WO2022218819A1 - Method for field-oriented control of an electric motor - Google Patents

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WO2022218819A1
WO2022218819A1 PCT/EP2022/059284 EP2022059284W WO2022218819A1 WO 2022218819 A1 WO2022218819 A1 WO 2022218819A1 EP 2022059284 W EP2022059284 W EP 2022059284W WO 2022218819 A1 WO2022218819 A1 WO 2022218819A1
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WO
WIPO (PCT)
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electric motor
current
variable
controller
operating point
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/059284
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German (de)
French (fr)
Inventor
Johannes Schwarzkopf
Original Assignee
Brose Fahrzeugteile SE & Co. Kommanditgesellschaft, Würzburg
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Publication date
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Classifications

    • 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
    • H02P21/22Current control, e.g. using a current control loop
    • 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
    • H02P21/02Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation specially adapted for optimising the efficiency at low load

Definitions

  • the invention relates to a method for field-oriented control of an electric motor, in which an operating state of the electric motor is set via current control in the dq reference system with a direct component and a quadrature current.
  • the invention also relates to an electric motor and software on a data carrier.
  • Electric motor on or operated adjustment systems as Kfzkompo components such as window regulators, seat adjusters, door and sliding roof drives or radiator fan drives and pumps and interior fans typically have an electric drive with a controlled electric motor.
  • So-called brushless electric motors (brushless DC motors, BLDC motors) are increasingly being used for such electromotive drives, in which the wear-prone brush elements of a rigid (mechanical) commutator are replaced by electronic commutation of the motor current.
  • Electromotive drives for motor vehicles are usually fed by a (Flochvolt) battery as an internal vehicle energy store, from which the electric motor is supplied with electrical energy in the form of a direct current (direct voltage).
  • a power converter inverter
  • the power converter has a bridge circuit, which is supplied with the direct current or direct voltage of the energy store via an electrical intermediate circuit.
  • the motor current is generated as a multi-phase output current by pulse-width modulated (PWM) activation or regulation of semiconductor switches in the bridge circuit.
  • PWM pulse-width modulated
  • the bridge circuit feeds the electric motor current (three-phase current) into the stator coils of the electric motor, which subsequently generates a rotating magnetic field with respect to the stator.
  • the rotor of the electric motor suitably has a number of permanent magnets, the interaction of the permanent magnets with the rotating field generating a resultant torque which causes the rotor to rotate.
  • phase phases of the three-phase current generated by the bridge circuit and the associated rotating field are referred to as (motor) phases.
  • this also includes the stator coils assigned to such a phase (phase winding) with the associated connecting lines (phase end).
  • the phases are connected to one another, for example, in a star point of a star connection.
  • vector control also known as field-oriented control (FOC)
  • FOC field-oriented control
  • the three-phase current is identified as two orthogonal components that can be visualized with a current space vector.
  • One component direct component
  • the field-oriented regulation regulates the three-phase current in a dq reference system (reference system) of the electric motor.
  • a dq reference system reference system
  • the magnitude and direction (quadrature) of the current space vector in relation to the rotor is fixed, independent of the rotation. Since the current -space vector is static in the dq reference system, the current is controlled using direct current signals. This isolates the regulators from the time varying winding currents and voltages and therefore eliminates the limitation of regulator frequency response and phase shift on motor torque and speed.
  • the electric motor has an associated motor controller, which determines the corresponding current component setpoint values from the flux and torque setpoint values, which are specified by a speed controller.
  • the motor or phase currents are transformed into the dq reference system.
  • the current control typically has two proportional-integral (PI) controllers; one for the direct component (direct current) and one for the quadrature current in order to keep the measured current components at the specified setpoints.
  • the outputs of the two PI controllers represent a voltage space vector with respect to the rotor. Mirroring the transformation performed on the motor currents, these static signals are processed through a series of reference system transformations to generate voltage control signals for the PWM drive.
  • the amount of torque depends on the current amplitude and the current angle of the three-phase current. If the current angle is selected in such a way that the electric motor generates the maximum torque at a given current amplitude, the electric motor is said to be in an operating state with maximum torque per ampere (Max Torque Per Ampere, MTPA).
  • the MTPA operating point has the best efficiency for electric motor operation. This MTPA operating point depends on many influencing factors, so that it is desirable to determine and, if necessary, correct it during operation of the electric motor, ie when the electric motor is running.
  • a torque controller specifies the desired value or the command variable for the quadrature current, with a field weakening controller generating the command variable for the direct component. If field weakening is not necessary (basic speed range), the reference variable of the direct component has the value zero (0). As a result, the direct component is driven to zero and the current-space vector is thus forced to run exclusively in the quadrature direction. Since only the quadrature current produces usable torque, this maximizes the torque efficiency of the electric motor.
  • an improved one Field-oriented control can be implemented, for example, by using the reluctance torque and setting the command variable of the direct component to a value not equal to zero. Depending on the system knowledge and the tolerances, the MTPA operating point and thus the best efficiency of the electric motor is more or less achieved.
  • the invention is based on the object of specifying a particularly suitable method for field-oriented control of an electric motor. In particular, a reliable determination and, if necessary, correction of the MTPA operating point should be made possible during the runtime.
  • the invention further relates to an electric motor and software on a data carrier.
  • the method according to the invention is intended for the field-oriented control of an electric motor and is suitable and designed for this.
  • field-oriented controlled operation of the electric motor (motor operation) is provided.
  • the method is therefore suitable for operating the electric motor and is provided and designed for this purpose.
  • an operating state of the electric motor is controlled by current control (current control loop, CCL) in a dq reference system with a direct voltage component and a quadrature current.
  • the current control of the electric motor preferably has two current controllers, in particular in the form of PI controllers, with which the direct component (direct current) on the one hand and the quadrature current on the other hand are regulated and/or controlled.
  • the conjunction “and/or” is to be understood here and in the following in such a way that the features linked by means of this conjunction can be designed both together and as alternatives to one another.
  • the electric motor can also have a speed control loop (SCL), for example a speed or torque control, with a controller, in particular a PI controller, which generates a setpoint for the quadrature current controller.
  • SCL speed control loop
  • controller in particular a PI controller, which generates a setpoint for the quadrature current controller.
  • a target value of the direct component to bring about an operating state of the electric motor with maximum torque per ampere is first estimated.
  • a target value of the direct component for the MTPA operating point is determined.
  • estimate or “estimate” means an approximate determination of the MTPA operating point, for example by evaluating the phase voltages and/or phase currents, or by pre-characterized measurements, stored tables or characteristic curves, or by means of (statistical) mathematical methods to understand.
  • an initial (start) estimate of the target operating point can also consist, for example, of setting the target value to zero or, taking into account a reluctance torque, to a value not equal to zero.
  • a command variable for the current regulation is then determined on the basis of the setpoint.
  • the reference variable thus leads the direct component in the current control.
  • the electric motor is operated at a first operating point and at a second operating point, which differs therefrom, by means of the reference variable.
  • the first or second operating point can be the estimated MTPA operating point, for example.
  • the reference variable for the first or second operating point can correspond to the setpoint.
  • at least one optimization variable is then recorded as a reaction of the electric motor to operation at the first operating point and at the second operating point.
  • the optimization variable is a measure of the operation of the electric motor; in particular, the optimization variable enables conclusions to be drawn about the degree of efficiency present at the respective operating point.
  • the at least one optimization variable is evaluated here with regard to the operating state of the electric motor with maximum torque per ampere.
  • the first and second operating point are evaluated with regard to the MTPA operating point.
  • the setpoint or the reference variable for the current control is set on the basis of the evaluation.
  • the target value is therefore set in such a way that the efficiency of the electric motor is maximized.
  • the electric motor is operated at the first and/or second operating point, deviating from the estimated MTPA operating point.
  • This change in the operating point or operating state makes it possible to use the detected optimization variable to draw a conclusion as to whether the reference variable—and thus the setpoint value of the direct component—is approaching or moving away from the MTPA operating point.
  • By setting the setpoint based on this evaluation it is thus possible to determine the MTPA operating point during engine operation and to approach it successively or iteratively.
  • regulation of the setpoint of the direct component to the MTPA operating point is therefore provided, which is regulated using the optimization variable as the input variable.
  • the method according to the invention allows deviations from the MTPA operating point to be recognized and corrected or reported over the lifetime of the electric motor. Furthermore, the method reduces the requirement for the (calibration) accuracy of a positioning system of the electric motor, since any inaccuracies in the determination of the position or location are corrected by controlling the setpoint.
  • the optimization according to the method can take place during the entire life cycle of the electric motor. Alternatively, it can also only take place at certain times. For example, the operating situation after the production of the electric motor, i.e. at the end of production (End of Line, EOL), is very well known, so that a targeted and reliable estimate for the setpoint is possible. This enables a particularly effective optimization.
  • the method is particularly suitable for static operation of the electric motor. It can therefore make sense to suspend the adjustment of the setpoint according to the invention or to reduce the adjustment speed in the event of changes in the operating state (e.g. speed or load). If the system is already at the control limit, the optimization can also be stopped or halted. If the controller is (deliberately) outside the MTPA (e.g. in the event of a field weakening), the optimization or the process is also stopped, paused or interrupted.
  • the target value for the MTPA operating point (optimization value) determined using the process can be saved or stored when the process is terminated or interrupted, and can thus be reused as a new starting point (estimated point) when the process is started or restarted.
  • adaptation to the MTPA can also be limited. This means that, for example, a control factor with which the setpoint is adjusted is reduced or limited.
  • the method is used to determine an individual, unknown or imprecise system variable.
  • a position offset of the position of the motor shaft or the rotor is preferably determined here.
  • the electric motor can be operated in the suspected or estimated MTPA operating point. Instead of the direct component, an offset is varied in the actual position.
  • the target variable is reaching the MTPA operating point. However, this is achieved by correcting the position.
  • the first and/or second operating point is brought about by a test value of the reference variable.
  • the reference variable is composed in particular of a sum or difference between the setpoint and the test value.
  • the test value is a known deviation or disturbance which is added to (or subtracted from) the (estimated) target value in order to realize two different operating points.
  • the estimated setpoint value is used in a first method step as the (first) reference variable.
  • the controller of the direct component first sets the estimated MTPA operating point and operates the electric motor at this (first) operating point.
  • the reaction of the electric motor to this operating point is recorded using a first optimization variable.
  • the optimization variable is, for example, a phase current of the electric motor.
  • the optimization variable is stored and then, in a third method step, a (second) reference variable is used, which is made up of the estimated target value and the test value.
  • a second operating point which differs from the first operating point, is set by the additional test value in the reference variable.
  • a fourth method step the reaction of the electric motor to this second operating point is recorded using a second optimization variable, and the second optimization variable is stored.
  • a comparison is carried out as an evaluation as to whether the first or second optimization variable has better engine operation. If the second optimization variable is better, the target value of the direct component is readjusted. If the first optimization variable is better, method steps one to five are repeated, with the third method step by means of the test value deviating alternately in one direction and then the other.
  • a reference variable with a test value or deviation in one direction is used in the first method step and a reference variable with a test value or deviation in the other (opposite) direction is used in the third method step.
  • test value can be chosen in different ways.
  • the test value has a constant value, for example 0.5 A (ampere).
  • the test value may alternatively have an alternating value, for example ⁇ 0.5 A, or variations in amplitude. It is also possible to select the amplitude of the test value depending on the operating condition or the change in the operating condition (e.g. acceleration).
  • test value is preferably varied over time with a test value frequency.
  • test value frequency For example, the test value has a sinusoidal value:
  • I delta Io sin(oot), where I delta is the test value, Io is the test value amplitude, t is the time, and w is the test value frequency.
  • a frequency variation ie a variable test value frequency, is possible.
  • a test value for multi-frequency excitation in which several sinusoidal values are added.
  • the test value can also be in the form of a sawtooth, trapezoidal shape, or a shape similar to a trapezoidal shape.
  • “similar to a trapezoidal shape” is to be understood in particular as an excitation shape similar to a trapezoidal shape, with the corner areas being rounded off in order to improve the (engine) acoustics, for example.
  • Random values can also be used as a test value, in particular as a test value that varies over time. Distributions without high frequencies are preferably used here.
  • the controllers e.g. CCL & SCL
  • the reference variable is continuously varied here, so that a continuous transition between two or more different operating points is implemented.
  • the correlation between the reference variable and the optimization variable is expediently determined and used.
  • a correlation function of the optimization variable and the reaction of the electric motor to the test value is used as a target value, which represents the correlation between the change in the control variable and the optimization variable:
  • IMTPAControli is the reference variable
  • ki joptimization variable sin(oot + a) dt is the target value
  • k2 sin(oot) is the test value.
  • k1 and k2 are the control or learning factors
  • t is the time
  • w is the test value frequency
  • a takes into account the phase offset due to the control delay. If the frequency w is small enough, the value for a can be set to zero, for example.
  • the correlation function is thus essentially the integral of what has been learned so far in the optimization.
  • a low-pass filter can also be used.
  • command variable also leads or influences the quadrature current of the current control in addition to the direct component. If the direct component changes, the other controllers in the system (e.g. the SCL) regulate the system. In order to accelerate this, the reference variable can optionally also control the quadrature affect electricity. So both the direct component and the quadrature current are adjusted using the command variable.
  • the value should preferably be selected in such a way that the optimization variable, for example the square root of the sum of the squares of the actual direct component and the actual quadrature current, remains unchanged.
  • the reference variable can also be used to change other variables, particularly in the course of pre-control.
  • the reference variable changes the direct component.
  • the direct component also changes the phase voltage assigned to the direct component via the current controller (CCL). This on-off control can be accelerated by suitable pilot control. This is also possible for other variables, for example for the quadrature current and/or its associated phase voltage.
  • optimization variables can be used.
  • a battery current or an intermediate circuit current of the motor electronics is used as an optimization variable.
  • a motor current in particular an actual value for the motor current, is used as the optimization variable.
  • the setpoints can also be used as an optimization parameter to reduce the influence of measurement noise. Expediently including the setpoint value regulated according to the procedure.
  • the target values have filtered properties, since the determination of the target values already results in a certain filtering or suppression of the measurement noise.
  • the electric motor according to the invention is, for example, part of an (actuating) drive of a motor vehicle.
  • the electric motor has in this case motor electronics with a Controller for field-oriented control of the electric motor operation.
  • the controller here has a current control and optionally a torque or speed control.
