WO2022117247A1 - Verfahren zum betreiben einer elektrischen maschine, vorrichtung zum betreiben einer elektrischen maschine, elektrisches antriebssystem - Google Patents

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Gunther Goetting
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (2), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei die Maschine (2) einen drehbar gelagerten Rotor und eine Motorwicklung aufweist, wobei die Motorwicklung durch eine Leistungselektronik (3) elektrisch mit einem elektrischen Energiespeicher (4) verbunden ist, und wobei die elektrische Maschine (2) durch Ansteuern der Leistungselektronik (3) derart feldorientiert geregelt wird, dass die Maschine (2) ein vorgegebenes Soll-Drehmoment (Tsoll) erzeugt. Es ist vorgesehen, dass bei Erkennen, dass ausgehend von einem aktuellen Ist-Arbeitspunkt (AP1) der elektrischen Maschine (2) ein vorgegebener Soll-Arbeitspunkt (AP2) der elektrischen Maschine (2) zumindest im Wesentlichen zeitoptimiert eingestellt werden soll, eine prädizierte Vorsteuerung vorgegeben wird, und dass der Soll-Arbeitspunkt (AP2) durch Ansteuern der Leistungselektronik (3) in Abhängigkeit von der prädizierten Vorsteuerung eingestellt wird.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine, elektrisches Antriebssystem
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei die Maschine einen drehbar gelagerten Rotor und eine Motorwicklung aufweist, wobei die Motorwicklung durch eine Leistungselektronik elektrisch mit einem elektrischen Energiespeicher verbunden ist, und wobei die elektrische Maschine durch Ansteuern der Leistungselektronik derart feldorientiert geregelt wird, dass die Maschine ein vorgegebenes Soll-Drehmoment erzeugt.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine, mit einem Steuergerät.
Ferner betrifft die Erfindung ein Elektrisches Antriebssystem.
Stand der Technik
Eine elektrische Maschine weist in der Regel einen drehbar gelagerten Rotor und eine Motorwicklung auf. Dabei ist der Rotor durch eine geeignete Bestromung der Motorwicklung antreibbar beziehungsweise drehbar. Beispielsweise handelt es sich bei der Motorwicklung um eine gehäusefeste Statorwicklung, die um den Rotor verteilt angeordnet ist. Um eine gewünschte Bestromung der Motorwicklung zu erreichen, ist die Motorwicklung üblicherweise durch eine Leistungselektronik elektrisch mit einem elektrischen Energiespeicher verbunden. Die Bestromung der Motorwicklung wird dann durch die Ansteuerung von Schaltelementen der Leistungselektronik geregelt beziehungsweise gesteuert. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, eine elektrische Maschine durch Ansteuerung der Leistungselektronik derart feldorientiert zu regeln, dass die Maschine ein vorgegebenes Soll-Drehmoment erzeugt. Es wird also ein Soll- Drehmoment vorgegeben, das durch die Maschine erzeugt werden soll, und die Maschine wird mittels einer feldorientierten Regelung betrieben. Im Rahmen einer feldorientierten Regelung wird üblicherweise in Abhängigkeit von sinusförmigen, elektrischen Ist- Phasenströmen der Motorwicklung mittels einer d/q-Transformation ein Ist- Stromvektor ermittelt. Der Ist- Stromvektor beschreibt die Ist- Phasenströme als Gleichgroße in einem rotorfesten Koordinatensystem. Ein drehmomentbildender Strom iq bildet eine erste Richtungskomponente des Ist- Stromvektors. Ein flussbildender Strom id bildet eine zweite Richtungskomponente des Ist- Stromvektors. Zudem wird in Abhängigkeit von dem Soll-Drehmoment ein Soll-Stromvektor ermittelt und die Leistungselektronik wird derart geregelt angesteuert, dass eine Differenz zwischen dem Soll- Stromvektor einerseits und dem Ist- Stromvektor andererseits verringert beziehungsweise minimiert wird.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zeichnet sich dadurch aus, dass bei Erkennen, dass ausgehend von einem aktuellen Ist- Arbeitspunkt der elektrischen Maschine ein vorgegebener Soll-Arbeitspunkt der elektrischen Maschine zumindest im Wesentlichen zeitoptimiert eingestellt werden soll, eine prädizierte Vorsteuerung vorgegeben wird, und dass der Soll- Arbeitspunkt durch Ansteuern der Leistungselektronik in Abhängigkeit von der prädizierten Vorsteuerung eingestellt wird. Wird also erkannt, dass der Soll- Arbeitspunkt zeitoptimiert, also möglichst schnell, eingestellt werden soll, so wird die Leistungselektronik in Abhängigkeit von der prädizierten Vorsteuerung angesteuert. Hierdurch ist verglichen mit der feldorientierten Regelung eine schnellere Einstellung des Soll-Arbeitspunktes möglich. Die feldorientierte Regelung wird bei Erkennen, dass der vorgegebene Soll-Arbeitspunkt zeitoptimiert eingestellt werden soll, vorzugsweise ausgesetzt. Vorzugsweise wird als Vorsteuerung eine Steuerfolge prädiziert, die mehrere Ansteuersignale für die Schaltelemente der Leistungselektronik aufweist. Alternativ dazu wird als Vorsteuerung vorzugsweise eine Steuerfolge prädiziert, die mehrere Soll- Spannungsvektoren aufweist. In Abhängigkeit von den Soll-Spannungsvektoren werden dann die Ansteuersignale für die Schaltelemente ermittelt. Als Soll- Arbeitspunkt wird vorzugsweise ein Soll-Stromarbeitspunkt der elektrischen Maschine vorgegeben. Jeder Stromarbeitspunkt der elektrischen Maschine korrespondiert mit einem jeweils anderen Stromvektor.