WO2024153299A1 - Vektorsteuerverfahren für eine synchronmaschine und steuereinheit - Google Patents

Vektorsteuerverfahren für eine synchronmaschine und steuereinheit Download PDF

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WO2024153299A1
WO2024153299A1 PCT/DE2024/100039 DE2024100039W WO2024153299A1 WO 2024153299 A1 WO2024153299 A1 WO 2024153299A1 DE 2024100039 W DE2024100039 W DE 2024100039W WO 2024153299 A1 WO2024153299 A1 WO 2024153299A1
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axis
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mtpa
synchronous machine
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Florian EBERHARDT
Florian VON BERTRAB
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • H02P21/0003—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control
    • H02P21/0025—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control implementing a off line learning phase to determine and store useful data for on-line control
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    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/60—Controlling or determining the temperature of the motor or of the drive

Definitions

  • the invention relates to a vector control method for a synchronous machine, in particular a permanent magnet synchronous machine (PMSM), and a control unit which is designed and programmed to carry out the vector control method.
  • PMSM permanent magnet synchronous machine
  • a control unit which is designed and programmed to carry out the vector control method.
  • the currents that are optimal for efficiency in the operation of the synchronous machine are usually stored in lookup tables.
  • One table is used for a D-axis current and one table for a Q-axis current, in which the currents are stored as a function of a target torque (positive and negative), a speed, a voltage that can be applied to the stator windings by the power electronics unit, in particular an applicable direct voltage, and a rotor temperature.
  • the currents can also be stored depending on a target torque, a speed and a rotor temperature.
  • the speed is scaled according to a ratio of the voltage that can be applied to the stator windings by the power electronics to the nominal voltage of the power electronics, ie a maximum voltage that can be applied by the power electronics. For example, with a ratio of 0.5, the speed is doubled.
  • the input variables target torque and speed are usually much higher than the input variables temperature and voltage because they vary significantly more during operation of the synchronous machine and have a greater influence on the currents.
  • the relationship between current and speed is approximately inversely proportional. This must be taken into account by a very uneven distribution of the support points and can therefore lead to large interpolation errors.
  • Q-axis and D-axis target currents are determined by respective assignments that link a target torque and a target flux strength with the Q-axis target current or the D-axis target current without taking into account a voltage variation of a voltage to be applied to the stator windings of the synchronous machine.
  • the assignments can in particular be stored as a lookup table.
  • the voltage variation is previously regulated or compensated by adjusting the target flux strength.
  • the voltage variation is primarily a voltage drop across a resistor in the stator windings. However, the voltage variation is also influenced by losses in a power electronics unit for controlling the synchronous machine and a voltage drop in the cables used.
  • the voltage variation can be compensated for in the method according to the invention without extending the assignment.
  • the method according to the invention also takes advantage of the fact that the ideal Q-axis and D-axis currents are approximately linearly related to the flux strength. It should be noted that the flux strength is the quotient of the voltage and the electrical frequency. In contrast to conventional lookup tables, this linear relationship can significantly reduce the number of support points. For example, a short-circuit current point can be mapped as a point with the flux strength 0 Vs.
  • the respective assignments for determining the Q-axis and D-axis target currents can additionally link a property parameter that relates to a variability of magnetic and electrical properties of the synchronous machine to the Q-axis target current or the D-axis target current.
  • the property parameter can preferably be a rotor temperature. Consequently, the Q-axis and D-axis target currents can be determined more precisely.
  • the voltage variation can be regulated based on a flux strength difference between a maximum flux strength, which corresponds to a maximum voltage that can be applied by a power electronics unit for controlling the synchronous machine, and a current flux strength, which corresponds to a voltage currently applied to the stator windings.
  • the voltage variation can be appropriately regulated.
  • the maximum flux strength can be determined as the quotient of a maximum voltage that can be applied to the stator windings by the power electronics unit, i.e. the maximum voltage, and the electrical frequency.
  • the current flux strength can be determined as the quotient of the voltage currently applied to the stator windings and the electrical frequency.
  • the flux strength difference can be input into an I controller in order to determine a correction flux strength. Consequently, the correction flux strength can be determined in a simple manner.
  • a sum of the maximum flow rate and the correction flow rate or an efficiency-optimal flow rate in the event that the sum exceeds the efficiency-optimal flow rate can be used as the target flow rate. This ensures that the target flow rate is always limited to the efficiency-optimal flow rate.
  • the efficiency-optimal flow rate can be determined using the maximum torque per ampere (MTPA) method. Consequently, the efficiency-optimal flow rate can be determined in a simple manner.
  • the target torque can be standardized to a maximum torque, ie to the maximum torque achievable at the target flow rate, and the respective assignments for determining the Q-axis and D-axis target currents can receive the standardized target torque as the target torque.
  • the values of the torques are stored as absolute values. This means that flux strength values are determined at specified torque intervals, e.g. 10 Nm, and stored in the tables.
  • the maximum available torque can drop significantly. As a result, part of the lookup tables cannot be used and the resolution in an effectively usable range decreases.
  • field weakening in the area of a maximum torque of the synchronous machine can lead to significant interpolation errors that are difficult to correct.
  • the maximum torque can be determined on the basis of the target flux strength and the property parameter. As a result, the maximum torque can be determined in a simple manner.
  • the respective assignments for determining the Q-axis and D-axis target currents can be parameterized for motor operation of the synchronous machine and generator operation of the synchronous machine can be taken into account by inverting the Q-axis target current. Consequently, in contrast to parameterization for motor operation and generator operation, the memory space for storing the respective assignments can be reduced by half. In contrast to conventional lookup tables, the required memory space can even be reduced to approximately one sixth.
