DE102017200839A1 - Method for controlling a rotational speed of an electrical machine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Drehzahl einer elektrischen Maschine (20), bei dem ein Regler und eine dynamische Vorsteuerung verwendet werden, wobei in der Vorsteuerung ein dynamisches, inverses Modell der Regelstrecke hinterlegt ist, wobei in den Regler eine Solldrehzahl und eine Istdrehzahl eingegeben werden und in die Vorsteuerung die Solldrehzahl und eine Ableitung der Solldrehzahl eingegeben werden, so dass ein Vorsteueranteil und ein Regleranteil ermittelt werden, die zusammen in die Regelstrecke eingehen. The invention relates to a method for controlling the rotational speed of an electrical machine (20), in which a controller and a dynamic precontrol are used, wherein in the precontrol a dynamic, inverse model of the controlled system is stored, wherein in the controller a target speed and an actual speed are input and in the pilot control, the target speed and a derivative of the target speed can be entered, so that a pilot component and a controller component are determined, which together enter into the controlled system.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer Drehzahl einer elektrischen Maschine und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.The invention relates to a method for controlling a rotational speed of an electrical machine and to an arrangement for carrying out the method.
Stand der TechnikState of the art
Eine elektrische Maschine ist ein Energiewandler, der als Generator kinetische Energie in elektrische Energie und als Elektromotor elektrische Energie in kinetische Energie wandelt. Alle elektrischen Maschinen verfügen über einen elektrischen Kreis, der für die Funktion wesentlich ist.An electric machine is an energy converter that converts kinetic energy into electrical energy as a generator and electrical energy into kinetic energy as an electric motor. All electrical machines have an electrical circuit that is essential to their function.
Elektromotoren werden in Kraftfahrzeugen, bspw. als Antrieb für das Kraftfahrzeug selbst, aber auch für andere Aufgaben, z. B. als Antrieb weiterer Komponenten, eingesetzt. So wird bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren zur Steigerung der Effizienz dem Motor Luft mit erhöhtem Druck zugeführt. Allerdings reicht im unteren Lastbereich die Abgasmenge nicht aus, um die Turbine bzw. den Verdichter des Abgasturboladers auf hohe Drehzahlen zu bringen. Dies bedeutet, dass der Verdichter die Luft nicht ausreichend hoch komprimieren kann, was zu dem bekannten Turboloch führt.Electric motors are used in motor vehicles, for example. As a drive for the motor vehicle itself, but also for other tasks, such. B. used as a drive of other components. Thus, in supercharged internal combustion engines to increase the efficiency air is supplied to the engine with increased pressure. However, in the lower load range, the exhaust gas amount is not enough to bring the turbine or the compressor of the exhaust gas turbocharger to high speeds. This means that the compressor can not compress the air sufficiently high, resulting in the known turbo lag.
Abhilfe schaffen hier Zusatzverdichter, die z. B. durch elektrische Maschinen angetrieben werden können. Die Verdichter können als Strömungsmaschinen oder Verdrängermaschinen ausgelegt sein. Letztere können aufgrund der höheren Reibung bei der Regelung zu Problemen führen.Remedy here additional compressor, the z. B. can be driven by electric machines. The compressors can be designed as turbomachines or displacement machines. The latter can lead to problems due to the higher friction in the control.
Aus der Druckschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 8 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.Against this background, a method according to claim 1 and an arrangement according to claim 8 are presented. Embodiments emerge from the dependent claims and from the description.
Das vorgestellte Verfahren wird dazu eingesetzt, die Drehzahl eines Elektromotors dynamisch auf einen gewünschten Sollwert zu regeln. Die Enddrehzahl wird dabei dynamisch und exakt, d. h. auch ohne Überschwingen, getroffen. Zu beachten ist, dass die Anforderungen an die Regelung sehr hoch sind, so dass ggf. typische Reglerstrukturen, wie bspw. PID-Regler, nicht ausreichend sind.The presented method is used to dynamically control the speed of an electric motor to a desired setpoint. The final speed is dynamic and exact, d. H. even without overshoot, hit. It should be noted that the requirements for the control are very high, so that possibly typical controller structures, such as PID controllers, are not sufficient.
