WO2017037045A1 - Verfahren zur steuerung einer elektrischen maschine, computerprogramm, reglereinrichtung sowie elektrische maschine - Google Patents

Verfahren zur steuerung einer elektrischen maschine, computerprogramm, reglereinrichtung sowie elektrische maschine Download PDF

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WO2017037045A1
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current
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Jan KLÖCK
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Technische Universität Braunschweig
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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
    • H02P21/0085—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
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
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    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • H02P21/20—Estimation of torque
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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
    • H02P21/22—Current control, e.g. using a current control loop

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling an electrical machine, which has at least one stator and one rotor, according to the features of claim 1.
  • the invention further relates to a computer program with program code means for carrying out the aforementioned method, a control device for setting operating parameters of an electrical machine and an electric machine with power electronics for controlling the electrical machine and a Reglereinrich device of the aforementioned type.
  • the invention relates to the field of electrical machines, in particular permanently excited electrical machines, both for use as an electric motor and as an electric generator, e.g. in the form of rotating or linearly moving electrical machines (linear motors).
  • electrical machines in particular permanently excited electrical machines, both for use as an electric motor and as an electric generator, e.g. in the form of rotating or linearly moving electrical machines (linear motors).
  • the mode of operation and the behavior of such electrical machines are already comprehensively described in the scientific literature.
  • the invention has for its object to provide ways to further improve the control of such an electrical machine by which the torque output and / or energy efficiency can be further verbes sert.
  • a current value required as an input variable in the field weakening operating mode of the electric machine, which determines the portion of the current which is to be used for the field weakening, is determined by means of a second controller that can be switched with regard to the control dynamics.
  • the invention has the advantage that, for a predetermined current amount of the machine during operation, i. Even with changing operating parameters of the electric machine, a permanent control can be performed to the maximum of the torque delivered by the machine, so that the machine can be operated practically at any time in the torque maximum.
  • a model-based approach can be realized in which the determination equation for the torque set up for a specific electric machine is used as a function of input variables such as the phase angle of the stator current relative to the rotor position.
  • Such a generally non-linear function can be readily computationally evaluated continuously by the proposed approach to determining the torque maximum by a controller at run time of the engine to determine the current torque. A torque measurement is not necessary, so that no torque sensor is required.
  • the closed control loop has a phase angle controller, by means of which the phase angle of the stator current of the electric machine with respect to the rotor position is set as the manipulated variable for energy-optimized operation.
  • the rotor position can be detected by means of a sensor or calculated from a detected by a sensor size can be determined.
  • the calculated from the rotor position phase angle can be used as input to the aforementioned equation of determination for the torque.
  • the phase angle is virtually changed by means of the phase angle controller during operation of the electric machine.
  • the change in the torque output by the machine which may occur as a result of the virtually changed phase angle, is monitored.
  • the further change of the phase angle is selectively carried out in the direction of increasing torque, at least until the torque maximum of the electric machine has been reached.
  • the maximum torque is determined by searching for a zero point in the differentiated equation of the phase relationship for the torque of the electric machine.
  • the phase angle can be further simplified and thus realized with simpler and less expensive means.
  • a further advantage of the invention is that even in the field weakening mode of operation, which is assumed to achieve a high rotational speed of the electrical machine, an energy-optimized operating point of the electrical machine can be adjusted during operation by means of regulation.
  • the division of the stator current into torque-forming and field-reducing components is taken into account here and the field-reducing portion determined separately. This, too, can be easily realized in the usually existing non-linear relationships between the amount of stator current of the machine and the torque generated.
  • an increase in torque is supplied to the first controller as an input variable.
  • the resultant torque of the electrical machine can be determined based on the torque increase and the field weakening component of the current, and fed to the first controller as an actual value of the control.
  • a further advantage of the invention is that the portion of the current to be determined for the aforementioned field weakening operating mode, which is to be used for field weakening, can now also be tracked highly dynamically. Previous approaches had only limited dynamics. Now it is possible to set the operating points highly dynamically and thus to achieve the performance-optimal operating points. In combination with the aforementioned advantages, dynamic control and power-optimal control of the machine is possible.
  • the switching of the control dynamics of the second controller is dependent on the difference between the amount of the current stator voltage and the maximum allowable stator voltage of the electric machine. This has proved to be a particularly advantageous input variable for the switching of the control dynamics, since the difference between the magnitude of the current stator voltage and the maximum stator voltage is always in the range of relatively small values, which is not optimal even with otherwise slow control dynamics of the second controller Results in determining the current value for the field weakening.
  • the difference of a desired current used to an actual current of the electric machine to enhance the control dynamics is switched to increased control dynamics second controller, the difference of a desired current used to an actual current of the electric machine to enhance the control dynamics.
  • the required current value for the field weakening via the second regulator can be determined particularly advantageously.
  • the first controller, the second controller and the phase angle controller can be realized by hardware circuitry and / or software functions.
  • the object mentioned at the outset is also achieved by a computer program with program code means set up to carry out a method of the type described above, when the method is executed on a computer.
  • the method may e.g. be executed on a computer of a regulator device for setting operating parameters of an electrical machine. This also makes it possible to realize the advantages explained in the introduction.
  • control device for setting operating parameters of an electrical machine, set up for carrying out a method of the type described above. This also makes it possible to realize the advantages explained above.
  • the possible uses for the invention are extensive.
  • the invention is particularly suitable for permanent magnet electrical machines, ie such electrical machines having permanent magnets.
  • the invention can be used for example for controlled permanent-magnet synchronous machines and hybrid stepper motors and used in a variety of applications, such as servo drives for positioning, traction drives in transport or wind power generators. Further areas of application are the Industrial robotics, the automotive industry and industrial drive technology.
  • the energy efficiency of such controlled drives can be increased by reducing thermal losses.
  • regulated drives which already realize an energy-optimal operation through characteristic curves, the necessary memory required for the characteristic curves can be reduced and an operational parameter variation can be considered.
  • Figure 1 - a block diagram of an electrical machine with a
  • Figure 4 a first controller for the energy-optimal field weakening operation
  • Figure 5 - a second controller for the energy-optimal field weakening operation.
  • FIG. 1 shows an electrical machine 1 which has a stator and a rotor, for example a permanent-magnet electric machine such as an electric motor or a generator.
  • the electrical machine 1 is connected via electrical lines to a power electronics 2, through which the electrical control of the electrical machine 1 takes place, for example by microprocessor-controlled semiconductor switch.
  • the power electronics 2 may also contain components for measured value detection, for example, to provide the necessary operating data of the electric machine for optimal control, such as speed, torque, electrical operating data such as currents and voltages and / or the phase position of the stator relative to the rotor position.
  • the electric machine 1 may have an integrated rotary encoder or be coupled to a rotary encoder. The rotary encoder detects the rotor position. By deriving the signal detected by the rotary encoder over time, the rotational speed of the electric machine can be determined therefrom.
  • the device shown in Figure 1 further comprises a regulator means 3, which is adapted to set operating parameters of the electric machine. It is hereby recognized in the art as advantageous to regulate the currents in the windings of the electric machine in a rotor-fixed coordinate system. Accordingly, the measured quantities are transformed into such a rotor-fixed coordinate system and reproduced in rotor coordinates.
  • the regulator device 3 has two regulators 30, 31, eg PID controllers, in order to realize two current control circuits with regard to the aforementioned currents of longitudinal current and crossflow.
  • the measured cross-current i q is compared with a cross-current setpoint iq, Ret and the difference formed therefrom is supplied to the controller 30 from the measured value detection of the block 2, and from this as manipulated variable for the electric machine 1 or the power electronics 2 a transverse voltage u q certainly.
  • the measured longitudinal flow id is compared with a longitudinal flow setpoint id, Ret and the difference formed therefrom is fed to the controller 31, which determines a longitudinal voltage Ud therefrom as the manipulated variable and supplies it to the power electronics 2.
