WO2007071520A1 - Verfahren und vorrichtung zur ansteuerung eines elektromotors - Google Patents

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WO2007071520A1
WO2007071520A1 PCT/EP2006/068849 EP2006068849W WO2007071520A1 WO 2007071520 A1 WO2007071520 A1 WO 2007071520A1 EP 2006068849 W EP2006068849 W EP 2006068849W WO 2007071520 A1 WO2007071520 A1 WO 2007071520A1
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motor
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PCT/EP2006/068849
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Matthias Schanzenbach
Juergen Hachtel
Markus Wimmer
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02P1/00—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters
    • H02P1/16—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters
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    • H02P7/285—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices controlling armature supply only
    • H02P7/29—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices controlling armature supply only using pulse modulation

Definitions

  • the invention is based on a method and a device for operating an electronic motor controlled by pulse width modulation on a DC voltage network according to the independent claims.
  • the present invention describes a method and a device for controlling and / or regulating an electric motor.
  • Such electric motors are used for example in motor vehicles in the form of pump motors. It is generally provided to supply the electric motor from a battery and / or by means of a generator with electrical energy.
  • the control and / or regulation takes place by means of a high-frequency pulse width modulation (PWM).
  • PWM pulse width modulation
  • the essence of the invention is that during start-up of the electric motor by means of the PWM the motor current necessary for the operation of the electric motor is increased continuously, for example from the value 0.
  • the advantage of such a control of the electric motor is that current peaks can be avoided, which are caused by the occurring during start-up of electric motors large starting currents. Such current peaks can lead to damage to the battery. Furthermore, these current peaks can cause a dynamic voltage dip, which in other consumers who also from the battery and / or the
  • Generator can be supplied, can lead to failure.
  • the current gradient, with which the motor current is continuously increased limited to a predetermined maximum value.
  • the maximum value which can also be designed as a setpoint value, can be predefined as a function of operating parameters of the battery and / or of the generator. Typical operating parameters represent the discharge current of the battery and / or the current increase generated by the generator. In addition, however, the structural design of the generator can be used to specify the maximum value, for example by the
  • Determination of the maximum achievable current gradient by the generator is defined as the current that can be generated within a given time by the generator.
  • a maximum target rotational speed can be used, which is predetermined as a function of the battery voltage.
  • Another possibility is to take into account the load torque, which is applied to the electric motor or must be applied by the electric motor, in determining the maximum target speed.
  • the intended for the operation of the electric motor battery or the generator supplies additional electrical consumers with energy. It is prevented by the present invention that it comes at current peaks during startup of the electric motor to a failure of these other consumers.
  • the continuous increase of the motor current or the current gradient to which this increase is limited is made dependent on the supply of the further consumers with electrical energy. For example, the power demand for more consumers in one Vehicle such as the heater, the light or an ACC (Adaptive Cruise Control) can be considered to determine the allowable current gradient.
  • Figure 1 shows schematically in a block diagram an inventive device for
  • FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram of an electric motor.
  • FIGS. 5a to 5c show diagrams for explaining the derivation of the speed limitation.
  • the electric motor When operating an electric motor, a high power requirement occurs during startup. If the electric motor is powered by a battery with electrical energy, it can be a
  • the energy supplied to the motor or the supplied motor current is slowly increased, in order to avoid unwanted high current peaks and to protect the electrical system of the vehicle.
  • FIG. 1 schematically shows a possible device with which a slow or continuous increase of the motor current at the electric motor 180 can be achieved.
  • a processing unit 110 is provided in a control unit 100, for example in the form of a microprocessor or an ASICS, which evaluates external data and derives therefrom control signals which control or regulate the electric motor 180 and possibly also a generator 190 present in the vehicle.
  • operating parameters of the electric motor itself can be detected as external data, which are recorded by means of a suitable means 130 and forwarded to the processing unit 110.
  • operating parameters can also be understood to mean the pressure ratio in the hydraulic branch before and after a pump motor, which by means of
  • Pressure sensors or models can be determined.
  • predetermined operating parameters of the electric motor can also be detected as operating parameters, which can optionally be stored directly in a suitable memory on the electric motor or in the control unit. Schematically, such a memory is represented by the block 120.
  • This device can also query the required load torque for the electric motor and direct it to the processing unit 110 so that this at the
  • Control can be considered.
  • a generator 190 is present in the vehicle in which the control unit 100 is used, its operating parameters can likewise be used to generate the control signals of the electric motor 180.
  • its operating parameters can likewise be used to generate the control signals of the electric motor 180.
  • a suitable generator 190 for example, by means of a suitable
  • the current operating state of the generator 190 detected.
  • specific structural parameters of the generator 190 can be taken into account, which can be stored in a memory on the generator or in the control unit.
