Titel

Verfahren und Vorrichtung zum Bereitstellen eines Ansteuermusters für eine elektronisch kommutierte elektrische Maschine sowie ein Motorsystem

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft Motorsysteme mit elektronisch kommutierten elektrischen Maschinen, und insbesondere Verfahren zum Auslegen eines Ansteuermusters für die Ansteuerung einer derartigen elektrischen Maschine.

Technischer Hintergrund

Elektrisch kommutierte elektrische Maschinen werden in der Regel über einen Leistungstreiber mit einem Pulsmuster betrieben, der mehrere Phasen der elektrischen Maschine entsprechend Phasen-Ansteuersignale eines Ansteuermusters ansteuert. Die Treiberschaltung weist üblicherweise dazu Inverter auf, die an jeden Phasenanschluss der elektrischen Maschine ein hohes Versorgungspotenzial oder ein niedriges Versorgungspotenzial (oft Massepotenzial) abhängig von dem Ansteuersignal anlegen können. Beim Betreiben der elektrischen Maschine ergibt sich ein Motormoment in der Regel durch Amplitude und Voreilung einer sich durch die Ansteuerung mit den Ansteuersignalen einstellenden Raumzeigerspannung und einer aktuellen elektrischen Läuferlage. Die Raumzeigerspannung entspricht einer virtuellen Spannung, die sich effektiv aus den einzelnen Phasenspannungen ergibt.

Derartige elektrische Maschinen können grundsätzlich in vielfältiger Weise betrieben werden, wie beispielsweise positionsgeregelt, drehzahlgeregelt, momentengeregelt oder dergleichen. Die Stellgröße entspricht in der Regel einem gewünschten Drehmoment, das in Form eines vorgegebenen Soll-Motorstroms oder eines vorgegebenen Soll-Drehmoments als Regelgröße für eine nachgelagerte Momenten- oder Strom-Regelung angegeben werden kann. Der Motorstrom ergibt sich aus Phasenströmen, die eine Folge von angelegten Phasenspannungen sind.

Die bisherigen Verfahren zur Ansteuerung der elektrischen Maschine folgen bekannten Modulationsverfahren, wie beispielsweise einer Raumzeigermodulation (SVPWM), einer Grundfrequenztaktung (FFC) und dergleichen. Herkömmlich kann die Ansteuerung zum Ansteuern der elektrischen Maschine basierend auf physikalisch motivierten Motormodellen (Rechenmodellen) bestimmt werden, die beispielsweise die für eine momentane Läuferlage optimierte Raumzeigerspannung oder einen magnetischen Fluss vorgibt und diese Größen entsprechend dem gewählten Modulationsverfahren in Ansteuersignale für die Treiberschaltung umsetzt.

Die Motormodelle werden herkömmlich basierend auf einer Vermessung der elektrischen Maschine parametrisiert. Jedoch verbleibt in der Regel eine Restungenauigkeit der parametrierten Motormodelle, die durch das zugrundeliegende mathematische Funktionsmodell nicht oder nur ungenau abgebildet werden kann, so dass sich Abweichungen vom Optimalbetrieb ergeben.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Bereitstellen eines Ansteuermusters für eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 sowie ein Motorsystem gemäß dem nebengeordneten Anspruch vorgesehen.

Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Erstellen eines Ansteuermusters in Form einer Ansteuertabelle für die Ansteuerung einer elektronisch kommutierten elektrischen Maschine vorgesehen, wobei die Ansteuertabelle betriebspunktabhängig eine Ansteuerangabe bereitstellt, abhängig von der ein Ansteuermuster mit Ansteuersignalen zum Ansteuern einer Treiberschaltung zur Bestromung von Phasen der elektrischen Maschine generiert wird, mit folgenden Schritten:

Vermessen einer elektrischen Maschine auf einem Prüfstand bei mehreren vorgegebenen Betriebspunkten und jeweils mit mehreren Ansteuerangaben, wobei die mehreren Ansteuerangaben jeweils basierend auf einem Optimierungsverfahren, insbesondere einem Reinforcement- Optimierungsverfahren oder einem Blackbox-Bayes- Optimierungsverfahren, ausgewählt werden, um die Ansteuerangabe für den jeweiligen Betriebspunkt zu optimieren;

Erstellen der Ansteuertabelle basierend auf den mehreren Betriebspunkten und den jeweiligen optimierten Ansteuerangaben.

Obwohl die physikalischen Zusammenhänge in einer elektrischen Maschine bekannt sind, führen Bautoleranzen und ungenaue Parametrierung dazu, dass das reale Verhalten einer elektrischen Maschine von einer durch ein entsprechendes physikalisch motiviertes Funktionsmodell (Motormodell) vorgegebenen Beschreibung abweicht.

