DE102016123261A1

DE102016123261A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine, elektrische Maschine und Computerprogramm

Info

Publication number: DE102016123261A1
Application number: DE102016123261.0A
Authority: DE
Inventors: Jens Onno Krah
Original assignee: Beckhoff Automation GmbH and Co KG
Current assignee: Beckhoff Automation GmbH and Co KG
Priority date: 2016-12-01
Filing date: 2016-12-01
Publication date: 2018-06-07
Also published as: US10333449B2; US20180159454A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (301), umfassend die folgenden Schritte:Ermitteln (101) eines elektrischen Ständerstroms der elektrischen Maschine (301),Berechnen (103) eines magnetischen Flusses, der basierend auf dem ermittelten elektrischen Ständerstrom erzeugt wird, undRegeln (105) eines mittels der elektrischen Maschine (301) erzeugten Drehmoments in Abhängigkeit von dem berechneten magnetischen Fluss.Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung (201) zum Betreiben einer elektrischen Maschine (301), eine elektrische Maschine (301) und ein Computerprogramm.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine, eine elektrische Maschine und ein Computerprogramm.
Üblicherweise basieren Motoren in der elektrischen Antriebstechnik auf der Kraft eines stromdurchflossenen Leiters in einem Magnetfeld: der Lorentzkraft respektive dem Induktionsgesetz.
Der permanent erregte Synchronmotor wird zum Beispiel für viele Anwendungen genutzt. Hauptvorteile dieser Motoren sind der hohe Wirkungsgrad, die hohe kurzzeitige Überlastbarkeit und eine sehr gute Regelbarkeit bei vergleichsweise kompakten Abmessungen.
Stand der Technik ist eine feldorientierte Regelung von Drehstrommaschinen. Ursprünglich wurde die (magnet)feldorientierte Regelung entwickelt, um Asynchronmaschinen genauso dynamisch regeln zu können wie Gleichstrommaschinen. Bei Asynchronmaschinen wird das Magnetfeld des Rotors geschätzt. Basierend auf dem Winkel des Magnetfeldes wird der Ständerstrom eingeprägt. Mit Hilfe der Park-Transformation kann der Ständerstrom in eine feldbildende Komponente (i_d) und eine drehmomentbildende Komponente (i_q) aufgeteilt werden.
Die ursprünglich für Asynchronmaschinen entwickelte feldorientierte Regelung wird inzwischen auch bei permanent erregten Synchronmaschinen genutzt. Die Orientierung des Magnetfeldes kann hier direkt aus dem Winkel des Rotors berechnet werden. Üblich ist auch, über die Stromkomponente i_d das Magnetfeld zu schwächen, um höhere Drehzahlen erreichen zu können.
Eine Kenngröße eines permanent erregten Synchronmotors ist die Drehmomentkonstante K_T. $M (t) = K_{T} \cdot i_{q} (t)$
Der näherungsweise proportionale Zusammenhang zwischen dem drehmomentbildenden Strom i_q und dem Drehmoment M ermöglicht die gute Regelbarkeit. Oft wird deshalb der Strom als Regelgröße genutzt, um das gewünschte Drehmoment als Zielgröße einzustellen.
Dieser näherungsweise proportionale Zusammenhang basiert auf der Lorentzkraft am stromdurchflossenen Leiter. Wenn der Leiter senkrecht zum Magnetfeld verläuft ergibt sich: $F = B \cdot l \cdot Ι$
Wobei F die Kraft, l die Länge des Leiters im Magnetfeld, I die Stromstärke und B die magnetische Flussdichte ist.
Zur Führung des magnetischen Flusses werden in der Regel ferromagnetische Bleche genutzt. Vorteil dieser Bleche ist die gute magnetische Leitfähigkeit. Ein Nachteil von Blechen sind Sättigungseffekte bei hohen Flussdichten.
Die magnetische Feldstärke H ergibt sich entsprechend dem Durchflutungsgesetz aus dem Strom, den Wicklungsdaten und den mechanischen Abmessungen eines magnetischen Kreises ohne Luftspalt. Dadurch ergibt sich eine proportionale Beziehung: $H = C_{1} \cdot Ι$
Die Konstante C₁ beschreibt den Einfluss der Wicklungsdaten und der mechanischen Abmessungen.
Die Flussdichte B (des magnetischen Kreises ohne Luftspalt) steigt zunächst nahezu proportional zum Strom I an. Im weiteren Verlauf sinkt sättigungsbedingt die Steigung, wodurch die Kennlinie zunehmend flacher wird.
Betrachtet man einen magnetischen Kreis mit Luftspalt, so verringert sich die sättigungsbedingte Nichtlinearität deutlich.
Diese Konfiguration - magnetischer Kreis mit Luftspalt - findet man in Elektromotoren. Bei einer permanent erregten Synchronmaschine verläuft zum Beispiel das Drehmoment M(I) sättigungsbedingt nicht linear. Diese Funktion wird üblicherweise auf einem Drehmomentprüfstand ermittelt.
Eine weitere Kenngröße eines Elektromotors ist die Wicklungsinduktivität L.
Die Induktivität berechnet sich aus Flussverkettung Ψ und Strom I. $L = \frac{Ψ}{Ι}$
Mit Ψ = N·A·B folgt: $L = \frac{N \cdot A \cdot B}{Ι}$
, wobei N die Wicklung der Spule ist, A eine orientierte Fläche ist und B die Flussdichte ist.
Wird eine Induktivität mit Sättigungseffekten um einen Arbeitspunkt herum betrieben, so kann die Änderung des verketteten Flusses ΔΨ in Bezug zur Änderung des Stroms ΔI vom Wert der statischen Induktivität abweichen. Für kleine Änderungen um einen Arbeitspunkt ergibt sich die differentielle Induktivität L_diff aus der Steigung der Tangente: $L_{diff} = A \cdot N \cdot \frac{d B}{d Ι} = C \cdot \frac{d B}{d H}$
Mit steigendem Ständerstrom sinkt die Steigung der Magnetisierungskennlinie und damit entsprechend auch die differentielle Induktivität.
Dieser Effekt sollte bei der Auslegung des Stromregelkreises berücksichtigt werden, da die regelungstechnisch relevante differentielle Induktivität durchaus auf deutlich weniger als die Hälfte sinken kann.
Wird die Änderung der differentiellen Induktivität nicht berücksichtigt, kann der Regelkreis bei hohen Strömen instabil werden oder es wird bei geringen Strömen nicht die volle Regelkreisbandbreite erreicht.
Stand der Technik ist, dass Sättigungseffekte an zwei Stellen regelungstechnisch berücksichtigt werden.
Der Sollwert des Stromreglers, die Führungsgröße, wird nicht mehr linear über die Drehmomentkonstante K_T aus dem Solldrehmoment, der Zielgröße berechnet, $Ι_{soll} = \frac{1}{K_{T}} \cdot M_{soll}$
, sondern es wird stattdessen eine hinterlegte, nichtlineare Kennlinie zur Bildung der Führungsgröße verwendet: $Ι_{soll} = f (M_{soll})$
In der Regel werden experimentell ermittelte Stützpunkte tabellarisch hinterlegt und linear interpoliert.
Bezüglich der nichtlinearen differentiellen Wicklungsinduktivität kann die Proportionalverstärkung des Stromreglers K_P angepasst werden. In sehr guter Näherung gilt: $K_{P} (Ι) = C_{2} \cdot L_{diff} (Ι)$
Auch hier ist es üblich die differentielle Induktivität bzw. die Proportionalverstärkung des Stromreglers in einer Tabelle als Funktion vom Strom zu hinterlegen.
Die Ansätze entsprechend dem Stand der Technik haben folgende Nachteile:
Die Effekte der magnetischen Sättigung durch den Ständerstrom werden an zwei Stellen berücksichtigt. Es werden zwei Tabellen hinterlegt, die auch ermittelt und parametriert werden müssen. Das bedeutet doppelten Aufwand bei der Ermittlung und auch doppelten Aufwand bei der online Berechnung der Algorithmen. Eine online Berechnung erfolgt beispielsweise während des Betriebs einer elektrischen Maschine.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2010 003 218 A1 zeigt ein Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer Dosierpumpe. Diese Offenlegungsschrift erwähnt zwar einen magnetischen Fluss, jedoch ohne näher zu spezifizieren, um welchen Fluss es sich handelt: Rotor, Ständer, Streuung etc. Der magnetische Fluss wird als Hilfsgröße zur Beschreibung des Drehmomentes verwendet, ohne dass eine Formel einen Zusammenhang beschreibt.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2013 207 121 A1 beschreibt ein Verfahren, wie ein Motor hauptsächlich gesteuert betrieben werden kann: Aus einem Drehmomentsollwert werden die Sollströme id und iq berechnet. Daraus werden zusätzlich die notwendigen Spannungen vd und vq berechnet und vorgesteuert. Diese Offenlegungsschrift behandelt keine Sättigungseffekte.
Die Patentschrift DE 26 40 622 C3 beschreibt ein Verfahren, wie bei einem Netzausfall die Spannung eines DC-Zwischenkreises stabilisiert werden kann, damit bei einer Wiederkehr des Netzes möglich schnell wieder beschleunigt werden kann. Während der Unterbrechung kann der magnetische Fluss (Rotor) einer Asynchronmaschine stabilisiert werden. In dieser Patentschrift wird die Amplitude des Rotorflusses betrachtet und nicht die Amplitude des Ständerflusses.
Die Patentschrift EP 0 836 270 B1 beschreibt ein Verfahren, wie durch einen zusätzlichen feldschwächenden d-Strom Sättigungseffekte des q-Stroms verringert werden können, damit ein höheres Drehmoment möglich wird. 16 dieser Patentschrift zeigt den Zusammenhang zwischen dem drehmomentbildenden Strom iq und dem Drehmoment. Im Bereich der Sättigung kann das Drehmoment durch einen feldschwächenden d-Strom gesteigert werden. In der Realität ist das sehr wenig, weil der zusätzliche d-Strom auch aufgebracht werden muss und deshalb der q-Strom in der Regel reduziert werden muss. Eine Linearisierung der Kennlinie wird nicht behandelt.
Im bekannten Stand der Technik werden die beiden Effekte der Sättigung, nichtlinearer Zusammenhang zwischen Strom und Drehmoment sowie sättigungsbedingte Reduktion der Wicklungsinduktivität, getrennt betrachtet und getrennt kompensiert. Das ist wenig effizient, komplizierter und aufwendiger bei der Parametrierung sowie bei den Algorithmen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist daher darin zu sehen, ein Konzept bereitzustellen, welches einen effizienten Betrieb einer elektrischen Maschine ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
Nach einem Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine bereitgestellt, umfassend die folgenden Schritte:

