DE102011088915A1

DE102011088915A1 - Berechnung einer rückwärts induzierten Reststromwelligkeit an einem DC-Eingang einer Motorsteuervorrichtung für eine Synchronmaschine

Info

Publication number: DE102011088915A1
Application number: DE102011088915A
Authority: DE
Inventors: Dr. Lee Wei-Lung
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2013-06-20
Anticipated expiration: 2031-12-17
Also published as: FR2984635A1; DE102011088915B4; FR2984635B1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Reduzieren einer rückwärts induzierten Reststromwelligkeit an einem DC-Eingang einer Motorsteuervorrichtung für eine Synchronmaschine angegeben. Das Verfahren weist auf: Messen von einem Phasenstrom an einer Statorwicklung der Synchronmaschine, Berechnen eines eine Reststromwelligkeit aufweisenden DC-Stromes am DC-Eingang der Motorsteuervorrichtung aus dem gemessenen Phasenstrom, und Bestimmen eines zeitabhängigen Stromsollwertes an dem Statorwicklung basierend auf dem die Reststromwelligkeit aufweisenden DC-Strom, sodass die rückwärts induzierte Reststromwelligkeit reduziert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren einer rückwärts induzierten Reststromwelligkeit an einem DC-Eingang einer Motorsteuervorrichtung für eine Synchronmaschine. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Motorsteuervorrichtung für eine Synchronmaschine.
Statorwindungen von elektrischen Wechselstrommaschinen werden im Idealfall als räumlich sinusförmig über den Stator verteilt angenommen. Um die Herstellungskosten für Statorwicklungen von Synchronmaschinen zu reduzieren, werden häufig sogenannte konzentrierte oder sogenannte nicht sinusförmige Windungen verwendet. Durch diese werden rückwärtsgewandte Induktionsströme mit räumlich verteilten harmonischen Oberwellen induziert. Typischerweise ist die sechste harmonische Oberwelle der Grundschwingung des Wechselstromes der Synchronmaschine besonders ausgeprägt. Dies führt im Allgemeinen auf einer Anschlussleitung einer Batterie zum Beispiel in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug zu einem Strom-Ripple bzw. zu einer Reststromwelligkeit bzw. Welligkeit im Allgemeinen. Zusätzlich kommt es zu Unregelmäßigkeiten im Drehmoment des Synchronmotors.
In der Vergangenheit wurden Anstrengungen unternommen, um die Unregelmäßigkeiten im Drehmoment bzw. den Stromripple zu reduzieren. Dazu wurde u.a. vorgeschlagen, einen Drehmomentsensor oder Beschleunigungssensor einzusetzen, um entstehende Drehmomentvibrationen zu messen und Gegenmaßnahmen zu treffen. Ein derartiger Sensor führt allerdings zu zusätzlichen Kosten und ist deshalb nicht wünschenswert. Ohne eine direkte Messung der Unregelmäßigkeiten des Drehmomentes ist alternativ eine modellbasierte Drehmomentabschätzung möglich. Allerdings erfordert diese eine genaue Kenntnis bzw. ein genaues Modell der Synchronmaschine sowie des entstehenden Drehmomentes. Dafür ist eine exakte Kenntnis von Parametern der Synchronmaschine erforderlich. Diese Kenntnis liegt typischerweise nicht vor.
Gemäß einem ähnlichen Verfahren wie bei der Reduktion von Drehmomentunregelmäßigkeiten können auch Gleichstrom-Ripple-Reduktionen auf einer Verbindung von einer Batterie zu einer Motorsteuervorrichtung für die Synchronmaschine berechnet werden, wenn der Gleichstrom gemessen, abgeschätzt oder durch ein Offline-Modell ermittelt wird. Allerdings ist es unmöglich, den DC-Ripple bzw. die Drehimpulsunregelmäßigkeiten zur gleichen Zeit in einer Synchronmaschine mit einem Permanentmagneten (PSM = Permanent Synchronous Machine) zu reduzieren. Eine Reduktion des Drehmoment-Ripples ist gleichbedeutend mit einer „Injektion von Harmonischen“ in eine Stromkontrolleinheit, um ein Drehmoment ohne Ripple zu erzeugen, wodurch allerdings rückwärtsgewandte Induktionen mit harmonischen Oberwellen bzw. Oberschwingungen erzeugt werden. Wenn der Strom allerdings harmonische Oberwellen enthält, werden die Motorinduktivität und der Motorwiderstand eine Leistung mit der Frequenz der harmonischen Oberwellen aufnehmen. In diesem Fall wird der Gleichstrom einen Strom-Ripple mit harmonischen Oberwellen aufweisen.
Zusätzlich ist es möglich den Gleichstrom-Ripple-Effekt durch Verwendung eines größeren Glättungskondensators, der parallel zur Batterie bzw. parallel zu einem Hochstrombatterienetzwerk geschaltet wird, zu reduzieren. Ein größerer Kondensator bedeutet aber auch gleichzeitig höhere Kosten bzw. einen höheren Platzverbrauch. Beide Effekte sind in Elektro- bzw. Hybridfahrzeugen unerwünscht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichstrom-Ripple am Eingang einer Steuereinrichtung für eine Synchronmaschine ohne eine Nutzung eines größeren Glättungskondensators bzw. ohne zusätzliche Sensoren zu minimieren.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Reduzieren einer rückwärts induzierten Reststromwelligkeit an einem DC-Eingang einer Motorsteuervorrichtung für eine Synchronmaschine beschrieben. Das Verfahren weist auf: Messen von zumindest einem Phasenstrom durch eine Statorwicklung der Synchronmaschine; Berechnen eines eine Reststromwelligkeit aufweisenden DC-Stromes an einem DC-Eingang der Motorsteuervorrichtung aus dem gemessenen Phasenstrom; und Bestimmen eines zeitabhängigen Stromsollwertes durch die Statorwicklung basierend auf dem die Reststromwelligkeit aufweisenden DC-Strom, so dass die rückwärts induzierte Reststromwelligkeit reduziert wird.
