WO2021037533A1 - Method for operating an electric machine - Google Patents

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WO2021037533A1
WO2021037533A1 PCT/EP2020/072364 EP2020072364W WO2021037533A1 WO 2021037533 A1 WO2021037533 A1 WO 2021037533A1 EP 2020072364 W EP2020072364 W EP 2020072364W WO 2021037533 A1 WO2021037533 A1 WO 2021037533A1
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WO
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voltage
electrical machine
values
converter
model predictive
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Application number
PCT/EP2020/072364
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German (de)
French (fr)
Inventor
Maximilian MANDERLA
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/34Modelling or simulation for control purposes
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating an electrical machine which is supplied with voltage by means of a converter fed from a DC voltage circuit, as well as a computing unit and a computer program for its implementation.
  • Electrical machines in particular variable-speed electrical machines, can be operated as a motor or generator on an inverter that is fed by a DC voltage circuit, or on a converter that has a DC voltage intermediate circuit.
  • the voltage values at the terminals of the electrical machine are thus limited by the direct voltage or the two potentials of the direct voltage (intermediate) circuit.
  • a typical way of regulating the voltage in such an electrical machine is field-oriented regulation, in which a space vector representation, in particular in d-q coordinates, is used.
  • This type of control is based on the so-called zero condition, according to which a star point (if present) of the load is not connected to the neutral conductor. As a result, the sum of the phase currents is always zero.
  • d and q two coordinates, typically referred to as d and q, are sufficient for controlling and regulating the electrical machine.
  • the invention relates to a method for motor or generator Be driving an electrical machine that is supplied with voltage by means of a converter that converts a direct voltage into an alternating voltage.
  • the converter can be an inverter in which an alternating voltage with a corresponding number of phases is generated only from a direct voltage.
  • it can also be a converter, in particular a frequency converter, further in particular a so-called two-level converter, in which an alternating voltage is initially converted into a direct voltage and this then again into an alternating voltage with a frequency and generally changed Amplitude is converted.
  • a so-called DC voltage intermediate circuit in the converter is controlled in particular in pulse width modulation or PWM.
  • a typical way of regulating the voltage in such an electrical machine is field-oriented regulation, in which a space vector display, in particular in dq coordinates, is used.
  • phase voltages in fixed Koordina th
  • a polytopic or polygonal voltage limitation which rotates with the electric field frequency (time variant, ie changing with time) results.
  • this voltage limit is a regular hexagon.
  • the proposed method is useful for a three-phase electrical machine, the proposed method can also be used with a different number of phases, for example five or seven.
  • This time variance represents a technical control difficulty because, depending on the current rotor position, different limits or maximum values for the phase voltage values, i.e. those values of the voltage that can be applied to the phases of the electrical machine, can be relevant and active.
  • the permissible polytopi cal control area for the voltage in the (field-oriented) control can be approximated by a (rotation- and time-invariant) inscribed circle (in the polygon) with a maximum diameter.
  • Modulation-related mean voltage values can then (during a regulation cycle) be selected so that they always lie in the mentioned inscribed circle. However, this leads to a non-utilization of the available, maximum electrical voltage and thus, depending on the operating point, to losses in dynamics and / or efficiency.
  • phase voltage values to be applied to the electrical machine are determined within the framework of a model predictive regulation with a model of the electrical machine as manipulated variables and then applied to the corresponding connections or phase voltage connections of the electrical machine.
  • model predictive control physically achievable maximum values are used as limits for the phase voltage values.
  • These maximum values for the phase voltage values are, in particular in a space vector representation or in ab coordinates, a regular polygon, the number of corners of the polygon depending on a number of the phases of the electrical machine, in particular corresponding to twice the number of phases .
  • it is a regular hexagon, for example.
  • the inscribed circle is not used for the maximum values, but the actual physical maximum values are used.
  • a torque of the electrical machine or a current can be used as a control variable in model predictive control, but this then in particular in dq coordinates.
  • the above-mentioned disadvantages when using the inscribed circle for the maximum values can be avoided or at least reduced, since the physically existing polytopic restrictions can be fully exploited by the control.
  • the model predictive control the use of these actual or physical limits is, as has been shown, much easier than with a conventional control.
  • Particular advantages result, in particular, from the rise time that can be achieved and the associated speed of control in the case of transient processes (torque changes) both in the basic setting range and in the field weakening range.
  • phase voltages that can be applied to the machine terminals are used as inputs or manipulated variables and not (as is usual) the voltages in the rotating d-q system.
  • the phase voltages represent the hexagon or, in general, the polytope of the maximum possible voltages.
  • target or reference values such as currents or torques to be set
  • target or reference values are used in each control step, that is, with each call, several numerical simulations (over a limited timeframe Horizon) of a plant model with varying manipulated variables, ie voltages, performed.
  • that voltage is selected which achieves the best performance (eg fast or low-energy achievement of the reference value) taking into account the voltage limits, ie the physically achievable maximum values.
  • the voltage optimized in the hexagon or polytope (best solution) is finally output and connected to the electrical machine. More detailed explanations of such a model of an electrical machine can also be found, for example, in "Schröder, D .: Electrical Drives - Basics, Springer 2009 (Chapter 6.5, p.391)".
  • control targets can also be prioritized in an adaptable manner during runtime.
  • the higher dynamics of the control system enable better and higher-frequency damping of mechanical drive train vibrations, as well as faster gear changes in multi-speed transmissions.
  • better utilization of the electric drive is possible through a lower supply of control voltage (lower field weakening), which brings cost advantages with it. It is therefore possible to change the control parameters online and without any additional effort, i.e. an adaptation depending on the operating strategy (dynamics vs. efficiency) is possible.
  • the current angle of the rotor can be measured using a sensor or a rotor position sensor can be measured.
  • the current angle can also be estimated, for example using an observer. It is also conceivable to use both variants to protect the other.
  • a computing unit e.g. a control unit of a motor vehicle or a control unit or a control or regulating unit for an electrical machine, is set up, in particular in terms of programming, to carry out a method according to the invention.
  • Suitable data carriers for providing the computer program are, in particular, magnetic, optical and electrical memories, such as hard drives, flash memories, EEPROMs, DVDs, etc.
  • a program can also be downloaded via computer networks (Internet, intranet, etc.).
  • FIG. 1 shows schematically a circuit with an electrical machine, in which a method according to the invention can be carried out.
  • FIG. 2 shows schematically a space vector illustration to explain a method according to the invention.
  • FIG. 3 schematically shows a sequence of a method according to the invention in a preferred embodiment.
  • FIG. 4 shows schematically a sequence of a model predictive control.
  • FIG. 5 schematically shows voltage and current curves when using a method according to the invention in a preferred embodiment.
  • FIG. 6 shows schematically a voltage profile when using a method according to the invention in a preferred embodiment.
  • a circuit with electrical machine 100 with Ro tor 103 is shown schematically, in which a method according to the invention can be carried out.
  • a converter 110 is provided which has three half bridges each with two switches, once Si and S2, once S3 and S4 and once S5 and S 6 , to which a DC voltage U dc is applied.
  • the switches can in particular be semiconductor switches, for example MOSFETs or IGBTs.
  • the converter 110 can, for example, be part of a computing unit 115 embodied as a control unit for the electrical machine.
