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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung, einen stationären Energiewandler, ein Fortbewegungsmittel sowie ein Verfahren zur Rotorpositions- und/oder Drehzahlermittlung eines elektrischen Drehfeldmotors, insbesondere eines Synchronmotors. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Regelung eines solchen Synchronmotors, welcher zum Antreiben eines Kompressors bspw. für einen Energiewandler wie eine Brennstoffzelle verwendet wird.
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In Brennstoffzellen wird Luft bzw. Sauerstoff mittels eines Kompressors verdichtet und für die Reaktion mit dem Brennstoff durch die Brennstoffzelle geführt. Zum Antreiben der Kompressoren werden vorzugsweise Synchronmotoren verwendet, deren Drehzahl bedarfsweise an die Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle angepasst wird. Hierzu ist es erforderlich, die Drehzahl messtechnisch zu ermitteln und/oder zumindest die Rotorposition des Synchronmotors festzustellen. Der Steuerungsalgorithmus muss sowohl das Startverhalten als auch die dynamischen Eigenschaften des Kompressors der Brennstoffzelle und/oder des Synchronmotors berücksichtigen. Die dynamischen Eigenschaften der Brennstoffzelle bedingen zusätzliche Vorgaben an die Dynamik des Reglers.
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Herkömmliche Sensorik zur Erfassung der Rotorposition von Synchronmotoren bzw. elektrischen Drehfeldmotoren allgemein ist einerseits kostspielig, andererseits fehleranfällig. Insbesondere für solche Synchronmotoren, welche für den Antrieb eines Kompressors einer Brennstoffzelle eingesetzt werden, sind aufgrund der geforderten hohen Drehzahlen sensorlose Systeme zur Ermittlung der Rotorposition vorteilhaft. Mit hohen Drehzahlen eines antreibenden elektrischen Drehfeldmotors sind nämlich hohe Leistungsdichten des Kompressors möglich, welche insbesondere bei mobilen Anwendungen wie z. B. elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmitteln vorteilhaft sind. Durch die hohen Drehzahlen sind luftgelagerte Rotoren vorteilhaft, welche jedoch eine besonders zuverlässige Steuerung der Betriebsweise des Kompressors erfordern, da der Kompressor-Druck auch für die Luftversorgung der Lagerung verwendet wird. Bspw. würde ein Betrieb des Kompressors für mehr als drei Sekunden unterhalb seiner Mindestdrehzahl ernsthafte Hardwareschäden mit sich bringen können. Für Synchronmaschinen wird die Rotorpositionsermittlung dabei häufig mittels Phasenstrommessungen vorgenommen, welche mittels der sogenannten Back-EMF Methode ausgewertet werden. Die Back-EMF Methode hat den Nachteil, dass ungenaues Wissen der Motorparameter (oder mit der Zeit veränderte Motorparameter, entweder durch höhere Temperaturen oder aufgrund von Abnutzungserscheinungen der Maschine) zu Fehlern in den Positionsschätzungen und/oder Drehzahlschätzung führt. Die Positionsschätzung der Back-EMF Methode hängt zudem vom Fehler der Strommessung ab.
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Wenngleich vorstehend eine Erläuterung von Nachteilen des bekannten Standes der Technik für Synchronmotoren, welche Kompressoren von Brennstoffzellen antreiben, erfolgte, stellt dieser geschilderte Anwendungsfall keine Beschränkung der vorliegenden Erfindung dar. Vielmehr kann ein im weiteren ausführlich beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren bei jeder Art von elektrischem Drehfeldmotor und somit auch bei einem Asynchronmotor angewandt werden, wobei der elektrische Drehfeldmotor jede beliebige Art einer Rotationsmaschine (und nicht nur einen Kompressor) antreiben kann. Eine solchermaßen angetriebene Rotationsmaschine muss auch nicht zwangsweise Bestandteile einer Anlage mit einem Energiewandler, bspw. einer Brennstoffzelle sein.
