EP4639751A1 - Verfahren zur feldorientierten stromregelung von motorströmen eines elektromotors - Google Patents

Verfahren zur feldorientierten stromregelung von motorströmen eines elektromotors

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EP4639751A1
EP4639751A1 EP23836426.9A EP23836426A EP4639751A1 EP 4639751 A1 EP4639751 A1 EP 4639751A1 EP 23836426 A EP23836426 A EP 23836426A EP 4639751 A1 EP4639751 A1 EP 4639751A1
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EP
European Patent Office
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motor
voltage
electric motor
maximum voltage
max
Prior art date
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Pending
Application number
EP23836426.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Waldemar Funk
Michael Wiesinger
Steven Maertens
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.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of EP4639751A1 publication Critical patent/EP4639751A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • H02P21/0085—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation specially adapted for high speeds, e.g. above nominal speed
    • H02P21/0089—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation specially adapted for high speeds, e.g. above nominal speed using field weakening
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/06—Rotor flux based control involving the use of rotor position or rotor speed sensors
    • H02P21/08—Indirect field-oriented control; Rotor flux feed-forward control
    • H02P21/09—Field phase angle calculation based on rotor voltage equation by adding slip frequency and speed proportional frequency
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L15/00—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles
    • B60L15/02—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles characterised by the form of the current used in the control circuit
    • B60L15/025—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles characterised by the form of the current used in the control circuit using field orientation; Vector control; Direct Torque Control [DTC]
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    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/22—Current control, e.g. using a current control loop
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for field-oriented current control of motor currents of an electric motor.
  • the variables used for control are related to a rotor-fixed coordinate system, i.e. a coordinate system that rotates with the rotor of the electric motor. Therefore, the rotor position of the rotor is required with sufficient accuracy for control.
  • a position sensor system is usually used to determine the rotor position.
  • a rotor position offset angle between the rotor of the electric motor and the position sensor system is required.
  • the rotor position offset angle is usually taught once using a calibration method, for example for a reference motor.
  • every calibration method for determining the rotor position offset angle only has a finite accuracy. Inaccuracies in the rotor position offset angle in the field-oriented current control of the motor currents of an electric motor can lead to a significant loss of performance and efficiency of the electric motor.
  • the invention is based on the object of specifying a method for field-oriented current control of motor currents of an electric motor, which in particular reduces a loss of power and efficiency due to an inaccuracy in the determination of the rotor position offset angle.
  • the method according to the invention relates to the field-oriented current control of motor currents of an electric motor whose motor voltage is limited by a maximum voltage, using a field weakening controller that is set up to correct setpoints of reference variables for the current control if a motor voltage that exceeds the maximum voltage would be required to regulate the motor currents to the setpoints.
  • a calibration value of a rotor position offset angle between a rotor of the electric motor and a position sensor system that is set up to determine a rotor position of the rotor is first learned and stored by calibrating the position sensor system.
  • a value of the rotor position offset angle used to determine the setpoints is changed by a change value compared to the calibration value in such a way that a motor voltage that exceeds the maximum voltage would be required to regulate the reference variables to the setpoints.
  • the method according to the invention therefore uses a field weakening controller that automatically corrects setpoints of reference variables for current control if the setpoints cannot be implemented because they require a motor voltage that exceeds the maximum voltage.
  • this property of the field weakening controller is used when the electric motor is operating with a motor voltage that is at least approximately the maximum voltage.
  • a value of the rotor position offset angle used to determine setpoints is specifically changed by a change value compared to the calibration value in such a way that a motor voltage that exceeds the maximum voltage would be required to regulate the reference variables to the setpoints. This activates the field weakening controller and leads to an automatic correction of the setpoints of the reference variables by the field weakening controller.
  • the adaptation is only used if a degree of modulation of the motor voltage, that is, a ratio of the motor voltage to the maximum voltage is at least approximately maximum.
  • components of a current vector of the motor current in a d/q coordinate system for the motor current are used as reference variables.
  • a d/q coordinate system is understood to be a rotor-fixed coordinate system with axes that are perpendicular to one another, which are usually referred to as the d-axis and q-axis.
  • the components of a current vector of the motor current in such a coordinate system are referred to as the d-component and q-component of the motor current.
  • the setpoint values of the reference variables are determined as a function of a required torque of the electric motor, a required speed of the electric motor, a rotor temperature of the rotor of the electric motor and/or the maximum voltage.