  • the controller also has an optimal regulator.
  • the optimum controller is generally set up--in terms of program and/or circuitry--to carry out the method according to the invention described above.
  • the optimal controller is thus specifically set up to operate the electric motor deviating from an estimated MTPA operating point and, based on the change that occurs, to draw a conclusion as to whether the actual MTPA operating point is approaching or moving away.
  • the optimum controller is formed at least in its core by a microcontroller with a processor and a data memory, in which the functionality for carrying out the method according to the invention is implemented programmatically in the form of operating software (firmware), so that the method - if necessary in interaction with a device user - is carried out automatically when the operating software is executed in the microcontroller.
  • the optimum controller can also be formed by a non-programmable electronic component, such as an application-specific integrated circuit (ASIC), in which the functionality for carrying out the method according to the invention is implemented using circuitry means.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the method according to the invention is implemented as a control concept for current control.
  • This zero current is initially supplied as a reference variable for controlling the current controller of the direct component, and the electric motor is operated at the estimated (first) operating point.
  • the optimal controller then changes the Id setpoint at its output by the test value I Delta, for example by increasing the Id setpoint by a value of 0.5 A. Then there is a waiting period until the regulators of the controller have settled.
  • a variable adjustment of the learning or control factor k can be advantageous here.
  • the factor can be set higher in particularly suitable (e.g. static) operating situations than less in suitable operating situations.
  • a learning success can also be accelerated depending on the past learning steps. If, for example, a current learning direction is recognizable (e.g. several learning steps in succession in the same direction), the learning factor can be increased. Instead of an increment that is proportional to the target variable difference, a non-linear function can also be used, for example the product of k and a sign factor and the difference in the optimization variables.
  • An additional or further aspect of the invention provides software on a medium or data carrier for carrying out or executing the method described above when the software runs on a computer. Since the explanations in connection with the method and / or the electric motor also apply to the software and vice versa.
  • a computer is to be understood here as a device which processes data using programmable calculation rules.
  • the computer is, for example, a calculator, controller, or microcontroller.
  • the software is stored on a data medium and is intended to carry out the method described above and is suitable and designed for this. This results in particularly suitable software for operating an electric motor, with which the functionality for carrying out the method according to the invention is implemented in the form of a program.
  • the software is thus, in particular, operating software (firmware), with the data medium being, for example, a data memory of the controller.
  • FIG. 1 shows an electrical machine with a power source and with an electric motor and with a power converter connected in between
  • FIG. 3 shows a bridge module of a bridge circuit of the power converter for controlling a phase winding of the electric motor
  • FIG. 6 shows a flowchart of a method according to the invention for field-oriented control of an electric motor
  • FIG. 7 shows a flowchart of the method according to the invention in a second embodiment.
  • Fig. 1 shows an electric machine 2 for an electric motor adjustment system of a motor vehicle, not shown, such as a window terheber or a seat adjustment.
  • the machine 2 comprises a three-phase Signed electric motor 4, which is connected to a power source (voltage supply) 8 by means of a converter 6.
  • the power source 8 comprises a vehicle-internal energy store 10, for example in the form of a (vehicle) battery, and a (DC) intermediate circuit 12 connected thereto, which extends at least partially into the power converter 6.
  • the intermediate circuit 12 is essentially formed by a forward line 12a and a return line 12b, by means of which the power converter 6 is connected to the energy storage device 10.
  • the lines 12a and 12b are at least partially routed into the power converter 6, in which an intermediate circuit capacitor 14 and a bridge circuit 16 are connected between them.
  • an input current IE supplied to the bridge circuit 16 is converted into a three-phase output current (motor current, three-phase current) IU, IV, IW for the three phases U, V, W of the electric motor 4 .
  • the output currents IU, IV, IW also referred to below as phase currents, are fed to the corresponding phases (windings) U, V, W (FIG. 2) of a stator, which is not detailed.
  • phase windings U, V and W show a star connection 18 of the three phase windings U, V, W.
  • the phase windings U, V and W are each led with one (phase) end 22, 24, 26 to a respective bridge module 20 (Fig. 3) of the bridge circuit 16, and with the respective opposite end in a star point 28 as a common connection terminal with one another interconnected.
  • the phase windings U, V and W are shown in each case by means of an equivalent circuit diagram in the form of an inductance 30 and an ohmic resistor 32 and a respective voltage drop 34, 36, 38.
  • the respectively across the phase winding U, V, W dropping voltage 34, 36, 38 is represented schematically by arrows and results from the sum of the voltage drops across the inductance 30 and the ohmic resistance 32 and the induced voltage 40.
  • the movement of a rotor of the electric motor 4 induced voltage Voltage 40 (electromagnetic force, EMF, EMF) is shown in Fig. 2 by means of a circle.
  • the star circuit 18 is controlled by means of the bridge circuit 16.
  • the bridge circuit 16 is designed with the bridge modules 20 in particular as a B6 circuit.
  • each of the phase windings U, V, W is clocked at a high switching frequency between a high (DC) voltage level of the supply line 12a and a low voltage level of the return line 12b.
  • the high voltage level is in particular an intermediate circuit voltage UZK of the intermediate circuit 12, the low voltage level preferably being a ground potential UG.
  • This clocked control is as a - performed PWM control by a controller 42, with which a control and / or regulation of the speed, the power and the direction of rotation of the elec romotors 4 - shown in Fig. 1 by arrows.
  • the bridge modules 20 each include two semiconductor switches 44 and 46, which are shown in FIG. 2 only schematically and as an example for the W phase.
  • the bridge module 20 is connected on the one hand with a potential connection 48 to the supply line 12a and thus to the intermediate circuit voltage UZK.
  • the bridge module 20 is contacted with a second potential connection 50 to the return line 12b and thus to the ground potential UG.
  • the semiconductor switches 44, 46 the respective phase end 22, 24, 26 of the phase U, V, W ver bindable either with the intermediate circuit voltage UZK or with the ground potential UG. If the semiconductor switch 44 is closed (conductive) and the semiconductor switch 46 is opened (nonconductive, blocking), then the phase end 22, 24, 26 is connected to the potential of the intermediate circuit voltage UZK.
  • the semiconductor switch 44 when the semiconductor switch 44 is opened and the semiconductor switch 46 is closed, the phase U, V, W is in contact with the ground potential UG.
  • the semiconductor switches 44 and 46 are in the form of MOSFETs (metal-oxide semiconductor field-effect transistors), which switch between a switched-on state and a switched-off state in clocked fashion by means of PWM control.
  • MOSFETs metal-oxide semiconductor field-effect transistors
  • the respective gate connections are routed to corresponding control voltage inputs 52, 54, by means of which the signals of the PWM control of the controller 42 are transmitted.
  • FIG. 4 shows an equivalent circuit diagram for the current source 8.
  • the energy store 10 generates a battery voltage UBat and a corresponding battery current Ißat for operating the converter 6.
  • the internal resistance of the energy store 10 is shown as an ohmic resistor 56 and an intrinsic inductance of the energy store 10 is shown as an inductance 58 .
  • a shunt resistor 60 is connected in the return line 12b, across which the intermediate circuit voltage UZK drops.
  • phase current Iu, Iv, Iw flows through the shunt resistor 60.
  • the voltage drop across the shunt resistor 60 is amplified and evaluated.
  • the phase currents Iu, Iv, Iw are reconstructed by the controller 42 using measurements and the state of knowledge of the switching states of the semiconductor switches 44, 46. Other measurement methods can also be used to determine the motor currents (e.g. direct phase current measurement). Together with the measured and/or calculated phase voltages (Uu, Uv, Uw), the phase voltages (Uu, Uv, Uw) and the phase currents Iu, Iv, Iw are available to the controller 42 .
  • the controller 42 is provided for field-oriented control (FOC) of the electric motor 2 and is suitable and set up for this.
  • FOC field-oriented control
  • the (actual) phase currents Iu, Iv, Iw are transformed into a d/q reference system by means of a Park or d/q transformation.
  • the three phase currents Iu, Iv, Iw are transformed into two orthogonal components, which are referred to below as the direct component Id and as the quadrature current Iq .
  • the controller 42 has--as can be seen in particular in FIG.
  • the current control 64 has two controllers 66, 68; the controller 66 being provided for the direct component Id and the controller 68 for the quadrature current I q .
  • the outputs of the two controllers 66, 68 represent a voltage space vector with components Ud and Uq . Mirroring the transformation performed on the motor currents, these static signals are processed through a series of reference system transformations to generate voltage control signals 70 for the PWM to generate control.
  • the current control 64 essentially has four sections 72 , 74 , 76 , 78 .
  • Sections 72 and 74 are designed to regulate the quadrature current I q , and sections 76 and 78 to regulate the direct component Id.
  • the setpoint values are determined in sections 72 and 76, on the basis of which a control difference for controllers 66, 68 is generated in sections 74 and 78.
  • the FOC reference value for the quadrature current I q is determined.
  • a speed controller 80 is provided for this purpose.
  • the speed controller 80 is designed, for example, as a speed or torque controller.
  • a desired or set target speed SetSpeed and a current actual speed Speed are supplied to the speed controller 80 .
  • the speed controller 80 uses the speed signals to generate a desired value I qS et as a reference variable for controlling the quadrature current I q .
  • Section 74 includes controller 68 .
  • a control difference l q _Error is determined based on the current actual value of the quadrature current l q and the desired value l qS et , and supplied to the controller 68 as an input signal. From this, the controller 68 generates the quadrature voltage U q as a manipulated variable.
  • Sections 76 and 78 have an optimal controller 82 for determining and, if necessary, correcting the MTPA operating point during the runtime.
  • the op Timing controller 82 is provided and set up to carry out a method according to the invention.
  • the current actual values of the quadrature current I q and the direct component I d are supplied to the optimal controller 82 .
  • the optimum controller 82 determines an optimization variable, which is used to generate a reference variable iMTPAControl as an output signal.
  • a control difference ld_Error is determined using the current actual value of the direct component Id and the reference variable IMTPAControl generated by the optimal controller 82, and is supplied to the controller 66 as an input signal. From this, the controller 66 generates the DC voltage component Ud as a manipulated variable.
  • the optimal controller 82 has, for example, a setpoint unit 84 and a control unit 86 .
  • setpoint unit 84 is assigned to section 76 and control unit 86 to section 78 , for example.
  • the setpoint unit 84 generates a setpoint ld_set, with the control unit 86 generating a test value taeita.
  • the control unit 86 is supplied with the current actual values of the quadrature current Iq and the direct component Id.
  • the set value ld_set and the test value eita are combined to form the command variable IMTPAControl.
  • the method is started in a method step 88 and ended in a method step not shown in detail.
  • This zero current is realized in particular by a setpoint value ld_set of 0 A and by a test value eita of 0 A.
  • This zero-sequence current is initially used as the reference variable IMTPAControl for determining the control deviation ld_Error.
  • the controller 66 regulates initially to the estimated MTPA operating point, as a result of which the electric motor 4 or the machine 2 is operated at this (first) operating point.
  • a second method step 92 the reaction of the electric motor 4 or the machine 2 to this operating point is recorded with a first optimization variable h.
  • the optimization variable h is determined by the optimal controller 82 or the control unit 86 on the basis of the actual values of the quadrature current I q and the direct component I d . For example, the square root of the sum of the squares of the actual
  • a (second) reference variable IMTRAOO P OOI is generated, which differs from the reference variable iMTPAControl of method step 90.
  • the control deviation ld_Error is changed, so that the controller 66 regulates to a new (second) operating point.
  • the optimal controller 82 changes the setpoint value ld_set by a test value eita, which is not equal to 0A.
  • the test value eita has a current value of 0.5 A here, so that the setpoint ld_set—and thus the command variable IMTPAControl—is increased by a value of 0.5 A.
  • a test value beita not equal to 0 A is added to the desired value ld_set.
  • the command variable iMTPAControl has a test value I delta in one direction.
  • the test value eita is subtracted from the target value ld_set, ie a command variable IMTPAControl with a test value beita is used in the other (opposite) direction.
  • the setpoint value ld_set is adjusted in a method step 100a. If the operating point of method step 90' has the higher efficiency, that is to say the first optimization variable h has better engine operation, then the setpoint value ld_set is adjusted in a method step 100b.
  • the claimed invention is not limited to the exemplary embodiments described above. Rather, other variants of the invention can also be derived from this by the person skilled in the art within the scope of the disclosed claims without departing from the subject matter of the claimed invention. In particular, all in connection with the various execution The individual features described in the examples can also be combined in other ways within the scope of the disclosed claims, without departing from the subject matter of the claimed invention.
  • the command variable iMTPAControl also leads or influences the quadrature current I q in addition to the direct component I d .
  • the reference variable IMTPAControl can also be used to change other variables, particularly in the course of a pre-control. Depending on the control (e.g.
  • optimization variables can be used.
  • the battery current Ißat is used as an optimization variable.
  • the setpoints ld_set, lq -set can also be used as an optimization variable or as a basis for determining the optimization variable.

Abstract

The invention relates to a method for field-oriented control of an electric motor (4), in which an operational state of the electric motor (4) is set via a current controller (64) in the d-q reference system with a direct component (Id) and a quadrature current (Iq). A setpoint value (Id_set) of the direct component (Id) to bring about an operational state of the electric motor (4) with maximum torque per ampere is estimated, and by means of the setpoint value (Id_set) at least one reference variable (IMTPAControl) for guiding the direct component (Id) of the current controller (64) is determined, by means of which the electric motor (4) is operated in a first operating point and in a second operating point different therefrom. At least one optimisation variable (I1, I2) is detected as a reaction of the electric motor (4) to the operation in the first operating point and in the second operating point, the at least one optimisation variable (I1, I2) being evaluated with regard to the operational state of the electric motor with maximum torque per ampere, and the setpoint value (Id_set) of the direct component (Id) being set by means of the evaluation.

