DE102006027713A1

DE102006027713A1 - Online-Steuerung des minimalen Kupferverlusts der Synchronmaschine mit innerem Permanentmagneten für Kraftfahrzeuganwendungen

Info

Publication number: DE102006027713A1
Application number: DE102006027713A
Authority: DE
Inventors: Yu-Seok Jeong; Seung Ki Sul; Silva Redondo Beach Hilti; Khwaja Troy Rahman; Bon-Ho Torrance Bae
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-06-17
Filing date: 2006-06-14
Publication date: 2007-02-22
Also published as: US7667426B2; US20060284582A1; JP2006353091A

Abstract

Ein System und Verfahren zum Steuern einer IPM-Synchronmaschine in einem Fahrzeug, die eine Betriebstrajektorie der Maschine online berechnen. Das System definiert anhand der Spannungsgröße drei Betriebsbereiche der Maschine, wobei ein erster Betriebsbereich durch eine Stromgrenze der Maschine gesteuert wird, während zweite und dritte Betriebsbereiche durch eine Spannungsgrenze der Maschine gesteuert werden. Das System berechnet die Stromreferenzsignale der d- und q-Achsen im Rotor-Bezugssystem für jeden der drei Bereiche. Das System bestimmt anhand des Betriebsbereichs, welche Menge der Stromreferenzsignale verwendet wird, um die Maschine zu steuern. Der dritte Betriebsbereich wird während der Übermodulation der Maschine verwendet.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein System zum Steuern einer Permanentmagnet-Maschine und insbesondere auf ein System zur Bereitstellung von Echtzeit-Stromreferenzsignalen auf den d- und q-Achsen für die Steuerung der Drehmomentausgabe einer Synchronmaschine mit innerem Permanentmagneten (IPM-Synchronmaschine), die den Kupferverlust minimiert, wobei das System die inhärenten und nichtlinearen magnetischen Sättigungseffekte der Maschine berücksichtigt.
2. Diskussion des Standes der Technik
IPM-Synchronmaschinen sind als Folge ihres hohen Wirkungsgrades und ihres ausgedehnten Drehzahlbereichs für bestimmte Kraftfahrzeuganwendungen populär geworden. Diese Anwendungen umfassen die Verwendung der Maschinen als ein integrierter Anlasser/Drehstromgenerator in Fahrzeugen mit Brennkraftmaschine und/oder einem Fahrmotor in Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen. Die IPM-Synchronmaschine ist eine Dreiphasen-Wechselstrommaschine, die drei Spulen im Stator der Maschine und einen Permanentmagneten im Rotor der Maschine enthält. Die Statorspulen empfangen Dreiphasen-Strombefehlsignale, die aus den Strombefehlssignalen der d- und q-Achsen umgesetzt werden, die um 90° gegeneinander phasenverschoben sind, die das Drehmoment und die Drehzahl der Maschine steuern. Für einen speziellen Drehmomentbefehl von der Bedienungsperson des Fahrzeugs werden die Strombefehlssignale so ausgewählt, dass sie einen minimalen Kupferverlust für dieses Drehmoment ergeben. Ferner erzeugen die geeigneten Strombefehlssignale das maximale Drehmoment von der Maschine für bestimmte Betriebsbedingungen.
Während des Betriebs des Fahrzeugs sind vordem die an die IPM-Synchronmaschine für ein spezielles befohlenes Drehmoment oder für ein maximales Drehmoment angelegten Strombefehlsignale von Nachschlagtabellen bereitgestellt worden. Die Nachschlagtabellen werden aus dem Betreiben einer äquivalenten Maschine an einem Dynamometer offline unter verschiedenen Betriebsbedingungen des Fahrzeugs und dem Speichern der Befehlsignale, die den besten Wirkungsgrad für ein befohlenes Drehmoment schaffen, erzeugt. Im Allgemeinen sind die Strombefehlsignale in der Nachschlagtabelle als die Stromreferenzwerte der d- und q-Achsen im Rotor-Bezugssystem gespeichert, wie es im Stand der Technik wohlbekannt ist.