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Vorsteuerung in Abhängigkeit von dem aktuellen Ist-Arbeitspunkt im Betrieb der elektrischen Maschine prädiziert wird. Die Vorsteuerung wird also in Abhängigkeit von dem aktuellen Ist-Arbeitspunkt „online“ prädiziert. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass für beliebige aktuelle Ist-Arbeitspunkte eine geeignete Vorsteuerung prädiziert werden kann. Entsprechend kann ausgehend von beliebigen aktuellen Ist-Arbeitspunkten der vorgegebene Soll-Arbeitspunkt zeitoptimiert eingestellt werden. Vorzugsweise wird die im Betrieb der elektrischen Maschine prädizierte Vorsteuerung für eine vorgegebene Zeitdauer, also vorübergehend, zwischengespeichert, sodass die prädizierte Vorsteuerung für die vorgegebene Zeitdauer zur Verfügung steht und vorgegeben werden kann.
Vorzugsweise wird die Vorsteuerung in Vorversuchen prädiziert und in einem der Maschine zugeordneten Datenspeicher abgespeichert. Die Vorsteuerung wird also „offline“, beispielsweise bei der Applikation der elektrischen Maschine im Werk, prädiziert. Entsprechend muss die Vorsteuerung im Betrieb der elektrischen Maschine nicht prädiziert werden. Daraus ergibt sich zum einen der Vorteil, dass in einem Steuergerät, das dazu ausgebildet ist, die Ansteuersignale für die Leistungselektronik zu ermitteln, keine Rechenkapazität für das Prädizieren der Vorsteuerung vorgehalten werden muss. Zudem ergibt sich der Vorteil, dass die Vorsteuerung schneller zur Verfügung steht, verglichen mit dem Prädizieren im Betrieb der elektrischen Maschine.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass für mehrere potentielle Soll-Arbeitspunkte jeweils eine Vorsteuerung prädiziert wird. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass verschiedene Soll-Arbeitspunkte bei Bedarf besonders schnell eingestellt werden können. Werden die Vorsteuerungen im Betrieb der elektrischen Maschine prädiziert, so werden die potentiellen Soll- Arbeitspunkte vorzugsweise priorisiert. In Abhängigkeit von der Priorisierung wird dann sequenziell für die potentiellen Soll-Arbeitspunkte jeweils eine Vorsteuerung prädiziert. Vorzugsweise wird für mehrere potentielle Ist- Arbeitspunkte jeweils eine Vorsteuerung prädiziert. Es werden also mehrere potentielle Ist-Arbeitspunkte vorgegeben und für diese Ist-Arbeitspunkte wird jeweils eine Vorsteuerung prädiziert. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Vorsteuerungen in Vorversuchen prädiziert werden. Beispielsweise werden mehrere potentielle Ist-Arbeitspunkte vorgegeben, die jeweils auf einer MTPA- Kennlinie (Maximum Torque Per Ampere) der elektrischen Maschine liegen, und es wird für diese Ist-Arbeitspunkte jeweils eine Vorsteuerung prädiziert. Wird für mehrere Ist-Arbeitspunkte und/oder mehrere Soll-Arbeitspunkte jeweils eine Vorsteuerung prädiziert, so werden die Vorsteuerungen vorzugsweise in einem Kennfeld abgespeichert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Sensorsignal eines Sensors mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird, und dass in Abhängigkeit von dem Vergleich erkannt wird, ob der Soll- Arbeitspunkt zumindest im Wesentlichen zeitoptimiert eingestellt werden soll. Beispielsweise wird erkannt, dass der Soll-Arbeitspunkt zumindest im Wesentlichen zeitoptimiert eingestellt werden soll, wenn das Sensorsignal den Grenzwert übersteigt, oder wenn das Sensorsignal den Grenzwert unterschreitet. Vorzugsweise wird dem Vergleich das Sensorsignal eines Sensors zugrunde gelegt, der dazu ausgebildet, ein Umfeld der Maschine oder ein Umfeld einer die Maschine aufweisenden Vorrichtung zu überwachen. Alternativ oder zusätzlich dazu wird dem Vergleich vorzugsweise das Sensorsignal eines Sensors zugrunde gelegt, der dazu ausgebildet, eine Betätigung einer der Maschine zugeordneten Bedieneinrichtung zu überwachen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass als Soll- Arbeitspunkt ein Arbeitspunkt vorgegeben wird, in