Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine korrespondierende Vorrichtung. Elektrische Maschinen finden im Bereich der Automobiltechnik beispielsweise für Brems- und/oder Lenksysteme von Kraft ^¬ fahrzeugen Anwendung . Steuervorrichtungen, die zum Betreiben der elektrischen Maschinen ausgebildet sind, umfassen häufig einen Wechselrichter und können so eingangsseitig mit einem

Gleichstrom und einer Gleichspannung beaufschlagt werden. Dies ist bei dem Einsatz in Kraftfahrzeugen von Vorteil, bei dem das Bordnetz sowohl eine Gleichspannung als auch einen Gleichstrom zur Verfügung stellt. Bei Vorliegen eines im Wesentlichen gleichbleibenden Leistungsbedarfs einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs und zugleich niedriger Spannung der Energieversorgung steigt der bereitzustellende Strom an. Eine Folge des erhöhten Stromes ist eine zusätzliche Erwärmung der zur Ansteuerung der Maschine verwendeten Elektronik der Gleichstrom- bzw. Gleichspannungsseite. Wenn die elektronischen Bauelemente der An ^¬ steuerelektronik nicht für einen andauernd erhöhten Strom ausgelegt sind, können diese geschädigt werden. Die Belastung auf das Bordnetz wird durch die solchermaßen steigende Stromaufnahme und weiter sinkende Versorgungsspannung zunehmend belastet.

In der DE 102007 017 296 AI ist ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine beschrieben, bei welchem eine Ermittlung eines Schätzwertes eines aktuellen Gleich-Eingangsstroms einer Steuervorrichtung mittels eines Beobachters auf Basis model ^¬ lierter und insbesondere temperaturvariabler Größen erfolgt, wobei eine Temperaturabhängigkeit unter Heranziehung erfasster Temperaturwerte kompensiert wird. Eine Differenz aus einem vorgegebenen Maximalwert des Gleich-Eingangsstroms und des Schätzwert des Gleich-Eingangsstroms dient dabei als Ein ^¬ gangsgröße eines Integral-Reglers, wobei dessen Ausgangssignal einem Begrenzer zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Be ^¬ grenzers dient wiederrum der Einstellung eines Gleich-Grenzwerts des Wechselstroms, welcher einen Sollwert zum Einstellen des d-Motorstroms bzw. des q-Motorstroms beeinflusst. Ist dabei der Schätzwert des Gleich-Eingangsstroms größer als der vorgegebene Maximalwert erfolgt eine Verringerung des Gleich-Grenzwerts des Wechselstroms. Dabei sind jedoch sehr genaue Kenntnisse über das Temperaturverhalten der jeweiligen elektronischen Komponenten sowie eine Temperaturerfassung notwendig, was einen erhöhten Aufwand bedarf und aufgrund der Reduzierung der Komplexität des Modells gegenüber der Realität eine für zukünftige Kraft ^¬ fahrzeugsysteme nicht ausreichend hohe Genauigkeit aufweist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine bereitzustellen, welches bzw. welche eine höhere Genauigkeit bei der Vorgabe eines zur Ansteuerung der elektrischen Maschine genutzten Stromes ermöglicht und das möglichst kostengünstig realisierbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 4 gelöst.

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, bei dem mittels einer der elektrischen Maschine zugeordneten Steuervorrichtung ein pulsmoduliertes Schalten von Strömen von Wicklungssträngen der elektrischen ^

Maschine erfolgt, wobei ein Stromwert des Gleich-Eingangsstroms der Steuervorrichtung unter Heranziehung von Stromwerten der Wicklungsstränge und von Tastgraden der Pulsmodulation ermittelt wird. Bevorzugt wird als Pulsmodulation eine

Pulsweitenmodulation verwendet.