- Ermitteln eines elektrischen Ständerstroms der elektrischen Maschine,
- Berechnen eines magnetischen Flusses, der basierend auf dem ermittelten elektrischen Ständerstrom erzeugt wird, und
- Regeln eines mittels der elektrischen Maschine erzeugten Drehmoments in Abhängigkeit von dem berechneten magnetischen Fluss.

Gemäß noch einem Aspekt wird eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine bereitgestellt, umfassend:

- eine Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln eines elektrischen Ständerstroms der elektrischen Maschine,
- einen Prozessor zum Berechnen eines magnetischen Flusses, der basierend auf dem ermittelten elektrischen Ständerstrom erzeugt wird, und
- eine Regelungseinrichtung zum Regeln eines mittels der elektrischen Maschine erzeugten Drehmoments in Abhängigkeit von dem berechneten magnetischen Fluss.

Nach einem weiteren Aspekt wird eine elektrische Maschine bereitgestellt, umfassend die Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine.
Nach einem anderen Aspekt wird ein Computerprogramm bereitgestellt, welches Programmcode zur Durchführung des Verfahrens zum Betreiben einer elektrischen Maschine umfasst, wenn das Computerprogramm auf einem Computer, insbesondere auf der elektrischen Maschine und/oder auf der Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine, ausgeführt wird.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die obige Aufgabe dadurch gelöst werden kann, dass zur Regelung des Drehmoments als Zielgröße nicht mehr der Ständerstrom I, sondern der vom Ständerstrom hervorgerufene magnetische Fluss ϕ_m(I) als Regelgröße benutzt wird.
Dadurch können die Effekte der magnetischen Sättigung durch den Ständerstrom effizient berücksichtigt werden, was die entsprechenden Berechnungen und die entsprechende Regelung effizienter ausgestaltet, so dass in der Summe die elektrische Maschine effizient betrieben werden kann.
In einer Ausführungsform ist die elektrische Maschine eine Drehstrommaschine, beispielsweise eine Asynchronmaschine oder eine Synchronmaschine, eine Gleichstrommaschine oder ein Linearmotor.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Berechnen des magnetischen Flusses ein Approximieren des magnetischen Flusses mittels eines Polynoms umfasst, welches mindestens den Grad 2 aufweist.
Dadurch wird zum Beispiel der technische Vorteil bewirkt, dass der magnetische Fluss effizient berechnet werden kann.
Der Grad des Polynoms ist gemäß einer Ausführungsform gleich drei.
In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Polynom den Grad 3 aufweist und das Absolutglied des Polynoms gleich Null ist.
Dadurch wird zum Beispiel der technische Vorteil bewirkt, dass der magnetische Fluss effizient berechnet werden kann.
In einer Ausführungsform ist das Polynom ein Taylorpolynom.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei unterschiedlichen Ständerströmen jeweils eine aus dem entsprechenden Ständerstrom resultierende differentielle Induktivität gemessen wird, wobei die Koeffizienten des Polynoms basierend auf den gemessenen differentiellen Induktivitäten ermittelt werden.
Dadurch wird zum Beispiel der technische Vorteil bewirkt, dass die Koeffizienten des Polynoms effizient berechnet werden können.
Es ist also insbesondere vorgesehen, durch eine Variation des Arbeitspunktes (unterschiedliche Ständerströme) die entsprechenden differentiellen Induktivitäten als Funktion des Ständerstroms zu messen, wobei die Koeffizienten aus den gemessenen differentiellen Induktivitäten berechnet werden.
In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Ermitteln der Koeffizienten vorgegeben wird, dass das lineare Glied des Polynoms gleich 1 oder gleich der Drehmomentkonstante der elektrischen Maschine ist.
Dadurch wird zum Beispiel der technische Vorteil bewirkt, dass die Koeffizienten des Polynoms effizient berechnet werden können.
Das Ermitteln der Koeffizienten wird nachfolgend beispielhaft unter Verwendung eines Polynoms dritter Ordnung (Grad = 3) und unter Vorgabe, dass das Absolutglied des Polynoms gleich Null ist, näher erläutert:
Das Polynom ist: $ϕ_{m} (Ι) \approx b_{1} \cdot Ι + b_{2} \cdot Ι \cdot | Ι | + b_{3} \cdot Ι^{3}$
mit Φ_m der magnetische Fluss, I der Ständerstrom und b₁,b₂,b₃ die Koeffizienten des Polynoms.
Aus Symmetriegründen ist die Funktion ϕ_m(I) eine ungerade (punktsymmetrische) Funktion. I² ist deshalb durch I·|I| ersetzt worden und der Koeffizient b₀ (Absolutglied) wird nicht benötigt (=0). Optional ist gemäß einer Ausführungsform eine Approximation mit einem Polynom höherer Ordnung vorgesehen.
Wenn eine Kennlinie mit vielen experimentell ermittelten Stützpunkten vorliegt, kann eine Approximation auf ein Polynom 3. Ordnung zufällige Messfehler effizient ausgleichen und führt zu einem glatten Verlauf ähnlich einer linearen Regression. In der Praxis ist oft auch eine Annäherung an ein Polynom 2. Ordnung ausreichend genau, was insofern gemäß einer Ausführungsform vorgesehen ist.
Die Koeffizienten werden zum Beispiel über eine Ausgleichungsrechnung (auf Englisch: „curve fitting“) ermittelt. Besonders geeignet und daher nach einer Ausführungsform auch so vorgesehen ist eine Approximation der Kurve (des Polynoms) nach der Methode der kleinsten Quadrate.
Vorteilhaft und gemäß einer Ausführungsform auch so vorgesehen ist eine Vereinfachung nach dem Horner-Schema (ausklammern): $ϕ_{m} (Ι) \approx Ι \cdot (b_{1} + | Ι | \cdot (b_{2} + b_{3} \cdot | Ι | + \dots))$
Dadurch sinkt eine Anzahl der notwendigen Rechenoperationen (Multiplikation, Addition).
Ein Vorteil des Polynoms ist, dass der Algorithmus zur Berechnung weniger aufwendig ist als ein Algorithmus zur linearen Interpolation von tabellarischen Stützstellen. Das gilt sowohl für eine prozessorbasierte Implementierung (zum Beispiel in der Programmiersprache C) als auch für eine VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)- respektive FPGA (Field Programmable Gate Array)- oder ASIC (Application-Specific Integrated Circuit)-Implementierung.
In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Funktion zum Erstellen respektive Darstellen eines Bode-Diagramm (Bode-Plot) der Regelkreise auf. Vorzugsweise wird Open-Loop und Closed-Loop eine frequenzabhängige Übertragungsfunktion des Strom-Regelkreises der elektrischen Maschine in einem Kleinsignalbereich ausgemessen.
Vorzugsweise wird die Übertragungsfunktion für mehrere, also insbesondere für eine Reihe von, Frequenzen f bzw. ω gemessen und beispielsweise als Amplitudengang (Betrag) und Phasengang in Form eines Bode-Plots grafisch dargestellt.
Der so gemessene Open-Loop Amplitudengang | G₀(jω) | umfasst die frequenzabhängige Übertragungsfunktion des Reglers G_Regler(jω) und der Regelstrecke G_Strecke (jω).
Alternativ oder zusätzlich ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass eine Open Loop Übertragungsfunktion G₀(I) bei konstanter Frequenz ω₁ (Das ist die Frequenz, welche auch nachfolgend beim der Formel $G_{0} ({jw}_{1}) \sim \frac{1}{L (Ι)}$
verwendet wird.) und in Abhängigkeit eines eine Sättigung verursachenden Stromes I (Arbeitspunkt) gemessen wird.
Da die Frequenz unverändert bleibt, ändert sich die Übertragungsfunktion des Reglers nicht. Dadurch kann der Einfluss der Sättigung auf die Regelstrecke einfach gemessen werden.
Die Anregung zur Messung erfolgt beispielsweise als Kleinsignal - zum Beispiel sinusförmig mit beispielsweise 500 Hz - um einen Arbeitspunkt, definiert durch den Strom I.
Ein grafischer Verlauf des Quotienten G₀(I₀)/G₀(I_n) über den Strom I zeigt beispielsweise die 6 (vgl. auch Ausführungen weiter unten).
Es gilt:

I₀: Open-Loop Übertragungsfunktion gemessen bei I₀ = 0 A und
I_n: Open-Loop Übertragungsfunktion gemessen an einem Punkt 607.