Description

Beschreibung description
Verfahren zur feldorientierten Regelung eines Elektromotors Process for field-oriented control of an electric motor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur feldorientierten Regelung eines Elektromo- tors, bei welchem ein Betriebszustand des Elektromotors über eine Stromregelung im d-q-Referenzsystem mit einer Direktkomponente und einem Quadraturstrom eingestellt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Elektromotor sowie eine Software auf einem Datenträger. Elektromotorisch an- oder betriebene Verstellsysteme als Kraftfahrzeugkompo nenten, wie beispielsweise Fensterheber, Sitzverstellungen, Tür- und Schiebe dachantriebe oder Kühlerlüfterantriebe sowie Pumpen und Innenraumgebläse weisen typischerweise einen elektrischen Antrieb mit einem gesteuerten Elektro motor auf. Für solche elektromotorische Antriebe werden zunehmend häufig so- genannte bürstenlose Elektromotoren (bürstenloser Gleichstrommotor, BLDC- Motor) eingesetzt, bei denen die verschleißanfälligen Bürstenelemente eines star ren (mechanischen) Kommutators durch eine elektronische Kommutierung des Motorstroms ersetzt sind. Elektromotorische Antriebe für Kraftfahrzeuge werden in der Regel von einer (Flochvolt-)Batterie als fahrzeuginternem Energiespeicher gespeist, aus welchem der Elektromotor mit elektrischer Energie in Form eines Gleichstroms (Gleich spannung) versorgt wird. Zur Wandlung des Gleichstroms in den Motorstrom ist geeigneterweise ein Stromrichter (Wechselrichter, Inverter) zwischen dem Ener- giespeicher und dem Elektromotor verschaltet. Der Stromrichter weist eine Brü ckenschaltung auf, welche über einen elektrischen Zwischenkreis mit der Gleich strom oder Gleichspannung des Energiespeichers versorgt wird. Der Motorstrom wird durch eine pulsweitenmodulierte (PWM) Ansteuerung oder Regelung von Flalbleiterschaltern der Brückenschaltung als ein mehrphasiger Ausgangsstrom erzeugt. Durch die Pulse der PWM-Signale werden die Flalbleiterschalter getaktet zwischen einem leitenden und einem sperrenden Zustand umgeschaltet. Die Brückenschaltung speist im Betrieb in die Statorspulen des Elektromotors den elektrischen Motorstrom (Drehstrom) ein, welcher in der Folge ein bezüglich des Stators rotierendes magnetisches Drehfeld erzeugt. Der Rotor des Elektromotors weist hierbei geeigneterweise eine Anzahl von Permanentmagneten auf, wobei durch die Wechselwirkung der Permanentmagnete mit dem Drehfeld ein resultie rendes Drehmoment erzeugt wird, welches den Rotor in Rotation versetzt. The invention relates to a method for field-oriented control of an electric motor, in which an operating state of the electric motor is set via current control in the dq reference system with a direct component and a quadrature current. The invention also relates to an electric motor and software on a data carrier. Electric motor on or operated adjustment systems as Kfzkompo components, such as window regulators, seat adjusters, door and sliding roof drives or radiator fan drives and pumps and interior fans typically have an electric drive with a controlled electric motor. So-called brushless electric motors (brushless DC motors, BLDC motors) are increasingly being used for such electromotive drives, in which the wear-prone brush elements of a rigid (mechanical) commutator are replaced by electronic commutation of the motor current. Electromotive drives for motor vehicles are usually fed by a (Flochvolt) battery as an internal vehicle energy store, from which the electric motor is supplied with electrical energy in the form of a direct current (direct voltage). In order to convert the direct current into the motor current, a power converter (inverter) is suitably connected between the energy store and the electric motor. The power converter has a bridge circuit, which is supplied with the direct current or direct voltage of the energy store via an electrical intermediate circuit. The motor current is generated as a multi-phase output current by pulse-width modulated (PWM) activation or regulation of semiconductor switches in the bridge circuit. The semiconductor switches are switched between a conducting and a blocking state in a clocked manner by the pulses of the PWM signals. During operation, the bridge circuit feeds the electric motor current (three-phase current) into the stator coils of the electric motor, which subsequently generates a rotating magnetic field with respect to the stator. In this case, the rotor of the electric motor suitably has a number of permanent magnets, the interaction of the permanent magnets with the rotating field generating a resultant torque which causes the rotor to rotate.
Die Phasen des von der Brückenschaltung erzeugten Drehstroms und des zu gehörigen Drehfeldes werden als (Motor-)Phasen bezeichnet. Im übertragenen Sinne werden hierunter auch die jeweils einer solchen Phase zugeordneten Sta torspulen (Phasenwicklung) mit den zugehörigen Verbindungsleitungen (Phasen ende) verstanden. Die Phasen sind hierbei beispielsweise in einem Sternpunkt einer Sternschaltung miteinander verschaltet. The phases of the three-phase current generated by the bridge circuit and the associated rotating field are referred to as (motor) phases. In a figurative sense, this also includes the stator coils assigned to such a phase (phase winding) with the associated connecting lines (phase end). In this case, the phases are connected to one another, for example, in a star point of a star connection.
Für einen effizienten Betrieb ist es notwendig, dass die Phasen zum richtigen Zeitpunkt mit Strom versorgt werden. Flierzu ist beispielsweise eine Vektorrege lung, auch feldorientierte Regelung (engl.: Field Oriented Control, FOC) genannt, möglich. Bei einer solchen feldorientierten Regelung oder FOC wird der Drehstrom als zwei orthogonale Komponenten identifiziert, die mit einem Strom raum vektor visualisiert werden können. Die eine Komponente (Direktkomponente) definiert den magnetischen Fluss des Motors, die andere das Drehmoment (Quadratur strom). For efficient operation, it is necessary that the phases are supplied with power at the right time. For example, vector control, also known as field-oriented control (FOC), is possible. With such a field-oriented control or FOC, the three-phase current is identified as two orthogonal components that can be visualized with a current space vector. One component (direct component) defines the magnetic flux of the motor, the other the torque (quadrature current).
Die feldorientierte Regelung regelt den Drehstrom in einem d-q-Referenzsystem (Bezugsystem) des Elektromotors. Im Idealfall ist der Strom raum vektor in Bezug auf den Rotor in Betrag und Richtung (Quadratur) fest, unabhängig von der Rota tion. Da der Strom -Raum vektor im d-q- Referenzsystem statisch ist, erfolgt die Stromregelung anhand von Gleichstromsignalen. Dies isoliert die Regler von den zeitlich variierenden Wicklungsströmen und -Spannungen und eliminiert daher die Begrenzung des Reglerfrequenzgangs und der Phasenverschiebung auf das Mo tordrehmoment und die Drehzahl. Der Elektromotor weist hierbei eine zugeordnete Motorsteuerung auf, welche die entsprechenden Stromkomponentensollwerte aus den Fluss- und Drehmoment sollwerten, welche von einer Drehzahlregelung vorgegeben werden, bestimmt. Die Motor- oder Phasenströme werden hierbei in das d-q-Referenzsystem transfor miert. Die Stromregelung weist typischerweise zwei proportional-integrale Regler (PI-Regler) auf; einen für die Direktkomponente (Direktstrom) und einen für den Quadraturstrom, um die gemessenen Strom komponenten auf den vorgegebenen Sollwerten zu halten. The field-oriented regulation regulates the three-phase current in a dq reference system (reference system) of the electric motor. In the ideal case, the magnitude and direction (quadrature) of the current space vector in relation to the rotor is fixed, independent of the rotation. Since the current -space vector is static in the dq reference system, the current is controlled using direct current signals. This isolates the regulators from the time varying winding currents and voltages and therefore eliminates the limitation of regulator frequency response and phase shift on motor torque and speed. In this case, the electric motor has an associated motor controller, which determines the corresponding current component setpoint values from the flux and torque setpoint values, which are specified by a speed controller. The motor or phase currents are transformed into the dq reference system. The current control typically has two proportional-integral (PI) controllers; one for the direct component (direct current) and one for the quadrature current in order to keep the measured current components at the specified setpoints.
Die Ausgänge der beiden PI-Regler stellen einen Spannungsraumvektor in Bezug auf den Rotor dar. Spiegelbildlich zur Transformation, die an den Motorströmen durchgeführt wird, werden diese statischen Signale durch eine Reihe von Refe renzsystemtransformationen verarbeitet, um Spannungssteuersignale für die PWM-Ansteuerung zu erzeugen. The outputs of the two PI controllers represent a voltage space vector with respect to the rotor. Mirroring the transformation performed on the motor currents, these static signals are processed through a series of reference system transformations to generate voltage control signals for the PWM drive.
Die Höhe des Drehmoments ist von der Stromamplitude und dem Stromwinkel des Drehstroms abhängig. Ist der Stromwinkel so gewählt, dass der Elektromotor bei einer gegebenen Stromamplitude das maximale Drehmoment erzeugt, so spricht man von einem Betriebszustand des Elektromotors mit maximalen Drehmoment pro Ampere (engl.: Max Torque Per Ampere, MTPA). Der MTPA-Betriebspunkt weist hierbei den besten Wirkungsgrad für den Elektromotorbetrieb auf. Dieser MTPA-Betriebspunkt ist von vielen Einflussfaktoren abhängig, so dass eine Ermitt lung und gegebenenfalls Korrektur während des Betriebs des Elektromotors, also zur Laufzeit des Elektromotors, gewünscht ist. The amount of torque depends on the current amplitude and the current angle of the three-phase current. If the current angle is selected in such a way that the electric motor generates the maximum torque at a given current amplitude, the electric motor is said to be in an operating state with maximum torque per ampere (Max Torque Per Ampere, MTPA). The MTPA operating point has the best efficiency for electric motor operation. This MTPA operating point depends on many influencing factors, so that it is desirable to determine and, if necessary, correct it during operation of the electric motor, ie when the electric motor is running.
Herkömmlicherweise gibt ein Drehmomentregler den Sollwert beziehungsweise die Führungsgröße für den Quadraturstrom vor, wobei ein Feldschwächeregler die Führungsgröße für die Direktkomponente erzeugt. Ist keine Feldschwächung not wendig (Grunddrehzahlbereich) so hat die Führungsgröße der Direktkomponente den Wert Null (0). Dadurch wird die Direktkomponente auf null gefahren und somit der Strom -Raum vektor gezwungen, ausschließlich in Quadraturrichtung zu verlau fen. Da lediglich der Quadraturstrom ein nutzbares Drehmoment erzeugt, maxi miert dies den Drehmomentwirkungsgrad des Elektromotors. Eine verbesserte feldorientierte Regelung kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass das Reluktanzmoment genutzt wird, und die Führungsgröße der Direktkomponente auf einen Wert ungleich Null gesetzt wird. Abhängig von den Systemkenntnissen und den Toleranzen wird der MTPA-Betriebspunkt und somit der beste Wirkungsgrad des Elektromotors mehr oder weniger erreicht. Conventionally, a torque controller specifies the desired value or the command variable for the quadrature current, with a field weakening controller generating the command variable for the direct component. If field weakening is not necessary (basic speed range), the reference variable of the direct component has the value zero (0). As a result, the direct component is driven to zero and the current-space vector is thus forced to run exclusively in the quadrature direction. Since only the quadrature current produces usable torque, this maximizes the torque efficiency of the electric motor. an improved one Field-oriented control can be implemented, for example, by using the reluctance torque and setting the command variable of the direct component to a value not equal to zero. Depending on the system knowledge and the tolerances, the MTPA operating point and thus the best efficiency of the electric motor is more or less achieved.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zur feldorientierten Regelung eines Elektromotors anzugeben. Insbesondere sol len eine zuverlässige Ermittlung und gegebenenfalls Korrektur des MTPA- Betriebspunkts während der Laufzeit ermöglicht werden. Die Erfindung betrifft wei terhin einen Elektromotor und eine Software auf einem Datenträger. The invention is based on the object of specifying a particularly suitable method for field-oriented control of an electric motor. In particular, a reliable determination and, if necessary, correction of the MTPA operating point should be made possible during the runtime. The invention further relates to an electric motor and software on a data carrier.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Elektromotors mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie hinsichtlich der Software mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. With regard to the method, the object is achieved with the features of claim 1 and with regard to the electric motor with the features of claim 9 and with regard to the software with the features of claim 10. Advantageous refinements and developments are the subject of the respective dependent claims.
Sofern nachfolgend Verfahrensschritte beschrieben werden, ergeben sich vorteil hafte Ausgestaltungen für den Elektromotor insbesondere dadurch, dass dieser ausgebildet ist, einen oder mehrere dieser Verfahrensschritte auszuführen. Insofar as method steps are described below, advantageous configurations for the electric motor result in particular from the fact that it is designed to carry out one or more of these method steps.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur feldorientierten Regelung eines Elektro motors vorgesehen sowie dafür geeignet und ausgestaltet. Mit anderen Worten ist verfahrensgemäß ein feldorientiert-geregelter Betrieb des Elektromotors (Motorbe trieb) vorgesehen. Das Verfahren ist also zum Betrieb des Elektromotors geeignet, sowie dafür vorgesehen und ausgestaltet. The method according to the invention is intended for the field-oriented control of an electric motor and is suitable and designed for this. In other words, according to the method, field-oriented controlled operation of the electric motor (motor operation) is provided. The method is therefore suitable for operating the electric motor and is provided and designed for this purpose.
Bei der feldorientierten Regelung (FOC) wird ein Betriebszustand des Elektromo tors über eine Stromregelung (engl.: Current Control Loop, CCL) in einem d-q- Referenzsystem mit einer Gleichspannungskomponente und einem Quadratur strom geregelt. Die Stromregelung des Elektromotors weist hierbei vorzugsweise zwei (Strom- Regler, insbesondere in Form von PI-Reglern, auf, mit welchem die Direktkompo nente (Direktstrom) einerseits und der Quadraturstrom andererseits geregelt und/oder gesteuert werden. Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können. In field-oriented control (FOC), an operating state of the electric motor is controlled by current control (current control loop, CCL) in a dq reference system with a direct voltage component and a quadrature current. The current control of the electric motor preferably has two current controllers, in particular in the form of PI controllers, with which the direct component (direct current) on the one hand and the quadrature current on the other hand are regulated and/or controlled. The conjunction “and/or” is to be understood here and in the following in such a way that the features linked by means of this conjunction can be designed both together and as alternatives to one another.
Der Elektromotor kann hierbei auch eine Geschwindigkeitsregelung (engl.: Speed Control Loop, SCL), beispielsweise eine Drehzahl- oder Drehmomentregelung, mit einem Regler, insbesondere einem PI-Regler, aufweisen, welche einen Sollwert für den Quadraturstrom-Regler erzeugt. The electric motor can also have a speed control loop (SCL), for example a speed or torque control, with a controller, in particular a PI controller, which generates a setpoint for the quadrature current controller.