  • a capacitor C is also provided. Between each two switches there is a tap for one of the three phases U, V and W, which are connected to corresponding connections (not shown) on a stator winding of the electrical machine 100.
  • FIG. 2 a space vector representation is shown schematically to explain a method according to the invention.
  • the axes a and ß are provided as real and imaginary parts in a stator-fixed ab coordinate system.
  • the axes U, V, W are converted into a two-axis coordinate system with the axes a, ⁇ , where, by definition, the axis U coincides with the real axis a.
  • the sum of the three phase currents is always zero at any point in time.
  • Each half bridge in the circuit shown in Figure 1 can assume two different switch positions.
  • S1 closed and S2 open as the first position
  • S1 open and S2 closed as the second position
  • low-side or "0”
  • switch positions there are eight possible switch positions and thus eight switching states.
  • Each switch position results in a different voltage constellation between the phases U, V and W and thus also a different voltage space vector.
  • Each voltage space vector also generates a specific alignment of the flux density distribution in the electrical machine.
  • the six voltage indicators Ui to U ⁇ are not sufficient, since voltage space indicators must be switched to the electrical machine with any angles and amounts.
  • the ratio of the two times is decisive for the resulting voltage space vector.
  • the two times al must be selected to be of equal length in order to obtain the desired voltage space vector. Due to a typically existing low-pass effect of the stator windings, there is an averaged current in the electrical machine and thus the desired space vector, the desired alignment of the magnetic flux density.
  • the amplitude of the output voltage i.e. the amount of the voltage space vector
  • the zero-voltage space vector can be used. If, for example, the voltage space vector U b is to be output, the ratio of the output times of the voltage space vector Ui and U2, as in the previous example, must be the same. In order to be able to reduce the amount of the resulting voltage space vector, an additional time is required in which a zero voltage space vector is output.
  • the voltage space vector must rotate with the rotor.
  • the (rotating) voltage regulation can be simplified by transforming it into a coordinate system fixed to the rotor (so-called d / q transformation or Park transformation).
  • the phase voltages U a , U b and U c applied to phases U, V and W according to FIG transformed into the voltage values or voltages U d and U q in the space vector representation, where cp is the current rotor angle.
  • FIG. 3 a sequence of a method according to the invention is shown schematically in a preferred embodiment.
  • the model predictive control or the corresponding controller 150 with a model 155 of the electrical machine receives reference values R (setpoint values) and measured values M as input variables. Values for the phase voltages U a , U b and U c are output to the electrical machine as output variables (manipulated variables). A target value is in particular the torque.
  • phase voltage vector in space vector representation instead of the usual calculation of U d and U q , the phase voltages U a , U b and U c are optimized in a direct manner within the framework of the proposed model predictive control. By utilizing the angle-dependent relationship mentioned above, these are directly incorporated into the respective system model.
  • an angle cp of the rotor 103 is measured, for example by means of a sensor 101, and a measurement is transmitted to the controller 150, a e.g. Position in a permanent magnet synchronous machine.
  • an observer 102 can also be used to estimate or determine the angle, here denoted by f ', for example a flux angle in an asynchronous machine.
  • Characteristic for the model predictive control is a pre-calculation (so-called prediction) of the future system behavior on a sliding horizon H and the necessary optimization of possible voltage curves (as manipulated variables).
  • prediction a pre-calculation
  • the future behavior is shown in the upper diagram with a dashed line over a horizon H, optimized with regard to a manipulated variable, which then defines a certain value or course of the manipulated variable (voltage) in the lower diagram with a dashed line shown, results. This determined, optimal manipulated variable is then set.
  • the horizon is then shifted backwards by the time period At and such an optimization is carried out again for this new horizon H at the point in time X k + i.
  • the actual course of the state X and the actually or ultimately used values for the manipulated variable Y are shown with solid lines.
  • the (dynamic) model of the electrical machine can be expanded to include a prediction of the angular position.
  • an electrical angular velocity w and a controller sampling time dT an estimated position angle is obtained for a prediction of k steps
  • FIG. 6 schematically shows a voltage profile when using a method according to the invention in a preferred embodiment, which corresponds to the situation shown in FIG.
  • the voltage values U a and Uß are plotted against one another in the space vector representation, where the maximum values already shown in FIG. 2 are drawn in at U max.

Abstract

The invention relates to a method for operating an electric machine (100) which is supplied with voltage by a converter with which a DC voltage is converted into an AC voltage, wherein phase voltage values (Ua, Ub, Uc) to be applied to the electric machine (100) are determined in the course of a model predictive control (150) with a model (155) of the electric machine and then applied, wherein physically achievable maximum values are used as thresholds for the phase voltage values in the model predictive control (150).

Description

Beschreibung description
Titel title
Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine Method for operating an electrical machine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, die mittels eines aus einem Gleichspannungskreis gespeisten Umrich ters mit Spannung versorgt wird, sowie eine Recheneinheit und ein Computer programm zu dessen Durchführung. The present invention relates to a method for operating an electrical machine which is supplied with voltage by means of a converter fed from a DC voltage circuit, as well as a computing unit and a computer program for its implementation.
Stand der Technik State of the art
Elektrische Maschinen, insbesondere drehzahlvariable elektrische Maschinen, können motorisch oder generatorisch an einem Wechselrichter betrieben wer den, der von einem Gleichspannungskreis gespeist wird, oder an einem Umrich ter, der einen Gleichspannungszwischenkreis aufweist. Die Spannungswerte an den Klemmen der elektrischen Maschine werden damit durch die Gleichspan nung bzw. die beiden Potentiale des Gleichspannungs(zwischen)kreises be grenzt. Electrical machines, in particular variable-speed electrical machines, can be operated as a motor or generator on an inverter that is fed by a DC voltage circuit, or on a converter that has a DC voltage intermediate circuit. The voltage values at the terminals of the electrical machine are thus limited by the direct voltage or the two potentials of the direct voltage (intermediate) circuit.
Eine typische Art der Regelung der Spannung bei einer solchen elektrischen Ma schine ist die feldorientiere Regelung, bei der eine Raumzeigerdarstellung, ins besondere in d-q-Koordinaten verwendet wird. Diese Art der Regelung basiert auf der sog. Nullbedingung, wonach ein Sternpunkt (sofern vorhanden) der Last nicht mit dem Neutralleiter verbunden ist. Dadurch ist die Summe der Phasen ströme immer Null. Im Falle einer dreiphasigen elektrischen Maschine sind damit nur zwei Koordinaten, typischerweise als d und q bezeichnet, für die Ansteue rung und Regelung der elektrischen Maschine ausreichend. A typical way of regulating the voltage in such an electrical machine is field-oriented regulation, in which a space vector representation, in particular in d-q coordinates, is used. This type of control is based on the so-called zero condition, according to which a star point (if present) of the load is not connected to the neutral conductor. As a result, the sum of the phase currents is always zero. In the case of a three-phase electrical machine, only two coordinates, typically referred to as d and q, are sufficient for controlling and regulating the electrical machine.