Auf physikalisch motivierten Motormodellen basierende Regelungs- und/oder Steuerungsverfahren für elektrische Maschinen geben letztlich Ansteuersignale für die den einzelnen Phasensträngen zugeordneten Inverter der Treiberschaltung vor, die mithilfe eines nachgelagerten Modulationsverfahrens in geeignete Phasenspannungen umgesetzt werden. Dagegen kann eine mögliche Ansteuerung auch mit einer Ansteuertabelle erfolgen, die betriebspunktabhängig abhängig von einer bereitgestellten Sollgröße eine Ansteuerangabe bereitstellt. Der Betriebspunkt kann beispielsweise durch eine Drehzahlangabe, eine aktuelle elektrische Läuferlage, und eine Ist-Drehmomentenangabe, die in Form eines Drehmoments und/oder Phasenströme bzw. einem Motorstrom angegeben sein kann, angegeben werden. Der Betriebspunkt kann weiterhin durch eine oder mehrere weitere Zustandsgrößen, wie z.B. eine Statortemperatur und/oder eine Rotortemperatur und dergleichen, bestimmt sein. Die Sollgröße kann eine Soll- Drehmomentenangabe oder einen Soll-Fluss angeben.

Die Ansteuertabelle wird vorgegeben, um einer Sollgröße, die von extern oder von einer vorgelagerten Regelung bereitgestellt werden kann und die durch die Ansteuerung eingestellt werden soll, und einem Betriebspunkt, der z.B. durch eine Ist-Drehmomentangabe, die die Höhe eines momentanen Drehmoments in Form eines Moments oder eines Motorstroms angibt, und einer Ist-Drehzahlangabe (aktueller Drehzahl), sowie gegebenenfalls durch eine oder mehrere weitere Zustandsgrößen, wie der Statortemperatur, der Rotortemperatur und/oder dergleichen, eine Ansteuerangabe zuzuordnen.

Die Ansteuerangabe kann in geeigneter Weise ein Ansteuermuster vorgeben, mit der die Treiberschaltung anzusteuern ist. So kann die Ansteuerangabe einerseits eine läuferlagefeste Raumzeigerspannung angeben, die vorzugsweise eine Spannungsamplitude nebst einer Phasenlage bezüglich einer aktuellen elektrischen Läuferlage angibt, oder direkt das Ansteuermuster zur Ansteuerung der Treiberschaltung der elektrischen Maschine abhängig vom Läuferlagewinkel vorgeben. Beispielsweise kann ein solches Ansteuermuster die Schaltwinkel vorgegeben, die Läuferlagewinkeln entsprechen, zu denen das aktuelle Potenzial mindestens eines Ansteuersignals der Ansteuerangabe für eine bestimmte Phase geändert wird. Insbesondere wird so das Potenzial an der betreffenden Phase wechselweise zwischen einem hohen Potenzial und einem niedrigen Potenzial bei Erreichen des jeweils nächsten Schaltwinkels geändert.

Eine solche Ansteuertabelle ersetzt eine modellbasierte Ansteuerung der elektrischen Maschine und ist ressourcenschonend in einem Steuergerät implementierbar.

Die Ansteuertabelle kann mithilfe eines Optimierungsverfahrens zum Erstellen der Ansteuertabelle für eine Ansteuerung einer elektrischen Maschine bereitgestellt werden. Dazu kann eine elektrische Maschine, für die eine Ansteuerung implementiert werden soll, in einem Prüfstand vermessen werden. Dabei kann die Ansteuertabelle abhängig von einer Vielzahl angefahrener Betriebspunkte erstellt werden. Dazu kann vorzugsweise ein Optimierungsalgorithmus verwendet werden, der als modellfreier Algorithmus, wie beispielsweise ein Reinforcement- Optimierungsverfahren oder ein Blackbox-Bayes-Optimierer, ausgebildet sein kann.

Der Betriebspunkt kann durch mindestens eine der folgenden Größen bestimmt sein: eine Drehzahl der elektrischen Maschine, eine Drehmomentenangabe, die ein Drehmoment oder ein Motorstrom oder Phasenströme umfassen kann, eine Statortemperatur und eine Rotortemperatur.

Weiterhin kann die Ansteuerangabe einer Raumzeigerspannung in einem läuferfesten Koordinatensystem entsprechen, wobei die Raumzeigerspannung insbesondere durch Statorspannungskomponenten eines d,q-Koordinatensystem angegeben sind.

Insbesondere kann das Vermessen mit den mehreren Ansteuerangaben durchgeführt werden, indem die Raumzeigerspannung mithilfe eines Modulationsverfahrens, insbesondere mithilfe einer Pulsweitenmodulation, abhängig von einer aktuellen Läuferlage des Läufers der elektrischen Maschine in ein geeignetes Ansteuermuster umgesetzt wird.

Entspricht die Ansteuerangabe einer Raumzeigerspannung u ^L , so liefert die Ansteuertabelle abhängig von einem Betriebspunkt vorzugsweise läuferfeste Spannungen Ud, U _q als Statorspannungskomponenten im d,q-Koordinatensystem. Die Statorspannungskomponenten Ud, U _q werden durch eine nachfolgende Pulsweitenmodulation für jede Phase der elektrischen Maschine mithilfe eines getakteten Schaltens der Inverter der Treiberschaltung gestellt. Das Optimierungsproblem des Optimierers kann wie folgt definiert sein: subject to T(U ^L ) — T _des = 0 u ^L e U ^L

Ziel der Optimierung ist es, die Ansteuerangabe so zu bestimmen, dass ein gewünschtes Solldrehmoment Tdes eingestellt wird und gleichzeitig die Verluste Pioss im System reduziert werden, wobei T(u ^L ) dem aktuellen von der Raumzeigerspannung abhängigen Moment entspricht. Auch andere Kostenfunktionen sind möglich. U ^L entspricht den Systemgrenzen für die bereitstellbaren Raumzeigerspannungen u ^L .

