DE-102012018819-B4 - Verfahren zum Betreiben eines Umrichters zur Speisung einer Elektromaschine und Elektromaschine

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Umrichters zur Speisung einer Elektromaschine und Elektromaschine, wobei der Motorstrom erfasst wird und aus den erfassten Werten ein Istwert des Motorstromraumzeigers gebildet wird, wobei ein Stromregler die Elektromaschine mit einem derartigen Spannungsraumzeiger speist, dass der Istwert des Motorstromraumzeigers auf einen Sollwert des Motorstromraumzeigers hingeregelt wird, wobei der Sollwert des Motorstromraumzeigers einen flussbildenden Stromanteil und einen momentbildenden Stromanteil aufweist, insbesondere aus diesen beiden Stromanteilen zusammensetzbar ist, wobei ein Drehmomentsollwert vorgegeben wird, wobei aus dem Drehmomentsollwert der Sollwert des flussbildenden Stromanteils derart bestimmt wird, dass der Betrag des Statorstromraumzeigers bei diesem Drehmomentsollwert, insbesondere bezüglich des flussbildenden Stromanteils und des momentbildenden Stromanteil, minimal ist, und der Sollwert des flussbildenden Stromanteils, - insbesondere wenn die Spannungsstellgrenze erreicht wird - , nachfolgend korrigiert wird mittels eines Feldschwächreglers, insbesondere zur Einhaltung der Spannungsstellgrenze, insbesondere wobei der auf diese Weise korrigierte Sollwert des flussbildenden Stromanteils dem Stromregler als Sollwert zugeführt wird, wobei zu dem so korrigierten Sollwert des flussbildenden Stromanteils ein derartiger Sollwert des momentbildenden Stromanteils bestimmt wird, dass das aus diesen Stromanteilen bestimmbare und/oder zu diesen Stromanteilen zugehörige Drehmoment dem Drehmomentsollwert gleicht, insbesondere wobei der auf diese Weise bestimmte Sollwert des momentbildenden Stromanteils dem Stromregler als Sollwert zugeführt wird.

Inventors

• Matthias Hartmann
• Volkmar Reinhardt
• David Schiebol

Assignees

• SEW-EURODRIVE GMBH & CO KG

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20120925

Priority Date

20120816

Claims (11)

