DE60036665T2

DE60036665T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestromung der Statorwindungen einer drehenden elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE60036665T2
Application number: DE60036665T
Authority: DE
Inventors: Joseph Gerald St. Charles Marcinkiewicz
Original assignee: Emerson Electric Co
Current assignee: Emerson Electric Co
Priority date: 1999-06-17
Filing date: 2000-06-19
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2020-06-20
Also published as: EP1061640A3; DE60036665T3; EP1061640B1; KR20010066851A; JP2001025280A; EP1061640A2; US6326750B1; ATE375621T1; EP1061640B2; DE60036665D1; KR100790914B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Bestromung von Statorwicklungen einer rotierenden elektromagnetischen Maschine. Die Erfindung bezieht sich insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, auf eine solche Bestromung zur aktiven Reduktion der Drehmomentwelligkeit in rotierenden elektrischen Maschinen.
Viele elektromagnetische Maschinen im allgemeinen und Permanentmagnet-Elektromotoren im besonderen weisen Drehmomentunregelmäßigkeiten auf, wenn sich der Rotor in Bezug auf den Stator dreht. Derartige Unregelmäßigkeiten führen zu einem ungleichmäßigen Drehmomentausgang und demgemäß zu einer ungleichmäßigen Drehung des Rotors. Diese Drehmomentunregelmäßigkeiten können durch den mechanischen Aufbau einer bestimmten Maschine bedingt sein. Sie können beispielsweise auf eine ungleichmäßige Reibung in einem Lager in einer bestimmten Rotorposition zurückzuführen sein oder darauf, dass aufgrund der elektromagnetische Merkmale der Maschine der Rotor dazu neigt, bestimmte Winkelpositionen in Bezug auf den Stator zu bevorzugen, auch wenn der Stator nicht bestromt wird. Diese Drehmomentunregelmäßigkeiten aufgrund der elektromagnetischen Merkmale einer elektromagnetischen Maschine sind allgemein als „Cogging"- oder „Rast"-Unregelmäßigkeiten bekannt, und die resultierende ungleichmäßige Rotation des Rotors bzw. der ungleichmäßige Drehmomentausgang ist als „Cogging" („Hängen bleiben") bekannt.
In Permanentmagnetmaschinen resultiert Cogging häufig aus der mechanischen Konstruktion der Maschine. Insbesondere führt der Einsatz von Rotoren mit separaten Nord- und Süd-Außenpolen zu einer Umfangsverteilung des Magnetflusses über den Umfang des Rotors, die nicht gleichmäßig, sondern ruckartig erfolgt. Darüber hinaus sind die mit solchen Maschinen üblicherweise verwendeten Statoren so ausgebildet, dass die von den Statorwicklungen erzeugten Magnetflüsse eine Flussverteilung über den Statorumfang bewirken, die ungleichförmig ist. Die Kombination solcher Rotoren und Statoren und die damit einhergehenden ungleichförmigen Flussverteilungen erzeugen unerwünschte Cogging-Unregelmäßigkeiten. Rotorausgangsungleichmäßigkeiten können auch durch Gegen-EMK-Harmonische erzeugt werden, die in bestimmten Maschinen produziert werden.
Für viele Motoranwendungen hat die durch Drehmomentunregel mäßigkeiten verursachte leichte Ungleichmäßigkeit bei der Rotation des Rotors nur geringe oder gar keine Auswirkungen. Bei großen Motoren, die große Lasten antreiben, beeinflussen beispielsweise leichte Veränderungen des Ausgangsdrehmoments die Rotorgeschwindigkeit nicht wesentlich, und geringe Veränderungen der Rotorgeschwindigkeit haben kaum Auswirkungen auf das von der Maschine angetriebene System. Bei anderen Anwendungen, wo die Rotation des Rotors oder der Drehmoment-Ausgang des Motors exakt gesteuert oder gleichmäßig sein muss, ist eine derartige Ungleichmäßigkeit inakzeptabel. Beispielsweise bei Servomotoren, die in elektrischen Kraftlenksystemen und in Plattenlaufwerken verwendet werden, muss der Rotationsausgang des Rotors bzw. der Drehmomentausgang des Motors gleichförmig sein und darf keine signifikanten Schwankungen aufweisen. Bei vielen solchen Anwendungen liegt die maximale akzeptable Spitze-zu-Spitze-Drehmomentwelligkeit oder Rotationsgeschwindigkeitswelligkeit als Prozentanteil der mittleren Volllast in der Größenordnung von nur 1% bis 2%. Da solche Maschinen typischerweise kleine Rotoren mit relativ geringer Masse aufweisen, können sich Drehmomentunregelmäßigkeiten einer relativ geringen Größenordnung negativ auf die Leistung der Maschine auswirken.
Ansätze des Standes der Technik zur Verringerung der unerwünschten Folgen von Drehmomentunregelmäßigkeiten in elektromagnetischen Maschinen konzentrierten sich in erster Linie auf relativ komplizierte Rotor- und Statorkonstruktionen zur Ausschaltung der physikalischen Merkmale der Maschinen, die ansonsten zur Unregelmäßigkeiten führen würden. Die Ansätze des Standes der Technik hinsichtlich Maschinenkonstruktion können zwar eine Reduktion von Drehmomentunregelmäßigkeiten herbeiführen, jedoch erfordern die Ansätze den Entwurf und die Konstruktion von komplizierten Rotor- und Statorkomponenten, und solche komplizierten Komponenten sind typischerweise schwierig zu entwerfen, schwierig anzufertigen und viel teurer in der Herstellung als herkömmlich konstruierte Komponenten. Außerdem bewirken viele der physikalischen Änderungen aufgrund solcher Lösungen des Standes der Technik einen signifikanten Rückgang der Effizienz oder anderer Leistungsparameter der resultierenden Maschinen gegenüber vergleichbaren herkömmlichen Maschinen. Somit gehen viele Versuche des Standes der Technik, Drehmomentunregelmäßigkeiten zu reduzieren, auf Kosten der Maschinen leistung. Die Publikation „A DSP-based instantaneous torque control strategy for interior permanent magnet synchronous motor drive with wide speed range and reduced torque ripples", 1996 in IEEE veröffentlicht, beschreibt ein Steuer- bzw. Regelschema für PM-Motoren im d,q-Referenzrahmen basierend auf Verweistabellen.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Verfahrens und einer verbesserten Vorrichtung zur Reduktion der negativen Auswirkungen von Drchmomentunregelmäßigkeiten, welche die beschriebenen und andere Einschränkungen in Zusammenhang mit dem Stand der Technik nicht aufweisen.
Die vorliegende Erfindung ist in den angeschlossenen unabhängigen Patentansprüchen definiert. Einige bevorzugte Merkmale sind in den Unteransprüchen aufgezählt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung bzw. Regelung der Bestromung der Statorwicklungen einer rotierenden elektromagnetischen Maschine, um jede Tendenz des Rotors, bestimmte Winkelpositionen relativ zum Statur anderen Winkelpositionen vorzuziehen, aktiv zu unterbinden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren umfassend das Erzeugen einer elektrischen Darstellung der Winkelposition des Rotors in Bezug auf den Statur; das Steuern bzw. Regeln der Speisung oder Bestromung der Statorwicklungen als Reaktion auf die elektrische Darstellung des Rotors in Bezug auf den Statur, um der Tendenz des Rotors, bestimmte Winkelpositionen in Bezug auf den Statur anderen Winkelpositionen vorzuziehen, aktiv entgegenzuwirken.
In einer Form sieht die Erfindung eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung zur Bestromung der Statorwicklungen einer rotierenden elektromagnetischen Maschine zwecks Schaffung eines gleichförmigen Ausgangsdrehmoments vor, welche Maschine einen Rotor enthält, der bestimmte Winkelpositionen in Bezug auf den Statur anderen Positionen vorzieht, wobei die Steuer- bzw. Regeleinrichtung eine Drehmoment-Sperrschaltung aufweist, die als Eingang eine Darstellung der Winkelposition des Rotors in Bezug auf den Statur empfängt und an einem Ausgang einen Bestromungsbefehl entsprechend einer Tendenz des Rotors zur Bevorzugung der empfangenen Winkelposition erzeugt; eine Bestromungsschaltung, die auf den Ausgang der Drehmoment-Sperrschaltung anspricht und die Statorwicklungen der rotierenden elektromagnetischen Maschine speist, um die Tendenz des Rotors zur Bevorzugung der empfangenen Winkelposition zu kompensieren und so ein gleichförmiges Ausgangsdrehmoment vorzusehen.
Die Bestromungsschaltung empfängt als Eingang ein Signal entsprechend einem gewünschten Ausgangsparameter der Maschine, wobei die Bestromung die Statorwicklungen der Maschine speist, um einen Ausgang entsprechend dem gewünschten Ausgangsparameter zu erzeugen.
Der gewünschte Ausgangsparameter kann das gewünschte Ausgangsdrehmoment der Maschine bei Betreiben derselben als Motor repräsentieren.
