DE102008034543A1

DE102008034543A1 - Lineargerät für Feldschwächung in einer Maschine mit internen Permanentmagneten

Info

Publication number: DE102008034543A1
Application number: DE102008034543A
Authority: DE
Inventors: Gabriel Torrance Gallegos-Lopez; Yo Chan Torrance Son; Milun Torrance Perisic; Silva Redondo Beach Hiti
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2009-02-19
Also published as: US7923953B2; US20090027000A1; CN101399516A; US20100231149A1; US7759886B2; CN101399516B

Abstract

Es werden Systeme und Verfahren offenbart, um für eine Drehmomentlinearität in der Feldschwächungsregion für eine IPM-Maschine zu sorgen. Die Systeme und Verfahren stellen die Querachsen- und Längsachsen-Komponenten der Statorstrombefehle der IPM-Maschine unter Verwendung eines Regelkreises für eine Flussschwächung bzw. eine Drehmomentlinearität ein. Dadurch wird während des Betriebs in der Feldschwächungsregion der IPM-Maschine Drehmomentlinearität beibehalten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich allgemein auf eine Steuerung elektrischer Maschinen und beziehen sich insbesondere auf Techniken, die eine Drehmomentlinearität in einer Feldschwächungsregion einer elektrischen Maschine beeinflussen.
HINTERGRUND
Eine elektrische Maschine wandelt elektrische Leistung in mechanische Kraft und Bewegung um. Elektrische Maschinen findet man in zahlreichen Anwendungen einschließlich Haushaltsgeräten wie z. B. Gebläse, Kühlschränke und Waschmaschinen. Elektrische Antriebe werden auch zunehmend in Elektro- und Hybrid-Elektrofahrzeugen genutzt.
Eine rotierende elektrische Maschine weist allgemein einen internen rotierenden Magneten, den Rotor genannt, auf, der innerhalb eines ruhenden Stators rotiert. Die Wechselwirkung zwischen dem elektromagnetischen Feld des Rotors mit dem durch die Statorwicklung erzeugten Feld erzeugt das Drehmoment der Maschine. Der Rotor kann ein Permanentmagnet sein, oder er kann aus Spulen bestehen. Falls der Rotor jedoch Permanentmagnete aufweist, die darin eingebettet sind (d. h. die Permanentmagnete sind nicht in der Rotoroberfläche), kann auf die elektrische Maschine als Maschine mit internen Permanentmagneten (IPM) verwiesen werden. Der Teil der Maschine, über den die Eingangsspannung geliefert wird, wird "der Anker" genannt. In Abhängigkeit vom Entwurf der Maschine kann entweder der Rotor oder der Statur als der Anker dienen. In einer IPM-Maschine ist der Anker der Statur und ein Satz von Wicklungsspulen, die durch eine Eingangsspannung gespeist werden, um die elektrische Maschine anzutreiben.
Die umgekehrte Aufgabe des Umwandelns mechanischer Energie in elektrische Energie wird durch einen Generator oder Dynamo bewerkstelligt. Eine elektrische Maschine wie oben erwähnt kann auch als Generator dienen, da die Komponenten die gleichen sind. Wenn die Maschine/der Generator durch ein mechanisches Drehmoment angetrieben wird, wird Elektrizität erzeugt. Fahrantriebsmaschinen, die an Hybrid- oder Elektrofahrzeugen oder Lokomotiven verwendet werden, führen oft beide Aufgaben aus.
Während eine elektrische Maschine beschleunigt, nimmt typischerweise der Strom (und daher das Feld) des Ankers ab, um eine Statorspannung innerhalb ihrer Grenzen zu halten. Die Reduzierung des Feldes, die einen Magnetfluss innerhalb der Maschine reduziert, wird auch Fluss- oder Feldschwächung genannt. Techniken zur Steuerung der Feldschwächung können genutzt werden, um eine Leistung in der Drehmoment-Drehzahl-Charakteristik der Maschine erhöhen. Um eine Steuerung des Statorstroms beizubehalten, kann das Maschinenfeld durch einen Regelkreis für eine Feldschwächung reduziert werden. Die Feld- oder Flussschwächung in einer IPM-Maschine kann durch Einstellen der Statorerregung erreicht werden. Eine Statorerregung in einer IPM-Maschine kann durch Pulsbreitenmodulation (PWM) der Spannung eines Spannungsquellen-Wechselrichters/Gleichrichters, der im Folgenden nurmehr als Wechselrichter bezeichnet wird, gesteuert werden.
