DE102021206317A1

DE102021206317A1 - Verfahren zum Schätzen eines magnetischen Statorflusses einer elektrischen Maschine, Verfahren zum Ermitteln eines durch eine elektrische Maschine erzeugten Drehmomentes, Verfahren zum Prüfen einer elektrischen Maschine, Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Antriebseinrichtung, Vorrichtung zum Schätzen eines magnetischen Statorflusses einer elektrischen Maschine, elektrische Antriebseinrichtung

Info

Publication number: DE102021206317A1
Application number: DE102021206317.9A
Authority: DE
Inventors: Stefan Gering; Maximilian Manderla
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-06-21
Filing date: 2021-06-21
Publication date: 2022-12-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schätzen eines magnetischen Statorflusses (ψ) einer elektrischen Maschine (2), wobei die Maschine (2) einen Stator mit einer mehrphasigen Motorwicklung (6) und einen drehbar gelagerten Rotor (3) aufweist, wobei ein elektrischer Ist-Spannungswert (UIst) der Motorwicklung (6) und ein elektrischer Ist-Stromwert (IIst) der Motorwicklung (6) ermittelt werden, und wobei der magnetische Statorfluss (Ψ) in Abhängigkeit von dem ermittelten Ist-Spannungswert (UIst) einerseits und dem ermittelten Ist-Stromwert (IIst) andererseits geschätzt wird. Es ist vorgesehen, dass zum Schätzen des Statorflusses (Ψ) ein Störmodell minimaler Ordnung für einen den Statorfluss (Ψ) überlagernden magnetischen Rotorfluss (p) festgelegt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schätzen eines magnetischen Statorflusses einer elektrischen Maschine, wobei die Maschine einen Stator mit einer mehrphasigen Motorwicklung und einen drehbar gelagerten Rotor aufweist, wobei ein elektrischer Ist-Spannungswert der Motorwicklung und ein elektrischer Ist-Stromwert der Motorwicklung ermittelt werden, und wobei der magnetische Statorfluss in Abhängigkeit von dem ermittelten Ist-Spannungswert einerseits und dem ermittelten Ist-Stromwert andererseits geschätzt wird.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln eines durch eine elektrische Maschine erzeugten Drehmomentes, ein Verfahren zum Prüfen einer elektrischen Maschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Antriebseinrichtung.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Schätzen eines magnetischen Statorflusses einer elektrischen Maschine sowie eine elektrische Antriebseinrichtung mit einer derartigen Vorrichtung.
Stand der Technik
Verfahren und elektrische Maschinen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Eine elektrische Maschine weist üblicherweise einen Stator mit einer mehrphasigen Motorwicklung und einen drehbar gelagerten Rotor auf. Die Motorwicklung ist dabei derart verteilt um den Rotor angeordnet, dass der Rotor durch eine geeignete Bestromung der Motorwicklung antreibbar beziehungsweise drehbar ist. Dabei ist es bekannt, im Betrieb der Maschine einen magnetischen Statorfluss der Maschine zu schätzen. Üblicherweise werden hierzu ein elektrischer Ist-Spannungswert der Motorwicklung sowie ein elektrischer Ist-Stromwert der Motorwicklung ermittelt und der magnetische Statorfluss wird in Abhängigkeit von dem ermittelten Ist-Spannungswert einerseits und dem ermittelten Ist-Stromwert andererseits geschätzt. Beispielsweise ist aus der Veröffentlichung „A physically insightful approach to the design and accuracy assessment of stator flux control techniques for pmsm drives“ (Jansen et al., DOI: 10.1109/28.273627) ein Verfahren bekannt, bei dem der magnetische Statorfluss durch Vorwärtsintegration der Flussdifferentialgleichung geschätzt wird.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch aus, dass zum Schätzen des Statorflusses ein Störmodell minimaler Ordnung für einen den Statorfluss überlagernden magnetischen Rotorfluss festgelegt wird. Der Rotorfluss wird typischerweise durch drehfest auf dem Rotor angeordnete Rotormagnete verursacht. Weil der Rotorfluss den Statorfluss überlagert, wird die Schätzung des Statorflusses durch den Rotorfluss beeinträchtigt. Durch die Festlegung des Störmodells minimaler Ordnung für den Rotorfluss wird eine ansonsten vorhandene Unterbestimmtheit im Hinblick auf die Schätzung des Statorflusses aufgelöst. Durch die Festlegung des Störmodells minimaler Ordnung kann also eine präzise Schätzung des Statorflusses erreicht werden. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet gegenüber vorbekannten Verfahren zum Schätzen des Statorflusses verschiedene Vorteile. Beispielsweise ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht darauf angewiesen, dass die Maschine, deren Statorfluss geschätzt wird, durch eine bestimmte Art Regler geregelt wird. Verglichen mit dem in Jansen et al. beschriebenen Verfahren wird zudem die Genauigkeit im Hinblick auf die Schätzung des Statorflusses gesteigert, weil verglichen mit einer reinen Vorwärtsintegration der Flussdifferenzialgleichung der Offsetfehler bezüglich des geschätzten Statorflusses zumindest verringert wird. Erfindungsgemäß wird für den Rotorfluss ein Störmodell minimaler Ordnung festgelegt. Es wird also davon ausgegangen, dass bei einem bestimmten Ist-Stromwert und einem bestimmten Ist-Spannungswert stets derselbe Rotorfluss vorliegt. Entsprechend ist eine Ableitung des Rotorflusses nach der Zeit 0. Unter dem Ist-Spannungswert ist im Rahmen der Offenbarung eine Eingangsgröße zu verstehen, die elektrische Klemmenpotentiale der Motorwicklung beschreibt. Vorzugsweise beschreibt der Ist-Spannungswert die elektrischen Klemmenpotentiale in Form eines Vektors in einem Flusskoordinatensystem. Unter dem Ist-Stromwert ist im Rahmen der Offenbarung ein Systemzustand zu verstehen, der durch die Phasen der Motorwicklung fließende elektrische Ströme beschreibt. Vorzugsweise beschreibt der Ist-Stromwert die durch die Phasen fließenden elektrischen Ströme in Form eines Vektors in dem Flusskoordinatensystem. Unter einem Schätzen eines Zustands oder einer Größe ist im Rahmen der Offenbarung eine modellbasierte Bestimmung des Zustands beziehungsweise der Größe zu verstehen, vorzugsweise mittels eines Beobachters. Vorzugsweise weist der Rotor eine Permanentmagnetanordnung mit zumindest einem Permanentmagneten auf. Bei der Maschine handelt sich dann entsprechend um eine permanentmagneterregte Synchronmaschine und der magnetische Rotorfluss wird durch den zumindest einen Permanentmagneten erzeugt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Systemdynamik der Maschine in Flusskoordinaten modelliert wird, und dass der Statorfluss in Abhängigkeit von der modellierten Systemdynamik geschätzt wird. Es ergibt sich daraus der Vorteil, dass ein Schätzfehler im Hinblick auf die Schätzung des Statorflusses auch ohne genaue Kenntnis der Induktivität der Motorwicklung asymptotisch gegen 0 konvergiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Statorfluss durch Schätzen eines dynamischen Zustandsvektors, der den Statorfluss und den Rotorfluss zusammenfasst, geschätzt wird. Der Statorfluss wird also mittelbar geschätzt, nämlich durch Schätzen des Zustandsvektors. Weil für den Rotorfluss das Störmodell minimaler Ordnung festgelegt wird, kann der Statorfluss in Abhängigkeit von dem geschätzten Zustandsvektor dann einfach bestimmt werden.
Vorzugsweise wird der Statorfluss mittels eines Luenberger-Beobachters geschätzt. Es ergibt sich daraus der Vorteil, dass die Fehlerdynamik im Hinblick auf die Schätzung des Statorflusses frei vorgegeben werden kann. Vorzugsweise wird die Fehlerdynamik durch Vorgeben einer Beobachtermatrix vorgegeben, vorzugsweise derart, dass die Fehlerdynamik einerseits stabil ist und andererseits eine gewünschte Konvergenzgeschwindigkeit aufweist. Dabei wird die Beobachtermatrix vorzugsweise mittels eines klassischen Syntheseverfahrens wie beispielsweise eines Polplatzierungsverfahrens oder eines Riccati-Reglers vorgegeben. Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird der Statorfluss vorzugsweise mittels eines Kalman-Filters geschätzt. Es ergeben sich dabei die bereits im Zusammenhang mit dem Luenberger-Beobachter erwähnten Vorteile.