Vorteilhafterweise werden alle drei Phasenströme an jeweiligen Statorwicklungen gemessen oder zwei von den drei Phasenströmen gemessen und der dritte Phasenstrom wird aus den beiden anderen gemessenen Phasenströmen ermittelt. Der eine Reststromwelligkeit aufweisende DC-Strom an einem DC-Eingang der Motorsteuervorrichtung wird dann aus den drei gemessenen bzw. ermittelten Phasenströmen berechnet.
Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass eine normalerweise entstehende Reststromwelligkeit auf einer Stromleitung von einer Batterie in zum Beispiel einem Elektro- bzw. Hybridfahrzeug hin zu einer Motorsteuervorrichtung reduziert oder gänzlich eliminiert wird. Für diese Reduktion ist weder eine Messung – die einen zusätzlichen Stromsensor erfordern würde – des Eingangsstromes der Motorsteuervorrichtung erforderlich, noch ist es erforderlich, einen Kondensator, der parallel zum Eingang der Motorsteuervorrichtung liegt, größer als bisher üblich zu dimensionieren. Auf diese Weise können sowohl Kosten für einen zusätzlichen Stromsensor als auch Kosten bzw. zusätzlicher Platz für einen größeren Glättungskondensator vermieden werden.
Mit dem Begriff „Reststromwelligkeit“ wird in diesem Dokument eine Welligkeit in einem Gleichstrom (DC-Strom) beschrieben. Diese Restwelligkeit kann durch den Gleichstrom überlagernde Oberwellen entstehen. Bekannt sind derartige Restwelligkeiten für einen Gleichstrom, der aus einem Wechselstrom gleichgerichtet wurde. In anderen Fällen treten derartige Welligkeiten oder Ripple bei Strömen aus Batterien auf, an denen Konverter für Wechselstrommaschinen betrieben werden.
Eine rückwärts induzierte Reststromwelligkeit beschreibt einen Ripple auf einem Gleichstrom, wobei der Ripple dadurch entsteht, dass Oberwellen einer Grundwelle den Gleichstrom überlagen. Diese Überlagerungen von rückwärts induzierten Strömen in einer Synchronmaschine können bei Synchronmaschinen und zugehörigen Konvertern entstehen, die nicht ideal sind bzw. nicht ideal regeln.
In diesem Dokument soll der Begriff „Synchronmaschine“ eine elektrische Maschine bezeichnen. Typischerweise haben Synchronmaschinen einen rotierenden Rotor mit einer Wicklung, die mit Gleichstrom betrieben wird, sowie drei statische Statoren, die mit dem Gehäuse verbunden sind. Alternativ kann der Rotor auch einen Permanentmagnet aufweisen. Dem Fachmann ist allerdings auch bekannt, dass eine Synchronmaschine grundsätzlich elektromechanisch symmetrisch gegenüber einem Vertauschen von Statoren und Rotoren ist.
Unter diesem Begriff „Motorsteuervorrichtung“ soll hier eine Steuereinrichtung für eine Synchronmaschine verstanden werden. Innerhalb der Motorsteuervorrichtung ist es beispielsweise erforderlich, eine Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom vorzunehmen sowie Strom- und Spannungstransformationen zwischen verschiedenen Bezugssystemen vorzunehmen. Außerdem soll in diesem Dokument davon ausgegangen werden, dass die Motorsteuervorrichtung auch einen Hochvoltanteil umfasst und nicht nur niederspannungskontrollierte Steuerungseinheiten vorhanden sind. Die Motorsteuervorrichtung ist Bestandteil eines sogenannten Power Electronic Block (PEB).
Gemäß einem Ausführungsbeispiel basiert das Berechnen eines die Reststromwelligkeit aufweisenden DC-Stromes zusätzlich auf einem Modulationsgrad eines Modulationssignals innerhalb der Motorsteuervorrichtung, welches zur Definition eines Betriebspunktes der Synchronmaschine genutzt wird.
Das Verfahren basiert damit also vorteilhafter Weise auf Signalen, also gemessenen Ströme durch die Statorwicklungen, sowie dem Modulationsgrad von Signalen in der Motorsteuervorrichtung, die ohnehin in der Motorsteuervorrichtung bekannt ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Bestimmen des zeitabhängigen Sollstromwertes ein Ermitteln von Amplituden einer Oberschwingung in dem die Reststromwelligkeit aufweisenden berechneten DC-Stromes auf. Dabei korrespondiert die Oberschwingung zu einer Grundschwingung einer elektrischen Drehfrequenz der Synchronmaschine. Die Oberschwingung kann insbesondere eine sechste harmonische Oberwelle bzw. Oberschwingung einer Drehfrequenz der Synchronmaschine sein.
