WO2023274443A1 - Drehmomentschätzung einer elektrischen maschine - Google Patents

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WO2023274443A1
WO2023274443A1 PCT/DE2022/100412 DE2022100412W WO2023274443A1 WO 2023274443 A1 WO2023274443 A1 WO 2023274443A1 DE 2022100412 W DE2022100412 W DE 2022100412W WO 2023274443 A1 WO2023274443 A1 WO 2023274443A1
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torque
electrical machine
estimating
parameter
weighting
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PCT/DE2022/100412
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Jochen Reith
Jiufang Peng
Jürgen EICH
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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Publication date
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • H02P21/20—Estimation of torque
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    • H02P2207/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the type of motor
    • H02P2207/05—Synchronous machines, e.g. with permanent magnets or DC excitation

Definitions

  • the present invention relates to a method for estimating the torque of an electric machine, in particular an electric motor and in particular a permanent magnet excited synchronous machine (PMSM). Furthermore, the present invention relates to a control unit that is set up and designed to carry out such a method, and an electric traction drive with such a control unit.
  • PMSM permanent magnet excited synchronous machine
  • a possible method for the torque estimation is the determination of the torque of the electrical machine according to a first method (hereinafter referred to as the first torque) by forming the cross product of an estimated magnetic flux and the phase currents of the electrical machine.
  • This method is known, for example, from WO 14084009 A1 and from DE 102018 103 831 A1.
  • WO 14084009 A1 relates to a control device for an electric motor.
  • the controller is capable of operating a PMSM with high efficiency on the one hand, and capable of adjusting an output torque with high accuracy on the other hand. This is possible even when the PMSM is running at a low speed.
  • DE 102018 103 831 A1 relates to a method and a device for adaptive rotor-oriented control and torque estimation of a PMSM based on estimates of the magnetic flux in the steady state.
  • the method disclosed here is used to operate a control device for an electrical machine, with the control device controlling at least one actual current in the electrical machine at various operating points of the electrical machine.
  • At least one magnetic flux is automatically estimated during the operation of the electrical machine and stored in at least one adaptive flux characteristics map.
  • the adaptive flux map stores magnetic fluxes assigned to an operating point of the electrical machine.
  • a method is also known from this publication, in which the magnetic flux is automatically estimated during operation of the electrical machine and a torque can be determined on the basis of the estimated magnetic flux.
  • the mathematical relationship for calculating the first torque from the estimated magnetic flux and the actual current of the electrical machine is described in DE 10 2018 103 831 A1 with the following formula (1):
  • This equation can be used to determine the first torque of a permanent-magnet synchronous machine (PMSM) with a rotor-fixed dq coordinate system.
  • M1 is the first torque
  • p is the number of pole pairs of the electric machine
  • Ye ⁇ or Y h is the magnetic flux in the d direction or in the q direction
  • Id or I q is the actual current in the d direction or in q-direction.
  • the power loss of an electrical machine is the proportion of the power supplied to the electrical machine that is undesirably converted into heat flow and therefore cannot be converted into torque for the electrical machine.
  • the losses of a permanent magnet excited synchronous machine consist of electromagnetic and mechanical losses. The electromagnetic losses caused by current or magnetic flux appear as Joule heat / copper, iron and magnetic losses. The rotation of the rotor generates mechanical losses, which manifest themselves as bearing and ventilation losses.
  • iron loss referred to as PFEIOSS in formula (2) below
  • mechanical loss referred to as Pmech.ioss in formula (2) below
  • the respective power losses are each set in relation to a rotational speed-based angular velocity w of the electrical machine. This results in the following formula (2) for determining the first torque, taking into account the power loss of the electrical machine:
  • the magnetic flux linkages of the electrical machine are estimated and the phase currents of the electrical machine are determined.
  • the torque of the electric motor can then be estimated using the angle between these two variables. If necessary, iron losses and mechanical losses can also be taken into account.
  • a second method for estimating the torque of an electrical machine (hereinafter referred to as second torque) is known from the prior art.
  • second torque a second method for estimating the torque of an electrical machine
  • a power balance of the electrical machine is determined.
  • the drive power supplied to the electric machine corresponds to an AC output power of an inverter.
  • the inverter feeds an (AC) voltage to the electrical machine.
  • this second method has the disadvantage of being inaccurate at low speeds, where the AC output power of the inverter has little effect on the torque.
  • the second method is relatively inaccurate at low speeds, since the AC output power is hardly informative.
  • the AC output power of the inverter is mainly dominated by the losses of the electrical machine and is hardly influenced by the low mechanical output power.
  • the torque of an electric machine can be estimated using observers.
  • Observers are used to simulate state variables in technical systems that either cannot be measured at all or can only be measured with a great deal of technical effort, such as the torque in the present case. These observers allow the torque to be estimated from available quantities, such as the current or the voltage of the electrical machine, which are based on the mechanical rotational movement of the electrical machine.
  • the present invention is intended to reduce or eliminate these problems from the previously known methods. In doing so, an accurate torque estimation should be made possible at both high and low speeds.
  • it is the object of the present invention, optionally either at a to increase the accuracy when estimating the torque of an electrical machine while the drive hardware remains the same, or to reduce the costs for the sensors and the hardware while the torque estimation accuracy remains the same.