Um die hohen Anforderungen an die Dynamik der Verstellung zu erfüllen, verwendet das vorgestellte Verfahren eine Vorsteuerung mit einem inversen Modell der Regelstrecke. Das Modell beruht dabei in Ausgestaltung auf einer Theorie eines differenziell flachen Systems.In order to meet the high demands on the dynamics of the adjustment, the presented method uses a precontrol with an inverse model of the controlled system. The model is based on a theory of a differentially flat system.
Ein System heißt flach, wenn es einen virtuellen Ausgang hat, der die gleiche Dimension wie der Systemeingang besitzt und der zusammen mit seiner endlichen Anzahl von Zeitableitungen alle dynamische Eigenschaften des Systems beschreibt. Flachheit eines Systems kann mit Hilfe von folgenden Gleichungen überprüft werden:A system is called flat if it has a virtual output that has the same dimension as the system input and that, together with its finite number of time derivatives, describes all the dynamic properties of the system. Flatness of a system can be verified using the following equations:
Betrachtet wird ein linear oder nichtlineares System mit den Zustandsgrößen x ∈ Rn und Eingangsgrößen u ∈ Rm. Das System besitzt die Flachheiteigenschaft, wenn Ausgangsgrößen y ∈ Rm existieren, die die folgenden Gleichungen erfüllen:
wobei f1 und f2 beliebige Funktionen und dPy die p-te zeitliche Ableitung von y beschreibt.Consider a linear or non-linear system with the state variables x ∈ R n and input quantities u ∈ R m . The system has the flatness property if there are outputs y ∈ R m that satisfy the following equations:
where f1 and f2 arbitrary functions and d P y describes the p-th time derivative of y.
Bei linearen Systemen ist diese Eigenschaft mit der Steuerbarkeit des Systems gleichbedeutend. Es ist zu beachten, dass ein System mehrere flache Ausgänge haben kann. In der Regel weisen alle mechanischen Systeme, auch die nichtlinearen, diese Systemeigenschaft auf.For linear systems, this property is synonymous with the controllability of the system. It should be noted that a system can have multiple flat outputs. As a rule, all mechanical systems, including nonlinear ones, have this system property.
Mit Hilfe des flachen Ausgangs kann mittels der vorstehenden Gleichungen eine „modell-basierte“ Steuerung entworfen werden. Dafür wird der flache Ausgang y und seine zeitliche Ableitungen mit einer Solltrajektorie yd, die ebenfalls p-mal differenzierbar ist, ersetzt. Die Gleichungen (a und b) können benutzt werden, um die Trajektorien für die Systemzustände sowie die erforderliche Eingangsgröße, zur Realisierung der Trajektorie, zu berechnen.With the aid of the shallow output, a "model-based" control can be designed by means of the above equations. For this, the flat output y and its time derivatives are replaced by a desired trajectory y d , which is also p-times differentiable. The equations (a and b) can be used to calculate the trajectories for the system states as well as the required input quantity for the realization of the trajectory.
Dabei ist die unterlagerte Momentenstruktur Teil der Regelstrecke. Modellungenauigkeiten und Störungen werden von einem zusätzlichen Regler ausgeregelt. Stellgröße für die Drehzahlregelung ist typischerweise das Sollmoment an der elektrischen Maschine, welches unterlagert gestellt oder geregelt wird. Alternativ kann auch direkt die zu verstellende Größe im unterlagerten Momentenregelkreis verwendet werden. Bei PM-Synchronmaschinen (PM: Permanentmagnet) ist dies bspw. der Sollstrom.The subordinate torque structure is part of the controlled system. Model inaccuracies and disturbances are compensated by an additional controller. The manipulated variable for the speed control is typically the setpoint torque on the electric machine, which is set or regulated underlain. Alternatively, the size to be adjusted in the lower-level torque control circuit can also be directly adjusted be used. In PM synchronous machines (PM: permanent magnet) this is, for example, the target current.
Es wird somit erreicht, dass der Regler nur in Ausnahmefällen eingreifen muss. Dies ist vorteilhaft, da ein starker Reglereingriff ggf. zu einem Überschwingen und zu anderen nachteiligen Effekten führt.It is thus achieved that the controller must intervene only in exceptional cases. This is advantageous because a strong controller intervention possibly leads to overshoot and other adverse effects.