Verfahrensgemäß wird zunächst ein Sollwert der Direktkomponente zur Bewirkung eines Betriebszustand des Elektromotors mit maximalen Drehmoment pro Ampere geschätzt. Mit anderen Worten wird ein Sollwert der Direktkomponente für den MTPA-Betriebspunkt bestimmt. Unter „Schätzung“ oder „schätzen“ ist hier und im Folgenden eine genäherte Bestimmung des MTPA-Betriebspunkts beispielsweise durch Auswertung der Phasenspannungen und/oder Phasenströme, oder durch vorcharakterisierten Messungen, hinterlegte Tabellen oder Kennlinien, oder mittels (statistisch-)mathematischer Methoden, zu verstehen. Insbesondere zu Beginn des Verfahrens kann eine anfängliche (Start-)Schätzung des Soll-Betriebspunkts beispielsweise auch darin bestehen, den Sollwert auf null, oder unter Berücksich tigung eines Reluktanzmoments auf einen Wert ungleich Null, zu setzen. According to the method, a target value of the direct component to bring about an operating state of the electric motor with maximum torque per ampere is first estimated. In other words, a target value of the direct component for the MTPA operating point is determined. Here and in the following, "estimate" or "estimate" means an approximate determination of the MTPA operating point, for example by evaluating the phase voltages and/or phase currents, or by pre-characterized measurements, stored tables or characteristic curves, or by means of (statistical) mathematical methods to understand. In particular at the beginning of the method, an initial (start) estimate of the target operating point can also consist, for example, of setting the target value to zero or, taking into account a reluctance torque, to a value not equal to zero.
Anhand des Sollwerts wird anschließend eine Führungsgröße für die Stromrege lung, insbesondere für den Regler der Direktkomponente, bestimmt. Die Füh rungsgröße führt somit die Direktkomponente bei der Stromregelung. Mittels der Führungsgröße wird der Elektromotor in einem ersten Betriebspunkt und einen sich hiervor unterscheidenden zweiten Betriebspunkt betrieben. Der erste oder zweite Betriebspunkt kann hierbei beispielsweise der geschätzte MTPA- Betriebspunkt sein. Mit anderen Worten kann die Führungsgröße für den ersten oder zweiten Betriebspunkt dem Sollwert entsprechen. Verfahrensgemäß wird anschließend mindestens eine Optimierungsgröße als Re aktion des Elektromotors auf den Betrieb im ersten Betriebspunkt und im zweiten Betriebspunkt erfasst. Mit anderen Worten ist die Optimierungsgröße ein Maß für den Betrieb des Elektromotors, insbesondere ermöglicht die Optimierungsgröße einen Rückschluss auf den im jeweiligen Betriebspunkt vorliegenden Wirkungs grad. Die mindestens eine Optimierungsgröße wird hierbei hinsichtlich des Be triebszustands des Elektromotors mit maximalen Drehmoment pro Ampere aus gewertet. Mit anderen Worten werden der erste und zweite Betriebspunkt hinsicht lich des MTPA-Betriebspunkts ausgewertet. Anhand der Auswertung wird der Sollwert beziehungsweise die Führungsgröße für die Stromregelung eingestellt.A command variable for the current regulation, in particular for the controller of the direct component, is then determined on the basis of the setpoint. The reference variable thus leads the direct component in the current control. The electric motor is operated at a first operating point and at a second operating point, which differs therefrom, by means of the reference variable. The first or second operating point can be the estimated MTPA operating point, for example. In other words, the reference variable for the first or second operating point can correspond to the setpoint. According to the method, at least one optimization variable is then recorded as a reaction of the electric motor to operation at the first operating point and at the second operating point. In other words, the optimization variable is a measure of the operation of the electric motor; in particular, the optimization variable enables conclusions to be drawn about the degree of efficiency present at the respective operating point. The at least one optimization variable is evaluated here with regard to the operating state of the electric motor with maximum torque per ampere. In other words, the first and second operating point are evaluated with regard to the MTPA operating point. The setpoint or the reference variable for the current control is set on the basis of the evaluation.
Der Sollwert wird also derart eingestellt, dass der Wirkungsgrad des Elektromotors maximiert wird. The target value is therefore set in such a way that the efficiency of the electric motor is maximized.
Verfahrensgemäß wird der Elektromotor in dem ersten und/oder zweiten Betriebs- punkt abweichend von dem geschätzten MTPA-Betriebspunkt betrieben. Dadurch stellt sich ein vom MTPA-Betriebspunkt unterschiedlicher Betriebspunkt ein. Diese Betriebspunkt- oder Betriebszustandsänderung ermöglicht anhand der erfassten Optimierungsgröße einen Rückschluss, ob sich die Führungsgröße - und somit der Sollwert der Direktkomponente - dem MTPA-Betriebspunkt annähert oder sich von diesem entfernt. Durch die Einstellung des Sollwerts anhand dieser Auswer tung ist es somit möglich, während des Motorbetriebs den MTPA-Betriebspunkt zu ermitteln, und sich sukzessive oder iterativ an diesen anzunähern. According to the method, the electric motor is operated at the first and/or second operating point, deviating from the estimated MTPA operating point. This results in an operating point that differs from the MTPA operating point. This change in the operating point or operating state makes it possible to use the detected optimization variable to draw a conclusion as to whether the reference variable—and thus the setpoint value of the direct component—is approaching or moving away from the MTPA operating point. By setting the setpoint based on this evaluation, it is thus possible to determine the MTPA operating point during engine operation and to approach it successively or iteratively.
Erfindungsgemäß ist somit eine Regelung des Sollwerts der Direktkomponente auf den MTPA-Betriebspunkt vorgesehen, welche anhand der Optimierungsgröße als Eingangsgröße geregelt wird. According to the invention, regulation of the setpoint of the direct component to the MTPA operating point is therefore provided, which is regulated using the optimization variable as the input variable.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Abweichungen von dem MTPA- Betriebspunkt über die Lebenszeit des Elektromotors erkannt und korrigiert oder gemeldet werden. Des Weiteren reduziert das Verfahren die Anforderung an die (Kalibrier-)Genauigkeit eines Positionssystems des Elektromotors, da durch die Regelung des Sollwerts etwaige Ungenauigkeiten bei der Positions- oder Lagebe stimmung herausgeregelt werden. Die verfahrensgemäße Optimierung kann während dem gesamten Lebenszyklus des Elektromotors erfolgen. Alternativ dazu kann er auch nur zu bestimmten Zei ten erfolgen. Beispielsweise ist die Betriebssituation nach der Herstellung des Elektromotors, also am Ende der Produktion (engl.: End of Line, EOL), sehr gut bekannt, so dass eine gezielte und zuverlässige Schätzung für den Sollwert er möglicht ist. Dadurch ist eine besonders effektive Optimierung ermöglicht. The method according to the invention allows deviations from the MTPA operating point to be recognized and corrected or reported over the lifetime of the electric motor. Furthermore, the method reduces the requirement for the (calibration) accuracy of a positioning system of the electric motor, since any inaccuracies in the determination of the position or location are corrected by controlling the setpoint. The optimization according to the method can take place during the entire life cycle of the electric motor. Alternatively, it can also only take place at certain times. For example, the operating situation after the production of the electric motor, i.e. at the end of production (End of Line, EOL), is very well known, so that a targeted and reliable estimate for the setpoint is possible. This enables a particularly effective optimization.
Das Verfahren ist insbesondere für einen statischen Betrieb des Elektromotors geeignet. Daher kann es sinnvoll sein, bei Änderungen des Betriebzustandes (z.B. Drehzahl oder Last) die erfindungsgemäße Anpassung des Sollwerts auszusetzen oder die Anpassungsgeschwindigkeit zu reduzieren. Ist das System bereits an der Regelgrenze, so kann die Optimierung auch gestoppt oder angehalten werden. Befindet sich der Regler (bewusst) außerhalb des MTPA (z.B. bei einer Feld schwächung), so wird die Optimierung beziehungsweise das Verfahren zweckmä ßigerweise ebenfalls gestoppt, pausiert oder unterbrochen. The method is particularly suitable for static operation of the electric motor. It can therefore make sense to suspend the adjustment of the setpoint according to the invention or to reduce the adjustment speed in the event of changes in the operating state (e.g. speed or load). If the system is already at the control limit, the optimization can also be stopped or halted. If the controller is (deliberately) outside the MTPA (e.g. in the event of a field weakening), the optimization or the process is also stopped, paused or interrupted.
Der mit dem Verfahren ermittelte Sollwert für den MTPA-Betriebspunkt (Optimie- rungswert) kann bei einer Beendigung oder Unterbrechung des Verfahrens abge speichert oder hinterlegt werden, und somit als neuer Startpunkt (Schätzpunkt) bei einem Start oder einer Wiederbeginn des Verfahrens wiederverwendet werden. The target value for the MTPA operating point (optimization value) determined using the process can be saved or stored when the process is terminated or interrupted, and can thus be reused as a new starting point (estimated point) when the process is started or restarted.
Alternativ oder in Ergänzung zur vorstehend beschriebenen Ausblendung (Been- digung, Unterbrechung) des Verfahrens kann auch die Anpassung an den MTPA begrenzt werden. Dies bedeutet, dass beispielsweise ein Regelfaktor mit welchem der Sollwert angepasst wird, reduziert oder begrenzt wird. As an alternative or in addition to the above-described hiding (termination, interruption) of the procedure, adaptation to the MTPA can also be limited. This means that, for example, a control factor with which the setpoint is adjusted is reduced or limited.
In einer bevorzugten Anwendung oder Verwendung des Verfahrens, wird das Ver fahren dazu genutzt eine einzelne unbekannte beziehungsweise ungenaue Sys temgröße zu ermitteln. Vorzugsweise wird hierbei ein Positionsoffset der Lage der Motorwelle beziehungsweise des Rotors ermittelt. Bei Positionserfassungssyste men kann es zu Abweichungen in der Positionserfassung kommen. Um diese Ab- weichung zu ermitteln und zu beseitigen, kann der Elektromotor im vermuteten oder geschätzten MTPA-Betriebspunkt betrieben werden. Anstelle der Direktkom ponente wird hierbei ein Offset in der Ist-Position variiert. Auch hier ist die Zielgrö ße das Erreichen das MTPA-Betriebspunktes. Dies wird aber über eine Korrektur der Position erreicht. In a preferred application or use of the method, the method is used to determine an individual, unknown or imprecise system variable. A position offset of the position of the motor shaft or the rotor is preferably determined here. With position detection systems, there may be deviations in the position detection. In order to To determine and eliminate deviation, the electric motor can be operated in the suspected or estimated MTPA operating point. Instead of the direct component, an offset is varied in the actual position. Here, too, the target variable is reaching the MTPA operating point. However, this is achieved by correcting the position.
In einer zweckmäßigen Ausführung des Verfahrens wird der erste und/oder zweite Betriebspunkt durch einen Testwert der Führungsgröße bewirkt. Die Führungs größe setzt sich hierbei insbesondere aus einer Summe oder Differenz des Soll- werts und des Testwerts zusammen. Der Testwert ist eine bekannte Abweichung oder Störung welche auf den (geschätzten) Sollwert addiert (bzw. von diesem ab gezogen) wird, um zwei unterschiedliche Betriebspunkte zu realisieren. In an expedient embodiment of the method, the first and/or second operating point is brought about by a test value of the reference variable. In this case, the reference variable is composed in particular of a sum or difference between the setpoint and the test value. The test value is a known deviation or disturbance which is added to (or subtracted from) the (estimated) target value in order to realize two different operating points.
In einer denkbaren Ausführungsform wird nach Beginn des Verfahrens in einem ersten Verfahrensschritt als (erste) Führungsgröße der geschätzte Sollwert ver wendet. Dies bedeutet, dass der Regler der Direktkomponente zunächst den ge schätzten MTPA-Betriebspunkt einstellt und den Elektromotor in diesem (ersten) Betriebspunkt betreibt. In einem zweiten Verfahrensschritt wird die Reaktion des Elektromotors auf diesen Betriebspunkt mit einer ersten Optimierungsgröße er- fasst. Die Optimierungsgröße ist hierbei beispielsweise ein Phasenstrom des Elektromotors. Die Optimierungsgröße wird hinterlegt und anschließend in einem dritten Verfahrensschritt eine (zweite) Führungsgröße verwendet, welche sich aus dem geschätzten Sollwert und dem Testwert zusammensetzt. Durch den zusätzli chen Testwert in der Führungsgröße wird ein zweiter Betriebspunkt eingestellt, welcher sich von dem ersten Betriebspunkt unterscheidet. In einem vierten Verfah rensschritt wird die Reaktion des Elektromotors auf diesen zweiten Betriebspunkt mit einer zweiten Optimierungsgröße erfasst, und die zweite Optimierungsgröße hinterlegt. In einem fünften Verfahrensschritt wird als Auswertung ein Vergleich durchgeführt, ob die erste oder zweite Optimierungsgröße einen besseren Motor- betrieb aufweist. Ist die zweite Optimierungsgröße besser wird der Sollwert der Direktkomponente neu eingestellt. Ist die erste Optimierungsgröße besser werden die Verfahrensschritte eins bis fünf wiederholt, wobei im dritten Verfahrensschritt mittels des Testwerts wechselweise in die eine und dann die andere Richtung ab gewichen wird. In a conceivable embodiment, after the start of the method, the estimated setpoint value is used in a first method step as the (first) reference variable. This means that the controller of the direct component first sets the estimated MTPA operating point and operates the electric motor at this (first) operating point. In a second method step, the reaction of the electric motor to this operating point is recorded using a first optimization variable. In this case, the optimization variable is, for example, a phase current of the electric motor. The optimization variable is stored and then, in a third method step, a (second) reference variable is used, which is made up of the estimated target value and the test value. A second operating point, which differs from the first operating point, is set by the additional test value in the reference variable. In a fourth method step, the reaction of the electric motor to this second operating point is recorded using a second optimization variable, and the second optimization variable is stored. In a fifth method step, a comparison is carried out as an evaluation as to whether the first or second optimization variable has better engine operation. If the second optimization variable is better, the target value of the direct component is readjusted. If the first optimization variable is better, method steps one to five are repeated, with the third method step by means of the test value deviating alternately in one direction and then the other.