Ebenfalls erfindungsgemäß ist ein Steuersystem zur Lieferung eines gleichförmigen Ausgangsdrehmoments vorgesehen, mit einer rotierenden elektromagnetischen Maschine mit einem Stator, einer Mehrzahl von im Stator angeordneten Statorwicklungen und einem Rotor, der zur Bevorzugung bestimmter Winkelpositionen in Bezug auf den Stator gegenüber anderen Positionen neigt; einen Rotorpositionsdetektor zur Lieferung eines Rotorpositionssignals, das die Winkelposition des Rotors in Bezug auf den Stator anzeigt; und eine mit den Statorwicklungen gekoppelte Steuer- bzw. Regeleinrichtung, wobei die Steuer- bzw. Regeleinrichtung als Eingänge ein Eingangs-Befehlssignal und das Rotorpositionssignal empfängt und als Reaktion auf die Eingänge elektrische Energie zur Speisung der Statorwicklungen liefert, wobei die Steuer- bzw. Regeleinrichtung folgendes aufweist: eine Drehmoment-Steuer- bzw. Regelschaltung, die das Eingangs-Befehlssignal empfängt und ein Maschinenbestromungssignal entsprechend dem Eingangs-Befehlssignal erzeugt; ein Drehmoment-Sperrsignal, welches als Eingang das Rotorpositionssignal empfängt und ein Drehmoment-Sperrsignal entsprechend der Tendenz des Rotors zur Bevorzugung der Winkelposition entsprechend dem empfangenen Rotorpositionssignal erzeugt; ein Bestromungsschaltsystem zur Bestromung der Statorwicklungen als Reaktion auf das Drehmoment-Befehlssignal und das Drehmoment-Sperrsignal zum Vorsehen eines gleichförmigen Ausgangsdrehmoments.
Die rotierende elektromagnetische Maschine kann ein Permanentmagnetmotor sein.
Die Drehmoment-Steuer- bzw. Regelschaltung kann eine Verweistabelle enthalten, die als Eingang das Rotorpositionssignal empfängt.
Die Verweistabelle kann als Eingang das Soll-Drehmomentsignal empfangen.
In einer Form entspricht das Drehmoment-Sperrsignal dem Strom, der zur Erzeugung eines Drehmoments aus der rotierenden elektromagnetischen Maschine erforderlich ist, die einer Tendenz des Rotors zur Bevorzugung der Winkelposition des Rotors entgegenwirkt.
Das Eingangs-Steuersignal kann Strömen entsprechen, die zur Erzeugung eines gewünschten Ausgangsdrehmoments der rotierenden elektromagnetischen Maschine erforderlich sind, wobei die Steuer- bzw. Regeleinrichtung weiters eine Summierschaltung zum Summieren des Eingangs-Befehlssignals und des Drehmoment-Sperrsignals aufweist, um ein zusammengesetztes Strom-Befehlssignal zu liefern, wobei das Bestromungsschaltsystem als Eingang den zusammengesetzten Srombefehl empfängt.
In einer Form weist die Steuer- bzw. Regeleinrichtung einen programmierten Digitalprozessor auf.
Die Steuer- bzw. Regeleinrichtung kann beispielsweise in einem rotierenden Referenzrahmen arbeiten.
Die Erfindung erstreckt sich auf eine Drehmoment-Sperrschaltung zur Einstellung von Stromrückkopplungssignalen aus einer rotierenden elektromagnetischen Maschine für die Erzeugung von eingestellten Rückkopplungssignalen zur Verwendung durch eine herkömmliche Motorsteuer- bzw. -regelschaltung unter der Ausnutzung von Stromrückkopplungsströmen, wobei die Maschine einen Stator, eine Mehrzahl von im Stator angeordneten Statorwicklungen und einen Rotor aufweist, der dazu tendiert, bestimmte Winkelpositionen in Bezug auf den Stator anderen Positionen zu bevorzugen, wobei die Drehmoment-Sperrschaltung folgendes aufweist: eine Kompensationsschaltung, die als Eingang eine Darstellung der Winkelposition des Rotors in Bezug auf den Stator empfängt und an einem Ausgang Kompensationsstromsignale entsprechend dem zur Löschung der Tendenz des Rotors zur Bevorzugung der empfangenen Winkelposition erforderlichen Strom erzeugt; und eine Summierschaltung, die als Eingänge die Stromrückkopplungssignale aus der Maschine und die Kompensationsstromsignale empfängt und diese Eingangsignale summiert, um kompensierte Stromwerte zur Lieferung an die herkömmliche Motorsteuer- bzw. Regelschaltung zu erzeugen.
Die Ausgangs-Kompensationsstromsignale können eine positive Anzeige des Stroms liefern, der fließen sollte, um die Tendenz des Rotors zur Bevorzugung der empfangenen Winkelposition aktiv zu löschen, wobei die Summierschaltung die Stromrückkopplungssignale mit dem Negativwert der Kompensationsstromsignale summiert.
Die Kompensationsschaltung kann als Eingang ein Signal entsprechend dem gewünschten Ausgangsdrehmoment der Maschine empfangen.
Ein System zur Steuerung bzw. Regelung eines Motors gemäß der Erfindung mit einem Rotor, der bestimmte Winkelpositionen anderen gegenüber bevorzugt, umfasst ein Rotorpositionsdetektionsmittel zur Erzeugung eines Rotorpositionssignals, das die Winkelposition des Rotors repräsentiert; ein Drehmoment-Sperrmittel, welches auf das Rotorpositionssignal anspricht, um ein Bestromungssignal zu erzeugen, das mit dem Grad variiert, zu welchem der Rotor die empfangene Rotorposition anderen Rotorpositionen vorzieht; ein auf das Bestromungssignal ansprechendes Bestromungsmittel zur Speisung des Motors derart, dass ein Ausgangsdrehmoment erzeugt wird, das jeder Bevorzugung bestimmter Winkelpositionen durch den Rotor entgegenwirkt.
In einer Form entspricht das Bestromungssignal einem steuer- bzw. regelbaren Parameter der Maschine, der im α,β,0-Referenzrahmen repräsentiert ist, wobei das Bestromungsmittel ein Reglerfunktionselement enthält, das eine Maschinenregelung im α,β,0-Referenzrahmen implementiert.
Alternativ entspricht das Bestromungssignal einem steuer- bzw. regelbaren Parameter der Maschine, der in einem rotierenden Referenzrahmen repräsentiert ist, welcher synchron mit dem Gegen-EMK der Maschine rotiert, wobei das Bestromungsmittel ein Reglerfunktionselement enthält, das eine Maschinenregelung im rotierenden Referenzrahmen implementiert.
Das Bestromungsmittel kann ein Reglerfunktionselement enthalten, das die Maschinenregelung in einem rotierenden Referenzrahmen implementiert, der sich synchron mit der physikalischen Rotation des Rotors in Bezug auf den Statur dreht, oder das Bestromungsmittel enthält ein Reglerfunktionselement, das die Maschinenregelung in einem rotierenden Referenzrahmen implementiert, der sich synchron mit den Phasenströmen dreht, die ein gleichförmiges Drehmoment erzeugen würden, wenn der Rotor der Maschine keine Tendenz zeigte, bestimmte Winkelpositionen anderen gegenüber zu favorisieren, oder das Bestromungsmittel enthält ein Reglerfunktionselement, das die Maschinenregelung in einem rotierenden Referenzrahmen implementiert, der sich synchron mit einer Kombination aus Gegen-EMK und der Tendenz des Rotors der Maschine zur Bevorzugung einer bestimmten Winkelpositionen anderen gegenüber dreht, oder das Bestromungsmittel enthält ein Reglerfunktionselement, das die Maschinenregelung in einem rotierenden Referenzrahmen implementiert, der sich synchron mit Drehmoment erzeugenden Komponenten des Stroms dreht, oder das Bestromungsmittel enthält ein Reglerfunktionselement, das die Maschinenregelung in einem rotierenden Referenzrahmen implementiert, der sich synchron mit dem Bestromungssignal dreht, oder das Bestromungsmittel enthält ein Reglerfunktionselement, das die Maschinenregelung durch Verwendung von Speisungen implementiert, die in einer minimalen Welligkeitsempfindlichkeit für Wellensensorfehler resultieren, oder das Bestromungsmittel enthält ein Reglerfunktionselement, das die Maschinenregelung unter Verwendung von Speisungen implementiert, die das maximale Drehmoment pro Summe aus EMK-Phasenströmen erzeugen, oder das Bestromungsmittel enthält ein Reglerfunktionselement, das die Maschinenregelung unter Verwendung von Speisungen implementiert, die eine minimale Außenleiterspannung bei Aufrechterhaltung eines gleichförmigen Drehmoments erfordern, oder das Bestromungsmittel enthält ein Reglerfunktionselement (Transformation), das die Maschinenregelung in einem rotierenden Referenzrahmen implementiert, der sich synchron mit den Stromspeisungen mit gleichförmigem Drehmoment dreht, welche die „Cogging-Sperr"-Komponente und Drehmoment erzeugende Komponenten enthalten.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform ist eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung zur Bestromung der Statorwicklungen einer rotierenden elektromagnetischen Maschine zwecks Schaffung eines gleichförmigen Ausgangsdrehmoments vorgesehen, wobei die Maschine einen Rotor enthält, der bestimmte Winkelpositionen in Bezug auf den Stator anderen Positionen vorzieht, eine Drehmoment-Sperrschaltung, die als Eingang eine Darstellung der Winkelposition des Rotors in Bezug auf den Stator empfängt und an einem Ausgang einen Bestromungsbefehl entsprechend einer Tendenz des Rotors zur Bevorzugung der empfangenen Winkel position erzeugt; und eine Bestromungsschaltung, die auf den Ausgang der Drehmoment-Sperrschaltung anspricht, welche die Statorwicklungen der rotierenden elektromagnetischen Maschine so speist, dass ein gleichförmiges Ausgangsdrehmoment vorgesehen wird.