  • a value of a maximum voltage utilization used in determining the setpoints which indicates a maximum ratio of the motor voltage to the maximum voltage, is replaced by a value that corresponds to a reduced maximum voltage utilization.
  • the maximum voltage utilization is artificially reduced in order to effect a correction of the setpoints.
  • the change value for the rotor position offset angle corresponds to a tolerance accuracy of the calibration of the position sensor system.
  • the change value for the rotor position offset angle is adapted to the accuracy of the calibration of the position sensor system.
  • the electric motor is the engine of an electric vehicle and the battery is a rechargeable battery of the electric vehicle.
  • the maximum voltage is related to a d/q coordinate system for the motor voltage.
  • the field weakening controller is implemented as a software module.
  • the invention can then be implemented purely using software and therefore does not require any additional hardware. The torque, power and efficiency of the electric motor can thus be increased free of charge.
  • a correction of the calibration value of the rotor position offset angle is determined from the correction of setpoint values of the control variables.
  • the correction of the calibration value of the rotor position offset angle is determined in such a way that the use of the corrected calibration value when determining setpoint values of the control variables leads to an improvement in the efficiency of the electric motor compared to the use of the calibration value.
  • the aforementioned embodiment of the invention therefore aims at a correction of the calibration value of the rotor position offset angle itself and thus at an overall improved field-oriented current control of the motor currents of the electric motor.
  • FIG 1 an MTPA curve and current vectors in two quadrants of a d/q coordinate system for the motor current of an electric motor
  • FIG 2 a block diagram of a field weakening controller
  • FIG 3 Curves of fixed voltage utilization in two quadrants of a d/q coordinate system for the motor current of an electric motor.
  • Figures 1 to 3 illustrate an embodiment of the method according to the invention for field-oriented current control of motor currents Id, lq of an electric motor whose motor voltage is limited by a maximum voltage lls.max.
  • the electric motor is a motor that is supplied with electrical energy from a battery, wherein the motor voltage of the electric motor is generated from a battery voltage of the battery by a pulse inverter.
  • the pulse inverter has electronic switches that are controlled in such a way that the motor voltage (AC voltage) of the electric motor is generated from the battery voltage (DC voltage) of the battery.
  • the electronic switches are controlled in a pulse width modulated manner.
  • the maximum voltage lls.max of the motor voltage results from the battery voltage of the battery and the modulation method for controlling the electronic switches of the pulse inverter.
  • the electric motor is the motor of an electric vehicle and the battery is a rechargeable battery of the electric vehicle.
  • the reference variables of the current control of the motor current are a d-component Id and a q-component l q of the motor current in a d/q coordinate system that rotates with a rotor of the electric motor. These reference variables are determined depending on a required torque of the electric motor, a required speed of the electric motor, a rotor temperature of the rotor of the electric motor and the maximum voltage lls.max.
  • the control variables of the current control of the motor current are a d-component of the motor voltage corresponding to the d-component Id of the motor current and a q-component l q of the motor current corresponding q-component of the motor voltage in a d/q-coordinate system for the motor voltage.
  • the method according to the invention is carried out using a field weakening controller 9, which is implemented as a software module.
  • the field weakening controller 9 is set up to correct setpoint values for the motor currents Id, lq of the current control if a motor voltage that exceeds the maximum voltage lls.max would be required to control the motor currents Id, lq to the setpoint values.
  • a calibration value of a rotor position offset angle between a rotor of the electric motor and a position sensor system which is set up to determine a rotor position of the rotor, is first learned and stored once by calibrating the position sensor system.
  • the value of the rotor position offset angle is used in particular to determine the setpoints of the components Id, lq of the motor current.
  • a value of the rotor position offset angle used for determining the target values for Id, lq is changed by a change value Aa compared to the calibration value when the electric motor is operating with a motor voltage that is at least approximately the maximum voltage lls.max in such a way that a motor voltage that exceeds the maximum voltage lls.max would be required to regulate the components Id, lq of the motor current to the target values.
  • MTPA Maximum Torque Per Ampere
  • the points of the MTPA curve 1 are also the points for which a maximum voltage utilization VUijm of the motor voltage is achieved, that is, a maximum ratio of the motor voltage to the maximum voltage lls.max.