Die Nachschlagtabellen können für Laborbedingungen die richtigen Strombefehlsignale bereitstellen. Die Betriebsparameter eines Fahrzeugs ändern sich jedoch in Reaktion auf Temperaturänderungen, die Alterung des Fahrzeugs usw. Deshalb können die Nachschlagtabellenwerte nicht den optimalen Maschinenwirkungsgrad für ein spezielles befohlenes Drehmoment während des Normalbetriebs des Fahrzeugs bereitstellen. Es ist deshalb erwünscht, eine Technik zum Bestimmen der an die IPM-Maschine angelegten Strombefehlsignale in Echtzeit für die speziellen Betriebsbedingungen des Fahrzeugs zu schaffen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein System und ein Verfahren zum Steuern einer IPM-Synchronmaschine in einem Fahrzeug offenbart, die eine Betriebstrajektorie der Maschine online berechnen. Das System definiert drei Betriebsbereiche der Maschine anhand der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, wobei ein erster Betriebsbereich durch eine Stromgrenze der Maschine gesteuert wird, während zweite und dritte Betriebsbereiche durch eine Spannungsgrenze der Maschine gesteuert werden. Das System berechnet zwei Stromreferenzsignale für die d- und q-Achsen im Rotor-Bezugssystem für jeden der drei Bereiche. Das System bestimmt anhand des Betriebsbereichs, in dem sich das Fahrzeug befindet, welche Menge der Stromreferenzsignale verwendet wird, um die Maschine zu steuern. Der dritte Betriebsbereich wird während der Übermodulation der Maschine verwendet.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu nehmen sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 eine graphische Darstellung mit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs auf der horizontalen Achse und dem Drehmoment auf der vertikalen Achse, die die Betriebsbereiche eines Fahrzeugs zeigt, das eine IPM-Synchronmaschine verwendet;
2 ist eine graphische Darstellung eines Ablaufplans für einen Algo rithmus, der die Stromreferenzsignale erzeugt, die verwendet werden, um eine IPM-Synchronmaschine zu steuern, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
3 ist ein schematischer Blockschaltplan eines Steuersystems zum Steuern einer IPM-Synchronmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
GENAUE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Erörterung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum Steuern einer IPM-Synchronmaschine gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Art, wobei keineswegs vorgesehen ist, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken.
Gemäß der Erfindung werden ein System und ein Steueralgorithmus zum Steuern einer IPM-Synchronmaschine offenbart, die die optimale Betriebstrajektorie der Maschine online berechnen, anstatt gespeicherte Nachschlagtabellen zu verwenden, die durch Offline-Motorcharakterisierungsprozesse erhalten werden. Der Algorithmus berechnet die Stromreferenzsignale der d- und q-Achsen im ganzen Betriebsbereich online, die die Steuersignale für die Maschine definieren, wobei die inhärente nichtlineare magnetische Sättigungswirkung der IPM-Maschine berücksichtigt wird. Die Amplitude des Stromvektors wird minimiert, um ein erforderliches Drehmoment zu erzeugen, das vorgesehen ist, um den Kupferverlust zu minimieren. Der Algorithmus nähert sich dem Betrieb mit minimalem Kupferverlust als eine nichtlinear eingeschränkte Optimierung, wobei die Drehmomentbedingung die Gleichheits-Randbedingung ist, während die Kapazität des Wechselrichters, d. h. die Strom- und Spannungsgröße, zwei Ungleichheits-Randbedingungen ergibt. Dies ergibt zwei Mengen von nichtlinearen Gleichungen, die vom Betriebsbereich des Fahrzeugs abhängen.
1 ist eine graphische Darstellung mit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs auf der horizontalen Achse und dem Drehmoment des Motors auf der vertikalen Achse, die den Betriebsbereich einer IPM-Synchronmaschine in einem Fahrzeug zeigt. Die graphische Darstellung enthält drei Betriebsbereiche 10, 12 und 14, wobei sie anhand der Geschwindigkeit des Fahrzeugs eine maximale Stromgrenze und eine Spannungsgrenze definiert, wie im Folgenden erörtert ist. Wie im Folgenden weiter erörtert ist, ist der Bereich 10 ein Betriebsbereich mit minimalem Strom, der eine Drehmoment-Fehlergleichung und eine Gradienten-Fehlergleichung erzeugt, die den Fehler zwischen dem Gradienten der Drehmomentkurve und dem des Stromkreises am Arbeitspunkt der Maschine im Rotor-Bezugssystem beschreiben. Die Bereiche 12 und 14 sind Betriebsbereiche mit maximaler Spannung, die die Drehmoment-Fehlergleichung und eine Spannungs-Fehlergleichung erzeugen, die den Fehler zwischen der Nennspannung und der Betriebsspannung im Rotor-Bezugssystem beschreiben.
