WO2023041382A1 - System and method for controlling an electric machine - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to a system and method for controlling an electric machine.
- vibrations can occur, particularly when the load changes.
- vibrations can be annoying, for example for passengers of a vehicle, in particular an aircraft, with the electrical machine.
- vibrations can also lead to increased wear and accelerated aging of the transmission, the electrical machine or other components.
- noise emissions can be a result of vibrations in particular, as much as possible.
- the object of the present invention is to reduce vibrations during operation of electrical machines coupled to rotors via gears.
- a system includes an electric machine, a rotor, a transmission via which the rotor and the electric machine are coupled to one another, and a control unit.
- the control unit includes a computer (eg in the form of a power computer) which is set up to record values of requested torques and measured values of the system indicative of speeds and to calculate power values (as initial or output values) from them.
- the control unit comprises a rate-of-change limiter, which is set up to receive the calculated power values and to limit a change in the calculated power values over time to a maximum value in order to obtain a power value with a rate-of-change-limit.
- the control unit is set up to control the electric machine based on the rate-of-change-limited power value.
- control unit includes a computer (e.g. in the form of a torque calculator) which is set up to record values of required power and measured values of the system indicative of speeds and to calculate torque values (as initial or output values) from them. Furthermore, the control unit then comprises a rate-of-change limiter which is set up to receive the calculated torque values and to limit a change in the calculated torque values over time to a maximum value in order to obtain a rate-of-change-limited torque value. In this case, the control unit is set up to control the electric machine based on the rate-of-change-limited torque value.
- a computer e.g. in the form of a torque calculator
- vibrations can be counteracted particularly effectively by first converting a torque requested, for example via a throttle position, into a requested power, for example engine power, based on the speed. Vibrations, in particular torsional vibrations, are impressed on the rotational speed (or generally on a value indicative thereof, for example an angular velocity or the like) which is measured continuously (eg with a predetermined frequency or continuously). By using the measured values of the rotational speed as a feedback signal, the electrical machine can be subjected to an oscillation signal that is phase-shifted with respect to the vibrations caused by the measurement, thereby enabling an effective reduction in the oscillations. As a result, can also Noise emissions are reduced.
- control unit works continuously and determines the calculated power values (or torque values), for example with a specified frequency of, for example, 1 Hz or less, 10 Hz or less, 100 Hz or less, 1 kHz or less or more than 1 kHz. If the difference between two successive calculated power values exceeds the maximum value, then, for example, the rate-of-change-limited power value is set equal to the sum of the previously calculated power value and the maximum value. If the difference is less, then the rate-of-change-limited power value is set equal to the new calculated power value, for example.
- the system may include a closed loop control.
- the system may include a tachometer for taking readings of the speed.
- the tachometer therefore measures the speed and provides corresponding measured values.
- the tachometer measures the speed of the electric machine or the rotor.
- the electrical machine is designed, for example, in the form of an electric motor, in particular in the form of a drive motor of a vehicle, such as an aircraft.
- the electrical machine is designed in the form of a generator and/or set up in the system to be operated as such.
- the system is part of a wind turbine.
- the rotor includes, for example, a turbomachine, in particular a propeller.
- Rotor blades or vanes are mounted on the rotor.
- the turbomachine includes rotor blades or vanes with an adjustable angle of attack.
- the angle of attack is the angle between the direction of the oncoming fluid and the chord of a profile of each of the rotor blades or vanes.
- the control unit is set up to specify the angle of attack.
- the speed on average, i.e. apart from the imposed variation as a result of the vibrations
- the gear is a reduction gear.
- the transmission can translate a higher speed of the electric machine into a comparatively lower speed of the rotor.
- the rate-of-change limiter is set up, for example, to determine the change over time in a calculated power value by comparing it with at least one previously calculated power value.
- the controller may further include a divisor configured to calculate a modified torque value based on the rate-of-change limited power value and the speed measurements. This can be converted, e.g. by the control unit, into an electrical current with which the electrical machine is then operated.
- the control unit can also include an extreme value limiter, which is set up, for example, to receive the respectively calculated output value (e.g. power value) from the (power) computer, to limit it by a maximum output value and/or a minimum output value and to send the respective limited output value output the rate of change limiter. It can thus be prevented that the absolute value of the power/torque assumes a value that is too large or too small (in particular in generator operation).
- an extreme value limiter which is set up, for example, to receive the respectively calculated output value (e.g. power value) from the (power) computer, to limit it by a maximum output value and/or a minimum output value and to send the respective limited output value output the rate of change limiter. It can thus be prevented that the absolute value of the power/torque assumes a value that is too large or too small (in particular in generator operation).
- the maximum value of change over time of each of the calculated rate-of-change limiter power values may be based on one or more previously calculated rate-of-change limited power values. In this way, for example, a maximum relative increase or decrease in power can be implemented. This allows a particularly good reduction of vibrations with good system performance at the same time.
- control unit can include a multiplier which is set up to receive a respective rate-of-change-limited power value from the rate-of-change limiter and to multiply it by a predetermined or predeterminable factor.
- the value obtained in this way is, for example, the maximum value of the temporal change.
- the factor can be the same for all calculated power values.
- the predetermined factor is less than 1.
- the predetermined factor is 10% or less.
- a vehicle in particular an aircraft, comprising the system according to any configuration described herein, in particular as a drive system.
- the vehicle can also be a land vehicle or a watercraft, for example a submarine.
- the system can be used in a wind turbine. There, transient operating conditions can be caused by changes in wind conditions as well as changes in load absorption, which directly affects the generator torque.
- a method for controlling an electric machine coupled to a rotor via a transmission includes detecting, by means of a control unit, values of requested torques (or power) and of measured values indicative of speeds, calculating, by means of the control unit, power values (or torque values) from the values of requested torques (or power) and the values for the speeds are indicative measured values.
- the method also includes limiting, by means of the control unit, a change over time in the calculated power values (or torque values) to a maximum value in order to obtain a power value (or torque value) that is limited by the rate of change, and controlling, by means of the control unit, the electric machine based on the rate-of-change limited power (or torque) value.
- the electric machine used in the method, the rotor, the gearbox and the control unit can be part of the system according to any of the configurations described herein. Exemplary embodiments will now be described with reference to the figures; show in the figures:
- Figure 1 shows an aircraft in the form of an airplane with a system for
- FIG. 2 shows a block diagram of a control unit of the system according to FIG.
- Figure 3 is a graph of plotted against engine speed
- FIG. 4 shows the result of a frequency analysis with and without activation of a controller using the control unit according to FIG.
- FIG. 1 shows an aircraft 2 in the form of an electrically powered aircraft.
- the aircraft 2 comprises a system 1 with an electric machine 10, a rotor 11 and a gearbox 12.
- the electric machine 10 can be operated as an electric motor (alternatively or additionally as a generator) and is operatively connected to the rotor 11 via the transmission 12 .
- the electric machine 10 drives the rotor 11 via the transmission 12 .
- the transmission 12 has an input shaft and an output shaft.
- the input shaft is coupled to the electric machine 10 .
- the output shaft is coupled to the rotor 11 .
- the gear 12 is a reduction gear and translates a predetermined speed of the input shaft into a lower speed of the output shaft.
- the transmission 12 includes several transmission elements, in particular gears.
- the gear 12 is designed in the form of a planetary gear.
- the electric machine drives a sun wheel of the transmission 12, which is coupled to a ring gear via planet wheels.
- the rotor 11 is, for example, non-rotatably connected to the ring gear or a planet carrier.
- the planet gears can be rotated on the planet carrier assembled.
- the rotor 11 includes a propeller 110 with multiple rotor blades.
- the rotor blades have a changeable angle of attack, and the rotor blades can also be fixed to a hub.
- the system 1 also includes an energy source, here in the form of an electric battery 14.
- the electric machine 10 is supplied with energy by the battery 14.
- the system 1 further includes a generator 16 and, for example, a gas turbine 15 for driving the generator 16.
- the generator 16 feeds the battery 14 with electrical energy.
- the generator 16 provides electrical energy directly to the electrical machine 10 .
- the system 1 comprises a control unit 13.
- the control unit 13 can consist of one module or be divided into several modules which can be arranged at the same place and/or at a distance from one another and can, for example, be communicatively connected to one another.
- the control unit 13 is communicatively connected to the electric machine 10 (e.g. a power supply unit thereof).
