Titel

Regelvorrichtung für eine elektrische Maschine, elektrisches Antriebssystem und Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für eine elektrische Maschine, ein elektrisches Antriebssystem mit einer solchen Regelvorrichtung sowie ein Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung das Regeln einer elektrischen Maschine zur Minimierung einer Störgröße.

Stand der Technik

Die Druckschrift DE 10 2009 000 930 AI offenbart ein Verfahren und eine Anordnung zur Reduktion der Drehmomentwelligkeit in einem

Permanentmagnet-Motorsystem. Das Motorsystem umfasst einen

Permanentmagnetmotor, der an einen Wechselrichter gekoppelt ist. Das in dieser Druckschrift beschriebene Verfahren umfasst einen Schritt zum

Modifizieren von Betriebssteuersignalen, um welligkeitsreduzierende

Betriebssteuersignale zu generieren. Diese modifizierten Betriebssteuersignale werden an einen Inverter zur Steuerung des Permanentmagnetmotors geliefert.

Drehfeldmaschinen, wie zum Beispiel Käfigläufer-Asynchronmaschinen oder Permanentmagnet-Synchronmaschinen besitzen aufgrund ihrer Bauweise keine idealen sinusförmigen Flussverteilungen im Luftspalt. Im Betrieb führt dies bei einer Regelung mit sinusförmigen Strömen zu oberwellenbehafteten

ungleichmäßigen Drehmomenten. Für die Minimierung von harmonischen Oberwellen sind zwei grundsätzliche Ansätze möglich. Ein Ansatz besteht in einer gezielten gesteuerten Aufschaltung einer überlagerten exogenen

Kompensationsspannung auf die Motorspannung. Alternative Ansätze basieren auf einem zusätzlichen Regelkreis. Hierbei kann beispielsweise in einem inneren Regelkreis zunächst ein Soll-Drehmoment vorgegeben werden, welches anschließend von außen durch ein Kompensationsverfahren für höhere harmonische Schwingungen überlagert wird.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Regelvorrichtung für eine elektrische Maschine gemäß Patentanspruch 1, ein elektrisches Antriebssystem gemäß Patentanspruch 8 und ein Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine gemäß Patentanspruch 10.

Demgemäß ist vorgesehen:

Eine Regelvorrichtung für eine elektrische Maschine mit einer ersten

Regeleinrichtung, einer zweiten Regeleinrichtung, einer Recheneinrichtung und einer Steuereinrichtung. Die erste Regeleinrichtung ist dazu ausgelegt, eine erste Stellgröße zur Minimierung einer Störgröße in einem Betriebspunkt der elektrischen Maschine bereitzustellen. Die Recheneinrichtung ist dazu ausgelegt, eine Veränderung des Betriebspunktes der elektrischen Maschine aufgrund einer Ansteuerung der elektrischen Maschine mit der ersten Stellgröße zu berechnen. Die zweite Regeleinrichtung ist dazu ausgelegt, eine zweite Stellgröße zum Einstellen eines vorgegebenen Sollwerts für die elektrische Maschine

bereitzustellen. Insbesondere kann hierbei ein Sollwert für den Betriebspunkt vorgegeben werden. Die zweite Stellgröße für die zweite Regeleinrichtung wird unter Verwendung einer Differenz von einem erfassten Wert des Betriebspunktes und der in der Recheneinrichtung berechneten Veränderung des Betriebspunktes bei einer Ansteuerung mit der durch die erste Regeleinrichtung bereitgestellten ersten Stellgröße ermittelt. Mit anderen Worten, die zweite Regeleinrichtung ermittelt die zweite Stellgröße auf Grundlage eines berechneten Betriebspunktes, der sich ohne die Beeinflussung durch die erste Stellgröße ergeben würde. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, die elektrische Maschine unter

Verwendung einer Kombination der ersten Stellgröße und der zweiten Stellgröße anzusteuern. Weiterhin ist vorgesehen:

Ein elektrisches Antriebssystem mit einer elektrischen Maschine und einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung.