Das Maschinensystem enthält einen Wechselrichter, der eine Gleichspannung von einer geeigneten Leistungsquelle, wie z. B. einer Batterie oder einem Brennstoffzellenmodul, in eine Wechselspannung umsetzt, die die Statorströme der Maschine steuert, um das gewünschte Ausgangsdrehmoment zu schaffen. Der Wechselrichter enthält Halbleiterschalter, die einen maximalen Strom besitzen, dem sie widerstehen können, bevor sie beschädigt werden. Deshalb ist es notwendig, diese maximale Stromgrenze nicht zu überschreiten, wenn die Strombefehlsignale für die Betriebsbedingungen der Maschine bereitgestellt werden. Ferner kann die Leistungs quelle nur eine bestimmte maximale Spannung bereitstellen. Deshalb sind die Strombefehlsignale, die die Maschine steuern, sowohl durch eine Stromgrenze als auch durch eine Spannungsgrenze eingeschränkt. Insbesondere bei niedrigen Drehzahlen ist die von der Leistungsquelle verfügbare Spannung ausreichend, um das gewünschte Drehmoment bereitzustellen, wobei deshalb die Maschine anhand der Stromgrenze gesteuert werden kann. Da die Drehzahl der Maschine für höhere Drehmoment-Anforderungen zunimmt, steuert die Fähigkeit der Leistungsquelle, die notwendige Spannung bereitzustellen, um das Drehmoment aufrechtzuerhalten, wie viel Drehmoment die Maschine erzeugen kann, ohne sich mit der Stromgrenze der Schalter befassen zu müssen.
Wie im Folgenden ausführlicher erörtert wird, werden in Abhängigkeit davon, in welchem Bereich 10, 12 oder 14 die Maschine arbeitet, ein Stromreferenzsignal für die d-Achse und ein Stromreferenzsignal für die q-Achse unterschiedlich berechnet. Deshalb bestimmt der Steueralgorithmus der Erfindung, in welchem Bereich 10, 12 oder 14 die IPM-Synchronmaschine gegenwärtig arbeitet, so dass er weiß, welche Gleichungen zu verwenden sind, um die Stromreferenzsignale der d- und q-Achsen zu berechnen, die die Dreiphasenströme definieren, die an den Stator der Maschine angelegt werden.
Der Zustand oder das Spannungsmodell einer IPM-Synchronmaschine im Rotor-Bezugssystem kann als:
ausgedrückt werden, wobei λ r / dq = f(i r / dq, Λ_m) und Λ_m die Rotor-Magnetflussverkettung definieren.
Die statischen und dynamischen Induktivitäten der Maschine können als:
definiert werden.
Das elektromagnetische Drehmoment τ_e mit P Polen ist als:
definiert.
Die Steuerung des minimalen Kupferverlustes kann als eine nichtlinear eingeschränkte Optimierung als:
interpretiert werden. Die Spannungs-Randbedingung liefert eine elliptische Randbedingung in der d-q-Stromebene.
Unter der Annahme, dass es zwei nichtlineare Funktionen f(i r / d, i r / q) und g(i r / d, i r / q) gibt, kann die Lösung
für f = g = 0 durch ein numerisches Verfahren bestimmt werden:
Für das Sekantenverfahren wird die Richtungsmatrix in Gleichung (5)
Für das Newtonverfahren wird die Richtungsmatrix in Gleichung (5):
Das nichtlineare System für die eingeschränkte Optimierung im Bereich 10 kann durch die folgenden Gleichungen (8) und (9) ausgedrückt werden, wobei die Wirkung der Kreuzkopplung vernachlässigt wird und angenommen wird, dass die Flussverkettungen der d- und q-Achsen nur Funktionen des entsprechenden Achsenstroms sind.
Die Gleichung (9) kommt aus der Gradientenbedingung, die bedeutet, dass die Neigung der Tangente sowohl der Drehmomentkurve als auch des Stromkreises am Arbeitspunkt gleich sein sollten. Es sollte angegeben werden, dass die Koeffizienten nicht die statischen Induktivitäten, sondern die dynamischen Induktivitäten sind.
Anhand der obigen Berechnungen werden die Stromreferenzsignale
und
bei niedrigen Geschwindigkeiten des Fahrzeugs im Betriebsbereich 10 mit minimalem Strom gemäß dem Sekantenverfahren in Gleichung (10) bzw. gemäß dem Newtonverfahren in Gleichung (11) etwa berechnet:
Beim Newtonverfahren kann die partielle Ableitung der dynamischen Induktivität, die die zweite Ableitung der Flussverkettung in Bezug auf den entsprechenden Achsenstrom ist, für die Einfachheit der Berechnung vernachlässigt werden.