Ein weiter Vorteil ist, dass ein einheitlicher Ansatz vorteilhaft zur Parametrierung genutzt werden kann. Eine Kleinsignalverstärkung K_diff der Kennlinie kann geschlossen entsprechend den Ableitungsregeln für Polynome berechnet werden, denn eine Steigung der Tangente an einem Punkt des Polynoms ist proportional zur differentiellen Induktivität: $K_{diff} (Ι) = \frac{d ϕ_{m} (Ι)}{d Ι} = b_{1} + 2 \cdot b_{2} \cdot | Ι | + 3 \cdot b_{3} \cdot Ι^{2}$
Aus Symmetriegründen muss die Funktion K_diff(I) eine gerade (achsensymmetrische) Funktion sein. I¹ ist deshalb durch |I| ersetzt worden.
Mit einer Division durch b₁ folgt: $\frac{K_{diff} (Ι)}{b_{1}} = \frac{b_{1} + 2 \cdot b_{2} \cdot | Ι | + 3 \cdot b_{3} \cdot Ι^{2}}{b_{1}} = 1 + \frac{2 \cdot b_{2}}{b_{1}} \cdot | Ι | + \frac{3 \cdot b_{3}}{b_{1}} \cdot Ι^{2} = \frac{L (Ι)}{L_{0}}$
Die Bestimmung dieser Koeffizienten b₁,b₂,b₃ ist im Rahmen einer automatisierten Parameterermittlung vergleichsweise einfach ohne Prüfstand auch intern in der Vorrichtung respektive in der elektrischen Maschine möglich und gemäß einer Ausführungsform auch so vorgesehen.
Eine Möglichkeit für die Bestimmung der Koeffizienten ist die Messung eines Open-Loop Stromregler Bode-Plot mit anschließendem „curve fitting“: $G_{0} (j ω_{1}) \sim \frac{1}{L (Ι)}$
G₀ berechnet sich aus G_Regler multipliziert mit G_Strecke: $G_{S t r e c k e} (j ω_{1}) = \frac{1}{R + j ω_{1} L_{diff}} \approx \frac{1}{j ω_{1} L_{diff}} \sim \frac{1}{L_{diff}}$
Durch Variation des Arbeitspunktes (/) kann die differentielle Induktivität L_diff(I) als Funktion vom Ständerstrom / gemessen werden.
Mit der Vorgabe b₁ = 1 können aus den gemessenen L_diff(I) Daten die Koeffizienten b₂ und b₃ besonders einfach berechnet werden.
Alternativ kann auch b₁ = K_T (K_T ist die Drehmomentkonstante der elektrischen Maschine ohne Berücksichtigung von magnetischer Sättigung) vorgegeben werden, bevor b₂ und b₃ berechnet werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der ermittelte Ständerstrom mittels der Park-Transformation in einen drehmomentbildenden Strom und in einen feldbildenden Strom aufgeteilt wird, wobei zum Berechnen des (drehmomentbildenden) magnetischen Flusses nur der drehmomentbildende Strom verwendet wird.
Dadurch wird zum Beispiel der technische Vorteil bewirkt, dass der magnetische Fluss effizient berechnet werden kann.
Es ist also insbesondere vorgesehen, für das Berechnen des magnetischen Flusses den feldbildenden Strom zu vernachlässigen.
Experimentelle Versuche haben überraschenderweise gezeigt, dass der konstante, senkrecht zum drehmomentbildenden Fluss (q-Achse) stehende permanenterregte Fluss (d-Achse) vernachlässigt werden darf.
Magnetische Streufelder haben zwar einen Einfluss auf die Wicklungsinduktivität, jedoch nicht auf das Drehmoment. Auch hier haben Versuche überraschenderweise gezeigt, dass diese Streufelder vernachlässigt werden dürfen.
Somit ist nach einer Ausführungsform vorgesehen, dass in den vorstehend und nachstehend gemachten Ausführungen der Ständerstrom I durch den drehmomentbildenden Strom I_q ersetzt wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein dem berechneten magnetischen Fluss entsprechendes Drehmoment berechnet wird, welches als Ist-Drehmoment mit einem vorgegebenen Soll-Drehmoment verglichen wird, wobei das Regeln des mittels der elektrischen Maschine bereitgestellten Drehmoments basierend auf dem Vergleich durchgeführt wird.
Dadurch wird zum Beispiel der technische Vorteil bewirkt, dass das Regeln effizient durchgeführt werden kann.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine mittels der Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine aus- oder durchgeführt wird.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine ausgebildet ist, das Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine aus- oder durchzuführen.
Technische Funktionalitäten des Verfahrens zum Betreiben einer elektrischen Maschine ergeben sich analog aus entsprechenden technischen Funktionalitäten der Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine und umgekehrt.
Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden Verfahrensmerkmalen und umgekehrt.
Die Formulierung „respektive“ umfasst insbesondere die Formulierung „und/oder“.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen

1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer elektrischen Maschine,
2 eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine,
3 eine elektrische Maschine,
4 ein Blockdiagramm eines Regelkreises,
5 einen Graphen, der einen Verlauf eines mittels einer elektrischen Maschine erzeugten Drehmoments in Abhängigkeit von einem Ständerstrom der elektrischen Maschine zeigt, und
6 einen Graphen, der einen Verlauf einer Kleinsignalverstärkung (der Regelstrecke) in Abhängigkeit von einem Ständerstrom der elektrischen Maschine gemäß 5 zeigt.

1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer elektrischen Maschine.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

- Ermitteln 101 eines elektrischen Ständerstroms der elektrischen Maschine,
- Berechnen 103 eines magnetischen Flusses, der basierend auf dem ermittelten elektrischen Ständerstrom erzeugt wird, und
- Regeln 105 eines mittels der elektrischen Maschine erzeugten Drehmoments in Abhängigkeit von dem berechneten magnetischen Fluss.