Vorzugsweise wird der Statorfluss in Abhängigkeit von einer Eigendynamik der Maschine, einer ermittelten Ist-Drehzahl des Rotors, einer Induktivität der Motorwicklung und/oder einem elektrischen Widerstand der Motorwicklung geschätzt. Anhand der vorstehend genannten Größen ist eine präzise Schätzung des Statorflusses möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln eines durch eine elektrische Maschine erzeugten Drehmomentes, wobei die Maschine einen Stator mit einer mehrphasigen Motorwicklung und einen drehbar gelagerten Rotor aufweist, zeichnet sich mit den Merkmalen des Anspruchs 6 dadurch aus, dass ein magnetischer Statorfluss der Maschine durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Schätzen des Statorflusses geschätzt wird, und dass in Abhängigkeit von dem geschätzten Statorfluss das durch die Maschine erzeugte Drehmoment ermittelt wird. In elektrischen Maschinen wird häufig kein Drehmomentsensor verbaut. Die genaue Kenntnis des durch die Maschine erzeugten Drehmomentes gewinnt jedoch für zukünftige Anwendungen zunehmend an Bedeutung. Bei genauer Kenntnis der Induktivität der Motorwicklung kann das Drehmoment zwar stromabhängig berechnet werden, bei Abweichungen der Induktivität infolge von Alterung, Temperaturschwankungen oder Prozesstoleranzen entsteht dabei jedoch ein Fehler im Hinblick auf die Berechnung des Drehmomentes. Durch die präzise Schätzung des magnetischen Flusses kann das durch die Maschine erzeugte Drehmoment jedoch stets anhand des Zusammenhangs $T = \frac{3}{2} N_{p} I_{i s t}^{T} Y \hat{ψ}$
berechnet werden. Dabei ist T das erzeugte Drehmoment, N_p die Polpaarzahl des Rotors, I_Ist der ermittelte Ist-Stromwert, Y eine konstante schiefsymmetrische Matrix, die die Eigendynamik der Maschine mitbeschreibt, und ψ̂ der geschätzte magnetische Statorfluss.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Prüfen einer elektrischen Maschine, wobei die Maschine einen Stator mit einer mehrphasigen Motorwicklung und einen drehbar gelagerten Rotor aufweist, zeichnet sich mit den Merkmalen des Anspruchs 7 dadurch aus, dass ein magnetischer Statorfluss der Maschine durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Schätzen des Statorflusses geschätzt wird, dass in Abhängigkeit von dem geschätzten Statorfluss ein elektrischer Stromwert der Motorwicklung geschätzt wird, dass der geschätzte Stromwert mit einem ermittelten Ist-Stromwert der Motorwicklung verglichen wird, und dass in Abhängigkeit von dem Vergleich geprüft wird, ob die Maschine eine Fehlfunktion aufweist. Anhand der Abweichung können Fehlfunktionen beziehungsweise Störungen der Maschine zuverlässig erkannt werden, insbesondere arbeitspunktabhängig.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung, wobei die Antriebseinrichtung zumindest eine elektrische Maschine und eine der Maschine zugeordnete Leistungselektronik aufweist, wobei die Maschine einen Stator mit einer mehrphasigen Motorwicklung und einen drehbar gelagerten Rotor aufweist, zeichnet sich mit den Merkmalen des Anspruchs 8 dadurch aus, dass ein magnetischer Statorfluss der Maschine durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Schätzen des Statorflusses geschätzt wird, dass in Abhängigkeit von einer Drehmomentvorgabe ein magnetischer Soll-Statorfluss für die Maschine vorgegeben wird, und dass die Leistungselektronik derart angesteuert wird, dass der geschätzte Statorfluss dem vorgegebenen Soll-Statorfluss entspricht. Diese Vorgehensweise erlaubt eine Regelung der Maschine in Flusskoordinaten anstatt in Stromkoordinaten. Daraus ergibt sich beispielsweise der Vorteil, dass die Induktivität der Motorwicklung als Parameter nicht mehr in die Dynamik eingeht, sondern die Drehzahl der Maschine und der elektrische Widerstand der Motorwicklung als einzige Parameter verbleiben. Diese Parameter sind präzise schätzbar beziehungsweise messbar.