In vorteilhafter Weise wird somit eine höhere Genauigkeit bei der Vorgabe eines zur Ansteuerung der elektrischen Maschine genutzten Stromes möglich, da die Ermittlung des

Gleich-Eingangsstrom der Steuervorrichtung im Wesentlichen temperaturunabhängig erfolgt. Somit kann ein Strombedarf über einem Grenzwert vermieden werden, wodurch insbesondere eine Schädigung der elektrischen Maschine oder der Elektronik zur Ansteuerung derselben vermieden werden kann. Weiterhin kann auf eine Erfassung der Temperatur mittels entsprechender Sensoren verzichtet werden, wodurch Kosten eingespart werden können und die Fehleranfälligkeit des zugrundeliegenden Systems verringert wird. In vorteilhafter Weise wird zudem eine von einer

Gleich-Eingangsspannung unabhängig Berechnung vorgenommen, wodurch ebenfalls die Genauigkeit erhöht wird.

Der Gleich-Eingangsstrom wird zweckmäßigerweise unter Heranziehung einer aus Produkten der Tastgrade der Pulsmodulation der Wicklungsstränge mit den korrespondierenden Strömen der

Wicklungsstränge gebildeten Summe bestimmt. Von den genannten Größen abgeleitete oder damit im Zusammenhang stehende Größen können erfindungsgemäß ebenfalls herangezogen werden. Ebenso können für die Berechnung Korrekturfaktoren vorgesehen sein. Bevorzugt wird unter Heranziehung eines vorgegebenen Maxi-malwertes des Gleich-Eingangsstroms und des ermittelten Stromwerts des Gleich-Eingangsstroms ein Regeldifferenzsignal ermittelt und einem PI-Regler zugeführt. Vorteilhafterweise erfolgt die Ansteuerung somit schneller und die Genauigkeit der berechneten Werte wird erhöht.

Die Erfindung beschreibt weiterhin eine Vorrichtung zum Be- treiben einer pulsmoduliert angesteuerten elektrischen Maschine, die dazu ausgebildet ist, einen Stromwert eines

Gleich-Eingangsstroms einer der elektrischen Maschine

zu-geordneten Steuervorrichtung unter Heranziehung von

Stromwerten der Wicklungsstränge und von Tastgraden der

Pulsmodulation zu ermitteln.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bevorzugt zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet. Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt durch ein

Steuergerät eines Kraftfahrzeugbremssystems ausgeführt

Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Figur 1.

In Prinzipdarstellung zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel zur Begrenzung eines q-Motorstroms zum Betreiben der elektrischen Maschine unter Heranziehung des geschätzten Gleich-Eingangsstroms IDC.

Die elektrische Maschine kann beispielsweise eine Synchron ^¬ maschine sein und für einen Generator- und Motorbetrieb ausgelegt sein. Sie kann jedoch grundsätzlich auch eine beliebige andere elektrische Maschine sein. Eine Synchronmaschine umfasst einen Stator mit drei Wicklungssträngen, die jeweils resultierend 120° versetzt angeordnet sind und im Allgemeinen mit U, V und W bezeichnet werden. Weiterhin umfasst die Synchronmaschine einen Rotor, auf dem Permanentmagnete angeordnet sind. Eine Steue ^¬ rungsvorrichtung zur Ansteuerung der Synchronmaschine wird bestimmungsgemäß eingangsseitig mit einem Gleich-Eingangsstrom IDC und einer Gleich-Eingangsspannung UDC beaufschlagt, welche durch ein versorgendes Bordnetz des Kraftfahrzeugs bereitge ^¬ stellt werden, was beispielsweise im Falle eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs durch die Batterie erfolgt. Die Steuervor ^¬ richtung umfasst einen Wechselrichter, der mittels eines Raumzeiger-Pulsweitenmodulators die Ströme IU, IV, IW für die einzelnen Wicklungsstränge erzeugt. Im Folgenden wird lediglich der Begriff der Pulsweitenmodulation verwendet, wobei durch die vorliegende Erfindung eine Anwendung auf ähnliche wirkende Ansteuerverfahren, beispielsweise mittels Pulsfrequenzmodu ^¬ lation (PFM) , ebenso eingeschlossen ist.

