WO2014147111A1 - Verfahren zur steuerung einer drei-phasen-wechselstrommaschine - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a three-phase alternating current machine, in particular for an electrically driven vehicle - hybrid vehicle or electric vehicle - or affyrollenprüfstand (dynamometer).
  • US 5,498,945 A describes a maximum torque per ampere method for an induction motor, choosing appropriate combinations of currents and magnetic fluxes of the quadrature axes and direct axes, respectively.
  • US 6,630,809 B2 discloses a system and method for controlling an induction motor, the control being based on the maximum torque per ampere strategy and the constant common flux linkages.
  • each of these control strategies can be used optimally only for a particular mode of operation of the alternator, while in other modes disadvantages must be accepted.
  • known controls of electric motors usually only a single predefined one of the known control strategies is used. But each control strategy is only a compromise for different operating modes. In operation, depending on the specific control applied, serious disadvantages are usually taken into account.
  • the object of the invention is to avoid these disadvantages and to develop a method which enables optimum operation of three-phase AC machines.
  • this is achieved in that a group of several different control strategies is provided, preferably stored in the engine control, that at least one operating parameter of the alternator and / or the electric vehicle and / or external specifications, preferably in terms of performance and / or duration and / or range , is detected, and that from the group of control strategies, a control strategy is selected in dependence on at least one detected operating parameter of the alternator and / or the electric vehicle and / or external presets and the alternator is operated on the basis of this selected control strategy.
  • control strategies are preferably stored in the engine control and are selected depending on the respective requirements. Only the selected control strategy is activated and the alternator is operated based on this selected control strategy.
  • the set of control strategies includes at least two, preferably all, of the following strategies known per se: zero d axis current strategy, maximum torque per ampere strategy, maximum efficiency strategy, power factor one strategy, constant common strategy flux linkages.
  • Each of the control strategies is evaluated for defined selection criteria, preferably different operating parameters of the alternator and / or the electric vehicle and / or load requirements, based on the evaluation of the selection of the control strategies.
  • At least one selection criterion can be selected from the group of the relationships torque / speed, torque / current, current / speed, power / speed, counterelectromotive force (or counter voltage) / speed, power factor / speed, air gap magnetic flux linkage (or air gap chaining), and the execution complexity (or complexity) are selected.
  • the selection of the control strategy can be done by means of an adaptive algorithm, preferably using artificial intelligence, fuzzy logic and / or neural networks.
  • the control strategy is changed and - depending on at least one operating parameter of the alternator and / or the electric vehicle and / or external specifications - selected a suitable control strategy and operate the alternator with this selected control strategy.
  • the control strategy can be optimally adapted to the respective situation and the respective requirements.
  • the power factor one strategy or the constant common magnetic flux linkage strategy for three-phase AC machines is selected.
  • the high base speed enabled by the lower air-gap magnetic flux linkage improves the driveability characteristics of the vehicle at high engine speeds because of constant torque operation of the electric machine (s).
  • the lifetime of the alternator can be maximized with the power factor one strategy or the constant common magnetic flux linkage strategy, as these strategies allow low current variations in electrical drive and low inrush current.
  • the engine shaft speed is reduced and either the maximum torque per ampere strategy or the maximum efficiency strategy selected for further operation for energy efficient operation of the high voltage electrical system when the vehicle is operating at high gear.
  • the maximum torque per ampere strategy or the maximum efficiency strategy can be selected.
  • the driver can select the maximum torque per ampere strategy at the push of a button to achieve a maximum torque / speed ratio.
  • the strategy of maximum efficiency is selected. If, for example, the driver prescribes a travel destination, for example using a navigation unit of the vehicle, which is close to the limit of the maximum range defined by the state of charge of the battery, energy can be saved by selecting the maximum efficiency strategy and thus the range can be optimized ,
  • the method according to the invention can also be used in stationary applications, for example in vehicle dynamometers (dynamometers), in order to simulate defined driving scenarios.
  • An adaptive control strategy for the electric motor of the dynamometer can adaptively examine the planned driving scenario and in each case select and apply the optimum control strategy for the respective driving scenario. For example, in a portion of the simulated uphill driving scenario, the maximum torque per ampere control strategy may be selected. In simulated city driving scenarios, however, the maximum efficiency strategy or power factor one strategy or the constant common flux linkage strategy can be selected to save energy or increase the life of components of the dynamometer.
  • the inventive method is particularly suitable for three-phase asynchronous and synchronous machines, both for torque-controlled, as well as for speed-controlled systems.
  • torque control the engine speed is determined by the load applied to the motor shaft.
  • speed control the torque results from the load applied to the motor shaft.
