrößen ermittelt. Für die Regelung der elektrischen Maschine wird der Rotorwinkel der elektrischen Maschine benötigt. Falls eine Messung des Rotorwinkels nicht vorgesehen ist, wird der Rotorwinkel, und bevorzugt auch die Drehzahl, aus vorliegenden ermittelten physikalischen Größen ermittelt, bevorzugt aus den Messgrößen. Bevorzugt wird hierzu ein PLL-Verfahren (Phase-Iocked loop), ein EKF-Verfahren (Extended Kalman Filter) oder ein anderes Schätzverfahren angewendet. Verfahren angewendet. Für die Ermittlung des Rotorwinkels werden insbesondere die Messgrößen, Phasenspannungen der elektrischen Maschine und/oder vorhandene Modellparameter der elektrischen Maschine, die auch für die Regelungsmatrix verwendet werden, beispielsweise Ld, Lq, m, R, berücksichtigt.
Bevorzugt wird für ein PLL-Verfahren die Back EMF Spannung modellbasiert anhand der Phasenströme und -Spannungen berechnet. In dem d/q- Koordiatensystem ist die Back EMF Spannung in d-Richtung gleich Null. Mittels eines PI-Reglers wird die Back EMF Spannung in d-Richtung auf Null geregelt, wobei die Stellgröße hierzu die Winkelgeschwindigkeit w ist.
Alternativ wird bevorzugt ein Kalman Filter- Verfahren verwendet. Durch Linearisierung um den aktuellen Arbeitspunkt und anschließender Diskretisierung ergibt sich ein lineares zeitvariables Modell, welches im Extended Kalman Filter berücksichtigt wird. Das Verfahren umfasst die Schritte Prädiktion (prediction) und Korrektur (correction).
Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, welches Befehle umfasst, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des bisher beschriebenen Verfahrens auszuführen. Ferner betrifft die Erfindung ein computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des bisher beschriebenen Verfahrens auszuführen.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Regelung einer elektrischen Maschine, mit einer Recheneinheit und einem Oberwellenregler, wobei der Oberwellenregler eine Eingangsstufe, einen Regler und eine Ausgangsstufe umfasst. Die Vorrichtung ist dazu eingerichtet, die Schritte des beschriebenen Verfahrens auszuführen.
Vorteilhaft wird eine Vorrichtung für eine effektive Oberwellenregelung einer elektrischen Maschine bereitgestellt.
Ferner betrifft die Erfindung ein elektrisches Antriebssystem mit einer elektrischen Maschine und einer beschriebenen Vorrichtung. Ein derartiges elektrisches Antriebssystem dient beispielsweise dem Antrieb eines Kompressors einer Wärmepumpe. Mittels des Verfahrens und der Vorrichtung wird ein optimierter Betrieb hinsichtlich mechanischer Belastung und/ oder Geräuschentwicklung des Antriebsystems ermöglicht.
Ferner betrifft die Erfindung eine Wärmepmpe, mit einem beschriebenen elektrischen Antriebssystem, wobei die Wärmepumpe einen Kompressor (640) und insbesondere einen Kondensator (610), eine Drossel (620) oder einen Verdampfer (630) umfasst. Vorteilhaft wird somit eine Wärmepumpe bereitgestellt, welche eine Vorrichtung umfasst, mit der eine elektrische Maschine effektiv geregelt wird.
Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend auf die Vorrichtung bzw. das elektrische Antriebssystem und die Wärmepumpe und umgekehrt zutreffen bzw. anwendbar sind.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. Kurze Beschreibung der Zeichnung
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden, dazu zeigen:
Figur 1 eine schematische Regelstruktur eines Oberwellenreglers Figur 2 eine alternative schematische Regelstruktur eines Oberwellenreglers Figur 3 ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine.