Ferner ist vorgesehen:

Ein Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine mit den Schritten des Ermitteins einer ersten Stellgröße zur Minimierung einer Störgröße in einem Betriebspunkt der elektrischen Maschine und des Berechnens einer Veränderung des Betriebspunktes der elektrischen Maschine aufgrund einer Ansteuerung der elektrischen Maschine mit der ermittelten ersten Stellgröße. Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt zum Berechnen einer Differenz zwischen einem messtechnisch erfassten Wert des Betriebspunktes und der berechneten Veränderung des Betriebspunkts aufgrund einer Ansteuerung mit der ersten

Stellgröße. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Ermitteln einer zweiten Stellgröße zum Einstellen eines vorgegebenen ersten Sollwerts in der elektrischen Maschine unter Verwendung der Differenz zwischen dem erfassten Wert des Betriebspunkts und der berechneten Veränderung des Betriebspunkts aufgrund einer Ansteuerung mittels der ersten Stellgröße. Schließlich umfasst das Verfahren einen Schritt zum Ansteuern der elektrischen Maschine unter Verwendung einer Kombination der ermittelten ersten Stellgröße und der ermittelten zweiten Stellgröße. Vorteile der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer Regelung, wie sie beispielsweise zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine verwendet wird, und bei der einerseits eine vorgegebene Sollgröße eingeregelt werden soll und andererseits zusätzlich eine Störgröße ausgeregelt werden soll, sich diese beiden Vorgaben gegenseitig beeinflussen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Idee zugrunde, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Regelung für eine elektrische Maschine vorzusehen, bei der das Einregeln eines vorgegebenen Sollwerts und das Kompensieren einer Störgröße voneinander entkoppelt und somit modular und unabhängig voneinander ausgeführt werden können. Hierzu ist es vorgesehen, für das Kompensieren der Störgröße und des Einstellens eines Sollwerts für eine Betriebsgröße jeweils zwei voneinander entkoppelte Regelschleifen zu verwenden. Eine erste Regelschleife ist hierbei für das Kompensieren der Störgröße vorgesehen. Eine zweite Regelschleife ist ausschließlich für das Einregeln eines vorgegebenen Sollwerts vorgesehen. In dieser Regelschleife wird nicht der ermittelte reale Wert der Betriebsgröße als Eingangsgröße verwendet, sondern ein Wert der Betriebsgröße, bei dem der Einfluss der Störgrößenkompensation herausgerechnet wurde. Hierzu ist es erforderlich, den Einfluss einer Stellgröße für die Störgrößenkompensation zu bestimmen, und diesen Einfluss im Regelkreis für das Einstellen des Sollwerts von der tatsächlichen Betriebsgröße abzuziehen.

Durch ein derartiges Entkoppeln von Störgrößenkompensation und Regelung des Sollwerts kann eine besonders präzise und effiziente Regelung für eine elektrische Maschine erzielt werden. Bestehende Regelung ohne

Störkompensation können unverändert übernommen werden.

Eine derartige verbesserte Regelung der elektrischen Maschine mit

Störgrößenkompensation ermöglicht somit auch den Einsatz moderner, kostengünstiger optimierter elektrischer Maschinen, die ohne

Störgrößenkompensation nur verminderte Laufeigenschaften bereitstellen können. Auf diese Weise können mit der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung die Laufeigenschaften von elektrischen Maschinen verbessert werden.

Insbesondere kann durch den Einsatz von modernen kostengünstigen elektrischen Maschinen auch der Preis für ein elektrisches Antriebssystem gesenkt werden.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Betriebspunkt der elektrischen Maschine ein Drehmoment, einen magnetische Fluss der elektrischen Maschine und/oder einen elektrischen Strom der elektrischen Maschine. Insbesondere kann der Betriebspunkt beispielsweise den Phasenstrom bzw. die Phasenströme in den elektrischen Phasen der Maschine umfassen. Bei dem Betriebspunkt der elektrischen Maschine kann es sich hierbei sowohl um einen direkt erfassbaren bzw. erfassten Betriebspunkt handeln, oder alternativ auch um einen

Betriebspunkt, der gegebenenfalls indirekt aus weiteren Größen der elektrischen Maschine zuvor berechnet wird. So kann beispielsweise auch aus bekannten elektrischen Strömen in der Maschine auf das Drehmoment in der elektrischen Maschine geschlossen werden, ohne dass das Drehmoment direkt mittels Sensorik erfasst werden muss. Bei einer Regelvorrichtung, welche als

Betriebspunkt beispielsweise das Drehmoment einer elektrischen Maschine verwendet, kann somit die Drehmomentwelligkeit herabgesetzt werden. Dies ermöglicht einen besonders ruhigen Lauf der Maschine.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Störgröße in dem Betriebspunkt einen Rippel oder eine harmonische Oberschwingung, beispielsweise in einem Drehmoment. Rippel bzw. harmonische Oberschwingungen sind in elektrischen Antriebssystemen ein weit verbreitetes Phänomen. Durch Minimierung derartiger Störgrößen kann die Laufruhe der elektrischen Maschine gesteigert werden.