Wenn sich die Drehzahl der Maschine in den Bereich 12 vergrößert, vergrößert sich auch die Amplitude des Spannungsvektors. Bei hohen Geschwindigkeiten des Fahrzeugs sollte die Steuerung des minimalen Kupferverlusts die Spannungsbedingung berücksichtigen.
Die Gleichung (13) wird aus dem Spannungsmodell im eingeschwungenen Zustand abgeleitet. Zurückzuführen auf die Wirkung des Statorwiderstandes sind die Lösungen der Gleichung (14) im Folgenden zur d-Achse nicht genau symmetrisch, wenn die IPM-Synchronmaschine als ein Motor oder als ein Generator arbeitet. Die Stromreferenzsignale
und
im Betriebsbereich 12 mit maximaler Spannung werden gemäß dem Sekantenverfahren aus Gleichung (14) bzw. gemäß dem Newtonverfahren aus Gleichung (15) etwa durch:
berechnet. Beim Newtonverfahren kann das Quadrat des Statorwiderstandes für die Einfachheit der Berechnung vernachlässigt werden.
Falls die Drehmomentreferenz jenseits ihrer maximalen Grenze beim linearen Spannungsbereich liegt, ist der Übermodulations-Betrieb der Maschine erforderlich, um der Drehmomentreferenz und der Stromreferenz für den Betrieb mit maximalem Drehmoment zu entsprechen, die etwa berechnet werden können, indem die Spannungsgrenze allmählich von der linearen Grenze V_dc/√3 bis zur Sechs-Schritt-Grenze 2V_dc/π entwickelt wird. Die Stromreferenzsignale gemäß einer konstanten Drehmomentreferenz können jedoch nicht konstant sein, was nicht erwünscht ist. Deshalb werden die folgenden Gleichungen (16)-(18) verwendet, um die Stromreferenzsignale gemäß einer konstanten Drehmomentreferenz und dem Übermodulations-Betrieb für den Betriebsbereich 14 festzulegen. nicht genau symmetrisch, wenn die IPM-Synchronmaschine als ein Motor oder als ein Generator arbeitet. Die Stromreferenzsignale
und
im Betriebsbereich 12 mit maximaler Spannung werden gemäß dem Sekantenverfahren aus Gleichung (14) bzw. gemäß dem Newtonverfahren aus Gleichung (15) etwa durch:
berechnet. Beim Newtonverfahren kann das Quadrat des Statorwiderstandes für die Einfachheit der Berechnung vernachlässigt werden.
Falls die Drehmomentreferenz jenseits ihrer maximalen Grenze beim linearen Spannungsbereich liegt, ist der Übermodulations-Betrieb der Maschine erforderlich, um der Drehmomentreferenz und der Stromreferenz für den Betrieb mit maximalem Drehmoment zu entsprechen, die etwa berechnet werden können, indem die Spannungsgrenze allmählich von der linearen Grenze V_dc/√3 bis zur Sechs-Schritt-Grenze 2V_dc/π entwickelt wird. Die Stromreferenzsignale gemäß einer konstanten Drehmomentreferenz können jedoch nicht konstant sein, was nicht erwünscht ist. Deshalb werden die folgenden Gleichungen (16)-(18) verwendet, um die Stromreferenzsignale gemäß einer konstanten Drehmomentreferenz und dem Übermodulations-Betrieb für den Betriebsbereich 14 festzulegen.
Der Punkt (I r / d, I r / q) ist etwa der durch die Gleichung (14) oder (15) beim maximalen Drehmoment beim linearen Spannungsbereich berechnete Punkt. Entsprechend der graphischen Interpretation der Gleichung (16) liegt die Stromreferenz auf einer Parabel, deren Scheitelpunkt der Mittelpunkt der Spannungsellipse ist.
Die durch die Gleichung (10) oder (11) im Bereich 10, die Gleichung (14) oder (15) im Bereich 12 und die Gleichung (18) im Bereich 14 berechneten Stromreferenzen sollten auf ihren Maximalwert begrenzt sein. Falls der durch die Gleichungen (8) und (12) berechnete Drehmomentfehler seinen Maximalwert übersteigt, ist er darauf eingeschränkt, nicht positiv zu sein, wobei die Stromreferenz modifiziert wird, damit sie die Größe ihres Maximums besitzt:
Die Werte V_dc und i r / d, i r / q sind die gemessene Verkettungs-Gleichspannung und die aus den gemessenen Phasenströmen der Maschine umge setzten Ströme der d- und q-Achsen im Rotor-Bezugssystem. Die Gleichungen (10) und (14) gemäß dem Sekantenverfahren oder die Gleichungen (11) und (15) gemäß dem Newtonverfahren und die Gleichung (18) bestimmen die Stromreferenzsignale
und
der d- und q-Achsen im Motor-Bezugssystem für die Bereiche 10, 12 bzw. 14. Diese Stromreferenzsignale
und
werden dann verwendet, um die drei Stromsignale a, b und c zu bestimmen, die an die drei Spulen im Stator der Maschine angelegt werden, um das Ausgangsdrehmoment der Maschine in einer Weise zu steuern, die im Stand der Technik wohlbekannt ist. Die Gleichungen (10), (11), (14), (15) und (18) berücksichtigen die Sättigung der Synchronmaschine, die dann die optimalen Strombefehle bereitstellen können.