- the control unit 13 is also communicatively connected to the rotor 11, specifically for setting an angle of attack of the rotor blades.
- the control unit 13 is also communicatively connected to the battery 14, the gas turbine 15 and/or the generator 16.
- the communicative connections are established, for example, via appropriate cable connections and/or wirelessly.
- the system 1 includes one (or more) tachometer 17.
- the tachometer 17 is arranged in such a way that it acquires measured values that indicate a speed of the electric machine 10.
- the tachometer 17 measures the speed of a shaft, z. B. an output shaft, the electric machine 10 or the input shaft of the transmission 12.
- the tachometer 17 (or another tachometer) can be arranged at another location, e.g. on an output shaft of the transmission 12 to measure the speed of this output shaft or on the rotor 11 for measuring the speed of the rotor 11.
- the (or) tachometer 17 is (are) connected to the control unit 13 communicatively connected.
- Figure 2 illustrates some components of the control unit 13.
- the control unit 13 comprises a computer in the form of a power computer 130, which is set up to acquire values of requested torques and measured values indicative of speeds, which are, and to calculate power values therefrom, and a rate of change limiter 131, which is set up to receive the calculated power values and to limit a change in the calculated power values over time (in particular a change in the power values between two consecutive computing cycles) to a maximum value in order to obtain a power value with a rate-of-change-limited power value.
- the control unit 13 is set up to control the electric machine 10 based on the rate-of-change-limited power value.
- torque values and power values can be interchanged in the calculation described with reference to FIG.
- the values of the requested torques are entered at an input E1 of the control unit 13 .
- the values of the requested torques are provided by a thrust lever at input E1.
- the measured values are entered at an input E2 of the control unit 13 and made available to the power computer 130 . These measured values are provided by the tachometer 17 at the input E2. These measured values are (optionally) made available to a multiplier 134 of the performance computer 130 from the input E2. The multiplier 134 (optionally) multiplies the measured values by a constant, eg pi/30, for subsequent determination of the requested shaft power in watts. The multiplication result of the multiplier 134 is provided to an (optional) maximum value selector 135 of the performance calculator 130 . This is also given a constant, for example the value 1. The maximum value selector 135 selects the larger value from the two values provided at the same time. This avoids dividing by zero, for example when the The thrust lever is in a position that requires no thrust and therefore no torque.
- the value selected by maximum value selector 135 is provided to a multiplier 134 of power computer 130, as is the requested torque provided at input E1.
- This multiplier 134 of the power calculator 130 multiplies these two values and thus calculates the power corresponding to the requested torque, i.e. a power value.
- the power value calculated by the power calculator 130 is provided to an (optional) extreme value limiter 133 .
- this also receives a value for a maximum output power of electrical machine 10 in motor operation and at input E4 a value for a maximum input power of electrical machine 10 in generator operation. If the calculated power value exceeds the maximum power output or if the calculated power value falls below the maximum power input (the power input is considered here as an example with a negative sign), then the extreme value limiter 133 outputs the value of the maximum power output or the maximum power input . Otherwise, the peak limiter 133 outputs the power value calculated by the power calculator 130 .
- the calculated power value (optionally limited by peak limiter 133 ) is provided to rate of change limiter 131 .
- the rate of change limiter 131 includes a buffer memory in which at least one previously calculated power value is stored. If the difference between the power value currently calculated and present at the input of the rate-of-change limiter 131 and the stored power value exceeds a maximum value, then the rate-of-change limiter 131 outputs the sum of the stored power value and the maximum value. If the difference between the power value currently calculated and present at the input of the rate-of-change limiter 131 and the stored power value falls below the maximum value (with the opposite sign), then the rate-of-change limiter 131 outputs the sum of the stored power value and the maximum value (again with the opposite sign). Otherwise the Rate of change limiter 131 from the present, currently calculated power value.
- the maximum value is calculated relatively in each case.
- the output of the rate-of-change limiter 131 is provided to a multiplier 134 via an (optional) delay 136 .
- This multiplier 134 also receives a predetermined value of a maximum relative change over time, which is present at an input E5.
- This predetermined factor is e.g. 1% (ie 0.01) or less, 5% (ie 0.05) or less, 10% (ie 0.1) or less or 20% (0.2) or less.
- the value provided at input E5 is 10%.
- the input E5 can also represent an internal memory of the control unit 13 .
- the multiplier 134 thus calculates a proportion (e.g.
- rate-of-change-limited power value output at the output of the rate-of-change limiter 131 provides this as a maximum value to the rate-of-change limiter 131 for the subsequent computing cycle.
- An optionally interposed maximum value selector 135 selects the larger value from this value and a constant, e.g. to enable starting from a standstill.
- a sign changer 137 outputs the maximum value of the change over time with the sign reversed to a further input of the rate-of-change limiter 131 for comparison with falling power values.
- the rate of change limiter 131 can also be supplied with a reset signal via an input E6 in order to clear the buffer memory and enable a start from standstill.
- the value output at the output of the rate-of-change limiter 131 is also provided to the divisor 132 . From this, the divisor 132 calculates a modified value of the requested torque by dividing it. This is provided at an output A and output, for example, to a motor controller of the electrical machine 10 (which can be integrated into the control unit 13 or designed separately therefrom). Electric machine 10 is operated based on this value. For example, the electrical machine 10 is subjected to a current intensity corresponding to this value.
- this control applies a correction that counteracts the vibration.
- FIG. 3 shows the result of a measurement in which two drive systems were operated in parallel, one without the components of the control unit 13 shown in FIG. 2 (curves K1 to K4) and one with the control unit 13 according to FIG. 2 (curves K5 to K8).
- the torque values of each of the four different curves were measured against the engine speed in the same way using strain gauges at the same positions between each two components of the transmission 12 .
- the significantly smoother curves K5-K8 of the measurement with the activated control unit 13 according to FIG. 2 are clearly visible. For better illustration, one coil winding of the electrical machines 10 was deactivated in each case. It is evident that even such a disturbance could be smoothed out by the control unit 13 according to FIG.
- the proposed power rate limited torque control solution can control the vibrations even in the event of a failure of individual coil windings.
- FIG. 4 shows the result of a frequency analysis (using FFT, fast Fourier transformation) of both drive systems.
- the left half reflects the result of the drive system without the components of the control unit 13 shown in Figure 2, the right half the result of the drive system with the components of the control unit 13 shown in Figure 2 Reduction of 20 dBm visible.
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Abstract
The invention relates to a system (1) comprising an electric machine (10), a rotor (11), a gearing mechanism (12) via which the rotor (11) is coupled to the electric machine (10), and a control unit (13) comprising: a computer (130) which is designed to a) detect values of required torques and measurement values which are indicative of rotational speeds and calculate performance values therefrom as output values or b) detect values of required performances and measurement values which are indicative of rotational speeds and calculate torque values therefrom as output values; and a change rate limiter (131) which is designed to obtain the calculated output values and limit a change of the calculated output values over time to a maximum value in order to obtain a change rate-limited output value, wherein the control unit (13) is designed to control the electric machine (10) on the basis of the change rate-limited output value.
Description
System und Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine System and method for controlling an electric machine
Beschreibung Description
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich insbesondere auf ein System und ein Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine. More particularly, the present disclosure relates to a system and method for controlling an electric machine.
Bei Elektromotoren und anderen elektrischen Maschinen, die über ein Getriebe mit einem Rotor gekoppelt sind, kann es insbesondere bei Lastwechseln zu Vibrationen kommen. Derartige Vibrationen können zum einen störend sein, beispielsweise für Passagiere eines Fahrzeugs, insbesondere Luftfahrzeugs, mit der elektrischen Maschine. Ferner können solche Vibrationen auch zu erhöhtem Verschleiß und einer beschleunigten Alterung des Getriebes, der elektrischen Maschine oder weiterer Komponenten führen. Des Weiteren ist es generell oft wünschenswert, Lärmemissionen, die insbesondere eine Folge von Vibrationen sein können, so weit wie möglich zu reduzieren. In the case of electric motors and other electrical machines that are coupled to a rotor via a gear, vibrations can occur, particularly when the load changes. On the one hand, such vibrations can be annoying, for example for passengers of a vehicle, in particular an aircraft, with the electrical machine. Furthermore, such vibrations can also lead to increased wear and accelerated aging of the transmission, the electrical machine or other components. Furthermore, it is generally often desirable to reduce noise emissions, which can be a result of vibrations in particular, as much as possible.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Vibrationen im Betrieb von über Getriebe mit Rotoren gekoppelten elektrischen Maschinen zu reduzieren. The object of the present invention is to reduce vibrations during operation of electrical machines coupled to rotors via gears.
