DE102021203591A1 - Verfahren zur feldorientierten Regelung eines Elektromotors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur feldorientierten Regelung eines Elektromotors (4), bei welchem ein Betriebszustand des Elektromotors (4) über eine Stromregelung (64) im d-q-Referenzsystem mit einer Direktkomponente (Id) und einem Quadraturstrom (Iq) eingestellt wird, wobei ein Sollwert (Id_set) der Direktkomponente (Id) zur Bewirkung eines Betriebszustands des Elektromotors (4) mit maximalen Drehmoment pro Ampere geschätzt wird, wobei anhand des Sollwerts (Id_set) mindestens eine Führungsgröße (IMTPAControl) zur Führung der Direktkomponente (Id) der Stromregelung (64) bestimmt wird, mittels welcher der Elektromotor (4) in einem ersten Betriebspunkt und einem sich hiervon unterscheidenden zweiten Betriebspunkt betrieben wird, wobei mindestens eine Optimierungsgröße (I1, I2) als Reaktion des Elektromotors (4) auf den Betrieb im ersten Betriebspunkt und im zweiten Betriebspunkt erfasst wird, wobei die mindestens eine Optimierungsgröße (I1, I2) hinsichtlich des Betriebszustands des Elektromotors mit maximalen Drehmoment pro Ampere ausgewertet wird, und wobei Sollwert (Id_set) der Direktkomponente (Id) anhand der Auswertung eingestellt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur feldorientierten Regelung eines Elektromotors, bei welchem ein Betriebszustand des Elektromotors über eine Stromregelung im d-q-Referenzsystem mit einer Direktkomponente und einem Quadraturstrom eingestellt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Elektromotor sowie eine Software auf einem Datenträger.
• Elektromotorisch an- oder betriebene Verstellsysteme als Kraftfahrzeugkomponenten, wie beispielsweise Fensterheber, Sitzverstellungen, Tür- und Schiebedachantriebe oder Kühlerlüfterantriebe sowie Pumpen und Innenraumgebläse weisen typischerweise einen elektrischen Antrieb mit einem gesteuerten Elektromotor auf. Für solche elektromotorische Antriebe werden zunehmend häufig sogenannte bürstenlose Elektromotoren (bürstenloser Gleichstrommotor, BLDC-Motor) eingesetzt, bei denen die verschleißanfälligen Bürstenelemente eines starren (mechanischen) Kommutators durch eine elektronische Kommutierung des Motorstroms ersetzt sind.
• Elektromotorische Antriebe für Kraftfahrzeuge werden in der Regel von einer (Hochvolt-)Batterie als fahrzeuginternem Energiespeicher gespeist, aus welchem der Elektromotor mit elektrischer Energie in Form eines Gleichstroms (Gleichspannung) versorgt wird. Zur Wandlung des Gleichstroms in den Motorstrom ist geeigneterweise ein Stromrichter (Wechselrichter, Inverter) zwischen dem Energiespeicher und dem Elektromotor verschaltet. Der Stromrichter weist eine Brückenschaltung auf, welche über einen elektrischen Zwischenkreis mit der Gleichstrom oder Gleichspannung des Energiespeichers versorgt wird. Der Motorstrom wird durch eine pulsweitenmodulierte (PWM) Ansteuerung oder Regelung von Halbleiterschaltern der Brückenschaltung als ein mehrphasiger Ausgangsstrom erzeugt. Durch die Pulse der PWM-Signale werden die Halbleiterschalter getaktet zwischen einem leitenden und einem sperrenden Zustand umgeschaltet.
• Die Brückenschaltung speist im Betrieb in die Statorspulen des Elektromotors den elektrischen Motorstrom (Drehstrom) ein, welcher in der Folge ein bezüglich des Stators rotierendes magnetisches Drehfeld erzeugt. Der Rotor des Elektromotors weist hierbei geeigneterweise eine Anzahl von Permanentmagneten auf, wobei durch die Wechselwirkung der Permanentmagnete mit dem Drehfeld ein resultierendes Drehmoment erzeugt wird, welches den Rotor in Rotation versetzt.
• Die Phasen des von der Brückenschaltung erzeugten Drehstroms und des zugehörigen Drehfeldes werden als (Motor-)Phasen bezeichnet. Im übertragenen Sinne werden hierunter auch die jeweils einer solchen Phase zugeordneten Statorspulen (Phasenwicklung) mit den zugehörigen Verbindungsleitungen (Phasenende) verstanden. Die Phasen sind hierbei beispielsweise in einem Sternpunkt einer Sternschaltung miteinander verschaltet.
• Für einen effizienten Betrieb ist es notwendig, dass die Phasen zum richtigen Zeitpunkt mit Strom versorgt werden. Hierzu ist beispielsweise eine Vektorregelung, auch feldorientierte Regelung (engl.: Field Oriented Control, FOC) genannt, möglich. Bei einer solchen feldorientierten Regelung oder FOC wird der Drehstrom als zwei orthogonale Komponenten identifiziert, die mit einem Stromraumvektor visualisiert werden können. Die eine Komponente (Direktkomponente) definiert den magnetischen Fluss des Motors, die andere das Drehmoment (Quadraturstrom).
• Die feldorientierte Regelung regelt den Drehstrom in einem d-q-Referenzsystem (Bezugsystem) des Elektromotors. Im Idealfall ist der Stromraumvektor in Bezug auf den Rotor in Betrag und Richtung (Quadratur) fest, unabhängig von der Rotation. Da der Strom-Raumvektor im d-q- Referenzsystem statisch ist, erfolgt die Stromregelung anhand von Gleichstromsignalen. Dies isoliert die Regler von den zeitlich variierenden Wicklungsströmen und -spannungen und eliminiert daher die Begrenzung des Reglerfrequenzgangs und der Phasenverschiebung auf das Motordrehmoment und die Drehzahl.
• Der Elektromotor weist hierbei eine zugeordnete Motorsteuerung auf, welche die entsprechenden Stromkomponentensollwerte aus den Fluss- und Drehmomentsollwerten, welche von einer Drehzahlregelung vorgegeben werden, bestimmt. Die Motor- oder Phasenströme werden hierbei in das d-q-Referenzsystem transformiert. Die Stromregelung weist typischerweise zwei proportional-integrale Regler (PI-Regler) auf; einen für die Direktkomponente (Direktstrom) und einen für den Quadraturstrom, um die gemessenen Stromkomponenten auf den vorgegebenen Sollwerten zu halten.
• Die Ausgänge der beiden PI-Regler stellen einen Spannungsraumvektor in Bezug auf den Rotor dar. Spiegelbildlich zur Transformation, die an den Motorströmen durchgeführt wird, werden diese statischen Signale durch eine Reihe von Referenzsystemtransformationen verarbeitet, um Spannungssteuersignale für die PWM-Ansteuerung zu erzeugen.