  • the method in particular the detection of the operating parameters, the checking of the current control strategy, the selection of the optimal operating strategy, the finding of an optimal switching time for the control strategy, etc. can be carried out completely automatically via a control and monitoring program.
  • the optimum time for a change can automatically be planned and carried out, for example on the basis of a predetermined topography or external information such as traffic situation, etc.
  • Fig. 1 normalized performance characteristics of the control strategy of
  • Fig. 2 normalized performance characteristics of the control strategy of
  • FIG. 3 shows normalized power characteristics of the control strategy of the kon ⁇ constants common flux linkages
  • Fig. 4 is normalized power characteristics of the control strategy of the ma imum ⁇ torque per ampere.
  • FIG. 5 shows the method according to the invention in a block diagram.
  • the motor controller controls the amount of current flowing into the electric machine such that the torque of the electric machine follows a particular setpoint or reference.
  • the control algorithm for controlling the Stro ⁇ mes is developed on the basis of a mathematical model of the electric machine.
  • the most commonly used mathematical model of the electric machine is composed of the following equations (1) to (4) and is also referred to as "dq system machine model". Equations (1) to (5) are specific to an internal-permanent-magnet synchronous machine. Other 3-phase AC machines have a representation in the dq system, which deviates slightly from this system of equations.
  • V d I d R s -P ⁇ D r L q I q + L d ⁇ - (2)
  • T 1.5-PI q - ⁇ p PM + 1.5-P- (L d -L q ) -I d -I q (4)
  • This mathematical equation system has the advantage that the representation of the alternator is simplified and that the control is easier to detect and to apply.
  • the "dq system machine model a DC equivalent representation of the AC voltages and currents. Therefore, this equation system is preferably used for the implementation of the AC motor control.
  • One variable that one wishes to maximize is the amount of torque T e generated by the alternator relative to the magnitude of the current used by the energy storage unit to supply the alternator.
  • This method also known as the "maximum / optimal torque control strategy per amp MTA" is based on the nonlinear relationship described by equation (4) above for the best combinations of the d and q axes - To obtain currents I d and I q with respect to the torque T e , ie the largest ratio between T e and the vector sum of the currents
  • These pairs of d- and q-axis currents I d and I q with respect to torque T e can be determined either analytically by solving equation (4), or empirically by completing appropriate test runs of the alternator.
  • CMFL constant flux linkage control strategy
  • Fig. 1 shows normalized performance characteristics of the control strategy of zero d-axis current (ZDAC).
  • Zero d-axis current (ZDAC) control strategy is suitable for applications requiring high torque.
  • Fig. 2 shows normalized power characteristics of the power factor one (UPF) control strategy. Properties :
  • FIG. 3 shows normalized power characteristics of the constant common flux linkage control strategy (CM FL).
  • Fig. 4 shows normalized power characteristics of the maximum torque per ampere (MTA) control strategy.
  • the maximum efficiency (ME) control strategy is based on minimizing the loss function:
  • FIG. 5 shows the method according to the invention in a block diagram.
  • ambient and boundary conditions such as outside temperature, accelerator pedal pressure, or - when used on a chassis dynamometer - the type of dynamometer driving cycle are recorded.
  • a query is made as to whether the currently applied control strategy is based on the ambient and boundary conditions determined in step 1 and also on the selection criterion from the group of relationships torque / speed, torque / current, current / speed, power / speed, Counterelectromotive force / speed, power factor / speed, air gap flux linkage, and execution complexity is indeed the optimal strategy. If this is the case ("Yes"), the process returns to step 1 in a step 3.
  • step 4 an adaptive control strategy algorithm is started to determine the most appropriate control strategy for the conditions detected in step 1.
  • step 5 the optimal time for a change of the control strategy is determined and awaited until this time.
  • step 6 the changeover to the control strategy determined in step 4 takes place.
  • V d d-axis voltage (relative to the "dq" alternator model)

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Drei-Phasen-Wechselstrommaschine, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug oder einen Fahrzeugrollenprüfstand. Ein optimaler Einsatz der Wechselstrommaschine lässt sich erzielen, wenn eine Gruppe aus mehreren verschiedenen Steuerungsstrategien bereitgestellt, vorzugsweise in der Motorsteuerung abgelegt wird, zumindest ein Betriebsparameters der Wechselstrommaschine und/oder des Elektrofahrzeuges und/oder externe Vorgaben, vorzugsweise hinsichtlich Leistung und/oder Dauer und/oder Reichweite, erfasst wird, aus der Gruppe von Steuerungsstrategien eine Steuerungsstrategie in Abhängigkeit zumindest eines erfassten Betriebsparameters der Wechselstrommaschine und/oder des Elektrofahrzeuges und/oder externen Vorgaben ausgewählt wird und die Wechselstrommaschine auf der Basis dieser ausgewählten Steuerungsstrategie betrieben wird.