  • Figure 1 also shows the two quadrants of the d/q coordinate system shown each have a current vector 3 in which the motor voltage is approximately the maximum voltage lls.max, an ideal current vector 5 which represents a point on the MTPA curve 1, and a fictitious current vector 7, the components of which would result as setpoint values for the motor current components Id, lq for the calibration value of the rotor position offset angle changed by the change value Aa instead of the components of the current vector 3.
  • Figure 1 shows that the change value Aa, in particular the sign of this change value Aa, depends on the quadrant of the d/q coordinate system for the motor current.
  • FIG 2 shows a block diagram of the field weakening controller 9.
  • the input variables of the field weakening controller 9 are the maximum voltage lls.max, a required voltage Us and a maximum voltage utilization VUum of the motor voltage.
  • the required voltage Us is a motor voltage that is required to generate a motor current that causes the required torque of the electric motor and the required speed of the electric motor depending on the rotor temperature of the rotor of the electric motor and the maximum voltage Us.max.
  • the output variable of the field weakening controller 9 is an (artificially) reduced maximum voltage utilization VUum,Adj.
  • the field weakening controller 9 first subtracts the required voltage Us from the maximum voltage Us,max. The result of this subtraction is fed to an I element 11 (integrator).
  • FIG 3 shows curves 13, 15 of fixed voltage utilization in the two quadrants of a d/q coordinate system for the motor current already shown in Figure 1.
  • the points on curve 13 realize the maximum voltage utilization VUijm and the points on curve 15 realize a voltage utilization VUum,Adj that is reduced compared to VllLim.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur feldorientierten Stromregelung von Motorströmen (Id, Iq) eines Elektromotors, dessen Motorspannung durch eine Maximalspannung (Us,max) begrenzt ist, unter Verwendung eines Feldschwächreglers (9), der eingerichtet ist, Sollwerte von Führungsgrößen für die Stromregelung zu korrigieren, wenn zum Regeln der Motorströme (Id, Iq) auf die Sollwerte eine Motorspannung erforderlich wäre, die die Maximalspannung (Us,max) überschreitet. Bei dem Verfahren wird ein Kalibrierwert eines Rotorlageoffsetwinkels zwischen einem Rotor des Elektromotors und einem Positionssensorsystem, das zur Bestimmung einer Rotorlage des Rotors eingerichtet ist, durch eine Kalibrierung des Positionssensorsystems angelernt und gespeichert. Ferner wird ein für die Bestimmung der Sollwerte verwendeter Wert des Rotorlageoffsetwinkels im Betrieb des Elektromotors mit einer Motorspannung, die wenigstens annähernd die Maximalspannung (Us,max) ist, gegenüber dem Kalibrierwert um einen Änderungswert (Δα) derart geändert, dass zum Regeln der Führungsgrößen auf die Sollwerte eine Motorspannung erforderlich wäre, die die Maximalspannung (Us,max) überschreitet.

Description

Beschreibung
Verfahren zur feldorientierten Stromregelung von Motorströmen eines Elektromotors
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur feldorientierten Stromregelung von Motorströmen eines Elektromotors.
Bei der feldorientierten Stromregelung von Motorströmen eines Elektromotors werden die zur Regelung verwendeten Größen wie Motorströme und Motorspannungen auf ein rotorfestes Koordinatensystem, das heißt ein mit dem Rotor des Elektromotors rotierendes Koordinatensystem, bezogen. Daher wird zur Regelung die Rotorlage des Rotors mit hinreichender Genauigkeit benötigt. In der Regel wird zur Bestimmung der Rotorlage ein Positionssensorsystem verwendet.
