DE102016203262A1 - Verfahren zur iterativen Ermittlung eines d- und q-Stromes zum Betreiben einer Synchronmaschine, Verfahren zum Betreiben einer Synchronmaschine und Steuergerät - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur iterativen Ermittlung eines d- und eines q-Stromes (id, iq) zum Betreiben einer Synchronmaschine (1), insbesondere einer anisotropischen oder reluktanzbehafteten Synchronmaschine, im Bereich eines MTPA-Betriebspunktes (P1) der Synchronmaschine (1), so dass diese ein vorgegebenes Drehmoment (T) ausgibt, Dabei wird eine differentielle Induktivität (Ldd, Lqq) der Synchronmaschine (1) bei der Ermittlung des d- und q-Stromes (id, iq) einbezogen. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer Synchronmaschine (1) und entsprechend arbeitendes Steuergerät (6) zur Ansteuerung eines Wechselrichters (5) für eine Synchronmaschine (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur iterativen Ermittlung eines d- und eines q-Stromes zum Betreiben einer Synchronmaschine im Bereich eines MTPA-Betriebspunktes der Synchronmaschine, so dass diese ein vorgegebenes Drehmoment ausgibt. Sie betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben der Synchronmaschine mit dem so ermittelten d- und q-Strom. Die Erfindung betrifft des weiteren ein Steuergerät zur Ansteuerung eines Wechselrichters für die Synchronmaschine, wobei das Steuergerät dazu ausgeführt ist, den Wechselrichter so anzusteuern, dass dieser den so ermittelten d- und q-Strom der Synchronmaschine bereitstellt.
  • Ein solches Verfahren ist beispielsweise der vorveröffentlichten Schrift DE 10 2011 121 608 A1 entnehmbar.
  • Magnetisch hoch anisotropische oder stark reluktanzbehaftete Synchronmaschinen, wie eine PMa-SynRM (= Permanent Magnet Assisted Synchronous Reluctance Machine) oder eine RSM (= Reluctance Synchronous Machine), haben gewisse Vorteile in Automotive-Anwendungen, beispielsweise als Traktionsantrieb von Fahrzeugen. Diese Vorteile sind: hohe Leistungsdichte, Fehlertoleranz und Kostengünstigkeit. Um diese Vorteile nutzen zu können, muss das Reluktanzmoment solcher Synchronmaschinen optimal ausgenutzt werden. Dies wird im Bereich der Grunddrehzahl durch Anwendung einer MTPA-Strategie (MTPA = maximum torque per ampere) erreicht, die dann die Kupferverlust in der Maschine minimiert.
  • Es wurden in der Vergangenheit einige Verfahren veröffentlicht, um die MTPA-Betriebspunkte der Synchronmaschine im laufenden Betrieb der Synchronmaschine zu ermitteln. Dabei blieben Sättigungs- und Kreuzkoppeleffekte außer Acht oder sie wurden nur unter Verwendung von Umsetzungstabellen mit festen Induktivitäten für die Synchronmaschine berücksichtigt. Diese Ansätze funktionieren insbesondere bei hoch anisotropische Synchronmaschinen nicht oder nicht zufriedenstellend.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung des d- und q-Stromes einer Synchronmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Synchronmaschine sowie ein Steuergerät zum Betreiben einer Synchronmaschine, insbesondere im Hinblick auf eine anisotropische oder reluktanzbehaftete Synchronmaschine, bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Hautpansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
  • Demnach wird ein Verfahren zur iterativen Ermittlung eines d- und eines q-Stromes zum Betreiben einer Synchronmaschine im Bereich eines MTPA-Betriebspunktes der Synchronmaschine, so dass diese ein vorgegebenes Drehmoment ausgibt, vorgeschlagen. Bei der Ermittlung des d- und q-Stromes wird dabei eine differentielle Induktivität der Synchronmaschine einbezogen, also explizit als eigene Größe berücksichtigt.
  • Das ebenfalls vorgeschlagene Verfahren zum Betreiben einer Synchronmaschine sieht vor, dass ein d- und ein q-Strom mittels eines Wechselrichters der Synchronmaschine bereitgestellt wird, wobei der d- und q-Strom nach dem vorgeschlagenen Verfahren iterativ ermittelt wird, also zumindest unter Einbeziehung der differentiellen Induktivität der Synchronmaschine.
