DE102015224586A1

DE102015224586A1 - Arbeitspunktbestimmung einer Synchronmaschine

Info

Publication number: DE102015224586A1
Application number: DE102015224586.1A
Authority: DE
Inventors: Oussama Jabloun
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2015-12-08
Filing date: 2015-12-08
Publication date: 2017-06-08

Abstract

Ein Verfahren zum Steuern einer Drehfeldmaschine (100) an einem Energiespeicher (218) mittels einer Vektorregelung umfasst Schritte des Abtastens einer Drehzahl der Drehfeldmaschine (100), des Bestimmens, bezüglich der abgetasteten Drehzahl, eines vorbestimmten maximalen Stroms durch den Energiespeicher (218) und eines vorbestimmten maximalen Stroms durch die Drehfeldmaschine (100), eines Zusammenhangs zwischen einer Isd-Komponente und einer Isq-Komponente des Stroms durch die Drehfeldmaschine (100), und des Bestimmens eines maximalen Drehmoments auf der Basis des Zusammenhangs und einer vorbestimmten Kennlinie (425) im Phasenraum (300) der Arbeitspunkte (305), wobei ein Arbeitspunkt (305) eine d-Komponente und eine q-Komponente des durch die Drehfeldmaschine (100) fließenden Stroms umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Synchronmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Drehmomentbegrenzung an einer Synchronmaschine, die mittels Vektorregelung gesteuert wird.
Eine Synchronmaschine kann mittels einer Vektorregelung bezüglich eines abzugebenden Drehmoments gesteuert werden. Beispielsweise kann eine elektrische Servolenkung oder Lenkkraftunterstützung mittels eines Elektromotors realisiert sein, dessen abzugebendes Drehmoment gesteuert wird.
Die Synchronmaschine ist permanenterregt und umfasst einen Rotor mit mehreren Permanentmagneten und einen Stator mit Spulen. Im Betrieb der Synchronmaschine werden die Spulen mittels sinusförmigen Strömen angesteuert, wobei eine Frequenz der Ströme von einer Drehzahl und eine Amplitude vom Drehmoment abhängig sind. Die Vektorregelung bestimmt die Ströme bezüglich eines Koordinatensystems, das sich mit dem Stator mit dreht, sodass die Ströme als Gleichgrößen bestimmt werden können, sodass übliche Verfahren der Regelungstechnik verbessert anwendbar sind. Ein Vektorregler setzt die Vektorregelung physisch um und steuert die Synchronmaschine.
Die Regelung erfolgt auf einen Arbeitspunkt, der im rotierenden Koordinatensystem als Kombination aus einer q-Komponente und einer d-Komponente des durch die Synchronmaschine fließenden Stroms ergibt. Der Arbeitspunkt wird bezüglich des angeforderten Drehmoments bestimmt, wobei bestimmte Grenzen eingehalten werden müssen, die beispielsweise die maximale Strombelastbarkeit der Synchronmaschine betreffen.
Ist eine maximale Leistung der Synchronmaschine begrenzt, kann zu einem angeforderten Drehmoment unter Umständen kein Arbeitspunkt bestimmt werden. Zur Arbeitspunktbestimmung muss daher eine Begrenzung des Drehmoments durchgeführt werden. Die Begrenzung kann zwar analytisch durchgeführt werden, dies erfordert aber einen großen Aufwand, der mittels einer kostengünstigen Verarbeitungseinrichtung oft nicht durchgeführt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Technik zur Steuerung einer Synchronmaschine anzugeben, die eine Drehmomentbegrenzung umfasst, die einfach durchzuführen ist. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Ein Verfahren zum Steuern einer Drehfeldmaschine an einem Energiespeicher mittels einer Vektorregelung umfasst Schritte des Abtastens einer Drehzahl der Drehfeldmaschine, des Bestimmens, bezüglich der abgetasteten Drehzahl, eines vorbestimmten maximalen Stroms durch den Energiespeicher und eines vorbestimmten maximalen Stroms durch die Drehfeldmaschine, eines Zusammenhangs zwischen einer Isd-Komponente und einer Isq-Komponente des Stroms durch die Drehfeldmaschine, und des Bestimmens eines maximalen Drehmoments auf der Basis des Zusammenhangs und einer vorbestimmten Kennlinie im Phasenraum der Arbeitspunkte, wobei ein Arbeitspunkt eine d-Komponente und eine q-Komponente des durch die Drehfeldmaschine fließenden Stroms umfasst.
Vorteilhafterweise kann ein Teil der ansonsten aufwändigen analytischen Bestimmung eines maximalen Drehmoments der Drehfeldmaschine bereits vor der eigentlichen Durchführung des Verfahrens bestimmt werden, sodass die während des Steuerns der Drehfeldmaschine nötigen Verarbeitungsschritte vereinfacht sein können. Dadurch kann insbesondere eine kostengünstige Verarbeitungseinrichtung mit begrenzter Verarbeitungs- oder Speicherkapazität zur Steuerung der Drehfeldmaschine verwendet werden. Das bestimmte Drehmoment kann verwendet werden, um die Drehfeldmaschine derart anzusteuern, dass das von ihr abgegebene Drehmoment maximal ist, ohne dabei die vorgegebenen Randbedingungen, insbesondere die maximal zulässigen Ströme, zu überschreiten. Die Kennlinie liegt bevorzugterweise in abgespeicherter Form vor, beispielsweise als Suchtabelle.