  • the method according to the present invention is used to estimate a torque of an electrical machine, in particular a permanent magnet excited synchronous machine, with the following steps: a) Estimation of a first torque using a first method by forming a cross product from an estimated magnetic flux of the electrical machine and an actual current of the electrical machine, b) estimating a second torque using a second method by determining a power balance, which is determined using a difference between an AC output power of an inverter, which is, in particular electrically, connected to the electrical machine, and a Total power loss of the electrical machine can be calculated, and c) determining the final torque as a weighted average of the first torque, which is weighted with a first weighting, and the second torque, which is weighted with a second weighting.
  • M1 is the first torque
  • M2 is the second torque
  • w1 is the first weight
  • w2 is the second weight
  • the first weighting is the reciprocal of a first variance of a first parameter that represents the first torque
  • the second weighting is the reciprocal of a second variance of a second parameter that represents the second torque
  • the first and the second weighting w1 and w2 can thus be represented using the following formulas (6) and (7):
  • Varl and Var2 are the variances of the first and second parameters, respectively.
  • the reciprocal values of the variances thus serve as a quality indicator for weighting.
  • the determination of a weight as the reciprocal of the variance is known as the Fraser-Potter smoother from DC Fraser and JE Potter, "The Optimum Linear Smoother as a Combination of Two Optimum Linear Filters", IEEE Transactions on Automative Control, vol. AC-14, no. 4, pp. 387-390, Aug., 1969. If the first and the second weighting are determined in this way, a particularly accurate result can be obtained for the final torque, i.e. an optimal fusion can take place.
  • first parameter and the second parameter are each a variable from a speed of the electrical machine, an intermediate circuit voltage of an intermediate circuit which is connected, in particular electrically, to the electrical machine, or a torque of the electrical machine.
  • the variances can therefore be determined as a function of all the variables listed above.
  • the first parameter is the speed of the electric machine and then the second parameter is also the speed of the electric machine.
  • the ratio of the first weighting to the sum of the first and second weightings is defined as a fusion factor, so that the final torque in step c) of the method is determined exclusively from the first torque, the second torque and the fusion factor leaves.
  • the fusion factor can thus be determined from the following formula (8):
  • the final torque can be determined with the fusion factor as an alternative to formula (5) from the following formula (9):
  • the first and the second weighting are each determined either based on a model with current actual values or based on characteristic diagrams with characteristic diagram data stored in a memory.
  • first and the second weighting are determined using current actual values, a result that is very accurate depending on the situation can be achieved. If the first and the second weighting are determined using map data that has already been stored, significantly less data has to be recorded in comparison to determination from actual values. With the map data method, the remaining values can be determined by means of numerical, in particular statistical, evaluation and calculation methods.
  • iron losses and mechanical losses of the electrical machine are taken into account when estimating the first torque.
  • the electric machine torque can be estimated much more accurately.
  • the first torque results as the product of the number of pole pairs of the electrical machine with the cross product of the estimated magnetic flux and the actual current of the electrical machine and with a factor, with this product in each case the ratio of an iron power loss of the Electrical machine to a speed-based angular velocity of the electrical machine and the ratio of the mechanical power loss of the electrical machine to the rotational speed-based angular velocity of the electrical machine are subtracted.
  • the first torque can be calculated using formula (2).
  • the second torque can advantageously be determined as the ratio of the difference between the AC output power of the inverter and a total power loss of the electrical machine to the rotational speed-based angular velocity of the electrical machine. Therefore, the second torque can be estimated using Formula (4).
  • the torque of the electrical machine is used as the first and/or the second parameter
  • the result of a final torque previously determined or the first torque is advantageously used as the torque that represents the first and/or the second parameter , used.
  • the result of a final torque determined beforehand should only be used as the torque that represents the first and/or the second parameter in the case of a sufficiently high-frequency torque estimation.
  • Such a determination for the first and/or second weighting from the torque is very accurate and consequently allows an accurate determination of the final torque.
  • the present invention provides a control unit for carrying out the method described above.
  • Such a control unit can estimate a torque of an electrical machine precisely and cost-effectively by executing the method described above.
  • the present invention has an electric traction drive with such a control unit.
  • the torque of an electric machine which is part of the electric traction drive, can be estimated very precisely and cost-effectively by the control unit by executing the method described above.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electric traction drive
  • FIG. 2 shows a schematic representation to illustrate the determination of the final torque of an electrical machine.
  • the method according to the invention is shown schematically on the basis of the figures.
  • the torque of an electrical machine 1 is estimated.
  • a first torque M1 is estimated using a first method by forming a cross product from an estimated magnetic flux of the electrical machine 1 and an actual current of the electrical machine 1 .
  • a second torque M2 is estimated with a second method by determining a power balance that can be calculated using a difference between an AC output power of an inverter 2 connected to the electric machine 1 and a total power loss of the electric machine 1 .
  • the final torque M_fin is determined as a weighted average or as a linear combination of the first torque M1, which is weighted with a first weight, and the second torque M2, which is weighted with a second weight.
  • the electric traction drive 3 has a high-voltage storage device or a battery 4 . This supplies a DC voltage 5 to power electronics 6 .
  • the power electronics 6 has an intermediate circuit 7 and the inverter or inverter/converter 2 .
  • the intermediate circuit 7 is an electrical device as Energy storage several electrical networks on an intermediate current - or voltage level electrically coupled via converters.