Techniken zur Feldschwächung wurden in der Vergangenheit genutzt, wo ein IPM-Fluss absichtlich geschwächt wird, um die mit einem hohen Fluss verbundenen Probleme wie z. B. eine Überspannung aufgrund einer hohen Gegen-EMF zu reduzieren. Während eines Betriebs in einer Region mit konstantem Drehmoment einer elektrischen Maschine wurde z. B. eine Regelung mit einem Closed-Loop-Stromregler verwendet, um eine Erregung der angelegten PWM-Spannung zu steuern, so dass die momentanen Phasenströme ihren befohlenen Werten folgen. Eine Sättigung der Stromregler kann jedoch bei höheren Drehzahlen auftreten, wenn die Anschlussspannung der Maschine sich der maximalen Spannung des PWM-Wechselrichters nähert. Jenseits dieses Punktes sollte der Fluss geschwächt werden, um eine geeignete Stromregulierung bis zur maximal verfügbaren Maschinendrehzahl aufrechtzuerhalten. Ein Reduzieren des Magnetflusses innerhalb der Maschine liefert verbesserte Leistungscharakteristiken der IPM-Maschine bei hohen Drehzahlen. Jedoch kann das Drehmoment im direkten Verhältnis zum Fluss abnehmen.
Demgemäß ist es wünschenswert, eine Drehmomentlinearität in der Feldschwächungsregion für eine IPM-Maschine innerhalb der Systembeschränkungen für Spannung und Strom zu bewahren. Überdies werden andere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich werden, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und dem vorhergehenden technischen Gebiet und Hintergrund geliefert werden.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
Systeme und Verfahren werden offenbart, um eine Drehmomentlinearität in der Feldschwächungsregion einer IPM-Maschine zu erzeugen. Die Systeme und Verfahren stellen die Querachsen- und die Längsachsen-Kom ponenten der Statorstrombefehle der IPM-Maschine unter Verwendung eines Regelkreises für eine Feldschwächung bzw. Drehmomentlinearität ein. Dadurch wird die Drehmomentlinearität während des Betriebs im Feldschwächungsbereich der IPM-Maschine beibehalten.
Ein System gemäß einer ersten Ausführungsform umfasst die folgenden Elemente. Ein Nachschlagetabellen-Modul wird genutzt, um einen Drehmomentbefehl, eine Winkelgeschwindigkeit des Rotors und eine Gleichstromverbindungsspannung als Eingaben zu erhalten und Querachsen- und Längsachsen-Strombefehle auszugeben. Ein Synchronstromregler-Modul mit einer dynamischen Übermodulation wird ebenfalls genutzt, um basierend auf den Strombefehlen Querachsen- und Längsachsen-Spannungsbefehle zu erzeugen. Um Differenzen zwischen dem befohlenen Querachsen-Strom und dem verfügbaren Querachsen-Strom zu kompensieren, wird ein Feldschwächungs-Modul verwendet, um basierend auf den Spannungsbefehlen eine Verstellung bzw. Einstellung für den Querachsen-Strombefehl zu erzeugen. Ein Addierer wird genutzt, um den Querachsen-Strombefehl zu verstellen bzw. einzustellen, indem die Verstellung bzw. Einstellung für den Querachsen-Strom zum Querachsen-Strombefehl addiert wird. Um Drehmomentlinearität beizubehalten, erzeugt außerdem ein Drehmomentlinearitäts-Modul eine Längsachsen-Stromeinstellung als Funktion der Querachsen-Stromeinstellung. Ein zweiter Addierer wird genutzt, um den Längsachsen-Strombefehl zu verstellen bzw. einzustellen, indem die Längsachsen-Stromeinstellung zum Längsachsen-Strombefehl addiert wird.
Eine Ausführungsform eines hierin beschriebenen Verfahrens beginnt, indem Querachsen- und Längsachsen-Strombefehle basierend auf einem Drehmomentbefehl einer Rotor-Winkelgeschwindigkeit und einer Gleichstromverbindungsspannung erzeugt werden. Das Verfahren erzeugt dann basierend auf den Strombefehlen Querachsen- und Längsachsen-Spannungsbefehle. Um Differenzen zwischen dem befohlenen Querachsen-Strom und dem zur Verfügung stehenden Querachsen-Strom zu kompensieren, erzeugt das Verfahren basierend auf den Spannungsbefehlen eine Verstellung bzw. Einstellung für den Querachsen-Strombefehl. Um den Querachsen-Strombefehl zu verstellen bzw. einzustellen, addiert dann das Verfahren die Querachsen-Stromeinstellung zum Querachsen- Strombefehl. Um Drehmomentlinearität beizubehalten, erzeugt außerdem das Verfahren eine Längsachsen-Stromeinstellung als Funktion der Querachsen-Stromeinstellung. Um den Befehl für den Längsachsen-Strom einzustellen, addiert dann das Verfahren die Längsachsen-Stromeinstellung zum Längsachsen-Strombefehl.