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Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Rotorpositionsermittlung insbesondere einer hochdrehenden Synchronmaschine und allgemein einer elektrischen Drehfeldmaschine robuster und einfacher zu machen, als diejenige der im Stand der Technik bekannten Anordnungen.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verwendung eines Kalman-Filters als Zustandsbeobachter für die Positionsbestimmung gelöst. Der Kalman-Filter ist sehr robust gegen sich verändernde Motorparameter und Messstörungen. In einem ersten Schritt wird ein Signal repräsentierend einen Phasenstrom eines Stators des elektrischen Drehfeldmotors, insbesondere Synchronmotors erfasst. Das Signal kann als Ausgang eines Stromsensors erhalten werden. Insbesondere kann der Drehfeldmotor/Synchronmotor eine mehrphasige (z. B. dreiphasige) elektrische Maschine sein, welche in mindestens zwei Phasen, bevorzugt in allen N-Phasen, zumindest in N-1 Phasen, einen jeweiligen Stromsensor aufweist. Anschließend wird das Signal repräsentierend den jeweiligen Phasenstrom mittels eines Kalman-Filters als Zustandsbeobachter zur Rotorpositions- und/oder Drehzahlermittlung ausgewertet. Aus dem Signal wird eine Rotorposition des Drehfeldmotors/Synchronmotors geschätzt. Dies geschieht als Bestandteil des Kalman-Filters als Zustandsbeobachter. Schließlich wird ein in Abhängigkeit des Schätzergebnisses angepasstes Leistungssignal zum Antrieb des Drehfeldmotors/Synchronmotors ausgegeben. Insbesondere bei hochdrehenden Synchronmotoren mit Drehzahlen von oberhalb von 20.000 U/min. oder 30.000 U/min., insbesondere von 40.000 U/min., geschieht dies unmittelbar nach der Schätzung, um eine Anpassung des Leistungssignals so früh wie möglich vorzunehmen.
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Im Ergebnis ermöglicht die vorliegende Erfindung eine sehr robuste und exakte Regelung des Drehfeldmotors/Synchronmotors, welcher insbesondere als permanentmagnet-erregte Synchronmaschine (PMSM) ausgestaltet sein kann. Ein Umparametrieren des Kalman-Filters zur Anpassung an verschiedene Synchronmotoren bzw. Drehfeldmotoren und/oder an von diesen angetriebenen Rotationsmaschinen, bspw. Kompressoren kann schnell und problemlos erfolgen. Diese robuste Regelung erlaubt, die geforderten Dynamiken von Drehfeldmotoren/Synchronmotoren zu fahren, d. h. große Drehzahlsprünge in kurzer Zeit durchzuführen.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. So kann (bevorzugt) zur Ausgabe des angepassten Leistungssignals ein Tastverhältnis für das Leistungssignal angepasst werden. Mit anderen Worten kann das Ein-/Aus-Verhältnis (Duty-Cycle) angepasst werden, um die dem Synchronmotor – im weiteren wird nur noch vom Synchronmotor stellvertretend für einen elektrischen Drehfeldmotor gesprochen, ohne hiermit eine Beschränkung zum Ausdruck bringen zu wollen – zugeführte elektrische Energie anzupassen. Das (dem Fachmann bekannte) Tastverhältnis steht dabei stellvertretend für jede mögliche Modulationsverfahrens-größe für das Leistungssignal eines solchen elektrischen Drehfeldmotors. Genannt werden kann hierfür bspw. jede Ausprägung einer Pulsweitenmodulation, wie Pulsfolgesteuerung oder Zwei- oder Mehrpunktregelungen.
