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Title:
DEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING THE OPERATION OF AN ELECTRIC MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/048197
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device (100) for controlling the operation of an electric machine (M). The electric machine (M) comprises a rotor and a stator. The device (100) has at least one regulating unit (110). The device (100) also comprises an actuating unit (130). The actuating unit (130) is electrically connected to the regulating unit (110) on the input side, and is electrically connectable to the electric machine (M) on the output side. The device (100) further comprises a supply point (120). The supply point (120) is electrically connected between the regulating unit (110) and the actuating unit (130). An electrical detection signal (125) can be supplied at the supply point (120). The device (100) further comprises a first return unit (140) for returning a first return signal (148) to the regulating unit (110). The first return unit (140) is connected in parallel to the regulating unit (110) and the actuating unit (130). The first return signal (148) represents a version of an output signal (138) of the actuating unit (130), which has been deformed and processed by the first return unit (140). The device (100) also comprises a second return unit (160) for returning at least one second return signal (165) to the first return unit (140) and/or the actuating unit (130). The second return unit (160) is connected in parallel to the first return unit (140). The second return signal (165) represents a version of the output signal (138) of the actuating unit (130), which has been deformed by the first return unit (140) and processed by the second return unit (160). The second return signal (165) represents an angle between the rotor and the stator of the electric machine (M).

Inventors:
BONIFACIO JOAO (DE)
Application Number:
PCT/EP2018/072029
Publication Date:
March 14, 2019
Filing Date:
August 14, 2018
Export Citation:
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Assignee:
ZAHNRADFABRIK FRIEDRICHSHAFEN (DE)
International Classes:
H02P21/00; H02P21/24
Foreign References:
US20140152212A12014-06-05
US9369073B12016-06-14
CN103117703A2013-05-22
CN105245150A2016-01-13
CN106026817A2016-10-12
CN106849803A2017-06-13
CN107104620A2017-08-29
Other References:
None
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Claims:
Patentansprüche

1. Vorrichtung (100) zum Steuern eines Betriebs einer elektrischen Maschine (M), wobei die elektrische Maschine (M) einen Rotor und einen Stator aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) folgende Merkmale aufweist:

eine Reglereinheit (110);

eine Stelleinheit (130), wobei die Stelleinheit (130) eingangsseitig elektrisch mit der Reglereinheit (110) verbunden ist und ausgangsseitig elektrisch mit der elektrischen Maschine (M) verbindbar ist;

eine Einspeisungsstelle (120), wobei die Einspeisungsstelle (120) elektrisch zwischen die Reglereinheit (110) und die Stelleinheit (130) geschaltet ist, wobei an der Einspeisungsstelle (120) ein elektrisches Erfassungssignal (125) einspeisbar ist; eine erste Rückführungseinheit (140) zum Rückführen eines ersten Rückführungssignals (148) an die Reglereinheit (110), wobei die erste Rückführungseinheit (140) parallel zu der Reglereinheit (110) und der Stelleinheit (130) geschaltet ist, wobei das erste Rückführungssignal (148) eine durch die erste Rückführungseinheit (140) umgeformte und verarbeitete Version eines Ausgangssignals (138) der Stelleinheit (130) repräsentiert; und

eine zweite Rückführungseinheit (160) zum Rückführen zumindest eines zweiten Rückführungssignals (165) an die erste Rückführungseinheit (140) und/oder an die Stelleinheit (130), wobei die zweite Rückführungseinheit (160) parallel zu der ersten Rückführungseinheit (140) geschaltet ist, wobei das zweite Rückführungssignal (165) eine durch die erste Rückführungseinheit (140) umgeformte und durch die zweite Rückführungseinheit (160) verarbeitete Version des Ausgangssignals (138) der Stelleinheit (130) repräsentiert, wobei das zweite Rückführungssignal (165) einen Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator der elektrischen Maschine (M) repräsentiert.

2. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Rückführungseinheit (160) eine Demodulationseinrichtung (162) und eine Modellbeobachtungseinrichtung (164) aufweist, wobei die Demodulationseinrichtung (162) ausgebildet ist, um die durch die erste Rückführungseinheit (140) umgeformte Version (153) des Ausgangssignals (138) der Stelleinheit (130) zu demodulieren, wobei die Modellbeobachtungseinrichtung (164) ausgebildet ist, um zumindest unter Ver- wendung eines Ausgangssignals (163) der Demodulationseinrichtung (162) das zweite Rückführungssignal (165) zu erzeugen.

3. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Demodulationseinrichtung (162) ein auf einer Einspeisefrequenz des Erfassungssignals (125) zentriertes Bandpassfilter (201) zum Filtern der durch die erste Rückführungseinheit (140) umgeformten Version (153) des Ausgangssignals (138) der Stelleinheit (130), eine mit dem Bandpassfilter (201) signalübertragungsfähig verbundene Signum- Funktionseinheit (204), eine mit dem Bandpassfilter (201) und der Signum- Funktionseinheit (204) signalübertragungsfähig verbundene Multiplikationseinheit (206) und eine mit der Multiplikationseinheit (206) signalübertragungsfähig verbundene Korrektureinheit (208) zum Anwenden eines von dem Erfassungssignal (125) abhängigen Korrekturfaktors aufweist, wobei die Demodulationseinrichtung (162) optional zusätzlich ein mit der Korrektureinheit (208) signalübertragungsfähig verbundenes Tiefpassfilter (209) aufweist.

4. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Modellbeobachtungseinrichtung (164) eine Modell-Reglereinheit (301 ), ein Verzögerungsglied (306) und eine Ausgangseinrichtung (308) aufweist, wobei die Ausgangseinrichtung (308) eine Phasenregelschleife oder einen mechanischen Beobachter aufweist.

5. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Rückführungseinheit (160) ausgebildet ist, um ein drittes Rückführungssignal (166) an eine der Reglereinheit (110) vorgeschaltete Referenzsignal-Erzeugungseinheit (170) zum Erzeugen eines Referenzsignals (175) für die Reglereinheit (110) und/oder an eine der Reglereinheit (110) vorgeschaltete Geschwindigkeitssteuereinheit (180) rückzuführen, wobei das dritte Rückführungssignal (166) eine Winkelgeschwindigkeit des Rotors relativ zu dem Stator der elektrischen Maschine (M) repräsentiert.

6. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Rückführungseinheit (140) einen ersten Signalumformer (142) zum Umformen von einem auf Phasen (abc) der elektrischen Maschine (M) bezogenen Koordinatensystem in ein statorfestes Koordinatensystem (aß), einen mit dem ersten Signalumformer (142) signalübertragungsfähig verbundenen zweiten Signalumformer (152) zum Umformen von einem statorfesten Koordinatensystem (aß) in ein rotorfestes Koordinatensystem (dq), eine mit dem zweiten Signalumformer (152) signalübertragungsfähig verbundene Signalrekonstruktionseinrichtung (154) zum Rekonstruieren des Ausgangssignals (138) der Stelleinheit (130), einen mit der Signalrekonstruktionseinrichtung (154) signalübertragungsfähig verbundenen dritten Signalumformer (156) zum Umformen von einem rotorfesten Koordinatensystem (dq) in ein statorfestes Koordinatensystem (aß) und einen mit dem ersten Signalumformer (142) und mit dem dritten Signalumformer (156) signalübertragungsfähig verbundenen vierten Signalumformer (146) zum Umformen von einem statorfesten Koordinatensystem (αß) in ein rotorfestes Koordinatensystem (dq) aufweist.

7. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalrekonstruktionseinrichtung (154) als ein Kaiman-Filter ausgeführt ist, wobei die erste Rückführungseinheit (140) ausgebildet ist, um eine mittels der Signalrekonstruktionseinrichtung (154) rekonstruierte Version des Ausgangssignals (138) der Stelleinheit (130) von einer gemessenen Version (143) des Ausgangssignals (138) der Stelleinheit (130) zu subtrahieren.

8. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalrekonstruktionseinrichtung (154) ausgebildet ist, um das Ausgangssignal (138) der Stelleinheit (130) unter Verwendung einer Einspeisefrequenz des Erfassungssignals (125) und einer als Nachschlagtabelle gespeicherten Matrix zu rekonstruieren.

9. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinheit (130) eine Reihenschaltung aufweist, die einen Signalumformer (132) zum Umformen von einem rotorfesten Koordinatensystem (dq) in ein statorfestes Koordinatensystem (aß), eine Pulsweitenmodulationseinrichtung (134) und/oder eine Wandlereinrichtung (136) zum Bereitstellen des Ausgangssig- nals (138) der Stelleinheit (130) aufweist, wobei das zweite Rückführungssignal (165) durch den Signalumformer (132) empfangbar ist.

10. Verfahren (400) zum Steuern eines Betriebs einer elektrischen Maschine (M), wobei die elektrische Maschine (M) einen Rotor und einen Stator aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (400) folgende Schritte aufweist:

Einspeisen (410) eines elektrischen Erfassungssignals (125) an einer Einspeisungs- stelle (120), die elektrisch zwischen eine Reglereinheit (110) und eine Stelleinheit (130) geschaltet ist, wobei die Stelleinheit (130) eingangsseitig elektrisch mit der Reglereinheit (110) verbunden ist und ausgangsseitig elektrisch mit der elektrischen Maschine (M) verbindbar ist; und

Verarbeiten (420) eines Ausgangssignals (138) der Stelleinheit (130) unter Verwendung einer ersten Rückführungseinheit (140) und einer zweiten Rückführungseinheit (160), wobei die erste Rückführungseinheit (140) parallel zu der Reglereinheit (110) und der Stelleinheit (130) geschaltet ist, wobei die zweite Rückführungseinheit (160) parallel zu der ersten Rückführungseinheit (140) geschaltet ist, um ein erstes Rückführungssignal (148) von der ersten Rückführungseinheit (140) an die Reglereinheit (110) rückzuführen, wobei das erste Rückführungssignal (148) eine durch die erste Rückführungseinheit (140) umgeformte und verarbeitete Version eines Ausgangssignals (138) der Stelleinheit (130) repräsentiert, und zumindest ein zweites Rückführungssignal (166) von der zweiten Rückführungseinheit (160) an die erste Rückführungseinheit (140) und/oder an die Stelleinheit (130) rückzuführen, wobei das zweite Rückführungssignal (166) eine durch die erste Rückführungseinheit (140) umgeformte und durch die zweite Rückführungseinheit (160) verarbeitete Version des Ausgangssignals (138) der Stelleinheit (130) repräsentiert, wobei das zweite Rückführungssignal (166) einen Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator der elektrischen Maschine (M) repräsentiert.

11. Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, das Verfahren gemäß Anspruch 10 auszuführen und/oder anzusteuern.

12. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 11 gespeichert ist.

Description:
Vorrichtung und Verfahren zum Steuern eines Betriebs einer elektrischen Maschine

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Steuern eines Betriebs einer elektrischen Maschine.

Zur sensorlosen Steuerung bzw. Selberfassung in der Steuerungs- und Regelungstechnik bestehen beispielsweise unter anderem modellbasierte Ansätze und Ansätze mit Signaleinspeisung. Die erste Kategorie stützt sich auf Masch inenparameter, um beispielsweise die Rotorposition einer elektrischen Maschine zu rekonstruieren, und die zweite Kategorie stützt sich auf eine Einspeisung hochfrequenter Spannungssignale oder Stromsignale, um die Rotorposition zu beobachten.

Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Vorrichtung zum Steuern eines Betriebs einer elektrischen Maschine und ein verbessertes Verfahren zum Steuern eines Betriebs einer elektrischen Maschine gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann insbesondere eine sensorlose Steuerung mit Niederfrequenzsignaleinspeisung und Subtractive- Feedback-Filtering bzw. subtraktiver Rückführungsfilterung bzw. Filterung mit sub- traktiver Rückführung realisiert werden. Hierbei kann eine Rotorposition einer elektrischen Maschine, zum Beispiel einer Synchronmaschine oder Permanentmagnet- Synchronmaschine, insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten bzw. Drehzahlen bestimmt oder geschätzt werden. Dabei können insbesondere zwei parallele Rückführungszweige zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann eine Dualität zwischen Bandbreite und Einspeisefrequenz unter Verwendung von Subtractive-Feedback- Filtering und einer Hybrid-Spannungsbeobachtungseinrichtung umgangen werden, was eine Einspeisung von Frequenzen ermöglichen kann, die sich mit der Strombandbreite des Reglers überlappen oder derselben beliebig nahe sein können, ohne dieselbe zu stören. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann vorteilhafterweise eine Einspeisung von Signalen mit niedrigeren Frequenzen ermöglicht werden, die beispielsweise beliebig nahe an einer Bandbreite einer Reglereinheit liegen oder dieselbe sogar überlappen können. Durch Verringerung einer Einspeisungsfrequenz können Verluste und akustische Emissionen verringert werden. Eine solche niederfrequente Einspeisung kann insbesondere Anforderungen gegenüber Strommessvorrichtungen verringern, da höhere Stromantworten erzeugt werden dürfen, ohne ein akustisches Verhalten des Gesamtsystems zu beeinflussen. Vorteilhafterweise können gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beispielsweise eine Kostenreduzierung und eine Erhöhung von Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit elektrischer Antriebe erreicht werden. Insbesondere unter Verwendung eines Hybrid- Reglers kann eine Charakteristik hoher Bandbreite eines Spannungsmodells auch bei niedrigeren Geschwindigkeiten bzw. Drehzahlen verfügbar sein.