  • the inverter 2 converts the DC voltage 8 received from the intermediate circuit 7 into an AC voltage 9 .
  • the AC voltage 9 has the three phases u, v and w. This AC voltage 9 is then supplied to the electrical machine or the E-machine 1 .
  • the electric machine 1 has a stator 10 and a rotor 11 .
  • the electric machine 1 is designed as a PMSM, the rotor 11 of which has permanent magnets (not shown here).
  • the stator 10 has coils that are magnetized by the AC voltage 9 . Due to the attraction and repulsion forces between the permanent magnets in the rotor 11 and the coil magnetic field in the stator 10, the rotor 11 rotates at a certain speed n and thus generates a torque M.
  • the mechanical speed n of the electric machine 1 corresponds to the number of revolutions of the rotor 11 per unit time.
  • FIG. 1 shows the control unit 12, which is designed to carry out the method shown schematically in FIG.
  • Fig. 2 schematically shows the determination of the final torque M_fin of the electric machine 1.
  • step S1 the first method is first carried out and the first torque M1 is estimated using the magnetic flux-current cross-product method (see formula (2) ).
  • step S2 the second method is then carried out in step S2 and the second torque M2 is estimated using the power balance (see formula (4)).
  • the first torque M1 obtained from step S1 and the second torque M2 obtained from step S2 are combined in step S3 to form the final torque M_fin (see formula (5) or (9)).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schätzung eines Drehmoments einer elektrischen Maschine (1), mit folgenden Schritten: Schätzen eines ersten Drehmoments (M1) mit einer ersten Methode durch Bildung eines Kreuzproduktes aus einem geschätzten magnetischen Fluss der elektrischen Maschine (1) und einem Ist-Strom der elektrischen Maschine (1), Schätzen eines zweiten Drehmoments (M2) mit einer zweiten Methode durch Bestimmen einer Leistungsbilanz, die sich mithilfe einer Differenz aus einer Wechselstrom-Ausgangsleistung eines Wechselrichters (2), der mit der elektrischen Maschine (1) verbunden ist, und einer Gesamt-Verlustleistung der elektrischen Maschine (1) errechnen lässt, und Bestimmen des finalen Drehmoments (M_fin) als gewichteter Mittelwert aus dem ersten Drehmoment (M1), das mit einer ersten Gewichtung gewichtet wird, und dem zweiten Drehmoment (M2), das mit einer zweiten Gewichtung gewichtet wird. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Steuereinheit (4) zur Ausführung dieses Verfahrens sowie einen elektrischen Traktionsantrieb (3) mit einer derartigen Steuereinheit (12).

Description

Drehmomentschätzunq einer elektrischen Maschine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehmomentschätzung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors und besonders einer permanentmagnet-erregten Synchronmaschine (PMSM). Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, ein derartiges Verfahren auszuführen, sowie einen elektrischen Traktionsantrieb mit einer derartigen Steuereinheit.
Zur Regelung elektrischer Maschinen ist eine möglichst genaue Kenntnis der Maschinenparameter erforderlich. Ein wichtiger Parameter ist hier das Drehmoment.
Die exakte Bestimmung des Drehmoments über Sensoren ist allerdings zeit- und kostenaufwendig. Grundsätzlich sind die Anforderungen an die Genauigkeit der Bestimmung des Drehmoments elektrischer Traktionsmaschinen sehr hoch. Dies gilt insbesondere für die Drehmomentbestimmung von elektrischen Maschinen, die als eine Antriebsquelle in einem Automobil bzw. Fahrzeug dienen, wie bspw. in Elektrofahrzeugen oder einem Hybridfahrzeugen. Es ist aus Gründen des Fahrkomforts, der Homologation (Zulassungsfähigkeit eines Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit von länderspezifischen Voraussetzungen) und einer effiziente Verbrenner- Lastpunktverschiebung bei Hybridantrieben erforderlich, das Drehmoment möglichst genau abzuschätzen. Üblicherweise führen derart hohe Genauigkeitsansprüche sowie die grundsätzlich engen Toleranzgrenzen für Fertigung und Alterung der elektrischen Maschine zu hohen Kosten für die Mess-Sensorik.
Aus dem Stand der Technik sind daher Verfahren zur Drehmomentschätzung einer elektrischen Maschine bekannt. Dabei ist es das Ziel, das Drehmoment aus oben genannten Gründen so genau wie möglich zu schätzen. Ein mögliches Verfahren für die Drehmomentschätzung ist die Bestimmung des Drehmoments der elektrischen Maschine nach einer ersten Methode (nachfolgend als erstes Drehmoment bezeichnet) durch Bildung des Kreuzproduktes von einem geschätzten magnetischen Fluss und den Phasenströmen der elektrischen Maschine. Dieses Verfahren ist beispielsweise aus WO 14084009 A1 und aus DE 102018 103 831 A1 bekannt.
WO 14084009 A1 bezieht sich dabei auf eine Steuervorrichtung für einen Elektromotor. Die Steuervorrichtung ist einerseits dazu in der Lage, eine PMSM mit einer hohen Effizienz zu betätigen, und ist andererseits dazu in der Lage, ein Ausgangsdrehmoment mit einer hohen Genauigkeit einzustellen. Dies ist selbst dann möglich, wenn die PMSM mit einer niedrigen Drehzahl läuft.