Offenbarung der Erfindung Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Ma schine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durch führung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Disclosure of the invention According to the invention, a method for operating an electrical machine as well as a computing unit and a computer program for its implementation are proposed with the features of the independent claims. Advantageous refinements are the subject matter of the subclaims and the description below.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum motorischen oder generatorischen Be treiben einer elektrischen Maschine, die mittels eines Stromrichters, der eine Gleichspannung in eine Wechselspannung wandelt, mit Spannung versorgt wird. Bei dem Stromrichter kann es sich um einen Wechselrichter handeln, bei dem nur aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung mit entsprechender Pha senanzahl erzeugt wird. Ebenso kann es sich aber auch um einen Umrichter, insbesondere Frequenzumrichter, weiter insbesondere einen sog. Zwei-Level- Umrichter, handeln, bei dem eine Wechselspannung zunächst in eine Gleich spannung und diese dann wieder in eine Wechselspannung mit in der Regel ge änderter Frequenz und Amplitude gewandelt wird. In letzterem Fall spricht man auch von einem sog. Gleichspannungszwischenkreis im Umrichter. Eine Ansteu erung des Stromrichters erfolgt dabei insbesondere in Pulsbreitenmodulation bzw. PWM. The invention relates to a method for motor or generator Be driving an electrical machine that is supplied with voltage by means of a converter that converts a direct voltage into an alternating voltage. The converter can be an inverter in which an alternating voltage with a corresponding number of phases is generated only from a direct voltage. Likewise, it can also be a converter, in particular a frequency converter, further in particular a so-called two-level converter, in which an alternating voltage is initially converted into a direct voltage and this then again into an alternating voltage with a frequency and generally changed Amplitude is converted. In the latter case, one speaks of a so-called DC voltage intermediate circuit in the converter. The converter is controlled in particular in pulse width modulation or PWM.
Wie schon erwähnt, ist eine typische Art der Regelung der Spannung bei einer solchen elektrischen Maschine die feldorientiere Regelung, bei der eine Raum zeigerdarstellung, insbesondere in d-q-Koordinaten verwendet wird. Aus den er wähnten Beschränkungen der Phasenspannungen (in feststehenden Koordina ten) ergibt sich eine mit der elektrischen Feldfrequenz rotierende (zeitvariante, d.h. sich mit der Zeit ändernde) polytopische bzw. polygone Spannungsbegren zung. Bei einem Zwei-Level-Umrichter und einer dreiphasigen elektrischen Ma schine ist diese Spannungsbegrenzung ein regelmäßiges Sechseck. Für eine nähere Erläuterung hierzu sei auch auf die Figurenbeschreibung verwiesen. Wenngleich das vorgeschlagene Verfahren für eine dreiphasige elektrische Ma schine zweckmäßig ist, kann das vorgeschlagene Verfahren auch bei anderer Anzahl an Phasen, beispielsweise fünf oder sieben, verwendet werden. Diese Zeitvarianz stellt dabei eine regelungstechnische Schwierigkeit dar, da je nach aktueller Rotorlage unterschiedliche Begrenzungen bzw. Maximalwerte für die Phasenspannungswerte, also diejenigen Werte der Spannung, die an die Phasen der elektrischen Maschine angelegt werden können, relevant und aktiv sein können. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, kann das zulässige polytopi sche Stellgebiet für die Spannung bei der (feldorientierten) Regelung durch einen (drehungs- und zeitinvarianten) Inkreis (in dem Polygon) mit maximalem Durch messer approximiert werden. Für eine nähere Erläuterung sei auch hier auf die Figurenbeschreibung verwiesen. As already mentioned, a typical way of regulating the voltage in such an electrical machine is field-oriented regulation, in which a space vector display, in particular in dq coordinates, is used. From the mentioned limitations of the phase voltages (in fixed Koordina th) a polytopic or polygonal voltage limitation which rotates with the electric field frequency (time variant, ie changing with time) results. With a two-level converter and a three-phase electrical machine, this voltage limit is a regular hexagon. For a more detailed explanation of this, reference is also made to the description of the figures. Although the proposed method is useful for a three-phase electrical machine, the proposed method can also be used with a different number of phases, for example five or seven. This time variance represents a technical control difficulty because, depending on the current rotor position, different limits or maximum values for the phase voltage values, i.e. those values of the voltage that can be applied to the phases of the electrical machine, can be relevant and active. To avoid this difficulty, the permissible polytopi cal control area for the voltage in the (field-oriented) control can be approximated by a (rotation- and time-invariant) inscribed circle (in the polygon) with a maximum diameter. For a more detailed explanation, reference is made here to the description of the figures.
Modulationsbedingte Spannungsmittelwerte können dann (während eines Rege lungstaktes) so gewählt werden, dass sie stets im erwähnten Inkreis liegen. Dies führt allerdings zu einer Nichtausnutzung der verfügbaren, maximalen elektri schen Spannung und damit je nach Betriebspunkt zu Einbußen in Dynamik und/oder Wirkungsgrad. Modulation-related mean voltage values can then (during a regulation cycle) be selected so that they always lie in the mentioned inscribed circle. However, this leads to a non-utilization of the available, maximum electrical voltage and thus, depending on the operating point, to losses in dynamics and / or efficiency.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden nun an die elektrische Maschine anzulegende Phasenspannungswerte im Rahmen einer modellprädiktiven Rege lung mit einem Modell der elektrischen Maschine als Stellgrößen ermittelt und dann an die entsprechenden Anschlüsse bzw. Phasenspannungsanschlüsse der elektrischen Maschine angelegt. Bei der modellprädiktiven Regelung werden als Grenzen für die Phasenspannungswerte physikalisch erreichbare Maximalwerte verwendet. Bei diesen Maximalwerten für die Phasenspannungswerte handelt es sich insbesondere in einer Raumzeigerdarstellung bzw. in a-b-Koordinaten um ein regelmäßiges Polygon, wobei eine Anzahl an Ecken des Polygons von einer Anzahl der Phasen der elektrischen Maschine abhängt, insbesondere dem dop pelten der Anzahl der Phasen entspricht. Im Falle einer dreiphasigen elektrischen Maschine handelt es sich beispielsweise um ein regelmäßiges Sechseck. Es wird also gerade nicht der Inkreis für die Maximalwerte verwendet, sondern es werden die tatsächlichen physikalischen Maximalwerte verwendet. Als Regelgröße kann bei der modellprädiktiven Regelung beispielsweise ein Moment der elektrischen Maschine oder ein Strom verwendet werden, dieser dann insbesondere aber in d-q-Koordinaten. Auf diese Weise können die vorstehend erwähnten Nachteile bei Verwendung des Inkreises für die Maximalwerte vermieden oder zumindest reduziert werden, da die physikalisch vorhandenen polytopischen Beschränkungen von der Rege lung vollumfänglich ausgenutzt werden können. Durch die modellprädiktive Re gelung ist die Verwendung dieser tatsächlichen bzw. physikalischen Grenzen nämlich, wie sich gezeigt hat, deutlich einfacher möglich als bei einer herkömmli chen Regelung. Besondere Vorteile ergeben sich insbesondere bei der erreich baren Anregelzeit und der damit verbundenen Schnelligkeit der Regelung bei transienten Vorgängen (Drehmomentänderungen) sowohl im Grundstellbereich als auch im Feldschwächebereich. In the proposed method, phase voltage values to be applied to the electrical machine are determined within the framework of a model predictive regulation with a model of the electrical machine as manipulated variables and then applied to the corresponding connections or phase voltage connections of the electrical machine. In model predictive control, physically achievable maximum values are used as limits for the phase voltage values. These maximum values for the phase voltage values are, in particular in a space vector representation or in ab coordinates, a regular polygon, the number of corners of the polygon depending on a number of the phases of the electrical machine, in particular corresponding to twice the number of phases . In the case of a three-phase electrical machine, it is a regular hexagon, for example. The inscribed circle is not used for the maximum values, but the actual physical maximum values are used. A torque of the electrical machine or a current, for example, can be used as a control variable in model predictive control, but this then in particular in dq coordinates. In this way, the above-mentioned disadvantages when using the inscribed circle for the maximum values can be avoided or at least reduced, since the physically existing polytopic restrictions can be fully exploited by the control. Because of the model predictive control, the use of these actual or physical limits is, as has been shown, much easier than with a conventional control. Particular advantages result, in particular, from the rise time that can be achieved and the associated speed of control in the case of transient processes (torque changes) both in the basic setting range and in the field weakening range.