Die Erfindung lässt sich auf verschiedene Arten in die Praxis umsetzen, wobei einige davon nunmehr unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen beispielhaft beschrieben werden, worin:
1 ein System 10 veranschaulicht, das gemäß bestimmten Lehren der vorliegenden Offenbarung ausgebildet ist;
2 eine Darstellung von Gegen-EMK-Messdaten (Phasendaten) einer Phase eines beispielhaften Dreiphasen-Permanentmagnetmotors mit zwölf Schlitzen und acht Polen (12s8p-PM-Maschine) ist;
3 eine Darstellung von Cogging-Drehmoment-Messdaten für die zur Erzeugung der in 2 wiedergegebenen Daten verwendete 12s8p-PM-Maschine ist;
4 Gegen-EMK-Daten aus 2 und ein beispielhaftes Fit, dividiert durch 100, zusammen mit einem Fit-Fehler zeigt;
5 eine beispielhafte grafische Darstellung der Größenordnung der FFT der in 3 dargestellten Cogging-Drehmomentdaten ist;
6 eine repräsentative Darstellung der Cogging-Daten der 3/10, ein beispielhaftes Fit/10 und einen Fit-Fehler zeigt;
7 eine beispielhafte grafische Darstellung von entsprechenden Regelströmen für den in den 2 und 3 dargestellten beispielhaften Motor als Funktion der Winkelposition des Rotors (mechanisch) ist;
8 eine beispielhafte grafische Darstellung des Drehmoments der Welle unter Verwendung der aktiver Cogging-Sperre und des Cogging-Drehmoments für ein beispielhaftes System veranschaulicht, das gemäß bestimmter in der vorliegenden Offenbarung zu findender Lehren ausgebildet ist;
9 eine beispielhafte grafische Darstellung von entsprechenden Regelströmen und des Ausgangsdrehmoments, multipliziert mit 10, für einen 3 N·m-Ausgang für die in den 2 und 3 dargestellte Maschine ist;
10 beispielhaft Cogging-Sperrspeisungen mit minimaler Empfindlichkeit, erwünschte Regelströme Ia, Ib und Ic, eine bei spielhafte Gegen-EMK-Wellenform und einen beispielhaften Drehmomentausgang, multipliziert mit 10, für ein System enthaltend die Maschine mit den Merkmalen der 2 und 3 darstellt;
11 FFTs für beispielhafte idealisierte Regelströme veranschaulicht, die zur Steuerung bzw. Regelung des durch die Daten der 2 und 3 charakterisierten beispielhaften Motors verwendet werden können;
12 eine grafische Darstellung von beispielhaften idealisierten Phase-A-Regelströmen ist, die zur Steuerung bzw. Regelung des durch die grafischen Darstellungen der 2 und 3 charakterisierten beispielhaften Motors verwendet werden können;
13 eine grafische Darstellung der für die Regelströme der 12 erzeugten Ausgangsdrehmomente zeigt;
14 eine grafische Darstellung des Prozentanteils der Welligkeit unter dem Sensor-Fehler in elektrischen Graden für zwei Lösungen mit minimaler Empfindlichkeit und die minimale Effektivstromlösung ist, die zur Steuerung bzw. Regelung des in den grafischen Darstellungen der 2 und 3 dargestellten beispielhaften Motors verwendet werden können;
15A, 15B und 16 beispielhafte Steuer- bzw. Regeleinrichtungen zeigen, bei denen die aktive Cogging-Sperre verwendet wird, um unerwünschte Drehmomentunregelmäßigkeiten zu verringern oder auszuschalten;
17 eine Darstellung von repräsentativen Drehmoment-Sperrströmen (oder Anti-Cogging-Strömen) ist, die von den Steuer- bzw. Regeleinrichtungen der 15 und 16 erzeugt werden können;
18 beispielhafte Darstellung von repräsentativen Drehmoment erzeugenden Strömen darstellt, die von den Steuer- bzw. Regeleinrichtungen der 15 und 16 erzeugt werden können;
19 eine beispielhafte Steuer- bzw. Regeleinrichtung zeigt, die gemäß bestimmten Lehren der vorliegenden Offenbarung ausgebildet sind und in denen die Drehmoment-Sperrspeisung zu den Spannungsausgängen aus einem Reglerfunktionselement addiert wurde;
20 beispielhafte Stromlösungen vorsieht, die mit der die in den 2 und 3 veranschaulichten Cogging- und Drehmoment-Signaturen aufweisenden Maschine verwendet werden können, um einen gewünschten –4 N·m-Ausgang zu erzeugen;
21 eine grafische α,β-Ebenen-Darstellung für verschiedene Stromlösungen in einem rotierenden Referenzrahmen zeigt, wobei die 0-Sequenzströme ignoriert werden;
22 ein beispielhaftes Steuer- bzw. Regelsystem auf α,β,0-Basis zur Bereitstellung einer aktiven Reduktion von Drehmomentunregelmäßigkeiten zeigt, das gemäß bestimmten in der vorliegenden Offenbarung enthaltenen Lehren ausgebildet ist;
23 eine grafische Darstellung der Q-Wellenform (realer Anteil) und der D-Wellenform (imaginärer Anteil) (mit der 0-Sequenzkomponente Null) für zwei beispielhafte Ausgangsdrehmomente (0 N·m und 2 N·m) für einen Motor ist, der von einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung betrieben wird, die in einem bestimmten, Q,D,0-Referenzrahmen arbeitet;
24 verschiedene Ausgangsdrehmomente veranschaulicht, die durch den Einsatz des Steuer- bzw. Regelsystems der 22 erzielt werden können;
25 und 26 allgemeine Abbildungen eines Steuer- bzw. Regelsystems unter Verwendung eines rotierenden QD0-Referenzrahmens sind, der gemäß bestimmten in der vorliegenden Offenbarung zu findenden Lehren ausgebildet ist; und
27 eine gemäß bestimmten Lehren der vorliegenden Offenbarung ausgebildete beispielhafte Steuer- bzw. Regeleinrichtung zur Steuerung bzw. Regelung von Motoren, die in nicht-linearen Bereichen arbeiten, veranschaulicht.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere 1 ist ein System 10 gezeigt, das die an eine elektromagnetische Maschine gelieferte elektrischen Leistung aktiv steuert bzw. regelt, so dass die negativen Folgen von Drehmomentunregelmäßigkeiten, die ansonsten von der Maschine erzeugt würden, reduziert oder ausgeschaltet werden.
Das System 10 enthält eine elektromagnetische Maschine 12 und einen Treiber 14 zur Lieferung von elektrischer Leistung an die elektromagnetische Maschine. Die elektromagnetische Maschine 12 kann eine rotierende Maschine mit Drehmomentunregelmäßigkeiten sein. In 1 ist die Maschine 12 beispielsweise ein Permanentmagnetmotor herkömmlicher Bauart, der eine sich drehende Komponente (einen „Rotor") und eine stationäre Komponente (einen „Stator") aufweist. Um den Statur gewickelt ist eine Anzahl von bestrombaren Statorwicklungen, die durch Anlegen von elektrischer Leistung an die Anschlussklemmen 15, 16 und 17 erregt werden können.
Die Maschine 12 ist zwar als Permanentmagnetmotor beschrieben, doch der Fachmann mit dem Nutzen der vorliegenden Offenbarung wird erkennen, dass andere Formen von elektromagnetischen Maschinen ebenso verwendet werden können, ohne von den hierin enthaltenen Lehren abzuweichen.
Der Treiber 14 ist zur Lieferung von elektrischer Leistung an die Anschlussklemmen 15, 16, 17 des Motors 12 geschaltet. Der Treiber 14 ist weiters so geschaltet, dass er vom Motor 12 eine Rückkopplung in Form von Rotorpositionsinformationen 18 und eine Bestromungsrückkopplung 19 empfängt. Es können auch andere Rückkopplungsinformationen an den Treiber 14 geliefert werden. Während der Treiber 14 in der beispielhaften Form so dargestellt ist, dass er drei Leistungsanschlüsse zum Motor 12 aufweist, sollte klar sein, dass auch mehr oder weniger Leistungsanschlüsse vorgesehen sein können, um Motoren oder Maschinen mit mehr als drei Phasen oder weniger als drei Phasen zu versorgen, oder wenn verschiedene Arten von Wechselrichtern (z. B. mit neutralen Anschlüssen) eingesetzt werden.
Die Bestromungs-(Erregungs-)rückkopplung 19 sollte eine Anzeige der Betriebsmerkmale des Motors 12 liefern und kann beispielsweise Rückkopplungen betreffend die in den Statorwicklungen fließenden Ströme und/oder die Spannungen an den Anschlussklemmen 15, 16 und 17 enthalten. Die Positions- und Bestromungsparameter können mit Hilfe von herkömmlichen Detektoren wie Standard-Rotorpositionsdetektoren und/oder Standard-Strom/Spannungssensoren ermittelt werden. In alternativen Ausführungsformen werden die Rotorpositions- und Rückkopplungsparameter nicht direkt detektiert, sondern mittels bekannter Methoden berechnet oder geschätzt. Zum Beispiel dort, wo nur die Anschlussspannungen bekannt sind oder zusammen mit den durch die Statorwicklungen des Motors 12 fließenden Strömen abgetastet werden und die abgetasteten Strom- und Spannungswerte dazu verwendet werden, Rotorpositionsinformationen abzuleiten.
Der Treiber 14 empfängt auch Eingangs-Befehlssignale 13, die einem gewünschten Ausgangsparameter des Motors 12 wie der Rotorgeschwindigkeit, dem Ausgangsdrehmoment etc. entsprechen.
Wie nachstehend detaillierter beschrieben, steuert bzw. regelt der Treiber 14 das Anlegen von elektrischer Leistung an den Motor 12 derart, dass der Unterschied zwischen dem Eingangs- Befehlssignal und dem entsprechenden Ausgang des Motors minimal wird. Der Treiber 14 steuert bzw. regelt auch aktiv das Anlegen von Energie an den Motor 12 in Abhängigkeit von der Rotorposition, so dass Drehmomentunregelmäßigkeiten (einschließlich Cogging-Drehmomenten) verringert oder ausgeschaltet werden.