Die Ansteuerangabe kann alternativ einem Schaltwinkelvektor mit einer Reihe von Schaltwinkeln für jede der Phasen der elektrischen Maschine entsprechen, so dass das Ansteuermuster läuferlagesychron bereitgestellt wird, wobei das Ansteuermuster so definiert ist, dass ein Umschalten mindestens eines Ansteuersignals für die zugehörige Phase, d.h. ein Umschalten einer Phasenspannung von einem hohen zu einem niedrigen Potenzial der betreffenden Phase oder umgekehrt, bei Erreichen des jeweils nächsten der betreffenden Phase zugeordneten Schaltwinkels in der Reihe von Schaltwinkeln erfolgt.

Entspricht die Ansteuerangabe a ^L einer Reihe von Schaltwinkeln für die mehreren Phasen, so liefert die Ansteuertabelle abhängig von einem Betriebspunkt vorzugsweise einen Vektor von Schaltwinkeln a ^L (Schaltwinkelvektor) , der Schaltwinkel für alle Phasen für eine gesamte elektrische Umdrehung des Läufers angibt. (Siehe auch JENNI, Felix; WÜST, Dieter: Steuerungsverfahren für selbstgeführte Stromrichter, vdf, Hochschulverlag an der ETH Zürich, 1995).

Der Schaltwinkelvektor kann somit 360° elektrischer Lagewinkel überdecken. Bei Nutzung einer Halbwellen-, Viertelwellen- und Phasensymmetrie kann das gesamte Ansteuermuster auch durch die Vorgabe von Schaltwinkeln in einem kleineren Winkelbereich der elektrischen Läuferlage vorgegeben werden, wobei die Ansteuermuster sich durch Spiegelungen, phasenversetztes Kopieren zu anderen Phasen und/oder Invertierungen des sich aus den Schaltwinkeln ergebenden Musters ergeben.

Das Optimierungsproblem des Optimierers kann wie folgt definiert sein: subject to T(a ^L ) — T _des = 0 a ^L e A ^L

Ziel der Optimierung ist es, die Ansteuerangabe a ^L so zu bestimmen, dass ein gewünschtes Solldrehmoment Tdes eingestellt wird und gleichzeitig die Verluste Pioss im System reduziert werden, wobei T(a ^L ) dem aktuellen von dem Schaltwinkelvektor abhängigen Moment entspricht. Auch andere Kostenfunktionen und Nebenbedingungen sind möglich. A ^L entsprechen den Systemgrenzen für die Schaltwinkel. Diese Systemgrenzen können sich durch die Reihenfolge der Schaltwinkel sowie durch minimale Abstände zwischen den Schaltvorgängen durch z.B. Schutztotzeiten ergeben.

Es werden durch das Reinforcement-Learning-Verfahren Ansteuerangaben, z. B. in Form von Raumzeigerspannungen oder Schaltwinkelvektoren, die in Ansteuersignalfolgen resultieren, vorgeschlagen und an die elektrische Maschine angelegt. Durch Ermitteln der Kosten entsprechend der vorgegebenen Kostenfunktion bei Einhalten der Nebenbedingungen, dass die bereitgestellte Ist- Drehmomentangabe T der Soll-Drehmomentangabe Tdes entspricht und dass die Systemgrenzen eingehalten werden, kann die Minimierung der Kosten iterativ vorgenommen werden und dadurch die Ansteuerangabe optimiert werden.

Die entsprechenden zu ermittelnden Ansteuerangaben können somit mithilfe eines Optimierungsverfahrens, insbesondere eines an sich bekannten Bayes'schen Optimierungsverfahrens, basierend auf einer vorgegeben Kostenfunktion für eine Vielzahl von Betriebspunkte iterativ bestimmt werden.

Dazu schlägt für die Vermessung eines jeweiligen Betriebspunkts das Optimierungsverfahren z.B. unter Anwendung einer an sich bekannten Akquisitionsfunktion jeweils eine Ansteuerangabe vor, die zur Ansteuerung der elektrischen Maschine auf dem Prüfstand angefahren wird und für die die resultierenden Kosten bestimmt werden. Beispielsweise wird als Ansteuerangabe eine Raumzeigerspannung vorgegeben, die durch die läuferlagefesten Statorspannungen angegeben ist. Das Verfahren wird iterativ ausgeführt. Durch Anwenden eines Bayes’schen Optimierungsverfahrens kann mithilfe einer Akquisitionsfunktion die Ansteuerangabe für eine nachfolgende Vermessung in geeigneter Weise geändert werden, um so die Anzahl der notwendigen Vermessungen zu minimieren. Mit den aus dieser iterativen Vorgehensweise resultierenden Datensätzen aus optimierter Ansteuerangabe und vermessenen Betriebspunkten kann eine datenbasierte Optimierungsfunktion trainiert werden. Nach Abschluss der Vermessung wird die Optimierungsfunktion ausgewertet und eine Ansteuerangabe bei minimalen Kosten bestimmt.