  • a control unit according to the invention is designed and programmed to carry out the vector control method according to one of the preceding aspects. For this purpose, the control unit can receive the required input variables either directly, e.g.
  • control unit can also output parameters for operating a power electronics unit that drives the synchronous machine to the power electronics unit.
  • Fig.1 a schematic view of a control unit
  • Fig.2 a diagram showing current points for current tables for determining a Q-axis target current and a D-axis target current, the diagram showing an MTPA line
  • Fig.3 a diagram showing current points depending on a target flux strength and a target torque as well as an MTPA line
  • Fig.4 a diagram showing current points that were determined for values of the target torque normalized to the maximum torque as a function of the target flux strength and the target torque as well as an MTPA line
  • P220671 DE - 7 - Fig.5 is a schematic view of a target flux intensity adjustment section of the control unit.
  • the figures are merely schematic in nature and serve exclusively to understand the invention.
  • Fig.1 shows a schematic view of a control unit 1 for controlling an operation of a synchronous machine or a power electronics unit, which in turn controls the synchronous machine, according to an embodiment of the invention.
  • the control unit 1 comprises functional sections for carrying out processing of a method according to the invention.
  • the functional sections are implemented by executing software stored in the control unit 1 or by calling up data stored in the control unit 1.
  • the control unit 1 has a current determination section 2 and a target flux intensity adjustment section 3.
  • the current determination section 2 in turn has current tables 4 as assignments for determining the Q-axis current Iq or the D-axis current Id.
  • the current tables 4 have at least one target flux strength ⁇ Tgt_MTPA and a target torque MTgt as input parameters. This means that the current tables 4 each link the target flux strength ⁇ Tgt_MTPA and the target torque MTgt with the Q-axis current Iq or the D-axis current Id.
  • the links can be stored in a common table or in different tables. If different tables are used, the tables can have a different resolution.
  • the current tables 4 can also have a property parameter that relates to a variability of electrical or magnetic properties of the synchronous machine or its components as an input parameter. In the present embodiment, the current tables 4 have a rotor temperature TRotor as a further input parameter.
  • the currents Iq and Id can be determined even more precisely.
  • P220671 EN - 8 - Only stationary operating points of the synchronous machine are stored in the current tables 4, so that terms relating to transient changes in the currents Iq and Id are not taken into account.
  • the current tables 4 only take into account the flux strength that is responsible for generating the stator field. A voltage variation that is influenced by, for example, a voltage drop on stator windings, a loss in the line electronics unit and a voltage drop in the lines used is therefore neglected in the current tables 4. Due to this approach, the current tables 4 cover all voltage levels and speeds.
  • the diagram in Fig.2 shows current points with the associated Iq and Id values at a rotor temperature of 20 °C as well as the resulting flux strength and the achievable torque.
  • the diagram in Fig.2 therefore illustrates the values stored in the current tables 4.
  • the flux strength corresponds to the quotient of the voltage applied to the stator windings and the electrical frequency.
  • the voltage variation thus corresponds to a weakening of the flux strength due to losses.
  • the electrical frequency can be calculated from the mechanical speed of a rotor of the synchronous machine and the number of poles.
  • the target torque MTgt is not entered as an absolute value in the current tables 4, but is previously standardized to a maximum torque Mmax_MTPA.
  • Mmax_MTPA maximum torque
  • the individual current points are determined at a predetermined torque interval, e.g. 10 Nm.
  • a maximum torque per ampere (MTPA) line is shown in the diagram.
  • Current points that are actually used to control the synchronous machine are marked with an x in the diagram.
  • the current determination section 2 can preferably have a maximum torque determination section 5 and a standardization section 6.
  • the maximum torque determination section 5 can be designed as a lookup table and can determine a corresponding achievable maximum torque Mmax_MTPA based on the target flux strength ⁇ Tgt_MTPA and the rotor temperature TRotor.
  • the maximum torque Mmax_MTPA corresponds to the highest current point that can still be used in Fig.3.
  • the target torque MTgt is then standardized to the determined maximum torque Mmax_MTPA and entered into the current tables 4, which can receive the standardized target torque MRelativ as an input parameter.
  • a diagram in Fig.4 shows current points for different combinations of target flux strength ⁇ Tgt_MTPA and target torque MTgt, whereby the current points were determined at predetermined intervals of the standardized target torque MRelativ, e.g.
  • the torque axis in the diagram indicates the actual power value. It can therefore be seen in the diagram that by standardizing the target torque MTgt to the maximum torque Mmax_MTPA, a density of current points for low flux strengths can be significantly increased, enabling more efficient control of the synchronous machine in this range.
  • the current tables 4 neglect a voltage variation of the voltage to be applied to the stator windings. Therefore, an adjustment of the target flow strength ⁇ Tgt_MTPA in the superimposed or upstream target flow strength adjustment section 3 is necessary in order to regulate or compensate for the voltage variation.
  • Fig.5 shows a schematic view of the target flow strength adjustment section 3, which in turn has a section 7 for determining the efficiency-optimal flow P220671 EN - 10 - strength and a voltage control section 8.
  • the target flux strength adjustment section 3 receives the target torque MTgt, the rotor temperature TRotor, a maximum voltage UMax, a voltage Uctrl_req currently applied to the stator windings and the current electrical frequency ⁇ el. It should be noted that the maximum voltage UMax is predetermined by a limitation of the power electronics unit that controls the synchronous machine.
  • the voltage control section 8 calculates the associated flux strengths, ie a maximum flux strength ⁇ Max and a current flux strength ⁇ ctrl_req, from the maximum voltage UMax and the currently applied voltage Uctrl_req by dividing by the electrical frequency ⁇ el.
  • a flux strength difference ⁇ Error is then calculated from these values as the difference between the maximum flux strength ⁇ Max and the current flux strength ⁇ ctrl_req.
