DE10212751A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Rotortemperatur bei einer PM-Synchronmaschine - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Rotortemperatur bei einer PM-Synchronmaschine

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Rotortemperatur bei einer permanentmagneterregten Synchronmaschine, bei welcher eine feldorientierte Regelung erfolgt. Es ist ein Schätzwertermittler vorgesehen, welchem die von einem Längsstromregler und einem Querstromregler zur Verfügung gestellten Stellgrößen für den Längsstrom und den Querstrom zugeführt werden. Der Schätzwertermittler ermittelt einen Schätzwert für die Rotortemperatur unter Verwendung der genannten Stellgrößen und eines Temperaturmodells der Synchronmaschine.

Description

    Stand der Technik
  • In der Kraftfahrzeugtechnik ist es bereits bekannt, in den Antriebsstrang eines Fahrzeugs zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe eine permanentmagneterregte Synchronmaschine (PM-Synchronmaschine) als integrierten Kurbelwellenstartergenerator einzubauen.
  • Um ein dauerhaftes Entmagnetisieren der Permanentmagnete während des Betriebs der Synchronmaschine zu verhindern, muss das maximale Ständerfeld bei erhöhter Rotortemperatur im Vergleich zum Ständerfeld bei niedrigen Temperaturen im Sinne eines temperaturabhängigen "Deratings" reduziert werden. Insbesondere bei einem Stopp-Start-Betrieb des integrierten Kurbelwellenstartergenerators ist es wünschenswert, dass der geregelte Ständerstrom möglichst nahe an einer vorgegebenen Derating-Kurve liegt, um ein hohes Startdrehmoment und damit verbunden eine kurze Startzeit des Verbrennungsmotors zu gewährleisten. Um dieses Ziel zu erreichen ist es notwendig, möglichst genaue Kenntnisse über die Rotortemperatur zu haben.
  • Eine Möglichkeit Informationen über die Rotortemperatur zu erhalten besteht darin, im Rotor selbst mittels eines Thermometers eine Temperaturmessung vorzunehmen. Diese Möglichkeit ist jedoch aus Kostengründen in der Kraftfahrzeugtechnik nicht attraktiv.
  • Eine andere Möglichkeit besteht darin, im Kühlwasser und im Stromrichter eine Temperaturmessung vorzunehmen und aus den gemessenen Temperaturwerten unter Verwendung eines Näherungsalgorithmus Rückschlüsse auf die Rotortemperatur zu ziehen. Dieses Verfahren ist vergleichsweise kompliziert und liefert darüber hinaus nur ungenaue Ergebnisse. Ferner ist dieses Verfahren abhängig von der jeweiligen Applikation, da die Wärmemodelle in nahezu jedem Anwendungsfall unterschiedlich sind.
  • In der DE 100 44 181.1 wird ein Verfahren zur Regelung einer Synchron-Drehstrom-Maschine mit einer zugeordneten Umrichterbrücke beschrieben. Bei diesem Verfahren wird der durch die Erregerwicklung fließende Erregerstrom so geregelt, dass die Ausgangsspannung der Synchron-Drehstrom-Maschine einen Vorgabewert erreicht und die Ströme der Stränge der Synchron-Drehstrom-Maschine in wenigstens zwei Regelbereichen regelbar sind. Weiterhin werden bei diesem Verfahren aus dem 3-Phasen-Drehstromsystem R-S-T transformierte Ist-Eingangsgrößen id und iq einer Korrekturvorrichtung zugeführt, aus deren Ausgangsgrößen Soll- Eingangsgrößen udsoll und uqsoll bestimmt werden. Mit der in der DE 100 44 181.1 vorgeschlagenen Reglerstruktur lässt sich eine Mehrgrößenregelung einer Klauenpol-Drehstrommaschine realisieren.