• Die Höhe des Drehmoments ist von der Stromamplitude und dem Stromwinkel des Drehstroms abhängig. Ist der Stromwinkel so gewählt, dass der Elektromotor bei einer gegebenen Stromamplitude das maximale Drehmoment erzeugt, so spricht man von einem Betriebszustand des Elektromotors mit maximalen Drehmoment pro Ampere (engl.: Max Torque Per Ampere, MTPA). Der MTPA-Betriebspunkt weist hierbei den besten Wirkungsgrad für den Elektromotorbetrieb auf. Dieser MTPA-Betriebspunkt ist von vielen Einflussfaktoren abhängig, so dass eine Ermittlung und gegebenenfalls Korrektur während des Betriebs des Elektromotors, also zur Laufzeit des Elektromotors, gewünscht ist.
• Herkömmlicherweise gibt ein Drehmomentregler den Sollwert beziehungsweise die Führungsgröße für den Quadraturstrom vor, wobei ein Feldschwächeregler die Führungsgröße für die Direktkomponente erzeugt. Ist keine Feldschwächung notwendig (Grunddrehzahlbereich) so hat die Führungsgröße der Direktkomponente den Wert Null (0). Dadurch wird die Direktkomponente auf null gefahren und somit der Strom-Raumvektor gezwungen, ausschließlich in Quadraturrichtung zu verlaufen. Da lediglich der Quadraturstrom ein nutzbares Drehmoment erzeugt, maximiert dies den Drehmomentwirkungsgrad des Elektromotors. Eine verbesserte feldorientierte Regelung kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass das Reluktanzmoment genutzt wird, und die Führungsgröße der Direktkomponente auf einen Wert ungleich Null gesetzt wird. Abhängig von den Systemkenntnissen und den Toleranzen wird der MTPA-Betriebspunkt und somit der beste Wirkungsgrad des Elektromotors mehr oder weniger erreicht.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zur feldorientierten Regelung eines Elektromotors anzugeben. Insbesondere sollen eine zuverlässige Ermittlung und gegebenenfalls Korrektur des MTPA-Betriebspunkts während der Laufzeit ermöglicht werden. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Elektromotor und eine Software auf einem Datenträger.
• Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Elektromotors mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie hinsichtlich der Software mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
• Sofern nachfolgend Verfahrensschritte beschrieben werden, ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen für den Elektromotor insbesondere dadurch, dass dieser ausgebildet ist, einen oder mehrere dieser Verfahrensschritte auszuführen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur feldorientierten Regelung eines Elektromotors vorgesehen sowie dafür geeignet und ausgestaltet. Mit anderen Worten ist verfahrensgemäß ein feldorientiert-geregelter Betrieb des Elektromotors (Motorbetrieb) vorgesehen. Das Verfahren ist also zum Betrieb des Elektromotors geeignet, sowie dafür vorgesehen und ausgestaltet.
• Bei der feldorientierten Regelung (FOC) wird ein Betriebszustand des Elektromotors über eine Stromregelung (engl.: Current Control Loop, CCL) in einem d-q-Referenzsystem mit einer Gleichspannungskomponente und einem Quadraturstrom geregelt.
• Die Stromregelung des Elektromotors weist hierbei vorzugsweise zwei (Strom-)Regler, insbesondere in Form von PI-Reglern, auf, mit welchem die Direktkomponente (Direktstrom) einerseits und der Quadraturstrom andererseits geregelt und/oder gesteuert werden. Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.
• Der Elektromotor kann hierbei auch eine Geschwindigkeitsregelung (engl.: Speed Control Loop, SCL), beispielsweise eine Drehzahl- oder Drehmomentregelung, mit einem Regler, insbesondere einem PI-Regler, aufweisen, welche einen Sollwert für den Quadraturstrom-Regler erzeugt.
• Verfahrensgemäß wird zunächst ein Sollwert der Direktkomponente zur Bewirkung eines Betriebszustand des Elektromotors mit maximalen Drehmoment pro Ampere geschätzt. Mit anderen Worten wird ein Sollwert der Direktkomponente für den MTPA-Betriebspunkt bestimmt. Unter „Schätzung“ oder „schätzen“ ist hier und im Folgenden eine genäherte Bestimmung des MTPA-Betriebspunkts beispielsweise durch Auswertung der Phasenspannungen und/oder Phasenströme, oder durch vorcharakterisierten Messungen, hinterlegte Tabellen oder Kennlinien, oder mittels (statistisch-)mathematischer Methoden, zu verstehen. Insbesondere zu Beginn des Verfahrens kann eine anfängliche (Start-)Schätzung des Soll-Betriebspunkts beispielsweise auch darin bestehen, den Sollwert auf null, oder unter Berücksichtigung eines Reluktanzmoments auf einen Wert ungleich Null, zu setzen.
• Anhand des Sollwerts wird anschließend eine Führungsgröße für die Stromregelung, insbesondere für den Regler der Direktkomponente, bestimmt. Die Führungsgröße führt somit die Direktkomponente bei der Stromregelung. Mittels der Führungsgröße wird der Elektromotor in einem ersten Betriebspunkt und einen sich hiervor unterscheidenden zweiten Betriebspunkt betrieben. Der erste oder zweite Betriebspunkt kann hierbei beispielsweise der geschätzte MTPA-Betriebspunkt sein. Mit anderen Worten kann die Führungsgröße für den ersten oder zweiten Betriebspunkt dem Sollwert entsprechen.
• Verfahrensgemäß wird anschließend mindestens eine Optimierungsgröße als Reaktion des Elektromotors auf den Betrieb im ersten Betriebspunkt und im zweiten Betriebspunkt erfasst. Mit anderen Worten ist die Optimierungsgröße ein Maß für den Betrieb des Elektromotors, insbesondere ermöglicht die Optimierungsgröße einen Rückschluss auf den im jeweiligen Betriebspunkt vorliegenden Wirkungsgrad. Die mindestens eine Optimierungsgröße wird hierbei hinsichtlich des Betriebszustands des Elektromotors mit maximalen Drehmoment pro Ampere ausgewertet. Mit anderen Worten werden der erste und zweite Betriebspunkt hinsichtlich des MTPA-Betriebspunkts ausgewertet. Anhand der Auswertung wird der Sollwert beziehungsweise die Führungsgröße für die Stromregelung eingestellt. Der Sollwert wird also derart eingestellt, dass der Wirkungsgrad des Elektromotors maximiert wird.
• Verfahrensgemäß wird der Elektromotor in dem ersten und/oder zweiten Betriebspunkt abweichend von dem geschätzten MTPA-Betriebspunkt betrieben. Dadurch stellt sich ein vom MTPA-Betriebspunkt unterschiedlicher Betriebspunkt ein. Diese Betriebspunkt- oder Betriebszustandsänderung ermöglicht anhand der erfassten Optimierungsgröße einen Rückschluss, ob sich die Führungsgröße - und somit der Sollwert der Direktkomponente - dem MTPA-Betriebspunkt annähert oder sich von diesem entfernt. Durch die Einstellung des Sollwerts anhand dieser Auswertung ist es somit möglich, während des Motorbetriebs den MTPA-Betriebspunkt zu ermitteln, und sich sukzessive oder iterativ an diesen anzunähern.