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Schätzen eines magnetischen Statorflusses einer elektrischen Maschine, wobei die Maschine einen drehbar gelagerten Rotor und einen Stator mit einer mehrphasigen Motorwicklung aufweist, zeichnet sich mit den Merkmalen des Anspruchs 9 durch eine Auswerteeinheit aus, die speziell dazu hergerichtet ist, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch das erfindungsgemäße Verfahren zum Schätzen eines magnetischen Statorflusses durchzuführen. Bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Auswerteeinheit wird das erfindungsgemäße Verfahren also in der Auswerteeinheit beziehungsweise durch die Auswerteeinheit durchgeführt. Auch daraus ergeben sich die bereits genannten Vorteile. Weitere bevorzugte Merkmale und Merkmalskonditionen ergeben sich aus der Beschreibung sowie aus den Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße elektrische Antriebseinrichtung weist zumindest eine elektrische Maschine und eine der Maschine zugeordnete Leistungselektronik auf, wobei die Maschine einen Stator mit einer mehrphasigen Motorwicklung und einen drehbar gelagerten Rotor aufweist. Die Antriebseinrichtung zeichnet sich mit den Merkmalen des Anspruchs 10 durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Schätzen eines magnetischen Statorflusses der Maschine aus. Auch daraus ergeben sich die bereits genannten Vorteile. Weitere bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie aus den Ansprüchen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Antriebseinrichtung ist vorgesehen, dass die Maschine als permanentmagneterregte Synchronmaschine ausgebildet ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen

1 eine elektrische Antriebseinrichtung,
2 ein Verfahren zum Schätzen eines magnetischen Statorflusses einer elektrischen Maschine der Antriebseinrichtung und
3 ein Blockschaltbild eines Luenberger-Beobachters.

1 zeigt eine elektrische Antriebseinrichtung 1 in einer schematischen Darstellung. Vorliegend handelt sich bei der Antriebseinrichtung 1 um die Antriebseinrichtung 1 eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs. Die Antriebseinrichtung 1 weist eine elektrische Maschine 2 auf. Die elektrische Maschine 2 weist einen drehbar gelagerten Rotor 3 auf. Der Rotor 3 weist eine Permanentmagnetanordnung 4 mit mehreren Permanentmagneten 5 auf. Die Maschine 2 weist außerdem eine Motorwicklung 6 mit vorliegend 3 Phasen U, V und W auf. Die Motorwicklung 6 ist Teil eines Stators der Maschine 2 und insofern bezogen auf eine Karosserie des Kraftfahrzeugs karosseriefest angeordnet. Die Motorwicklung 6 ist derart verteilt um den Rotor 3 angeordnet, dass der Rotor 3 durch eine geeignete Bestromung der Phasen U, V und W drehbar ist. Aufgrund der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung der Maschine 2 ist die Maschine 2 vorliegend als permanentmagneterregte Synchronmaschine 2 ausgebildet.
Die Antriebseinrichtung 1 weist außerdem einen elektrischen Energiespeicher 7 auf. Die Motorwicklung 6 ist durch eine Leistungselektronik 8 der Antriebseinrichtung 1 mit dem Energiespeicher 7 elektrisch verbunden.
Die Leistungselektronik 8 weist eine der Anzahl an Phasen U, V und W entsprechende Anzahl an Halbbrücken 10 auf. Dabei ist jede der Halbbrücken 10 einer jeweils anderen der Phasen U, V und W zugeordnet. Um eine gewünschte Bestromung der Phasen U, V und W zu ermöglichen, weist jede der Halbbrücken 10 jeweils zumindest einen Highside-Schalter 11 und zumindest einen Lowside-Schalter 12 auf. Vorliegend weist die Leistungselektronik 8 außerdem einen Zwischenkreiskondensator 9 auf.