Gemäß einem Aspekt wird ein System bereitgestellt, das eine elektrische Maschine,
einen Rotor, ein Getriebe, über welches der Rotor und die elektrische Maschine miteinander gekoppelt sind, und eine Steuerungseinheit umfasst. Die Steuerungseinheit umfasst einen Rechner (z.B. in Form eines Leistungsrechners), der dazu eingerichtet ist, Werte angeforderter Drehmomente und für Drehzahlen indikative Messwerte des Systems zu erfassen und daraus Leistungswerte (als Ausgangs- oder Ausgabewerte) zu berechnen. Ferner umfasst die Steuerungseinheit einen Änderungsratenbegrenzer, der dazu eingerichtet ist, die berechneten Leistungswerte zu erhalten und eine zeitliche Veränderung der berechneten Leistungswerte auf einen Maximalwert zu begrenzen, um einen änderungsratenbegrenzten Leistungswert zu erhalten. Dabei ist die Steuerungseinheit dazu eingerichtet, die elektrische Maschine basierend auf dem änderungsratenbegrenzten Leistungswert zu steuern. According to one aspect, a system is provided that includes an electric machine, a rotor, a transmission via which the rotor and the electric machine are coupled to one another, and a control unit. The control unit includes a computer (eg in the form of a power computer) which is set up to record values of requested torques and measured values of the system indicative of speeds and to calculate power values (as initial or output values) from them. Furthermore, the control unit comprises a rate-of-change limiter, which is set up to receive the calculated power values and to limit a change in the calculated power values over time to a maximum value in order to obtain a power value with a rate-of-change-limit. The control unit is set up to control the electric machine based on the rate-of-change-limited power value.
Alternativ oder zusätzlich umfasst die Steuerungseinheit einen Rechner (z.B. in Form eines Drehmomentrechners), der dazu eingerichtet ist, Werte angeforderter Leistungen und für Drehzahlen indikative Messwerte des Systems zu erfassen und daraus Drehmomentwerte (als Ausgangs- oder Ausgabewerte) zu berechnen. Ferner umfasst die Steuerungseinheit dann einen Änderungsratenbegrenzer, der dazu eingerichtet ist, die berechneten Drehmomentwerte zu erhalten und eine zeitliche Veränderung der berechneten Drehmomentwerte auf einen Maximalwert zu begrenzen, um einen änderungsratenbegrenzten Drehmomentwert zu erhalten. Dabei ist die Steuerungseinheit dazu eingerichtet, die elektrische Maschine basierend auf dem änderungsratenbegrenzten Drehmomentwert zu steuern. Alternatively or additionally, the control unit includes a computer (e.g. in the form of a torque calculator) which is set up to record values of required power and measured values of the system indicative of speeds and to calculate torque values (as initial or output values) from them. Furthermore, the control unit then comprises a rate-of-change limiter which is set up to receive the calculated torque values and to limit a change in the calculated torque values over time to a maximum value in order to obtain a rate-of-change-limited torque value. In this case, the control unit is set up to control the electric machine based on the rate-of-change-limited torque value.
Das basiert auf der Erkenntnis, dass Vibrationen besonders effektiv entgegengewirkt werden kann, indem ein z.B. über eine Schubhebelstellung angefordertes Drehmoment zunächst anhand der Drehzahl in eine angeforderte Leistung, z.B. Motorleistung, umzurechnen. Der fortlaufend (z.B. mit einer vorgegebenen Frequenz oder kontinuierlich) gemessenen Drehzahl (oder allgemein einem dafür indikativen Wert, z.B. einer Winkelgeschwindigkeit oder dergleichen) sind Schwingungen, insbesondere Torsionsschwingungen, aufgeprägt. Indem also die Messwerte der Drehzahl als Feedbacksignal herangezogen werden, kann auf diese Weise die elektrische Maschine mit einem zu den Vibrationen durch die Messung phasenverschobenen Schwingungssignal beaufschlagt werden, wodurch eine wirksame Reduktion der Schwingungen ermöglicht wird. In der Folge können auch
Lärmemissionen reduziert werden. Die Steuerungseinheit arbeitet insbesondere fortlaufend und ermittelt die berechneten Leistungswerte (bzw. Drehmomentwerte) z.B. mit einerfestgelegten Frequenz von beispielsweise 1 Hz oder weniger, 10 Hz oder weniger, 100 Hz oder weniger, 1 kHz oder weniger oder mehr als 1 kHz. Übersteigt die Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden berechneten Leistungswerten den Maximalwert, dann wird z.B. der änderungsratenbegrenzte Leistungswert der Summe aus dem vorherigen berechneten Leistungswert und dem Maximalwert gleichgesetzt. Liegt die Differenz darunter, dann wird der änderungsratenbegrenzte Leistungswert z.B. dem neuen berechneten Leistungswert gleichgesetzt. Das System kann eine geschlossene Regelschleife umfassen. This is based on the finding that vibrations can be counteracted particularly effectively by first converting a torque requested, for example via a throttle position, into a requested power, for example engine power, based on the speed. Vibrations, in particular torsional vibrations, are impressed on the rotational speed (or generally on a value indicative thereof, for example an angular velocity or the like) which is measured continuously (eg with a predetermined frequency or continuously). By using the measured values of the rotational speed as a feedback signal, the electrical machine can be subjected to an oscillation signal that is phase-shifted with respect to the vibrations caused by the measurement, thereby enabling an effective reduction in the oscillations. As a result, can also Noise emissions are reduced. In particular, the control unit works continuously and determines the calculated power values (or torque values), for example with a specified frequency of, for example, 1 Hz or less, 10 Hz or less, 100 Hz or less, 1 kHz or less or more than 1 kHz. If the difference between two successive calculated power values exceeds the maximum value, then, for example, the rate-of-change-limited power value is set equal to the sum of the previously calculated power value and the maximum value. If the difference is less, then the rate-of-change-limited power value is set equal to the new calculated power value, for example. The system may include a closed loop control.
Das System kann einen Drehzahlmesser zum Erfassen der Messwerte der Drehzahl umfassen. Der Drehzahlmesser misst also Drehzahl und stellt entsprechende Messwerte bereit. The system may include a tachometer for taking readings of the speed. The tachometer therefore measures the speed and provides corresponding measured values.
Beispielsweise misst der Drehzahlmesser die Drehzahl der elektrischen Maschine oder des Rotors. For example, the tachometer measures the speed of the electric machine or the rotor.
Die elektrische Maschine ist beispielsweise in Form eines Elektromotors ausgebildet, insbesondere in Form eines Antriebsmotors eines Fahrzeugs, etwa eines Luftfahrzeugs. Alternativ (oder zusätzlich) ist die elektrische Maschine in Form eines Generators ausgebildet und/oder im System eingerichtet, als ein solcher betrieben zu werden. Beispielsweise ist das System Teil einer Windkraftanlage. The electrical machine is designed, for example, in the form of an electric motor, in particular in the form of a drive motor of a vehicle, such as an aircraft. Alternatively (or additionally), the electrical machine is designed in the form of a generator and/or set up in the system to be operated as such. For example, the system is part of a wind turbine.
Der Rotor umfasst beispielsweise eine Strömungsmaschine, insbesondere einen Propeller. Am Rotor sind z.B. Rotorblätter oder Schaufeln montiert. The rotor includes, for example, a turbomachine, in particular a propeller. Rotor blades or vanes, for example, are mounted on the rotor.
Optional umfasst die Strömungsmaschine Rotorblätter oder Schaufeln mit einstellbarem Anstellwinkel. Der Anstellwinkel ist der Winkel zwischen der Richtung des anströmenden Fluids und der Sehne eines Profils von jedem der Rotorblätter bzw. von jeder der Schaufeln. Beispielsweise ist die Steuerungseinheit dazu eingerichtet, den Anstellwinkel vorzugeben. So kann die Drehzahl (im Mittel, also abgesehen von der aufgeprägten Variation infolge der Vibrationen) etwa konstant gehalten, während ein Schub und ein zugehöriges Drehmoment über den Anstellwinkel eingestellt wird.