• Erfindungsgemäß ist somit eine Regelung des Sollwerts der Direktkomponente auf den MTPA-Betriebspunkt vorgesehen, welche anhand der Optimierungsgröße als Eingangsgröße geregelt wird.
• Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Abweichungen von dem MTPA-Betriebspunkt über die Lebenszeit des Elektromotors erkannt und korrigiert oder gemeldet werden. Des Weiteren reduziert das Verfahren die Anforderung an die (Kalibrier-)Genauigkeit eines Positionssystems des Elektromotors, da durch die Regelung des Sollwerts etwaige Ungenauigkeiten bei der Positions- oder Lagebestimmung herausgeregelt werden.
• Die verfahrensgemäße Optimierung kann während dem gesamten Lebenszyklus des Elektromotors erfolgen. Alternativ dazu kann er auch nur zu bestimmten Zeiten erfolgen. Beispielsweise ist die Betriebssituation nach der Herstellung des Elektromotors, also am Ende der Produktion (engl.: End of Line, EOL), sehr gut bekannt, so dass eine gezielte und zuverlässige Schätzung für den Sollwert ermöglicht ist. Dadurch ist eine besonders effektive Optimierung ermöglicht.
• Das Verfahren ist insbesondere für einen statischen Betrieb des Elektromotors geeignet. Daher kann es sinnvoll sein, bei Änderungen des Betriebzustandes (z.B. Drehzahl oder Last) die erfindungsgemäße Anpassung des Sollwerts auszusetzen oder die Anpassungsgeschwindigkeit zu reduzieren. Ist das System bereits an der Regelgrenze, so kann die Optimierung auch gestoppt oder angehalten werden.
• Befindet sich der Regler (bewusst) außerhalb des MTPA (z.B. bei einer Feldschwächung), so wird die Optimierung beziehungsweise das Verfahren zweckmäßigerweise ebenfalls gestoppt, pausiert oder unterbrochen.
• Der mit dem Verfahren ermittelte Sollwert für den MTPA-Betriebspunkt (Optimierungswert) kann bei einer Beendigung oder Unterbrechung des Verfahrens abgespeichert oder hinterlegt werden, und somit als neuer Startpunkt (Schätzpunkt) bei einem Start oder einer Wiederbeginn des Verfahrens wiederverwendet werden.
• Alternativ oder in Ergänzung zur vorstehend beschriebenen Ausblendung (Beendigung, Unterbrechung) des Verfahrens kann auch die Anpassung an den MTPA begrenzt werden. Dies bedeutet, dass beispielsweise ein Regelfaktor mit welchem der Sollwert angepasst wird, reduziert oder begrenzt wird.
• In einer bevorzugten Anwendung oder Verwendung des Verfahrens, wird das Verfahren dazu genutzt eine einzelne unbekannte beziehungsweise ungenaue Systemgröße zu ermitteln. Vorzugsweise wird hierbei ein Positionsoffset der Lage der Motorwelle beziehungsweise des Rotors ermittelt. Bei Positionserfassungssystemen kann es zu Abweichungen in der Positionserfassung kommen. Um diese Abweichung zu ermitteln und zu beseitigen, kann der Elektromotor im vermuteten oder geschätzten MTPA-Betriebspunkt betrieben werden. Anstelle der Direktkomponente wird hierbei ein Offset in der Ist-Position variiert. Auch hier ist die Zielgrö-ße das Erreichen das MTPA-Betriebspunktes. Dies wird aber über eine Korrektur der Position erreicht.
• In einer zweckmäßigen Ausführung des Verfahrens wird der erste und/oder zweite Betriebspunkt durch einen Testwert der Führungsgröße bewirkt. Die Führungsgröße setzt sich hierbei insbesondere aus einer Summe oder Differenz des Sollwerts und des Testwerts zusammen. Der Testwert ist eine bekannte Abweichung oder Störung welche auf den (geschätzten) Sollwert addiert (bzw. von diesem abgezogen) wird, um zwei unterschiedliche Betriebspunkte zu realisieren.
• In einer denkbaren Ausführungsform wird nach Beginn des Verfahrens in einem ersten Verfahrensschritt als (erste) Führungsgröße der geschätzte Sollwert verwendet. Dies bedeutet, dass der Regler der Direktkomponente zunächst den geschätzten MTPA-Betriebspunkt einstellt und den Elektromotor in diesem (ersten) Betriebspunkt betreibt. In einem zweiten Verfahrensschritt wird die Reaktion des Elektromotors auf diesen Betriebspunkt mit einer ersten Optimierungsgröße erfasst. Die Optimierungsgröße ist hierbei beispielsweise ein Phasenstrom des Elektromotors. Die Optimierungsgröße wird hinterlegt und anschließend in einem dritten Verfahrensschritt eine (zweite) Führungsgröße verwendet, welche sich aus dem geschätzten Sollwert und dem Testwert zusammensetzt. Durch den zusätzlichen Testwert in der Führungsgröße wird ein zweiter Betriebspunkt eingestellt, welcher sich von dem ersten Betriebspunkt unterscheidet. In einem vierten Verfahrensschritt wird die Reaktion des Elektromotors auf diesen zweiten Betriebspunkt mit einer zweiten Optimierungsgröße erfasst, und die zweite Optimierungsgröße hinterlegt. In einem fünften Verfahrensschritt wird als Auswertung ein Vergleich durchgeführt, ob die erste oder zweite Optimierungsgröße einen besseren Motorbetrieb aufweist. Ist die zweite Optimierungsgröße besser wird der Sollwert der Direktkomponente neu eingestellt. Ist die erste Optimierungsgröße besser werden die Verfahrensschritte eins bis fünf wiederholt, wobei im dritten Verfahrensschritt mittels des Testwerts wechselweise in die eine und dann die andere Richtung abgewichen wird.
• In einer ebenso denkbaren alternativen Ausführungsform wird in dem ersten Verfahrensschritt eine Führungsgröße mit einem Testwert oder Abweichung in die eine Richtung und in dem dritten Verfahrensschritt eine Führungsgröße mit einem Testwert oder Abweichung in die andere (gegensätzliche) Richtung verwendet.
• Der Testwert kann auf verschiedene Arten gewählt werden. Beispielsweise weist der Testwert einen konstanten Wert, zum Beispiel 0,5 A, (Ampere) auf. Der Testwert kann alternativ einen alternierenden Wert, beispielsweise ± 0,5 A, oder Variationen in der Amplitude aufweisen. Weiterhin ist es möglich die Amplitude des Testwerts abhängig vom Betriebszustand oder der Änderung des Betriebszustands (z.B. Beschleunigung) zu wählen.
• Vorzugsweise wird der Testwert zeitlich mit einer Testwertfrequenz variiert. Beispielsweise weist der Testwert einen sinusförmigen Wert auf: $${\text{I}}_{\text{Delta}}={\text{I}}_0\text{ sin}\left(\mathrm{\omega }\text{t}\right),$$