Der Zusammenhang kann als weitere Kennlinie bestimmt werden, wobei ein Schnittpunkt zwischen der Kennlinie und der weiteren Kennlinie auf geometrische Weise bestimmt wird. Die Bedingungen der Kennlinie und des Zusammenhangs können leicht graphisch visualisiert werden, was eine Entwicklung einer Umsetzung des Verfahrens erleichtern kann. Das maximale Drehmoment kann gefunden werden, indem die Kennlinie mit der weiteren Kennlinie im Phasenraum der Arbeitspunkte geschnitten wird. Am Schnittpunkt können das zugehörige Drehmoment oder auch ein zugehöriger Phasenstrom, also ein durch die Phasen (Spulen) der Drehfeldmaschine fließender Strom, einfach bestimmt werden. Die Kennlinien können einfach als Sammlung von Stützstellen in Suchtabellen (lookup tables) abgelegt werden. Übliche Verfahren zur Verarbeitung von Kennlinien oder Kennfeldern, wie die Abspeicherung von Stützstellen und die Interpolation zwischen den Stützstellen, können vorteilhaft angewandt werden.
Es sind aber auch andere Vorgehensweisen möglich, um die Bedingungen des Zusammenhangs und der Kennlinie miteinander in Einklang zu bringen. In einer weiteren Ausführungsform wird die Drehfeldmaschine mittels eines Arbeitspunkts auf der Kennlinie derart angesteuert, dass ein Phasenstrom verringert wird, bis der maximale Strom durch den Energiespeicher eingehalten ist. Dazu kann beispielsweise ein PI-Regler verwendet werden, der zur Minimierung des Phasenstroms eingesetzt wird. Der Arbeitspunkt der Drehfeldmaschine wird also auf der Kennlinie gesucht, indem der Phasenstrom so weit verringert wird, bis die Vorgabe des maximalen Stroms eingehalten ist. Andere Suchstrategien sind ebenfalls denkbar.
Der Zusammenhang kann in bevorzugten Ausführungsformen eine MTPA-Kennlinie, eine MTPV-Kennlinie, eine Kennlinie maximaler Phasenströme oder eine Spannungsellipse umfassen. Die MTPA-Kennlinie (MTPA: Maximum Torque per Ampère, maximales Drehmoment pro Ampère) umfasst Arbeitspunkte, an denen bei maximiertem Drehmoment der durch die Drehfeldmaschine fließende Strom minimiert ist. Diese Kennlinie kann beispielsweise analytisch oder experimentell bezüglich einer vorbestimmten Drehfeldmaschine bestimmt werden. Die MTPV-Kennlinie (MTPV: Maximum Torque per Volt, maximales Drehmoment pro Volt) umfasst Arbeitspunkte, bei denen die Spannung an den Spulen der Drehfeldmaschine maximal ist. Soll eine Drehzahl der Drehfeldmaschine über einen Arbeitspunkt auf der MTPA-Kennlinie angehoben werden, so kann die negative d-Komponente des Stroms erhöht werden, sodass eine zusätzliche Feldschwächung eintritt. Dabei darf die MTPV-Kennlinie aber nicht überschritten werden. Auf der MTPV-Kennlinie liegen daher Arbeitspunkte mit maximaler Drehzahl. Die maximalen Phasenströme geben eine Belastbarkeit der Spulen mit Strom wieder. Die Spannungsellipse kann Grenzen bestimmen, die durch einen maximalen magnetischen Fluss in der Drehfeldmaschine vorgegeben sind.
Bevorzugterweise wird gleichzeitig mit der Begrenzung des Drehmoments bzw. der Bestimmung des maximalen Drehmoments der Arbeitspunkt der Drehfeldmaschine bestimmt. Unter den oben genannten Suchverfahren ist also eines zu bevorzugen, das den Arbeitspunkt mitbestimmt, beispielsweise die geometrische Suche. Der Aufwand für die Arbeitspunktbestimmung ist dann bereits erfolgt, sodass eine Belastung einer Verarbeitungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens signifikant verringert sein kann.
Ein Zusammenhang zwischen einem Drehmoment und einem Punkt auf der Kennlinie kann in abgespeicherter Form vorliegen. So kann das Drehmoment leicht bestimmt werden, wenn der Punkt auf der Kennlinie bekannt ist.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Arbeitspunkt der Drehfeldmaschine auf der Basis eines angeforderten Drehmoments bestimmt, wobei gleichzeitigt das angesteuerte Drehmoment derart begrenzt wird, dass ein durch den Energiespeicher fließender Strom einen vorbestimmten maximalen Strom nicht überschreitet. Die Bestimmung des maximalen Drehmoments kann dabei auch entfallen.
