Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines Drehantriebs sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.

Hintergrund der Erfindung

Bei mechanischen Getrieben in Drehantrieben kann ein Getriebespiel bzw. eine Getriebelose auftreten, d.h. es kann ein Spiel in dem Getriebe zwischen dem Antrieb und dem Abtrieb auftreten. Die Getriebelose kann z.B. als Winkelintervall beschrieben werden, in dem ein Antrieb sich verdrehen kann, ohne dass es zu einer Bewegung des Abtriebs kommt. Eine Getriebelose tritt etwa an jeder Zahnradpaarung eines Getriebes auf. Bei einem mehrstufigen Getriebe addieren sich die Getriebelose-Winkelintervalle multipliziert mit den jeweiligen Übersetzungsverhältnissen. Getriebelose können beispielsweise bei Lenkungen als Lenkungsspiel, bei Fahrzeugantrieben als Spiel zwischen Schub und Antrieb, bei Werkzeugmaschinen z.B. an Spindeln, oder bei Drehantrieben wie z.B. Drehwerken von Baggern oder Kranen auftreten.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines Drehantriebs sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Die Erfindung bedient sich der Maßnahme, in der Regelung einer elektrischen Maschine eines Drehantriebs mit einem Getriebe, das eine Getriebelose aufweist, die Verstärkung eines P- Reglers in Abhängigkeit von einer Größe, die auf einen Kraftzustand, insbesondere kraftlosen Zustand, schließen lässt, zu variieren. Schwingungen und hohe mechanische Belastungen, die insbesondere bei hoher Regelverstärkung auftreten können, wenn der Antriebsmotor bzw. die elektrische Maschine im Winkelbereich innerhalb der Getriebelose gegenüber dem Abtrieb stark beschleunigt und Zahnflanken mit hoher Differenzgeschwindigkeit aufeinanderprallen, können so vermieden werden. Das Getriebe kann ein oder mehrere Getriebestufen mit jeweils einer Getriebelose aufweisen, die zusammen die gesamte Getriebelose ergeben.

Es wird davon ausgegangen, dass der Proportional-Verstärkungsfaktor und gegebenenfalls der Integral-Verstärkungsfaktor (siehe weiter unten) positiv ist.

In einer Ausgestaltung wird das Verfahren eingesetzt bei Drehantrieben mit einem Getriebe, das eine Getriebelose von wenigstens 10°, wenigstens 20° oder wenigstens 30° aufweist und/oder das eine Übersetzung (zwischen Antriebsachse und Abtriebsachse) von wenigstens 20:1 , wenigstens 50:1 oder wenigstens 100:1 aufweist. Getriebelose soll hier die Größe des (maximalen) Winkelbereichs bezeichnen, in dem die Antriebsachse des Getriebes bzw. die damit verbundene Ausgangsachse der elektrischen Maschine hin und her gedreht werden kann, ohne dass eine korrespondierende (entsprechend der Übersetzung) Drehung der Abtriebsachse des Getriebes auftritt.

In einer Ausgestaltung ist die Größe, die auf einen kraftfreien Zustand des Getriebes schließen lässt, eine Regelabweichung der Regelgröße (z.B. Differenz zwischen Soll-Wert und Ist-Wert der Regelgröße). In einer Ausgestaltung nimmt der Proportional-Verstärkungsfaktor mit zunehmendem Betrag der Größe zu. Die Regelabweichung wird im Rahmen der Regelung ohnehin bestimmt, entsprechend sind keine zusätzlichen Berechnungen notwendig. Die Regelabweichung zeigt an, inwiefern die elektrische Maschine dem Soll-Wert der Regelgröße folgen kann und ist demgemäß ein Maß dafür, wie stark die elektrische Maschine belastet ist, wobei im kraftfreien Zustand lediglich eine geringe Belastung durch das Trägheitsmoment der elektrischen Maschine vorliegt, so dass die Regelabweichung klein bleibt.