Es kann vorgesehen sein, dass mithilfe eines Sicherheitsfilters die mehreren Ansteuerangaben bei der Vermessung eines Betriebspunkts mithilfe einer Begrenzungsangabe begrenzt werden, wobei die Begrenzungsangabe sich aus einer modellprädiktiven Regelung basierend auf einem physikalisch motivierten Motormodell durch Minimierung eines Eingriffs des Sicherheitsfilters während eines vorgegebenen Prädiktionshorizonts unter Berücksichtigung von Systemgrenzen ergibt.

Somit kann durch den Sicherheitsfilter während des Trainingsverfahrens sichergestellt werden, dass Systemgrenzen eingehalten werden, um die elektrische Maschine vor einer Beschädigung zu schützen. Insbesondere kann gewährleistet werden, dass der Motorstrom eine Begrenzung nicht übersteigt. Grundsätzlich sieht dieser Sicherheitsfilter vor, die Begrenzung einer auszugebenden Phasenspannung und eines maximal zulässigen Phasenstroms bzw. Motorstroms einzuhalten.

Der Sicherheitsfilter kann als modellprädiktive Regelungsmethode implementiert sein und während der iterativen Ausführung des Optimierungsverfahrens und der entsprechenden Vermessung der elektrischen Maschine auf dem Prüfstand angewendet werden. Dabei wird während des Vermessens einer Betriebspunkts mit einer Ansteuerangabe in jedem Zeitschrift der Ansteuerung der elektrischen Maschine ein Optimierungsproblem gelöst wie folgt:

Diese Vorgabe für eine modellprädiktive Regelung gilt für die Erstellung einer Ansteuertabelle mit einer Raumzeigerspannung (in Form von Statorspannungs- Komponenten Ud, U _q ) als Ansteuerangabe, u entspricht dabei der durch das Sicherheitsfilter angepasste Raumzeigerspannung zum Zeitpunkt t, wobei die Spannungseingänge u für t e {0, ... , N - 1} Optimierungsvariablen im Optimierungsproblem sind. W _t entsprechen vorgegebenen Gewichten auf die Abweichung zwischen vom Optimierungsalgorithmus vorgeschlagenen Raumzeigespannungen und den Optimierungsvariablen u . Die Gewichte werden empirisch vorgegeben und können verwendet werden, um das Verhalten des Sicherheitsfilters zu beeinflussen. N entspricht dem Prädiktionshorizont der modellprädiktiven Regelung. A, B _t , f beschreiben das Motormodell der elektrischen Maschine als Differentialgleichungsmodell. Die Systemgrenzen werden als I, d.h. Beschränkungen auf den Motorstrom, als U ^s Beschränkungen auf den Spannungseingang und als I _f Beschränkungen auf den letzten prädizierten Stromwert angegeben. Dieser garantiert, dass das Optimierungsproblem auch im nächsten Zeitschrift eine Lösung besitzt.

Für die Erstellung einer Ansteuertabelle mit einer läuferlagesynchronen Ansteuerangabe in Form eines Schaltwinkelvektors a ^L gilt entsprechend:

Diese Vorgabe für eine modellprädiktive Regelung gilt für die Erstellung einer Ansteuertabelle mit einem Schaltwinkelvektor a ^s als Ansteuerangabe, a entspricht dabei der durch das Sicherheitsfilter angepasste Schaltwinkelvektor zum Zeitpunkt t, wobei die Schaltwinkel a;? für t e {0, ... , N - 1} Optimierungsvariablen im Optimierungsproblem sind. W _t entsprechen vorgegebenen Gewichten auf die Abweichung zwischen vom Optimierungsalgorithmus vorgeschlagenen Schaltwinkel und den Optimierungsvariablen a . Die Gewichte W _t werden empirisch vorgegeben und können verwendet werden, um das Verhalten des Sicherheitsfilters zu beeinflussen. N entspricht dem Prädiktionshorizont der modellprädiktiven Regelung. A, B _t , f beschreiben das Motormodell der elektrischen Maschine als Differentialgleichungsmodell, wobei B _t , f .abhängig von dem Läuferlagewinkel sind. Die Systemgrenzen werden als I, d.h. Beschränkungen auf den Motorstrom, als A ⁵ Beschränkungen auf die Schaltwinkel und als I _f Beschränkungen auf den letzten prädizierten Stromwert angegeben. Dieser garantiert, dass das Optimierungsproblem auch im nächsten Zeitschrift eine Lösung besitzt.

Die Anpassung des Schaltwinkelvektors a ^L durch die Begrenzungsangabe als ein sicherer Schaltwinkelvektor a ^s , den man durch Lösen des Optimierungsproblems erhält, wird durch den Sicherheitsfilter realisiert. Das Optimierungsproblem des Sicherheitsfilters wird zu jedem Zeitschrift der Ansteuerung gelöst.