In einer ebenso denkbaren alternativen Ausführungsform wird in dem ersten Ver- fahrensschritt eine Führungsgröße mit einem Testwert oder Abweichung in die eine Richtung und in dem dritten Verfahrensschritt eine Führungsgröße mit einem Testwert oder Abweichung in die andere (gegensätzliche) Richtung verwendet. In a likewise conceivable alternative embodiment, a reference variable with a test value or deviation in one direction is used in the first method step and a reference variable with a test value or deviation in the other (opposite) direction is used in the third method step.
Der Testwert kann auf verschiedene Arten gewählt werden. Beispielsweise weist der Testwert einen konstanten Wert, zum Beispiel 0,5 A, (Ampere) auf. Der Test wert kann alternativ einen alternierenden Wert, beispielsweise ± 0,5 A, oder Varia tionen in der Amplitude aufweisen. Weiterhin ist es möglich die Amplitude des Testwerts abhängig vom Betriebszustand oder der Änderung des Betriebszu stands (z.B. Beschleunigung) zu wählen. The test value can be chosen in different ways. For example, the test value has a constant value, for example 0.5 A (ampere). The test value may alternatively have an alternating value, for example ±0.5 A, or variations in amplitude. It is also possible to select the amplitude of the test value depending on the operating condition or the change in the operating condition (e.g. acceleration).
Vorzugsweise wird der Testwert zeitlich mit einer Testwertfrequenz variiert. Bei spielsweise weist der Testwert einen sinusförmigen Wert auf: The test value is preferably varied over time with a test value frequency. For example, the test value has a sinusoidal value:
I Delta = Io sin(oot), wobei I Delta der Testwert, Io die Testwertamplitude, t die Zeit, und w die Testwert frequenz ist. Zusätzlich ist beispielsweise eine Frequenzvariation, also eine variab le Testwertfrequenz möglich. Ebenso denkbar ist beispielsweise ein Testwert zur Multifrequenzanregung, bei welchem mehrere sinusförmige Werte addiert sind. I delta = Io sin(oot), where I delta is the test value, Io is the test value amplitude, t is the time, and w is the test value frequency. In addition, for example, a frequency variation, ie a variable test value frequency, is possible. Also conceivable is, for example, a test value for multi-frequency excitation, in which several sinusoidal values are added.
Der Testwert kann auch als Sägezahn, Trapezform, oder trapezformähnlich aus geführt sein. Unter „trapezformähnlich“ ist hierbei insbesondere eine einem Trapez ähnliche Anregungsform zu verstehen, wobei die Eckbereiche abgerundet ausge führt sind, um beispielsweise die (Motor-)Akustik zu verbessern. The test value can also be in the form of a sawtooth, trapezoidal shape, or a shape similar to a trapezoidal shape. In this context, “similar to a trapezoidal shape” is to be understood in particular as an excitation shape similar to a trapezoidal shape, with the corner areas being rounded off in order to improve the (engine) acoustics, for example.
Als Testwert insbesondere als zeitlich variierender Testwert können auch Zufalls werte verwendet werden. Hierbei werden vorzugsweise Verteilungen ohne hohe Frequenzen verwendet. Die Regler (z. B. CCL & SCL) beeinflussen den Einfluss des Testwertes auf die Reaktion des Elektromotors beim jeweiligen Betriebspunkt. Beispielsweise ist eine gewisse Einregelzeit notwendig, oder es ergibt sich eine Phasenverschiebung. Dieser Einfluss wird daher vorzugsweise beim Verfahren, insbesondere bei der Ermittlung der Optimierungsgröße, berücksichtigt, beispielsweise mittels einer Wartezeit. Random values can also be used as a test value, in particular as a test value that varies over time. Distributions without high frequencies are preferably used here. The controllers (e.g. CCL & SCL) influence the influence of the test value on the reaction of the electric motor at the respective operating point. For example, a certain settling time is necessary, or there is a phase shift. This influence is therefore preferably taken into account in the method, in particular when determining the optimization variable, for example by means of a waiting time.
Neben der vorstehend beschriebenen schrittweisen Optimierung ist auch eine kontinuierlichen Optimierung des Sollwerts mittels des Verfahrens möglich. Vor zugsweise wird hierbei die Führungsgröße kontinuierlich variiert, so dass ein kon tinuierlicher Übergang zwischen zwei oder mehreren unterschiedlichen Betriebs punkten realisiert ist. Dabei wird zweckmäßigerweise die Korrelation zwischen der Führungsgröße und der Optimierungsgröße ermittelt und genutzt. Beispielsweise wird als Sollwert eine Korrelationsfunktion der Optimierungsgröße und der Reakti on des Elektromotors auf den Testwert verwendet, welche die Korrelation zwi schen der Änderung der Steuergröße und der Optimierungsgröße darstellt: iMTPAControi = ki / Optimierungsgröße sin(oot + a) dt + k2 sin(oot), wobei IMTPAControi die Führungsgröße, ki jOptimierungsgröße sin(oot + a) dt der Sollwert, und k2 sin(oot) der Testwert sind. k1 und k2 sind die Regel- oder Lernfak toren, t die Zeit, w die Testwertfrequenz, und a berücksichtigt den Phasenversatz aufgrund der Regelverzögerung. Ist die Frequenz w klein genug, so kann der Wert für a beispielsweise auf null gesetzt werden. Die Korrelationsfunktion ist somit im Wesentlichen das Integral aus dem was man bisher bei der Optimierung gelernt hat. Alternativ zu dem Integral kann auch ein Tiefpass verwendet werden. In addition to the step-by-step optimization described above, continuous optimization of the setpoint is also possible using the method. Preferably, the reference variable is continuously varied here, so that a continuous transition between two or more different operating points is implemented. In this case, the correlation between the reference variable and the optimization variable is expediently determined and used. For example, a correlation function of the optimization variable and the reaction of the electric motor to the test value is used as a target value, which represents the correlation between the change in the control variable and the optimization variable: iMTPAControl = ki / optimization variable sin(oot + a) dt + k2 sin(oot ), where IMTPAControli is the reference variable, ki joptimization variable sin(oot + a) dt is the target value, and k2 sin(oot) is the test value. k1 and k2 are the control or learning factors, t is the time, w is the test value frequency, and a takes into account the phase offset due to the control delay. If the frequency w is small enough, the value for a can be set to zero, for example. The correlation function is thus essentially the integral of what has been learned so far in the optimization. As an alternative to the integral, a low-pass filter can also be used.
Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Führungs größe zusätzlich zu der Direktkomponente auch den Quadraturstrom der Stromre gelung führt oder beeinflusst. Bei einer Veränderung der Direktkomponente regeln die weiteren Regler im System (z.B. die SCL) das System aus. Um dies zu be schleunigen kann die Führungsgröße optional auch die Regelung des Quadartur- Stroms beeinflussen. Es werden also sowohl die Direktkomponente als auch der Quadraturstrom mittels der Führungsgröße angepasst. Vorzugsweise ist der Wert so zu wählen, dass die Optimierungsgröße, zum Beispiel die Wurzel aus der Summe der Quadrate der Ist-Direktkomponente und des Ist-Quadraturstroms, un verändert bleibt. An additional or further aspect of the invention provides that the command variable also leads or influences the quadrature current of the current control in addition to the direct component. If the direct component changes, the other controllers in the system (e.g. the SCL) regulate the system. In order to accelerate this, the reference variable can optionally also control the quadrature affect electricity. So both the direct component and the quadrature current are adjusted using the command variable. The value should preferably be selected in such a way that the optimization variable, for example the square root of the sum of the squares of the actual direct component and the actual quadrature current, remains unchanged.
Besonders hervorzuheben sind feldorientierte Regelungen von Elektromotoren, deren Systeme keine SCL haben. Bei einer Veränderung der Direktkomponente bleibt hier die Amplitude des Motorstroms gleich. Die sich einstellende Geschwin digkeit kann hier als Optimierungsgröße verwendet werden (die ohmschen Verlus te bleiben konstant, aber die Drehzahl variiert). Particularly noteworthy are field-oriented controls of electric motors whose systems do not have SCL. If the direct component changes, the amplitude of the motor current remains the same. The resulting speed can be used here as an optimization parameter (the ohmic losses remain constant, but the speed varies).
Um die Einregelung zu beschleunigen kann die Führungsgröße auch zur Verände rung anderer Größen, insbesondere im Zuge einer Vorsteuerung, dienen. Bei spielsweise verändert die Führungsgröße die Direktkomponente. Über die Strom regler (CCL) verändert die Direktkomponente auch die der Direktkomponente zu geordnete Phasenspannung. Durch eine geeignete Vorsteuerung kann diese Ein regelung beschleunigt werden. Dies ist auch für andere Größen zum Beispiel für den Quadraturstrom und/oder dessen zugeordnete Phasenspannung möglich. In order to speed up adjustment, the reference variable can also be used to change other variables, particularly in the course of pre-control. For example, the reference variable changes the direct component. The direct component also changes the phase voltage assigned to the direct component via the current controller (CCL). This on-off control can be accelerated by suitable pilot control. This is also possible for other variables, for example for the quadrature current and/or its associated phase voltage.
Je nach Regelung (z. B. mit und ohne SCL) können unterschiedliche Optimie rungsgrößen verwendet werden. Beispielsweise wird als Optimierungsgröße ein Batteriestrom oder Zwischenkreisstrom der Motorelektronik verwendet. In einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens wird als Optimierungsgröße ein Motor strom, insbesondere ein Istwert für den Motorstrom verwendet. Neben den Istwer ten für dem Motorstrom können auch die Sollwerte als Optimierungsgröße ver wendet werden, um den Einfluss von Messrauschen reduzieren. Zweckmäßiger weise inklusive des verfahrensgemäß geregelten Sollwerts. Die Sollwerte weisen gefilterte Eigenschaften auf, da durch die Bestimmung der Sollwerte bereits eine gewisse Filterung oder Unterdrückung des Messrauschens bewirkt wird. Depending on the control (e.g. with and without SCL), different optimization variables can be used. For example, a battery current or an intermediate circuit current of the motor electronics is used as an optimization variable. In one possible embodiment of the method, a motor current, in particular an actual value for the motor current, is used as the optimization variable. In addition to the actual values for the motor current, the setpoints can also be used as an optimization parameter to reduce the influence of measurement noise. Expediently including the setpoint value regulated according to the procedure. The target values have filtered properties, since the determination of the target values already results in a certain filtering or suppression of the measurement noise.
Der erfindungsgemäße Elektromotor ist beispielsweise Teil eines (Stell-)Antriebs eines Kraftfahrzeugs. Der Elektromotor weist hierbei Motorelektronik mit einem Controller zur feldorientierten Regelung des Elektromotorbetriebs auf. Der Control ler weist hierbei eine Stromregelung und optional eine Drehmoment- oder Dreh zahlregelung auf. Der Controller weist weiterhin einen Optimalregler auf. Der Optimalregler ist hierbei allgemein - programm- und/oder schaltungstechnisch - zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfah rens eingerichtet. Der Optimalregler ist somit konkret dazu eingerichtet, den Elekt romotor abweichend von einem geschätzten MTPA-Betriebspunkt zu betreiben, und aufgrund der sich einstellenden Veränderung einen Rückschluss zuziehen, ob eine Annäherung oder Entfernung von dem tatsächlichen MTPA-Betriebspunkt vorliegt. The electric motor according to the invention is, for example, part of an (actuating) drive of a motor vehicle. The electric motor has in this case motor electronics with a Controller for field-oriented control of the electric motor operation. The controller here has a current control and optionally a torque or speed control. The controller also has an optimal regulator. In this case, the optimum controller is generally set up--in terms of program and/or circuitry--to carry out the method according to the invention described above. The optimal controller is thus specifically set up to operate the electric motor deviating from an estimated MTPA operating point and, based on the change that occurs, to draw a conclusion as to whether the actual MTPA operating point is approaching or moving away.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Optimalregler zumindest im Kern durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebil- det, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah rens in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren - gegebenenfalls in Interaktion mit einem Vorrichtungs nutzer - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch durchgeführt wird. Der Optimalregler kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch ein nicht-programmierbares elektronisches Bauteil, wie zum Bei spiel einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah rens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist. Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf den Elektromotor übertragbar und umgekehrt. In a preferred embodiment, the optimum controller is formed at least in its core by a microcontroller with a processor and a data memory, in which the functionality for carrying out the method according to the invention is implemented programmatically in the form of operating software (firmware), so that the method - if necessary in interaction with a device user - is carried out automatically when the operating software is executed in the microcontroller. Alternatively, within the scope of the invention, the optimum controller can also be formed by a non-programmable electronic component, such as an application-specific integrated circuit (ASIC), in which the functionality for carrying out the method according to the invention is implemented using circuitry means. The advantages and configurations given with regard to the method can also be transferred to the electric motor and vice versa.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist hierbei als ein Regelkonzept für die Strom regelung ausgeführt. Beispielsweise wird von dem Optimalregler zunächst ein Nullstrom (lMTPAControi=0 A) als Schätzung für den MTPA-Betriebspunkt ausgege ben. Dieser Nullstrom wird anfänglich als Führungsgröße zur Ansteuerung des Stromreglers der Direktkomponente zugeführt, und der Elektromotor in dem ge schätzten (ersten) Betriebspunkt betrieben. Anschließend erfasst und hinterlegt der Optimalregler eine erste Optimierungsgröße h, wobei als Optimierungsgröße h zum Beispiel die Wurzel aus der Summe der Quadrate der Ist-Direktkomponente Id und des Ist-Quadraturstroms Iq verwendet wird (h = V(ld2 + lq2)). Anschließend verändert der Optimalregler den Id-Sollwert an seinem Ausgang um den Testwert I Delta, beispielsweise indem der Id-Sollwert um einen Wert von 0,5 A erhöht wird. Anschließend erfolgt einer Wartezeit bis sich die Regler des Controllers eingere gelt haben. Hernach wird die zweite Optimierungsgröße I2 (I2 = V(ld2 + Iq2)) erfasst und hinterlegt. Abschließend wird die Führungsgröße beziehungsweise der Soll wert iMTPAControi in Abhängigkeit der Optimierungsgröße angepasst. Beispielsweise wird als neuer Sollwert eine mit einem Regelfaktor k gewertete Differenz der Op timierungsgrößen (Zielgrößendifferenz) verwendet: IMTPAControi = k (I2 — h). The method according to the invention is implemented as a control concept for current control. For example, the optimal controller first outputs a zero current (IMTPAControl=0 A) as an estimate for the MTPA operating point. This zero current is initially supplied as a reference variable for controlling the current controller of the direct component, and the electric motor is operated at the estimated (first) operating point. Then recorded and stored the optimal controller has a first optimization variable h, the root of the sum of the squares of the actual direct component Id and the actual quadrature current Iq (h=V(ld 2 +lq 2 )) being used as the optimization variable h, for example. The optimal controller then changes the Id setpoint at its output by the test value I Delta, for example by increasing the Id setpoint by a value of 0.5 A. Then there is a waiting period until the regulators of the controller have settled. The second optimization variable I2 (I2=V(ld 2 +Iq 2 )) is then recorded and stored. Finally, the reference variable or the target value iMTPAControl is adjusted depending on the optimization variable. For example, a difference in the optimization variables (target variable difference) weighted with a control factor k is used as the new target value: IMTPAControl=k(I2−h).