Figur 4 eine schematische dargestellte Vorrichtung zur Regelung einer elektrischen Maschine
Figur 5 eine schematisch dargestellte Wärmepumpe mit einem elektrischen Antriebssystem
Ausführungsformen der Erfindung
Die Figur 1 zeigt eine schematische Regelstruktur eines Oberwellenreglers 200, wobei der Oberwellenregler 200 eine Eingangsstufe 210, einen Regler 220 und eine Ausgangsstufe 230 umfasst. Ermittelte Messgrößen id, iq werden der Eingangsstufe 210 zugeführt. Diese Messgrößen charakterisieren bevorzugt einen elektrischen Strom in die elektrische Maschine. Die Cosinusmessanteile und Sinusmessanteile idcos_m, idsin_m, iqcos_m, iqsin_m einer vorbestimmten Frequenz werden in Abhängigkeit der erfassten Messgrößen id, iq mittels der Eingangsstufe 210 ermittelt. Bevorzugt werden die Messgrößen hierzu mittels der Multiplizierer 211, 212 mit einer Cosinusfunktion und einer Sinusfunktion cos, sin einer vorbestimmten Frequenz multipliziert. Die Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen idcos_s, idsin_s, iqcos_s, iqsin_s werden in Abhängigkeit der Cosinusmessanteile und Sinusmessanteile idcos_m, idsin_m, iqcos_m, iqsin_m mittels des Reglers 220 und einer vorbestimmten Regelungsmatrix 224 des Reglers 220 ermittelt. Mindestens zwei Stellgrößen ud, uq werden in Abhängigkeit der ermittelten Cosinusteilgrößen und Sinusstellgrößen idcos_s, idsin_s, iqcos_s, iqsin_s mittels der Ausgangsstufe 230 ermittelt. Bevorzugt werden die Cosinusteilgrößen und Sinusstellgrößen idcos_s, idsin_s, iqcos_s, iqsin_s hierzu mittels der Multiplizierer 231, 232 mit einer Cosinusfunktion und einer Sinusfunktion cos, sin einer vorbestimmten Frequenz multipliziert. In Abhängigkeit der ermittelten Stellgrößen ud, uq wird, bevorzugt mittels einem Inverter 203, eine elektrische Maschine 204 angesteuert.
Die Figur 2 zeigt eine alternative schematische Regelstruktur eines Oberwellenreglers 200. Ergänzend zu Figur 1 umfasst der Regler 220 zwei Differenzierer 221 und 222 zru Bildung der Differenzen der jeweiligen Cosinusmessanteile und Sinusmessanteile idcos_m, idsin_m, iqcos_m, iqsin_m und vorgebbarer Cosinussollanteile und Sinussollanteile idcos_so, idsin_so, iqcos_so, iqsin_so. Gemäß Figur 2 werden diese Differenzen mit der vorbestimmten Regelungsmatrix multipliziert zur Ermittlung der Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen idcos_s, idsin_s, iqcos_s, iqsin_s. Mittels der Ausgangsstufe 230 werden die ermittelten Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen idcos_s, idsin_s, iqcos_s, iqsin_s zunächst den Integrierern 233 und 234 zugeführt und anschließend jeweils mit der Cosinusfunktion und der Sinusfunktion (cos, sin) der vorbestimmten Frequenz multipliziert zur Ermittlung der zwei Stellgrößen ud, uq.
Die Figur 3 zeigt ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren 400 zur Regelung einer elektrischen Maschine 204. Mit Schritt 110 werden mindestens zwei Messgrößen id, iq ermittelt. Mit Schritt 120 werden die Cosinusmessanteilen und Sinusmessanteilen idcos_m, idsin_m, iqcos_m, iqsin_m einer vorbestimmten Frequenz ermitelt. Mit Schritt 130 werden die Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen idcos_s, idsin_s, iqcos_s, iqsin_s ermittelt. Mit Schritt 140 werden die mindestens zwei Stellgrößen ud, uq ermittelt, mit denen in Schritt 150 die elektrische Maschine 204 angesteuert wird.
Die Figur 4 zeigt eine schematische dargestellte Vorrichtung 300 zur Regelung einer elektrischen Maschine 204. Die elektrische Maschine 204 wird mittels eines
Inverter 203 angesteuert. Die Vorrichtung 300 umfasst einen Oberwellenregler 200 und eine Recheneinheit 310 zur Steuerung und Umsetzung der Struktur des Oberwellenreglers 200. Die Vorrichtung ist dazu eingerichtet die oben beschriebenen Verfahrensschritte auszuführen und somit die elektrischen Maschine 204 zu betreiben und zu regeln.