  

  wobei I_Delta der Testwert, I₀ die Testwertamplitude, t die Zeit, und ω die Testwertfrequenz ist. Zusätzlich ist beispielsweise eine Frequenzvariation, also eine variable Testwertfrequenz möglich. Ebenso denkbar ist beispielsweise ein Testwert zur Multifrequenzanregung, bei welchem mehrere sinusförmige Werte addiert sind.
• Der Testwert kann auch als Sägezahn, Trapezform, oder trapezformähnlich ausgeführt sein. Unter „trapezformähnlich“ ist hierbei insbesondere eine einem Trapez ähnliche Anregungsform zu verstehen, wobei die Eckbereiche abgerundet ausgeführt sind, um beispielsweise die (Motor-)Akustik zu verbessern.
• Als Testwert insbesondere als zeitlich variierender Testwert können auch Zufallswerte verwendet werden. Hierbei werden vorzugsweise Verteilungen ohne hohe Frequenzen verwendet.
• Die Regler (z. B. CCL & SCL) beeinflussen den Einfluss des Testwertes auf die Reaktion des Elektromotors beim jeweiligen Betriebspunkt. Beispielsweise ist eine gewisse Einregelzeit notwendig, oder es ergibt sich eine Phasenverschiebung. Dieser Einfluss wird daher vorzugsweise beim Verfahren, insbesondere bei der Ermittlung der Optimierungsgröße, berücksichtigt, beispielsweise mittels einer Wartezeit.
• Neben der vorstehend beschriebenen schrittweisen Optimierung ist auch eine kontinuierlichen Optimierung des Sollwerts mittels des Verfahrens möglich. Vorzugsweise wird hierbei die Führungsgröße kontinuierlich variiert, so dass ein kontinuierlicher Übergang zwischen zwei oder mehreren unterschiedlichen Betriebspunkten realisiert ist. Dabei wird zweckmäßigerweise die Korrelation zwischen der Führungsgröße und der Optimierungsgröße ermittelt und genutzt. Beispielsweise wird als Sollwert eine Korrelationsfunktion der Optimierungsgröße und der Reaktion des Elektromotors auf den Testwert verwendet, welche die Korrelation zwischen der Änderung der Steuergröße und der Optimierungsgröße darstellt: $${\text{I}}_{\text{MTPAControl}}={\text{k}}_1{\displaystyle \int \text{Optimierungsgr}\ddot{\text{o}}\text{ße}}\text{ sin}\left(\mathrm{\omega }\text{t}+\mathrm{\alpha }\right)\text{dt}+{\text{k}}_2\text{ sin}\left(\mathrm{\omega }\text{t}\right),$$