  • the above-described control of the electric machine 1 can be further optimized by the following developments. Among other things, optimized setpoint values id, Ret and i q , Ret are determined.
  • the invention solves a problem for the operation of permanent magnet synchronous machines and hybrid stepper motors.
  • the phase position ⁇ of the stator current relative to the rotor position should be set for an energy-optimized operation. This results in maximum torques for the given amount of the stator current is.
  • the challenge of the technical question is finding a solution to the nonlinear torque equation.
  • the maximum of the non-linear function is searched for a given current amount of the stator current is.
  • the invention enables the energy-optimized operation of permanent-magnet synchronous machines and hybrid stepper motors. For a given amount of stator current maximum torque and thus maximum mechanical energy should be generated. As a result, thermal losses are reduced and the efficiency of the machine is increased compared to the classical mode of operation.
  • the torque is calculated for the given amount with two marginally different phase angles (with respect to the rotor position).
  • phase positions are corrected for increasing torque in the following control cycle.
  • the phase position of maximum torque is thereby automatically reached and held after a few cycles.
  • the varying parameters of the machine Ld, L q, ⁇
  • they may be included in the calculation and the torque of the machine can be calculated accurately.
  • a phase angle controller can be used.
  • phase angle controller 4 shows a first embodiment of a phase angle controller 4.
  • the phase angle controller 4 is, as already explained, to regulate the electric machine to the maximum of the torque curve, which is defined by the non-linear torque equation (1 .1).
  • the phase angle controller 4 is supplied as an input variable of the predetermined stator current is.
  • the phase angle ⁇ is an output variable.
  • a differential phase value ⁇ is supplied, e.g. can be selected as a fixed value.
  • an output variable in the sense of the space vector representation is generated from the respectively supplied input variables.
  • a torque value mi or ni 2 is respectively determined from the supplied input variables in accordance with equation (1 .1).
  • a determination is made of the current setpoint values id, Ret and i q , Ret, which are fed to the regulator device 3 according to FIG. 1, in accordance with the equations (1 .3).
  • the input of the block 22 is determined by multiplying the current is in a multiplication block 29 with the output signal of the block 23. In this way, a torque value mi at the phase position ⁇ is determined.
  • the input of the block 21 is determined by multiplying the current is in a multiplication block 29 by the output of the block 20. In this way, a second torque value 1712 is determined at the phase position ⁇ + ⁇ . Because the block 20 is supplied as input via a summation block 28, the size ⁇ + ⁇ .
  • the torque values mi and 1712 determined in this way are subtracted from one another in a subtraction block 27.
  • the difference 1712 - nrn is fed to a controller 25, such as an I-controller.
  • the output of the regulator Lers 25 is limited to a permissible value range via a value range limiter 26.
  • the new current setpoint values in the phase position ⁇ determined in this way can be supplied to the power electronics 2 as nominal values.
  • phase angle ⁇ Another way of determining the phase angle is to consider the change in torque over the phase angle ⁇ . In the maximum or minimum, this change is equal to zero. This information is used to track the phase ⁇ at runtime in a closed control cycle. This variant offers considerable advantages with regard to the implementation effort and the necessary computing time. dm 2 p
  • phase angle controller 4 realized in this way is shown in FIG.
  • the phase angle controller 4 according to FIG. 3 has the same input and output signals as the phase angle controller explained above with reference to FIG. Also, the controller blocks 24, 25 and 26 are present in the same way, but partially arranged differently.
  • a cosine function block 33, a cosine function block 34, and a function block 38 for multiplication with the constant 2 and a function block 35 for determining the term shown in the function block 35 are present. Furthermore, a multiplication block 36 and a summation block 37 are present.
  • the phase angle ⁇ is multiplied by the value 2, so that in the cosine function block 34 a cosine with the phase position ⁇ multiplied by the factor 2 is carried out in comparison with the cosine function block 33.
  • the block 33, 34, 35, 36, 37, 38 converts into ⁇ in equations (1 .4) Equation determined in each case at runtime of the electrical machine.
  • the largest ⁇ ultimately determined from the summation block 37 is fed to the controller 25 as an input variable.
  • the output variables id, Ret and i q , Ret are determined in block 24, similarly to the embodiment according to FIG. 2, from the current i s and the phase position ⁇ , which are fed directly to the block 24.
  • the invention also solves a problem for the operation of permanent-magnet synchronous machines and hybrid stepper motors.
  • the invention solves the problem of setting the amount of stator current regardless of the operating state of the machine energy-optimal for a required torque. This task is made more difficult by the field-reducing current components, in particular in the field weakening range.
  • the invention makes it possible to set energy-optimal operating points for desired torques over the entire operating range, including the field weakening range.
  • the advantage here is the consideration of the torque generated at run time of the machine, whereby the necessary division of the stator current into torque-forming and field-reducing shares can be considered.
  • the invention serves the tracking of the amount of current with reduction of torque-forming current components in favor of field-weakening current components by e.g. Field weakening.
  • the solution of the problem can be tracked in each control cycle. This serves to take into account variable setpoints, speeds and parameter variation.
  • An energy and power optimal operation can be achieved by combining the invention with a field weakening regulator.
  • the consideration of the generated torque at runtime of the machine allows the consideration of parameter variation. This achieves the energy-optimal operating points.
  • the combination with a field weakening controller achieves optimum energy and performance of the machine.
  • the invention makes it possible to set energy-optimal operating points over the entire operating range of permanent-magnet synchronous machines and hybrid stepping motors.
  • the desired operating points are heavily dependent on the applied torque and the current speed of the machine.
  • Each operating point of this plurality of operating points is covered by a set of possible solutions for the power split into field-reducing and torque-forming current components.
  • the invention makes it possible to find the energy-optimal solution by minimizing the stator current amount.
  • the invention may use an integral regulator for adjusting the amount of current. This amount is operationally divided into torque-forming and field-reducing portions, e.g. through a field weakening controller. The resulting torque is calculated model-based and serves the controller as the actual value of the controlled variable.
  • a division of the current setpoint id, Ret and iq, Ret by Aid, Ret (field weakening) and ⁇ (torque increase) can be done depending on the operating point of the machine and independently of the invention. Variations of the parameters ⁇ , Ld and L q can be taken into account.
  • This can e.g. be realized by the first controller 5 shown in FIG.
  • the first controller 5 also serves to determine the variables id, Ret and i q , Ret, which can be fed to the regulator device 3 according to FIG.
  • the controller 5 the torque increase ⁇ , a predetermined target torque nri Ref the electric machine and the permanent-magnet flux linkage ⁇ supplied.
  • the controller 5 is additionally supplied with a portion of the current which is to be used for the field weakening in the form of the quantities Aid, Ret.
  • the input variables ⁇ and Aid, Ret are fed to a block 46.
  • the output variables id, Ret and i q , Ret are determined in accordance with the equations (2.2), depending on the input variables to be explained.
  • the first controller 5 has the following additional blocks.
  • a first amount-forming block 40 and a second amount-forming block 41 in each of which a magnitude is determined from a signed input.
  • a controller 42 for example in the form of an I-controller, with a downstream range limiter 45, in which the value output by the controller 42 is limited to a permissible value range.
  • a sign determination block 44 in which only one of its signed signs is extracted and output from a supplied signed input.
  • a block 47 in which a multiplication of an input quantity supplied by the factor 2p / 3 takes place.
  • a block 49 in which the difference between a longitudinal inductance Ld and a transverse inductance L q of the electrical machine is determined, ie corresponding inductances in the already mentioned transformed coordinate system.
  • a summation block 50 the sum of the supplied input variables is determined.
  • a multiplication block 48 the product is determined from the input quantities supplied.
  • a subtraction block 43 the difference between input quantities is determined.