  • Construction parameters can be understood, for example, as the maximum current flow rate that can be generated by the generator, ie the current that can be generated within a predetermined time.
  • the state of the battery 160 is also detected and taken into account. It is primarily on the state of charge or the degree of strain of
  • Target battery through other consumers it is also possible to specifically detect the required supply power of the further consumers by suitable means 170 in order to be able to make a prognosis about the utilization of the battery 160.
  • suitable means 170 Such a prognosis can also be incorporated in the control of the electric motor 180, for example when the battery supplies the only supply voltage for the consumers considered.
  • the generator 190 can likewise be operated as a function of the detected data and / or as a function of the activation of the electric motor 180.
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram in which the control unit 200 controls the electric motor 220 by means of a motor voltage U M or a motor current I M. Typically, such control is performed by (high frequency) pulse width modulation.
  • the power supply of the controller 200 and the electric motor 220 is in the present case by a battery 230, which supplies a battery voltage U Ba t, and a
  • the control unit 200 or the electric motor 220 can be supplied with a higher current I Zu .
  • the generator and the battery are usually connected in parallel in the vehicle and the generator is readjusted only with a certain current gradient (eg 300 to 1000 A / s), the power is supplied from the battery in a jump-like switching on the motor. These high currents can damage the battery. By specifying a maximum current gradient, ie a defined increase in current in a given time when driving the motor during startup, such damage can be avoided. If, in addition, the current gradient is adapted to the current gradient of the generator, the motor current required for starting the motor can be generated completely by the generator of the vehicle. This spares the battery from high current jumps. About that In addition, in such a control dynamicchrossein stipulate be avoided in the electrical system, since the battery is relieved.
  • a certain current gradient eg 300 to 1000 A / s
  • FIG. 400 shows a continuous course, which after a certain time, like the course according to FIG. 420, also changes into a constant power requirement for the operation of the motor.
  • different current gradients may be set, which are required depending on the hydraulic power requirement of an existing in the vehicle ESP controller.
  • the setting of the maximum current gradient can be carried out by specifying a setpoint speed.
  • the maximum setpoint speed used in this way is calculated in accordance with a particular exemplary embodiment
  • the maximum setpoint speed can be derived as follows:
  • the motor voltage U M can be divided into different partial voltages U R (assignment to the ohmic resistance
  • the system equations of the motor can be derived from the stress balance and the spin set and read: ⁇ d ⁇ _
  • the states here are the armature current i and the rotational speed ⁇ .
  • the parameters are the inductance L, the moment of inertia J, the motor constant K and the resistance R.
  • the inputs of the system are the manipulated variable supply voltage U and the load torque Ti oad .
  • the load torque depends on the pressure applied to the pump elements and the
  • the load torque is composed of a constant friction component and a pressure-dependent load component: ⁇ / Where p is the pressure-side and p ds ss represents the suction pressure, which values can for example be taken from HIM (hydraulic model of the ESP) or directly detected by pressure sensors.
  • HIM hydroaulic model of the ESP
  • the load torque can be assumed to be known.
  • the supply voltage U is calculated so that the desired
  • the first term takes into account the inertia of the motor, the second the voltage induced by rotation and the third the required voltage due to the load torque.
  • the scan of the controller is 5ms. Therefore, both the supply voltage U and the desired trajectory ⁇ d (t) can be modified in these time steps.
  • the trajectory is planned over a sampling cycle. This is shown in FIG. 5a.
  • the desired speed at time j + 1 is thus selected so that both control value limitations are met and the current gradient does not exceed the required maximum.
  • the calculation of the new setpoint value ⁇ d J + 1 will be discussed in more detail below. For this, the calculation of the control is necessary first.
  • controller component is composed of proportional and integral component.
  • equations can be written as follows:
  • the manipulated variable U is composed of feedforward control U d and control U H :
  • the speed control receives a setpoint speed from higher-level functions. However, it can not be guaranteed that it can be performed by the pump. Therefore, the target speed at the next time (j + l) should be modified so that
  • the current can be expressed in the time m as a function of the load torque and the spin.
  • the new setpoint speed is thus subject to the restriction (4.1) of the restriction ⁇ d J + 1 ⁇ > J + 1 .
  • (5.6) Under nominal conditions (no model error, ideal load moment estimation) condition (5.6) can therefore be used to maintain the permitted motor current gradient. It should be noted that both model errors and faulty load moment estimates can lead to deviations.
  • FIG. 5c shows the PWM generator with its interfaces.