  

  wobei I_MTPAControl die Führungsgröße, k₁ ∫Optimierungsgröße sin(ωt + α) dt der Sollwert, und k₂ sin(ωt) der Testwert sind. k1 und k2 sind die Regel- oder Lernfaktoren, t die Zeit, ω die Testwertfrequenz, und α berücksichtigt den Phasenversatz aufgrund der Regelverzögerung. Ist die Frequenz ω klein genug, so kann der Wert für α beispielsweise auf null gesetzt werden. Die Korrelationsfunktion ist somit im Wesentlichen das Integral aus dem was man bisher bei der Optimierung gelernt hat. Alternativ zu dem Integral kann auch ein Tiefpass verwendet werden.
• Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Führungsgröße zusätzlich zu der Direktkomponente auch den Quadraturstrom der Stromregelung führt oder beeinflusst. Bei einer Veränderung der Direktkomponente regeln die weiteren Regler im System (z.B. die SCL) das System aus. Um dies zu beschleunigen kann die Führungsgröße optional auch die Regelung des Quadarturstroms beeinflussen. Es werden also sowohl die Direktkomponente als auch der Quadraturstrom mittels der Führungsgröße angepasst. Vorzugsweise ist der Wert so zu wählen, dass die Optimierungsgröße, zum Beispiel die Wurzel aus der Summe der Quadrate der Ist-Direktkomponente und des Ist-Quadraturstroms, unverändert bleibt.
• Besonders hervorzuheben sind feldorientierte Regelungen von Elektromotoren, deren Systeme keine SCL haben. Bei einer Veränderung der Direktkomponente bleibt hier die Amplitude des Motorstroms gleich. Die sich einstellende Geschwindigkeit kann hier als Optimierungsgröße verwendet werden (die ohmschen Verluste bleiben konstant, aber die Drehzahl variiert).
• Um die Einregelung zu beschleunigen kann die Führungsgröße auch zur Veränderung anderer Größen, insbesondere im Zuge einer Vorsteuerung, dienen. Beispielsweise verändert die Führungsgröße die Direktkomponente. Über die Stromregler (CCL) verändert die Direktkomponente auch die der Direktkomponente zugeordnete Phasenspannung. Durch eine geeignete Vorsteuerung kann diese Einregelung beschleunigt werden. Dies ist auch für andere Größen zum Beispiel für den Quadraturstrom und/oder dessen zugeordnete Phasenspannung möglich.
• Je nach Regelung (z. B. mit und ohne SCL) können unterschiedliche Optimierungsgrößen verwendet werden. Beispielsweise wird als Optimierungsgröße ein Batteriestrom oder Zwischenkreisstrom der Motorelektronik verwendet. In einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens wird als Optimierungsgröße ein Motorstrom, insbesondere ein Istwert für den Motorstrom verwendet. Neben den Istwerten für dem Motorstrom können auch die Sollwerte als Optimierungsgröße verwendet werden, um den Einfluss von Messrauschen reduzieren. Zweckmäßigerweise inklusive des verfahrensgemäß geregelten Sollwerts. Die Sollwerte weisen gefilterte Eigenschaften auf, da durch die Bestimmung der Sollwerte bereits eine gewisse Filterung oder Unterdrückung des Messrauschens bewirkt wird.
• Der erfindungsgemäße Elektromotor ist beispielsweise Teil eines (Stell-)Antriebs eines Kraftfahrzeugs. Der Elektromotor weist hierbei Motorelektronik mit einem Controller zur feldorientierten Regelung des Elektromotorbetriebs auf. Der Controller weist hierbei eine Stromregelung und optional eine Drehmoment- oder Drehzahlregelung auf. Der Controller weist weiterhin einen Optimalregler auf.
• Der Optimalregler ist hierbei allgemein - programm- und/oder schaltungstechnisch - zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Der Optimalregler ist somit konkret dazu eingerichtet, den Elektromotor abweichend von einem geschätzten MTPA-Betriebspunkt zu betreiben, und aufgrund der sich einstellenden Veränderung einen Rückschluss zuziehen, ob eine Annäherung oder Entfernung von dem tatsächlichen MTPA-Betriebspunkt vorliegt.
• In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Optimalregler zumindest im Kern durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren - gegebenenfalls in Interaktion mit einem Vorrichtungsnutzer - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch durchgeführt wird. Der Optimalregler kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch ein nicht-programmierbares elektronisches Bauteil, wie zum Beispiel einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.
• Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf den Elektromotor übertragbar und umgekehrt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist hierbei als ein Regelkonzept für die Stromregelung ausgeführt. Beispielsweise wird von dem Optimalregler zunächst ein Nullstrom (I_MTPAControl=0 A) als Schätzung für den MTPA-Betriebspunkt ausgegeben. Dieser Nullstrom wird anfänglich als Führungsgröße zur Ansteuerung des Stromreglers der Direktkomponente zugeführt, und der Elektromotor in dem geschätzten (ersten) Betriebspunkt betrieben. Anschließend erfasst und hinterlegt der Optimalregler eine erste Optimierungsgröße 11, wobei als Optimierungsgröße I₁ zum Beispiel die Wurzel aus der Summe der Quadrate der Ist-Direktkomponente Id und des Ist-Quadraturstroms Iq verwendet wird (l₁ = √(Id² + Iq²)). Anschließend verändert der Optimalregler den Id-Sollwert an seinem Ausgang um den Testwert I_Delta, beispielsweise indem der Id-Sollwert um einen Wert von 0,5 A erhöht wird. Anschließend erfolgt einer Wartezeit bis sich die Regler des Controllers eingeregelt haben. Hernach wird die zweite Optimierungsgröße I₂ (I₂ = √(Id² + Iq²)) erfasst und hinterlegt. Abschließend wird die Führungsgröße beziehungsweise der Sollwert I_MTPAControl in Abhängigkeit der Optimierungsgröße angepasst. Beispielsweise wird als neuer Sollwert eine mit einem Regelfaktor k gewertete Differenz der Optimierungsgrößen (Zielgrößendifferenz) verwendet: I_MTPAControl = k (12 - 11).
• Hierbei kann eine variable Anpassung des Lern- oder Regelfaktors k vorteilhaft sein. So kann beispielsweise bei besonders geeigneten (z. B. statischen) Betriebssituationen der Faktor höher gesetzt werden, als weniger bei geeigneten Betriebssituationen.
• Auch kann ein Lernerfolg abhängig von den vergangenen Lernschritten beschleunigt werden. Ist beispielsweise eine aktuelle Lernrichtung erkennbar (z.B. mehrere Lernschritte nacheinander in die gleiche Richtung), so kann der Lernfaktor erhöht werden. Anstelle einer Schrittweite, welche proportional zur Zielgrößendifferenz ist, kann auch eine nicht lineare Funktion verwendet werden, beispielsweise das Produkt aus k und einem Vorzeichenfaktor sowie der Differenz der Optimierungsgrößen.
• Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht eine Software auf einem Medium oder Datenträger zur Durchführung oder Ausführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens vor, wenn die Software auf einem Computer abläuft. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren und/oder dem Elektromotor sinngemäß auch für die Software und umgekehrt.
• Unter einem Computer ist hierbei ein Gerät zu verstehen, welches mittels programmierbarer Rechenvorschriften Daten verarbeitet. Der Computer ist beispielsweise ein Rechner, Controller, oder Mikrocontroller.
• Die Software ist auf einem Datenträger hinterlegt, und zur Ausführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens vorgesehen, sowie dafür geeignet und ausgestaltet ist. Dadurch ist eine besonders geeignete Software für den Betrieb eines Elektromotors realisiert, mit welcher die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens programmtechnisch implementiert wird. Die Software ist somit insbesondere eine Betriebssoftware (Firmware), wobei der Datenträger beispielsweise ein Datenspeicher des Controllers ist.
• Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischen und vereinfachten Darstellungen:
• 1 eine elektrische Maschine mit einer Stromquelle und mit einem Elektromotor sowie mit einem dazwischen verschalteten Stromrichter,
• 2 drei Phasenwicklungen eines dreiphasigen Elektromotors der Maschine in Sternschaltung,
• 3 ein Brückenmodul einer Brückenschaltung des Stromrichters zur Ansteuerung einer Phasenwicklung des Elektromotors,