Ein zweites System gemäß einer anderen Ausführungsform enthält eine Architektur zur Steuerung von Drehmomentlinearität für eine elektrische Maschine mit den folgenden Elementen. Ein Proportionalverstärkungs-Modul erzeugt eine Proportionalverstärkung und multipliziert die Proportionalverstärkung mit der Querachsen-Stromeinstellung, um die Längsachsen-Stromeinstellung zu erhalten. Ein Begrenzer-Modul hält die Längsachsen-Stromeinstellung innerhalb eines maximalen Bereichs.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, worin gleiche Ziffern gleiche Elemente bezeichnen und
1 ein Funktionsblockdiagramm ist, das ein bestehendes Steuerungssystem ohne einen Drehmomentlinearitäts-Block für eine vektorgesteuerte IPM-Maschine enthält;
2 ein Funktionsblockdiagramm eines Steuerungssystems mit einem Block zur Steuerung der Drehmomentlinearität für eine vektorgesteuerte IPM-Maschine ist;
3 ein Funktionsblockdiagramm eines Phasenstrombegrenzungsmoduls des Steuerungssystems von 2 ist;
4 ein Stromregulierungsverhalten für eine IPM-Maschine mit und ohne dem Block zur Steuerung der Drehmomentlinearität veranschaulicht; und
5 ein Flussdiagramm ist, das einen Prozess zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit einem Block zur Steuerung der Drehmomentlinearität veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende detaillierte Beschreibung ist in ihrer Art nur beispielhaft und soll die Erfindung oder die Anwendung und Nutzungen der Erfindung nicht beschränken. Überdies soll sie durch keine ausgedrückte oder implizierte Theorie beschränkt sein, die in dem vorhergehenden technischen Gebiet, dem Hintergrund, der kurzen Zusammenfassung oder der folgenden detaillierten Beschreibung präsentiert wird.
Ausführungsformen der Erfindung können hierin in Form von funktionalen und/oder logischen Blockkomponenten und verschiedenen Verarbeitungsschritten beschrieben werden. Es sollte sich verstehen, dass solche Blockkomponenten durch eine beliebige Anzahl von Hardware-, Software- und/Firmware-Komponenten realisiert werden können, die dafür ausge legt sind, die spezifizierten Funktionen auszuführen. Zum Beispiel kann eine Ausführungsform der Erfindung verschiedene integrierte Schaltungskomponenten nutzen, z. B. Speicherelemente, gesteuerte Schalter, Digitalsignalverarbeitungselemente, logische Elemente, Nachschlagetabellen oder dergleichen, welche unter der Steuerung eines oder mehrerer Mikroprozessoren oder anderer Steuerungseinrichtungen eine Vielzahl von Funktionen ausführen können. Außerdem erkennt der Fachmann, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einer beliebigen Anzahl von Fahrzeuganwendungen in die Praxis umgesetzt werden können und dass das hierin beschriebene System nur eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung ist.
Der Kürze halber können hierin herkömmliche Techniken und Komponenten nicht beschrieben werden, die sich auf elektrische Teile eines Fahrzeugs und andere funktionale Aspekte des Systems (und die einzelnen Betriebskomponenten des Systems) beziehen. Überdies sollen die in den verschiedenen hierin enthaltenen Figuren dargestellten Verbindungslinien beispielhafte funktionale Beziehungen und/oder physische Kopplungen zwischen den verschiedenen Elementen repräsentieren. Es sollte besonders erwähnt werden, dass viele alternative oder zusätzliche funktionale Beziehungen oder physische Verbindungen in einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden sein können.
Die folgende Beschreibung kann auf Elemente oder Knoten oder Merkmale verweisen, die miteinander "verbunden" oder "gekoppelt" sind. Wie hierin verwendet bedeutet, wenn es nicht ansonsten ausdrücklich bemerkt wird, "verbunden", dass ein Element/Knoten/Merkmal mit einem anderen Element/Knoten/Merkmal, und nicht notwendigerweise mechanisch, direkt verbunden ist (oder direkt mit ihm kommuniziert). Gleichermaßen bedeutet, außer wenn ansonsten ausdrücklich erwähnt, "gekoppelt", dass ein Element/Knoten/Merkmal direkt oder indirekt mit einem anderen Element/Knoten/Merkmal, und nicht notwendigerweise mechanisch, verbunden ist (oder direkt oder indirekt damit kommuniziert). Folglich können, obgleich die in 2 gezeigte schematische Darstellung eine beispielhafte Anordnung von Elementen zeigt, zusätzliche dazwischen liegende Elemente, Einrichtungen, Merkmale oder Komponenten in einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden sein (unter der Annahme, dass die Funktionalität des Systems nicht nachteilig beeinflusst wird).
Ausführungsformen der Erfindung werden hierin im Zusammenhang mit einer praktischen, nicht beschrankenden Anwendung, nämlich einem Steuerungssystem für eine IPM-Maschine beschrieben. In diesem Zusammenhang ist die beispielhafte Technik anwendbar auf einen Betrieb des Systems, das für ein Hybridfahrzeug geeignet ist. Ausführungsformen der Erfindung sind jedoch nicht auf solche Fahrzeuganwendungen beschränkt, und die hierin beschriebenen Techniken können in anderen elektrisch betriebenen Steuerungsanwendungen ebenfalls genutzt werden.