Description

Verfahren zur Steuerung einer Drei-Phasen-Wechselstrommaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Drei-Phasen-Wechselstrommaschine, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug - Hybridfahrzeug oder Elektrofahrzeug - oder einen Fahrzeugrollenprüfstand (Dynamometer).
Der Betrieb von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen wird durch die geringe Energiedichte der mitgeführten Hochspannungsbatterien begrenzt. Während beträchtliche Anstrengungen unternommen werden, die Batterietechnologie zu verbessern, müssen verstärkt auch alle Wirkungsgradverbesserungen von Hilfssystemen des Antriebes wie Leistungselektronik, Motordesign und Motorsteuerung in Betracht gezogen werden.
Für den Betrieb eines Drei-Phasen-Wechselstrommotors sind verschiedene Steuerungsstrategien bekannt.
Die US 5,498,945 A beschreibt ein Verfahren für das maximale Drehmoment pro Ampere für einen Induktionsmotor, wobei geeignete Kombinationen der Ströme und Magnetflüsse der Quadratur-Achsen bzw. Direkt-Achsen gewählt werden.
Die US 6,630,809 B2 offenbart ein System und ein Verfahren zur Steuerung eines Induktionsmotors, wobei die Steuerung auf der Basis Strategie des maximalen Drehmoment pro Ampere und der konstanten gemeinsamen Flussverkettungen erfolgt.
Die Veröffentlichung "Control Strategies and Parameter Compensation for Permanent Magnet Synchronous Motor Drives", Ramin Monajemy, PhD Thesis, Blacksburg, Virginia Polytechnic Institute, 12. Oktober 2000, beschreibt in Kapitel 5, Seiten 55 bis 94, verschiedene Regelungsstrategien für Permanentmagnet- Synchronmotoren, unter anderem die Strategie des Maximalen Wirkungsgrads, die Strategie des maximalen Drehmoments pro Ampere, die Strategie des Null d- Achsen Stromes, die Strategie des Leistungsfaktors eins und die Strategie der konstanten gemeinsamen Flussverkettungen.
Jede dieser Steuerungsstrategien kann allerdings nur für eine bestimmte Betriebsweise der Wechselstrommaschine optimal eingesetzt werden, während in anderen Betriebsarten Nachteile in Kauf genommen werden müssen. In bekannten Steuerungen von Elektromotoren wird üblicherweise nur eine einzige vordefinierte der bekannten Steuerungsstrategien eingesetzt. Jede Steuerungsstrategie stellt aber nur einen Kompromiss für verschiedene Betriebsarten dar. Somit müs- sen im Betrieb abhängig von der spezifisch angewendeten Steuerung meist gravierende Nachteile im Kauf genommen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zu entwickeln, welches einen optimalen Betrieb von Drei-Phasen-Wechselstrommaschinen ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass eine Gruppe aus mehreren verschiedenen Steuerungsstrategien bereitgestellt, vorzugsweise in der Motorsteuerung abgelegt wird, dass zumindest ein Betriebsparameter der Wechselstrommaschine und/oder des Elektrofahrzeuges und/oder externe Vorgaben, vorzugsweise hinsichtlich Leistung und/oder Dauer und/oder Reichweite, erfasst wird, und dass aus der Gruppe von Steuerungsstrategien eine Steuerungsstrategie in Abhängigkeit zumindest eines erfassten Betriebsparameters der Wechselstrommaschine und/oder des Elektrofahrzeuges und/oder externen Vorgaben ausgewählt wird und die Wechselstrommaschine auf der Basis dieser ausgewählten Steuerungsstrategie betrieben wird .
Die Steuerungsstrategien sind bevorzugt in der Motorsteuerung abgelegt und werden in Abhängigkeit der jeweiligen Erfordernisse ausgewählt. Nur die jeweils ausgewählte Steuerungsstrategie wird aktiviert, und die Wechselstrommaschine auf der Basis dieser ausgewählten Steuerungsstrategie betrieben.
Die Gruppe von Steuerungsstrategien beinhaltet zumindest zwei - vorzugsweise alle - der folgenden, an sich bekannten Strategien : Strategie des Null-d-Achsen- Stromes, Strategie des maximalen Drehmomentes pro Ampere, Strategie des maximalen Wirkungsgrades, Strategie des Leistungsfaktors eins, Strategie der konstanten gemeinsamen Flussverkettungen.
Jede der bekannten Betriebsstrategien hat gute und weniger gute Einsatzbereiche.
