DE602004003793T2 - Optimierung des phasenschiebewinkels für die regelung eines bürstenlosen motor - Google Patents

Optimierung des phasenschiebewinkels für die regelung eines bürstenlosen motor Download PDF

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    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Rotationselektromotoren, und insbesondere eine Phasenschiebewinkeloptimierung zum Steuern bürstenloser Permanentmagnetmotoren.
  • Hintergrund
  • Die obigen parallelen Patentanmeldungen beschreiben die Forderungen zum Entwickeln effizienter Elektromotorenantriebe. Eine elektronisch geregelte, gepulste Erregung der Wicklungen von Motoren bietet die Aussicht einer flexibleren Verwaltung von Motorkennlinien. Durch eine Steuerung einer Pulsbreite, eines Tastgrades und eines geschalteten Anlegens einer Energiequelle an entsprechende Statorwicklungen kann eine größere funktionelle Vielseitigkeit erzielt werden. Die Verwendung von Permanentmagneten in Zusammenhang mit solchen Wicklungen ist beim Begrenzen des Stromverbrauchs von Vorteil.
  • In einer Fahrzeugantriebsumgebung ist es höchst wünschenswert, einen ruhigen Betrieb über einen weiten Geschwindigkeitsbereich zu erhalten, während ein hohes Drehmomentausgabevermögen bei minimalem Energieverbrauch beibehalten wird. In den parallelen Anmeldungen beschriebene Motorkonstruktionsanordnungen tragen zu diesen Aufgaben bei. Elektromagnetenkernsegmente können als isolierte, magnetisch permeable Strukturen in einem Ring ausgebildet sein, um eine erhöhte Flusskonzentrierung vorzusehen. Die Isolierung der Elektromagnetkernsegmente erlaubt eine individuelle Konzentrierung des Flusses in den magnetischen Kernen mit einem Minimum an Flussverlust oder nachteiligen Transformatorinterferenzwirkungen, die bei einer Wechselwirkung mit anderen elektromagnetischen Elementen auftreten.
  • Eine genauigkeitsgesteuerte Ausführung in bürstenlosen Motoranwendungen beinhaltet die Verschmelzung einer nichtlinearen Vorwärtsregelungskompensation gekoppelt mit Stromrückkopplungselementen. Die Vorwärtsregelungskompensations ausdrücke bauen jedoch typischerweise stark auf verschiedene Schaltungsparameter, wie beispielsweise Phasenwiderstand, Phasenselbstinduktivität und dergleichen, die beispielhaft in dem Ersatzschaltbild für eine einzelne Motorphase in 1 gezeigt sind. Vi(t) bezeichnet die Eingangsspannung je Phase, Ri bezeichnet den Wicklungswiderstand je Phase, und Li stellt die Selbstinduktivität je Phase dar. Ei(t) stellt die EMG-Spannung des Motors je Phase dar und kann durch den folgenden Ausdruck angenähert werden: Ei = (Keiω)sin(Nrθi)wobei Kei den EMG-Koeffizienten je Phase bezeichnet, ω(t) die Rotorgeschwindigkeit darstellt, Nr die Anzahl der Permanentmagnetenpaare bezeichnet, und θi(t) die relative Verschiebung zwischen der i-ten Phasenwicklung und einer Rotorreferenzposition darstellt.
  • Die Spannung Vi(t) kann wie folgt definiert werden:
    Figure 00020001
    wobei
    • Vi(t)
    die Spannung über die Wicklung ist;
    Ii(t)
    der Phasenstrom ist;
    Ri
    der Wicklungswiderstand ist;
    Ei(t)
    die EMG ist;
    Li
    die Selbstinduktivität der Wicklung ist; und
    Ns
    die Anzahl der Statorphasenwicklungen ist.
  • Die Spannung Vi(t) wird durch eine geregelte Gleichspannungsquelle mit einer begrenzten Spannung zugeführt. Da der EMG-Ausdruck proportional zur Motorgeschwindigkeit ist, gibt es eine Grenze für den Phasenstrom Ii(t) über gewisse Geschwindigkeiten.
  • Angenommen, dass die Magnetflussverteilung im Luftspalt sinusförmig ist, kann das Gleichgewichtsverhalten der EMG und des Phasenstroms wie folgt definiert werden: Ei(t) = Eisin(θi(t)) = Ke,iωsin(Nrωt + Δi) Ii(t) = Iisin(θi(t)) = Iisin(Nrωt + Δi)i = 1, 2, ..., Ns
    und der Mittelwert des Gesamtdrehmoments beträgt
    Figure 00030001
    wobei
    • Nr
    die Anzahl der PM-Polpaare ist;
    Kei
    der EMG-Koeffizient ist;
    ω
    die Motorgeschwindigkeit ist;
    Δi
    ein Offsetwinkel ist, der von der Motorgeometrie abhängt;
    T
    der mittlere Gesamtdrehmomentausgang ist; und
    Kei
    der Drehmomentkoeffizient ist.
  • Daher wird der Drehmomentausgang ebenfalls durch Stromzufuhrbeschränkungen begrenzt. Eine Phasenschiebesteuertechnik wurde benutzt, um einen durch die maximale Stromversorgungsspannung begrenzten Geschwindigkeitsbereichsbetrieb zu erweitern. Statt des Bildens eines sinusförmigen Ankerstroms (oder Phasenstroms) in Phase mit der EMG, wird der Phasenwinkel des Ankerstroms relativ zur EMG vorgeeilt.
  • Zum Beispiel beschreibt das US-Patent 6,373,211 von Henry et al. ein Verfahren zum Erweitern eines Geschwindigkeitsbereichsbetriebs für einen sinusförmig erregten Permanentmagnetenmotor. Das Verfahren benutzt die Phasenvoreiltechnik, um einen erweiterten Geschwindigkeitsbereich des Betriebs bei reduziertem Phasenstrom zu erzielen. Der erweiterte Geschwindigkeitsbereich wird durch Steuern des Phasenschiebewinkels α zwischen dem Stromvektor und dem EMG-Vektor vorgesehen. Ein Satz vorberechneter Tabellen wird verwendet, um unterschiedliche Drehmomentwerte bei verschiedenen Geschwindigkeiten zu speichern. Der Stromphasenschiebewinkel wird basierend auf dem Drehmomentbefehl und der gemessenen Geschwindigkeit berechnet.
  • Die Technik von Henry et al. erzeugt jedoch nicht die Werte des optimierten Phasenschiebewinkels, um den maximalen Drehmomentausgang mit dem minimalen Phasenstrom zu erreichen. Stattdessen offenbart das Patent das Einstellen des maximalen Drehmoments Tmax. Danach werden die Geschwindigkeit ω und das erforderliche oder befohlene Drehmoment Tcmd gelesen. Falls das befohlene Drehmoment Tcmd größer als das bei dieser Geschwindigkeit ω verfügbare maximale Drehmoment Tmax ist, dann wird das befohlene Drehmoment Tcmd reduziert. Der Phasenschiebewinkel wird für diesen reduzierten Wert des befohlenen Drehmoments Tcmd berechnet. Daher stellt die herkömmliche Phasenschiebetechnik den Phasenschiebewinkel zum Erreichen eines erweiterten Geschwindigkeitsbereichs des Betriebs bei reduziertem Phasenstrom bereit. Der Stand der Technik lehrt jedoch keine Optimierung des Phasenschiebewinkels und der Amplitude des Phasenstroms, um den Stromverbrauch zu minimieren.