dem die Maschine ein generatorisches Verzögerungsmoment erzeugt, wobei bei Erfassen einer Notbremssituation erkannt wird, dass der Soll-Arbeitspunkt zumindest im Wesentlichen zeitoptimiert eingestellt werden soll. Es ergibt sich daraus der Vorteil, dass das generatorische Verzögerungsmoment besonders schnell durch die Maschine erzeugt wird, sodass letztlich der Bremsweg des die Maschine aufweisenden Kraftfahrzeugs verringert wird. Vorzugsweise wird die Notbremssituation in Abhängigkeit von einem Sensorsignal eines Umfeldsensors einer Umfeldsensorik des Kraftfahrzeugs erfasst. Alternativ dazu wird die Notbremssituation in Abhängigkeit von einer Betätigung eines Bremspedals des Kraftfahrzeugs erfasst. Beispielsweise wird erkannt, dass die Notbremssituation vorliegt, wenn durch einen dem Bremspedal zugeordneten Sensor erfasst wird, dass eine Betätigungsgeschwindigkeit des Bremspedals einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt. Vorzugsweise wird dabei als Soll-Arbeitspunkt der Arbeitspunkt vorgegeben, in dem die elektrische Maschine ein maximales generatorisches Verzögerungsmoment erzeugt. Alternativ dazu wird ein Arbeitspunkt vorgegeben, in dem die Maschine ein geringeres generatorisches Verzögerungsmoment erzeugt, beispielsweise ein Verzögerungsmoment, das 80% des maximalen generatorischen Verzögerungsmomentes beträgt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass als Soll- Arbeitspunkt ein Arbeitspunkt vorgegeben wird, in dem die Maschine ein Beschleunigungsmoment erzeugt, wobei bei Erfassen einer Maximai- Dynamikvorgabe erkannt wird, dass der Soll-Arbeitspunkt zumindest im Wesentlichen zeitoptimiert eingestellt werden soll. Es ergibt sich daraus der Vorteil, dass das Beschleunigungsmoment besonders schnell erzeugt wird, sodass letztlich die Beschleunigung des Kraftfahrzeugs gesteigert wird. Vorzugsweise wird die Maximai-Dynamikvorgabe in Abhängigkeit von einer Betätigung eines Beschleunigungspedals des Kraftfahrzeugs erfasst. Beispielsweise wird erkannt, dass die Maximai-Dynamikvorgabe vorliegt, wenn durch einen dem Beschleunigungspedal zugeordneten Sensor erfasst wird, dass eine Betätigungsgeschwindigkeit des Beschleunigungspedals einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt. Vorzugsweise wird dabei als Soll- Arbeitspunkt der Arbeitspunkt vorgegeben, in dem die elektrische Maschine ein maximales Beschleunigungsmoment erzeugt. Alternativ dazu wird ein Arbeitspunkt vorgegeben, in dem die Maschine ein geringeres Beschleunigungsmoment erzeugt, beispielsweise ein Beschleunigungsmoment, das 80% des maximalen Beschleunigungsmomentes beträgt. Zudem sind weitere vorteilhafte Soll-Arbeitspunkte möglich. Beispielsweise wird als Soll-Arbeitspunkt der Arbeitspunkt vorgegeben, in dem die Maschine bei maximaler Feldschwächung das gleiche Drehmoment wie in dem aktuellen Ist- Arbeitspunkt erzeugt.
Vorzugsweise wird der Soll-Arbeitspunkt in Abhängigkeit von einem Ladezustand des Energiespeichers vorgegeben. Die Berücksichtigung des Ladezustand des Energiespeichers ist besonders vorteilhaft, wenn als Soll-Arbeitspunkt ein Arbeitspunkt vorgegeben wird, in dem die elektrische Maschine ein generatorisches Verzögerungsmoment erzeugt. Ist beispielsweise der Ladezustand des Energiespeichers hoch, so könnte ein generatorisches Betreiben der elektrischen Maschine zu einer Überladung des Energiespeichers führen. Entsprechend wird dann als Soll-Arbeitspunkt vorzugsweise ein Arbeitspunkt vorgegeben, der zu großen internen Verlusten in der elektrischen Maschine und der Leistungselektronik sowie einem kleineren Strom in Richtung des Energiespeichers führt. Der Wirkungsgrad für die rekuperierte Energie ist dann kleiner und der Energiespeicher muss bei gleichem generatorischen Verzögerungsmoment weniger elektrische Energie aufnehmen. Entsprechend wird bei niedrigem Ladezustand des Energiespeichers vorzugsweise als Soll- Arbeitspunkt ein Arbeitspunkt vorgegeben, der zu geringen internen Verlusten in der elektrischen Maschine und der Leistungselektronik führt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Soll- Trajektorie für den Ist- Stromvektor ermittelt wird, wobei die Soll-Trajektorie von dem Ist-Arbeitspunkt zu dem Soll-Arbeitspunkt verläuft, und wobei die Vorsteuerung derart in Abhängigkeit von der Soll-Trajektorie prädiziert wird, dass der Verlauf des Ist- Stromvektors beim Einstellen des Soll-Arbeitspunktes zumindest im Wesentlichen der Soll-Trajektorie entspricht. Anhand der Soll- Trajektorie kann eine Vorsteuerung, die eine zeitoptimierte Einstellung des Soll- Arbeitspunktes bewirkt, besonders präzise prädiziert werden.