  • Das ebenfalls vorgeschlagene Steuergerät dient zur Ansteuerung eines Wechselrichters für eine Synchronmaschine. Das Steuergerät ist dazu ausgeführt, den Wechselrichter so anzusteuern (also zu steuern oder zu regeln), dass dieser einen d- und einen q-Strom der Synchronmaschine bereitstellt. Dabei ist das Steuergerät dazu ausgeführt, den d- und q-Strom mittels des vorgeschlagenen Verfahren iterativ zu ermitteln. Hierzu ist beispielsweise ein Softwarecode, der das Steuergerät zu der Ermittlung des d- und q-Stroms mittels des vorgeschlagenen Verfahrens veranlasst, in dem Steuergerät hinterlegt. Das Steuergerät verfügt darüber hinaus beispielsweise über die zur Ansteuerung der Synchronmaschine notwendigen Eingänge und Ausgänge.
  • Der d- und q-Strom bilden die Anteile des durch die Synchronmaschine fließenden elektrischen (Gesamt-)Statorstromes in einem mit dem magnetischen Rotorfluss bzw. dem Rotor der Synchronmaschine mitbewegten d-q-Koordinatensystem. Die Bund q-Ströme bilden in an sich bekannter Weise Vektoren, die senkrecht zueinander stehen. Der q-Strom bildet dabei das Drehmoment ab, und der d-Strom bildet die magnetische Flussdichte ab.
  • MTPA bedeutet „maximum torque per ampere”, also „maximales Drehmoment je Ampere”. Bei einem MTPA-Betriebspunktes einer Synchronmaschine ist das durch die Synchronmaschine erzeugte Drehmoment in Bezug auf den durch die Synchronmaschine fließenden elektrischen (Gesamt-)Statorstrom maximal. Die MTPA-Arbeitspunkte der Synchronmaschine bilden im d-q-Koordinatensystem eine an sich bekannte Kurve. Der der Synchronmaschine zugeführte elektrische Strom wird dort also optimal in Drehmoment umgewandelt. Ebenso bildet das vorgegebene Drehmoment eine an sich bekannte Kurve im d-q-Koordinatensystem, im Detail eine Hyperbel. Die MTPA-Kurve schneidet die Kurve des vorgegebene Drehmoment im d-q-Koordinatensystem in (genau) einem Punkt, der durch einen d- und q-Strom definiert ist. Der Schnittpunkt bzw. der dortige d- und q-Strom ist also bestimmbar. Der Schnittpunkt bildet einen bestimmten Betriebspunkt der Synchronmaschine, den MTPA-Betriebspunkt beim vorgegebenen Drehmoment.
  • Bei der Synchronmaschine handelt es sich bevorzugt um eine magnetisch (hoch) anisotropische oder (stark) reluktanzbehaftete Synchronmaschine, wie eine PMa-SynRM (= Permanent Magnet Assisted Synchronous Reluctance Machine) oder eine RSM (= Reluctance Synchronous Machine). Solche Synchronmaschinen bestehen im Wesentlichen aus einem feststehenden Stator, der im Allgemeinen mit Erregerspulen versehen ist, und einem dazu beweglichen Rotor. Die ferromagnetischen Materialien von Rotor und Stator sind bis zu einer gewissen Maximalinduktion, der Sättigungsinduktion, leicht magnetisierbar, wobei die Induktion im Material bei steigendem Strom in den elektrischen Wicklungen bis zur beginnenden Sättigung zunächst schnell und danach nur noch ein wenig zunimmt.
  • Die Erregung der elektrischen Wicklung der Erregerspulen erzeugt im Stator und Rotor der Synchronmaschine einen magnetischen Fluss. Die Größe dieses Flusses hängt wesentlich von der Stellung des Rotors zum Stator und von der Stromstärke ab.
  • Soll der magnetische Fluss auf elektrischem Wege verändert werden, dann muss für eine gewisse Zeit eine Spannung U an die Synchronmaschine angelegt werden. Das Zeitintegral dieser Spannung ist gleich der Flussänderung multipliziert mit der Windungszahl der Statorwicklung. Das Produkt aus magnetischem Fluss und Windungszahl wird als Flussverkettung bzw. Polradfluss Ψ bezeichnet. Verhalten sich die beteiligten Materialien ausschließlich linear, dann sind der Statorstrom i und die Polradfluss Y proportional; die Proportionalitätskonstante ist die Induktivität L. Sind die Materialien nicht-linear und weisen diese insbesondere Sättigungseigenschaften auf, so lässt sich der Zusammenhang zwischen i und Ψ wenigstens in kleinen Abschnitten linearisieren. Man bezeichnet dann das Verhältnis ΔΨ/Δi, also die partielle Ableitung des Flusses Ψ nach dem Strom i, als differentielle Induktivität. Die differentielle Induktivität legt die Spannung fest, die benötigt wird, um in einer gegebenen Zeit Δt eine Stromänderung Δi und damit eine Polradflussänderung ΔΨ herbeizuführen.