Die Kenntnis der Amplituden der Oberschwingung auf dem idealerweise völlig gleichförmigen DC-Strom am Eingang der Motorsteuervorrichtung wird dazu genutzt, die rückwärts induzierte Reststromwelligkeit – insbesondere die sechste harmonische Oberschwingung – zu reduzieren bzw. zu eliminieren.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel basiert das Bestimmen des zeitabhängigen Stromsollwertes zusätzlich auf einem Ermitteln von Koeffizienten basierend auf der Ermittlung der Amplituden der Oberschwingung, so dass die Bestimmung des zeitabhängigen Stromsollwertes auf den Koeffizienten basiert.
Dieses mehrstufige Verfahren ermöglicht eine besonders elegante Durchführbarkeit für die Berechnung des Stromes, der durch die Statorwicklungen der Synchronmaschine fließt.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel basiert die Berechnung des die Reststromwelligkeit aufweisenden DC-Stromes zusätzlich auf: Ersten Zeitdauern t_u, t_v, t_w während der jeweils ein Strom durch die jeweiligen Statorwicklungen fließt, einer zweiten Zeitdauer t_min, während der gleichzeitig Strom durch alle Statorwicklungen fließt, und einer Zeitperiode T_PWM einer Pulsweitenmodulation für Ist-Werte der Phasenströme durch die Statorwicklungen. Dabei gilt: I_DC ≈ I_U·(t_U – t_min)/T_PWM + I_V·(t_v – t_min)/T_PWM + I_W·(t_W – t_min)/T_PWM, wobei t_min = min (t_u, t_v, t_w) und I_u, I_v, I_w Werte der gemessenen Phasenströme sind.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird das Bestimmen des zeitabhängigen Soll-Stromwertes durch die Statorwicklungen im d/q-System gemäß folgender Gleichungen ermittelt: I_d = I_d0 + k₁·sin(6ωt) + k₂·cos(6ωt) I_q = I_q0 – k₂·sin(6ωt) + k₁·cos(6ωt).
Dabei sind I_d0 und I_q0 die Gleichstromanteile des Strom-Sollwertes und ω entspricht der Kreisfrequenz der Phasenströme durch die Statorwicklungen.
Wie dem Fachmann bekannt ist, können Angaben für Stromwerte für Synchronmaschinen im d/q-System (direct-quadrature rotating reference frame) gemacht werden. Dabei wird die Kenntnis eines Winkels zwischen einem rotierenden d/q-Bezugssystem des Rotors und einem anderen Bezugssystem (z.B. dem Bezugssystem des Statoren) der Synchronmaschine ausgenutzt. In diesem Zusammenhang sollte auch erwähnt sein, dass eine d/q-Transformation zwischen dem rotierenden Bezugssystem des Rotors und einem anderen Bezugsystem des oder der Statoren (z.B. u, v, w) eine bekannte mathematische Transformation ist, die häufig genutzt wird, um eine Analyse von dreiphasigen elektrischen Systemen durchzuführen. Im Falle von drei-phasigen, gleichförmigen, elektrischen Schaltkreisen bedeutet eine Anwendung der d/q-Transformation auf drei Wechselströme I_u, I_v, I_w eine Reduktion auf zwei Gleichströme. Im Ergebnis können Berechnungen auf Basis dieser imaginären Gleichströme I_d, I_q einfacher ausgeführt werden, bevor sie wieder mittels einer inversen Transformation in die tatsächlichen dreiphasigen Wechselströme überführt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Motorsteuervorrichtung für eine Synchronmaschine angegeben. Die Motorsteuervorrichtung weist folgende Elemente auf: Stromsensoren zum Messen von zumindest einem Phasenstrom durch eine Statorwicklung der Synchronmaschine und eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung wiederum weist folgende Elemente auf: Eine DC-Strom-Berechnungseinheit, die ausgelegt ist, um einen eine Reststromwelligkeit aufweisenden DC-Strom am DC-Eingang der Motorsteuervorrichtung zu berechnen. Dabei basiert die Berechnung auf dem zumindest einen gemessenen Phasenstrom durch die Statorwicklung der Synchronmaschine. Außerdem weist die Steuereinrichtung eine Sollstromwertberechnungseinheit auf, die ausgelegt ist, einen zeitabhängigen Sollstromwert durch die Statorwicklung basierend auf dem die Reststromwelligkeit aufweisenden DC-Strom zu bestimmen. Dadurch wird eine rückwärts induzierte Reststromwelligkeit an einem DC-Eingang der Motorsteuervorrichtung reduziert.