  • the motor voltage is calculated as a function of the PWM duty cycle and the battery voltage:
  • ⁇ i £ ⁇ i ⁇ t PWM J + i ⁇ ot ⁇ PWM J + 1 _ (5 g)
  • the motor current of the last cycle i mot J and the PWM J can be calculated from known quantities of the last cycle:
  • the motor current difference can be expressed using the equation of motion as follows
  • the change in the PWM is calculated from the quotient of the supply voltage U to the battery voltage U ba t:

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung eines Elektromotors. Derartige Elektromotoren werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen in Form von Pumpenmotoren eingesetzt. Allgemein ist vorgesehen, den Elektromotor aus einer Batterie und/oder mittels eines Generators mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Steuerung und Regelung erfolgt dabei mittels einer hochfrequenten Pulsweitenmodulation (PWM). Der Kern der Erfindung besteht darin, dass beim Anlauf des Elektromotors mittels der PWM der zum Betrieb des Elektromotors notwendige Motorstrom kontinuierlich, beispielsweise vom Wert 0 aus, erhöht wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines Elektromotors
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Betreiben eines durch Pulsweitenmodulation gesteuerten Elektromotors an einem Gleichspannungsnetz gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 199 44 194 Al bekannt, bei dem die Endstufe eines elektronisch kommutierbaren Motors über eine elektronische Steuereinheit mittels pulsweitenmodulierter Signale gesteuert wird. Hierbei wird der Elektromotor mit
Spannungsimpulsen aus einem Gleichstromnetz versorgt entsprechend den von einer Sollwertstufe vorgegebenen Steuerspannungsimpulsen.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung eines Elektromotors. Derartige Elektromotoren werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen in Form von Pumpenmotoren eingesetzt. Allgemein ist vorgesehen, den Elektromotor aus einer Batterie und/oder mittels eines Generators mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Steuerung und/oder Regelung erfolgt dabei mittels einer hochfrequenten Pulsweitenmodulation (PWM). Der Kern der Erfindung besteht darin, dass beim Anlauf des Elektromotors mittels der PWM der zum Betrieb des Elektromotors notwendige Motorstrom kontinuierlich, beispielsweise vom Wert 0 aus, erhöht wird. Der Vorteil bei einer derartigen Ansteuerung des Elektromotors liegt darin, dass Stromspitzen vermieden werden können, die durch die beim Anlauf von Elektromotoren auftretenden großen Anlaufströme entstehen. Derartige Stromspitzen können zu einer Schädigung der Batterie führen. Weiterhin können diese Stromspitzen einen dynamischen Spannungseinbruch hervorrufen, der bei anderen Verbrauchern, die ebenfalls von der Batterie und/oder dem
Generator versorgt werden, zu einem Ausfall führen kann.
Vorteilhafterweise wird deshalb der Stromgradient, mit dem der Motorstrom kontinuierlich erhöht wird, auf einen vorgegebenen Maximalwert begrenzt.
Der Maximalwert, der ebenfalls als Sollwert ausgestaltet sein kann, kann dabei in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Batterie und/oder des Generators vorgegeben werden. Typische Betriebsparameter stellen dabei den Entladestrom der Batterie und/oder den vom Generator erzeugten Stromanstieg dar. Darüber hinaus kann jedoch auch die bauliche Ausgestaltung des Generators verwendet werden, um den Maximalwert vorzugeben, beispielsweise durch die
Bestimmung der vom Generator maximal erreichbaren Stromsteilheit. Letztere wird definiert als der Strom, der innerhalb einer vorgegeben Zeit durch den Generator erzeugt werden kann.
Um den Anstieg des Motorstroms bzw. den Stromgradienten zu begrenzen, kann in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, die Drehzahl des Elektromotors zu begrenzen.
Dabei kann beispielsweise eine maximale Solldrehzahl verwendet werden, die in Abhängigkeit von der Batteriespannung vorgegeben wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Lastmoment, welches am Elektromotor anliegt oder vom Elektromotor aufgebracht werden muss, bei der Bestimmung der maximalen Solldrehzahl zu berücksichtigen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass die zum Betrieb des Elektromotors vorgesehene Batterie bzw. der Generator weitere elektrische Verbraucher mit Energie versorgt. Dabei wird durch die vorliegende Erfindung verhindert, dass es bei Stromspitzen während des Anlaufs des Elektromotors zu einem Ausfall dieser weiteren Verbraucher kommt. In einer Weiterbildung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die kontinuierliche Erhöhung des Motorstroms bzw. der Stromgradient, auf den diese Erhöhung begrenzt ist, von der Versorgung der weiteren Verbraucher mit elektrischer Energie abhängig gemacht wird. So kann beispielsweise der Strombedarf für weitere Verbraucher in einem Fahrzeug wie etwa die Heizung, das Licht oder ein ACC (Adaptive Cruise Control) darstellen berücksichtigt werden, um den zulässigen Stromgradienten zu bestimmen.