Bei einer modellprädiktiven Regelung ist ganz grundsätzlich ein (dynamisches) Modell der zu regelnden Strecke - im vorliegenden Fall ein Modell der elektri schen Maschine - hinterlegt. Eine Besonderheit ist hierbei, dass als Eingänge bzw. Stellgrößen die Phasenspannungen, welche an die Maschinenklemmen an gelegt werden können, dienen und nicht (wie sonst üblich) die Spannungen im rotierenden d-q-System. Die Phasenspannungen repräsentieren das Sechseck bzw. allgemein Polytop der maximal möglichen Spannungen. In the case of model predictive control, a (dynamic) model of the system to be controlled - in the present case a model of the electrical machine - is stored. A special feature here is that the phase voltages that can be applied to the machine terminals are used as inputs or manipulated variables and not (as is usual) the voltages in the rotating d-q system. The phase voltages represent the hexagon or, in general, the polytope of the maximum possible voltages.
Bei der modellprädiktiven Regelung werden dann anhand von Ziel- bzw. Refe renzgrößen (bzw. Sollwerten), wie beispielsweise einzustellenden Strömen oder Drehmomenten, in jedem Regelungsschritt, d.h. bei jedem Aufruf, mehrere nu merische Simulationen (über einen begrenzten zeitlichen in die Zukunft gerichte ten Horizont) eines Streckenmodells mit variierenden Stellgrößen, d.h. Spannun gen, durchgeführt. Mittels einer Online-Optimierung wird diejenige Spannung ausgewählt, welche die beste Performance (z.B. schnelles oder energiearmes Erreichen des Referenzwertes) unter Berücksichtigung der Spannungsbegren zungen, d.h. der physikalisch erreichbaren Maximalwerte, erreicht. Hier kommen also Modell, Zielgrößen in Form beispielsweise eines Kostenfunktionais und Spannungsbegrenzungen zusammen. Die im Sechseck bzw. Polytop optimierte Spannung (beste Lösung) wird schließlich ausgegeben und auf die elektrische Maschine aufgeschaltet. Nähere Erläuterungen zu einem solchen Modell einer elektrischen Maschine sind beispielsweise auch in "Schröder, D.: Elektrische Antriebe - Grundlagen, Sprin ger 2009 (Kap. 6.5, S.391)" zu finden. In model predictive control, target or reference values (or setpoints), such as currents or torques to be set, are used in each control step, that is, with each call, several numerical simulations (over a limited timeframe Horizon) of a plant model with varying manipulated variables, ie voltages, performed. By means of online optimization, that voltage is selected which achieves the best performance (eg fast or low-energy achievement of the reference value) taking into account the voltage limits, ie the physically achievable maximum values. This is where the model, target values in the form of a cost function, for example, and voltage limits come together. The voltage optimized in the hexagon or polytope (best solution) is finally output and connected to the electrical machine. More detailed explanations of such a model of an electrical machine can also be found, for example, in "Schröder, D .: Electrical Drives - Basics, Springer 2009 (Chapter 6.5, p.391)".
Weiterhin wird damit eine maximale Ausnutzung der verfügbaren elektrischen Spannung auch in transienten Szenarien möglich und es ergeben sich auch eine bessere Dynamik und schnellere Arbeitspunktwechsel (transiente Vorgänge). Es ist außerdem kein Umschalten zu speziellen Verfahren der Übermodulation nötig, sondern es ist ein einheitlicher Regelungsansatz möglich. Zudem ist nur ein re duzierter Applikationsaufwand im Vergleich zu klassischen Regelungsverfahren mit Umschaltungen zwischen Betriebsgebieten (mit und ohne Übermodulation) nötig. Furthermore, maximum utilization of the available electrical voltage is also possible in transient scenarios and there is also better dynamics and faster operating point changes (transient processes). In addition, there is no need to switch to special overmodulation methods, instead a uniform control approach is possible. In addition, only a reduced application effort is required compared to classic control methods with switchover between operating areas (with and without overmodulation).
Weiterhin ist eine Vorgabe sinnvoller Spannungsrichtungen (hinsichtlich Dyna mik, Wirkungsgrad und dergleichen) bei Erreichen der Spannungsgrenze durch Lösung eines Optimierungsproblems in Echtzeit, worauf die modellprädiktive Re gelung beruht, möglich. Auch können Regelziele zur Laufzeit anpassbar priori- siert werden. Zudem ergibt sich eine gewisse Robustheit durch Feedback im Ge gensatz zu Steuerungsverfahren. Furthermore, it is possible to specify sensible voltage directions (with regard to dynamics, efficiency and the like) when the voltage limit is reached by solving an optimization problem in real time, on which the model predictive control is based. Control targets can also be prioritized in an adaptable manner during runtime. In addition, there is a certain robustness through feedback in contrast to control procedures.