Das System, das hier betrachtet wird, ist ein dynamisches System, d. h. es kann mittels Differenzialgleichungen beschrieben werden. Das aktuelle Verhalten des Systems ist damit von der Gegenwart und Vergangenheit abhängig.The system considered here is a dynamic system, i. H. it can be described by means of differential equations. The current behavior of the system is thus dependent on the present and the past.
Wenn das Ein-/Ausgangsverhalten des Systems während des Betriebs stark variiert, dann soll das Streckenmodell auch entsprechend angepasst werden. Da die Reibungsmomente sich bei einer elektrischen Maschine über der Lebenszeit aber auch über Umgebungsbedingungen stark ändern, kann durch eine Anpassung das Reglerverhalten verbessert werden. Hierzu kann ein rekursiver Parameterschätzer, wie bspw. ein RLS-Algorithmus, verwendet werden, der während des Betriebs ggf. online über einen Abgleich mit der Messung die Modellparameter geeignet anpasst. Somit wird das Ein-/Ausgangsverhalten der realen Strecke nachgebildet und mögliche Änderungen in dem Verhalten nachgelernt. Um zu vermeiden dass die Anpassung in schlecht identifizierbaren oder ungültigen Zuständen passiert, ist eine situationsabhängige Aktivierung nötig.If the input / output behavior of the system varies greatly during operation, then the system model should also be adapted accordingly. Since the friction torques in an electric machine vary greatly over the lifetime but also over environmental conditions, the controller behavior can be improved by an adaptation. For this purpose, a recursive parameter estimator, such as, for example, an RLS algorithm, can be used which, during operation, if necessary, adjusts the model parameters appropriately online via a comparison with the measurement. Thus, the input / output behavior of the real route is modeled and possible changes in the behavior are learned. In order to avoid that the adaptation happens in poorly identifiable or invalid states, a situation-dependent activation is necessary.
Der Drehzahlregler setzt auf einer bestehenden Momentenregelung auf, wobei eine sogenannte Kaskadenreglerstruktur verwendet werden kann. Damit ist das Verfahren nicht nur für eine PM-Synchronmaschine, sondern für jede Drehzahlregelung mit unterlagerter Momentenstruktur einsetzbar.The speed controller is based on an existing torque control, whereby a so-called cascade controller structure can be used. Thus, the method can be used not only for a PM synchronous machine, but for each speed control with subordinate torque structure.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Figurenlistelist of figures
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Kraftfahrzeug mit einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.1 shows a schematic representation of a motor vehicle with an arrangement for carrying out the method. -
2 zeigt in einem Blockschaltbild eine Ausführung einer Anordnung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens.2 shows a block diagram of an embodiment of an arrangement for carrying out the method described.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.The invention is schematically illustrated by means of embodiments in the drawings and will be described in detail below with reference to the drawings.
Eingangsgrößen in die Vorsteuerung
Das Modell der Regelstrecke
Die Strecke für die Drehzahlregelung
Darin beschreibt w die Drehzahl, J das Trägheitsmoment, M das Moment der PM-Synchronmaschine und Mv das Verlustmoment welches von verschiedensten Größen im wesentlichen jedoch von der Drehzahl w und von der Temperatur T abhängt. Wenn die Verluste mit einem viskosen Reibungskoeffizienten kv und mit einem konstanten (coulombschen) Reibungskoeffizient koff approximiert werden, dann ergibt sich die folgende Gleichung:
Wenn man Gleichung (2) in Gleichung (1) einsetzt, ergibt sich eine beispielhafte Approximation des Drehzahlverhaltens in folgender Weise
Da das Moment M meist nicht unmittelbar gestellt werden kann, sondern ebenfalls einer Verzögerung unterliegt, muss diese ebenfalls berücksichtigt werden. Im Folgenden wird diese Verzögerung zwischen dem Ist- und Sollmoment beispielweise mit einem Verzögerungsglied erster Ordnung
mit der Zeitkonstante τ und der statischen Verstärkung K beschreiben. Die statische Verstärkung K wird bei einer korrekt entworfenen Momentenregelung
with the time constant τ and the static gain K describe. The static gain K is at a correctly designed torque control
Der Vorsteuerungsentwurf basiert auf der Theorie der differenziell flachen Systeme, wobei die Drehzahl w der flache Ausgang ist. Es wird dazu Gleichung (3) nach Zeit abgeleitet und die Gleichungen für w und ẅ werden nach M und Ṁ aufgelöst. Wenn diese Gleichungen in Gleichung (4) eingesetzt werden, erhält man den Zusammenhang zwischen Sollmoment Msoll und Winkelgeschwindigkeit w sowie seiner ersten und zweiten zeitlichen Ableitung:
- p2:
- = τJ
- p1:
- = τkv + J
- p0:
- = kv
- poff:
- = koff
- p 2 :
- = τJ
- p 1 :
- = τk v + J
- p 0 :
- = k v
- p off :
- = k off
Wenn eine zweimal differenzierbare Solltrajektorie für den Drehzahlverlauf vorliegt, kann mittels der Gleichung (5) das benötigte Sollmoment uv in der Vorsteuerung in folgender Weise berechnet werden:
Dies bedeutet, dass eine dreifach stetig differenzierbare Trajektorie für den gewünschten Drehzahlverlauf vorgegeben werden sollte. Diese Eigenschaft kann zum Beispiel durch die Verwendung eines Zustandsvariablenfilters für die Berechnung der Solldrehzahl sowie der zugehörigen Ableitungen sichergestellt werden.This means that a triple continuously differentiable trajectory should be specified for the desired speed curve. This property can be ensured, for example, by the use of a state variable filter for the calculation of the setpoint speed and the associated derivatives.