DE 102018 103 831 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur adaptiven rotororientierten Regelung und Drehmomentschätzung einer PMSM auf Basis von Schätzungen des magnetischen Flusses im stationären Zustand. Das hierin offenbarte Verfahren dient zum Betrieb einer Regeleinrichtung für eine elektrische Maschine, wobei die Regelvorrichtung in verschiedenen Betriebspunkten der elektrischen Maschine wenigstens einen Ist-Strom in der elektrischen Maschine regelt. Dabei wird wenigstens ein magnetischer Fluss während des Betriebs der elektrischen Maschine automatisiert geschätzt und in wenigstens einem adaptiven Flusskennfeld abgelegt. Das adaptive Flusskennfeld speichert magnetische Flüsse mit Zuordnung zu einem Betriebspunkt der elektrischen Maschine.
Dabei ist aus dieser Druckschrift weiterhin ein Verfahren bekannt, bei dem der magnetische Fluss während des Betriebs der elektrischen Maschine automatisiert geschätzt wird und auf Grundlage des geschätzten magnetischen Flusses ein Drehmoment bestimmt werden kann. Der mathematische Zusammenhang zur Berechnung des ersten Drehmoments aus dem geschätzten magnetischem Fluss und dem Ist-Strom der elektrischen Maschine ist in DE 10 2018 103 831 A1 mit nachfolgender Formel (1 ) beschrieben:
Figure imgf000004_0001
Mit dieser Gleichung lässt sich das erste Drehmoment einer permanentmagnet erregten Synchronmaschine (PMSM) mit einem rotorfesten d-q-Koordinatensystem bestimmen. Dabei ist M1 das erste Drehmoment, p die Anzahl an Polpaaren der elektrischen Maschine, Yeΐ bzw. Yh der magnetische Fluss in d-Richtung bzw. in q- Richtung und Id bzw. Iq der Ist-Strom in d-Richtung bzw. in q-Richtung.
Weiterhin kann bei der Berechnung des ersten Drehmoments mithilfe der Formel (1) zusätzlich ein Teil der Verlustleistung der elektrischen Maschine berücksichtigt werden. Die Verlustleistung einer elektrischen Maschine ist der Anteil an der der elektrischen Maschine zugeführten Leistung, die unerwünscht in Wärmestrom umgesetzt wird und damit nicht in ein Drehmoment für die elektrische Maschine umgewandelt werden kann. Die Verluste einer permanentmagnet-erregten Synchronmaschine setzen sich aus elektromagnetischen und mechanischen Verlusten zusammen. Die elektromagnetischen Verluste, die durch Strom- bzw. Magnetfluss hervorgerufen werden, treten als Stromwärme / Kupfer-, Eisen- und Magnetverluste auf. Durch die Drehung des Rotors werden die mechanischen Verluste erzeugt, welche sich als Lager- und Lüftungsverluste äußern.
Bei der Berechnung des ersten Drehmoments werden Eisenverluste (in nachfolgender Formel (2) als PFEIOSS bezeichnet) und mechanische Verluste (in nachfolgender Formel (2) als Pmech.ioss bezeichnet) berücksichtigt. Dazu werden die jeweiligen Verlustleistungen jeweils ins Verhältnis zu einer drehzahlbasierten Winkelgeschwindigkeit w der elektrischen Maschine gesetzt. Damit ergibt sich folgende Formel (2) zur Bestimmung des ersten Drehmoments unter Berücksichtigung der Verlustleistung der elektrischen Maschine:
Figure imgf000005_0001
Die drehzahlbasierte Winkelgeschwindigkeit w der elektrischen Maschine lässt sich aus der mechanischen Drehzahl der elektrischen Maschine n nach Formel (3) folgendermaßen bestimmen: 2 c p c h w = - (3)
In anderen Worten werden bei der ersten Methode die magnetischen Flussverkettungen der elektrischen Maschine geschätzt und es werden die Phasenströme der elektrischen Maschine bestimmt. Mit Hilfe des Winkels zwischen diesen beiden Größen kann dann das Drehmoment des Elektromotors geschätzt werden. Dabei können gegebenenfalls zusätzlich Eisenverluste und mechanische Verluste berücksichtigt werden.
Die Verwendung der ersten Methode zur Drehmomentschätzung hat allerdings die Einschränkung, dass diese Methode bei hohen Drehzahlen ungenau ist. Dies lässt sich unter anderem damit begründen, dass die Ungenauigkeiten im Rotorwinkel bei der Transformation der Phasenströme in das rotorfeste Koordinatensystem aufgrund der notwendigen Feldschwächung im oberen Drehzahlbereich zu größeren Drehmomentabweichungen führen als im Grundstellbereich bei niedrigen Drehzahlen.
Weiterhin ist aus dem Stand der Technik eine zweite Methode zur Schätzung des Drehmoments einer elektrischen Maschine (nachfolgend als zweites Drehmoment bezeichnet) bekannt. Bei dieser zweiten Methode wird eine Leistungsbilanz der elektrischen Maschine ermittelt. Für die Bestimmung der Leistungsbilanz wird die Differenz zwischen der der elektrischen Maschine zugeführten Antriebsleistung und der gesamten Verlustleistung der elektrischen Maschine gebildet. Die der elektrischen Maschine zugeführte Antriebsleistung entspricht einer Wechselstrom-Ausgangsleistung eines Wechselrichters. Der Wechselrichter führt der elektrischen Maschine eine (Wechsel-)Spannung zu.