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Sofern die geschätzte Drehzahl niedriger als die Soll-Drehzahl ist, wird das Tastverhältnis (oder dgl.) erhöht. Sofern die geschätzte Drehzahl höher als die Soll-Drehzahl ist, wird das Tastverhältnis (oder dgl.) verringert. Zusätzlich können Reglereingangsgrößen mit dem zuvor ermittelten Signal repräsentierend den Phasenstrom abgeglichen werden. Die Reglereingangsgrößen können bspw. der Phasenstrom bzw. die Phasenströme, die Drehzahl und/oder die Winkelposition des Rotors der Synchronmaschine bilden. Bevorzugt kann das Leistungssignal entsprechend dem aktualisierten Tastverhältnis innerhalb einer einzigen Regelschleife des Kalman-Filters angepasst werden, was also einen bevorzugten Korrekturschritt des Kalman-Filters darstellt. Mit anderen Worten wird vor einem nächstmöglichen Zeitpunkt seit dem Schätzen der Rotorposition als Korrekturschritt eine Aktualisierung des Tastverhältnisses vorgenommen, sodass die Aktivierung bzw. Verwendung des angepassten Tastverhältnisses zu jedem möglichen Regelzyklus erfolgt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Drehzahl des Synchronmotors so hoch ist, dass eine im Stand der Technik vorgesehene Korrektur des Schätzwertes anhand von gemessenen Strömen erst dann vollendet ist, wenn der Zeitpunkt zur Anpassung des Tastverhältnisses bereits verstrichen ist. Entsprechend kann bei hohen Drehzahlen ein im Stand der Technik bekanntes Regelverfahren mitunter nur die Pulsweite bzw. das Tastverhältnis einer zweiten Periode anpassen, wodurch die Präzision des Regelalgorithmus hinter derjenigen des erfindungsgemäßen Verfahrens zurückbleibt. Demgegenüber erfolgt gemäß vorliegender Erfindung unter Verwendung eines Kalman-Filters die Ausgabe eines im Ansprechen auf die Schätzung angepassten Leistungssignals zum Antrieb des Drehfeldmotors.
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Bevorzugt können die Schätzwerte des Kalman-Filters die Eingangsgrößen des Regelalgorithmus darstellen. Insbesondere können die Schätzwerte rechentechnisch ermittelte Werte für die Rotorposition des Synchronmotors sein. Die Eingangsgrößen des Regelalgorithmus' können also bevorzugt ausschließlich auf Schätzwerten basieren. Alternativ oder zusätzlich können die Messwerte für den genannten Korrekturschritt des Kalman-Filters maximal halb so hoch wie die Schätzwerte des Kalman-Filters gewichtet werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Motormodell bzw. die Betriebszustände einer erfindungsgemäß geregelten Anlage so gut zutreffen, dass sich durch die Messwerte die Regelgröße ohnehin nur gering ändert. Dies ist bspw. für viele Anwendungen an Kompressoren von Brennstoffzellen der Fall. Die mitunter zeitaufwändige Auswertung der Messwerte verzögert somit nicht die Anpassung der pulsweitenmodulierten Leistungssignale zum nächstmöglichen Zeitpunkt, sondern fließt erst in Form einer Korrektur der nächsten Schätzung ein. Wie oben angesprochen, kann ein Modell des Synchronmotors und/oder des Kompressors datentechnisch vorgehalten werden, welches die elektrischen und/oder mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäß zu regelnden Anlage bereithält, sodass die Schätzwerte in Verbindung mit dieser Referenz generiert werden. Das Modell kann insbesondere eine betriebszustands- und/oder drehzahlabhängige Leistungsaufnahme (elektrisch) und/oder Leistungsabgabe (mechanisch) ausgeben. Hierzu kann das Motormodell die folgenden Größen berücksichtigen:
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- • Stator Widerstand
- • Gegen-EMK Konstante
- • Rotor Trägheitsmoment
- • Polpaarzahl der Synchronmaschine
- • das notwendige Drehmoment, um die Luftlager anfänglich aus der Ruheposition anzudrehen und die ungefähre Geschwindigkeit, ab welcher die Reibung des Motors an den Lagern stark abfällt (relevant für den Aufstart-Mechanismus)
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Insbesondere kann auch die vom Betriebszustand einer in einer erfindungsgemäßen Anlage oder Anordnung vorgesehenen Brennstoffzelle abhängige elektrische Spannung berücksichtigt werden, da mit dieser auch die zum Antrieb des Synchronmotors bereitstehende Energie über der Zeit veränderlich ist. Dies verbessert die Geschwindigkeit und Präzision des Regelungsvorgangs weiter.