Im allgemeinen empfängt der Treiber 14 Rotorpositionsinformationen und bildet aufgrund dieser Informationen ein Steuer- bzw. Regelsignal, das die Bestromung des Motors 12 aktiv einstellt, so dass jegliche Drehmomentunregelmäßigkeiten, die eventuell an dieser Rotorposition bestehen, verringert werden. Diese Steuerung bzw. Regelung kann dadurch bewerkstelligt werden, dass zuerst der Motor 12 charakterisiert/modelliert wird, so dass er Informationen über Drehmomentunregelmäßigkeiten erhält, die in Abwesenheit einer solchen aktiven Steuerung bzw. Regelung der Bestromung bestünden, und dann diese Charakterisierungsinformationen zur Entwicklung einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung nutzt, wie oben beschrieben.
Die Verwendung des Treibers 14 zur aktiven Reduktion von Drehmomentunregelmäßigkeiten resultiert im Gegensatz zu dem Versuch, derartige Unregelmäßigkeiten durch komplizierte Rotor- und Statorkonstruktionen zu reduzieren, in einem System mit besserer Leistung, bei dem beispielsweise herkömmliche, preiswerte Motorkonstruktionstechniken ohne die unerwünschten Drehmomentunregelmäßigkeiten eingesetzt werden können, die üblicherweise mit solchen Motoren assoziiert werden.
Wie oben kurz beschrieben, ist es vor der Entwicklung eines Steuer- bzw. Regelsystems gemäß bestimmter Elemente der hierin beschriebenen Lehren von Vorteil, die zu steuernde bzw. regelnde Maschine zu charakterisieren, um Informationen über ihre potentiellen Drehmomentunregelmäßigkeiten zu erhalten. Das kann durch Charakterisierung der Maschine bewerkstelligt werden, um Informationen betreffend (i) die Drehmoment erzeugenden Merkmale der Maschine, die von der gegenelektromotorischen Kraft (Gegen-EMK oder Bemf = back electromotive force) der Maschine abhängen; und (ii) die Drehmomentunregelmäßigkeiten, die vom Motor ohne aktive Steuerung wie hierin besprochen erzeugt werden, zu erhalten.
Erkenntnisse zu den Drehmomentcharakteristika für eine bestimmte Maschine können wie folgt gewonnen werden: (1) durch Berechnung und/oder Schätzung; (2) durch empirische Versuche an der betreffenden Maschine; (3) durch Testen eines entsprechenden Modells einer oder mehrerer Maschinen einer bestimmten Bauart und Verarbeitung (z. B. Mitteln) der erzielten Resultate; oder (4) durch eine beliebige Kombination der obigen Möglichkeiten. Im allgemeinen ist man der Meinung, dass das tatsächliche Testen einer Maschine oder einer Anzahl von Maschinen eines bestimmten Typs die erstrebenswertesten Ergebnisse liefert. Daher wird das Verfahren zum Bestimmen der Gegen-EMK und der Drehmomentunregelmäßigkeiten detaillierter besprochen. Der Fachmann wird verstehen, dass andere Verfahren zur Gewinnung von Drehmomentdaten für eine bestimmte Maschine ebenso verwendet werden können, ohne von den in dieser Offenbarung enthaltenen Lehren abzugehen.
Zum leichteren Verständnis wird in der vorliegenden Offenbarung vielfach auf „Motoren" Bezug genommen. Eine solche Bezugnahme ist nur beispielhaft, und der Fachmann wird erkennen, dass solche Bezugnahmen sämtliche elektromagnetische Maschinen mit einschließen sollen, die Drehmomentunregelmäßigkeiten aufweisen, wie hierin beschrieben. Außerdem bezieht sich diese Offenbarung an vielen Stellen auf ein „Cogging-Drehmoment" bzw. auf „Cogging". Der Fachmann sollte erkennen, dass eine solche Bezugnahme sämtliche Unregelmäßmäßigkeiten in Zusammenhang mit rotierenden Maschinen mit einschließen soll.
Ein akzeptabler Ansatz zur Bestimmung der Gegen-EMK eines gegebenen Motors ist die einfache Messung der Gegen-EMK unter Verwendung von herkömmlichen Techniken und analytischen Geräten. Solche Techniken und Geräte sind einschlägig bekannt und werden hier nicht im Detail beschrieben. 2 ist eine Darstellung von gemessenen Gegen-EMK-Daten (phasenmäßig)-Bemf_data- für eine Phase eines Dreiphasen-Permanentmagnetmotors mit zwölf Schlitzen und acht Polen (12s8p-PM-Maschine). Im dargestellten Beispiel stellen die Daten solche dar, die bei etwa 1000 UpM abgenommen wurden. Die Wahl eines Dreiphasen-12s8p-PM-Motors dient illustrativen Zwecken, und die hierein besprochenen Verfahren und Vorrichtungen sind bei Maschinen unterschiedlichster Bauart, einschließlich Maschinen von Motoren mit nur zwei Phasen bis Maschinen mit bedeutend mehr als drei Phasen, anwendbar.
Die Wellenform der Gegen-EMK in 2 stellt einen kompletten elektrischen Zyklus des der Analyse unterzogenen Motors dar.
Es können bekannte Ansätze ähnlich den oben zur Ermittlung der Gegen-EMK eines Motors beschriebenen verwendet werden, um Informationen über die Charakteristika des Cogging-Drehmoments eines Motors zu erhalten. 3 ist eine Darstellung des gemessenen Cogging-Drehmoments-Cogging-data- über vier elektrische Zyklen (einen mechanischen Zyklus) für die 12s8p-PM-Maschine dar, die zur Erzielung der in 2 wiedergegebenen Daten herangezogen wurde.
Es sei bemerkt, dass die ermittelte Gegen-EMK-Wellenform einer rotierenden Maschine eine sich wiederholende Wellenform ist, die sich mit einer Rate entsprechend dem elektrischen Zyklus der Maschine wiederholt. Als solche wird die Gegen-EMK-Wellenform typischerweise in elektrischen Graden ausgedrückt. Die Drehmomentunregelmäßigkeits-Wellenform – oder Cogging-Drehmoment-Wellenform – ist jedoch typischerweise eine sich wiederholende Wellenform, die sich mit einer Rate entsprechend der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors wiederholt. Dies deswegen, weil das physikalische Phänomen, das solche Unregelmäßigkeiten erzeugt, in erster Linie mit den mechanischen – und nicht mit den elektrischen – Merkmalen der Maschine zusammenhängt.
Sobald die Gegen-EMK- und Cogging-Drehmoment-Informationen für einen bestimmten Motor berechnet oder durch Messung ermittelt worden sind, ist es wünschenswert, sowohl die Gegen-EMK als auch das Cogging-Drehmoment in Form eines gemeinsamen Parameters oder gemeinsamer Parameter darzustellen, um eine einfachere Steuerung bzw. Regelung zu ermöglichen. Ein beispielhafter Ansatz dabei ist die Entwicklung von Darstellungen der Gegen-EMK und des Cogging-Drehmoments als Funktionen der Winkelposition des Rotor in Bezug auf den Stator.
Die Darstellung der Gegen-EMK eines Motors als Funktion einer oder mehrerer Fit-Parameter (z. B. der Winkelrotorposition) kann wie folgt erreicht werden: (1) durch Definieren der harmonischen Reihe, die an die Gegen-EMK-Informationen angepasst werden kann; (2) durch Definieren der Ableitung der harmonischen Reihe als Funktion der anzupassenden Parameter; (3) durch Definieren eines Fit-Vektors, der die harmonische Reihe der Gegen-EMK und ihre partiellen Ableitungen in Bezug auf jeden anzupassenden Parameter enthält; und (4) durch Verwenden des Fit-Vektors zum Auswählen einer entsprechenden Darstellung der Gegen-EMK als Funktion der anzupassenden Parameter.
Bei Anwendung der in 2 dargestellten Daten und unter der Annahme, dass der einzige Fit-Parameter die Winkeirotorposition ist, ist nachstehend ein Beispiel für einen Ansatz angeführt, der zur Entwicklung einer Generation der Gegen-EMK-Daten der 2 in Abhängigkeit von der Winkelposition des Rotors verwendet werden kann:
Zuerst wird eine Reihe (im Folgenden „Gegen-EMK-Funkion") definiert, die an die Gegen-EMK-Daten im Line-to-Neutral-Maß angepasst wird. Aufgrund der Beschaffenheit der Gegen-EMK-Daten kann eine harmonische Reihe verwendet werden:
Zweitens wird die Ableitung der Gegen-EMK-Funktion in Bezug auf die Anpassungsparameter definiert. Die Anpassungsparameter sind jeweils der harmonische Koeffizient und die elektrische Winkelfrequenz. Im beschriebenen Beispiel wurden die Gegen-EMK-Daten bei einer Rotationsgeschwindigkeit von etwa 1000 UpM gemessen, obwohl die genaue Rotorwellengeschwindigkeit, bei der die Gegen-EMK-Daten gesammelt wurden, nicht genau bekannt ist. Daher wird zur Berücksichtigung dieser Tatsache ein generalisiertes Fit mit der elektrischen Kreisfrequenz als Parameter verwendet: dBemf_dk_13_1(t, k) := k1·sin(k13·t)·t + k2·cos(k13·t)·t – 3·k3·sin(3·k13·t)·t + 3·k4·cos(3·k13·t)·t – 5· k5·sin(5·k13·t)·t + 5·k6·cos(5·k13·t)·t dBemf_dk_13_2(t, k) := 7·k7·sin(7·k13·t)·t + 7·k8·cos(7·k13·t)·t – 9·k9·sin(9·k13·t)·t + 9·k10·cos(9·k13·t)·t – 11·k11·sin(11·k13·t)·t + 11·k12·cos(11·k13·t)·t dBemf_dk_13_(t, k) := dBemf_dk_13_1(t, k) + dBemf_dk_2(t, k)
Drittens wird, nachdem die Gegen-EMK-Funktion und ihre relevanten partielle Ableitungen definiert worden sind, ein Fit-Vektor von Funktionen (Gegen-EMK Funktion (t, k)) erstellt, der die Gegen-EMK-Funktion und ihre partiellen Ableitungen in Bezug auf jeden anzupassenden Parameter (im vorliegenden Fall jeden harmonischen Koeffizienten und die elektrische Kreisfrequenz) enthält. Zur Erleichterung der Kalkulation werden anfängliche Schätzungen (vg) für jeden der zu bestimmenden Parameter
vorgesehen:
Als nächstes werden die Vektoren der Eingangsdaten für die Fitting-Funktion definiert: vx := Bemf_data<0>, vy := Bemf_data<1> und ein geeigneter Ansatz wird zur Lösung der Fit-Parameter verwendet. Im vorliegenden Beispiel wird eine generalisierte Anpassung der Gegen-EMK-Funktion an die Daten mit Hilfe der Fehlerquadratmethode gewählt, auch wenn andere Lösungen in Frage kommen. Bemf_fit_parameters := genfit(vx, vy, vg, Bemf_function)
Zur genaueren Bestimmung der verschiedenen Fit-Parameter ist es oft hilfreich, die Gegen-EMK-Daten und ihr Fit, dividiert durch 100, zusammen mit dem Fit-Fehler zu berücksichtigen. Eine grafische Darstellung solcher Informationen ist als Beispiel in 4 angegeben.