In einer speziellen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass lediglich der Elektromotor durch den Generator mit elektrischer Energie versorgt wird, wohingegen die weiteren elektrischen Verbraucher weitestgehend durch die elektrische Energie versorgt werden, die die Batterie liefert. Dabei ist durchaus auch denkbar, dass die Trennung der Versorgung nur während der Anlaufphase des Elektromotors stattfindet.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Zeichnungen
Figur 1 zeigt schematisch in einem Blockschaltbild eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur
Steuerung bzw. Regelung eines Elektromotors. Ein entsprechendes Schaltbild ist in Figur 2 dargestellt. In Figur 3 wird ein Ersatzschaltbild eines Elektromotors gezeigt. Ein Vergleich des Motorstroms mit und ohne Stromgradientenbegrenzung ist in Figur 4 dargestellt. Die Figuren 5a bis 5c zeigen Darstellungen zur Erläuterung der Herleitung der Drehzahlbegrenzung.
Ausführungsbeispiel
Beim Betrieb eines Elektromotors kommt es beim Anlauf zu einem hohen Strombedarf. Wird der Elektromotor dabei durch eine Batterie mit elektrischer Energie versorgt, kann es zu einem
Einbruch der durch die Batterie gelieferten Versorgungsspannung kommen. Dieser dynamische Spannungseinbruch kann andere Verbraucher beeinträchtigen, die ebenfalls an der Batterie angeschlossen sind. Vor allem beim Anlauf eines elektrischen (Pumpen-)Motors in einem Fahrzeug, beispielsweise bei der Druckerzeugung im Rahmen eines elektro-hydraulischen Bremssystems, kann eine derartige temporär erniedrigte Versorgungsspannung zu Problemen bei anderen im Fahrzeug befindlichen elektrischen Komponenten führen. - A -
AIs Abhilfe wird gemäß der vorliegenden Erfindung die dem Motor zugeführte Energie bzw. der zugeführte Motorstrom langsam erhöht, um ungewollt hohe Stromspitzen zu vermeiden und das Bordnetz des Fahrzeugs zu schonen.
Figur 1 zeigt schematisch eine mögliche Vorrichtung, mit der eine langsame bzw. kontinuierliche Erhöhung des Motorstroms am Elektromotor 180 erreicht werden kann. Dabei ist in einem Steuergerät 100 eine Verarbeitungseinheit 110 beispielsweise in Form eines Mikroprozessors oder eines ASICS vorgesehen, welche externe Daten auswertet und daraus Ansteuersignale ableitet, die den Elektromotor 180 und ggf. auch einen im Fahrzeug vorhandenen Generator 190 steuert bzw. regelt.
Als externe Daten können dabei Betriebsparameter des Elektromotors selbst erfasst werden, die mittels eines geeigneten Mittels 130 aufgenommen und an die Verarbeitungseinheit 110 weitergeleitet werden. Unter Betriebsparameter kann dabei auch das Druckverhältnis im hydraulischen Zweig vor und nach eines Pumpenmotors verstanden werden, das mittels
Drucksensoren oder Modellen ermittelt werden kann. Darüber hinaus können als Betriebsparameter jedoch auch vorgegebene Ansteuerparameter des Elektromotors erfasst werden, die wahlweise in einem geeigneten Speicher direkt am Elektromotor oder im Steuergerät abgelegt werden können. Schematisch sei ein solcher Speicher durch den Block 120 dargestellt.
Zur Initiierung der kontinuierlichen Stromerhöhung ist weiterhin notwendig, dass eine Anforderung zur Inbetriebnahme des Elektromotors durch eine entsprechende Vorrichtung 140 erfasst wird. Diese Vorrichtung kann darüber hinaus auch das geforderte Lastmoment für den Elektromotor abfragen und an die Verarbeitungseinheit 110 leiten, damit dieses bei der
Ansteuerung berücksichtig werden kann.
Ist in dem Fahrzeug, in dem das Steuergerät 100 eingesetzt wird, ein Generator 190 vorhanden, so können dessen Betriebsparameter ebenfalls zur Erzeugung der Ansteuersignale des Elektromotors 180 verwendet werden. Dazu wird beispielsweise mittels eines geeigneten
Mittels 150 der aktuelle Betriebszustand des Generators 190 erfasst. Darüber hinaus ist auch denkbar, dass spezifische Bauparameter des Generators 190 berücksichtigt werden können, die in einem Speicher am Generator oder im Steuergerät abgelegt werden können. Als spezifischer Bauparameter kann beispielsweise die vom Generator maximal erzeugbare Stromsteilheit, d.h. der erzeugbare Strom innerhalb einer vorgegeben Zeit verstanden werden.