Jede der Steuerungsstrategien wird für definierte Auswahlkriterien, vorzugsweise verschiedene Betriebsparameters der Wechselstrommaschine und/oder des Elektrofahrzeuges und/oder Lastanforderungen, bewertet, wobei die Bewertung der Auswahl der Steuerungsstrategien zu Grunde gelegt wird . Zumindest ein Auswahlkriterium kann dabei aus der Gruppe der Beziehungen Drehmoment/ Drehzahl, Drehmoment/Strom, Strom/Drehzahl, Leistung/Drehzahl, Gegenelektromotorische Kraft (bzw. Gegenspannung)/Drehzahl, Leistungsfaktor/Drehzahl, der Luftspalt-Magnetflussverkettung (bzw. Luftspaltverkettung), und der Ausführungskomplexität (bzw. Komplexität) ausgewählt werden. Die Auswahl der Steuerungsstrategie kann mittels eines adaptiven Algorithmus - vorzugsweise unter Verwendung von künstlicher Intelligenz, Fuzzy Logik und/ oder neuralen Netzwerken - erfolgen.
Vorzugsweise wird während des laufenden Betriebes der Wechselstrommaschine kontinuierlich oder diskontinuierlich überprüft, ob diese mit der für die jeweilige Situation optimalen Steuerungsstrategie betrieben wird . Wenn die Prüfung auf Grund eines Auswahlkriteriums aus der Gruppe der Beziehungen Drehmoment/Drehzahl, Drehmoment/Strom, Strom/Drehzahl, Leistung/Drehzahl, Gegenelektromotorische Kraft/Drehzahl, Leistungsfaktor/Drehzahl, der Luftspalt- Magnetflussverkettung, und der Ausführungskomplexität ergibt, dass eine andere Steuerungsstrategie passender ist, dann wird die Steuerungsstrategie geändert und - in Abhängigkeit zumindest eines Betriebsparameters der Wechselstrommaschine und/oder des Elektrofahrzeuges und/oder von externen Vorgaben - eine passende Steuerungsstrategie ausgewählt und die Wechselstrommaschine mit dieser ausgewählten Steuerungsstrategie weiterbetrieben. Dadurch kann die Steuerungsstrategie optimal an die jeweilige Situation und die jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
Beispielsweise wird im Normalbetrieb, insbesondere bei Hybridfahrzeugen, die Strategie des Leistungsfaktors eins oder die Strategie der konstanten gemeinsamen Magnetflussverkettungen für Drei-Phasen-Wechselstrommaschinen ausgewählt. Die durch die niedrigere Luftspalt-Magnetflussverkettung ermöglichte hohe Basisdrehzahl verbessert die Fahrbarkeitseigenschaften des Fahrzeugs bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine wegen dem bei konstantem Drehmoment anhaltenden Betrieb der elektrischen Maschine(n). Zusätzlich kann die Lebenszeit der Wechselstrommaschine mit der Strategie des Leistungsfaktors eins oder der Strategie der konstanten gemeinsamen Magnetflussverkettungen ma- ximiert werden, da diese Strategien niedrige Stromschwankungen im elektrischen Fahrbetrieb und einen geringen Einschaltstrom ermöglichen. Sobald die Drehzahl der Brennkraftmaschine sich verringert (beispielsweise Einlegen eines hohen Ganges bei hoher Fahrzeuggeschwindigkeit), wird die Drehzahl der Motorwelle somit reduziert und für den weiteren Betrieb entweder die Strategie des maximalen Drehmomentes pro Ampere oder die Strategie des maximalen Wirkungsgrades ausgewählt, um einen energieeffizienten Betrieb des elektrischen Hochspannungssystems zu ermöglichen, wenn das Fahrzeug mit hohem Gang betrieben wird .
Für hohe Beschleunigungsanforderungen kann die Strategie des maximalen Drehmomentes pro Ampere oder die Strategie des maximalen Wirkungsgrades ausgewählt werden. Für maximale Leistung und verbesserte Fahrdynamik kann beispielsweise der Fahrer auf Knopfdruck die Strategie des maximalen Drehmomentes pro Ampere auswählen um ein maximales Drehmoment/Drehzahlverhältnis zu erreichen.
Andererseits ist es vorteilhaft, wenn bei drohendem Energieengpass und/oder einer vorgegebenen Streckenlänge über einer kritischen Länge die Strategie des maximalen Wirkungsgrades ausgewählt wird . Wird beispielsweise vom Fahrer, etwa unter Verwendung einer Navigationseinheit des Fahrzeuges, ein Fahrziel vorgegeben, welches sich nahe der Grenze der durch den Ladezustand der Batterie definierten maximalen Reichweite befindet, so kann durch Auswahl der Strategie des maximalen Wirkungsgrades Energie gespart und somit die Reichweite optimiert werden.
