WO2024132248A1 - Verfahren zum betreiben einer permanent erregten synchronmaschine, vorrichtung und antriebseinrichtung - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer permanent erregten synchronmaschine, vorrichtung und antriebseinrichtung Download PDF

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WO2024132248A1
WO2024132248A1 PCT/EP2023/077836 EP2023077836W WO2024132248A1 WO 2024132248 A1 WO2024132248 A1 WO 2024132248A1 EP 2023077836 W EP2023077836 W EP 2023077836W WO 2024132248 A1 WO2024132248 A1 WO 2024132248A1
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WO
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machine
stator flux
motor winding
stator
resistance
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PCT/EP2023/077836
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Stefan Gering
Maximilian MANDERLA
Sven Reimann
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • H02P21/141—Flux estimation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/0003—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control
    • H02P21/0007—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control using sliding mode control
    • H—ELECTRICITY
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/13—Observer control, e.g. using Luenberger observers or Kalman filters

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a permanent magnet synchronous machine, wherein the machine has a stator with a multi-phase motor winding and a rotatably mounted rotor, wherein a magnetic stator flux of the machine is determined and the machine is controlled depending on the stator flux.
  • the invention relates to a device for operating a synchronous machine designed as described above and to an electric drive device which has at least one such synchronous machine.
  • An electrical machine usually has a stator with a multi-phase motor winding and a rotatably mounted rotor.
  • the motor winding is arranged around the rotor in such a way that the rotor can be driven or subjected to a torque by a suitable current supply to the motor winding, so that the rotor is set in a rotational movement.
  • the parameters taken into account in particular are the electrical resistance of the stator coils or the motor winding, the inductances or equivalently the stator flux map and, if applicable, the permanent magnet flux.
  • the estimation of the parameters is typically based on the measured voltages and currents in the machine. Both active and passive methods are used. In active methods, special signals are introduced into the machine or impressed on a current in order to be able to estimate individual selected parameters particularly well. In passive methods, signal impression is dispensed with and instead the parameter sought is estimated based on the variables that arise during operation.
  • flux estimation methods in which the stator resistance is assumed to be known, or in which the resistance is estimated by assuming a nominal inductance.
  • the method according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that resistance and stator flux are both estimated in an advantageous manner, whereby this takes place during operation, i.e. without additional signal imprinting. This ensures that the efficiency of the machine during operation is not impaired by the additional signal imprinting.
  • no other variables are measured apart from the current, voltage and rotor position of the machine, so that no complex measuring technology is necessary to implement the method.
  • the method according to the invention is characterized in that, depending on actual electrical values, in particular an actual current and an actual voltage of the motor winding, it is determined whether a persistent Excitation of the motor winding is present, and that only when persistent excitation is present is the electrical resistance of the motor winding estimated and the stator flux of the motor windings determined as a function of the estimated resistance.
  • the core of the present invention thus relates to the estimation of resistance and magnetic flux of a permanent magnet excited synchronous machine in a type of cascade. In this, the magnetic flux is determined as a function of the resistance, whereby the resistance is also estimated. It is advantageous that all parameters are estimated without any parameter having to be assumed to be given.
  • the parameters necessary for the evaluation can be determined.
  • the cascade is carried out, in the interior of which the stator flux is estimated under the assumption of a correctly estimated resistance, which is determined in an outer loop.
  • current and voltage in -d and qQ coordinates are taken into account as input values for the method.
  • a current torque of the machine is calculated depending on the determined stator flux.
  • an air gap torque of the machine is estimated depending on the determined stator flux or a diagnostic function is carried out to check the functionality of the machine.
  • a minimum order disturbance model is defined for a magnetic rotor flux superimposed on the stator flux to estimate the stator flux.
  • the procedure is as described in Yoo, Anno, and Seung-Ki Sui. "Design of flux observer robust to interior permanent-magnet synchronous motor flux variation.” (see above), which resolves an otherwise existing underdetermination with regard to the estimation of the stator flux. It is assumed that the same stator flux is always present for a certain actual current value and a certain actual voltage value. Accordingly, a derivative of the stator flux with respect to time is equal to zero.
  • the stator flux is estimated using a Luenberger observer or a Kallmann filter.
  • the error dynamics for the stator flux can be explicitly specified and the estimation error of this observer provably converges to zero if the resistance is exact.
  • the error dynamics are specified by an observer matrix, preferably in such a way that the error dynamics are stable on the one hand and have the desired convergence speed on the other.
  • a time discretization is carried out for the estimation of the stator flux in which the time profile of the stator flux is calculated over a sampling time.
  • the resistance is determined by means of an adaptive Kallmann filter, a Hankel matrix and/or a least mean squares estimation. Since the method is only carried out when a persistent excitation is present, the resistance can be precisely determined using these methods.
  • At least one current value of the motor winding is derived over time to determine the resistance. This is advantageous in order to be able to make the estimate from the time-discrete measurements.