  • the flux strength difference ⁇ Error is then input into an I-controller 10 to determine a correction flux strength ⁇ correction. This is then added to the maximum flux strength ⁇ Max.
  • section 7 determines an efficiency-optimal flux strength ⁇ Max_MTPA for the target torque MTgt at the rotor temperature TRotor using the MTPA method and inputs this into the voltage control section 8.
  • the comparison section 11 of the voltage control section 8 compares the efficiency-optimal flux strength ⁇ Max_MTPA with the sum of the maximum flux strength ⁇ Max and the correction flux strength ⁇ correction and outputs the minimum of these two values.
  • the target flux strength ⁇ Tgt_MTPA is limited to the efficiency-optimal flux strength ⁇ Max_MTPA. This means that an area located to the right of the MTPA line in the diagram in Fig.4 is not taken into account when controlling the synchronous machine.
  • the adjusted target flux intensity ⁇ Tgt_MTPA is output to the current determination section 2, which then determines the Q-axis current Iq and the D-axis current Id using the current tables 4.
  • the voltage control section 8 can have a further comparison section 12 which determines a maximum torque flux intensity ⁇ AtMaxTorque corresponding to a value in P220671 EN - 11 - the current operating point corresponds to the maximum applicable flux strength, compares it with the sum of the maximum flux strength ⁇ Max and the correction flux strength ⁇ correction and outputs the minimum of these two values as the theoretical maximum target flux strength ⁇ Tgt_Max.
  • a section 9 for determining the theoretical maximum torque based on the theoretical maximum target flux strength ⁇ Tgt_Max and the rotor temperature TRotor can output a theoretical maximum torque M Max .
  • the theoretical maximum torque M Max is, for example, an important value with regard to the utilization of the synchronous machine. It has also proven particularly advantageous if the current tables 4 are only created for motor operation of the synchronous machine and stored in the control unit 1. The generator operation of the synchronous machine is taken into account in this case by inverting the Q-axis current. This is taken into account by inverting the sign of the output Q-axis current in the current determination section 2 when the target torque is negative. In this way, the current tables can be made smaller, so that storage space in the control unit 1 can be saved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Vektorsteuerverfahren für eine Synchronmaschine, insbesondere eine Permanentmagnet-Synchronmaschine, bei dem Q-Achsen- und D-Achsen-Sollströme (lq, Id) durch jeweilige Zuordnungen (4), die ein Sollmoment (MTgt) und eine Sollflussstärke (ΨTgt_MTPA) mit dem Q-Achsen-Sollstrom ( lq) bzw. dem D-Achsen-Soll-strom (Id) ohne Berücksichtigung einer Spannungsvariation einer an Statorwicklungen der Synchronmaschine anzulegenden Spannung verknüpfen, bestimmt werden. Die Spannungsvariation wird vorhergehend durch Anpassung der Sollflussstärke (ΨTgt_MTPA) ausgeregelt oder kompensiert. Die Erfindung betrifft ferner eine Steuereinheit, die ausgebildet und programmiert ist, das Vektorsteuerverfahren auszuführen.

Description

P220671 DE - 1 - Vektorsteuerverfahren für eine Synchronmaschine und Steuereinheit Die Erfindung betrifft ein Vektorsteuerverfahren für eine Synchronmaschine, insbeson- dere eine Permanentmagnet-Synchronmaschine (PMSM), und eine Steuereinheit, die ausgebildet und programmiert ist, das Vektorsteuerverfahren auszuführen. Für einen effektiven Betrieb einer Synchronmaschine ist es wichtig, dass in Abhängig- keit von einem gegenwärtigen Arbeitspunkt wirkungsgradoptimale Ströme in Stator- wicklungen der Synchronmaschine eingeprägt werden. Bei steigender Drehzahl eines Rotors der Synchronmaschine wird aufgrund der Back Electromagnetic Force (Back- EMF) eine steigende Spannung benötigt. Um die Synchronmaschine bei Erreichen ei- ner Maximalspannung einer Leistungselektronikeinheit, die die Statorwicklungen an- treibt, auch mit hohen Drehzahlen betrieben zu können, wird das Magnetfeld der Syn- chronmaschine über eine entsprechende Anpassung der Ströme geschwächt. An- dernfalls kann ein Betrieb der Synchronmaschine instabil oder sogar unkontrollierbar werden. Im Generatorbetrieb der Synchronmaschine kann es bei Überschreiten der Maximalspannung zu Stromspitzen, die die Leistungselektronikeinheit beschädigen können, und zu schwingenden Momenten, die vom geforderten Sollmoment signifikant abweichen, kommen. Die schwingenden Momente führen z.B. bei Elektrofahrzeugen zu einem unsicheren Fahrverhalten, was daher zwingend zu verhindern ist. Aufgrund einer Limitierung einer Hardware einer Steuereinheit, die den Betrieb der Synchron- maschine steuert bzw. regelt, sind Steuer- bzw. Regelverfahren zudem rechen- und speichereffizient auszulegen. Üblicherweise werden die wirkungsgradoptimalen Ströme für den Betrieb der Syn- chronmaschine in Lookup-Tabellen gespeichert. Es wird jeweils eine Tabelle für einen D-Achsen-Strom und eine Tabelle für einen Q-Achsen-Strom verwendet, in denen die Ströme jeweils in Abhängigkeit eines Solldrehmoments (positiv und negativ), einer Drehzahl, einer durch die Leistungselektronikeinheit an den Statorwicklungen