Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Betriebs eines Elektromotors

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Betriebs eines Elektromotors, insbesondere im Umfeld oder in einer Applikation für ein Fahrzeuggetriebe, wobei an elektrischen Phasen des Elektromotors anliegende elektrische Spannungen in Abhängigkeit einer Rotorposition des Elektromotors gesteuert ausgegeben werden und die Ausgabe der Spannungen der Rotorposition nachgeführt wird.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Steuerung eines Betriebs eines Elektromotors, umfassend eine Versor ^¬ gungseinheit zur gesteuerten Ausgabe von elektrischen Spannungen an elektrischen Phasen des Elektromotors in Abhängigkeit einer Rotorposition des Elektromotors, wobei die Ausgabe der Span ^¬ nungen der Rotorposition nachführbar ist.

Elektromechanisch oder hydraulisch betätigte Fahrzeuggetriebe umfassen einen oder mehrere Elektromotoren für Pumpen- oder Direktantriebe, wobei mittels des zumindest einen Elektromotors Wähl- oder Schaltvorrichtungen sowie Kupplungs- und Brems- Vorrichtungen des Fahrzeuggetriebes angesteuert werden.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Steuerung solcher Elektromotoren für Fahrzeuggetriebe bekannt. Eine Stromzufuhr zu einzelnen Motorwicklungen der Elektromotoren wird insbesondere aus Kostengründen mittels einer so genannten Blockkommutierung und einer so genannten B6-Brückenschaltung gesteuert. Hierbei werden innerhalb eines Kommutierungs ^¬ schrittes ein so genannter High-Side-Schalter einer Halbbrücke der Brückenschaltung und ein so genannter Low-Side-Schalter der Halbbrücke geschaltet. Der Kommutierungsschritt wird in Ab ^¬ hängigkeit einer Rotorposition des Elektromotors gesteuert, wobei zur Ermittlung der Rotorposition im Elektromotor

Hall-Sensoren vorgesehen sind. Die Hall-Sensoren sind derart angeordnet, dass über die High-Low-Logikpegel eine elektrische Winkelauflösung von 60° realisiert ist.

Um diese Winkelauflösung zu erhöhen, ist es bekannt, hoch- auflösende Winkelsensoren zu verwenden. Somit ist eine bessere Anpassung der an die elektrischen Phasen des Elektromotors ausgegebenen Spannungen an eine jeweilige Rotorposition möglich. Eine dabei realisierte so genannte Sinuskommutierung ermöglicht eine höhere Ausnutzung des Wirkungsgrades des Elektromotors bei gleichzeitig ruhigem Motorlauf. Hierbei wird die elektrische Spannung in Abhängigkeit einer Information über einen Rotorwinkel mittels einer Raumzeigermodulation derart erzeugt, dass diese sinusförmig ist. Zur weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades des Elektromotors bei einer Sinuskommutierung ist bekannt, dass ein Strommaximum in den Motorwicklungen zur Position von Magneten des Rotors derart synchronisiert wird, dass ein fester Versatz von 90° entsteht. Hierzu wird eine so genannte feldorientierte Regelung verwendet, bei welcher Phasenströme des Elektromotors in Verbindung mit der Information über die Rotorposition zur Regelung der ausgegebenen Phasenspannungen verwendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vor ^¬ richtung zur Steuerung eines Betriebs eines Elektromotors, insbesondere für ein Fahrzeuggetriebe, anzugeben, welche eine insbesondere bezüglich eines Rechenaufwandes einfache sowie kostengünstige und dennoch schnelle und exakte Steuerung des Betriebs des Elektromotors zur Erreichung eines hohen Wir ^¬ kungsgrades ermöglichen.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Vorrichtung durch die in Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche . In einem Verfahren zur Steuerung eines Betriebs eines Elektromotors werden an elektrischen Phasen des Elektromotors anliegende elektrische Spannungen in Abhängigkeit einer Rotor ^¬ position des Elektromotors gesteuert ausgegeben und die Ausgabe der Spannungen wird der Rotorposition nachgeführt.