Die Antriebseinrichtung 1 weist außerdem eine Vorrichtung 13 auf. Die Vorrichtung 13 weist eine in 1 lediglich schematisch dargestellte Spannungssensoreinrichtung 14 auf. Die Spannungssensoreinrichtung 14 ist dazu ausgebildet, elektrische Klemmenpotentiale der Motorwicklung 6 zu erfassen. Hierzu weist die Spannungssensoreinrichtung 14 zumindest einen in 1 nicht dargestellten Spannungssensor auf, vorzugsweise mehrere Spannungssensoren. Die Vorrichtung 13 weist außerdem eine in 1 lediglich schematisch dargestellte Stromsensoreinrichtung 15 auf. Die Stromsensoreinrichtung 15 ist dazu ausgebildet, durch die Phasen U, V und W fließende elektrische Ströme zu erfassen. Hierzu weist die Stromsensoreinrichtung 15 zumindest einen in 1 nicht dargestellten Stromsensor auf, vorzugsweise mehrere Stromsensoren.
Die Vorrichtung 13 weist außerdem eine Auswerteeinheit 16 auf. Die Auswerteeinheit 16 ist kommunikationstechnisch mit der Spannungssensoreinrichtung 14 verbunden. Außerdem ist die Auswerteeinheit 16 kommunikationstechnisch mit der Stromsensoreinrichtung 15 verbunden.
Die Auswerteeinheit 16 ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von den durch die Spannungssensoreinrichtung 14 erfassten elektrischen Klemmenpotentialen einerseits und den durch die Stromsensoreinrichtung 15 erfassten elektrischen Strömen andererseits einen magnetischen Statorfluss Ψ, also einen durch die Motorwicklung 6 erzeugten magnetischen Fluss, zu schätzen. Dies wird nachfolgend anhand der 2 und 3 näher erläutert. Hierzu zeigt 2 ein Verfahren zum Schätzen des magnetischen Statorflusses Ψ anhand eines Flussdiagramms. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Luenberger-Beobachters 17 sowie ein Regelstreckenmodell 18 der Maschine 2. Der Luenberger-Beobachter 17 ist auf bekannte Art und Weise parallel zu dem Regelstreckenmodell 18 geschaltet. Der Luenberger-Beobachter 17 ist Teil der Auswerteeinheit 16 und die Auswerteeinheit 16 schätzt den magnetischen Statorfluss Ψ mittels des Luenberger-Beobachters 17.
In einem ersten Schritt S1 des Verfahrens überwachen die Spannungssensoren der Spannungssensoreinrichtung 14 die elektrischen Klemmenpotentiale der Motorwicklung 6 und stellen der Auswerteeinheit 16 eine Information bezüglich der erfassten elektrischen Klemmenpotentiale bereit. Beispielsweise stellen die Spannungssensoren der Auswerteeinheit 16 ihr Sensorsignal bereit.
In einem zweiten Schritt S2 ermittelt die Auswerteeinheit 16 in Abhängigkeit von den elektrischen Klemmenpotentialen der Motorwicklung 6 einen Ist-Spannungswert U_Ist. Der Ist-Spannungswert U_Ist beschreibt die elektrischen Klemmenpotentiale der Motorwicklung 6 in Form eines Vektors in einem Flusskoordinatensystem. Außerdem stellt die Auswerteeinheit 16 in dem Schritt S2 dem Luenberger-Beobachter 17 den ermittelten Ist-Spannungswert U_Ist bereit.
In einem dritten Schritt S3 überwachen die Stromsensoren der Stromsensoreinrichtung 15 die durch die Phasen U, V und W fließenden elektrischen Ströme und stellen der Auswerteeinheit 16 eine Information bezüglich der erfassten Ströme bereit. Beispielsweise stellen die Stromsensoren der Auswerteeinheit 16 ihr Sensorsignal bereit.
In einem vierten Schritt S4 ermittelt die Auswerteeinheit 16 in Abhängigkeit von den elektrischen Strömen einen Ist-Stromwert I_Ist. Der Ist-Stromwert I_Ist beschreibt die durch die Phasen U, V und W fließenden elektrischen Ströme in Form eines Vektors in dem Flusskoordinatensystem. Außerdem stellt die Auswerteeinheit 16 in dem Schritt S4 dem Luenberger-Beobachter 17 den ermittelten Ist-Stromwert I_Ist bereit.
In einem fünften Schritt S5 schätzt der Luenberger-Beobachter in Abhängigkeit von dem ermittelten Ist-Spannungswert U_Ist einerseits und dem ermittelten Ist-Stromwert I_Ist andererseits den magnetischen Statorfluss ψ der Maschine 2.