• 5 eine feldorientierte Regelung des Elektromotors,
• 6 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur feldorientierten Regelung eines Elektromotors, und
• 7 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer zweiten Ausführungsform.
• Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• Die 1 zeigt eine elektrische Maschine 2 für ein elektromotorisches Verstellsystem eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs, beispielsweise ein Fensterheber oder eine Sitzverstellung. Die Maschine 2 umfasst hierzu einen dreiphasigen Elektromotor 4, welcher mittels eines Stromrichters 6 an eine Stromquelle (Spannungsversorgung) 8 angeschlossen ist. Die Stromquelle 8 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen fahrzeuginternen Energiespeicher 10, beispielsweise in Form einer (Kraftfahrzeug-)Batterie, sowie einen damit verbundenen (Gleichspannungs-)Zwischenkreis 12, welcher sich zumindest teilweise in den Stromrichter 6 erstreckt.
• Der Zwischenkreis 12 ist im Wesentlichen durch eine Hinleitung 12a und eine Rückleitung 12b gebildet, mittels welchen der Stromrichter 6 an den Energiespeicher 10 angeschlossen ist. Die Leitungen 12a und 12b sind zumindest teilweise in den Stromrichter 6 geführt, in welchen zwischen diesen ein Zwischenkreiskondensator 14 sowie eine Brückenschaltung 16 verschaltet sind.
• Im Betrieb der Maschine 2 wird ein der Brückenschaltung 16 zugeführter Eingangsstrom IE in einen dreiphasigen Ausgangsstrom (Motorstrom, Drehstrom) IU, IV, IW für die drei Phasen U, V, W des Elektromotors 4 gewandelt. Die nachfolgend auch als Phasenströme bezeichneten Ausgangsströme IU, IV, IW werden an die entsprechenden Phasen(-wicklungen) U, V, W (2) eines nicht näher dargestellten Stators geführt.
• In der 2 ist eine Sternschaltung 18 der drei Phasenwicklungen U, V, W dargestellt. Die Phasenwicklungen U, V und W sind mit jeweils einem (Phasen-)Ende 22, 24, 26 an ein jeweiliges Brückenmodul 20 (3) der Brückenschaltung 16 geführt, und mit dem jeweils gegenüberliegenden Ende in einem Sternpunkt 28 als gemeinsamen Verbindungsanschluss miteinander verschaltet. In der Darstellung der 2 sind die Phasenwicklungen U, V und W jeweils mittels eines Ersatzschaltbildes in Form einer Induktivität 30 und eines ohmschen Widerstandes 32 sowie einem jeweiligen Spannungsabfall 34, 36, 38 gezeigt. Die jeweils über die Phasenwicklung U, V, W abfallende Spannung 34, 36, 38 ist schematisch durch Pfeile repräsentiert und ergibt sich aus der Summe der Spannungsabfälle über der Induktivität 30 und dem ohmschen Widerstand 32 sowie der induzierten Spannung 40. Die durch eine Bewegung eines Rotors des Elektromotors 4 induzierte Spannung 40 (elektromagnetische Kraft, EMK, EMF) ist in der 2 anhand eines Kreises dargestellt.
• Die Ansteuerung der Sternschaltung 18 erfolgt mittels der Brückenschaltung 16. Die Brückenschaltung 16 ist mit den Brückenmodulen 20 insbesondere als eine B6-Schaltung ausgeführt. In dieser Ausgestaltungsform wird im Betrieb an jede der Phasenwicklungen U, V, W in hoher Schaltfrequenz getaktet zwischen einem hohen (Gleich-)Spannungsniveau der Zuleitung 12a und einem niedrigen Spannungsniveau der Rückleitung 12b umgeschaltet. Das hohe Spannungsniveau ist hierbei insbesondere eine Zwischenkreisspannung UZK des Zwischenkreises 12, wobei das niedrige Spannungsniveau vorzugsweise ein Erdpotential UG ist. Diese getaktete Ansteuerung ist als eine - in 1 mittels Pfeilen dargestellte - PWM-Ansteuerung durch einen Controller 42 ausgeführt, mit welcher eine Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl, der Leistung sowie der Drehrichtung des Elektromotors 4 möglich ist.
• Die Brückenmodule 20 umfassen jeweils zwei Halbleiterschalter 44 und 46, welche in der 2 lediglich schematisch und beispielhaft für die Phase W dargestellt sind. Das Brückenmodul 20 ist einerseits mit einem Potentialanschluss 48 an die Zuleitung 12a und somit an die Zwischenkreisspannung UZK angeschlossen. Andererseits ist das Brückenmodul 20 mit einem zweiten Potentialanschluss 50 an die Rückleitung 12b und somit an das Erdpotential UG kontaktiert. Über die Halbleiterschalter 44, 46 ist das jeweilige Phasenende 22, 24, 26 der Phase U, V, W entweder mit der Zwischenkreisspannung UZK oder mit dem Erdpotential UG verbindbar. Wird der Halbleiterschalter 44 geschlossen (leitend) und der Halbleiterschalter 46 geöffnet (nichtleitend, sperrend), so ist das Phasenende 22, 24, 26 mit dem Potential der Zwischenkreisspannung UZK verbunden. Entsprechend ist bei einem Öffnen des Halbleiterschalters 44 und einem Schließen des Halbleiterschalters 46 die Phase U, V, W mit dem Erdpotential UG kontaktiert. Dadurch ist es mittels der PWM-Ansteuerung möglich, jede Phasenwicklung U, V, W mit zwei unterschiedlichen Spannungsniveaus zu beaufschlagen.
• In der 3 ist ein einzelnes Brückenmodul 20 vereinfacht dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Halbleiterschalter 44 und 46 als MOSFETs (metaloxide semiconductor field-effect transistor) realisiert, die jeweils mittels der PWM-Ansteuerung zwischen einem durchgeschalteten Zustand auf und einem sperrenden Zustand getaktet umschalten. Hierzu sind die jeweiligen Gateanschlüsse an entsprechende Steuerspannungseingänge 52, 54 geführt, mittels welcher die Signale der PWM-Ansteuerung des Controllers 42 übertragen werden.
• Die 4 zeigt ein Ersatzschaltbild für die Stromquelle 8. Im Betrieb erzeugt der Energiespeicher 10 eine Batteriespannung U_Bat sowie einen entsprechenden Batteriestrom I_Bat zum Betrieb des Stromrichters 6. In der 4 ist der Innenwiderstand des Energiespeichers 10 als ein ohmscher Widerstand 56 und eine Eigeninduktivität des Energiespeichers 10 als eine Induktivität 58 dargestellt. In der Rückleitung 12b ist ein Shuntwiderstand 60 geschaltet, an welchem die Zwischenkreisspannung U_ZK abfällt.
• Abhängig von den Schaltzuständen der (Leistungs-)Halbleiterschalter 44, 46 fließt der Phasenstrom I_U, I_V, I_W über den Shuntwiderstand 60. Der Spannungsabfall über dem Shuntwiderstand 60 wird verstärkt und ausgewertet. Mit Messungen und dem Kenntnisstand der Schaltzustände der Halbleiterschalter 44, 46 werden die Phasenströme lu, Iv, Iw von dem Controller 42 rekonstruiert. Es können auch andere Messmethoden zur Ermittlung der Motorströme verwendet werden (z. B. direkte Phasenstrommessung). Zusammen mit den gemessenen und/oder berechneten Phasenspannungen (Uu, Uv, Uw) stehen dem Controller 42 die Phasenspannungen (Uu, Uv, Uw) und die Phasenströme lu, Iv, Iw zur Verfügung.
• Der Controller 42 ist zur feldorientierten Regelung (FOC) des Elektromotors 2 vorgesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet. Hierzu werden die (Ist-)Phasenströme lu, Iv, Iw mittels einer Park- oder d/q-Transformation in ein d/q-Referenzsystem transformiert. Hierbei werden die drei Phasenströme lu, Iv, Iw in zwei orthogonale Komponenten transformiert, welche nachfolgend als Direktkomponente I_d und als Quadraturstrom I_q bezeichnet sind.
• Der Controller 42 weist hierbei - wie insbesondere in der 5 ersichtlich - einen FOC-Regler 62 mit einer Stromregelung 64 auf. Die Stromregelung 64 weist zwei Regler 66, 68 auf; wobei der Regler 66 für die Direktkomponente I_d und der Regler 68 für den Quadraturstrom I_q vorgesehen ist. Die Ausgänge der beiden Regler 66, 68 stellen einen Spannungsraumvektor mit den Komponente U_d und U_q dar. Spiegelbildlich zur Transformation, die an den Motorströmen durchgeführt wird, werden diese statischen Signale durch eine Reihe von Referenzsystemtransformationen verarbeitet, um Spannungssteuersignale 70 für die PWM-Ansteuerung zu erzeugen.
• Die Stromregelung 64 weist hierbei im Wesentlichen vier Abschnitte 72, 74, 76, 78 auf. Die Abschnitte 72 und 74 sind hierbei für die Regelung des Quadraturstroms I_q, und die Abschnitte 76 und 78 für die Regelung der Direktkomponente I_d ausgebildet. In den Abschnitten 72 und 76 werden hierbei die Sollwerte bestimmt, anhand welcher in den Abschnitten 74 und 78 eine Regeldifferenz für die Regler 66, 68 erzeugt wird.