  • In einer Fahrzeugantriebsumgebung, wo die Energieverfügbarkeit auf ein Bordnetz beschränkt ist, ist es äußerst wünschenswert, eine hohe Drehmomentausgangsfähigkeit bei minimalem Stromverbrauch zu erreichen. In den parallelen Anmeldungen beschriebene Motorkonstruktionsanordnungen tragen zu diesen Aufgaben bei. Wie in diesen Anmeldungen beschrieben, können Elektromagnetkernsegmente als isolierte, magnetisch permeable Strukturen in einem Ring konstruiert werden, um eine erhöhte Flusskonzentration vorzusehen. Die Isolierung der Elektromagnetkernsegmente erlaubt eine individuelle Konzentrierung des Flusses in den magnetische Kernen mit einem Minimum an Flussverlust oder nachteiligen Transformatorinterferenzwirkungen, die bei einer Wechselwirkung mit anderen elektromagnetischen Elementen auftreten.
  • Daher existiert ein Bedarf für eine Phasenschiebeoptimierung, um es einem Motor zu ermöglichen, einen erhöhten Drehmomentausgang bei minimalem Stromverbrauch zu liefern.
  • Außerdem sieht eine konventionelle Phasenschiebetechnik keine Phasenschiebeoptimierung für jede Phase eines Mehrphasenmotors vor. Wegen der durch mechanische/herstellungsbedingte Toleranzen und anderer Konstruktionseigenschaften beeinflusster Phänomene zeigt jedoch jede Motorphase einen Wertebereich für jedes Schaltungselement. Faktoren, die die Amplituden der Schaltungsparameter beeinflussen können, enthalten die Nettoflussverkettung des elektromagnetischen Kerns; Schwankungen der Induktivität des Kerns bezüglich der elektrischen Schaltung; Veränderungen des Widerstands der Phasenwicklung durch Veränderung von Fertigungstoleranzen wie beispielsweise der Querschnittsfläche und der Wicklungsspannung; Veränderungen in der Permeabilität des Kerns (bezogen auf den Gütegrad und die Verarbeitungs- und Endbearbeitungshistorie des Materials); die Phasenwicklungstechnik (gleichmäßig oder durcheinander gewickelt) oder die Formqualität der Spulen an jedem Statorkern; die Position der Elektromagnet/Permanentmagnet-Wechselwirkung (d.h. der magnetische Leitwert der magnetischen Schaltung); Veränderungen in der Luftspalt-Flussdichte, die von der Permanentmagneten-Rotormagnetunteranordnung abhängt; die magnetische Restflussdichte; das vormagnetisierende Feld durch externe Magnetfelder; die Form des Spulendrahtes (rechtwinklig, kreisförmig oder spiralförmig); der in der Spule erreichte Wicklungsfaktor; die in der Kerngeometrie erreichten Fertigungstoleranzen, die die Querschnittstoleranz des Kerns verändern könnten; die effektive Länge, über welche die Spule gewickelt ist.
  • Typischerweise nehmen Motorsteuerstrategien die Gleichmäßigkeit von Parameterwerten über den gesamten Motor an. Ein mittlerer Parameterwert wird genommen, um alle entsprechenden Schaltungselemente des Motors darzustellen. Dieser konzentrierte Parameteransatz führt häufig zur Verschlechterung der Nachlaufleistung aufgrund Über/Unterkompensation der Steuerstrategie aufgrund Parameterwert-Fehlanpassung in individuellen Phasenkompensationsroutinen. Solche angenommenen Parameter sind anfällig für noch größere Diskrepanzen bei Statorkonstruktionen, die als autonome ferromagnetisch isolierte Kernkomponenten ausgebildet sind.
  • Die WO 01/20751 A2 beschreibt einen Betrieb von bürstenlosen Permanentmagnetmaschinen mit erweitertem Geschwindigkeitsbereich mittels optimaler Phasenwinkelsteuerung im Spannungsmodusbetrieb. Das Verfahren enthält eine Bestimmung eines Maximalwerts aus einem ersten Satz von Parametern, wobei jeder Parameter einen bekannten Maximalwert besitzt, sowie ein Lesen eines zweiten Satzes von Parametern. Eine Berechnung eines ersten abgeleiteten Winkels unter Verwendung eines ersten Satzes von Parametern und des zweiten Satzes von Parametern wird dann durchgeführt. Eine Berechnung einer Amplitude einer Phasenspannung und eines zweiten abgeleiteten Winkels unter Verwendung des ersten abgeleiteten Winkels folgt. Ein resultierender Ausgang mit einem Satz abgeleiteter Befehlsspannungen zum Steuern einer Stromschaltung wird erzeugt, wodurch die Stromschaltung erforderliche Drehmomentniveaus mit niedrigeren Strömen für Leistungsschalter erzielen kann.
  • Es existiert daher ein Bedarf für eine Phasenschiebewinkeloptimierungstechnik, die den optimalen Phasenschiebewinkel und die optimale Amplitude des Phasenstroms zum Maximieren des Motorausgangsdrehmoments bei minimalem Stromverbrauch erzeugt und den Parameterschwankungen in den separaten Phasenwicklungen und Statorphasenkomponentenkonstruktionen Rechnung trägt.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ist durch Vorrichtungsansprüche 1 und 9 und Verfahrensanspruch 15 definiert.
  • Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf, wobei die Vorteile der getrennten und ferromagnetisch isolierten individuellen Statorkernelementkonfigurationen, wie sie beispielsweise in den parallelen Anmeldungen offenbart sind, beibehalten werden. Die Eignung der vorliegenden Erfindung, eine Phasenschiebewinkel-Optimierungsstrategie zu implementieren, die ein Ausgangsdrehmoment maximiert und einen Phasenstrom für einzelne Phasenschaltungselemente minimiert, bietet eine optimale Drehmomentsteuerstrategie für ein spezielles, von einem Nutzer angefordertes Drehmoment mit einem höheren Grad an Genauigkeitssteuerbarkeit, da jeder Phasenregelkreis genau an seine entsprechende Wicklung und Struktur angepasst ist. Diese Fähigkeit wird zumindest teilweise durch Einrichten einer Steuerung zum Erzeugen eines Steuersignals, um die Phasenwicklung unter Strom zu setzen, in einem Steuersystem für einen Mehrphasenpermanentmagnetmotor erzielt, mit einem Stromwertberechner zum Bestimmen eines Werts des Phasenstroms, der bezüglich einer EMG um einen Phasenschiebewinkel phasenverschoben ist, und einer Phasenschiebeoptimierungsschaltung zum Erzeugen eines Werts des Phasenschiebewinkels, der so optimiert ist, dass das Ausgangsdrehmoment des Motors maximiert und der Phasenstrom minimiert wird.
  • Basierend auf den phasenabhängigen Parametern einschließlich der Reaktanz der Wicklung, des Drehmomentkoeffizienten und einer phasenabhängigen EMG, die zu jeder Phase gehören, kann der Phasenschiebeoptimierungsvorgang für jede Phase des Motors durchgeführt werden, um den Parameterschwankungen in den separaten Phasenwicklungen und Statorphasenkomponentenstrukturen Rechnung zu tragen.