Eine Vorrichtung zum Steuern eines Betriebs einer elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine einen Rotor und einen Stator aufweist, weist folgende Merkmale auf:

eine Reglereinheit;

eine Stelleinheit, wobei die Stelleinheit eingangsseitig elektrisch mit der Reglereinheit verbunden ist und ausgangsseitig elektrisch mit der elektrischen Maschine verbindbar ist;

eine Einspeisungsstelle, wobei die Einspeisungsstelle elektrisch zwischen die Reglereinheit und die Stelleinheit geschaltet ist, wobei an der Einspeisungsstelle ein elektrisches Erfassungssignal einspeisbar ist;

eine erste Rückführungseinheit zum Rückführen eines ersten Rückführungssignals an die Reglereinheit, wobei die erste Rückführungseinheit parallel zu der Reglereinheit und der Stelleinheit geschaltet ist, wobei das erste Rückführungssignal eine durch die erste Rückführungseinheit umgeformte und verarbeitete Version eines Ausgangssignals der Stelleinheit repräsentiert; und

eine zweite Rückführungseinheit zum Rückführen zumindest eines zweiten Rückführungssignals an die erste Rückführungseinheit und/oder an die Stelleinheit, wobei die zweite Rückführungseinheit parallel zu der ersten Rückführungseinheit geschaltet ist, wobei das zweite Rückführungssignal eine durch die erste Rückführungseinheit um- geformte und durch die zweite Rückführungseinheit verarbeitete Version des Ausgangssignals der Stelleinheit repräsentiert, wobei das zweite Rückführungssignal einen Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator der elektrischen Maschine repräsentiert.

Die Vorrichtung kann als ein Regelkreis ausgeführt sein. Die elektrische Maschine kann eine beliebige Art von Synchronmaschine, wie beispielsweise Permanentmagnet-Synchronmotor, Synchron-Reluktanzmotor, etc., oder eine Asynchronmaschine sein. Unter Steuern kann auch Regeln verstanden werden. Die Reglereinheit kann als ein Pl-Regler oder ein anderer Regler ausgeführt sein. Das Erfassungssignal kann auf verschiedene Arten einspeisbar sein, wie beispielsweise drehend, wechselnd in Statorkoordinaten, beliebig. Das Erfassungssignal kann additiv in ein zwischen der Reglereinheit und der Stelleinheit übertragenes, eine Stellgröße repräsentierendes Signal eingespeist werden. Das Ausgangssignal der Stelleinheit kann eine Regelgröße repräsentieren.

Gemäß einer Ausführungsform kann die zweite Rückführungseinheit eine Demodula- tionseinrichtung und eine Modellbeobachtungseinrichtung aufweisen. Hierbei kann die Demodulationseinrichtung ausgebildet sein, um die durch die erste Rückführungseinheit umgeformte Version des Ausgangssignals der Stelleinheit zu demodulieren. Dabei kann die Modellbeobachtungseinrichtung ausgebildet sein, um zumindest unter Verwendung eines Ausgangssignals der Demodulationseinrichtung das zweite Rückführungssignal zu erzeugen. Die Modellbeobachtungseinrichtung kann als ein Hybrid-Beobachter, eine Spannungsmodell-Beobachtungseinrichtung oder dergleichen ausgeführt sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass Demodulation und Filterung des eingespeisten Erfassungssignals parameterunabhängig durchgeführt werden können, sodass lediglich eine Kenntnis einer Einspei- sungsfrequenz zur Durchführung ausreichend ist.

Hierbei kann die Demodulationseinrichtung ein auf einer Einspeisefrequenz des Erfassungssignals zentriertes Bandpassfilter zum Filtern der durch die erste Rückführungseinheit umgeformten Version des Ausgangssignals der Stelleinheit, eine mit dem Bandpassfilter signalübertragungsfähig verbundene Signum-Funktionseinheit, eine mit dem Bandpassfilter und der Signum-Funktionseinheit signalübertragungsfä- hig verbundene Multiplikationseinheit und eine mit der Multiplikationseinheit signal- übertragungsfähig verbundene Korrektureinheit zum Anwenden eines von dem Erfassungssignal abhängigen Korrekturfaktors aufweisen. Hierbei kann die Demodulationseinrichtung optional zusätzlich ein mit der Korrektureinheit signalübertragungs- fähig verbundenes Tiefpassfilter aufweisen. Die Demodulationseinrichtung kann ausgebildet sein, um ein Fehlersignal zu ermitteln. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass Verluste und akustische Emissionen sowie Anforderungen gegenüber Strommessvorrichtungen verringert werden können und zudem höhere Stromantworten zulässig sein können.

Dabei kann die Modellbeobachtungseinrichtung eine Modell-Reglereinheit, ein Verzögerungsglied und eine Ausgangseinrichtung aufweisen. Hierbei kann die Ausgangseinrichtung eine Phasenregelschleife oder einen mechanischen Beobachter aufweisen. Insbesondere kann die Modell-Reglereinheit als ein Pl-Regler oder ein ähnlicher Regler ausgeführt sein. Die Modellbeobachtungseinrichtung kann ausgebildet sein, um das Fehlersignal von der Demodulationseinrichtung, ein Spannungssignal sowie ein Stromsignal in statorfesten Koordinaten zu empfangen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass das Rückführungssignal zuverlässig und genau auch für transiente Betriebszustände der elektrischen Maschine bestimmt werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform kann die zweite Rückführungseinheit ausgebildet sein, um ein drittes Rückführungssignal an eine der Reglereinheit vorgeschaltete Referenzsignal-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines Referenzsignals für die Reglereinheit und zusätzlich oder alternativ an eine der Reglereinheit vorgeschaltete Geschwindigkeitssteuereinheit rückzuführen. Hierbei kann das dritte Rückführungssignal eine Winkelgeschwindigkeit des Rotors relativ zu dem Stator der elektrischen Maschine repräsentieren. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine sichere und exakte Bestimmung einer Position des Rotors relativ zu dem Stator der elektrischen Maschine ermöglicht wird. Auch kann die erste Rückführungseinheit einen ersten Signalumformer zum Umformen von einem auf Phasen der elektrischen Maschine bezogenen Koordinatensystem in ein statorfestes Koordinatensystem, einen mit dem ersten Signalumformer signalübertragungsfähig verbundenen zweiten Signalumformer zum Umformen von einem statorfesten Koordinatensystem in ein rotorfestes Koordinatensystem, eine mit dem zweiten Signalumformer signalübertragungsfähig verbundene Signalrekonstruktionseinrichtung zum Rekonstruieren des Ausgangssignals der Stelleinheit, einen mit der Signalrekonstruktionseinrichtung signalübertragungsfähig verbundenen dritten Signalumformer zum Umformen von einem rotorfesten Koordinatensystem in ein statorfestes Koordinatensystem und einen mit dem ersten Signalumformer und mit dem dritten Signalumformer signalübertragungsfähig verbundenen vierten Signalumformer zum Umformen von einem statorfesten Koordinatensystem in ein rotorfestes Koordinatensystem aufweisen. An dem zweiten Signalumformer die zweite Rückführungseinheit anschließbar oder angeschlossen sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass auf kostengünstige und zuverlässige Weise eine Signalantwort rekonstruiert und im Rückführungszweig zur Verfügung werden kann.