Das Ermitteln 101 umfasst in einer Ausführungsform ein Messen des elektrischen Ständerstroms der elektrischen Maschine. Der ermittelte Ständerstrom basiert beispielsweise auf dem gemessenen elektrischen Ständerstrom. Der ermittelte Ständerstrom entspricht beispielsweise dem gemessenen elektrischen Ständerstrom.
Der ermittelte Ständerstrom entspricht beispielsweise einem auf den Ständer aufzuprägenden Strom.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der ermittelte Ständerstrom mittels der Park-Transformation in einen drehmomentbildenden Strom und in einen feldbildenden Strom aufgeteilt wird. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Berechnen des magnetischen Flusses nur der drehmomentbildende Strom verwendet wird. Der feldbildende Strom wird beispielsweise vernachlässigt.
2 zeigt eine Vorrichtung 201 zum Betreiben einer elektrischen Maschine. Die Vorrichtung 201 ist zum Beispiel ein Umrichter.
Die Vorrichtung 201 umfasst:

- eine Ermittlungseinrichtung 203 zum Ermitteln eines elektrischen Ständerstroms der elektrischen Maschine,
- einen Prozessor 205 zum Berechnen eines magnetischen Flusses, der basierend auf dem ermittelten elektrischen Ständerstrom erzeugt wird, und
- eine Regelungseinrichtung 207 zum Regeln eines mittels der elektrischen Maschine erzeugten Drehmoments in Abhängigkeit von dem berechneten magnetischen Fluss.