  • Die Steuerung kann in einem integrierten Ausführungsschema arbeiten, in dem spezielle Phasenparameter für jeden erzeugten Steuerspannungsausgang ersetzt werden. Alternativ kann die Steuerung mit einem separaten Regelkreis für jede Statorphase versehen sein. Jede Regelkreiskonfiguration benutzt einen optimalen Wert des Phasenschiebewinkels für eine spezielle Phase, um das Steuersignal für die jeweilige Phasenwicklung zu erzeugen.
  • Die Phasenschiebewinkeloptimierungsschaltung kann einen ersten Optimierungsabschnitt zum Bestimmen eines maximalen Drehmomentwerts für eine gegebene Geschwindigkeit und einen zweiten Optimierungsabschnitt, der auf den maximalen Drehmomentwert reagiert, zum Erzeugen eines optimalen Werts des Phasenschiebewinkels und einer optimalen Amplitude des Phasenstroms aufweisen. Der zweite Optimierungsabschnitt minimiert den Phasenstrom für eine gegebene Geschwindigkeit und ein vom Nutzer angefordertes Drehmoment.
  • Der optimale Phasenschiebewinkel kann unter Verwendung einer Verweistabelle betreffend das gewünschte Drehmoment und die Motorgeschwindigkeit bestimmt werden.
  • Die Motorsteuerung der vorliegenden Erfindung sieht Vorteile bei Motoren einer Konstruktionsvielfalt vor und kann auf einen Motor angewendet werden, in dem jede Statorphasenkomponente einen ferromagnetisch isolierten Statorelektromagneten aufweist, wobei die Elektromagnetkernelemente von einem direkten Kontakt zueinander getrennt und mit separaten Phasenwicklungen ausgebildet sind.
  • Die vorliegende Erfindung ist insbesondere von Vorteil in Anwendungen, in denen der Motor einen variablen, vom Nutzer initiierten Eingang verfolgen soll, wie beispielsweise der Betrieb der Traktionskontrolle eines Elektrofahrzeugs. Als Reaktion auf Drehmomentbefehls-Eingangssignale werden gewünschte Stromtrajektorien je Phase durch die Steuerung entsprechend einem Ausdruck ausgewählt, der die speziellen Parameter für jede Phase enthält.
  • Zusätzliche Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung leicht offensichtlich, in der nur das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung einfach als Veranschaulichung des besten Ausführungsmodus der Erfindung dargestellt und beschrieben ist. Man wird erkennen, dass die Erfindung auch in weiteren und anderen Ausführungsbeispielen realisiert werden kann und ihre mehreren Einzelheiten zu Modifikationen in verschiedenen offensichtlichen Hinsichten in der Lage ist, ohne die Erfindung zu verlassen. Demgemäß sollen die Zeichnungen und die Beschreibung nur von illustrativer Natur und nicht einschränkend angesehen werden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung ist beispielhaft und in keiner Weise einschränkend in den Figuren der beiliegenden Zeichnungen dargestellt, in denen gleiche Bezugsziffern sich auf ähnliche Elemente beziehen. Darin zeigen:
  • 1 ein Ersatzschaltbild für eine einzelne Motorphase;
  • 2 ein Blockschaltbild eines Motorsteuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 3 ein Teilschaltbild eines Schaltersatzes und Treibers für eine einzelne Statorkernsegmentwicklung eines durch das System von 2 gesteuerten Motors;
  • 4 eine dreidimensionale Schnittperspektive einer zur Verwendung in dem Steuersystem von 2 geeigneten Motorkonstruktion;
  • 5 ein Diagramm von Drehmoment/Geschwindigkeit-Kennlinien mit und ohne Phasenschiebewinkel;
  • 6 ein Kreisdiagramm der Phasenschiebetechnik gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 7 ein Blockschaltbild, das eine Drehmomentsteuerungsmethodologie zur Verwendung in dem Steuersystem von 2 veranschaulicht;
  • 8 ein Blockschaltbild des Phasenschiebewinkel-Optimierungsblocks von 7;
  • 9 und 10 Diagramme der durch den ersten Optimierungsabschnitt von 8 ausgeführten Phasenschiebewinkeloptimierung;
  • 11 und 12 Diagramme der durch den zweiten Optimierungsabschnitt von 8 ausgeführten Phasenschiebewinkeloptimierung;
  • 13 ein Teilblockschaltbild, das eine Variation der Steuerungsmethodologie von 7 veranschaulicht.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • 2 ist ein Blockschaltbild eines Motorsteuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Mehrphasenmotor 10 weist einen Rotor 20 und einen Stator 30 auf. Der Stator besitzt mehrere Phasenwicklungen, die durch einen von einer Gleichstromquelle 40 über elektronische Schaltersätze 42 zugeführten Antriebsstrom wechselweise unter Strom gesetzt werden. Die Schaltersätze sind über Gate-Treiber 46 mit einer Steuerung 44 verbunden. Die Steuerung 44 hat einen oder mehrere Nutzereingänge und mehrere Eingänge für während des Betriebs gemessene Motorzustände. Der Strom in jeder Phasenwicklung wird durch einen jeweiligen von mehreren Stromsensoren 48 gemessen, deren Ausgänge der Steuerung 44 bereitgestellt werden. Die Steuerung kann mehrere Eingänge für diesen Zweck haben oder alternativ können Signale von den Stromsensoren gemultiplext und mit einem einzelnen Steuerungseingang verbunden sein. Der Rotorpositionssensor 47 ist mit einem weiteren Eingang der Steuerung 44 verbunden, um ihr Positionssignale bereitzustellen. Der Ausgang des Positionssensors wird auch an einen Geschwindigkeitsapproximator 50 angelegt, der die Positionssignale in Geschwindigkeitssignale umsetzt, die einem weiteren Eingang der Steuerung 44 angelegt werden.
  • Die Ablaufsteuerung kann einen Mikroprozessor oder einen äquivalenten Mikrocontroller wie beispielsweise einen digitalen Signalprozessor TMS320LF2407APG von Texas Instrument aufweisen. Die Schaltersätze können mehrere MOSFET-H-Brücken, wie beispielsweise International Rectifier IRFIZ48N-ND, aufweisen. Der Gate-Treiber kann einen MOSFET-Gate-Treiber HIP40821B von Intersil aufweisen. Der Positionssensor kann irgendwelche bekannten Messeinrichtungen, wie beispielsweise Hall-Effektvorrichtungen (Allegro Microsystems 92B5308), riesige magnetoresitive (GMR) Sensoren, kapazitive Rotationssensoren, Reed-Schalter, Pulsdrahtsensoren mit amorphen Sensoren, Revolver, optische Sensoren und dergleichen, aufweisen. Hall-Effekt-Stromsensoren, wie beispielsweise F. W. Bell SM-15, können für die Stromsensoren 48 benutzt werden. Der Geschwindigkeitsdetektor 50 sieht eine Näherung der Zeitableitung der gemessenen Winkelpositionssignale vor.