Hierbei kann eine variable Anpassung des Lern- oder Regelfaktors k vorteilhaft sein. So kann beispielsweise bei besonders geeigneten (z. B. statischen) Be- triebssituationen der Faktor höher gesetzt werden, als weniger bei geeigneten Be triebssituationen. A variable adjustment of the learning or control factor k can be advantageous here. For example, the factor can be set higher in particularly suitable (e.g. static) operating situations than less in suitable operating situations.
Auch kann ein Lernerfolg abhängig von den vergangenen Lernschritten beschleu nigt werden. Ist beispielsweise eine aktuelle Lernrichtung erkennbar (z.B. mehrere Lernschritte nacheinander in die gleiche Richtung), so kann der Lernfaktor erhöht werden. Anstelle einer Schrittweite, welche proportional zur Zielgrößendifferenz ist, kann auch eine nicht lineare Funktion verwendet werden, beispielsweise das Produkt aus k und einem Vorzeichenfaktor sowie der Differenz der Optimierungs größen. A learning success can also be accelerated depending on the past learning steps. If, for example, a current learning direction is recognizable (e.g. several learning steps in succession in the same direction), the learning factor can be increased. Instead of an increment that is proportional to the target variable difference, a non-linear function can also be used, for example the product of k and a sign factor and the difference in the optimization variables.
Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht eine Software auf einem Medium oder Datenträger zur Durchführung oder Ausführung des vorstehend be schriebenen Verfahrens vor, wenn die Software auf einem Computer abläuft. Da bei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren und/oder dem Elektromotor sinngemäß auch für die Software und umgekehrt. Unter einem Computer ist hierbei ein Gerät zu verstehen, welches mittels pro grammierbarer Rechenvorschriften Daten verarbeitet. Der Computer ist beispiels weise ein Rechner, Controller, oder Mikrocontroller. Die Software ist auf einem Datenträger hinterlegt, und zur Ausführung des vorste hend beschriebenen Verfahrens vorgesehen, sowie dafür geeignet und ausgestal tet ist. Dadurch ist eine besonders geeignete Software für den Betrieb eines Elekt romotors realisiert, mit welcher die Funktionalität zur Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens programmtechnisch implementiert wird. Die Software ist somit insbesondere eine Betriebssoftware (Firmware), wobei der Datenträger beispielsweise ein Datenspeicher des Controllers ist. An additional or further aspect of the invention provides software on a medium or data carrier for carrying out or executing the method described above when the software runs on a computer. Since the explanations in connection with the method and / or the electric motor also apply to the software and vice versa. A computer is to be understood here as a device which processes data using programmable calculation rules. The computer is, for example, a calculator, controller, or microcontroller. The software is stored on a data medium and is intended to carry out the method described above and is suitable and designed for this. This results in particularly suitable software for operating an electric motor, with which the functionality for carrying out the method according to the invention is implemented in the form of a program. The software is thus, in particular, operating software (firmware), with the data medium being, for example, a data memory of the controller.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischen und vereinfachten Darstellungen: An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to a drawing. It shows in schematic and simplified representations:
Fig. 1 eine elektrische Maschine mit einer Stromquelle und mit einem Elektromo tor sowie mit einem dazwischen verschalteten Stromrichter, 1 shows an electrical machine with a power source and with an electric motor and with a power converter connected in between,
Fig. 2 drei Phasenwicklungen eines dreiphasigen Elektromotors der Maschine in Sternschaltung, 2 three phase windings of a three-phase electric motor of the machine in star connection,
Fig. 3 ein Brückenmodul einer Brückenschaltung des Stromrichters zur An steuerung einer Phasenwicklung des Elektromotors, 3 shows a bridge module of a bridge circuit of the power converter for controlling a phase winding of the electric motor,
Fig. 5 eine feldorientierte Regelung des Elektromotors, 5 a field-oriented regulation of the electric motor,
Fig. 6 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur feldorientier ten Regelung eines Elektromotors, und 6 shows a flowchart of a method according to the invention for field-oriented control of an electric motor, and
Fig. 7 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer zweiten Ausführungsform. 7 shows a flowchart of the method according to the invention in a second embodiment.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den glei chen Bezugszeichen versehen. Corresponding parts and sizes are always provided with the same reference numbers in all figures.
Die Fig. 1 zeigt eine elektrische Maschine 2 für ein elektromotorisches Verstell system eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs, beispielsweise ein Fens terheber oder eine Sitzverstellung. Die Maschine 2 umfasst hierzu einen dreipha- sigen Elektromotor 4, welcher mittels eines Stromrichters 6 an eine Stromquelle (Spannungsversorgung) 8 angeschlossen ist. Die Stromquelle 8 umfasst in die sem Ausführungsbeispiel einen fahrzeuginternen Energiespeicher 10, beispiels weise in Form einer (Kraftfahrzeug-)Batterie, sowie einen damit verbundenen (Gleichspannungs-)Zwischenkreis 12, welcher sich zumindest teilweise in den Stromrichter 6 erstreckt. Fig. 1 shows an electric machine 2 for an electric motor adjustment system of a motor vehicle, not shown, such as a window terheber or a seat adjustment. For this purpose, the machine 2 comprises a three-phase Signed electric motor 4, which is connected to a power source (voltage supply) 8 by means of a converter 6. In this exemplary embodiment, the power source 8 comprises a vehicle-internal energy store 10, for example in the form of a (vehicle) battery, and a (DC) intermediate circuit 12 connected thereto, which extends at least partially into the power converter 6.
Der Zwischenkreis 12 ist im Wesentlichen durch eine Hinleitung 12a und eine Rückleitung 12b gebildet, mittels welchen der Stromrichter 6 an den Energiespei- eher 10 angeschlossen ist. Die Leitungen 12a und 12b sind zumindest teilweise in den Stromrichter 6 geführt, in welchen zwischen diesen ein Zwischenkreiskonden sator 14 sowie eine Brückenschaltung 16 verschaltet sind. The intermediate circuit 12 is essentially formed by a forward line 12a and a return line 12b, by means of which the power converter 6 is connected to the energy storage device 10. The lines 12a and 12b are at least partially routed into the power converter 6, in which an intermediate circuit capacitor 14 and a bridge circuit 16 are connected between them.
Im Betrieb der Maschine 2 wird ein der Brückenschaltung 16 zugeführter Ein- gangsstrom IE in einen dreiphasigen Ausgangsstrom (Motorstrom, Drehstrom) IU, IV, IW für die drei Phasen U, V, W des Elektromotors 4 gewandelt. Die nachfol gend auch als Phasenströme bezeichneten Ausgangsströme IU, IV, IW werden an die entsprechenden Phasen(-wicklungen) U, V, W (Fig. 2) eines nicht näher dar gestellten Stators geführt. When the machine 2 is in operation, an input current IE supplied to the bridge circuit 16 is converted into a three-phase output current (motor current, three-phase current) IU, IV, IW for the three phases U, V, W of the electric motor 4 . The output currents IU, IV, IW, also referred to below as phase currents, are fed to the corresponding phases (windings) U, V, W (FIG. 2) of a stator, which is not detailed.
In der Fig. 2 ist eine Sternschaltung 18 der drei Phasenwicklungen U, V, W darge stellt. Die Phasenwicklungen U, V und W sind mit jeweils einem (Phasen-)Ende 22, 24, 26 an ein jeweiliges Brückenmodul 20 (Fig. 3) der Brückenschaltung 16 geführt, und mit dem jeweils gegenüberliegenden Ende in einem Sternpunkt 28 als gemeinsamen Verbindungsanschluss miteinander verschaltet. In der Darstellung der Fig. 2 sind die Phasenwicklungen U, V und W jeweils mittels eines Ersatz schaltbildes in Form einer Induktivität 30 und eines ohmschen Widerstandes 32 sowie einem jeweiligen Spannungsabfall 34, 36, 38 gezeigt. Die jeweils über die Phasenwicklung U, V, W abfallende Spannung 34, 36, 38 ist schematisch durch Pfeile repräsentiert und ergibt sich aus der Summe der Spannungsabfälle über der Induktivität 30 und dem ohmschen Widerstand 32 sowie der induzierten Spannung 40. Die durch eine Bewegung eines Rotors des Elektromotors 4 induzierte Span- nung 40 (elektromagnetische Kraft, EMK, EMF) ist in der Fig. 2 anhand eines Kreises dargestellt. 2 shows a star connection 18 of the three phase windings U, V, W. The phase windings U, V and W are each led with one (phase) end 22, 24, 26 to a respective bridge module 20 (Fig. 3) of the bridge circuit 16, and with the respective opposite end in a star point 28 as a common connection terminal with one another interconnected. In the illustration of FIG. 2, the phase windings U, V and W are shown in each case by means of an equivalent circuit diagram in the form of an inductance 30 and an ohmic resistor 32 and a respective voltage drop 34, 36, 38. The respectively across the phase winding U, V, W dropping voltage 34, 36, 38 is represented schematically by arrows and results from the sum of the voltage drops across the inductance 30 and the ohmic resistance 32 and the induced voltage 40. The movement of a rotor of the electric motor 4 induced voltage Voltage 40 (electromagnetic force, EMF, EMF) is shown in Fig. 2 by means of a circle.
Die Ansteuerung der Sternschaltung 18 erfolgt mittels der Brückenschaltung 16. Die Brückenschaltung 16 ist mit den Brückenmodulen 20 insbesondere als eine B6-Schaltung ausgeführt. In dieser Ausgestaltungsform wird im Betrieb an jede der Phasenwicklungen U, V, W in hoher Schaltfrequenz getaktet zwischen einem hohen (Gleich-)Spannungsniveau der Zuleitung 12a und einem niedrigen Span nungsniveau der Rückleitung 12b umgeschaltet. Das hohe Spannungsniveau ist hierbei insbesondere eine Zwischenkreisspannung UZK des Zwischenkreises 12, wobei das niedrige Spannungsniveau vorzugsweise ein Erdpotential UG ist. Diese getaktete Ansteuerung ist als eine - in Fig. 1 mittels Pfeilen dargestellte - PWM- Ansteuerung durch einen Controller 42 ausgeführt, mit welcher eine Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl, der Leistung sowie der Drehrichtung des Elekt romotors 4 möglich ist. The star circuit 18 is controlled by means of the bridge circuit 16. The bridge circuit 16 is designed with the bridge modules 20 in particular as a B6 circuit. In this embodiment, during operation each of the phase windings U, V, W is clocked at a high switching frequency between a high (DC) voltage level of the supply line 12a and a low voltage level of the return line 12b. In this case, the high voltage level is in particular an intermediate circuit voltage UZK of the intermediate circuit 12, the low voltage level preferably being a ground potential UG. This clocked control is as a - performed PWM control by a controller 42, with which a control and / or regulation of the speed, the power and the direction of rotation of the elec romotors 4 - shown in Fig. 1 by arrows.
Die Brückenmodule 20 umfassen jeweils zwei Halbleiterschalter 44 und 46, wel che in der Fig. 2 lediglich schematisch und beispielhaft für die Phase W dargestellt sind. Das Brückenmodul 20 ist einerseits mit einem Potentialanschluss 48 an die Zuleitung 12a und somit an die Zwischenkreisspannung UZK angeschlossen. An dererseits ist das Brückenmodul 20 mit einem zweiten Potentialanschluss 50 an die Rückleitung 12b und somit an das Erdpotential UG kontaktiert. Über die Halb leiterschalter 44, 46 ist das jeweilige Phasenende 22, 24, 26 der Phase U, V, W entweder mit der Zwischenkreisspannung UZK oder mit dem Erdpotential UG ver bindbar. Wird der Halbleiterschalter 44 geschlossen (leitend) und der Halbleiter schalter 46 geöffnet (nichtleitend, sperrend), so ist das Phasenende 22, 24, 26 mit dem Potential der Zwischenkreisspannung UZK verbunden. Entsprechend ist bei einem Öffnen des Halbleiterschalters 44 und einem Schließen des Halbleiterschal ters 46 die Phase U, V, W mit dem Erdpotential UG kontaktiert. Dadurch ist es mittels der PWM-Ansteuerung möglich, jede Phasenwicklung U, V, W mit zwei unterschiedlichen Spannungsniveaus zu beaufschlagen. In der Fig. 3 ist ein einzelnes Brückenmodul 20 vereinfacht dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Halbleiterschalter 44 und 46 als MOSFETs (metal- oxide semiconductor field-effect transistor) realisiert, die jeweils mittels der PWM- Ansteuerung zwischen einem durchgeschalteten Zustand auf und einem sperren den Zustand getaktet umschalten. Hierzu sind die jeweiligen Gateanschlüsse an entsprechende Steuerspannungseingänge 52, 54 geführt, mittels welcher die Sig nale der PWM-Ansteuerung des Controllers 42 übertragen werden. The bridge modules 20 each include two semiconductor switches 44 and 46, which are shown in FIG. 2 only schematically and as an example for the W phase. The bridge module 20 is connected on the one hand with a potential connection 48 to the supply line 12a and thus to the intermediate circuit voltage UZK. On the other hand, the bridge module 20 is contacted with a second potential connection 50 to the return line 12b and thus to the ground potential UG. About the semiconductor switches 44, 46, the respective phase end 22, 24, 26 of the phase U, V, W ver bindable either with the intermediate circuit voltage UZK or with the ground potential UG. If the semiconductor switch 44 is closed (conductive) and the semiconductor switch 46 is opened (nonconductive, blocking), then the phase end 22, 24, 26 is connected to the potential of the intermediate circuit voltage UZK. Correspondingly, when the semiconductor switch 44 is opened and the semiconductor switch 46 is closed, the phase U, V, W is in contact with the ground potential UG. This makes it possible to apply two different voltage levels to each phase winding U, V, W using PWM control. A single bridge module 20 is shown in simplified form in FIG. 3 . In this exemplary embodiment, the semiconductor switches 44 and 46 are in the form of MOSFETs (metal-oxide semiconductor field-effect transistors), which switch between a switched-on state and a switched-off state in clocked fashion by means of PWM control. For this purpose, the respective gate connections are routed to corresponding control voltage inputs 52, 54, by means of which the signals of the PWM control of the controller 42 are transmitted.