1 ist ein Funktionsblockdiagramm, das ein bestehendes Steuerungssystem 100 für eine vektorgesteuerte IPM-Maschine zeigt, die für die Verwendung mit einem Hybridfahrzeug geeignet ist. Solche Systeme sind gut bekannt, und der Betrieb des Systems 100 wird daher hier nicht im Detail beschrieben. Zusammengefasst stellt das Steuerungssystem 100 die Querachsen-Komponente des Statorstrombefehls I_Q* (Querachsen-Strombefehl) der IPM-Maschine unter Verwendung eines Regelkreises für eine Feldschwächung ein. Das Steuerungssystem 100 enthält: ein Modul 102 mit einer 3D-Nachschlagetabelle für Strombefehle, ein Synchronstromregler-Modul mit einer dynamischen Übermodulation 116, ein Gleichstrom-Wechselstrom-Transformationsmodul 118, einen PWM-Wechselrichter 120, ein Wechselstrom-Gleichstrom-Transformationsmodul 122, eine IPM- Maschine 124 und ein Feldschwächungs-Modul 114. Das Steuerungssystem 100 wird wie im Folgenden beschrieben betrieben.
Basierend auf einem Drehmomentbefehl T*, der Drehgeschwindigkeit ω_R des Rotors und einer Gleichstromverbindungsspannung V_DC werden unter Verwendung des Moduls 102 mit einer 3D-Nachschlagetabelle für Strombefehle optimale Strombefehle (I_D* und I_Q*) erzeugt. Die Eingaben in das Modul 102 mit einer Nachschlagetabelle werden von einem Spannungssensor von dem V_DC-Eingang in den Wechselrichter 120 und einem (in 1 nicht dargestellten) Positionssensor von der IPM-Maschine 124 geliefert. Der Querachsen-Strombefehl I_Q* wird eingestellt, um einen eingestellten Befehl (I_Q**) zu erhalten, wie im Folgenden erläutert wird.
Die stationären I_D- und I_Q-Ströme (Längsachsen- und Querachsen-Komponenten des Statorstroms) von der IPM-Maschine 124 werden in das Synchronstromregler-Modul 116 mit einer dynamischen Übermodulation eingespeist, das synchrone Spannungsbefehle (V_D* und V_Q*) erzeugt. Die Befehlsspannungen V_D* und V_Q* werden unter Verwendung der Winkelposition θ_R des Rotors, die von der IPM-Maschine 124 geliefert wird, als Vektor gedreht. Die Ausgaben des Stromreglers 116 mit einer dynamischen Übermodulation (nämlich V_D* und V_Q*) werden in das Gleichstrom-Wechselstrom-Transformationsmodul 118 eingespeist, um stationäre Frame-Spannungsbefehle (V_AS*, V_BS* und V_CS*) basierend auf V_D* und V_Q* zu erzeugen.
Die stationären Frame-Spannungsbefehle V_AS*, V_BS* und V_CS* werden in den Wechselrichter 120 eingespeist, um I_AS, I_BS und I_CS zu erzeugen, welche die jeweiligen stationären Frame-Ströme sind. Der Wechselrichter 120 kann z. B. ein PWM-Wechselrichter sein, der eine alternierende Dreiphasenspannung an die Statorwicklung der IPM-Maschine 124 anlegt.
Die IPM-Maschine 124 arbeitet dann basierend auf den stationären Frame-Strömen I_AS, I_BS und I_CS bei der Drehgeschwindigkeit ω_R.
Das Wechselstrom-Gleichstrom-Transformationsmodul 122 erzeugt I_D und I_Q (die Längsachsen- und Querachsen-Komponenten des Statorrückkopplungsstroms) basierend auf I_AS, I_BS, I_CS und θ_R. Zusätzliche Einzelheiten des Steuerungssystems 100 kann man in dem US-Patent mit der Anmeldenummer 2005/0212471 finden, dessen Inhalt durch Verweis in seiner Gesamtheit hierdurch einbezogen ist.
Die Gegen-EMF-ist proportional zur Drehgeschwindigkeit ω_R. Außerdem nimmt die Gegen-EMF der elektrischen Maschine zu, wenn die Drehgeschwindigkeit ω_R der elektrischen Maschine erhöht wird. Oberhalb einer bestimmten Drehgeschwindigkeit kann die Spannung der IPM-Maschine höher als die Spannung des Busses werden, was eine Umkehrung des Stromflusses (Regenerieren anstelle eines Antreibens über den Motor) zur Folge hat. Um die I_D- und I_Q-Komponenten des Statorstroms zu steuern, wird der Maschinenfluss durch den Regelkreis für eine Feldschwächung reduziert. Das Feldschwächungs-Modul 114 erzeugt einen verstellenden bzw. einstellenden Strombefehl ΔI_Q (ΔI_Q ist der einstellende Querachsen-Strom, der den Fluss in der Maschine verringert, aber auch das Drehmoment verringert) basierend auf V_D* und V_Q*, um den Strombefehl I_Q* einzustellen. ΔI_Q wird dann durch einen Addierer 112 zu I_Q* addiert, um den eingestellten Strombefehl I_Q** zu erzeugen.
Eine Verstellung bzw. Einstellung von I_Q* auf diese Weise hat eine Verringerung des Drehmoments zu Folge, wie im Zusammenhang mit 3 erläutert wird. Die oben erwähnte Reduzierung des Drehmoments reduziert das maximale Drehmoment, das von der IPM-Maschine zur Verfügung steht, und kann den Wirkungsgrad der Maschine reduzieren. Zusätzliche Einzelheiten des Moduls 114 des Regelkreises für eine Feldschwächung kann man in der am 25. Oktober 2006 eingereichten US-Patentanmeldung mit Seriennummer 11/552,580 (Dokumentennummer GP-304998) finden, die in ihrer Gesamtheit durch Verweis hierdurch einbezogen ist.