Erfindungsgemäß wird in Abhängigkeit einer Ist-Drehzahl und zumindest einer, eine Belastung des Elektromotors kennzeich ^¬ nenden weiteren Größe aus einem Vorsteuerwinkel-Kennfeld ein Vorsteuerwinkel ermittelt, wobei der Vorsteuerwinkel und ein die Rotorposition kennzeichnender Rotorlagewinkel zu einem Summenwinkel addiert werden und in Abhängigkeit des Summenwinkels die Spannungen ermittelt und gesteuert an die elektrischen Phasen des Elektromotors ausgegeben werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht aufgrund der Steuerung des Betriebs des Elektromotors unter Verwendung des Vor ^¬ steuerwinkel-Kennfeldes eine einfache Struktur des Steuer ^¬ kreises, wobei lediglich ein geringer Datenverarbeitungsaufwand sowie daraus folgend ein geringer Aufwand für eine Software einer Steuereinheit des Elektromotors erforderlich ist. Durch die so sehr einfach realisierbare Ansteuerung des Elektromotors mit der der Rotorposition nachgeführten Ausgabe der Spannungen wird ein durch LaufZeitverzögerungen von Soft- und Hardware bedingter drehzahlabhängiger Versatz zwischen Erfassung der Information über die Rotorposition und der ausgegebenen Spannung an den Motorklemmen vermieden, so dass ein elektrischer Motorstrom exakt zum Rotor synchronisiert werden kann. Auch kann in einfacher Weise vermieden werden, dass die Induktivität der Motorwicklungen einen drehzahl- und stromabhängigen Versatz zwischen angelegter Spannung an den Motorklemmen und dem Strom in den Wicklungen bewirkt. Weiterhin ist lediglich eine geringe Rechenleistung zur Realisierung des Verfahrens und daraus folgend ein geringer Ressourceneinsatz notwendig. Im Vergleich zu einer feldorientierten Regelung ist stets ein Betrieb des Elektromotors mit optimiertem Wirkungsgrad auch ohne kosten ^¬ intensive Phasenstromrückmessung realisierbar. Auch ist aufgrund der Verwendung des Vorsteuerwinkel-Kennfeldes in besonders einfacher Weise eine zusätzliche Nutzung des so genannten Reluktanzmoments des Elektromotors möglich, wohingegen bei einer feldorientierten Regelung eine aufwändige Regelstrategie des so genannten d-Anteils erforderlich ist.

In einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens wird das Vorsteuerwinkel-Kennfeld erzeugt, indem zu Drehzahl- und Drehmoment-Betriebspunkten des Elektromotors Vorsteuerwinkel ermittelt werden, bei welchen der Wirkungsgrad des Elektromotors oder ein Gesamtwirkungsgrad von Elektromotor und dessen Ansteuerelektronik inklusive notwendiger Stromzuführen maximiert ist. Somit ist bei Verwendung des Vorsteuerwinkel-Kennfeldes stets ein optimaler Betriebspunkt des Elektromotors bei ma ^¬ ximalem Wirkungsgrad einstellbar.