Ein Computerprogrammprodukt umfasst Programmcodemitteln zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem programmierbaren Mikrocomputer ausgeführt wird oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
Eine Vektorregelung zur Steuerung einer Drehfeldmaschine an einem Energiespeicher umfasst eine Abtasteinrichtung zur Abtastung einer Drehzahl der Drehfeldmaschine, und eine Verarbeitungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen Zusammenhang zwischen einer Isd-Komponente und einer Isq-Komponente des durch die Drehfeldmaschine fließenden Stroms bezüglich eines maximalen Stroms durch den Energiespeicher, eines maximalen Stroms durch die Drehfeldmaschine und der abgetasteten Drehzahl zu bestimmen, und ein maximales Drehmoment auf der Basis des Zusammenhangs und einer vorbestimmten Kennlinie im Phasenraum der Arbeitspunkte zu bestimmen. Dabei umfasst der Arbeitspunkt eine d-Komponente und eine q-Komponente des durch die Drehfeldmaschine fließenden Stroms und die Kennlinie liegt in abgespeicherter Form vor.
In einer weiteren Ausführungsform wird zusätzlich oder alternativ zum maximalen Drehmoment ein Arbeitspunkt bestimmt. Die Vektorregelung kann insbesondere eines der oben beschriebenen Verfahren realisieren.
Bevorzugterweise ist die Verarbeitungseinrichtung der Vektorregelung dazu eingerichtet, den Arbeitspunkt bezüglich eines angeforderten Drehmoments und des bestimmten maximalen Drehmoments derart zu bestimmen, dass die vorbestimmten Ströme eingehalten sind und das durch die Drehfeldmaschine abgegebene Drehmoment möglichst dem angeforderten Drehmoment entspricht, ohne dabei das bestimmte maximale Drehmoment zu überschreiten. Wird ein geringeres als das angeforderte Drehmoment angesteuert, kann ein Signal bereitgestellt werden, das auf die Begrenzung hinweist.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
1 eine Drehfeldmaschine mit unterschiedlichen Koordinatensystemen;
2 die Drehfeldmaschine von 1 an einer Steuervorrichtung und
3 bis 5 beispielhafte Kennfelder von Arbeitspunkten einer Drehfeldmaschine darstellen.
1 zeigt eine Drehfeldmaschine 100, insbesondere eine permanenterregte Synchronmaschine. Die Drehfeldmaschine 100 umfasst einen Stator 105 und einen Rotor 110, die bezüglich einer Drehachse 115 drehbar gegeneinander gelagert sind. Am Stator 105 sind wenigstens drei Spulen 120 gleichmäßig versetzt auf einem Umfang um die Drehachse 115 angebracht. Es sind drei Phasen U, V und W vorgesehen, wobei jede Phase U, V, W mit gleich vielen Spulen 120 verbunden ist und die Spulen 120 äquidistant auf dem Umfang verteilt sind. In der dargestellten Ausführungsform beträgt eine Polpaarzahl eins, sodass drei Spulen 120 vorgesehen sind, die paarweise Winkel von 120° miteinander einschließen, in anderen Ausführungsformen ist die Polpaarzahl größer und es sind entsprechend mehr Spulen 120 mit kleineren Winkeln zu Nachbarspulen vorgesehen. Die Spulen 120 können in Stern- oder Dreiecksschaltung miteinander verbunden sein, sodass üblicherweise nur drei Anschlüsse aus der Drehfeldmaschine 100 nach außen zugänglich sind. Der Rotor 110 trägt bevorzugterweise einen oder mehrere Permanentmagneten 125, sodass von einer permanenterregten Synchronmaschine (PSM) gesprochen wird. Werden die Phasen U, V, W mit phasenverschobenen Wechselströmen angesteuert, so wird ein Drehmoment generiert, das den Rotor 110 um die Drehachse 115 bezüglich des Stators 105 dreht.
Die phasenverschobene Ansteuerung der Phasen U, V, W kann in unterschiedlichen Koordinatensystemen dargestellt werden. Im statorfesten U/V/W-Koordinatensystem sind die Koordinatenachsen um 120° gegeneinander verdreht. Da die Ströme der Phasen U, V, W in Summe Null ergeben, kann ein Stromzeiger bzw. Stromvektor 130 auch in einem statorfesten, zweidimensionalen α/β-Koordinatensystem dargestellt werden. Ferner ist ein rotorfestes d/q-Koordinatensystem eingetragen, dessen d-Komponente gleichgerichtet mit dem magnetischen Fluss Ψ_PM des Permanentmagneten 125 verläuft. Ein Winkel zwischen der d-Achse und der α- bzw. U-Achse entspricht einem mechanischen Drehwinkel zwischen dem Rotor 110 und dem Stator 105. Ein elektrischer Drehwinkel entspricht dem mechanischen Drehwinkel multipliziert mit der Polpaarzahl. Der d-Strom beeinflusst den magnetischen Fluss der Drehfeldmaschine 100 und wird auch Blindstrom genannt, der q-Strom bewirkt die Drehmomentbildung und wird Wirkstrom genannt.
Durch das Betrachten bzw. Steuern von durch die Phasen U, V, W fließenden Strömen im rotorfesten d/q-Koordinatensystem können sich verarbeitungstechnische und rechnerische Vorteile ergeben, um die Drehfeldmaschine 100 zu betreiben.