In einer Ausgestaltung ist die Regelgröße eine Drehzahl der elektrischen Maschine. Ebenso kann in einer Ausgestaltung die Regelgröße als Drehmoment der elektrischen Maschine gegeben sein. In einer Ausgestaltung wird ein Gradient des Proportional-Verstärkungsfaktors nach oben beschränkt. Es wird also die Geschwindigkeit, mit der der Proportional-Verstärkungsfaktor zunimmt bzw. aufgebaut wird, beschränkt. Eine Beschränkung nach unten, d.h. eine Beschränkung der Geschwindigkeit, mit der der Proportional-Verstärkungsfaktor abnimmt bzw. abgebaut wird, kann optional ebenfalls vorgesehen sein, jedoch sollte betragsmäßig die Schranke, mit der der Aufbau beschränkt wird, deutlich kleiner sein als die Schranke, mit der der Abbau beschränkt wird (z.B. um mindestens einen Faktor 10). Es kann vorgesehen sein, dass die Schranke, mit der Gradient des Proportional-Verstärkungsfaktors nach oben beschränkt wird, abhängig vom Proportional-Verstärkungsfaktor ist, insbesondere mit zunehmendem Proporti- onal-Verstärkungsfaktor zunimmt.

In einer Ausgestaltung wird (in der Regelung) eine Drehmomentanforderung bestimmt, mit der ein Inverter der elektrischen Maschine angesteuert wird, wobei ein Gradient des Betrags der Drehmomentanforderung unsymmetrisch beschränkt wird, und wobei weiter in einer Ausgestaltung der Betrag einer unteren Schranke für den Gradienten der Drehmomentanforderung größer ist als eine obere Schranke für den Gradienten der Drehmomentanforderung. Durch diese unsymmetrische Beschränkung können insbesondere Schwingungen, z.B. aufgrund von Latenzen im System, vermieden werden.

In einer Ausgestaltung wird eine Abtriebsdrehzahl bestimmt, wobei aus der Abtriebsdrehzahl unter Berücksichtigung der Übersetzung des Getriebes eine korrespondierende Drehzahl der elektrischen Maschine bestimmt wird, und wobei eine Drehzahl-Differenz als Differenz zwischen der Ist-Drehzahl der elektrischen Maschine der korrespondierenden Drehzahl der elektrischen Maschine bestimmt wird. Die Abtriebsdrehzahl ist dabei die Drehzahl einer Abtriebsachse des Getriebes oder einer Last, die durch den Drehantrieb über das Getriebe angetrieben wird. Zwischen der Abtriebsachse des Getriebes und einer Antriebsachse des Getriebes, die der Ausgangsachse der elektrischen Maschine entspricht, besteht ein Drehzahlverhältnis entsprechend der Übersetzung des Getriebes, soweit sich das Getriebe nicht innerhalb der Getriebelose befindet.

Die Drehzahl-Differenz stellt ein Maß bzw. eine Größe dar, die anzeigt, inwieweit ein kraftfreier Zustand des Getriebes vorliegt (d.h., ob sich der Drehantrieb innerhalb der Getriebelose befindet). Entsprechend ist weiter in einer Ausgestaltung die Größe, die auf einen kraftfreien Zustand des Getriebes schließen lässt, die Drehzahl-Differenz, wobei noch in einer Ausgestaltung der Proportional-Verstärkungsfaktor mit zunehmendem Betrag der Größe abnimmt.

Ebenso weiter wird in einer Ausgestaltung der Soll-Wert der Regelgröße so gebildet bzw. gefiltert, dass ein Gradient des Soll-Werts der Regelgröße entsprechend einer Schranke beschränkt wird, die von der Drehzahl-Differenz abhängig ist; wobei in einer Ausgestaltung der Betrag der Schranke des Gradienten des Soll-Werts der Regelgröße mit zunehmender Drehzahl-Differenz abnimmt. Hierdurch können hohe Momentenanschläge, etwa von Zahnflanken im Getriebe, vermieden werden.

Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Drehantriebs oder einer Maschine mit einem Drehantrieb, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.

Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden 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.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben. Figurenbeschreibung

Figur 1 zeigt eine beispielhafte Topologie eines elektrischen Drehantriebs mit einem Getriebe.