  • Vorzugsweise werden bei dem vorgeschlagenen Verfahren sowohl die differentielle Induktivität Ldd der Synchronmaschine in d-Richtung, als auch die differentielle Induktivität Lqq der Synchronmaschine in q-Richtung des d-q-Koordinatensystem einbezog, also als jeweils eigene Werte berücksichtigt. Somit wird nicht nur die so genannten absolute Induktivität Ld und Lq der Synchronmaschine berücksichtigt, sondern auch die differentielle Induktivität Ldd und Lqq. Darüber hinaus wird vorzugsweise die Kreuzkopplung Lqd und Ldq der Induktivität zwischen der d-Richtung und der q-Richtung einbezogen, also als jeweils eigene Werte berücksichtigt.
  • Die iterative Ermittlung erfolgt somit vorzugsweise basieren dauf: f(n) = –Ψpmid(n) + (Lqq – Ld)i 2 / d(n) + (Ldd – Lq)i 2 / q(n) – id(n)iq(n)(Ldq + Lqd), (1) mit
    • Ψpm
    = Polradfluss der Synchronmaschine,
    Ld
    = absolute Induktivität der Synchronmaschine in d-Richtung,
    Lq
    = absolute Induktivität der Synchronmaschine in q-Richtung,
    Ldd
    = differentielle Induktivität der Synchronmaschine in d-Richtung,
    Lqq
    = differentielle Induktivität der Synchronmaschine in q-Richtung,
    Ldq
    = Kreuzkopplung der Induktivität der Synchronmaschine in d-Richtung mit der Induktivität der Synchronmaschine in q-Richtung,
    Lqd
    = Kreuzkopplung der Induktivität der Synchronmaschine in q-Richtung mit der Induktivität der Synchronmaschine in d-Richtung,
    td(n)
    = d-Strom id des unmittelbar vorherigen Iterationsschrittes n,
    tq(n)
    = q-Strom iq des unmittelbar vorherigen Iterationsschrittes n.
  • Vorzugsweise wird als Iterationsverfahren das Newton-Verfahren angewendet. Die iterative Ermittlung des d-Stroms id erfolgt daher insbesondere basierend auf:
    Figure DE102016203262A1_0002
    mit
    td(n+1) = d-Strom id des aktuellen Iterationsschrittes n + 1,
    id(n) = d-Strom id des unmittelbar vorherigen Iterationsschrittes n,
    f(n) = Funktion f mit den Werten des unmittelbar vorherigen Iterationsschrittes n,
    Figure DE102016203262A1_0003
  • Die Ableitung von f(n) nach dem d-Strom id kann wie folgt ermittelt werden:
    Figure DE102016203262A1_0004
  • Die iterative Ermittlung des zum d-Strom id korrespondierenden q-Stroms iq erfolgt dann vorzugsweise basierend auf:
    Figure DE102016203262A1_0005
    mit
    • zp
    = Polpaarzahl der Synchronmaschine,
    T
    = vorgegebenes Drehmoment.
  • Vorzugsweise erfolgt eine Initialisierung des d-Stroms im Rahmen der Iteration mit einem vorgegebenen Wert. Bei einem ersten Iterationsschritt n = 0 wird also ein Wert für den d-Strom vorgegeben, da kein unmittelbar vorhergehender Schritt und damit Wert existiert. Der entsprechende q-Strom wird hieraus berechnet.
  • Vorzugsweise wird der d-Strom id beim ersten Iterationsschritt n = 0 mit
    Figure DE102016203262A1_0006
    initialisiert, mit
    id(n=0) = d-Strom id beim ersten Iterationsschritt n = 0.
  • Der korrespondierende q-Strom iq wird beim ersten Iterationsschritt n = 0 dementsprechend vorzugsweise mit
    Figure DE102016203262A1_0007
    initialisiert, mit
    iq(n=0) = q-Strom iq beim ersten Iterationsschritt n = 0.