Bezüglich eines gesamten elektrischen Antriebssystems in beispielsweise einem Fahrzeug ergeben sich außerdem noch weitere Vorteile. So sind durch die höhe re Dynamik der Regelung beispielsweise eine bessere und hochfrequentere Dämpfung von mechanischen Antriebsstrangschwingungen möglich, ebenso wie schnellere Schaltvorgänge bei mehrgängigen Getrieben. Zudem ist eine bessere Ausnutzung des elektrischen Antriebs durch geringeren Vorhalt von Regel- Spannung (geringere Feldschwächung) möglich, was Kostenvorteile mit sich bringt. Eine Änderung der Regelungsparameter ist damit online und ohne Zu satzaufwand möglich, d.h. es ist eine betriebsstrategieabhängige Anpassung (Dynamik vs. Effizienz) möglich. With regard to an entire electric drive system in, for example, a vehicle, there are also further advantages. For example, the higher dynamics of the control system enable better and higher-frequency damping of mechanical drive train vibrations, as well as faster gear changes in multi-speed transmissions. In addition, better utilization of the electric drive is possible through a lower supply of control voltage (lower field weakening), which brings cost advantages with it. It is therefore possible to change the control parameters online and without any additional effort, i.e. an adaptation depending on the operating strategy (dynamics vs. efficiency) is possible.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren bzw. bei der verwendeten modellprädiktiven Regelung ist eine Kenntnis eines aktuellen Winkels des Rotors zweckmäßig. Hierzu kann der aktuelle Winkel des Rotors unter Verwendung eines Sensors bzw. eines Rotorlagesensors gemessen werden. Ebenso kann der aktuelle Win kel aber auch geschätzt werden, beispielsweise unter Verwendung eines Be obachters. Denkbar ist auch die Verwendung beider Varianten zur Absicherung der jeweils anderen. With the proposed method or with the model predictive control used, knowledge of a current angle of the rotor is useful. For this purpose, the current angle of the rotor can be measured using a sensor or a rotor position sensor can be measured. However, the current angle can also be estimated, for example using an observer. It is also conceivable to use both variants to protect the other.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahr zeugs oder ein Steuergerät bzw. eine Steuer- oder Regeleinheit für eine elektri sche Maschine, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein er findungsgemäßes Verfahren durchzuführen. A computing unit according to the invention, e.g. a control unit of a motor vehicle or a control unit or a control or regulating unit for an electrical machine, is set up, in particular in terms of programming, to carry out a method according to the invention.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Da tenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magne tische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computer netze (Internet, Intranet usw.) ist möglich. The implementation of a method according to the invention in the form of a computer program or computer program product with program code for performing all method steps is advantageous, since this causes particularly low costs, especially if an executing control device is used for other tasks and is therefore available anyway. Suitable data carriers for providing the computer program are, in particular, magnetic, optical and electrical memories, such as hard drives, flash memories, EEPROMs, DVDs, etc. A program can also be downloaded via computer networks (Internet, intranet, etc.).
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Be schreibung und der beiliegenden Zeichnung. Further advantages and embodiments of the invention emerge from the description and the accompanying drawings.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schema tisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. The invention is illustrated schematically using an exemplary embodiment in the drawing and is described below with reference to the drawing.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Figur 1 zeigt schematisch eine Schaltung mit elektrischer Maschine, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. FIG. 1 shows schematically a circuit with an electrical machine, in which a method according to the invention can be carried out.
Figur 2 zeigt schematisch eine Raumzeigerdarstellung zur Erläuterung eines er findungsgemäßen Verfahrens. Figur 3 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform. FIG. 2 shows schematically a space vector illustration to explain a method according to the invention. FIG. 3 schematically shows a sequence of a method according to the invention in a preferred embodiment.
Figur 4 zeigt schematisch einen Ablauf einer modellprädiktiven Regelung. FIG. 4 shows schematically a sequence of a model predictive control.
Figur 5 zeigt schematisch Spannungs- und Stromverläufe bei Verwendung ei nes erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungs form. FIG. 5 schematically shows voltage and current curves when using a method according to the invention in a preferred embodiment.
Figur 6 zeigt schematisch einen Spannungsverlauf bei Verwendung eines erfin dungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.. FIG. 6 shows schematically a voltage profile when using a method according to the invention in a preferred embodiment.
Ausführungsform(en) der Erfindung Embodiment (s) of the invention
In Figur 1 ist schematisch eine Schaltung mit elektrischer Maschine 100 mit Ro tor 103 dargestellt, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Hierbei ist ein Stromrichter 110 vorgesehen, der drei Halbbrücken mit jeweils zwei Schaltern, einmal Si und S2, einmal S3 und S4 und einmal S5 und S6 auf weist, an denen eine Gleichspannung Udc anliegt. In Figure 1, a circuit with electrical machine 100 with Ro tor 103 is shown schematically, in which a method according to the invention can be carried out. Here, a converter 110 is provided which has three half bridges each with two switches, once Si and S2, once S3 and S4 and once S5 and S 6 , to which a DC voltage U dc is applied.
Bei den Schaltern kann es sich insbesondere um Halbleiterschalter, beispiels weise MOSFETs oder IGBTs, handeln. Der Stromrichter 110 kann beispielswiese Teil einer als Regeleinheit für die elektrische Maschine ausgebildete Rechenein heit 115 sein. Zudem ist ein Kondensator C vorgesehen. Zwischen jeweils zwei Schaltern ist ein Abgriff für eine der beispielhaft drei Phasen U, V und W, die an entsprechende (nicht dargestellte) Anschlüsse an eine Ständerwicklung der elektrischen Maschine 100 angeschlossen sind. The switches can in particular be semiconductor switches, for example MOSFETs or IGBTs. The converter 110 can, for example, be part of a computing unit 115 embodied as a control unit for the electrical machine. A capacitor C is also provided. Between each two switches there is a tap for one of the three phases U, V and W, which are connected to corresponding connections (not shown) on a stator winding of the electrical machine 100.
In Figur 2 ist schematisch eine Raumzeigerdarstellung zur Erläuterung eines er findungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Hierzu sind als Real- und Imaginärteil achsen die Achsen a und ß in einem statorfesten a-b-Koordinatensystem vorge sehen. Mittels der Clarke-Transformation bzw. a/b-Transformation werden die Achsen U, V, W in ein zweiachsiges Koordinatensystem mit den Achsen a, ß überführt, wo bei definitionsgemäß die Achse U mit der reellen Achse a zusammenfällt. Die Summe der drei Phasenströme ist zu jedem Zeitpunkt immer null. In FIG. 2, a space vector representation is shown schematically to explain a method according to the invention. For this purpose, the axes a and ß are provided as real and imaginary parts in a stator-fixed ab coordinate system. By means of the Clarke transformation or a / b transformation, the axes U, V, W are converted into a two-axis coordinate system with the axes a, β, where, by definition, the axis U coincides with the real axis a. The sum of the three phase currents is always zero at any point in time.
Jede Halbbrücke bei der in Figur 1 gezeigten Schaltung kann zwei verschiedene Schalterstellungen annehmen. Für die durch die Schalter Si und S2 gebildete Halbbrücke wäre dies z.B. S1 geschlossen und S2 geöffnet als erste Stellung ("high-side" bzw. "1") und S1 geöffnet und S2 geschlossen als zweite Stellung ("low-side" bzw. "0"). Da drei Halbbrücken für ein Dreiphasendrehstromsystem notwendig sind, ergeben sich dadurch acht mögliche Schalterstellungen und so mit acht Schaltzustände. Es ergeben sich bei jeder Schalterstellung eine andere Spannungskonstellation zwischen den Phasen U, V und W und damit auch ein anderer Spannungsraumzeiger. Each half bridge in the circuit shown in Figure 1 can assume two different switch positions. For the half-bridge formed by switches Si and S2, this would be, for example, S1 closed and S2 open as the first position ("high-side" or "1") and S1 open and S2 closed as the second position ("low-side" or "0"). Since three half bridges are necessary for a three-phase three-phase system, there are eight possible switch positions and thus eight switching states. Each switch position results in a different voltage constellation between the phases U, V and W and thus also a different voltage space vector.