Figur 2 zeigt eine Reglerstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Figur 3 zeigt als Beispiel für eine Maschine, in der die Erfindung angewendet werden kann, einen Bagger, der ein elektrisch angetriebenes Drehwerkt aufweist.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung

Figur 1 zeigt eine beispielhafte Topologie eines elektrischen Drehantriebs mit einem Getriebe 2. Der elektrische Drehantrieb weist eine elektrische Maschine 4 auf, die über das Getriebe 2 eine Last 6, d.h. ein angetriebenes Element einer Maschine, in der der elektrische Drehantrieb verwendet wird, antreibt. Das Getriebe 2 weist beispielsweise eine Antriebsachse, die mit einer Ausgangsachse der elektrischen Maschine 4 gekoppelt ist, und eine Abtriebsachse, die mit der Last 6 bzw. dem angetriebenen Element gekoppelt ist, auf. Die Antriebsachse und die Abtriebsachse können im Getriebe über Zahnräder, Zahnriemen oder Ähnliches miteinander gekoppelt sein. Dabei kann eine Getriebelose bzw. ein Spiel auftreten, d.h. die Antriebachse kann sich in einem Winkelintervall drehen, ohne dass eine unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes entsprechende Drehung der Abtriebsachse vorliegt.

Die elektrische Maschine 4 wird über einen Inverter 8 angesteuert, der typischerweise ein Invertersteuerung aufweist, die insbesondere dazu eingerichtet ist, (Halbleiter-)Schaltelemente des Inverters entsprechend einer Ansteuergröße 14 anzusteuern. Die Ansteuergröße 14 kann insbesondere ein angefordertes Drehmoment (Drehmomentanforderung) oder eine angeforderte Drehzahl (Drehzahlanforderung) sein. Im Fall einer Ansteuerung entsprechend einer angeforderten Drehzahl bzw. Drehzahlanforderung kann der Inverter 8 bzw. die Invertersteuerung eine Drehzahlregelung aufweisen. Der Inverter 8 ist typischerweise dazu eingerichtet, eine tatsächliche Drehzahl bzw. Ist-Drehzahl der elektrischen Maschine 4 zu bestimmen. Etwa mittels eines in der elektrischen Maschine vorgesehenen Resolvers, wobei in der Figur ein entsprechendes Signal des Resolvers, d.h. eine Drehzahlrückmeldung vom Resolver, als Pfeil 9 eingezeichnet ist. Die Ansteuergröße 14 wird durch eine Steuerungseinrichtung 10, z.B. ein Steuergerät, bestimmt. Dazu implementiert die Steuerungseinrichtung 10 insbesondere eine Regelung, etwa entsprechend Figur 2. Als Eingangsgrößen verwendet die Steuerungseinrichtung 10 einerseits ein Steuersignal 16, das eine Wunsch-Drehzahl der elektrischen Maschine bzw. der Last anzeigt und das beispielsweise durch ein Bedienelement 12 (z.B. ein Joystick) erzeugt wird, das eine Benutzereingabe erfasst. Alternativ oder zusätzlich könnte das Steuersignal 16 auch zumindest teilweise durch eine (teil-)autonome Maschinensteuerung erzeugt werden. Andererseits verwendet die Steuerungseinrichtung 10 tatsächliche bzw. Ist-Größen. Die Ist-Größen schließen dabei die Ist-Drehzahl n_EMist der elektrischen Maschine 4 und/oder ein Ist-Drehmoment M_EMist der elektrischen Maschine 4 ein. Beides kann beispielsweise durch den Inverter 8 bestimmt und an die Steuerungseinrichtung 10 übermittelt werden. Optional kann zusätzlich eine Ist-Drehzahl n_Abtrieb des Abtriebs, d.h. der Last 6 bzw. der Abtriebsachse des Getriebes 2, als Eingangsgröße der Steuerungseinrichtung 10 verwendet werden. Wenn kein Sensor vorhanden ist, der die Ist-Drehzahl des Abtriebs erfasst, kann ein Beobachter verwendet werden (nicht dargestellt), der die reale Regelstrecke modelliert, um aus der Ansteuergröße und der Ist-Drehzahl der elektrischen Maschine 4 und/oder dem Ist-Drehmoment der elektrischen Maschine 4 die Ist-Drehzahl n_Abtrieb des Abtriebs zu rekonstruieren. Die Ansteuergröße 14 und die Ist-Größen werden z.B. über einen Signalbus übermittelt (etwa CAN: Controller Area Network). Dabei können jeweils Latenzzeiten im Bereich von z.B. 0,5 bis 5 ms auftreten.