Zur Ansteuerung des Elektromotors 180 wird zudem der Zustand der Batterie 160 erfasst und berücksichtigt. Dabei ist vornehmlich auf den Ladezustand bzw. den Beanspruchungsgrad der
Batterie durch weitere Verbraucher abzuzielen. Es ist jedoch auch möglich, gezielt die benötigte Versorgungsleistung der weiteren Verbraucher durch geeignete Mittel 170 zu erfassen, um eine Prognose über die Auslastung der Batterie 160 erstellen zu können. Eine derartige Prognose kann dabei ebenfalls in die Ansteuerung des Elektromotors 180 einfließen, beispielsweise wenn die Batterie die einzige Versorgungsspannung für die berücksichtigten Verbraucher liefert.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann auch vorgesehen sein, dass der Generator 190 ebenfalls in Abhängigkeit von den erfassten Daten und/oder in Abhängigkeit von der Ansteuerung des Elektromotor 180 betrieben werden kann.
In Figur 2 ist ein schematisches Blockschaltbild dargestellt, in dem das Steuergerät 200 den Elektromotor 220 mittels einer Motorspannung UM bzw. eines Motorstroms IM steuert. Typischerweise wird eine derartige Steuerung durch eine (hochfrequente) Pulsweitenmodulation durchgeführt. Die Energieversorgung des Steuergeräts 200 bzw. des Elektromotors 220 wird im vorliegenden Fall durch eine Batterie 230, die eine Batteriespannung UBat liefert, und einen
Generator 210 gesichert. Durch die Kombination der Batterie und des Generators kann das Steuergerät 200 bzw. der Elektromotor 220 mit einem höheren Strom lZuι versorgt werden.
Da der Generator und die Batterie im Fahrzeug üblicherweise parallel geschaltet sind und der Generator nur mit einer gewissen Stromsteilheit (z.B. 300 bis 1000 A/s) nachgeregelt wird, wird bei einem sprungförmigen Einschalten des Motors der Strom aus der Batterie geliefert. Diese hohen Ströme können die Batterie schädigen. Durch die Vorgabe eines maximalen Stromgradienten, d.h. eines definierten Stromanstiegs in einer vorgegebenen Zeit bei der Ansteuerung des Motors während des Anlaufs kann eine derartige Schädigung vermieden werden. Wird zudem der Stromgradient an die Stromsteilheit des Generators angepasst, kann der zum Hochlaufen des Motors benötigte Motorstrom komplett durch den Generator des Fahrzeugs erzeugt werden. Dies verschont die Batterie vor hohen Stromsprüngen. Darüber hinaus werden bei einer derartigen Ansteuerung dynamische Spannungseinbrücke im Bordnetz vermieden, da die Batterie entlastet wird.
Der Vergleich der Beanspruchung eines Motoranlaufs mit und ohne Stromgradientenbegrenzung ist in Figur 4 dargestellt. Aufgetragen ist dabei der für den Anlauf des Motors benötigte Motorstrom IM über der Zeit t. Der Verlauf gemäß 420 zeigt dabei den Motorstrom IM ohne Strombegrenzung mit einer sehr hohen Stromspitze kurz nach dem Start des Hochfahrens. Der gestrichelte Verlauf gemäß 400 zeigt hingegen einen kontinuierlichen Verlauf, der nach einer gewissen Zeit ebenfalls wie der Verlauf gemäß 420 in einen konstanten Strombedarf zum Betrieb des Motors übergeht.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel können auch verschiedene Stromgradienten eingestellt werden, die je nach hydraulischer Leistungsanforderung eines im Fahrzeug vorhandenen ESP- Reglers erforderlich sind.
Da der Elektromotor typischerweise zusätzlich eine Drehzahlregelung aufweist, kann die Einstellung des maximalen Stromgradienten über die Vorgabe einer Solldrehzahl durchgeführt werden. Die so verwendete maximale Solldrehzahl errechnet sich dabei in einem besonderen Ausführungsbeispiel gemäß
>
Figure imgf000007_0001
Die maximale Solldrehzahl lässt sich folgendermaßen herleiten:
Wie anhand eines Ersatzschaltbildes eines Elektromotors (siehe Figur 3) zeigen lässt, kann die Motorspannung UM in verschiedenen Teilspannung UR (Zuordnung zum ohmschen Widerstand
300 des Motors), Uind (Zuordnung zum induktiven Widerstand 320 des Motors) und V>QW (Zuordnung zum generatorischen Anteil 340 des Motors) aufgespalten werden.