  • 3 ist ein Teilschaltbild eines Schaltersatzes und Treibers für eine einzelne Statorkernsegmetwicklung. Die Statorphasenwicklung 34 ist in einer Brückenschaltung von vier FETs verbunden. Es ist selbstverständlich, dass verschiedene bekannte elektronische Schaltelemente zum Richten des Antriebsstroms in der geeigneten Richtung zur Statorwicklung 34 verwendet werden können, wie beispielsweise Bipolartransistoren. FET 53 und FET 55 sind über die Stromquelle in Reihe geschaltet, wie auch FET 54 und FET 56. Die Statorwicklung 43 ist zwischen die Verbindungsknoten der zwei FET-Reihenschaltungen geschaltet. Der Gate-Treiber 46 reagiert auf von der Abfolgesteuerung 44 empfangene Steuersignale, um Aktivierungssignale an die Gate-Anschlüsse die FETs anzulegen. Die FETs 53 und 56 werden gleichzeitig für einen Motorstromfluss in einer Richtung aktiviert. Für einen Stromfluss in der umgekehrten Richtung werden die FETs 54 und 55 gleichzeitig aktiviert. Der Gate-Treiber 46 kann alternativ in der Abfolgesteuerung 44 integriert sein.
  • Der Motor der vorliegenden Erfindung ist zum Beispiel zur Verwendung beim Antreiben eines Fahrzeugrades eines Kraftfahrzeugs, eines Motorrades, eines Zweirades oder dergleichen geeignet. 4 ist ein Perspektivschnitt der Motorkonstruktion, die in einem Fahrzeugrad aufgenommen sein kann, wobei der Stator fest an einer stationären Welle montiert und von einem Rotor zum Antreiben des Rades umgeben ist. Der Motor 10 weist einen ringförmigen Permantmagnetenrotor 20 auf, der von dem Stator durch einen radialen Luftspalt getrennt ist. Der Rotor und der Stator sind koaxial um eine Drehachse angeordnet, die in der stationären Welle zentriert ist. Der Stator weist mehrere ferromagnetisch isolierte Elemente oder Statorgruppen auf. Kernsegmente 32 aus magnetisch permeablem Material, die von direktem Kontakt zueinander getrennt sind, haben jeweilige Wicklungsabschnitte 34, die an jedem Pol ausgebildet sind. In diesem Beispiel sind sieben Statorgruppen gezeigt, jede Gruppe bestehend aus zwei vorstehenden Elektromagnetpolen, die umfänglich entlang des Luftspalts angeordnet sind. Der Rotor weist mehrere Permanentmagnete 22 auf, die umfänglich um den Luftspalt verteilt sind und an einer ringförmigen Grundplatte 24 befestigt sind. Es wird Bezug genommen auf die oben diskutierte Anmeldung 09/966,102 von Maslov et al. für eine detailliertere Erläuterung eines Motors, der diese Konstruktion einsetzt. Es sollte jedoch selbstverständlich sein, dass der Fahrzeugkontext nur exemplarisch für eine Vielzahl von speziellen Anwendungen ist, in denen der Motor der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann. Die Konzepte der Erfindung, die nachfolgend vollständiger beschrieben werden, sind auch auf andere Permanentmagneten-Motorkonstruktionen anwendbar einschließlich eines unitären Statorkerns, der alle Phasenwicklungen trägt.
  • In dem Fahrzeugantriebs-Anwendungsbeispiel stellt einer der Nutzereingänge zur Steuerung ein erforderliches Drehmomente dar, das durch den Drosselbefehl des Nutzers angegeben wird. Eine Erhöhung der Drosselung zeigt einen Befehl zum Erhöhen der Geschwindigkeit an, was durch eine Erhöhung des Drehmoments realisiert wird. Ein weiterer externer Eingang zum Steuerungsprozessor kann ein Bremssignal enthalten, das erzeugt wird, wenn der Fahrer ein Bremspedal oder einen Bremshebel betätigt. Der Prozessor kann durch unmittelbares Deaktivieren des Motorantriebs reagieren oder stattdessen die Antriebssteuerung verändern, um das Drehmoment und die Geschwindigkeit zu reduzieren. Ein separates externes Deaktivierungssignal kann angelegt werden, um sofort auf den Fahrerbefehl zu reagieren.
  • Die Drehmomentnachlauffunktionalität des Steuersystems sollte einen stabilen Betrieb für einen konstanten Eingangsbefehl über variierende externe Zustände, wie beispielsweise Veränderungen der Fahrzustände, Straßenneigung, Gelände, usw., beibehalten. Das Steuersystem sollt auf den Drosseleingang des Fahrers reagieren, um Veränderungen in den Drehmomentbefehlen genau und ruhig aufzunehmen.
  • Eine Steuerspannung Vi(t) am Ausgang der Steuerung 44 stellt einen berechneten Spannungswert dar, der erforderlich ist, um das vom Nutzer angeforderte Dreh moment zu erhalten. Da die Steuerspannung Vi(t) durch eine Gleichspannungsquelle zugeführt wird, ist der Maximalwert der Steuerspannung durch die Maximalspannung der Gleichspannungsquelle begrenzt. Falls die berechnete Steuerspannung, die erforderlich ist, um das vom Nutzer angeforderte Drehmoment zu erreichen, größer als die maximale Netzspannung ist, wird die Phasenschiebesteuertechnik benutzt, um das Ausgangsdrehmoment des Motors zu maximieren. Anstelle des Vorschreibens eines sinusförmigen Phasenstroms in Phase mit der EMG, wie es herkömmlicherweise geschieht, wird der Phasenwinkel des Phasenstroms absichtlich um einen Phasenschiebewinkel relativ zur EMG verschoben, um das Ausgangsdrehmoment zu maximieren.
  • Ein Diagramm in 5 zeigt Drehmoment/Geschwindigkeit-Kennlinien des Motors 10 mit und ohne Phasenschiebewinkel. Die Kurve 1 stellt maximale Drehmomentwerte dar, die bei verschiedenen Geschwindigkeiten ohne Verschieben der Phase des Phasenstroms erreichbar sind. Diese Kurve definiert die Basisgeschwindigkeitskurve des Motors. Jeder Betriebspunkt rechts und oberhalb dieser Kurve ist nicht erreichbar, sofern der Phasenschiebewinkel nicht eingeführt ist.
  • Kurve 2 stellt maximale Drehmomentwerte dar, die bei verschiedenen Geschwindigkeiten unter Verwendung einer geeigneten Auswahl des Phasenschiebewinkels erreichbar sind. Wie aus 5 klar ersichtlich, wird der Arbeitsbereich des Motors deutlich über die Basisgeschwindigkeiten hinaus erweitert.
  • Die Phasenschiebetechnik ist geometrisch in einem in 6 dargestellten Kreisdiagramm veranschaulicht. Der schattierte Kreis stellt den für die gegebene Geschwindigkeit verfügbaren Strombetriebsraum dar, begrenzt durch die begrenzte Gleichstromspannung. Der kleinere Kreis zeigt einen durch die maximale Strombelastbarkeit Imax des Motors begrenzten Strombetriebsraum. Der aktuelle stabile Strom tritt in dem überlappenden Bereich der zwei Kreise auf.
  • Der Phasenschiebewinkelwert αmax, der in 6 durch einen Winkel zwischen dem Stromvektor mit einer Länge gleich dem Radius des kleinen Kreises und der entlang der EMG-Richtung gebildeten q-Achse dargestellt ist, entspricht dem Phasenschiebe- Winkel, der das maximale Drehmoment Tmax vorsieht, das proportional zur Projektion des Stromvektors auf die q-Achse ist.