Um mit einem Positionssensorsystem die Rotorlage zu bestimmen, ist die Kenntnis eines Rotorlageoffsetwinkels zwischen dem Rotor des Elektromotors und dem Positionssensorsystem erforderlich. Der Rotorlageoffsetwinkel wird in der Regel einmalig mittels einer Kalibriermethode angelernt, beispielsweise für einen Referenzmotor. Jedoch hat jede Kalibriermethode zur Bestimmung des Rotorlageoffsetwinkels nur eine endliche Genauigkeit. Ungenauigkeiten des Rotorlageoffsetwinkels bei der feldorientierten Stromregelung der Motorströme eines Elektromotors können zu einem signifikanten Leistungs- und Effizienzverlust des Elektromotors führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur feldorientierten Stromregelung von Motorströmen eines Elektromotors anzugeben, das insbesondere einen Leistungs- und Effizienzverlust aufgrund einer Ungenauigkeit der Bestimmung des Rotorlageoffsetwinkels reduziert.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die feldorientierte Stromregelung von Motorströmen eines Elektromotors, dessen Motorspannung durch eine Maximalspannung begrenzt ist, unter Verwendung eines Feldschwächreglers, der eingerichtet ist, Sollwerte von Führungsgrößen für die Stromregelung zu korrigieren, wenn zum Regeln der Motorströme auf die Sollwerte eine Motorspannung erforderlich wäre, die die Maximalspannung überschreitet. Bei dem Verfahren wird zunächst ein Kalibrierwert eines Rotorlageoffsetwinkels zwischen einem Rotor des Elektromotors und einem Positionssensorsystem, das zur Bestimmung einer Rotorlage des Rotors eingerichtet ist, durch eine Kalibrierung des Positionssensorsystems angelernt und gespeichert. Im Betrieb des Elektromotors mit einer Motorspannung, die wenigstens annähernd die Maximalspannung ist, wird ein für die Bestimmung der Sollwerte verwendeter Wert des Rotorlageoffsetwinkels gegenüber dem Kalibrierwert um einen Änderungswert derart geändert, dass zum Regeln der Führungsgrößen auf die Sollwerte eine Motorspannung erforderlich wäre, die die Maximalspannung überschreitet.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt also einen Feldschwächregler, der Sollwerte von Führungsgrößen für die Stromregelung automatisch korrigiert, wenn die Sollwerte nicht realisierbar sind, da sie eine Motorspannung erfordern, die die Maximalspannung überschreitet. Erfindungsgemäß wird diese Eigenschaft des Feldschwächreglers im Betrieb des Elektromotors mit einer Motorspannung genutzt, die wenigstens annähernd die Maximalspannung ist. Dabei wird ein für die Bestimmung von Sollwerten verwendeter Wert des Rotorlageoffsetwinkels gegenüber dem Kalibrierwert gezielt um einen Änderungswert derart geändert, dass zum Regeln der Führungsgrößen auf die Sollwerte eine Motorspannung erforderlich wäre, die die Maximalspannung überschreitet. Dies aktiviert den Feldschwächregler und führt zu einer automatischen Korrektur der Sollwerte der Führungsgrößen durch den Feldschwächregler. Durch die Nachführung der Sollwerte wird final ein wirkungsgradoptimaler Lastpunkt für den Betrieb des Elektromotors erreicht. Um Nachteile durch die Adaption des Wertes des Rotorlageoffsetwinkels im Grunddrehzahlbereich des Elektromotors zu vermeiden, wird die Adaption nur eingesetzt, wenn ein Modulationsgrad der Motorspannung, das heißt ein Verhältnis der Motorspannung zur Maximalspannung, wenigstens annähernd maximal ist.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung werden als Führungsgrößen Komponenten eines Stromvektors des Motorstroms in einem d/q-Koordinatensystem für den Motorstrom verwendet. Unter einem d/q-Koordinatensystem wird ein rotorfestes Koordinatensystem mit senkrecht aufeinander stehenden Achsen verstanden, die wie üblich als d-Achse und q-Achse bezeichnet werden. Die Komponenten eines Stromvektors des Motorstroms in einem derartigen Koordinatensystem werden als d-Komponente und q-Komponente des Motorstroms bezeichnet.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung werden die Sollwerte der Führungsgrößen in Abhängigkeit von einem geforderten Drehmoment des Elektromotors, einer geforderten Drehzahl des Elektromotors, einer Rotortemperatur des Rotors des Elektromotors und/oder der Maximalspannung bestimmt.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird bei der Korrektur der Sollwerte durch den Feldschwächregler ein bei der Bestimmung der Sollwerte verwendeter Wert einer maximalen Spannungsausnutzung, die ein maximales Verhältnis der Motorspannung zu der Maximalspannung angibt, durch einen Wert ersetzt, der zu einer reduzierten maximalen Spannungsausnutzung korrespondiert. Mit anderen Worten wird die maximale Spannungsausnutzung also künstlich reduziert, um eine Korrektur der Sollwerte zu bewirken.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung korrespondiert der Änderungswert für den Rotorlageoffsetwinkel zu einer Toleranzgenauigkeit der Kalibrierung des Positionssensorsystems. Dadurch wird der Änderungswert für den Rotorlageoffsetwinkel der Genauigkeit der Kalibrierung des Positionssensorsystems angepasst.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung korrespondiert die