Beispielsweise ist das Getriebe ein Untersetzungsgetriebe. Das Getriebe kann eine höhere Drehzahl der elektrischen Maschine in eine im Vergleich dazu niedrigere Drehzahl des Rotors übersetzen. Optionally, the turbomachine includes rotor blades or vanes with an adjustable angle of attack. The angle of attack is the angle between the direction of the oncoming fluid and the chord of a profile of each of the rotor blades or vanes. For example, the control unit is set up to specify the angle of attack. In this way, the speed (on average, i.e. apart from the imposed variation as a result of the vibrations) can be kept approximately constant, while a thrust and an associated torque are adjusted via the angle of attack. For example, the gear is a reduction gear. The transmission can translate a higher speed of the electric machine into a comparatively lower speed of the rotor.
Der Änderungsratenbegrenzer ist z.B. dazu eingerichtet, die zeitliche Veränderung eines berechneten Leistungswerts jeweils durch einen Vergleich mit zumindest einem zuvor berechneten Leistungswert zu ermitteln. The rate-of-change limiter is set up, for example, to determine the change over time in a calculated power value by comparing it with at least one previously calculated power value.
Die Steuerungseinheit kann ferner einen Divisor umfassen, der dazu eingerichtet ist, basierend auf dem änderungsratenbegrenzten Leistungswert und den Messwerten der Drehzahl einen modifizierten Drehmomentwert zu berechnen. Dieser kann, z.B. durch die Steuerungseinheit, in eine elektrische Stromstärke umgerechnet werden, mit der die elektrische Maschine sodann betrieben wird. The controller may further include a divisor configured to calculate a modified torque value based on the rate-of-change limited power value and the speed measurements. This can be converted, e.g. by the control unit, into an electrical current with which the electrical machine is then operated.
Die Steuerungseinheit kann ferner einen Extremwertbegrenzer umfassen, der beispielsweise dazu eingerichtet ist, den jeweils berechneten Ausgangswert (z.B. Leistungswert) vom (Leistungs-)Rechner zu erhalten, jeweils durch einen maximalen Ausgangswert und/oder einen minimalen Ausgangswert zu beschränken und den jeweils beschränkten Ausgangswert an den Änderungsratenbegrenzer auszugeben. So kann verhindert werden, dass der Absolutwert der Leistung/des Drehmoments einen zu großen oder zu kleinen (insbesondere im Generatorbetrieb) Wert annimmt. The control unit can also include an extreme value limiter, which is set up, for example, to receive the respectively calculated output value (e.g. power value) from the (power) computer, to limit it by a maximum output value and/or a minimum output value and to send the respective limited output value output the rate of change limiter. It can thus be prevented that the absolute value of the power/torque assumes a value that is too large or too small (in particular in generator operation).
Der Maximalwert der zeitlichen Veränderung eines jeweiligen der berechneten Leistungswerte des Änderungsratenbegrenzers kann auf einem oder mehreren zuvor berechneten änderungsratenbegrenzten Leistungswert(en) basieren. Auf diese Weise kann z.B. ein maximaler relativer Anstieg oder Abfall der Leistung implementiert werden. Das erlaubt eine besonders gute Reduktion von Vibrationen bei gleichzeitig guter Systemperformance. The maximum value of change over time of each of the calculated rate-of-change limiter power values may be based on one or more previously calculated rate-of-change limited power values. In this way, for example, a maximum relative increase or decrease in power can be implemented. This allows a particularly good reduction of vibrations with good system performance at the same time.
Ferner kann die Steuerungseinheit einen Multiplikator umfassen, der dazu eingerichtet ist, einen jeweiligen änderungsratenbegrenzten Leistungswert vom Änderungsratenbegrenzer zu erhalten und mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Faktor zu multiplizieren. Der so erhaltene Wert ist z.B. der der Maximalwert der
zeitlichen Veränderung. Der Faktor kann für alle berechneten Leistungswerte gleich sein. Furthermore, the control unit can include a multiplier which is set up to receive a respective rate-of-change-limited power value from the rate-of-change limiter and to multiply it by a predetermined or predeterminable factor. The value obtained in this way is, for example, the maximum value of the temporal change. The factor can be the same for all calculated power values.
Beispielsweise ist der vorgegebene Faktor kleiner als 1. Zum Beispiel beträgt der vorgegebene Faktor 10 % oder weniger. For example, the predetermined factor is less than 1. For example, the predetermined factor is 10% or less.
Gemäß einem Aspekt wird ein Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug angegeben, umfassend das System nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung, insbesondere als Antriebssystem. Hinsichtlich der Vorteile wird auf die obigen Angaben zum System Bezug genommen. Bei dem Fahrzeug kann es sich auch um Landfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug handeln, beispielsweise um ein Unterseeboot. Ferner kann das System in einer Windkraftanlage eingesetzt werden. Dort können transiente Betriebsbedingungen sowohl durch Änderungen der Windbedingungen als auch durch Änderungen in der Lastaufnahme, die sich direkt auf das Generatordrehmoment auswirkt, hervorgerufen werden. According to one aspect, a vehicle, in particular an aircraft, is specified, comprising the system according to any configuration described herein, in particular as a drive system. With regard to the advantages, reference is made to the above information on the system. The vehicle can also be a land vehicle or a watercraft, for example a submarine. Furthermore, the system can be used in a wind turbine. There, transient operating conditions can be caused by changes in wind conditions as well as changes in load absorption, which directly affects the generator torque.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Steuerung einer über ein Getriebe mit einem Rotor gekoppelten elektrischen Maschine angegeben. Das Verfahren umfasst das Erfassen, mittels einer Steuerungseinheit, von Werten angeforderter Drehmomente (oder Leistungen) und von für Drehzahlen indikativen Messwerten, das Berechnen, mittels der Steuerungseinheit, von Leistungswerten (oder Drehmomentwerten) aus den Werten angeforderter Drehmomente (oder Leistungen) und den für die Drehzahlen indikativen Messwerten. Ferner umfasst das Verfahren das Begrenzen, mittels der Steuerungseinheit, einer zeitlichen Veränderung der berechneten Leistungswerte (oder Drehmomentwerte) auf einen Maximalwert, um einen änderungsratenbegrenzten Leistungswert (oder Drehmomentwert) zu erhalten, und das Steuern, mittels der Steuerungseinheit, der elektrischen Maschine basierend auf dem änderungsratenbegrenzten Leistungswert (oder Drehmomentwert). Hinsichtlich der Vorteile wird wiederum auf die obigen Angaben zum System Bezug genommen. According to one aspect, a method for controlling an electric machine coupled to a rotor via a transmission is specified. The method includes detecting, by means of a control unit, values of requested torques (or power) and of measured values indicative of speeds, calculating, by means of the control unit, power values (or torque values) from the values of requested torques (or power) and the values for the speeds are indicative measured values. The method also includes limiting, by means of the control unit, a change over time in the calculated power values (or torque values) to a maximum value in order to obtain a power value (or torque value) that is limited by the rate of change, and controlling, by means of the control unit, the electric machine based on the rate-of-change limited power (or torque) value. With regard to the advantages, reference is again made to the above information on the system.
Die bei dem Verfahren eingesetzte elektrische Maschine, der Rotor, das Getriebe und die Steuerungseinheit können Teil des Systems nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung sein.
Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; in den Figuren zeigen: The electric machine used in the method, the rotor, the gearbox and the control unit can be part of the system according to any of the configurations described herein. Exemplary embodiments will now be described with reference to the figures; show in the figures:
Figur 1 ein Luftfahrzeug in Form eines Flugzeugs mit einem System zurFigure 1 shows an aircraft in the form of an airplane with a system for
Steuerung einer elektrischen Maschine des Luftfahrzeugs; control of an electrical machine of the aircraft;
Figur 2 ein Blockdiagramm einer Steuerungseinheit des Systems gemäßFIG. 2 shows a block diagram of a control unit of the system according to FIG
Figur 1 ; Figure 1;
Figur 3 ein Diagramm von gegen eine Motordrehzahl aufgetragenenFigure 3 is a graph of plotted against engine speed
Drehmomenten bei einer Beschleunigung aus dem Stand mit und ohne Aktivierung einer Steuerung mittels der Steuerungseinheit gemäß Figur 2; und Torques when accelerating from a standing start with and without activation of a control by means of the control unit according to FIG. 2; and
Figur 4 das Ergebnis einer Frequenzanalyse mit und ohne Aktivierung einer Steuerung mittels der Steuerungseinheit gemäß Figur 2. FIG. 4 shows the result of a frequency analysis with and without activation of a controller using the control unit according to FIG.