Alternativ zur Anwendung in Elektrofahrzeugen kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei stationären Anwendungen, beispielsweise bei Fahrzeug-Rollenprüfständen (Dynamometer) eingesetzt werden, um definierte Fahrszenarien zu simulieren. Eine adaptive Steuerungsstrategie für den Elektromotor des Dynamometers kann dabei adaptiv das geplante Fahrszenario untersuchen und jeweils die für das jeweilige Fahrszenario optimale Steuerungsstrategie auswählen und anwenden. Beispielsweise kann in einem Abschnitt des Fahrszenarios mit simulierter Bergauffahrt die Steuerungsstrategie des maximalen Drehmomentes pro Ampere ausgewählt werden. In simulierten Stadt-Fahrszenarien kann dagegen die Strategie des maximalen Wirkungsgrades oder die Strategie des Leistungsfaktors eins oder die Strategie der konstanten gemeinsamen Flussverkettungen ausgewählt werden, um Energie zu sparen oder die Lebensdauer von Komponenten des Dynamometers zu erhöhen.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für Drei-Phasen- Asynchron- und Synchronmaschinen, sowohl für drehmomentgesteuerte-, als auch für drehzahlgesteuerte Systeme. Bei Drehmomentsteuerung ergibt sich die Motordrehzahl durch die an der Motorwelle anliegenden Last. Bei Drehzahlsteuerung ergibt sich das Drehmoment durch die an der Motorwelle anliegende Last.
Das Verfahren, insbesondere das Erfassen der Betriebsparameter, das Prüfen der aktuellen Steuerungsstrategie, die Auswahl der optimalen Betriebsstrategie, das Auffinden eines optimalen Umschaltzeitpunktes für die Steuerungsstrategie, etc. kann vollkommen automatisch über ein Steuerungs- und Überwachungsprogramm durchgeführt werden. Zusätzlich ist es möglich das automatische Steuerungs- und Überwachungsprogramm der Motorsteuerung durch manuellen Eingriff zu übersteuern, beispielsweise, wenn vom Fahrer spontan eine hohe Leistung gefordert wird. Ist während eine bekannten Fahrtstrecke ein Wechsel der Steuerungsstrategie erforderlich, so kann automatisch der optimale Zeitpunkt für einen Wechsel geplant und durchgeführt werden, beispielsweise auf Grund einer vorgegebenen Topografie oder externen Informationen wie Verkehrslage etc.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 normalisierte Leistungskennlinien der Steuerungsstrategie des
Null-d-Achsen-Stromes;
Fig. 2 normalisierte Leistungskennlinien der Steuerungsstrategie des
Leistungsfaktors eins;
Fig. 3 normalisierte Leistungskennlinien der Steuerungsstrategie der kon¬ stanten gemeinsamen Flussverkettungen;
Fig. 4 normalisierte Leistungskennlinien der Steuerungsstrategie des ma¬ ximalen Drehmomentes pro Ampere; und
Fig. 5 das erfindungsgemäße Verfahren in einem Blockdiagramm.
Die Motorsteuerung steuert die Stärke des in die elektrische Maschine fließenden Stromes so, dass das Drehmoment der elektrischen Maschine einem bestimmten Sollwert oder Bezugsgröße folgt. Der Regelalgorithmus zur Steuerung des Stro¬ mes ist auf der Basis eines mathematischen Models der elektrischen Maschine entwickelt. Das am häufigsten verwendete mathematische Modell der elektrischen Maschine ist aus den folgenden Gleichungen (1) bis (4) zusammengesetzt und wird auch als "d-q-System-Maschinenmodell" bezeichnet. Die Gleichungen (1) bis (5) sind spezifisch für eine Innenlaufende Permanentmagnet-Synchronmaschine. Andere 3-Phasen-Wechselstrommaschinen weisen eine Darstellung im d-q System auf, welche von diesem Gleichungssystem geringfügig abweicht.
Vd =Id Rs-P <Dr Lq Iq + Ld ^- (2)
Figure imgf000007_0001
T =l.5-P-Iq-<pPM +l.5-P-(Ld -Lq)-Id-Iq (4)
Figure imgf000007_0002
Dieses mathematische Gleichungssystem hat den Vorteil, dass die Darstellung der Wechselstrommaschine vereinfacht wird und dass die Steuerung leichter zu erfassen und anzuwenden ist. In der Tat ist das "d-q-System-Maschinenmodell eine Gleichstrom-äquivalente Darstellung der Wechselstrom-Spannungen und - Ströme. Daher wird dieses Gleichungssystem bevorzugt für die Umsetzung der Wechselstrommotorensteuerung verwendet.