Die Ermittlungseinrichtung 203 umfasst beispielweise eine Strommesseinrichtung zum Messen des elektrischen Ständerstroms. Die Messeinrichtung umfasst beispielsweise einen Stromsensor.
Die Vorrichtung 201 umfasst beispielsweise eine Induktivitätsmesseinrichtung zum Messen einer Induktivität respektive einer differentiellen Induktivität, die aus dem elektrischen Ständerstrom resultiert.
Der Prozessor 205 ist beispielsweise ausgebildet, basierend auf bei verschiedenen Ständerströmen gemessenen (, beispielsweise differentiellen,) Induktivitäten die Koeffizienten eines Polynoms zu berechnen, welches den magnetischen Fluss approximiert, der basierend auf dem ermittelten elektrischen Ständerstrom erzeugt wird.
Die Regeleinrichtung 207 umfasst nach einer Ausführungsform die Funktionsblöcke 417 und 421 gemäß 4 (vgl. Ausführungen weiter unten).
Im Sinne der Beschreibung kann eine Kombination aus einer elektrischen Maschine und einem Umrichter als ein Antrieb bezeichnet werden. Beispielsweise kann eine Kombination aus einer Drehstrommaschine und einem Umrichter als ein Drehstromantrieb bezeichnet werden.
3 zeigt eine elektrische Maschine 301.
Die elektrische Maschine 301 umfasst die Vorrichtung 201 der 2. Wie vorstehend ausgeführt, kann die in 3 gezeigte Anordnung als ein Antrieb bezeichnet werden.
Elektrische Maschinen als solche sind dem Fachmann bekannt. Daher wurde davon abgesehen, Details wie zum Beispiel einen Läufer und einen Rotor der elektrischen Maschine 301 darzustellen.
Eine elektrische Maschine im Sinne der Beschreibung umfasst also insbesondere einen Läufer und einen Ständer.
Der Ständer umfasst insbesondere eine oder mehrere Spulen.
Der Rotor umfasst insbesondere eine oder mehrere Spulen und/oder einen oder mehrere Permanentmagneten.
4 zeigt ein Blockdiagramm eines Regelkreises 401, der gemäß einer Ausführungsform zum Regeln eines mittels einer elektrischen Maschine erzeugten Drehmoments verwendet wird.
In einem Rückführpfad 403 des Regelkreises 401 wird gemäß einem Funktionsblock 407 ein ermittelter elektrischer Ständerstrom 405, der im Sinne der Beschreibung auch mit I bezeichnet werden kann, in einen magnetischen Fluss ϕ_m respektive in ein Drehmoment M umgerechnet. Hierfür wird beispielsweise ein Polynom verwendet, um den magnetischen Fluss zu approximieren. Beispielsweise weist das Polynom den Grad 3 auf.
Beispielsweise ist vorgesehen, dass der elektrische Ständerstrom unter Verwendung der Park-Transformation in einen drehmomentbildenden Strom, der im Sinne der Beschreibung auch mit I_q bezeichnet werden kann, und in einen feldbildenden Strom aufgeteilt wird, der im Sinne der Beschreibung auch mit I_d bezeichnet werden kann. Bei den vorstehend und nachstehenden Berechnungen wird insofern gemäß einer Ausführungsform der Ständerstrom I durch den drehmomentbildenden Strom I_q ersetzt.
Im Sinne dieser Beschreibung wird beispielweise davon ausgegangen, dass der magnetische Fluss in erster Näherung proportional zum Drehmoment M ist, welches mittels der elektrischen Maschine bereitgestellt wird. Es gilt also beispielsweise folgender Zusammenhang: $M (Ι) = C_{m} \cdot ϕ_{m} (Ι),$
wobei C_m eine Drehmomentkonstante der elektrischen Maschine ist.
Der Ständerstrom wird also im Rückführpfad 403 zunächst in den zugehörigen drehmomentproportionalen magnetischen Fluss respektive in ein Drehmoment umgerechnet, so dass die nichtlineare Bildung einer Aufgabengröße $Ι_{soll} = f (M_{soll})$
durch eine lineare Berechnung ersetzt werden kann: $ϕ_{m,Soll} = \frac{1}{c_{m}} \cdot M_{soll} .$
In der Vorrichtung respektive in der elektrischen Maschine ist beispielsweise eine jeweilige Kennlinie für ϕ_m(I) und/oder M(I) gespeichert.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Konzepts ist insbesondere, dass mit dieser ϕ_m(I) respektive M(I) Kennlinie auch gleichzeitig die stromabhängige Sättigung der Induktivität berücksichtigt wird. Genau wie die differentielle Induktivität mit steigendem Strom sinkt, sinkt entsprechend auch eine Kleinsignalverstärkung K_diff der ϕ_m(I) Kennlinie: $K_{diff} (Ι) = \frac{d ϕ_{m} (Ι)}{d Ι}$
Eine zusätzliche stromabhängige Adaption eines Stromreglers K_P zum Regeln eines elektrischen Ständerstroms ist nicht mehr erforderlich. Bei einer beispielhaften feldorientierten Regelung eines Mehrphasenmotors der elektrischen Maschine wird entsprechend der drehmomentbildende Strom I_q in einen magnetischen Fluss respektive in ein Drehmoment umgerechnet.
Wie diese Kennlinien für ϕ_m(I) und/oder M(I) gemäß einer Ausführungsform berechnet oder ermittelt werden, wird nachfolgend unter Verwendung eines Polynoms 3. Ordnung näher erläutert, wobei die 5 und 6 zur weiteren Erläuterung dienen.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Funktion Φ_m(I) mittels eines Polynoms 3. Ordnung (Grad = 3) approximiert wird, wobei ferner vorgegeben ist, dass das Absolutglied b₀ des Polynoms gleich Null ist. $ϕ_{m} (Ι) \approx b_{1} \cdot Ι + b_{2} \cdot Ι \cdot | Ι | + b_{3} \cdot Ι^{3}$
mit ϕ_m der magnetische Fluss, I der Ständerstrom und b₁,b₂,b₃ die Koeffizienten des Polynoms.