  • Die Gleichungen (1) bis (6) können insbesondere so oder entsprechend in einem Steuergerät hinterlegt sein. Sie werden dann zur dortigen Ermittlung des q- und d-Stroms iq und id herangezogen.
  • Für den Fall dass die Synchronmaschine eine RSM ist gilt Ψpm = 0, d. h. der Polradfluss der Synchronmaschine ist null, da die RSM keine Permanentmagnete aufweist. Die Gleichungen (1), (3) und (4) lauten dann entsprechend:
    Figure DE102016203262A1_0008
  • Die Erfindung basiert auf folgender Erkenntnis: Die Drehmomentgleichung einer Synchronmaschine kann als Funktion der Ströme und des Polradflusses der Synchronmaschine in q- und d-Richtung des d-q-Koordinatensystems geschrieben werden T = 3 / 2Zp(Ψdiq – Ψqiq)).
  • Dabei bilden Ψd and Ψq den Polradfluss in d- und q-Richtung ab, zp ist die Polpaarzahl der Synchronmaschine und id und iq repräsentieren die Ströme in d- und q-Richtung.
  • Unter Verwendung eines geometrischen Ansatzes ergibt sich daraus eine Vektorgleichung, die für jeden Arbeitspunkt auf der Drehmomentkurve einen dort parallel zur Drehmomentkurve verlaufenden Vektor (Tangente) definiert: k → = (–Ldqiq – Ldid – Ψpm + Lqqid)l → + (Lddiq – Ldqiq – Lqiq)j →.
  • Dabei repräsentieren Ldd und Lqq die differentielle Induktivität der Synchronmaschine in d- und q-Richtung, und Ldq und Lqd repräsentieren die Kreuzkopplung (Kreuzkopplungsterme) zwischen der differentiellen Induktivität in d- und q-Richtung.
  • Durch Definition einer Funktion
    Figure DE102016203262A1_0009
    die proportional zum zwischen den Vektoren k → und ∇(I2) eingeschlossenen Winkel ist, ergibt sich: f = –Ψpmid + (Lqq – Ld)i 2 / d + (Ldd – Lq)i 2 / q – idiq(Ldq + Lqd).
  • Bei einem vorgegebenen Drehmoment T und einen gegebenen d-Strom ergibt sich der q-Strom aus:
    Figure DE102016203262A1_0010
  • Dabei ist Ψpm der Polradfluss der Synchronmaschine. Dieser Term für den q-Strom kann in den oben genannten Term für f eingesetzt werden. Abgeleitet nach dem d-Strom id ergibt sich:
    Figure DE102016203262A1_0011
  • Um den MTPA-Betriebspunkt der Synchronmaschine aufzufinden, kann dann insbesondere das Newton-Verfahren als Iterationsverfahren eingesetzt werden, also
    Figure DE102016203262A1_0012
  • Hierbei wird die Nullstelle der Funktion f gesucht. Diese entspricht dem gesuchten MTPA-Betriebspunkt bei dem vorgegebenen Drehmoment T, mit den gesuchten Strömen id und iq in d- und q-Richtung.
  • Das Vorgeschlagene Verfahren kann insbesondere in folgender Weise ausgeführt werden:
    • – Start
    • a. Ermitteln (auslesen, messen etc.) der Ist-Ströme in d- und q-Richtung i * / d , i * / q und des vorgegebenen Drehmoments T.
    • b. Ermitteln (auslesen, interpolieren etc.) der Parameter Ld, La, Ldd, Laa, Ldq, Lqd, Ψpm.
    • c. Ermitteln (definieren, festlegen etc.) einer Abbruchbedingung ∊ für die Iteration.
    • 1. Auswählen/Ermitteln des Initialisierungswertes für den d-Strom id(n=0), insbesondere Ermitteln durch Gleichung (5).
    • 2. Auswählen/Ermitteln des Initialisierungswertes für den q-Strom iq(n=0), insbesondere Ermitteln durch Gleichung (6).
    • 3. Ermitteln von f(n) durch Gleichung (1).
    • 4. Ermitteln von
      Figure DE102016203262A1_0013
      durch Gleichung (3).
    • 5. Ermitteln von id(n=0) durch Gleichung (2).
    • 6. Ermitteln von iq(n+1) durch Gleichung (4).