Um Drehmomentlinearität in der Feldschwächungsregion einer IPM-Maschine beizubehalten, wird eine Schleife für die Drehmomentlinearität gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wie im Folgenden erläutert genutzt.
2 ist ein Blockdiagramm, das ein Steuerungssystem 200 für eine vektorgesteuerte IPM-Maschine veranschaulicht, die zur Verwendung in einem Hybridfahrzeug geeignet ist. Das System 200 enthält einen Regelkreis für eine Drehmomentlinearität, der geeignet ausgelegt ist, um eine Funktion zur Steuerung der Drehmomentlinearität gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auszuführen. Das System 200 ist zur Verwendung mit einem Fahrzeug einer elektrischen Fahrantriebsmaschine (z. B. ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug) geeignet. Ein praktisches Steuerungssystem 200 kann mehrere elektrische Komponenten, Schaltungen und Controller-Einheiten enthalten, die von jenen in 2 gezeigten verschieden sind. Herkömmliche Subsysteme, Merkmale und Aspekte des Steuerungssystems 200 werden hierin im Detail nicht beschrieben. Das Steuerungssystem 200 hat Komponenten, die dem Steuerungssystem 100 ähnlich sind (gemeinsame Merkmale, Funktionen und Elemente werden hier nicht redundant beschrieben). Für diese Ausführungsform enthält, wie in 2 gezeigt ist, das Steuerungssystem 200 allgemein: ein Modul 202 mit einer 3D-Nachschlagetabelle für Strombefehle, ein Drehmomentlinearitäts-Modul 204, ein Phasenstrom-Begrenzungsmodul 211, ein Syn chronstromregler-Modul 216 mit dynamischer Übermodulation, ein Gleichstrom-Wechselstrom-Transformationsmodul 218, einen PWM-Wechselrichter 220, ein Wechselstrom-Gleichstrom-Transformationsmodul 222, eine IPM-Maschine 224 und ein Modul 214 mit Regelkreis für eine Feldschwächung. Das System 200 arbeitet mit einer IPM-Maschine 224. Insbesondere treibt der Wechselrichter 220 die IPM-Maschine 224 an.
Das Drehmomentlinearitäts-Modul 204 erzeugt einen verstellenden bzw. einstellenden Strombefehl ΔI_D (ΔI_D ist der einstellende Strom in der Längsachse, der den Fluss in der Maschine verringert, während Drehmomentlinearität beibehalten wird), welcher wie unten erläutert auf ΔI_Q basiert. In der Praxis wird ΔI_Q durch das Modul 214 mit Regelkreis für eine Feldschwächung geliefert. ΔI_D wird durch einen Addierer 210 zu I_D* addiert, um den eingestellten Strombefehl I_D** zu erzeugen. Der eingestellte Strombefehl I_D ^** wird in das Synchronstromregler-Modul 216 mit dynamischer Übermodulation eingespeist.
Für diese Ausführungsform enthält das Drehmomentlinearitäts-Modul 204 ein Proportionalverstärkungs-Modul 206 und ein Begrenzer-Modul 208, das mit dem Proportionalverstärkungs-Modul 206 gekoppelt ist. Das Proportionalverstärkungs-Modul 206 wendet eine proportionale Verstärkung K auf ΔI_Q an. K kann eine Konstante mit einem Wert sein, der typischerweise von etwa Eins bis etwa Drei reicht, oder er kann eine Variable sein, die als Funktion des Drehmomentbefehls (T*) und des eingestellten Strombefehls (I_Q***) variiert. K kann z. B. basierend auf der folgenden Beziehung
berechnet werden, worin P die Anzahl von Polen der Maschine ist, L_D und L_Q die Längsachsen- und Querachsen- Maschineninduktivitäten sind, T* der Drehmomentbefehl ist und I_Q*** ein begrenzter Querachsen-Strombefehl ist.
ΔI_Q wird mit K multipliziert, um einen einen Ausgangsstrom einstellenden Befehl (ΔI_D) zu erhalten. ΔI_D wird dann in den Begrenzer 208 eingespeist, um den stromeinstellenden Befehl ΔI_D innerhalb seines Bereichs (etwa –30 bis etwa 0 AMPs) zu halten.