1. Verfahren zum Betreiben eines Umrichters zur Speisung einer Elektromaschine, wobei der Motorstrom erfasst wird und aus den erfassten Werten ein Istwert des Motorstromraumzeigers gebildet wird, wobei ein Stromregler (3) die Elektromaschine mit einem derartigen Spannungsraumzeiger speist, dass der Istwert des Motorstromraumzeigers auf einen Sollwert des Motorstromraumzeigers hingeregelt wird, wobei der Sollwert des Motorstromraumzeigers einen flussbildenden Stromanteil und einen momentbildenden Stromanteil aufweist aus diesen beiden Stromanteilen zusammensetzbar ist, wobei ein Drehmomentsollwert vorgegeben wird, dadurch gekennzeichnet , dass aus dem Drehmomentsollwert der Sollwert des flussbildenden Stromanteils derart bestimmt wird, dass der Betrag des Statorstromraumzeigers bei diesem Drehmomentsollwert bezüglich des flussbildenden Stromanteils und des momentbildenden Stromanteil minimal ist und der Sollwert des flussbildenden Stromanteils, - wenn die Spannungsstellgrenze erreicht wird - , nachfolgend additiv korrigiert wird durch Summation eines von einem Feldschwächregler (4) ausgangsseitig zur Verfügung gestellten Stromwerts I d F S W * , zur Einhaltung der Spannungsstellgrenze, wobei der auf diese Weise korrigierte Sollwert des flussbildenden Stromanteils dem Stromregler (3) als Sollwert zugeführt wird, wobei zu dem so korrigierten Sollwert des flussbildenden Stromanteils ein derartiger Sollwert des momentbildenden Stromanteils bestimmt wird, dass das aus diesen Stromanteilen bestimmbare und/oder zu diesen Stromanteilen zugehörige Drehmoment dem Drehmomentsollwert gleicht, wobei der auf diese Weise bestimmte Sollwert des momentbildenden Stromanteils dem Stromregler (3) als Sollwert zugeführt wird, wobei der Sollwert des momentbildenden Stromanteils bestimmt wird aus dem korrigierten Sollwert des flussbildenden Stromanteils und aus dem durch einen Beobachter (10) bestimmten Statorflussraumzeiger, wobei - entweder dem Beobachter (10) erfasste Werte des Motorstroms und/oder der Motorspannung zugeführt werden - oder dem Beobachter (10) mit einem Magnetfluss-detektierenden Sensor die erfassten Werte der Komponenten des Statorflusses zugeführt werden.
2. Verfahren zum Betreiben eines Umrichters zur Speisung einer Elektromaschine, wobei der Motorstrom erfasst wird und aus den erfassten Werten ein Istwert des Motorstromraumzeigers gebildet wird, wobei ein Stromregler (3) die Elektromaschine mit einem derartigen Spannungsraumzeiger speist, dass der Istwert des Motorstromraumzeigers auf einen Sollwert des Motorstromraumzeigers hingeregelt wird, wobei der Sollwert des Motorstromraumzeigers einen flussbildenden Stromanteil und einen momentbildenden Stromanteil aufweist, aus diesen beiden Stromanteilen zusammensetzbar ist, wobei ein Drehmomentsollwert vorgegeben wird, dadurch gekennzeichnet , dass aus dem Drehmomentsollwert und der aktuellen Drehzahl des Elektromotors der optimale Sollwert des flussbildenden Stromanteils derart bestimmt wird, dass die Summe der Gesamtverluste, bestehend aus elektrischen Verlusten und Eisenverluste, bei diesem Drehmomentsollwert und der aktuellen Drehzahl der Maschine bezüglich des flussbildenden Stromanteils und des momentbildenden Stromanteil minimal sind und der Sollwert des flussbildenden Stromanteils, - wenn die Spannungsstellgrenze erreicht wird - , nachfolgend additiv korrigiert wird durch Summation eines von einem Feldschwächregler (4) ausgangsseitig zur Verfügung gestellten Stromwerts I d F S W * , zur Einhaltung der Spannungsstellgrenze, wobei der auf diese Weise korrigierte Sollwert des flussbildenden Stromanteils dem Stromregler (3) als Sollwert zugeführt wird, wobei zu dem so korrigierten Sollwert des flussbildenden Stromanteils ein derartiger Sollwert des momentbildenden Stromanteils bestimmt wird, dass das aus diesen Stromanteilen bestimmbare und/oder zu diesen Stromanteilen zugehörige Drehmoment dem Drehmomentsollwert gleicht, wobei der auf diese Weise bestimmte Sollwert des momentbildenden Stromanteils ebenfalls optimal dem Stromregler (3) als Sollwert zugeführt wird, wobei der Sollwert des momentbildenden Stromanteils bestimmt wird aus dem korrigierten Sollwert des flussbildenden Stromanteils und aus dem durch einen Beobachter (10) bestimmten Statorflussraumzeiger, wobei - entweder dem Beobachter (10) erfasste Werte des Motorstroms und/oder der Motorspannung zugeführt werden - oder dem Beobachter (10) mit einem Magnetfluss-detektierenden Sensor die erfassten Werte der Komponenten des Statorflusses zugeführt werden.