In der dargestellten Ausführungsform ist die Ansteuergröße 14 ein Soll-Drehmoment, das an den Inverter 8 übergeben wird. Gemäß einer anderen Ausführungsform (hier nicht dargestellt) kann die Steuereinrichtung 10 bzw. die von dieser implementierte Funktionalität (z.B. durch Ausführen wenigstens eines entsprechenden Computerprogramm) zumindest teilweise Teil des Inverters 8 sein bzw. die Funktionalität der Steuereinrichtung zumindest teilweise durch den Inverter 8 implementiert werden (z.B. indem wenigstens ein entsprechendes Computerprogramm durch die Invertersteuerung ausgeführt wird). In diesem Fall verbleibt beispielsweise eine Vorfilterung 60 der Soll-Drehzahl (siehe Figur 2) noch Teil der Steuereinrichtung 10.

Figur 2 zeigt eine Reglerstruktur gemäß einer Ausführungsform, wie sie beispielsweise in der Steuerungseinrichtung 10 des in Figur 1 gezeigten elektrischen Drehantriebs verwendet werden kann. Im Wesentlichen umfasst die dargestellte Reglerstruktur einen Proportional-Regler, in dem eine Drehzahldifferenz An_EM der elektrischen Maschine zwischen einer Soll-Drehzahl n_EM- soll der elektrischen Maschine und der Ist-Drehzahl n_EMist der elektrischen Maschine (An_EM = n_EMsoll - n_EMist) mit einem Proportional-Verstärkungsfaktor K_P multipliziert wird (Proportional-Glied 24), um eine Drehmomentanforderung M_Anf an die elektrische Maschine zu bestimmen. Die Drehzahldifferenz An_EM stellt in diesem Beispiel die Regelabweichung dar. Die Drehzahl der elektrischen Maschine ist ein Beispiel für eine Regelgröße, die Soll-Drehzahl ist ein Beispiel für einen Soll-Wert der Regelgröße und die Ist-Drehzahl ist ein Beispiel für einen Ist-Wert der Regelgröße.

Der Proportional-Verstärkungsfaktor K_P ist nicht konstant, sondern variabel in Abhängigkeit von der Regelabweichung, d.h. von der Drehzahldifferenz An_EM. Die Regelabweichung, d.h. im gezeigten Beispiel die Drehzahldifferenz An_EM, ist eine Größe, die anzeigt, ob oder ob nicht sich das Getriebe im kraftfreien Zustand bzw. innerhalb der Getriebelose befindet, d.h. einen Zustand, in dem kein Drehmoment auf die Last übertragen wird. Da kein Drehmoment auf die Last übertragen wird, wirkt im kraftfreien Zustand bzw. innerhalb der Getriebelose lediglich das Trägheitsmoment der elektrischen Maschine selbst (und eventuell direkt damit verbundener Achsen und/oder Zahnräder) auf die elektrische Maschine. Das Trägheitsmoment der elektrischen Maschine ist jedoch selbst unter Berücksichtigung der Übersetzung des Getriebes sehr viel kleiner (z.B. um einen Faktor 100) als das Trägheitsmoment der Last, das auf die elektrische Maschine wirkt, wenn kein kraftfreier Zustand vorliegt bzw. außerhalb der Getriebelose. Innerhalb der Getriebelose kann die Regelabweichung (z.B. Drehzahldifferenz An_EM) auch mit einem relativ kleinen Proportional-Verstärkungsfaktor K_P klein gehalten werden, da die elektrische Maschine lediglich ein relativ kleines Drehmoment aufbringen muss, um das Trägheitsmoment lediglich der elektrischen Maschine zu überwinden, und somit die Regelgröße schnell eingeregelt werden kann. Außerdem kann durch eine optionale Vorfilterung (siehe unten) der Soll-Drehzahl der maximale Drehzahlgradient der Sollgröße (n_EMsoll) stark begrenzt werden, so dass keine großen Beschleunigungen der elektrischen Maschine gefordert werden.