  • the current derivation is carried out using a sliding mode derivation estimator, as described for example in Arie Levant, Miki Livne, and Xinghuo Yu; Sliding-mode-based differentiation and its application.
  • a sliding mode derivation estimator as described for example in Arie Levant, Miki Livne, and Xinghuo Yu; Sliding-mode-based differentiation and its application.
  • the last estimated resistance value is used as the basis for determining the stator flux. If there is no persistent excitation of the motor winding at the moment at which the stator flux is to be determined In order to detect this, the last successfully estimated resistance value, which was determined when a persistent excitation was present, is used to estimate the stator flux. Instead of specifying or assuming a stator resistance, the last successfully determined value is taken into account, which means that the stator flux estimate can be determined with sufficient accuracy.
  • control parameters of the machine are adjusted depending on the determined stator flux and the determined resistance. This ensures optimal operation of the permanently excited synchronous machine.
  • control device is specially designed to carry out the method according to the invention when used as intended. This results in the advantages already mentioned above.
  • the drive device according to the invention with the features of claim 11 is characterized by the device according to the invention. This results in the advantages already mentioned above.
  • Figure 1 an electric drive device
  • Figure 2 shows an advantageous method in a flow chart for estimating a magnetic stator flux and an electrical resistance of a motor winding of the drive device
  • FIG. 3 shows a detailed view of the process in another flow chart
  • FIG 4 is a block diagram of an advantageous Luenberger observer used in the method.
  • Figure 1 shows an electrical drive device 1 in a simplified representation. This is a drive device 1 of a motor vehicle not shown in detail here.
  • the drive device 1 has a permanently excited synchronous machine 2.
  • the machine 2 has a rotatably mounted rotor 3 with a permanent magnet arrangement 4 made up of several permanent magnets and a stator 5.
  • the machine 2 also has a motor winding 6 on the stator side with three phases U, V, W.
  • the motor winding 6 is designed such that it surrounds the rotor 3 so that the rotor 3 can be subjected to a torque by suitable current supply to the phases U, V and W.
  • the drive device 1 further comprises an electrical energy store 7, which is connected or can be connected to the motor winding 6 by a power electronics 8 of the drive device 1 in order to generate the desired torque of the electrical machine 2 by using the energy stored in the energy store 7.
  • the power electronics 8 have a number of half-bridges 10 corresponding to the number of phases U, V and W. Each of the half-bridges 10 is assigned to a different one of the phases U, V and W. In order to enable the desired current supply to the phases U, V and W, each of the half-bridges 10 has at least one high-side switch 11 and at least one low-side switch 12, which are each designed as a semiconductor switch and are connected in series with one another.
  • the power electronics 8 also has an intermediate circuit capacitor 9.
  • the drive device 1 has an advantageous device 13 which has at least one voltage sensor device 14 and a current sensor device 15.
  • the voltage sensor device 14 is designed to detect electrical terminal potentials of the motor winding 6.
  • the voltage sensor device 14 has at least one voltage sensor, preferably several voltage sensors.
  • the current sensor device 15 is designed to detect an electrical current flowing through the respective phase U, V, W.
  • the Current sensor device 15 has at least one, preferably several current sensors. In particular, each phase U, V, W is assigned a current sensor and a voltage sensor
  • the device 13 also has an evaluation unit 16, which is connected for communication purposes to the voltage sensor device 14 and the current sensor device 15.
  • the evaluation unit 16 is designed to estimate a magnetic stator flux, i.e. a magnetic flux generated by the motor winding 6, as well as an electrical resistance of the motor winding 6 depending on the detected currents and/or voltages.
  • a magnetic stator flux i.e. a magnetic flux generated by the motor winding 6, as well as an electrical resistance of the motor winding 6 depending on the detected currents and/or voltages.
  • the method discussed in more detail below is carried out by the evaluation unit 16.
  • the basic structure of the method is shown in Figure 2, a detailed solution of the method in Figure 3 and a block diagram of an advantageous Luenberger observer 17 in Figure 4.
  • the Luenberger observer 17 is connected in parallel to a controlled system model 18 of the machine 2 and is in particular part of the evaluation unit 16, which uses it to estimate stator flux and resistance.
  • the evaluation unit 16 and/or the device 13 are preferably part of a control device 19, which also includes a control unit 20.
  • the control unit 20 is connected to the evaluation unit 16 for communication purposes in order to control the half-bridges 10 or the semiconductor switches of the half-bridges 10 depending on the parameters determined by the evaluation unit 16, in particular stator flux and resistance, for example in order to optimally adjust a torque of the electric machine.
  • the control unit 20 specifies a target stator flux for the machine 2 depending on a torque specification generated by a user of the motor vehicle or by an automatic driving system of the motor vehicle and controls the switches 11 and 12 in such a way that the stator flux of the motor winding 6 corresponds to the target stator flux.