3. Verfahren zum Betreiben eines Umrichters zur Speisung einer Elektromaschine, wobei der Motorstrom erfasst wird und aus den erfassten Werten ein Istwert des Motorstromraumzeigers gebildet wird, wobei ein Stromregler (3) die Elektromaschine mit einem derartigen Spannungsraumzeiger speist, dass der Istwert des Motorstromraumzeigers auf einen Sollwert des Motorstromraumzeigers hingeregelt wird, wobei der Sollwert des Motorstromraumzeigers einen flussbildenden Stromanteil und einen momentbildenden Stromanteil aufweist, aus diesen beiden Stromanteilen zusammensetzbar ist, wobei ein Drehmomentsollwert vorgegeben wird, dadurch gekennzeichnet , dass aus dem Drehmomentsollwert der Sollwert des flussbildenden Stromanteils bestimmt wird gemäß eines ersten funktionalen Zusammenhangs und, - wenn die Spannungsstellgrenze erreicht wird - , nachfolgend additiv korrigiert wird durch Summation eines von einem Feldschwächregler (4) ausgangsseitig zur Verfügung gestellten Stromwerts I d F S W * , wobei der auf diese Weise korrigierte Sollwert des flussbildenden Stromanteils dem Stromregler (3) als Sollwert zugeführt wird, wobei aus dem so korrigierten Sollwert des flussbildenden Stromanteils und aus dem Drehmomentsollwert der Sollwert des momentbildenden Stromanteils bestimmt wird gemäß eines zweiten funktionalen Zusammenhangs, wobei der auf diese Weise bestimmte Sollwert des momentbildenden Stromanteils dem Stromregler (3) als Sollwert zugeführt wird, wobei das Minimum des Statorstroms, welcher als Funktion des Drehmoments und des vom momentbildenden und flussbildenden Stromanteil abhängigen Flusses darstellbar ist, abhängig vom vorgegebenen Drehmoment bestimmt wird und daraus als erster funktionaler Zusammenhang die Abhängigkeit des flussbildenden Stromanteils vom Drehmoment verwendet wird, wobei aus dem aus Statorflussraumzeiger und Stromraumzeiger bestimmbaren Drehmoment als zweiter funktionaler Zusammenhang die Abhängigkeit des momentbildenden Stromanteils vom Drehmoment bei vorhandenem flussbildenden Stromanteil bestimmt wird, wobei der Sollwert des momentbildenden Stromanteils bestimmt wird aus dem korrigierten Sollwert des flussbildenden Stromanteils und aus dem durch einen Beobachter (10) bestimmten Statorflussraumzeiger, wobei - entweder dem Beobachter (10) erfasste Werte des Motorstroms und/oder der Motorspannung zugeführt werden - oder dem Beobachter (10) mit einem Magnetfluss-detektierenden Sensor die erfassten Werte der Komponenten des Statorflusses zugeführt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 , 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet , dass die Elektromaschine eine in Umfangsrichtung anisotrope Statorinduktivität aufweist und/oder dass Dauermagnete im Blechpaket des Rotors der Elektromaschine vergraben angeordnet sind und/oder Dauermagnete radial weiter innen als der Außendurchmesser des Rotors angeordnet sind.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass eine den ersten funktionalen Zusammenhang diskretisiert darstellende Tabelle in einem Speicher hinterlegt wird und der jeweilige funktionale Zusammenhang mittels Interpolation der Tabellenwerte bestimmt wird, insbesondere wobei die Tabelle offline bestimmt wurde, insbesondere vor Inbetriebnahme, und/oder dass eine den zweiten funktionalen Zusammenhang diskretisiert darstellende Tabelle in einem Speicher hinterlegt wird und der jeweilige funktionale Zusammenhang mittels Interpolation der Tabellenwerte bestimmt wird, insbesondere wobei die Tabelle offline bestimmt wurde, insbesondere vor Inbetriebnahme.