2 ist eine graphische Darstellung eines Ablaufplans 20, der die Operation des Bestimmens und Verwendens der Stromreferenzsignale
und
für die Maschine in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen zeigt. In den Blöcken 21 und 23 werden die Gleichungen (10) und (14) verwendet, falls das Sekanten-Verfahren gewählt wird. Falls das Newton-Verfahren gewählt wird, werden in den Blöcken 21 und 23 die Gleichungen (11) und (15) verwendet. In dem Übermodulationsbereich bestimmt Gleichung (18) die d- und q-Achsen-Stromreferenzsignale
und
in dem Rotorreferenzrahmen. Der Algorithmus identifiziert den Betriebsbereich unter den Bereichen 10, 12 und 14 anhand der Spannungsbedingung im Kasten 22 und der Gradientenbedingung im Kasten 24. Im Entscheidungsrhombus 25 bestimmt der Algorithmus, ob sowohl der Spannungsfehler als auch der Gradientenfehler negativ sind. Falls diese Bedingung erfüllt ist, weiß der Algorithmus im Kasten 30, dass die Fahrgeschwindigkeit niedrig genug für den Bereich 12 ist, wo nur die Stromgrenze aktiv ist, weshalb im Kasten 33 die durch Gleichung (10) durch das Sekanten-Verfahren oder durch Gleichung (11) durch das Newton-Verfahren berechnete Stromreferenz gewählt wird.
Wenn im Entscheidungsrhombus 25 die Bedingung nicht erfüllt ist, dann bestimmt der Algorithmus im Entscheidungsrhombus 26, ob sowohl der Spannungsfehler als auch der Gradientenfehler positiv sind. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, dann weiß der Algorithmus, dass die Geschwindigkeit des Fahrzeugs hoch genug ist, wo die Spannungsgrenze steuert, wobei er unter Verwendung der linearen Spannungsgrenze im Entscheidungsrhombus 29 bestimmt, ob die Drehmomentreferenz höher als das maximale verfügbare Drehmoment ist. Im Kasten 28 berechnet der Algorithmus τ_e durch die Gleichung (17). Wenn im Entscheidungsrhombus 26 die Bedingung nicht erfüllt ist, dann geht der Algorithmus zum Kasten 33, falls sich die Maschine im Entscheidungsrhombus 27 im Bereich 12 befindet. Wenn im Entscheidungsrhombus 29 die Bedingung nicht erfüllt ist, wird die in der Gleichung (14) gemäß dem Sekantenverfahren oder die in der Gleichung (15) gemäß dem Newtonverfahren berechnete Stromreferenz im Kasten 34 für den Bereich 14 im Kasten 31 ausgewählt. Andernfalls verwendet der Algorithmus das Stromreferenzsignal aus der Gleichung (18) im Kasten 35 für den Bereich 16 im Kasten 32. Schließlich wird die Stromreferenz auf ihren Maximalwert im Kasten 36 begrenzt.
3 ist ein Blockschaltplan eines Steuersystems 40 zum Steuern der an eine IPM-Synchronmaschine 60 angelegten Strombefehlssignale. Die Maschine 60 enthält einen Stator 62, der drei Statorspulen 64, 66 und 68 enthält. Die Maschine 60 enthält außerdem einen Rotor 70, der einen Permanentmagneten 72 enthält. Ein Wechselrichter 74 setzt die Gleichspannung von einer Gleichstrom-Leistungsquelle, wie z. B. einer Batterie, um. Der Wechselrichter 74 enthält sechs MOSFET-Schalter 76 und sechs Dioden 78, um die Umsetzung für die drei an die Spulen 64, 66 und 68 angelegten Stromsignale a, b und c zu schaffen. Eine E/A-Schnittstelle 80 empfängt die durch die Raumvektor-Pulsbreitenmodulation unter Verwendung von v s / dq, die im Folgenden erörtert ist, berechneten Auftast-Signale vom Steuersystem 40 und steuert die Schalter 76, um die an die Spulen 64, 66 und 68 angelegten Stromsignale bereitzustellen. Außerdem stellt die E/A-Schnittstelle 80 ein Rotorpositionssignal θ_r der gemessenen Rotorposition und ein aus dem gemessenen Strom der Spulen 64, 66 und 68 umgesetztes Stromsignal i s / dq bereit.