Die Systemgleichungen des Motors lassen sich aus Spannungsbilanz und Drallsatz herleiten und lauten: τ dω _
L— = U - Ri - Kω dt (i.i)
Die Zustände sind hierbei der Ankerstrom i und die Drehzahl ω. Die Parameter sind die Induktivität L, das Trägheitsmoment J, die Motorkonstante K und der Widerstand R. Die Eingänge des Systems sind die Stellgröße Versorgungsspannung U und das Lastmoment Tioad. Das Lastmoment ist abhängig von den an den Pumpenelementen anliegenden Drücken und der
Drehzahl. In erster Näherung kann die Drehzahlabhängigkeit vernachlässigt werden. Somit setzt sich das Lastmoment aus einem konstanten Reibanteil und einem druckabhängigen Lastanteil zusammen:
Figure imgf000008_0001
~ / Hierbei stellt pds den druckseitigen und pss den saugseitigen Druck dar, deren Werte beispielsweise aus HIM (Hydraulikmodel des ESP) entnommen oder direkt durch Drucksensoren erfasst werden kann. Somit kann das Lastmoment als bekannt vorausgesetzt werden.
Im folgenden wird die Versorgungsspannung U so berechnet, dass sich die gewünschte
Solldrehzahl einstellt. Grundlage hierfür ist die Theorie der flachen Systeme. Wählt man als Ausgang die Drehzahl ω y = ω , (i.2) so erhält man durch die erste Ableitung und Einsetzen in die Systemgleichungen (1.1) eine Beziehung zwischen dem Ankerstrom i und der Drehbeschleunigung y = ώ = I(κi -τload ) → i = l(jώ+ τload )
J κ . (1.3)
Bei weiterem Ableiten tritt die Versorgungsspannung U auf:
y = ώ = — (U - Ri - Kω) + ^ JL J (1.4)
Durch Auflösen nach U erhält man
JL RJ R L
U = - ώ + — ώ + Kω + — T loa ,d + — T L,load
K K K . (1.5) Diese Gleichung lässt sich aufgrund dem kleinen Einfluss der Induktivität vereinfachen. Durch Einsetzen der Sollgrößen erhält man somit eine Steuerung, die das System entlang der Solltrajektorie ωd bewegt:
Ud = -^ώd + Kωd + ^Tload κ κ . (1.6)
Der erste Term berücksichtigt hierbei die Trägheit des Motors, der zweite die durch Drehung induzierte Spannung und der dritte die benötigte Spannung aufgrund des Lastmoments.
Planung der Solltrajektorie
Die Abtastung des Steuergeräts beträgt 5ms. Daher kann sowohl die Versorgungsspannung U als auch die Solltrajektorie ωd(t) in diesen Zeitschritten modifiziert werden. In einem ersten Schritt wird hier die Trajektorie über einen Abtastzyklus geplant. Dies ist in der Figur 5a dargestellt.
Zum Zeitpunkt j wird somit die Solldrehzahl zum Zeitpunkt j+1 so gewählt, dass sowohl Stellgrößenbeschränkungen eingehalten werden als auch der Stromgradient das geforderte Maximum nicht überschreitet. Auf die Berechnung des neuen Sollwertes ωd J+1 wird im folgenden näher eingegangen. Dazu ist zuerst die Berechnung der Regelung notwendig.
Berechnung der Regelung
Zur Regelung der Solldrehzahl wird ein linearer PI-Regler eingesetzt. Somit setzt sich der Regleranteil aus Proportional- und Integralanteil zusammen. In diskretisierter Schreibweise lassen sich somit die allgemeinen Reglergleichungen wie folgt anschreiben:
U^1 = kp(ωi -ωieas )+kI£(ωd -ωias )
1=1 u?
Hierbei muß jedoch die Tatsache berücksichtigt werden, dass die zum Zeitpunkt j gehörende Versorgungsspannung U erst zum Zeitpunkt j+1 ausgegeben wird und daher die Solltrajektorie um eine Abtastzyklus verschoben wird. Diese Sachverhalt wird in der Figur 5b verdeutlicht. Daher wird im Regler die aktuelle Drehzahl mit der Solldrehzahl des letzten Zyklus verglichen. Somit ergibt sich für den Regler folgende Gleichung:
U^ = (kp + -C 1W -O)L. ) + ! (3.1)
Steuerung und Regelung
Die Stellgröße U setzt sich aus Vorsteuerung Ud und Regelung UH zusammen:
R T R
U = Ud + UPI = — ώd + Kωd + -Tload + UPI κ κ . (3.2)
Hierbei müssen die in der Steuerung verwendete Drehzahl und Drehbeschleunigung noch festgelegt werden. Die Drehbeschleunigung wird durch lineare Interpolation der Solldrehzahl zum Zeitpunkt j undj+1 ermittelt ωd +1 - ωd ωd =
Δt (3.3) Somit ergibt sich die Stellgröße U+1 zum Zeitpunkt j+1 durch
Figure imgf000010_0001
Hierbei ist zu beachten, dass lediglich der Steueranteil von der neuen Sollgröße ωd J+1 abhängt. Diese Gleichung wird im folgenden verwendet um Stellgrößenbeschränkungen zu verhindern
Einhaltung von Stellgrößenbeschränkungen
Die Drehzahlregelung erhält von übergeordneten Funktionen eine Solldrehzahl. Jedoch kann nicht gewährleistet werden, dass diese durch die Pumpe ausgeführt werden kann. Daher soll die Solldrehzahl zum nächsten Zeitpunkt (j+l) so modifiziert werden, dass
Stellgrößenbeschränkungen erfüllt werden und daher die Drehzahl durch die Pumpe erreicht werden kann. Im folgenden werden hierfür durch (3.4) eine obere Schranke (d+1 max und untere Schranke (d+1 mm für die Solldrehzahl berechnet, innerhalb denen die Stellgrößenbeschränkungen eingehalten werden. Die Solldrehzahl wird durch die Schranken beschränkt:
Figure imgf000011_0001
Die beiden Schranke lassen sich durch (3.4) errechnen. Durch Auflösen von (3.4) nach C^+1 und einsetzen der Maximalspannung erhält man die obere Schranke:
Figure imgf000011_0002
Durch Einsetzen der Minimalspannung U=Umm erhält man die untere Schranke.
