DE102013100452A1

DE102013100452A1 - Verfahren zum betreiben einer elektrischen maschine

Info

Publication number: DE102013100452A1
Application number: DE201310100452
Authority: DE
Inventors: Gebhard Hudelmaier; Oliver Boser; Markus Heger
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-01-17
Filing date: 2013-01-17
Publication date: 2014-07-31

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, bei dem bei der Berechnung von PWM-Signalen zur Ansteuerung der einzelnen Endstufenzweige eine Temperatur des entsprechenden Endstufezweiges berücksichtigt ist. Des Weiteren wird Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein Temperaturverhalten der Strangwiderstände der Maschine berücksichtigt wird, wobei bei der Berechnung von PWM-Signalen zur Ansteuerung der einzelnen Endstufenzweige die Temperatur des entsprechenden Strangwiderstandes berücksichtigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für den Betrieb einer elektrischen Maschine in einer Hilfs- oder Fremdkraftlenkung.
Erläuterungen zum technischen Hintergrund der Erfindung:
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Ansteuerung von Drehfeldmaschinen wie beispielsweise Asynchronmaschinen (ASM) oder Permanentmagnet erregten Synchronmaschinen (PMSM) bekannt. Hierbei erfolgt beispielsweise die Motoransteuerung im rotorfeldorientierten d/q-Koordinatensystem. Bei dieser Motoransteuerung kann es sich beispielsweise um eine feldorientierte Regelung (FOR) handeln. Als eine Ausführungsform können bei einer FOR zur Motorstromregelung gemessene Phasenströme die ins rotorfeldorientierte d/q-Koordinatensystem transformiert werden zurückgekoppelt werden. Als eine weitere Ausführungsform können bei einer stromsensorlosen Motoransteuerung mit einer FOR simulierte Ströme, die auf Basis der am Motor anliegenden Spannungen berechnet werden, zur Motorstromregelung zurückgekoppelt werden. Weiter ist das Prinzip der stromsensorlosen Motoransteuerung unter Verwendung eines inversen Motormodells bekannt. 1 zeigt die prinzipielle Funktion einer Motoransteuerung unter Verwendung eines inversen Motormodells bei einer PMSM. Wesentliche Größen sind hierbei das Sollmoment M(ref) 101, u_sd(ref) 102 und u_sq(ref) 103 als Sollspannungen sowie θ als der Rotorlagewinkel 104 des Motors 105 und ω als Winkelgeschwindigkeit 106. Die PWM-Inverter 107 Soll-Spannungen 102 und 103 werden mit Hilfe eines „inversen Motormodells“ 108 direkt aus dem Sollmoment 101 berechnet. Dabei wird auch gegebenenfalls die erforderliche Feldschwächung realisiert. Es handelt sich also um eine Stromsteuerung. Es sind keine Stromregelschleifen vorhanden. Diese beschriebenen Motoransteuerungen haben die Gemeinsamkeit das die eigentliche Motorstromregelung bzw. Motorstromsteuerung im rotorfeldorientierten d/q-Koordinatensystem erfolgt. Die Motorstromregelung bzw. Motorstromsteuerung bestimmt dabei die an den Motor anzulegende erforderlichen Spannungen in rotorfeldorientierten Koordinaten. Diese an den Motor anzulegende erforderlichen Spannungen aus dem rotorfeldorientierten d/q-Koordinatensystem werden dann mit Hilfe des Rotorlagewinkel in ein statorfestes Koordinatensystem transformiert und die entsprechenden PWM-Signale zur Ansteuerung der Endstufe berechnet. Alternativ können auch die erforderlichen PWM-Signale zur Ansteuerung der Endstufe direkt aus dem rotorfeldorientierten d/q-Koordinatensystem mit Hilfe des Rotorlagewinkels berechnet werden. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Ermittlung der PWM-Signale zur Ansteuerung der Endstufe entsprechend den an den Motor anzulegenden erforderlichen Spannungen für eine dreiphasige Maschine. Der PWM Berechnung ist die eigentliche Stromregelung zum Beispiel bei einer FOR oder die eigentliche Stromsteuerung zum Beispiel bei einer stromsensorlosen Motoransteuerung unter Verwendung eines inversen Motormodells vorgeschaltet. Die Ausgangsgrößen dieser Stromregelung oder Stromsteuerung sind die Sollspannungen u_sd(ref) 201 und u_sq(ref) 202 im rotorfeldorientierten d/q-Koordinatensystem mit denen die Maschine angesteuert werden soll. Im Block PWM Berechnung 203 werden entsprechend den Sollspannungen u_sd(ref) 201 und u_sq(ref) 202 unter Verwendung des Rotorlagewinkels θ 210 der elektrischen Maschine 209 und der Zwischenkreisspannung U_ZK 211 die PWM-Signale 204 für die einzelnen Phasen zur Ansteuerung der elektrischen Maschine ermittelt. Aus diesen PWM-Signalen 204 werden im Block Ermittlung Endstufenansteuersignale 205 die Ansteuersignale 206 für die jeweiligen Leistungsschalter der Endstufe 207 ermittelt. Die Endstufe 207 ist über die Phasenanschlüsse 208 mit der elektrischen Maschine 209 verbunden.
Die Motorstromregelung bzw. Motorstromsteuerung im rotorfeldorientierten d/q-Koordinatensystem basiert dabei auf einem einsträngigen Ersatzschaltbild der elektrischen Maschine. 3 zeigt dies beispielsweise für eine PMSM. Das Ersatzschaltbild besteht aus der induzierten Spannung u_i,S 304 die auch als Gegen-EMK bezeichnet wird sowie aus dem Strangwiderstand R_S 301 und der Stranginduktivität L_S 303. Die Statorspannung u_S 305 ist die sich an einem Strang der elektrischen Maschine ergebende Spannung beim Ansteuern der elektrischen Maschine über deren Phasenanschlüsse durch die Endstufe. Der Strom i_S 302 ist der dabei fliesende Phasenstrom.