Es wird ein progressiver Proportional-Verstärkungsfaktor K_Pprog bestimmt (Glied 22), der in Abhängigkeit von der Drehzahldifferenz An_EM (Regelabweichung) zwischen einem minimalen Proportional-Verstärkungsfaktor und einem maximalen Proportional-Verstärkungsfak- tor variiert bzw. geändert wird. In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der progressiv bestimmte Proportional-Verstärkungsfaktor K_Pprog mit zunehmender Drehzahldifferenz An_EM monoton zunimmt. Dies kann insbesondere symmetrisch erfolgen, d.h. der progressiv bestimmte Proportional-Verstärkungsfaktor K_Pprog ist eine Funktion des Betrags der Drehzahldifferenz An_EM (wie beispielhaft dargestellt). Entsprechend (bei monotoner Zunahme) ist bei einer Regelabweichung von null der progressiv bestimmte Proportional-Ver- stärkungsfaktor K_Pprog gleich dem minimalen Proportional-Verstärkungsfaktor und bei einer hohen Regelabweichung gleich dem maximalen Proportional-Verstärkungsfaktor. Durch diese Ausgestaltung wird ein Schwingen des Reglers verhindert, auch dann, wenn die Drehzahlrückmeldung etwas verzögert ist (Latenzzeit). Eine sehr hohe P-Verstärkung könnte zusammen mit der kleinen Trägheit der Maschine schon bei einer kleinen Latenzzeit (z.B. 5 ms) zum Schwingen (bzw. einem Jitter von Drehzahl und Moment) führen, das deutlich merkbar wäre und zu einem hohen Verschleiß des Getriebes führen kann. Zwischen dem maximalen und dem minimalen Proportional-Verstärkungsfaktor kann beispielsweise ein Verhältnis von mindestens 5 oder mindestens 10 vorliegen. Der minimale Proportional-Verstär- kungsfaktor sollte ungleich null sein bzw. so groß gewählt werden, dass die frei laufende elektrische Maschine der gewünschten Drehzahldynamik weitestgehend folgen kann. Er soll aber so klein gewählt werden, dass innerhalb der Getriebelose Drehzahlschwingungen vermieden werden.

Der progressiv bestimmte Proportional-Verstärkungsfaktors K_Pprog kann direkt als Proporti- onal-Verstärkungsfaktor K_P verwendet werden. Optional kann (abweichend von einer direkten Verwendung) eine Gradienten-Beschränkung (Block 30) des Proportional-Verstärkungs- faktors K_P vorgesehen sein. Die dargestellte Implementierung dieser Gradienten-Beschränkung soll beispielhaft sein; selbstverständlich sind auch andere Implementierungen denkbar.

Bei der (beispielhaften) Gradienten-Beschränkung erfolgt eine Beschränkung des Gradienten (Änderungsrate) des Proportional-Verstärkungsfaktors nach oben. Die entsprechende obere Schranke ist abhängig vom progressiv bestimmten Proportional-Verstärkungsfaktor K_Pprog, z.B. entsprechend einer Gradienten-Beschränkungsfunktion (Glied 32), die monoton, insbesondere streng monoton, steigend mit dem progressiv bestimmten Proportional-Verstärkungs- faktors K_Pprog zunimmt (insbesondere nicht konstant über den gesamten Wertebereich ist). Die obere Schranke ist positiv, entsprechend einem steigenden Proportional-Verstärkungsfak- tor, d.h. positiver Gradient. Im Minimum-Glied 34 wird der kleinere Wert einerseits des mittels der Gradienten-Beschränkungsfunktion erhaltenen (Beschränkungs-)Werts und andererseits der Abweichung AK, die als Differenz zwischen dem gewünschten, progressiv bestimmten Proportional-Verstärkungsfaktor K_Pprog und dem aktuell verwendeten Wert des Proportio- nal-Verstärkungsfaktors K_P bestimmt wird (AK = K_Pprog - K_P), ausgewählt, um die Beschränkung nach oben zu verwirklichen. Wie dargestellt kann noch eine Skalierung (Glied 36) bzw. Normierung der Abweichung AK erfolgen. Die Skalierung in Glied 36 kann als eine Regelverstärkung des Rückkopplungskreises, der in Block 30 gebildet ist angesehen werden. Dies kann auch durch geeignete Parameterwahl in anderen Gliedern der Gradienten-Be- schränkung erreicht werden. Die Dynamik der Gradienten-Beschränkung (Block 30) kann durch geeignet gewählte Werte der Parameter von Glied 32, Glied 36 und der Schranke 38 eingestellt werden.