2 zeigt eine beispielhafte Steuervorrichtung 200 zur Feldorientierten Steuerung (FOS) der Drehfeldmaschine 100 aus 1 in einer beispielhaften Ausführungsform. Es ist zu beachten, dass die dargestellte Steuervorrichtung 200 lediglich stellvertretend für eine praktisch beliebige Steuerung oder Regelung steht, die das d-q-Koordinatensystem von 1 verwendet. Die Drehfeldmaschine 100 ist bevorzugterweise als permanenterregte Synchronmaschine ausgeführt.
In der dargestellten Ausführungsform ist eine Steuerkomponente 205 dazu vorgesehen, auf der Basis von vorgegebenen d- und q-Komponenten eines Soll-Stroms (IsdRef, IsqRef) durch die Drehfeldmaschine 100 d- und q-Komponenten einer Spannung (Usd, Usq) zu generieren, die im Folgenden an der Drehfeldmaschine 100 eingestellt werden sollen. Die beiden Komponenten werden mittels eines Umsetzers 210 vom d/q-Koordinatensystem in ein dreidimensionales Koordinatensystem (insbesondere das U/V/W-Koordinatensystem) umgesetzt. Dabei ergeben sich drei Spannungen, die üblicherweise mittels eines Vektormodulators 215 in drei korrespondierende Pulsweitenmodulationssignale (PWM) umgesetzt werden, wobei insbesondere Tastverhältnisse der PWM-Signale gesteuert werden können.
Ein Pulswechselrichter 220 ist dazu eingerichtet, jede der Phasen U, V, W getaktet mit einem hohen oder einem niedrigen Potential einer Zwischenkreisspannung zu verbinden, sodass sich an der Phase U, V, W eine gewünschte Spannung einstellt. Die Zwischenkreisspannung kann bei Einsatz der Steuervorrichtung 200 in einem Kraftfahrzeug einer Bordspannung entsprechen. Die Bordspannung kann mittels eines Energiespeichers 218, insbesondere einer Batterie, bereitgestellt sein. In diesem Fall kann die Energie zum Antrieb der Drehfeldmaschine 100 der Batterie entnommen oder im Generatorbetrieb auch in diese zurück gespeist werden.
Ein Pulswechselrichter 220 ist dazu eingerichtet, jede der Phasen U, V, W getaktet mit einem hohen oder einem niedrigen Potential der Zwischenkreisspannung zu verbinden, sodass sich an der Phase U, V, W eine gewünschte Spannung einstellt. Dazu umfasst der Pulswechselrichter üblicherweise Stromventile, die mittels pulsweitenmodulierten (PWM) Signalen angesteuert werden, deren Tastverhältnisse die Spannungen steuern. Die Spannungen werden an die Spulen 110 angelegt und bewirken Ist-Phasenströme durch die Phasen U, V und W. Mindestens ein Phasenstrom wird mittels einer Abtasteinrichtung 225 abgetastet. In einer bevorzugten Ausführungsform sind wenigstens zwei Abtasteinrichtungen 225 für verschiedene Ist-Phasenströme vorgesehen, wobei der Ist-Phasenstrom der nicht abgetasteten Phase U, V, W als Linearkombination aus den anderen beiden Ist-Phasenströmen bestimmt werden kann, sodass die Summe der drei Ist-Phasenströme Null ist.
Eine Rückkopplung der Steuervorrichtung 200 erfolgt bevorzugterweise mittels eines Positionssensors 230, der einen Drehwinkel zwischen dem Rotor 110 und dem Stator 105 bestimmt. Das Ausgangssignal des Positionssensors 230 wird, falls erforderlich, mit der Polpaarzahl multipliziert, um den mechanischen Drehwinkel in einen elektrischen Stromwinkel umzuwandeln. Das Positionssignal kann nach der Zeit abgeleitet werden, um eine mechanische Winkelgeschwindigkeit ωmech des Rotors 110 zu bestimmen. Die mechanische Winkelgeschwindigkeit ωmech kann auf der Basis der Polpaarzahl in eine elektrische Winkelgeschwindigkeit umgewandelt werden, die der Steuerkomponente 205 als Rückkopplung bereitgestellt werden kann.
Insbesondere für einen Einsatz als Servomotor kann die Drehfeldmaschine 100 drehmomentgeregelt betrieben werden, wobei ein gewünschtes Drehmoment M_soll vorgegeben wird, aus dem eine Arbeitspunktbestimmung 240 die gewünschten Ströme IsdRef und IsqRef bereitstellt. Eine Kombination von Strömen IsdRef und IsqRef (oder Isd und Isq) wird Arbeitspunkt genannt.
Abgesehen von der Drehfeldmaschine 100, dem Pulswechselrichter 220, der Abtasteinrichtung 225 und dem Positionssensor 230 sind die dargestellten Elemente bzw. Blöcke üblicherweise als Verfahrensschritte eines Verfahrens ausgeführt, das auf einer Verarbeitungseinrichtung abläuft, die bevorzugterweise einen programmierbaren Mikrocomputer umfasst. Eingehende analoge Signale werden üblicherweise mittels Analog-Digital-Wandlern abgetastet und bereitzustellende Signale werden entweder digital mittels eines Treiberbausteins oder analog mittels eines Digital-Analog-Wandlers ausgegeben. Insofern kann die Steuervorrichtung 200 auch als Flussdiagramm eines Verfahrens begriffen werden.