Vorzugsweise wird die Soll-Trajektorie in Abhängigkeit von einem Modell der elektrischen Maschine ermittelt. Es wird also die Eigendynamik der elektrischen Maschine beim Ermitteln der Soll-Trajektorie berücksichtigt. Das Modell der elektrischen Maschine beschreibt insbesondere den Zusammenhang zwischen den an den Phasen der Motorwicklung anliegenden elektrischen Klemmenspannungen einerseits und den durch die Klemmenspannungen bewirkten Phasenströmen andererseits. Beispielsweise enthält das Modell Informationen bezüglich der Induktivitäten sowie der elektrischen Widerstände der elektrischen Maschine.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Schwellen- Stromwert vorgegeben wird, und dass die Soll-Trajektorie derart in Abhängigkeit von dem Schwellen-Stromwert ermittelt wird, dass ein Stromwert des Stromvektors beim Einstellen des Soll-Arbeitspunktes den Schwellen-Stromwert stets unterschreitet. Stromwerte, die den Schwellenstromwert übersteigen werden demnach vermieden. Derart hohe Stromwerte könnten zu einer Entmagnetisierung von Permanentmagneten des Rotors führen und sind entsprechend unerwünscht.
Vorzugsweise wird ein Schwellen-Spannungswert vorgegeben, wobei die Soll- Trajektorie derart in Abhängigkeit von dem Schwellen-Spannungswert ermittelt wird, dass Spannungswerte der elektrischen Klemmenspannungen der Maschine beim Einstellen des Soll-Arbeitspunktes den Schwellen-Spannungswert stets unterschreiten. Auch hierdurch wird eine Überlastung der elektrischen Maschine vermieden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Soll- Trajektorie durch einen modellprädiktiven Regler ermittelt wird. Modellprädiktive Regelung ist aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt und wird auch als Model Predictive Control (MPC) bezeichnet. Durch den modellprädiktiven Regler ist eine zeitoptimierte Soll-Trajektorie präzise ermittelbar, sodass durch die in Abhängigkeit von der Soll-Trajektorie prädizierte Vorsteuerung eine zumindest im Wesentlichen zeitoptimierte Einstellung des Soll-Arbeitspunktes erreicht wird. Vorzugsweise ermittelt der modellprädiktiven Regler die Soll- Trajektorie in Abhängigkeit von dem Modell der Maschine, dem vorgegebenen Schwellen-Stromwert und dem vorgegebenen Schwellen-Spannungswert. Vorzugsweise wird die Vorsteuerung durch den modellprädiktiven Regler prädiziert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine, die einen drehbar gelagerten Rotor und eine Motorwicklung aufweist, wobei die Motorwicklung durch eine Leistungselektronik elektrisch mit einem elektrischen Energiespeicher verbunden ist, zeichnet sich mit den Merkmalen des Anspruchs 13 durch ein Steuergerät aus, das speziell dazu hergerichtet ist, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Wird also das Steuergerät bestimmungsgemäß eingesetzt, so wird das erfindungsgemäße Verfahren in dem Steuergerät beziehungsweise durch das Steuergerät durchgeführt. Auch daraus ergeben sich die bereits genannten Vorteile. Weitere bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie aus den Ansprüchen. Vorzugsweise ist das Steuergerät als Mikrocontroller ausgebildet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Steuergerät eine erste Recheneinheit und eine zweite Recheneinheit aufweist, wobei die erste Recheneinheit einen Stromregler aufweist, und wobei die zweite Recheneinheit einen modellprädiktiven Regler aufweist. Der Stromregler ist dazu ausgebildet, die Maschine feldorientiert zu regeln. Der modellprädiktive Regler ist dazu ausgebildet, die Soll-Trajektorie zu ermitteln und vorzugsweise die Vorsteuerung zu prädizieren. Weil für den modellprädiktiven Regler und den Stromregler unterschiedliche Recheneinheiten verwendet werden, kann der modellprädiktive Regler ohne die bisherige Softwarestruktur grundlegend zu verändern in ein bestehendes Steuergerät integriert werden, das zur feldorientierten Regelung einer Maschine ausgebildet ist. Insbesondere unterscheiden sich die Recheneinheiten im Hinblick auf ihre Taktrate.
Vorzugsweise ist die Taktrate der ersten Recheneinheit größer als die Taktrate der zweiten Recheneinheit.
Das erfindungsgemäße elektrische Antriebssystem weist eine elektrische Maschine auf, die einen drehbar gelagerten Rotor und eine Motorwicklung aufweist, wobei die Motorwicklung durch eine Leistungselektronik elektrisch mit einem elektrischen Energiespeicher verbunden ist. Das Antriebssystem zeichnet sich mit den Merkmalen des Anspruchs 15 durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben der elektrischen Maschine aus. Auch daraus ergeben sich die bereits genannten Vorteile. Weitere bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie aus den Ansprüchen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen
Figur 1 ein elektrisches Antriebssystem,
Figur 2 ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine des Antriebssystems,
Figur 3 eine graphische Darstellung der Einstellung eines Soll- Arbeitspunktes in Abhängigkeit von einer prädizierten Vorsteuerung und
Figur 4 eine graphische Darstellung der Einstellung des Soll- Arbeitspunktes mittels eines Stromreglers.