Gemäß einer Ausführungsform umfassen die erste Stellgröße und/oder die zweite Stellgröße, welche von der ersten Regeleinrichtung bzw. der zweiten Regeleinrichtung bereitgestellt werden, eine elektrische Spannung, die an der elektrischen Maschine eingestellt werden soll. Insbesondere können die erste Stellgröße und/oder die zweite Stellgröße auch elektrische Spannungen für eine feldorientierte Regelung einer elektrischen Maschine umfassen.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, an der elektrischen Maschine eine elektrische Spannung bereitzustellen. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung einen Stromrichter umfassen, welcher basierend auf der Kombination der ersten und zweiten Stellgröße einer elektrischen Maschine die entsprechenden Phasenspannungen einstellt.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Recheneinrichtung dazu ausgelegt, die erste Stellgröße unter Verwendung eines vorgegebenen zweiten Sollwerts einzustellen. Durch das Vorgeben eines zweiten Sollwerts für die

Störgrößenkompensation in der ersten Regeleinrichtung kann die

Störgrößenkompensation entsprechend von verschiedenen Betriebsmodi oder gegebenenfalls weiteren Betriebspunkten oder Betriebszuständen eingestellt werden.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Regelvorrichtung einen Sensor, der dazu ausgelegt ist, den Betriebspunkt der elektrischen Maschine zu erfassen und eine zu dem Betriebspunkt der elektrischen Maschine korrespondierende Größe bereitzustellen. Hierbei kann der zu erfassende Betriebspunkt entweder direkt erfasst werden oder gegebenenfalls können auch weitere Parameter der elektrischen Maschine erfasst werden und aus denen anschließend der

Betriebspunkt der elektrischen Maschine berechnet werden.

Gemäß einer Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems umfasst die elektrische Maschine eine Asynchronmaschine oder eine permanenterregte Synchronmaschine.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausführungsformen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den

Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder

Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der vorliegenden Erfindung hinzufügen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1: eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einer Regelvorrichtung für eine elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform; und Figur 2: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einer Regelvorrichtung für eine elektrische Maschine 20. Das elektrische Antriebssystem umfasst in der elektrischen Maschine 20 eine Regelvorrichtung 10. Die Regelvorrichtung 10 umfasst eine erste Regeleinrichtung 1, eine zweite Regeleinrichtung 2, eine Recheneinrichtung 3 und eine Steuereinrichtung 4. An der zweiten Regeleinrichtung 2 kann beispielsweise eine erste Stellgröße Rl vorgegeben werden, auf die ein Betriebspunkt der elektrischen Maschine 20 eingestellt werden soll. Beispielsweise kann es sich bei diesem ersten Sollwert Sl um ein Drehmoment handeln, welches in der elektrischen Maschine 20 eingestellt werden soll. Darüber hinaus sind jedoch auch beliebige andere Betriebspunkt, wie zum Beispiel ein elektrischer Strom in die elektrische

Maschine 20 und auch beliebige weitere Betriebspunkte möglich. Die zweite Regeleinrichtung 2 bestimmt daraufhin aus dem vorgegebenen Sollwert Sl und einem aktuellen Wert des Betriebspunkts eine Stellgröße R2 zum Ansteuern der elektrischen Maschine 20. Dabei wird im Gegensatz zu einer konventionellen Regelung hierbei nicht der tatsächliche aktuelle Wert des Betriebspunkt der elektrischen Maschine 20 in der zweiten Regeleinrichtung 2 verwendet, sondern ein im Nachfolgenden noch näher beschriebener modifizierter Wert des

Betriebspunktes.

Die erste Regeleinrichtung 1 wertet den aktuellen Wert in einem Betriebspunktes M, beispielsweise des Drehmoments oder des elektrischen Stroms in die elektrische Maschine 20 aus. Dabei kann die erste Regeleinrichtung 1 insbesondere eine Störgröße in dem erfassten Betriebspunkt M erfassen. Bei dieser Störgröße kann es sich beispielsweise um einen Rippel in dem