Das Steuersystem 40 enthält eine Befehlsoptimierungseinrichtung 42, die die Gleichung (10) oder (14) im Bereich 12, die Gleichung (11) oder (15) im Bereich 14 und die Gleichung (18) im Bereich 16 berechnet und in Übereinstimmung mit der obigen Erörterung bestimmt, welches der Stromreferenzsignale auf der d- und q-Achse des Rotor-Bezugssystems verwendet wird. Es sollte angegeben werden, dass ein (nicht gezeigtes) Tiefpassfilter verwendet wird, um das Rauschen aus dem gemessenen Stromsignal i s / dq für die Approximation der ersten Ableitung der Flussverkettung unter Verwendung der dividierten Differenz ("divided difference") zu unterdrücken. Die Stromreferenzsignale
von der Befehlsoptimierungseinrichtung 42 werden zu einer Stromsteuereinrichtung 44 gesendet, die den an die Maschine 60 angelegten Wirkstrom steuert, der dem Stromsignal folgt. Die Stromsteuereinrichtung 44 ist als eine Proportional-Integral-Steuereinrichtung (PI-Steuereinrichtung) im Rotor-Bezugssystem mit den Gegen-EMK-Entkopplungstermen implementiert. Die Stromsteuereinrichtung 44 gibt eine Spannungsreferenz
aus.
Das gemessene Rotorpositionssignal θ_r und das gemessene Stromsignal i s / dq befinden sich in dem durch die physikalischen Koordinaten der Maschine 60 definierten stationären Bezugssystem. Die Berechnungen im Steuersystem 40 werden im Rotor-Bezugssystem ausgeführt. Deshalb werden das gemessene Rotorpositionssignal θ_r und das gemessene Stromsignal i s / dq an einen Transformationsblock 46 angelegt, der das gemessene Stromsignal i s / dq in das Rotor-Bezugssystem umsetzt. Das gemessene Stromsignal i r / dq im Rotor-Bezugssystem wird dann an die Befehlsoptimierungseinrichtung 42, die Stromsteuereinrichtung 44 und einen Fluss- und Induktivitäts-Schätzeinrichtungs-Prozessblock 48 gesendet. Der Fluss- und Induktivitäts-Schätzeinrichtungs-Prozessblock 48 erzeugt einen Flussschätzwert λ ^ r / dq und einen Schätzwert L_dd, L_qq der dynamischen Induktivität, die durch die Befehlsoptimierungseinrichtung 42 verwendet werden, um die Gleichungen (11) und (15) zu berechnen. Die Stromsteuereinrichtung 44 empfängt außerdem den Flussschätzwert. Die Flussverkettungs-Informationen sind für die Berechnung der Stromreferenz entweder gemäß dem Sekantenverfahren oder gemäß dem Newtonverfahren entscheidend. Es können Nachschlagtabellen verwendet werden, um die Flussverkettungs-Informationen von den Strömen im Rotor-Bezugssystem zu erhalten.
Die gemessene Rotorposition θ_r wird an einen Drehzahlbeobachtungseinrichtungs-Prozessblock 50 angelegt, der das Rotor-Drehzahlsignal ω ^_r aus dem Rotor-Positionssignal θ_r schätzt. Die geschätzte Drehzahl wird verwendet, um im Befehlsoptimierungseinrichtungsblock 42 den Betriebsbe reich zu identifizieren und um die Gegen-EMK im Stromsteuereinrichtungsblock 44 zu entkoppeln.
Das gemessene Rotorpositionssignal θ_r wird außerdem an einen Transformationsblock 52 angelegt, der das Spannungssignal
vom Rotor-Bezugssystem in das stationäre Bezugssystem umsetzt, das verwendet wird, um die Maschine 60 zu steuern. Das Steuersystem 40 enthält außerdem eine Begrenzungseinrichtung 54, die eine physikalische Grenze für die Spannungsausgabe v s / dq des Steuersystems 40 bereitstellt, so dass die Spannungsgrenze der Maschine 60 nicht überschritten wird.