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein elektrisches Antriebssystem 1 eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs.
Das Antriebssystem 1 weist eine elektrische Maschine 2 auf. Die elektrische Maschine 2 weist einen drehbar gelagerten Rotor auf. Außerdem weist die elektrische Maschine 2 als Motorwicklung eine Statorwicklung auf. Die Statorwicklung ist derart verteilt um den Rotor angeordnet, dass der Rotor durch eine geeignete Bestromung der Statorwicklung drehbar ist. Vorliegend weist die Statorwicklung drei Phasen auf.
Das Antriebssystem 1 weist außerdem eine mehrere Schaltelemente Leistungselektronik 3 auf. Die Statorwicklung ist durch die Leistungselektronik 3 mit einem elektrischen Energiespeicher 4 des Antriebssystems 1 elektrisch verbunden.
Das Antriebssystem 1 weist außerdem eine Vorrichtung 10 mit einem
Steuergerät 5 auf. Vorliegend handelt es sich bei dem Steuergerät 5 um einen Mikrocontroller 5. Das Steuergerät 5 ist dazu ausgebildet, die Schaltelemente der Leistungselektronik 3 anzusteuern, um eine gewünschte Bestromung der Phasen der Statorwicklung zu erreichen.
Das Steuergerät 5 weist eine erste Recheneinheit 6 und eine zweite Recheneinheit 7 auf. Die erste Recheneinheit 6 weist einen Stromregler 8 auf. Die zweite Recheneinheit 7 weist einen modellprädiktiven Regler 9 auf. Das Steuergerät 5 ist dazu ausgebildet, mittels der Regler 8 und 9 Ansteuersignale für die Schaltelemente der Leistungselektronik 3 zu ermitteln und die Schaltelemente in Abhängigkeit von den ermittelten Ansteuersignalen anzusteuern, wie im Folgenden mit Bezug auf Figur 2 näher erläutert wird.
Figur 2 zeigt ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine 2 anhand eines Flussdiagramms.
In einem ersten Schritt S1 ermittelt das Steuergerät 5 in Abhängigkeit von einem vorgegeben Soll-Drehmoment Tsoii einerseits und einem Ist- Drehwinkel ©ist des Rotors andererseits einen Soll-Stromvektor isoii.dq. Das Soll- Drehmoment Tsoii wird dabei beispielsweise in Abhängigkeit von einer Betätigung eines Beschleunigungspedals des Kraftfahrzeugs vorgegeben. Der Ist-Drehwinkel ©ist wird beispielsweise durch einen dem Rotor zugeordneten Drehwinkelsensor erfasst. Unter dem Soll-Stromvektor isoii.dq ist ein Stromvektor bezogen auf ein rotorfestes Koordinatensystem zu verstehen. Dabei beschreibt der Stromvektor den Stromwert eines drehmomentbildenden Stroms iq einerseits und den Stromwert eines flussbildenden Stroms id andererseits. Der Stromvektor entspricht einem Stromarbeitspunkt der elektrischen Maschine. Der Soll- Stromvektor isoii.dq der elektrischen Maschine 2 ist insofern der Soll- Stromarbeitspunkt der elektrischen Maschine 2.
In einem zweiten Schritt S2 ermittelt das Steuergerät 5 eine Differenz zwischen dem Soll-Stromvektor isoii.dq einerseits und einem ermittelten Ist- Stromvektor iist,dq andererseits. Der Ist- Stromvektor iist,dq wird beispielsweise in Abhängigkeit von den durch die Phasen der Motorwicklung fließenden Ist- Phasenströmen mittels einer d/q-Transformation ermittelt. Der Ist- Stromvektor iist,dq entspricht einem Ist- Stromarbeitspunkt der elektrischen Maschine 2. In einem dritten Schritt S3 ermittelt das Steuergerät 5 mittels des Stromreglers 8 einen auf das rotorfeste Koordinatensystem bezogenen Soll-Spannungsvektor usoii.dq. Der Soll-Spannungsvektor usoii.dq beschreibt Klemmenspannungen, die an den Phasen der Statorwicklung anzulegen sind, damit die Differenz zwischen dem Soll-Stromvektor isoii.dq und dem Ist- Stromvektor iist,dq verringert wird.
In einem vierten Schritt S4 ermittelt das Steuergerät 5 in Abhängigkeit von dem Soll-Spannungsvektor usoii.dq Ansteuersignale für die Schaltelemente der Leistungselektronik 3.
In einem fünften Schritt S5 steuert das Steuergerät 5 die Schaltelemente in Abhängigkeit von den in dem Schritt S4 ermittelten Ansteuersignalen an.
Die Schritte S1 bis S5 werden im Normalbetrieb der elektrischen Maschine 2 laufend durchgeführt, sodass mittels der Schritte S1 bis S5 eine feldorientierte Regelung der elektrischen Maschine 2 stattfindet.