    • 7. Falls |id(n+1) – id(n)| ≤ ∊ gehe nach Punkt 8. (= Ende der Iteration), Andernfalls gehe nach Punkt 3. (= neuer Iterationsschritt)
    • 8. Ausgabe des d- und q-Stroms id(n+1) und
    • – Ende
  • Die Punkte a., b., c. können in beliebiger Reihenfolge zeitlich vor den Punkten 1...8. durchgeführt werden. Insbesondere Punkt c. kann auch nur einmalig durchgeführt werden, da eine einmalige Festlegung der Abbruchbedingung ∊ in den meisten Anwendungsfällen ausreichend ist. Es kann auch eine andere Abbruchbedingung festgelegt werden, z. B. eine erforderliche Anzahl an Iterationsschritten.
  • Die Parameter bzw. Werte für Ld, Lq , Ldd, Lqq, Ldq, Lqd, Ψpm der Synchronmaschine werden insbesondere Kennlinien oder Kennfeldern entnommen. Diese sind beispielsweise in dem Steuergerät hinterlegt, das das Iterationsverfahren ausführt. Sie können als bekannt betrachtet werden.
  • Mittels des vorgeschlagenen Verfahrens bzw. Steuergeräts können die d- und q-Ströme bzw. der jeweils zugehörige MTPA-Betriebspunkt besonders genau und schnell während des Betriebs der Synchronmaschine („online”) ermittelt werden. Hierdurch kann beim Einsatz für eine anisotropische oder reluktanzbehaftete Synchronmaschine das Reluktanzmoment besonders gut ausgenutzt werden.
  • Im Folgenden wir die Erfindung von Figuren näher erläutert, aus welcher weitere bevorzugte Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung entnehmbar sind. Die Figuren zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
  • 1 ein elektrisches Antriebssystem mit einer Synchronmaschine,
  • 2 ein MTPA-Betriebspunkt einer Synchronmaschine in einem d-q-Koordinatensystem der Synchronmaschine,
  • 3 ein Ablauf eines Verfahrens zur Ermittlung eines d- und eines q-Stroms zum Betreiben einer Synchronmaschine,
  • 4 ein Ablauf eines Verfahrens zur Begrenzung des ermittelten d- und q-Stroms zum Betreiben einer Synchronmaschine.
  • Die Erfindung betrifft insbesondere das Auffinden der optimalen Referenzströme für eine feldorientiert geregelte oder gesteuerte Synchronmaschine 1 in d- und q-Richtung eines mit dem magnetischen Rotorfluss bzw. dem Rotor der Synchronmaschine 1 mitbewegten d-q-Koordinatensystems.
  • Hierzu werden die optimalen Referenzströme in dem rotorflussfesten q-d-Koordinatensystem ermittelt. Entsprechend dieser Referenzströme kann ein Wechselrichter 5 zur Ansteuerung der Synchronmaschine 1 betätigt werden, d. h. es können dementsprechend die Leistungshalbleiter in dem Wechselrichter 5 betätigt (an- und abgeschaltet) werden, damit sich die Ströme in der Synchronmaschine 1 einstellen.
  • 1 zeigt eine typische Struktur eines als feldorientierte Regelung (FOR) bzw. feldorientierte Steuerung (FOS) ausgeführten Antriebssystems mit einer Synchronmaschine 1. Diese ist beispielhaft als anisotropische oder reluktanzbehaftete Synchronmaschine ausgeführt.
  • Dem Antriebssystem wird ein vorgegebenes Drehmoment T zugeführt. Dieses Drehmoment T soll durch die Synchronmaschine 1 ausgegeben werden, d. h. die Synchronmaschine 1 soll dieses Drehmoment T an ihrer Abtriebswelle abgeben, beispielsweise um ein Fahrzeug oder eine Maschine mit diesem Drehmoment T anzutreiben. Das Drehmoment T kann beispielsweise von einem Bediener des Antriebssystems, wie beispielsweise einem Fahrzeugfahrer oder einem Maschinenbediener, vorgegeben werden. Es kann auch von einer übergeordneten Steuerung oder Regelung angefordert werden.
  • Hierzu ist ein Ermittlungsmodul 2 vorgesehen, welches aus dem Drehmoment T einen dazu korrespondierenden d-Strom und q-Strom id, iq ermittelt. Sofern eine Regelung (FOR) vorliegt, können hierzu Ist-Werte des d-Strom und q-Strom i * / d , i * / q hinzugerechnet werden. Sofern eine Steuerung (FOS) vorliegt, entfällt das Hinzurechnen der Ist-Werte i * / d , i * / q .