anleg- baren Spannung, insbesondere einer anlegbaren Gleichspannung, und einer Rotor- temperatur hinterlegt sind. Alternativ können die Ströme auch in Abhängigkeit eines Sollmoments, einer Drehzahl und einer Rotortemperatur hinterlegt werden. In diesem P220671 DE - 2 - Fall wird die Drehzahl entsprechend einem Verhältnis der durch die Leistungselektro- nik an den Statorwicklungen anlegbaren Spannung zu der Nennspannung der Leis- tungselektronik, d.h. einer durch die Leistungselektronik maximal anlegbaren Span- nung, skaliert. Beispielsweise wird bei einem Verhältnis von 0,5 die Drehzahl verdop- pelt. Die Eingangsgrößen Sollmoment und Drehzahl sind dabei meist sehr viel höher als die Eingangsgrößen Temperatur und Spannung aufgelöst, weil sie während des Be- triebs der Synchronmaschine deutlich stärker variieren und einen größeren Einfluss auf die Ströme haben. Der Zusammenhang zwischen Strom und Drehzahl ist näherungsweise umgekehrt proportional. Dem muss durch eine stark ungleiche Verteilung der Stützstellen Rech- nung getragen werden und kann daher zu großen Interpolationsfehlern führen. Es sind mehrere Verfahren zur Feldschwächung, um dadurch die Drehzahl eines Ro- tors über eine Basisdrehzahl hinaus zu erhöhen, bekannt. Häufig wird bei Überschrei- ten einer vorgegebenen Spannung, z.B. der Maximalspannung oder eines vorgegebe- nen Anteils (z.B.90 %) der Maximalspannung, negativer D-Achsen-Strom zusätzlich eingeprägt, um das Statorfeld in vielen Arbeitspunkten zu schwächen. Anschließend kann der Q-Achsen-Strom angepasst werden, um das Moment konstant zu halten. Bei einem D-Achsen-Strom, der kleiner als ein Kurzschlussstrom ist, bewirkt zusätzlicher negativer D-Achsen-Strom keine Verringerung der benötigten Spannung mehr, son- dern führt im Gegenteil sogar zu einer Erhöhung der Spannung an den Statorwicklun- gen. Dies führt zu einer Invertierung der Regelstrecke und zu einem instabilen Betrieb der Synchronmaschine. Dieses Verfahren zur Feldschwächung ist somit für Synchron- maschinen, die im Motorbetrieb mit einem D-Achsen-Strom, der kleiner als der Kurz- schlussstrom ist, betrieben werden, nicht in der Lage, das Statorfeld zu schwächen und weist darüber hinaus den Nachteil auf, dass die Regelgröße einen stark nichtline- aren Zusammenhang zur Stellgröße aufweist. P220671 DE - 3 - In seiner Dissertation „Effiziente und dynamische Drehmomenteinprägung in hoch ausgenutzten Synchronmaschinen mit eingebetteten Magneten“ beschreibt T. Ge- maßmer als eine alternative Möglichkeit zur Feldschwächung einen überlagerten Spannungsregler, der eine in die Lookup-Tabellen einzugebende Drehzahl hin zu hö- heren Werten bzw. den Versorgungsspannungsinput hin zu niedrigeren Werten regelt, wenn eine an die Statorwicklungen anzulegende Spannung größer als eine vorgege- bene Spannung ist. Diese Methode hat aber den Nachteil, dass es schwer ist, einen Einsatz der Feldschwächung in Richtung einer niedrigen Spannung korrekt zu begren- zen. Dies rührt daher, dass jedes Moment in Abhängigkeit einer gegenwärtigen Dreh- zahl eine andere Minimalspannung, bei der keine Feldschwächung erforderlich ist, aufweist. In der Praxis muss diese Regelung deshalb so begrenzt werden, dass das Feld nur geschwächt wird. Eine in den Tabellen hinterlegte Feldschwächung, die z.B. für einen wirkungsgradoptimalen Generatorbetrieb der Synchronmaschine zu stark ist, kann nicht unterbunden oder rückgängig gemacht werden. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Vektorsteuerverfah- ren für eine Synchronmaschine und eine Steuereinheit bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch das Vektorsteuerverfahren und die Steuereinheit mit den Merkmalen ge- mäß der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Ge- genstand der abhängigen Ansprüche. Bei einem erfindungsgemäßen Vektorsteuerverfahren für eine Synchronmaschine, insbesondere eine Permanentmagnet-Synchronmaschine (PMSM), werden Q-Ach- sen- und D-Achsen-Sollströme durch jeweilige Zuordnungen, die ein Sollmoment und eine Sollflussstärke mit dem Q-Achsen-Sollstrom bzw. dem D-Achsen-Sollstrom ohne Berücksichtigung einer Spannungsvariation einer an Statorwicklungen der Synchron- maschine anzulegenden Spannung verknüpfen, bestimmt. Die Zuordnungen können insbesondere als Lookup-Tabelle hinterlegt sein. Die Spannungsvariation wird vorher- gehend durch Anpassung der Sollflussstärke ausgeregelt oder kompensiert. Die Spannungsvariation ist dabei vornehmlich ein Spannungsabfall an einem Widerstand der Statorwicklungen. Die Spannungsvariation wird aber auch durch Verluste in einer Leistungselektronikeinheit zum Ansteuern der Synchronmaschine und einen Span- nungsabfall in den verwendeten Leitungen beeinflusst. Durch die Spannungsvariation P220671 DE - 4 - wird folglich ein Feld in der Synchronmaschine geschwächt. Die Spannungsvariation kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ohne Erweiterung der Zuordnung kom- pensiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt zudem aus, dass die idealen Q-Achsen- und D-Achsen-Ströme näherungsweise linear mit der Flussstärke zusam- menhängen. Es ist anzumerken, dass die Flussstärke der Quotient aus der Spannung und der elektrischen Frequenz ist. Durch diesen linearen Zusammenhang kann im Gegensatz zu konventionellen Lookup-Tabellen die Anzahl der Stützstellen deutlich verringert werden. Beispielsweise lässt sich ein Kurzschlussstrompunkt als ein Punkt mit der Flussstärke 0 Vs abbilden. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung können die jeweiligen Zuordnungen zum Bestimmen der Q-Achsen- und D-Achsen-Sollströme zusätzlich einen Eigen- schaftsparameter, der eine Veränderlichkeit von magnetischen und elektrischen Ei- genschaften der Synchronmaschine betrifft, mit dem Q-Achsen-Sollstrom bzw. dem D- Achsen-Sollstrom verknüpfen. Der Eigenschaftsparameter kann dabei bevorzugt eine Rotortemperatur sein. Demzufolge können die Q-Achsen- und D-Achsen-Sollströme genauer bestimmt werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Spannungsvaria- tion anhand einer Flussstärkedifferenz zwischen einer Maximalflussstärke, die einer durch eine Leistungselektronikeinheit zum Ansteuern der Synchronmaschine anlegba- ren Maximalspannung entspricht, und einer gegenwärtigen Flussstärke, die einer ge- genwärtig an den Statorwicklungen anliegenden Spannung entspricht, ausgeregelt werden. Demzufolge kann die Spannungsvariation angemessen ausgeregelt werden. Es ist anzumerken, dass die Maximalflussstärke als Quotient einer maximal durch die Leistungselektronikeinheit an die Statorwicklungen anlegbaren Spannung, d.h. der Maximalspannung, und der elektrischen Frequenz bestimmt werden kann. Die gegen- wärtige Flussstärke kann als der Quotient der gegenwärtig an den Statorwicklungen anliegenden Spannung und der elektrischen Frequenz bestimmt werden. Gemäß einem zusätzlichen Aspekt kann die Flussstärkedifferenz in einen I-Regler eingebeben werden, um eine Korrekturflussstärke zu ermitteln. Folglich kann die Kor- rekturflussstärke auf einfache Weise ermittelt werden. P220671 DE - 5 - Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt kann eine Summe aus der Maximalfluss- stärke und der Korrekturflussstärke oder eine wirkungsgradoptimale Flussstärke für den Fall, dass die Summe die wirkungsgradoptimale Flussstärke überschreitet, als die Sollflussstärke verwendet werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Soll- flussstärke stets auf die wirkungsgradoptimale Flussstärke begrenzt ist. Gemäß einem bevorzugten Aspekt kann die wirkungsgradoptimale Flussstärke unter Verwendung des Maximum Torque per Ampere (MTPA)-Verfahrens bestimmt werden. Demzufolge kann die wirkungsgradoptimale Flussstärke auf einfache Weise bestimmt werden. Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Sollmoment auf ein Maximalmoment, d.h. auf das bei der Sollflussstärke maximal erreichbare Moment, normiert werden und die jeweiligen Zuordnungen zum Bestimmen der Q-Achsen- und D-Achsen-Sollströme können das normierte Sollmoment als das Sollmoment empfangen. Bei konventionel- len Lookup-Tabellen sind die Werte der Momente als Absolutwerte hinterlegt. D.h. es werden Flussstärkewerte im vorgegebenen Momentabständen, z.B.10 Nm, bestimmt und in den Tabellen hinterlegt. Im Feldschwächebetrieb kann allerdings das maximal verfügbare Moment deutlich sinken. Demzufolge ist ein Teil der Lookup-Tabellen nicht nutzbar und die Auflösung in einem effektiv nutzbaren Bereich nimmt ab. Zudem kann es bei Feldschwächung im Bereich eines Maximalmoments der Synchronmaschine zu starken Interpolationsfehlern kommen, die nur schwer korrigierbar sind. Durch Nor- mierung des Sollmoments auf das Maximalmoment und die Bestimmung der Strom- werte in vorgegebenen Abständen des Anteils am Maximalmoment, z.B.0,05 oder 0,1, können die Kennlinien der Ströme im Bereich eines maximalen Drehmoments ausreichend genau interpoliert werden und es kann eine hohe Auflösung der Zuord- nung im gesamten Arbeitsbereich der Synchronmaschine sichergestellt werden. Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Maximalmoment auf Grundlage der Soll- flussstärke und des Eigenschaftsparameters bestimmt werden. Demzufolge kann das Maximalmoment auf einfache Weise bestimmt werden. P220671 DE - 6 - Gemäß einem bevorzugten Aspekt können die jeweiligen Zuordnungen zum Bestim- men der Q-Achsen- und D-Achsen-Sollströme für einen Motorbetrieb der Synchron- maschine parametriert sein und ein Generatorbetrieb der Synchronmaschine kann durch Invertieren des Q-Achsen-Sollstroms berücksichtigt werden. Demzufolge kann im Gegensatz zu einer Parametrierung für den Motorbetrieb und den Generatorbetrieb der Speicherplatz zum Speichern der jeweiligen Zuordnungen auf die Hälfte reduziert werden. Im Gegensatz zu konventionellen Lookup-Tabellen kann der erforderliche Speicherplatz sogar auf ungefähr ein Sechstel reduziert werden. Eine erfindungsgemäße Steuereinheit ist ausgebildet und programmiert, das Vektor- steuerverfahren gemäß einem der vorhergehenden Aspekte auszuführen. Die Steuer- einheit kann dazu die erforderlichen Eingangsgrößen entweder direkt z.B. von Senso- ren oder indirekt von anderen Steuereinheiten empfangen und die eventuell erforderli- chen Transformationen, z.B. Clarke- und Park-Transformation, durchführen. Die Steu- ereinheit kann außerdem Parameter zum Betreiben einer Leistungselektronikeinheit, die die Synchronmaschine antreibt, an die Leistungselektronikeinheit ausgeben. Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Fi- guren im Detail beschrieben. Es zeigen: Fig.1 eine schematische Ansicht einer Steuereinheit; Fig.2 ein Diagramm, das Strompunkte für Stromtabellen zum Bestimmen eines Q-Achsen-Sollstroms und eines D-Achsen-Sollstroms zeigt, wobei das Dia- gramm eine MTPA-Linie zeigt; Fig.3 ein Diagramm, das Strompunkte in Abhängigkeit einer Sollflussstärke und eines Sollmoments sowie eine MTPA-Linie zeigt; Fig.4 ein Diagramm, das Strompunkte, die für auf das Maximalmoment normierte Werte des Sollmoments ermittelt wurden, in Abhängigkeit der Sollfluss- stärke und des Sollmoments sowie eine MTPA-Linie zeigt; und P220671 DE - 7 - Fig.5 eine schematische Ansicht eines Sollflussstärkeanpassungsabschnitts der Steuereinheit. Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Ver- ständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen ver- sehen. Fig.1 zeigt eine schematische Ansicht einer Steuereinheit 1 zum Steuern eines Be- triebs einer Synchronmaschine bzw. einer Leistungselektronikeinheit, die wiederum die Synchronmaschine ansteuert, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Steuereinheit 1 umfasst Funktionsabschnitte zum Ausführen von Verarbeitungen ei- nes erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Funktionsabschnitte werden durch Ausfüh- ren einer in der Steuereinheit 1 gespeicherten Software bzw. durch Aufrufen von in der Steuereinheit 1 gespeicherten Daten implementiert. Wie in Fig.1 gezeigt, weist die Steuereinheit 1 einen Strombestimmungsabschnitt 2 und einen Sollflussstärkeanpassungsabschnitt 3 auf. Der Strombestimmungsabschnitt 2 weist wiederum Stromtabellen 4 als Zuordnungen zum Bestimmen des Q-Achsen- Stroms Iq bzw. des D-Achsen-Stroms Id auf. Die Stromtabellen 4 weisen mindestens eine Sollflussstärke ΨTgt_MTPA und ein Sollmoment MTgt als Eingangsparameter auf. Das heißt, die Stromtabellen 4 verknüpfen jeweils die Sollflussstärke ΨTgt_MTPA und das Sollmoment MTgt mit dem Q-Achsen-Strom Iq bzw. dem D-Achsen-Strom Id. Die Verknüpfungen können dabei in einer gemeinsamen Tabelle oder in unterschiedlichen Tabellen gespeichert sein. Bei Verwendung von unterschiedlichen Tabellen können die Tabellen eine unterschiedliche Auflösung aufweisen. Besonders bevorzugt können die Stromtabellen 4 auch einen Eigenschaftsparameter, der eine Veränderlichkeit von elektrischen oder magnetischen Eigenschaften der Syn- chronmaschine bzw. ihrer Komponenten betrifft, als Eingangsparameter aufweisen. In der vorliegenden Ausführungsform weisen die Stromtabellen 4 eine Rotortemperatur TRotor als weiterem Eingangsparameter auf. Demzufolge können die Ströme Iq und Id noch genauer bestimmt werden. P220671 DE - 8 - In den Stromtabellen 4 werden nur stationäre Arbeitspunkte der Synchronmaschine hinterlegt, so dass Terme hinsichtlich transienter Änderungen der Ströme Iq und Id un- berücksichtigt bleiben. Darüber hinaus wird in den Stromtabellen 4 nur die Flussstärke berücksichtigt, die für die Erzeugung des Statorfelds verantwortlich ist. Eine Span- nungsvariation, die durch z.B. einen Spannungsabfall an Statorwicklungen, einen Ver- lust in der Leitungselektronikeinheit und einen Spannungsabfall in den verwendeten Leitungen beeinflusst wird, wird folglich in den Stromtabellen 4 vernachlässigt. Auf- grund dieses Vorgehens decken die Stromtabellen 4 alle Spannungsniveaus und Drehzahlen ab. Das Diagramm in Fig.2 zeigt Strompunkte mit den dazugehörigen Iq- und Id-Werten bei einer Rotortemperatur von 20 °C sowie die daraus resultierende Flussstärke und das erreichbare Moment. Das Diagramm aus Fig.2 veranschaulicht folglich die in den Stromtabellen 4 hinterlegten Werte. Es ist anzumerken, dass die Flussstärke dem Quotienten der an die Statorwicklungen angelegten Spannung und der elektrischen Frequenz entspricht. Die Spannungsvaria- tion entspricht somit einer Schwächung der Flussstärke aufgrund von Verlusten. Die elektrische Frequenz kann anhand der mechanischen Drehzahl eines Rotors der Syn- chronmaschine und der Polanzahl berechnet werden. Darüber hinaus wurde als vorteilhaft herausgefunden, wenn, wie in Fig.1 gezeigt, das Sollmoment MTgt nicht als Absolutwert in die Stromtabellen 4 eingegeben wird, son- dern vorhergehend auf ein Maximalmoment Mmax_MTPA normiert wird. Dies rührt daher, dass bei steigender Drehzahl und folglich bei verringerter anlegbarer Flussstärke, die sich aus der maximal im Feldschwächebetrieb anlegebaren Spannung ergibt, das ma- ximal einstellbare Moment abnimmt. Demzufolge sind bei Verwendung von absoluten Momentwerten für niedrige Flussstärken weniger Strompunkte entlang der Moment- Achse verwendbar, so dass nur ein reduzierter Teil der Stromtabellen 4 tatsächlich nutzbar ist. Fig.3 zeigt ein Diagramm, in dem Strompunkte für unterschiedliche Kombinationen von Sollflussstärke ΨTgt_MTPA und Sollmoment MTgt aufgetragen sind. Die einzelnen Strompunkte werden dabei in einem vorgegebenen Momentabstand, z.B.10 Nm, be- stimmt. Zudem ist in dem Diagramm eine Maximum Torque per Ampere (MTPA)-Linie P220671 DE - 9 - gezeichnet. Strompunkte, die zum Steuern der Synchronmaschine tatsächlich verwen- det werden, sind in dem Diagramm mit einem x gekennzeichnet. Wie beschrieben, ist zu erkennen, dass kaum Strompunkte für niedrige Flussstärken verwendbar sind, da das maximal erreichbare Moment deutlich reduziert ist. Um diesen Nachteil zu beheben, kann der Strombestimmungsabschnitt 2, wie in Fig.1 gezeigt, bevorzugt