Vorteile dieser Motorsteuervorrichtung wurden bereits weiter oben im Zusammenhang mit dem zugehörigen Verfahren diskutiert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Motorsteuervorrichtung weist die Steuereinrichtung ferner einen Extraktor auf. Dieser ist ausgelegt, um Amplituden einer Oberschwingung in dem die Restwelligkeit aufweisenden DC-Strom zu bestimmen. Dabei korrespondiert die Oberschwingung zu einer Grundwelle einer elektrischen Drehfrequenz der Synchronmaschine. Bei der Oberschwingung handelt es sich insbesondere um sechste harmonische Oberschwingungen der Rotationsfrequenz der Synchronmaschine.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel weist der Extraktor eine Reihe von Berechnungselementen auf. An einem ersten positiven Eingang eines Differenzgliedes liegt ein Ausgangssignal der DC-Strom-Berechnungseinheit an. Der Extraktor weist außerdem einen ersten Multiplikator auf, an dessen erstem Signaleingang das Ausgangssignal des Differenzgliedes anliegt und an dessen zweitem Signaleingang ein Signal cos(6ωT) anliegt. Zusätzlich ist ein erstes Integrationsglied – insbesondere einen Konvergenzfaktor nutzend – vorgesehen. Der Eingang des Integrationsgliedes ist mit dem Ausgang des ersten Multiplikators verbunden. Der Ausgang des Integrationsgliedes ist mit einem ersten Eingang eines zweiten Multiplikators verbunden. An dem zweiten Eingang des zweiten Multiplikators liegt das Signal cos(6ωt) an. Weiterhin ist in dem Extraktor ein Summenglied vorgesehen. Der erste Eingang des Summengliedes ist mit dem Ausgang des zweiten Multi plikators verbunden. Der Ausgang des Summengliedes ist mit dem zweiten negativen Eingang des Differenzgliedes verbunden. Zusätzlich ist ein dritter Multiplikator vorgesehen, an dessen erstem Signaleingang der Ausgang des Differenzgliedes anliegt und an dessen zweitem Signaleingang ein Signal sin(6ωt) anliegt. Zusätzlich weist der Extraktor ein zweites Integrationsglied insbesondere den o.g. Konvergenzfaktor nutzend – auf. Der Eingang des zweiten Integrationsgliedes ist mit dem Ausgang des dritten Multiplikators verbunden. Der Ausgang des Integrationsgliedes ist mit dem ersten Eingang eines vierten Multiplikators verbunden, wobei an einem zweiten Eingang des vierten Multiplikators das Signal sin(6ωt) anliegt. An dem Ausgang des ersten Integrationsgliedes kann der Wert eines Signals aa und an dem Ausgang des zweiten Integrationsgliedes kann der Wert eines Signals bb herausgeführt sein. Nach einem Einschwingvorgang ist der Wert des Signals aa identisch mit einer Teilamplitude a der 6-ten harmonischen Oberschwingung des DC-Stromes, und der Wert des Signals bb ist identisch mit einer anderen Teilamplitude b der 6-ten harmonischen Oberschwingung des DC-Stromes, wobei ein Ausgangssignal der DC-Strom-Berechnungseinheit für die 6-te harmonische Oberschwingung als I_DC(6th) = a·cos(6ωt) + b·sin(6ωt) dargestellt wird. ω ist dabei die Kreisfrequenz der Phasenströme durch die Statorwicklungen der Synchronmaschine. Dies ist insbesondere die sechste harmonische Oberschwingung der Rotationsfrequenz der Synchronmaschine. Der Extraktor führt dabei eine Fourier- bzw. Laplace-Transformation für eine einzelne Frequenz – hier die sechste Oberschwingung – aus.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Steuereinrichtung ferner einen Koeffizientenermittler auf, der ausgelegt ist, Koeffizienten aus den Amplituden a und b der Oberschwingung zu ermitteln, welche wiederum Eingangsgrößen für die Stromsollwert-Berechnungseinheit sind.
Auf diese Weise lassen sich sehr elegant Restwelligkeiten des Eingangsstromes einer Motorsteuervorrichtung für eine Synchron maschine reduzieren bzw. gänzlich eliminieren, ohne dass zusätzliche messtechnische Sensoren oder größere Glättungskondensatoren erforderlich sind. Andere elektrische Verbraucher die parallel zu der Motorsteuervorrichtung an dem DC-Strom-Netz angeschlossen sind, werden also durch die Motorsteuervorrichtung nicht mehr beeinträchtigt.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben dargestellten Verfahrens sind, soweit im Übrigen auf die oben dargestellte Motorsteuervorrichtung übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der Motorsteuervorrichtung anzusehen.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und nicht als maßstabsgetreu anzusehen.
1 zeigt ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 zeigt ein Blockschaltbild eines Stromkreises mit einer Batterie einer Motorsteuervorrichtung und einer Synchronmaschine.
3 zeigt ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens in größerem Detail.
4 zeigt ein Blockdiagramm des Extraktors.
5 zeigt eine Restwelligkeit im Drehmoment einer Synchronmaschine im Vergleich zu einer Restwelligkeit des DC-Eingangsstromes der Motorsteuervorrichtung.
6 zeigt eine alternative Reduktion einer Restwelligkeit des Drehmoments einer Synchronmaschine im Vergleich zur Restwelligkeit des DC-Eingangsstromes der Motorsteuervorrichtung.
Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten der Ausführungsform nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind mit den gleichen Bezugszeichen oder mit einem anderen Bezugszeichen versehen sind, welches sich lediglich in seiner ersten Ziffer von dem Bezugszeichen eines (funktional) entsprechenden Merkmal oder einer (funktional) entsprechenden Komponente unterscheidet. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert. Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
Als mathematischer Hintergrund der Erfindung sei auf folgendes, mathematische Modell für eine Synchronmaschine mit einem Permanentmagneten (PSM = permanent magnet synchronous machine) als Rotor verwiesen. Grundsätzlich lässt sich die Erfindung auch im Zusammenhang mit einer fremderregten Synchronmaschine verwenden.
Für den Fall nicht sinusförmiger rückwärtsgewandter Induktionen und bei einer Transformation des Spannungsvektors in Rotorkoordinaten, bestehen die Oberwellen auf dem zugeführten Gleichstrom insbesondere aus sechsten Oberwellen einer Grundschwingung der Synchronmaschine.