Innerhalb des nicht-linearen d-q-Systems können verschiedene Kombinationen der d- und q-Achsen-Ströme Id und Iq zu der selben Motordrehzahl ω und dem selben Drehmoment Te führen. Die einfachste Kombination der d- und q-Achsen- Ströme Id und Iq besteht darin, Id gleich Null zu setzen, wodurch das Drehmoment eine lineare Funktion des q-Achsen Stromes Iq wird. Diese Methode ist die übliche bei Motorsteuerungen verwendete Steuerungsmethode wegen der leichten Umsetzbarkeit, und wird im allgemeinen als "Steuerungsstrategie des Null-d- Achsen-Stromes ZDAC" bezeichnet.
Allerdings ist dies nur eine von vielen Kombinationsmöglichkeiten der d- und q- Achsen-Ströme Id und Iq, welche verwendet werden können, um dasselbe Niveau des Drehmomentes Te zu erhalten. So können andere Kombinationen von d- und q-Achsen-Ströme Id und Iq für dasselbe Drehmoment Te eingesetzt werden, um spezifische Aspekte hinsichtlich der Betriebes der Wechselstrommaschine zu optimieren.
Eine Variable, welche man zu maximieren wünscht, ist das Ausmaß des Drehmomentes Te, welches die Wechselstrommaschine erzeugt, bezogen auf die Höhe des Stromes, welcher von der Energiespeichereinheit für die Versorgung der Wechselstrommaschine eingesetzt wird. Diese Methode, die auch als "Steuerungsstrategie des maximalen/optimalen Drehmomentes pro Ampere MTA" bekannt ist, beruht auf der nicht-linearen Beziehung, welche durch die obige Gleichung (4) beschrieben wird, um die besten Kombinationen der d- und q-Achsen- Ströme Id und Iq hinsichtlich des Drehmomentes Te zu erhalten, also dem größten Verhältnis zwischen Te und der Vektorsumme der Ströme
Figure imgf000008_0001
Diese Paare der d- und q-Achsen-Ströme Id und Iq hinsichtlich des Drehmomentes Te können entweder analytisch durch Lösen der Gleichung (4), oder empirisch durch absolvieren von geeigneten Testläufen der Wechselstrommaschine bestimmt werden.
Eine andere Variable, die man zu maximieren wünscht, ist er energetische Wirkungsgrad der Wechselstrommaschine. Um dies zu erreichen, hat man die Paare mit dem niedrigsten Wert der Ausdrücke
Figure imgf000008_0002
aufzusuchen, wodurch sowohl das Drehmoment Te, als auch die Drehzahl ω der Wechselstrommaschine maximiert wird. Dadurch kann die maximale mechanische Leistung (Produkt aus Drehmoment Te und Drehzahl co), bei geringster elektrischer Leistung (Produkt aus Strom und Spannung) erzielt werden. Dieses Verfahren, welches auch als "Steuerungsstrategie des maximalen Wirkungsgrades ME" be- kannt ist, kann auf der analytischen Berechnung der besten d- und q-Achsen- Ströme Id und Iq basieren oder experimentell an der Wechselstrommaschine durchgeführt werden.
Basierend auf einer ähnlichen Vorgangsweise wie bei der Steuerungsstrategie des maximalen/optimalen Drehmomentes pro Ampere MTA oder der Steuerungsstrategie des maximalen Wirkungsgrades ME, lassen sich auch andere Aspekte des Wechselstrommaschinebetriebes und/oder der Leistungselektronikeinheit (DC/AC Inverter) maximieren. So ist unter der Bezeichnung "Steuerungsstrategie des Leistungsfaktors eins UPF" eine Methode bekannt, welche auf Paaren der d- und q-Achsen-Ströme Id und Iq basiert, die zu in-Phase befindlichen Wechselspannungen und Wechselströmen in der Leistungselektronikeinheit führen. Das Verfahren " Steuerungsstrategie der konstanten gemeinsamen Flussverkettungen (CMFL)" zielt darauf ab Paare der d- und q-Achsen-Ströme Id und Iq zu finden, bei denen der gesamte magnetische Fluss ^φ + φά 2 konstant bleibt. Auch diese beiden Methoden können analytisch oder experimentell gelöst werden.
Somit ergeben sich folgende bekannte Steuerungsstrategien, welche hier in Betracht gezogen werden :
1.) Steuerunqsstrategie des Null-d-Achsen-Stromes (ZDAC)
Fig. 1 zeigt normalisierte Leistungskennlinien der Steuerungsstrategie des Null-d- Achsen-Stromes (ZDAC).
Eigenschaften :
• Der Leistungsfaktor verschlechtert sich mit zunehmender Rotordrehzahl und zunehmendem Statorstrom Is.
• Der niedrigere Leistungsfaktor macht eine höhere VA Bewertung des Umrichters erforderlich.