Um den I_D–I_Q-Vektor innerhalb der Grenzen für maximales Drehmoment pro Fluss zu halten, wird ein Modul 211 zur Begrenzung des Phasenstroms verwendet. Das Modul 211 zur Begrenzung des Phasenstroms ist dafür ausgelegt, den maximalen Phasenstrom bei jeder beliebigen Gleichspannung V_DC und Rotorgeschwindigkeit ω_R der Maschine einzustellen. 3 ist ein Funktionsblockdiagramm, das das Modul 211 zur Begrenzung des Phasenstroms zeigt (siehe 2). Der Block 230 für den maximalen verfügbaren Strom liefert den maximalen Phasenstrom I_S(max) als Funktion von V_DC und ω_R. Der maximale Phasenstrom I_S(max) ist in der Region für konstantes Drehmoment konstant. In der Feldschwächungsregion wird jedoch I_S(max) dementsprechend verringert, um der Kurve für maximales Drehmoment pro Fluss zu folgen. I_Q** wird zuerst durch I_S(max) begrenzt, was den begrenzten Querachsen-Strombefehl I_Q*** ergibt. Der maximale Längsachsen-Strombefehl wird als
berechnet. Dann wird I_D** durch I_D(max) begrenzt, was den begrenzten Längsachsen-Strom I_D*** ergibt.
4 veranschaulicht das Stromregulierungsverhalten mit und ohne Block zur Steuerung der Drehmomentlinearität. Das Modul 214 mit Regelkreis für eine Feldschwächung hält den Stromregler stabil bei der zur Verfügung stehenden Spannung, indem der I_Q-Strom um einen Betrag ΔI_Q wie oben erläutert verstellt wird. ΔI_Q bewegt jedoch den Stromvektor 310 von Punkt 304 auf der Kurve T1 für konstantes Drehmoment zu einem Punkt 308 auf der Kurve T2 für konstantes Drehmoment, wodurch das Drehmoment im direkten Verhältnis zum Fluss verringert wird. Es ist wünschenswert, den Stromvektor auf der Kurve T1 für konstantes Drehmoment in der Feldschwächungsregion der IPM-Maschine zu halten. Zu diesem Zweck erzeugt der Regelkreis des Moduls 204 für die Drehmomentlinearität ΔI_D, was den Stromvektor 310 vom Punkt 308 auf der Kurve T2 für konstantes Drehmoment zu einem Punkt 306 auf der Kurve T1 für konstantes Drehmoment bewegt, wodurch das Drehmoment konstant gehalten und die Drehmomentlinearität in einer Feldschwächungsregion der IPM-Maschine beibehalten wird. Die hierin beschriebenen Techniken stellen sowohl I_D als I_Q ein, um einen Fluss in der Feldschwächungsregion zu verringern, während die Drehmomentlinearität gehalten wird.
5 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess 400 für den Betrieb unter Drehmomentlinearität für ein Elektro-, Hybrid-Elektro- oder Brennstoffzellenfahrzeug veranschaulicht. Der Prozess 400 kann vom Steuerungssystem 200 wie oben beschrieben ausgeführt werden. Die verschiedenen Aufgaben, die in Verbindung mit dem Prozess 400 durchgeführt werden, werden von Software, Hardware, Firmware oder irgendeiner Kombination davon ausgeführt. Es sollte erkannt werden, dass der Prozess 400 eine beliebige Anzahl zusätzlicher oder alternativer Aufgaben einschließen kann, die in 5 gezeigten Aufgaben nicht in der veranschaulichten Reihenfolge ausgeführt werden müssen und der Prozess 400 in eine umfangreichere Prozedur oder einen umfangreicheren Prozess mit einer zusätzlichen Funktionalität, die hierin nicht im Detail beschrieben wird, eingegliedert sein kann. Zu Veranschaulichungszwecken kann die folgende Beschreibung des Prozesses 400 auf Elemente verweisen, die in Verbindung mit 1–3 oben erwähnt wurden.
Der Prozess 400 stellt die Querachsen- und die Längsachsen-Komponenten der Statorstrombefehle (I_D* und I_Q*) der IPM-Maschine ein, so dass ein Drehmoment während der Feldschwächungsregion der IPM-Maschine linear bleibt, welches ansonsten proportional zur Reduzierung des Flusses fallen würde. In praktischen Ausführungsform können Teile des Prozesses 400 von verschiedenen Elementen des Steuerungssystems 200 ausgeführt werden, z. B. dem Modul 202 mit 3D-Nachschlagetabelle für Strombefehle, dem Drehmomentlinearitäts-Modul 204, dem Phasenstrom-Begrenzungsmodul 211, dem Synchronstromregler-Modul 216 mit dynamischer Übermodulation, dem Gleichstrom-Wechselstrom-Transformationsmodul 218, dem PWM-Wechselrichter 220, dem Wechselstrom-Gleichstrom-Transformationsmodul 222, der IPM-Maschine 224 und dem Modul 214 mit Regelkreis für eine Feldschwächung.
Der Prozess 400 für den Betrieb unter Drehmomentlinearität beginnt, indem basierend auf einem Drehmomentbefehl T*, einer Winkelgeschwindigkeit ω_R des Rotors und einer Gleichstromverbindungsspannung V_dc erste und zweite Strombefehle (I_Q* und I_D*) erzeugt werden (Aufgabe 402).