  • 7 ist ein Blockschaltbild, das eine Drehmomentsteuerungsmethodologie unter Verwendung von Vorwärtskompensationsausdrücken zeigt, die gemessene Motorbetriebszustände sowie individuelle Schaltungsparameterwerte berücksichtigen, um die Aufgaben zu lösen. Für einen genauen Drehmomentnachlauf werden die gewünschten Stromtrajektorien je Phase gemäß dem folgenden Ausdruck ausgewählt: Idi(t) = Ioptisin(Nrθi + αopti)wobei Idi die gewünschte Stromtrajektorie je Phase bezeichnet, Iopti die optimale Stromamplitude je Phase ist, Nr die Anzahl der Permanentmagnetpolpaare ist, θi eine relative Positionsverschiebung zwischen der i-ten Phasenwicklung und einem Rotorreferenzpunkt darstellt, und αopti der optimale Phasenschiebewinkel je Phase ist.
  • Um die gewünschten Phasenströme zu entwickeln, wird der folgende Spannungsregelausdruck je Phase an den Treiber für die Phasenwicklungen angelegt: Vi(t) = LidIdi/dt + RiIi + Ei + ksei
  • 7 stellt die Methodologie, allgemein durch Bezugsziffer 60 angegeben, dar, durch welche die Steuerung die Komponenten dieses Spannungsregelausdrucks in Echtzeit ableitet, indem der Drehmomentbefehlseingang und die von Phasenstromsensoren, Positionssensor und Geschwindigkeitsdetektor empfangenen Signale genutzt werden. Der auf die Drosselung reagierende, externe, vom Nutzer angeforderte (gewünschte) Drehmomentbefehl Tcmd wird dem Phasenschiebewinkel-Optimierungsblock 61 eingegeben, der den optimalen Phasenschiebewinkel je Phase αopti und die optimale Phasenstromamplitude je Phase Iopti bestimmt, die im Steuerungsfunktionsblock 62 benutzt werden, um den Strom je Phase Idi(t) zu bestimmen, der erforderlich ist, um es dem Motor zu ermöglichen, das vom Nutzer angeforderte Drehmoment entsprechend dem Drehmomentbefehl Tcmd zu entwickeln. Auch wird dem Phasenschiebewinkel-Optimierungsblock 61 die vom Geschwindigkeitsapproximator 50 zugeführte Motorgeschwindigkeit ω(t) zugeleitet. Wie nachfolgend in mehr Einzelheiten erläutert, kann der Phasenschiebewinkel-Optimierungsblock 61 durch eine in der Steuerung 44 vorgesehene zweidimensionale Verweistabelle implementiert werden, um den optimalen Phasenschiebewinkel αopti und die optimale Phasenstromamplitude Iopti für jede Steuerungsmethodologie 60, d.h. für jede i-te Phase des Mehrphasenmotors 10 zu bestimmen.
  • Die Rotorposition θ wird dem Steuerungsfunktionsblock 64 eingegeben, der basierend auf der Rotorposition, der Anzahl von Permanentmagnetpolpaaren (Nr), der Anzahl von Statorphasen (Ns) und der Phasenverzögerung der speziellen Phase einen den Anregungswinkel θi(t) darstellenden Ausgang erzeugt. Der Ausgang des Steuerungsfunktionsblocks 64 wird zum Steuerungsfunktionsblock 62 geleitet. Unter Verwendung des so empfangenen Anregungswinkeleingangs bestimmt der Steuerungsfunktionsblock 62 den Strom Idi(t) je Phase, der erforderlich ist, um es dem Motor zu ermöglichen, das vom Nutzer angeforderte Drehmoment entsprechend dem Drehmomentbefehl Tcmd zu entwickeln, wie folgt: Idi(t) = Ioptisin(Nrθi + αopti)
  • Der Steuerungsfunktionsblock 66 berechnet die Differenz zwischen dem vom Block 62 empfangenen gewünschten Phasenstrom Idi(t) und dem gemessenen Phasenstrom Ii(t), um ein Phasenstrom-Nachlauffehlersignal ei(t) auszugeben. Das Fehlersignal wird mit einem Verstärkungsfaktor ks im Steuerungsfunktionsblock 68 multipliziert. Die Wirkung der Stromrückkopplungsverstärkung ist das Erhöhen der Robustheit des Gesamtsystems gegenüber der Zurückweisung von Systemstörungen durch Messrauschen und irgendwelche Modellparameterungenauigkeiten. Der Ausgang des Blocks 68 wird dem Steuerungsfunktionsblock 70 zugeleitet. Der Block 70 gibt sich mit der Zeit verändernde Spannungssignale Vi(t) an die Gate-Treiber 46 für die wahlweise gesteuerte Anregung der Phasenwicklungen 34 aus. Vi(t) hat Komponenten, die die Wirkungen der Induktivität, der induzierten EMG und des Widerstands kompensieren.
  • Um das Vorhandensein der Induktivität in den Phasenwicklungen zu kompensieren, wird der Term LidIdi/dt, wobei dIdi/dt die Standardzeitableitung des gewünschten Phasenstroms Idi(t) bezeichnet, dem Steuerungsfunktionsblock 70 eingegeben, um in der Phasenspannungsberechnung hinzugefügt zu werden. Die Bestimmung von LidIdi/dt erfolgt am Steuerungsfunktionsblock 72, der auf die empfangenen Eingänge αopti, Iopti. θi(t) und ω(t) reagiert. Der Block 72 bestimmt LdIdi/dt = IoptiLiNrωcos(Nrθi + αopti).
  • Um die induzierte EMG-Spannung zu kompensieren, wird der Term Ei in der Phasenspannungsberechnung als ein Eingang zum Funktionsblock 70 von dem Steuerungsfunktionsblock 74 hinzugefügt. Der EMG-Kompensationswert wird von dem Rotorwinkel und der Geschwindigkeit, empfangen als Eingänge zum Block 74, unter Verwendung eines EMG-Koeffizienten Kei abgeleitet. Um den Spannungsabfall zu kompensieren, der eine Eigenschaft des Phasenwicklungswiderstands und des parasitären Widerstands ist, wird der Term RiIi(t) in der Phasenspannungsberechnung als ein Eingang vom Steuerungsfunktionsblock 76 zum Funktionsblock 70 hinzugefügt.
  • 8 ist ein Blockschaltbild des Phasenschiebewinkel-Optimierungsblocks 61, der den optimalen Phasenschiebewinkel je Phase αopti und die optimale Phasenstromamplitude je Phase Iopti bestimmt, die benutzt werden, um den Strom je Phase Idi(t) zu bestimmen, der erforderlich ist, um es dem Motor zu ermöglichen, das vom Nutzer angeforderte Drehmoment Tcmd zu entwickeln. Der Phasenschiebewinkel-Optimierungsblock 61 weist einen ersten Optimierungsabschnitt 82 zum Maximieren des Ausgangsdrehmoments und einen zweiten Optimierungsabschnitt 84 zum Minimieren des Phasenstroms auf.