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Bevorzugt kann der Synchronmotor in niedrigen Drehzahlbereichen gesteuert betrieben werden, bis eine vordefinierte Bedingung eingetreten ist. Anschließend wird der Synchronmotor geregelt betrieben, wobei das wie vorstehend beschriebene Verfahren ab dem Eintreten der vordefinierten Bedingung ausgeführt wird. Die vordefinierte Bedingung kann bspw. eine Drehzahl (z. B. im Bereich zwischen 5.000 U/min. und 30.000 U/min.) sein. In Versuchen hat sich eine Drehzahl von ca. 8.000 U/min. bis 12.000 U/min. für den Wechsel von einer gesteuerten Betriebsart zu einer geregelten Betriebsart als günstig erwiesen. Alternativ oder zusätzlich kann die vordefinierte Bedingung ein Unterschreiten eines vordefinierten maximalen Fehlers der Rotorpositions- und/oder Drehzahlermittlung gemäß dem obigen Verfahren umfassen. Hierzu kann das Verfahren bereits in niedrigen Drehzahlbereichen und insbesondere ab dem Start des Synchronmotors verwendet und der Abgleich zwischen den Schätzwerten und den gemessenen Werten zur Ermittlung eines Fehlers vorgenommen werden. Sofern der Fehler einen vordefinierten Maximalwert unterschreitet, kann der Wechsel von dem gesteuerten zum erfindungsgemäß geregelten Betrieb des Synchronmotors vorgenommen werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine vordefinierte Zeitdauer (z. B. seit dem Anfahren des Synchronmmotros) darüber entscheiden, in welchen Betriebszuständen ein gesteuerter und in welchen Betriebszuständen ein geregelter Betrieb des Synchronmotors erfolgt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung (auch ”Regeleinheit” oder ”Regler”) zur Rotorpositions- und/oder Drehzahlermittlung eines Synchronmotors beansprucht. Die Anordnung umfasst einen Signaleingang und eine Auswerteeinheit (z. B. einen programmierbarer Prozessor, einen DSP o. ä.). Der Signaleingang ist eingerichtet, ein Signal repräsentierend einen Phasenstrom eines Stators eines Synchronmotors zu ermitteln. Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, das Signal mittels eines Kalman-Filters als Zustandsbeobachter zur Rotorpositions- und/oder Drehzahlermittlung auszuwerten. Eine Schätzeinheit ist eingerichtet, eine Rotorposition des Synchronmotors in der Funktion eines Beobachters, hier des Kalman-Filters, zu schätzen. Eine Ausgabeeinheit ist eingerichtet, im Ansprechen auf die Schätzung ein angepasstes Leistungssignal zum Antrieb des Synchronmotors auszugeben. Die Ausgabeeinheit kann als Leistungsverstärker verstanden werden oder einen Leistungsverstärker ansteuern, welcher bspw. ein pulsweitenmoduliertes Leistungssignal an den Synchronmotor auszugeben eingerichtet ist. Auf diese Weise ist die erfindungsgemäße Anordnung eingerichtet, die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens in entsprechender Weise zu verwirklichen, sodass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
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Die Anordnung kann den Synchronmotor umfassen bzw. an einem Synchronmotor, bevorzugt in einem Verbund mit dem Synchronmotor sowie einer von diesem angetriebenen Rotationsmaschine bspw. in Form eines Kompressor sowie bevorzugt einem über die Rotationsmaschine irgendwie versorgten Energiewandler, insbesondere einer Brennstoffzelle, eingesetzt werden. Der Synchronmotor weist bevorzugt eine maximale Drehzahl von oberhalb 5.000 U/min., insbesondere oberhalb von 30.000 U/min, auf. Die Nenndrehzahl des Synchronmotors kann hoher als 80.000 U/min., bevorzugt höher als 100.000 U/min. liegen. Der Synchronmotor kann ein Leistungsabgabevermögen größer 10 kW, insbesondere 20 kW aufweisen. Aufgrund der hohen Leistungsdichte kann der Synchronmotor für den Betrieb in Verbindung mit Brennstoffzellen automobiler Anwendungen vorteilhaft verwendet werden.
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Gemäß einem dritten Aspekt wird ein stationärer Energiewandler (z. B. für ein Wohngebäude und/oder ein gewerblich genutztes Gebäude und/oder einen Industriebetrieb) beansprucht, welcher bspw. in Verbindung mit einer Brennstoffzelle, einem Kompressor und einem Synchronmotor, zumindest aber mit einer Anordnung gemäß dem zweitgenannten Erfindungsaspekt ausgestattet ist. Die Merkmale, Merkmalskombinationen und Vorteile ergeben sich in entsprechender Weise.