Daraus kann die Maschine mit einem Permanentmagneten mit sechsten Oberwellen bzw. Oberschwingungen wie folgt modelliert werden: Ψ_d = L_d·I_d· + Ψ_PM[1 – 7·a5 + 5·a7 / 35·cos(6(θ_el + π / 2))] Ψ_q = L_q·I_q· + Ψ_PM·[ 7·a5 – 5·a7 / 35·sin(6(θ_el + π / 2))]
Dabei gilt:

Ψ_PM:: Flussverkettung des Permanentmagneten
L_d, L_q:: Motorinduktivität
θ_el:: elektrischer Winkel
P_p:: Anzahl der Polpaare
I_DC:: DC-Strom am Gleichstromanschluss
ω:: elektrische Winkelgeschwindigkeit
ω_mech:: mechanische Winkelgeschwindigkeit
P_impedance:: von der Motorimpedanz verbrauchte Leistung
k_dc:: Transformationsfaktor zwischen Drehmoment und DC-Strom
θ_{dc_M}:: Phasenwinkel zwischen Drehmoment und DC-Strom
a₅, a₇:: Komponentenamplituden der fünften und siebten harmonischen Oberwelle bezogen auf Stator-Koordinaten, wenn die Grundfrequenz gleich 1 ist.

Für den Fall, dass I_d- und I_q-Sollwerte zusammen mit sechsten harmonischen Oberwellen anstelle von konstanten Werten angegeben werden und wenn definiert wird, dass θ_el + θ_{dc_M} + π/2 = ωt, dann ergibt sich zur Elimination z.B. der sechsten harmonischen Oberwelle des Drehmoment-Ripples oder eines DC-Strom-Ripples I_d = I_d0 + k₁·sin(6ωt) + k₂·sin(6ωt), I_q = I_q0 – k₁·sin(6ωt) + k₁·sin(6ωt).
Dabei sind k₁ und k₂ Koeffizienten, die bestimmt werden müssen. Sie sind Funktionen der Motorparameter. Wenn man die berechneten I_d und I_q als Sollwerte nutzt, werden die sechsten harmonischen Oberwellen des DC-Strom-Ripples oder des Drehmoment-Ripples minimiert. Für den Fall, dass der DC-Strom-Ripple minimiert werden soll, wird der Wert des zugehörigen Signals benötigt und I_d und I_q werden so lange angepasst, bis der DC-Strom-Ripple minimiert ist. Wird anstelle des DC-Strom-Signales ein Signal verwendet, das den Drehmoment-Ripple repräsentiert, wird der Drehmoment-Ripple minimiert.
Für das Bestimmen korrekter Koeffizienten k₁ und k₂ werden korrekte Maschinenparameter benötigt. Allerdings wäre dies für jeden Betriebspunkt der Synchronmaschine schwierig bis unmöglich.
Anstelle dessen kann ein Näherungsverfahren genutzt werden, welches die Intensitäten der harmonischen Oberwellen im DC-Strom nutzt, um die Koeffizienten zu bestimmen.
Angenommen, man kann den Strom folgendermaßen einstellen: I_d = I_d0 + k₁·sin(6ωt) + k₂·cos(6ωt) = I_d0 + ΔI_d I_q = I_q0 – k₂·sin(6ωt) + k₁·cos(6ωt) = I_q0 + ΔI_q
Dann ist aus der DC-Stromgleichung bekannt:
Dabei gilt: A₁ = a₅ + a₇, A₂ = a₅ – a₇
Wenn man die 12. harmonische Oberwelle vernachlässigt und wenn man erzwingen kann, dass die sechste Oberwelle Null wird, dann ist die 6-ten harmonische Oberwelle des DC-Stromes gegeben durch:
Für cos(6ωt) gilt [Ψ_PM + (L_d – L_q)·I_d0]·k₁ + (L_d – L_q)·I_q0·k₂ = –A₂·Ψ_PM·I_q0
Für sin(6ωt) gilt [Ψ_PM + (L_d – L_q)·I_d0]·(–k₂) + (L_d –L_q)·I_q0·k₁ = A₁·Ψ_PM·I_d0.
Aus diesen beiden Gleichungen können k₁ und k₂ bestimmt werden. Anstelle eines „Offline-Lösens“ dieser algebraischen Gleichungen, ist es möglich, die Koeffizienten durch einen Näherungsalgorithmus „online“ zu bestimmen:
Man definiert die Fehler ε₁ und ε₂ wie folgt:
Diese sind proportional zu den Amplituden der sechsten harmonischen Oberwelle des DC-Stromes. a und b weisen noch einem Faktor γ auf. Also:
Die sechsten harmonischen Oberwellen des DC-Strom-Ripple lassen sich als I_dc(6th) = a·cos(6ωt) + b·sin(6ωt) = γ[ε₁·cos(6ωt) + ε₂·sin(6ωt)] darstellen. Wobei a = γ·ε₁ und a = γ·ε₂ gilt.
Wenn die richtigen k₁ und k₂ gefunden werden, ist der Fehler auf Null reduziert. Damit ist auch der DC-Strom-Ripple auf Null reduziert. Eine Kenntnis von γ ist somit nicht erforderlich.
Somit wird
Wobei α der Konvergenzfaktor ist, der die Konvergenzgeschwindigkeit in Bezug auf k₁ und k₂ festlegt. Damit ist die gesamte Konvergenzdynamik durch k (siehe in Zusammenhang mit 4) und α bestimmt.