Aus dem Verhältnis der Differenz der der elektrischen Maschine zugeführten Antriebsleistung PA und der Gesamt-Verlustleistung Ptot.ioss der elektrischen Maschine zu der drehzahlbasierten Winkelgeschwindigkeit w der elektrischen Maschine ergibt sich dann das zweite Drehmoment M2, siehe nachfolgende Formel (4):
Figure imgf000006_0001
In anderen Worten werden bei der zweiten Methode, die in der Praxis seltener zum Einsatz kommt als die erste Methode, die Verluste der elektrischen Maschine von der Wechselstrom-Ausgangsleistung des Wechselrichters subtrahiert und das Resultat wird durch die Winkelgeschwindigkeit dividiert. Hierbei können zusätzlich die mechanischen Verluste berücksichtigt werden.
Diese zweite Methode hat allerdings den Nachteil, dass sie bei niedrigen Drehzahlen ungenau ist, da in diesem Fall die Wechselstrom-Ausgangsleistung des Wechselrichters wenig Einfluss auf das Drehmoment hat. In anderen Worten ist die zweite Methode bei niedrigen Drehzahlen relativ ungenau, da hier die Wechselstrom - Ausgangsleistung kaum informationstragend ist. Bei niedrigen Drehzahlen wird nämlich die Wechselstrom-Ausgangsleistung des Wechselrichters hauptsächlich von den Verlusten der elektrischen Maschine dominiert und wird kaum durch die geringe mechanische Ausgangleistung beeinflusst.
Alternativ oder zusätzlich zur ersten und zweiten Methode kann das Drehmoment einer elektrischen Maschine durch die Verwendung von Beobachtern geschätzt werden. Beobachter werden zur Nachbildung von Zustandsgrößen technischer Systeme eingesetzt, die entweder gar nicht oder nur mit hohem technischen Aufwand messbar sind, wie im vorliegenden Fall das Drehmoment. Diese Beobachter erlauben die Drehmomentschätzung aus verfügbaren Größen, wie bspw. dem Strom oder der Spannung der elektrischen Maschine, die auf der mechanischen Rotationsbewegung der elektrischen Maschine basieren.
Da bei der Drehmomentschätzung mittels Beobachter jedoch einige Einflussgrößen nicht bekannt oder ungenau sind, genügt dieses Verfahren zur Drehmomentschätzung jedoch nicht den gängigen Genauigkeitsanforderungen.
Diese Problematik aus den bisher bekannten Verfahren soll die vorliegende Erfindung mindern oder beseitigen. Dabei soll eine genaue Drehmomentschätzung sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Drehzahlen ermöglicht werden. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, wahlweise entweder bei einer gleichbleibenden Antriebs-Hardware die Genauigkeit bei der Schätzung des Drehmoments einer elektrischen Maschine zu erhöhen oder bei einer gleichbleibenden Drehmoment-Schätzungsgenauigkeit die Kosten für die Sensorik und die Hardware abzusenken.
Diese Aufgabe wird durch das vorliegende Verfahren mit den Aspekten nach dem Anspruch 1 , durch eine Steuereinheit zur Ausführung dieses Verfahrens nach Anspruch 9 sowie durch einen elektrischen Traktionsantrieb mit einer derartigen Steuereinheit nach Anspruch 10 gelöst.
Dabei dient das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zur Schätzung eines Drehmoments einer elektrischen Maschine, insbesondere einer permanentmagnet-erregten Synchronmaschine, mit folgenden Schritten: a) Schätzen eines ersten Drehmoments mit einer ersten Methode durch Bildung eines Kreuzproduktes aus einem geschätzten magnetischen Fluss der elektrischen Maschine und einem Ist-Strom der elektrischen Maschine, b) Schätzen eines zweiten Drehmoments mit einer zweiten Methode durch Bestimmen einer Leistungsbilanz, die sich mithilfe einer Differenz aus einer Wechselstrom-Ausgangsleistung eines Wechselrichters, der, insbesondere elektrisch, mit der elektrischen Maschine verbunden ist, und einer Gesamt-Verlustleistung der elektrischen Maschine errechnen lässt, und c) Bestimmen des finalen Drehmoments als gewichteter Mittelwert aus dem ersten Drehmoment, das mit einer ersten Gewichtung gewichtet wird, und dem zweiten Drehmoment, das mit einer zweiten Gewichtung gewichtet wird.
Damit ergibt sich zur Bestimmung des finalen Drehmoments M_fin folgende Formel (5): wl x Ml+w2 x M2
Mfin — wl+w2 (5)
Dabei ist M1 das erste Drehmoment, M2 das zweite Drehmoment, w1 die erste Gewichtung und w2 die zweite Gewichtung. Indem die erste und die zweite Methode miteinander fusioniert werden, kann das Drehmoment der elektrischen Maschine mit einer erhöhten Genauigkeit, mit höherer Robustheit, das heißt mit geringerer Fehleranfälligkeit, oder wahlweise mit verringerten Kosten geschätzt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden also zwei Zustandsschätzungen miteinander kombiniert und deren Werte somit geglättet, sodass im Ergebnis eine genauer Drehmomentschätzung erfolgen kann, im Vergleich mit dem Fall, in dem nur die erste oder die zweite Methode verwendet wird.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
Alternativ ist es bevorzugt, wenn die erste Gewichtung der Kehrwert einer ersten Varianz einer ersten Kenngröße ist, die das erste Drehmoment repräsentiert, und die zweite Gewichtung der Kehrwert einer zweiten Varianz einer zweiten Kenngröße ist, die das zweite Drehmoment repräsentiert.