  • the function of the first regulator 5 is as follows.
  • the supplied nominal torque nri Ref is a signed variable, such that the direction of action of the electrical machine is indicated by the sign.
  • the downstream controller blocks initially assume a magnitude-based regulation. Accordingly, the controller 42 is formed the difference from the subtraction block 43 supplied, each limited to positive values by the amount-forming blocks 40, 41 sizes. In other words, the regulation there is initially independent of the effective direction of the electric machine.
  • the desired direction of action is supplied via the sign determination block 44 as a sign separately to the block 46. In block 46, the merging of the current supplied via the regulator 42 and the area limiter 45 takes place again with the sign indicating the direction of rotation.
  • the torque value m resulting from this input variable is determined based on the longitudinal flow and crossflow setpoint values id, Ret and iq, Ret according to the first equation from (2.1). Accordingly, a comparison between the setpoint torque nriRef and the actual, model-based determined torque m takes place in the subtraction block 43. This difference is supplied to the controller 42.
  • FIG. 5 shows a corresponding second regulator 6 with which, advantageously, this current component Aid, Ret can be determined to be highly dynamic.
  • the invention therefore solves a further problem for the operation of permanent-magnet synchronous machines and hybrid stepper motors. Above the rated speed of a drive, it is necessary to impress a field weakening current component in order to reduce the induced voltage.
  • the invention increases the achievable dynamics of the second controller 6 for setting the operating points above the rated speed.
  • the second controller 6 for setting the operating points above the rated speed regulates a synthetic controlled variable.
  • the control error of the synthetic controlled variable is not subject to the restriction that significantly influences the dynamics of conventional methods.
  • the dynamics of the field weakening controller is limited by the limitation of the control error. Dynamic adjustment of the operating points can be carried out by means of off-line calculated curves, but these are not the performance-optimal operating points as a result of operation due to parameter inaccuracies or parameter variation. Field weakening controllers have limited dynamics. Off-line calculated characteristics do not reach the optimal operating points.
  • the invention makes it possible to set the operating points highly dynamically and to achieve the performance-optimal operating points. It combines the advantages of dynamic control and performance-optimized control.
  • the invention thus enables the highly dynamic setting of performance-optimal operating points in the field weakening range of permanent-magnet synchronous machines and hybrid stepping motors.
  • the invention may include an integral regulator that controls a synthetic controlled variable.
  • the synthetic control error consists of the sum of stator voltage error control error and the absolute value of the control deviation of the torque control loop. e ü ⁇ U S, Max U S ⁇ U S, Max 4 u d + U t
  • the absolute value of the control deviation of the current control loop has no restriction with respect to the stator voltage magnitude control error and thus allows transient processes with increased dynamics.
  • the second controller 6 shown in FIG 5 can be used.
  • the second controller 6 comprises a subtraction block 51, a multiplication block 52, a switching block 53, an absolute value formation block 58, a summation block 57, further subtraction blocks 54, 59 and a controller 55, e.g. an I-controller, and a downstream range limiter 56, which serves to limit the values output by the controller 55 to negative values.
  • a controller 55 e.g. an I-controller, and a downstream range limiter 56, which serves to limit the values output by the controller 55 to negative values.
  • the controller 55 with the downstream range limiter 56 determines the desired output variable Aid, Ret, which can be supplied to the first controller 5 as an input variable.
  • the desired current component Aid, Ret for the field weakening can be determined from the difference of the stator voltage us and a maximum permissible value for the stator voltage us, Max, which are fed to the second controller 6 as input variables and whose difference is formed in the subtraction block 54.
  • the corresponding difference hereof is fed to the controller 55 as an input variable. Due to the sluggish behavior of the controller 55, in particular if it is designed as an I controller, however, a rapid consequences of the output variable Aid, Ret on changing the input quantity us is not ensured. According to the invention, this can be improved by switching the controller dynamics.
  • the switching block 53 is provided, which outputs a switch-on signal at the multiplication block 52, when the difference between us and us, Max exceeds a certain limit.
  • the switching block 53 then outputs the value 1 in terms of number, otherwise the value 0.
  • the lower regulator branch with the blocks 58, 59 is connected.
  • the subtraction block 59 the difference from the cross-flow setpoint i q , Ret and the actual cross-flow i q formed. After an amount formation of the difference formed in this way in the block 58, the thus determined, thus positive value in the block 51 is reversed in terms of the sign. Accordingly, in block 52, a multiplication of the negative difference value determined in this way takes place with the value 1.
  • This negative value is superposed in block 57 as a relatively large numerical value to the difference value of us and us, max.
  • a relatively large value is applied to the controller 55 on the input side, which increases the controller dynamics by accelerating the integration. In this way, the output variable Aid, Ret can be tracked highly dynamically.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine, die wenigstens einen Stator und einen Rotor aufweist, mit einem, mehreren oder allen der folgenden Merkmale a), b), c): a) mittels eines geschlossenen Regelkreises wird im laufenden Betrieb der elektrischen Maschine für einen vorbestimmte Strombetrag der Maschine das Maximum des von der Maschine abgegebenen Drehmoments eingeregelt, b) die elektrische Maschine wird zur Erreichung einer hohen Drehzahl in einem Feldschwächbetriebsmodus betrieben, in dem ein Teil des der Maschine zugeführten Stroms zur Schwächung des durch Permanentmagnete der Maschine erzeugten Felds wirksam ist, wobei ein erster Regler zur Einstellung eines energieoptimierten Arbeitspunkts der elektrischen Maschine bei vorgegebener Drehzahl die an die elektrische Maschine auszugebenden Ströme bestimmt und wobei dem ersten Regler als Eingangsgröße ein auszuregelnder Anteil des Stroms, der für die Feldschwächung genutzt werden soll, zugeführt wird, c) ein im Feldschwächbetriebsmodus der elektrischen Maschine als Eingangsgröße benötigter Stromwert, der den Anteil des Stroms bestimmt, der für die Feldschwächung genutzt werden soll, wird mittels eines hinsichtlich der Regeldynamik umschaltbaren zweiten Reglers bestimmt. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln zur Durchführung des zuvor genannten Verfahrens, eine Reglereinrichtung zur Einstellung von Betriebsparametern einer elektrischen Maschine und eine elektrische Maschine mit einer Leistungselektronik zur Steuerung der elektrischen Maschine sowie einer Reglereinrichtung der zuvor genannten Art.

Description

Verfahren zur Steuerung einer elfcrvu lo iien Maschine, Computerprogramm, Reglereinrichtung sowie elektrische Maschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine, die wenigstens einen Stator und einen Rotor aufweist, gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 . Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln zur Durchführung des zuvor genannten Verfahrens, eine Reglereinrichtung zur Einstellung von Betriebsparametern einer elektrischen Maschine und eine elektrische Maschine mit einer Leistungselektronik zur Steuerung der elektrischen Maschine sowie einer Reglereinrich tung der zuvor genannten Art.
Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet elektrischer Maschinen, insbesondere permanenterregte elektrische Maschinen, sowohl für den Einsatz als Elektromotor als auch als elektrischer Generator, z.B. in Form rotierender o- der linearbewegter elektrischer Maschinen (Linearmotoren). Die Funktionsweise und das Verhalten solcher elektrischen Maschinen sind in der wissenschaftlichen Literatur bereits umfassend beschrieben. Es gibt auch diverse Regelansätze beispielsweise für einen energieoptimierten Betrieb solcher elektrischen Maschinen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Möglichkeiten zur weiteren Verbesserung der Steuerung einer solchen elektrischen Maschine anzugeben, durch die die Drehmomentabgabe und/oder die Energieeffizienz noch weiter verbes sert werden können.
Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine, die wenigstens einen Stator und einen Rotor aufweist, mit einem, mehreren oder allen der folgenden Merkmale a), b), c):
a) mittels eines geschlossenen Regelkreises wird im laufenden Betrieb der elektrischen Maschine für einen vorbestimmte Strombetrag der Maschine das Maximum des von der Maschine abgegebenen Drehmoments eingere gelt, b) die elektrische Maschine wird zur brreichung einer hohen Drehzahl in einem Feldschwächbetriebsmodus betrieben, in dem ein Teil des der Maschine zugeführten Stroms zur Schwächung des durch Permanentmagnete der Maschine erzeugten Felds wirksam ist, wobei ein erster Regler zur Einstellung eines energieoptimierten Arbeitspunkts der elektrischen Maschine bei vorgegebener Drehzahl die an die elektrische Maschine auszugebenden Ströme bestimmt und wobei dem ersten Regler als Eingangsgröße ein auszuregelnder Anteil des Stroms, der für die Feldschwächung genutzt werden soll, zugeführt wird,
c) ein im Feldschwächbetriebsmodus der elektrischen Maschine als Eingangsgröße benötigter Stromwert, der den Anteil des Stroms bestimmt, der für die Feldschwächung genutzt werden soll, wird mittels eines hinsichtlich der Regeldynamik umschaltbaren zweiten Reglers bestimmt.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass für einen vorbestimmte Strombetrag der Maschine im laufenden Betrieb, d.h. auch bei sich verändernden Betriebsparametern der elektrischen Maschine, eine ständige Regelung auf das Maximum des von der Maschine abgegebenen Drehmoments durchgeführt werden kann, sodass die Maschine praktisch jederzeit im Drehmoment-Maximum betrieben werden kann. Hierbei kann insbesondere ein modellbasierter Ansatz realisiert werden, bei dem die für eine bestimmte elektrische Maschine aufgestellte Bestimmungsgleichung für das Drehmoment abhängig von Eingangsgrößen wie dem Phasenwinkel des Statorstromes bezogen auf die Rotorlage genutzt wird. Eine solche in der Regel nichtlineare Funktion kann durch den vorgeschlagenen Ansatz zur Bestimmung des Drehmoment-Maximums durch einen Regler zur Laufzeit der Maschine ohne weiteres rechnerisch fortlaufend evaluiert werden, um das aktuelle Drehmoment zu bestimmen. Eine Drehmoment-Messung ist nicht notwendig, so dass keine Drehmoment-Sensorik erforderlich ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der geschlossene Regelkreis einen Phasenwinkelregler auf, durch den als Stellgröße der Phasenwinkel des Statorstroms der elektrischen Maschine bezogen auf die Rotorlage für einen energieoptimalen Betrieb eingestellt wird. Auf diese Weise ist mit geringem schaltungsmäßigen und/oder softwaremäßigen Aufwand eine Verbesserung des Drehmomentverhaltens der elektrischen Maschine realisierbar. Die Rotorlage kann dabei mittels eines Sensors erfasst werden oder rechnerisch aus einer von einem Sensor erfassten Größe ermittelt werden. Der aus der Rotorlage rechnerisch bestimmte Phasenwinkel kann als Eingangsgröße für die zuvor erwähnte Bestimmungsgleichung für das Drehmoment genutzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird mittels des Pha- senwinkelreglers im laufenden Betrieb der elektrischen Maschine der Phasenwinkel virtuell geändert. Die Veränderung des von der Maschine abgegebenen Drehmoments, die in Folge des virtuell geänderten Phasenwinkels auftreten kann, wird überwacht. Hiervon abhängig wird die weitere Änderung des Phasenwinkels gezielt in Richtung steigendes Drehmoment durchgeführt, zumindest bis das Drehmoment-Maximum der elektrischen Maschine erreicht ist. Durch eine solche bewusste Änderung des Betriebspunkts der elektrischen Maschine durch eine in der Regel sehr kleine Phasenwinkel-Änderung kann sozusagen„ertastet" werden, wie der Phasenwinkel weiter zu ändern ist, um das Maximum der Drehmomentkurve der elektrischen Maschine bei der vorbestimmten Drehzahl zu erreichen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Drehmoment- Maximum durch Suchen einer Nullstelle in der nach der Phasenlage differenzierten Bestimmungsgleichung für das Drehmoment der elektrischen Maschine bestimmt. Auf diese Weise kann der Phasenwinkelregler noch weiter vereinfacht werden und damit mit einfacheren und kostengünstigeren Mitteln realisiert werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass auch im Feldschwäch- betriebsmodus, der zur Erreichung einer hohen Drehzahl der elektrischen Maschine eingenommen wird, wiederum durch eine Regelung ein energieoptimierter Arbeitspunkt der elektrischen Maschine im laufenden Betrieb eingestellt werden kann. Vorteilhafterweise wird hier die Aufteilung des Statorstroms in drehmomentbildende und feldverringernde Anteile berücksichtigt und der feldverringernde Anteil separat bestimmt. Auch dies lässt sich ohne weiteres bei den in der Regel vorhandenen nichtlinearen Zusammenhängen zwischen dem Betrag des Statorstromes der Maschine und dem erzeugten Drehmoment realisieren.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird dem ersten Regler als Eingangsgröße eine Drehmomenterhöhung zugeführt. Vorteilhaft kann aus der Drehmomenterhöhung und dem Feldschwächungsanteil des Stroms das resultierende Drehmoment der elektrischen Maschine modellbasiert ermittelt wird und dem ersten Regler als Istwert der Regelung zugeführt werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der für den zuvor erwähnten Feldschwächbetriebsmodus zu bestimmende Anteil des Stroms, der für die Feldschwächung genutzt werden soll, nun auch hochdynamisch nachgeführt werden kann. Bisherige Ansätze wiesen lediglich eine begrenzte Dynamik auf. Nunmehr ist es möglich, die Arbeitspunkte hochdynamisch einzustellen und somit die leistungsoptimalen Arbeitspunkte zu erreichen. In Kombination mit den zuvor erwähnten Vorteilen ist eine dynamische Steuerung und eine leistungsoptimale Regelung der Maschine möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Umschal- tung der Regeldynamik des zweiten Reglers abhängig von der Differenz zwischen dem Betrag der aktuellen Statorspannung und der maximal zulässigen Statorspannung der elektrischen Maschine. Dies hat sich als besonders vorteilhafte Eingangsgröße für die Umschaltung der Regeldynamik herausgestellt, da die Differenz zwischen dem Betrag der aktuellen Statorspannung und der maximal zulässigen Statorspannung immer im Bereich von betragsmäßig relativ kleinen Werten liegt, die gerade bei ansonsten langsamer Regeldynamik des zweiten Reglers zu nicht optimalen Ergebnissen bei der Bestimmung des Stromwertes für die Feldschwächung führen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird bei auf erhöhte Regeldynamik umgeschaltetem zweitem Regler die Differenz eines Sollstroms zu einem Iststrom der elektrischen Maschine zur Verstärkung der Regeldynamik genutzt. Durch eine solche Stromdifferenz kann besonders vorteilhaft der benötigte Stromwert für die Feldschwächung über den zweiten Regler bestimmt werden.
Der erste Regler, der zweite Regler und der Phasenwinkelregler können durch Hardwareschaltung und/oder Softwarefunktionen realisiert werden.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens der zuvor beschriebenen Art, wenn das Verfahren auf einem Rechner ausgeführt wird. Das Verfahren kann z.B. auf einem Rechner einer Reglereinrichtung zur Einstellung von Betriebsparametern einer elektrischen Maschine ausgeführt werden. Auch hierdurch lassen sich die eingangs erläuterten Vorteile realisieren.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Reglereinrichtung zur Einstellung von Betriebsparametern einer elektrischen Maschine, eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens der zuvor erläuterten Art. Auch hierdurch lassen sich die zuvor erläuterten Vorteile realisieren.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine elektrische Maschine mit einer Leistungselektronik zur Steuerung der elektrischen Maschine sowie einer Reglereinrichtung der zuvor erläuterten Art zur Ansteue- rung der Leistungselektronik. Auch hierdurch lassen sich die zuvor erläuterten Vorteile realisieren.