  • Aus der EP 0 462 503 B1 ist bereits eine Vorrichtung zur Regelung eines Generators bekannt, welche Mittel zur Temperaturerfassung aufweist. Der Vorteil dieser bekannten Vorrichtung besteht darin, dass der Generator bei großem Leistungsbedarf in einem übererregten Bereich betrieben werden kann, wobei durch die Temperaturerfassung, die durch eine Temperaturmessung im Spannungsregler selbst erfolgt, und durch gegebenenfalls einleitbare Schutzmaßnahmen verhindert wird, dass der Generator, die Gleichrichterdioden oder der Spannungsregler in Folge thermischer Überhitzung zerstört wird. Die Schutzmaßnahmen bestehen darin, dass vor oder beim Erreichen einer vorgegebenen Grenztemperatur der Erregerstrom abgesenkt wird. Die Mittel zur Temperaturerfassung enthalten einen Mikrocomputer, in dem benötigte Kennwerte abgespeichert sind, dem die erforderlichen Messgrößen zugeführt werden und in dem die erforderlichen Berechnungen ablaufen.
    • Vorteile der Erfindung
  • Gemäß der Erfindung erfolgt ein einfaches thermisches Monitoring der PM-Synchronmaschine; bei welchem eine Online-Ermittlung der Rotortemperatur erfolgt. Zu dieser Online-Ermittlung werden die Stellgrößen für den Längsstrom und den Querstrom, die im Rahmen einer feldorientierten Regelung der PM-Synchronmaschine ohnehin ermittelt Werden, und ein Temperaturmodell der PM-Synchronmaschine verwendet. Es bedarf im Unterschied zum Stand der Technik keiner eigenen Temperatur-Sensorik.
  • Der mit der Erfindung verbundene geringfügig erhöhte Softwareaufwand kann mit kleiner Taskfrequenz abgearbeitet werden. Das genannte Temperaturmodell der PM-Synchronmaschine wird im Rahmen einer einmaligen Kalibrierung des Modells auf einem Prüfstand erstellt. Ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß der Erfindung sind unabhängig von der jeweiligen Applikation und bei einer Verwendung bei einem integrierten Kurbelwellenstartergenerator auch unabhängig von der Position des Startergenerators im Kühlkreislauf. Denn bei den bei der Erfindung zur Temperaturermittlung verwendeten Istwertgrößen handelt es sich ausschließlich um elektrische Zustandsgrößen der PM-Maschine.
  • In vorteilhafter Weise werden bei der Erfindung die Abweichungen der ohnehin vorliegenden Stellgrößen für den Längsstrom und den Querstrom von jeweils zugehörigen Parametern des Temperaturmodells erfasst. Diese Abweichungen sind temperaturabhängig und geben auch im eingeschwungenen Zustand des Reglers genaue Informationen über die Rotortemperatur.
  • Um transiente Regelabweichungen auszufiltern, wird in vorteilhafter Weise im Rahmen der Ermittlung der Rotortemperatur eine Zeitkonstante berücksichtigt, die in der Größenordnung der thermischen Rotorzeitkonstanten liegt.
  • Zeichnung
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert, welche ein Blockschaltbild mit den zum Verständnis der Erfindung notwendigen Schaltungsblöcken zeigt.
    • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Das in der Figur dargestellte Blockschaltbild zeigt eine Vorrichtung zur feldorientierten Regelung einer permanentmagneterregten Synchronmaschine 8.
  • Bei dieser Regelung werden die aus dem 3-Phasen-Drehstromsystem der PM-Maschine abgeleiteten Phasenströme ia, ib, ic in einem Park-Transformator 13 in die Ströme Id_ist und Iq_ist eines rechtwinkligen Koordinatensystems umgewandelt. Der Strom Id_ist stellt dabei den Istwert für den Längsstrom der Maschine dar. Der Strom Iq_ist bezeichnet den Istwert für den Querstrom der Maschine.
  • Der Längsstrom-Istwert Id ist wird als Istwert einem Längsstromregler 1 zugeführt, der Querstrom-Istwert Iq_ist als Istwert einem Querstromregler 2.