3 zeigt ein Kennfeld 300 von Arbeitspunkten einer Drehfeldmaschine 100. In horizontaler Richtung ist ein erster Strom IsdRef und in vertikaler Richtung ein zweiter Strom IsqRef angetragen. Diese Ströme beziehen sich auf das rotorfeste dq-Koordinatensystem der Drehfeldmaschine 100. Dargestellte numerische Werte sind rein beispielhaft für eine gegebene Drehfeldmaschine 100 mit einer gegebenen Steuervorrichtung 200.
Unter einem Kennfeld wird allgemein eine Abbildung von einer oder mehreren Eingangsgrößen auf eine Ausgangsgröße verstanden. Ist nur eine Eingangsgröße vorgesehen, spricht man auch von einer Kennlinie. Bei zwei Eingangsgrößen lässt sich das Kennfeld als dreidimensionale Fläche visualisieren. Es sind auch mehrdimensionale Kennfelder möglich, wobei praktisch beliebig viele Eingangsgrößen auf beliebig viele Ausgangsgrößen abgebildet werden können. Das Kennfeld wird üblicherweise abgespeichert, indem an vorbestimmten Stützstellen Eingangs- und Ausgangswerte bestimmt und in einer Datenstruktur, z.B. einer Suchtabelle (lookup table), abgelegt werden. Um mithilfe des abgespeicherten Kennfelds zu einer Kombination von Eingangswerten den Ausgangswert zu bestimmen, kann der bekannte Ausgangswert an der Stützstelle verwendet werden, die am nächsten an der Kombination der Eingangswerte liegt. Alternativ kann ein Wert zwischen mehreren Stützstellen interpoliert werden. Die Interpolation kann insbesondere linear, polynomial oder per Bézier-Kurven erfolgen. In einer weiteren Ausführungsform können Ausgangswerte einer Kennlinie oder eines Kennfelds auch durch eine mathematische Formel oder ein entsprechendes Bestimmungsverfahren bereitgestellt werden. Der Zusammenhang zwischen Eingangswerten und Ausgangswerten ist jedoch unabhängig von der Art ihrer Bestimmung immer der gleiche. Das Bestimmen von Ausgangswerten auf der Basis von Eingangswerten führt üblicherweise die Steuerkomponente 205 in 2 durch, die bevorzugt als Mikrocomputer ausgeführt ist.
Ein Arbeitspunkt 305 ist eine Kombination von Strömen Isd und Isq, die für die Steuerung mittels der Steuervorrichtung 200 verwendet werden. Wird die Drehfeldmaschine 100 als Motor verwendet, liegt der Arbeitspunkt im zweiten Quadrant, bei einer Nutzung als Generator im dritten. Der Arbeitspunkt 305 ist im Allgemeinen durch mehrere Bedingungen beschränkt. Beispielsweise definiert der maximal zulässige, durch die Drehfeldmaschine 100 fließende Strom einen Kreis 310, in dem der Arbeitspunkt 305 liegen muss. Auf der Trajektorie 315 liegen Arbeitspunkte 305, bei denen für einen eingesetzten Strom durch die Drehfeldmaschine 305 ein maximales Drehmoment erzielt werden kann (MTPA, Maximum Torque per Ampère). Eine weitere Trajektorie 325 gibt Arbeitspunkte 305 an, bei denen eine maximale Ausbeute von Drehmoment für eine eingesetzte Spannung erzielt werden kann (MTPV, Maximum Torque per Volt). Eine Bestimmung der MTPA- und MTPV-Kennlinien und die Bestimmung des maximalen Drehmoments ist allgemein bekannt und kann beispielsweise dem Kapitel 16: Synchronmaschine, des Buchs „Elektrische Antriebe – Regelung von Antriebssystemen“ von Dierk Schröder, Springerverlag, entnommen werden.
Die an der Drehfeldmaschine 100 maximal zulässige Spannung, die sich aus den Spannungen an ihren Spulen 120 bestimmt, begrenzt den Arbeitspunkt 305 weiter auf den Innenbereich einer zugeordneten Ellipse 325. Ferner ist das durch die Drehfeldmaschine 100 lieferbare Drehmoment M in Abhängigkeit des magnetischen Flusses Ψ beschränkt, der durch die d-Komponente des Stroms hervorgerufen wird. Eine Bestimmung eines Arbeitspunkts 305 umfasst daher üblicherweise auch eine Begrenzung des angesteuerten Drehmoments M gegenüber dem gewünschten Drehmoment M_soll. Andererseits kann das maximal mögliche Drehmoment Mmax auch bestimmt werden, ohne gleichzeitig den Arbeitspunkt 305 zu bestimmen.
In der Darstellung von 3 wird zur Ansteuerung der Drehfeldmaschine 100 bevorzugterweise ein Arbeitspunkt 305 gewählt, der auf einer Linie 330 liegt, die ein erstes Segment der Trajektorie 320 und ein zweites Segment des Kreises 310 umfasst.