Das Ausführungsbeispiel wird anhand einer Vektorregelung zur Ansteuerung der Synchronmaschine beschrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch in vergleichbarer Weise auch auf davon abweichende Regelkonzepte anwendbar. Die Regelung der elektrischen Größen erfolgt bei einer Vektorregelung in einem rotorfesten Koordinatensystem mit einer d-Achse in Richtung des Rotormagnetfelds und einer um 90° (elektrischer Winkel, über die Polpaarzahl mit dem mechanischen Winkel verknüpft) zu dieser stehenden q-Achse. Ein in Richtung der q-Achse eingeprägter Strom Iq bestimmt - in einem Motor ohne Reluktanzmoment - das abgegebene Drehmoment der elektrischen Maschine und wird daher als drehmomentbildender Strom bezeichnet. Zur Erzielung hoher Drehzahlen kann eine Feldschwächungsregelung erfolgen, in der auch ein in Richtung der d-Achse fließender Strom vorgegeben wird. Das rotorfeste Koordinatensystem rotiert gegenüber dem Stator, weshalb die Strangströme IU, IV, IW bzw. entsprechende Spannungen UU, UV, UW der Wicklungsstränge des Stators über eine geeignete Transformation, z. B. Clarke-Park-Transformation, anhand der Rotorposition ermittelt werden. Auch über alternative Verfahren, wie z. B. eine Steuerung mit Hilfe von in einer Tabelle abgelegten Werten, können die Spannungen der Wicklungsstränge vorgegeben werden. Gemäß der ermittelten Größen werden auf Basis einer Pulsweitenmodulation, z. B. einer Raumzeigermodulation (SVPWM) , periodisch Ansteuerungsgrade sowie diesen entspre ^¬ chende Zeitdauern ermittelt, in denen ein jeweiliger Wicklungsstrang durch die Ansteuerschaltung mit dem oberen oder unteren Potential der Versorgungsspannung verbunden wird. Erfindungsgemäß erfolgt eine Berechnung des

Gleich-Eingangsstroms IDC unter Verwendung der elektrischen Leistungsaufnahme der Synchronmaschine, wobei die gemessenen Strangströme IU, IV und IW sowie die Signale der

Pulsweitenmodulation PWM herangezogen werden. Gleichspannungs- bzw. gleichstromseitig (Eingang) wird der Steuervorrichtung zum Betrieb des Synchronmotors die Leistung PDC bereitgestellt. Die durch die Synchronmaschine aufgenommene elektrische Leistung PEL entspricht dabei der Ausgangsleistung der Steuervorrichtung, wobei sich diese gemäß Gl. (1) aus der Multiplikation der Eingangsleistung PDC mit dem Wirkungsgrad nlNV der Steuervorrichtung berechnen lässt.

(1) PEL = nlNV · PDC Im Allgemeinen sind die Wirkungsgrade moderner Wechselrichter größer als 95%, sodass die Eingangsleistung der Steuervorrichtung, welche den Wechselrichter umfasst, bzw. die Eingangsleistung PDC näherungsweise der Ausgangsleistung PEL entspricht .

(2) PDC ~ PEL Die Leistungen können anhand der jeweiligen Ströme IDC, IU, IV und IW und Spannungen UDC, UU, UV und UW berechnet werden, womit sich aus Gleichung (2) Gleichung (3) ergibt. (3) UDC · IDC ~ UU · IU + UV · IV + UW · IW

Bei pulsweitenmodulierten Ansteuerungen ergibt sich eine Spannung eines Wicklungsstrangs als Mittelwert der Spannung über eine PWM-Periode. Die Spannungen UU, UV und UW der einzelnen Wicklungsstränge ergeben sich somit als Produkt aus dem Tastgrad der Pulsweitenmodulation des jeweiligen Wicklungsstrangs und der Gleich-Eingangsspannung UDC, wobei der Tastgrad aus dem Verhältnis der Impulsdauer zur Periodendauer berechnet wird. Davon abweichende Berechnungsvorschriften gleicher Wirkung können ebenfalls herangezogen werden.

(4) UU = PWMU · UDC

UV = PWMV · UDC

UW = PWMW · UDC

Durch Einsetzen von Gleichung (4) in Gleichung (3) erhält man Gleichung (5) .