Um dieses Verfahren zu verwenden ist es wichtig das alle Phasen der Maschine bezüglich der Werte ihrer Parameter, wie zum Beispiel des Strangwiderstand, der Stranginduktivität und der Gegen-EMK im Falle der PMSM, möglichst gering von einander abweichen damit das einsträngige Ersatzschaltbild alle Phasen möglichst gut repräsentiert. Treten Unterschiede in den Phasen bezüglich der Werte ihrer Parameter auf repräsentiert das einsträngige Ersatzschaltbild nicht alle Phasen gleichermaßen und es kommt zu Drehmomentwelligkeiten bei der Ansteuerung der Maschine welche sich beispielsweise beim Einsatz der Maschine in einer elektrischen Servolenkung störend auswirken.
Die elektrische Maschine lässt sich üblicherweise so fertigen, dass die Unterschiede zwischen den Phasen ausreichend klein sind um das einsträngige Ersatzschaltbild repräsentativ für alle Phasen verwenden zu können ohne das störende Drehmomentwelligkeiten bei der Ansteuerung auftreten. Weiter ist bei der Maschine die thermische Kopplung zwischen den Phasen und die thermische Zeitkonstante des Motors groß genug, dass bei den meisten Anwendungen von einer gleichmäßigen Erwärmung der Wicklung ausgegangen werden kann. In diesem Fall ändern sich die Werte der temperaturabhängigen Parameter der einzelnen Phasen gleichmäßig wodurch dies auch mit einem einsträngigen Ersatzschaltbild durch eine Temperaturabhängigkeit der entsprechenden Parameterwerte berücksichtigt werden kann.
In bevorzugter Weise wird die Maschine dreiphasig mit drei Wicklungssträngen ausgeführt. 4 zeigt das Schaltbild einer dreiphasigen Brücke 401 als Endstufe einer Leistungselektronik mit der eine solche Maschine angesteuert werden kann. Die dreiphasige Brücke 401 besteht aus drei Halbbrücken die jeweils aus einem unteren Schalter 402 und einem oberen Schalter 410 besteht denen Freilaufdioden 403 parallel geschaltet sind. Als Schalter können elektronische Leistungsschalter wie beispielweise IGBTs oder MOSFETs verwendet werden. Im Fall von MOSFETs sind die dargestellten parallelen Dioden 403 bereits im MOSFET enthalten. Diese Halbbrücken werden auch, gegebenenfalls noch mit der realisierten Phasenstrommessung, als Endstufenzweige bezeichnet. Zwischen dem oberen Schalter 410 und dem unteren Schalter 402 befindet sich der Mittenabgriff der Halbbrücke. Die Mittenabgriffe der Halbbrücken sind mit den Phasenanschlüssen 408 der elektrischen Maschine 407 verbunden in denen die Phasenströme 409 fließen. Die oberen Anschlüsse der Halbbrücken sind mit der Zwischenkreisspannung U_ZK 404 und die unteren Anschlüsse der Halbbrücken mit dem Bezugspotential 0V 405 der Zwischenkreisspannung verbunden. Zwischen der Zwischenkreisspannung U_ZK 404 und der Bezugspotential 0V 405 der Zwischenkreisspannung befindet sich zur Stromglättung ein Zwischenkreiskondensator 406.
In der Leistungselektronik treten Verluste wie beispielsweise die Durchlassverluste der Schalter, die Schaltverluste, die Leitendverluste der Dioden sowie die Verluste in den Verbindungsleitungen der Leistungselektronik auf. Diese Verluste lassen sich beispielsweise den jeweiligen Endstufenzweigen als äquivalente Verlustwiderstände zuordnen. Die äquivalenten Verlustwiderstände stellen den Innenwiderstand der jeweiligen Endstufenzweige der Leistungselektronik dar. 5 zeigt ein entsprechendes Ersatzschaltbild einer dreiphasigen Endstufe. Das Ersatzschaltbild besteht aus einer Ersatzspannungsquelle für jeden Endstufenzweig. Jede dieser Ersatzspannungsquellen besteht aus einer Spannungsquelle 501 und dem Innenwiderstand 502 des jeweiligen Endstufenzweiges. Am Ausgang der Endstufe 503 werden die Phasen der elektrischen Maschine angeschlossen.
Nach dem Stand der Technik wird der Innenwiderstand der jeweiligen Endstufenzweige bei der Motoransteuerung beispielweise dadurch berücksichtigt indem der Innenwiderstand des jeweiligen Endstufenzweiges mit dem jeweiligen Strangwiderstand der Phasen der Maschine zu einem jeweiligen Gesamtstrangwiderstand der Phasen addiert wird. Dieser Gesamtstrangwiderstand wird entsprechend als Gesamtstrangwiderstand im einsträngigen Ersatzschaltbild bei der Motoransteuerung berücksichtigt. 6 zeigt dies zum Beispiel für eine PMSM. Das Ersatzschaltbild besteht aus der induzierten Spannung u_i,S 604 die auch als Gegen-EMK bezeichnet wird sowie aus dem Gesamtstrangwiderstand R_S,g 601 und der Stranginduktivität L_S 603. Die Statorspannung u_S 605 ist die sich an einem Strang der elektrischen Maschine ergebende Spannung beim Ansteuern der elektrischen Maschine über deren Phasenanschlüsse durch die Endstufe. Der Strom i_S 602 ist der dabei fliesende Phasenstrom. Bei gleichmäßiger Erwärmung der Leistungselektronik kann dabei die Erwärmung der Leistungselektronik durch einen angepassten Temperaturkoeffizienten des Gesamtstrangwiderstandes berücksichtigt werden.