Zur Erläuterung dieses Schritts S5 wird nachfolgend die Herleitung der Systemgleichungen des Luenberger-Beobachters 17 erörtert.
Zunächst wird die Systemdynamik der Maschine 2 in Flusskoordinaten modelliert. Dabei wird zunächst von der nachfolgenden Gleichung (1) ausgegangen: $ψ' = - ω Y ψ - R I_{I s t} + U_{I s t}$
Dabei ist ψ der magnetische Statorfluss der Maschine 2, ω eine Ist-Drehzahl des Rotors 3, Y eine konstante schiefsymmetrische Matrix, die eine Eigendynamik der Maschine 2 mitbeschreibt, R eine Matrix, die einen elektrischen Widerstand der Motorwicklung 6 beschreibt, I_Ist der Ist-Stromwert und U_Ist der Ist-Spannungswert. Mit einem „Apostroph“ akzentuierte Größen beschreiben die zeitliche Ableitung der Größe. Mit einem „Dach“ akzentuierte Größen kennzeichnen, dass es sich um geschätzte Größen handelt.
Als Ausgang der Maschine 2 wird der Ist-Stromwert I_Ist betrachtet, der als Funktion des Statorflusses ψ, einer nominalen Induktivität L_dq der Motorwicklung 6 und eines zu schätzenden Fehlerterms p gemäß der nachfolgenden Gleichung (2) modelliert wird. $I_{I s t} = L_{d q}^{- 1} (ψ - p)$
Der Fehlerterm p beschreibt dabei einen den magnetischen Statorfluss ψ überlagernden magnetischen Rotorfluss. Dieser magnetische Rotorfluss wird zumindest im Wesentlichen durch die Permanentmagneten 5 des Rotors 3 erzeugt.
Aus einer Kombination der Gleichungen (1) und (2) wird die nachfolgende Gleichung (3) erhalten, die die Systemdynamik der Maschine 2 beschreibt: $ψ' = (- ω Y + R L_{d q}^{- 1}) ψ - R L_{d q}^{- 1} + U_{I s t}$
Wie in der nachfolgenden Gleichung (4) dargestellt ist, können der Statorfluss ψ und der Fehlerterm p in einem dynamischen Zustandsvektor x zusammengefasst werden: $x = [\begin{matrix} ψ \\ p \end{matrix}]$
Weiterhin wird davon ausgegangen, dass der Fehlerterm p, also der magnetische Rotorfluss, konstant ist. Es wird also zum Schätzen des Statorflusses ψ ein Störmodell minimaler Ordnung für den Rotorfluss p festgelegt. Entsprechend gilt p = 0
Ausgehend von dem vorstehend erläuterten können die nachfolgenden Systemgleichungen (6) und (7) eines Luenberger-Beobachters aufgeschrieben werden: $\hat{x}' = [\begin{matrix} - (ω Y + R L_{d q}^{- 1}) & - R L_{d q}^{- 1} \\ 0 & 0 \end{matrix}] \hat{x} + [\begin{matrix} I_{I s t} \\ 0 \end{matrix}] U_{I s t} + L (y_{I s t} - \hat{y})$
$y = I = [\begin{matrix} L_{d q}^{- 1} & - L_{d q}^{- 1} \end{matrix}] \hat{x}$
Der magnetische Statorfluss ψ wird also durch Schätzen des Zustandsvektors x geschätzt. Weil für den Rotorfluss p ein Störmodell minimaler Ordnung angesetzt wird, kann der Statorfluss ψ in Abhängigkeit von dem geschätzten Zustandsvektor x einfach bestimmt werden.
Wie aus den Gleichungen (6) und (7) ersichtlich ist, schätzt der Luenberger-Beobachter 17 den magnetischen Statorfluss ψ auch in Abhängigkeit von der Ist-Drehzahl ω des Rotors 3 der Maschine 2, der Induktivität L_dq der Motorwicklung 6 und dem elektrischen Widerstand R der Motorwicklung 6.