• Die Steuerungsstrategie des Null-d-Achsen-Stromes (ZDAC) ist geeignet für Anwendungen, welche hohes Drehmoment erfordern.
• Durch lineare Strom-Drehmoment-Beziehung wird eine einfachere Ausführung möglich.
2.) Steuerunqsstrategie des Leistungsfaktors eins (UPF)
Fig. 2 zeigt normalisierte Leistungskennlinien der Steuerungsstrategie des Leistungsfaktors eins (UPF). Eigenschaften :
• Diese Strategie ist nicht optimal für die Erzeugung von hohem Drehmoment.
• Es ist eine niedrige reaktive VA Bewertung erforderlich
• Es ist eine niedrige Versorgungsspannung erforderlich .
• Wegen der verfügbaren Reservespannung, ist die Steuerungsstrategie des Leistungsfaktors Eins (U PF) für Anwendungen zur Reichweitenausdehnung von Fahrzeugen geeignet.
3. ) Steuerungsstrategie der konstanten gemeinsamen Flussverkettungen (CMFL')
Fig . 3 zeigt normalisierte Leistungskennlinien der Steuerungsstrategie der konstanten gemeinsamen Flussverkettungen (CM FL) .
Eigenschaften :
• Zum Unterschied zu allen anderen Verfahren, kann diese Strategie auch über der Basisdrehzahl verwendet werden
• Bei dieser Strategie wird eine Motorkern-Sättigung vermieden, daher werden das elektrische Antriebsmoment verbessert und hohe Stromübergänge vermieden .
• Der Leistungsfaktor befindet sich nahe bei eins.
• Die Maximaldrehzahl, bei der eine Abschwächung des Flusses erforderlich wird, wird angehoben .
4. ) Steuerungsstrategie des maximalen/optimalen Drehmomentes pro Ampere (MTA1
Fig . 4 zeigt normalisierte Leistungskennlinien der Steuerungsstrategie des maximalen Drehmomentes pro Ampere (MTA) .
Eigenschaften :
• Diese Strategie ist geeignet für Hoch-Schenkelmaschinen (Lq> > Ld)
• Verglichen mit einer Null-d-Achsen-Stromes-Steuerung kann eine etwa 11%-tige Drehmomentsteigerung erreicht werden . • Schlechte Umrichterauslastung (d.h. es ist eine hohe VA-Bewertung erforderlich).
5.) Steuerungsstrategie des maximalen Wirkungsgrades (ME)
Die Steuerungsstrategie des maximalen Wirkungsgrades (ME) basiert auf der Minimierung der Verlustfunktion :
Pl = \.5- Rs - {i +i]) + ]^- 0}r i - [{Lq - Iqf + {9pM + Ld. - Id )2] (6)
Kc
Fig. 5 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren in einem Blockdiagramm.
In einem Schritt 1 werden Umgebungs- und Randbedingungen, wie Außentemperatur, Fahrpedaldruck, oder - bei Anwendung an einem Rollenprüfstand - der Typus des Dynamometer - Fahrzyklus erfasst.
In einem Schritt 2 wird abgefragt, ob die aktuell angewendete Steuerungsstrategie auf Grund der in Schritt 1 festgestellten Umgebungs- und Randbedingungen und auch basierend auf dem Auswahlkriterium aus der Gruppe der Beziehungen Drehmoment/Drehzahl, Drehmoment/Strom, Strom/Drehzahl, Leistung/Drehzahl, Gegenelektromotorische Kraft/Drehzahl, Leistungsfaktor/Drehzahl, der Luftspalt-Magnetflussverkettung, und der Ausführungskomplexität tatsächlich die optimale Strategie ist. Wenn dies der Fall ist ("Yes") erfolgt in einem Schritt 3 die Rückkehr zu Schritt 1.
Wenn die Abfrage aus Schritt 2 negativ ausfällt ("No") so wird in einem Schritt 4 ein adaptiver Steuerungsstrategie-Algorithmus gestartet, um die für die in Schritt 1 erfassten Bedingungen am besten geeignete Steuerungsstrategie zu ermitteln .
Im Schritt 5 wird der optimale Zeitpunkt für einen Wechsel der Steuerungsstrategie ermittelt und bis zu diesem Zeitpunkt abgewartet.