Aus Symmetriegründen ist die Funktion ϕ_m(I) eine ungerade (punktsymmetrische) Funktion. I² ist deshalb durch I·|I| ersetzt worden und der Koeffizient b₀ (Absolutglied) wird nicht benötigt (=0). Optional ist gemäß einer Ausführungsform eine Approximation mit einem Polynom höherer Ordnung vorgesehen.
Wenn eine Kennlinie mit vielen experimentell ermittelten Stützpunkten vorliegt, kann eine Approximation auf ein Polynom 3. Ordnung zufällige Messfehler effizient ausgleichen und führt zu einem glatten Verlauf ähnlich einer linearen Regression. In einer Ausführungsform wird zur Approximation ein Polynom 2. Ordnung verwendet.
Die Koeffizienten des Polynoms werden zum Beispiel über eine Ausgleichungsrechnung (auf Englisch: „curve fitting“) ermittelt. Besonders geeignet und daher nach einer Ausführungsform auch so vorgesehen ist eine Approximation der Kurve (des Polynoms) nach der Methode der kleinsten Quadrate.
Vorteilhaft und gemäß einer Ausführungsform auch so vorgesehen ist eine Vereinfachung nach dem Horner-Schema (ausklammern): $ϕ_{m} (Ι) \approx Ι \cdot (b_{1} + | Ι | \cdot (b_{2} + b_{3} \cdot | Ι | + \dots))$
Dadurch sinkt in effizienter Weise eine Anzahl der notwendigen Rechenoperationen (Multiplikation, Addition).
Ein Vorteil des Polynoms ist, dass der Algorithmus zur Berechnung weniger aufwendig ist, als ein Algorithmus zur linearen Interpolation von tabellarischen Stützstellen. Das gilt sowohl für eine prozessorbasierte Implementierung (zum Beispiel in der Programmiersprache C) als auch für eine VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)- respektive FPGA (Field Programmable Gate Array)- oder ASIC (Application-Specific Integrated Circuit)-Implementierung.
Ein weiter Vorteil ist, dass ein einheitlicher Ansatz vorteilhaft zur Parametrierung genutzt werden kann. Die Kleinsignalverstärkung K_diff der Kennlinie kann geschlossen entsprechend den Ableitungsregeln für Polynome berechnet werden: $K_{diff} (Ι) = \frac{d ϕ_{m} (Ι)}{d Ι} = b_{1} + 2 \cdot b_{2} \cdot | Ι | + 3 \cdot b_{3} \cdot Ι^{2}$
Aus Symmetriegründen muss die Funktion K_diff(I) eine gerade (achsensymmetrische) Funktion sein. I¹ ist deshalb durch |I| ersetzt worden.
Mit einer Division durch b₁ folgt: $\frac{K_{diff} (Ι)}{b_{1}} = \frac{b_{1} + 2 \cdot b_{2} \cdot | Ι | + 3 \cdot b_{3} \cdot Ι^{2}}{b_{1}} = 1 + \frac{2 \cdot b_{2}}{b_{1}} \cdot | Ι | + \frac{3 \cdot b_{3}}{b_{1}} \cdot Ι^{2} = \frac{L (Ι)}{L_{0}}$
Die Bestimmung dieser Koeffizienten b₁,b₂,b₃ ist im Rahmen einer automatisierten Parameterermittlung vergleichsweise einfach ohne Prüfstand auch intern in der Vorrichtung respektive in der elektrischen Maschine möglich.
Eine Möglichkeit für die Bestimmung der Koeffizienten ist die Messung eines Open-Loop Stromregler Bode-Plot mit anschließendem „curve fitting“: $G_{0} (j ω_{1}) \sim \frac{1}{L (Ι)}$
Durch Variation des Arbeitspunktes (/) kann die differentielle Induktivität L_diff(I) als Funktion vom Ständerstrom / gemessen werden.
Mit der Vorgabe b₁ = 1 können aus den gemessenen L_diff(I) Daten die Koeffizienten b₂ und b₃ besonders einfach berechnet werden.
Alternativ kann auch b₁ = K_T (K_T ist eine Drehmomentkonstante der elektrischen Maschine) vorgegeben werden, bevor b₂ und b₃ berechnet werden.
Somit ist also vorgesehen, bei unterschiedlichen Ständerströmen die daraus resultierenden differenziellen Induktivitäten zu messen, um hierüber die Koeffizienten des Polynoms zu berechnen. Anschließend stehen die entsprechend ermittelten Kennlinien zur Verfügung, um bei Kenntnis des elektrischen Ständerstroms der elektrischen Maschine das dazugehörige Drehmoment zu ermitteln, was im Funktionsblock 407 durchgeführt wird.
Der Funktionsblock 407 erhält also als Eingangsgröße den ermittelten Ständerstrom 405 und berechnet daraufhin, wie vorstehend beschrieben, das dazu gehörige Drehmoment, welches in 4 symbolisch als Kasten mit dem Bezugszeichen 409 gekennzeichnet ist und auch mit M̂ bezeichnet werden kann.
Das Drehmoment M̂ wird mit einem vorgegebenen Soll-Drehmoment M*, in 4 als Kästchen mit dem Bezugszeichen 411 gezeichnet, gemäß einem Funktionsblock 413 verglichen. Eine Differenz ΔM, die auch Null sein kann, in 4 als Kästchen mit dem Bezugszeichen 415 gezeichnet, geht in einen Funktionsblock 417, in welchem ein PI-Regelwert 419, der auch mit U* bezeichnet werden kann, ermittelt wird. „P“ steht für „Proportional“ und „I“ steht für „Integral“.
Der PI-Regelwert wird also beispielsweise durch einen PI-Regler erstellt. Beispielsweise sind andere Regler, wie beispielsweise ein PID-Regler (proportional-integral-derivative controller), vorgesehen.
Die Regelungseinrichtung 207 gemäß 2 ist beispielsweise als ein PI-Regler oder als ein PID-Regler ausgebildet oder umfasst einen PI-Regler oder einen PID-Regler. Beispielsweise erzeugt die Regelungseinrichtung 207, die (beispielsweise in einer Ausführungsform die Funktionsblöcke 417 und 421 gemäß 4 umfasst, einen Befehl zum Steuern der elektrischen Spannung der elektrischen Maschine. Der Befehl wird beispielsweise auf Basis der Differenz 415 ermittelt, vorzugsweise unter Verwendung eines Reglers, beispielsweise eines PI-Reglers oder eines PID-Reglers.