  • Dem Sollwerteingang des Längsstromreglers 1 wird ein Sollwertsignal zugeführt, welches unter Verwendung eines Feldschwächereglers 11 und eines Begrenzers 12 aus dem Ausgangssignal eines Batteriespannungsmessers 16 und dem Ausgangssignal eines Betragsbildners 10 ermittelt wird. Der Feldschwächregler 11 hat dabei die Aufgabe, den Sollwert für den Längsstromregler 1 in Abhängigkeit von der gemessenen Batteriespannung und dem Ausgangssignal des Betragsbildners zu beeinflussen. Diese Feldschwächung der PM-Synchronmaschine ist bei höheren Drehzahlen erforderlich, weil sonst die induzierte Maschinenspannung größer wäre als die maximale Stromrichterausgangsspannung. Diese ist durch die vorliegende Versorgungsspannung, bei der es sich um die Bordnetzspannung des Fahrzeugs handelt, begrenzt.
  • Am Ausgang des Längsstromreglers 1 wird eine Stellgröße Id* für den Längsstrom zur Verfügung gestellt. Diese wird in einem Summierer 3 mit einer Vorsteuerkomponente überlagert, welche unmittelbar vom Ausgang des Begrenzers 12 abgeleitet wird. Das Ausgangssignal des Summierers 3 wird einem Eingang einer stationären Modelldarstellung 5 der PM-Synchronmaschine zugeführt.
  • Dem Sollwerteingang des Querstromreglers 2 wird ein Sollwertsignal Iq_soll für den Querstrom zugeführt. Dieses wird von einem Querstrom-Sollwertgeber 14 zur Verfügung gestellt, in welchem unter Verwendung eines Schätzwertes für die Rotortemperatur TR ein Solldrehmoment bzw. ein Sollwert für den Querstrom ermittelt wird. Der Querstrom- Sollwertgeber 14 berücksichtigt bei der Ermittlung des Sollwertsignals für den Querstrom weiterhin Vorgaben bzw. Forderungen einer übergeordneten Steuerung.
  • Am Ausgang des Querstromreglers 2 wird eine Stellgröße Tq* für den Querstrom zur Verfügung gestellt. Diese wird in einem Summierer 4 mit einer Vorsteuerkomponente überlagert, welche unmittelbar vom Ausgang des Querstrom- Sollwertgebers 14 abgeleitet wird. Das Ausgangssignal des Summierers 4 wird einem Eingang der stationären Modelldarstellung 5 der PM-Synchronmaschine zugeführt.
  • Als weiteres Eingangssignal wird der stationären Modelldarstellung 5 ein von einem Drehzahlgeber 9 abgeleitetes Signal zugeführt, welches Informationen über die Drehzahl n enthält.
  • Bei der stationären Modelldarstellung 5 handelt es sich um ein Modell der Maschine, dessen Ersatzschaltbildparameter bei Vorliegen einer Referenztemperatur im voraus ermittelt wurden und in geeigneter Weise im Software-Regelalgorithmus für das stationäre Modell enthalten sind. Dieser Regelalgorithmus ist derart ausgebildet, dass unter Berücksichtigung der Vorsteuerung bei Referenztemperatur die Reglerausgangsgrößen, d. h. die Stellgröße Ig* für den Querstrom und die Stellgröße Id* für den Längsstrom, im eingeschwungenen Zustand gleich Null sind. Treten transiente Störungen auf, was beispielsweise beim Auftreten eines Führungsgrößensprunges und beim Auftreten eines Störgrößensprunges der Fall ist, dann ergeben sich von Null verschiedene Ausgangsgrößen, die jedoch aufgrund des Regelvorganges sehr schnell wieder gegen Null gehen.
  • An getrennten Ausgängen der stationären Modelldarstellung 5 werden die Längskomponente ud und die Querkomponente uq der für die PM-Synchronmaschine vorgesehene Regelspannung ausgegeben. Diese Regelspannungskomponenten, bei denen es sich um Regelspannungskomponenten im rechtwinkligen Koordinatensystem handelt, werden einem inversen Park- Transformator 6 zugeführt. Dieser hat die Aufgabe, die im rechtwinkligen Koordinatensystem vorliegenden Regelspannungskomponenten ud und uq in Regelspannungskomponenten ua, ub und uc des 3-Phasen-Drehstromsystems umzuwandeln. Diese werden über einen Pulswechselrichter 7 der PM-Synchronmaschine 8 zugeführt.