In einer möglichen weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden die Spannungen in Abhängigkeit des Summenwinkels in einer Raumzeigermodulation ermittelt. Mittels der Raumzeigermodu ^¬ lation ist eine sehr hohe Winkelauflösung des ausgegebenen Spannungszeigers, d. h. eine Diskretisierung der ausgegebenen Spannungen von Blockspannungen zur Sinusform, realisierbar und es kann bei hoher Ausnutzung des Wirkungsgrades ein sehr ruhiger Motorlauf realisiert werden. Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der Vor ^¬ steuerwinkel in Abhängigkeit der Ist-Drehzahl bei vorgegebenen Belastungen des Elektromotors über ein Wirkungsgradmaximum des Elektromotors hinaus erhöht wird. Somit kann in vorteilhafter Weise insbesondere ein Feldschwächbereich des Elektromotors nutzbar gemacht werden.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens werden als weitere Größe eine aktuell geforderte Motorspannung, ein aktueller Gleichstrom, ein aus dem Gleichstrom und einem Tastverhältnis er- mittelter Phasenstrom, ein gemessener Phasenstrom und/oder ein Drehmoment verwendet. Diese Größen bilden die Belastung des Elektromotors besonders genau ab. Insbesondere bei Verwendung der von einem Regelkreis als Stellgröße verwendeten Motor- Spannung als Eingangsgröße für das Vorsteuerwinkel-Kennfeld wird der Nachteil einer schwankenden Versorgungsspannung überwunden, da die Schwankung bei einer möglichen Umrechnung der geforderten Motorspannung in einen Modulationsgrad oder Tastgrad, auch als duty cycle bezeichnet, über die zur Verfügung stehende Zwi- schenkreisspannung ausgeglichen wird.

Die Vorrichtung zur Steuerung eines Betriebs eines Elektromotors umfasst eine Versorgungseinheit zur gesteuerten Ausgabe von elektrischen Spannungen an elektrischen Phasen des Elektromotors in Abhängigkeit einer Rotorposition des Elektromotors, wobei die Ausgabe der Spannungen der Rotorposition nachführbar ist.

Erfindungsgemäß sind ein Speicher, in welchem ein Vorsteuer- winkel-Kennfeld hinterlegt ist, und eine Steuereinheit vor ^¬ gesehen, wobei die Steuereinheit zur Ermittlung eines Vor ^¬ steuerwinkels aus dem Vorsteuerwinkel-Kennfeld in Abhängigkeit einer Ist-Drehzahl und zumindest einer, eine Belastung des Elektromotors kennzeichnenden weiteren Größe, zur Addition des Vorsteuerwinkel und eines die Rotorposition kennzeichnenden Rotorlagewinkels zu einem Summenwinkel, zur Ermittlung der Spannungen in Abhängigkeit des Summenwinkels und zur Steuerung der Ausgabe der elektrischen Spannungen mittels der Versorgungseinheit an die elektrischen Phasen des Elektromotors ausgebildet ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich aufgrund der Steuerung des Betriebs des Elektromotors unter Verwendung des Vorsteuerwinkel-Kennfeldes durch eine besonders einfache und kostengünstige Struktur aus bei besonders geringen erforder ^¬ lichen Rechenleistungen aus.

In einer möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Versorgungseinheit eine Brückenschaltung, beispielsweise eine B6-Brückenschaltung, mittels welcher in sehr einfacher und zuverlässiger Weise eine Blockkommutierung des Elektromotors realisierbar ist. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Darin zeigen:

Figur 1 schematisch ein Blockschaltbild einer Blockansteuerung eines Elektromotors nach dem Stand der Technik,

Figur 2 schematisch ein Blockschaltbild einer gesteuerten

Sinusansteuerung eines Elektromotors nach dem Stand der

Technik,

Figur 3 schematisch ein Blockschaltbild einer feldorientierten

Regelung eines Elektromotors nach dem Stand der Technik,

Figur 4 schematisch ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen

Verfahrens, und Figur 5 schematisch ein Blockschaltbild einer gesteuerten

Sinusansteuerung mit einer erfindungsgemäßen betriebspunktabhängigen Steuerung des Elektromotors mittels eines Vorsteuerwinkels. Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Blockansteuerung eines Elektromotors 1 nach dem Stand der Technik.

