DE102021131331A1 - Regelung einer elektrischen Maschine mit zwei getrennten Wicklungssystemen sowie entsprechendes Regelungssystem und Betrieb eines Aktuators eines Steer-By-Wire-Systems - Google Patents

Regelung einer elektrischen Maschine mit zwei getrennten Wicklungssystemen sowie entsprechendes Regelungssystem und Betrieb eines Aktuators eines Steer-By-Wire-Systems Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Lage eines Rotors (103) einer elektrischen Maschine, insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine, mit zwei getrennten Wicklungssystemen, wobei jedes der Wicklungssysteme durch eine dem jeweiligen Wicklungssystem zugeordnete unabhängige Kaskadenregelung (105) geregelt wird, wobei jede der beiden Kaskadenregelungen (105)- einen inneren Strom-Regelkreis (106) umfasst, der einen Strom der elektrischen Maschine regelt,- einen dem inneren Strom-Regelkreis (106) übergeordneten mittleren Drehzahl-Regelkreis (107) umfasst, der eine Drehzahl der elektrischen Maschine regelt, und- einen dem mittleren Drehzahl-Regelkreis (107) übergeordneten äußeren Lage-Regelkreis (108) umfasst, der die Lage des Rotors (103) der elektrischen Maschine regelt, wobei der Drehzahl-Regelkreis (107) einen Drehzahl-Regler (171) ohne I-Anteil, insbesondere einen P-Regler, aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Lage eines Rotors einer elektrischen Maschine mit zwei getrennten Wicklungssystemen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Aktuators eines Steer-By-Wire-Systems, insbesondere eines Feedback-Aktuators oder eines Lenk-Aktuators, der eine elektrische Maschine mit zwei getrennten Wicklungssystemen umfasst. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Regelungseinrichtung zur Regelung der Lage eines Rotors einer elektrischen Maschine mit zwei getrennten Wicklungssystemen.
  • Elektrische Maschinen mit getrennten Wicklungssystemen werden typischerweise in solchen Anwendungen eingesetzt, die besonders hohe Anforderungen an die Betriebssicherheit und Verfügbarkeit haben, wie beispielsweise Steer-by-Wire-Systeme für Kraftfahrzeuge. Bei derartigen Steer-by-Wire-Systemen handelt es sich um Lenksystemen mit einem elektrischen Aktuator, dem Lenkbefehle ausschließlich auf elektronischem Weg übermittelt werden.
  • Zur Ansteuerung von elektrischen Maschinen mit getrennten Wicklungssystemen ist es aus der Dissertation „J.W. Bennett. Fault Tolerant Electromechanical Actuators for Aircraft. PhD Thesis. Newcastle University, 2010“ bekannt, jedes der Wicklungssysteme durch eine dem jeweiligen Wicklungssystem zugeordnete Kaskadenregelung zu regeln. Die Kaskadenregelungen umfassen dabei einen inneren Strom-Regelkreis, der einen Strom der elektrischen Maschine regelt, einen dem inneren Strom-Regelkreis übergeordneten mittleren Drehzahl-Regelkreis, der eine Drehzahl der elektrischen Maschine regelt, und einen dem mittleren Drehzahl-Regelkreis übergeordneten äußeren Lage-Regelkreis, der die Lage des Rotors der elektrischen Maschine bzw. die Lage eines mit dem Rotor gekoppelten Aktorelements regelt.
  • Bei einer derartigen elektrischen Maschine, bei der die beiden Wicklungssysteme dieselbe mechanische Achse antreiben, ergeben sich typischerweise schon bei einer geringen Abweichung des Regelverhaltens der beiden Kaskadenregelungen größere Unterschiede bei den eingestellten Strömen und Drehmomenten, die an der gemeinsamen Achse angreifen. Hierbei können gegeneinander wirkende Drehmomente (so genanntes „torque fighting“) entstehen, welches die Stabilität der Regelung der elektrischen Maschine negativ beeinflusst, so dass das Gesamtsystem nicht mehr funktionsfähig ist. Die oben genannte Dissertation schlägt zur Abhilfe einen kontinuierlichen Abgleich der beiden Kaskadenreglungen vor, bei welchem die Ausgänge der Regler der jeweiligen Drehzahl-Reglungskreise addiert werden. Diese Summe wird halbiert und den Strom-Regelkreisen beider Kaskadenregelungen zugeführt.
  • Die im Stand der Technik vorgeschlagene Lösung kann zwar zu einer Reduktion des „torque fighting“ führen, erfordert aber einen kontinuierlichen Datenaustausch zwischen den beiden Kaskadenregelungen der getrennten Wicklungssysteme. Dieser Datenaustausch widerspricht aber dem Gedanken, getrennte Wicklungssysteme vorzusehen, um Redundanz bereitzustellen, beispielsweise derart, dass bei Ausfall eines Wicklungssystems das andere Wicklungssystem den Betrieb der elektrischen Maschine, ggf. mit Einschränkungen, aufrechterhalten kann. Zudem führt der Datenaustausch zu einer erhöhten Auslastung der verwendeten Regelungshardware. Denn die Kommunikation zwischen den beidenKaskadenregelungen stellt hohe Ansprüche an die Synchronisierung der Regelungsalgorithmen.
  • Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, eine größere Verfügbarkeit einer elektrischen Maschine mit getrennten Wicklungssystemen mit gleichzeitig reduzierter Auslastung der erforderlichen Regelungshardware zu ermöglichen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Regelung der Lage eines Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine, mit zwei getrennten Wicklungssystemen, wobei jedes der Wicklungssysteme durch eine dem jeweiligen Wicklungssystem zugeordnete unabhängige Kaskadenregelung geregelt wird, wobei jede der beiden Kaskadenregelungen
    • - einen inneren Strom-Regelkreis umfasst, der einen Strom der elektrischen Maschine regelt,
    • - einen dem inneren Strom-Regelkreis übergeordneten mittleren Drehzahl-Regelkreis umfasst, der eine Drehzahl der elektrischen Maschine regelt, und
    • - einen dem mittleren Drehzahl-Regelkreis übergeordneten äußeren Lage-Regelkreis umfasst, der die Lage des Rotors der elektrischen Maschine regelt,
    wobei der Drehzahl-Regelkreis einen Drehzahl-Regler ohne I-Anteil, insbesondere einen P-Regler, aufweist.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auf einen Datenaustausch zwischen dem beiden Kaskadenreglungen verzichtet werden, da der Drehzahl-Regler keinen I-Anteil, also ein integrierendes Verhalten, aufweist. Es hat sich herausgestellt, dass die I-Anteile, unerwünschtes „torque fighting“ verursachen, da sie keine stationären Regelabweichungen tolerieren und immer bestrebt sind, solche Regelabweichungen auf null auszuregeln. Bevorzugt ist der Drehzahl-Regler als P-Regler, also als Regler mit proportionalem Verhalten, ausgebildet. Ein P-Regler toleriert eine gewisse Regelabweichung zwischen dem Sollwert und dem Istwert. Kleinere Unsymmetrien der beiden Kaskadenregelungen, also beispielsweise Differenzen zwischen den Drehzahl-Rückführungen beider Kaskadenregelungen, führen dann nicht zu einem instabilen Verhalten. Anders als im Stand der Technik bekannt, sind die Kaskadenregelungen unabhängig voneinander ausgebildet. Hierdurch wird es möglich, die elektrische Maschine bei einem Ausfall einer der Kaskadenregelungen mit der verbleibenden Kaskadenregelungen weiter zu betreiben. Zudem entfällt durch die unabhängige Ausbildung der Kaskadenregelungen der Aufwand für die Kommunikation zwischen den beiden Kaskadenregelungen, so dass die Regelungshardware entlastet wird.
  • Unter der Lage des Rotors wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt eine Winkelstellung des Rotors verstanden. Die Lage bzw. Winkelstellung des Rotors kann beispielsweise relativ zu einer Nulllage des Rotors angegeben werden, beispielsweise durch Angabe eines Winkels relativ zu der Nulllage.
  • Die Lage des Rotors kann abhängig sein von der Lage eines mit dem Rotor, beispielsweise über ein Getriebe, gekoppelten Aktorelements. Bei einer derartigen Ausgestaltung mit einem Aktorelement kann der dem mittleren Drehzahl-Regelkreis übergeordnete äußeren Lage-Regelkreis die Lage des mit dem Rotor der elektrischen Maschine gekoppelten Aktorelements regeln. In diesem Fall regelt das erfindungsgemäße Verfahren unmittelbar die Lage des Aktorelements und mittelbar die Lage des Rotors der elektrischen Maschine.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem äußeren Lage-Regelkreis jeweils ein geglätteter Lage-Sollwert zugeführt wird, der in Abhängigkeit von einem Lage-Sollwert derart ermittelt wird, dass eine zeitliche Ableitung des geglätteten Lage-Sollwerts betragsmäßig kleiner ist als eine zeitliche Ableitung des Lage-Sollwerts. Beispielsweise wird der geglättete Lage-Sollwert derart ermittelt, dass die erste zeitliche Ableitung des geglätteten Lage-Sollwerts betragsmäßig kleiner ist als eine zeitliche Ableitung des Lage-Sollwerts. Insofern kann eine Begrenzung der Ableitung der Lage bzw. Winkelstellung des Rotors erfolgen, also eine Begrenzung der Drehzahl bzw. der Winkelgeschwindigkeit des Rotors. Diese Begrenzung kann die Stabilität der Regelung weiter verbessern. Zusätzlich kann der geglättete Lage-Sollwert derart ermittelt werden, dass die zweite zeitliche Ableitung des geglätteten Lage-Sollwerts betragsmäßig kleiner ist als eine zeitliche Ableitung des Lage-Sollwerts. Insofern kann eine für die Lage relevante Beschleunigung, beispielsweise die Winkelbeschleunigung, begrenzt werden, wodurch die Stabilität und der Güte der Regelung weiter verbessert wird.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Lage-Sollwert als Positions-Befehl vorgegeben wird und in Abhängigkeit von dem Positions-Befehl eine Trajektorie bestehend aus einer Abfolge mehrerer geglätteter Lage-Sollwerte ermittelt wird. Das Regelungssystem kann eine Einheit zur Erzeugung einer Trajektorie aus dem Positions-Befehl enthalten. Eine solche Einheit kann als Trajektorien-Planer bezeichnet werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Trajektorie einen Beschleunigungsabschnitt und einen dem Beschleunigungsabschnitt nachfolgenden Entschleunigungsabschnitt umfasst. In dem Beschleunigungsabschnitt ist die zweite zeitliche Ableitung des geglätteten Lage-Sollwerts positiv, in dem Entschleunigungsabschnitt ist die zweite zeitliche Ableitung des geglätteten Lage-Sollwerts negativ. Optional ist zwischen dem Beschleunigungsabschnitt und dem Entschleunigungsabschnitt ein Abschnitt mit konstanter Drehzahl vorhanden, in welchen die erste zeitliche Ableitung des geglätteten Lage-Sollwerts konstant ist und die zweite zeitliche Ableitung gleich null ist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem mittleren Drehzahl-Regelkreis ein Drehzahl-Vorsteuerwert zugeführt wird, der in Abhängigkeit von einem Lage-Sollwert ermittelt wird. Eine derartige Vorsteuerung kann eine hohe Qualität der Drehzahl-Regelung trotz des Verzichts auf einen I-Anteil in dem Drehzahl-Regler ermöglichen. Die Ermittlung des Drehzahl-Vorsteuerwerts kann beispielsweise in derselben Einheit erfolgen, welche die Trajektorie des geglätteten Lage-Sollwerts erzeugt. Durch die Drehzahlvorsteuerung wird bei konstanter Geschwindigkeit der Lagefehler etwa null.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem inneren Strom-Regelkreis ein Strom-Vorsteuerwert oder Beschleunigungs-Vorsteuerwert zugeführt wird, der in Abhängigkeit von einem Lage-Sollwert ermittelt wird. Durch diese Vorsteuerung kann die Qualität der Strom-Regelung trotz Verzicht auf einen I-Anteil in dem übergeordneten Drehzahl-Regler ermöglicht werden. Die Beschleunigungsvorsteuerung reduziert den Drehzahlfehler während der Beschleunigung.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der innere Strom-Regelkreis den Strom durch eine Vektorregelung regelt. Eine solche Regelung kann auch als feldorientierte Regelung bezeichnet werden. Die Vektorregelung nutzt eine rotorbezogene Raumzeigerdarstellung mit zwei Komponenten, der d-Komponente und der q-Komponente. Hierbei werden die gemessenen Phasenströme in die rotorbezogene Raumzeigerdarstellung transformiert und als Rückführung einem geschlossenen Regelkreis für die d-Komponente und die q-Komponente zugeführt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der äußere Lage-Regelkreis einen Lage-Regler aufweist, der als P-Regler ausgebildet ist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem äußeren Lage-Regelkreisen beider Kaskadenregelungen ein identischer Lage-Sollwert zugeführt wird.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Aktuators eines Steer-By-Wire-Systems, insbesondere eines Feedback-Aktuators oder eines Lenk-Aktuators, der eine elektrische Maschine, insbesondere eine permanenterregte Synchronmaschine, mit zwei getrennten Wicklungssystemen umfasst, wobei eine Lage des Rotors der elektrischen Maschine nach einem vorstehend beschriebenen Verfahren eingestellt wird.
  • Ferner betrifft die Erfindung eine Regelungseinrichtung zur Regelung der Lage eines Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine, mit zwei getrennten Wicklungssystemen, wobei jedes der Wicklungssysteme durch eine dem jeweiligen Wicklungssystem zugeordnete unabhängige Kaskadenregelung regelbar ist, wobei jede der beiden Kaskadenregelungen
    • - einen inneren Strom-Regelkreis zum Regeln eines Stroms elektrischen Maschine umfasst,
    • - einen dem inneren Strom-Regelkreis übergeordneten mittleren Drehzahl-Regelkreis zum Regeln einer Drehzahl der elektrischen Maschine umfasst, und
    • - einen dem mittleren Drehzahl-Regelkreis übergeordneten äußeren Lage-Regelkreis zum Regeln der Lage des Rotors der elektrischen Maschine umfasst,
    wobei der Drehzahl-Regelkreis einen Drehzahl-Regler ohne I-Anteil, insbesondere einen P-Regler, aufweist.
  • Bei dem Verfahren zum Betrieb eines Aktuators und der Regelungseinrichtung können dieselben Vorteile erreicht werden, die bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Regelung der Lage eines Rotors einer elektrischen Maschine mit zwei getrennten Wicklungssystemen erläutert worden sind. Es können auch die in diesem Zusammenhang beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und Merkmale bei dem Verfahren zum Betrieb eines Aktuators und der Regelungseinrichtung zur Anwendung kommen.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Regelungseinrichtung zur Regelung der Lage eines Rotors einer elektrischen Maschine mit zwei getrennten Wicklungssystemen gemäß dem Stand der Technik; und
    • 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Regelungssystems.
  • In der 1 ist eine Regelungseinrichtung 1 zur Lageregelung in einer elektrischen Maschine, beispielsweise einer permanenterregten Synchronmaschine, dargestellt, welches in einer herkömmlichen, im Stand der Technik bekannten Weise ausgestaltet ist. Die elektrische Maschine umfasst zwei voneinander getrennt ausgebildete Wicklungssysteme, weshalb die elektrische Maschine in 1 als zwei getrennte Teilmaschinen 2 dargestellt ist. Jede dieser Teilmaschinen 2 umfasst genau ein Wicklungssystem, hier ein dreiphasiges Wicklungssystem. Die Teilmaschinen 2 wirken auf eine gemeinsame Welle bzw. einen gemeinsamen Rotor 3 ein, dessen Lage bzw. Winkelstellung geregelt wird.
  • Hierzu wird der Regelungseinrichtung 1 ein Lage-Sollwert 4 vorgegeben, welcher zwei Kaskadenregelungen 5 zugeführt wird. Im vorliegenden Fall ist der Lage-Sollwert 4 jeweils über einen Schalter aus zwei unterschiedlichen Lage-Sollwerten auswählbar. Jede der Kaskadenregelungen 5 ist jeweils einem der beiden Wicklungssysteme der elektrischen Maschine zugeordnet, also jeweils einer Teilmaschine 2. Die Kaskadenregelungen 5 umfassen einen dreistufigen Aufbau mit einem inneren Strom-Regelkreis 6, einem mittleren Drehzahl-Regelkreis 7 und einem äußeren Lage-Regelkreis 8.
  • Der innere Strom-Regelkreis 6 regelt die der elektrischen Teilmaschine 2 zugeführten Phasenströme und darüber das Drehmoment der Teilmaschine 2. Im vorliegenden Fall ist der innere Strom-Regelkreis 6 nach Art einer Vektorregelung bzw. feldorientierten Regelung ausgestaltet. Diese Vektorregelung nutzt eine rotorbezogene Raumzeigerdarstellung mit zwei Komponenten, der d-Komponente und der q-Komponente. Hierbei werden gemessene Phasenströme in die rotorbezogene Raumzeigerdarstellung transformiert und als Rückführung einem geschlossenen Regelkreis für die d-Komponente und die q-Komponente zugeführt. Der innere Strom-Regelkreis 6 umfasst für die d-Komponente und die q-Komponente jeweils einen Strom-Regler 61, der als PI-Regler ausgebildet ist. Von den Strom-Reglern 61 ausgegebene Spannungen als Raumzeigerkomponente Vq, Vd werden mittels einer inversen Clarke-Transformation 62 transformiert. Die Ausgangsspannungen Va, Vb der inversen Clarke-Transformation 62 werden einer Steuereinheit 63 zugeführt, welche gemäß einer raumzeigerbasierten Pulsweitenmodulation Steuersignale Va,b,c für einen Umrichter 64 bereitstellt. Der Umrichter 64 ist als dreiphasiger Umrichter ausgestaltet und steuert die jeweilige Teilmaschine 2 an.
  • Über Stromsensoren werden Ströme Ia, Ib in den Zuleitungen der Teilmaschine 2 gemessen. Die gemessenen Ströme werden unter Zuhilfenahme einer Clarke-Transformation 65 in eine entsprechende d-Komponente und q-Komponente für die Rückführung an die Strom-Regler 61 transformiert.
  • Der mittlere Drehzahl-Regelkreis 7 ist dem inneren Strom-Regelkreis 6 übergeordnet und regelt die Drehzahl der Teilmaschine 2. Der Drehzahl-Regelkreis 7 umfasst einen als PI-Regler ausgestalteten Drehzahl-Regler 71, also einen Regler mit proportionalem und integrierendem Anteil. Die Ausgänge dieser Drehzahlregler werden 71 beider Kaskadenreglungen 5 werden addiert, durch zwei geteilt und anschließend den Strom-Regelkreisen 6 beider Kaskadenregelungen 5 als Sollwert zugeführt. Hierzu umfasst der mittlere Drehzahl-Regelkreis 7 einen Summierer 72 sowie entsprechende Datenleitungen 73 zwischen den beiden Kaskadenregeleungen 5. Durch diesen Datenaustausch zwischen dem beiden Kaskadenreglungen 5 ist sichergestellt, dass die Sollwerte der Strom-Regelkreise identisch sind und kein „torque fighting“ entsteht. Zudem erreicht man eine identische Auslastung beider Teilmaschinen 2. Als Rückführung wird dem Drehzahl-Regler 71 jeweils eine Ist-Winkelgeschwindigkeit zugeführt, die in Abhängigkeit von einem Lage-Istwert durch zeitliche Ableitung 74 bestimmt wird.
  • Der äußere Lage-Regelkreis 6 ist dem mittleren Drehzahl-Regelkreis 7 übergeordnet und regelt die Lage des Rotors 3 der elektrischen Maschine. Hierzu umfasst der Lage-Regelkreis 6 einen Lage-Regler 81, der als P-Regler ausgestaltet ist und welchem die Lage des Rotors rückgeführt wird.
  • Die 2 zeigt eine Regelungseinrichtung 101 zur Regelung der Lage eines Rotors 103 einer elektrischen Maschine mit zwei getrennten Wicklungssystemen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die erfindungsgemäße Regelungseinrichtung 101 umfasst mehrere Elemente, welche dieselbe Funktion erfüllen, wie entsprechende Elemente der aus dem Stand der Technik bekannten Regelungseinrichtung 1 nach 1. Diese Elemente sind jeweils mit einem Bezugszeichen gekennzeichnet, welche einen um den Wert 100 höhere Zahl ist, als die Zahl gemäß 1. Beispielsweise entspricht der Strom-Regelkreis 106 nach 2 dem Strom-Regelkreis 6 nach 1. Zu diesen Elementen wird daher auf die Beschreibung zu 1 verwiesen.
  • Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Regelungseinrichtung 1 sind bei dieser Regelungseinrichtung 101 zwei voneinander unabhängige Kaskadenregelungen 105 vorgesehen. Das bedeutet, dass kein Datenaustausch zwischen den beiden Kaskadenregelungen 105 besteht. Diesen Kaskadenregelungen 105 wird ein identischer Lage-Sollwert 104 zugeführt, auf dessen Grundlage die Kaskadenregelungen 105 jeweils vollständig unabhängig voneinander das jeweilige der Kaskadenregelung 105 zugeordnete Wicklungssysteme - also Teilmaschinen 102 - ansteuern. Die durch die Kaskadenregelungen 105 vorgegebenen Drehmomente addieren sich an der gemeinsamen Achse der elektrischen Maschine ohne, dass ein störendes „torque fighting“ zu beobachten ist.
  • Diese Entkopplung der beiden Kaskadenregelungen 105 ist deshalb möglich, weil der Drehzahl-Regelkreis 107 einen Drehzahl-Regler 171 ohne I-Anteil, hier einen P-Regler, aufweist. Der P-Regler toleriert eine gewisse Regelabweichung zwischen dem Sollwert und dem Istwert. Kleinere Asymmetrien der beiden Kaskadenregelungen 105, also beispielsweise Differenzen zwischen den Drehzahl-Rückführungen beider Kaskadenregelungen 105, führen daher nicht zu einem instabilen Verhalten.
  • Den Kaskadenregelungen 105 wird ein identischer Lage-Sollwert 104 zugeführt, der im vorliegenden Beispiel ein Positions-Befehl ist, d.h. eine Angabe einer Zielposition bzw. Winkelstellung des Rotors 103. Mittels einer Einheit 110 zur Planung einer Trajektorie wird in Abhängigkeit von diesem Lage-Sollwert 104 jeweils ein geglätteter Lage-Sollwert 111 ermittelt und dem äußeren Lage-Regelkreis 108 zugeführt. Der geglättete Lage-Sollwert 111 wird dabei derart ermittelt, dass die erste und zweite zeitliche Ableitung des geglätteten Lage-Sollwerts 111 betragsmäßig kleiner ist als eine erste bzw. zweite zeitliche Ableitung des Lage-Sollwerts 104. Die Einheit 110 zur Planung einer Trajektorie ermittelt ausgehend von einem Positionsbefehl eine Trajektorie bestehend aus einer Abfolge mehrerer geglätteter Lage-Sollwerte 111. Diese Trajektorie umfasst einen Beschleunigungsabschnitt und einen dem Beschleunigungsabschnitt nachfolgenden Entschleunigungsabschnitt. Optional kann zwischen dem Beschleunigungsabschnitt und dem Entschleunigungsabschnitt ein Abschnitt mit konstanter Drehzahl vorhanden sein, in welchen eine zeitliche Ableitung des geglätteten Lage-Sollwerts 111 konstant ist und die zweite zeitliche Ableitung gleich null ist.
  • Die Einheit 110 zur Planung der Trajektorie ermittelt zusätzlich Signale für eine Drehzahl-Vorsteuerung und eine Beschleunigungs-Vorsteuerung. Das Signal für die Drehzahl-Vorsteuerung wird auch als Drehzahl-Vorsteuerwert ωff bezeichnet und wird dem mittleren Drehzahl-Regelkreis 107 zugeführt. Das Signal für die Beschleunigungs-Vorsteuerung wird auch als Strom-Vorsteuerwert Iff oder Beschleunigungs-Vorsteuerwert bezeichnet und wird dem inneren Strom-Regelkreis 106 zugeführt. Die Vorsteuerung verbessert das Führungsverhalten der Regelungseinrichtung 101.
  • Abweichend von dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel einer Regelungseinrichtung 101 kann der Rotor 103 der elektrischen Maschine mit einem Aktorelement gekoppelt sein, beispielsweise über ein Getriebe. Bei einer solchen Ausgestaltung mit einem Aktorelement kann der dem mittleren Drehzahl-Regelkreis 107 übergeordnete äußeren Lage-Regelkreis 108 die Lage des mit dem Rotor 103 der elektrischen Maschine gekoppelten Aktorelements regeln. In diesem Fall regelt das erfindungsgemäße Verfahren unmittelbar die Lage des Aktorelements und mittelbar die Lage des Rotors 103 der elektrischen Maschine.
  • Die vorstehend erläuterte Regelungseinrichtung 101 und das mit dieser implementierte Verfahren zur Regelung der Lage des Rotors 103 der elektrischen Maschine mit zwei getrennten Wicklungssystemen kann zum Betrieb eines Aktuators eines Steer-By-Wire-Systems Anwendung finden. Insbesondere kann ein Feedback-Aktuator oder eine Lenk-Aktuator eines solchen Steer-by-Wire-Systems geregelt werden. Die Erfindung ermöglicht eine größere Verfügbarkeit der elektrischen Maschine mit getrennten Wicklungssystemen mit gleichzeitig reduzierter Auslastung der erforderlichen Regelungshardware.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 101
    Regelungseinrichtung
    2, 102
    Teilmaschine
    3, 130
    Rotor
    4, 104
    Lage-Sollwert
    5, 105
    Kaskadenregelung
    6, 106
    innerer Strom-Regelkreis
    7, 107
    mittlerer Drehzahl-Regelkreis
    8, 108
    äußerer Lage-Regelkreis
    110
    Einheit zur Planung einer Trajektorie
    111
    geglätteter Lage-Sollwert
    61, 161
    Strom-Regler
    62, 162
    inverse Clarke-Transformation
    63, 163
    Steuereinheit
    64, 164
    Umrichter
    65, 165
    Clarke-Transformation
    71, 171
    Drehzahl-Regler
    72
    Summierer
    73
    Datenleitungen
    74, 174
    Ableitung des Lage-Istwerts
    81, 181
    Lage-Regler

Claims (11)

  1. Verfahren zur Regelung der Lage eines Rotors (103) einer elektrischen Maschine, insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine, mit zwei getrennten Wicklungssystemen, wobei jedes der Wicklungssysteme durch eine dem jeweiligen Wicklungssystem zugeordnete unabhängige Kaskadenregelung (105) geregelt wird, wobei jede der beiden Kaskadenregelungen (105) - einen inneren Strom-Regelkreis (106) umfasst, der einen Strom der elektrischen Maschine regelt, - einen dem inneren Strom-Regelkreis (106) übergeordneten mittleren Drehzahl-Regelkreis (107) umfasst, der eine Drehzahl der elektrischen Maschine regelt, und - einen dem mittleren Drehzahl-Regelkreis (107) übergeordneten äußeren Lage-Regelkreis (108) umfasst, der die Lage des Rotors (103) der elektrischen Maschine regelt, wobei der Drehzahl-Regelkreis (107) einen Drehzahl-Regler (171) ohne I-Anteil, insbesondere einen P-Regler, aufweist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem äußeren Lage-Regelkreis (108) jeweils ein geglätteter Lage-Sollwert (111) zugeführt wird, der in Abhängigkeit von einem Lage-Sollwert (104) derart ermittelt wird, dass eine zeitliche Ableitung des geglätteten Lage-Sollwerts (111) betragsmäßig kleiner ist als eine zeitliche Ableitung des Lage-Sollwerts (104).