Aus dem Gegen-EMK-Fit kann eine Darstellung der Gegen-EMK- als Funktion der Winkelposition des Rotors und der Fit-Parameter definiert werden: Bemf_1(θ_e, k) := k1·cos(θ_e) + k2·sin(θ_e) + k3·cos(3·θ_e) + k4·sin(3·θ_e) + k5·cos(5·θ_e) + k6·sin(5·θ_e) + k7·cos(7·θ_e) + k8·sin(7·θ_e) Bemf_2(θ_e, k) := k9·cos(9·θ_e) + k10·sin(9·θ_e) + k11·cos(11·θ_e) + k12·sin(11·θ_e) Bemf_3(θ_e, k) := Bemf_1(θ_e, k) + Bemf_2(θ_e, k)
Nach der Entwicklung einer Darstellung der Gegen-EMK als Funktion der Winkelposition des Rotors ist es als nächstes wünschenswert, eine entsprechende Darstellung der Cogging-Drehmomentdaten zu erarbeiten. Im allgemeinen kann dazu derselbe Ansatz verwendet werden.
Zuerst sollte eine Reihendarstellung des Cogging-Drehmoments entwickelt werden. Da die Cogging-Daten typischerweise einer kompletten mechanischen Umdrehung der Rotorwelle entsprechen, und da der die Drehmomentunregelmäßigkeiten erzeugende Mechanismus typischerweise gewährleistet, dass die primären Cogging-Komponenten viele Zyklen für eine mechanische Umdrehung enthalten, kann eine FFT-Reihe zur Bestimmung der Komponenten verwendet werden, die für eine gute Anpassung erforderlich sind. Die Berechnung der FFT der Cogging-Daten kann bewerkstelligt werden, indem folgendes in Betracht gezogen wird: Cogging_FFT := CFFT(Cogging_data<1>) fit_index := 0..rows(Cogging_FFT)
Eine beispielhafte grafische Darstellung der Größenordnung der FFT der in 3 dargestellten Cogging-Drehmomentdaten ist in 5 gezeigt. Aus der grafischen Darstellung der 5 können die wichtigen Frequenzen des Cogging-Drehmoments ermittelt werden. Im Fit wird jede Komponente mit einer Größenordnung von über 0,001 verwendet. Die interessierenden Komponenten sind daher 8Xωmech, 16Xωmech, 24Xωmech, 25ωmech, 47Xωmech, 48Xωmech. Gleichstrom kann im Fit berücksichtigt werden, kann aber ignoriert werden, wenn die Cogging-Funktion ohne signifikante negative Auswirkung auf das System definiert wird. Dasselbe gilt für das Gegen-EMK-Fit. Somit kann eine geeignete Reihe zur Darstellung des Cogging-Drehmoments wie folgt definiert werden: Cogging_1(t, k) := k0 + k1·cos(8·k13·t) + k2·sin(8·k13·t) + k3·cos(16·k13·t) + k4·sin(16·k13·t) + k5·cos(24·k13·t) + k6·sin(24·k13·t) Cogging_2(t, k) := k7·cos(25·k13·t) + k8·sin(25·k13·t) + k9cos(47·k13·t) + k10·sin(47·k13·t) + k11·cos(48·k13·t) + k12·sin(48·k13·t) Cogging(t, k) := Cogging_1(t, k) + Cogging_2(t, k)
Zweitens wird die partielle Ableitung der Cogging-Funktion in Bezug auf die Fitting-Parameter definiert. Im dargestellten Beispiel sind sowohl die harmonischen Koeffizienten als auch die mechanische Winkelfrequenz, bei der die Daten gesammelt wurden, von Interesse. Die partiellen Ableitungen der Funktion, die Cogging in Bezug auf jeden Fitting-Parameter beschreibt, werden berechnet und sind in den Reihen der nachstehenden Cogging Funkion (t, k) enthalten. dCogging_dk13_1(t, k) := –8·k1·sin(8·k13·t)·t + 8·k2·cos(8·k13·t)·t – 16·k3·sin(16·k13·t)·t + 16·k4·cos(16·k13·t)·t – 24·k5·sin(24·k13·t)·t + 24·k13·t)·t dCogging_dk13_2(t, k) := –25·k7·sin(25·k13·t)·t + 25·k8·cos(25·k13·t)·t – 47·k9·sin(47·k13·t)·t + 47·k10·cos(47·k13·t)·t – 48·k11·sin(48·k13·t)·t dCogging_dk13(t, k) := dCogging_dk13_1(t, k) + dCogging_dk13_2(t, k)
Drittens werden wie bei dem zur Darstellung der Gegen-EMK als Funktion der Rotorwinkelposition verwendeten Ansatz eine Fit-Matrix und Anfangsparameterschätzungen definiert:
Als nächstes werden die im Fit zu verwendenden Vektoren der Cogging-Daten definiert und die Fit-Parameter berechnet: Vx_cog := Cogging_data<0> Vy_cog := Cogging_data<1> Cogging_fit_parameters := genfit(Vx_cog, Vy_cog, Vg_cog, Cogging_function)
Aufgrund der repetitiven Natur der Cogging-Funktion ist es hilfreich, wenn zur Klärung der Fit-Parameter die Cogging-Daten/10, ihr Fit/10 und der Fit-Fehler in Betracht gezogen werden. Solche Informationen sind für das betreffende Beispiel in 6 veranschaulicht.
Aufgrund der obigen Ausführungen kann eine Darstellung des Cogging-Drehmoments als Funktion der Winkelposition des Rotors wie folgt abgeleitet werden: Cogging_1(θ, k) := k1·cos(8·θ) + k2·sin(8·θ) + k3·cos(16·θ) + k4·sin(16·θ) + k5·cos(24·θ) + k6·sin(24·θ) Cogging_2(θ, k) := k7·cos(25·θ) + k8·sin(25·θ) + k9·cos(47·θ) + k10·sin(47·θ) + k11·cos(48·θ) + k12·sin(48·θ) Cogging(θ, k) := Cogging_1(θ, k)+ Cogging_2(θ, k)
Wegen ihrer Relevanz für die folgende Diskussion kann die partielle Ableitung der Cogging-Funktion in Bezug auf den Rotorwinkel ermittelt werden und wird wie folgt geschrieben: dCogging_dθ_1(θ, k) := –8·k1·sin(8·θ) + 8·k2·cos(8·θ) – 16·k3·sin(16·θ) + 16·k4·cos(16·θ) – 24·k5·sin(24·θ) + 24·k6·cos(24·θ) dCogging_dθ_2(θ, k) := –25·k7·sin(25·θ) + 25·k8·cos(25·θ) – 47·k9·sin(47·θ) + 47·k10·cos(47·θ) – 48·k11·sin(48·θ) + 48·k12·cos(48·θ) dCogging_dθ(θ, k) := dCogging_dθ_1(θ, k) + dCagging_dθ_2(θ, k)
Die obigen Darstellungen der Gegen-EMK-Funktion und des Cogging-Drehmoments betreffen die Winkelposition des Rotors in elektrischen Graden bzw. mechanischen Graden. Zur einfacheren Berechnung wurde festgestellt, dass es oft wünschenswert ist, die Darstellungen als mechanische Grade zu haben.