einen Maximalmomentbestimmungsabschnitt 5 und einen Normie- rungsabschnitt 6 aufweisen. Der Maximalmomentbestimmungsabschnitt 5 kann als Lookup-Tabelle ausgestaltet sein und kann anhand der Sollflussstärke ΨTgt_MTPA und der Rotortemperatur TRotor ein entsprechend erreichbares Maximalmoment Mmax_MTPA bestimmen. Das Maximalmoment Mmax_MTPA entspricht dabei in Fig.3 dem obersten noch verwendbaren Strompunkt. Das Sollmoment MTgt wird anschließend auf das be- stimmte Maximalmoment Mmax_MTPA normiert und in die Stromtabellen 4, die entspre- chend das normierte Sollmoment MRelativ als Eingangsparameter empfangen können, eingegeben. Ein Diagramm in Fig.4 zeigt Strompunkte für unterschiedliche Kombina- tionen von Sollflussstärke ΨTgt_MTPA und Sollmoment MTgt, wobei die Strompunkte im vorgegebenen Abständen des normierten Sollmoments MRelativ, z.B.0,05 oder 0,1, be- stimmt wurden. Es ist anzumerken, dass die Moment-Achse in dem Diagramm den tatsächlichen Leistungswert angibt. Es ist daher in dem Diagramm zu erkennen, dass durch die Normierung des Sollmoments MTgt auf das Maximalmoment Mmax_MTPA eine Dichte von Strompunkten für niedrige Flussstärken deutlich erhöht werden kann, so dass eine effizientere Regelung der Synchronmaschine in diesem Bereich ermöglicht ist. Wie bereits erwähnt, vernachlässigen die Stromtabellen 4 eine Spannungsvariation der an die Statorwicklungen anzulegenden Spannung. Daher ist eine Anpassung der Sollflussstärke ΨTgt_MTPA in dem überlagerten bzw. vorgelagerten Sollflussstärkean- passungsabschnitt 3 notwendig, um die Spannungsvariation auszuregeln oder zu kompensieren. Fig.5 zeigt eine schematische Ansicht des Sollflussstärkeanpassungsabschnitts 3, der wiederum einen Abschnitt 7 zum Bestimmen der wirkungsgradoptimalen Fluss- P220671 DE - 10 - stärke und einen Spannungsregelungsabschnitt 8 aufweist. Der Sollflussstärkeanpas- sungsabschnitt 3 empfängt das Sollmoment MTgt, die Rotortemperatur TRotor, eine Ma- ximalspannung UMax, eine gegenwärtig an die Statorwicklungen angelegte Spannung Uctrl_req und die gegenwärtige elektrische Frequenz ωel. Es ist anzumerken, dass die Maximalspannung UMax durch eine Limitierung der Leistungselektronikeinheit, die die Synchronmaschine ansteuert, vorgegeben ist. Zunächst berechnet der Spannungsregelungsabschnitt 8 aus der Maximalspannung UMax und der gegenwärtig angelegten Spannung Uctrl_req die dazugehörigen Flussstär- ken, d.h. eine Maximalflussstärke ΨMax und eine gegenwärtige Flussstärke Ψctrl_req, durch Division mit der elektrischen Frequenz ωel. Aus diese Werten wird anschließend eine Flussstärkedifferenz ΨError als Differenz der Maximalflussstärke ΨMax und der ge- genwärtigen Flussstärke Ψctrl_req berechnet. Die Flussstärkedifferenz ΨError wird da- nach in einen I-Regler 10 eingegeben, um eine Korrekturflussstärke Ψcorrection zu be- stimmen. Diese wird dann zu der Maximalflussstärke ΨMax hinzuaddiert. Außerdem bestimmt der Abschnitt 7 eine wirkungsgradoptimale Flussstärke ΨMax_MTPA für das Sollmoment MTgt bei der Rotortemperatur TRotor unter Verwendung des MTPA- Verfahrens und gibt diese in den Spannungsregelungsabschnitt 8 ein. Der Vergleichsabschnitt 11 des Spannungsregelungsabschnitts 8 vergleicht dann die wirkungsgradoptimale Flussstärke ΨMax_MTPA mit der Summe aus Maximalflussstärke ΨMax und Korrekturflussstärke Ψcorrection und gibt das Minimum dieser beiden Werte aus. Demzufolge wird die Sollflussstärke ΨTgt_MTPA auf die wirkungsgradoptimale Flussstärke ΨMax_MTPA begrenzt. Das bedeutet, dass ein Bereich, der sich in dem Dia- gramm aus Fig.4 rechts von der MTPA-Linie befindet, bei der Steuerung der Syn- chronmaschine unberücksichtigt bleibt. Abschließend wird die angepasste Sollfluss- stärke ΨTgt_MTPA an den Strombestimmungsabschnitt 2 ausgeben, der dann den Q- Achsen-Strom Iq und den D-Achsen-Strom Id unter Verwendung der Stromtabellen 4 bestimmt. Zusätzlich kann der Spannungsregelungsabschnitt 8 einen weiteren Vergleichsab- schnitt 12 aufweisen, der eine Maximalmomentflussstärke ΨAtMaxTorque, die einer in P220671 DE - 11 - dem gegenwärtigen Arbeitspunkt maximal anlegbaren Flussstärke entspricht, mit der Summe der Maximalflussstärke ΨMax und der Korrekturflussstärke Ψcorrection vergleicht und das Minimum dieser beiden Werte als theoretische Maximalsollflussstärke ΨTgt_Max ausgibt. Anschließend kann, wie in Fig.1 gezeigt, ein Abschnitt 9 zum Be- stimmen des theoretischen Maximalmoments anhand der theoretischen Maximalsoll- flussstärke ΨTgt_Max und der Rotortemperatur TRotor ein theoretisches Maximalmoment MMax ausgeben. Das theoretische Maximalmoment MMax ist beispielsweise eine wich- tige Größe hinsichtlich einer Auslastung der Synchronmaschine. Als besonders vorteilhaft hat es sich auch erwiesen, wenn die Stromtabellen 4 ledig- lich für einen Motorbetrieb der Synchronmaschine erstellt und in der Steuereinheit 1 hinterlegt werden. Der Generatorbetrieb der Synchronmaschine wird in diesem Fall durch Invertieren des Q-Achsen-Stroms berücksichtigt. Diese Berücksichtigung erfolgt dadurch, dass bei negativem Sollmoment das Vorzeichen des ausgegebenen Q-Ach- sen-Stroms in dem Strombestimmungsabschnitt 2 invertiert wird. Auf diese Weise können die Stromtabellen kleiner ausgebildet sein, so dass Speicherplatz in der Steu- ereinheit 1 gespart werden kann.