Die zwei Schalterstellungen, bei denen entweder alle drei oberen oder alle drei unteren Schalter geschlossen sind ([111] bzw. [000]), stellen eine Ausnahme dar. Bei diesen Schalterstellungen werden alle drei Phasen kurzgeschlossen. Somit ist zwischen den Phasen keine Spannung messbar. Diese beiden Spannungs vektoren werden als Nullspannungsraumzeiger bezeichnet und sind in der Figur 2 mit den Vektoren Uo und II7 angedeutet. Die übrigen sechs möglichen Schal terstellungen ergeben die mit den Vektoren bzw. Spannungsraumzeigern Ui bis UÖ bezeichneten Positionen im statorfesten a-ß- Koordinatensystem. The two switch positions in which either all three upper or all three lower switches are closed ([111] or [000]) are an exception. With these switch positions, all three phases are short-circuited. This means that no voltage can be measured between the phases. These two voltage vectors are referred to as zero voltage space vector and are indicated in FIG. 2 by the vectors Uo and II7. The remaining six possible switch positions result in the positions in the stator-fixed a-ß coordinate system identified by the vectors or voltage space vectors Ui to U Ö.
Jeder Spannungsraumzeiger erzeugt ferner in der elektrischen Maschine eine bestimmte Ausrichtung der Flussdichteverteilung. Um eine elektrische Maschine nun kontinuierlich (sinusförmig) kommutieren zu können, sind die sechs Span nungszeiger Ui bis UÖ nicht ausreichend, da Spannungsraumzeiger mit beliebi gen Winkeln und Beträgen auf die elektrische Maschine geschaltet werden müs sen. Each voltage space vector also generates a specific alignment of the flux density distribution in the electrical machine. In order to be able to commutate an electrical machine continuously (sinusoidally), the six voltage indicators Ui to U Ö are not sufficient, since voltage space indicators must be switched to the electrical machine with any angles and amounts.
Um dies zu erreichen, wird das Grundprinzip der Pulsbreitenmodulation ange wandt. Soll beispielsweise ein Spannungsraumzeiger Ua ausgegeben werden, der exakt den halben Winkel der Spannungsraumzeiger Ui und U2, aber den ma- ximal möglichen Betrag hat, kann dies dadurch erreicht werden, dass der Span nungsraumzeiger Ui abwechselnd mit dem Spannungsraumzeiger U2 ausgege ben wird. To achieve this, the basic principle of pulse width modulation is applied. If, for example, a voltage space vector U a is to be output, which is exactly half the angle of the voltage space vector Ui and U2, but the maximum This can be achieved by outputting the voltage space vector Ui alternately with the voltage space vector U2.
Ausschlaggebend für den resultierenden Spannungsraumzeiger ist das Verhält nis der beiden Zeiten. In dem angeführten Beispiel müssen die beiden Zeiten al so gleich lange gewählt werden, um den gewünschten Spannungsraumzeiger zu erhalten. Aufgrund einer typischerweise vorhandenen Tiefpasswirkung der Statorwicklungen ergibt sich in der elektrischen Maschine ein gemittelter Strom und somit der gewünschte Raumzeiger, die gewünschte Ausrichtung der magne tischen Flussdichte. The ratio of the two times is decisive for the resulting voltage space vector. In the example given, the two times al must be selected to be of equal length in order to obtain the desired voltage space vector. Due to a typically existing low-pass effect of the stator windings, there is an averaged current in the electrical machine and thus the desired space vector, the desired alignment of the magnetic flux density.
Für einen variablen Betrieb der elektrischen Maschine ist es in der Regel nötig, auch die Amplitude der Ausgangsspannung, also den Betrag des Spannungs raumzeigers, beliebig wählen zu können. Um dies zu erreichen, können die bei den Nullspannungsraumzeiger verwendet werden. Soll beispielsweise der Span nungsraumzeiger Ub ausgeben werden, muss das Verhältnis der Ausgabezeiten der Spannungsraumzeiger Ui und U2, wie im vorherigen Beispiel, gleich sein. Um den Betrag des resultierenden Spannungsraumzeigers reduzieren zu können, wird eine zusätzliche Zeit benötigt, in welcher ein Nullspannungsraumzeiger aus gegeben wird. For variable operation of the electrical machine, it is usually necessary to be able to choose the amplitude of the output voltage, i.e. the amount of the voltage space vector, as desired. In order to achieve this, the zero-voltage space vector can be used. If, for example, the voltage space vector U b is to be output, the ratio of the output times of the voltage space vector Ui and U2, as in the previous example, must be the same. In order to be able to reduce the amount of the resulting voltage space vector, an additional time is required in which a zero voltage space vector is output.
Wie sich aus obiger Erläuterung auch ergibt, beschreiben sämtliche Spannungs raumzeiger mit maximal möglichem Betrag, die eingestellt werden können, ein Sechseck, das hier mit Umax für die erreichbaren Maximalwerte bezeichnet ist. Im allgemeinen Fall einer mehrphasigen elektrischen Maschine ergibt sich entspre chend ein Polygon bzw. allgemein ein Polytop. As can also be seen from the above explanation, all voltage space vectors with the maximum possible amount that can be set describe a hexagon, which is designated here with U max for the maximum values that can be achieved. In the general case of a multiphase electrical machine, a polygon or generally a polytope results accordingly.
Für den motorischen Betrieb der Maschine muss ein mit dem Rotor mitrotieren der Spannungsraumzeiger eingeprägt werden. Eine Vereinfachung der (rotieren den) Spannungsregelung kann durch eine Transformation in ein rotorfestes Ko ordinatensystem erreicht werden (sog. d/q-Transformation bzw. Park- Transformation). Hierzu werden die an den Phasen U, V und W gemäß Figur 1 anliegenden Phasenspannungen Ua, Ub und Uc gemäß
Figure imgf000012_0001
in die Spannungswerte bzw. Spannungen Ud und Uq in der Raumzeigerdarstellung transformiert, wobei cp der aktuelle Rotorwinkel ist.
For motorized operation of the machine, the voltage space vector must rotate with the rotor. The (rotating) voltage regulation can be simplified by transforming it into a coordinate system fixed to the rotor (so-called d / q transformation or Park transformation). For this purpose, the phase voltages U a , U b and U c applied to phases U, V and W according to FIG
Figure imgf000012_0001
transformed into the voltage values or voltages U d and U q in the space vector representation, where cp is the current rotor angle.
Bei der Ansteuerung der Maschine bzw. des Stromrichters, d.h. bei der Rücktransformation von d/q in ce/ß muss dabei berücksichtigt werden, dass wie erläutert die maximale Spannung mit der Rotorposition variiert, also zeitvariant ist. Diese Zeitvarianz stellt, wie schon erwähnt, eine regelungstechnische Schwierigkeit dar, sodass bisher ein Inkreis mit maximalem Durchmesser an das Polygon in den a-b-Koordinaten approximiert wird und für die Regelung verwendet wird. Damit wird eine Zeitinvarianz der maximalen Spannung erreicht. Ein solcher Inkreis ist in Figur 2 mit U max bezeichnet. When controlling the machine or the converter, ie when transforming d / q back into ce / ß, it must be taken into account that, as explained, the maximum voltage varies with the rotor position, i.e. is time-variant. As already mentioned, this time variance represents a technical control difficulty, so that up to now an inscribed circle with maximum diameter has been approximated to the polygon in the ab coordinates and used for the control. This achieves a time invariance of the maximum voltage. Such an inscribed circle is denoted by U max in FIG.