1 zeigt ein Blockdiagramm des Verfahrens 100 zum Reduzieren einer rückwärts induzierten Reststromwelligkeit an einem DC-Eingang einer Motorsteuervorrichtung für eine Synchronmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren weist auf: Messen 102 von Phasenströmen durch Statorwicklungen der Synchronmaschine, Berechnen 104 eines eine Reststromwelligkeit aufweisenden DC-Stromes am DC-Eingang der Motorsteuervorrichtung aus den gemessenen Phasenströmen, Bestimmen 106 eines zeitabhängigen Stromsollwertes durch die Statorwicklungen basierend auf dem die Reststromwelligkeit aufweisenden DC-Strom, sodass die rückwärts induzierte Reststromwelligkeit reduziert wird.
2 zeigt ein Blockschaltbild eines Stromkreises mit einer Batterie 202 einer Motorsteuervorrichtung 216 und einer Synchronmaschine 222. Die Batterie bzw. Hochspannungsbatterie 202 ist ersatzschaltbildmäßig mit einem Innenwiderstand 204 und einer Induktivität 206 dargestellt. Die Batterie ist mit einem Hochvoltstromnetzwerk 208 verbunden. An diesem Hochvoltstromnetz ist wiederum die Motorsteuervorrichtung 216 angeschlossen. Am Punkt 210 liegt also die Versorgungsspannung der Hochvoltbatterie an dem Hochvoltsteuerblock 224 (PEB = Power Electric Block) an. Das Bezugszeichen 214 stellt den Strom dar, der am Eingang der Motorsteuervorrichtung 216 messbar wäre. Ein Glättungskondensator 212 begrenzt eine Stromwelligkeit des Stromes 214. An die Motorsteuervorrichtung 216 ist eine Synchronmaschine 222 angeschlossen. In diesem Ausführungsbeispiel sind drei Verbindungsleitungen 220, die Anschlüsse an die Statorwicklungen darstellen sollen, eingezeichnet. Typischerweise werden die Ströme durch die Leitungen 220 gemessen. Durch eine nicht ideale Steuerung in der Motorsteuervorrichtung 216 bzw. nicht ideale Wicklungen der Synchronmaschine 222 treten rückwärts induzierte Ströme am Hochvolteingang der Motorsteuervorrichtung 216 auf. Diese gilt es zu reduzieren. Eine Möglichkeit einer weiteren Reduktion wäre eine Vergrößerung der Kapazität des Kondensators 212, was allerdings mit höheren Kosten bzw. einem höheren Platzverbrauch auf dem PEB 224 verbunden wäre. Eine Alternative wäre eine Messung des Stromes 214, was allerdings einen zusätzlichen Stromsensor erforderlich machen würde. So ein Stromsensor erfordert nämlich einen zusätzlichen Montageaufwand sowie zusätzliche Kosten für die Steuerung der Synchronmaschine. Derartige Kosten sollen möglichst vermieden werden.
3 stellt das Verfahren in einem größeren Detailgrad dar. Außerdem stellt 3 gleichzeitig eine Implementierung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung aus entsprechenden Funktionskomponenten bzw. Berechnungseinheiten dar. Zunächst wird mittels Einheit 302 der Gleichstrom I_DC am Eingang der Motorsteuervorrichtung berechnet. Diese Berechnung basiert auf gemessenen Stromwerten I_u,v,w durch die Leitungen 220 (vgl. 2). Weitere Eingangsgrößen für diese Berechnung sind t_min, was einer Zeitdauer entspricht, während der gleichzeitig Strom durch alle Statorwicklungen fließt. Die Zeitperiode t_PVM ist die Zeitperiode (gesamte Zeitperiode) einer Pulsweitenmodulation für Ist-Werte der Phasenströme durch die Statorwicklungen. Die Eingangsgrößen t_u,v,w sind Zeitdauern, während der jeweils Strom durch die zugeordneten (u, v, w) Statorwicklungen fließt. Das Ergebnis dieser Berechnung von I_DC wird als Eingangssignal für einen Extraktor 304 genutzt. Als Ergebnis liefert der Extraktor 304 zwei Signale: a und b, welche Amplituden des Stromes I_DC mit Bezugszeichen 214 inklusive einer unerwünschten Reststromwelligkeit darstellen. Basierend auf diesen Amplituden a und b werden im Block 306 Koeffizienten k₁ und k₂ berechnet. Diese Werte k₁ und k₂ dienen wiederum als Berechnungsgrundlage für Stromsollwerte, die als I_d-Sollwert bzw. I_q-Sollwert im d/q-System dargestellt sind und von einer Stromsollwertberechnungseinheit 308 berechnet werden.
4 zeigt den Extraktor in größerem Detail. Als Eingangssignal wird diesem der berechnete I_DC (2, 214) zugeführt. Dieser weist eine Oberschwingung auf, die sich auch in Form von a·cos(6ωt) + b·sin(6ωt) darstellen lässt. Dabei ist ω die elektrische Kreisfrequenz der Synchronmaschine. Der Extraktor (3, 304) führt quasi eine Fourier-Transformation oder eine Laplace-Transformation aus. Eine bestimmte ausgeprägte Frequenz entspricht der sechsten Oberschwingung der Grundschwingung der Synchronmaschine. Der Extraktor weist ein Differenzglied 402, vier Multiplikationseinheiten 404, 408, 410 und 414 auf. Zusätzlich sind zwei Integrationseinheiten 406 und 412 vorgesehen. Die Ausgänge der beiden Multiplikatoren 408 und 414 werden einem Summenglied 416 zugeführt. Der Ausgang des Summengliedes 416 wird wieder zurückgeführt auf den negativen Eingang des Differenzgliedes 302. Die einzelnen Bausteine sind entsprechend dem Schaltbild der 4 zusammengeschlossen. Man erkennt, dass an den Ausgängen der Integrationsglieder 406 und 412 Signalausgänge vorgesehen sind. Die Signalausgänge sind mit aa und bb bezeichnet. Ein Konvergenzfaktor k der Integrationsglieder 406 und 412 wird typischerweise jeweils experimentell bestimmt. Alternativ wäre eine korrekte mathematische Berechnung möglich. Dazu wären allerdings ein komplettes Modell des Verhaltens der Synchronmaschine sowie des kompletten Steuerungsmechanismus für die Synchronmaschine erforderlich. Um diesen Aufwand zu vermeiden, wird der Konvergenzfaktor k des Extraktors normalerweise experimentell bestimmt. Er wird so ausgelegt, dass bereits nach wenigen Durchläufen der Signale durch den Extraktor die Werte aa der Amplitude a und bb der Amplitude b des die Reststromwelligkeit aufweisenden DC-Stromes am Eingang der Motorsteuervorrichtung entsprechen.