P220671 DE - 12 - Bezugszeichenliste 1 Steuereinheit 2 Strombestimmungsabschnitt 3 Sollflussstärkeanpassungsabschnitt 4 Stromtabellen 5 Maximalmomentbestimmungsabschnitt 6 Normierungsabschnitt 7 Abschnitt zum Bestimmen der wirkungsgradoptimalen Flussstärke 8 Spannungsregelungsabschnitt 9 Abschnitt zum Bestimmen des theoretischen Maximalmoments 10 I-Regler 11 Vergleichsabschnitt 12 Vergleichsabschnitt

Claims

P220671 DE - 13 - Patentansprüche 1. Vektorsteuerverfahren für eine Synchronmaschine, insbesondere eine Perma- nentmagnet-Synchronmaschine, bei dem Q-Achsen- und D-Achsen-Sollströme (Iq, Id) durch jeweilige Zuordnungen (4), die ein Sollmoment (MTgt) und eine Sollflussstärke (ΨTgt_MTPA) mit dem Q-Achsen-Sollstrom (Iq) bzw. dem D-Ach- sen-Sollstrom (Id) ohne Berücksichtigung einer Spannungsvariation einer an Statorwicklungen der Synchronmaschine anzulegenden Spannung verknüpfen, bestimmt werden, wobei die Spannungsvariation vorhergehend durch Anpas- sung der Sollflussstärke (ΨTgt_MTPA) ausgeregelt oder kompensiert wird. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die jeweiligen Zuordnungen (4) zum Be- stimmen des Q-Achsen-Sollstroms (Iq) und des D-Achsen-Sollstroms (Id) zu- sätzlich einen Eigenschaftsparameter, der eine Veränderlichkeit von magneti- schen und elektrischen Eigenschaften der Synchronmaschine betrifft, insbe- sondere eine Rotortemperatur (TRotor), mit dem Q-Achsen-Sollstrom (Iq) bzw. dem D-Achsen-Sollstrom (Id) verknüpfen. 3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Spannungsvariation anhand ei- ner Flussstärkedifferenz (ΨError) zwischen einer Maximalflussstärke (ΨMax) und einer gegenwärtigen Flussstärke (Ψctrl_req) ausgeregelt oder kompensiert wird. 4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Flussstärkedifferenz (ΨError) in einen I- Regler (10) eingebeben wird, um eine Korrekturflussstärke (Ψcorrection) zu ermit- teln. 5. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei eine Summe aus der Maximalflussstärke (ΨMax) und der Korrekturflussstärke (Ψcorrection) oder eine wirkungsgradoptimale Flussstärke (ΨMax_MTPA) für den Fall, dass die Summe die wirkungsgradopti- male Flussstärke (ΨError) überschreitet, als die Sollflussstärke (ΨTgt_MTPA) ver- wendet werden. P220671 DE - 14 - 6. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die wirkungsgradoptimale Flussstärke (ΨMax_MTPA) unter Verwendung des Maximum Torque per Ampere (MTPA)-Ver- fahrens bestimmt wird. 7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sollmo- ment (MTgt) auf ein Maximalmoment (MMAX_MTPA) normiert wird, und die jeweili- gen Zuordnungen zum Bestimmen des Q-Achsen-Sollstroms (Iq) und des D- Achsen-Sollstroms (Id) das normierte Sollmoment (MRelativ) als das Sollmoment empfangen. 8. Verfahren gemäß Anspruch 2 und einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei das Maximalmoment (MMAX_MTPA) auf Grundlage der Sollflussstärke (ΨTgt_MTPA) und des Eigenschaftsparameters bestimmt wird. 9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die jeweiligen Zuordnungen (4) zum Bestimmen der Q-Achsen- und D-Achsen-Sollströme (Iq, Id) für einen Motorbetrieb der Synchronmaschine parametriert sind und ein Ge- neratorbetrieb der Synchronmaschine durch Invertieren des ermittelten Q-Ach- sen-Stroms berücksichtigt wird. 10. Steuereinheit, die ausgebildet und programmiert ist, das Vektorsteuerverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
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