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Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fortbewegungsmittel (ein Motorrad, ein Pkw, ein Transporter, ein Lkw, ein Luft- und/oder Wasserfahrzeug) vorgeschlagen, welches eine Anordnung gemäß dem zweitgenannten Erfindungsaspekt aufweist. Auch diesbezüglich ergeben sich die Merkmale, Merkmalskombinationen und Vorteile in entsprechender Weise.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäß ausgestalteten Fortbewegungsmittels;
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2 eine schematische Skizze veranschaulichend Komponenten eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung im Verbund mit einem Kompressor und einer Brennstoffzelle;
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3 ein Drehzahl-Zeitdiagramm veranschaulichend den Hochlauf eines erfindungsgemäß geregelten Synchronmotors;
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4 schematische Zeitdiagramme veranschaulichend die Schritte eines regelungstechnischen Verfahrens gemäß dem Stand der Technik (oben) und eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regelung eines Synchronmotors für Hochdrehzahlanwendungen (unten);
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5 ein beispielhaftes Regeldiagramm eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung und
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6 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt einen Pkw 10 als Fortbewegungsmittel, welcher mittels einer elektrische Maschine bspw. in Form eines Synchronmotors 6 (oder eines anderen Drehstrommotors) angetrieben werden kann, der elektrisch mit einer Brennstoffzelle 1 verbunden ist. Diese dargestellte Anordnung 2 wird hinsichtlich einzelner Komponenten in Verbindung mit 2 detailliert dargestellt und beschrieben.
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2 zeigt eine Brennstoffzelle 1, welche mittels eines Kompressors 3 mit Luft 4 versorgt wird, welche im Inneren der Brennstoffzelle 1 reagiert und elektrische Energie bereitstellt. Die Reaktionsprodukte 9 werden durch eine Öffnung in der Brennstoffzelle 1 abgeführt. Eine Welle 5 verbindet den Kompressor 3 mit einem ggf. weiteren Synchronmotor 6, über welchen (auch) ein Rotor, nämlich das Verdichterrad des Kompressors 3 angetrieben wird. Die elektrische Energie zur Versorgung des Synchronmotors 6 entstammt einer Ein-/Ausgabeeinheit 7, welche als Bestandteil einer Auswerteeinheit 8 dargestellt ist. Über die Ein-/Ausgabeeinheit 7 versorgt die Auswerteeinheit 8 den Synchronmotor 6 mit elektrischer Energie und nimmt andererseits eine Phasenstromermittlung vor. Anhand der ermittelten Phasenströme kann die Auswerteeinheit 8 das erfindungsgemäße Verfahren zur Rotorpositions- und Drehzahlermittlung bezüglich des Synchronmotors 6 durchführen.
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3 zeigt den ansteigenden Verlauf einer Drehzahl eines bzw. des Synchronmotors 6, welcher insbesondere zum Antreiben eines Kompressors einer bzw. der Brennstoffzelle 1 verwendet werden kann. Zu einem Zeitpunkt T0 erreicht der Synchronmotor 6 eine vordefinierte Drehzahl N. Zu diesem Zeitpunkt wird von einem gesteuerten Betrieb des Synchronmotors 6 in einen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens geregelten Betrieb des Synchronmotors 6 gewechselt. Ab der Drehzahl N ist auch der Fehler eines in erfindungsgemäßer Weise ermittelten Schätzwertes eines Kalman-Filters gegenüber den jeweiligen Messwerten (d. h. die Abweichung Schätzwert-Messwert) so gering, dass eine präzise Rotorpositionsermittlung vorgenommen und der Betrieb gegenüber einem gesteuerten Ansteuerungsverfahren präziser wird.
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4 zeigt in ihrer oberen Hälfte Positionsermittlungs- und Regelungsschritte I, II, III über der Zeit t, welche in einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik aufeinander folgen. Die Zeitpunkte SM1, SM2, SM3 kennzeichnen die Zeitpunkte einer Phasenstrommessung des Synchronmotors 6, während die Zeitpunkte P1, P2, P3 die möglichen Zeitpunkte zum Stellen eines Tastverhältnisses eines PWM-Leistungssignals für den Synchronmotor 6 kennzeichnen.