Zusätzliche Einschränkungen für die Wahl des Arbeitspunkts 305 können gelten, wenn die elektrische Leistung, die die Drehfeldmaschine 100 mit dem Energiespeicher 218 austauschen kann, beschränkt ist. Da die maximale elektrische Batterieleistung das Produkt aus der Batteriespannung und dem maximalen Batteriestrom ist und die Batteriespannung als Messwert bekannt (oder durch die Bauart der Batterie vorbestimmt) ist, betrifft die Beschränkung praktisch auch den maximalen Batteriestrom. In der Praxis ist hierzu häufig der Begriff Batteriestromgrenze zu finden. Der maximale durch den Energiespeicher fließende Strom ist üblicherweise eine konstante Größe, die durch die Bauart der Batterie vorgegeben ist. Dieser Strom kann aber auch von einem weiteren Parameter, etwa einer Batterietemperatur abhängig sein. In diesem Fall kann der einzuhaltende durch den Energiespeicher 218 Strom auch beispielsweise der Steuerkomponente 205 von einer anderen Einrichtung mittels einer Schnittstelle bekannt gemacht sein. Ähnliches gilt für den maximalen durch die Drehfeldmaschine 100 fließenden Strom: üblicherweise ist er durch die Bauart der Drehfeldmaschine 100 vorbestimmt, kann aber auch von einem Parameter wie einer Temperatur abhängig sein. Auch dieser Strom kann für weitere Bestimmungen als Festwert abgelegt bzw. angenommen oder von einer anderen Komponente beispielsweise über eine Schnittstelle beziehbar sein.
Unter Vernachlässigung von Umsetzungsverlusten im Pulswechselrichter 220 kann die Wirkleistung am Energiespeicher 218 mit der Wirkleistung an der Drehfeldmaschine 100 gleichgesetzt werden: P_dc = U_dcI_dc = Mω_mech + 3 / 2R_sI s / 2 (Gleichung 1)
In dieser Gleichung sind nur das Drehmoment M und der Phasenstrom I_s unbekannt, die restlichen Größen sind entweder als vorgegebene Größen, als Messwerte oder aus der Bauart der Drehfeldmaschine 100 oder des Energiespeichers 218 bekannt. In einer weiteren Ausführungsform können zusätzlich Einflussfaktoren wie etwa Verluste im Pulswechselrichter 220 berücksichtigt werden. M und I_s hängen auf folgende Weise voneinander ab: M = 3 / 2p_z(Y_pI_sq + I_sqI_sd(L_sd – L_sq)) (Gleichung 2)
In den Gleichungen bedeuten:

pz: Polpaarzahl
Is: Strom durch die Drehfeldmaschine
Isd: d-Komponente von Is
Isq: q-Komponente von Is
M: Drehmoment
Ψp: magnetischer Fluss
Lsd: d-Komponente der Induktivität der Drehfeldmaschine
Lsq: q-Komponente der Induktivität der Drehfeldmaschine
Rs: elektrischer (ohmscher) Widerstand der Drehfeldmaschine
ωmech: mechanische Winkelgeschwindigkeit der Drehfeldmaschine
Pdc: elektrische Wirkleistung

Eine analytische Bestimmung von Isd und Isq oder des maximalen Drehmoments M auf der Basis eines vorgegebenen Drehmoments M_soll ist damit relativ aufwändig und kann mittels eines programmierbaren Mikrocomputers, der die Steuerkomponente 205 realisiert, aus Leistungsgründen häufig nicht durchgeführt werden.
Es wird daher vorgeschlagen, eine Kennlinie vorzubestimmen, die Arbeitspunkte 305 umfasst, mit denen die Drehfeldmaschine 100 – unter Einhaltung einer ersten Optimierungsbedingung – betrieben werden soll, und den Suchbereich für einen Arbeitspunkt 305, bei dem alle Rahmenbedingungen, insbesondere die der Einhaltung eines maximalen Stroms Idc durch den Energiespeicher 218, eingehalten sind, auf die Kennlinie zu beschränken.
4 zeigt eine Darstellung ähnlich der von 3 bezüglich einer anderen Drehfeldmaschine 100 bei einer ersten beispielhaften Drehzahl von N = 1000 1/min an einer Steuervorrichtung 200 von 2. Eine entsprechende Darstellung für die gleiche Drehfeldmaschine 100 bei einer zweiten beispielhaften Drehzahl von N = 2000 1/min ist in 5 dargestellt. Beide Figuren unterscheiden sich in erster Linie durch die eingetragenen Idc-Kennlinien und werden im Folgenden gemeinsam beschrieben.
Entsprechend der Darstellung von 3 kennzeichnet eine MPTA-Kennlinie 405 diejenigen Arbeitspunkte 305, auf denen das Drehmoment M bezüglich eines durch die Drehfeldmaschine 100 fließenden Stroms Is maximiert ist. Auf dieser Kennlinie 405 liegt am allgemeinen ein optimaler Betriebsbereich für die Drehfeldmaschine 100. Eine MPTV-Kennlinie 410 bezeichnet Arbeitspunkte 305 mit maximaler Feldschwächung für erhöhte Drehzahlen. Eine Is-Kennlinie 415 begrenzt das Kennfeld 300 auf Arbeitspunkte 305, bei denen der maximale Strom Is durch die Drehfeldmaschine 100 insgesamt einen vorbestimmten Wert nicht übersteigt.