Die vorangehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann erkennt ohne weiteres anhand der Diskussion und der beigefügten Zeichnungen und Ansprüche, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsgedanken und vom Umfang der Erfindung wie in den folgenden Ansprüchen definiert abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Berechnen der Stromsteuersignale zum Steuern einer Maschine, die sich in einem Fahrzeug befindet, wobei das Verfahren umfasst: Bestimmen eines Betriebsbereichs der Maschine anhand der Spannungsgrenze eines Wechselrichters in der Maschine; Berechnen eines Stromreferenzsignals zum Steuern des Drehmoments der Maschine anhand des bestimmten Betriebsbereichs, wobei das Berechnen des Stromreferenzsignals die Verwendung einer von mehreren Gleichungen enthält, die das Stromreferenzsignal anhand des bestimmten Betriebsbereichs optimieren; und Anlegen der Stromsteuersignale an die Maschine anhand des berechneten Stromreferenzsignals.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Bestimmen eines Betriebsbereichs der Maschine das Bestimmen eines ersten Betriebsbereichs der Maschine bei relativ niedrigen Geschwindigkeiten des Fahrzeugs und das Bestimmen eines zweiten Betriebsbereichs der Maschine bei relativ hohen Geschwindigkeiten des Fahrzeugs umfasst, wobei der erste Betriebsbereich durch eine Stromgrenze gesteuert wird, während der zweite Betriebsbereich durch eine Spannungsgrenze gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Bestimmen eines Betriebsbereichs des Fahrzeugs das Bestimmen eines dritten Betriebsbereichs der Maschine bei relativ hohen Geschwindigkeiten des Fahrzeugs umfasst, wobei der dritte Betriebsbereich der Maschine durch die Spannungsgrenze gesteuert wird, wobei sich die Maschine in einem Übermodulations-Betrieb befindet.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Berechnen eines Stromreferenzsignals das Berechnen eines Stromreferenzsignals der d-Achse und eines Stromreferenzsignals der q-Achse im Rotor-Bezugssystem umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Berechnen eines Stromreferenzsignals das Berechnen des Stromreferenzsignals für den ersten Betriebsbereich als:
umfasst, wobei
das Stromreferenzsignal der d-Achse ist,
das Stromreferenzsignal der q-Achse ist, L_dd die dynamische Induktivität der d-Achse der Maschine ist, L_qq die dynamische Induktivität der q-Achse der Maschine ist, λ r / d die Flussverkettung der d-Achse ist, λ r / q die Flussverkettung der q-Achse der Maschine ist und f und g nichtlineare Funktionen sind, wobei ω die Maschinendrehzahl repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Berechnen eines Stromreferenzsignals das Berechnen des Stromreferenzsignals für den zweiten Betriebsbereich als:
umfasst, wobei
das Stromreferenzsignal der d-Achse ist,
das Stromreferenzsignal der q-Achse ist, L_dd die dynamische Induktivität der d-Achse der Maschine ist, L_qq die dynamische Induktivität der q-Achse der Maschine ist, λ r / d die Flussverkettung der d-Achse ist, λ r / q die Flussverkettung der q-Achse der Maschine ist und f und g nichtlineare Funktionen sind, wobei ω_r die Maschinendrehzahl repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Berechnen eines Stromreferenzsignals das Berechnen eines Stromreferenzsignals der d-Achse und eines Stromreferenzsignals der q-Achse in einem Rotor-Bezugssystem und das Berechnen eines Stromreferenzsignals für den dritten Betriebsbereich als:
umfasst, wobei
das Stromreferenzsignal der d-Achse ist,
das Stromreferenzsignal der q-Achse ist, L_ds die statische Induktivität der d-Achse der Maschine ist, L_qs die statische Induktivität der q-Achse der Maschine ist, Λm die Permanentmagnet-Flussverkettung ist, I r / d das Stromsignal der d-Achse ist und I r / q das Stromreferenzsignal der q-Achse ist, umfasst, um das maximale Drehmoment bei linearer Spannungsgrenze zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Anlegen der Stromsteuersignale an die Maschine die Verwendung des berechneten Stromreferenzsignals für den ersten Bereich umfasst, falls die Spannung des Wechselrichters eine lineare Spannungsgrenze nicht überschritten hat.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Berechnen eines Stromreferenzsignals die Verwendung einer Fluss- und Induktivitätsschätzung der Maschine für das Berechnen des Stromreferenzsignals umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Berechnen eines Stromreferenzsignals die Berücksichtigung der Sättigung der Maschine umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Maschine eine Synchronmaschine mit innerem Permanentmagneten ist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Maschine einen Stator und einen Rotor enthält, wobei der Stator drei Spulen enthält, die die Stromsignale empfangen, und der Rotor einen Permanentmagneten enthält.