Betriebspunkt M, insbesondere um eine Welligkeit mit einer harmonischen Oberschwingung entsprechend der Drehfrequenz der elektrischen Maschine 20 handeln. Darüber hinaus sind grundsätzlich jedoch auch beliebige weitere Störanteile in der Betriebsgröße M möglich. Die erste Regeleinrichtung 1 generiert daraufhin eine erste Stellgröße Rl. Diese erste Stellgröße Rl entspricht einer Stellgröße zur Kompensation des detektierten Störanteils in dem Betriebspunkt M. Die erste Stellgröße Rl dient somit einer Minimierung oder gegebenenfalls einer vollständigen Kompensation des Anteils der Störgröße in dem Betriebspunkt M. Die erste Stellgröße Rl zur Kompensation der Störgröße wird mit der zweiten Stellgröße R2 zum Einstellen eines vorgegebenen Sollwerts Sl kombiniert und diese Kombination der beiden Stellgrößen Rl und R2 wird der Steuereinrichtung 4 zugeführt. Beispielsweise kann die Kombination der ersten Stellgröße Rl und der zweiten Stellgröße R2 in dem Summierglied 6 erfolgen. Das Summierglied 6 gibt daraufhin die Stellgröße R aus der Kombination der ersten Stellgröße Rl und der zweiten Stellgröße R2 aus. Die Kombination der ersten Stellgröße Rl und der zweiten Stellgröße R2 wird daraufhin der

Steuereinrichtung 4 zugeführt. Diese Steuereinrichtung 4 steuert daraufhin entsprechend der Kombination der beiden Stellgrößen Rl und R2 die elektrische Maschine 20 an. Beispielsweise kann es sich bei der Steuereinrichtung 4 um einen elektrischen Stromrichter handeln, der entsprechend der Stellgröße R an den Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine 20 entsprechende elektrische Spannungen einstellt. Darüber hinaus ist jedoch auch eine beliebige andere Ansteuerung der elektrischen Maschine 20 auf Grundlage der

Kombination der ersten Stellgröße Rl und der zweiten Stellgröße R2 möglich.

Während die erste Regeleinrichtung 1 zur Kompensation der Störgröße in dem Betriebspunkt M den Betriebspunkt M direkt auswertet, führt die zweite

Regeleinrichtung 2 eine Regelung durch, welche von der

Störgrößenkompensation durch die erste Regeleinrichtung 1 entkoppelt ist. Hierzu wird der zweiten Regeleinrichtung 2 eine modifizierte Betriebsgröße M* bereitgestellt, welche der Betriebsgröße der elektrischen Maschine 20 ohne Störgrößenkompensation entspricht. Hierzu muss der Anteil der

Störgrößenkompensation in der Betriebsgröße M aus der Betriebsgröße M entfernt werden, bevor die so modifizierte Betriebsgröße M* der zweiten

Regeleinrichtung 2 bereitgestellt werden kann.

Zur Ermittlung des Anteils der Störgrößenkompensation in der Betriebsgröße M wird die erste Stellgröße Rl der ersten Regeleinrichtung 1 einer

Recheneinrichtung 3 zugeführt. Die Recheneinrichtung 3 berechnet einen Anteil der Betriebsgröße M, welcher der ersten Stellgröße Rl entspricht. Die Berechnung kann beispielsweise auf einer Modellierung des elektrischen

Antriebssystems erfolgen. Für die Berechnung sind beliebige Modelle, insbesondere beliebige Simulationsmodelle, möglich, welche es ermöglichen, aus der ersten Stellgröße Rl den Anteil der Störgrößenkompensation in der Betriebsgröße M zu berechnen. Die Recheneinrichtung 3 liefert als

Ausgangswert somit eine theoretische Betriebsgröße E, welche bei alleiniger Ansteuerung mit der ersten Stellgröße Rl resultieren würde. Dieser theoretische Anteil E gemäß der ersten Stellgröße Rl wird von der tatsächlichen

Betriebsgröße M subtrahiert. Somit ergibt sich die Eingangsgröße M* der zweiten Regeleinrichtung 2 aus der Differenz der tatsächlichen Betriebsgröße M und dem

Anteil E der Betriebsgröße gemäß der ersten Stellgröße Rl. Diese Differenz kann beispielsweise in einem Subtrahierglied 5 gebildet werden.

Durch das Entfernen des Anteils E entsprechend der ersten Stellgröße Rl in der Betriebsgröße M erfolgt die Regelung in der zweiten Regeleinrichtung 2 somit entkoppelt von der Störgrößenkompensation in der ersten Regeleinrichtung 1. Die erste Regeleinrichtung 1 und die zweite Regeleinrichtung 2 bilden somit zwei voneinander entkoppelte Regeleinrichtungen, welche sich gegenseitig nicht oder nur minimal beeinflussen. Hierdurch kann ein modularer Aufbau der Regelung für eine Störgrößenkompensation und das Einstellen eines Sollwerts, beispielsweise für ein Drehmoment oder ähnliches erfolgen. Dies ermöglicht eine besonders einfache, effiziente und präzise Konzeption für eine Regelung eines elektrischen Antriebssystems. Insbesondere können die Störgrößenkompensation und der Regelkreis für das Einstellen der Betriebsgröße, beispielsweise des

Drehmoments oder ähnlichem, unabhängig voneinander erfolgen. Die

Entkopplung und Modularisierung der beiden Stellgrößen ermöglicht darüber hinaus auch das Wiederverwenden von bestehenden Blöcken oder Modulen in weiteren Antriebssystemen, ohne dass diese hierfür erneut vollständig entwickelt werden müssten.