Die Einsatzmöglichkeiten für die Erfindung sind umfangreich. Die Erfindung eignet sich insbesondere für permanenterregte elektrische Maschinen, d.h. solche elektrischen Maschinen, die Permanentmagnete aufweisen. Die Erfindung kann z.B. für geregelte permanenterregte Synchronmaschinen und Hybridschrittmotoren genutzt werden und in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, z.B. Servoantriebe zur Positionierung, Traktionsantriebe in Verkehrsmitteln oder Windkraftgeneratoren. Weitere Einsatzgebiete sind die Industrierobotik, die Automobilindustne sowie die industrielle Antriebstechnik.
Durch die Erfindung kann die Energieeffizienz solcher geregelten Antriebe durch Verringerung von thermischen Verlusten gesteigert werden. In geregelten Antrieben, die bereits eine energieoptimale Betriebsführung durch Kennlinien realisieren, kann der notwendige Speicher, der für die Kennlinien erforderlich ist, verringert werden und eine betriebsbedingte Parametervariation berücksichtigt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 - ein Blockschaltbild einer elektrischen Maschine mit einer
Leistungselektronik und einer Reglereinrichtung und Figur 2 - einen Phasenwinkelregler in einer ersten Ausführungsform und
Figur 3 - einen Phasenwinkelregler in einer zweiten Ausführungsform
und
Figur 4 - einen ersten Regler für den energieoptimalen Feldschwäch betrieb und
Figur 5 - einen zweiten Regler für den energieoptimalen Feldschwächbetrieb.
In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
Die Figur 1 zeigt eine elektrische Maschine 1 , die einen Stator und einen Rotor aufweist, z.B. eine permanenterregte elektrische Maschine wie einen Elektromotor oder einen Generator. Die elektrische Maschine 1 ist über elektrische Leitungen mit einer Leistungselektronik 2 verbunden, durch die die elektrische Ansteuerung der elektrischen Maschine 1 erfolgt, z.B. durch Mikro- prozessor-angesteuerte Halbleiterschalter. Zudem kann die Leistungselektronik 2 auch Komponenten zur Messwerterfassung enthalten, um z.B. die notwendigen Betriebsdaten der elektrischen Maschine für eine optimale Regelung bereitzustellen, wie z.B. Drehzahl, Drehmoment, elektrische Betriebsdaten wie Ströme und Spannungen und/oder die Phasenlage des Statorstroms bezogen auf die Rotorlage. So kann die elektrische Maschine 1 z.B. einen integrierten Drehgeber aufweisen oder mit einem Drehgeber gekoppelt sein. Der Drehgeber erfasst dabei die Rotorlage. Durch Ableitung des durch den Drehgeber erfassten Signals nach der Zeit kann hieraus auch die Drehzahl der elektrischen Maschine bestimmt werden.
Die in Figur 1 dargestellte Einrichtung weist ferner eine Reglereinrichtung 3 auf, die zur Einstellung von Betriebsparametern der elektrischen Maschine eingerichtet ist. Es ist hierbei in der Fachwelt als vorteilhaft anerkannt, die Ströme in den Wicklungen der elektrischen Maschine in einem rotorfesten Koordinatensystem zu regeln. Dementsprechend werden die gemessenen Größen in ein solches rotorfestes Koordinatensystem transformiert und in Rotorkoordinaten wiedergegeben. Hierbei wird üblicherweise zwischen zwei Stromanteilen unterschieden, nämlich dem Längsstrom id und dem Querstrom iq, durch die die Phasenströme in Rotorkoordinaten wiedergegeben werden .
Die Reglereinrichtung 3 gemäß Figur 1 weist zwei Regler 30, 31 auf, z.B. Pl- Regler, um zwei Strom-Regelkreise hinsichtlich der zuvor genannten Ströme Längsstrom und Querstrom zu realisieren. Hierfür wird aus der Messwerterfassung des Blocks 2 der gemessene Querstrom iq mit einem Querstrom-Sollwert iq, Ret verglichen und die daraus gebildete Differenz dem Regler 30 zugeführt, der hieraus als Stellgröße für die elektrische Maschine 1 bzw. die Leistungselektronik 2 eine Querspannung uq bestimmt. Analog dazu wird für die Längsstromregelung der gemessene Längsstrom id mit einem Längsstrom- Sollwert id, Ret verglichen und die daraus gebildete Differenz dem Regler 31 zugeführt, der daraus als Stellgröße eine Längsspannung Ud bestimmt und der Leistungselektronik 2 zuführt. Die zuvor beschriebene Regelung der elektrischen Maschine 1 kann durch die nachfolgenden Weiterbildungen noch weiter optimiert werden. Hierbei werden unter anderem optimierte Sollwerte id, Ret und iq, Ret bestimmt.
Die Erfindung löst eine Fragestellung zum Betrieb von permanenterregten Synchronmaschinen und Hybridschrittmotoren. Die Phasenlage φ des Statorstromes bezogen auf die Rotorlage soll für einen energieoptimalen Betrieb eingestellt werden. Dies resultiert in maximalen Drehmomenten für den vorgegebenen Betrag des Statorstromes is. Die Herausforderung der technischen Fragestellung ist das Finden einer Lösung der nichtlinearen Drehmomentgleichung. Es wird das Maximum der nichtlinearen Funktion für einen vorgegebenen Strombetrag des Statorstromes is gesucht.
Figure imgf000010_0001
(1 .1 )
Da die Parameter dieser nichtlinearen Gleichung (Ld, Lq, Ψρ) durch z.B. Temperaturvariation oder Eisensättigung nicht konstant sind, variiert auch die Lösung über den Betriebsgrößen.
Vorteilhaft ist dabei die Lösung des Maximalwertproblems zur Laufzeit der Maschine durch einen geschlossenen Regelkreis. Die Lösung des Problems kann in jedem Regelzyklus nachgeführt werden. Dies dient der Berücksichtigung von veränderlichen Statorstrombeträgen und Parametervariation.
Bisherige Ansätze zur Lösung des technischen Problems sind analytische und numerische Berechnungen, die offline durchgeführt werden . Weitere Ansätze setzen eine experimentelle Identifikation der Lösung voraus.
Die bekannten rechnerischen Lösungen können nicht effizient zur Laufzeit durchgeführt werden. Die experimentelle Identifikation der Lösung ist technisch und zeitlich aufwändig. Zusätzlich muss Speicherplatz für Kennlinien, die sich aus der Lösung ergeben, zur Verfügung gestellt werden . Durch die online Lösung des Maximalwertproblems können betriebsbedingte Parametervariationen (z.B. durch Temperaturänderung) in die Lösung einfließen, was Vorteile gegenüber den offline Lösungen bietet. Weiterhin muss kein Speicherplatz für die Kennlinien der offline Lösungen bereitgestellt werden.
Die Erfindung ermöglicht den energieoptimalen Betrieb von permanenterregten Synchronmaschinen und Hybridschrittmotoren. Für einen vorgegebenen Betrag des Statorstroms soll maximales Drehmoment und somit maximale mechanische Energie erzeugt werden. Hierdurch werden thermische Verluste verringert und der Wirkungsgrad der Maschine wird gegenüber der klassischen Betriebsweise erhöht.
Dies wird vorteilhaft durch eine modellbasierte Berechnung zur Laufzeit erreicht. Das Drehmoment wird für den vorgegebenen Betrag mit zwei marginal verschiedenen Phasenlagen (bzgl. der Rotorlage) berechnet.