In Figur 3 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Die modellprädiktive Regelung bzw. der entsprechende Regler 150 mit einem Modell 155 der elektrischen Maschine erhält Referenzwerte R (Sollwerte) sowie Messwerte M als Eingangsgrößen. Als Ausgangsgrößen (Stellgrößen) werden Werte für die Phasenspannungen Ua, Ub und Uc an die elektrische Maschine ausgegeben. Ein Sollwert ist insbesondere das Drehmoment. In Figure 3, a sequence of a method according to the invention is shown schematically in a preferred embodiment. The model predictive control or the corresponding controller 150 with a model 155 of the electrical machine receives reference values R (setpoint values) and measured values M as input variables. Values for the phase voltages U a , U b and U c are output to the electrical machine as output variables (manipulated variables). A target value is in particular the torque.
Anstelle einer bisher üblichen Berechnung von Ud und Uq, dem Phasenspannungsvektor in Raumzeigerdarstellung, werden im Rahmen der vorgeschlagenen modellprädiktiven Regelung in direkter Weise die Phasenspannungen Ua, Ub und Uc optimiert. Durch Ausnutzung des vorstehend erwähnten, winkelabhängigen Zusammenhangs finden diese in direkter Weise Eingang in das jeweilige Systemmodell. Instead of the usual calculation of U d and U q , the phase voltage vector in space vector representation, the phase voltages U a , U b and U c are optimized in a direct manner within the framework of the proposed model predictive control. By utilizing the angle-dependent relationship mentioned above, these are directly incorporated into the respective system model.
Außerdem wird beispielsweise mittels eines Sensors 101 ein Winkel cp des Rotors 103 gemessen und an die Regler 150 übermittelt Messung, eine z.B. Rotor- Position bei einer Permanentmagnetsynchronmaschine. Alternativ kann auch ein Beobachter 102 verwendet werden, um den Winkel, hier mit f' bezeichnet, zu schätzen bzw. zu ermitteln, z.B. ein Flusswinkel bei einer Asynchronmaschine. In addition, an angle cp of the rotor 103 is measured, for example by means of a sensor 101, and a measurement is transmitted to the controller 150, a e.g. Position in a permanent magnet synchronous machine. Alternatively, an observer 102 can also be used to estimate or determine the angle, here denoted by f ', for example a flux angle in an asynchronous machine.
In Figur 4 ist schematisch ein Ablauf einer modellprädiktiven Regelung zur nähe ren Erläuterung des vorgeschlagenen Verfahrens dargestellt. Hierzu sind ein all gemeiner Zustand X und eine allgemeine Stellgröße Y über der Zeit t aufgetra gen. In Figure 4, a sequence of a model predictive control is shown schematically for more detailed explanation of the proposed method. For this purpose, a general state X and a general manipulated variable Y over time t are applied.
Charakteristisch für die modellprädiktive Regelung ist eine Vorausberechnung (sog. Prädiktion) des zukünftigen Systemverhaltens auf einem gleitendem Hori zont H und die dafür erforderliche Optimierung möglicher Spannungsverläufe (als Stellgrößen). Zu einem Zeitpunkt Xk wird über einen Horizont H hinweg das zu künftige Verhalten, im oberen Diagramm mit einer gestrichelten Linie dargestellt, hinsichtlich einer Stellgröße optimiert, was dann einen bestimmten Wert bzw. Verlauf der Stellgröße (Spannung), im unteren Diagramm mit gestrichelten Linie dargestellt, ergibt. Diese ermittelte, optimale Stellgröße wird dann eingestellt. Characteristic for the model predictive control is a pre-calculation (so-called prediction) of the future system behavior on a sliding horizon H and the necessary optimization of possible voltage curves (as manipulated variables). At a point in time X k , the future behavior is shown in the upper diagram with a dashed line over a horizon H, optimized with regard to a manipulated variable, which then defines a certain value or course of the manipulated variable (voltage) in the lower diagram with a dashed line shown, results. This determined, optimal manipulated variable is then set.
Anschließend wird der Horizont um den Zeitraum At nach hinten verschoben und für diesen neuen Horizont H zum Zeitpunkt Xk+i wird erneut eine solche Optimie rung vorgenommen. Der tatsächliche Verlauf des Zustands X und die tatsächlich bzw. letztlich verwendeten Werte für die Stellgröße Y sind mit durchgezogenen Linien dargestellt. The horizon is then shifted backwards by the time period At and such an optimization is carried out again for this new horizon H at the point in time X k + i. The actual course of the state X and the actually or ultimately used values for the manipulated variable Y are shown with solid lines.
Für diese Berechnung der zukünftigen Verläufe ist eine Kenntnis über zukünftige Winkel cp erforderlich. Aus diesem Grund kann das (dynamische) Modell der elektrischen Maschine um eine Prädiktion der Winkellage erweitert werden. So ergibt sich mit einer elektrischen Winkelgeschwindigkeit w und einer Reglerab tastzeit dT für eine Prädiktion von k Schritten ein geschätzter Lagewinkel
Figure imgf000013_0001
For this calculation of the future courses, knowledge of future angles cp is required. For this reason, the (dynamic) model of the electrical machine can be expanded to include a prediction of the angular position. With an electrical angular velocity w and a controller sampling time dT, an estimated position angle is obtained for a prediction of k steps
Figure imgf000013_0001
Durch Einsetzen der vorstehend erwähnten Koordinatentransformation unter Be rücksichtigung der Berechnung des Winkels cp in das Modell der elektrischen Ma- schine in d-q-Koordinaten ergibt sich somit eine winkelabhängige Systembe schreibung der Regelstrecke mit Strömen Id und lq und Phasenspannungen Ua,By inserting the above-mentioned coordinate transformation taking into account the calculation of the angle cp in the model of the electrical ma- machine in dq coordinates results in an angle-dependent system description of the controlled system with currents I d and l q and phase voltages U a ,
Ub und Uc. Ub and Uc.
Dieses Modell zusammen mit der Winkelprädiktion wird im Rahmen der modell- prädiktiven Regelung explizit berücksichtigt und erlaubt die Einbeziehung der maximalen (physikalischen) Grenzen Umax in Form einfacher Box- Beschränkungen für die Phasenspannungen, wie in Figur 2 gezeigt. Dies erlaubt den Einsatz einfacher, echtzeitfähiger Optimierungsverfahren im Rahmen der modellprädiktiven Regelung. This model together with the angle prediction is explicitly taken into account in the context of the model predictive control and allows the inclusion of the maximum (physical) limits U max in the form of simple box restrictions for the phase voltages, as shown in FIG. This allows the use of simple, real-time-capable optimization methods within the framework of model predictive control.
In Figur 5 sind schematisch Spannungs- und Stromverläufe bei Verwendung ei nes erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dar gestellt. Hierzu sind eine Spannung U bzw. ein Strom I über der Zeit t aufgetra gen. Ua, Ub und Uc bzw. Ia, lb und lc geben die tatsächlichen Phasenspannungen bzw. Phasenströme an. Uq und Ud bzw. Id und lq geben die Phasenspannungen bzw. Phasenströme (nach entsprechender Umrechnung) in Raumzeigerkoordina ten an, U*q und U*d bzw. I*d und l*q geben die zugehörigen Sollwerte an. In Figure 5, voltage and current curves are shown schematically when using a method according to the invention in a preferred embodiment. For this purpose, a voltage U and a current I are plotted over time t. U a , U b and U c or I a , l b and l c indicate the actual phase voltages or phase currents. U q and U d or I d and l q indicate the phase voltages or phase currents (after appropriate conversion) in space vector coordinates, U * q and U * d or I * d and l * q indicate the associated setpoints.