  • a first step S1 the electrical resistance of the motor winding 6 is estimated and in step S2, inside the cascade, the stator flux is estimated.
  • the values recorded by the current sensor device 15 and the voltage sensor device 14 are taken into account as input parameters or values.
  • current and voltage in dq coordinates are used as input values (Udq, Idq).
  • the Luenberger observer shown in Figure 4 is used, which estimates the magnetic stator flux of the machine 2 as a function of the actual current value I and the actual voltage value U in the dq coordinate system.
  • the Luenberger observer is also described, for example, in the as yet unpublished application DE 10 2021 206317.
  • the time discretization is achieved by determining the preferred general time course of the stator flux: over a sampling time Ts is calculated. This is analytically possible and after a few calculation steps leads to the following equation:
  • step S2 provides an estimate for each excitation (current and voltage) that converges to the exact flux value over time (t). Together with the current I, it can be used to estimate the torque.
  • Equation (5) is now the starting point for the estimation of the resistance in particular. Since this is a parametric linear estimation problem, the procedure or the estimation is only carried out if the system or machine 2 is persistently excited. If this property is not present, parameters cannot be clearly reconstructed from the measured currents and voltages. Instead of approaching operating points in which an estimate of the parameters is as error-free as possible, the present provision is that the electrical machine 2 is first checked to see whether persistent excitation is present or not.
  • this criterion is determined using an information criterion, for example a Hankel matrix, and a least mean squares estimate of the resistance is carried out depending on this.
  • a time derivative of the currents is determined, which is estimated from the time-discrete measurements. Since this can result in an estimation error that has an adverse effect on the parameter estimate, a robust sliding mode derivative estimator 22 is preferably used.
  • the resistance estimator is shown as an example in Figure 3.
  • the resistance estimate is adjusted so that the last resistance value estimated successfully, i.e. with persistent excitation, is again used as the basis for determining the magnetic flux. This means that the previously recorded resistance value is then used for the flux estimator. Even if persistent excitation is present, a magnetic flux can be determined with sufficient accuracy using the last available resistance value.
  • the division of the cascade according to Figure 2 is advantageous in that the resistance value can be assumed to change much more slowly than the magnetic flux. The method described has the advantage that all electrical parameters of machine 2 are estimated without having to assume a parameter as given.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer permanentmagneterregten Synchronmaschine (2), wobei die Maschine (2) einen Stator (5) mit einer mehrphasigen Motorwicklung (6) und einen drehbar gelagerten Rotor (3) aufweist, wobei ein magnetischer Statorfluss (Ψ) der Maschine (2) ermittelt und die Maschine (2) in Abhängigkeit von dem Statorfluss (Ψ) angesteuert wird. Es ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit von elektrischen Ist-Werten der Motorwicklung (6) ermittelt wird, ob eine persistente Anregung der Motorwicklung (6) vorliegt, und dass nur dann, wenn eine persistente Anregung vorliegt, ein Widerstand (R) der Motorwicklung (6) geschätzt und der Statorfluss (Ψ) in Abhängigkeit von dem geschätzten Widerstand (R) ermittelt wird.

Description

Beschreibung
Titel
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer permanenterregten Synchronmaschine, wobei die Maschine einen Stator mit einer mehrphasigen Motorwicklung und einem drehbar gelagerten Rotor aufweist, wobei ein magnetischer Statorfluss der Maschine ermittelt und die Maschine in Abhängigkeit von dem Statorfluss angesteuert wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Betreiben einer wie oben beschrieben ausgebildeten Synchronmaschine sowie eine elektrische Antriebseinrichtung, die zumindest eine derartige Synchronmaschine aufweist.
Stand der Technik
Verfahren und Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Eine elektrische Maschine weist üblicherweise einen Stator mit einer mehrphasigen Motorwicklung und einen drehbar gelagerten Rotor auf. Die Motorwicklung ist dabei derart um den Rotor angeordnet, dass der Rotor durch eine geeignete Bestromung der Motorwicklung antreibbar beziehungsweise mit einem Drehmoment beaufschlagbar ist, so dass der Rotor in eine Rotationsbewegung versetzt wird. Insbesondere bei permanenterregten Synchronmaschinen ist es bekannt, im Betrieb der Maschine einen magnetischen Statorfluss der Maschine zu schätzen, um beispielsweise das Drehmoment optimal einstellen zu können. Bekannterweise werden hierzu ein elektrischer Ist-Spannungswert der Motorwicklung sowie ein elektrischer Ist- Stromwert der Motorwicklung ermittelt und der magnetische Statorfluss wird in Abhängigkeit von den ermittelten Werten geschätzt, wie beispielsweise Yoo, Anno, and Seung-Ki Sul. "Design of flux observer robust to interior permanentmagnet synchronous motor flux variation." IEEE Transactions on Industry Applications 45.5 (2009): 1670-1677 beschrieben.