Bei dem Durchführen des Optimierungsverfahrens zum Erstellen der Ansteuertabelle kann die Kostenfunktion ebenfalls durch Addition eines Kostenwerts berücksichtigen, wenn die Ansteuerangabe durch die Begrenzungsangabe begrenzt wird. Dabei ist Ziel, die vorgeschlagenen Ansteuerangaben, die sich aus dem Optimierungsalgorithmus ergeben, zu übernehmen, wenn diese nicht zu einem Verletzen einer Systemgrenze führen. Auch andere Möglichkeiten, den Sicherheitsfilter auszubilden, können angewendet werden, wenn die vorgegebenen Systemgrößen eingehalten werden.

Das obige Verfahren ermöglicht in einfacher Weise eine Ansteuerung einer elektrischen Maschine mit einer Ansteuertabelle bereitzustellen, die einfach implementierbar ist und eine höhere Zahl an Freiheitsgraden für die Ansteuerung bereitstellt.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Ansteuern einer elektrischen Maschine mithilfe einer Ansteuertabelle vorgesehen, die mithilfe eines der obigen Verfahren ermittelt wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Steuerungssystems für die Steuerung einer elektronisch kommutierten elektrischen Maschine; Figur 2 ein Prüfstand zum Erlernen eines Ansteuerungsschemas zum

Betreiben der elektrischen Maschine der Figur 1 ; und

Figur 3 Verläufe von Phasenspannungen und einer

Sternpunktspannung abhängig von einem Läuferlagewinkel gemäß einem durch einen Schaltwinkelvektor vorgegebenen Ansteuermuster.

Beschreibung von Ausführungsformen

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motorsystems 1 zum Betreiben einer elektrischen Maschine 2. Die elektrische Maschine 2 ist vorzugsweise als elektronisch kommutierte elektrische Maschine, insbesondere als Synchronmotor, ausgebildet. Die elektrische Maschine 2 weist einen Stator mit über Phasensträngen anzusteuernde Statorspulen und einen dazu drehbeweglichen Läufer, der mit Permanentmagneten versehen ist, auf. Der Synchronmotor weist mehrere Phasen auf und wird durch Vorgabe von Phasenspannungen U _a ,b,c für die Phasenstränge über eine Treiberschaltung 3 angesteuert. Die Treiberschaltung 3 weist für jede Phase beispielsweise eine Inverterschaltung auf, über die die jeweilige Phase der elektrischen Maschine 2 mit einem hohen oder einem niedrigen Versorgungspotenzial VH, VL verbunden werden kann. Die Inverterschaltung weist dazu jeweils Halbleiterschalter auf, die abhängig von Ansteuersignalen A leitend oder nichtleitend geschaltet werden können.

Es ist ein Modulationsblock 4 vorgesehen, der ein Ansteuerungsmuster aus mehreren Ansteuersignalen A zur Ansteuerung der einzelnen Halbleiterschalter der Treiberschaltung 3 bereitstellt, so dass sich resultierende Phasenspannungen an den Phasen der elektrischen Maschine 2 ergeben. Dem Modulationsblock 4 wird ein zu stellender Raumzeiger vorgegeben, der eine Raumzeigerspannung bezogen auf ein läuferfestes Koordinatensystem angibt. Die Raumzeigerspannung U ^L wird üblicherweise durch die Statorspannungskomponenten Ud und U _q angegeben, die eine Komponente 90° voreilend zum Erregermagnetfeld des Läufers bzw. eine Komponente in Richtung des Erregermagnetfelds angeben, die durch die Statorwicklung bereitgestellt werden soll. Die Raumzeigerspannung u ^L wird in der Regel in einer Steuereinheit 5 als Stellgröße entsprechend einem Betriebspunkt der elektrischen Maschine 2 und einer Drehmomentenvorgabe Tdes generiert.

Der Betriebspunkt der elektrischen Maschine 2 wird mithilfe von Zustandsgrößen bestimmt, die eine Drehzahlangabe und eine Ist-Drehmomentenangabe umfassen können. Die Ist-Drehmomentenangabe kann einem momentanen Motorstrom, momentanen Phasenströmen oder einem tatsächlichen Ist-Drehmoment T der elektrischen Maschine 2 entsprechen. Das Soll-Drehmoment Tdes, das als Vorgabe dem Motorsystem 1 bereitgestellt wird, kann von einer übergeordneten Regelung, wie beispielsweise einer Position- oder Drehzahlregelung, vorgegeben werden oder von extern vorgegeben werden.

Die Regelung der elektrischen Maschine 2 soll abhängig von einer Ansteuertabelle erfolgen. Die Ansteuertabelle kann so ausgebildet sein, dass diese betriebspunktabhängig eine Ansteuerangabe in Form einer Raumzeigerspannung u ^L mit den Teilspannungen Ud und U _q ausgibt. Die Ansteuerangabe wird entsprechend der Ansteuertabelle abhängig von einer Ist-Drehmomentenangabe, und der Drehzahl sowie gegebenenfalls von weiteren Zustandsgrößen, wie beispielsweise einer Statortemperatur und/oder Rotortemperatur, betrieben. Die Drehzahl und die Ist-Drehmomentenangabe können durch geeignete Sensoren 6 an der elektrischen Maschine erfasst werden. Weiterhin kann auch die Läuferlage (p als eine mögliche Zustandsgröße sensorisch oder mithilfe sensorloser Verfahren bestimmt werden.