In einem sechsten Schritt S6 werden ein Schwellen-Stromwert für den Ist- Stromvektor iist,dq sowie eine Schwellen-Spannung für die Klemmenspannungen vorgegeben.
In einem siebten Schritt S7 ermittelt das Steuergerät 5 mittels des modellprädiktiven Reglers 9 eine Soll-Trajektorie für den Ist- Stromvektor iist,dq> wobei die Soll-Trajektorie von dem aktuellen Ist- Arbeitspunkt der Maschine 2 zu einem vorgegebenen Soll-Arbeitspunkt verläuft. Vorliegend wird als Soll- Arbeitspunkt der Arbeitspunkt der elektrischen Maschine 2 vorgegeben, in dem die Maschine 2 ein maximales Verzögerungsmoment erzeugt.
Der modellprädiktive Regler 9 ermittelt die Soll-Trajektorie dabei derart, dass durch eine Änderung des Ist- Stromvektors iist,dq entlang der Soll-Trajektorie eine zeitoptimierte Einstellung des Soll-Arbeitspunktes ausgehend von dem aktuellen Ist-Arbeitspunkt erreicht wird. Hierzu ermittelt der modellprädiktive Regler 9 die Soll-Trajektorie in Abhängigkeit von einem Modell der elektrischen Maschine 2. Der modellprädiktive Regler 9 berücksichtigt beim Ermitteln der Soll-Trajektorie außerdem den vorgegebenen Schwellen-Stromwert. Hierzu ermittelt der modellprädiktive Regler 9 die Soll-Trajektorie derart, dass der Ist- Stromvektor iist,dq beim Einstellen des Soll-Arbeitspunktes entlang der Soll-Trajektorie den Schwellen-Stromwert stets unterschreitet.
Der modellprädiktive Regler 9 berücksichtigt beim Ermitteln der Soll-Trajektorie außerdem den vorgegebenen Schwellen-Spannungswert. Hierzu ermittelt der modellprädiktive Regler 9 die Soll-Trajektorie derart, dass die Klemmenspannungen beim Einstellen des Soll-Arbeitspunktes entlang der Soll- Trajektorie den Schwellen-Spannungswert stets unterschreiten.
In einem achten Schritt S8 prädiziert der modellprädiktive Regler 9 in Abhängigkeit von der ermittelten Soll-Trajektorie eine Vorsteuerung. Vorliegend prädiziert der modellprädiktive Regler 9 eine Steuerfolge, die mehrere auf das rotorfeste Koordinatensystem bezogene, optimierte Spannungsvektoren uopt,dq aufweist. Werden die Phasen sequentiell gemäß den Spannungsvektoren uopt,dq mit elektrischen Klemmenspannungen beaufschlagt, so wird ausgehend von dem aktuellen Ist-Arbeitspunkt der Maschine 2 der vorgegebene Soll-Arbeitspunkt der Maschine 2 derart eingestellt, dass der Verlauf des Ist- Stromvektors iist,dq zumindest im Wesentlichen der Soll-Trajektorie entspricht.
Die Schritte S6 bis S8 werden laufend durchgeführt, sodass für jeweils aktuelle Ist- Arbeitspunkte der Maschine 2 stets eine Soll-Trajektorie ermittelt und eine Vorsteuerung prädiziert werden.
In einem neunten Schritt S9 wird überwacht, ob ausgehend von dem aktuellen Ist-Arbeitspunkt der elektrischen Maschine 2 der vorgegebene Soll-Arbeitspunkt der elektrischen Maschine 2 zeitoptimiert, also möglichst schnell, eingestellt werden soll. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn eine Notbremssituation erfasst wird beziehungsweise vorliegt.
Wird in dem Schritt S9 erkannt, dass der Soll-Arbeitspunkt zeitoptimiert eingestellt werden soll, so werden die Ansteuersignale in dem Schritt S4 in Abhängigkeit von der prädizierten Vorsteuerung ermittelt. Die Berücksichtigung des Soll-Spannungsvektors usoii.dq wird ausgesetzt. Entsprechend werden in dem Schritt S5 die Schaltelemente in Abhängigkeit von Ansteuersignalen angesteuert, die in Abhängigkeit von der prädizierten Vorsteuerung ermittelt wurden.
Hierdurch wird der vorgegebene Soll-Arbeitspunkt schneller eingestellt, als dies mittels der feldorientierten Regelung der Fall wäre. Dadurch wird letztlich der Bremsweg des Kraftfahrzeugs verringert.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Vorsteuerung in Vorversuchen, also „offline“, prädiziert und in einem der Maschine 2 zugeordneten Datenspeicher gespeichert. Vorzugsweise wird für mehrere potentielle Ist-Arbeitspunkte jeweils eine Vorsteuerung prädiziert, wobei die Vorsteuerungen dann vorzugsweise in einem Kennfeld gespeichert werden. Wird in diesem Fall erkannt, dass ausgehend von einem aktuellen Ist-Arbeitspunkt ein vorgegebener Soll-Arbeitspunkt eingestellt werden soll, so wird die entsprechende Vorsteuerung nicht gemäß den Verfahrensschritten S7 und S8 prädiziert, sondern durch den Datenspeicher bereitgestellt.