Die hier gezeigten, typischen und exemplarischen Messergebnisse gelten für ei ne sprungförmig geänderte Drehmomentanforderung mit einem Sollwertsprung bei t=0. Das neue Drehmoment- bzw. Stromniveau wird bereits nach wenigen Millisekunden erreicht, obwohl die Phasenspannungen temporär in die Begren zung gehen. The typical and exemplary measurement results shown here apply to a suddenly changed torque request with a setpoint jump at t = 0. The new torque or current level is reached after just a few milliseconds, although the phase voltages are temporarily limited.
In Figur 6 ist schematisch einen Spannungsverlauf bei Verwendung eines erfin dungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, das der in Figur 5 dargestellten Situation entspricht. Hierzu sind die Spannungs werte Ua und Uß in der Raumzeigerdarstellung gegeneinander aufgetragen, wo bei mit Umax die schon in Figur 2 gezeigten Maximalwerte eingezeichnet sind. FIG. 6 schematically shows a voltage profile when using a method according to the invention in a preferred embodiment, which corresponds to the situation shown in FIG. For this purpose, the voltage values U a and Uß are plotted against one another in the space vector representation, where the maximum values already shown in FIG. 2 are drawn in at U max.
Hierbei wird deutlich, dass der größtmögliche Inkreis (gemäß Figur 2) während der Übergangsphase verlassen und die maximale Übermodulation ausgenutzt (Der Rand des Sechsecks erreicht) wird. Damit ist insgesamt also ein effiziente rer Betrieb der elektrischen Maschine möglich. It becomes clear here that the largest possible inscribed circle (according to FIG. 2) is left during the transition phase and the maximum overmodulation is used (The edge of the hexagon is reached). Thus, overall, efficient operation of the electrical machine is possible.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (100), die mittels ei nes Stromrichters (110), durch den eine Gleichspannung (Udc) in eine Wech selspannung gewandelt wird, mit Spannung versorgt wird, bei dem an die elektrische Maschine (100) anzulegende Phasenspan nungswerte (Ua, Ub, Uc) im Rahmen einer modellprädiktiven Regelung (150) mit einem Modell (155) der elektrischen Maschine als Stellgrößen ermittelt und dann angelegt werden, wobei bei der modellprädiktiven Regelung (150) als Grenzen für die Phasenspannungswerte physikalisch erreichbare Maximalwerte (Umax) ver wendet werden. 1. A method for operating an electrical machine (100) which is supplied with voltage by means of a converter (110) through which a direct voltage (U dc ) is converted into an alternating voltage, in which the electrical machine (100) Phase voltage values to be applied (U a , U b , U c ) are determined in the context of a model predictive control (150) with a model (155) of the electrical machine as manipulated variables and then applied, with the model predictive control (150) as limits for the Phase voltage values physically achievable maximum values (U max ) are used.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Maximalwerte (Umax) für die Pha senspannungswerte (Ua, Ub, Uc) in einer Raumzeigerdarstellung als ein re gelmäßiges Polygon dargestellt sind, wobei eine Anzahl an Ecken des Poly gons von einer Anzahl der Phasen (U, V, W) der elektrischen Maschine (100) abhängt, insbesondere dem doppelten der Anzahl der Phasen ent spricht. 2. The method according to claim 1, in which the maximum values (U max ) for the phase voltage values (U a , U b , U c ) are shown in a space vector representation as a regular polygon, with a number of corners of the poly gons of one The number of phases (U, V, W) of the electrical machine (100) depends, in particular twice the number of phases ent speaks.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein aktueller Winkel (cp) eines Ro tors der elektrischen Maschine (100) ermittelt und bei der modellprädiktiven Regelung (150) berücksichtigt wird. 3. The method according to claim 1 or 2, wherein a current angle (cp) of a Ro tors of the electrical machine (100) is determined and is taken into account in the model predictive control (150).
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der aktuelle Winkel (cp) des Rotors (103) unter Verwendung eines Sensors (101) gemessen wird. 4. The method according to claim 3, wherein the current angle (cp) of the rotor (103) is measured using a sensor (101).
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei der aktuelle Winkel (cp1) des Ro tors (103) geschätzt wird. 5. The method according to claim 3 or 4, wherein the current angle (cp 1 ) of the Ro tors (103) is estimated.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Umrichter (110) ein Zwei-Level-Umrichter verwendet wird. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein a two-level converter is used as the converter (110).
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine elektrische Maschine (100) mit drei, fünf oder sieben Phasen verwendet wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein an electrical machine (100) with three, five or seven phases is used.
8. Recheneinheit (115), die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen. 8. Computing unit (115) which is set up to carry out all method steps of a method according to one of the preceding claims.
9. Computerprogramm, das eine Recheneinheit (115) dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (115) ausgeführt wird. 9. A computer program which causes a computing unit (115) to carry out all method steps of a method according to one of claims 1 to 7 when it is executed on the computing unit (115).
10. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Com puterprogramm nach Anspruch 9. 10. Machine-readable storage medium with a computer program according to claim 9 stored thereon.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113098349A (en) * 2021-04-28 2021-07-09 杭州电子科技大学 Discrete space vector modulation permanent magnet synchronous motor model prediction control method

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110006711A1 (en) * 2009-07-08 2011-01-13 Denso Corporation Apparatus for carrying out improved control of rotary machine
JP2011244638A (en) * 2010-05-20 2011-12-01 Denso Corp Control device for rotary machine

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110006711A1 (en) * 2009-07-08 2011-01-13 Denso Corporation Apparatus for carrying out improved control of rotary machine
JP2011244638A (en) * 2010-05-20 2011-12-01 Denso Corp Control device for rotary machine

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HARAS A ET AL: "VECTOR PWM MODULATOR WITH CONTINUOUS TRANSITION TO THE SIX-STEP MODE", EPE '95: 6TH. EUROPEAN CONFERENCE ON POWER ELECTRONICS AND APPLICATIONS. SEVILLA, SEPT. 19 - 21, 1995; [EUROPEAN CONFERENCE ON POWER ELECTRONICS AND APPLICATIONS], BRUSSELS, EPE ASSOCIATION, B, vol. 1, 19 September 1995 (1995-09-19), pages 1.729 - 1.734, XP000537611 *
YUYA HOZUMI ET AL: "Fast torque control system of PMSM based on model predictive control", IECON 2009 - 35TH ANNUAL CONFERENCE OF IEEE INDUSTRIAL ELECTRONICS (IECON 2009) - 3-5 NOV. 2009 - PORTO, PORTUGAL, IEEE, PISCATAWAY, NJ, USA, 3 November 2009 (2009-11-03), pages 1151 - 1155, XP031629317, ISBN: 978-1-4244-4648-3 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113098349A (en) * 2021-04-28 2021-07-09 杭州电子科技大学 Discrete space vector modulation permanent magnet synchronous motor model prediction control method

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