Figur 1 zeigt ein Luftfahrzeug 2 in Form eines elektrisch angetriebenen Flugzeugs. Das Luftfahrzeug 2 umfasst ein System 1 mit einer elektrischen Maschine 10, einem Rotor 11 und einem Getriebe 12. FIG. 1 shows an aircraft 2 in the form of an electrically powered aircraft. The aircraft 2 comprises a system 1 with an electric machine 10, a rotor 11 and a gearbox 12.
Die elektrische Maschine 10 ist als Elektromotor betreibbar (alternativ oder zusätzlich als Generator) und über das Getriebe 12 mit dem Rotor 11 wirkverbunden. Vorliegend treibt die elektrische Maschine 10 den Rotor 11 über das Getriebe 12 an. The electric machine 10 can be operated as an electric motor (alternatively or additionally as a generator) and is operatively connected to the rotor 11 via the transmission 12 . In the present case, the electric machine 10 drives the rotor 11 via the transmission 12 .
Das Getriebe 12 weist eine Eingangswelle und eine Ausgangswelle auf. Die Eingangswelle ist mit der elektrischen Maschine 10 gekoppelt. Die Ausgangswelle ist mit dem Rotor 11 gekoppelt. Das Getriebe 12 ist ein Untersetzungsgetriebe und übersetzt eine vorgegebene Drehzahl der Eingangswelle in eine niedrigere Drehzahl der Ausgangswelle um. Das Getriebe 12 umfasst mehrere Getriebeelemente, insbesondere Zahnräder. Beispielsweise ist das Getriebe 12 in Form eines Planetengetriebes ausgebildet. Beispielsweise treibt die elektrische Maschine ein Sonnendrad des Getriebes 12 an, welches über Planetenräder mit einem Hohlrad gekoppelt ist. Der Rotor 11 ist z.B. drehfest mit dem Hohlrad oder einem Planetenträger verbunden. Am Planetenträger sind die Planetenräder drehbar
montiert. The transmission 12 has an input shaft and an output shaft. The input shaft is coupled to the electric machine 10 . The output shaft is coupled to the rotor 11 . The gear 12 is a reduction gear and translates a predetermined speed of the input shaft into a lower speed of the output shaft. The transmission 12 includes several transmission elements, in particular gears. For example, the gear 12 is designed in the form of a planetary gear. For example, the electric machine drives a sun wheel of the transmission 12, which is coupled to a ring gear via planet wheels. The rotor 11 is, for example, non-rotatably connected to the ring gear or a planet carrier. The planet gears can be rotated on the planet carrier assembled.
Der Rotor 11 umfasst einen Propeller 110 mit mehreren Rotorblättern. Die Rotorblätter weisen einen veränderbaren Anstellwinkel auf, wobei die Rotorblätter auch fest an einer Nabe montiert sein können. The rotor 11 includes a propeller 110 with multiple rotor blades. The rotor blades have a changeable angle of attack, and the rotor blades can also be fixed to a hub.
Das System 1 umfasst ferner eine Energiequelle, hier in Form einer elektrischen Batterie 14. Die elektrische Maschine 10 wird durch die Batterie 14 mit Energie versorgt. Optional umfasst das System 1 ferner einen Generator 16 und z.B. eine Gasturbine 15 zum Antrieb des Generators 16. Der Generator 16 speist die Batterie 14 mit elektrischer Energie. Alternativ oder zusätzlich stellt der Generator 16 elektrische Energie direkt an die elektrische Maschine 10 bereit. The system 1 also includes an energy source, here in the form of an electric battery 14. The electric machine 10 is supplied with energy by the battery 14. Optionally, the system 1 further includes a generator 16 and, for example, a gas turbine 15 for driving the generator 16. The generator 16 feeds the battery 14 with electrical energy. Alternatively or additionally, the generator 16 provides electrical energy directly to the electrical machine 10 .
Ferner umfasst das System 1 eine Steuerungseinheit 13. Die Steuerungseinheit 13 kann aus einem Modul bestehen oder in mehrere Module aufgeteilt sein, die am selben Ort und/oder mit Abstand zueinander angeordnet sein und z.B. kommunikativ in Verbindung miteinander stehen können. Die Steuerungseinheit 13 ist mit der elektrischen Maschine 10 (z.B. einer Stromversorgungseinheit davon) kommunikativ verbunden. Im gezeigten Beispiel ist die Steuerungseinheit 13 auch mit dem Rotor 11 kommunikativ verbunden, und zwar zur Einstellung eines Anstellwinkels der Rotorblätter. Optional ist die Steuerungseinheit 13 auch mit der Batterie 14, der Gasturbine 15 und/oder dem Generator 16 kommunikativ verbunden. Die kommunikativen Verbindungen sind z.B. über entsprechende Kabelverbindungen und/oder drahtlos aufgebaut. Furthermore, the system 1 comprises a control unit 13. The control unit 13 can consist of one module or be divided into several modules which can be arranged at the same place and/or at a distance from one another and can, for example, be communicatively connected to one another. The control unit 13 is communicatively connected to the electric machine 10 (e.g. a power supply unit thereof). In the example shown, the control unit 13 is also communicatively connected to the rotor 11, specifically for setting an angle of attack of the rotor blades. Optionally, the control unit 13 is also communicatively connected to the battery 14, the gas turbine 15 and/or the generator 16. The communicative connections are established, for example, via appropriate cable connections and/or wirelessly.
Des Weiteren umfasst das System 1 einen (oder mehrere) Drehzahlmesser 17. Der Drehzahlmesser 17 ist so angeordnet, dass er Messwerte erfasst, die eine Drehzahl der elektrischen Maschine 10 angeben. Beispielsweise misst der Drehzahlmesser 17 die Drehzahl einer Welle, z. B. einer Ausgangswelle, der elektrischen Maschine 10 oder der Eingangswelle des Getriebes 12. Alternativ oder zusätzlich kann der Drehzahlmesser 17 (oder ein weiterer Drehzahlmesser) an einem anderen Ort angeordnet sein, z.B. an einer Ausgangswelle des Getriebes 12 zur Messung der Drehzahl dieser Ausgangswelle oder am Rotor 11 zur Messung der Drehzahl des Rotors 11. Der (oder die) Drehzahlmesser 17 ist (sind) mit der Steuerungseinheit 13
kommunikativ verbunden. Furthermore, the system 1 includes one (or more) tachometer 17. The tachometer 17 is arranged in such a way that it acquires measured values that indicate a speed of the electric machine 10. For example, the tachometer 17 measures the speed of a shaft, z. B. an output shaft, the electric machine 10 or the input shaft of the transmission 12. Alternatively or additionally, the tachometer 17 (or another tachometer) can be arranged at another location, e.g. on an output shaft of the transmission 12 to measure the speed of this output shaft or on the rotor 11 for measuring the speed of the rotor 11. The (or) tachometer 17 is (are) connected to the control unit 13 communicatively connected.
Figur 2 veranschaulicht einige Komponenten der Steuerungseinheit 13. Insbesondere umfasst die Steuerungseinheit 13 einen Rechner in Form eines Leistungsrechners 130, der dazu eingerichtet ist, Werte angeforderter Drehmomente und für Drehzahlen indikative Messwerte, die sind, zu erfassen und daraus Leistungswerte zu berechnen, und einen Änderungsratenbegrenzer 131 , der dazu eingerichtet ist, die berechneten Leistungswerte zu erhalten und eine zeitliche Veränderung der berechneten Leistungswerte (insbesondere eine Änderung der Leistungswerte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rechenzyklen) auf einen Maximalwert zu begrenzen, um einen änderungsratenbegrenzten Leistungswert zu erhalten. Sie Steuerungseinheit 13 ist dabei dazu eingerichtet, die elektrische Maschine 10 basierend auf dem änderungsratenbegrenzten Leistungswert zu steuern. Figure 2 illustrates some components of the control unit 13. In particular, the control unit 13 comprises a computer in the form of a power computer 130, which is set up to acquire values of requested torques and measured values indicative of speeds, which are, and to calculate power values therefrom, and a rate of change limiter 131, which is set up to receive the calculated power values and to limit a change in the calculated power values over time (in particular a change in the power values between two consecutive computing cycles) to a maximum value in order to obtain a power value with a rate-of-change-limited power value. The control unit 13 is set up to control the electric machine 10 based on the rate-of-change-limited power value.