Mithilfe der Ansteuertabelle kann so abhängig von den Zustandsgrößen, die den Betriebspunkt definieren, eine entsprechende Raumzeigerspannung u ^L in Form der Statorspannungskomponenten U _q , Ud vorgegeben werden. Die Statorspannungskomponenten U _q , Ud werden mithilfe der Läuferlage cp in Phasenspannungen Ua,b,c umgerechnet und diese mithilfe des in dem Modulationsblock 4 implementierten Modulationsverfahren in Ansteuersignale A für die einzelnen Phasen der elektrischen Maschine 2 umgesetzt.

Die Ansteuertabelle wird mithilfe eines Optimierungsverfahrens auf einem Prüfstand für ein Motorsystem 1 mit einer individuellen elektrischen Maschine 2 ermittelt. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines solchen Prüfstandes 10, wobei ein Optimierungsverfahren in einer Steuerungsvorrichtung 11 des Prüfstandes implementiert ist. Der Prüfstand 10 umfasst weiterhin die zu vermessende elektrische Maschine 2, eine Treiberschaltung 3 und einen Modulationsblock 4, der ein Ansteuermuster als Pulsfolge an die Treiberschaltung 3, wie oben beschrieben, anlegt.

Die Steuerungsvorrichtung 11 dient dazu, eine Ansteuertabelle durch Vermessen der elektrischen Maschine 2 zu generieren. Die Ansteuertabelle soll anschließend in der Steuereinheit 5 zur Realisierung einer Motorsteuerung implementiert werden. Die Raumzeigerspannung ist läuferfest vorgegeben und variiert entsprechend nicht mit der Bewegung des Läufers sondern lediglich abhängig von dem läuferlageunabhängigen Betriebspunkt.

Die Ansteuertabelle wird mithilfe eines Optimierungsverfahrens, beispielsweise eines Reinforcement-Learnings, basierend auf einer Bayes'schen Optimierung, oder mithilfe eines Blackbox-Bayes-Optimierers erstellt. Das Optimierungsproblem basiert auf einer Kostenfunktion, die vorzugsweise die Leistungsverluste P _Lo ss in der elektrischen Maschine 2 minimiert und für einen Betriebspunkt (n, T) der elektrischen Maschine 2 iterativ einen entsprechenden Raumspannungszeiger u ^L vorgibt. Auch andere Kostenfunktionen sind möglich. Das Optimierungsproblem kann wie folgt vorgegeben werden: subject to T(U ^L ) — T _des = 0 u ^L e U ^L

Ziel der Optimierung ist es, die optimierte Ansteuerangabe in Form des Raumspannungszeigers u ^L so zu bestimmen, dass ein gewünschtes Solldrehmoment Tdes eingestellt wird und gleichzeitig die Verluste Pi _oss im System reduziert werden. U ^L entspricht den Systemgrenzen für die bereitstellbaren Spannungen, wobei Pi _oss der Verlustleistung und u ^L der auszugebenden Raumzeigerspannung entsprechen und die Nebenbedingungen angeben, dass die Differenz zwischen dem Ist-Drehmoment T und dem Soll-Drehmoment Tdes null ist und die Raumzeigerspannung u ^L innerhalb einer bestimmten Spannungsbereichs liegt, beispielsweise dass die Raumzeigerspannung u ^L nicht größer sein kann als die Versorgungsspannung. Alternative Kostenfunktionen können ebenfalls angenommen werden. Das Optimierungsverfahren wird in einem Optimierungsblock 12 durchgeführt und führt eine Reihe von Vermessungen für eine Vielzahl von Betriebspunkten durch, für die ein Eintrag in der Ansteuertabelle erstellt werden soll. Für jede Vermessung wird eine Raumzeigerspannung u ^L bereitgestellt.

Auf dem Prüfstand 10 ist ein Sicherheitsfilter 13 implementiert, der sicherstellt, dass die während des Optimierungsverfahrens angenommenen Raumzeigerspannungen u ^L nicht zu einer Schädigung der elektrischen Maschine 2 führen können. Somit wird die Vermessung mit einer begrenzten Raumzeigerspannung u ^s durchgeführt, wenn die Schutzfunktion des Sicherheitsfilters 13 eingreift. Allgemein gewährleistet der Sicherheitsfilter 13, dass die Systemgrenzen eingehalten werden, d. h. dass der Phasenstrom bzw. der Motorstrom nicht einen vorgegebenen Stromgrenzwert übersteigt. Der Sicherheitsfilter 13 kann in verschiedener Weise ausgebildet sein und durch einfaches Begrenzen der Stellgröße sicherstellen, dass Systemgrenzen nicht überschritten werden.

Allgemein hat der Sicherheitsfilter 13 das Ziel, während einer Vermessung die vorgeschlagenen Ansteuerangaben, die sich aus dem Optimierungsalgorithmus ergeben, zu übernehmen, wenn diese nicht zu einem Verletzen einer Systemgrenze führen. Auch andere Möglichkeiten, den Sicherheitsfilter auszubilden, können angewendet werden, wenn die vorgegebenen Systemgrößen eingehalten werden.

