DE102015005555A1 - Method for determining a magnet temperature of a permanently excited electrical machine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Magnettemperatur (ϑ^ PM) einer permanent erregten elektrischen Maschine, wobei einer Magnettemperaturbeobachtereinheit (1) zumindest ein gemessener Statorstrom (idq[k]) der Maschine, eine in einem Umrichter der Maschine gebildete Statorspannung (udq[k]) und eine gemessene Drehzahl der Maschine zugeführt werden, wobei eine Erfassung der Statorspannung (udq[k]) über eine Laufzeit anhand eines Modells (2) der elektrischen Maschine erfolgt, wobei mittels der Magnettemperaturbeobachtereinheit (1) aus den zugeführten Daten und unter Berücksichtigung einer Vorlauftemperatur eines Kühlmediums der Maschine ein Permanentmagnetfluss (ψ^ dq[k]) ermittelt wird und – mittels der Magnettemperaturbeobachtereinheit (1) aus einer Flussdifferenz (Δψ^ dq[k]) zwischen dem Permanentmagnetfluss (ψ^ dq[k]) und einem einer Referenzmagnettemperatur (ϑPM,0) zugeordneten und in dem Modell (2) in zumindest einem Kennfeld ) hinterlegten Referenzfluss eine Temperaturdifferenz (Δϑ^ PM) und aus dieser die Magnettemperatur (ϑ^ PM) ermittelt wird, wobei – zur Erzeugung des zumindest einen Kennfelds ) frequenzabhängige Einflüsse auf die Maschine offline bestimmt werden und in dem zumindest einen Kennfeld ) abgebildet werden.The invention relates to a method for determining a magnet temperature (θ ^ PM) of a permanently excited electric machine, wherein a magnet temperature observing unit (1) at least one measured stator current (idq [k]) of the machine, a stator voltage formed in a converter of the machine (udq k]) and a measured speed of the machine are supplied, wherein a detection of the stator voltage (udq [k]) over a runtime on the basis of a model (2) of the electric machine, wherein by means of the magnetic temperature observer unit (1) from the supplied data and Taking into account a flow temperature of a cooling medium of the machine, a permanent magnet flux (ψ ^ dq [k]) is determined and - by the magnetic temperature observer unit (1) from a flow difference (Δψ ^ dq [k]) between the permanent magnet flux (ψ ^ dq [k]) and a reference associated with a reference magnet temperature (θ PM, 0) and stored in the model (2) in at least one map) flow temperature difference (Δθ ^ PM) and from this the magnet temperature (θ ^ PM) is determined, where - to generate the at least one map) frequency-dependent influences on the machine are determined offline and in the at least one map) are mapped.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Magnettemperatur einer permanent erregten elektrischen Maschine.The invention relates to a method for determining a magnet temperature of a permanently excited electrical machine.
Für einen elektrischen Antrieb von Fahrzeugen werden aufgrund einer hohen Leistungsdichte und einer variablen Bauform überwiegend permanentmagnetisch erregte elektrische Maschinen verwendet. Aufgrund von äußeren Wärmeeinträgen, beispielsweise durch den Stator der elektrischen Maschine oder andere Baugruppen, welche sich in einer Umgebung der Maschine befinden, und einer aufgrund von Eisenverlusten verursachten Eigenerwärmung kommt es im Betrieb solcher Maschinen zu einer signifikanten Erwärmung des Rotors. Im Rotor befinden sich Permanentmagnete, welche bezüglich ihrer Materialeigenschaften eine signifikante Temperaturabhängigkeit aufweisen.For an electric drive of vehicles mainly permanent magnetically excited electrical machines are used due to a high power density and a variable design. Due to external heat inputs, for example due to the stator of the electric machine or other assemblies, which are located in an environment of the machine, and due to iron losses caused self-heating occurs in the operation of such machines to a significant heating of the rotor. In the rotor are permanent magnets, which have a significant temperature dependence in terms of their material properties.
Insbesondere aus den folgenden Gründen ist es erforderlich, eine Magnettemperatur im Betrieb der Maschine zu kennen:
- – Im zulässigen Temperaturbereich der Permanentmagnete findet eine reversible Entmagnetisierung statt, welche direkten Einfluss auf das Drehmoment der Maschine hat. Mithilfe einer entsprechenden Temperaturinformation kann eine Parametervariation in einer Regelung nachgeführt und eine Drehmomentgenauigkeit erhöht werden. Dies ist unter anderem vorteilhaft für eine aktive Schwingungsdämpfung im mechanischen Antriebsstrang.