Die Schätzung der Reibungsmomente für die Vorsteuerung erfolgt derart:The estimation of the friction moments for the precontrol takes place in such a way:
Die Beziehung zwischen dem verlustfreien bzw. idealen Moment und der Geschwindigkeitsänderung ist in der Gleichung (1) angegeben. Bei einer permanenterregten Synchronmaschine hängt das ideale Beschleunigungsmoment von dem Strom und von den Motorparametern ab und kann in D/Q-Koordinaten in folgender Weise angegeben werden:
wobei Np die Polpaarzahl der Synchronmaschine, Psi der verkettete Fluss, Ld die Motorinduktivität in der D-Koordinate (direct axis), Lq die Motorinduktivität in Q-Koordinate (quadrature axis) und Id und Iq der gemessene Strom in den D- und Q-Koordinaten beschreibt. Es ist wichtig zu wissen, dass auch Messfehler sowie Ungenauigkeiten der Motorparameter als Verlustmoment auftreten und in dieser Weise in der Vorsteuerung kompensiert werden.The relationship between the lossless moment and the speed change is given in the equation (1). In a permanent magnet synchronous machine, the ideal acceleration torque depends on the current and motor parameters and can be expressed in D / Q coordinates as follows:
where N p is the pole pair number of the synchronous machine, Psi is the concatenated flux, L d is the motor inductance in the D coordinate (direct axis), L q is the motor inductance in the Q coordinate (quadrature axis) and I d and I q is the measured current in the Describes D and Q coordinates. It is important to know that also measurement errors and inaccuracies of the motor parameters occur as loss torque and are compensated in this way in the pilot control.
Mit dem linearen Reibungsmodell, gegeben in Gleichung (2), kann die Gleichung (1) in folgender Weise angegeben werden:
Ist das Trägheitsmoment j bekannt und soll nicht geschätzt werden, dann kann es vom Parametervektor eliminiert werden und es ergibt sich die folgende Gleichung:
Wenn auch das Trägheitsmoment geschätzt werden soll und daher Gleichung (8) benutzt wird, ist es wichtig, die erste zeitliche Ableitung in einer geeigneten Weise zu berechnen, da die Winkelbeschleunigung in der Regel nicht zur Verfügung steht. Wenn dabei eine Filterung zum Einsatz kommt, dann sollen alle Eingangs- und Ausgangssignale mit dem gleichen Filter gefiltert werden, damit eine Phasenverschiebung vermieden wird.Also, if the moment of inertia is to be estimated, and therefore Equation (8) is used, it is important to calculate the first derivative in a suitable way, since the Angular acceleration is usually not available. If filtering is used, then all input and output signals should be filtered with the same filter to avoid phase shifting.
In beiden Fällen kann die Methode der kleinsten Fehlerquadrate für die Festlegung der unbekannten Parameter benutzt werden. Dafür wird die Gleichung (8) oder (9) zuerst in einer Matrix-Form gebracht, indem die Gleichungen in unterschiedlichen Zeitpunkten untereinander geschrieben werden, wie nachfolgend für einen allgemeinen Fall dargestellt ist:
Hier beschreibt n die Anzahl der Messungen weil m die Anzahl der unbekannten Parameter beschreibt (für Gleichung (8) 3 und für Gleichung (9) 4).Here n describes the number of measurements because m describes the number of unknown parameters (for equation (8) 3 and for equation (9) 4).