Hierbei kann die Signalrekonstruktionseinrichtung als ein Kaiman-Filter ausgeführt sein. Dabei kann die erste Rückführungseinheit ausgebildet sein, um eine mittels der Signalrekonstruktionseinrichtung rekonstruierte Version des Ausgangssignals der Stelleinheit von einer gemessenen Version des Ausgangssignals der Stelleinheit zu subtrahieren. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass Fehler in Messwerten reduziert werden können, Schätzungen für nicht messbare Systemgrößen geliefert werden können und die rekonstruierte Signalantwort auf einfache Weise von einem gemessenen Signal subtrahiert werden kann.

Ferner kann dabei die Signalrekonstruktionseinrichtung ausgebildet sein, um das Ausgangssignal der Stelleinheit unter Verwendung einer Einspeisefrequenz des Erfassungssignals und einer als Nachschlagtabelle gespeicherten Matrix zu rekonstruieren. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Signalrekonstruktion vereinfacht werden kann und Rechenzeit eingespart werden kann. Gemäß einer Ausführungsform kann die Stelleinheit eine Reihenschaltung aufweisen, die einen Signalumformer zum Umformen von einem rotorfesten Koordinatensystem in ein statorfestes Koordinatensystem, eine Pulsweitenmodulationseinrich- tung und zusätzlich oder alternativ eine Wandlereinrichtung zum Bereitstellen des Ausgangssignals der Stelleinheit aufweist. Hierbei kann das zweite Rückführungssignal durch den Signalumformer empfangbar sein. Anders ausgedrückt kann der Signalumformer ausgebildet sein, um das zweite Rückführungssignal zu empfangen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass auf zuverlässige und kostengünstige Weise das Ausgangssignal zum Ansteuern der elektrischen Maschine bereitgestellt werden kann.

Ein Verfahren zum Steuern eines Betriebs einer elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine einen Rotor und einen Stator aufweist, dadurch gekennzeichnet, weist folgende Schritte auf:

Einspeisen eines elektrischen Erfassungssignals an einer Einspeisungsstelle, die elektrisch zwischen eine Reglereinheit und eine Stelleinheit geschaltet ist, wobei die Stelleinheit eingangsseitig elektrisch mit der Reglereinheit verbunden ist und aus- gangsseitig elektrisch mit der elektrischen Maschine verbindbar ist; und

Verarbeiten eines Ausgangssignals der Stelleinheit unter Verwendung einer ersten Rückführungseinheit und einer zweiten Rückführungseinheit, wobei die erste Rückführungseinheit parallel zu der Reglereinheit und der Stelleinheit geschaltet ist, wobei die zweite Rückführungseinheit parallel zu der ersten Rückführungseinheit geschaltet ist, um ein erstes Rückführungssignal von der ersten Rückführungseinheit an die Reglereinheit rückzuführen, wobei das erste Rückführungssignal eine durch die erste Rückführungseinheit umgeformte und verarbeitete Version eines Ausgangssignals der Stelleinheit repräsentiert, und zumindest ein zweites Rückführungssignal von der zweiten Rückführungseinheit an die erste Rückführungseinheit und/oder an die Stelleinheit rückzuführen, wobei das zweite Rückführungssignal eine durch die erste Rückführungseinheit umgeformte und durch die zweite Rückführungseinheit verarbeitete Version des Ausgangssignals der Stelleinheit repräsentiert, wobei das zweite Rückführungssignal einen Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator der elektrischen Maschine repräsentiert. Das Verfahren ist in Verbindung mit einer Ausführungsform der vorstehend genannten Vorrichtung ausführbar. Auch ist das Verfahren unter Verwendung eines Steuergerätes mittels geeigneter Einrichtungen des Steuergerätes ausführbar.

Ein Steuergerät kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine oder mehrere geeignete Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät ausgeführt wird.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Steuern gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und einer elektrischen Maschine; Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Demodulationseinrichtung der Vorrichtung aus Fig. 1 ;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Modellbeobachtungseinrichtung der Vorrichtung aus Fig. 1 ; und

Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bevor Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert werden, wird zunächst kurz auf Hintergründe, Grundlagen und Vorteile von Ausführungsbeispielen eingegangen.

Verfahren, Methoden bzw. Ansätze für eine Selbsterfassung bzw. sensorlose Steuerung lassen sich beispielsweise in zwei Kategorien einteilen: modellbasierte Ansätze und Ansätze mit Signaleinspeisung. Gemäß Ausführungsbeispielen können diese Kategorien kombiniert werden.

Modellbasierte Ansätze nutzen Maschinenparameter, um eine Rotorpositionsinformation zu rekonstruieren. Im Allgemeinen sind solche Ansätze insbesondere für einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb vorteilhaft, und gemäß Ausführungsbeispielen kann beispielsweise auch bei niedrigeren bzw. Drehzahlen eine Leistungsfähigkeit beibehalten werden, wobei auch bei einer Geschwindigkeit von null eine Beobachtung möglich ist. Gemäß Ausführungsbeispielen kann insbesondere auch in einem Regenerationsbetrieb bei niedriger Last ein stabiler Betrieb ermöglicht werden. Zudem kann gemäß Ausführungsbeispielen eine Abhängigkeit einer Leistungsfähigkeit dieser Ansätze von einer Güte des Wertes der Maschinenparameter, die sich mit Temperatur, Alter, Fertigungstoleranzen etc. verändert, verringert oder beseitigt werden.

Auf der Einspeisung hochfrequenter Stromsignale oder Spannungssignale beruhende Ansätze sind insbesondere bei niedrigeren Geschwindigkeiten und einer Geschwindigkeit von null vorteilhaft. Gemäß Ausführungsbeispielen können trotz Einspeisung eines Erfassungssignals insbesondere Verluste aufgrund von Hysterese und Wirbelströmen, die sich mit der Frequenz erhöhen, sowie akustisches Rauschen, das bei einigen Anwendungen unannehmbar sein kann, vermieden oder zumindest verringert werden. Zudem kann gemäß Ausführungsbeispielen aufgrund der Nieder- frequenzsignaleinspeisung ein vorteilhafter Kompromiss zwischen der Einspeisefrequenz und einer maximal erreichbaren Bandbreite der Reglereinheit gefunden werden, wobei ein gemessenes elektrisches Signal, beispielsweise mittels Tiefpass-Filter oder Kerbfilter, gefiltert werden kann, bevor dasselbe an die Reglereinheit rückgeführt wird, um eine Störung zwischen Signaleinspeisung und Regelschleife zu ver- meiden. Somit kann eine Stabilität der Reglereinheit verbessert werden, wobei durch ein Feedback-Filter gemäß Ausführungsbeispielen insbesondere Phasen Verzerrungen einer Grundfrequenz vermieden oder zumindest verringert werden können.