- – Außerhalb des zulässigen Temperaturbereichs findet eine irreversible Entmagnetisierung statt, welche zu einer dauerhaften Leistungsminderung der Maschine führt. In diesem Fall ist ein Austausch der Maschine erforderlich. Durch die Kenntnis der Magnettemperatur zur Laufzeit der Maschine kann die Betriebssicherheit erhöht werden.
- – Weiterhin wird eine höhere thermische Ausnutzung der Maschine ermöglicht. Um die temperaturbedingte irreversible Entmagnetisierung sicher zu verhindern, werden typischerweise so genannte statische Derating-Kennlinien eingesetzt, welche mit großen Sicherheitsaufschlägen behaftet sind. Durch die Kenntnis der Magnettemperatur zur Laufzeit kann eine Überlastfähigkeit der Maschine besser ausgenutzt werden, da ein dynamisches Derating bei geschlossenem Temperaturregelkreis möglich wird.
- - In the permissible temperature range of the permanent magnets, a reversible demagnetization takes place, which has a direct influence on the torque of the machine. By means of a corresponding temperature information, a parameter variation can be tracked in a control and a torque accuracy can be increased. This is advantageous, inter alia, for active vibration damping in the mechanical drive train.
- - Outside the permissible temperature range irreversible demagnetization takes place, which leads to a permanent reduction in performance of the machine. In this case, an exchange of the machine is required. By knowing the magnet temperature at runtime of the machine, the reliability can be increased.
- - Furthermore, a higher thermal utilization of the machine is possible. In order to reliably prevent the temperature-induced irreversible demagnetization, so-called static derating characteristics are typically used, which are associated with large safety impacts. By knowing the magnet temperature at runtime, an overload capacity of the machine can be better utilized, as a dynamic derating is possible with closed temperature control loop.
Da eine direkte Messung der Magnettemperatur im sich drehenden Rotor sehr aufwändig ist, wird die Magnettemperatur im Allgemeinen indirekt ermittelt. Hierzu sind aus dem Stand der Technik allgemein drei verschiedene Verfahren bekannt.Since a direct measurement of the magnet temperature in the rotating rotor is very expensive, the magnet temperature is generally determined indirectly. For this purpose, three different methods are generally known from the prior art.
In einem ersten Verfahren erfolgt eine thermische Modellierung, bei welcher ein thermisches Verhalten der Maschine mittels eines abstrakten Modells auf Basis konzentrierter Parameter (im Englischen: lumped parameter thermal network; kurz: LPTN) abgebildet wird. Die Parameter des Modells werden anhand experimenteller Testdaten identifiziert oder aufgrund geometrischer Überlegungen analytisch ermittelt. Die Ermittlung der Magnettemperatur findet als offene Schätzung anhand des zuvor aufgestellten abstrakten Modells (LPTN) statt.In a first method, a thermal modeling takes place in which a thermal behavior of the machine is mapped by means of an abstract model based on lumped parameter thermal network (LPTN for short). The parameters of the model are identified on the basis of experimental test data or analytically determined on the basis of geometric considerations. Magnetic temperature determination takes place as an open estimate using the previously established abstract model (LPTN).
In einem zweiten Verfahren, auch als Signalinjektion bezeichnet, wird zugrunde gelegt, dass sich eine Variation des Permanentmagnetflusses in Abhängigkeit der Temperatur auf ein elektrisch-magnetisches Maschinenverhalten auswirkt. Durch ein Aufschalten von Spannungssignalen kann anhand einer Stromantwort auf die Magnettemperatur geschlossen werden. Hierbei wird entweder eine Eisensättigungscharakteristik oder eine Maschinenimpedanz bei hochfrequenter Anregung ausgewertet.In a second method, also referred to as signal injection, it is assumed that a variation of the permanent magnet flux as a function of the temperature has an effect on an electrical-magnetic machine behavior. By applying voltage signals, it is possible to conclude by means of a current response to the magnet temperature. In this case, either an iron saturation characteristic or a machine impedance at high-frequency excitation is evaluated.
In einem dritten Verfahren, auch als exakter Flussbeobachter bezeichnet, wird zugrunde gelegt, dass eine Remanenzflussdichte hochenergetischer Permanentmagnetmaterialien, wie beispielsweise Neodym-Eisen-Bor, stärker von der Betriebstemperatur abhängig ist als klassische Materialen wie Ferrite und Legierungen aus Eisen, Aluminium, Nickel, Kupfer und Cobalt. Daher tritt ein signifikantes Maß an reversibler Entmagnetisierung bereits im zulässigen Temperaturbereich auf. Dieses wirkt sich entsprechend auf einen verketteten Permanentmagnetfluss aus Statorsicht aus und kann mittels eines genauen Flussbeobachters detektiert werden.A third method, also referred to as an accurate flux observer, is based on the assumption that a remanence flux density of high-energy permanent magnet materials, such as neodymium-iron-boron, is more dependent on the operating temperature than conventional materials such as ferrites and alloys of iron, aluminum, nickel, copper and cobalt. Therefore, a significant degree of reversible demagnetization already occurs in the allowable temperature range. This has a corresponding effect on a concatenated permanent magnet flux from stator light and can be detected by means of a precise flux observer.
Aus der
Weiterhin ist aus der
Weitere Verfahren zur Bestimmung einer Magnettemperatur eines permanent erregten elektrischen Motors sind in
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Bestimmung einer Magnettemperatur einer permanent erregten elektrischen Maschine anzugeben.The invention is based on the object to provide a comparison with the prior art improved method for determining a magnet temperature of a permanently excited electrical machine.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.The object is achieved by a method having the features specified in
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung einer Magnettemperatur einer permanent erregten elektrischen Maschine werden einer Magnettemperaturbeobachtereinheit zumindest ein gemessener Statorstrom der Maschine, eine in einem Umrichter der Maschine gebildete Statorspannung und eine gemessene Drehzahl der Maschine zugeführt. Eine Erfassung der Statorspannung erfolgt zur Laufzeit anhand eines Modells des Umrichters, wobei mittels der Magnettemperaturbeobachtereinheit aus den zugeführten Daten und unter Berücksichtigung einer Vorlauftemperatur eines Kühlmediums der Maschine ein Permanentmagnetfluss ermittelt wird und mittels der Magnettemperaturbeobachtereinheit aus einer Flussdifferenz zwischen dem Permanentmagnetfluss und einem einer Referenzmagnettemperatur zugeordneten und in dem Modell in zumindest einem Kennfeld hinterlegten Referenzfluss eine Temperaturdifferenz und aus dieser die absolute Magnettemperatur ermittelt wird. Zur Erzeugung des zumindest einen Kennfelds werden frequenzabhängige Einflüsse auf die Maschine offline bestimmt und in dem zumindest einen Kennfeld abgebildet.In the method according to the invention for determining a magnet temperature of a permanently excited electrical machine, at least one measured stator current of the machine, a stator voltage formed in a converter of the machine and a measured rotational speed of the machine are fed to a magnet temperature observing unit. A detection of the stator voltage at run time based on a model of the inverter, wherein by means of the Magnetettemperaturbeobachtereinheit from the supplied data and taking into account a flow temperature of a cooling medium of the machine, a permanent magnet flux is determined and by means of the magnet temperature observer unit from a flow difference between the permanent magnet flux and a reference magnet temperature associated and in the model stored in at least one map reference flux a temperature difference and from this the absolute magnet temperature is determined. To generate the at least one characteristic field, frequency-dependent influences on the machine are determined offline and imaged in the at least one characteristic diagram.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht aufgrund der Offline-Bestimmung der frequenzabhängigen Einflüsse auf die Maschine, insbesondere in einer systematischen Maschinenvermessung, in besonders vorteilhafter Weise, dass frequenzabhängige Einflüsse von Eisenverlusten und frequenzabhängige Einflüsse von Messmitteln, wie beispielsweise einem Drehgeber oder einem Stromsensor, genau ermittelt und somit verschiedene Fehlereinflüsse der Maschinenmodellierung und der Messmittel in dem Modell berücksichtigt werden können. Somit wird eine Modellgenauigkeit signifikant erhöht. Unter dem Begriff ”offline” wird dabei verstanden, dass die frequenzabhängigen Einflüsse an einem Prüfstand an der Maschine, d. h. nicht während eines Normalbetriebs der Maschine, wie beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs, ermittelt werden.The inventive method allows due to the offline determination of the frequency-dependent influences on the machine, in particular in a systematic machine measurement, in a particularly advantageous manner that frequency-dependent influences of iron losses and frequency-dependent influences of measuring means, such as a rotary encoder or a current sensor, accurately determined and thus various error influences of the machine modeling and the measuring means can be taken into account in the model. Thus, a model accuracy is significantly increased. The term "offline" is understood to mean that the frequency-dependent influences on a test bench on the machine, ie. H. not be determined during normal operation of the machine, such as to drive a vehicle.
Die modellbasierte Erfassung der Statorspannung zur Laufzeit anhand des Modells eines Umrichters ermöglicht in einfacher Weise ohne Änderung einer Konstruktion der Maschine eine kostengünstige Erfassung der Statorspannung. Eine tatsächliche Messung der Statorspannung zeichnet sich demgegenüber durch einen signifikant erhöhten Aufwand, erforderliche Konstruktionsänderungen und hohe Kosten aus.The model-based detection of the stator voltage at runtime on the basis of the model of an inverter allows in a simple manner without changing a construction of the machine, a cost-effective detection of the stator voltage. An actual measurement of the stator voltage is characterized by a significantly increased effort, required design changes and high costs.
Die Berücksichtigung einer Vorlauftemperatur eines Kühlmediums der Maschine ermöglicht insbesondere bei stark schwankenden Vorlauftemperaturen, beispielsweise bei Fahrzeuganwendungen der elektrischen Maschine, dass eine Kompensation aus diesen Schwankungen resultierender Veränderungen eines elektrisch-magnetischen Maschinenverhaltens und daraus folgender Einflüsse auf die Magnettemperaturbeobachtereinheit kompensiert werden können. Aufgrund einer thermisch-mechanischen Ausdehnung kommt es bei unterschiedlichen Temperaturen zu unterschiedlichen Luftspaltbreiten. Aufgrund einer guten thermischen Kopplung des Kühlmediums zur Maschine hat die Vorlauftemperatur des Kühlmediums einen wesentlichen Einfluss auf die Luftspaltbreite und somit auf das elektrisch-magnetische Maschinenverhalten. Aufgrund der Berücksichtigung der Vorlauftemperatur des Kühlmediums ist die Genauigkeit der Bestimmung der Magnettemperatur weiter erhöht und Schätzfehler können vermieden werden.The consideration of a flow temperature of a cooling medium of the machine makes it possible to compensate for fluctuations in an electrical-magnetic machine behavior and consequent influences on the magnetic temperature observation unit, particularly in the case of strongly fluctuating flow temperatures, for example in vehicle applications of the electric machine. Due to a thermal-mechanical expansion, different air gap widths occur at different temperatures. Due to a good thermal coupling of the cooling medium to the machine, the flow temperature of the cooling medium has a significant influence on the air gap width and thus on the electrical-magnetic machine behavior. Due to the consideration of the flow temperature of the cooling medium, the accuracy of the determination of the magnet temperature is further increased and estimation errors can be avoided.
Somit ist es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, das Modell zu verbessern und die Magnettemperatur der elektrischen Maschine sehr genau zu bestimmen. Aufgrund der genauen Kenntnis der Magnettemperatur sind eine verbesserte und genauere Steuerung und Überwachung der Maschine möglich. Insbesondere ist hierbei eine Erhöhung einer thermischen Auslastung der elektrischen Maschine realisierbar, da aufgrund der genauen Kenntnis der Magnettemperatur Sicherheitsreserven verringert werden können. Da ein von der Maschine erzeugte Drehmoment sehr stark abhängig von der Magnettemperatur ist, wird weiterhin aufgrund der genauen Kenntnis der Magnettemperatur ermöglicht, dass eine Regelung der Maschine derart erfolgen kann, dass das von der Maschine erzeugte Drehmoment während deren Betrieb sehr genau eingestellt werden kann.Thus, it is possible by means of the method according to the invention to improve the model and to determine the magnet temperature of the electric machine very accurately. Due to the exact knowledge of the magnet temperature, improved and more accurate control and monitoring of the machine are possible. In particular, in this case an increase in thermal utilization of the electric machine can be realized, since due to the exact knowledge of the magnet temperature safety reserves can be reduced. Further, because a torque produced by the engine is very dependent on the magnet temperature, due to the accurate knowledge of the magnet temperature, it is possible to control the engine so that the torque generated by the engine can be set very accurately during its operation.
Auch können Fehlerfälle früher erfasst und vermieden werden. Insbesondere können hierbei aufgrund der genauen Kenntnis der Magnettemperatur irreversible Entmagnetisierungen des Permanentmagneten der Maschine aufgrund zu hoher Betriebstemperaturen vermieden werden.Also, errors can be detected earlier and avoided. In particular, due to the exact knowledge of the magnet temperature irreversible demagnetization of the permanent magnet of the machine can be avoided due to excessive operating temperatures.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen:Showing:
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
In
Voraussetzung für eine präzise Temperaturbestimmung ist eine genaue Beobachtung eines verketteten Permanentmagnetflusses ψ ^dq[k] der Maschine. Hierzu werden der Magnettemperaturbeobachtereinheit
Die Magnettemperaturbeobachtereinheit
Dem Modell
Weiterhin wird der Schätzwert des Statorstroms îdq[k] der Rückkopplungseinheit
Insbesondere bei einer Verwendung der permanent erregten elektrischen Maschine in teilelektrisch oder elektrisch angetriebenen Fahrzeugen sind diese durch ein sehr geringes Leistungsgewicht und Leistungsvolumen gekennzeichnet. Hieraus ergibt sich eine hohe Nichtlinearität eines elektrischen Maschinenverhaltens, welches z. B. durch eine hohe Eisensättigung und Kreuzsättigung hervorgerufen wird. Des Weiteren sind derartige Maschinen bei einer Getriebeintegration, d. h. so genannte getriebeintegrierte Maschinen, starken äußeren Temperatureinflüssen ausgesetzt, die zu einem sehr weiten Betriebstemperaturbereich führen. Dabei können sich eine Stator- und Rotortemperatur stark voneinander unterscheiden.In particular, when using the permanently excited electric machine in partially electric or electrically driven vehicles, these are characterized by a very low power to weight ratio and power volume. This results in a high nonlinearity of electrical machine behavior, which z. B. caused by high iron saturation and cross-saturation. Furthermore, such machines are involved in gear integration, i. H. So-called gear-integrated machines, exposed to strong external temperature influences, which lead to a very wide operating temperature range. In this case, a stator and rotor temperature can differ greatly from each other.
Durch diese bauartbedingten Besonderheiten von permanent erregten elektrischen Maschinen in teilelektrisch oder elektrisch angetriebenen Fahrzeugen treten bei einer Modellierung eines elektrischen Systems hinsichtlich einer Permanentmagnetbeobachtung insbesondere folgende Schwierigkeiten auf:
- – Frequenzabhängige Einflüsse in der elektrischen Maschine, wie beispielsweise Wirbelstromverluste und Ummagnetisierungsverluste, und verwendeten Messmitteln, wie beispielsweise so genannten Winkelgebern und Strommesswandlern, die nicht in einem analytischen Maschinenmodell abgebildet werden können, verfälschen die Beobachtung des Permanentmagnetflusses ψ ^dq[k] und führen zu signifikanten Abweichungen hinsichtlich der beobachteten Magnettemperatur ϑ ^PM.
- – Eine wichtige Eingangsgröße der Magnettemperaturbeobachtereinheit
1 ist die Statorspannung udq[k]. Diese wird aus konstruktiven und kostentechnischen Gründen in Fahrzeugantrieben nicht gemessen und muss daher anderweitig indirekt ermittelt werden. Hierbei muss ein Einfluss des speisenden Umrichters, eine so genannte Umrichternichtlinearität, berücksichtigt werden, da regelungsinterne Sollspannungen nicht tatsächlichen Statorspannungen udq[k] entsprechen. Abweichungen in der Spannungsermittlung wirken sich direkt auf eine Genauigkeit der Magnettemperaturbeobachtung aus. - – Aufgrund einer Wärmeausdehnung des Stators und Rotors können temperaturbedingte Änderungen einer Luftspaltbreite auftreten, welche wiederum zu einer Veränderung des beobachteten Permanentmagnetflusses ψ ^dq[k] und damit zu einer Verfälschung des beobachteten Werts der Magnettemperatur ϑ ^PM führen können.
- - Frequency-dependent influences in the electrical machine, such as eddy current losses and Ummagnetisierungsverluste, and used measuring means, such as so-called angle encoders and current transducers that can not be mapped in an analytical machine model, falsify the observation of the permanent magnet flux ψ ^ dq [k] and lead to significant deviations in the observed magnet temperature θ ^ PM .
- An important input of the magnet
temperature observing unit 1 is the stator voltage u dq [k]. For reasons of design and cost, this is not measured in vehicle drives and therefore has to be determined indirectly indirectly. In this case, an influence of the supplying converter, a so-called inverter nonlinearity , must be taken into account, since the controller's internal setpoint voltages do not correspond to actual stator voltages u dq [k]. Deviations in the voltage determination have a direct effect on the accuracy of the magnetic temperature observation. - Due to a thermal expansion of the stator and rotor temperature-induced changes of an air gap width can occur, which in turn can lead to a change of the observed permanent magnetic flux ψ ^ dq [k] and thus to a falsification of the observed value of the magnet temperature θ ^ PM .
Da, wie zuvor im ersten Anstrich beschrieben, eine analytische Beschreibung der frequenzabhängigen Einflüsse sowohl von Eisenverlusten als auch von Messmitteln auf das elektrisch-magnetische Verhalten der Maschine unter Echtzeitbedingungen bei Fahrzeugen nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand möglich ist, werden diese Einflüsse vorliegend durch eine systematische Maschinenvermessung, insbesondere an einem Prüfstand offline, bestimmt und mittels zumindest eines Kennfelds
Hierfür wird die Maschine in rotorfesten Koordinaten feinmaschig vermessen, wobei zu einer besseren Interpolation zusätzlich Arbeitspunkte AP1 bis APn außerhalb einer maximalen Stromgrenze Imax,Motor eines normalen Motorbetriebes der Maschine bis zur einer maximalen Stromgrenze Imax,Mess einer Motorvermessung angefahren werden. Die Arbeitspunkte AP1 bis APn ergeben sich dabei aus einem Querstrom iq und einem Längsstrom id. Dieses Vermessungskennfeld wird für verschiedene, konstante Drehzahlen der Maschine aufgenommen, wobei sich eine Drehzahlauflösung von ca. 1/10-Schritten bezogen auf eine Maximaldrehzahl als vorteilhaft erwiesen hat.For this purpose, the machine is measured finely meshed in rotor-fixed coordinates, wherein for better interpolation additional operating points AP1 to APn outside a maximum current limit I max, motor of a normal engine operation of the machine are approached to a maximum current limit I max, measuring a motor measurement. The operating points AP1 to APn result from a transverse current i q and a longitudinal current i d . This survey map is recorded for different, constant speeds of the machine, with a speed resolution of about 1/10-steps relative to a maximum speed has proved advantageous.
In
Für mittlere und hohe Drehzahlen wird eine Spannungsgrenze für die Vermessung festgelegt. Hierfür wird ein reduziertes Arbeitspunktekennfeld in der Statorstromebene vorgegeben, wobei ein überlagerter Aussteuerungsregler Sollarbeitspunkte, welche außerhalb der Spannungsgrenze liegen, in Richtung eines Kurzschlusspunktes in einen realisierbaren Arbeitsbereich während der Vermessung verlagern. Hierdurch wird die Spannungsgrenze für eine gegebene Drehzahl und eine gegebene Zwischenkreisspannung sehr genau bestimmt, welches auch vorteilhaft für eine exakte Arbeitspunktsteuerung, d. h. Drehmomentsteuerung der Maschine, genutzt werden kann.For medium and high speeds, a voltage limit is set for the survey. For this purpose, a reduced operating point characteristic field in the stator current plane is specified, wherein a superimposed modulation controller displaces desired operating points, which lie outside the voltage limit, in the direction of a short-circuit point into a realizable working range during the measurement. As a result, the voltage limit for a given speed and a given DC link voltage is determined very accurately, which is also advantageous for an exact operating point control, d. H. Torque control of the machine, can be used.
Bei der Vermessung der Maschine wird jeder Arbeitspunkt AP1 bis APn in einer Statorstromebene für eine vorgegebene Zeit, insbesondere einige Sekunden, angefahren. Die relevanten Strom-, Spannungs-, Drehmoment-, Temperatur- und Drehzahlmessgrößen sowie weitere Messgrößen werden über diesen Zeitraum in einer Datenaufbereitung gemittelt, um eine ideale Parametrierung im Sinne eines so genannten Grundwellenmodells zu erreichen. Dabei werden auch alle Eingangsgrößen der Magnettemperaturbeobachtereinheit
Da innerhalb der Magnettemperaturbeobachtereinheit
Eine Vorlauftemperatur eines Kühlmediums der Maschine hat einen wesentlichen Einfluss auf die Vermessung, da durch thermische Ausdehnung der Maschine eine Luftspaltbreite variieren kann. Die Luftspaltbereite hat wiederum einen signifikanten Einfluss auf das magnetisch-elektrische Maschinenverhalten, welches bei der Vermessung identifiziert wird. Aufgrund einer guten thermischen Kopplung des Kühlmediums zur Maschine ist die Vorlauftemperatur des Kühlmediums im Wesentlichen für die thermische Ausdehnung verantwortlich. Daher wird die Vorlauftemperatur während der gesamten Vermessung konstant gehalten. Hierdurch wird eine zumindest im Wesentlichen gleichbleibende Luftspaltbreite sichergestellt und Einflüsse einer variierenden Vorlauftemperatur können zur Laufzeit besser ausgeglichen werden. Für die Vermessung wird die Vorlauftemperatur gewählt, welche einem zeitlichen Mittelwert der Vorlauftemperatur in der späteren Anwendung der Maschine entspricht, da somit die Differenz zwischen der Temperatur während der Vermessung und in der Anwendung im Mittel minimiert wird. Somit werden die Einflüsse einer variierenden Vorlauftemperatur minimiert. A flow temperature of a cooling medium of the machine has a significant influence on the measurement, since an air gap width can vary due to thermal expansion of the machine. The air gap range in turn has a significant influence on the magnetic-electrical machine behavior, which is identified during the measurement. Due to a good thermal coupling of the cooling medium to the machine, the flow temperature of the cooling medium is essentially responsible for the thermal expansion. Therefore, the flow temperature during the entire survey is kept constant. As a result, an at least substantially constant air gap width is ensured and influences of a varying flow temperature can be better compensated for at runtime. For the measurement, the flow temperature is selected, which corresponds to a time average of the flow temperature in the subsequent application of the machine, since thus the difference between the temperature during the measurement and in the application is minimized on average. Thus, the effects of a varying flow temperature are minimized.
Da die Vermessung der Maschine bei einer konstanten Vorlauftemperatur erfolgt, wird näherungsweise davon ausgegangen, dass die Luftspaltbreite während der Vermessung konstant ist. Da die Vorlauftemperatur während der Anwendung der Maschine signifikant um einen Nominalwert schwanken kann, verändert sich auch das elektrisch-magnetische Maschinenverhalten. Aus diesem Grund erfolgt eine Kompensation dieses Einflusses in Magnettemperaturbeobachtereinheit
Diese Kompensation erfolgt in einer möglichen Ausgestaltung durch analytische Anpassung. Hierbei ermöglicht ein Aufstellen eines magnetischen Reluktanzmodells in rotorfesten Koordinaten eine explizite Berücksichtigung der Luftspaltbreite. Diese beeinflusst eine magnetische Kopplung von Rotor und Stator hinsichtlich des Permanentmagnetflusses ψ ^dq[k] als auch einer Statorselbstinduktion. Durch eine weitere Vermessung der Maschine oder durch eine Analyse gemäß einer Finite-Elemente-Methode hinsichtlich eines gesamten möglichen Vorlauftemperaturbereichs wird der Einfluss auf das Vermessungskennfeld und somit auf das Kennfeld
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung erfolgt die Kompensation durch ein so genanntes abstraktes Fitting. Hierbei wird die vollständig parametrierte Magnettemperaturbeobachtereinheit
Zusätzlich wird während der Vermessung der Maschine, d. h. der Bestimmung der frequenzabhängigen Einflüsse und der Erzeugung des Kennfelds
Weiterhin wird während der Vermessung der Maschine ein Ansteuergrad ermittelt und berücksichtigt. Bei Anwendungen der Maschine zum Antrieb eines Fahrzeugs wird diese im Allgemeinen mit einem überlagerten Aussteuerungsregler und einem festen Aussteuergrad im Flussschwächbereich betrieben. Hierbei wird der Aussteuergrad während der Vermessung konstant eingestellt und geringfügig höher gewählt als in der späteren realen Anwendung.Furthermore, a drive rate is determined and taken into account during the measurement of the machine. In applications of the machine for propulsion of a vehicle this is generally operated with a superimposed modulation controller and a fixed Aussteuergrad in Flußschwächbereich. Here, the Aussteuergrad is set constant during the survey and selected slightly higher than in the later real application.
Zusätzlich zu der Vermessung der Maschine erfolgt die Erfassung der Statorspannung udq[k] zur Laufzeit modellbasiert, da eine tatsächliche Messung zu einem sehr hohen Kosten- und Konstruktionsaufwand führt. Eine Verwendung von Sollspannungen aus einer Maschinenregelung ist hierbei nicht zielführend, da die Einflüsse des speisenden Umrichters hierdurch nicht berücksichtigt werden. Für eine Realisierung einer echtzeitfähigen Implementierung wird ein Mittelwertmodell des Umrichters verwendet, wie es beispielsweise in
Hochausgenutzte Antriebsumrichter unterliegen starken Temperaturschwankungen hinsichtlich der Leistungshalbleitermodule. Eine Halbleitertemperatur hat dabei einen starken Einfluss auf Spannungsabfälle in Durchlassrichtung eines Transistors oder einer Bodydiode. Auch beeinflusst die Halbleitertemperatur ein transientes Schalt- und Kommutierungsverhalten der Maschine. Aus diesen Gründen wird die Halbleitertemperatur bei einer Umrichtervermessung berücksichtigt. Verfügt der verwendete Umrichter über keine Einrichtung zur Temperaturmessung, wird ein thermisches Modell des Umrichters zur Ermittlung der Halbleitertemperatur zur Laufzeit verwendet.Highly used drive inverters are subject to strong temperature fluctuations with regard to the power semiconductor modules. A semiconductor temperature has a strong influence on voltage drops in the forward direction of a transistor or a body diode. The semiconductor temperature also influences a transient switching and commutation behavior of the machine. For these reasons, the semiconductor temperature is taken into account in a converter measurement. If the inverter used does not have a temperature measuring device, a thermal model of the converter is used to determine the semiconductor temperature at runtime.
Da in Leitungen vom Umrichter zur Maschine ohmsche Spannungsabfälle auftreten, werden diese entsprechend bei der Umrichtermodellierung unter Berücksichtigung der Leitungswiderstände berücksichtigt.Since ohmic voltage drops occur in lines from the inverter to the machine, they are taken into account accordingly in converter modeling taking into account the line resistances.
Da, wie bereits erläutert, auch die Zwischenkreisspannung stark variieren kann, wird auch diese bei der Umrichtermodellierung verwendet, so dass in jedem Regelungszyklus die exakte Zwischenkreisspannung zur Berechnung der Statorspannung udq[k] berücksichtigt werden kann.Since, as already explained, the DC link voltage can vary greatly, this is also used in the Umrichtermodellierung, so that in each control cycle, the exact DC link voltage for calculating the stator voltage u dq [k] can be considered.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
-
1 Magnettemperaturbeobachtereinheit1 Magnet temperature observer unit -
2 Modell2 model -
3 Rückkopplungseinheit3 Feedback unit - AP1 bis APn ArbeitspunktAP1 to APn operating point
-
f –1 / dq f -1 / dq - erste Matrix first matrix
- zweite Matrix second matrix
- id Längsstromi d longitudinal flow
- idq[k] Statorstromi dq [k] stator current
- îdq[k] Schätzwert des Statorstromsî dq [k] Estimation of the stator current
- Imax,Mess Stromgrenze einer MotorvermessungI max, measuring current limit of a motor measurement
- Imax,Motor Stromgrenze eines normalen MotorbetriebI max, motor current limit of a normal motor operation
- iq Querstromi q cross flow
- [k] Abtastindex[k] sample index
- TS SchaltperiodeT S switching period
- udq[k] Statorspannungu dq [k] stator voltage
- RS StatorwiderstandR S stator resistance
- R(Δε[k]) RotationsmatrixR (Δε [k]) rotation matrix
- z Variable der z-Transformationz variable of the z-transformation
- z–1 Inverse der Variable der z-Transformationz -1 Inverse of the variable of the z-transformation
- Δε WinkeländerungΔε angle change
- Δϑ ^PM TemperaturdifferenzΔθ ^ PM temperature difference
- Δψ ^dq[k] FlussdifferenzΔψ ^ dq [k] flow difference
- ϑ ^PM Magnettemperaturθ ^ PM magnet temperature
- ϑPM,0 Referenzmagnettemperaturθ PM, 0 reference magnet temperature
- ψ ^dq[k] Permanetmagnetflussψ ^ dq [k] permanent magnet flux
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- A. Specht, O. Wallscheid und J. Böcker: ”Determination of Rotor Temperature for an Interior Permanent Magnet Synchronous Machine Using a Precise Flux Observer”; In: IEEE International Power Electronics Conference, Hiroshima, 2014 [0028] A. Specht, O. Wallscheid and J. Böcker: "Determination of Rotor Temperature for an Interior Permanent Magnet Synchronous Machine Using a Precise Flux Observer"; In: IEEE International Power Electronics Conference, Hiroshima, 2014 [0028]
- M. Seilmeier, Christoph Wolz und B. Piepenbreier: ”Modelling and Model Based Compensation of Non-Ideal Characteristics of Two-Level Voltage Source Inverters for Drive Control Application”, in IEEE Electric Drives Production Conference, Nürnberg, 2011 [0046] M. Seilmeier, Christoph Wolz and B. Piepenbreier: "Modeling and Model Based Compensation of Non-Ideal Characteristics of Two-Level Voltage Source Inverters for Drive Control Applications", IEEE Electric Drives Production Conference, Nuremberg, 2011 [0046]
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