Dabei beschreiben in den Gleichungen (6) und (7) der Term $A = [\begin{matrix} - (ω Y + R L_{d q}^{- 1}) & - R L_{d q}^{- 1} \\ 0 & 0 \end{matrix}]$
den Block A des Luenberger-Beobachters 17 beziehungsweise die Eigendynamik der Maschine 2, der Term $B = [\begin{matrix} I_{I s t} \\ 0 \end{matrix}]$
den Block B des Luenberger-Beobachters 17 und der Term $C = [\begin{matrix} L_{d q}^{- 1} & - L_{d q}^{- 1} \end{matrix}]$
den Block C des Luenberger-Beobachters 17.
In Gleichung (6) ist weiterhin L eine vorgebbare Beobachtermatrix, anhand der eine Gewichtung des Schätzfehlers e = y - ŷ vorgenommen wird. Vorzugsweise wird die Beobachtermatrix L derart vorgegeben, dass eine resultierende Fehlerdynamik $e' = (A - L C) e$
stabil ist und eine gewünschte Konvergenzgeschwindigkeit aufweist.
Vorzugsweise wird in Abhängigkeit von dem geschätzten Statorfluss ψ̂ ein durch die Maschine 2 erzeugtes Drehmoment ermittelt. Besonders bevorzugt wird das Drehmoment gemäß der nachfolgenden Gleichung (9) ermittelt: $T = \frac{3}{2} N_{p} I_{i s t}^{T} Y \hat{ψ}$
Dabei ist T das erzeugte Drehmoment, N_p die Polpaarzahl des Rotors, I_Ist der ermittelte Ist-Stromwert, Y die konstante schiefsymmetrische Matrix, die die Eigendynamik der Maschine mitbeschreibt, und ψ̂ der geschätzte magnetische Statorfluss.
Vorzugsweise wird in Abhängigkeit von dem geschätzten Statorfluss ψ̂ geprüft, ob die Maschine 2 eine Fehlfunktion aufweist. Vorzugsweise wird hierzu in Abhängigkeit von dem geschätzten magnetischen Statorfluss ψ̂ der elektrische Stromwert I geschätzt, sodass ein geschätzter Stromwert Î erhalten wird. Der geschätzte Stromwert Î wird dann mit dem ermittelten Ist-Stromwert I_Ist verglichen und in Abhängigkeit von dem Vergleich, besonders bevorzugt in Abhängigkeit von einer Abweichung des geschätzten Stromwertes Î von dem ermittelten Ist-Stromwert I_Ist wird geprüft, ob die Maschine 2 eine Fehlfunktion aufweist. Dabei entspricht die Abweichung dem vorstehend bereits erwähnten Term $y_{I s t} - \hat{y} .$
Die Vorrichtung 13 weist außerdem eine Steuereinheit 19 auf. Die Steuereinheit 19 ist kommunikationstechnisch mit der Auswerteeinheit 16 verbunden und die Auswerteeinheit 16 stellt der Steuereinheit 19 den geschätzten Statorfluss ψ̂ bereit. Vorliegend sind die Auswerteeinheit 16 und die Steuereinheit 19 Teil desselben Steuergerätes 20. Die Steuereinheit 19 ist dazu ausgebildet, die Schalter 11 und 12 der Halbbrücken 10 der Leistungselektronik 8 anzusteuern. Vorzugsweise gibt die Steuereinheit 19 in Abhängigkeit von einer Drehmomentvorgabe einen Soll-Statorfluss ψ_Soll für die Maschine 2 vor und steuert die Schalter 11 und 12 derart an, dass der geschätzte Statorfluss ψ̂ dem Soll-Statorfluss ψ_Soll entspricht. Die Drehmomentvorgabe wird dabei beispielsweise in Abhängigkeit von einer Betätigung eines Gaspedals des Kraftfahrzeugs oder dergleichen bereitgestellt.