Der Prozess 400 erzeugt auch einen einstellenden Strombefehl ΔI_Q basierend auf den Spannungsbefehlen V_D* und V_Q* (Aufgabe 406) und addiert ΔI_Q zu I_Q*, um den eingestellten Strombefehl I_Q** zu erhalten (Aufgabe 408). Das Drehmoment wird jedoch wie oben im Kontext von 3 erläutert reduziert. Um die Drehmomentlinearität zu halten, erzeugt der Prozess 400 einen einstellenden Strombefehl ΔI_D als Funktion des einstellenden Strombefehls ΔI_Q (Aufgabe 410). Die Schleife für die Drehmomentlinearität wendet dann eine stromeinstellende Verstärkung K an (Aufgabe 412), multipliziert K mit dem ΔI_Q, um einen Ausgangsstrombefehl ΔI_D zu erhalten (Aufgabe 414), und begrenzt den Ausgangsstrombefehl, um den einstellenden Strombefehl ΔI_D innerhalb eines gewünschten Bereichs (etwa –30 bis etwa 0 Amp) zu erhalten (Aufgabe 416). Die Werte von K und die unteren und oberen Grenzen des Begrenzers werden oben erläutert.
Der Prozess 400 addiert dann ΔI_D zu I_D* und den zweiten Strombefehl, um den eingestellten Strombefehl I_Q** zu erhalten (Aufgabe 418). ΔI_D stellt den Strombefehl I_D* so ein, dass die Drehmomentlinearität wie in 4 oben gezeigt konstant bleibt, während das IPM-Feld geschwächt wird. Der Prozess 400 begrenzt dann die Querachsen- und die Längsachsen-Ströme I_Q** und I_D**, um die begrenzten Querachsen- und Längsachsen-Strombefehle I_Q*** und I_D*** zu erzeugen (Aufgabe 419). I_Q*** und I_D*** werden wiederum als Eingaben in das Modul 216 für die Erzeugung der Spannungsbefehle (V_D* und V_Q*) genutzt. Dadurch wird der Strom geeignet reguliert, um das Feld in der IPM-Maschine zu schwächen.
Der Prozess 400 erzeugt dann Spannungsbefehle V_D* und V_Q* basierend auf I_D***, I_Q***, I_D und I_Q (Aufgabe 420).
Der Prozess 400 dreht auch den Stator der IPM-Maschine mit ω_R, indem lastantreibende Ströme an den Motor geliefert werden (Aufgabe 422). Um dies zu tun, werden basierend auf den Synchronspannungsbefehlen V_D* und V_Q* die stationären Frame-Spannungsbefehle V_AS*, V_BS* und V_CS* erzeugt, um die stationären Frame-Ströme I_AS, I_BS und I_CS zu erzeugen. Die Last wird dann über die stationären Frame-Ströme an die IPM-Maschine geliefert.
Mit diesem Ansatz wird die Drehmomentlinearität in einer Feldschwächungsregion der IPM-Maschine aufrechterhalten.
Obgleich zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden detaillierten Beschreibung präsentiert wurde, sollte es sich verstehen, dass es eine enorme Anzahl von Variationen gibt. Es sollte auch erkannt werden, dass die beispielhafte Ausführungsform oder beispielhaften Ausführungsformen nur Beispiele sind und nicht den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Ausführung der Erfindung in irgendeiner Weise beschränken sollen. Vielmehr liefert die vorhergehende detaillierte Beschreibung dem Fachmann eine zweckmäßige Anleitung zum Ausführen der beispielhaften Ausführungsform oder beispielhaften Ausführungsformen. Es sollte sich verstehen, dass verschiedene Änderungen in der Funktion und Anordnung von Elementen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen und ihren gesetzlichen Äquivalenten dargelegt ist.

Claims

Steuerungssystem für eine elektrische Maschine, wobei das Steuerungssystem umfasst: ein Synchronstromregler-Modul mit dynamischer Übermodulation, das erste und zweite Spannungsbefehle basierend auf den ersten und zweiten Strombefehlen und ersten und zweiten Rückkopplungsströmen erzeugt; ein Feldschwächungs-Modul, das basierend auf den ersten und zweiten Spannungsbefehlen einen ersten einstellenden Strombefehl erzeugt; einen ersten Addierer, um basierend auf dem ersten einstellenden Strombefehl und dem ersten Strombefehl einen ersten eingestellten Strombefehl zu erzeugen; ein Drehmomentlinearitäts-Modul, das einen zweiten einstellenden Strombefehl basierend auf dem ersten einstellenden Strombefehl erzeugt; und einen zweiten Addierer, um basierend auf dem zweiten einstellenden Strombefehl und dem zweiten Strombefehl einen zweiten eingestellten Strombefehl zu erzeugen.
System nach Anspruch 1, wobei das Drehmomentlinearitäts-Modul ferner umfasst: ein Proportionalverstärkungs-Modul mit einer proportionalen Verstärkung, wobei der erste einstellende Strombefehl mit der proportionalen Verstärkung multipliziert wird, um einen Ausgangsstrombefehl zu erhalten; und ein Begrenzer-Modul, das mit dem Proportionalverstärkungs-Modul gekoppelt ist, wobei das Begrenzer-Modul dafür ausgelegt ist, den zweiten einstellenden Strombefehl durch Begrenzen des Ausgangsstrombefehls zu erzeugen.