Im Rahmen einer Blockkommutierung wird eine Stromzufuhr zu einzelnen Motorwicklungen des Elektromotors 1 mittels einer Steuereinheit 2 durch Steuerung einer B6-Brücke 3 gesteuert. Hierbei werden in nicht näher dargestellter Weise innerhalb eines Kommutierungsschrittes zur Pulsweitenmodulation ein

High-Side-Schalter einer Halbbrücke der B6-Brücke 3 und ein Low-Side-Schalter der Halbbrücke geschaltet. Der Kommutie ^¬ rungsschritt wird dabei in Abhängigkeit einer Rotorposition des Elektromotors 1 gesteuert, wobei zur Ermittlung der Rotorpo ^¬ sition beispielsweise im Elektromotor 1 nicht dargestellte Hall-Sensoren vorgesehen sind, welche Hall-Signale Hl bis H3 erzeugen. Die Hall-Sensoren sind derart angeordnet, dass über die High-Low-Logikpegel eine elektrische Winkelauflösung von 60° realisiert ist. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Verwendung eines Einfachschalters zusammen mit einem gesteuertem Anlauf und einer internen Phasenregelschleife oder eine Ver ^¬ wendung eines optischen Encoders möglich. Alle Erfassungsgeräte haben gemein, dass die Winkelinformation diskret erfasst wird und nicht winkelkontinuierlich.

In einer Recheneinheit 4 wird weiterhin eine Ist-Drehzahl ni _St des Elektromotors 1 ermittelt und zurückgeführt, wobei mittels eines Drehzahlreglers 5 in Abhängigkeit einer Soll-Dreh ^¬ zahl n _{s o} n des Elektromotors 1 eine Ausgangsspannung U _ou t ein ^¬ gestellt wird, in Abhängigkeit welcher die Steuereinheit 2 die B6-Brücke 3 steuert. In Figur 2 ist ein Blockschaltbild einer gesteuerten Sinusansteuerung eines Elektromotors 1 nach dem Stand der Technik dargestellt, mittels welcher gegenüber der in Figur 1 dargestellten Lösung eine höhere Winkelauflösung erzielbar ist. Im Unterschied zu dem in Figur 1 dargestellten Blockschaltbild sind in nicht dargestellter Weise hochauflösende Winkelsensoren vorgesehen, aus deren Signale die Recheneinheit 4 ein Rotor ^¬ lagewinkel φ ermittelt wird. Mittels der Steuereinheit 2 wird in Abhängigkeit des Rotor ^¬ lagewinkels φ die Ausgangsspannung U _ou t in einer in Figur 4 näher dargestellten Raumzeigermodulation RZM (englisch: space vector modulation) durch Pulsweitenmodulation derart der B6-Brücke 3 zugeführt, dass diese sinusförmig ist.

Somit sind die an den Elektromotor 1 ausgegebenen elektrischen Spannungen in Sinusform besser an die durch den Rotorlagewinkel φ gekennzeichnete Rotorposition anpassbar, wobei mittels der dargestellten so genannten Sinuskommutierung ein höherer Wirkungsgrad und ein ruhiger Motorlauf erreicht werden.

Der maximal mögliche Wirkungsgrad bei einem Motorbetrieb mit Sinuskommutierung wird jedoch nur erreicht, wenn ein Strommaximum in den Motorwicklungen zur Position der Rotormagnete auf einen festen 90°-Versatz synchronisiert ist. Zur Realisierung wird hierzu im Stand der Technik die so genannte feldorientierte Regelung verwendet.