Figur 3 zeigt eine graphische Darstellung der Einstellung des vorgegebenen Soll- Arbeitspunktes AP2 ausgehend von dem aktuellen Ist-Arbeitspunkt API in Abhängigkeit von der prädizierten Vorsteuerung.
In der linken Abbildung A ist hierzu eine Strom-Ortskurve dargestellt. Wie aus Figur 3 ersichtlich ist, beträgt der Schwellen-Stromwert SSW vorliegend 400 Ampere. Der aktuelle Ist-Arbeitspunkt API entspricht einem Schnittpunkt einer ersten ISO-Drehmoment-Kennlinie KL1 mit der MTPA-Kurve. Der vorgegebene Soll-Arbeitspunkt AP2 entspricht einem Schnittpunkt einer zweiten ISO- Drehmoment-Kennlinie KL2 mit der MTPA-Kurve.
Die Soll-Trajektorie T folgt einer Eigendynamik der elektrischen Maschine 2. Der Verlauf VI des Ist- Stromvektors iist,dq entspricht beim Einstellen des Soll- Arbeitspunktes AP2 in Abhängigkeit von der Vorsteuerung im Wesentlichen der Soll-Trajektorie T.
In der rechten Abbildung B ist ein zeitlicher Verlauf eines drehmomentbildenden Stroms iq und eines flussbildenden Stroms id beim Einstellen des zweiten Arbeitspunktes AP2 in Abhängigkeit von der prädizierten Vorsteuerung dargestellt. Der drehmomentbildende Strom iq entspricht einer ersten Richtungskomponente des Ist- Stromvektors hst,dq. Der flussbildende Strom id entspricht einer zweiten Richtungskomponente des Ist- Stromvektors hst,dq. Zudem ist ein zeitlicher Verlauf einer drehmomentbildenden Spannung uq und einer flussbildenden Spannung Ud dargestellt. Die drehmomentbildende Spannung uq entspricht einer ersten Richtungskomponente der optimierten Spannungsvektoren uopt,dq. Die flussbildende Spannung Ud entspricht einer zweiten Richtungskomponente der optimierten Spannungsvektoren uopt,dq.
Während eines ersten Zeitintervalls Atl befindet sich die Maschine 2 in dem aktuellen Ist-Arbeitspunkt API. Während des ersten Zeitintervalls Atl prädiziert der modellprädiktive Regler 9 für den aktuellen Ist-Arbeitspunkt API die Vorsteuerung.
Zu einem Zeitpunkt tl wird erkannt, dass der Soll-Arbeitspunkt AP2 zeitoptimiert eingestellt werden soll. Infolgedessen werden die Schaltelemente der Leistungselektronik 3 während eines zweiten Zeitintervalls At2 in Abhängigkeit von der prädizierten Vorsteuerung angesteuert. Vorliegend weist die Vorsteuerung acht optimierte Spannungsvektoren uopt,dq auf, die sequentiell der Ansteuerung der Schaltelemente zugrunde gelegt werden. Gemäß dem vorliegenden Beispiel wird durch die Ansteuerung der Schaltelemente in Abhängigkeit von der prädizierten Vorsteuerung erreicht, dass der zweite Arbeitspunkt AP2 ausgehend von dem ersten Arbeitspunkt API bereits nach 800 ps eingestellt ist.
Figur 4 zeigt eine graphische Darstellung der Einstellung des vorgegebenen Soll- Arbeitspunktes AP2 ausgehend von dem aktuellen Ist-Arbeitspunkt API mittels einer feldorientierten Regelung.
In der linken Abbildung C ist hierzu eine Strom -Ortskurve dargestellt. Wie aus Figur 3 ersichtlich ist, unterscheidet sich Verlauf V2 des Ist- Stromvektors iist,dq bei Verwendung der feldorientierten Regelung deutlich von dem in Abbildung A dargestellten Verlauf VI. In der rechten Abbildung D sind der zeitliche Verlauf des drehmomentbildenden Stroms iq und der zeitliche Verlauf des flussbildenden Stroms id beim Einstellen des Soll-Arbeitspunktes AP2 mittels der feldorientierten Regelung dargestellt. Zudem sind der zeitliche Verlauf der drehmomentbildenden Spannung uq und der zeitliche Verlauf der flussbildenden Spannung Ud dargestellt. Wie aus der
Abbildung D ersichtlich ist, werden für die Einstellung des Soll-Arbeitspunktes AP2 mittels feldorientierter Regelung etwa 5 ms benötigt.