Es ist vorteilhaft, den Sicherheitsfilter 13 basierend auf einer modellprädiktiven Regelung zu implementieren, der während der iterativen Ausführung des Optimierungsverfahrens und der entsprechenden Vermessung der elektrischen Maschine 2 auf dem Prüfstand 10 angewendet wird. Dabei wird bei einer Vermessung der elektrischen Maschine 2 für einen Betriebspunkt und bei einer zu testenden Raumzeigerspannungen u ^L in jedem Zeitschrift das folgende Optimierungsproblem gelöst:

Diese Vorgabe für eine modellprädiktive Regelung gilt für die Erstellung einer Ansteuertabelle mit einer Raumzeigerspannung u ^L (in Form von Statorspannungs- Komponenten Ud, U _q ) als Ansteuerangabe, u entspricht dabei der durch das Sicherheitsfilter angepasste Raumzeigerspannung zum Zeitpunkt t, wobei die Spannungseingänge 11 mit t e {0, ... , N - 1} Begrenzungsspannungen als Optimierungsvariablen im Optimierungsproblem sind. W _t entsprechen empirisch vorgegebenen Gewichten auf die Abweichung zwischen vom Optimierungsalgorithmus vorgeschlagenen Raumzeigespannungen und den Optimierungsvariablen u . N entspricht dem Prädiktionshorizont der modellprädiktiven Regelung als Anzahl von Zeitschriften. A, B _t , f beschreiben das Motormodell der elektrischen Maschine als Differentialgleichungsmodell. Die Systemgrenzen werden als I, d.h. Beschränkungen auf den Motorstrom, als U ^s Beschränkungen auf den Spannungseingang und als I _f Beschränkungen auf den letzten prädizierten Stromwert angegeben. Dieser garantiert, dass das Optimierungsproblem auch im nächsten Zeitschrift eine Lösung besitzt.

Weiterhin sind Beschränkungen auf den Motorstrom und die anzulegenden Phasenspannungen angegeben. Durch Minimieren der gewichteten Abstände zwischen der vom Optimierungsalgorithmus vorgegebenen Raumzeigerspannung u ^L und der Begrenzungsspannung u ^s über einen vorgegebenen Prädiktionshorizont kann die Begrenzungsspannung angegeben werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine Begrenzungsspannung, die die Raumzeigerspannung tatsächlich begrenzt, in der Kostenfunktion für den Optimierungsalgorithmus berücksichtigt wird. Durch eine aktive Begrenzung können die Kosten entsprechend der Kostenfunktion entsprechend um einen vorgegebenen Betrag erhöht werden. In einer alternativen Ausführungsform kann, wie ebenfalls in Figur 1 dargestellt, das Motorsystem 1 direkt ein läuferlagesynchrones Ansteuermuster zur Ansteuerung der Treiberschaltung 3 abhängig von einer Drehzahl n und einer Ist- Drehmomentenangabe T, und ggfs. anderen Zustandsgrößen, wie beispielsweise einer Statortemperatur und dergleichen, vorgegeben werden. Die Ansteuersignale A des Ansteuermusters werden dabei direkt abhängig von einem Schaltwinkelvektor o ^L und von einer Läuferlage (Läuferlagewinkel cp) in dem Modulationsblock 4 erzeugt.

Das Ansteuermuster umfasst dabei einen Schaltwinkelvektor einer Abfolge von Schaltwinkeln o ^L für jede Phase, zu denen das Potential an der betreffenden Phase umgeschaltet wird.

Insbesondere wird die Ansteuerangabe so definiert, dass der Schaltwinkelvektor a ^L aus Umschaltwinkeln vorgegeben wird, zu dem eine Umschaltung des Potentials an einer jeweils zugeordneten Phase erfolgt. Mit anderen Worten, eine Umschaltung des Versorgungspotentials erfolgt immer bei Erreichen eines nächsten Schaltwinkels durch den Läuferlagewinkel cp. Auf diese Weise ergeben sich die Ansteuersignale aus der Bewegung des Läufers und sind in ihrer Frequenz durch die Drehzahl des Läufers gesteuert. Die Ansteuerangabe entspricht dem Schaltwinkelvektor o ^L zur Erzeugung des Ansteuermusters.

In Figur 3 ist beispielhaft für einen beispielhaften Schaltwinkelvektor o ^L =[oi ,o, Oi,i , ai,2 , ai,3 , c(2,o, 02,1 , 02,2 , 02,3 03,o, 03,1 , 03,2 , Os, 3] ^T ein Ansteuermuster dargestellt. Grundsätzlich kann der Schaltwinkelvektor Schaltwinkel (zweiter Indexwert) für jede Phase (erster Indexwert) im Bereich zwischen 0 und 360° Läuferlagewinkel vorgeben. Das dargestellte Ansteuermuster ergibt sich jedoch durch Vorgabe von Schaltwinkeln für jede Phase für einen Bereich des elektrischen Läuferlagewinkels von 0-90° und durch Anwendung einer Halbwellen- und Viertelwellensymmetrie durch entsprechende Spiegelung und/oder Invertierung des durch den Schaltwinkelvektors o ^L vorgegebenen Ansteuermusters. Das resultierende Sternpunktpotenzial ist als Ustar dargestellt.