Figure imgf000011_0001
(1 .2)
Figure imgf000011_0002
(1 .3)
Die Phasenlagen werden für den folgenden Regelzyklus in Richtung steigenden Drehmoments korrigiert. Die Phasenlage maximalen Drehmoments wird hierdurch automatisch nach wenigen Zyklen erreicht und gehalten. Wenn die variierenden Parameter der Maschine (Ld, Lq, Ψρ) für den aktuellen Zustand der Maschine bekannt sind, können diese in die Berechnung einfließen und das Drehmoment der Maschine kann präziser berechnet werden. Hierfür kann ein Phasenwinkelregler eingesetzt werden.
Die Figur 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines Phasenwinkelreglers 4. Der Phasenwinkelregler 4 dient, wie bereits erläutert, dazu, die elektrische Maschine auf das Maximum der Drehmomentkurve einzuregeln, die durch die nicht lineare Drehmomentgleichung (1 .1 ) definiert ist. Dem Phasenwinkelregler 4 wird als Eingangsgröße der vorgegebene Statorstrom is zugeführt. Die Phasenlage φ ist eine Ausgangsgröße. Ferner wird ein Differenzphasenwert δφ zugeführt, der z.B. als fester Wert ausgewählt werden kann.
In den Blöcken 20 und 23 wird aus den jeweils zugeführten Eingangsgrößen eine Ausgangsgröße im Sinne der Raumzeigerdarstellung erzeugt. In den Blöcken 21 und 22 wird aus den zugeführten Eingangsgrößen jeweils ein Drehmomentwert mi bzw. ni2 gemäß der Gleichung (1 .1 ) bestimmt. Im Block 24 erfolgt eine Bestimmung der Stromsollwerte id, Ret und iq, Ret, die der Reglereinrichtung 3 gemäß Figur 1 zugeführt werden, entsprechend den Gleichungen (1 .3).
Die Eingangsgröße des Blocks 22 wird bestimmt durch Multiplikation des Stroms is in einem Multiplikationsblock 29 mit dem Ausgangssignal des Blocks 23. Hierdurch wird ein Drehmomentwert mi bei der Phasenlage φ ermittelt. Die Eingangsgröße des Blocks 21 wird bestimmt durch Multiplikation des Stroms is in einem Multiplikationsblock 29 mit dem Ausgangssignal des Blocks 20. Auf diese Weise wird ein zweiter Drehmomentwert 1712 bei der Phasenlage φ + δφ bestimmt. Denn dem Block 20 wird als Eingangsgröße über einen Summationsblock 28 die Größe φ + δφ zugeführt.
Die auf diese Weise bestimmten Drehmomentwerte mi und 1712 werden in einem Subtraktionsblock 27 voneinander abgezogen. Die Differenz 1712 - nrn wird einem Regler 25 zugeführt, z.B. einem I-Regler. Die Ausgangsgröße des Reg- lers 25 wird über einen Wertebereichsbegrenzer 26 auf einen zulässigen Wertebereich begrenzt. Die auf diese Weise bestinnnnten neuen Stromsollwerte bei der Phasenlage φ können der Leistungselektronik 2 als Sollwerte zugeführt werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung des Phasenwinkels ist die Betrachtung der Änderung des Drehmoments über dem Phasenwinkel φ. Im Maximum bzw. Minimum ist diese Änderung gleich Null. Diese Information wird verwendet, um in einem geschlossenen Regelzyklus zur Laufzeit die Phase φ nachzuführen. Diese Variante bietet erhebliche Vorteile bezüglich des Implementierungsaufwands und der notwendigen Rechenzeit. dm 2 p
- pis cos^) + ^ 2p-.(Ld - Lqys cos(?4)
COS( ) H —— - ls COS(2 ) = — = 0
k, dt
(1 .4)
Ein auf diese Weise realisierter Phasenwinkelregler 4 ist in Figur 3 dargestellt. Der Phasenwinkelregler 4 gemäß Figur 3 weist die gleichen Eingangs- und Ausgangssignale auf wie der zuvor anhand der Figur 2 erläuterte Phasenwinkelregler. Auch die Regler-Blöcke 24, 25 und 26 sind in gleicher weise vorhanden, jedoch teilweise anders angeordnet.
Als weitere Blöcke des Phasenwinkelreglers, die zuvor noch nicht erläutert wurden, sind ein Cosinus-Funktionsblock 33, ein Cosinus-Funktionsblock 34, sowie ein Funktionsblock 38 zur Multiplikation mit der Konstanten 2 und ein Funktionsblock 35 zur Bestimmung des im Funktionsblock 35 dargestellten Terms vorhanden. Ferner ist ein Multiplikationsblock 36 und ein Summations- block 37 vorhanden. Im Funktionsblock 38 wird der Phasenwinkel φ mit dem Wert 2 multipliziert, sodass im Cosinus-Funktionsblock 34 ein Cosinus mit der um den Faktor 2 multiplizierten Phasenlage φ im Vergleich zum Cosinus- Funktionsblock 33 durchgeführt wird . Im Ergebnis wird durch die Blöcke 33, 34, 35, 36, 37, 38 die in den Gleichungen (1 .4) nach der Größe βψ umgestellte Gleichung jeweils zur Laufzeit der elektrischen Maschine bestimmt. Die aus dem Summationsblock 37 letztendlich bestimmte Größte βψ wird dem Regler 25 als Eingangsgröße zugeführt. Die Ausgangsgrößen id, Ret und iq, Ret werden im Block 24, ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß Figur 2, aus dem Strom is und der Phasenlage φ bestimmt, die dem Block 24 direkt zugeführt werden.
Die Erfindung löst ferner eine Fragestellung zum Betrieb von permanenterregten Synchronmaschinen und Hybridschrittmotoren. Zwischen dem Betrag des Statorstroms der Maschine und dem erzeugten Drehmoment besteht ein nichtlinearer Zusammenhang. Dieser ist abhängig vom Betriebszustand der Maschine. Insbesondere im Bereich hoher Drehzahl, im Feldschwächbereich, tragen feldverringernde Stromanteile nur in Spezialfällen zum Drehmoment bei. Die Erfindung löst die Aufgabe, den Betrag des Statorstromes unabhängig vom Betriebszustand der Maschine energieoptimal für ein gefordertes Drehmoment einzustellen. Diese Aufgabe wird insbesondere im Feldschwächbereich durch die feldverringernden Stromanteile erschwert. Die Erfindung ermöglicht das Einstellen von energieoptimalen Arbeitspunkten für gewünschte Drehmomente über den gesamten Betriebsbereich inklusive des Feldschwächbereichs.
Vorteilhaft ist hierbei die Betrachtung des erzeugten Drehmoments zur Laufzeit der Maschine, wodurch die notwendige Aufteilung des Statorstroms in drehmomentbildende und feldverringernde Anteile berücksichtigt werden kann. Die Erfindung dient der Nachführung des Strombetrages bei Verringerung von drehmomentbildenden Stromanteilen zu Gunsten von feldschwächenden Stromanteilen durch z.B. Feldschwächregler. Die Lösung des Problems kann in jedem Regelzyklus nachgeführt werden. Dies dient der Berücksichtigung von veränderlichen Sollwerten, Drehzahlen und Parametervariation. Ein energie- und leistungsoptimaler Betrieb kann durch die Kombination der Erfindung mit einem Feldschwächregler erreicht werden.
Die Einstellung des Statorstrombetrages in Abhängigkeit des geforderten Drehmoments kann zwar im Prinzip auch durch offline berechnete Kennlinien vorgenommen werden, jedoch sind diese betriebsbedingt als Steuerung durch Parameterungenauigkeiten oder Parametervariation nicht die energieoptimalen Arbeitspunkte. Offline berechnete Kennlinien erreichen nicht die energieoptimalen Arbeitspunkte.