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Gemäß dem Stand der Technik startet das Verfahren also mit einem Vorhersageschritt I, auf welchen ein Korrekturschritt II und ein Regelschritt III folgen. Gemäß dem Stand der Technik wird am Ende des Regelschrittes III ein neues Tastverhältnis ausgegeben, welches zum nächstmöglichen Zeitpunkt (P2) für die Ansteuerung des Synchronmotors 6 verwendet werden kann. Die dargestellten Schritte I, II, III wiederholen sich daher alle zwei Periodendauern.
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In der unteren Bildhälfte von 4 ist eine erfindungsgemäße Modifikation des soeben geschilderten (bekannten) Regelungsverfahrens unter Verwendung eines Kalman-Filters veranschaulicht. Bereits vor der ersten Strommessung SM1 erfolgt auf Basis eines Motormodells eine Vorhersage I und direkt anschließend ein Regelschritt III. Der Vorhersageschritt I schätzt vier Größen, nämlich zwei Phasenströme, die Position des Rotors und seine Geschwindigkeit. Diese vier Größen fließen vollumfänglich in den Regelschritt III ein. Der Regelschritt III berechnet aus diesen Größen die Pulsweitenmodulationen (PWM), d. h. das sog. Tastverhältnis, für die nächste Periode T. Die Pulsweitenmodulationen (PWM) müssen bis spätestens zum Zeitpunkt P1 berechnet sein und gelten in der Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten P1 und P2. Die Ausgangsgrößen des Regelschrittes III werden also allein auf Basis des Schätzwertes generiert, welcher im Vorhersageschritt I ermittelt wurde.
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Wie im Stand der Technik (oben) wird auch erfindungsgemäß ab dem Zeitpunkt SM1 und somit in der Mitte der ersten Periode (½T) eine Strommessung der zwei Phasenströme ausgeführt, welche jedoch keinen Eingang mehr in das Ausgangssignal des Regelschrittes III findet. Auf diese Weise kann bereits im Zeitpunkt P1 ein aktualisiertes Tastverhältnis aktiviert werden. Die Messwerte des Phasenstromes aus dem Korrekturschritt II beeinflussen lediglich den Schätzwert, welcher nach der ersten Periode T bzw. nach dem Zeitpunkt P1 beginnt. Im Korrekturschritt II in der ersten Periode (bei ½T) werden die zwei Phasenströme mit den vorhergesagten Werten verglichen. Anschließend wird daraus ein Gewichtungsfaktor durch den Kalman-Filter 12 ermittelt, mit welchen er die Messgrößen und die vorhergesagten Größen gewichtet. Der Schätzwert wird anschließend in dem Regelschritt III der zweiten Periode, d. h. nach T bzw. P1 erneut herangezogen, um bereits im Zeitpunkt P2 das Leistungssignal, mittels dessen der Synchronmotor 6 betrieben wird, erneut anzupassen.
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Auch zum Zeitpunkt SM2 wird im Korrekturschritt II, also in der Mitte der zweiten Periode T und somit bei 3/2T eine Strommessung durchgeführt, deren Ergebnis jedoch nicht die zweite Anpassung des Leistungssignals zum Zeitpunkt P2 eingeht, sondern lediglich den Schätzwert beeinflusst, welcher wiederum die Regelausgangsgröße des Regelschrittes III für die Aktualisierung des Leistungssignals zum Zeitpunkt P3 beeinflusst. Erkennbar kann in jeder Periode ein aktualisiertes Tastverhältnis erzeugt und aktiviert werden und somit eine exaktere Regelung des Synchronmotors 6 als im Stand der Technik vorgenommen werden, da im Stand der Technik insbesondere bei hohen Drehzahlen die informationsverarbeitende Hardware zur Ermittlung eines aktualisierten Tastverhältnisses länger benötigt, als zwischen zwei möglichen Zeitpunkten zur Aktualisierung des Tastverhältnisses gegeben ist.