Gemäß Ausführungsbeispielen können insbesondere eine Erhöhung von Verlusten, eine Erzeugung von akustischen Rauschen, eine Parameterabhängigkeit, ein Verlust an Beobachtbarkeit bei niedriger Geschwindigkeit bzw. Drehzahl, eine Bandbreitenbegrenzung eines Stromreglers etc. für Hochleistungsanwendungen vermieden oder zumindest verringert werden.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zum Steuern gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und einer elektrischen Maschine M. Die Vorrichtung 100 ist ausgebildet, um einen Betrieb der elektrischen Maschine M zu steuern. Dabei ist die Vorrichtung 100 zum Steuern gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als ein Regelkreis ausgeführt. Die elektrische Maschine M weist einen Rotor und einen Stator auf. Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der elektrischen Maschine M um eine Synchronmaschine, insbesondere eine Permanentmagnet-Synchronmaschine. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die elektrische Maschine M auch als eine Asynchronmaschine ausgeführt sein. Die Vorrichtung 100 und die elektrische Maschine M sind signalübertragungsfä- hig miteinander verbunden.

Die Vorrichtung 100 weist eine Reglereinheit 110, eine Einspeisungsstelle 120, eine Stelleinheit 130, eine erste Rückführungseinheit 140 und eine zweite Rückführungseinheit 160 auf. Die Reglereinheit 110 ist beispielsweise als ein PI -Regler ausgeführt. Die Einspeisungsstelle 120 ist elektrisch zwischen die Reglereinheit 110 und die Stelleinheit 130 geschaltet. Die Stelleinheit 130 ist eingangsseitig über die Einspeisungs- stelle 120 elektrisch mit der Reglereinheit 110 verbunden und ist ausgangsseitig elektrisch mit der elektrischen Maschine M verbindbar. In der Darstellung von Fig. 1 ist die elektrische Maschine M an die Stelleinheit 130 angeschlossen. An der Ein- speisungsstelle 120 ist ein elektrisches Erfassungssignal 125 einspeisbar. Das elektrische Erfassungssignal 125 repräsentiert eine eingespeiste Spannung V in j an der Stelle Ok. Genauer gesagt ist an der Einspeisungsstelle 120 das elektrische Erfassungssignal 125 zu einem Reglerausgangssignal 115 addierbar. Das Reglerausgangssignal 115 repräsentiert eine Stellgröße der Vorrichtung 100. Die Stelleinheit 130 ist ausgebildet, um ein Ausgangssignal 138 bereitzustellen. Das Ausgangssignal 138 der Stelleinheit 130 repräsentiert eine Regelgröße der Vorrichtung 100.

Die erste Rückführungseinheit 140 ist elektrisch parallel zu der Reglereinheit 110 und der Stelleinheit 130 geschaltet. Die erste Rückführungseinheit 140 ist ausgebildet, um ein erstes Rückführungssignal 148 an die Reglereinheit 110 rückzuführen. Das erste Rückführungssignal 148 repräsentiert eine durch die erste Rückführungseinheit 140 umgeformte und verarbeitete Version eines Ausgangssignals 138 der Stelleinheit 130.

Die zweite Rückführungseinheit 160 ist elektrisch parallel zu der ersten Rückführungseinheit 140 geschaltet. Die zweite Rückführungseinheit 160 ist ausgebildet, um zumindest ein zweites Rückführungssignal 165 an die erste Rückführungseinheit 140 und/oder an die Stelleinheit 130 rückzuführen. Das zweite Rückführungssignal 165 repräsentiert eine durch die erste Rückführungseinheit 140 umgeformte und durch die zweite Rückführungseinheit 160 verarbeitete Version des Ausgangssignals 138 der Stelleinheit 130. Hierbei repräsentiert das zweite Rückführungssignal 165 einen Winkel bzw. geschätzten Winkel Θ zwischen dem Rotor und dem Stator der elektrischen Maschine M.

Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Stelleinheit 130 eine elektrische Reihenschaltung. Dabei sind ein Signalumformer 132 zum Umformen von einem rotorfesten Koordinatensystem (dq) in ein statorfestes Koordinatensystem (aß), eine Pulsweitenmodulationseinrichtung 134 und eine Wandlereinrichtung 136 zum Bereitstellen des Ausgangssignals 138 der Stelleinheit 130 in Reihe geschaltet. Der Signalumformer 132 ist ausgebildet, um das zweite Rückführungssignal 165 von der zweiten Rückführungseinheit 160 zu empfangen.

Ferner weist gemäß dem in Fig. 1 gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die erste Rückführungseinheit 140 einen ersten Signalumformer 142, einen zweiten Signalumformer 152, eine Signalrekonstruktionseinrichtung 154, einen dritten Signalumformer 156, einen vierten Signalumformer 146 und eine Subtraktionsstelle 144 auf.

Dabei ist der erste Signalumformer 142 ausgebildet, um eine Umformung von einem auf Phasen der elektrischen Maschine M bezogenen Koordinatensystem (abc) in ein statorfestes Koordinatensystem (aß) durchzuführen. Hierbei ist der erste Signalumformer 142 ausgebildet, um die Umformung an dem Ausgangssignal 138 der Stelleinheit 130 durchzuführen. Ferner ist der erste Signalumformer 142 ausgebildet, um ein umgeformtes Ausgangssignal 143 bzw. gemessenes Ausgangssignal 143 bereitzustellen oder auszugeben. Der erste Signalumformer 142 ist ausgangsseitig mit dem zweiten Signalumformer 152 und mit der Subtraktionsstelle 144 signalübertra- gungsfähig verbunden.

Der zweite Signalumformer 152 ist ausgebildet, um eine weitere Umformung des umgeformten Ausgangssignals 143 von einem statorfesten Koordinatensystem (aß) in ein rotorfestes Koordinatensystem (dq) durchzuführen. Dabei ist der zweite Signalumformer 152 ausgebildet, um ein Winkelsignal 151 (0 k ) zu empfangen. Ferner ist der zweite Signalumformer 152 ausgebildet, um ein weiteres umgeformtes Ausgangssignal 153 bereitzustellen oder auszugeben. Der zweite Signalumformer 152 ist ausgangsseitig mit der Signalrekonstruktionseinrichtung 154 und mit der zweiten Rückführungseinheit 160 signalübertragungsfähig verbunden. Die Signalrekonstruktionseinrichtung 154 ist ausgebildet, um unter Verwendung des weiteren umgeformten Ausgangssignals 153 eine rekonstruierte Version des Ausgangssignals 138 der Stelleinheit zu erzeugen. Der dritte Signalumformer 156 ist signalübertragungsfähig mit der Signalrekonstruktionseinrichtung 154 verbunden. Der dritte Signalumformer 156 ist ausgebildet, um die mittels der Signalrekonstruktionseinrichtung 154 rekonstruierte Version des Ausgangssignals 138 der Stelleinheit von einem rotorfesten Koordinatensystem (dq) in ein statorfestes Koordinatensystem (aß) umzuformen. Dabei ist der dritte Signalumformer 156 ausgebildet, um das Winkelsignal 151 (6 k ) zu empfangen. Ausgangsseitig ist der dritte Signalumformer 156 mit der Subtraktionsstelle 144 signalübertragungsfähig verbunden. An der Subtraktionsstelle 144 erfolgt eine Subtraktion eines Ausgangssignals des dritten Signalumformers 156 von dem umgeformten Ausgangssignal 143 bzw. gemessenen Ausgangssignal 143 von dem ersten Signalumformer 142.