Es sind zahlreiche Verfahren bekannt, wie elektrische Parameter von elektrischen Maschinen geschätzt werden können. Als Parameter werden hierbei insbesondere der elektrische Widerstand der Statorspulen beziehungsweise der Motorwicklung, die Induktivitäten oder äquivalent das Startorflusskennfeld sowie gegebenenfalls der Permanentmagnetfluss berücksichtigt. Die Schätzung der Parameter basiert typischerweise auf den gemessenen Spannungen und Strömen in der Maschine. Dabei kommen sowohl aktive als auch passive Verfahren zum Einsatz. Bei den aktiven Verfahren werden spezielle Signale in die Maschine eingebracht beziehungsweise auf einen Strom aufgeprägt, um einzelne ausgewählte Parameter besonders gut schätzen zu können. Bei passiven Verfahren wird auf eine Signalaufprägung verzichtet und vielmehr der gesuchte Parameter anhand der sich im Betrieb einstellenden Größen geschätzt. So gibt es Flussschätzverfahren, bei denen der Startorwiderstand als bekannt angenommen wird, oder bei denen der Widerstand durch Annahme einer nominalen Induktivität geschätzt wird.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass Widerstand und Statorfluss beide in vorteilhafter Weise geschätzt werden, wobei dies im laufenden Betrieb erfolgt, also ohne eine zusätzliche Signaleinprägung. Hierdurch wird gewährleistet, dass der Wirkungsgrad der Maschine im laufenden Betrieb durch die zusätzliche Signalprägung nicht beeinträchtigt wird. Insbesondere während der Durchführung des Verfahrens werden außer Strom-, Spannungs- und Rotorlage der Maschine keine weiteren Größen gemessen, sodass keine aufwändige Messtechnik für die Durchführung des Verfahrens notwendig ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in Abhängigkeit von elektrischen Ist-Werten, insbesondere einem Ist-Strom und einer Ist-Spannung der Motorwicklung ermittelt wird, ob eine persistente Anregung der Motorwicklung vorliegt, und dass nur dann, wenn eine persistente Anregung vorliegt, der elektrische Widerstand der Motorwicklung geschätzt und der Statorfluss der Motorwicklungen in Abhängigkeit von dem geschätzten Widerstand ermittelt wird. Der Kern der vorliegenden Erfindung betrifft somit das Schätzen von Widerstand und magnetischem Fluss einer permanent magneterregten Synchronmaschine in einer Art Kaskade. Bei dieser wird der magnetische Fluss in Abhängigkeit von dem Widerstand ermittelt, wobei auch der Widerstand geschätzt wird. Vorteilhaft ist, dass alle Parameter geschätzt werden, ohne dass ein Parameter als gegeben angenommen werden muss. Zudem liegen keine Einschränkungen bei der Erfassung der Parameter vor, wie beispielsweise ein Arbeitspunkt-abhängiges Ermitteln der Parameter, wie beispielsweise in Abhängigkeit von einer Drehzahl oder einem aktuellen Drehmoment der elektrischen Maschine. Sofern im ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens festgestellt wurde, dass die Motorwicklung persistent angeregt wird, sind die für die Auswertung notwendigen Parameter fassbar. Sobald die persistente Anregung der Motorwicklung festgestellt wurde, wird die Kaskade ausgeführt, in deren Inneren der Statorfluss unter der Annahme eines korrekt geschätzten Widerstandes geschätzt wird, der insoweit in einer äußeren Schleife bestimmt wird. Vorzugsweise werden dabei Strom und Spannung in -d und q-Q-Koordinaten als Eingangswerte für das Verfahren berücksichtigt. Vorzugsweise wird in Abhängigkeit von dem ermittelten Statorfluss ein aktuelles Drehmoment der Maschine berechnet. Alternativ oder zusätzlich wird in Abhängigkeit von dem ermittelten Statorfluss ein Luftspaltmoment der Maschine geschätzt oder eine Diagnosefunktion durchgeführt, um die Funktionsfähigkeit der Maschine zu überprüfen.