  • Die Ströme id, iq werden einem Regelungs- bzw. Steuerungsmodul 3 für die feldorientierte Vektorregelung/-steuerung der Synchronmaschine 1 zugeführt, von dem dann entkoppelte Ströme einem PWM-Generator 4 zugeführt werden (PWM = Pulsweitenmodulation). Dieser erzeugt aus den entkoppelten Strömen die PWM-Signale PWM1, PWM2, PWM3 zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung von Leistungshalbleitern des Wechselrichters 5, um den d- und q-Strom id, iq in der Synchronmaschine 1 einzustellen. Alternativ könnten auch pulsfrequenzmodulierte(PFM-)Signale durch den Generator 4 bereitgestellt werden.
  • Die Module 2, 3, 4 können insbesondere in einem Steuergerät 6 (gestrichelter Rahmen) räumlich gemeinsam untergebracht sein, beispielsweise in Form einer integrierten Schaltung. Das Steuergerät 6 kann beispielsweise von dem Wechselrichter 5 räumlich getrennt sein. Das Steuergerät 6 kann auch auf dem Wechselrichter 5 aufgesetzt sein, d. h. daran angeordnet oder darin integriert sein. So können sich das Steuergerät 6 und der Wechselrichter 5 einfach einen gemeinsamen Kühlkreislauf teilen.
  • Es gibt verschiedene Möglichkeiten den d- und q-Strom id, iq ausgehend von dem vorgegebenen Drehmoment T zu wählen. Typischerweise werden bei der Grunddrehzahl der Synchronmaschine 1 die d- und q-Ströme so gewählt, dass der Statorstrom beim vorgegebenen Drehmoment T minimal ist, um Verluste in den Kupferwicklungen des Stators (Kupferverluste) zu minimieren. Diese sind im niedrigen Drehzahlbereich die dominierenden Verlustfaktoren.
  • Es wird also derjenige Betriebspunkt der Synchronmaschine 1 gesucht, der einen Schnittpunkt einer MTPA-Kurve mit der Kurve (Hyperbel) des vorgegebenen Drehmoments T in dem q-d-Koordinatensystem der Synchronmaschine 1 bildet. Die MTPA-Kurve bildet hierbei die Gesamtheit der MTPA-Betriebspunkte, also der Betriebspunkte, bei denen der Statorstrom beim jeweiligen Drehmoment T minimal ist.
  • 2 zeigt einen MTPA-Betriebspunkt P1 der Synchronmaschine 1 in einem d-q-Koordinatensystem der Synchronmaschine 1. Die Vertikalachse bildet den q-Strom ab und die Horizontalachse den d-Strom der Synchronmaschine 1. Das d-q-Koordinatensystem ist in an sich bekannter Weise mit dem magnetischen Rotorfluss bzw. dem Rotor der Synchronmaschine mitdrehend. Die Ströme in d- und q-Richtung (also der d- und q-Strom) bilden zusammen den vektoriellen Statorstrom i der Synchronmaschine 1.
  • In 2 ist auch die MTPA-Kurve dargestellt. Diese Kurve ist maschinenspezifisch. Ebenso ist in dem d-q-Koordinatensystem die Drehmomentkurve für das vorgegebene Drehmoment T dargestellt. Entlang dieser Kurve ist das Drehmoment T konstant. Die MTPA-Kurve hat im betrachteten Bereich genau einen Schnittpunkt mit der Drehmomentkurve T. Dieser Schnittpunkt bildet den MPTA-Betriebspunkt P1 bei dem vorgegebenen Drehmoment T. An diesem MTPA-Betriebspunkt P1 liegt der Statorstrom i1 an. Dieser teilt sich in einen d-Anteil, den d-Strom id1, und einen q-Anteil, den q-Strom iq1, auf. Somit ist der MTPA-Betriebspunkt P1 durch diesen d-Strom id1 und q-Strom iq1 genau definiert. Durch Anlegen eines solchen Stroms i1 an die Synchronmaschine 1 stellt sich daher der MTPA-Betriebspunkt P1 ein. Mittels des vorgeschlagenen iterativen Verfahrens kann der Schnittpunkt und damit der MTPA-Betriebspunkt P1 ermittelt und eingestellt werden.
  • 2 zeigt ein Ablauf des bevorzugten Verfahrens zur Ermittlung des d-Stroms id1 und q-Stroms iq1, die zum Betreiben der Synchronmaschine 1 im Bereich des MTPA-Betriebspunktes P1 erforderlich sind.