Damit lassen sich die erste und die zweite Gewichtung w1 und w2 mithilfe von den nachfolgenden Formeln (6) bzw. (7) darstellen:
1 w 1 =
Var 1 (6)
1 w2 =
Var2 (7)
Dabei sind Varl und Var2 jeweils die Varianzen der ersten bzw. zweiten Kenngröße.
Somit dienen hier die Kehrwerte der Varianzen als Güte-Indikator zur Gewichtung. Die Bestimmung einer Gewichtung als der Kehrwert der Varianz ist dabei als Fraser- Potter-Smoother aus D.C. Fraser and J. E. Potter, „The Optimum Linear Smoother as a Combination of Two Optimum Linear Filters“, IEEE Transactions on Automative Control, vol. AC-14, no. 4, pp. 387-390, Aug., 1969 bekannt. Wenn die erste und die zweite Gewichtung derart bestimmt werden, kann ein besonders genaues Ergebnis für das finale Drehmoment erhalten werden, es kann also eine optimale Fusion erfolgen.
Es ist wünschenswert, wenn die erste Kenngröße und die zweite Kenngröße jeweils eine Größe aus einer Drehzahl der elektrischen Maschine, eine Zwischenkreisspannung eines Zwischenkreises, der, insbesondere elektrisch, mit der elektrischen Maschine verbunden ist, oder ein Drehmoment der elektrischen Maschine sind. Die Varianzen können also in Abhängigkeit von allen oben aufgeführten Größen bestimmt werden.
Allerdings ist es für eine erfolgreiche Berechnung des finalen Drehmoments vorteilhaft, wenn die erste und die zweite Kenngröße die gleiche Größe sind. Beispielsweise ist also die erste Kenngröße die Drehzahl der elektrischen Maschine und dann ist auch die zweite Kenngröße die Drehzahl der elektrischen Maschine.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens ist das Verhältnis der ersten Gewichtung zur Summe aus der ersten und der zweiten Gewichtung als Fusionsfaktor definiert, sodass sich das finale Drehmoment im Schritt c) des Verfahrens ausschließlich aus dem ersten Drehmoment, dem zweiten Drehmoment und dem Fusionsfaktor bestimmen lässt.
Der Fusionsfaktor lässt sich somit aus folgender Formel (8) bestimmen:
Figure imgf000010_0001
Die Verwendung des Fusionsfaktors erleichtert die mathematische Darstellung des finalen Drehmoments. Das finale Drehmoment lässt sich mit dem Fusionsfaktor alternativ zu Formel (5) aus folgender Formel (9) bestimmen:
Mfin = f x Ml + (1 - /) x M2 (9) Es ist vorteilhaft, wenn die erste und die zweite Gewichtung jeweils entweder modellbasiert mit aktuellen Ist-Werten oder kennfeldbasiert mit in einem Speicher hinterlegten Kennfelddaten bestimmt werden.
Werden die erste und die zweite Gewichtung über aktuelle Ist-Werte bestimmt, kann ein situationsbedingt sehr genaues Ergebnis erzielt werden. Werden die erste und die zweite Gewichtung über bereits hinterlegte Kennfelddaten bestimmt, müssen im Vergleich zur Bestimmung aus Ist-Werten deutlich weniger Daten erfasst werden. Bei der Kennfelddaten-Methode können mittels numerischer, insbesondere statistischer Auswerte- und Berechnungsverfahren, die übrigen Werte bestimmt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform werden bei der Schätzung des ersten Drehmoments Eisenverluste und mechanische Verluste der elektrischen Maschine berücksichtigt.
Indem die Verluste der elektrischen Maschine berücksichtigt werden, kann das Drehmoment der elektrischen Maschine viel genauer geschätzt werden.
Genauer gesagt ergibt sich das erste Drehmoment als Produkt der Anzahl an Polpaaren der elektrischen Maschine mit dem Kreuzprodukt aus dem geschätzten magnetischen Fluss und dem Ist-Strom der elektrischen Maschine und mit einem Faktor, wobei von diesem Produkt jeweils das Verhältnis von einem Eisen- Leistungsverlust der elektrischen Maschine zu einer drehzahlbasierten Winkelgeschwindigkeit der elektrischen Maschine sowie das Verhältnis vom mechanischen Leistungsverlust der elektrischen Maschine zur drehzahlbasierten Winkelgeschwindigkeit der elektrischen Maschine subtrahiert werden.
Demnach lässt sich das erste Drehmoment mithilfe von Formel (2) berechnen.
Weiterhin lässt sich das zweite Drehmoment vorteilhafterweise als das Verhältnis der Differenz aus der Wechselstrom-Ausgangsleistung des Wechselrichters und einer Gesamt-Verlustleistung der elektrischen Maschine zur drehzahlbasierten Winkelgeschwindigkeit der elektrischen Maschine bestimmen. Demnach kann das zweite Drehmoment mithilfe von Formel (4) geschätzt werden.