Vorzugsweise wird zum Schätzen des Statorflusses ein Störmodell minimaler Ordnung für einen den Statorfluss überlagernden magnetischen Rotorfluss festgelegt. Insbesondere wird dabei wie in Yoo, Anno, and Seung-Ki Sui. "Design of flux observer robust to interior permanent-magnet synchronous motor flux variation." (siehe oben) vorgegangen, wodurch eine ansonsten vorhandene Unterbestimmtheit im Hinblick auf die Schätzung des Statorflusses aufgelöst wird. Es wird dabei davon ausgegangen, dass bei einem bestimmten Ist- Stromwert und einem bestimmten Ist-Spannungswert stets derselbe Statorfluss vorliegt. Entsprechend ist eine Ableitung des Statorflusses nach der Zeit gleich null. Vorzugsweise wird der Statorfluss mittels eines Luenberger-Beobachters oder mittels eines Kallmann-Filters geschätzt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Fehlerdynamik für den Statorfluss explizit vorgebbar ist und der Schätzfehler dieses Beobachters beweisbar zu null konvergiert, wenn der Widerstand exakt ist. Vorzugsweise wird die Fehlerdynamik durch eine Beobachter- Matrix vorgegeben, vorzugsweise derart, dass die Fehlerdynamik einerseits stabil ist und andererseits die gewünschte Konvergenzgeschwindigkeit aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird für die Schätzung des Statorflusses eine Zeitdiskretisierung durchgeführt, in dem der Zeitverlauf des Statorflusses über eine Abtastzeit berechnet wird. Es erfolgt also eine zeitdiskrete Implementierung insbesondere einer aus der oben genannten früheren Anmeldung bekannten zeitkontinuierlichen Flussdifferenzialgleichung.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Widerstand mittels eines adaptiven Kallmann-Filters, einer Hankel-Matrix und/oder einer Least-Mean-Squares- Schätzung, ermittelt wird. Dadurch, dass das Verfahren nur dann durchgeführt wird, wenn eine persistente Anregung vorliegt, ist der Widerstand mittels dieser Verfahren präzise erfassbar.
Vorzugsweise wird zum Ermitteln des Widerstands zumindest ein Stromwert der Motorwicklung zeitlich abgeleitet. Dies ist vorteilhaft, um aus den zeitdiskreten Messungen die Schätzung vornehmen zu können.
Vorzugsweise wird dabei die Stromableitung mittels eines Sliding-Mode- Ableitungsschätzers durchgeführt, wie er beispielsweise in Arie Levant, Miki Livne, and Xinghuo Yu; Sliding-mode-based differentiation and its application. IFAC-PapersOnLine, 50(1 ):1699-1704, 2017 beschrieben wird. Es hat sich gezeigt, dass dieser eine besonders robuste Schätzung vornimmt, die verhältnismäßig unempfindlich gegenüber Schätzfehlern ist.
Vorzugsweise wird für den Fall, dass keine persistente Anregung der Motorwicklung vorliegt, der zuletzt geschätzte Widerstandswert der Ermittlung des Statorflusses zugrunde gelegt. Ist also in dem Moment, in welchem der Statorfluss bestimmt werden soll, keine persistente Anregung der Motorwicklung zu erkennen, wird der zuletzt erfolgreich geschätzte Widerstandswert, der bei Vorliegen eine persistente Anregung ermittelt wurde, der Schätzung des Statorflusses zugrunde gelegt. Statt einen Statorwiderstand vorzugeben oder anzunehmen, wird somit der zuletzt erfolgreich ermittelte Wert berücksichtigt, wodurch die Statorflussschätzung ausreichend genau feststellbar ist.
Vorzugsweise werden in Abhängigkeit von dem ermittelten Statorfluss und dem ermittelten Widerstand Ansteuerparameter der Maschine angepasst. Dadurch ist ein optimaler Betrieb der permanent erregten Synchronmaschine gewährleistet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich dadurch aus, dass das Steuergerät speziell dazu hergerichtet ist, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Es ergeben sich hierdurch die oben bereits genannten Vorteile.
Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung aus. Es ergeben sich hierdurch die oben bereits genannten Vorteile.
Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
Figur 1 eine elektrische Antriebseinrichtung
Figur 2 ein vorteilhaftes Verfahren in einem Flussdiagramm zum Schätzen eines magnetischen Statorflusses und eines elektrischen Widerstands einer Motorwicklung der Antriebseinrichtung,
Figur 3 eine Detailansicht des Verfahrens in einem weiteren Flussdiagramm, und
Figur 4 ein Blockschaltbild eines vorteilhaften Luenberger-Beobachters, der in dem Verfahren eingesetzt wird. Figur 1 zeigt eine elektrische Antriebseinrichtung 1 in einer vereinfachten Darstellung. Es handelt sich dabei um eine Antriebseinrichtung 1 eines hier nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs. Die Antriebseinrichtung 1 weist eine permanenterregte Synchronmaschine 2 auf. Die Maschine 2 weist einen drehbar gelagerten Rotor 3 mit einer Permanentmagnetanordnung 4 aus mehreren Permanentmagneten und einen Stator 5 auf. Die Maschine 2 weist außerdem statorseitig eine Motorwicklung 6 mit vorliegend drei Phasen U, V, W auf. Die Motorwicklung 6 ist derart ausgebildet, dass sie den Rotor 3 umgibt, sodass der Rotor 3 durch eine geeignete Bestromung der Phasen U, V und W mit einem Drehmoment beaufschlagbar ist.
Die Antriebseinrichtung 1 weist weiterhin einen elektrische Energiespeicher 7 auf, der durch eine Leistungselektronik 8 der Antriebseinrichtung 1 mit der Motorwicklung 6 verbunden beziehungsweise verbindbar ist, um durch Verwendung der in dem Energiespeicher 7 gespeicherten Energie das gewünschte Drehmoment der elektrischen Maschine 2 zu erzeugen.