Ein Blockschaltbild einer solchen feldorientierten Regelung eines Elektromotors 1 nach dem Stand der Technik zeigt Figur 3. Hierbei werden in allgemein bekannter Weise gemessene Motorphasenströme i _a , i , i _c in Verbindung mit dem Rotorlagewinkel φ zur Regelung der ausgegebenen Phasenspannungen genutzt, wobei mittels einer so genannten Clarke-Transformation CT zunächst die Stromwerte i _a , i p und anschließend aus diesen in einer so ge ^¬ nannten Park-Transformation auf ein Drehmoment und eine magnetische Flussdichte des Elektromotors 1 bezogene Stromwer- te i _q , id ermittelt werden, wobei mittels Stromreglern 6, 7 in Abhängigkeit der Stromwerte i _q , id und Soll-Strom ^¬ werte i _q soii, id soii Referenzspannungen U _{q re} f, Ud _re f erzeugt und einer inversen Parktransformation 1/PT zugeführt werden. In der inversen Parktransformation 1/PT werden wiederum weitere Referenzspannungen U _{a re} f , Up _re f erzeugt und einem Teil 2.1 der Steuereinheit 2 zur Raumzeigermodulation RZM zugeführt, wobei die Ansteuerung der B6-Brücke 3, an welcher eine Gleichspannung Udc anliegt, mittels eines weiteren Teils 2.2 der Steu- ereinheit 2 anhand der Pulsweitenmodulation erfolgt.

Nachteilig an der beschriebenen Lösung ist jedoch der hohe Aufwand zur Realisierung der Regelung. In Figur 4 ist ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen

Verfahrens dargestellt, welches zur Überwindung der genannten Nachteile des Standes der Technik vorsieht, den ermittelten Rotorlagewinkel φ zur Regelung der ausgegebenen Spannungen derart zu verändern und anschließend der Raumzeigermodulati ^¬ on RZM wieder zuzuführen, dass die ausgegebenen Spannungen an den Motorklemmen, welche jeweils für einen Motorstrom durch die Wicklungen des Elektromotors 1 verantwortlich sind, beliebig zum Rotorfeld orientiert werden können. Somit kann beispielsweise für jeden Betriebspunkt des Elektromotors 1 ein derartiger Stromfluss im Elektromotor 1 generiert werden, welcher einen maximalen Wirkungsgrad und damit ein maximales Drehmoment pro Stromstärke ermöglicht.

Hierzu wird aus Gründen einer möglichst einfachen und kos ^¬ tengünstigen Architektur als Grundlage ein Ansteuerverfahren verwendet, bei welchem die Spannungen in Abhängigkeit der durch den Rotorlagewinkel φ gekennzeichneten Rotorposition gesteuert ausgegeben werden. Um die bei dieser einfachen Architektur auftretenden Nachteile, insbesondere einen durch Laufzeit ^¬ verzögerungen von Soft- und Hardware bedingten drehzahlab ^¬ hängigen Versatz zwischen Erfassung der Information über die Rotorposition und der ausgegebenen Spannung an den Motorklemmen sowie ein Bewirken eines drehzahl- und stromabhängigen Versatzes zwischen angelegter Spannung an den Motorklemmen und dem Strom in den Wicklungen durch die Induktivität der Motorwicklungen, zu vermeiden, wird die Ausgabe der Spannungen der Rotorposition nachgeführt .

Hierbei wird der ermittelte Rotorlagewinkel φ derart verändert und anschließend einer Raumzeigermodulation RZM wieder zugeführt, so dass die ausgegebenen Spannungen an den Motorklemmen, die ihrerseits für den Motorstrom durch die Wicklungen ver- antwortlich sind, beliebig zum Rotorfeld orientiert werden können .

Zu dieser Realisierung wird in Abhängigkeit der Ist—Drehzahl ni _st und einer, eine Belastung des Elektromotors 1 kennzeichnenden weiteren Größe G aus einem Vorsteuerwinkel-Kennfeld KF ein

Vorsteuerwinkel φ _ΡΑ ermittelt, welcher mit dem Rotorlagewinkel φ zu einem Summenwinkel addiert wird. In Abhängigkeit des Summenwinkels werden die Spannungen als Spannungszeiger in der Raumzeigermodulation RZM ermittelt und gesteuert an die elektrischen Phasen des Elektromotors 1 ausgegeben.