Die Figur 5 zeigt eine schematisch dargestellte Wärmepumpe 600, welche ein elektrisches Antriebssystem 500 umfasst. Das Antriebssystem 500 umfasst die elektrische Maschine 204, welche mittels eines Inverters 203 angesteuert wird, und eine Vorrichtung 300 zur Regelung der elektrischen Maschine 204, wie in
Figur 4 beschrieben. Die elektrische Maschine treibt einen Kompressor 640 der Wärmepumpe an. Bevorzugt umfasst die Wärmepumpe einen Kondensator 610, eine Drossel 620 und/ oder einen Verdampfer 630.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (100) zur Regelung einer elektrischen Maschine (204), mit einem Oberwellenregler (200), welcher eine Eingangsstufe (210), einen Regler (220) und eine Ausgangsstufe (230) umfasst, mit den Schritten:
Ermitteln (110) mindestens zweier Messgrößen (id, iq);
Ermitteln (120) von Cosinusmessanteilen und Sinusmessanteilen (idcos_m, idsin_m, iqcos_m, iqsin_m) einer vorbestimmten Frequenz in Abhängigkeit der erfassten Messgrößen (id, iq) mittels der Eingangsstufe (210);
Ermitteln (130) der Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen (idcos_s, idsin_s, iqcos_s, iqsin_s) in Abhängigkeit der Cosinusmessanteile und Sinusmessanteile (idcos_m, idsin_m, iqcos_m, iqsin_m) mittels des Reglers (220) und einer vorbestimmten Regelungsmatrix (224) des Reglers (220);
Ermitteln (140) mindestens zweier Stellgrößen (ud, uq) in Abhängigkeit der ermittelten Cosinusteilgrößen und Sinusstellgrößen (idcos_s, idsin_s, iqcos_s, iqsin_s) mittels der Ausgangsstufe (230);
Ansteuern (150) der elektrischen Maschine (204) in Abhängigkeit der ermittelten Stellgrößen (ud, uq).
2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei die mindestens zwei Messgrößen (id, iq) einen elektrischen Strom in der elektrische Maschine (204) charakterisieren.
3. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der Eingangsstufe (210) die erfassten Messgrößen (id, iq) jeweils mit einer Cosinusfunktion und einer Sinusfunktion (cos, sin) einer vorbestimmten Frequenz multipliziert werden zur Ermittlung der Cosinusmessanteile und Sinusmessanteile (idcos_m, idsin_m, iqcos_m, iqsin_m) mit der vorbestimmten Frequenz.
4. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels des Reglers (220) Differenzen der jeweiligen Cosinusmessanteile und Sinusmessanteile (idcos_m, idsin_m, iqcos_m, iqsin_m) und vorgebbarer Cosinussollanteile und Sinussollanteile (idcos_so, idsin_so, iqcos_so, iqsin_so) mit der vorbestimmten Regelungsmatrix multipliziert werden zur Ermittlung der Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen (idcos_s, idsin_s, iqcos_s, iqsin_s).
5. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der Ausgangsstufe die ermittelten Cosinusstellgrößen und Sinusstellgrößen (idcos_s, idsin_s, iqcos_s, iqsin_s) jeweils mit der Cosinusfunktion und der Sinusfunktion (cos, sin) der vorbestimmten Frequenz multipliziert werden zur Ermittlung der Stellgrößen (ud, uq).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verfahrensschritte in Abhängigkeit eines aktuellen Rotorwinkels der elektrischen Maschine ausgeführt werden und der Rotorwinkel in Abhängigkeit der erfassten Messgrößen (id, iq) ermittelt wird.
7. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren/die Schritte des Verfahrens (100) nach Anspruch 1 bis 6 auszuführen.
8. Computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren/die Schritte des Verfahrens (100) nach Anspruch 1 bis 6 auszuführen.
9. Vorrichtung (300) zur Regelung einer elektrischen Maschine (204), mit einer Recheneinheit (310) und einem Oberwellenregler (200), wobei der Oberwellenregler eine Eingangsstufe (210), einen Regler (220) und eine Ausgangsstufe (230) umfasst, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-6 auszuführen.
10. Elektrisches Antriebssystem (500) mit einer elektrischen Maschine (204) und einer Vorrichtung (300) nach Anspruch 9.
11. Wärmepumpe (600) mit einem elektrischen Antriebssystem (500) nach Anspruch 10, wobei die Wärmepumpe einen Kompressor (640) und insbesondere einen
Kondensator (610), eine Drossel (620) und/ oder einen Verdampfer (630) umfasst.
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