Zur Ermittlung des Schaltwinkelvektors [o ^L i, o ^L 2 ... O ^L NL ] ^T (N ^L ist die Anzahl von durch das Optimierungsverfahren ermittelten Schaltwinkeln für alle Phasen, die fest vorgegeben sein kann oder durch das Optimierungsverfahren als Optimierungsvariable bestimmt werden kann), der für eine gesamte elektrische Umdrehung des Läufers die Schaltwinkel vorgibt, auf dem Prüfstand kann wie zuvor beschrieben ein Reinforcement-Learning oder ein Blackbox-Bayes- Optimierer verwendet werden. Das Optimierungsverfahren erfolgt entsprechend folgender Formel: subject to r(a ^L ) — T _des = 0 a ^L E A ^L wobei die Schaltwinkel a ^L i, a ^L 2 ... Q ^L NL gemäß dem Optimierungsverfahren so gewählt werden, dass die Kosten der obigen Kostenfunktion entsprechend minimiert werden. Der Optimierer schlägt beispielsweise Schaltwinkel [a ^L i, a ^L 2 ... a ^L NL ] ^T über eine elektrische Umdrehung oder , bei Nutzung einer Halbwellen- und Viertelwellensymmetrie, einen Teilbereich einer gesamten elektrischen Umdrehung vor.

Beim Vermessen werden die vorgeschlagenen Schaltwinkel wie zuvor durch das Sicherheitsfilter 13 überprüft und ggf. angepasst auf die Strecke gegeben, wobei mithilfe einer modellprädiktiven Regelung sichere Schaltwinkel [a ^s i, a ^S 2 ... a ^s NL ] ^T ermittelt werden können, entsprechend folgender Formel:

Diese Vorgabe für eine modellprädiktive Regelung gilt für die Erstellung einer Ansteuertabelle mit einem Schaltwinkelvektor a ^s als Ansteuerangabe. a entspricht dabei der durch das Sicherheitsfilter angepasste Schaltwinkelvektor zum Zeitpunkt t, wobei die Schaltwinkel a;? für t e {0, ... , N - 1} Optimierungsvariablen im Optimierungsproblem sind. W _t entsprechen vorgegebenen Gewichten auf die Abweichung zwischen vom Optimierungsalgorithmus vorgeschlagenen Schaltwinkel und den Optimierungsvariablen a . Die Gewichte W _t werden empirisch vorgegeben und können verwendet werden, um das Verhalten des Sicherheitsfilters zu beeinflussen. N entspricht dem Prädiktionshorizont der modellprädiktiven Regelung. A, B _t , f beschreiben das Motormodell der elektrischen Maschine als Differentialgleichungsmodell, wobei B _t , f .abhängig von dem Läuferlagewinkel sind. Die Systemgrenzen werden als I, d.h. Beschränkungen auf den Motorstrom, als A ⁵ Beschränkungen auf die Schaltwinkel und als I _f Beschränkungen auf den letzten prädizierten Stromwert angegeben. Dieser garantiert, dass das Optimierungsproblem auch im nächsten Zeitschrift eine Lösung besitzt.

Die Filterung erfolgt nun so, dass ein Schalten nur dann erfolgt, wenn dies durch den Begrenzungsschaltwinkel a ^s (Begrenzungsangabe) zugelassen ist. Die jeweiligen Begrenzungsschaltwinkel a ^s begrenzen dabei jeweils den Schaltwinkel a ^L . D.h. für jeden Schaltwinkel wird ein entsprechender Begrenzungsschaltwinkel generiert, der ggfs. zur Begrenzung des Schaltwinkels verwendet werden kann. Das Sicherheitsfilter 13 passt also die Schaltwinkel a ^L des Schaltwinkelvektors a ^L an und der sichere Schaltwinkelvektor a ^s wird an den Modulationsblock 3 gesendet. Die Anwendung des durch a ^s definierten Ansteuermusters hält die Systemgrenzen ein, was durch das obige Optimierungsproblem garantiert wird.

Für die Erstellung einer Ansteuertabelle mit einem läuferlagesynchronen Pulsmuster in Form eines Schaltwinkelvektors a ^L als Ansteuerangabe gilt entsprechend:

Die Begrenzung des Schaltwinkelvektors a ^L durch die optimierten Begrenzungsschaltwinkel a ^s , die man durch Lösen des obigen Optimierungsproblems erhält, wird durch den Sicherheitsfilter 13 realisiert. Das Optimierungsproblem des Sicherheitsfilters 13 wird zu jedem Zeitschrift der Ansteuerung während einer Vermessung gelöst.

Für alle Ausführungsformen kann bei dem Durchführen des Optimierungsverfahrens zum Erstellen der Ansteuertabelle die Kostenfunktion ebenfalls einen kostenerhöhenden Kostenwert berücksichtigen, wenn während der Vermessung eines Betriebspunkts die Ansteuerangabe durch die Begrenzungsangabe begrenzt wird, d.h. die Raumzeigerspannung durch die Begrenzungsspannung oder ein Schaltwinkel durch einen Begrenzungsschaltwinkel modifiziert wird.