Im dargestellten Beispiel kann die elektrische Frequenz der Gegen-EMK-Messdaten aus dem k_13-Bemf-fit-Parameter errechnet werden, der für Zwecke der Diskussion in Zusammenhang mit dem speziell vorgesehenen Beispiel 441.472 ausmacht. Unter Verwendung dieser Informationen kann ein Vergleich zwischen elektrischen Graden und mechanischen Graden wie folgt angestellt werden:
Der Normalisierungsfaktor für die Gegen-EMK-Funktion kann dann wie folgt berechnet werden:
Angesichts der oben für elektrische Grade entwickelten Gegen-EMK-Darstellung kann die Gegen-EMK des beispielhaften Motors als mechanischer Winkel wie folgt wiedergegeben werden, worin θ elektrisch = θ mech·Pole/2 = θ mech·4: Bemf_1(θ, k) := k1·cos(4·θ) + k2·sin(4·θ) + k3·cos(3·4·θ) + k4·sin(3·4·θ) + k5·cos(5·4·θ) + k6·sin(5·4·θ) + k7·cos(7·4·θ) + k8·sin(7·4·θ) Bemf_2(θ, k) := k9·cos(9·4·θ) + k10·sin(9·4·θ) + k11·cos(11·4·θ) + k12·sin(11·4·θ) Bemf(θ, k) := (Bemf_1(θ, k) + Bemf_2(θ, k))·K_scaI
Die Ableitung der Gegen-EMK-Funktion in Bezug auf den Winkel (mechanisch) kann unter Verwendung der obigen Umrechnungsfaktoren und der zuvor berechneten Ableitungsinformationen für die Gegen-EMK-Funktion ermittelt und wie folgt geschrieben werden: dBemf_dθ_1(θ, k) := –4·k1·sin(4·θ) + 4·k2·cos(4·θ) – 12·k3·sin(12·θ) + 12·k4·cos(12·θ) – 20·k5·sin(20·θ) + 20·k6·cos(20·θ) dBemf_dθ_2(θ, k) := –28·k7·sin(28·θ) + 28·k8·cos(28·θ) + –36·k9·sin(36·θ) + 36·k10·cos(36·θ) – 44·k11·sin(44·θ) + 44·k12·cos(44·θ) dBemf_dθ(θ, k) := (dBemf_dθ_1(θ, k) + dBemf_dθ_2(θ, k))·K_scaI
Sobald die Gegen-EMK- und Cogging-Drehmoment-Informationen verarbeitet und Darstellungen der Drehmoment-Charakteristika als Funktion der mechanischen Winkelposition des Rotors entwickelt worden sind, besteht ein nächster Schritt zur Entwicklung eines aktiven Steuer- bzw. Regelsystems gemäß der vorliegenden Erfindung darin, ein Steuer- bzw. Regelschema zu erarbeiten, das (1) eine entsprechende Steuerung bzw. Regelung des Motors und (2) eine Reduktion oder Eliminierung des Cogging-Drehmoments gestattet. Das lässt sich auf vielerlei Arten bewerkstelligen, und es sollte klar sein, dass unter Anwendung der hierin vorgesehenen Lehren eine beträchtliche Anzahl von aktiven Steuer- bzw. Regelschemen entwickelt werden kann, die die beschriebenen Kriterien erfüllen. Dies deswegen, weil die hierin enthaltenen Lehren zur Entwicklung von Steuer- bzw. Regelsystemen, die unterschiedliche Kriterien erfüllen, herangezogen werden können.
Als ein Beispiel ist es bei vielen Anwendungen üblich, eine so genannte symmetrische Dreiphasenspeisung zu verwenden. In solchen Systemen ist bei Einsatz eines Dreiphasenmotors die Summe der drei Phasenströme gleich Null. Somit ist es bei Anwendung der hierin vorgesehenen Lehren möglich, ein eine symmetrische Speisung implementierendes symmetrisches Dreiphasenspeisesystem zu entwickeln sowie das gewünschte Ausgangsdrehmoment und reduzierte Cogging-Drehmoment vorzusehen, wie oben ausgeführt.
Bei einem anderen Beispiel erfordern bestimmte Motorsysteme den Einsatz von Rotorpositionsdetektoren, die aus Kosten- und Platzgründen oder aufgrund anderer Auflagen in allen oder einigen speziellen Geschwindigkeitsbereichen bedeutenden Fehlern unterliegen. Für solche Systeme kann es wünschenswert sein, eine Motorsteuer- bzw. Regeleinrichtung bzw. -regelung mit minimaler Empfindlichkeit für Rotorpositionsfehler zu entwickeln. Eine solche Motorsteuerung bzw. -regelung kann anders funktionieren als eine, die zur Implementierung einer symmetrischen Dreiphasenspeisung ausgelegt ist, bei der die Empfindlichkeit des Rotorpositionsdetektors keine Rolle spielt.
Darüber hinaus ist es bei bestimmten Systemen wünschenswert, Motorsteuer- bzw. -regeleinrichtungen zu entwickeln, die zur Erzielung der gewünschten Motorleistung so niedrige Effektivströme wie möglich benötigen. Eine Motorsteuer- bzw. -regeleinrichtung, die eine aktive Cogging-Reduktion implementiert und versucht, die zum Antreiben der Motoren verwendeten Effektivströme auf ein Minimum zu halten, kann von Motorsteuer- bzw. -regeleinrichtungen abweichen, die für andere Konstruktionskriterien konzipiert sind.
Die Fähigkeit der hierin beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen, sowohl unerwünschte Drehmomentunregelmäßigkeiten wie Cogging zu reduzieren als auch gleichzeitig verschiedene Konstruktionskriterien (z. B. symmetrische Speisung, minimale Effektivströme, maximaler Drehmomentausgang, minimale Empfindlichkeit für Wellensensor-Fehler etc.) zu implementieren, wird für eine bedeutenden Vorteil gehalten.
Wegen der großen Vielfalt von Konstruktionskriterien, die ein Motorsteuersystem aufweisen kann, ist es unmöglich, in der vorliegenden Offenbarung sämtliche mögliche Implementierungen des Steuer- bzw. Regelsystems und der zugehörigen Verfahrens zu erörtern oder veranschaulichen, die hierin offenbart sind. Der Fachmann mit dem Nutzen der vorliegenden Offenbarung wird also verstehen, dass im folgenden Beispiele für Motorsteuer- bzw. -regelsysteme behandelt werden, die beispielhafte Konstruktionskriterien implementieren, und dass auch andere Motorsteuer- bzw. -regelsysteme und -verfahren verwendet werden können, ohne von den hierein enthaltenen Lehren abzugehen.
Gemäß einem ersten Beispiel ist ein Motorsteuersystem beschrieben, welches die folgenden Konstruktionskriterien erfüllt:

1. Kein Cogging-Drehmoment (d. h. das Netto-Drehmoment = 0, wenn nur aktiver Cogging-Sperrstrom im Motor fließt).
2. Symmetrische Dreiphasenspeisung.
3. Minimaler Effektivstrom.

Weil ein Steuerungs- bzw. Regelungskriterium darin liegt, dass das Steuer- bzw. Regelsystem das gewünschte Ausgangsdrehmoment erzeugen kann, besteht ein erster Schritt zur Entwicklung einer Motorsteuer- bzw. Regeleinrichtung, die die beschriebenen Konstruktionskriterien erfüllt, in der Entwicklung der Drehmomentgleichung für die Maschine. Im vorliegenden Beispiel wird der in den Motor fließende Strom geregelt, und insofern wird die Drehmomentgleichung in Form von Regelströmen Ia, Ib und Ic für die drei Phasen des beispielhaften Motors ausgedrückt. In Kenntnis, dass der Gesamt-Drehmomentausgang der Maschine von der Gegen-EMK der Maschine, dem in der Maschine fließenden Strom und dem von der Maschine erzeugten Cogging-Drehmoment abhängt, kann der Drehmomentausgang der Maschine wie folgt ausgedrückt werden:
worin Ia, Ib und Ic die drei Phasenströme der Maschine repräsentieren, k_bemf die harmonischen Koeffizienten in der Gegen-EMK-Darstellung bezüglich der Winkelposition des Rotors in mechanischen Graden darstellt, θ die Winkelposition des Rotors in mechanischen Graden bedeutet und k.cog die harmonischen Koeffizienten in der Darstellung des Cogging-Drehmoments als Funktion der Winkelposition des Rotors (mechanisch) wie oben ermittelt repräsentiert.
Neben der Erzeugung des gewünschten Ausgangsdrehmoments besteht ein weiteres Konstruktionskriterium im vorliegenden Beispiel darin, dass die Speisung symmetrisch ist. Die Ströme müssen zu jeder Zeit in Summe Null ausmachen: Ia + Ib + Ic = 0
Die obigen Konstruktionskriterien können wie folgt in Matrixform ausgedrückt werden, wobei das gewünschte Ausgangsdrehmoment gleich Null gesetzt wird: Ia + Ib + Ic = 0
Die obige Darstellung ist in der Standard-A·x=b-Matrixform. Unter Verwendung von mathematischen Methoden kann das Steuer- bzw. Regelsystem für die minimale Effektivstromlösung unter Heranziehung der generalisierten Umkehrung von A entwickelt werden:
Die generalisierte Umkehrung von A ist in diesem Fall: A_inverse(θ, k_bemf) := A(θ, k_bemf)T·(A(θ, k_bemf)·A(θ, k_bemf)T)–1
Durch Definieren der B-Matrix wie folgt:
können die Phasenströme wie folgt berechnet werden: I_min_rms(Te, θ, k_bemf, k_cog) := A_inverse(θ, k_bemf)·B(Te, θ, k_cog)
Durch Definieren eines mechanischen Winkelvektors zum Anzeigen der berechneten Ströme
und Lösen der minimalen Effektivstromlösung können die entsprechenden Steuer- bzw. Regelströme Ia, Ib und Ic
als Funktion der Winkelposition des Rotors (mechanisch) erhalten werden, um die gewünschten Konstruktionskriterien zu implementieren. Eine grafische Darstellung der entsprechenden Regelströme für den oben für dieses Beispiel beschriebenen beispielhaften Motor sind als Funktion der Winkelposition des Rotors (mechanisch) in 7 wiedergegeben.
Die Tatsache, dass die oben wiedergegebenen Ströme Ia, Ib und Ic das Cogging-Drehmoment ausschalten, kann durch Berechnung des Ausgangsdrehmoments der Welle als Funktion der dargestellten Stromwellenformen verifiziert werden. Durch Verwendung der folgenden Darstellungen des gewünschten Ausgangsdrehmoments und des resultierenden Cogging-Drehmoments für das vorliegende Beispiel: Te_min_rmsm := Te_3_ph(θ_mechm, I_a_min_rmsm, I_b_min_rmsm, I_c_min_rmsm, Bemf_fit_parametersCogging_fit_parameters) Te_coggingm := Cogging(θ_mechm, Cogging_fit_parameters)kann die grafische Darstellung des Drehmoments der Welle unter Verwendung der aktiven Cogging-Sperre und des in 8 vorgesehenen Cogging-Drehmoments entwickelt werden.