• In dem Abschnitt 72 wird der FOC-Sollwert für den Quadraturstrom I_q bestimmt. Hierzu ist ein Geschwindigkeitsregler 80 vorgesehen. Der Geschwindigkeitsregler 80 ist beispielsweise als ein Drehzahl- oder Drehmomentregler ausgebildet. Dem Geschwindigkeitsregler 80 wird eine gewünschte oder eingestellte Soll-Geschwindigkeit SetSpeed und eine aktuelle Ist-Geschwindigkeit Speed zugeführt. Der Geschwindigkeitsregler 80 erzeugt anhand der Geschwindigkeitssignale einen Sollwert I_{q_set} als Führungsgröße für die Regelung des Quadraturstroms I_q.
• Der Abschnitt 74 weist den Regler 68 auf. In dem Abschnitt 74 wird eine Regeldifferenz I_{q_Error} anhand des aktuellen Ist-Werts des Quadraturstroms I_q und des Sollwerts I_{q_set} bestimmt, und dem Regler 68 als Eingangssignal zugeführt. Der Regler 68 erzeugt hieraus die Quadraturspannung U_q als Stellgröße.
• Die Abschnitte 76 und 78 weisen einen Optimalregler 82 zur Ermittlung und gegebenenfalls Korrektur des MTPA-Betriebspunkts während der Laufzeit auf. Der Optimalregler 82 ist dazu vorgesehen und eingerichtet ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
• Dem Optimalregler 82 werden hierbei die aktuellen Ist-Werte des Quadraturstroms I_q und der Direktkomponente I_d zugeführt. Der Optimalregler 82 bestimmt hieraus eine Optimierungsgröße, anhand welcher eine Führungsgröße I_MTPAControl als Ausgangssignal erzeugt wird. In dem Abschnitt 78 wird eine Regeldifferenz I_{d_Error} anhand des aktuellen Ist-Werts der Direktkomponente I_d und der vom Optimalregler 82 erzeugten Führungsgröße I_MTPAControl bestimmt, und dem Regler 66 als Eingangssignal zugeführt. Der Regler 66 erzeugt hieraus die Gleichspannungskomponente U_d als Stellgröße.
• Der Optimalregler 82 weist beispielsweise eine Sollwerteinheit 84 und eine Steuereinheit 86 auf. Die Sollwerteinheit 84 ist hierbei beispielsweise dem Abschnitt 76 und die Steuereinheit 86 dem Abschnitt 78 zugeordnet. Die Sollwerteinheit 84 erzeugt einen Sollwert I_{d_set}, wobei die Steuereinheit 86 einen Testwert I_Delta erzeugt. Der Steuereinheit 86 werden hierbei die aktuellen Ist-Werte des Quadraturstroms I_q und der Direktkomponente I_d zugeführt. Der Sollwert I_{d_set} und der Testwert I_Delta werden zu der Führungsgröße I_MTPAControl kombiniert.
• Das von dem Optimalregler 82 durchgeführte Verfahren ist nachfolgend anhand der 6 näher erläutert.
• Das Verfahren wird in einem Verfahrensschritt 88 gestartet und in einem nicht näher gezeigten Verfahrensschritt beendet.
• In einem ersten Verfahrensschritt 90 wird von dem Optimalregler 82 zunächst ein Nullstrom als Führungsgröße (I_MTPAControl=0 A) ausgegeben, welche als anfängliche Schätzung für den MTPA-Betriebspunkt dient. Dieser Nullstrom ist insbesondere durch einen Sollwert I_{d_set} von 0 A und durch einen Testwert I_Delta von 0 A realisiert. Dieser Nullstrom wird anfänglich als Führungsgröße I_MTPAControl für die Bestimmung der Regelabweichung I_{d_Error} verwendet. Dadurch regelt der Regler 66 zunächst auf den geschätzten MTPA-Betriebspunkt, wodurch der Elektromotor 4 beziehungsweise die Maschine 2 in diesem (ersten) Betriebspunkt betrieben wird.
• Nachdem sich der Elektromotor 4 beziehungsweise die Maschine 2 eingeregelt hat, wird in einem zweiten Verfahrensschritt 92 die Reaktion des Elektromotors 4 beziehungsweise der Maschine 2 auf diesen Betriebspunkt mit einer ersten Optimierungsgröße I₁ erfasst. Die Optimierungsgröße I₁ wird hierbei von dem Optimalregler 82 beziehungsweise der Steuereinheit 86 anhand der Ist-Werte des Quadraturstroms I_q und der Direktkomponente I_d bestimmt. Beispielsweise wird als Optimierungsgröße I₁ die Wurzel aus der Summe der Quadrate der Ist-Direktkomponente I_d und des Ist-Quadraturstroms I_q verwendet: I₁ = √(I_d + I_q). Die Optimierungsgröße I₁ wird in einem Speicher des Optimalreglers 82 hinterlegt.
• In einem dritten Verfahrensschritt 94 wird eine (zweite) Führungsgröße I_MTPAControl erzeugt, welche sich von der Führungsgröße I_MTPAControl des Verfahrensschritts 90 unterscheidet. Durch die veränderte Führungsgröße I_MTPAControl wird in der Folge die Regelabweichung I_d__Error verändert, so dass der Regler 66 auf einen neuen (zweiten) Betriebspunkt regelt. Hierzu verändert der Optimalregler 82 den Sollwert I_{d_set} um einen Testwert I_Delta, welcher ungleich 0 A ist. Beispielsweise weist der Testwert I_Delta hierbei einen Stromwert von 0,5 A auf, so dass der Sollwert I_{d_set} - und somit die Führungsgröße I_MTPAControl - um einen Wert von 0,5 A erhöht wird.
• Nachdem sich der Elektromotor 4 beziehungsweise die Maschine 2 auf den neuen Betriebspunkt eingeregelt hat, wird die Reaktion des Elektromotors 4 beziehungsweise der Maschine 2 auf diesen zweiten Betriebspunkt mit einer zweiten Optimierungsgröße I₂ im Verfahrensschritt 96 erfasst. Die Optimierungsgröße I₂ wird analog zu der Optimierungsgröße I₁ aus den aktuellen Ist-Werten des Quadraturstroms I_q und der Direktkomponente I_d bestimmt. Beispielsweise wird als Optimierungsgröße I₂ die Wurzel aus der Summe der Quadrate der Ist-Direktkomponente I_d und des Ist-Quadraturstroms I_q verwendet: I₂ = √(I_d + I_q).
• In einem Verfahrensschritt 98 werden die Optimierungsgrößen I₁ und I₂ ausgewertet. Hierzu wird beispielsweise ein Vergleich durchgeführt. Weist die erste Optimierungsgröße I₁ einen besseren Motorbetrieb, also einen Motorbetrieb mit höheren Wirkungsgrad auf, so werden die Verfahrensschritte 90 bis 98 wiederholt, wobei das Vorzeichen des Testwerts I_Delta im Verfahrensschritt 94 geändert wird.
• Wenn der zweite Betriebspunkt den höheren Wirkungsgrad aufweist, also die zweite Optimierungsgröße I₂ einen besseren Motorbetrieb aufweist, so wird der Sollwert I_{d_set} in einem Verfahrensschritt 100 angepasst, dies bedeutet, dass bei der folgenden Durchführung der Verfahrensschritte 90 bis 98 kein Nullstrom für den Sollwert I_{d_set} verwendet wird. Der Sollwert I_d Set wird somit sukzessive oder iterativ an den tatsächlichen MTPA-Betriebspunkt angenähert. Beispielsweise wird als neuer Sollwert I_{d_set} eine mit einem Regelfaktor k gewertete Differenz der Optimierungsgrößen (Zielgrößendifferenz) verwendet: I_{d_set} = k (I₂ - I₁).
• Die 7 zeigt eine alternative Ausführungsform des Verfahrens. Hierbei wird in dem ersten Verfahrensschritt 90' ein Testwert I_Delta ungleich 0 A auf den Sollwert I_{d_set} addiert. Dies bedeutet, dass die Führungsgröße I_MTPAControl mit einem Testwert I_Delta in eine Richtung aufweist. Entsprechend wird in dem dritten Verfahrensschritt 94' der Testwert I_Delta von dem Sollwert I_d Set subtrahiert, also eine Führungsgröße I_MTPAControl mit einem Testwert I_Delta in die andere (gegensätzliche) Richtung verwendet.
• Wenn der Betriebspunkt des Verfahrensschritts 94' den höheren Wirkungsgrad aufweist, also die zweite Optimierungsgröße I₂ einen besseren Motorbetrieb aufweist, so wird der Sollwert I_{d_set} in einem Verfahrensschritt 100a angepasst. Wenn der Betriebspunkt des Verfahrensschritts 90' den höheren Wirkungsgrad aufweist, also die erste Optimierungsgröße I₁ einen besseren Motorbetrieb aufweist, so wird der Sollwert I_{d_set} in einem Verfahrensschritt 100b angepasst.
• Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
• So ist es beispielsweise denkbar, dass die Führungsgröße I_MTPAControl zusätzlich zu der Direktkomponente I_d auch den Quadraturstrom I_q führt oder beeinflusst. Um die Einregelung zu beschleunigen kann die Führungsgröße I_MTPAControl auch zur Veränderung anderer Größen, insbesondere im Zuge einer Vorsteuerung, dienen.
• Je nach Regelung (z. B. mit und ohne Geschwindigkeitsregler 80) können unterschiedliche Optimierungsgrößen verwendet werden. Beispielsweise wird als Optimierungsgröße der Batteriestrom I_Bat verwendet. Neben den Istwerten für dem Motorstrom können auch die Sollwerte I_{d_Set}, I_{q_set} als Optimierungsgröße oder als Grundlage zur Bestimmung der Optimierungsgröße verwendet werden.
• Bezugszeichenliste