Der vierte Signalumformer 146 ist signalübertragungsfähig mit dem ersten Signalumformer 142 und mit dem dritten Signalumformer 156 verbunden. Anders ausgedrückt ist der vierte Signalumformer 146 mit der Subtraktionsstelle 144 verbunden. Der vierte Signalumformer 146 ist ausgebildet, um ein Ausgangssignal der Subtraktionsstelle 144 von einem statorfesten Koordinatensystem (aß) in ein rotorfestes Koordinatensystem (dq) umzuformen, um das erste Rückführungssignal 148 zu erzeugen. Der vierte Signalumformer 146 ist ausgangsseitig mit der Reglereinheit 110 signalübertragungsfähig verbunden. Genauer gesagt ist der vierte Signalumformer 146 ausgangsseitig mit einer weiteren Subtraktionsstelle 105 signalübertragungsfähig verbunden. An der weiteren Subtraktionsstelle 105 erfolgt eine Subtraktion des ersten Rückführungssignals 148 von einem Führungssignal 175 bzw. Referenzsignal 175. Das Führungssignal 175 repräsentiert eine Führungsgröße der Vorrichtung 100.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Signalrekonstruktionseinrichtung 154 als ein Kaiman-Filter ausgeführt. Hierbei ist die erste Rückführungseinheit 140 ausgebildet ist, um die mittels der Signalrekonstruktionseinrichtung 154 rekonstruierte Version des Ausgangssignals 138 der Stelleinheit 130 von dem umgeformten Ausgangssignal 143 bzw. gemessenen Ausgangssignal 143, d. h. von einer gemessenen Version des Ausgangssignals 138 der Stelleinheit 130, zu subtrahieren. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Signalrekonstruktionseinrichtung 154 ausgebildet, um das Ausgangssignal 138 der Stelleinheit 130 unter Verwendung einer Einspeisefre- quenz des Erfassungssignals 125 und einer als Nachschlagtabelle gespeicherten Matrix zu rekonstruieren. Hierauf wird nachfolgend noch detaillierter eingegangen.

Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die zweite Rückführungseinheit 160 eine Demodulationseinrichtung 162 und eine Modellbeobachtungseinrichtung 164 auf. Die Demodulationseinrichtung 162 ist ausgebildet, um das weitere umgeformte Ausgangssignal 153 von dem zweiten Signalumformer 152 der ersten Rückführungseinheit 140, d. h. die durch die erste Rückführungseinheit 140 umgeformte Version des Ausgangssignals 138 der Stelleinheit 130, zu demodulieren. Die Modellbeobachtungseinrichtung 164 ist ausgebildet, um zumindest unter Verwendung eines Demodulationssignals 163 bzw. Ausgangssignals 163 der Demodulationseinrichtung 162 das zweite Rückführungssignal 165 zu erzeugen. Das Demodulationssignal 163 repräsentiert einen Fehler ε bzw. ein Fehlersignal. Genauer gesagt ist die Modellbeobachtungseinrichtung 164 ausgebildet, um das zweite Rückführungssignal 165 ferner unter Verwendung eines elektrischen Spannungssignals V αß und eines elektrischen Stromsignals l αß zu erzeugen. Das elektrische Spannungssignal V αß und das elektrische Stromsignal l αß liegen hierbei in dem statorfesten Koordinatensystem (aß) vor.

Optional weist die Vorrichtung 100 eine der Reglereinheit 110 vorgeschaltete Referenzsignal-Erzeugungseinheit 170 zum Erzeugen des Referenzsignals 175 für die Reglereinheit 110 und/oder eine der Reglereinheit 110 vorgeschaltete Geschwindigkeitssteuereinheit 180 auf. Bei dem Referenzsignal 175 handelt es sich insbesondere um ein Stromsignal. Hierbei ist die zweite Rückführungseinheit 160 ausgebildet, um ein drittes Rückführungssignal 166 an die Referenzsignal-Erzeugungseinheit 170 und/oder an die Geschwindigkeitssteuereinheit 180 rückzuführen. Das dritte Rückführungssignal 166 repräsentiert eine Winkelgeschwindigkeit bzw. geschätzte Winkelgeschwindigkeit ώ des Rotors relativ zu dem Stator der elektrischen Maschine M. Die Referenzsignal-Erzeugungseinheit 170 und die Geschwindigkeitssteuereinheit 180 sind elektrisch in Reihe geschaltet. Dabei ist die Referenzsignal- Erzeugungseinheit 170 über die weitere Subtraktionsstelle 105 mit der Reglereinheit 110 signalübertragungsfähig verbunden. Die Referenzsignal- Erzeugungseinheit 170 ist elektrisch zwischen die Geschwindigkeitssteuereinheit 180 und die weitere Subtraktionsstelle 105 geschaltet. Die Geschwindigkeitssteuereinheit 180 ist elektrisch zwischen eine zusätzliche Subtraktionsstelle 190 und die Referenzsignal-Erzeugungseinheit 170 geschaltet. Die Geschwindigkeitssteuereinheit 180 ist ausgebildet, um ein Vorgabesignal 185 (T ref ) für die Referenzsignal- Erzeugungseinheit 170 zu erzeugen. An der zusätzlichen Subtraktionsstelle 190 erfolgt eine Subtraktion des dritten Rückführungssignals 166 von einem weiteren Referenzsignal 195. Das weitere Referenzsignal 195 repräsentiert eine Führungsgröße in Gestalt einer Referenz-Winkelgeschwindigkeit (u ref . Somit ist das dritte Rückführungssignal 166 an der Referenzsignal-Erzeugungseinheit 170 sowie optional auch an der zusätzlichen Subtraktionsstelle 190 empfangbar.

Anders ausgedrückt zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung 100 mit einer Selbsterfassungsstrategie mit generischem feldorientiertem Regler. In der Vorrichtung 100 wird beispielsweise ein Algorithmus für die Schätzung der Rotorposition einer Synchronmaschine bzw. Permanentmagnet-Synchronmaschine als elektrischer Maschine M insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten bzw. Drehzahlen umgesetzt bzw. ausgeführt. Dabei sei angenommen, dass das Antriebssystem bzw. die Vorrichtung 100 eine Synchronmaschine mit feldorientierter Regelung betreibt. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer solchen Art von Vorrichtung 100 mit einer optionalen Geschwindigkeitsregelschleife.