Wie bei einer genauen Prüfung der 8 zu bemerken, ist bei einer Bestromung des beispielhaften Motors mit den in 7 dargestellten Strömen durch eine Motorsteuer- bzw. Regeleinrichtung das resultierende Ausgangsdrehmoment des Motors Null (d. h. kein Cogging-Drehmoment).
Die oben vorgesehene spezielle Lösung trifft für den Fall zu, dass das Cogging-Drehmoment eliminiert, aber die Leistung des Motors Null ist. Klarerweise muss ein Steuer- bzw. Regelsystem in der Lage sein, das Cogging-Drehmoment zu verringern und das gewünschte Motor-Ausgangsdrehmoment zu liefern. Daher ist ein weiteres Beispiel vorgesehen, worin eine symmetrische Dreiphasen-Lösung mit minimalem Effektivstrom entwickelt wird, wenn eine Motorleistung von drei Newton-Meter (3 N·m) gewünscht wird. Für dieses Beispiel ist der gewünschte Wert für Te drei Nm im Gegensatz zu Null in den früheren Berechnungen. Unter Berücksichtigung von:
können somit die entsprechenden Regelströme entwickelt werden. Eine grafische Darstellung der entsprechenden Regelströme für eine 3 N·m-Ausgangsleistung ist in 9 für den beispielhaften Motor angegeben. Ebenfalls in 9 ist das maßstabgerechte Ausgangsdrehmoment gezeigt, das unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet wurde: Te_min_rms_3Nmm := Te_3_ph(θ_mechm, I_a_min_rms_3Nmm, I_b_min_rms_3Nmm, I_c_min_rms_3Nmm, Bemf_fit_parametersCogging_fit_parameters)
Wie zu bemerken, ist das Ausgangsdrehmoment ein stabiles und reproduzierbares 3 N·m, da das Cogging-Drehmoment zur Gänze eliminiert wurde.
Das erste Beispiel betraf die Entwicklung einer Motorsteuerung bzw. -regelung, bei der die Konstruktionskriterien für die Steuerung bzw. Regelung ein symmetrisches System und einen minimalen Effektivstrom erforderten. Ein zweites Beispiel ist nachstehend angeführt, bei dem die gewünschten Regelströme so gewählt sind, dass sie eine Lösung mit gleichförmigem Drehmoment liefern, die eine minimale Welligkeit für einen bezogenen Wellensensorfehler erzeugt.
Die Empfindlichkeitsniveaus können aus der Gesamt-Drehmomentgleichung abgeleitet werden, worin sowohl das Anregungs- als auch das Cogging-Drehmoment berücksichtigt sind.
Das Gesamtdifferenzial des Drehmoments kann berechnet werden als
In der erweiterten Form kann das Gesamtdifferenzial der Drehmomentgleichung wie folgt geschrieben werden:
Die pro bezogenem Sensorfehler erzeugte Drehmoment-Welligkeit kann minimiert werden, indem eine der beiden Komponenten des Gesamtdifferenzials des Drehmoments in Bezug auf den Winkel gleich Null gesetzt wird, oder mathematisch ausgedrückt:
Bei Verwendung des oben beschriebenen ersten Empfindlichkeitsausdrucks (der partiellen Ableitung des Drehmoments in Bezug auf den Winkel) kann das Problem in Form einer Matrixgleichung wie folgt ausgedrückt werden:
Bei Verwendung der oben beschriebenen beispielhaften Maschine und unter der Annahme, dass sie in einem herkömmlichen Dreiphasen-Stern geschaltet ist, hat die A-Matrix vollen Rang, so dass eine herkömmliche Matrixumkehrung zur Berechnung der Lösung herangezogen werden kann. Durch Definieren der A- und B-Matrix wie folgt:
können eine Lösungsfunktion und eine Lösungsmatrix für eine gewünschte 3 N·m-Ausgangsleistung abgeleitet werden: I_zero_sense(Te, θ, k_bemf, k_cog) := (A_zero_sense(θ, k_bemf))–1·B_zero_sense(Te, θ, k_cog)
Durch Lösen der Cogging-Sperrspeisungen für die minimale Empfindlichkeit können die in 10 dargestellten gewünschten Regelströme Ia, Ib und Ic berechnet werden. Ebenfalls in 10 dargestellt sind die Gegen-EMK-Wellenform (um die Anzahl der dargestellten Zyklen zu zeigen) und das Ausgangsdrehmoment, multipliziert mit 10, unter Berechnung der folgenden Gleichung: Te_zero_sense_3Nmn := Te_3_ph(θ_mechm, I_a_zero_sense_3Nmm, I_b_zero_sense_3Nmm, I_c_zero_sense_3Nmm, Bemf_fit_parametersCogging_fit_parameters)
Wie aus einer genauen Überprüfung der 10 hervorgeht, sind die gewünschten Stromwellenformen für die Lösung mit minimaler Empfindlichkeit relativ kompliziert. Um eventuell geschmeidigere Regelströme vorzusehen, ist es möglich, eine Lösung in Erwägung zu ziehen, bei der die Lösung des minimalen Effektivstroms mit der Lösung der minimalen Empfindlichkeit abgeglichen wird, u.zw. unter Verwendung von leicht veränderten Matrizen zur Erstellung der Steuer- bzw. Regelparameter:
Die Entwicklung von idealen Regelströmen für diese Halb/Halb-Lösung aus minimalem Effektivstrom und minimaler Empfindlichkeit ist hier nicht wiedergegeben, liegt aber innerhalb des Könnens des Fachmanns mit dem Nutzen der vorliegenden Offenbarung.
Wie zu bemerken ist, enthält die ideale Stromsteuerwellenform für die Lösung mit minimaler Empfindlichkeit mehr Hochfrequenzkomponenten im Strom als die idealen Regelströme für die Lösungen mit minimalen UpM. FFTs für die idealisierten Regelströme für beide Lösungen können unter Verwendung der folgenden Gleichungen berechnet werden: FFT_I_a_zero_sense := CFFT(I_a_zero_sense_3Nm) FFT_I_a_min_rms := CFFT(I_a_min_rms_3Nm) fft_index_I := 0.. rows(FFT_I_a_zero_sense) fft_index_I_afft_index_I := fft_index_
Solche FFTs wurden berechnet und sind zu Vergleichszwecken in 11 veranschaulicht.
Die oben vorgesehene Lösung mit minimaler Empfindlichkeit wurde auf Basis einer bestimmten Definition der Maschinenempfindlichkeit entwickelt. Fachleute werden erkennen, dass alternative Empfindlichkeitsdefinitionen entwickelt und verwendet werden können und entsprechend andere idealisierte Regelströme liefern würden. Im Gegensatz zur obigen Empfindlichkeitsdefinition könnte beispielsweise die Empfindlichkeit für die zur Diskussion stehende Dreiphasenmaschine wie folgt definiert werden:
Die Berechnung einer Lösung für die idealen Regelströme unter Verwendung dieser zweiten Empfindlichkeitsoption kann bei Annahme einer harmonischen Reihe als Lösung (die Phasenströme) in eine algebraisches Problemstellung übergeführt werden. Der andere bestimmte Satz von Gleichungen kann dann für die harmonischen Sinus- und Kosinus-Koeffizienten gelöste werden. Die Parameter mit harmonischen Komponenten der Gegen-EMK-Funktion werden der Einfachheit halber zu diesem Zeitpunkt mit einer Variablen kürzeren Namens gleichgesetzt: K_BEMF := Bemf_fit_paramete
Definieren der Kosinus- und Sinus-Ausdrücke für die Drehmomenterzeugung. Zur Vereinfachung der mathematischen Ableitung der durch die obige zweite Empfindlichkeitsdefinition beschriebenen Lösung wird angenommen, dass die Maschine symmetrisch ist (jede Phasen-Gegen-EMK ist gleich), was eine vernünftige Annahme für eine Maschine, aber im allgemeinen für diese Lösungsversion nicht unbedingt notwendig ist. Die „Drehmoment-Ausdrücke" können dann als Summe der Produkte jeder Phasen-Gegen-EMK und jedes entsprechenden harmonischen Ausdrucks dieses Phasenstroms wie folgt definiert werden:
Die Ausdrücke dAn_Te_cos_dI_dθ und dAn_Te_sin_dI_dθ (partielle Ableitungen jedes Drehmoment-Ausdrucks in Bezug auf jeden Phasenstrom mal der Ableitung jedes Phasenstroms in Bezug auf den Winkel – (dpartial(Bemfk·I)/dpartial_I)·dI/dθ – sense_I – sense_I wird zur Bezeichnung der Lösung herangezogen, die die Ableitung des Phasenstroms in Bezug auf den Winkel verwendet – zweite Empfindlichkeitsdefinition) können dann als Summe der Produkte jeder Phasen-Gegen-EMK und der Ableitung in Bezug auf den Winkel jedes entsprechenden harmonischen Ausdrucks dieses Phasenstroms ausgedrückt werden:
Die Anzahl (number) der harmonischen Komponenten der vorgeschlagenen Lösung kann dann für die Zwecke des vorliegenden Beispiels wie folgt definiert werden: harm_number_max := 1 n := 0_harm_number_ma,und die in der Berechnung zu verwendenden Harmonischen der elektrischen Frequenz können wie folgt eingestellt werden: harm := (1 5 7 11 13 17 19 23 25 29 31 35 37 41 43)T
Durch Definieren der „A-Matrix" zur Ermöglichung einer Lösung für die harmonischen Sinus- und Kosinus-Koeffizienten der mit Hilfe „der kleinsten Fehlerquadrate" zu findenden Phasenströme kann die generalisierte Umkehrfunktion für eine bestimmte Gruppe von linearen Gleichungen wie folgt definiert werden:
Dann kann der „B-Vec" definiert werden, damit eine Lösung für die harmonischen Sinus- und Kosinus-Koeffizienten der Phasenströme mit Hilfe der kleinsten Fehlerquadrate gefunden werden kann. Für Zwecke des vorliegenden Beispiels wird eine spezielle Lösung für einen gewünschten 3 N·m-Ausgang mit minimaler Empfindlichkeit für den Wellensensor-Fehler unter Verwendung der hierin vorgesehenen zweiten Definition vorgesehen: B_vecm := 3 + –Cogging(θ_mechm, Cogging_fit_parameters) B_vecm+360 := –dCogging_dθ(θ_mechm, Cogging_fit_parameters)
Durch Berechnung der harmonischen Stromkoeffizienten für die angeführten Harmonischen, die 3 N·m und eine minimale Empfindlichkeit erzeugen, unter Verwendung von: harm_coeffs := pinv_I(A_sense_I)·B_vecist es möglich, eine Funktion zur Berechnung der Phasenströme aus ihren harmonischen Komponenten zu definieren.