Der PI-Regelwert 419 wird einem Funktionsblock 421 zugeführt, der basierend auf dem PI-Regelwert 419 einen Pulsweitenmodulations (PWM)-Wert 423 ermittelt, der auch mit U bezeichnet werden kann.
Der PWM-Wert 423 wird einem Funktionsblock 425 zugeführt, der basierend auf dem PWM-Wert 423 einen auf den Ständer der elektrischen Maschine einzuprägenden Ständerstrom I ermittelt, in 4 als Kästchen mit dem Bezugszeichen 427 gezeichnet. Der Ständerstrom gemäß dem Kästchen 427 wird als Eingangsgröße dem Funktionsblock 407 zugeführt, so dass der Regelkreis 401 aufs Neue durchlaufen wird.
Der ermittelte Ständerstrom gemäß dem Kästchen 427 wird beispielsweise auf den Ständer der elektrischen Maschine eingeprägt.
Zum Ermitteln des Ständerstroms gemäß dem Kästchen 427 wird im Funktionsblock 425 folgende Formel verwendet: $Ι (s) = \frac{1}{R + L s} \cdot U (s)$
Der Term $\frac{1}{R + L s}$
stellt beispielsweise die Übertragungsfunktion einer Motorwicklung im Laplace-Bereich dar.
Als Eingangsgröße wird Spannung von der PWM vorgesehen. Als Ausgangsgröße wird der Strom vorgesehen. Die induzierte Spannung ist hier nicht dargestellt. „s“ bezeichnet den Laplace Operator.
Der Term $\frac{1}{R + L_{d i f f} \cdot s}$
ist also eine Modellierung der Motorwicklung einer elektrischen Maschine im Laplace-Bereich (auch Bild-Bereich genannt). Durch die Darstellung im Laplace-Bereich wird das „s“ verwendet. Die Motorwicklung stellt ein sogenanntes PT1-Glied da.
In der Regelungstechnik wird folgende Darstellung von Übertragungsgliedern üblicherweise verwendet: $G_{S} = \frac{K_{S}}{1 + τ \cdot s}$
Mit $K_{S} = \frac{1}{R}$
und $τ = \frac{L}{R}$
Stand der Technik ist, insbesondere interpoliert mit einer Tabelle: $\frac{1}{R + L_{d i f f} \cdot s}$
mit R der elektrische Widerstand des Ständers, also der Spule des Ständers, L_diff die differentielle Induktivität und s der Laplace-Operator.
Die Stromregelung erfolgt durch eine einstellbare Spannung. Um einen ordentlichen Wirkungsgrad zu erreichen wird die Spannung mit einer PWM (Pulsweitenmodulation) erzeugt. Für die Stabilität des Regelkreises ist das Kleinsignalverhalten um den Arbeitspunkt wichtig. Also wird die im Arbeitspunkt gemessene Induktivität L_diff angesetzt.
Der Kern der Erfindung umfasst also insbesondere den Gedanken, dass zur Regelung des Drehmoments M als Zielgröße nicht mehr der Ständerstrom I, sondern der vom drehmomentbildenden Strom I_q erzeugte magnetische Fluss ϕ_m(I) als Regelgröße benutzt wird. Der Regelkreis 401 kann somit insbesondere als ein Flussrespektive Drehmomentregelkreis bezeichnet werden, der in vorteilhafter Weise Sättigungseffekte berücksichtigt. Die Regelgröße des Regelkreises 401 ist der magnetische Fluss respektive das Drehmoment.
Das erfindungsgemäße Konzept weist insbesondere den Vorteil auf, dass nur eine Approximation, beispielsweise mittels des Polynoms, durchgeführt werden muss, um die Sättigungseffekte effizient zu berücksichtigen. Im Gegensatz dazu sind im bekannten Stand der Technik zwei verschiedene Interpolationen notwendig.
Ein weiterer Vorteil ist also insbesondere darin zu sehen, dass für das Berücksichtigen der Sättigungseffekte nur eine Kennlinie ermittelt werden muss. Im Gegensatz dazu müssen im bekannten Stand der Technik zwei verschiedene Kennlinien ermittelt werden.
Ein daraus resultierender Vorteil ist insbesondere in einer Reduzierung einer Prozessorlast zu sehen. Insbesondere kann durch ein Abspeichern von nur einer Kennlinie in vorteilhafter Weise Speicherplatz eingespart verglichen mit einem Abspeichern von zwei Kennlinien.
5 zeigt einen Graphen 501, der einen Verlauf eines mittels einer elektrischen Maschine erzeugten Drehmoments in Abhängigkeit von einem Ständerstrom der elektrischen Maschine zeigt.
Die Abszisse 503 gibt den elektrischen Ständerstrom in Ampere an. Die Ordinate 505 gibt das Drehmoment in Nm an.
Die experimentell ermittelten Drehmomente bei unterschiedlichen Ständerströmen sind als Vierecke mit dem Bezugszeichen 507 gekennzeichnet.
Die experimentell ermittelten Drehmomente sind durch eine Kurve angenähert oder approximiert, die das Bezugszeichen 509 aufweist. Die Kurve 509 ist ein Polynom 3. Ordnung und weist folgende Koeffizienten auf, wobei b₁=1,0 fest vorgegeben wird: $b_{0} = 0; b_{1} = 1,0; b_{2} = - 0,07 u n d b_{3} = - 0,003.$
Die Approximation der experimentell ermittelten Drehmomente wird beispielsweise unter Verwendung der Methode der kleinsten Quadrate durchgeführt. Hierfür wurden bei unterschiedlichen Ständerströmen die sich daraus ergebenden differentiellen Induktivitäten gemessen (vgl. 6 und zugehörige Beschreibung) und die Näherung verwendet, dass das Drehmoment proportional zum magnetischen Fluss ist.
6 zeigt einen Graphen, der einen Verlauf einer Kleinsignalverstärkung K_diff in Abhängigkeit von einem Ständerstrom der elektrischen Maschine zeigt, die auch im Zusammenhang mit der 5 verwendet wurde, um die Abhängigkeit des Drehmoments vom Ständerstrom zu ermitteln.