Erwärmen sich die Endstufenzweige der Leistungselektronik nicht gleichmäßig treten aufgrund des thermischen Verhaltens unterschiedliche Innenwiderstände der Endstufenzweige auf. Die unterschiedliche Erwärmung der Endstufenzweige kann beispielsweise durch unterschiedliche Strombelastungen der einzelnen Endstufenzweige und kleinen thermischen Zeitkonstanten der elektronischen Leistungsschalter verursacht werden. Diese unterschiedlichen Strombelastungen der Endstufenzweige treten bei einer elektrischen Servolenkung auf wenn beispielweise unter hoher Belastung langsam gelenkt wird oder das Lenkrad gehalten wird wie es beim Lenken in Richtung Endanschlag oder beim Halten des Lenkrades im Endanschlag der Lenkung der Fall ist. Bei Verwendung von beispielsweise einer PMSM bei der Servolenkung dreht sich die Maschine dabei langsam oder bleibt stehen. Dabei fließen in den jeweiligen Phasen der Maschine über eine relativ lange Zeit, im Vergleich mit der thermischen Zeitkonstante der elektronischen Leistungsschalter, unterschiedlich hohe Ströme. Dies führt zu einer unterschiedlichen Strombelastung der einzelnen Endstufenzweige. Durch die unterschiedlichen Innenwiderstände der Endstufenzweige unterscheiden sind auch die Gesamtstrangwiderstände der jeweiligen Phasen. Die Gesamtstrangwiderstände weichen damit teilweise auch vom Gesamtstrangwiderstand des einsträngigen Ersatzschaltbildes für die Motoransteuerung ab. Dies ist auch der Fall wenn beispielsweise der Gesamtstangwiderstand des einsträngigen Ersatzschaltbildes mit einer Temperatur thermisch nachgeführt wird, da die Endstufenzweige unterschiedliche Temperaturen aufweisen.
Diese unterschiedlichen Gesamtstrangwiderstände und deren Abweichung vom Gesamtstrangwiderstand des einsträngigen Ersatzschaltbildes führen zu Fehldrehmomenten bzw. Drehmomentschwankungen. Wird eine solche Motoransteuerung z.B. zur Ansteuerung des Motors einer elektrischen Servolenkung eingesetzt sind diese Fehldrehmomente bzw. Drehmomentschwankungen störend oder nicht akzeptabel.
Aufgabe der Erfindung:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Motoransteuerung vorzuschlagen.
Lösung der Aufgabe:
Die Erfindung sieht ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine vor, bei dem ein Temperaturverhalten einer Endstufe berücksichtigt wird, wobei bei der Berechnung von PWM-Signalen zur Ansteuerung der einzelnen Endstufenzweige eine Temperatur des entsprechenden Endstufezweiges berücksichtigt wird.
Die PWM Signale entsprechend der Soll-Spannungen der einzelnen Endstufenzweige werden temperaturabhängig korrigiert.
Bei der Korrektur des PWM-Signals zur Ansteuerung des einzelnen Endstufenzweiges wird durch Verrechnung einer PWM-Korrektur entsprechend des Spannungsabfalls an dem Innenwiderstand des entsprechenden Endstufenzweiges auf Grundlage des momentanen Phasenstromes des entsprechenden Endstufenzweiges der Innenwiderstand des entsprechenden Endstufenzweiges mit der Temperatur des entsprechenden Endstufenzweiges thermisch nachgeführt Dabei handelt es sich bei dem Innenwiderstand des entsprechenden Endstufenzweiges um den äquivalenten Verlustwiderstand des Endstufenzweiges.
In vorteilhafter Weise wird das Verfahren bei einer Drehstrommaschine mit drei Phasen oder einer PMSM mit vorzugsweise drei Phasen angewendet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform gemäß der Erfindung handelt es sich bei der Ansteuerung der elektrischen Maschine um eine stromsensorlose Motoransteuerung unter Verwendung eines inversen Motormodells.
Von Weiteren Vorteil ist es, dass die momentanen Phasenströme aus intern, im inversen Motormodell vorhanden Ströme, die in rotorfeldorientierten Koordinaten vorliegen, berechnet werden.
Ein weitere davon unabhängige Lösungsvariante sieht ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine vor, bei dem ein Temperaturverhalten der Strangwiderstände der Maschine berücksichtigt wird und bei der Berechnung von PWM-Signalen zur Ansteuerung der einzelnen Endstufenzweige die Temperatur des entsprechenden dem jeweiligen Endstufenzweig zugeordneten Strangwiderstandes berücksichtigt wird.
In vorteilhafter Weise wird diese zweite Lösungsvariante in Verbindung mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 kombiniert angewendet, wobei das korrigierte PWM-Signal zusätzlich eine Korrekturanteil zur Korrektur des jeweiligen temperaturabhängigen Strangwiderstands aufweist.
Beide vorgestellten Lösungsvarianten werden insbesondere bei der Ansteuerung von Elektromotoren einer elektrischen Servolenkung angewendet.
Der Lösung der Aufgabe der Erfindung liegt die Idee zugrunde die Innenwiderstände der Endstufenzweige nicht mit dem Strangwiderstand der Maschine zum Gesamtstrangwiderstand zu addieren. Die Berücksichtigung der Spannungsabfälle an den temperaturabhängigen Innenwiderständen der einzelnen Endstufenzweige erfolgt für jeden Endstufenzweig einzeln. Die Spannungsabfälle an den Innenwiderständen der jeweiligen Endstufenzweige werden durch eine Korrektur der PWM-Signale bei der PWM-Berechnung der einzelnen Phasen berücksichtigt. Hierbei können dann die unterschiedlichen Innenwiderstände der Endstufenzweige aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen der Endstufenzweige berücksichtigt werden. Die erforderlichen Temperaturen der jeweiligen Endstufenzweige können auf unterschiedlichste Weise ermittelt werden. Die Temperaturen können beispielsweise mit Temperatursensoren die direkt in der Nähe der Leistungsschalter der Endstufenzweige angebracht sind gemessen werden. Weiter besteht beispielsweise die Möglichkeit die inneren Temperaturen der Leistungsschalter über Modelle zu berechnen oder durch Beobachter zu ermitteln und die mittlere Temperatur der zwei Leistungsschalter der jeweiligen Endstufenzweige als Temperatur des jeweiligen Endstufenzweiges zu verwenden.
Die Berücksichtigung der temperaturabhängigen Innenwiderstände der Endstufenzweige erfolgt durch Ermittlung einer PWM-Korrektur für jede Phase in Abhängigkeit des Spannungsfalls an dem Innenwiderstand des Endstufenzweiges der jeweiligen Phase. In bevorzugter Weise erfolgt die Ermittlung der PWM-Korrektur der jeweiligen Phase durch Berechung entsprechend der Gleichung:
Mit:

x: = Nummer der Phase (Beispielsweise 1, 2 und 3 bei einer dreiphasigen Maschine)
KPWM_x: = PWM-Korrektur der jeweiligen Phasen
R_i,PCU,x: = Innenwiderstand des Endstufenzweiges der jeweiligen Phase
i_x: = Momentanwert des Phasenstromes der jeweiligen Phase
U_ZK: = aktuelle Zwischenkreisspannung der Endstufe

Beim Phasenstrom der jeweiligen Phase handelt es sich um den Strom im Mittenabgriff der Halbbrücke der mit dem jeweiligen Phasenanschluss der elektrischen Maschine verbunden ist. Der Phasenstrom ist positiv wenn er aus dem Mittenabgriff der Halbbrücke zur elektrischen Maschine hin fließt.
Der bei der Ermittlung der PWM-Korrektur verwendete Innenwiderstand des jeweiligen Endstufenzweiges wird dabei in Abhängigkeit der Temperatur des Endstufenzweiges nachgeführt. In bevorzugter Weise erfolgt die Ermittlung des temperaturabhängigen Innenwiderstandes des jeweiligen Endstufenzweiges durch Berechnung entsprechend der Formel: R_i,PCU,x = R_i,PCU,Ref,x·(1 + α_x·(Theta_x – Theta_Ref,x)) Mit:

x: = Nummer der Phase (Beispielsweise 1, 2 und 3 bei einer dreiphasigen Maschine)
R_i,PCU,x: = Innenwiderstand des Endstufenzweiges der jeweiligen Phase bei der Temperatur Theta_x
R_i,PCU,Ref,x: = Referenzinnenwiderstand des Endstufenzweiges der jeweiligen Phase für die Referenztemperatur Theta_Ref,x
α_x: = Temperaturbeiwert des Innenwiderstandes des jeweiligen Endstufenzweig
Theta_x: = Aktuelle Temperatur des Endstufenzweiges
Theta_Ref,x: = Temperatur für welche der Referenzinnenwiderstand R_i,PCU,Ref,x gilt

Alternativ können Kennlinien mit dem Innenwiderstand des jeweiligen Endstufenzweiges in Abhängigkeit der Temperatur des jeweiligen Endstufenzweiges verwendet werden.
Mit der PWM-Korrektur der jeweiligen Phase wird dann die korrigierte PWM der jeweiligen Phasen ermittelt die dann von der Endstufe gestellt wird. In bevorzugter Weise erfolgt die Berechnung der korrigierten PWM der jeweiligen Phase entsprechend der Formel: PWM_x,K = PWM_x + KPWM_x Mit:

x: = Nummer der Phase (Beispielsweise 1, 2 und 3 bei einer dreiphasigen Maschine)
PWM_x,K: = Korrigiertes PWM-Signal der jeweiligen Phase
PWM_x: = PWM-Signal entsprechend der am Motor anzulegenden Spannung
KPWM_x: = PWM-Korrektur der jeweiligen Phasen

Gegebenenfalls ist noch anschließend eine Begrenzung des jeweiligen korrigierten PWM Signals auf die maximal und minimal von der Endstufe erzeugbaren PWM erforderlich.
Der Momentanwert des Phasenstromes der jeweiligen Phase lässt sich je nach Motoransteuerverfahren auf unterschiedliche Weise ermitteln. Es können zum Beispiel dazu:

– gemessener Phasenströme bei Ansteuerverfahren mit einer FOR mit Strommessung, oder
– simulierter Phasenströme, die aus simulierten Motorströmen in feldorientierten Koordinaten berechnet werden beispielsweise bei stromsensorlosen Ansteuerverfahren mit einer FOR mit Stromsimulator, oder
– berechnete Phasenströme, die aus intern in einem inversen Motormodell vorhandenen Motorströmen, die in feldorientierten Koordinaten vorliegen, berechnet werden beispielsweise bei stromsensorlosen Ansteuerverfahren mit einem inversen Motormodell verwendet werden.

Die intern in einem inversen Motormodell vorhanden Motorströme in feldorientierten Koordinaten können zum Beispiel mit einer bestimmten Dynamik eingestellte Motorströme in feldorientierten d/q-Koordinaten sein. Diese Ströme werden mit den bekannten Transformationen in das statorfeste α/β-Koordinatensystem und von dort in die Phasenströme beispielsweise eines drei Phasensystems umgerechnet. Die Umrechnung der Motorströme aus dem feldorientierten d/q-Koordinatensystem kann auch direkt in die Phasenströme beispielsweise eines drei Phasensystems erfolgen.
Zusammenfassend sieht die erste Lösungsvariante der Erfindung vor, dass ein Temperaturverhalten der Endstufe berücksichtigt wird, wobei bei der Berechnung von PWM-Signalen zur Ansteuerung der einzelnen Endstufenzweige eine Temperatur des entsprechenden Endstufezweiges berücksichtigt wird, wobei die PWM Signale entsprechend der Soll-Spannungen der einzelnen Endstufenzweige temperaturabhängig korrigiert werden. Bei der Korrektur des PWM-Signals zur Ansteuerung des einzelnen Endstufenzweiges wird durch Verrechnung einer PWM-Korrektur entsprechend des Spannungsabfalls an dem Innenwiderstand des entsprechenden Endstufenzweiges auf Grundlage des momentanen Phasenstromes des entsprechenden Endstufenzweiges der Innenwiderstand des entsprechenden Endstufenzweiges mit der Temperatur des entsprechenden Endstufenzweiges thermisch nachgeführt
Hierzu nachfolgendes Ausführungsbeispiel
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer dreiphasigen PMSM. Die PWM Berechnung 712 besteht aus zwei Teilen. Diese sind der Block Basis PWM Berechnung 703 und der Block PWM Korrektur 713. Der Block Basis PWM Berechnung 703 entspricht dem Block PWM Berechnung 203 in 2. In diesem Block Basis PWM Berechnung 703 werden entsprechend den Sollspannungen u_sd(ref) 701 und u_sq(ref) 702 unter Verwendung des Rotorlagewinkels θ 710 der elektrischen Maschine 709 und der Zwischenkreisspannung U_ZK 711 die PWM-Signale 704 für die einzelnen Phasen zur Ansteuerung der elektrischen Maschine ermittelt. Anschließend daran werden dann im Block PWM Korrektur 713 die ermittelten PWM-Signal 704 der einzelnen Phasen entsprechend der oben beschriebenen Erfindung korrigiert. Es werden korrigierte PWM-Signale 720 für die einzelnen Phasen unter Berücksichtung des Momentanwertes des Phasenstromes der jeweiligen Phase i₁ 714, i₂ 715 und i₃ 716, der Zwischenkreisspannung U_ZK 711 und der aktuellen Temperatur des Endstufenzweiges der jeweiligen Phase Theta₁ 717, Theta₂ 718 und Theta₃ 719 ermittelt. Aus diesen korrigierten PWM-Signalen 720 werden im Block Ermittlung Endstufenansteuersignale 705 die Ansteuersignale 706 für die jeweiligen Leistungsschalter der Endstufe 707 ermittelt. Die Endstufe 707 ist über die Phasenanschlüsse 708 mit der elektrischen Maschine 709 verbunden.
Aufgrund dieser Korrektur der PWM-Signale der einzelnen Phasen in Abhängigkeit der Temperatur der Endstufenzweige der jeweiligen Phasen treten keine Drehmomentwelligkeiten aufgrund der Temperaturdifferenzen der Endstufenzweige mehr auf. Die Ansteuerung einer elektrischen Maschine nach diesem Verfahren ist beim Einsatz der elektrischen Maschine in einer elektrischen Servolenkung von Vorteil da sich störende Drehmomentwelligkeiten und Geräusche dadurch reduzieren lassen.
Ist bei besonderen Anwendungen die thermische Kopplung zwischen den Wicklungen der Phasen der elektrischen Maschine und die thermische Zeitkonstante der elektrischen Maschine nicht groß genug um von einer gleichmäßigen Erwärmung der elektrischen Maschine ausgehen zu können, kann das oben beschriebene Prinzip gemäß einer weiteren Lösungsvariante der Aufgabenstellung auch auf die Strangwiderstände der elektrischen Maschine angewendet werden.
Demnach werden gemäß der zweiten Lösungsvariante die Strangwiderstände entsprechend analog zu den in der ersten Lösungsvariante beschriebenen Verfahren bezüglich der Innenwiderstände der Endstufe betrachtet.
Die Spannungsabfälle an den Strangwiderständen der jeweiligen Phasen werden dann durch eine Korrektur der PWM-Signale bei der PWM-Berechnung der einzelnen Phasen berücksichtigt. Hierbei können dann die unterschiedlichen Strangwiderstände der jeweiligen Phasen aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen der jeweiligen Phasen berücksichtigt werden.
Insbesondere ist dies bei Betriebsbedingungen der Fall, bei denen sich die elektrische Maschine unter hoher Last langsam dreht oder still steht.
Hierbei können sich aufgrund unterschiedlicher Erwärmung durch unterschiedliche Phasenströme die Werte der temperaturabhängigen Maschinenparameter wie beispielsweise die Strangwiderstände der einzelnen Phasen stark unterscheiden.
Auch hier wird der aktuelle Strangwiderstand aufgrund seiner Temperatur ermittelt, indem die Temperatur gemessen oder mittels eines Modells geschätzt oder berechnet wird.
Beide vorgestellten Lösungsvarianten können sowohl unabhängig als auch oder in Kombination durchgeführt werden.
Demnach kann also eine Korrektur zur Kompensation von thermisch verursachten Widerstandsänderungen in den Endstufenzeigen und/oder in den Strangwicklungen erfolgen.
Die vorgestellten beiden Lösungsvarianten beziehen sich unmittelbar auf ein zu stellendes PWM-Signal. Es ist jedoch auch möglich eine Stellgröße, die sich direkt oder indirekt auf das PWM-Signal auswirkt, zu beeinflussen, ohne dass der Schutzbereich vorliegender Erfindung verlassen wird.
Hierbei kommen insbesondere die Sollvorgaben für die einzelnen Phasenspannungen in Betracht.
Bei beiden vorgestellten Lösungsvarianten erfolgt eine Ansteuerung des Motors ohne den störenden Einfluss auf das Drehmoment aufgrund von Temperaturunterschieden in den Endstufenzweigen der Endstufe bzw in den Strangwiderständen der elektrischen Maschine. Erfindungsgemäß werden die vorgeschlagenen Verfahren bei der Ansteuerung von Elektromotoren einer elektrischen Hilfs- oder Fremdkraftlenkung für ein Kraftfahrzeug angewendet werden.
Bezugszeichenliste