Erfordert z.B. eine Motorsteuerung der elektrischen Maschine 10 die Bereitstellung eines Leistungssignals als Steuergröße, können in der anhand von Figur 2 beschriebenen Berechnung Drehmomentwerte und Leistungswerte vertauscht werden. If, for example, a motor controller of the electrical machine 10 requires the provision of a power signal as a control variable, torque values and power values can be interchanged in the calculation described with reference to FIG.
Dabei werden die Werte der angeforderten Drehmomente an einem Eingang E1 der Steuerungseinheit 13 eingegeben. Beispielsweise werden die Werte der angeforderten Drehmomente von einem Schubhebel am Eingang E1 bereitgestellt. The values of the requested torques are entered at an input E1 of the control unit 13 . For example, the values of the requested torques are provided by a thrust lever at input E1.
Die für Drehzahlen indikative Messwerte werden an einem Eingang E2 der Steuerungseinheit 13 eingegeben und an den Leistungsrechner 130 bereitgestellt. Diese Messwerte werden durch den Drehzahlmesser 17 am Eingang E2 bereitgestellt. Vom Eingang E2 werden diese Messwerte (optional) an einen Multiplikator 134 des Leistungsrechners 130 bereitgestellt. Der Multiplikator 134 multipliziert die Messwerte (optional) mit einer Konstanten, z.B. pi/30, zur nachfolgenden Bestimmung der angeforderten Wellenleistung in Watt. Das Multiplikationsergebnis des Multiplikators 134 wird an einen (optionalen) Maximalwertselektor 135 des Leistungsrechners 130 bereitgestellt. Dieser erhält ferner eine Konstante, z.B. den Wert 1. Der Maximalwertselektor 135 wählt aus den beiden gleichzeitig bereitgestellten Werten den größeren aus. Hierdurch wird eine Division durch Null vermieden, z.B. wenn der
Schubhebel in einer keinen Schub und damit kein Drehmoment anfordernden Stellung steht. The measured values, which are indicative of rotational speeds, are entered at an input E2 of the control unit 13 and made available to the power computer 130 . These measured values are provided by the tachometer 17 at the input E2. These measured values are (optionally) made available to a multiplier 134 of the performance computer 130 from the input E2. The multiplier 134 (optionally) multiplies the measured values by a constant, eg pi/30, for subsequent determination of the requested shaft power in watts. The multiplication result of the multiplier 134 is provided to an (optional) maximum value selector 135 of the performance calculator 130 . This is also given a constant, for example the value 1. The maximum value selector 135 selects the larger value from the two values provided at the same time. This avoids dividing by zero, for example when the The thrust lever is in a position that requires no thrust and therefore no torque.
Der durch den Maximalwertselektor 135 ausgewählte Wert wird an einen Multiplikator 134 des Leistungsrechners 130 bereitgestellt, ebenso das am Eingang E1 bereitgestellte angeforderte Drehmoment. Dieser Multiplikator 134 des Leistungsrechners 130 multipliziert diese beiden Werte und errechnet so die dem angeforderten Drehmoment entsprechende Leistung, d.h. einen Leistungswert. The value selected by maximum value selector 135 is provided to a multiplier 134 of power computer 130, as is the requested torque provided at input E1. This multiplier 134 of the power calculator 130 multiplies these two values and thus calculates the power corresponding to the requested torque, i.e. a power value.
Der durch den Leistungsrechner 130 berechnete Leistungswert wird an einen (optionalen) Extremwertbegrenzer 133 bereitgestellt. Dieser erhält ferner am Eingang E3 einen Wert für eine maximale abgegebene Leistung der elektrischen Maschine 10 im Motorbetrieb und am Eingang E4 einen Wert für eine maximale aufgenommene Leistung der elektrischen Maschine 10 im Generatorbetrieb. Überschreitet der berechnete Leistungswert die maximale abgegebene Leistung oder unterschreitet der berechnete Leistungswert die maximale aufgenommene Leistung (die Aufnahme der Leistung wird hier beispielhaft mit einem negativen Vorzeichen betrachtet), so gibt der Extremwertbegrenzer 133 den Wert der maximalen abgegebenen Leistung bzw. der maximalen aufgenommenen Leistung aus. Andernfalls gibt der Extremwertbegrenzer 133 den durch den Leistungsrechner 130 berechneten Leistungswert aus. The power value calculated by the power calculator 130 is provided to an (optional) extreme value limiter 133 . At input E3, this also receives a value for a maximum output power of electrical machine 10 in motor operation and at input E4 a value for a maximum input power of electrical machine 10 in generator operation. If the calculated power value exceeds the maximum power output or if the calculated power value falls below the maximum power input (the power input is considered here as an example with a negative sign), then the extreme value limiter 133 outputs the value of the maximum power output or the maximum power input . Otherwise, the peak limiter 133 outputs the power value calculated by the power calculator 130 .
Der berechnete Leistungswert (optional durch den Extremwertbegrenzer 133 begrenzt) wird an den Änderungsratenbegrenzer 131 bereitgestellt. Der Änderungsratenbegrenzer 131 umfasst einen Pufferspeicher, in welchem mindestens ein vorheriger berechneter Leistungswert gespeichert ist. Überschreitet die Differenz zwischen dem aktuell berechneten und am Eingang des Änderungsratenbegrenzers 131 anliegenden Leistungswert und dem gespeicherten Leistungswert einen Maximalwert, dann gibt der Änderungsratenbegrenzer 131 die Summe aus dem gespeicherten Leistungswert und dem Maximalwert aus. Unterschreitet die Differenz zwischen dem aktuell berechneten und am Eingang des Änderungsratenbegrenzers 131 anliegenden Leistungswert und dem gespeicherten Leistungswert den Maximalwert (mit umgekehrtem Vorzeichen), dann gibt der Änderungsratenbegrenzer 131 die Summe aus dem gespeicherten Leistungswert und dem Maximalwert (wiederum mit umgekehrtem Vorzeichen) aus. Andernfalls gibt der
Änderungsratenbegrenzer 131 den anliegenden, aktuell berechneten Leistungswert aus. The calculated power value (optionally limited by peak limiter 133 ) is provided to rate of change limiter 131 . The rate of change limiter 131 includes a buffer memory in which at least one previously calculated power value is stored. If the difference between the power value currently calculated and present at the input of the rate-of-change limiter 131 and the stored power value exceeds a maximum value, then the rate-of-change limiter 131 outputs the sum of the stored power value and the maximum value. If the difference between the power value currently calculated and present at the input of the rate-of-change limiter 131 and the stored power value falls below the maximum value (with the opposite sign), then the rate-of-change limiter 131 outputs the sum of the stored power value and the maximum value (again with the opposite sign). Otherwise the Rate of change limiter 131 from the present, currently calculated power value.
Der Maximalwert wird dabei jeweils relativ berechnet. Der Ausgang des Änderungsratenbegrenzers 131 ist hierzu über einen (optionalen) Verzögerer 136 an einen Multiplikator 134 bereitgestellt. Dieser Multiplikator 134 erhält ferner einen vorbestimmten Wert einer maximalen relativen zeitlichen Veränderung, der an einem Eingang E5 anliegt. Dieser vorgegebene Faktor beträgt z.B. 1 % (also 0,01 ) oder weniger, 5% (also 0,05) oder weniger, 10% (also 0,1 ) oder weniger oder 20% (0,2) oder weniger. Im gezeigten Beispiel beträgt der am Eingang E5 bereitgestellte Wert 10%. Der Eingang E5 kann auch einen internen Speicher der Steuerungseinheit 13 darstellen. Der Multiplikator 134 berechnet somit einen Anteil (z.B. 10%) des am Ausgang des Änderungsratenbegrenzers 131 ausgegebenen änderungsratenbegrenzten Leistungswerts und stellt diesen als Maximalwert an den Änderungsratenbegrenzers 131 für den darauffolgenden Rechenzyklus bereit. Ein optional dazwischengeschalteter Maximalwertselektor 135 wählt aus diesem Wert und einer Konstanten den größeren, z.B. um ein Anfahren aus dem Stillstand zu ermöglichen. Ein Vorzeichenwechsler 137 gibt den Maximalwert der zeitlichen Veränderung mit umgekehrtem Vorzeichen an einen weiteren Eingang des Änderungsratenbegrenzers 131 zum Vergleich bei abfallenden Leistungswerten. The maximum value is calculated relatively in each case. For this purpose, the output of the rate-of-change limiter 131 is provided to a multiplier 134 via an (optional) delay 136 . This multiplier 134 also receives a predetermined value of a maximum relative change over time, which is present at an input E5. This predetermined factor is e.g. 1% (ie 0.01) or less, 5% (ie 0.05) or less, 10% (ie 0.1) or less or 20% (0.2) or less. In the example shown, the value provided at input E5 is 10%. The input E5 can also represent an internal memory of the control unit 13 . The multiplier 134 thus calculates a proportion (e.g. 10%) of the rate-of-change-limited power value output at the output of the rate-of-change limiter 131 and provides this as a maximum value to the rate-of-change limiter 131 for the subsequent computing cycle. An optionally interposed maximum value selector 135 selects the larger value from this value and a constant, e.g. to enable starting from a standstill. A sign changer 137 outputs the maximum value of the change over time with the sign reversed to a further input of the rate-of-change limiter 131 for comparison with falling power values.