System nach Anspruch 2, wobei die proportionale Verstärkung eine Konstante ist.
System nach Anspruch 2, wobei die proportionale Verstärkung eine Variable ist, die durch Drehmoment und Querachsen-Komponenten eines Statorstroms beeinflusst wird. System nach Anspruch 1, wobei das Synchronstromregler-Modul mit dynamischer Übermodulation ferner die ersten und zweiten Spannungsbefehle basierend auf den ersten und zweiten eingestellten Strombefehlen und ersten und zweiten Rückkopplungsströmen erzeugt.
System nach Anspruch 1, ferner mit einem Modul mit Nachschlagetabelle, das einen Drehmomentbefehl, eine Winkelgeschwindigkeit eines Rotors und eine Gleichstromverbindungsspannung empfangt und die ersten und zweiten Strombefehle erzeugt.
System nach Anspruch 1, ferner mit: einem Phasenstrom-Modul, das eine Gleichstromverbindungsspannung und eine Maschinenrotordrehzahl empfängt und die ersten und zweiten eingestellten Strombefehle begrenzt und einen ersten und einen zweiten begrenzten Strombefehl erzeugt.
Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, wobei das Verfahren umfasst: Erzeugen erster und zweiter Spannungsbefehle basierend auf ersten und zweiten Strombefehlen und ersten und zweiten Rückkopplungsströmen; Erzeugen eines ersten einstellenden Strombefehls basierend auf den ersten und zweiten Spannungsbefehlen; Addieren des ersten einstellenden Strombefehls und des ersten Strombefehls, um einen ersten eingestellten Strombefehl zu erhalten; Erzeugen eines zweiten einstellenden Strombefehls basierend auf dem ersten einstellenden Strombefehl; und Addieren des zweiten einstellenden Strombefehls und des zweiten Strombefehls, um einen zweiten eingestellten Strombefehl zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei: ein Erzeugen des zweiten einstellenden Strombefehls ferner umfasst: Multiplizieren des ersten einstellenden Strombefehls mit einer stromeinstellenden Verstärkung, um einen Ausgangsstrombefehl zu erhalten; und Begrenzen des Ausgangsstrombefehls, um den zweiten einstellenden Strombefehl zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner mit dem Schritt: Erzeugen des ersten und zweiten Strombefehls basierend auf einem Drehmomentbefehl, einer Winkelgeschwindigkeit des Rotors und einer Gleichstromverbindungsspannung.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner mit dem Schritt: Erzeugen des ersten und zweiten Spannungsbefehls basierend auf den ersten und zweiten eingestellten Strombefehlen und den ersten und zweiten Rückkopplungsströmen.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner mit dem Schritt: Empfangen einer Gleichstromverbindungsspannung und einer Maschinenrotordrehzahl, Begrenzen des ersten und zweiten eingestellten Strombefehls und Erzeugen eines ersten und zweiten begrenzten Strombefehls.
Architektur zur Steuerung der Drehmomentlinearität für eine elektrische Maschine, wobei das Steuerungsmodul umfasst: ein Verstärkungsmodul, das dafür ausgelegt ist, einen ersten einstellenden Strombefehl mit einer Verstärkung zu multiplizieren, um einen Ausgangsstrombefehl zu erhalten; und ein Begrenzer-Modul, das mit dem Verstärkungsmodul gekoppelt ist, wobei das Begrenzer-Modul dafür ausgelegt ist, einen zweiten einstellenden Strombefehl durch Begrenzen des Ausgangsstrombefehls zu erzeugen.
Steuerungsarchitektur nach Anspruch 12, ferner mit: einem Regelkreis für eine Feldschwächung, der den ersten einstellenden Strombefehl erzeugt.
Steuerungsarchitektur nach Anspruch 12, wobei die Verstärkung eine Konstante ist.
Steuerungsarchitektur nach Anspruch 12, wobei: die Verstärkung berechnet wird basierend auf der Beziehung
wobei K die Verstärkung ist, P die Anzahl von Polen einer Maschine ist, L_D und L_Q die Längsachsen- bzw. Querachsen-Maschineninduktivitäten sind, T* ein Drehmomentbefehl ist und I_Q*** ein begrenzter Querachsen-Strombefehl ist.
Steuerungsarchitektur nach Anspruch 12, ferner mit: einem Addierer, der mit dem Begrenzer-Modul gekoppelt und dafür ausgelegt ist, den zweiten einstellenden Strombefehl als eine Eingabe und einen Längsachsen-Strombefehl als eine andere Eingabe zu empfangen, wobei der Addierer den zweiten einstellenden Strombefehl zum Längsachsen-Strombefehl addiert, um einen eingestellten Längsachsen-Strombefehl zu erzeugen.
Steuerungsarchitektur nach Anspruch 16, ferner mit: einem Synchronstromregler-Modul mit dynamischer Übermodulation, das Längsachsen- und Querachsen-Spannungsbefehle basierende auf dem eingestellten Längsachsen-Strombefehl, einem eingestellten Querachsen-Strombefehl und Längsachsen- und Querachsen-Rückkopplungsströmen erzeugt.