Das vorliegende Verfahren bzw. die beschriebene Motorsteuervorrichtung eignet sich also dazu, die Restwelligkeit eines DC-Eingangsstromes an der Motorsteuervorrichtung zu reduzieren bzw. zu eliminieren. Die Basis dafür ist eine Phasenstrommessung und eine PWM. Würde ein Drehmomentmesssignal zur Verfügung stehen, ließe sich das beschriebene Verfahren alternativ auch zur Elimination eines Drehmoment-Ripples einsetzen.
5a zeigt den zeitlichen Verlauf eines Drehmomentes 502 einer Synchronmaschine, bei dem der Ripple des Drehmomentes der Synchronmaschine nur leicht reduziert werden kann. Hingegen wird die Reststromwelligkeit 504 wie oben beschrieben nach einer kurzen Einschwingzeit auf ein Minimum reduziert (5b).
Alternativ wird in 6a die Reduktion des Ripples des Drehmomentes 602 einer Synchronmaschine auf der Basis eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung dargestellt. Man erkennt deutlich, dass nach einer kurzen Einschwingzeit der Ripple des Drehmomentes der Synchronmaschine deutlich reduziert wird. Allerdings wird, wie aus 6b ersichtlich, gleichzeitig die Restwelligkeit im DC-Eingangsstrom 604 der Motorsteuervorrichtung leicht erhöht. Die 5 und 6 stellen die Ergebnisse von Simulationsrechnungen, die das erfinderische Verfahren zur Grundlage nehmen, dar.
Zusammenfassend bleibt festzustellen, dass eine rückwärts induzierte Reststromwelligkeit an einem DC-Eingang einer Motorsteuervorrichtung für eine Synchronmaschine elegant reduziert bzw. eliminiert werden kann. Dazu ist es nicht erforderlich, die Kapazität eines Glättungskondensators am Eingang der Motorsteuervorrichtung zu erhöhen bzw. es ist nicht erforderlich, einen zusätzlichen Stromsensor am Eingang der Motor- steuervorrichtung zur Messung des Eingangs-DC-Stromes vorzusehen. Durch das beschriebene Verfahren kann sehr kostengünstig die Reststromwelligkeit des Stromes I_DC 214 reduziert werden. Dadurch wird eine zusätzliche Belastung der Hochvoltbatterie 202 bzw. eine Belastung oder Beeinträchtigung von anderen elektrischen oder elektronischen Geräten, die an das Hochvoltnetz 208 angeschlossen wird, vermieden.

Claims

Verfahren (100) zum Reduzieren einer rückwärts induzierten Reststromwelligkeit an einem DC-Eingang einer Motorsteuervorrichtung (216) für eine Synchronmaschine (222), das Verfahren aufweisend – Messen (102) von einem Phasenstrom an einer Statorwicklung der Synchronmaschine (222), – Berechnen (104) eines eine Reststromwelligkeit aufweisenden DC-Stromes (214) am DC-Eingang der Motorsteuervorrichtung (216) aus dem gemessenen Phasenstrom, – Bestimmen (106) eines zeitabhängigen Stromsollwertes durch die Statorwicklung basierend auf dem die Reststromwelligkeit aufweisenden DC-Strom (214), sodass die rückwärts induzierte Reststromwelligkeit reduziert wird.
Das Verfahren (100) gemäß Anspruch 1, wobei das Berechnen (104) des die Reststromwelligkeit aufweisenden DC-Stromes (214) zusätzlich auf einem Modulationsgrad eines Modulationssignales innerhalb der Motorsteuervorrichtung (216) zur Definition eines Betriebspunktes der Synchronmaschine (222) basiert.
Das Verfahren (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Bestimmen (106) des zeitabhängigen Stromsollwertes ein Ermitteln (304) von Amplituden einer Oberschwingung in dem die Reststromwelligkeit aufweisenden berechneten DC-Strom aufweist, wobei die Oberschwingung zu einer Grundschwingung einer elektrischen Drehfrequenz der Synchronmaschine (222) korrespondiert.
Das Verfahren (100) gemäß Anspruch 3, wobei das Bestimmen (106) des zeitabhängigen Stromsollwertes zusätzlich ein Ermitteln (306) von Koeffizienten basierend auf der Ermittlung (304) der Amplituden der Oberschwingung aufweist, so dass das Bestimmen des zeitabhängigen Stromsollwertes auf den ermittelten Koeffizienten basiert.