Die erste Regeleinrichtung 1 kann eine Störgrößenkompensation basierend auf fest vorgegebenen Parametern ausführen. Insbesondere kann beispielsweise eine maximale Kompensation des Störgrößenanteils in der Betriebsgröße M vorgegeben werden. Darüber hinaus sind auch beliebige weitere

Rahmenbedingungen möglich, die fest in der ersten Regeleinrichtung 1 vorgegeben werden können. Darüber hinaus ist es jedoch auch möglich, die Störgrößenkompensation in der ersten Regeleinrichtung 1 dynamisch

anzupassen. Beispielsweise können abhängig von einem Betriebsmodus des elektrischen Antriebssystems unterschiedliche Kompensationsstufen für die Störgrößenkompensation vorgegeben werden. So kann beispielsweise in einem ersten Betriebsmodus eine maximale Störgrößenkompensation vorgegeben werden und in einem weiteren Betriebsmodus nur eine eingeschränkte oder gegebenenfalls gar keine Störgrößenkompensation vorgegeben werden. Durch das Einschränken bzw. vollständige Eliminieren der Störgrößenkompensation verändern sich die Laufeigenschaften des elektrischen Antriebssystems. Dies kann beispielsweise dazu genutzt werden, um einem Benutzer eine mögliche Gefahrensituation aufzuzeigen.

Darüber hinaus ist es auch möglich, einen weiteren Sollwert S2 vorzugeben, auf den die Regelung der ersten Regeleinrichtung eingestellt werden soll. Auf diese

Weise können gegebenenfalls auch ein oder mehrere weitere Parameter, Rahmenbedingungen oder Umwelteigenschaften mit in die Regelung der ersten Regeleinrichtung 1 einbezogen werden. Bei der elektrischen Maschine 20 kann es sich dabei um eine beliebige elektrische Maschine, wie zum Beispiel eine Asynchronmaschine oder eine permanenterregte Synchronmaschine handeln. Entsprechend der eingesetzten elektrischen Maschine 20 kann dabei die Ansteuerung durch die

Steuereinrichtung 4 angepasst werden. Auch können entsprechend der jeweiligen Maschine unterschiedliche Betriebspunkte M durch die

Regelvorrichtung 10 geregelt werden.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren 100 zur Regelung einer elektrischen Maschine 20 gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. In Schritt 110 wird eine erste Stellgröße Rl ermittelt. Diese erste Stellgröße Rl wird, wie zuvor beschrieben, zur Minimierung einer Störgröße in einem Betriebspunkt M der elektrischen Maschine 20 ermittelt. In Schritt 120 wird daraufhin ein Wert berechnet, der eine Veränderung des ersten Betriebspunkts M der elektrischen Maschine 20 aufgrund einer

Ansteuerung der elektrischen Maschine 20 mit der ermittelten ersten Stellgröße Rl entspricht. In Schritt 130 wird eine Differenz zwischen einem erfassten Wert des Betriebspunkts M und der berechneten Veränderung E des Betriebspunkts M aufgrund der Ansteuerung mit der ersten Stellgröße Rl berechnet. In Schritt 140 wird eine zweite Stellgröße R2 berechnet, die zum Einstellen eines

vorgegebenen Sollwerts Sl in der elektrischen Maschine 20 dient. Schließlich wird in Schritt 150 die elektrische Maschine 20 unter Verwendung einer

Kombination der ermittelten ersten Stellgröße Rl und der ermittelten zweiten Stellgröße R2 berechnet.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Regelung für eine elektrische Maschine, bei der gleichzeitig eine Störgröße kompensiert und ein Sollwert eingestellt wird. Hierbei sind zwei voneinander unabhängige Regelkreise vorgesehen. Ein erster Regelkreis dient zur Kompensation der Störgröße. Ein zweiter Regelkreis dient zum Einstellen eines vorgegebenen Sollwerts. Bei der Regelung des vorgegebenen Sollwerts wird die Regelschleife von der

Störgrößenkompensation entkoppelt. Auf diese Weise kann eine modulare, unabhängige Regelung für den Sollwert und die Störgrößenkompensation erzielt werden.