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5 zeigt ein Regeldiagramm, welches die Signalverarbeitung in einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung darstellt. Eine Abgleicheinheit 13 erhält eine Soll-Drehzahl S1 und eine geschätzte Drehzahl S3 des Synchronmotors 6. Die Soll-Drehzahl S1 kann bspw. aufgrund einer Lastanforderung einer bzw. der Brennstoffzelle 1 bereitgestellt werden. Die Abgleicheinheit 13 steuert entsprechend einen Drehzahlregler 11 mit einem Differenzsignal an, welches umso größer ist, je stärker die geschätzte Drehzahl S3 gegenüber der Soll-Drehzahl S1 abfällt. Unter Berücksichtigung einer geschätzten Position sowie der vorhergesagten Ströme S4 gibt der Drehzahlregler 11 ein Tastverhältnis S2 aus, welches als Leistungssignal dem Synchronmotor 6 sowie einem Kalman-Filter 12 zugeführt wird. Der Kalman-Filter 12 erhält überdies ein Signal S5, welches einen gemessenen Phasenstrom des Synchronmotors 6 repräsentiert. Aus dem aktuellen Tastverhältnis S2 und den gemessenen Phasenströmen S5 schätzt der Kalman-Filter 12 die Drehzahl S3 und stellt dem Drehzahlregler 11 die geschätzte Position sowie die vorhergesagten Ströme S4 bereit.
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6 zeigt Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Rotorpositions- und Drehzahlermittlung eines bzw. des Synchronmotors 6. In Schritt 100 wird eine Lastanforderung von einer Brennstoffzelle 1 ermittelt, im Ansprechen worauf ein Synchronmotor 6 zum Antrieb eines Kompressors 3 bis zum Eintreten einer vordefinierten Bedingung in Form eines vordefinierten mittleren Maximalfehlers des Kalman-Filters 12 durch ein gesteuertes Verfahren betrieben wird. In Schritt 200 wird eine Rotorposition des Synchronmotors 6 durch einen bzw. den Kalman-Filter 12 geschätzt und anschließend in Schritt 300 ein im Ansprechen auf die Schätzung angepasstes Leistungssignal zum Antrieb des Synchronmotors 6 ausgegeben. In Schritt 400 wird ein Signal repräsentierend einen Phasenstrom eines Stators des Synchronmotors 6 erfasst. Obwohl die Strommessung ggf. bereits vor dem nächstmöglichen Aktivierungszeitpunkt eines aktualisierten Tastverhältnisses gestartet und ggf. auch beendet wird, wird erfindungsgemäß darauf verzichtet, auch die regelungstechnische Ermittlung des aktualisierten Tastverhältnisses auf dem Ergebnis der Strommessung aufzubauen. Vielmehr wird das in Schritt 400 erfasste Signal in Schritt 500 mittels eines Kalman-Filters 12 zur Rotorpositions- und Drehzahlermittlung ausgewertet, jedoch zunächst zur Schätzung der Rotorposition des Synchronmotors 6 (siehe hierzu Schritt 200) herangezogen, im Ansprechen worauf wieder eine Ausgabe eines im Ansprechen auf das Schätzergebnis angepassten Leistungssignals zum Antrieb des Synchronmotors 6 (siehe Schritt 300) erfolgt. Im Ergebnis kann auch bei hohen Drehzahlen des Synchronmotors 6 zu jedem möglichen Aktivierungszeitpunkt ein aktuelles Tastverhältnis bereitgestellt werden, sodass sich die Präzision der Regelung der Synchronmaschine 6 erhöht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzelle
- 2
- Anordnung
- 3
- Kompressor
- 4
- Luft
- 5
- Welle
- 6
- Synchronmotor
- 7
- Ein-/Ausgabeeinheit
- 8
- Prozessor/Auswerteeinheit
- 9
- Verbrennungsprodukt
- 10
- Pkw
- 11
- Drehzahlregler
- 12
- Kalman-Filter
- 13
- Abgleicheinheit
- 100
-
- 500
- Verfahrensschritte
- N
- Drehzahl
- S1
- Soll-Drehzahl
- S3
- geschätzte Drehzahl
- S2
- Tastverhältnis
- S4
- vorhergesagte Ströme
- S5
- gemessene Ströme
- SM1–SM3
- Strommesszeitpunkt
- t
- Zeit
- T0
- Zeitpunkt des Wechsels von gesteuertem zu geregeltem Betrieb
- P1–P3
- Zeitpunkt der Aktivierung des Tastverhältnisses
- I
- Vorhersageschritt
- II
- Korrekturschritt
- III
- Regelschritt