Mittels einer Pseudoinverse kann die Gleichung in folgender Weise gelöst werden:
Theoretisch ist es für die Lösung hinreichend, wenn die Anzahl der Messungen größer oder gleich der Anzahl der unbekannten Parameter ist. Damit aber die Schätzung eine gute Qualität aufweist und damit keine numerischen Probleme auftreten, soll die Anzahl der Messungen wesentlich höher als die Anzahl der unbekannten Parameter sein und die lineare Unabhängigkeit unterschiedlicher Zeilen gesichert sein.Theoretically, it is sufficient for the solution if the number of measurements is greater than or equal to the number of unknown parameters. However, in order for the estimate to be of good quality and to avoid any numerical problems, the number of measurements should be much higher than the number of unknown parameters and the linear independence of different lines should be ensured.
Besonders wenn die Reibungsparameter eine starke Zeit- und/oder Arbeitspunktabhängigkeit zeigen, ist es zweckmäßig, die Gleichung in rekursiver Weise zu lösen. In der Literatur werden dafür mögliche Methoden angeboten, eine mögliche Implementierungsmöglichkeit ist nachfolgend angegeben:
Hier beschreibt λ den Vergessensfaktor und P die Kovarianzmatrix. Durch den Vergessensfaktor können neuere Messungen in der Gleichung höher priorisiert werden. Der Initial-Wert der Kovarianzmatrix beschreibt die angenommene Güte der Anfangswerte.Here λ describes the forgetting factor and P the covariance matrix. The forgetting factor allows newer measurements in the equation to be prioritized higher. The initial value of the covariance matrix describes the assumed quality of the initial values.
Zur Kompensation von Modellierungsfehlern sowie zur Störgrößenunterdrückung wird die entworfene Vorsteuerung in Gleichung (6) noch um einen zusätzlichen Regleranteil ergänzt, z. B. in der Form:
Für ur kann mit e = wsoll - w z. B. ein Zustandsregler verwendet werden,
der mit k3 = 0 einem PID-Regler entspricht. Sind Stellgrößenbeschränkungen relevant, kann im Regler ein Anti-Windup-Mechanismus für den Integralanteil verwendet werden.For u r , with e = w soll - w z. B. a state controller can be used,
with k3 = 0 corresponds to a PID controller. If manipulated variable restrictions are relevant, an anti-windup mechanism for the integral component can be used in the controller.
Die modellbasierte Invertierung der Strecke in der Vorsteuerung kann aus dem Ansteuersignal in der Drehzahlregelung rekonstruiert und somit nachgewiesen werden. Die Vorsteuerung führt zu einer charakteristischen Formung des Ansteuersignals, welche durch eine Regelung allein, insbesondere bei einem PID-Regler, nicht vorhanden ist.The model-based inversion of the distance in the feedforward control can be reconstructed from the drive signal in the speed control and thus detected. The precontrol leads to a characteristic shaping of the drive signal, which is not present by a control alone, in particular in a PID controller.
Das vorgestellte Verfahren kann allgemeine bei einer Drehzahlregelung mit einer unterlagerten Momentenstruktur eingesetzt werden. Dies bedeutet, dass der Regler in Kaskadenstruktur entworfen werden kann.The presented method can generally be used in a speed control with a subordinate torque structure. This means that the controller can be designed in cascade structure.
Weiterhin kann das Verfahren bei einem Drehzahlregler mit unterlagerten Stromregler für einen elektrischen Zusatzturbolader eingesetzt werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist bei der Drehzahlregelung auf Nulldrehzahl, wenn der Elektromotor möglichst schnell in passiver Modus gebracht werden sollen, gegeben.Furthermore, the method can be used in a speed controller with lower-level current controller for an electric auxiliary turbocharger. Another field of application is in the speed control to zero speed when the electric motor should be brought as soon as possible in passive mode given.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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| DE102021211622A1 (en) | 2021-10-14 | 2023-04-20 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Method for operating an electrical machine |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108334119A (en) | 2018-07-27 |
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