Die Leistungselektronik 8 weist dazu eine der Anzahl der Phasen U, V und W entsprechenden Anzahl an Halbbrücken 10 auf. Dabei ist jede der Halbbrücken 10 einer jeweils anderen der Phasen U, V und W zugeordnet. Um eine gewünschte Bestromung der Phasen U, V und W zu ermöglichen, weist jede der Halbbrücken 10 jeweils zumindest einen High-Side-Schalter 11 und zumindest einen Low-Side-Schalter 12 auf, die jeweils als Halbleiterschalter ausgebildet und in Reihe zueinander geschaltet sind. Außerdem weist die Leistungselektronik 8 einen Zwischenkreiskondensator 9 auf.
Weiterhin weist die Antriebseinrichtung 1 eine vorteilhafte Vorrichtung 13 auf, die zumindest eine Spannungssensoreinrichtung 14 und eine Stromsensoreinrichtung 15 aufweist. Die Spannungssensoreinrichtung 14 ist dazu ausgebildet, elektrische Klemmenpotenziale der Motorwicklung 6 zu erfassen. Hierzu weist die Spannungssensoreinrichtung 14 zumindest einen Spannungssensor, vorzugsweise mehrere Spannungssensoren auf. Die Stromsensoreinrichtung 15 ist dazu ausgebildet, einen durch die jeweilige Phase U, V, W fließenden elektrischen Strom zu erfassen. Hierzu weist die Stromsensoreinrichtung 15 zumindest einen, vorzugsweise mehrere Stromsensoren auf. Insbesondere ist jeder Phase U, V, W jeweils ein Stromsensor und ein Spannungssensor zugeordnet
Die Vorrichtung 13 weist außerdem eine Auswerteeinheit 16 auf, die kommunikationstechnisch mit der Spannungssensoreinrichtung 14 und der Stromsensoreinrichtung 15 verbunden ist. Die Auswerteeinheit 16 ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von den erfassten Strömen und/oder Spannungen einen magnetischen Statorfluss, also einen durch die Motorwicklung 6 erzeugten magnetischen Fluss, zu schätzen, sowie einen elektrischen Widerstand der Motorwicklung 6. Hierzu wird das im Folgenden näher erörterte Verfahren durch die Auswerteeinheit 16 durchgeführt. Der grundsätzliche Aufbau des Verfahrens ist in Figur 2, eine Detaillösung des Verfahrens in Figur 3 und ein Blockschaltbild eines vorteilhaften Luenberger-Beobachters 17 in Figur 4 gezeigt.
Der Luenberger-Beobachter 17 ist parallel zu einem Regelstreckenmodell 18 der Maschine 2 geschaltet und insbesondere Teil der Auswerteeinheit 16, die diesen zur Schätzung von Statorfluss und Widerstand nutzt.
Die Auswerteeinheit 16 und/oder die Vorrichtung 13 sind vorzugsweise Teil eines Steuergeräts 19, das außerdem eine Steuereinheit 20 umfasst. Die Steuereinheit 20 ist kommunikationstechnisch mit der Auswerteeinheit 16 verbunden, um in Abhängigkeit der durch die Auswerteeinheit 16 ermittelten Parameter, insbesondere Statorfluss und Widerstand, die Halbbrücken 10 beziehungsweise die Halbleiterschalter der Halbbrücken 10 anzusteuern, beispielsweise um ein Drehmoment der elektrischen Maschine optimal einzustellen. So gibt die Steuereinheit 20 beispielsweise in Abhängigkeit von einer Drehmomentvorgabe, die von einem Benutzer des Kraftfahrzeugs oder von einem automatischen Fahrsystem des Kraftfahrzeugs generiert wurde, einen Soll-Statorfluss für die Maschine 2 vor und steuert die Schalter 11 und 12 derart an, dass der Statorfluss der Motorwicklung 6 dem Soll-Statorfluss entspricht.