In Schritt 6 erfolgt der Wechsel zu der in Schritt 4 ermittelten Steuerungsstrategie. Nomenklatur
AC Wechselstrom
B Reibungskoeffizient
DC Gleichstrom
Vq q-Achsen Spannung (bezügl ich des "d-q " Wechselstrommaschinen- Modells)
Iq q-Achsen Strom (bezügl ich des "d-q" Wechselstrommaschinen-M odells)
Lq q-Achsen Ind uktanz (bezüg lich des "d-q" Wechselstrommaschinen- Model ls)
Vd d-Achsen Spannung (bezügl ich des "d-q " Wechselstrommaschinen- Modells)
Id d-Achsen Strom (bezügl ich des "d-q" Wechselstrommaschinen-M odells) l_d d-Achsen Ind uktanz (bezüg lich des "d-q" Wechselstrommaschinen- Model ls)
Is Statorstrom
Vs Statorspannung
J Rotormassenträgheit
Pi Leistungsverluste
VA Leistung
Rc Kernwiderstand der Wechselstrommaschine
Rs Statorwiderstand der Wechselstrommaschine cor mechanische Drehzahl cpPM Permanentmagnetischer Fluss der Wechselstrommaschine
q-Achsen-generierter Fluss (bezüg l ich des "d-q" Wechselstrommaschinen- cpq Modells)
d-Achsen-generierter Fluss (bezüg l ich des "d-q" Wechselstrommaschinen- cpd Modells)
Drehmomentwinkel zwischen Rotorfeldposition und Stator-Stromzeigerpo- δ sition
Φ Phasenwinkel zwischen sin usförmiger Span nung und sinusförmigem Strom Te Drehmoment der Wechselstrommaschine
Tj Lastdrehmoment

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Steuerung einer Drei-Phasen-Wechselstrommaschine, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug oder einen Fahrzeug- rollenprüfstand, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gruppe aus mehreren verschiedenen Steuerungsstrategien bereitgestellt, vorzugsweise in der Motorsteuerung abgelegt wird, dass zumindest ein Betriebsparameter der Wechselstrommaschine und/oder des Elektrofahrzeuges und/oder externe Vorgaben, vorzugsweise hinsichtlich Leistung und/oder Dauer und/oder Reichweite, erfasst wird, und dass aus der Gruppe von Steuerungsstrategien eine Steuerungsstrategie in Abhängigkeit zumindest eines erfassten Betriebsparameters der Wechselstrommaschine und/oder des Elektrofahrzeuges und/oder externen Vorgaben ausgewählt wird und die Wechselstrommaschine auf der Basis dieser ausgewählten Steuerungsstrategie betrieben wird .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe von Steuerungsstrategien zumindest zwei - vorzugsweise alle - der folgenden Strategien beinhaltet: Strategie des Null-d-Achsen-Stromes (ZDAC), Strategie des Leistungsfaktors eins (UPF), Strategie der konstanten gemeinsamen Flussverkettungen (CMFL), Strategie des maximalen Drehmomentes pro Ampere (MTA), Strategie des maximalen Wirkungsgrades (ME).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Steuerungsstrategien für definierte Auswahlkriterien, vorzugsweise verschiedene Betriebsparameters der Wechselstrommaschine und/oder des Elektrofahrzeuges und/oder Lastanforderungen, bewertet wird, und dass die Bewertung der Auswahl der Steuerungsstrategien zu Grunde gelegt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Auswahlkriterium aus der Gruppe Drehmoment/Drehzahl, Drehmoment/ Strom, Strom/Drehzahl, Leistung/Drehzahl, Gegenspannung/Drehzahl, Luftspaltverkettung, Leistungsfaktor/Drehzahl und Komplexität ausgewählt wird .
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl der Steuerungsstrategie mittels eines adaptiven Algorithmus - vorzugsweise unter Verwendung von künstlicher Intelligenz, Fuzzy Logik und/oder neuralen Netzwerken - erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebes der Wechselstrommaschine überprüft wird, ob diese mit der für die jeweilige Situation optimalen Steuerungsstrategie betrieben wird, und - bei negativem Prüfungsergebnis - die Steuerungsstrategie geändert und - in Abhängigkeit zumindest eines Betriebsparameters der Wechselstrommaschine und/oder des Elektrofahrzeuges und/oder von externen Vorgaben - eine passende Steuerungsstrategie ausgewählt und die Wechselstrommaschine mit dieser ausgewählten Steuerungsstrategie weiterbetrieben wird .
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Normalbetrieb der Drei-Phasen-Wechselstrommaschine, insbesondere bei Hybridfahrzeugen, die Strategie des Leistungsfaktors eins (UPF) oder die Strategie der konstanten gemeinsamen Flussverkettungen (CMFL). ausgewählt wird .
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei hohen Lastanforderungen an die Drei-Phasen-Wechselstrommaschine die Strategie des maximalen Drehmomentes pro Ampere (MTA) oder die Strategie des maximalen Wirkungsgrades (ME) ausgewählt wird .
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei drohendem Energieengpass und/oder einer vorgegebenen Streckenlänge über einer kritischen Länge die Strategie des maximalen Wirkungsgrades (ME) ausgewählt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren automatisch durchgeführt wird.
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