Die Fig. 4 zeigt ein Ersatzschaltbild für die Stromquelle 8. Im Betrieb erzeugt der Energiespeicher 10 eine Batteriespannung UBat sowie einen entsprechenden Bat teriestrom Ißat zum Betrieb des Stromrichters 6. In der Fig. 4 ist der Innenwider stand des Energiespeichers 10 als ein ohmscher Widerstand 56 und eine Eigenin duktivität des Energiespeichers 10 als eine Induktivität 58 dargestellt. In der Rück leitung 12b ist ein Shuntwiderstand 60 geschaltet, an welchem die Zwischenkreis spannung UZK abfällt. 4 shows an equivalent circuit diagram for the current source 8. During operation, the energy store 10 generates a battery voltage UBat and a corresponding battery current Ißat for operating the converter 6. In FIG. 4, the internal resistance of the energy store 10 is shown as an ohmic resistor 56 and an intrinsic inductance of the energy store 10 is shown as an inductance 58 . A shunt resistor 60 is connected in the return line 12b, across which the intermediate circuit voltage UZK drops.
Abhängig von den Schaltzuständen der (Leistungs-)Halbleiterschalter 44, 46 fließt der Phasenstrom lu, Iv, Iw über den Shuntwiderstand 60. Der Spannungsabfall über dem Shuntwiderstand 60 wird verstärkt und ausgewertet. Mit Messungen und dem Kenntnisstand der Schaltzustände der Halbleiterschalter 44, 46 werden die Phasenströme lu, Iv, Iw von dem Controller 42 rekonstruiert. Es können auch an dere Messmethoden zur Ermittlung der Motorströme verwendet werden (z. B. di rekte Phasenstrommessung). Zusammen mit den gemessenen und/oder berech neten Phasenspannungen (Uu, Uv, Uw) stehen dem Controller 42 die Phasen spannungen (Uu, Uv, Uw) und die Phasenströme lu, Iv, Iw zur Verfügung. Depending on the switching states of the (power) semiconductor switches 44, 46, the phase current Iu, Iv, Iw flows through the shunt resistor 60. The voltage drop across the shunt resistor 60 is amplified and evaluated. The phase currents Iu, Iv, Iw are reconstructed by the controller 42 using measurements and the state of knowledge of the switching states of the semiconductor switches 44, 46. Other measurement methods can also be used to determine the motor currents (e.g. direct phase current measurement). Together with the measured and/or calculated phase voltages (Uu, Uv, Uw), the phase voltages (Uu, Uv, Uw) and the phase currents Iu, Iv, Iw are available to the controller 42 .
Der Controller 42 ist zur feldorientierten Regelung (FOC) des Elektromotors 2 vor gesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet. Hierzu werden die (Ist- )Phasenströme lu, Iv, Iw mittels einer Park- oder d/q-Transformation in ein d/q- Referenzsystem transformiert. Hierbei werden die drei Phasenströme lu, Iv, Iw in zwei orthogonale Komponenten transformiert, welche nachfolgend als Direktkom ponente Id und als Quadraturstrom lq bezeichnet sind. Der Controller 42 weist hierbei - wie insbesondere in der Fig. 5 ersichtlich - einen FOC-Regler 62 mit einer Stromregelung 64 auf. Die Stromregelung 64 weist zwei Regler 66, 68 auf; wobei der Regler 66 für die Direktkomponente Id und der Regler 68 für den Quadraturstrom lq vorgesehen ist. Die Ausgänge der beiden Regler 66, 68 stellen einen Spannungsraumvektor mit den Komponente Ud und Uq dar. Spie gelbildlich zur Transformation, die an den Motorströmen durchgeführt wird, werden diese statischen Signale durch eine Reihe von Referenzsystemtransformationen verarbeitet, um Spannungssteuersignale 70 für die PWM-Ansteuerung zu erzeu gen. The controller 42 is provided for field-oriented control (FOC) of the electric motor 2 and is suitable and set up for this. For this purpose, the (actual) phase currents Iu, Iv, Iw are transformed into a d/q reference system by means of a Park or d/q transformation. In this case, the three phase currents Iu, Iv, Iw are transformed into two orthogonal components, which are referred to below as the direct component Id and as the quadrature current Iq . In this case, the controller 42 has--as can be seen in particular in FIG. The current control 64 has two controllers 66, 68; the controller 66 being provided for the direct component Id and the controller 68 for the quadrature current I q . The outputs of the two controllers 66, 68 represent a voltage space vector with components Ud and Uq . Mirroring the transformation performed on the motor currents, these static signals are processed through a series of reference system transformations to generate voltage control signals 70 for the PWM to generate control.
Die Stromregelung 64 weist hierbei im Wesentlichen vier Abschnitte 72, 74, 76, 78 auf. Die Abschnitte 72 und 74 sind hierbei für die Regelung des Quadratur stroms lq, und die Abschnitte 76 und 78 für die Regelung der Direktkomponente Id ausgebildet. In den Abschnitten 72 und 76 werden hierbei die Sollwerte bestimmt, anhand welcher in den Abschnitten 74 und 78 eine Regeldifferenz für die Regler 66, 68 erzeugt wird. In this case, the current control 64 essentially has four sections 72 , 74 , 76 , 78 . Sections 72 and 74 are designed to regulate the quadrature current I q , and sections 76 and 78 to regulate the direct component Id. The setpoint values are determined in sections 72 and 76, on the basis of which a control difference for controllers 66, 68 is generated in sections 74 and 78.
In dem Abschnitt 72 wird der FOC-Sollwert für den Quadraturstrom lq bestimmt. Flierzu ist ein Geschwindigkeitsregler 80 vorgesehen. Der Geschwindigkeitsregler 80 ist beispielsweise als ein Drehzahl- oder Drehmomentregler ausgebildet. Dem Geschwindigkeitsregler 80 wird eine gewünschte oder eingestellte Soll- Geschwindigkeit SetSpeed und eine aktuelle Ist-Geschwindigkeit Speed zuge führt. Der Geschwindigkeitsregler 80 erzeugt anhand der Geschwindigkeitssignale einen Sollwert lq-Set als Führungsgröße für die Regelung des Quadraturstroms lq. In section 72, the FOC reference value for the quadrature current I q is determined. A speed controller 80 is provided for this purpose. The speed controller 80 is designed, for example, as a speed or torque controller. A desired or set target speed SetSpeed and a current actual speed Speed are supplied to the speed controller 80 . The speed controller 80 uses the speed signals to generate a desired value I qS et as a reference variable for controlling the quadrature current I q .
Der Abschnitt 74 weist den Regler 68 auf. In dem Abschnitt 74 wird eine Regeldif ferenz lq_Error anhand des aktuellen Ist-Werts des Quadraturstroms lq und des Sollwerts lq-Set bestimmt, und dem Regler 68 als Eingangssignal zugeführt. Der Regler 68 erzeugt hieraus die Quadraturspannung Uq als Stellgröße. Section 74 includes controller 68 . In section 74, a control difference l q _Error is determined based on the current actual value of the quadrature current l q and the desired value l qS et , and supplied to the controller 68 as an input signal. From this, the controller 68 generates the quadrature voltage U q as a manipulated variable.
Die Abschnitte 76 und 78 weisen einen Optimalregler 82 zur Ermittlung und gege benenfalls Korrektur des MTPA-Betriebspunkts während der Laufzeit auf. Der Op- timalregler 82 ist dazu vorgesehen und eingerichtet ein erfindungsgemäßes Ver fahren durchzuführen. Sections 76 and 78 have an optimal controller 82 for determining and, if necessary, correcting the MTPA operating point during the runtime. the op Timing controller 82 is provided and set up to carry out a method according to the invention.
Dem Optimalregler 82 werden hierbei die aktuellen Ist-Werte des Quadraturstroms lq und der Direktkomponente Id zugeführt. Der Optimalregler 82 bestimmt hieraus eine Optimierungsgröße, anhand welcher eine Führungsgröße iMTPAControi als Aus gangssignal erzeugt wird. In dem Abschnitt 78 wird eine Regeldifferenz ld_Error an hand des aktuellen Ist-Werts der Direktkomponente Id und der vom Optimalregler 82 erzeugten Führungsgröße IMTPAControi bestimmt, und dem Regler 66 als Ein- gangssignal zugeführt. Der Regler 66 erzeugt hieraus die Gleichspannungskom ponente Ud als Stellgröße. In this case, the current actual values of the quadrature current I q and the direct component I d are supplied to the optimal controller 82 . From this, the optimum controller 82 determines an optimization variable, which is used to generate a reference variable iMTPAControl as an output signal. In section 78, a control difference ld_Error is determined using the current actual value of the direct component Id and the reference variable IMTPAControl generated by the optimal controller 82, and is supplied to the controller 66 as an input signal. From this, the controller 66 generates the DC voltage component Ud as a manipulated variable.
Der Optimalregler 82 weist beispielsweise eine Sollwerteinheit 84 und eine Steu ereinheit 86 auf. Die Sollwerteinheit 84 ist hierbei beispielsweise dem Abschnitt 76 und die Steuereinheit 86 dem Abschnitt 78 zugeordnet. Die Sollwerteinheit 84 er zeugt einen Sollwert ld_set, wobei die Steuereinheit 86 einen Testwert taeita erzeugt. Der Steuereinheit 86 werden hierbei die aktuellen Ist-Werte des Quadraturstroms lq und der Direktkomponente Id zugeführt. Der Sollwert ld_set und der Testwert eita werden zu der Führungsgröße IMTPAControi kombiniert. The optimal controller 82 has, for example, a setpoint unit 84 and a control unit 86 . In this case, setpoint unit 84 is assigned to section 76 and control unit 86 to section 78 , for example. The setpoint unit 84 generates a setpoint ld_set, with the control unit 86 generating a test value taeita. In this case, the control unit 86 is supplied with the current actual values of the quadrature current Iq and the direct component Id. The set value ld_set and the test value eita are combined to form the command variable IMTPAControl.
Das von dem Optimalregler 82 durchgeführte Verfahren ist nachfolgend anhand der Figur 6 näher erläutert. The method carried out by the optimal controller 82 is explained in more detail below with reference to FIG.
Das Verfahren wird in einem Verfahrensschritt 88 gestartet und in einem nicht nä her gezeigten Verfahrensschritt beendet. The method is started in a method step 88 and ended in a method step not shown in detail.
In einem ersten Verfahrensschritt 90 wird von dem Optimalregler 82 zunächst ein Nullstrom als Führungsgröße (lMTPAControi=0 A) ausgegeben, welche als anfängliche Schätzung für den MTPA-Betriebspunkt dient. Dieser Nullstrom ist insbesondere durch einen Sollwert ld_set von 0 A und durch einen Testwert eita von 0 A realisiert. Dieser Nullstrom wird anfänglich als Führungsgröße IMTPAControi für die Bestimmung der Regelabweichung ld_Error verwendet. Dadurch regelt der Regler 66 zunächst auf den geschätzten MTPA-Betriebspunkt, wodurch der Elektromotor 4 bezie hungsweise die Maschine 2 in diesem (ersten) Betriebspunkt betrieben wird. In a first method step 90, the optimal controller 82 first outputs a zero current as a command variable (IMTPAControl=0 A), which is used as an initial estimate for the MTPA operating point. This zero current is realized in particular by a setpoint value ld_set of 0 A and by a test value eita of 0 A. This zero-sequence current is initially used as the reference variable IMTPAControl for determining the control deviation ld_Error. As a result, the controller 66 regulates initially to the estimated MTPA operating point, as a result of which the electric motor 4 or the machine 2 is operated at this (first) operating point.
Nachdem sich der Elektromotor 4 beziehungsweise die Maschine 2 eingeregelt hat, wird in einem zweiten Verfahrensschritt 92 die Reaktion des Elektromotors 4 beziehungsweise der Maschine 2 auf diesen Betriebspunkt mit einer ersten Opti mierungsgröße h erfasst. Die Optimierungsgröße h wird hierbei von dem Optimal regler 82 beziehungsweise der Steuereinheit 86 anhand der Ist-Werte des Quad raturstroms lq und der Direktkomponente Id bestimmt. Beispielsweise wird als Op- timierungsgröße h die Wurzel aus der Summe der Quadrate der Ist-After the electric motor 4 or the machine 2 has adjusted itself, in a second method step 92 the reaction of the electric motor 4 or the machine 2 to this operating point is recorded with a first optimization variable h. In this case, the optimization variable h is determined by the optimal controller 82 or the control unit 86 on the basis of the actual values of the quadrature current I q and the direct component I d . For example, the square root of the sum of the squares of the actual
Direktkomponente Id und des Ist-Quadraturstroms lq verwendet: h = V(ld + lq). Die Optimierungsgröße h wird in einem Speicher des Optimalreglers 82 hinterlegt. Direct component Id and the actual quadrature current l q used: h = V (ld + l q ). The optimization variable h is stored in a memory of the optimal controller 82 .
In einem dritten Verfahrensschritt 94 wird eine (zweite) Führungsgröße IMTRAOOPOOI erzeugt, welche sich von der Führungsgröße iMTPAControi des Verfahrensschritts 90 unterscheidet. Durch die veränderte Führungsgröße IMTPAControi wird in der Folge die Regelabweichung ld_Error verändert, so dass der Regler 66 auf einen neuen (zweiten) Betriebspunkt regelt. Flierzu verändert der Optimalregler 82 den Sollwert ld_set um einen Testwert eita, welcher ungleich 0 A ist. Beispielsweise weist der Testwert eita hierbei einen Stromwert von 0,5 A auf, so dass der Sollwert ld_set - und somit die Führungsgröße IMTPAControi - um einen Wert von 0,5 A erhöht wird. In a third method step 94, a (second) reference variable IMTRAOO P OOI is generated, which differs from the reference variable iMTPAControl of method step 90. As a result of the changed command variable IMTPAControi, the control deviation ld_Error is changed, so that the controller 66 regulates to a new (second) operating point. For this purpose, the optimal controller 82 changes the setpoint value ld_set by a test value eita, which is not equal to 0A. For example, the test value eita has a current value of 0.5 A here, so that the setpoint ld_set—and thus the command variable IMTPAControl—is increased by a value of 0.5 A.