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lage-Sollwert (104) als Positions-Befehl vorgegeben wird und in Abhängigkeit von dem Positions-Befehl eine Trajektorie bestehend aus einer Abfolge mehrerer geglätteter Lage-Sollwerte (111) ermittelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trajektorie einen Beschleunigungsabschnitt und einen dem Beschleunigungsabschnitt nachfolgenden Abbremsungsabschnitt umfasst, wobei optional zwischen dem Beschleunigungsabschnitt und dem Abbremsungsabschnitt ein Abschnitt mit einer konstanten Drehzahl vorhanden ist, in welchen eine zeitliche Ableitung des geglätteten Lage-Sollwerts (111) konstant ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem mittleren Drehzahl-Regelkreis (107) ein Drehzahl-Vorsteuerwert (ωff) zugeführt wird, der in Abhängigkeit von einem Lage-Sollwert (104) ermittelt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem inneren Strom-Regelkreis (106) ein Strom-Vorsteuerwert (Iff) oder Beschleunigungs- Vorsteuerwert zugeführt wird, der in Abhängigkeit von einem Lage-Sollwert (104) ermittelt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Strom-Regelkreis (106) den Strom durch eine Vektorregelung regelt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Lage-Regelkreis (108) einen Lage-Regler (181) aufweist, der als P-Regler ausgebildet ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem äußeren Lage-Regelkreisen (108) beider Kaskadenregelungen (105) ein identischer Lage-Sollwert (104) zugeführt wird.
  10. Verfahren zum Betrieb eines Aktuators eines Steer-By-Wire-Systems, insbesondere eines Feedback-Aktuators oder eines Lenk-Aktuators, der eine elektrische Maschine, insbesondere eine permanenterregte Synchronmaschine, mit zwei getrennten Wicklungssystemen umfasst, wobei eine Lage des Rotors der elektrischen Maschine nach einem Verfahren gemäß den vorstehenden Ansprüchen eingestellt wird.
  11. Regelungseinrichtung (101) zur Regelung der Lage eines Rotors (103) einer elektrischen Maschine, insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine, mit zwei getrennten Wicklungssystemen, wobei jedes der Wicklungssysteme durch eine dem jeweiligen Wicklungssystem zugeordnete unabhängige Kaskadenregelung (105) regelbar ist, wobei jede der beiden Kaskadenregelungen (105) - einen inneren Strom-Regelkreis (106) zum Regeln eines Stroms elektrischen Maschine umfasst, - einen dem inneren Strom-Regelkreis (106) übergeordneten mittleren Drehzahl-Regelkreis (107) zum Regeln einer Drehzahl der elektrischen Maschine umfasst, und - einen dem mittleren Drehzahl-Regelkreis (107) übergeordneten äußeren Lage-Regelkreis (108) zum Regeln der Lage des Rotors (103) der elektrischen Maschine umfasst, wobei der Drehzahl-Regelkreis (107) einen Drehzahl-Regler (171) ohne I-Anteil, insbesondere einen P-Regler, aufweist.
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