System zum Berechnen von Stromsteuersignalen zum Steuern einer Maschine, die sich in einem Fahrzeug befindet, wobei das System umfasst: eine Befehlsoptimierungseinrichtung, wobei die Befehlsoptimierungseinrichtung einen Betriebsbereich der Maschine anhand der Spannung eines Wechselrichters in der Maschine bestimmt, wobei die Befehlsoptimierungseinrichtung ein Stromreferenzsignal für das Steuern des Drehmoments der Maschine anhand ihres Betriebsbereichs berechnet, wobei das Berechnen des Stromreferenzsignals die Verwendung einer von mehreren Gleichungen umfasst, die das Stromreferenzsignal anhand des bestimmten Betriebsbereichs optimieren.
System nach Anspruch 13, das ferner eine Fluss- und Induktivitäts-Schätzeinrichtung umfasst, wobei die Fluss- und Induktivitäts-Schätzeinrichtung ein Maschinenfluss- und Induktivitätssignal der Befehlsoptimierungseinrichtung für das Berechnen des Stromreferenzsignals bereitstellt.
System nach Anspruch 13, das ferner eine Stromsteuereinrichtung zum Erzeugen eines Spannungsreferenzsignals umfasst.
System nach Anspruch 13, bei dem die Befehlsoptimierungseinrichtung einen ersten Betriebsbereich der Maschine bei relativ niedrigen Geschwindigkeiten des Fahrzeugs bestimmt und einen zweiten Betriebsbereich der Maschine bei relativ hohen Geschwindigkeiten des Fahrzeugs bestimmt, wobei der erste Betriebsbereich durch eine Stromgrenze gesteuert wird, während der zweite Betriebsbereich durch eine Spannungsgrenze gesteuert wird.
System nach Anspruch 16, bei dem die Befehlsoptimierungseinrichtung einen dritten Betriebsbereich der Maschine bei relativ hohen Geschwindigkeiten des Fahrzeugs bestimmt, wobei der dritte Betriebsbereich der Maschine durch die Spannungsgrenze gesteuert wird und sich die Maschine in einem Übermodulations-Betrieb befindet.
System nach Anspruch 16, bei dem die Befehlsoptimierungseinrichtung ein Stromreferenzsignal der d-Achse und ein Stromreferenzsignal der q-Achse im Rotor-Bezugssystem berechnet.
System nach Anspruch 18, bei dem die Befehlsoptimierungseinrichtung das Stromreferenzsignal für den ersten Betriebsbereich als:
berechnet, wobei
das Stromreferenzsignal der d-Achse ist,
das Stromreferenzsignal der q-Achse ist, L_dd die dynamische In duktivität der d-Achse der Maschine ist, L_qq die dynamische Induktivität der q-Achse der Maschine ist, λ r / d die Flussverkettung der d-Achse ist, λ r / q die Flussverkettung der q-Achse der Maschine ist und f und g nichtlineare Funktionen sind.
System nach Anspruch 18, bei dem die Befehlsoptimierungseinrichtung das Stromreferenzsignal für den zweiten Betriebsbereich als:
berechnet, wobei
das Stromreferenzsignal der d-Achse ist,
das Stromreferenzsignal der q-Achse ist, L_dd die dynamische Induktivität der d-Achse der Maschine ist, L_qq die dynamische Induktivität der q-Achse der Maschine ist, λ r / d die Flussverkettung der d-Achse ist, λ r / q die Flussverkettung der q-Achse der Maschine ist und f und g nichtlineare Funktionen sind, wobei ω_r die Maschinendrehzahl repräsentiert.
System nach Anspruch 17, bei dem die Befehlsoptimierungseinrichtung ein Stromreferenzsignal der d-Achse und ein Stromreferenz signal der q-Achse im Rotor-Bezugssystem berechnet und das Stromreferenzsignal für den dritten Betriebsbereich als:
berechnet, wobei
das Stromreferenzsignal der d-Achse ist,
das Stromreferenzsignal der q-Achse ist, L_ds die statische Induktivität der d-Achse der Maschine ist, L_qs die statische Induktivität der q-Achse der Maschine ist, Λm die Permanentmagnet-Flussverkettung ist, I r / d das Stromsignal der d-Achse ist und I r / q das Stromreferenzsignal der q-Achse ist, um das maximale Drehmoment bei linearer Spannungsgrenze zu erzeugen.