Vorteilhafterweise wird in dem Fall, dass als die erste und/oder die zweite Kenngröße das Drehmoment der elektrischen Maschine verwendet wird, das Ergebnis eines zeitlich zuvor bestimmten finalen Drehmoments oder das erste Drehmoment als das Drehmoment, welches die erste und/oder die zweite Kenngröße darstellt, verwendet.
Das Ergebnis eines zeitlich zuvor bestimmten finalen Drehmoments sollte nur bei einer ausreichend hochfrequenten Drehmomentschätzung als das Drehmoment, welches die erste und/oder die zweite Kenngröße darstellt, verwendet werden.
Die derartige Bestimmung für die erste und/oder zweite Gewichtung aus dem Drehmoment ist sehr genau und erlaubt in Folge eine genaue Bestimmung des finalen Drehmoments.
Weiterhin sieht die vorliegende Erfindung eine Steuereinheit zur Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens vor.
Eine derartige Steuereinheit kann durch die Ausführung des zuvor beschriebenen Verfahrens genau bzw. kostensparend ein Drehmoment einer elektrischen Maschine schätzen.
Außerdem weist die vorliegende Erfindung einen elektrischen Traktionsantrieb mit einer derartigen Steuereinheit auf.
Somit kann das Drehmoment einer elektrischen Maschine, die ein Teil des elektrischen Traktionsantriebs ist, über die Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens durch die Steuereinheit sehr genau bzw. kostensparend geschätzt werden.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert, in welchem Zusammenhang auch zumindest ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Traktionsantriebs; und
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Bestimmung des finalen Drehmoments einer elektrischen Maschine.
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Anhand der Figuren wird das erfindungsgemäße Verfahren schematisch dargestellt. Dabei wird das Drehmoment einer elektrischen Maschine 1 geschätzt. Dazu wird ein erstes Drehmoment M1 mit einer ersten Methode durch Bildung eines Kreuzproduktes aus einem geschätzten magnetischen Fluss der elektrischen Maschine 1 und einem Ist-Strom der elektrischen Maschine 1 geschätzt. Außerdem wird ein zweites Drehmoment M2 mit einer zweiten Methode durch Bestimmen einer Leistungsbilanz geschätzt, die sich mithilfe einer Differenz aus einer Wechselstrom- Ausgangsleistung eines Wechselrichters 2, der mit der elektrischen Maschine 1 verbunden ist, und einer Gesamt-Verlustleistung der elektrischen Maschine 1 errechnen lässt. Dann wird das finale Drehmoment M_fin als gewichteter Mittelwert bzw. als Linearkombination aus dem ersten Drehmoment M1 , das mit einer ersten Gewichtung gewichtet wird, und dem zweiten Drehmoment M2 bestimmt, das mit einer zweiten Gewichtung gewichtet wird.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines elektrischen Traktionsantriebs 3. Der elektrische Traktionsantrieb 3 weist einen Hochvolt-Speicher bzw. eine Batterie 4 auf. Diese führt eine Gleichspannung 5 einer Leistungselektronik 6 zu. Die Leistungselektronik 6 weist einen Zwischenkreis 7 sowie den Wechselrichter bzw. Inverter / Umrichter 2 auf. Der Zwischenkreis 7 ist eine elektrische Einrichtung, die als Energiespeicher mehrere elektrische Netze auf einer zwischengeschalteten Strom - oder Spannungsebene über Umrichter elektrisch koppelt. Der Wechselrichter 2 wandelt die vom Zwischenkreis 7 erhaltene Gleichspannung 8 in eine Wechselspannung 9 um. Die Wechselspannung 9 hat die drei Phasen u, v und w. Diese Wechselspannung 9 wird dann der elektrischen Maschine bzw. der E-Maschine 1 zugeführt. Die E-Maschine 1 weist einen Stator 10 und einen Rotor 11 auf. Die E-Maschine 1 ist als PMSM ausgeführt, deren Rotor 11 Permanentmagnete (hier nicht dargestellt) aufweist. Der Stator 10 weist Spulen auf, die durch die Wechselspannung 9 magnetisiert werden. Durch die Anziehungs- bzw. Abstoßkräfte zwischen den Permanentmagneten im Rotor 11 und dem Spulenmagnetfeld im Stator 10, dreht sich der Rotor 11 mit einer bestimmten Drehzahl n und erzeugt somit ein Drehmoment M. Die mechanische Drehzahl n der E-Maschine 1 entspricht dabei der Anzahl der Umdrehungen des Rotors 11 pro Zeiteinheit. Weiterhin zeigt Fig.1 die Steuereinheit 12, die zur Ausführung des schematisch in Fig. 2 dargestellten Verfahrens ausgebildet ist.
Fig. 2 zeigt schematisch die Bestimmung des finalen Drehmoments M_fin der E- Maschine 1. Dabei wird im Schritt S1 zunächst die erste Methode durchgeführt und dabei das erste Drehmoment M1 mittels der Magnetfluss-Strom-Kreuzprodukt-Methode geschätzt (s. Formel (2)). Im Schritt S2 wird dann die zweite Methode durchgeführt und dabei das zweite Drehmoment M2 mittels der Leistungsbilanz geschätzt (s. Formel (4)). Das aus dem Schritt S1 erhaltene erste Drehmoment M1 sowie das aus dem Schritt S2 erhaltene zweite Drehmoment M2 werden im Schritt S3 zum finalen Drehmoment M_fin fusioniert (s. Formel (5) bzw. (9)).