Zur Feststellung des Statorflusses wird dieser vorteilhafterweise geschätzt. Dazu dient das in Figur 2 im Wege eines Blockschaltbilds gezeigte Verfahren. Das Verfahren nutzt eine vorteilhafte Kaskade zur Bestimmung von Statorfluss und Widerstand:
In einem ersten Schritt S1 wird zunächst der elektrische Widerstand der Motorwicklung 6 und im Schritt S2, im Inneren der Kaskade, der Statorfluss geschätzt Zur Schätzung von Statorfluss und Widerstandswert werden als Eingangsparameter oder -werte die von der Stromsensoreinrichtung 15 und der Spannungssensoreinrichtung 14 erfassten Werte berücksichtigt. Insbesondere werden Strom und Spannung in dq- Koordinaten als Eingangswerte (Udq, Idq) eingesetzt. Zur Ermittlung des Statorflusses wird der in Figur 4 gezeigte Luenberger-Beobachter eingesetzt, der in Abhängigkeit von dem Ist-Stromwert I und dem Ist-Spannungswert U in dem dq-Korrdinatensystemden magnetischen Startorfluss der Maschine 2 schätzt. Der Luenberger-Beobachter ist beispielsweise auch in der noch nicht veröffentlichten Anmeldung DE 10 2021 206317 beschrieben. Zusätzlich zu der dort beschriebenen Schätzung wird in dem vorliegenden Verfahren eine exakte zeitdiskrete Implementierung der zugrunde liegenden zeitkontinuierlichen Fluss- Differenzialgleichung verwendet: qj‘dq = -U)Y ipdq + Udq - Rldq = "WY ^dq + Tdq(<j)) Uuvw - Rldq (1)
Dabei ist Y eine konstante schiefsymmetrische Matrix, die eine Eigendynamik der Maschine 2 beschreibt, mit Y = w die elektrische Kreisfrequenz, der
Figure imgf000010_0001
magnetische Statorfluss,
Figure imgf000010_0002
die zeitliche Ableitung des Statorflusses, U die gemessene Spannung, R eine Matrix, die den elektrischen Widerstand der Motorwicklung 6 beschreibt, und I der gemessene Strom der Motorwicklung 6.
Die Zeitdiskretisierung wird erreicht, indem der bevorzugte allgemeine Zeitverlauf des Statorflusses:
Figure imgf000010_0003
über eine Abtastzeit Ts berechnet wir.d Dies ist analytisch möglich und führt nach einigen Rechenschritten auf die folgende Gleichung:
Figure imgf000011_0001
Im Gegensatz zu dem einfachen Zeitdiskretisierungsverfahren, wie beispielsweise Euler- oder Heun-Verfahren, ist diese Diskretisierung exakt zu den Abtastenzeitpunkten. Somit entsteht kein systematischer Fehler durch die Zeitdiskretisierung, welcher das Schätzergebnis verfälschen könnte. Der Flussschätzer in Schritt S2 liefert für jede Anregung (Strom und Spannung) eine Schätzgröße, die über die Zeit (t) auf den exakten Flusswert konvergiert. Zusammen mit dem Strom I kann er für die Schätzung des Drehmoments
T = - 3 pITYi (4) verwendet werden.
Für die Widerstandschätzung wird zunächst die Differenzialgleichung der Ströme in eine lineare Darstellung gewandelt:
Figure imgf000011_0002
in der die unbekannten Parameter im Vektor
0 = [Ld Lq km R] (6) zusammengefasst sind. Damit bezeichnen Ld, Lq die Induktivitäten, km den Permanentmagnetfluss und R den Widerstand der Motorwicklung 6. Die Gleichung (5) ist nun der Ausgangspunkt für die Schätzung insbesondere des Widerstands. Da es sich um ein parametrisch lineares Schätzproblem handelt, wird das Verfahren beziehungsweise die Schätzung nur dann durchgeführt, wenn das System beziehungsweise die Maschine 2 persistent angeregt ist. Ist diese Eigenschaft nicht gegeben, könnten Parameter nicht eindeutig aus den gemessenen Strömen und Spannungen rekonstruiert werden. Anstatt nun Betriebspunkte anzufahren, in denen eine Schätzung der Parameter möglichst fehlerfrei ist, ist vorliegend vorgesehen, dass zunächst die elektrische Maschine 2 darauf geprüft wird, ob eine persistente Anregung vorliegt oder nicht.
Es wird daher zunächst in Abhängigkeit von den erfassten Strömen und Spannungen bestimmt, ob eine persistente Anregung vorliegt, um nur dann, wenn die persistente Anregung festgestellt wird, die Schätzung für den Widerstand durchzuführen. Dies wird insbesondere mit einem adaptiven Kalman- Filter erreicht. Alternativ wird dieses Kriterium mithilfe eines Informationskriteriums, beispielsweise einer Hankel-Matrix, bestimmt, und abhängig davon eine Least-Mean-Squares-Schätzung des Widerstands durchgeführt.
Zur Parameterschätzung mittels der Gleichung (5) wird eine zeitliche Ableitung der Ströme bestimmt, die aus den zeitdiskreten Messungen geschätzt wird. Da hierbei ein Schätzfehler entstehen kann, der sich ungünstig auf die Parameterschätzung fortpflanzt, wird bevorzugt ein robuster Sliding-Mode- Ableitungsschätzer 22 eingesetzt. Der Widerstandsschätzer ist beispielhaft in Figur 3 gezeigt.