(5) UDC · IDC ~ UDC · (PWMU · IU + PWMV · IV + PWMW · IW)

Da somit beide Leistungen eine Abhängigkeit von der

Gleich-Eingangsspannung UDC aufweisen, kann Gleichung (5) in Gleichung (6) umgeformt werden, womit man einen Ausdruck zur Berechnung des Gleich-Eingangsstroms IDC erhält, welcher le- diglich von den Strömen IU, IV und IW und den Tastgraden der Pulsweitenmodulation abhängig und im Wesentlichen temperaturunabhängig ist. (6) IDC ~ PWMU · IU + PWMV · IV + PWMW · IW

Die Tastgrade der Pulsweitenmodulation werden bevorzugt aus den mittels Sensoren erfassten Signalverläufen der Ströme IU, IV und IW gewonnen. Alternativ können auch die Steuersignale der

Steuervorrichtung bzw. des Wechselrichters herangezogen werden. Der solchermaßen berechnete bzw. geschätzte Wert des

Gleich-Eingangsstroms IDC wird bevorzugt von einer Begren ^¬ zungseinheit herangezogen, die anhand der Fig. 1 näher erläutert ist. Er kann jedoch auch für beliebige andere Zwecke eingesetzt werden .

Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wird in einer

Summierstelle SUM1 eine Regeldifferenz E aus der Differenz eines vorgegebenen Maximalwertes IDC, MAX des Gleich-Eingangsstroms und des Schätzwerts IDC, EST des aktuellen Gleich-Eingangsstrom ermittelt, der mittels Gleichung (6) bestimmt wird.

Ein Regler 1 ist vorgesehen, dem die Regeldifferenz E ein- gangsseitig zugeführt ist, und der bevorzugt als PI-Regler ausgebildet ist. Das Ausgangssignal von Regler 1 ist Begrenzer 2 eingangsseitig zugeführt, der so ausgebildet ist, dass ein ausgangsseitig erzeugtes Regelsignal Y keine positiven Werte annehmen kann. In einer weiteren Summierstelle SUM2 werden Regelsignal Y und ein vorgegebener Maximalwert Iq,MAX des der q-Achse einzuprägenden Stroms summiert und der Wert des so erhaltenen Ergebnisses mittels Begrenzer 3 auf maximal zulässige Werte beschränkt. Der Strom Iq,MAX,CORR wird der Maschine bereitgestellt. Der vor- gegebene Maximalwert Iq,MAX wird bevorzugt durch die Steuer ^¬ vorrichtung anhand der jeweiligen Anforderungen an die Synchronmaschine berechnet. Beispielsweise in einem Bremssystem durch einen angeforderten Druckaufbau der Hydraulikflüssigkeit. Hat die Regeldifferenz E einen Wert größer null, also ist der geschätzte Gleich-Eingangsstrom IDC,EST kleiner als der vorgegebene Maximalwerte IDC,MAX, so wird das Regelsignal Y in Richtung 0 abgebaut, da der Begrenzer 2 verhindert, dass das Regelsignal Y Werte größer null einnehmen kann. Somit ist Iq,MAX = Iq,MAX,CORR. Ist die Regeldifferenz E < 0, so entspricht der Wert des korrigierten maximalen Stroms Iq,MAX,CORR dem um das Regelsignal Y reduzierten vorgegeben maximalen Strom Iq,MAX. Durch den so begrenzten Strom Iq,MAX,CORR erfolgt eine Rück- Wirkung auch auf den Gleich-Eingangsstrom IDC, sodass ein stabiler Arbeitspunkt eingenommen und eine Anpassung des Leistungsbedarfs der Synchronmaschine an die Gegebenheiten der Energieversorgung realisiert wird. Zusätzlich oder als Alternative kann der rechte Teil von

Gleichung (6) bzw. der Term zur Berechnung der elektrischen Leistung PEL der elektrischen Maschine herangezogen werden, um eine Korrektur einer auf Basis der vorliegenden Werte und eines Motormodells berechneten mechanischen Leistung der elektrischen Maschine vorzunehmen und/oder als Zustandsgröße einer Leis ^¬ tungsregelung der elektrischen Maschine herangezogen werden. Eine Zeitkonstante der Berechnung der Korrektur kann insbesondere im Falle der Berücksichtigung von Temperatureinflüssen vergleichsweise groß sein, da die Zeitkonstanten dieser langsam im Vergleich zu Zeitkonstanten anderer zu berücksichtigender Regelfaktoren sind.