2

Maschine

4

Elektromotor

6

Stromrichter

8

Stromquelle

10

Energiespeicher

12

Zwischenkreis

12a

Hinleitung

12b

Rückleitung

14

Zwischenkreiskondensator

16

Brückenschaltung

18

Sternschaltung

20

Brückenmodul

22,24,26

Phasenende

28

Sternpunkt

30

Induktivität

32

Widerstand

34, 36, 38

Spannungsabfall

40

Spannung

42

Controller

44, 46

Halbleiterschalter

48, 50

Potentialanschluss

52, 54

Steuerspannungseingang

56

Widerstand

58

Induktivität

60

Shuntwiderstand

62

feldorientierte Regelung

64

Stromregelung

66, 68

Regler

70

Spannungssteuersignal

72, 74, 76, 78

Abschnitt

80

Geschwindigkeitsregler

82

Optimalregler

84

Sollwerteinheit

86

Steuereinheit

88... 100

Verfahrensschritt

90', 94'

Verfahrensschritt

100a, 100b

Verfahrensschritt

U, V, W

Phase/Phasenwicklung

lu, Iv, Iw

Phasenstrom/Ausgangsstrom

IE

Eingangsstrom

UZK

Zwischenkreisspannung

UG

Erdpotential

IBat

Batteriestrom

UBat

Batteriespannung

Id

Direktkomponente

Iq

Quadraturstrom

SetSpeed

Soll-Geschwindigkeit

Speed

Ist-Geschwindigkeit

Iq_set

Sollwert

Iq_Error

Regelabweichung

Uq

Quadraturspannung

Id_set

Sollwert

IMTPAControl

Führungsgröße

Id_Error

Regelabweichung

Ud

Gleichspannungskomponente

11, 12

Optimierungsgröße

Claims (10)

1. Verfahren zur feldorientierten Regelung eines Elektromotors (4), bei welchem ein Betriebszustand des Elektromotors (4) über eine Stromregelung (64) im d-q-Referenzsystem mit einer Direktkomponente (I_d) und einem Quadraturstrom (I_q) eingestellt wird, - wobei ein Sollwert (I_{d_set}) der Direktkomponente (I_d) zur Bewirkung eines Betriebszustands des Elektromotors (4) mit maximalen Drehmoment pro Ampere geschätzt wird, - wobei anhand des Sollwerts (I_{d_set}) mindestens eine Führungsgröße (I_MT-_PAControl) zur Führung der Direktkomponente (I_d) der Stromregelung (64) bestimmt wird, mittels welcher der Elektromotor (4) in einem ersten Betriebspunkt und einem sich hiervon unterscheidenden zweiten Betriebspunkt betrieben wird, - wobei mindestens eine Optimierungsgröße (11, 12) als Reaktion des Elektromotors (4) auf den Betrieb im ersten Betriebspunkt und im zweiten Betriebspunkt erfasst wird, - wobei die mindestens eine Optimierungsgröße (11, 12) hinsichtlich des Betriebszustands des Elektromotors mit maximalen Drehmoment pro Ampere ausgewertet wird, und - wobei Sollwert (I_{d_set}) der Direktkomponente (I_d) anhand der Auswertung eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder zweiten Betriebspunkte durch einen Testwert (I_Detla) der Führungsgröße (I_MTPAControl) bewirkt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Führungsgröße (I_MTPAControl) aus einer Summe des Sollwerts (I_{d_Set}) und des Testwerts (I_Delta) zusammensetzt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Sollwert (I_{d_set}) eine Korrelationsfunktion der Optimierungsgröße (11, 12) und der Reaktion des Elektromotors (4) auf den Testwert (I_Delta) verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Testwert (I_Delta) zeitlich mit einer Testwertfrequenz variiert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsgröße (I_MTPAControl) kontinuierlich variiert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsgröße (I_MTPAControl) zusätzlich zu der Direktkomponente (I_d) den Quadraturstrom (I_q) der Stromregelung (64) führt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Optimierungsgröße (I₁, I₂) ein Motorstrom verwendet wird.
9. Elektromotor (4) mit einer Motorelektronik aufweisend einen Controller (42) zur feldorientierten Regelung (62) des Elektromotors (4), wobei der Controller (42) eine Stromregelung (64) und einen Optimalregler (82) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.
10. Software auf einem Datenträger zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wenn die Software auf einem Computer abläuft.

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