  • Im ersten Schritt S1 werden (optional; wenn eine Regelung stattfinden soll) die Ist-Ströme i * / d , i * / q der Synchronmaschine 1 in q- und d-Richtung, sowie das vorgegebene Drehmoment T ermittelt. Darüber hinaus werden die Parameter Ld, Lq, Ldd, Lqq, Ldq, Lqd, Ψpm der Synchronmaschine 1 ermittelt. Sofern vorher nicht bereits erfolgt, wird in Schritt S1 auch eine Abbruchbedingung ∊ für die folgende Iteration vorgegeben bzw. ermittelt.
  • Im zweiten Schritt S2 wird ein Initialisierungswert id(n=0) für den d-Strom id ermittelt. Dies erfolgt insbesondere, jedoch nicht zwingend basierend auf bzw. durch oben genannte Gleichung (5).
  • Im dritten Schritt S3 wird ein Initialisierungswert iq(n=0) für den q-Strom iq ermittelt. Dies erfolgt insbesondere, jedoch nicht zwingend basierend auf bzw. durch oben genannte Gleichung (6).
  • Im vierten Schritt S4 wird f(n) basierend auf bzw. durch oben genannte Gleichung (1) ermittelt. Der vierte Schritt S4 bildet den Anfang der Iterationsschleife. D. h. folgende Iterationsschritte n + 1 beginnen beim vierten Schritt S4.
  • Im fünften Schritt S5 wird die Ableitung
    Figure DE102016203262A1_0014
    basierend auf bzw. durch oben genannte Gleichung (3) ermittelt.
  • Im sechsten Schritt S6 wird der d-Strom id(n+1) des aktuellen Iterationsschrittes basierend auf bzw. durch oben genannte Gleichung (2) ermittelt.
  • Im siebten Schritt S7 wird der q-Strom tq(n+1) des aktuellen Iterationsschrittes basierend auf bzw. durch oben genannte Gleichung (2) ermittelt.
  • Im achten Schritt S8 wird ermittelt, ob die Abbruchbedingung ∊ erfüllt wurde. Die Abbruchbedingung ∊ kann beispielsweise eine erforderliche Anzahl an durchgeführten Iterationsschritten sein oder ein bestimmter Wert. Vorzugsweise wird im achten Schritt S8 ermittelt, ob |id(n+1) – id(n)| ≤ ∊ zutrifft. Falls zutreffend (Pfad J), wird die Iterationsschleife beendet und zum neunten Schritt S9 übergegangen. Falls nicht zutreffend (Pfad N) wird ein neuer Iterationsschritt n + 1 begonnen und zum vierten Schritt S4 übergegangen. Im neuen Iterationsschritt n + 1 werden dann statt der Initialisierungswerte iq(n=0) und id(n=0) des ersten Iterationsschrittes n = 0 nun die im vorhergehenden Iterationsschritt n ermittelten Werte iq(n) und id(n) herangezogen.
  • Im neunten Schritt S9 wird der aktuelle d- und q-Strom id(n+1), iq(n+1) als Ergebnis ausgegeben. Somit wird die Iteration beendet.
  • Das vorgeschlagene Verfahren wird vorzugsweise in ein Verfahren nach 4 eingebunden. Das in 3 vorgeschlagene Verfahren findet im Block „MTPA” der 4 statt.