Der Änderungsratenbegrenzer 131 kann ferner über einen Eingang E6 mit einem Reset-Signal beaufschlagt werden, um den Pufferspeicher zu löschen und ein Anfahren aus dem Stillstand zu ermöglichen. The rate of change limiter 131 can also be supplied with a reset signal via an input E6 in order to clear the buffer memory and enable a start from standstill.
Der auch bereits an den Multiplikator 134 des Leistungsrechners 130 bereitgestellte, auf dem für die Drehzahl indikativen Messwert basierende Wert wird ebenfalls an einen Divisor 132 bereitgestellt. An den Divisor 132 wird ferner der am Ausgang des Änderungsratenbegrenzers 131 ausgegebene Wert bereitgestellt. Der Divisor 132 errechnet daraus durch Division einen modifizierten Wert des angeforderten Drehmoments. Dieser wird an einem Ausgang A bereitgestellt und z.B. an eine Motorsteuerung der elektrischen Maschine 10 ausgegeben (welche in die Steuerungseinheit 13 integriert oder separat dazu ausgebildet sein kann). Basierend auf diesem Wert wird die elektrische Maschine 10 betrieben. Beispielsweise wird die
elektrische Maschine 10 mit einer diesem Wert entsprechenden Stromstärke beaufschlagt. The value based on the measured value indicative of the speed, which is also already provided to the multiplier 134 of the power calculator 130 , is also provided to a divisor 132 . The value output at the output of the rate-of-change limiter 131 is also provided to the divisor 132 . From this, the divisor 132 calculates a modified value of the requested torque by dividing it. This is provided at an output A and output, for example, to a motor controller of the electrical machine 10 (which can be integrated into the control unit 13 or designed separately therefrom). Electric machine 10 is operated based on this value. For example, the electrical machine 10 is subjected to a current intensity corresponding to this value.
Da die Vibration in Form von Torsionsschwingungen an den für die Drehzahlen indikativen Messwerte enthalten ist, wird mit dieser Steuerung eine Korrektur vorgenommen, die der Vibration entgegenwirkt. Since the vibration in the form of torsional vibrations is included in the readings indicative of the speeds, this control applies a correction that counteracts the vibration.
Figur 3 zeigt das Ergebnis einer Messung wobei parallel zwei Antriebssysteme betrieben wurden, eines ohne die in Figur 2 gezeigten Komponenten der Steuerungseinheit 13 (Kurven K1 bis K4) und eines mit der Steuerungseinheit 13 gemäß Figur 2 (Kurven K5 bis K8). Die Drehmomentwerte der jeweils vier verschiedenen Kurven wurden gegen die Motordrehzahl gleichermaßen mittels Dehnungsmessstreifen an denselben Positionen zwischen jeweils zwei Bauteilen des Getriebes 12 gemessen. Deutlich ersichtlich sind die wesentlich glatter verlaufenden Kurven K5-K8 der Messung mit der aktivierten Steuerungseinheit 13 gemäß Figur 2. Zur besseren Veranschaulichung wurde hierbei jeweils eine Spulenwicklung der elektrischen Maschinen 10 deaktiviert. Ersichtlich konnte selbst eine derartige Störung durch die Steuerungseinheit 13 gemäß Figur 2 geglättet werden. Somit kann die vorgeschlagene Lösung der leistungsratenbegrenzten Drehmomentregelung selbst bei einem Ausfall einzelner Spulenwicklungen die Vibrationen kontrollieren. FIG. 3 shows the result of a measurement in which two drive systems were operated in parallel, one without the components of the control unit 13 shown in FIG. 2 (curves K1 to K4) and one with the control unit 13 according to FIG. 2 (curves K5 to K8). The torque values of each of the four different curves were measured against the engine speed in the same way using strain gauges at the same positions between each two components of the transmission 12 . The significantly smoother curves K5-K8 of the measurement with the activated control unit 13 according to FIG. 2 are clearly visible. For better illustration, one coil winding of the electrical machines 10 was deactivated in each case. It is evident that even such a disturbance could be smoothed out by the control unit 13 according to FIG. Thus, the proposed power rate limited torque control solution can control the vibrations even in the event of a failure of individual coil windings.
Figur 4 zeigt das Ergebnis einer Frequenzanalyse (mittels FFT, schneller Fouriertransformation) beider Antriebssysteme. Die linke Hälfte spiegelt das Ergebnis des Antriebssystems ohne die in Figur 2 gezeigten Komponenten der Steuerungseinheit 13 wieder, die rechte Hälfte das Ergebnis des Antriebssystems mit den in Figur 2 gezeigten Komponenten der Steuerungseinheit 13. Besonders bei der ersten Schwingungsmode (mittels Kreisen hervorgehoben) ist eine Reduktion um 20 dBm ersichtlich. FIG. 4 shows the result of a frequency analysis (using FFT, fast Fourier transformation) of both drive systems. The left half reflects the result of the drive system without the components of the control unit 13 shown in Figure 2, the right half the result of the drive system with the components of the control unit 13 shown in Figure 2 Reduction of 20 dBm visible.
Es sei angemerkt, dass eine Reduktion der Vibrationen insbesondere in einem transienten Betriebszustand (z.B. einer Beschleunigung oder Verzögerung) zu tragen kommt, aber z.B. auch in stationären Betriebszuständen, in denen die Schwingungen selbst Änderungen in der Drehgeschwindigkeit hervorrufen.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beliebige der Merkmale können separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen, und die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale, die hier beschrieben werden, aus und umfasst diese. Es sei beispielsweise angemerkt, dass die in Figur 2 gezeigten Blöcke in Form von Hardware und/oder in Form von Software umgesetzt werden können. It should be noted that a reduction in vibrations is particularly important in a transient operating state (eg acceleration or deceleration), but also, for example, in stationary operating states in which the vibrations themselves cause changes in the rotational speed. It should be understood that the invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications and improvements can be made without departing from the concepts described herein. Any of the features may be employed separately or in combination with any other feature, provided they are not mutually exclusive, and the disclosure extends to and encompasses all combinations and sub-combinations of one or more features described herein. It should be noted, for example, that the blocks shown in FIG. 2 can be implemented in the form of hardware and/or in the form of software.
Ferner ist es möglich, anstelle eines vollelektrischen Antriebs oder eines seriell hybridelektrischen Antriebs einen parallel-hybriden Antrieb einzusetzen, worin eine Gasturbine oder eine andere Verbrennungsmaschine und eine elektrische Maschine beide mechanisch antreiben.
Furthermore, it is possible to use a parallel hybrid drive instead of a fully electric drive or a serial hybrid electric drive, in which a gas turbine or another internal combustion engine and an electric machine both drive mechanically.