  • Die an den getrennten Ausgängen der stationären Modelldarstellung 5 ausgegebenen Signale ud für die Längskomponente der Regelspannung und uq für die Querkomponente der Regelspannung werden weiterhin dem Betragsbildner 10 zugeführt, in welche gemäß der Beziehung

    u = (ud2 + uq2)exp (1/2)

    eine Betragsbildung erfolgt. Das Ausgangssignal des Betragsbildners 10 wird - wie bereits oben beschrieben wurde - als Eingangssignal für den Feldschwächregler 11 verwendet.
  • Die am Ausgang des Längsstromreglers 1 vorliegende Längsstrom-Stellgröße Id* wird weiterhin über eine Leitung 11 an einen ersten Eingang eines Schätzwertermittlers 15 geführt. Die am Ausgang des Querstromreglers 2 vorliegende Querstrom-Stellgröße Iq* wird über eine Leitung 12 an einen zweiten Eingang des Schätzwertermittlers 15 geleitet.
  • Im Schätzwertermittler 15, welcher vorzugsweise als Mikrocomputer realisiert ist, ist in Form eines Kennfeldes ein Temperaturmodell der Synchronmaschine abgespeichert. In diesem Kennfeld ist berücksichtigt, dass sich dann, wenn sich die PM-Synchronmaschine erwärmt, der Widerstand der Ständerwicklung um ca. 40% pro 100°K steigt und die Remanenzflussdichte der Permanentmagnete der PM-Synchronmaschine um ca. 6% pro 100°K sinkt. Diese temperaturabhängige Abweichung realer Maschinenparameter von jeweils zugehörigen Modellparametern wird verwendet, um im Sinne einer Beobachtung die Rotortemperatur zu ermitteln. Der Längsstromregler 1 und der Querstromregler 2 haben auch im eingeschwungenen Zustand eine Stellgrößenabweichung, die eine Funktion der Rotortemperatur ist.
  • Die Sensitivität eines derartigen Beobachtungsvorganges ist gut, obwohl die Temperaturabhängigkeit des Wicklungswiderstandes der Ständerwicklung Vernachlässigt und nur die Remanenzflussdichte als temperaturabhängige Größe bzw. als Zustandsgröße zur Rotortemperatur-Ermittlung berücksichtigt wird.
  • Bei der Ermittlung der Rotortemperatur im Schätzwertermittler 15 wird in vorteilhafter Weise eine Zeitkonstante berücksichtigt, die in der Größenordnung der thermischen Rotorzeitkonstanten liegt. Diese Berücksichtigung kann dadurch erfolgen, dass dem eigentlichen Ermittlungsvorgang ein entsprechendes PT1-Glied vorgeschaltet ist. Mittels dieses Zeitgliedes werden transiente Regelabweichungen ausgefiltert, die beispielsweise auf einen Führungsgrößensprung oder einen Störgrößensprung zurückgehen.
  • Die Erfindung betrifft nach alledem ein einfach zu realisierendes thermisches Monitoring einer PM-Synchronmaschine, bei welchem eine Online-Ermittlung der Temperatur des Rotors erfolgt. Dies geschieht anhand einer Ermittlung von dauernden Abweichungen von Stellgrößen für den Längsstrom und den Querstrom von jeweils zugehörigen Parametern eines Temperaturmodels der PM-Synchronmaschine. Die Stellgrößen für den Längsstrom und den Querstrom werden von einfachen Reglern mit Vorsteuerung generiert. Im Temperaturmodell der PM-Synchronmaschine wird als Zustandsvariable die Temperaturabhängigkeit der Remanenzflussdichte der Permanentmagnete als Zustandsvariable verwendet.