  • Der erste Optimierungsabschnitt 82 bestimmt den maximalen Drehmomentausgang Tmax(ω) bei aktueller Geschwindigkeit ω, die als ein Eingangssignal vom Geschwindigkeitsapproximator 50 zugeführt wird. Der Optimierungsabschnitt 82 maximiert den Drehmomentausgang für eine gegebenen Geschwindigkeit abhängig von den Beschränkungen der maximalen Strombelastbarkeit Imax des Motors und der Spannung Vc des Gleichstromnetzes. In mathematischen Formen ist dies folgendermaßen gegeben:
    Figure 00150001
    wobei
    • αi
    der Phasenwinkel ist,
    XS,i
    = LiNrω die Reaktanz der Wicklung ist,
    Imax
    die Strombelastbarkeit des Motors ist.
  • Während jedes Steuerkreises gewinnt die Steuerung 44 das Rotorpositionssignal vom Positionssensor 47. Dann werden die Amplitude und die Phase der EMG bestimmt, unter der Annahme einer sinusförmigen Magnetflussverteilung im Luftspalt. Diese Parameter werden zusammen mit der Geschwindigkeit ω in den ersten Optimierungsabschnitt 82 gegeben, um das maximal verfügbare Drehmoment Tmax(ω) bei aktueller Geschwindigkeit ω basierend auf den Gleichungen (1) bis (3) zu bestimmen. Zusammen mit dem vom Benutzer angeforderten Drehmomentbefehl Tcmd wird dem zweiten Optimierungsabschnitt 84 das maximale Drehmoment Tmax(ω) zugeführt.
  • 9 zeigt Kurven, die den Phasenschiebewinkel, den Phasenstrom und den Drehmomentausgang für eine gegebene Geschwindigkeit darstellen, bestimmt als ein Ergebnis des durch den ersten Optimierungsabschnitt 82 ausgeführten Optimierungsvorgangs. Da die Motorparameter phasenabhängige Werte sind, wird die Optimierung für jede einzelne Phase separat durchgeführt.
  • Wie in 9 dargestellt, kann der gesamte Geschwindigkeitsbereich in drei Bereiche aufgeteilt werden, von denen jeder eine eigene Charakteristik besitzt. Im Niedergeschwindigkeitsbereich (z.B. unter 120 U/min) ist die Strombelastbarkeitseinschränkung beim Begrenzen des Drehmomentausgangs dominant. Der optimale Phasenschiebewinkel ist Null und der Phasenstrom ist gleich dem erlaubten maximalen Strom.
  • Im Mittelgeschwindigkeitsbereich (z.B. zwischen 120 U/min und 220 U/min) werden beide Einschränkungen des Maximalstroms und der Gleichstromspannung aktiv. Deshalb ist eine positive Phasenverschiebung notwendig, um das Drehmoment zu maximieren. Dagegen ist der Phasenstrom nach wie vor gleich dem erlaubten maximalen Strom. Der Drehmomentausgang wird kleiner, wenn die Geschwindigkeit größer wird, wobei der optimale Phasenschiebewinkel mit der Geschwindigkeit größer wird.
  • Im Hochgeschwindigkeitsbereich (z.B. über 220 U/min) wird die Gleichstromspannung die dominante Beschränkung. Der maximale Drehmomentausgang fällt weiter und die Phasenverschiebung steigt weiter, mit der Geschwindigkeit. Der Phasenstrom liegt jedoch unter dem maximalen erlaubten Strom.
  • Der erste Optimierungsvorgang kann bei verschiedenen Strombelastbarkeiten durchgeführt werden, was in einer Familie von Kurven für den optimalen Phasenschiebewinkel, den Phasenstrom und den Drehmomentausgang resultiert. 10 zeigt Kurven, die den Phasenschiebewinkel, den Phasenstrom und das Drehmoment darstellen, die man bei Strombelastbarkeiten von 10 A und 15 A für eine gegebene Geschwindigkeit erhält.
  • Dem zweiten Optimierungsabschnitt 84 wird der maximale Drehmomentwert Tmax(ω), der durch den ersten Optimierungsabschnitt 82 bestimmt wird, zusammen mit dem vom Nutzer angeforderten Drehmomentbefehl Tcmd, der das gewünschte Drehmoment darstellt, zugeführt. Basierend auf diesem Parameter bestimmt der zweite Optimierungsabschnitt 84 die optimale Amplitude des Phasenstroms und den optimalen Phasenschiebewinkel für einen gegebenen, vom Nutzer angeforderten Drehmomentbefehl Tcmd durch Minimieren des Phasenstroms Ii für eine spezielle Geschwindigkeit und ein gewünschtes Drehmoment wie folgt:
    Figure 00170001
  • Dies ist äquivalent zum Minimieren des Phasenschiebewinkels. Als Ergebnis wird der Wirkungsgrad bei der aktuellen Geschwindigkeit und dem gewünschten Drehmoment maximiert.
  • Daher bestimmt der zweite Optimierungsabschnitt 84 optimale Werte der Phasenstromamplitude und des Phasenschiebewinkels entsprechend den Ausdrücken (4) und (5).
  • 11 und 12 zeigen Ergebnisse des Optimierungsvorgangs für einen gegebenen Drehmomentbefehl Tcmd bei zwei Geschwindigkeiten, 200 bzw. 250 U/min. Analog zu 9 kann der Bereich des vom Benutzer angeforderten Drehmomentbefehls Tcmd in 11 in drei Bereiche aufgeteilt werden. Für niedrigere Drehmomente (unter 28 Nm) kann das angeforderte Drehmoment mit Null Phasenschiebewinkel erreicht werden. Das gleiche Drehmoment kann auch mit einem niedrigeren Wirkungsgrad unter Verwendung einer Kombination einer positiven Phasenverschiebung und eines höheren Stroms erreicht werden. Im Zwischenbereich (zwischen 28 und 56 Nm) kann das angeforderte Drehmoment mit einem positiven Phasenschiebewinkel erzielt werden. Das gleiche Drehmoment kann auch mit einem geringeren Wirkungsgrad unter Verwendung einer Kombination eines größeren Phasenschiebewinkels und eines höheren Stroms erreicht werden. Im hohen Drehmomentbereich (über 56 Nm) kann das angeforderte Drehmoment nicht erzielt werden. Das maximal erzielbare Drehmoment wird unter Verwendung des durch den ersten Optimierungsabschnitt 82 ausgeführten Optimierungsvorgangs erzielt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist, um eine Motorsteuerung in Echtzeit zu fördern, der Phasenschiebewinkel-Optimierungsblock 61 als eine zweidimensionale Verweistabelle bezüglich der Motorgeschwindigkeit und den vom Nutzer angeforderten Drehmomentbefehlseingängen zum Vorsehen der optimalen Werte der Phasenstromamplitude und des Phasenschiebewinkels implementiert. Da die optimalen Werte der Phasenstromamplitude und des Phasenschiebewinkels basierend auf phasenabhängigen Parametern bestimmt werden, wie beispielsweise die Reaktanz der Phasenwicklungen, der Drehmomentkoeffizient und die EMG, können die durch den ersten und den zweiten Optimierungsabschnitt 82 und 84 ausgeführten Optimierungsvorgänge für jede Phase durchgeführt werden, um Steuersignale Vi(t) für die jeweiligen Phasenwicklungen zu bestimmen. Als Ergebnis trägt der Phasenschiebewinkel-Optimierungsvorgang der vorliegenden Erfindung den Parameterschwankungen in den separaten Phasenwicklungen und den Statorphasenkomponentenstrukturen Rechnung.