Die Abszisse 603 gibt den elektrischen Ständerstrom in Ampere an. Die Ordinate 605 gibt die relative Kleinsignalverstärkung bezogen auf die Kleinsignalverstärkung bei I=0 A an (K_diff (I=0 A) = 1).
Die experimentell ermittelten Werte für die Kleinsignalverstärkung bei unterschiedlichen Ständerströmen sind als Vierecke mit dem Bezugszeichen 607 gekennzeichnet. Es gilt, wie vorstehend beschrieben, $\frac{K_{diff} (Ι)}{b_{1}} = \frac{b_{1} + 2 \cdot b_{2} \cdot | Ι | + 3 \cdot b_{3} \cdot Ι^{2}}{b_{1}} = 1 + \frac{2 \cdot b_{2}}{b_{1}} \cdot | Ι | + \frac{3 \cdot b_{3}}{b_{1}} \cdot Ι^{2} = \frac{L (Ι)}{L_{0}}$
, so dass durch Messung der differentiellen Induktivität bei unterschiedlichen Arbeitspunkten (I) und unter der (beispielhaften) Vorgabe, dass b₁= 1,0 ist, die Kleinsignalverstärkung bei unterschiedlichen Ständerströmen experimentell ermittelt werden kann.
Die experimentell ermittelten Werte für die Kleinsignalverstärkung sind durch eine Kurve angenähert oder approximiert, die das Bezugszeichen 609 aufweist. Die Kurve 609 entspricht einem Polynom 2. Ordnung, welches die Ableitung nach dem Ständerstrom des Polynoms 3. Ordnung gemäß 5 ist: $K_{diff} (Ι) = \frac{d ϕ_{m} (Ι)}{d Ι} = b_{1} + 2 \cdot b_{2} \cdot | Ι | + 3 \cdot b_{3} \cdot Ι^{2}$
Die Koeffizienten dieses Polynoms sind also die folgenden Koeffizienten: $b_{0} = 0; b_{1} = 1,0; b_{2} = - 0,07; u n d b_{3} = - 0,003.$
Somit ist es in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass die Koeffizienten ohne Prüfstand intern in der elektrischen Maschine durch Variation des Arbeitspunktes und Messung der entsprechenden differentiellen Induktivitäten effizient bestimmt oder ermittelt werden können.
Zusammenfassend stellt die Erfindung ein effizientes Konzept bereit, welches die beiden Effekte der Sättigung - nichtlinearer Zusammenhang zwischen dem Ständerstrom und dem Drehmoment sowie die sättigungsbedingte Reduktion der Wicklungsinduktivität - gemeinsam betrachtet, gemeinsam angeht und gemeinsam kompensiert, so dass entsprechende Parametrierungen und Algorithmen einfach und effizient ausgestaltet werden können verglichen mit dem bekannten Stand der Technik, der die beiden Effekte der Sättigung getrennt betrachtet und getrennt kompensiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010003218 A1 [0029]
DE 102013207121 A1 [0030]
DE 2640622 C3 [0031]
EP 0836270 B1 [0032]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (301), umfassend die folgenden Schritte: - Ermitteln (101) eines elektrischen Ständerstroms der elektrischen Maschine (301), - Berechnen (103) eines magnetischen Flusses, der basierend auf dem ermittelten elektrischen Ständerstrom erzeugt wird, und - Regeln (105) eines mittels der elektrischen Maschine (301) erzeugten Drehmoments in Abhängigkeit von dem berechneten magnetischen Fluss.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Berechnen (103) des magnetischen Flusses ein Approximieren des magnetischen Flusses mittels eines Polynoms umfasst, welches mindestens den Grad 2 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Polynom den Grad 3 aufweist und das Absolutglied des Polynoms gleich Null ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei bei unterschiedlichen Ständerströmen jeweils eine aus dem entsprechenden Ständerstrom resultierende differentielle Induktivität gemessen wird, wobei die Koeffizienten des Polynoms basierend auf den gemessenen differentiellen Induktivitäten ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei zum Ermitteln der Koeffizienten vorgegeben wird, dass das lineare Glied des Polynoms gleich 1 oder gleich der Drehmomentkonstante der elektrischen Maschine (301) ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der ermittelte Ständerstrom mittels der Park-Transformation in einen drehmomentbildenden Strom und in einen feldbildenden Strom aufgeteilt wird, wobei zum Berechnen (103) des magnetischen Flusses nur der drehmomentbildende Strom verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein dem berechneten magnetischen Fluss entsprechendes Drehmoment berechnet wird, welches als Ist-Drehmoment mit einem vorgegebenen Soll-Drehmoment verglichen wird, wobei das Regeln des mittels der elektrischen Maschine (301) erzeugten Drehmoments basierend auf dem Vergleich durchgeführt wird.
Vorrichtung (201) zum Betreiben einer elektrischen Maschine (301), umfassend: - eine Ermittlungseinrichtung (203) zum Ermitteln eines elektrischen Ständerstroms der elektrischen Maschine (301), - einen Prozessor (205) zum Berechnen eines magnetischen Flusses, der basierend auf dem ermittelten elektrischen Ständerstrom erzeugt wird, und - eine Regelungseinrichtung (207) zum Regeln eines mittels der elektrischen Maschine (301) erzeugten Drehmoments in Abhängigkeit von dem berechneten magnetischen Fluss.
Elektrische Maschine (301), umfassend die Vorrichtung (201) nach Anspruch 8.
Computerprogramm, umfassend Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird.