DE112013006311B4 - Verfahren zum Steuern eines AC-Motors - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Steuern eines AC-Motors (305), umfassend:Empfangen eines Drehmomentbefehlswertes (T*);Erzeugen eines Befehlsstromes (i) basierend auf dem Drehmomentbefehlswert (T), und Erzeugen einer Befehlsspannung (V) unter Verwendung des erzeugten Befehlsstromes (i) in einem Stromvektorsteuerung (CVC)-Stromsteuermodus;Umschalten in einen Hexagonspannungsmanipuliersteuerung (HVMC)-Spannungssteuermodus, wenn die Befehlsspannung (V) auf einen Spannungslimitbereich trifft, wobei die Befehlsspannung (v) den Spannungslimitbereich als ein Spannungslimit im CVC-Stromsteuermodus beinhaltet, und Erzeugen einer Befehlsspannung (v*) in dem HVMC-Spannungssteuermodus;Steuern des Drehmomentes (T) eines AC-Motors (305), wobei der AC-Motor (305) ein Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) ist, unter Verwendung der Befehlsspannung (; v*), die in dem CVC-Stromsteuermodus oder dem HVMC-Spannungssteuermodus erzeugt wird,wobei der Spannungslimitbereich einem kreisförmigen Spannungslimit in einer Synchron-d-q-Achsen-Ebene entspricht, unddie Befehlsspannung (v*) ein Spannungslimit beinhaltet, welches einer Grenzlinie eines hexagonalen Spannungslimits im HVMC-Spannungssteuermodus entspricht; undBestimmen einer Spannung entsprechend einem Punkt, an welchem eine Konstantdrehmomenttrajektorie, die so geformt ist, dass diese eine gerade Linie umfasst, und der Hexagonalraum-Spannungsvektor (v*) die Befehlsspannung (v*) im HVMC-Spannungssteuermodus kreuzen,wobei Vektoren (v*, v*q) der Befehlsspannung (v*) an einer d-Achse und einer q-Achse, gewählt an dem Kreuzungspunkt, durch die folgenden Gleichungen repräsentiert werden:wobei ωdie Drehgeschwindigkeit des AC-Motors (305) bezeichnet, P die Anzahl von Polen bezeichnet, Leine Statorinduktivität bezeichnet, λdie Flussverkettung des AC-Motors (305) bezeichnet, T* den Drehmomentbefehlswert bezeichnet, und Mund BKonstanten sind.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines AC-Motors. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines AC-Motors, welches dazu in der Lage ist, den AC-Motor stabil anzutreiben und effizient am Spannungslimit zu betreiben, wie etwa bei einem Hochgeschwindigkeitsbetrieb und Inverter-DC-Zwischenkreis-Spannungsmängeln.
  • Beschreibung der verwandten Technik
  • Gegenwärtig, entsprechend der Entwicklung von Antriebstechnologie für einen Motor mit variabler Geschwindigkeit, vergrößert sich rasch der Anwendungsbereich von Motoren mit variabler Geschwindigkeit, wie Ultrahochgeschwindigkeit (>120.000 Upm)-, Hocheffizienz-, und Hochleistungsdichte-Antriebe, wie elektrisch unterstütze Turbolader, Turbokompressoren, Elektro-Haushaltsgeräte („white goods“)-Anwendungen, und verringerter DC-Zwischenkreis-Kondensator-Technologie für Heizung-Lüftung-Klimatisierung (HVAC)-Systeme. Ein Antriebssystem für den Motor mit variabler Geschwindigkeit besitzt eine hohe Effizienz und geringe Vibration. Außerdem, wenn der Motor mit variabler Geschwindigkeit bei Hochgeschwindigkeit angetrieben wird, so kann die Anlagenproduktivität verbessert werden, und es kann der Motor mit variabler Geschwindigkeit in einer direkt angeschlossenen Weise angetrieben werden, ohne ein separates, die Geschwindigkeit erhöhendes Getriebe, so dass mechanischer Lärm verringert wird. Im Besonderen wird ein AC-Motor enthaltend einen Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) weitverbreitet in Hochgeschwindigkeitsanwendungen eingesetzt, da dieser hervorragende Effizienzeigenschaften besitzt.
  • Allerdings wird ein Geschwindigkeitssensor benötigt, um einen großen Bereich der Geschwindigkeitssteuerung für den AC-Motor mit variabler Geschwindigkeit zu realisieren, wobei aber der Positionssensor strukturelle Zuverlässigkeitsnachteile besitzt und zusätzliche Kosten erfordert. Außerdem werden ein Motordesignprozess und ein Fertigungsprozess aufgrund der Installation eines Positionssensors verkompliziert. Ferner, wenn der Positionssensor installiert wird, so vergrößert sich eine Axialrichtungslänge des Motors, so dass eine Verringerung der Größe eines Gesamtsystems schwierig sein kann.
  • Dementsprechend, da der AC-Motor mit variabler Geschwindigkeit derartige Nachteile besitzt, besteht in den Hochgeschwindigkeitsanwendungen ein Bedürfnis für einen positionssensorlosen Betrieb des Motors mit variabler Geschwindigkeit.
  • Ferner, da herkömmliche Stromsteuerverfahren hierfür nur bei linearen Spannungslimits bei Hochgeschwindigkeit eingesetzt werden sollten, kann die Effizienz verschlechtert sein, und eine geregelte Stromsteuerung kann bei erhöhten Geschwindigkeiten für die geregelte Stromsteuerung instabil sein aufgrund einer Rückkopplungsabtastverzögerung und begrenzten Abtastfrequenzen, weil die Inverterschaltfrequenz nicht ausreichend hoch vorgesehen werden kann, verglichen mit der Grundfrequenz.
  • Eine Hintergrundtechnik zu vorliegenden Erfindung ist in der koreanischen offengelegten Patentveröffentlichung Nr. KR 1020070107539 A (2007.11.07.) offenbart.
  • Die oben angegebene Information in diesem Hintergrundabschnitt soll lediglich das Verständnis des Hintergrundes der Erfindung erhöhen und kann daher Information enthalten, die nicht Stand der Technik bildet, der in diesem Land einem Durchschnittsfachmann bereits bekannt ist.
  • Aus der Patentveröffentlichung WO 2006/012990 A1 ist ein Verfahren zum Steuern eines sensorlosen AC-Motors bekannt, der einen Rotor und mindestens zwei Motorwicklungen aufweist. Um den Motor bei niedrigen Drehzahlen mit optimalem Wirkungsgrad und auch unter Belastung bedarfsgerecht betreiben zu können, wird in einem unteren Drehzahlbereich ein Raumzeiger-Pulsbreitenmodulations (SVPWM)-Verfahren zum Steuern des Motors ausgeführt. Gemäß dieses Verfahrens kann ein Strom durch alle Motorwicklungen gleichzeitig fließen. Demgegenüber kann in einem oberen Drehzahlbereich ein Puls-Weiten-Modulations (PWM)-Verfahren durchgeführt werden.
  • ABRISS DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wurde gemacht in dem Bemühen, ein Verfahren zum Steuern eines AC-Motors bereit zu stellen, welches dazu in der Lage ist, den AC-Motor stabil anzutreiben und einen effizienten Betrieb am Spannungslimit zu ermöglichen, wie einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb und bei Inverter-DC-Zwischenkreis-Spannungsmängeln.
  • Erfindungsgemäß wird hierzu ein Verfahren zum Steuern eines AC-Motors nach Anspruch 1 vorgeschlagen. Die abhängigen Ansprüche betreffend vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Das Verfahren zum Steuern des AC-Motors kann ferner umfassen ein Umschalten in den HVMC-Spannungssteuermodus, wenn eine Drehgeschwindigkeit des AC-Motors ansteigt oder die DC-Zwischenkreis-Spannung abfällt, so dass die Befehlsspannung auf ein Spannungslimit trifft.
  • Das Erzeugen der Befehlsspannung in dem CVC-Stromsteuermodus kann umfassen ein Berechnen des Strombefehlswertes durch Dividieren des Drehmomentbefehlswertes durch eine vorbestimmte Drehmomentkonstante; Subtrahieren eines zurückgeführten Stromwertes von einem Stromwert des AC-Motors; und Erzeugen der Befehlsspannung basierend auf dem subtrahierten Stromwert.
  • Der CVC-Stromsteuermodus kann durchgeführt werden in der Maximum-Drehmoment-pro-Ampere (MTPA)-Region, und der HVMC-Spannungssteuermodus kann durchgeführt werden in einer Flussschwächung (FW)- und in der Maxium-Drehmoment-pro-Spannung (MTPV)-Region.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Spannungslimitbereich einem kreisförmigen Spannungslimit in der Synchron-d-q-Achsen-Ebene entspricht, die Befehlsspannung den Spannungslimitbereich als ein Spannungslimit im CVC-Stromsteuermodus beinhaltet, und die Befehlsspannung ein Spannungslimit beinhaltet, welches einer Grenzlinie eines hexagonalen Spannungslimits im HVMC-Spannungssteuermodus entspricht.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern des AC-Motors beinhaltet ferner ein Bestimmen einer Spannung entsprechend einem Punkt, an welchem eine Drehmomenttrajektorie und der Hexagonalraum-Spannungsvektor die Befehlsspannung im HVMC-Spannungssteuermodus kreuzen.
  • Erfindungsgemäß werden Vektoren (v*d_HVMC , v*q_HVMC ) der Befehlsspannung an einer d-Achse und einer q-Achse, gewählt an dem Kreuzungspunkt, durch die folgenden Gleichungen repräsentiert: v d_HVMC r* = − 4 ω r L s T e * 3 P λ pm
    Figure DE112013006311B4_0003
     v d_HVMC r* = − 4 Μ n ω r L s T e * 3 P λ pm + B n
    Figure DE112013006311B4_0004
  • Hierbei bezeichnet ωr die Drehgeschwindigkeit des AC-Motors, bezeichnet P die Anzahl von Polen, bezeichnet Ls eine Statorinduktivität, bezeichnet λpm die Flussverkettung des AC-Motors, und bezeichnet Te * den Drehmomentbefehlswert.
  • Das Verfahren zum Steuern des AC-Motors kann ferner umfassen ein Abschätzen einer Position des AC-Motors unter Verwendung des Drehmomentbefehlswertes, des Stromes des AC-Motors und der Befehlsspannung, die im CVC-Stromsteuermodus oder im HVMC-Spannungssteuermodus erzeugt wird.
  • Bei der Erfindung ist der AC-Motor ein Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM), insbesondere Schenkelpol-Permanentmagnet-Synchronmotor, und die Konstantdrehmoment-Trajektorie ist so geformt, dass diese bei diesem Typ des Motors eine gerade Linie umfasst.
  • Gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen AC-Motor stabil und effizient zu steuern unter Verwendung eines Stromsteuerverfahrens in einem nicht-limitierten Spannungszustand oder einer Niedriggeschwindigkeitsregion, und eines Spannungssteuerverfahrens durch ein gesamtes Spannungslimit in einem Spannungslimitzustand oder einer Hochgeschwindigkeitsregion.
  • Außerdem, da die beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Maxiumspannung in einem Hexagon-Spannungsmanipuliersteuerung (HVMC)-Spannungssteuermodus nutzt, kann diese das ausgegebene Drehmoment ferner größer erzeugen als dies der Fall ist bei Nutzung lediglich eines Stromvektorsteuerung (CVC)-Stromsteuerverfahrens in einem Schwachmagnetfluss-Bereich, und somit kann ein CVC-Betriebsbereich maximal reduziert werden, während die Effizienz verbessert wird. Ferner ist es gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, eine Stromverzerrung zu vermeiden, die durch einen CVC-Stromsteuerbetrieb bei Super-Hochgeschwindigkeit hervorgerufen wird, während ein sensorloser Betrieb bei Niedriggeschwindigkeit durchgeführt wird.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine graphische Darstellung von Drehgeschwindigkeitsänderungen und Drehmomentänderungen eines Schenkelpol-Permanentmagnet-Synchronmotors (PMSM) in einem elektrisch unterstützen Turbolader (EATC)-System gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
    • 2 ist ein schematisches Diagramm einer Permanentmagnet-Synchronmotor-Steuereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
    • 3 ist ein schematisches Diagramm zu Erläuterung eines Steuerverfahrens mittels einer Permanentmagnet-Synchronmotor-Steuereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
    • 4 ist ein schematisches Diagramm zur Erläuterung einer hexagonalen Begrenzung einer inverterverfügbaren Spannung.
    • 5 und 6 sind schematische Diagramme zur Erläuterung von Prozessen zum Erhalten einer Statorspannung in einem HVMC-Spannungssteuermodus.
    • 7 ist ein schematisches Diagramm, welches eine Vektorbahn eines Statorstromes gemäß eines Drehmomentbefehlswertes in einer d-q-Stromebene veranschaulicht.
    • 8 besteht aus Grafiken, welche experimentelle Ergebnisse veranschaulichen, die durch ein Permanentmagnet-Synchronmotor-Steuerverfahren gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung erhalten wurden.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend detaillierter mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt sind. Wie es Fachleute verstehen werden, können die beschriebenen Ausführungsformen in vielfältiger Weise modifiziert werden, ohne damit den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Dementsprechend sind die Zeichnungen und die Beschreibung als von veranschaulichender Natur zu betrachten und nicht einschränkend. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen in der ganzen Beschreibung gleiche Elemente.
  • Da die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines AC-Motors betrifft, kann der AC-Motor gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, welcher mit Hochgeschwindigkeit angetrieben werden kann, für ein elektrisch unterstütztes Turbolader (EATC)-System eingesetzt werden. Der Turbolader umfasst eine Turbine und einen Kompressor, wobei diese Komponenten durch eine in einem Lagersystem vorgesehene gemeinsame Welle verbunden sind, und der Turbolader wandelt Energie durch Luft, die durch ein Abgas eines Motors komprimiert wird.
  • Der AC-Motor gemäß des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung umfasst eine Stator und einen Rotor und kann verschiedenen Arten von AC-Motoren entsprechen, die durch Wechselstrom bzw. AC-Leistung angetrieben werden. Zum Zwecke der Einfachheit der Darstellung wird nun ein Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM), welches ein AC-Motor ist, beschrieben.
  • Der Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) nutzt einen Permanentmagneten, und er dient dazu, dass der Turbolader bei einer noch höheren Geschwindigkeit arbeiten kann als in dem Fall der Verwendung des Abgases. Dementsprechend kann das EATC-System mehr Energie erzeugen, und Verbrennungsprozesse können effizient verbessert werden. Ferner erzeugt das EATC-System eine Erhöhung bzw. eine „Boost“ nur, wenn es eine vorbestimmte Menge an kinetischer Energie im Abgas gibt.
  • 1 ist eine graphische Darstellung von Drehgeschwindigkeitsänderungen und Drehmomentänderungen eines Schenkelpol-Permanentmagnet-Synchronmotors (PMSM) in einem elektrisch unterstützen Turbolader (EATC)-System gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
  • Als in 1 veranschaulichte experimentelle Ergebnisse, obwohl eine sensorlose Positionssteuerung erforderlich ist von einer Drehgeschwindigkeit (ωrpm ) von ungefähr 5.000 UpM des PMSM, beginnt eine Boost-Schwelle bei ungefähr 50.000 UpM. Ferner, während der PMSM von einer Drehgeschwindigkeit (ωrpm ) von ungefähr 50.000 UpM auf ungefähr 100.000 UpM beschleunigt, überträgt er einen Wert entsprechend ungefähr 136% eines gemessenen Drehmomentes, und ein Drehmomentwert (Te ) nimmt bei einer Zeit von ungefähr 0,9 Sekunden allmählich ab. Das bedeutet, gemäß 1, dass selbst wenn die Drehgeschwindigkeit (ωrpm ) des PMSM ansteigt, der Drehmomentwert (Te ) nicht konstant aufrechterhalten wird, und die Drehgeschwindigkeit allmählich abnimmt von einer vorbestimmten Geschwindigkeit, um in einen Bereich eines schwachen magnetischen Flusses überzugehen.
  • Ein Betrieb einer Permanentmagnet-Synchronmotor-Steuereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die 2 bis 8 beschrieben.
  • 2 ist ein schematisches Diagramm einer Permanentmagnet-Synchronmotor-Steuereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, und 3 ist ein schematisches Diagramm zu Erläuterung eines Steuerverfahrens mittels einer Permanentmagnet-Synchronmotor-Steuereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. 4 ist ein schematisches Diagramm zur Erläuterung einer hexagonalen Begrenzung einer inverterverfügbaren Spannung.
  • Eine Permanentmagnet-Synchronmotor-Steuereinrichtung gemäß 2, welche eine Befehlsspannung (Vdq r* ) einer finalen Magnetflussachse (d-Achse) und einer Drehmomentachse (q-Achse) zu einem PMSM 305 überträgt, umfasst einen Rechner 310, eine Stromvektorsteuereinrichtung 320, eine Spannungsvektorsteuereinrichtung 330, einen Positionsgeschwindigkeitsabschätzer 340 und eine PWM-Steuereinrichtung 350.
  • Der PMSM 305, welcher ein Synchronmotor ist, der einen Permanentmagneten nutzt, besitzt eine hervorragende Hochgeschwindigkeitshaltbarkeit und ein hervorragendes Hochgeschwindigkeitslaufverhalten, und hat somit geeignete Eigenschaften für eine Verwendung in einem Industriemotor und als Motor für ein hybrides Elektrofahrzeug. Bei dem PMSM 305 ist dessen Induktivität symmetrisch ausgebildet, im Unterschied zu einem Innen-PMSM (IPMSM).
  • Der PSMS umfasst einen Stator und einen Rotor, und in 3 bezeichnen vr dq und ir dq einen Spannungsvektor bzw. Stromvektor des Stators in einem Basisrahmen des Rotors. Rs bezeichnet einen Statorwiderstand, θr bezeichnet einen Drehwinkel des Rotors, ωr bezeichnet eine Winkelgeschwindigkeit, und KT bezeichnet eine Drehmomentkonstante. Ferner bezeichnet J eine Matrix, [ 0 − 1 − 1 0 ] .
    Figure DE112013006311B4_0005
  • Ferner bezeichnet LS eine Statorinduktivität, bezeichnet λpm eine Permanentmagnet (PM)-Flussverkettung, und werden diese verwendet wie in Gleichung 1. L s = [ L s 0 0 L s ]  and  Λ pm = [ λ pm 0 ]
    Figure DE112013006311B4_0006
  • Die Statorspannung des PMSM ist proportional zu der Summe der Permanentmagnet-Flussverkettung (λpm ) und der Statorinduktivität (LS ), und wenn die Permanentmagnet-Flussverkettung (λpm ) oder die Statorinduktivität (LS ) ansteigt, so kann die in 2 gezeigte Boost-Schwelle verringert werden. Das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Permanentmagnet-Flussverkettung (λpm ) erhöhen, wodurch die Drehgeschwindigkeit des PMSM erhöht wird. Somit, da die Boost-Schwelle durch Vergrößern der Permanentmagnet-Flussverkettung (λpm ) verringert werden kann, ist es möglich, selbst bei niedriger Geschwindigkeit eine positionssensorlose Steuerung für den PMSM durchzuführen.
  • Ein Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM)-Steuerverfahren gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die 2 und 3 beschrieben. Gemäß des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, wenn eine Drehgeschwindigkeit des PMSM gering ist, steuert die Stromvektorsteuereinrichtung 320 den PMSM in einem Stromvektorsteuerung (CVC)-Modus, und wenn eine Drehgeschwindigkeit des PMSM hoch ist, steuert die Spannungsvektorsteuereinrichtung 330 den PMSM in einem Hexagon-Spannungsmanipuliersteuerung (HVMC)-basierten Spannungssteuermodus. Das bedeutet, dass die Stromvektorsteuereinrichtung 320 den PMSM in einer positiven Niedriggeschwindigkeit-Drehmoment-Region im CVC Stromsteuermodus steuert oder betreibt, in welcher das Drehmoment (Te ) des PMSM konstant aufrecht erhalten wird, und dass die Spannungsvektorsteuereinrichtung 330 dem PMSM in einer Hochgeschwindigkeit-Flussschwächungsregion im HVMC-Spannungssteuermodus steuert oder betreibt, im welcher das Drehmoment (Te ) des PMSM absinkt.
  • Zunächst, wenn ein Drehmomentbefehlswert (Te *) eingegeben wird, so dividiert der Rechner 310 den eingegebenen Drehmomentbefehlswert (Te*) durch die Drehmomentkonstante (KT ), um einen Befehlsstromvektor (ir* dq ) zu berechnen. Als nächstes subtrahiert der Rechner 310 einen von dem Rotor des PMSM zurückgeführten Stromwert (ir dq ) von dem berechneten Befehlsstromvektor (ir* dq ).
  • Die Stromvektorsteuereinrichtung 320, die von einer Proportional-Integral (PI)-Stromvektorsteuereinrichtung (PI_CVC) gebildet ist, gibt einen Befehlsspannungsvektor (vr* dq_CVC ) aus, basierend auf einer Differenz zwischen dem Befehlsstromvektor (ir* dq ) und dem zurückgeführten Synchron-Koordinatensystem-Statorstrom (ir dq ). Somit wird, im Niedriggeschwindigkeit-CVC-Stromsteuermodus, der zurückgeführte Synchron-Koordinatensystem-Statorstrom (ir dq ) mittels der Stromvektorsteuereinrichtung 320 gesteuert, um dem Befehlsstromvektor (ir* dq ) zu folgen, und der Befehlsspannungsvektor (vr* dq_CVC ), basierend auf der Stromsteuerung, wird innerhalb eines Spannungslimits zum PMSM 305 übertragen.
  • Hierbei schaltet und steuert die PWM-Steuereinrichtung 350 den Betrieb des PMSM 305 gemäß einer PWM entsprechend der ausgegebenen Befehlsspannung (vr* dq ).
  • Der Positionsgeschwindigkeitsabschätzer 340 schätzt eine Position und eine Drehgeschwindigkeit des PMSM in einem Bereich entsprechend einer sensorlosen Position. Das bedeutet, wie in 3 gezeigt, dass wenn der Drehmomentbefehlswert (Te * ), der Befehlsspannungsvektor (vs* dq ) des Befehlsspannungsvektors (vr* dq ), der in einer Koordinate transformiert ist, und der Befehlsstromvektor (is dq ) des Statorstromvektors (ir dq ), der in einer Koordinate transformiert ist, dem Positionsgeschwindigkeitsabschätzer 340 eingegeben werden, dass der Positionsgeschwindigkeitsabschätzer 340 eine Winkelgeschwindigkeit (ω̂r) und einen Drehwinkel (θ̂r ) des Rotors abschätzt, um einen Drehmomentfehler zu kompensieren.
  • Außerdem besitzt der Befehlsspannungsvektor (v*dq_CVC ), wie in 4 gezeigt, stets eine lineare Spannung entsprechend innerhalb eines Radiuses von V dc 3 ,
    Figure DE112013006311B4_0007
    wobei Vdc eine DC-Zwischenkreis-Spannung bezeichnet.
  • Bezugnehmend auf 4 bezeichnen V1 bis V6 Vektor-summierte Spannungen einer d-Achsen-Spannung (vr* ds ) und einer q-Achsen-Spannung (vr* qs ), und ist ein dem hexagonalen Bereich einbeschriebener Kreis ein Bereich, in welchem eine lineare Spannungssynthese möglich ist, und bezeichnet V dc 3
    Figure DE112013006311B4_0008
    eine Maximum-Synthesespannung, die in dem Bereich des Kreises linear synthetisiert werden kann. Der hexagonale Bereich gibt einen Spannungssynthesebereich an, in welchem eine Raumvektor-Pulsbreitenmodulation (PWM)-Methode durchgeführt werden kann, und ein schraffierter Bereich, der den Kreis ausschließend in dem hexagonalen Bereich einbeschrieben ist, gibt einen nicht-linearen Spannungsmodulationsbereich an.
  • Wenn der Rotor des PMSM mit Hochgeschwindigkeit rotiert, kann die Statorspannung (vr ds ) durch Gleichung 2 dargestellt werden. v ds r ≅ − ω r L s i qs r
    Figure DE112013006311B4_0009
  • Das Drehmoment (Te) des PMSM kann durch Gleichung 3 dargestellt werden. T e = 3 2 P 2 λ pm i qs r = 3 2 P 2 λ pm ( − v ds r ω r L s )
    Figure DE112013006311B4_0010
  • Hierbei ist P die Anzahl von Polen.
  • Wenn die Drehgeschwindigkeit (ωr) des PMSM ansteigt, so nähert sich der Befehlsspannungsvektor (v*dq_CVC ) durch die Stromsteuerung einer linearen Spannungslimitgrenze. Ferner, wie in Gleichung 3 gezeigt, verringert sich der Drehmomentwert (Te ), wenn die Drehgeschwindigkeit (ωr) des PMSM ansteigt.
  • Deshalb, gemäß des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, obwohl die Drehgeschwindigkeit (ωr) des PMSM ansteigt, steuert oder betreibt die Spannungsvektorsteuereinrichtung 330 den PMSM im HVMC-Spannungssteuermodus in der Flussschwächungsregion, um zu vermeiden, dass der Drehmomentwert (Te) verringert wird. Der HVMC-Spannungssteuermodus ist ein Modus für ein Benutzen der gesamten in 4 gezeigten hexagonalen Fläche, und die in 4 gezeigten Hexagonal-Begrenzungslinien stellen Limitspannungen für die Benutzung einer Maximumspannung in einem weiten Antriebsbereich dar, so dass die Effizienz verbessert werden kann.
  • Die 5 und 6 sind schematische Diagramme zur Erläuterung von Prozessen, mit denen eine Statorspannung im HVMC-Spannungssteuermodus erhalten wird. 5 ist ein schematisches Diagramm zur Erläuterung eines Prozesses eines Erhaltens einer Statorspannung (vr q , vr d ) zwischen einer Konstantdrehmoment-Trajektorie und einem rotierendem Hexagon in einer Synchron-d-q-Spannungsebene. Gemäß des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wird ein Punkt, an welchem die Konstantdrehmoment-Trajektorie und das rotierende Hexagon sich kreuzen, der Befehlsspannungsvektor (v*dq_HVMC ) im HVMC-Spannungssteuermodus.
  • Die Konstantdrehmoment-Trajektorie ist hierbei parallel zur q-Achse und besitzt die Form einer geraden Linie. Wenn andere Motoren, einschließlich des Innen-PMSM (IPMSM), anstelle des PMSM verwendet werden, so kann die Konstantdrehmoment-Trajektorie so ausgebildet sein, dass diese eine gekrümmte Linienform aufweist.
  • Die d-q-Achsen-Befehlsspannungsvektoren (v*dq_HVMC ), die an dem Kreuzungspunkt ausgewählt werden, sind dargestellt durch Gleichung 4 bzw. Gleichung 5. v d_HVMC r* = − 4 ω r L s T e * 3 P λ pm
    Figure DE112013006311B4_0011
     v d_HVMC r* = − 4 Μ n ω r L s T e * 3 P λ pm + B n
    Figure DE112013006311B4_0012
  • Hierbei bezeichnen Mn und Bn konstante Werte, die durch die Begrenzung jedes Hexagonsektors gegeben sind.
  • Der HVMC-Spannungssteuermodus gemäß des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, wie in 5 gezeigt, gewinnt eine gegenwärtig befriedigte Spannung im Hinblick auf den eingegebenen Drehmomentbefehl (Te*) in dem rotierenden Hexagon, und da das Hexagon rotiert, besitzt der Kreuzungspunkt eine auf der Befehlskonstantdrehmoment-Trajektorie vibrierende Form.
  • Gemäß des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wird der Drehmomentwert um die vorbestimmte Konstantdrehmoment-Trajektorie abhängig von der Wahl der Befehlsspannungsvektoren (v*dq_HVMC ) gesteuert (was in 5 gepunktet gezeigt ist).
  • Wenn die Drehgeschwindigkeit (ωr ) des PMSM ansteigt, bewegt sich die in 5 gezeigte Befehlskonstantdrehmoment-Trajektorie in einer negativen Richtung, für variierende Befehlsdrehmomente, und wenn die Kreuzungspunkte zwischen den rotierenden Hexagons in einer zeitlichen Reihe dargestellt werden, ergibt sich die Darstellung wie in 6.
  • Somit, gemäß des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, wenn die Drehgeschwindigkeit (ωr) des PMSM ansteigt, so wird der Betriebsmodus für den PMSM in den HVMC-Spannungssteuermodus in der Flussschwächungsregion umgeschaltet, so dass eine Spannungsnutzungsrate in der Flussschwächungsregion verbessert werden kann. Dementsprechend, nachdem der Befehlsspannungsvektor (v*dq_CVC ) zur Außenseite des in das Hexagon einbeschriebenen Kreises hin erweitert ist, wird er in einem hexagonalen Spannungslimitwert unter Verwendung einer Minimum-Distanz-Fehler-Übermodulation gesteuert, auszugeben als der Befehlsspannungsvektor (v*dq_HVMC ), wodurch die Maximumspannung in der Flussschwächungsregion genutzt wird.
  • Dies bedeutet, gemäß des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, dass wenn die Drehgeschwindigkeit des PMSM ansteigt, wenn die Befehlsspannung in den Spannungslimitbereich (die Außenfläche des in das Hexagon einbeschriebenen Kreises) eintritt, der CVC-Stromsteuermodus in den HVMC-Spannungssteuermodus umgeschaltet wird. Ferner, obwohl die Drehgeschwindigkeit des PMSM gering ist, selbst wenn ein Spannungslimit aufgrund des Mangels an verfügbarer Spannung auftritt, kann der Betriebsmodus des PMSM in den HVMC-Spannungssteuermodus umgeschaltet werden.
  • Der in der Flussschwächungsregion mit ansteigender Rotorgeschwindigkeit in den HVMC-Spannungssteuermodus umgeschaltete Prozess wird nun detailliert beschrieben. Wie es aus Gleichung 3 ersichtlich ist, bewegt sich der Drehmomentwert (Te ) in der negativen d-Achsenrichtung, wenn die Drehgeschwindigkeit (ωr ) des PMSM ansteigt.
  • Somit steigt die entsprechend dem Anstieg der Drehgeschwindigkeit gewählte d-Achsen-Spannungskomponente (vr d ) in der negativen Richtung, wohingegen die q-Achsen-Spannungskomponente (vr q ) sinkt. Deshalb können, gemäß des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, ein automatischer Flussschwächungsbetrieb und die Maximumspannungsverwendung implementiert werden, ohne eine zusätzlich Steuerverstärkung, zusätzliche FW-Steuereinrichtungen, und Überwachungseinrichtungen für eine geregelte Steuerung.
  • 7 ist ein schematisches Diagramm, welches eine Vektorbahn eines Statorstromes gemäß eines Drehmomentbefehlswertes in einer d-q-Stromebene veranschaulicht. Während der Modus umgeschaltet wird, bewegt sich der Stromvektor des Stators entlang einer Konstantdrehmoment-Linie im CVC-Stromsteuermodus. Eine Größe des Stromvektors verringert sich in dem HVMC-Spannungssteuermodus, und zwar weil die Maximumspannung im HVMC-Spannungssteuermodus verwendet wird.
  • Dementsprechend, gemäß des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, wenn der HVMC-Spannungssteuermodus in der Flussschwächungsregion eingesetzt wird, so steigt ein Motordrehmoment pro Ampere stärker als in dem Fall einer Verwendung lediglich des CVC-Stromsteuermodus.
  • Eine derartige Charakteristik bewirkt, dass die Permanentmagnet (PM)-Flussverkettung (λpm ) des PMSM ansteigt, wodurch der positionssensorlose Betrieb selbst bei Niedriggeschwindigkeit durchgeführt wird. Ferner kann ein Problem, welches durch eine abnormale Stromänderung bei Super-Hochgeschwindigkeit bewirkt wird, gelöst werden, indem eine Referenzgeschwindigkeit verringert wird. Somit ist es möglich, die Effizienz eines Inverters durch eine niedrige PWM-Schaltfrequenz durch Limitieren eines Bereiches des CVC-Stromsteuermodus zu verbessern.
  • 8 besteht aus Grafiken, welche experimentelle Ergebnisse veranschaulichen, die durch das PMSM-Steuerverfahren gemäß des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung erhalten wurden, und die Grafiken veranschaulichen eine abgeschätzte Rotorgeschwindigkeit (ωrpm ), einen Drehmomentbefehl (Te *) und ein tatsächliches PMSM-Drehmoment (Te ), einen Statorstrom (ir dq ), und eine abgeschätzte Statorflussverkettung (λs ).
  • Bei dem vorliegendem experimentellen Beispiel, wenn die Geschwindigkeit des Rotors 75.000 UpM (t = 0,25 Sekunden) beträgt, ist eine Umschaltung des CVC-Strommodus in den HVMC-Spannungsmodus vorgesehen, und die DC-Zwischenkreisspannung ist dazu vorbestimmt, etwa 48 Volt zu betragen.
  • Wie es in dem experimentellen Beispiel von 8 veranschaulicht ist, gemäß des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, wenn die Geschwindigkeit (ωrpm ) des Rotors steigt, so nimmt das Drehmoment (Te ) des PMSM, wie in 1 gezeigt, nicht ab, und es erfüllt und folgt dem Drehmomentbefehl (Te *) selbst nach der Schaltzeit (0,25 Sekunden) durch Umschalten des CVC-Strommodus in den HVMC-Spannungsmodus.
  • Somit, gemäß des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, da der Stromsteuermodus nicht in der Flussschwächungsregion durchgeführt wird, wird der CVC-Stromsteuermodus sanft in den HVMC-Spannungssteuermodus umgeschaltet, und während der CVC-Stromsteuermodus in den HVMC-Modus umgeschaltet wird, tritt keine Verzerrung bzw. Entstellung des Luftspalt-Drehmomentes auf.
  • Ferner, da die PM-Flussverkettung (λm ) ansteigt, nimmt die Boost-Schwelle ab. Und somit, wenn die Drehgeschwindigkeit gleich oder größer als etwa 50.000 UpM (t = 0,1 Sekunden) wird, so kann die positionssensorlose Steuerung für den PMSM durchgeführt werden, und nachdem die Drehgeschwindigkeit gleich oder größer als etwa 50.000 UpM wird, kann die Position des Rotors durch den Positionsgeschwindigkeitsabschätzer 340 in einem stationären Referenzrahmen abgeschätzt werden.
  • Gemäß des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wird die Drehgeschwindigkeit von etwa 120.000 UpM in der Flussschwächungsregion erreicht, und zwar trotz des Anstieges der PM-Flussverkettung (λs ). Dies bedeutet, gemäß des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, dass es aufgrund des Umschaltens in den HVMC-Spannungsmodus bei hoher Geschwindigkeit möglich ist, zu vermeiden, dass das Drehmoment abnimmt, bevor die Drehgeschwindigkeit (ωrpm ) des PMSM etwa 120.000 UpM beträgt.
  • Wie es in derartigen experimentellen Ergebnissen veranschaulicht ist, gemäß des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, anders als in 1, kann der Drehmomentwert (Te ) vor dem Eintritt in die Flussschwächungsregion aufrechterhalten werden, und dies obwohl die Drehgeschwindigkeit (ωrpm ) des PMSM weiterhin ansteigt.
  • Ferner, wie es in den experimentellen Ergebnissen von 6 veranschaulicht ist, gemäß des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, kann die Drehgeschwindigkeit (ωr) des PMSM in etwa 0,55 Sekunden (0,1 - 0,65 Sekunden) von etwa 50.000 UpM auf etwa 150.000 UpM ansteigen, wodurch die Beschleunigung desselben im Vergleich zum Stand der Technik verbessert ist.
  • Wie es oben beschrieben wurde, kann die PMSM-Steuereinrichtung gemäß des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, die in dem EATC-System in Kombination mit einer automatischen Motor- bzw. Maschinenanlage vorgesehen ist, den CVC-Stromsteuermodus sanft in den HVMC-Spannungssteuermodus dadurch umschalten, dass der Stromsteuermodus nicht in der Flussschwächungsregion durchgeführt wird.
  • Ferner, gemäß des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, da die Maximumspannung in dem HVMC-Spannungssteuermodus genutzt wird, kann ein Motordrehmoment erzielt werden, welches viel größer als im Falle einer Verwendung lediglich des CVC-Stromsteuerverfahrens in der Flussschwächungsregion ist, wodurch der CVC-Betriebsbereich so weit wie möglich verringert und die Effizienz verbessert wird.
  • Gemäß des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine durch CVC-Stromsteuerbetrieb bei Super-Hochgeschwindigkeit bewirkte Verzerrung bzw. Entstellung des Stromes zu vermeiden und bei Niedriggeschwindigkeit einen sensorlosen Betrieb durchzuführen.
  • Wenngleich diese Erfindung in Verbindung mit demjenigen beschrieben wurde, was gegenwärtig als praktikable Ausführungsbeispiele zu betrachten ist, ist es verständlich, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen eingeschränkt ist, sondern im Gegenteil so zu verstehen ist, dass verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen innerhalb des Bereiches der beigefügten Ansprüche abgedeckt werden.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Steuern eines AC-Motors (305), umfassend: Empfangen eines Drehmomentbefehlswertes (Te*); Erzeugen eines Befehlsstromes (ir* dq) basierend auf dem Drehmomentbefehlswert (Te *), und Erzeugen einer Befehlsspannung (Vdq r*) unter Verwendung des erzeugten Befehlsstromes (ir* dq) in einem Stromvektorsteuerung (CVC)-Stromsteuermodus; Umschalten in einen Hexagonspannungsmanipuliersteuerung (HVMC)-Spannungssteuermodus, wenn die Befehlsspannung (Vdq r*) auf einen Spannungslimitbereich trifft, wobei die Befehlsspannung (vdq r*) den Spannungslimitbereich als ein Spannungslimit im CVC-Stromsteuermodus beinhaltet, und Erzeugen einer Befehlsspannung (v*dq_HVMC) in dem HVMC-Spannungssteuermodus; Steuern des Drehmomentes (Te) eines AC-Motors (305), wobei der AC-Motor (305) ein Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) ist, unter Verwendung der Befehlsspannung (Vdq r*; v*dq_HVMC), die in dem CVC-Stromsteuermodus oder dem HVMC-Spannungssteuermodus erzeugt wird, wobei der Spannungslimitbereich einem kreisförmigen Spannungslimit in einer Synchron-d-q-Achsen-Ebene entspricht, und die Befehlsspannung (v*dq_HVMC) ein Spannungslimit beinhaltet, welches einer Grenzlinie eines hexagonalen Spannungslimits im HVMC-Spannungssteuermodus entspricht; und Bestimmen einer Spannung entsprechend einem Punkt, an welchem eine Konstantdrehmomenttrajektorie, die so geformt ist, dass diese eine gerade Linie umfasst, und der Hexagonalraum-Spannungsvektor (v*dq_HVMC) die Befehlsspannung (v*dq_HVMC) im HVMC-Spannungssteuermodus kreuzen, wobei Vektoren (v*d_HVMC, v*q_HVMC) der Befehlsspannung (v*dq_HVMC) an einer d-Achse und einer q-Achse, gewählt an dem Kreuzungspunkt, durch die folgenden Gleichungen repräsentiert werden: v d_HVMC r* = − 4 ω r L s T e * 3 P λ pm
    Figure DE112013006311B4_0013
     v d_HVMC r* = − 4 Μ n ω r L s T e * 3 P λ pm + B n
    Figure DE112013006311B4_0014
     wobei ωr die Drehgeschwindigkeit des AC-Motors (305) bezeichnet, P die Anzahl von Polen bezeichnet, Ls eine Statorinduktivität bezeichnet, λpm die Flussverkettung des AC-Motors (305) bezeichnet, Te* den Drehmomentbefehlswert bezeichnet, und Mn und Bn Konstanten sind.
  2. Verfahren zum Steuern des AC-Motors (305) nach Anspruch 1, ferner umfassend Umschalten in den HVMC-Spannungssteuermodus, wenn eine Drehgeschwindigkeit (ωr) des AC-Motors (305) ansteigt, so dass die Befehlsspannung (Vdq r*) auf ein Spannungslimit trifft.
  3. Verfahren zum Steuern des AC-Motors (305) nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen der Befehlsspannung (Vdq r*) in dem CVC-Stromsteuermodus umfasst: Berechnen des Strombefehlswertes (ir* dq) durch Dividieren des Drehmomentbefehlswertes (Te*) durch eine vorbestimmte Drehmomentkonstante (KT); Subtrahieren eines von dem AC-Motor (305) zurückgeführten Stromwertes (ir dq) von dem Befehlsstrom (ir* dq); und Erzeugen der Befehlsspannung (Vdq r*) basierend auf dem subtrahierten Stromwert.
  4. Verfahren zum Steuern des AC-Motors (305) nach Anspruch 2, wobei der CVC-Stromsteuermodus in der Maximum-Drehmoment-pro-Ampere (MTPA)-Region durchgeführt wird, und der HVMC-Spannungssteuermodus in einer Flussschwächung (FW)- und in der Maximum-Drehmoment-pro-Spannung (MTPV)-Region durchgeführt wird.
  5. Verfahren zum Steuern des AC-Motors (305) nach Anspruch 1, ferner umfassend Abschätzen einer Position des AC-Motors (305) unter Verwendung des Drehmomentbefehlswertes (Te *), des Stromes (ir dq) des AC-Motors (305) und der Befehlsspannung (vdq r*; v*dq_HVMC), die im CVC-Stromsteuermodus oder im HVMC-Spannungssteuermodus erzeugt wird.
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