Bezuqszeichenliste
1 E-Maschine
2 Wechselrichter
3 Zwischenkreis
4 Steuereinheit
5 elektrischer Traktionsantrieb
6 Hochvolt-Speicher
7 Gleichspannung
8 Leistungselektronik
9 Gleichspannung
10 Wechselspannung
11 Rotor
12 Stator
M1 erstes Drehmoment
M2 zweites Drehmoment
M_fin finales Drehmoment
51 Schritt zur Durchführung der ersten Methode
52 Schritt zur Durchführung der zweiten Methode
53 Schritt zur Schätzung des finalen Drehmoments

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Schätzung eines Drehmoments einer elektrischen Maschine (1 ), mit folgenden Schritten: a) Schätzen eines ersten Drehmoments (M1 ) mit einer ersten Methode durch Bildung eines Kreuzproduktes aus einem geschätzten magnetischen Fluss der elektrischen Maschine (1 ) und einem Ist-Strom der elektrischen Maschine (1 ), b) Schätzen eines zweiten Drehmoments (M2) mit einer zweiten Methode durch Bestimmen einer Leistungsbilanz, die sich mithilfe einer Differenz aus einer Wechselstrom-Ausgangsleistung eines Wechselrichters (2), der mit der elektrischen Maschine (1 ) verbunden ist, und einer Gesamt-Verlustleistung der elektrischen Maschine (1 ) errechnen lässt, und c) Bestimmen des finalen Drehmoments (M_fin) als gewichteter Mittelwert aus dem ersten Drehmoment (M1 ), das mit einer ersten Gewichtung gewichtet wird, und dem zweiten Drehmoment (M2), das mit einer zweiten Gewichtung gewichtet wird.
2. Verfahren zur Schätzung eines Drehmoments der elektrischen Maschine (9) gemäß Anspruch 1 , wobei die erste Gewichtung der Kehrwert einer ersten Varianz einer ersten Kenngröße ist, die das erste Drehmoment (M1 ) repräsentiert, und die zweite Gewichtung der Kehrwert einer zweiten Varianz einer zweiten Kenngröße ist, die das zweite Drehmoment (M2) repräsentiert.
3. Verfahren zur Schätzung eines Drehmoments der elektrischen Maschine (1 ) gemäß Anspruch 2, wobei die erste Kenngröße und die zweite Kenngröße jeweils eine Drehzahl der elektrischen Maschine (1), eine Zwischenkreisspannung eines Zwischenkreises (7), der, insbesondere elektrisch, mit der elektrischen Maschine (1 ) verbunden ist, oder ein Drehmoment der elektrischen Maschine (1 ) sein können.
4. Verfahren zur Schätzung eines Drehmoments der elektrischen Maschine (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste und die zweite Gewichtung jeweils entweder modellbasiert mit aktuellen Ist-Werten oder kennfeldbasiert mit in einem Speicher hinterlegten Kennfelddaten bestimmt werden.
5. Verfahren zur Schätzung eines Drehmoments der elektrischen Maschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei bei der Schätzung des ersten Drehmoments (M1) im Schritt a) des Anspruchs 1 Eisenverluste und mechanische Verluste der elektrischen Maschine berücksichtigt werden.
6. Verfahren zur Schätzung eines Drehmoments der elektrischen Maschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei sich das erste Drehmoment (M1) als Produkt der Anzahl an Polpaaren der elektrischen Maschine (1) mit dem Kreuzprodukt aus dem geschätzten magnetischen Fluss und dem Ist-Strom der elektrischen Maschine (1 ) und mit einem Faktor ergibt, wobei von diesem Produkt jeweils das Verhältnis von einem Eisen-Leistungsverlust der elektrischen Maschine (1) zu einer drehzahlbasierten Winkelgeschwindigkeit der elektrischen Maschine (1) sowie das Verhältnis vom mechanischen Leistungsverlust der elektrischen Maschine (1) zur drehzahlbasierten Winkelgeschwindigkeit der elektrischen Maschine subtrahiert werden.
7. Verfahren zur Schätzung eines Drehmoments der elektrischen Maschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei sich das zweite Drehmoment (M2) als das Verhältnis der Differenz aus der Wechselstrom-Ausgangsleistung des Wechselrichters (2) und einer Gesamt-Verlustleistung der elektrischen Maschine (1) zur drehzahlbasierten Winkelgeschwindigkeit der elektrischen Maschine (1) bestimmen lässt.
8. Verfahren zur Schätzung eines Drehmoments der elektrischen Maschine (1) gemäß Anspruch 3, wobei in dem Fall, dass die erste und/oder die zweite Kenngröße das Drehmoment der elektrischen Maschine (1) ist / sind, das Ergebnis eines zeitlich zuvor bestimmten finalen Drehmoments (M_fin) oder das erste Drehmoment (M1) als das Drehmoment, welches die erste und/oder die zweite Kenngröße darstellt, verwendet werden.
9. Steuereinheit (12) eingerichtet zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8.
10. Elektrischer Traktionsantrieb (3) mit einer Steuereinheit nach Anspruch 9.
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