Figure imgf000011_0003
Durch (4.1)-(4.3) kann somit gewährleistet werden, dass Stellgrößenbeschränkungen eingehalten werden. Jedoch können weiterhin sehr große Stromgradienten auftreten. Die
Beschränkung der Stromgradienten wird im folgenden beschrieben.
Begrenzung des Stomgradienten
a. Begrenzung Motorstromgradient
Aus der Momentenbilanz (1.1) lässt sich der Strom im zum Zeitpunkt m in Abhängigkeit des Lastmoments und der Drehbeschleunigung ausdrücken.
1 = — lTload + Jω ) κ . (5.1)
Zur Begrenzung des Stromgradienten ist die Änderung des Stromes zwischen den Abtastschritten maßgebend. Durch (5.1) kann die Stromänderung in Abhängigkeit der Lastmomentänderung und der Drehbeschleunigungsänderung bestimmt werden:
Δij+1 =ij+i -ij =-^(ώj+i -ώ' H-^fc -TU )
K K (5.2) Durch Einsetzten der maximal erlaubten Stromänderung Δimax erhält man somit die maximale
Drehbeschleunigung: ώ^ =γΔimax +ώJ -ifc -T1iad)
Figure imgf000012_0001
Hierbei ist zu beachten, dass die Lastmomentänderung aufgrund des unbekannten Lastmomentes zum Zeitpunkt j+1 durch die Lastmomentenänderung des letzten Zyklus approximiert wird. Somit erhält man durch lineare Approximation der Drehbeschleunigung eine weiter Bedingung für die neue Solldrehzahl ωd J+1:
, ωJ+1 -ωJ Δt (5.4) ω,J+1 = ωJ + Δtώitl
Die neue Solldrehzahl unterliegt somit neben den Beschränkungen aus (4.1) der Beschränkung ω d J+1 < ω > J+1 . (5.6) Unter nominalen Bedingungen (keine Modellfehler, ideale Lastmomentabschätzung) kann somit durch Bedingung (5.6) der erlaubte Motorstromgradient eingehalten werden. Es ist zu beachten, daß sowohl Modellfehler als auch fehlerhafte Lastmomentabschätzungen zu Abweichungen führen können.
b. Begrenzung Batteriestromgradient
Maßgebend für die Bordnutzbelastung ist nicht direkt der Motorstrom imot, sondern der vom PWM Generator benötigte Batteriestrom ibat. In der Figur 5c ist der PWM-Generator mit seinen Schnittstellen skizziert.