Wird bei der Prüfung der persistenten Anregung festgestellt, dass keine persistente Anregung vorliegt, wird die Widerstandsschätzung derart angepasst, dass der zuletzt erfolgreich, also bei einer persistenten Anregung, geschätzte Widerstandswert erneut für die Bestimmung auch des magnetischen Flusses zugrunde gelegt wird. Das heißt, dass dann der zuvor erfasste Widerstandswert für den Flussschätzer weiterverwendet wird. Auch wenn die persistente Anregung vorliegt, kann mit dem zuletzt verfügbaren Widerstandswert ein magnetischer Fluss ausreichend genau bestimmt werden. Die Aufteilung der Kaskade gemäß Figur 2 ist insofern vorteilhaft, als dass beim Widerstandswert von einer deutlich langsameren Änderung ausgegangen werden kann, als beim magnetischen Fluss. Das beschriebene Verfahren hat den Vorteil, dass alle elektrischen Parameter der Maschine 2 geschätzt werden, ohne dass ein Parameter als gegeben angenommen werden muss. Auch erfolgt keine Einschränkung des Betriebs der Maschine zur Bestimmung der Parameter, insbesondere muss kein Arbeitspunkt der Maschine extra eingestellt werden, um eine erfolgreiche Parameterschätzung vornehmen zu können. Im Fall der Widerstandsschätzung wird automatisch detektiert, ob die Signalregungen ausreichend zur Schätzung ist, also ob eine persistente Anregung vorliegt. Vorteilhaft ist außerdem, dass die Flussschätzung beweisbar konvergiert und im Fall eines exakt geschätzten Widerstands auch der Flussschätzfehler null ist. Die Dynamik des Flussschätzers ist außerdem explizit vorgebbar, wodurch sich Freiheitsgrade bei der Applikation des Verfahrens ergeben. Außerdem kann eine Diskreditierungsvorschrift zur digitalen Implementierung des Verfahrens verwendet werden, welche keine zusätzlichen Schätzfehler hervorruft. Das gesamte Verfahren ist effizient und online, also im laufenden Betrieb, durchführbar und benötigt nicht einen speziellen Arbeits- oder Messpunkt oder externe Hilfsmittel.
Simulationsergebnisse haben bereits gezeigt, dass der magnetische Fluss während des ganzen Simulationsverlaufs annähernd perfekt zum tatsächlichen Verlauf passt. Auch für den Widerstandsverlauf konnte festgestellt werden, dass bei einer ausreichenden Anregung der Widerstand sehr gut innerhalb einiger Zeitschritte bestimmt wird.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer permanentmagnet-erregten Synchronmaschine (2), wobei die Maschine (2) einen Stator (5) mit einer mehrphasigen Motorwicklung (6) und einen drehbar gelagerten Rotor (3) aufweist, wobei ein magnetischer Statorfluss (UJ) der Maschine (2) ermittelt und die Maschine (2) in Abhängigkeit von dem Statorfluss (UJ) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von elektrischen Ist-Werten der Motorwicklung (6) ermittelt wird, ob eine persistente Anregung der Motorwicklung (6) vorliegt, und dass nur dann, wenn eine persistente Anregung vorliegt, ein Widerstand (R) der Motorwicklung (6) geschätzt und der Statorfluss (UJ) in Abhängigkeit von dem geschätzten Widerstand (R) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zum Schätzen des Statorflusses (UJ) ein Störmodell minimaler Ordnung für einen den Statorfluss überlagernden magnetischen Rotorfluss festgelegt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorfluss (UJ) mittels eines Luenberger-Beobachters (17) oder mittels eines Kalman-Filters geschätzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Schätzung des Statorflusses (UJ) eine Zeitdiskretisierung durchgeführt wird, in dem der Zeitverlauf des Statorflusses über eine Abtastzeit (Ts) berechnet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (R) mittels eines adaptiven Kalman- Filters, einer Hankel-Matrix und/oder einer Least-Mean-Squares-Schätzung ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Widerstands (R) zumindest ein Stromwert der Motorwicklung (6) zeitlich abgeleitet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromableitung mittels eines Sliding-Mode- Ableitungsschätzers durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass keine persistente Anregung der Motorwicklung (6) vorliegt, der zuletzt geschätzte Widerstandswert der Ermittlung des Statorflusses (UJ) zugrunde gelegt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem ermittelten Statorfluss Ansteuerparameter der Maschine (2) angepasst werden.
10. Vorrichtung (13) zum Betreiben einer permanentmagnet-erregten Synchronmaschine, wobei die Maschine (2) einen Stator (5) mit einer mehrphasigen Motorwicklung (6) und einen drehbar gelagerten Rotor (3) aufweist, mit einer Leistungselektronik (8) und mit einem die Leistungselektronik (8) ansteuernden Steuergerät (19), dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (19) speziell dazu hergerichtet ist, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
11 . Elektrische Antriebseinrichtung (1), aufweisend zumindest eine permanentmagnet-erregten Synchronmaschine (2), wobei die Maschine (2) einen Stator (5) mit einer mehrphasigen Motorwicklung (6) und einen drehbar gelagerten Rotor (3) aufweist, wenigstens eine Leistungselektronik (8) und eine Vorrichtung (13) gemäß Anspruch 11 .
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