Zur Bestimmung eines Arbeitspunkts 305 für die Drehfeldmaschine 100 im Grunddrehzahlbereich, also wenn keine Feldschwächung nötig ist, um die Drehzahl über einen Wert anzuheben, der sich mittels eines Arbeitspunkts 305 auf der MTPA-Kennlinie 405 ansteuern lässt, soll nun mit Bezug auf 4 beschrieben werden. Im Grunddrehzahlbereich steht der gesamte Bereich zwischen der MTPA-Kennlinie 405, der Is-Kennlinie 415, der MTPV-Kennlinie 410 und den Koordinatenachsen Id und Iq zur Verfügung, das entspricht dem Bereich, der zwischen den Punkten A, B, C und D aufgespannt ist.
In einem ersten Schritt wird zu einer aktuellen Drehzahl N und einem maximalen durch den Energiespeicher 218 fließenden Strom Idc ein Zusammenhang bestimmt, der als Idc-Kennlinie 425 eingezeichnet ist. Die Idc-Kennlinie 425 ist sowohl vom maximalen Strom als auch von der Drehzahl abhängig, sodass dieser Schritt üblicherweise nicht vorab sondern im Rahmen des Verfahrens erfolgt. Allerdings kann eine Anzahl Idc-Kennlinien wie in der Darstellung von 4 vorab bestimmt werden und die Idc-Kennlinie 425, die für die vorliegende Drehzahl N und den vorgegebenen maximalen Strom Idc passt, kann interpoliert werden. Dazu können übliche Methoden der Verarbeitung von Kennlinien und Kennfeldern verwendet werden.
In einem zweiten Schritt wird ein Schnittpunkt zwischen der Idc-Kennlinie 425 und der MTPA-Kennlinie 405 gesucht. An diesem Schnittpunkt kann der Arbeitspunkt 305 bestimmt werden, indem die d- und q-Komponenten des durch die Drehfeldmaschine 100 fließenden Stroms abgelesen werden. Die Bestimmung des Schnittpunkts kann im Id/Iq-Koordinatensystem auf graphische bzw. geometrische Weise, durch eine entsprechende Regelbedingung der Steuereinrichtung 200 von 2 oder auch auf eine andere Weise erfolgen.
Dem Schnittpunkt ist auch ein Drehmoment M zugeordnet, das durch eine Drehmoment-Kennlinie 430 gegeben ist, die durch den Schnittpunkt verläuft. Dieses Drehmoment ist das maximale Drehmoment der Drehfeldmaschine 100 unter den vorgegebenen Bedingungen. Für eine gegebene Drehzahl N und eine gegebene DC-Spannung des Energiespeichers 218 kann nach Gleichung 1 ein maximaler Fluss ψsmax bestimmt werden. Ähnlich wie die Begrenzung des Drehmoments M kann auch hier in Abhängigkeit von ψsmax das maximale Drehmoment Mmax bestimmt werden. Im zweiten Schritt können also alternativ der Arbeitspunkt 305, das maximale Drehmoment oder beide Werte bestimmt werden. Mehrere Drehmoment-Kennlinien können auf die gleiche Weise wie oben bezüglich der Idc-Kennlinien beschrieben ist vorbestimmt werden oder das Drehmoment M kann im Rahmen des Verfahrens einzeln bestimmt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird in einem dritten Schritt die Drehfeldmaschine 100 auf den bestimmten Arbeitspunkt 305 gesteuert, oder das bestimmte maximale Drehmoment wird ausgegeben, um auf dessen Basis mittels einer anderen Vorgehensweise einen zugeordneten Arbeitspunkt 305 bestimmen zu können. Das Verfahren kann in entsprechender Weise durchgeführt werden, wenn eine andere als die MTPA-Kennlinie 405 zugrunde gelegt wird, beispielsweise die MTPV-Kennlinie 410 oder eine zusammengesetzte Kennlinie (vgl. 3).
Die Drehfeldmaschine 305 kann auch außerhalb ihres Grunddrehzahlbereichs mit Feldschwächung betrieben werden, um ihre Drehzahl N anzuheben. Dazu wird von einem gegebenen Arbeitspunkt 305, beispielsweise auf der MTPA-Kennlinie 405, der negative Id-Strom vergrößert, sodass der Arbeitspunkt 305 in der Darstellung nach links verschoben wird. Die Feldschwächung ist durch die MTPV-Kennlinie 410 und die kreisförmige Is-Kennlinie 415 beschränkt. Zusätzlich ist für die Bestimmung des Arbeitspunkts 305 die Spannungs-Kennlinie 435 zu beachten, die in 3 als Ellipse 325 dargestellt ist. Der Verlauf der Spannungs-Kennlinie 435 kann wie folgt beschrieben werden: Ψ 2 / smax =(L_sdI_sd + Y_PM)² + (L_sqI_sq)² (Gleichung 4)
Diese Darstellung ergibt sich auch aus Gleichung 3. Als initiale Kennlinie, auf der nach dem Arbeitspunkt 305 gesucht wird, kann also entweder die Kennlinie benutzt werden, die sich aus der Spannungs-Kennlinie 435 und der MTPA-Kennlinie 405 zusammensetzt (über die Punkte C, B und A), oder die Kennlinie, die sich aus der Strom-Kennlinie 415 und er MTPV-Kennlinie 410 zusammensetzt (über die Punkte C, D und E). Je nach Anwendungsfall kann von der einen oder der anderen Kennlinie ausgegangen werden. Die Bestimmung des maximalen Drehmoments und/oder der Soll-Ströme Isd und Isq erfolgt bevorzugterweise so wie oben mit Bezug auf 4 beschrieben ist.