  • Im Betrieb gibt die Steuerung 44 nacheinander Steuersignale Vi(t) an die Gate-Treiber für die individuelle Anregung der jeweiligen Phasenwicklungen aus. Die Gate-Treiber aktivieren die jeweiligen Schaltersätze, sodass die Abfolge, in denen die Wicklungen ausgewählt werden, zu einer in der Steuerung eingerichteten Abfolge passt. Die Abfolge wird durch die nur allgemein in der Darstellung von 2 veranschaulichte Verbindung an die Gate-Treiber übertragen. Jedes sukzessive Steuersignal Vi(t) betrifft den speziellen Strom, der in der entsprechenden Phasenwicklung gemessen wird, die unmittelbar gemessene Rotorposition und Geschwindigkeit und auch Modellparameter Kei und Kti, die speziell für die jeweiligen Phasen vorbestimmt worden sind. So muss die Steuerung für jedes abgeleitete Steuersignal Vi(t) zusätzlich zum Empfangen der aktuell gemessenen Motorrückkopplungssignale die für die spezielle Phase, der das Steuersignal entspricht, bestimmten Parameter zugreifen. Die Steuerung hat so die Möglichkeit, für jede Phase Kennliniendifferenzen zwischen den verschiedenen Statorphasen zu kompensieren. Um eine Über/Unter-Kompensierung der Spannungssteuerroutine zu verhindern, werden die benutzten Schaltungsparameter je Phase exakt an ihre aktuellen Werte angepasst.
  • Der Drehmomentkoeffizient je Phase Kti erlangt den Drehmomentbeitrag je Phase für jede Phase. Dieser Parameter ist proportional zum Anteil des effektiven Drehmoments, das durch den angelegten Strom für diese Phase erzeugt wird. Das durch die Phase entwickelte Drehmoment ist eine Funktion der im Kernmaterial der Phase entwickelten magnetischen Flussdichte, die die effektive Luftspalt-Flussdichte erzeugt. Die Konstruktion der elektromagnetischen Kerngeometrie berücksichtigt die Stromdichte, die eine Funktion der Amperewindungen an jedem Abschnitt des Kerns ist, um die Induktion im Material ohne Treiben des Kerns in die Sättigung zu optimieren. Die magnetischen Eigenschaften des Kernmaterials sind jedoch häufig über den Statorkern inhomogen. Falls der Motor mit separaten, ferromagnetisch autonomen Elektromagnetkernen ausgebildet ist, können Inkonsistenzen noch mehr betont werden. Schwankungen in Wicklung und Induktivität tragen auch beim Bestimmen des Drehmomentkoeffizienten und der EMG-Koeffizientenparameter bei. Es wird eine Verschlechterung des effektiven Flussaufbaus im Kern geben, falls in den Wicklungen Taschen ausgebildet sind. Obwohl durch eine gleichmäßige Wicklung hohe Packungsfaktoren erzielt werden können, kann es Schwankungen bei der Drahtfertigung geben. Daher erzeugt, falls ein Nenn-Motordrehmomentkoeffizient und ein Nenn-EMG-Koeffizient von der Steuerung benutzt werden, die Schwankung in den Eigenschaften der Phasen Schwankungen des Gesamtmotorausgangsdrehmoments. Die Drehmomentsteuerungsmethodologie, die in 7 dargestellt ist, vermeidet diese Problem durch Anwenden des Drehmomentkoeffizienten je Phase und des EMG-Koeffizienten, die für jede Phase vorbestimmt sind.
  • Die in 7 veranschaulichten Berechnungen werden sukzessive in Echtzeit durchgeführt. Der in Block 62 dargestellte Ausdruck wurde ausgewählt, um die gewünschten Ströme zum Verfolgen des Drehmoments im bevorzugten Ausführungsbeispiel vorzusehen. Dieser Ausdruck kann modifiziert werden, falls andere Faktoren als genaue Verfolgungsänderungen in den Drehmomenteingangsbefehlen ebenfalls von Bedeutung sind. Zum Beispiel kann in manchen Motoranwendungen ein Maß der Beschleunigung oder Abbremsung berücksichtig werden, um unnötig raue Betriebsbedingungen zu vermeiden. Der Ausdruck in Block 62 kann daher geändert werden, um zusätzliche Überlegungen aufzunehmen.
  • Die in 7 veranschaulichte Steuerungsmethodologie kann in einem integrierten Ausführungsschema durchgeführt werden, in dem spezielle Phasenparameter für jeden erzeugten Steuerspannungsausgang ersetzt sind. Alternativ kann die Steuerung 44 einen separaten Regelkreis für jede Statorphase vorsehen, wie in dem Teilblockschaltbild von 13 dargestellt. Für jede der Ns Motorphasen ist ein entsprechender Regelkreis 60, vorgesehen. Jeder Kreis enthält die relevanten Parameter für die jeweilige Motorphase. Die Regelkreise werden entsprechend der geeigneten Motorphasenanregungsfolge aktiviert und benötigen nur die gemessenen Motorrückkopplungssignale für die Erzeugung der Steuerspannungen.
  • In dieser Offenbarung sind nur bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und nur wenige Beispiele ihrer Vielseitigkeit dargestellt und beschrieben. Es ist selbstverständlich, dass die Erfindung in verschiedenen anderen Kombinationen und Umgebungen Verwendung finden kann und zu Änderungen oder Modifikationen im Schutzumfang des hier ausgedrückten Erfindungskonzepts in der Lage ist. Zum Beispiel kann in der in 7 veranschaulichten Steuerungsmethodologie der gewünschte Strom je Phase Idi(t) in Echtzeit aus den empfangenen Eingängen von Tcmd, θi(t) durch Bezugnahme auf in Verweistabellen gespeicherte Werte bestimmt werden. Verweistabellen würden für jede Statorphase vorgesehen werden. Alternativ kann eine Echtzeitoptimierung basierend auf den Ausdrücken (1) bis (5) im plementiert werden, oder Optimierungssysteme wie künstliche neuronale Netze können verwendet werden, um optimale Steuerparameter zu erhalten.
  • Wie man erkennen kann, kann der Motor der Erfindung in einem weiten Bereich von Anwendungen zusätzlich zu Fahrzeugantrieben benutzt werden. Während es bei der Implementierung eines Fahrzeugantriebs bevorzugt ist, dass der Rotor den Stator umgibt, können andere Anwendungen eine vorteilhafte Nutzung mit dem den Rotor umgebenden Stator finden. Daher liegt es innerhalb der Erfindung, dass jedes innere und äußere ringförmige Element entweder den Stator oder den Rotor aufweisen kann und entweder die Gruppe von Elektromagneten oder die Gruppe von Permanentmagneten aufweisen kann.
  • Obwohl die Erfindung mit einem Beispiel separater magnetischer Schaltungen für jede elektrische Phase des Motors offenbart ist, ist die Erfindung auch auf andere Motoranordnungen wie beispielsweise Motoren mit einem gemeinsamen magnetischen Pfad anwendbar. Daher ist es selbstverständlich, dass die Erfindung zu Änderungen und Modifikationen im Schutzumfang des erfindungsgemäßen Konzepts, wie es hier ausgedrückt ist, in der Lage ist.