Zusätzlich kann bei der Gradienten-Beschränkung der Gradient des Proportional-Verstär- kungsfaktors wie gezeigt nach unten beschränkt werden. Hierzu ist eine untere (negative) Schranke 38 vorgesehen, deren Betrag (deutlich) größer als jeder Wert ist, der von der Gradi- enten-Beschränkungsfunktion angenommen wird (im möglichen Wertebereich des progressiv bestimmten Proportional-Verstärkungsfaktors K_Pprog, Glied 32). Im Vergleich zur Gradienten-Beschränkung nach oben ist die Gradienten-Beschränkung nach unten also schwächer. Hier wird ein Maximum-Glied 40 verwendet, um die Beschränkung nach unten zu verwirklichen.

Insgesamt wird nach oben und gegebenenfalls nach unten ein beschränkter Gradient AKJim des Proportional-Verstärkungsfaktors erhalten, der in einem Integral-Glied 42 integriert wird, um den Proportional-Verstärkungsfaktors K_P zu bestimmen.

Weiterhin kann optional ein Integral-Regler 50 vorgesehen sein, der einen variablen Integral- Verstärkungsfaktor KJ aufweist und der einen additiven Integral-Anteil zur Drehmomentanforderung M_Anf bestimmt. Der Integral-Verstärkungsfaktor KJ ist, wie dargestellt, insbesondere vom Betrag der Ist-Drehzahl n_EMist der elektrischen Maschine abhängig, der im Betrags- Glied 52 gebildet wird. Der Integral-Verstärkungsfaktor KJ wird als Funktion (Glied 54) des Betrags der Ist-Drehzahl gebildet, wobei der Integral-Verstärkungsfaktor KJ mit zunehmendem Betrag der Ist-Drehzahl monoton abnimmt. Diese Funktion kann konstante Abschnitte (wie hier bei kleinen Betragswerten) einschließen, sollte jedoch nicht konstant sein. Die Drehzahldifferenz An_EM wird entsprechend dem Integral-Verstärkungsfaktor KJ (z.B. mit diesem multipliziert) in einem Integral-Glied 56 integriert. Der Integral-Regler 50 kann wie dargestellt optional einen maximalen Wert (Max) und einen minimalen Wert (Min) aufweisen, d.h. die Integration ist auf den Wertebereich vom minimalen bis zum maximalen Wert eingeschränkt. Der maximale und der minimale Wert können variabel sein. Dabei können maximale und der minimale Wert, ähnlich dem Integral-Verstärkungsfaktor KJ, vom Betrag der Ist-Drehzahl n_EMist der elektrischen Maschine abhängig sein, wobei insbesondere der Betrag von maximalem und minimalem Wert mit zunehmendem Betrag der Ist-Drehzahl monoton abnehmen. Beispielsweise kann vom variablen Integral-Verstärkungsfaktor KJ ausgegangen werden, der bereits eine entsprechende funktionale Abhängigkeit aufweist. Der variable Integral-Verstärkungsfaktor KJ kann mit einem Integralschranken-Faktor multipliziert werden (Glied 57). Der erhaltene Wert kann unmittelbar als maximaler Wert verwendet werden und zusätzlich mit -1 multipliziert werden, um den minimalen Wert zu erhalten.

Ebenso kann optional ein Differential-Regler, insbesondere mit variablem Verstärkungsfaktor (variabler Differential-Anteil), vorgesehen sein (zusätzlich oder statt des Integral-Reglers; nicht dargestellt).

Der Sollwert der Regelgröße, d.h. die Soll-Drehzahl n_EMsoll der elektrischen Maschine in Figur 2, kann aus dem Steuersignal 16, das eine Wunsch-Drehzahl n_w (z.B. eine von einem Benutzer der Maschine, in der der Drehantrieb verwendet wird, gewünschte Drehzahl) der elektrischen Maschine sein kann, erhalten. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Wunsch-Drehzahl n_w bzw. das Steuersignal 16 (z.B. entsprechend einer Auslenkung eines Joysticks) direkt als Soll-Drehzahl n_EMsoll verwendet wird. Alternativ kann optional eine Vorverarbeitung der Wunsch-Drehzahl n_w bzw. des Steuersignal 16 vorgesehen sein, z.B. eine progressive Abbildung der Auslenkung eines Joysticks auf die Soll-Drehzahl n_EMsoll sowie einer ersten Vorfilterung und Gradientenbegrenzung des Joysticksignals, um ein feinfühliges Bedienen zu ermöglichen.

Gemäß einer optionalen Ausgestaltung ist als Vorverarbeitung insbesondere eine (zweite) Vorfilterung 60 der Soll-Drehzahl n_EMsoll der elektrischen Maschine vorgesehen, in der ein Gradient (bzw. eine Änderungsrate) der Soll-Drehzahl n_EMsoll in Abhängigkeit vom Betrag einer Differenz-Drehzahl n_diff zwischen der Ist-Drehzahl n_EMist der elektrischen Maschine und einer zur Ist-Drehzahl n_Abtrieb des Abtriebs korrelierenden (erwarteten) Drehzahl i • n_Abtrieb der elektrischen Maschine beschränkt wird, wobei i die Übersetzung des Getriebes ist (n_diff = n_EMist - i • n_Abtrieb). Die korrelierende (erwartete) Drehzahl i • n_Abtrieb ist diejenige Drehzahl, mit der sich die elektrische Maschine bei gegebener Ist-Drehzahl n_Ab- trieb des Abtriebs drehen müsste, wenn sich das Getriebe außerhalb der Getriebelose befindet bzw. wenn Kraftschluss im Getriebe vorliegt. Wenn die Differenz-Drehzahl n_diff ungleich null ist, muss davon ausgegangen werden, dass sich das Getriebe in der Getriebelose befindet. Die Differenz-Drehzahl n_diff ist entsprechend ebenfalls eine Größe, die anzeigt, ob oder ob nicht sich das Getriebe im kraftfreien Zustand bzw. innerhalb der Getriebelose befindet. Im Prinzip könnte Differenz-Drehzahl n_diff statt oder zusätzlich zur Regelabweichung bei der Bestimmung des progressiven Proportional-Verstärkungsfaktors verwendet werden.

In der Vorfilterung 60 ist vorgesehen, dass die Soll-Drehzahl n_EMsoll der elektrischen Maschine so aus der Wunschdrehzahl n_w bestimmt wird, dass der Gradient der Soll-Drehzahl n_EMsoll in Abhängigkeit vom Betrag der Differenz-Drehzahl n_diff beschränkt wird, wobei insbesondere der Betrag des Gradienten der Soll-Drehzahl n_EMsoll kleiner als eine vom Betrag der Differenz-Drehzahl n_diff abhängige Schranke ist. Dabei nimmt die Schranke in einer Ausgestaltung monoton (insbesondere streng monoton) mit zunehmendem Betrag der Differenz-Drehzahl n_diff bis zu einem Minimalwert, der ungleich null sein sollte, ab (die Schranke sollte nicht konstant über den gesamten Bereich sein).

Durch die Beschränkung des Gradienten der Soll-Drehzahl wird eine zu starke Beschleunigung der elektrischen Maschine innerhalb der Getriebelose unterbunden, so dass hohe Momentenaufschläge im Getriebe vermieden werden. Eine konkrete Implementierung der Vorfilterung 60 kann beispielsweise ähnlich wie die Gradienten-Beschränkung (Block 30) des Pro- portional-Verstärkungsfaktors K_P verwirklicht werden.

Die elektrische Maschine bzw. die Inverter kann direkt mit der Drehmomentanforderung M_Anf angesteuert werden (d.h. als Ansteuergröße 14 verwendet werden). Optional kann eine Drehmoment-Beschränkung (Block 70) vorgesehen sein, in der aus der Drehmomentanforderung M_Anf eine beschränkte Drehmomentanforderung M_Anflim bestimmt wird (die als Ansteuergröße 14 verwendet wird).

In der Drehmoment-Beschränkung (Block 70) wird ein Gradient (Änderungsrate) des Betrags (wenn je nach Drehrichtung zwischen positivem und negativem Drehmoment unterschieden wird) der Drehmomentanforderung beschränkt, d.h. in Bereichen der Drehmomentanforderung M_Anf, in denen der Gradient über einer oberen oder unter einer unteren Schranke liegt, wird die Drehmomentanforderung entsprechend dieser Schranken angepasst, um die beschränkte Drehmomentanforderung M_Anflim zu bestimmen. In einer Ausgestaltung ist der Betrag der unteren Schranke dabei größer als die obere Schranke, z.B. um mindestens einen Faktor 5 oder mindestens einen Faktor 10. D.h. die Beschränkung des Gradienten des Betrags der Drehmomentanforderung erfolgt unsymmetrisch. Damit können insbesondere Schwingungen vermieden werden.

In Figur 2 wird beispielhaft die Drehzahl der elektrischen Maschine als Regelgröße verwendet. Alternativ oder zusätzlich könnte auch eine andere Regelgröße verwendet werden, beispielsweise der Drehwinkel der elektrischen Maschine oder eventuell das Drehmoment der elektrischen Maschine.

Als Beispiel für eine Maschine, in der die Erfindung angewendet werden kann, zeigt Figur 3 einen Bagger 130, in dem elektrische Antriebe, insbesondere elektrische Drehantriebe, die entsprechend der Erfindung geregelt werden können, vorgesehen sein können. Der Bagger 130 umfasst ein Fahrgestell 132 und einen darauf drehbar montierten Aufbau 134. Am Fahrgestell montierte Räder 136 können über einen erfindungsgemäß betriebenen, im Einzelnen nicht dargestellten elektrischen Fahr-Maschine angetrieben werden, dabei wird wenigstens eine Radachse, an der wenigstens eines der Räder befestigt ist, direkt oder über ein Getriebe mit der elektrischen Fahr-Maschine gekoppelt. Die elektrische Fahr-Maschine, gegebenenfalls Getriebe und Räder bilden zusammen einen Fahrantrieb, der die Fahrbewegung des Baggers ermöglicht. Eine Drehung des Aufbaus relativ zum Fahrgestell wird durch ein Drehwerk 138, das als Getriebe bzw. als Teil eines Getriebes angesehen werden kann, ermöglicht, welches mit einer elektrischen Maschine angetrieben wird, die erfindungsgemäß betrieben wird. Das Drehwerk 138 bzw. dessen Antrieb ist in der Figur vergrößert dargestellt, wobei eine Ausgangswelle einer elektrischen Maschine 4 mit einem Zahnrad 137 gekoppelt ist, das mit einem Zahnkranz 139 zusammenwirkt. Das Zahnrad 137 ist beispielsweise über ein Planentengetriebe 149 mit einem oder mehreren Planetensätzen (im Einzelnen nicht dargestellt) mit der elektrischen Maschine 4 bzw. deren Ausgangswelle gekoppelt. Eine Getriebelose tritt hier als Spiel zwischen der elektrischen Maschine 4 bzw. der Bewegung deren Ausgangswelle und der Bewegung des Aufbaus auf. Die Getriebelose umfasst insbesondere einen Anteil aus dem Spiel des Planetengetriebes 149 und einen Anteil aus dem Spiel zwischen Zahnrad 137 und Zahnkranz 139. Am Aufbau 134 ist ein Ausleger bzw. Baggerarm 140 befestigt, an dessen Ende sich eine Schaufel 142 befindet. Ausleger, Arm und Schaufel werden hier beispielsweise über eine Elektro-Hydraulik 144 mittels Hydraulikzylindern 146 bewegt. Eine Batterie 148 versorgt den Fahr- Motor, die elektrische Drehwerks-Maschine und/oder die Elektro-Hydraulik mit elektrischer Energie.