Claims

Verfahren zum Schätzen eines magnetischen Statorflusses einer elektrischen Maschine, wobei die Maschine (2) einen Stator mit einer mehrphasigen Motorwicklung (6) und einen drehbar gelagerten Rotor (3) aufweist, wobei ein elektrischer Ist-Spannungswert (U_Ist) der Motorwicklung (6) und ein elektrischer Ist-Stromwert (I_Ist) der Motorwicklung (6) ermittelt werden, und wobei der magnetische Statorfluss (Ψ) in Abhängigkeit von dem ermittelten Ist-Spannungswert (U_Ist) einerseits und dem ermittelten Ist-Stromwert (I_Ist) andererseits geschätzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schätzen des Statorflusses (Ψ) ein Störmodell minimaler Ordnung für einen den Statorfluss (Ψ) überlagernden magnetischen Rotorfluss (p) festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Systemdynamik der Maschine (2) in Flusskoordinaten modelliert wird, und dass der Statorfluss (Ψ) in Abhängigkeit von der modellierten Systemdynamik geschätzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorfluss (Ψ) durch Schätzen eines dynamischen Zustandsvektors (x), der den Statorfluss (Ψ) und den Rotorfluss (p) zusammenfasst, geschätzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorfluss (Ψ) mittels eines Luenberger-Beobachters (17) geschätzt wird, oder dass der Statorfluss (Ψ) mittels eines Kalman-Filters geschätzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorfluss (Ψ) in Abhängigkeit von einer Eigendynamik (A) der Maschine (2), einer ermittelten Ist-Drehzahl (ω) des Rotors (3), einer Induktivität (L_dq) der Motorwicklung (6) und/oder einem elektrischen Widerstand (R) der Motorwicklung (6) geschätzt wird.
Verfahren zum Ermitteln eines durch eine elektrische Maschine erzeugten Drehmomentes, wobei die Maschine (2) einen Stator mit einer mehrphasigen Motorwicklung (6) und einen drehbar gelagerten Rotor (3) aufweist, wobei ein magnetischer Statorfluss (Ψ) der Maschine durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 geschätzt wird, und wobei in Abhängigkeit von dem geschätzten Statorfluss (Ψ) das durch die Maschine (2) erzeugte Drehmoment (T) ermittelt wird.
Verfahren zum Prüfen einer elektrischen Maschine, wobei die Maschine (2) einen Stator mit einer mehrphasigen Motorwicklung (6) und einen drehbar gelagerten Rotor (3) aufweist, wobei ein magnetischer Statorfluss (Ψ) der Maschine (2) durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 geschätzt wird, wobei in Abhängigkeit von dem geschätzten Statorfluss (Ψ) ein elektrischer Stromwert (I) der Motorwicklung (6) geschätzt wird, wobei der geschätzte Stromwert (Î) mit einem ermittelten Ist-Stromwert (I_Ist) der Motorwicklung (6) verglichen wird, und wobei in Abhängigkeit von dem Vergleich geprüft wird, ob die Maschine (2) eine Fehlfunktion aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Antriebseinrichtung, wobei die Antriebseinrichtung (1) zumindest eine elektrische Maschine (2) und eine der Maschine (2) zugeordnete Leistungselektronik (8) aufweist, wobei die Maschine (2) einen Stator mit einer mehrphasigen Motorwicklung (6) und einen drehbar gelagerten Rotor (3) aufweist, wobei ein magnetischer Statorfluss (Ψ) der Maschine (2) durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 geschätzt wird, wobei in Abhängigkeit von einer Drehmomentvorgabe ein magnetischer Soll-Statorfluss (Ψ_Soll) für die Maschine (2) vorgegeben wird, und wobei die Leistungselektronik (8) derart angesteuert wird, dass der geschätzte Statorfluss (Ψ̂) dem vorgegebenen Soll-Statorfluss (Ψ_Soll) entspricht.
Vorrichtung zum Schätzen eines magnetischen Statorflusses einer elektrischen Maschine, wobei die Maschine (2) einen drehbar gelagerten Rotor (3) und einen Stator mit einer mehrphasigen Motorwicklung (6) aufweist, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit (16), die speziell dazu hergerichtet ist, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen.
Elektrische Antriebseinrichtung, aufweisend zumindest eine elektrische Maschine (2) und eine der Maschine (2) zugeordnete Leistungselektronik (8), wobei die Maschine (2) einen Stator mit einer mehrphasigen Motorwicklung (6) und einen drehbar gelagerten Rotor (3) aufweist, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (13) gemäß dem vorhergehenden Anspruch zum Schätzen eines magnetischen Statorflusses (Ψ) der Maschine (2).
Elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (2) als permanentmagneterregte Synchronmaschine (2) ausgebildet ist.