Das Vorsteuerwinkel-Kennfeld KF wird in einer Bedatungsprozedur des Gesamtsystems ermittelt, indem zu Drehzahl- und Drehmo ^¬ ment-Betriebspunkten des Elektromotors 1 Vorsteuerwinkel φ _ΡΑ ermittelt werden, bei welchen zumindest der Wirkungsgrad des Elektromotors 1, insbesondere ein Gesamtwirkungsgrad von Elektromotor 1 und dessen Ansteuerelektronik inklusive not- wendiger Stromzuführungen, maximiert ist. Das Vorsteuerwinkel-Kennfeld KF wird insbesondere in einem Speicher hinterlegt.

Eine in einer Steuereinheit 2 arbeitende Ansteuersoftware liest hierbei abhängig vom aktuellen Betriebspunkt des Elektromotors 1 den zugehörigen optimalen Vorsteuerwinkel φ _ΡΑ aus dem Vor ^¬ steuerwinkel-Kennfeld KF aus und addiert diesen auf den Ro ^¬ torlagewinkel φ. Als Eingangsparameter des Vorsteuerwinkel-Kennfeldes KF wird neben der aktuellen Ist-Drehzahl ni _St des Rotors als die die Belastung des Elektromotors 1 abbildende Größe G eine aktuell geforderte Motorspannung, ein aktueller Gleichstrom, ein aus dem Gleichstrom und einem Tastverhältnis ermittelter Phasenstrom, ein gemessener Phasenstrom und/oder ein Drehmoment verwendet. Anhand der beschriebenen betriebspunktabhängigen Modifikation des Rotorlagewinkels φ werden innerhalb der Raumzeigermodu ^¬ lation RZM notwendige Spannungen berechnet, die den Motorphasenstrom zum optimalen Zeitpunkt in den Motorwicklungen fließen lassen.

Figur 5 zeigt ein Blockschaltbild einer gesteuerten Sinusansteuerung mit einer erfindungsgemäßen betriebspunktabhängigen Steuerung des Elektromotors 1 mittels des Vorsteuerwinkels φ _ΡΑ , wobei zusätzlich zu dem in Figur 2 beschriebenen Verfahren in Abhängigkeit der Ist-Drehzahl ni _St und der die Belastung des Elektromotors 1 abbildenden Größe G aus dem Vorsteuerwinkel-Kennfeld KF und dem Rotorlagewinkel φ der Summenwinkel erzeugt und der Steuereinheit 2 zur Raumzeigermodulation RZM zugeführt wird, welche aus einer Amplitude des Spannungszeigers und einem optimierten Kommutierungswinkel ein Ansteuersignal für die B6-Brücke 3 generiert.

Abweichend von der Darstellung sind das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Vorrichtung und deren Ausge ^¬ staltungen in nicht gezeigter Weise auch in Regelstrukturen mit unterlagertem Stromregler oder sonstigen Regelstrukturen, beispielsweise zu einer direkten Drehmomentregelung, verwendbar und ist nicht auf die dargestellte Struktur gemäß Figur 5 mit Drehzahlregelung beschränkt. Auch sind das Verfahren, die Vorrichtung und deren Ausgestaltungen im Rahmen einer Blockkommutierung anwendbar.

Bezugs zeichenliste

1 Elektromotor

2 Steuereinheit

2.1 Teil

2.2 Teil

3 B6-Brücke

4 Recheneinheit

5 Drehzahlregler

6 Stromregler

7 Stromregler

CT Clark-Transformation

G Größe

Hl bis H3 Hall-Signal

ia/ ib/ ic Motorphasenströme

ld/ iq Stromwert

ld_soll/ lq_soll Stromwert

Stromwert

KF Vorsteuerwinkel-Kennfeld nist Ist-Drehzahl

n _S oii Soll-Drehzahl

PT Park-Transformation

1/PT inverse Park-Transformation RZM Raumzeigermodulation

Udc Gleichspannung

Uout AusgangsSpannung

Ud_ref/ Uq_ _re f Referenzspannung

re r Uß _re f Referenzspannung φ Rotorlagewinkel

φ _ΡΑ Vorsteuerwinkel

φ _Σ Summenwinkel