Die Signaleinspeisung des Erfassungssignals 125 wird beispielsweise in einem geschätzten Referenzrahmen (Frame) mit einem gewählten Winkel θ k zwischen dem Signal und der geschätzten d-Achse durchgeführt. Die Form der Einspeisung kann eine Rechteckwelle oder Sinuswelle sein. Eine Stromantwort wird unter Verwendung eines Kaiman-Filters mittels der Signalrekonstruktionseinrichtung 154 rekonstruiert und von dem gemessenen Ausgangssignal 143 bzw. gemessenen Strom subtrahiert, der dann an die Reglereinheit 110 rückgeführt wird. Das Kaiman-Filter ist wie folgt hergeleitet:

Die Stromantwort ist eine Summe des Grundstroms bzw. Fundamentalstroms und der Hochfrequenzantwort der elektrischen Maschine M auf die Spannungseinspeisung bzw. Einspeisung des Erfassungssignals 125.

Dabei ist die Einspeisungsfrequenz f inj bekannt und ist der Winkel 0 d eine Phasenverzögerung und sind a a sowie a 2 real.

Es gelten Modell- und Messgleichun

gen können unter der Annahme eines stationären Betriebs wie folgt geschrieben werden:

Dabei ist Y n ein n-ter Messwert und ist v n ein Messrauschen.

Es sei erwähnt, dass aufgrund einer Implementierung dieser Gleichungen in zeitdiskreten Reglern die Matrix H als eine Nachschlagtabelle gespeichert wird und ihr Ist- Wert bei jeder Iteration auf Grundlage dieser Nachschlagtabelle aktualisiert wird. So kann Rechenzeit eingespart werden.

Der Vektor X wird dann auf Grundlage der folgenden Gleichung aktualisiert:

Mit

Diese Formulierung ist zur Identifizierung anderer Frequenzen in dem Signal, beispielsweise der 3. Harmonischen bei Rechteckwelleneinspeisung, erweiterbar. Es brauchen lediglich die Vektoren X und H angepasst werden. Die Filterung wird dann ausgeführt, indem das geschätzte Signal von dem gemessenen Signal subtrahiert wird. Der Vorteil dieser Filterung besteht darin, dass Phasenverzerrungen oder Bandbreitenbegrenzungen der Feedback-Regelschleife vermieden werden.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Demodulationseinrichtung 162 der Vorrichtung aus Fig. 1. Die Demodulationseinrichtung 162 ist ausgebildet, um unter Verwendung des weiteren umgeformten Ausgangssignals 153 von dem zweiten Signalumformer der ersten Rückführungseinheit der Vorrichtung das Demodulationssig- nal 163 zur Ausgabe an die Modellbeobachtungseinrichtung zu erzeugen.

Dazu weist die Demodulationseinrichtung 162 ein Bandpassfilter 201 , eine Signum- Funktionseinheit 204 (sgn), eine Multiplikationseinheit 206, eine Korrektureinheit 208 und optional ein Tiefpassfilter 209 auf. Das Bandpassfilter 201 ist auf einer Einspeisefrequenz f iri j des Erfassungssignals zentriert. Das Bandpassfilter 201 ist ausgebildet, um das weitere umgeformten Ausgangssignal 153 bzw. die durch die erste Rückführungseinheit geformte Version des Ausgangssignals der Stelleinheit zu filtern. Das Bandpassfilter 201 ist ausgebildet, um ein erstes Filtersignal 202 (i C d) und ein zweites Filtersignal 203 (i cq ) bereitzustellen bzw. auszugeben.

Die Signum-Funktionseinheit 204 ist signalübertragungsfähig mit dem Bandpassfilter 201 verbunden. Die Signum-Funktionseinheit 204 ist ausgebildet, um das erste Filtersignal 202 von dem Bandpassfilter 201 zu empfangen. Die Multiplikationseinheit 206 ist mit dem Bandpassfilter 201 und mit der Signum-Funktionseinheit 204 signalübertragungsfähig verbunden. Die Multiplikationseinheit 206 ist ausgebildet, um das zweite Filtersignal 203 von dem Bandpassfilter 201 und eine mittels der Signum-Funktionseinheit 204 verarbeitete Version des ersten Filtersignals 202 miteinander zu multiplizieren, um ein Multiplikationssignal 207 zu erzeugen. Die Korrektureinheit 208 ist mit der Multiplikationseinheit 206 signalübertragungsfähig verbunden. Dabei ist die Korrektureinheit 208 ausgebildet, um das Multiplikationssignal 207 von der Multiplikationseinheit 206 zu empfangen. Die Korrektureinheit 208 ist ausgebildet, um einen von dem eingespeisten Erfassungssignal abhängigen Korrekturfaktor k anzuwenden, genauer gesagt auf das Multiplikationssignal 207 anzuwenden. Das optionale Tiefpassfilter 209 ist signalübertragungsfähig mit der Korrektureinheit 208 verbunden. Hierbei ist die Korrektureinheit 208 elektrisch zwischen die Multiplikationseinheit 206 und das Tiefpassfilter 209 geschaltet. Das Tiefpassfilter 209 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um das Demodulations- signal 163 bereitzustellen oder auszugeben.

Anders ausgedrückt wird die Demodulation in dem geschätzten Rahmen (Frame) durchgeführt, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Das Bandpassfilter 201 ist an der Einspei- sungsfrequenz zentriert und die Signum-Funktionseinheit 204 ist ausgebildet, um eine Funktion auszuführen, welche das Vorzeichen des Eingangssignals bzw. weiteren umgeformten Ausgangssignals 153 ausgibt. Der parameterabhängige Faktor bzw. Korrekturfaktor k kann angepasst werden, um eine Bandbreite eines kaskadier- ten Reglers konstant zu halten, selbst wenn Sättigungseffekte und Änderungen der Spannungseinspeisung vorliegen sollten.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Demodulationseinrichtung 162 einen anderen geeigneten Aufbau aufweisen.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Modellbeobachtungseinrichtung 164 der Vorrichtung aus Fig. 1. Die Modellbeobachtungseinrichtung 164 ist ausgebildet, um unter Verwendung des Demodulationssignals 163 von der Demodulationseinrichtung aus Fig. 2, des elektrischen Stromsignals l a ß und des elektrischen Spannungssignals V a ß das zweite Rückführungssignal 165 und gegebenenfalls bzw. optional das dritte Rückführungssignal 166 zu erzeugen.

Dazu weist die Modellbeobachtungseinrichtung 164 eine Modell-Reglereinheit 301 , eine erste Verknüpfungsstelle 302, eine R-Einheit 303, eine Lq-Einheit 304, ein Verzögerungsglied 306 (1/s), eine zweite Verknüpfungsstelle 307 und eine eine Aus- gangseinrichtung 308 auf. Die Modell-Reglereinheit 301 ist ausgebildet, um das De- modulationssignal 163 zu empfangen oder einzulesen. Ausgangsseitig ist die Modell- Reglereinheit 301 signalübertragungsfähig mit der ersten Verknüpfungsstelle 302 verbunden.