Das Verfahren (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Berechnung (102) des die Reststromwelligkeit aufweisenden DC-Stromes (214) zusätzlich basiert auf – ersten Zeitdauern t_u, t_v, t_w, während der jeweils ein Strom durch die jeweiligen Statorwicklungen fließt, – einer zweiten Zeitdauer t_min während der gleichzeitig Strom durch alle Statorwicklungen fließt, und – einer Zeitperiode T_pwm einer Pulsweitenmodulation für Istwerte der Phasenströme durch die Statorwicklungen, wobei gilt: I_DC ≈ I_u·(t_u – t_min)/T_pwm + I_v·(t_v – t_min)/T_pwm) + I_w·(t_w – t_min)/T_pwm, wobei t_min = min(t_u, t_v, t_w) und I_u, I_v, I_w Werte der gemessene Phasenströme sind.
Das Verfahren (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Bestimmen (106) des zeitabhängigen Stromsollwertes an den Statorwicklungen im d/q-System gemäß I_d = I_d0 + k₁·sin(6ωt) + k₂·cos(6ωt) I_q = I_q0 – k₂·sin(6ωt) + k₁·cos(6ωt) ermittelt wird, wobei I_d0 und I_q0 Gleichstromanteile der Stromsollwerte sind, und ω die Kreisfrequenz der Phasenströme an den Statorwicklungen ist.
Motorsteuervorrichtung (216) für eine Synchronmaschine (222), die Motorsteuervorrichtung (216) aufweisend – Stromsensoren zum Messen von einem Phasenstrom an einer Statorwicklung der Synchronmaschine, und eine Steuereinrichtung (218), wobei die Steuereinrichtung aufweist: – eine DC-Strom-Berechnungseinheit (302), die ausgelegt ist, einen eine Reststromwelligkeit aufweisenden DC-Strom (214) am DC-Eingang der Motorsteuervorrichtung (216) zu berechnen, wobei die Berechnung auf dem gemessenen Phasenstrom (220) durch die Statorwicklung der Synchronmaschine (222) basiert, und – eine Stromsollwertberechnungseinheit (308), die ausgelegt ist, einen zeitabhängigen Stromsollwert durch die Statorwicklung basierend auf den die Reststromwelligkeit aufweisenden DC-Strom (214) zu bestimmen, sodass eine rückwärts induzierten Reststromwelligkeit an einem DC-Eingang der Motorsteuervorrichtung (216) reduziert wird.
Die Motorsteuervorrichtung (216) gemäß Anspruch 7, wobei die Steuereinrichtung (218) ferner einen Extraktor (304) aufweist, der ausgelegt ist, Amplituden einer Oberschwingung in dem die Restwelligkeit aufweisenden DC-Stromes (214) zu bestimmen, wobei die Oberschwindung zu einer Grundwelle einer elektrischen Drehfrequenz der Synchronmaschine (222) korrespondiert.
Die Motorsteuervorrichtung (216) gemäß Anspruch 8, wobei der Extraktor (304) folgende Elemente ausweist: – ein Differenzglied (402) an dessen erstem positiven Eingang ein Ausgangssignal (I_DC) der DC-Strom-Berechnungseinheit (302) anliegt, – einen ersten Multiplikator (404) an dessen erstem Signaleingang das Ausgangssignal des Differenzgliedes (402) anliegt und an dessen zweitem Signaleingang ein Signal cos(6ωt) anliegt, – ein erstes Integrationsglied (406), dessen Eingang mit dem Ausgang des ersten Multiplikators (404) verbunden ist und dessen Ausgang mit dem ersten Eingang eines zweiten Multiplikators (408) verbunden ist, wobei an einem zweiten Eingang des zweiten Multiplikators (408) das Signal cos(6ωt) anliegt, – ein Summenglied (416), dessen erster Eingang mit dem Ausgang des zweiten Multiplikators (408) verbunden ist und dessen Ausgang mit dem zweiten negativem Eingang des Differenzgliedes (402) verbunden ist, – einen dritten Multiplikator (410) an dessen erstem Signaleingang das Ausgangssignal des Differenzgliedes (402) anliegt und an dessen zweitem Signaleingang ein Signal sin(6ωt) anliegt, – ein zweites Integrationsglied (412), dessen Eingang mit dem Ausgang des dritten Multiplikators (410) verbunden ist und dessen Ausgang mit dem ersten Eingang eines vierten Multiplikators (414) verbunden ist, wobei an einem zweiten Eingang des vierten Multiplikators das Signal sin(6ωt) anliegt, und wobei an dem Ausgang des ersten Integrationsgliedes (406) ein Wert eines Signals aa und an dem Ausgang des zweiten Integrationsgliedes (412) ein Wert eines Signals bb herausgeführt ist, sodass nach einem Einschwingvorgang der Wert des Signals aa identisch zu der Amplitude a der Oberschwingung ist und der Wert des Signals bb identisch zu der Amplitude b der sechsten Oberschwingung ist, wobei ein Ausgangssignal I_DC der Strom-Berechnungseinheit als I_DC = a·cos(6ωt) + b (sin(6ωt) dargestellt wird, und wobei ω die Kreisfrequenz der Phasenströme an den Statorwicklungen ist.
Die Motorsteuervorrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei die Steuereinrichtung (218) ferner einen Koeffizientenermittler (306) aufweist, der ausgelegt ist, Koeffizienten aus den Amplituden der Oberschwingung zu ermitteln, welche Eingangsgrößen für die Stromsollwertberechnungseinheit (308) sind.