  • Im Rahmen des Verfahrens nach 4 wird geprüft, ob die ermittelten Ströme id, iq innerhalb von Stromgrenzen liegen und ob die aus diesen Strömen id, iq resultierenden elektrischen Spannungen an der Synchronmaschine 1 bzw. dem Wechselrichter 5 innerhalb von Spannungsgrenzen liegen. Falls nötig werden die Ströme id, iq durch Strombegrenzungsgleichungen begrenzt. Somit kann ein sicherer Betrieb der Synchronmaschine 1 innerhalb der zulässigen Parameter sichergestellt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Synchronmaschine
    2
    Ermittlungsmodul
    3
    Regelungs-, Steuerungsmodul
    4
    (PWM-)Generator
    5
    Wechselrichter
    6
    Steuergerät
    MTPA
    Kurve mit „maximum torque per ampere”
    P1
    Betriebspunkt, Schnittpunkt von MTPA und T
    PWM1
    PWM-Signal
    PWM2
    PWM-Signal
    PWM3
    PWM-Signal
    T
    Kurve mit konstantem (vorgegebenen) Drehmoment
    i, i1
    elektrischer Strom
    id..., i * / d
    elektrischer Stromanteil in d-Richtung (= d-Strom)
    iq..., i * / q
    elektrischer Stromanteil in q-Richtung (= q-Strom)
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011121608 A1 [0002]

Claims (10)

  1. Verfahren zur iterativen Ermittlung eines d- und eines q-Stromes (id, iq) zum Betreiben einer Synchronmaschine (1), insbesondere einer anisotropischen oder reluktanzbehafteten Synchronmaschine, im Bereich eines MTPA-Betriebspunktes (P1) der Synchronmaschine (1), so dass diese ein vorgegebenes Drehmoment (T) ausgibt, dadurch gekennzeichnet, dass eine differentielle Induktivität (Ldd, Lqq) der Synchronmaschine (1) bei der Ermittlung des d- und q-Stromes (id, iq) einbezogen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die differentielle Induktivität (Ldd) der Synchronmaschine (1) in d-Richtung und die differentielle Induktivität (Lqq) der Synchronmaschine (1) in q-Richtung einbezogen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Kreuzkopplung (Lqd, Lqd) der Induktivität der Synchronmaschine (1) zwischen der d-Richtung und der q-Richtung einbezogen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die iterative Ermittlung basierend auf f = –Ψpmid + (Lqq – Ld)i 2 / d + (Ldd – Lq)i 2 / q – idiq(Ldq + Lqd) erfolgt, mit Ψpm = Polradfluss der Synchronmaschine (1), Ld = absolute Induktivität der Synchronmaschine (1) in d-Richtung, Lq = absolute Induktivität der Synchronmaschine (1) in q-Richtung, Ldd = differentielle Induktivität der Synchronmaschine (1) in d-Richtung, Lqq = differentielle Induktivität der Synchronmaschine (1) in q-Richtung, Ldq = Kreuzkopplung der Induktivität der Synchronmaschine (1) in d-Richtung mit der Induktivität der Synchronmaschine (1) in q-Richtung, Lqd = Kreuzkopplung der Induktivität der Synchronmaschine (1) in q-Richtung mit der Induktivität der Synchronmaschine (1) in d-Richtung, id = d-Strom, iq = q-Strom.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die iterative Ermittlung des d-Stroms (id) basierend auf
    Figure DE102016203262A1_0015
    erfolgt, mit id(n+1) = d-Strom (id) des aktuellen Iterationsschrittes n + 1, td(n) = d-Strom (id) des unmittelbar vorherigen Iterationsschrittes n, f(n) = Funktion f mit den Werten des unmittelbar vorherigen Iterationsschrittes n,
    Figure DE102016203262A1_0016
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die iterative Ermittlung des q-Stroms (iq) basierend auf
    Figure DE102016203262A1_0017
    erfolgt, mit zp = Polpaarzahl der Synchronmaschine (1).
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der d-Strom (id) beim ersten Iterationsschritt n = 0 mit
    Figure DE102016203262A1_0018
    initialisiert wird, mit id(n=0) = d-Strom (id) beim ersten Iterationsschritt n = 0, T = vorgegebenes Drehmoment, zp = Polpaarzahl der Synchronmaschine (1), Ψpm = Polradfluss der Synchronmaschine (1).
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der q-Strom (iq) beim ersten Iterationsschritt n = 0 mit
    Figure DE102016203262A1_0019
    initialisiert wird, mit tq(n=0) = q-Strom (iq) beim ersten Iterationsschritt n = 0, Ld = absolute Induktivität der Synchronmaschine (1) in d-Richtung, Lq = absolute Induktivität der Synchronmaschine (1) in q-Richtung.
  9. Verfahren zum Betreiben einer Synchronmaschine (1), insbesondere einer anisotropischen oder reluktanzbehafteten Synchronmaschine, wobei ein d- und ein q-Strom (id, iq) der Synchronmaschine (1) mittels eines Wechselrichters (5) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der d- und ein q-Strom (id, iq) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ermittelt wird.
  10. Steuergerät (6) zur Ansteuerung eines Wechselrichters (5) für eine Synchronmaschine (1), insbesondere eine anisotropische oder reluktanzbehaftete Synchronmaschine, wobei das Steuergerät (6) dazu ausgeführt ist, den Wechselrichter (5) so anzusteuern, dass dieser einen d- und einen q-Strom (id, iq) der Synchronmaschine (1) bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (6) dazu ausgeführt ist, den d- und q-Strom (id, iq) mittels des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zu ermitteln.
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