Bezugszeichenliste

100: Drehfeldmaschine
105: Stator
110: Rotor
115: Drehachse
120: Spule
125: Permanentmagnet
130: Stromzeiger bzw. Stromvektor
U, V, W: Phasen
200: Steuervorrichtung
205: Steuerkomponente
210: Umsetzer
215: Vektormodulator
218: Energiespeicher
220: Pulswechselrichter
225: Abtasteinrichtung
230: Positionssensor
235: Arbeitspunktbestimmung
300: Kennfeld
305: Arbeitspunkt
310: Kreis
315: Trajektorie
320: Trajektorie
325: Ellipse
330: Linie
405: MTPA-Kennlinie
410: MTPV-Kennlinie
415: Is-Kennlinie
420: N-Kennlinie
425: Idc-Kennlinie
430: Drehmoment-Kennlinie
435: Spannungs-Kennlinie

Claims

Verfahren zum Steuern einer Drehfeldmaschine (100) an einem Energiespeicher (218) mittels einer Vektorregelung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Abtasten einer Drehzahl der Drehfeldmaschine (100); Energiespeicher (218) Bestimmen, bezüglich der abgetasteten Drehzahl, eines vorbestimmten maximalen Stroms durch den Energiespeicher (218) und eines vorbestimmten maximalen Stroms durch die Drehfeldmaschine (100), eines Zusammenhangs zwischen einer Isd-Komponente und einer Isq-Komponente des Stroms durch die Drehfeldmaschine (100); und Bestimmen eines maximalen Drehmoments auf der Basis des Zusammenhangs und einer vorbestimmten Kennlinie (425) im Phasenraum (300) der Arbeitspunkte (305), wobei ein Arbeitspunkt (305) eine d-Komponente und eine q-Komponente des durch die Drehfeldmaschine (100) fließenden Stroms umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Zusammenhang als weitere Kennlinie bestimmt wird und ein Schnittpunkt zwischen der Kennlinie (425) und der weiteren Kennlinie auf geometrische Weise bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Drehfeldmaschine (100) mittels eines Arbeitspunkts (305) auf der Kennlinie (425) derart angesteuert wird, dass ein Phasenstrom verringert wird, bis der maximale Strom durch den Energiespeicher (218) eingehalten ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Zusammenhang eine MTPA-Kennlinie (405), eine MTPV-Kennlinie (410), eine Kennlinie maximaler Phasenströme (310) oder eine Spannungsellipse (325) umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei gleichzeitig der Arbeitspunkt (305) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Zusammenhang zwischen einem Drehmoment und einem Punkt auf der Kennlinie (425) in abgespeicherter Form vorliegt.
Verfahren zum Steuern einer Drehfeldmaschine (100) an einem Energiespeicher (218) mittels einer Vektorregelung (200), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Abtasten einer Drehzahl der Drehfeldmaschine (100); Energiespeicher (218) Bestimmen, bezüglich der abgetasteten Drehzahl, eines vorbestimmten maximalen Stroms durch den Energiespeicher (218) und eines vorbestimmten maximalen Stroms durch die Drehfeldmaschine (100), eines Zusammenhangs zwischen einer Isd-Komponente und einer Isq-Komponente des Stroms durch die Drehfeldmaschine (100); und Bestimmen eines Arbeitspunkts auf der Basis des Zusammenhangs und einer vorbestimmten Kennlinie im Phasenraum der Arbeitspunkte, wobei ein Arbeitspunkt eine d-Komponente und eine q-Komponente des durch die Drehfeldmaschine (100) fließenden Stroms umfasst.
Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem programmierbaren Mikrocomputer ausgeführt wird oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
Vektorregelung (200) zur Steuerung einer Drehfeldmaschine (100) an einem Energiespeicher (218), wobei die Vektorregelung (200) folgendes umfasst: eine Abtasteinrichtung (230) zur Abtastung einer Drehzahl der Drehfeldmaschine (100) Energiespeicher (218); und eine Verarbeitungseinrichtung (205), die dazu eingerichtet ist, einen Zusammenhang zwischen einer Isd-Komponente und einer Isq-Komponente des durch die Drehfeldmaschine (100) fließenden Stroms bezüglich eines maximalen Stroms durch den Energiespeicher (218), eines maximalen Stroms durch die Drehfeldmaschine (100) und der abgetasteten Drehzahl zu bestimmen und ein maximales Drehmoment auf der Basis des Zusammenhangs und einer vorbestimmten Kennlinie (425) im Phasenraum (300) der Arbeitspunkte (305) zu bestimmen, wobei ein Arbeitspunkt (305) eine d-Komponente und eine q-Komponente des durch die Drehfeldmaschine (100) fließenden Stroms umfasst.