Die R-Einheit 303 und die Lq-Einheit 304 sind ausgebildet, um das elektrische Stromsignal l αß zu empfangen oder einzulesen. Ausgangsseitig ist die R-Einheit 303 mit der ersten Verknüpfungsstelle 302 verbunden. Die Lq-Einheit 304 ist ausgangsseitig mit der zweiten Verknüpfungsstelle 307 verbunden. An der ersten Verknüpfungsstelle wird zu einem Ausgangssignal der Modell-Reglereinheit 301 das elektrische Spannungssignal V αß addiert und von dem Ausgangssignal der Modell- Reglereinheit 301 ein Ausgangssignal der R-Einheit 303 subtrahiert. Die erste Verknüpfungsstelle 302 ist signalübertragungsfähig mit dem Verzögerungsglied 306 verbunden. Das Verzögerungsglied 306 ist elektrisch zwischen die erste Verknüpfungsstelle 302 und die zweite Verknüpfungsstelle 307 geschaltet.

An der zweiten Verknüpfungsstelle 307 erfolgt eine Subtraktion eines Ausgangssignals der Lq-Einheit 304 von einem Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes 306. Die Ausgangseinrichtung 308 ist signalübertragungsfähig mit der zweiten Verknüpfungsstelle 307 verbunden. Die Ausgangseinrichtung 308 weist eine Phasenregel- schleife oder einen mechanischen Beobachter auf. Die Ausgangseinrichtung 308 ist ausgebildet, um das zweite Rückführungssignal 165 und gegebenenfalls bzw. optional das dritte Rückführungssignal 166 bereitzustellen oder auszugeben.

Anders ausgedrückt ist die Modellbeobachtungseinrichtung 164 als eine Hybrid- Beobachtungseinrichtung zum Mischen (Blending) von Schätzwerten ausgeführt. Das mittels der Demodulationseinrichtung bestimmte Fehlersignal bzw. Demodulati- onssignal 163 wird der Modellbeobachtungseinrichtung 164 bzw. Spannungsmodell- Beobachtungseinrichtung zugeführt. Ein durch den Signaleinspeisungsansatz ermittelter Winkel ist in einem stationären Betriebszustand dominant und ein durch das Spannungsmodell ermittelter Winkel ist bei Übergängen (Transienten) dominant. Ein Fluss, welcher als Ausgabe des Spannungsmodells bzw. der Modellbeobachtungseinrichtung 164 ermittelt wird, wird einer Phasenregelschleife (PLL, phase-locked loop) oder einem mechanischen Beobachter der Ausgangseinrichtung 308 zugeführt, um die durch das zweite Rückführungssignal 165 und das dritte Rückführungssignal 166 repräsentierte Winkelinformation und Geschwindigkeitsinformation bzw. Drehzahlinformation zu ermitteln und zu glätten.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Modellbeobachtungseinrichtung 164 einen anderen geeigneten Aufbau aufweisen.

Fig. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Steuern gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 400 zum Steuern ist ausführbar, um einen Betrieb einer elektrischen Maschine zu steuern. Dabei ist das Verfahren 400 zum Steuern in Verbindung mit der Vorrichtung aus Fig. 1 oder einer ähnlichen Vorrichtung ausführbar. Die elektrische Maschine weist einen Rotor und einen Stator auf.

In einem Schritt 410 des Einspeisens wird bei dem Verfahren 400 zum Steuern an einer Einspeisungsstelle, die elektrisch zwischen eine Reglereinheit und eine Stelleinheit geschaltet ist, ein elektrisches Erfassungssignal eingespeist. Die Stelleinheit ist eingangsseitig elektrisch mit der Reglereinheit verbunden und ist ausgangsseitig elektrisch mit der elektrischen Maschine verbindbar.

In einem nachfolgenden Schritt 420 des Verarbeitens wird bei dem Verfahren 400 zum Steuern unter Verwendung einer ersten Rückführungseinheit und einer zweiten Rückführungseinheit ein Ausgangssignal der Stelleinheit verarbeitet. Hierbei ist die erste Rückführungseinheit elektrisch parallel zu der Reglereinheit und der Stelleinheit geschaltet und ist die zweite Rückführungseinheit elektrisch parallel zu der ersten Rückführungseinheit geschaltet. Der Schritt 420 des Verarbeitens ist ausführbar, um ein erstes Rückführungssignal von der ersten Rückführungseinheit an die Reglereinheit rückzuführen. Das erste Rückführungssignal repräsentiert eine durch die erste Rückführungseinheit umgeformte und verarbeitete Version eines Ausgangssignals der Stelleinheit. Ferner ist der Schritt 420 des Verarbeitens ausführbar, um zumindest ein zweites Rückführungssignal von der zweiten Rückführungseinheit an die erste Rückführungseinheit und/oder an die Stelleinheit rückzuführen. Das zweite Rückführungssignal repräsentiert eine durch die erste Rückführungseinheit umge- formte und durch die zweite Rückführungseinheit verarbeitete Version des Ausgangssignals der Stelleinheit. Zudem repräsentiert das zweite Rückführungssignal einen Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator der elektrischen Maschine.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel können andere geeignete Methoden verwendet werden, um einen Sinusoid bekannter Frequenz zu verfolgen.

Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.

Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder" Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Bezuqszeichen

100 Vorrichtung

105 weitere Subtraktionsstelle

110 Reglereinheit

115 Reglerausgangssignal

120 Einspeisungsstelle

125 elektrisches Erfassungssignal

130 Stelleinheit

132 Signalumformer

134 Pulsweitenmodulationseinrichtung

136 Wandlereinrichtung

138 Ausgangssignal

140 erste Rückführungseinheit

142 erster Signalumformer

143 umgeformtes Ausgangssignal bzw. gemessenes Ausgangssignal

144 Subtraktionsstelle

146 vierter Signalumformer

148 erstes Rückführungssignal

151 Winkelsignal

152 zweiter Signalumformer

153 weiteres umgeformtes Ausgangssignal

154 Signalrekonstruktionseinrichtung

156 dritter Signalumformer

160 zweite Rückführungseinheit

162 Demodulationseinrichtung

163 Demodulationssignal

164 Modellbeobachtungseinrichtung

165 zweites Rückführungssignal

166 drittes Rückführungssignal

170 Referenzsignal-Erzeugungseinheit

175 Führungssignal bzw. Referenzsignal

180 Geschwindigkeitssteuereinheit 185 Vorgabesignal

190 zusätzliche Subtraktionsstelle

195 weiteres Referenzsignal

abc auf Phasen der elektrischen Maschine M bezogenen Koordinatensystem αß statorfesten Koordinatensystem

dq rotorfestes Koordinatensystem

lαß elektrisches Stromsignal

M elektrische Maschine

V αß elektrisches Spannungssignal

201 Bandpassfilter

202 erstes Filtersignal

203 zweites Filtersignal

204 Signum-Funktionseinheit

206 Multiplikationseinheit

207 Multiplikationssignal

208 Korrektureinheit

209 Tiefpassfilter

301 Modell-Reglereinheit

302 erste Verknüpfungsstelle

303 R-Einheit

304 Lq-Einheit

306 Verzögerungsglied

307 zweite Verknüpfungsstelle

308 Ausgangseinrichtung

400 Verfahren zum Steuern

410 Schritt des Einspeisens

420 Schritt des Verarbeitens