101: Sollmoment M(ref)
102: Soll-Spannung in d-Richtung u_sd(ref)
103: Soll-Spannung in q-Richtung u_sq(ref)
104: Rotorlagewinkel θ
105: Permanentmagnet erregte Synchronmaschine
106: Winkelgeschwindigkeit ω
107: PWM-Inverter
108: Inverses Motormodell
109: Element zur Berechnung der Winkelgeschwindigkeit aus dem Rotorlagewinkel
201: Soll-Spannung in d-Richtung u_sd(ref)
202: Soll-Spannung in q-Richtung u_sq(ref)
203: Berechnung der PWM-Signale der einzelnen Phasen entsprechend den Sollspannungen
204: PWM-Signale der einzelnen Phasen entsprechend den Sollspannungen
205: Ermittlung der Endstufenansteuersignale, d.h. der Ansteuersignale der Leistungsschalter
206: Ansteuersignale der jeweiligen Leistungsschalter
207: Endstufe
208: Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine
209: Permanentmagnet erregte Synchronmaschine
210: Rotorlagewinkel θ
211: Zwischenkreisspannung U_ZK
301: Strangwiderstand R_S des einsträngigen Ersatzschaltbildes einer PMSM
302: Phasenstrom i_S
303: Stranginduktivität L_S des einsträngigen Ersatzschaltbildes einer PMSM
304: Induzierte Spannung u_i,S des einsträngigen Ersatzschaltbildes einer PMSM
305: Statorspannung u_S
401: 3-Phasen-Brückenschaltung
402: Unterer Schalter einer Halbbrücke der 3-Phasen-Brückenschaltung
403: Freilaufdioden
404: Zwischenkreisspannung U_ZK
405: Bezugspotential 0V der Zwischenkreisspannung
406: Zwischenkreiskondensator
407: Elektrische Maschine, zum Beispiel PMSM oder ASM
408: Anschluss der Endstufe an Phasen der elektrische Maschine
409: Phasenströme der jeweiligen Phase, i₁ für Phase 1, i₂ für Phase 2 und i₃ für Phase 3
410: Oberer Schalter einer Halbbrücke der 3-Phasen-Brückenschaltung
501: Spannungsquellen, u₁ für den Endstufenzweig der Phase 1, u₂ für den Endstufenzweig der Phase 2 und u₃ für den Endstufenzweig der Phase 3
502: Innenwiderstand des jeweiligen Endstufenzweiges, R_i1 für den Endstufenzweig der Phase 1, R_i2 für den Endstufenzweig der Phase 2 und R_i3 für den Endstufenzweig der Phase 3
503: Ausgang der Endstufe zum Anschluss der Phasen der elektrischen Maschine
601: Gesamtstrangwiderstand R_S,g des einsträngigen Ersatzschaltbildes einer PMSM
602: Phasenstrom i_S
603: Stranginduktivität L_S des einsträngigen Ersatzschaltbildes einer PMSM
604: Induzierte Spannung u_i,S des einsträngigen Ersatzschaltbildes einer PMSM
605: Statorspannung u_S
701: Soll-Spannung in d-Richtung u_sd(ref)
702: Soll-Spannung in q-Richtung u_sq(ref)
703: Berechnung der PWM-Signale der einzelnen Phasen entsprechend den Sollspannungen
704: PWM-Signale der einzelnen Phasen entsprechend den Sollspannungen
705: Ermittlung der Endstufenansteuersignale, d.h. der Ansteuersignale der Leistungsschalter
706: Ansteuersignale der jeweiligen Leistungsschalter
707: Endstufe
708: Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine
709: Permanentmagnet erregte Synchronmaschine
710: Rotorlagewinkel θ
711: Zwischenkreisspannung U_ZK
712: PWM Berechnung
713: PWM Korrektur
714: Momentanwert des Phasenstromes der Phase 1
715: Momentanwert des Phasenstromes der Phase 2
716: Momentanwert des Phasenstromes der Phase 3
717: Aktuelle Temperatur des Endstufenzweiges der Phase 1
718: Aktuelle Temperatur des Endstufenzweiges der Phase 2
719: Aktuelle Temperatur des Endstufenzweiges der Phase 3
720: Korrigierte PWM-Signale der einzelnen Phasen