Maximalspannung zu einer von einer Batterie zum Betreiben des Elektromotors bereitgestellten Batteriespannung und einer gewählten Modulationsmethode für eine Steuerung von elektronischen Schaltern eines Pulswechselrichters zur Realisierung der Motorspannung. Beispielsweise ist der Elektromotor der Motor eines Elektrofahrzeugs und die Batterie ist eine wiederaufladbare Batterie des Elektrofahrzeugs.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Maximalspannung auf ein d/q-Koordinatensystem für die Motorspannung bezogen.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Feldschwächregler als ein Softwaremodul realisiert. Insbesondere ist die Erfindung dann rein über Software umsetzbar und bedarf somit keiner zusätzlichen Hardware. Die Drehmoment-, Leistungs- und Effizienzgüte des Elektromotors können somit kostenfrei gesteigert werden.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird aus der Korrektur von Sollwerten der Führungsgrößen eine Korrektur des Kalibrierwertes des Rotorlageoffsetwinkels bestimmt. Beispielsweise wird die Korrektur des Kalibrierwertes des Rotorlageoffsetwinkels derart bestimmt, dass die Verwendung des korrigierten Kalibrierwertes bei der Bestimmung von Sollwerten der Führungsgrößen zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades des Elektromotors gegenüber der Verwendung des Kalibrierwertes führt. Die vorgenannte Ausgestaltung der Erfindung zielt also auf eine Korrektur des Kalibrierwertes des Rotorlageoffsetwinkels selbst und damit auf eine insgesamt verbesserte feldorientierte Stromregelung der Motorströme des Elektromotors.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
FIG 1 eine MTPA-Kurve und Stromvektoren in zwei Quadranten eines d/q-Koordinatensystems für den Motorstrom eines Elektromotors, FIG 2 ein Blockdiagramm eines Feldschwächreglers,
FIG 3 Kurven fester Spannungsausnutzung in zwei Quadranten eines d/q-Koordinatensystems für den Motorstrom eines Elektromotors.
Die Figuren 1 bis 3 illustrieren ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur feldorientierten Stromregelung von Motorströmen Id, lq eines Elektromotors, dessen Motorspannung durch eine Maximalspannung lls.max begrenzt ist. Beispielsweise ist der Elektromotor ein Motor, der von einer Batterie mit elektrischer Energie versorgt wird, wobei die Motorspannung des Elektromotors aus einer Batteriespannung der Batterie durch einen Pulswechselrichter erzeugt wird. Der Pulswechselrichter weist elektronische Schalter auf, die derart angesteuert werden, dass aus der Batteriespannung (Gleichspannung) der Batterie die Motorspannung (Wechselspannung) des Elektromotors erzeugt wird. Beispielsweise werden die elektronischen Schalter pulsweitenmoduliert angesteuert. Die Maximalspannung lls.max der Motorspannung ergibt sich aus der Batteriespannung der Batterie und der Modulationsmethode für die Ansteuerung der elektronischen Schalter des Pulswechselrichters. Beispielsweise ist der Elektromotor der Motor eines Elektrofahrzeugs und die Batterie ist eine wiederaufladbare Batterie des Elektrofahrzeugs.
Die Führungsgrößen der Stromregelung des Motorstroms sind eine d-Komponente Id und eine q-Komponente lq des Motorstroms in einem mit einem Rotor des Elektromotors mitrotierenden d/q-Koordinatensystem. Diese Führungsgrößen werden in Abhängigkeit von einem geforderten Drehmoment des Elektromotors, einer geforderten Drehzahl des Elektromotors, einer Rotortemperatur des Rotors des Elektromotors und der Maximalspannung lls.max bestimmt.
Die Stellgrößen der Stromregelung des Motorstroms sind eine zu der d-Komponente Id des Motorstroms korrespondierende d-Komponente der Motorspannung und eine zu der q-Komponente lq des Motorstroms korrespondierende q-Komponente der Motorspannung in einem d/q-Koordinatensystem für die Motorspannung.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird unter Verwendung eines Feldschwächreglers 9 durchgeführt, der als ein Softwaremodul realisiert ist. Der Feldschwächregler 9 ist eingerichtet, Sollwerte für die Motorströme Id, lq der Stromregelung zu korrigieren, wenn zum Regeln der Motorströme Id, lq auf die Sollwerte eine Motorspannung erforderlich wäre, die die Maximalspannung lls.max überschreitet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst einmalig ein Kalibrierwert eines Rotorlageoffsetwinkels zwischen einem Rotor des Elektromotors und einem Positionssensorsystem, das zur Bestimmung einer Rotorlage des Rotors eingerichtet ist, durch eine Kalibrierung des Positionssensorsystems angelernt und gespeichert.