Bezugszeichenliste Reference List
1 System 1 system
10 elektrische Maschine 10 electric machine
11 Rotor 11 rotors
110 Propeller 110 propellers
12 Getriebe 12 gears
13 Steuerungseinheit 13 control unit
130 Leistungsrechner 130 Performance Calculator
131 Änderungsratenbegrenzer131 rate of change limiter
132 Divisor 132 divisor
133 Extremwertbegrenzer133 peak limiter
134 Multiplikator 134 multiplier
135 Maximalwertselektor 135 maximum value selector
136 Verzögerer 136 retarders
137 Vorzeichenwechsler 137 sign changer
14 Batterie 14 battery
15 Gasturbine 15 gas turbine
16 Generator 16 alternators
17 Drehzahlmesser 17 tachometer
2 Luftfahrzeug 2 aircraft
A Ausgang A exit
E1-E6 Eingang E1-E6 input
K1-K8 Kurve
K1-K8 curve
Claims
1. System (1 ), umfassend eine elektrische Maschine (10), einen Rotor (11 ), ein Getriebe (12), über welches der Rotor (11 ) mit der elektrischen Maschine (10) gekoppelt ist, und eine Steuerungseinheit (13) mit: einem Rechner (130), der dazu eingerichtet ist, a) Werte angeforderter Drehmomente und für Drehzahlen indikative Messwerte zu erfassen und daraus Leistungswerte als Ausgangswerte zu berechnen oder b) Werte angeforderter Leistungen und für Drehzahlen indikative Messwerte zu erfassen und daraus Drehmomentwerte als Ausgangswerte zu berechnen, und einem Änderungsratenbegrenzer (131 ), der dazu eingerichtet ist, die berechneten Ausgangswerte zu erhalten und eine zeitliche Veränderung der berechneten Ausgangswerte auf einen Maximalwert zu begrenzen, um einen änderungsratenbegrenzten Ausgangswert zu erhalten, wobei die Steuerungseinheit (13) dazu eingerichtet ist, die elektrische Maschine (10) basierend auf dem änderungsratenbegrenzten Ausgangswert zu steuern. 1. System (1), comprising an electric machine (10), a rotor (11), a transmission (12), via which the rotor (11) is coupled to the electric machine (10), and a control unit (13) with: a computer (130), which is set up to a) record values of required torques and measured values indicative of speeds and calculate power values therefrom as starting values or b) values of required performances and measured values indicative of speeds and use them to record torque values as starting values and a rate-of-change limiter (131) that is set up to obtain the calculated output values and to limit a change in the calculated output values over time to a maximum value in order to obtain a rate-of-change-limited output value, the control unit (13) being set up to to control the electric machine (10) based on the rate of change limited output value.
2. System (1 ) nach Anspruch 1 , ferner umfassend einen Drehzahlmesser (17) zum Erfassen der für Drehzahlen indikativen Messwerte. 2. System (1) according to claim 1, further comprising a tachometer (17) for detecting the indicative of speeds measured values.
3. System (1 ) nach Anspruch 2, wobei der Drehzahlmesser (17) dazu eingerichtet ist, die Drehzahl der elektrischen Maschine (10) zu messen. 3. System (1) according to claim 2, wherein the tachometer (17) is adapted to measure the speed of the electric machine (10).
4. System (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine (10) in Form eines Elektromotors ausgebildet ist. 4. System (1) according to any one of the preceding claims, wherein the electrical machine (10) is designed in the form of an electric motor.
5. System (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (11 ) eine Strömungsmaschine umfasst, insbesondere einen Propeller (110). 5. System (1) according to any one of the preceding claims, wherein the rotor (11) comprises a turbomachine, in particular a propeller (110).
6. System (1 ) nach Anspruch 5, wobei die Strömungsmaschine Rotorblätter oder Schaufeln mit einstellbarem Anstellwinkel umfasst. 6. System (1) according to claim 5, wherein the turbomachine comprises rotor blades or vanes with adjustable pitch.
7. System (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Getriebe (12)
eine höhere Drehzahl der elektrischen Maschine (10) in eine im Vergleich dazu niedrigere Drehzahl des Rotors (11 ) übersetzt. 7. System (1) according to any one of the preceding claims, wherein the transmission (12) translates a higher speed of the electric machine (10) into a comparatively lower speed of the rotor (11).
8. System (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Änderungsratenbegrenzer (131 ) dazu eingerichtet ist, die zeitliche Veränderung eines berechneten Ausgangswerts jeweils durch einen Vergleich mit zumindest einem zuvor berechneten Ausgangswert zu ermitteln. 8. System (1) according to one of the preceding claims, wherein the change rate limiter (131) is set up to determine the change over time in a calculated output value in each case by a comparison with at least one previously calculated output value.
9. System (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerungseinheit (13) ferner einen Divisor (132) umfasst, der dazu eingerichtet ist, basierend auf dem änderungsratenbegrenzten Leistungswert als Ausgangswert und den für Drehzahlen indikativen Messwerten einen modifizierten Drehmomentwert zu berechnen. 9. System (1) according to any one of the preceding claims, wherein the control unit (13) further comprises a divisor (132) which is set up to calculate a modified torque value based on the rate-of-change-limited power value as an output value and the measured values indicative of speeds.
10. System (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerungseinheit (13) einen Extremwertbegrenzer (133) umfasst, der dazu eingerichtet ist, den jeweils berechneten Ausgangswert vom Rechner (130) zu erhalten, durch einen maximalen Ausgangswert und/oder einen minimalen Ausgangswert zu beschränken und den beschränkten Ausgangswert an den Änderungsratenbegrenzer (131 ) auszugeben. 10. System (1) according to one of the preceding claims, wherein the control unit (13) comprises an extreme value limiter (133) which is set up to obtain the respectively calculated output value from the computer (130) by a maximum output value and/or a constrain the minimum output value and output the constrained output value to the slew rate limiter (131).
11 . System (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Maximalwert des Änderungsratenbegrenzers (131 ) auf einem zuvor berechneten änderungsratenbegrenzten Ausgangswert basiert. 11 . The system (1) of any preceding claim, wherein the maximum value of the slew rate limiter (131) is based on a previously calculated slew rate limited output value.
12. System (1 ) nach Anspruch 11 , wobei die Steuerungseinheit (13) einen Multiplikator (134) umfasst, der dazu eingerichtet ist, einen änderungsratenbegrenzten Leistungswert als Ausgangswert vom Änderungsratenbegrenzer (131 ) zu erhalten und mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Faktor zu multiplizieren. 12. System (1) according to claim 11, wherein the control unit (13) comprises a multiplier (134) which is set up to receive a rate-of-change-limited power value as an output value from the rate-of-change limiter (131) and to multiply it by a predetermined or specifiable factor.
13. System (1 ) nach Anspruch 12, wobei der vorgegebene Faktor kleiner als 1 ist, optional 0,1 oder weniger beträgt.
- 16 - Fahrzeug, insbesondere Luftfahrzeug (2), umfassend das System (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Antriebssystem. Verfahren zur Steuerung einer über ein Getriebe (12) mit einem Rotor (11 ) gekoppelten elektrischen Maschine (10), umfassend: 13. System (1) according to claim 12, wherein the predetermined factor is less than 1, optionally 0.1 or less. - 16 - Vehicle, in particular aircraft (2), comprising the system (1) according to one of the preceding claims as a drive system. Method for controlling an electric machine (10) coupled to a rotor (11) via a transmission (12), comprising:
- Erfassen, mittels einer Steuerungseinheit (13), a) von Werten angeforderter Drehmomente und für Drehzahlen indikativen Messwerten und Berechnen von Leistungswerten als Ausgangswerte daraus oder b) von Werten angeforderter Leistungen und für Drehzahlen indikativen Messwerten und Berechnen von Leistungswerten als Ausgangswerte daraus, - detecting, by means of a control unit (13), a) values of requested torques and measured values indicative of speeds and calculation of power values as output values therefrom or b) values of requested power and measured values indicative of speeds and calculation of power values as output values therefrom,
- Begrenzen, mittels der Steuerungseinheit (13), einer zeitlichen Veränderung der berechneten Ausgangswerte auf einen Maximalwert, um einen änderungsratenbegrenzten Ausgangswert zu erhalten, und - limiting, by means of the control unit (13), a change over time in the calculated output values to a maximum value in order to obtain an output value with a rate-of-change limitation, and
- Steuern, mittels der Steuerungseinheit (13), der elektrischen Maschine (10) basierend auf dem änderungsratenbegrenzten Ausgangswert. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die elektrische Maschine (10), der Rotor (11 ), das Getriebe (12) und die Steuerungseinheit (13) Teil des Systems (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 sind.
- Controlling, by means of the control unit (13), the electrical machine (10) based on the rate-of-change-limited output value. The method of claim 15, wherein the electric machine (10), the rotor (11), the transmission (12) and the control unit (13) are part of the system (1) according to any one of claims 1 to 13.
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