  • Nach einem Abstellen des Motors sollten der Regler und der Temperaturwächter solange in Betrieb bleiben, bis der Motor ausgekühlt ist, um im Falle eines Vorherigen Neustarts des Motors korrekte Informationen über die Rotortemperatur zur Verfügung zu haben. Bezugszeichenliste 1 Längsstromregler
    2 Querstromregler
    3 Summierer
    4 Summierer
    5 Stationäre Modelldarstellung der PM- Synchronmaschine bei Referenztemperatur
    6 Inverser Park-Transformator
    7 Pulswechselrichter
    8 PM-Synchronmaschine
    9 Drehzahlgeber
    10 Betragsbildner
    11 Feldschwächregler
    12 Begrenzer
    13 Park-Transformator
    14 Querstrom-Sollwertgeber
    15 Schätzwertermittler
    16 Batteriespannungsmesser
    ia, ib, ic Phasenströme aus dem 3-Phasen-Drehstromsystem
    Id_ist Längsstrom-Istwert
    Iq_ist Querstrom-Istwert
    Id_soll Längsstrom-Sollwert
    Iq_soll Querstrom-Sollwert
    Id* Stellgröße für den Längsstrom
    Iq* Stellgröße für den Querstrom
    n Drehzahl
    ua, ub, uc Regelspannungen für das 3-Phasen-Drehstromsystem
    uB Batteriespannung
    ud Längskomponente der Regelspannung
    uq Querkomponente der Regelspannung

Claims (10)

1. Verfahren zur Ermittlung der Rotortemperatur bei einer permanentmagneterregten Synchronmaschine, bei welcher eine feldorientierte Regelung erfolgt, mit folgenden Verfahrensschritten:
- Durchführen einer Regelung des Längsstroms zum Erhalt einer Stellgröße (Id*) für den Längsstrom,
- Durchführen einer Regelung des Querstroms zum Erhalt einer Stellgröße (Iq*) für den Querstrom,
- Zuführen der erhaltenen Stellgrößen für den Längsstrom und den Querstrom an einen ein Temperaturmodell der Synchronmaschine enthaltenden Schätzwertermittler und
- Ermittlung eines Schätzwertes für die Rotortemperatur im Schätzwertermittler unter Verwendung des Temperaturmodells der Synchronmaschine und der dem Schätzwertermittler zugeführten Stellgrößen für den Längsstrom und den Querstrom.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Schätzwertes für die Rotortemperatur die Abweichungen der Stellgrößen für den Längsstrom und den Querstrom von jeweils zugehörigen Parametern des Temperaturmodells erfasst werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Schätzwertes für die Rotortemperatur im Schätzwertermittler unter Berücksichtung einer Zeitkonstanten erfolgt, die der thermischen Rotorzeitkonstanten entspricht.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturabhängigkeit der Permanentmagnete der Synchronmaschine als Zustandsvariable im Temperaturmodell verwendet wird.
5. Vorrichtung zur Ermittlung der Rotortemperatur bei einer permanentmagneterregten Synchronmaschine, bei welcher eine feldorientierte Regelung erfolgt, mit
einem Längsstromregler (1), der an seinem Ausgang eine Stellgröße (Id*) für den Längsstrom zur Verfügung stellt,
einem Querstromregler (2), der an seinem Ausgang eine Stellgröße (Iq*)für den Querstrom zur Verfügung stellt, und
einem Schätzwertermittler (15), in welchem ein Temperaturmodell der Synchronmaschine hinterlegt ist, welcher mit dem Ausgang des Längsstromreglers (1) und dem Ausgang des Querstromreglers (2) verbunden ist und in welchem eine Ermittlung eines Schätzwertes für die Rotortemperatur unter Verwendung des Temperaturmodells der Synchronmaschine und der dem Schätzwertermittler zugeführten Stellgrößen für den Längsstrom und den Querstrom erfolgt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schätzwertermittler die Abweichungen der Stellgrößen für den Längsstrom und den Querstrom von jeweils zugehörigen Parametern des Temperaturmodells erfasst.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schätzwertermittler ein Zeitglied aufweist, dessen Zeitkonstante der Rotorzeitkonstanten entspricht.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturmodell Informationen über die Temperaturabhängigkeit der Permanentmagnete der Synchronmaschine als Zustandsvariable enthält.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturmodell ein in einem Speicher hinterlegtes Kennfeld ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schätzwertermittler ein Mikrocomputer ist.
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