Der Wert des Rotorlageoffsetwinkels wird insbesondere verwendet, um die Sollwerte der Komponenten Id, lq des Motorstroms zu bestimmen.
Erfindungsgemäß wird ein für die Bestimmung der Sollwerte für Id, lq verwendeter Wert des Rotorlageoffsetwinkels im Betrieb des Elektromotors mit einer Motorspannung, die wenigstens annähernd die Maximalspannung lls.max ist, gegenüber dem Kalibrierwert um einen Änderungswert Aa derart geändert, dass zum Regeln der Komponenten Id, lq des Motorstroms auf die Sollwerte eine Motorspannung erforderlich wäre, die die Maximalspannung lls.max überschreitet.
Figur 1 (FIG 1 ) zeigt beispielhaft zwei Quadranten eines d/q-Koordinatensystems für den Motorstrom mit den Komponenten Id, lq und eine MTPA-Kurve 1 (MTPA = Maximum Torque Per Ampere), auf deren Punkten jeweils ein Drehmoment des Elektromotors mit einem minimalen Motorstrom realisiert wird. Abgesehen von einem Bereich kleiner Motorströme sind die Punkte der MTPA-Kurve 1 auch diejenigen Punkte, für die eine maximale Spannungsausnutzung VUijm der Motorspannung erreicht wird, das heißt ein maximales Verhältnis der Motorspannung zur Maximalspannung lls.max. Beispielhaft zeigt Figur 1 ferner für die beiden dargestellten Quadranten des d/q-Koordinatensystems jeweils einen Stromvektor 3, bei dem die Motorspannung annähernd die Maximalspannung lls.max ist, einen idealen Stromvektor 5, der einen Punkt auf der MTPA-Kurve 1 realisiert, und einen fiktiven Stromvektor 7, dessen Komponenten sich als Sollwerte für die Motorstromkomponenten Id, lq bei dem um den Änderungswert Aa geänderten Kalibrierwert des Rotorlageoffsetwinkels jeweils statt der Komponenten des Stromvektors 3 ergäben. Figur 1 zeigt, dass der Änderungswert Aa, insbesondere das Vorzeichen dieses Änderungswertes Aa, von dem Quadranten des d/q-Koordinatensystems für den Motorstrom abhängig ist.
Die Änderung des für die Bestimmung der Sollwerte für die Komponenten Id, lq verwendeten Wertes des Rotorlageoffsetwinkels um den Änderungswert Aa aktiviert den Feldschwächregler 9, da der Änderungswert Aa derart gewählt ist, dass zum Regeln der Komponenten Id, lq des Motorstroms auf die Sollwerte eine Motorspannung erforderlich wäre, die die Maximalspannung lls.max überschreitet. Der Feldschwächregler 9 korrigiert daher automatisch die Sollwerte für die Komponenten Id, lq des Motorstroms.
Figur 2 (FIG 2) zeigt ein Blockdiagramm des Feldschwächreglers 9. Die Eingangsgrößen des Feldschwächreglers 9 sind die Maximalspannung lls.max, eine benötige Spannung Us und eine maximale Spannungsausnutzung VUum der Motorspannung. Die benötige Spannung Us ist eine Motorspannung, die erforderlich ist, um einen Motorstrom zu erzeugen, der das geforderte Drehmoment des Elektromotors und die geforderte Drehzahl des Elektromotors in Abhängigkeit von der Rotortemperatur des Rotors des Elektromotors und der Maximalspannung Us.max bewirkt. Die Ausgangsgröße des Feldschwächreglers 9 ist eine (künstlich) reduzierte maximale Spannungsausnutzung VUum,Adj. Der Feldschwächregler 9 subtrahiert zunächst die benötigte Spannung Us von der Maximalspannung Us,max. Das Ergebnis dieser Subtraktion wird einem I-Glied 11 (Integrierglied) zugeführt. Der Ausgabewert des I-Glieds 11 wird von der maximalen Spannungsausnutzung VUijm subtrahiert. Das Ergebnis dieser Subtraktion ist die reduzierte maximale Spannungsausnutzung VUum,Adj, die die Korrektur der Sollwerte für die Komponenten Id, lq des Motorstroms bewirkt. Figur 3 (FIG 3) zeigt Kurven 13, 15 fester Spannungsausnutzung in den beiden bereits in Figur 1 gezeigten Quadranten eines d/q-Koordinatensystems für den Motorstrom. Dabei realisieren die Punkte auf der Kurve 13 die maximale Spannungsausnutzung VUijm und die Punkte auf der Kurve 15 realisieren eine gegenüber VllLim reduzierte Spannungsausnutzung VUum,Adj.
Bezugszeichenliste
I MTPA-Kurve
3 Stromvektor 5 idealer Stromvektor
7 fiktiver Stromvektor
9 Feldschwächregler
I I I-Glied
13, 15 Kurven fester Spannungsausnutzung Aa Änderungswert
Us benötige Spannung
Us,max Maximalspannung
VllLim maximale Spannungsausnutzung
VllLim.Adj reduzierte maximale Spannungsausnutzung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur feldorientierten Stromregelung von Motorströmen (Id, lq) eines Elektromotors, dessen Motorspannung durch eine Maximalspannung (lls.max) begrenzt ist, unter Verwendung eines Feldschwächreglers (9), der eingerichtet ist, Sollwerte von Führungsgrößen für die Stromregelung zu korrigieren, wenn zum Regeln der Motorströme (Id, lq) auf die Sollwerte eine Motorspannung erforderlich wäre, die die Maximalspannung (lls.max) überschreitet, wobei
- ein Kalibrierwert eines Rotorlageoffsetwinkels zwischen einem Rotor des Elektromotors und einem Positionssensorsystem, das zur Bestimmung einer Rotorlage des Rotors eingerichtet ist, durch eine Kalibrierung des Positionssensorsystems angelernt und gespeichert wird und
- ein für die Bestimmung der Sollwerte verwendeter Wert des Rotorlageoffsetwinkels im Betrieb des Elektromotors mit einer Motorspannung, die wenigstens annähernd die Maximalspannung (lls.max) ist, gegenüber dem Kalibrierwert um einen Änderungswert (Aa) derart geändert wird, dass zum Regeln der Führungsgrößen auf die Sollwerte eine Motorspannung erforderlich wäre, die die Maximalspannung (lls.max) überschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei als Führungsgrößen Komponenten (Id, lq) eines Stromvektors des Motorstroms in einem d/q-Koordinatensystem für den Motorstrom verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sollwerte der Führungsgrößen in Abhängigkeit von einem geforderten Drehmoment des Elektromotors, einer geforderten Drehzahl des Elektromotors, einer Rotortemperatur des Rotors des Elektromotors und/oder der Maximalspannung (lls.max) bestimmt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der Korrektur der Sollwerte durch den Feldschwächregler (9) ein bei der Bestimmung der Sollwerte verwendeter Wert einer maximalen Spannungsausnutzung (VUijm), die ein maximales Verhältnis der Motorspannung zu der Maximalspannung (lls.max) angibt, durch einen Wert ersetzt wird, der zu einer reduzierten maximalen Spannungsausnutzung (VUum,Adj) korrespondiert.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Änderungswert (Aa) für den Rotorlageoffsetwinkel zu einer Toleranzgenauigkeit der Kalibrierung des Positionssensorsystems korrespondiert.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Maximalspannung (lls.max) zu einer von einer Batterie zum Betreiben des Elektromotors bereitgestellten Batteriespannung und einer gewählten Modulationsmethode für eine Steuerung von elektronischen Schaltern eines Pulswechselrichters zur Realisierung der Motorspannung korrespondiert.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Maximalspannung (lls.max) auf ein d/q-Koordinatensystem für die Motorspannung bezogen ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Feldschwächregler (9) als ein Softwaremodul realisiert ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus der Korrektur von Sollwerten der Führungsgrößen eine Korrektur des Kalibrierwertes des Rotorlageoffsetwinkels bestimmt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Korrektur des Kalibrierwertes des Rotorlageoffsetwinkels derart bestimmt wird, dass die Verwendung des korrigierten Kalibrierwertes bei der Bestimmung von Sollwerten der Führungsgrößen zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades des Elektromotors gegenüber der Verwendung des Kalibrierwertes führt.
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