Die Betrachtung des erzeugten Drehmoments zur Laufzeit der Maschine ermöglicht die Berücksichtigung von Parametervariation. Hierdurch werden die energieoptimalen Arbeitspunkte erreicht. Die Kombination mit einem Feldschwächregler erreicht einen energie- und leistungsoptimalen Betrieb der Maschine.
Die Erfindung ermöglicht das Einstellen von energieoptimalen Arbeitspunkten über den gesamten Betriebsbereich von permanenterregten Synchronmaschinen und Hybridschrittmotoren. Die gesuchten Arbeitspunkte sind in starker Weise abhängig vom anliegenden Drehmoment und der aktuellen Drehzahl der Maschine. Jeder Arbeitspunkt dieser Vielzahl an Arbeitspunkten wird durch eine Menge an möglichen Lösungen für die Stromaufteilung in feldverringernde und drehmomentbildende Stromanteile abgedeckt. Die Erfindung ermöglicht das Finden der energieoptimalen Lösung durch Minimierung des Statorstrombetrags.
Die Erfindung kann einen integralen Regler zur Einstellung des Strombetrags nutzen. Dieser Betrag wird betriebsbedingt in drehmomentbildende und feldverringernde Anteile aufgeteilt, z.B. durch einen Feldschwächregler. Das hieraus resultierende Drehmoment wird modellbasiert berechnet und dient dem Regler als Istwert der Regelgröße.
Figure imgf000015_0001
(2.1 )
Figure imgf000016_0001
V -2 _ -2
lS ld,Ref
(2.2)
Eine Aufteilung der Stromsollwerte id, Ret und iq, Ret durch Aid, Ret (Feldschwächung) und φ (Drehmomenterhöhung) kann abhängig vom Betriebspunkt der Maschine und unabhängig von der Erfindung erfolgen. Variationen der Parameter Ψρ, Ld und Lq können berücksichtigt werden.
Dies kann z.B. durch den in Figur 4 dargestellten ersten Regler 5 realisiert werden.
Der erste Regler 5 dient ebenfalls zur Bestimmung der Größen id, Ret und iq, Ret, die der Reglereinrichtung 3 gemäß Figur 1 zugeführt werden können. Als Eingangsgrößen werden dem Regler 5 die Drehmomenterhöhung φ, ein vorgegebenes Soll-Drehmoment nri Ref der elektrischen Maschine sowie die permanenterregte Flussverkettung Ψρ zugeführt. Erfindungsgemäß wird dem Regler 5 zusätzlich ein Anteil des Stroms, der für die Feldschwächung genutzt werden soll, in Form der Größe Aid, Ret zugeführt. Wie erkennbar ist, werden die Eingangsgrößen φ und Aid, Ret einem Block 46 zugeführt. In diesem werden abhängig von noch zu erläuternden Eingangsgrößen die Ausgangsgrößen id, Ret und iq, Ret gemäß den Gleichungen (2.2) bestimmt.
Der erste Regler 5 weist folgende weitere Blöcke auf. Einen ersten betragsbildenden Block 40 und einen zweiten betragsbildenden Block 41 , in denen jeweils aus einer vorzeichenbehafteten Eingangsgröße dessen Betrag bestimmt wird. Einen Regler 42, z.B. in Form eines I-Reglers, mit einem nachgeschalteten Bereichsbegrenzer 45, in dem der vom Regler 42 abgegebene Wert auf einen zulässigen Wertebereich begrenzt wird. Einen Vorzeichenbestimmungsblock 44, in dem aus einer zugeführten, vorzeichenbehafteten Eingangsgröße nur dessen Vorzeichen extrahiert und ausgegeben wird. Einen Block 47, in dem eine Multiplikation einer zugeführten Eingangsgröße mit dem Faktor 2p/3 erfolgt. Einen Block 49, in dem die Differenz aus einer Längsinduktivität Ld und einer Querinduktivität Lq der elektrischen Maschine bestimmt wird, d.h. entsprechende Induktivitäten im bereits erwähnten transformierten Koordinatensystem. In einem Summationsblock 50 wird die Summe aus den zugeführten Eingangsgrößen bestimmt. In einem Multiplikationsblock 48 wird das Produkt aus den zugeführten Eingangsgrößen bestimmt. In einem Subtraktionsblock 43 wird die Differenz aus zugeführten Eingangsgrößen bestimmt.
Die Funktion des ersten Reglers 5 ist dabei wie folgt. Das zugeführte Soll- Drehmoment nri Ref ist eine vorzeichenbehaftete Größe, derart, dass über das Vorzeichen die Wirkrichtung der elektrischen Maschine angegeben wird. Bei der die Wirkrichtung der Maschine handelt es sich um die Bewegungsrichtung, in die das Drehmoment beschleunigend wirkt. Die nachgeschalteten Reglerblöcke gehen aber zunächst von einer betragsmäßigen Regelung aus. Dementsprechend wird dem Regler 42 die Differenz aus dem Subtraktionsblock 43 zugeführten, jeweils auf positive Werte durch die betragsbildenden Blöcke 40, 41 begrenzten Größen gebildet. Mit anderen Worten, die dortige Regelung erfolgt zunächst unabhängig von der Wirkrichtung der elektrischen Maschine. Die gewünschte Wirkrichtung wird über den Vorzeichenbestimmungsblock 44 als Vorzeichen separat dem Block 46 zugeführt. Im Block 46 erfolgt dann wiederum die Zusammenführung des über den Regler 42 und dem Bereichsbegrenzer 45 zugeführten Stroms is mit dem die Drehrichtung angebenden Vorzeichen. Über die Blöcke 47, 48, 49, 50 wird aus den Längsstrom- und Querstrom-Sollwerten id, Ret und iq, Ret gemäß der ersten Gleichung aus (2.1 ) der sich aus diesem Eingangsgrößen ergebende Drehmomentwert m modellbasiert bestimmt. Dementsprechend erfolgt im Subtraktionsblock 43 ein Vergleich zwischen dem Soll-Drehmoment nriRef und dem tatsächlichen, modellbasiert bestimmten Drehmoment m. Diese Differenz wird dem Regler 42 zugeführt.
Eine Besonderheit des ersten Reglers 5 ist, wie schon erwähnt, die Zuführung eines Stromanteils Aid, Ret für die Feldschwächung. Die Figur 5 zeigt einen entsprechenden zweiten Regler 6, mit dem in vorteilhafter Weise hochdynamisch dieser Stromanteil Aid, Ret bestimmt werden kann. Die Erfindung löst daher eine weitere Fragestellung zum Betrieb von permanenterregten Synchronmaschinen und Hybridschrittmotoren. Oberhalb der Nenndrehzahl eines Antriebs ist es notwendig, einen feldschwächenden Stromanteil einzuprägen, um die induzierte Spannung zu verringern. Die Erfindung erhöht die erzielbare Dynamik des zweiten Reglers 6 zur Einstellung der Arbeitspunkte oberhalb der Nenndrehzahl.
Der zweite Regler 6 zur Einstellung der Arbeitspunkte oberhalb der Nenndrehzahl regelt eine synthetische Regelgröße. Der Regelfehler der synthetischen Regelgröße unterliegt nicht der Beschränkung, die die Dynamik der herkömmlichen Verfahren maßgeblich beeinflusst.
Im Stand der Technik ist die Dynamik der Feldschwächregler durch die Beschränkung des Regelfehlers begrenzt. Dynamische Einstellung der Arbeitspunkte kann durch offline berechnete Kennlinien vorgenommen werden, jedoch sind diese betriebsbedingt als Steuerung durch Parameterungenauigkei- ten oder Parametervariation nicht die leistungsoptimalen Arbeitspunkte. Feldschwächregler weisen eine begrenzte Dynamik auf. Offline berechnete Kennlinien erreichen nicht die optimalen Arbeitspunkte.