Nachdem sich der Elektromotor 4 beziehungsweise die Maschine 2 auf den neuen Betriebspunkt eingeregelt hat, wird die Reaktion des Elektromotors 4 beziehungs- weise der Maschine 2 auf diesen zweiten Betriebspunkt mit einer zweiten Optimie rungsgröße I2 im Verfahrensschritt 96 erfasst. Die Optimierungsgröße I2 wird ana log zu der Optimierungsgröße h aus den aktuellen Ist-Werten des Quadratur stroms lq und der Direktkomponente Id bestimmt. Beispielsweise wird als Optimie rungsgröße I2 die Wurzel aus der Summe der Quadrate der Ist-Direktkomponente Id und des Ist-Quadraturstroms lq verwendet: I2 = V(ld + lq). After the electric motor 4 or the machine 2 has adjusted to the new operating point, the reaction of the electric motor 4 or the machine 2 to this second operating point is recorded in method step 96 with a second optimization variable I2. The optimization variable I2 is determined analogously to the optimization variable h from the current actual values of the quadrature current I q and the direct component Id. For example, the square root of the sum of the squares of the actual direct component Id and the actual quadrature current l q is used as the optimization variable I2: I2=V(ld+l q ).
In einem Verfahrensschritt 98 werden die Optimierungsgrößen h und I2 ausgewer tet. Hierzu wird beispielsweise ein Vergleich durchgeführt. Weist die erste Optimie- rungsgröße h einen besseren Motorbetrieb, also einen Motorbetrieb mit höheren Wirkungsgrad auf, so werden die Verfahrensschritte 90 bis 98 wiederholt, wobei das Vorzeichen des Testwerts eita im Verfahrensschritt 94 geändert wird. Wenn der zweite Betriebspunkt den höheren Wirkungsgrad aufweist, also die zweite Optimierungsgröße I2 einen besseren Motorbetrieb aufweist, so wird der Sollwert ld_set in einem Verfahrensschritt 100 angepasst, dies bedeutet, dass bei der folgenden Durchführung der Verfahrensschritte 90 bis 98 kein Nullstrom für den Sollwert ld_set verwendet wird. Der Sollwert ld_set wird somit sukzessive oder iterativ an den tatsächlichen MTPA-Betriebspunkt angenähert. Beispielsweise wird als neuer Sollwert ld_set eine mit einem Regelfaktor k gewertete Differenz der Op timierungsgrößen (Zielgrößendifferenz) verwendet: ld_set = k (I2 — h). In a method step 98, the optimization variables h and I2 are evaluated. A comparison is carried out for this purpose, for example. Assigns the first opti- If variable h results in better engine operation, ie engine operation with higher efficiency, method steps 90 to 98 are repeated, with the sign of test value eita being changed in method step 94. If the second operating point has the higher efficiency, i.e. the second optimization variable I2 has better engine operation, the setpoint ld_set is adjusted in a method step 100, which means that no zero current is used for the setpoint ld_set when method steps 90 to 98 are subsequently carried out becomes. The target value ld_set is thus successively or iteratively approximated to the actual MTPA operating point. For example, a difference between the optimization variables (target variable difference) weighted with a control factor k is used as the new setpoint value ld_set: ld_set=k(I2−h).
Die Fig. 7 zeigt eine alternative Ausführungsform des Verfahrens. Hierbei wird in dem ersten Verfahrensschritt 90' ein Testwert beita ungleich 0 A auf den Sollwert ld_set addiert. Dies bedeutet, dass die Führungsgröße iMTPAControi mit einem Test wert I Delta in eine Richtung aufweist. Entsprechend wird in dem dritten Verfahrens schritt 94' der Testwert eita von dem Sollwert ld_set subtrahiert, also eine Füh rungsgröße IMTPAControi mit einem Testwert beita in die andere (gegensätzliche) Richtung verwendet. 7 shows an alternative embodiment of the method. In this case, in the first method step 90', a test value beita not equal to 0 A is added to the desired value ld_set. This means that the command variable iMTPAControl has a test value I delta in one direction. Correspondingly, in the third method step 94', the test value eita is subtracted from the target value ld_set, ie a command variable IMTPAControl with a test value beita is used in the other (opposite) direction.
Wenn der Betriebspunkt des Verfahrensschritts 94' den höheren Wirkungsgrad aufweist, also die zweite Optimierungsgröße I2 einen besseren Motorbetrieb auf weist, so wird der Sollwert ld_set in einem Verfahrensschritt 100a angepasst. Wenn der Betriebspunkt des Verfahrensschritts 90' den höheren Wirkungsgrad aufweist, also die erste Optimierungsgröße h einen besseren Motorbetrieb aufweist, so wird der Sollwert ld_set in einem Verfahrensschritt 100b angepasst. If the operating point of method step 94' has the higher efficiency, that is to say the second optimization variable I2 has better engine operation, then the setpoint value ld_set is adjusted in a method step 100a. If the operating point of method step 90' has the higher efficiency, that is to say the first optimization variable h has better engine operation, then the setpoint value ld_set is adjusted in a method step 100b.
Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausfüh- rungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbe sondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungs- beispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. So ist es beispielsweise denkbar, dass die Führungsgröße iMTPAControi zusätzlich zu der Direktkomponente Id auch den Quadraturstrom lq führt oder beeinflusst. Um die Einregelung zu beschleunigen kann die Führungsgröße IMTPAControi auch zur Veränderung anderer Größen, insbesondere im Zuge einer Vorsteuerung, dienen. Je nach Regelung (z. B. mit und ohne Geschwindigkeitsregler 80) können unter schiedliche Optimierungsgrößen verwendet werden. Beispielsweise wird als Op timierungsgröße der Batteriestrom Ißat verwendet. Neben den Istwerten für dem Motorstrom können auch die Sollwerte ld_set, lq-Setals Optimierungsgröße oder als Grundlage zur Bestimmung der Optimierungsgröße verwendet werden. The claimed invention is not limited to the exemplary embodiments described above. Rather, other variants of the invention can also be derived from this by the person skilled in the art within the scope of the disclosed claims without departing from the subject matter of the claimed invention. In particular, all in connection with the various execution The individual features described in the examples can also be combined in other ways within the scope of the disclosed claims, without departing from the subject matter of the claimed invention. For example, it is conceivable that the command variable iMTPAControl also leads or influences the quadrature current I q in addition to the direct component I d . In order to accelerate adjustment, the reference variable IMTPAControl can also be used to change other variables, particularly in the course of a pre-control. Depending on the control (e.g. with and without speed controller 80), different optimization variables can be used. For example, the battery current Ißat is used as an optimization variable. In addition to the actual values for the motor current, the setpoints ld_set, lq -set can also be used as an optimization variable or as a basis for determining the optimization variable.
Bezugszeichenliste Reference List
2 Maschine 2 machine
4 Elektromotor4 electric motor
Stromrichter power converter
8 Stromquelle 10 Energiespeicher 12 Zwischenkreis 12a Hinleitung 12b Rückleitung 8 power source 10 energy store 12 intermediate circuit 12a outgoing line 12b return line
14 Zwischenkreiskondensator14 intermediate circuit capacitor
16 Brückenschaltung 16 bridge circuit
18 Sternschaltung 18 star connection
20 Brückenmodul 22, 24, 26 Phasenende 20 bridge module 22, 24, 26 end of phase
28 Sternpunkt 30 Induktivität 32 Widerstand 28 star point 30 inductance 32 resistance
34, 36, 38 Spannungsabfall 40 Spannung 34, 36, 38 voltage drop 40 voltage
42 Controller 42 controllers
44, 46 Halbleiterschalter 48, 50 Potentialanschluss 52, 54 Steuerspannungseingang 56 Widerstand 44, 46 semiconductor switches 48, 50 potential connection 52, 54 control voltage input 56 resistance
58 Induktivität 58 inductance
60 Shuntwiderstand 60 shunt resistance
62 feldorientierte Regelung62 field-oriented control
64 Stromregelung 66, 68 Regler 64 current control 66, 68 controller
70 Spannungssteuersignal70 voltage control signal
72, 74, 76, 78 Abschnitt 80 Geschwindigkeitsregler 82 Optimalregler 72, 74, 76, 78 section 80 speed controller 82 optimal controller
84 Sollwerteinheit 84 Reference Unit
86 Steuereinheit 86 control unit
88...100 Verfahrensschritt 90‘, 94' Verfahrensschritt 88...100 method step 90', 94' method step
100a, 100b Verfahrensschritt 100a, 100b method step
U, V, W Phase/Phasenwicklung lu, Iv, Iw Phasenstrom/Ausgangsstrom IE Eingangsstrom UZK Zwischenkreisspannung UG Erdpotential U, V, W phase/phase winding lu, Iv, Iw phase current/output current IE input current UZK intermediate circuit voltage UG earth potential
I Bat Batteriestrom Ußat Batteriespannung Id Direktkomponente lq Quadraturstrom I Bat battery current Ußat battery voltage Id direct component lq quadrature current
SetSpeed Soll-GeschwindigkeitSetSpeed Target speed
Speed Ist-Geschwindigkeit lq_set Sollwert lq_Error Regelabweichung Speed Actual speed lq_set Target value lq_Error Control deviation
Uq Quadraturspannung ld_set Sollwert iMTPAControl Führungsgröße ld_Error Regelabweichung Uq quadrature voltage ld_set setpoint iMTPAControl reference variable ld_Error control deviation
Ud GleichspannungskomponenteUd DC component
Ii, I2 Optimierungsgröße Ii, I2 optimization size

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zur feldorientierten Regelung eines Elektromotors (4), bei welchem ein Betriebszustand des Elektromotors (4) über eine Stromregelung (64) im d-q-Referenzsystem mit einer Direktkomponente (Id) und einem Quadratur strom (lq) eingestellt wird, 1. Method for the field-oriented control of an electric motor (4), in which an operating state of the electric motor (4) is set via a current control (64) in the dq reference system with a direct component (Id) and a quadrature current (l q ),
- wobei ein Sollwert (ld_set) der Direktkomponente (Id) zur Bewirkung eines Betriebszustands des Elektromotors (4) mit maximalen Drehmoment pro Ampere geschätzt wird, - wherein a target value (ld_set) of the direct component (Id) to bring about an operating state of the electric motor (4) with maximum torque per ampere is estimated,
- wobei anhand des Sollwerts (ld_set) mindestens eine Führungsgröße (IMT- PAControi) zur Führung der Direktkomponente (Id) der Stromregelung (64) bestimmt wird, mittels welcher der Elektromotor (4) in einem ersten Be triebspunkt und einem sich hiervon unterscheidenden zweiten Betriebs punkt betrieben wird, - With the reference value (ld_set) at least one reference variable (IMT-PAControi) for guiding the direct component (Id) of the current control (64) being determined, by means of which the electric motor (4) is operating in a first operating point and in a second operating mode that differs therefrom point is operated
- wobei mindestens eine Optimierungsgröße (h, I2) als Reaktion des Elekt romotors (4) auf den Betrieb im ersten Betriebspunkt und im zweiten Be triebspunkt erfasst wird, - wherein at least one optimization variable (h, I2) is detected as a reaction of the electric motor (4) to operation at the first operating point and at the second operating point,
- wobei die mindestens eine Optimierungsgröße (h, I2) hinsichtlich des Be triebszustands des Elektromotors mit maximalen Drehmoment pro Ampere ausgewertet wird, und - wherein the at least one optimization variable (h, I2) is evaluated with regard to the loading operating state of the electric motor with maximum torque per ampere, and
- wobei Sollwert (ld_set) der Direktkomponente (Id) anhand der Auswertung eingestellt wird. - whereby the target value (ld_set) of the direct component (Id) is set based on the evaluation.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder zweiten Betriebspunkte durch einen Testwert (taetia) der Führungsgröße (iMTPAControi) bewirkt werden. 2. The method as claimed in claim 1, characterized in that the first and/or second operating points are caused by a test value (taetia) of the reference variable (iMTPAControl).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Führungsgröße (IMTPAControi) aus einer Summe des Sollwerts (ld_set) und des Testwerts (taeita) zusammensetzt. 3. The method as claimed in claim 2, characterized in that the control variable (IMTPAControl) is composed of a sum of the desired value (ld_set) and the test value (taeita).
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Sollwert (ld_set) eine Korrelationsfunktion der Optimierungsgröße (h, I2) und der Reaktion des Elektromotors (4) auf den Testwert (taeita) verwendet wird. 4. The method according to claim 3, characterized in that a correlation function of the optimization variable (h, I2) and the reaction of the electric motor (4) to the test value (taeita) is used as the setpoint (ld_set).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Testwert (taeita) zeitlich mit einer Testwertfrequenz variiert wird. 5. The method according to any one of claims 2 to 4, characterized in that the test value (taeita) is varied over time with a test value frequency.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsgröße (iMTPAControi) kontinuierlich variiert wird. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsgröße (IMTPAControi) zusätzlich zu der Direktkomponente (Id) den Quadraturstrom (lq) der Stromregelung (64) führt. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Optimierungsgröße (h, I2) ein Motorstrom verwendet wird. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the reference variable (iMTPAControl) is varied continuously. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the reference variable (IMTPAControl) in addition to the direct component (Id) leads to the quadrature current (I q ) of the current controller (64). 8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that a motor current is used as the optimization variable (h, I2).
9. Elektromotor (4) mit einer Motorelektronik aufweisend einen Controller (42) zur feldorientierten Regelung (62) des Elektromotors (4), wobei der Controller9. Electric motor (4) with motor electronics having a controller (42) for field-oriented regulation (62) of the electric motor (4), the controller
(42) eine Stromregelung (64) und einen Optimalregler (82) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist. (42) has a current controller (64) and an optimal controller (82) for carrying out a method according to one of Claims 1 to 8.
10. Software auf einem Datenträger zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wenn die Software auf einem Computer ab läuft. 10. Software on a data carrier for carrying out a method according to any one of claims 1 to 8 when the software runs on a computer.
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