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass dem Feldschwächregler (4) der Betrag des vom Stromregler (3) bestimmten Spannungsraumzeigers zugeführt wird und die Abweichung des Betrags von einer vorgegebenen Spannungsstellgrenze, insbesondere vom um einen vorgegebenen Faktor verminderten Zwischenkreisspanungswert, bestimmt wird, wobei der Feldschwächregler (4), insbesondere ein linearer Regler, wie Pl-Regler oder dergleichen, aus der Abweichung den Korrekturwert bestimmt, um den der Sollwert des flussbildenden Stromanteils korrigiert wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass zur Bestimmung des zweiten funktionalen Zusammenhangs der Statorflussraumzeiger als Funktion, insbesondere Integralfunktion, des momentbildenden und flussbildenden Stromanteils dargestellt wird und numerisch nach dem momentbildenden Stromanteil aufgelöst wird, oder dass zur Bestimmung des zweiten funktionalen Zusammenhangs ein Beobachter (10) den Statorflussraumzeiger bestimmt, insbesondere wobei - entweder dem Beobachter (10) erfasste Werte des Motorstroms und/oder der Motorspannung zugeführt werden - oder dem Beobachter (10) mit einem Magnetfluss-detektierenden Sensor die erfassten Werte der Komponenten des Statorflusses zugeführt werden.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass aus der zur Bestimmung des Drehmoments aus Statorflussraumzeiger und Stromraumzeiger geltenden Abhängigkeit M = m 2 ⋅ Z P ⋅ ( ψ s _ × I s _ ) die insbesondere als zweiter funktionaler Zusammenhang verwendete Abhängigkeit des momentbildenden Stromanteils von dem Drehmomentsollwert bei vorgegebenem flussbildenden Stromanteil bestimmt wird, wobei M Drehmoment, insbesondere inneres Moment, Z P Polpaarzahl der Synchronmaschine, Ψ S Statorflussraumzeiger und I S Statorstromraumzeiger m Strangzahl ist.
9. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der Drehmomentsollwert aus einem Drehmoment-Vorgabewert bestimmt wird, welcher zur Einhaltung der Spannungsstellgrenze und zur Einhaltung der Stromgrenze begrenzt wird, insbesondere wobei zur Einhaltung der Stromgrenze der Drehmoment-Vorgabewert auf einen ersten Begrenzungswert begrenzt wird, der demjenigen Drehmomentmaximum entspricht, welches beim maximal zulässigen Statorstrombetrag erzeugbar ist, insbesondere wobei das Drehmomentmaximum als Lösung eines Optimierungsproblems bestimmt wird, bei dem der Statorstrombetrag den maximal zulässigen Wert I L i m = | I S max → | erreicht, insbesondere wobei zur Einhaltung der Spannungsstellgrenze der Drehmoment-Vorgabewert auf einen zweiten Begrenzungswert begrenzt wird, der demjenigen Drehmomentmaximum entspricht, welches beim maximal zulässigen Statorflussbetrag erzeugbar ist, wobei der maximal zulässige Statorflussbetrag aus dem Zwischenkreisspannungswert und der Drehzahl ermittelt wird, insbesondere wobei das Drehmomentmaximum als Lösung eines Optimierungsproblems bestimmt wird, bei dem der Statorflussbetrag den maximal zulässigen Wert Ψ Lim erreicht, wobei I Lim der maximal zulässige Ausgangsstrom des Umrichters und/oder der maximal zulässige Statorstrom des Motors ist, wobei Ψ Lim vorgegeben wird, wobei | I S max → | der maximal zulässig Statorstrombetrag ist.
10. Elektromaschine zur Durchführung eines Verfahrens nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Elektromaschine eine in Umfangsrichtung anisotrope Statorinduktivität aufweist und/oder dass Dauermagnete im Blechpaket des Rotors der Elektromaschine vergraben angeordnet sind und/oder Dauermagnete radial weiter innen als der Außendurchmesser des Rotors angeordnet sind.
11. Elektromaschine nach Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet , dass die Elektromaschine ein IPMSM ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Umrichters zur Speisung einer Elektromaschine und eine Elektromaschine. Es ist allgemein bekannt, dass eine Elektromaschine, wie IPMSM, also Interior Permanent Magnetic Synchronous Motor, eine in Umfangsrichtung anisotrope Statorinduktivität aufweist und vergrabene Dauermagnete aufweist, also radial innerhalb des Rotor-Blechpakets angeordnete Dauermagnete. Aus der gattungsbildenden Veröffentlichung Bon-Ho Bae, Patel, N., Schulz S., Seumng-Ki Sul: „New field weakening technique for high saliency interior permanent magnet motor“ in Industry Applications Conference , 2003, 38th IAS Annual Meeting , Conference Record of the Vol. 2, pp 898-905, 12-16 Oct. 2003 ist bekannt einen Sollwert für den drehmomentbildenden Stromanteil aus einem Sollwert für Drehmoment und einem maximalen Fluss zu bestimmen, wobei eine 2D-Tabelle benutzt wird. Unabhängig von dieser Bestimmung wird ein Sollwert für den flussbildenden Stromanteil aus einem Sollwert für Drehmoment und einem maximalen Fluss bestimmt, wobei eine entsprechende 2D-Tabelle benutzt wird. Aus der DE 10 2008 013 799 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung von Permanentmagnet-AC-Maschinen bekannt. Aus der DE 10 2008 034 543 A1 ist ein Lineargerät für Feldschwächung in einer Maschine mit internem Permanentmagneten bekannt. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte und erweiterte Regelung bei gleichzeitig hohem Drehmoment und Drehzahlstellbereich bei einer Elektromaschine zu erreichen. Aus „Elektromagnete, Grundlagen, Berechnung, Entwurf" (ISBN: 978-3-8351-0138-8, Vieweg Teubner Verlag 2008, Seite 135 .3) ist das nichtlineare Verhalten der magnetischen Flussverkettung Ψ in einfachen magnetischen Kreisen bekannt. Die Nichtlinearität und funktionale Abhängigkeit des verketteten magnetischen Flusses vom Strom Ψ(I) ist demnach auch bei Elektromotoren gegeben und muss bei der Regelung dieser Elektromotoren berücksichtigt werden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren nach den in Anspruch 1, 2, oder 3 und bei der Elektromaschine nach den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst. Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren zum Betreiben eines Umrichters zur Speisung einer Elektromaschine nach Anspruch 1 sind, dass, dass der Motorstrom erfasst wird und aus den erfassten Werten ein Istwert des Motorstromraumzeigers gebildet wird,wobei ein Stromregler die Elektromaschine mit einem derartigen Spannungsraumzeiger speist, dass der Istwert des Motorstromraumzeigers auf einen Sollwert des Motorstromraumzeigers hingeregelt wird,wobei der Sollwert des Motorstromraumzeigers einen flussbildenden Stromanteil und einen momentbildenden Stromanteil aufweist, insbesondere aus diesen beiden Stromanteilen zusammensetzbar ist,wobei ein Drehmomentsollwert vorgegeben wird,wobei aus dem Drehmomentsollwert der Sollwert des flussbildenden Stromanteils derart bestimmt wird, dass der Betrag des Statorstromraumzeigers bei diesem Drehmomentsollwert, insbesondere bezüglich des flussbildenden Stromanteils und des momentbildenden Stromanteil, minimal ist und damit Wirkungsgrad-optimal ist, wobei ebenfalls eine zusätzliche Berücksichtigung der Drehzahl der Maschine zur Bestimmung der verlustoptimalen Sollströme in Bezug auf die durch das Drehfeld erzeugten Eisenverluste möglich ist, und der Sollwert des flussbildenden Stromanteils, - insbesondere wenn die Spannungsstellgrenze erreicht wird - , nachfolgend korrigiert wird mittels eines Feldschwächreglers, insbesondere zur Einhaltung der Spannungsstellgrenze, insbesondere wobei der auf diese Weise korrigierte Sollwert des flussbildenden Stromanteils dem Stromregler als Sollwert zugeführt wird,wobei zu dem so korrigierten Sollwert des flussbildenden Stromanteils ein derartiger Sollwert des momentbildenden Stromanteils bestimmt wird, dass das aus diesen Stromanteilen bestimmbare und/oder zu diesen Stromanteilen zugehörige Drehmoment dem Drehmomentsollwert gleicht, insbesondere wobei der auf diese Weise bestimmte Sollwert des momentbildenden Stromanteils dem Stromregler als Sollwert zugeführt wird. Von Vorteil ist dabei, dass erfindungsgemäß eine verbesserte, erweiterte und insbesondere wirkungsgradoptimale Regelung bei gleichzeitig hohem Drehmoment und Drehzahlstellbereich bei einer Elektromaschine mit ausgeprägten anisotropen Induktivitäten und dem daraus resultierendem Reluktanzmoment erreichbar ist. Von Vorteil ist weiter, dass die Berücksichtigung der Spannungsstellgrenze des Zwischenkreises durch einen Regler, insbesondere Feldschwächregler, in Kombination einer Sollwerttabelle zur Bestimmung des momentbildenden Stromanteils Iq Iq erfolgt. Dadurch muss der Arbeitsbereich, in eben der Abhängigkeit der Spannungsstellgrenze, der Elektromaschine nicht bei der Berechnung der Sollwerttabellen zur optimalen Regelung berücksichtigt werden. Vielmehr sind die maschinenspezifischen Daten zur Berechnung der Sollwerte ausreichend. Der Vorteil ist zum einen, dass durch die akt