Claims (23)

  1. Steuersystem für einen Mehrphasenmotor (10) mit mehreren Statorphasenkomponenten (30) und einem Rotor (20), wobei jede Statorphasenkomponente eine an einem Kernelement (32) ausgebildete Phasenwicklung (34) aufweist, wobei das System aufweist: eine Steuerung (44, 60) zum Erzeugen eines Steuersignals (Vi(t)) um die Phasenwicklung (34) unter Strom zu setzen, mit einem Stromwertbestimmungsmechanismus (62) zum Bestimmen eines Werts eines Phasenstroms (Idi(t)), der bezüglich einer EMG um einen Phasenschiebewinkel (αopti) phasenverschoben ist; einem Phasenschiebeoptimierungsmechanismus (61) zum Erzeugen eines Werts des Phasenschiebewinkels (αopti), der so optimiert ist, dass das Ausgangsdrehmoment des Motors (10) maximiert und der Phasenstrom (Ii) minimiert wird; und einem Differenzmechanismus (66) zum Bestimmen der Differenz (ei(t)) zwischen dem Wert des Phasenstroms (Idi(t)) und einem gemessenen Phasenstrom (Ii(t)).
  2. Steuersystem nach Anspruch 1, bei welchem der Phasenschiebeoptimierungsmechanismus (66) zum Optimieren des Phasenschiebewinkels für jede Phase des Motors (10) ausgebildet ist.
  3. Steuersystem nach Anspruch 2, bei welchem die Steuerung (44) mit einem separaten Regelkreis für jede Statorphase (34) ausgebildet ist, wobei jeder Phasenregelkreis einen optimalen Wert des Phasenschiebewinkels für eine spezielle Phase nutzt, um das Steuersignal für die jeweilige Phasenwicklung zu erzeugen.
  4. Steuersystem nach Anspruch 1, bei welchem das Kernelement (32) jeder Statorphasenkomponente (34) einen ferromagnetisch isolierten Statorelektromagneten (22) aufweist, wobei die Elektromagnetkernelemente (22) von direktem Kontakt zueinander getrennt sind und eine Phasenwicklung (34) an jedem Kernelement (32) ausgebildet ist.
  5. Steuersystem nach Anspruch 1, bei welchem der Phasenschiebeoptimierungsmechanismus (61) einen ersten Optimierungsabschnitt zum Bestimmen eines maximalen Drehmomentwerts für eine gegebene Geschwindigkeit aufweist.
  6. Steuersystem nach Anspruch 5, bei welchem der Phasenschiebeoptimierungsmechanismus (61) ferner einen zweiten Optimierungsabschnitt aufweist, der auf den maximalen Drehmomentwert zum Erzeugen eines optimalen Werts des Phasenschiebewinkels reagiert.
  7. Steuersystem nach Anspruch 6, bei welchem der zweite Optimierungsabschnitt ferner eine optimale Amplitude des Phasenstroms erzeugt.
  8. Steuersystem nach Anspruch 7, bei welchem der zweite Optimierungsabschnitt zum Minimieren des Phasenstroms für eine gegebene Geschwindigkeit und ein vom Benutzer angefordertes Drehmoment ausgebildet ist.
  9. Steuersystem für einen Mehrphasenmotor, mit einem Steuerspannungsberechner (44) zum Bestimmen einer Steuerspannung (Vi(t)), die erforderlich ist, um eine Phasenwicklung (34) des Motors (10) unter Strom zu setzen, um ein gewünschtes Drehmoment zu erzielen; einem Stromberechner (62), zum Bestimmen eines Stroms je Phase (Ii(t)), der das gewünschte Drehmoment darstellt, wobei der Strom je Phase bezüglich einer EMG um einen Phasenschiebewinkel phasenverschoben ist; einem Phasenschiebebestimmungsmechanismus (61), der auf ein Drehmomentbefehlssignal (Temd) reagiert, das dem gewünschten Drehmoment entspricht, um einen Wert je Phase des Phasenschiebewinkels (αopti) zu bestimmen; und einem Phasenstromdifferenzberechner (66) zum Bestimmen der Differenz (ei(t)) zwischen dem bestimmten Strom je Phase (Idi(t)) und einem gemessenen Phasenstrom (Ii(t)).
  10. Steuersystem nach Anspruch 9, bei welchem der Phasenschiebebestimmungsmechanismus (66) ausgebildet ist, um das Ausgangsdrehmoment des Motors zu maximieren und den Strom je Phase für ein gegebenes gewünschtes Drehmoment zu minimieren.
  11. Steuersystem nach Anspruch 9, bei welchem der Phasenschiebewinkel basierend auf phasenabhängigen Parametern bestimmt wird.
  12. Steuersystem nach Anspruch 11, bei welchem die phasenabhängigen Parameter einen phasenabhängigen Drehmomentkoeffizienten enthalten.
  13. Steuersystem nach Anspruch 11, bei welchem die phasenabhängigen Parameter eine zu jeder Phase gehörende, phasenabhängige EMG enthalten.
  14. Steuersystem nach Anspruch 11, bei welchem die phasenabhängigen Parameter einen Blindwiderstand der Phasenwicklung enthalten.
  15. Verfahren zur Echtzeitsteuerung eines Mehrphasenmotors mit mehreren Statorphasenwicklungen (34), wobei jede Wicklung an einem Kernelement (32) ausgebildet ist, und einem Rotor (20), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Eingeben eines ein gewünschtes Drehmoment darstellenden Drehmomentbefehlssignals (Temd); Bestimmen (62) eines Phasenstroms (Idi(t)), der erforderlich ist, um das gewünschte Drehmoment zu erzielen; basierend auf dem Phasenstrom (Idi(t)), Bestimmen einer Steuerspannung (Vi(t)), die erforderlich ist, um jede Wicklung unter Strom zu setzen, um das gewünschte Drehmoment zu erzielen; Verschieben der Phase des Phasenstroms (Ii(t)) bezüglich einer EMG um einen Phasenschiebewinkel (αopti), falls die erforderlich Steuerspannung eine Netzspannung (40) übersteigt; und basierend auf dem gewünschten Drehmoment (Temd), Bestimmen des Phasen schiebewinkels (αopti), der optimiert ist, um das Ausgangsdrehmoment des Motors zu maximieren und den Phasenstrom (Ii(t) zu minimieren.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem der Phasenschiebewinkel für jede Phase des Motors optimiert wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem der Schritt des Optimierens einen ersten Optimierungsschritt des Bestimmens eines maximalen Drehmoments für eine gegebene Geschwindigkeit aufweist.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem der Schritt des Optimierens ferner einen zweiten Optimierungsschritt zum Erzeugen eines optimalen Werts des Phasenschiebewinkels als Reaktion auf den maximalen Drehmomentwert aufweist.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, bei welchem der zweite Optimierungsschritt ferner eine optimale Amplitude des Phasenstroms erzeugt.
  20. Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem der Phasenschiebewinkel basierend auf phasenabhängigen Parametern optimiert wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, bei welchem die phasenabhängigen Parameter einen phasenabhängigen Drehmomentkoeffizienten enthalten.
  22. Verfahren nach Anspruch 20, bei welchem die phasenabhängigen Parameter eine zu jeder Phase gehörende, phasenabhängige EMG enthalten.
  23. Verfahren nach Anspruch 20, bei welchem die phasenabhängigen Parameter einen Blindwiderstand der Phasenwicklung enthalten.
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