Aufgrund der Glättung des Batteriestroms durch Filter und der hohen Taktfrequenz wird hier von gemittelten Gleichspannungen ausgegangen. In Abhängigkeit des PWM-Tastverhältnisses und der Batteriespannung wird die Motorspannung berechnet:
Umot = PWM Ubat _ (5 7) Betrachtet man die Leistungsbilanz des PWM-Generators
^ bat bat ^ mot mot erhält man für den Batteriestrom ibat = imotPWM _ Für den Stromgradienten der Batteriespannung gilt somit: ibat = LtPWM + imotPWM oder geschrieben mit Differenzen folgt
Δi£ = Δi^tPWMJ +i^otΔPWMJ+1 _ (5 g)
Der Motorstrom des letzten Zyklus imot J und die PWMJ können hierbei aus bekannten Größen des letzten Zyklus berechnet werden:
U1 - Kωi
^mot
R
U1
PWM ] = ■ Uba" . (5.10)
Die Motorstromdifferenz lässt sich mit Hilfe der Bewegungsgleichung wie folgt ausdrücken
Figure imgf000013_0001
Ersetzt man die Drehbeschleunigung des j+1 Zykluses durch die entsprechende
Differenzenapproximation erhält man
AiJ+ι = - ωJ \+ — AT = ω7 ωJ ωJ + — K At K KAt KAt K K ki k* . (5.12)
Die Änderung der PWM berechnet sich aus dem Quotient von Versorgungsspannung U zu Batteriespannung Ubat:
UJ+ι APWM J+ι = PWMJ+ι - PWM1 = PWM1. Uba" (5.13)
Die Berechnung der Versorgungsspannung U wurde bereits oben hergeleitet (siehe (3.4)):
Figure imgf000013_0002
Um Rückwirkungen der Regelung auf die Trajektorienplanung zu verhindern wird hierbei der Regelanteil vernachlässigt. Setzt man dies in die Änderung der PWM ein: APWMJ+1 = — — +-^ - PWM] = -^ωJ+1 + -^ - PWMJ
U bau U bau U b, au k" kl (5.15)
Durch Einsetzen von (5.12) und (5.15) in (5.9) erhält man
AC
Figure imgf000014_0001
(5.16)
Oder aufgelöst nach der Drehzahl C^+1:
Figure imgf000014_0002
Setzt man für die Batteriestromänderung den maximal erlaubten Wert ein, erhält man die zugehörige Solldrehzahl:
Figure imgf000014_0003
(5.18)

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung eines Elektromotors, wobei vorgesehen ist, dass
- der Elektromotor (180, 220) aus einer Batterie (130, 230) und/oder einem Generator (150, 190, 210) mit elektrischer Energie versorgt wird und
- zur Steuerung und/oder Regelung eine hochfrequente pulsweitenmodulierte Spannung an den Elektromotor angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der beim Anlauf des Elektromotors zum Betrieb des Elektromotors aus der Batterie und/oder dem Generator zugeführte Motorstrom (IM) kontinuierlich erhöht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstieg des Motorstroms in einer vorgebbaren Zeit auf einen vorgegebenen Sollwert begrenzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert in Abhängigkeit von Betriebsparametern
- des Generators und/oder - der Batterie vorgegeben wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der Sollwert in Abhängigkeit
- vom erzeugten Stromanstieg des Generators und/oder
- vom Entladestrom der Batterie vorgegeben wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor zur Begrenzung des Stromgradienten höchstens mit einer vorgegebenen Solldrehzahl (ω/+1 ) betrieben wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die
Solldrehzahl in Abhängigkeit von
- der Batteriespannung, und/oder
- dem Lastmoment am Elektromotor vorgegeben wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vorgesehen ist, dass weitere Verbraucher (160) durch die Batterie und/oder den Generator mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei die kontinuierliche Erhöhung in Abhängigkeit von der Versorgung der weiteren Verbraucher mit elektrischer Energie vorgesehen ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Versorgung der weiteren Verbraucher durch die Batterie erfolgt, wohingegen eine Versorgung des Elektromotors wenigstens während der Anlaufphase durch den Generator erfolgt.
7. Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung eines Elektromotors, wobei
- der Elektromotor (180, 220) mittels einer Batterie (130, 230) und/oder einem Generator (150, 190, 210) mit elektrischer Energie versorgt wird und
- ein Mittel (100, 200) zur Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors mittels einer an den Elektromotor angelegten hochfrequenten pulsweitenmodulierten Spannung dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel beim Anlauf des Elektromotors den zum Betrieb des Elektromotors aus der
Batterie und/oder dem Generator zugeführten Motorstrom (IM) kontinuierlich erhöht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel den Anstieg des Motorstroms in einer vorgebbaren Zeit auf einen vorgegebenen Sollwert begrenzt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel den Sollwert in Abhängigkeit - von Betriebsparametern des Generators und/oder
- der Batterie vorgibt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass - der Sollwert in Abhängigkeit vom erzeugten Stromanstieg des Generators und/oder
- vom Entladestrom der Batterie vorgegeben wird.
1 O.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor zur Begrenzung des Stromgradienten höchstens mit einer vorgegebenen
Solldrehzahl (ω/+1 ) betrieben wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Solldrehzahl in Abhängigkeit von
- der Batteriespannung, und/oder
- dem Lastmoment am Elektromotor vorgegeben wird.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass vorgesehen ist, dass weitere Verbraucher (160) durch die Batterie und/oder den Generator mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei die kontinuierliche Erhöhung in Abhängigkeit von der Versorgung der weiteren Verbraucher mit elektrischer Energie vorgesehen ist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass eine Versorgung der weiteren Verbraucher durch die Batterie erfolgt, wohingegen eine Versorgung des Elektromotors wenigstens während der Anlaufphase durch den Generator erfolgt.
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