Claims

Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine wobei ein Temperaturverhalten einer Endstufe berücksichtigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung von PWM-Signalen zur Ansteuerung der einzelnen Endstufenzweige eine Temperatur des entsprechenden Endstufezweiges berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die PWM Signale entsprechend der Soll-Spannungen der einzelnen Endstufenzweige temperaturabhängig korrigiert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur des PWM-Signals zur Ansteuerung des einzelnen Endstufenzweiges durch Verrechnung einer PWM-Korrektur entsprechend des Spannungsabfalls an dem Innenwiderstand des entsprechenden Endstufenzweiges auf Grundlage des momentanen Phasenstromes des entsprechenden Endstufenzweiges erfolgt und dieser Innenwiderstand des entsprechenden Endstufenzweiges mit der Temperatur des entsprechenden Endstufenzweiges thermisch nachgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Innenwiderstand des entsprechenden Endstufenzweiges um den äquivalenten Verlustwiderstand des Endstufenzweiges handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der elektrischen Maschine um eine Drehstrommaschine mit 3 Phasen handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der elektrischen Maschine um eine PMSM handelt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die PMSM 3 Phasen aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Ansteuerung der elektrischen Maschine um eine stromsensorlose Motoransteuerung unter Verwendung eines inversen Motormodells handelt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die momentanen Phasenströme aus intern, im inversen Motormodell vorhanden Ströme, die in rotorfeldorientierten Koordinaten vorliegen, berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieses bei der Ansteuerung von Elektromotoren einer elektrischen Servolenkung angewendet wird.
Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturverhalten der Strangwiderstände der Maschine berücksichtigt wird und bei der Berechnung von PWM-Signalen zur Ansteuerung der einzelnen Endstufenzweige die Temperatur des entsprechenden Strangwiderstandes berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es in Verbindung mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 kombiniert angewendet wird, wobei das korrigierte PWM-Signal einen zusätzlichen Korrekturanteil zur Korrektur entsprechend des Einflusses des jeweiligen temperaturabhängigen Strangwiderstands aufweist.