Durch die Ansteuerung der Schaltelemente in Abhängigkeit von der prädizierten Vorsteuerung kann demnach gegenüber der feldorientierten Regelung die Zeitdauer, die für das Einstellen des Soll-Arbeitspunktes AP2 benötigt wird, deutlich reduziert werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei die Maschine (2) einen drehbar gelagerten Rotor und eine Motorwicklung aufweist, wobei die Motorwicklung durch eine Leistungselektronik (3) elektrisch mit einem elektrischen Energiespeicher (4) verbunden ist, und wobei die elektrische Maschine (2) durch Ansteuern der Leistungselektronik (3) derart feldorientiert geregelt wird, dass die Maschine (2) ein vorgegebenes Soll-Drehmoment (Tsoii) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennen, dass ausgehend von einem aktuellen Ist-Arbeitspunkt (API) der elektrischen Maschine (2) ein vorgegebener Soll-Arbeitspunkt (AP2) der elektrischen Maschine (2) zumindest im Wesentlichen zeitoptimiert eingestellt werden soll, eine prädizierte Vorsteuerung vorgegeben wird, und dass der Soll- Arbeitspunkt (AP2) durch Ansteuern der Leistungselektronik (3) in Abhängigkeit von der prädizierten Vorsteuerung eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuerung in Abhängigkeit von dem aktuellen Ist-Arbeitspunkt (API) im Betrieb der elektrischen Maschine (2) prädiziert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuerung in Vorversuchen prädiziert und in einem der Maschine (2) zugeordneten Datenspeicher abgespeichert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für mehrere potentielle Soll-Arbeitspunkte (AP2) jeweils eine Vorsteuerung prädiziert wird, und/oder dass für mehrere potentielle Ist- Arbeitspunkte (API) jeweils eine Vorsteuerung prädiziert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorsignal eines Sensors mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird, und dass in Abhängigkeit von dem Vergleich erkannt wird, ob der Soll-Arbeitspunkt (AP2) zumindest im Wesentlichen zeitoptimiert eingestellt werden soll.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Soll-Arbeitspunkt (AP2) ein Arbeitspunkt vorgegeben wird, in dem die Maschine (2) ein generatorisches Verzögerungsmoment erzeugt, wobei bei Erfassen einer Notbremssituation erkannt wird, dass der Soll- Arbeitspunkt (AP2) zumindest im Wesentlichen zeitoptimiert eingestellt werden soll, und/oder dass als Soll-Arbeitspunkt (AP2) ein Arbeitspunkt vorgegeben wird, in dem die Maschine (2) ein Beschleunigungsmoment erzeugt, wobei bei Erfassen einer Maximai-Dynamikvorgabe erkannt wird, dass der Soll- Arbeitspunkt (AP2) zumindest im Wesentlichen zeitoptimiert eingestellt werden soll.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Arbeitspunkt (AP2) in Abhängigkeit von einem Ladezustand des Energiespeichers (4) vorgegeben wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Soll-Trajektorie (T) für einen Ist- Stromvektor (iist,dq) eines durch die Motorwicklung fließenden elektrischen Motorstroms ermittelt wird, wobei die Soll-Trajektorie (T) von dem Ist- Arbeitspunkt (API) zu dem Soll- Arbeitspunkt (AP2) verläuft, und wobei die Vorsteuerung derart in Abhängigkeit von der Soll-Trajektorie (T) prädiziert wird, dass der Verlauf des Ist- Stromvektors (hst.dq) beim Einstellen des Soll-Arbeitspunktes (AP2) zumindest im Wesentlichen der Soll-Trajektorie (T) entspricht.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Trajektorie (T) in Abhängigkeit von einem Modell der elektrischen Maschine (2) ermittelt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwellen-Stromwert (SSW) vorgegeben wird, und dass die Soll-Trajektorie (T) derart in Abhängigkeit von dem Schwellen- - 18 -
Stromwert (SSW) ermittelt wird, dass ein Stromwert des Ist- Stromvektors (iist,dq) beim Einstellen des Soll-Arbeitspunktes (AP2) den Schwellen-Stromwert (SSW) stets unterschreitet.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwellen-Spannungswert vorgegeben wird, und dass die Soll-Trajektorie (T) derart in Abhängigkeit von dem Schwellen- Spannungswert ermittelt wird, dass Spannungswerte von elektrischen Klemmenspannungen der Maschine (2) beim Einstellen des Soll-Arbeitspunktes (AP2) den Schwellen-Spannungswert stets unterschreiten.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Trajektorie (T) durch einen prädiktiven Regler (9) ermittelt wird.
13. Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine, wobei die Maschine (2) einen drehbar gelagerten Rotor und eine Motorwicklung aufweist, und wobei die Motorwicklung durch eine Leistungselektronik (3) elektrisch mit einem elektrischen Energiespeicher (4) verbunden ist, gekennzeichnet durch ein Steuergerät (5), insbesondere Mikrocontroller, das speziell dazu hergerichtet ist, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (5) eine erste Recheneinheit (6) und eine zweite Recheneinheit (7) aufweist, wobei die erste Recheneinheit (6) einen Stromregler (8) aufweist, und wobei die zweite Recheneinheit (7) einen modellprädiktiven Regler (9) aufweist.
15. Elektrisches Antriebssystem, mit einer elektrischen Maschine (2), die einen drehbar gelagerten Rotor und eine Motorwicklung aufweist, wobei die Motorwicklung durch eine Leistungselektronik (3) elektrisch mit einem elektrischen Energiespeicher (4) verbunden ist, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 13 und 14 zum Betreiben der elektrischen Maschine (2).
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