Die Erfindung ermöglicht es dagegen, die Arbeitspunkte hochdynamisch einzustellen und die leistungsoptimalen Arbeitspunkte zu erreichen. Es werden die Vorteile der dynamischen Steuerung und der leistungsoptimalen Regelung kombiniert. Die Erfindung ermöglicht somit das hochdynamische Einstellen von leistungsoptimalen Arbeitspunkten im Feldschwächbereich von permanenterregten Synchronmaschinen und Hybridschrittmotoren.
Die Erfindung kann einen integralen Regler aufweisen, der eine synthetische Regelgröße regelt. Der synthetische Regelfehler besteht aus der Summe von Statorspannungsbetragsregelfehler und dem Absolutwert der Regelabweichung des Stromregelkreises zur Drehmomentbildung. eü ~ US,Max US ~ US,Max 4 ud + Ut
Figure imgf000019_0001
(3.1 )
Der Absolutwert der Regelabweichung des Stromregelkreises weist gegenüber dem Statorspannungsbetragsregelfehler keine Beschränkung auf und ermöglicht somit Einschwingvorgänge mit gesteigerter Dynamik. Hierfür kann der zweite Regler 6 gemäß Figur 5 eingesetzt werden.
Der zweite Regler 6 weist einen Subtraktionsblock 51 auf, einen Multiplikationsblock 52, einen Schaltblock 53, einen Betragsbildungsblock 58, einen Summationsblock 57, weitere Subtraktionsblöcke 54, 59 sowie einen Regler 55, z.B. einen I-Regler, und einen nachgeschalteten Bereichsbegrenzer 56, der zur Begrenzung der vom Regler 55 ausgegebenen Werte auf negative Werte dient.
Über den Regler 55 mit dem nachgeschalteten Bereichsbegrenzer 56 wird die gewünschte Ausgangsgröße Aid, Ret bestimmt, die dem ersten Regler 5 als Eingangsgröße zugeführt werden kann. Generell kann der gewünschte Stromanteil Aid, Ret für die Feldschwächung aus der Differenz der Statorspannung us und einen maximal zulässigen Wert für die Statorspannung us, Max bestimmt werden, die dem zweiten Regler 6 als Eingangsgrößen zugeführt werden und deren Differenz in dem Subtraktionsblock 54 gebildet wird. Die entsprechende Differenz hieraus wird dem Regler 55 als Eingangsgröße zugeführt. Durch das träge Verhalten des Reglers 55, insbesondere wenn er als I-Regler ausgebildet ist, ist jedoch ein schnelles Folgen der Ausgangsgröße Aid, Ret auf Wechsel der Eingangsgröße us nicht sichergestellt. Erfindungsgemäß kann dies durch eine Umschaltung der Reglerdynamik verbessert werden. Hierfür ist der Umschaltblock 53 vorgesehen, der ein Einschaltsignal an dem Multiplikationsblock 52 abgibt, wenn die Differenz aus us und us, Max einen gewissen Grenzwert überschreitet. Der Umschaltblock 53 gibt dann zahlenmäßig den Wert 1 ab, ansonsten den Wert 0. Hierdurch wird der untere Reglerzweig mit den Blöcken 58, 59 hinzugeschaltet. Über den Subtraktionsblock 59 wird die Differenz aus dem Querstrom-Sollwert iq, Ret und dem tatsächlichen Querstrom iq gebildet. Nach einer Betragsbildung der auf diese Weise gebildeten Differenz im Block 58 wird der hieraus bestimmte, somit positive Wert im Block 51 hinsichtlich des Vorzeichens umgekehrt. Dementsprechend erfolgt im Block 52 eine Multiplikation des auf diese Weise bestimmten negativen Differenzwerts mit dem Wert 1 . Dieser negative Wert wird im Block 57 als relativ großer Zahlenwert dem Differenzwert aus us und us, Max überlagert. Dies führt dazu, dass an dem Regler 55 eingangsseitig ein relativ großer Wert ansteht, der die Reglerdynamik erhöht, indem die Integration beschleunigt wird. Auf diese Weise kann die Ausgangsgröße Aid, Ret hochdynamisch nachgeführt werden.

Claims

Patentansprüche:
1 . Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine, die wenigstens einen Stator und einen Rotor aufweist, mit einem, mehreren oder allen der folgenden Merkmale a), b), c):
a) mittels eines geschlossenen Regelkreises wird im laufenden Betrieb der elektrischen Maschine (1 ) für einen vorbestimmten Strombetrag der Maschine (1 ) das Maximum des von der Maschine abgegebenen Drehmoments eingeregelt,
b) die elektrische Maschine (1 ) wird zur Erreichung einer hohen Drehzahl in einem Feldschwächbetriebsmodus betrieben, in dem ein Teil des der Maschine zugeführten Stroms zur Schwächung des durch Permanentmagnete der Maschine erzeugten Felds wirksam ist, wobei ein erster Regler (5) zur Einstellung eines energieoptimierten Arbeitspunkts der elektrischen Maschine (1 ) bei vorgegebener Drehzahl die an die elektrische Maschine auszugebenden Ströme bestimmt und wobei dem ersten Regler (5) als Eingangsgröße ein auszuregelnder Anteil des Stroms, der für die Feldschwächung genutzt werden soll, zugeführt wird,
c) ein im Feldschwächbetriebsmodus der elektrischen Maschine (1 ) als Eingangsgröße benötigter Stromwert, der den Anteil des Stroms bestimmt, der für die Feldschwächung genutzt werden soll, wird mittels eines hinsichtlich der Regeldynamik umschaltbaren zweiten Reglers (6) bestimmt.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung der Regeldynamik des zweiten Reglers (6) abhängig von der Differenz zwischen der aktuellen Statorspannung und der maximal zulässigen Statorspannung der elektrischen Maschine (1 ) erfolgt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei auf erhöhte Regeldynamik umgeschaltetem zweiten Regler (6) die Differenz eines Sollstroms zu einem Iststrom der elektrischen Maschine zur Verstärkung der Regeldynamik genutzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Regler (5) als Eingangsgröße außerdem eine Drehmomenterhöhung zugeführt wird.
5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Drehmomenterhöhung und dem Feldschwächungsanteil des Stroms das resultierende Drehmoment der elektrischen Maschine (1 ) modellbasiert ermittelt wird und dem ersten Regler (5) als Istwert der Regelgröße zugeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlossene Regelkreis einen Phasenwinkelregler (4) aufweist, durch den als Stellgröße der Phasenwinkel des Statorstroms der elektrischen Maschine (1 ) bezogen auf die Rotorlage für einen energieoptimalen Betrieb eingestellt wird.
7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Phasenwinkelreglers (4) im laufenden Betrieb der elektrischen Maschine (1 ) der Phasenwinkel virtuell geändert wird und die Veränderung des von der Maschine abgegebenen Drehmoments überwacht wird und hiervon abhängig die weitere Änderung des Phasenwinkels gezielt in Richtung steigendes Drehmoment durchgeführt wird, zumindest bis das Drehmoment-Maximum erreicht ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im laufenden Betrieb der elektrischen Maschine (1 ) das Drehmoment-Maximum durch Suchen einer Nullstelle in der nach der Phasenlage differenzierten Bestimmungsgleichung für das Drehmoment der elektrischen Maschine (1 ) bestimmt wird.
9. Connputerprogrannnn mit Programmcodemitteln eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wenn das Verfahren auf einem Rechner ausgeführt wird.
10. Reglereinrichtung (3, 4, 5, 6) zur Einstellung von Betriebsparametern einer elektrischen Maschine (1 ), eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
1 1 . Elektrische Maschine (1 ) mit einer Leistungselektronik (2) zur Steuerung der elektrischen Maschine (1 ) sowie einer Reglereinrichtung (3, 4, 5, 6) nach dem vorhergehenden Anspruch zur Ansteuerung der Leistungselektronik (2).
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