Berechnung der Phasenströme für die Lösung mit gleichförmigem Drehmoment und minimaler Empfindlichkeit (gemäß der zweiten Definition):
Die vollen idealen Regelströme für die Lösung unter Verwendung der zweiten Definition der Empfindlichkeit sind hierein nicht dargelegt, da die Berechnung solcher Komplettströme wohl in den Bereich des Fachwissens mit dem Nutzen der vorliegenden Offenbarung fällt.
Interessant ist ein Vergleich der idealen Regelströme mit dem resultierenden berechneten Drehmoment für die drei oben für eine 3 N·m-Ausgangsleistung besprochenen Lösungen, nämlich (1) die 3 N·m-Lösung für minimalen Effektivstrom; (2) die 3 N·m-Lösung für minimale Empfindlichkeit (erste Definition); und (3) die 3 N·m-Lösung für minimale Empfindlichkeit (zweite Definition). Das kann durch Definieren der Rotorwinkelversätze, bei denen das Drehmoment berechnet wird, und Berechnen des elektrischen Drehmoments für beide Lösungen mit minimaler Empfindlichkeit, die nachstehend als „sense-I" (zweite Definition) und „sense-θ" (erste Definition) bezeichnet werden, wie folgt geschehen:
Berechnung des elektrischen Drehmoments für beide 3 N·m-Minimum-Empfindlichkeitslösungen, sense_I und sense-θ:
Te_rip_min_rmsp := Te_rip_pp(Te_min_rms_3Nm<p>) Te_rip_sense_θp := Te_rip_pp(Te_sense_θ_3Nm<p>)
Für Vergleichszwecke ist eine grafische Darstellung der idealisierten Phase-A-Regelströme für alle drei Lösungen (min. UpM, min. Empfindlichkeit (zweite Definition) „sense-I", min. Empfindlichkeit (erste Definition), „sense-θ" über einen elektrischen Zyklus in 12 dargestellt und eine grafische Darstellung der für alle drei Lösungen vorgesehenen Ausgangsdrehmomente in 13 angegeben.
Bemerkenswerterweise enthält das momentane Drehmoment, da die „sense_I"-Lösung eine Lösung „der kleinsten Fehlerquadrate" ist, nach wie vor eine geringe Welligkeit (weniger als 1%). Eine grafische Darstellung, in dem die Welligkeit in Prozent gegen den Sensorfehler in elektrischen Graden für alle drei Lösungen aufgetragen ist, ist weiters in 14 enthalten.
Sobald eine Maschine zur Lieferung ihrer Gegen-EMK- und Cogging-Signaturen charakterisiert und ein Steuer- bzw. Regelschema unter Verwendung dieser Parameter zur Implementierung verschiedener Konstruktionskriterien entwickelt worden ist, ist es wünschenswert, das entwickelte Steuer- bzw. Regelschema zu implementieren. Wie der Fachmann erkennen wird, sind verschiedene Ansätze und Referenzrahmen für die Implementierung eines bestimmten Steuer- bzw. Regelschemas möglich. Die Ansätze der aktiven Verringerung der Drehmomentunregelmäßigkeiten gemäß der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf ein bestimmtes Steuer- bzw. Regelschema oder einen bestimmten Referenzrahmen beschränkt. Für Diskussionszwecke werden jedoch einige spezielle Referenzrahmen behandelt.
Einer der nächstliegenden und unkompliziertesten Ansätze zur Implementierung einer gewünschten Lösung erfolgt durch eine Motorsteuer- bzw. -regeleinrichtung, bei der ein phasenweiser Referenzrahmen verwendet wird. Bei einer derartigen Motorsteuer- bzw. -regeleinrichtung werden die einzelnen Phasenströme des Motors in Echtzeit ermittelt und separat gesteuert bzw. geregelt. Bei Dreiphasensystemen wird dieser Referenzrahmen allgemein als ABC-Referenzrahmen bezeichnet, da die drei Phasen allgemein als A-, B- und C-Phase bezeichnet werden.
Im allgemeinen empfängt oder erzeugt eine im ABC-Rahmen arbeitende Motorsteuer- bzw. -regeleinrichtung Signale, die den in jeder Phase des zu steuernden bzw. regelnden Motors fließenden Strömen entsprechen. Diese Signale werden mit Stromsteuersignalen für jede Phase verglichen, um Fehlersignale zu generieren, und die Fehlersignale werden zur Einstellung des an die Phasenwicklungen gelieferten Stroms verwendet, um das gewünschte Steuer- bzw. Regelschema zu implementieren.
Im ABC-Rahmen kann der Gesamtstrombefehl für jede Phase als Summe der beiden nachstehenden Komponenten berechnet werden:

1. einer „Cogging-Sperrkomponente" und
2. einer „Drehmoment-Erzeugungskomponente".

Da das physikalische Phänomen, das zum Cogging-Drehmoment einer bestimmten Maschine führt, im linearen Fall unabhängig von dem in der Maschine fließenden Strom ist, wird die Amplitude der Cogging-Sperrkomponente für eine bestimmte Rotorposition im linearen Fall fixiert und ändert sich nicht mit der Amplitude des in der Maschine fließenden Stroms oder dem gewünschten Ausgangsdrehmoment der Maschine. Das gilt nicht für die Drehmoment erzeugende Stromkomponente, die sich jedoch – unter der Annahme, dass die Maschine in einem linearen Bereich arbeitet – linear mit dem Ausgangsdrehmoment ändert.
Da im linearen Fall die Cogging-Sperrkomponente der Strombefehle für eine bestimmte Rotorposition fix ist, besteht die Möglichkeit, eine Motorsteuer- bzw. -regeleinrichtung zu entwickeln, die in vielerlei Hinsicht herkömmlichen Steuer- bzw. Regeleinrichtungen ähnelt, die aber eine aktive Cogging-Sperrkomponente integriert in der gewünschten Motorsteuer- bzw. Regeleinrichtung aufweist. Beispiele für solche Steuer- bzw. Regeleinrichtungen sind in den 15A, 15B und 16 dargestellt.
Unter anfänglicher Bezugnahme auf 15A ist eine beispielhafte Schaltungsanordnung 30 zur Erzeugung von Phasenstromreferenzen für eine Drehmoment erzeugende Komponente veranschaulicht. Diese Phasenstromreferenzen ia_ref, ib_ref und ic_ref werden an die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 151 der 15B geleitet. Die Phasenstromreferenzen für die Drehmoment erzeugende Komponente hängen im allgemeinen vom gewünschten Ausgangsdrehmoment, der gewünschten Rotorposition und der gewünschten Rotorgeschwindigkeit ab.
In der beispielhaften Schaltungsanordnung der 15A empfängt der Generator 30 für die Phasenstromreferenzen der Drehmoment erzeugenden Komponente als Eingänge: (a) ein elektrisches Signal Te Command 32, welches für das Soll-Ausgangsdrehmoment der von der Steuer- bzw. Regeleinrichtung 151 zu steuernden bzw. regelnden Maschine steht; und (b) ein Rotorpositions-Rückkopplungssignal 153, das für die Winkelposition und die Geschwindigkeit des Rotors steht. Das Drehmoment-Befehlssignal Te Command 32 kann durch eine bekannten Steuer- bzw. Regelschaltung generiert werden, die gewünschte Drehmomentbefehle als Reaktion auf erfasste Motorparameter und einen gewünschten Soll-Parameter wie eine gewünschte Rotorgeschwindigkeit generiert. Beispielsweise kann das Drehmoment-Befehlssignal durch Vergleichen der Ausgangsgeschwindigkeit des Motors mit einer gewünschten Ausgangsgeschwindigkeit generiert werden, um einen Drehmomentbefehl zu erzeugen, der zunimmt, wenn die Ist-Geschwindigkeit unter der Soll-Geschwindigkeit liegt, und der abnimmt, wenn die Ist-Geschwindigkeit über der Soll-Geschwindigkeit liegt. Methoden und Schaltungsanordnungen zur Generierung von Drehmoment-Steuersignalen für elektrische Maschinensteuerung sind einschlägig bekannt und werden nicht näher behandelt.
Im allgemeinen empfängt der Stromreferenzgenerator 30 im linearen Bereich als Eingänge das Drehmoment-Steuersignal 32 und das Positions Rückkopplungssignal 153 und liefert in Reaktion hierauf als Ausgänge elektrische Befehle, die den Strömen entsprechen, welche in den Phasenwicklungen des zu steuernden bzw. regelnden Motors hergestellt werden sollen, um den gewünschten Drehmomentausgang zu erzeugen. Die Beziehung zwischen den Eingängen in die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 30 und den Ausgängen aus der Steuer- bzw. Regeleinrichtung kann von einem Motor zum anderen variieren, und die entsprechenden Eingang/Ausgang-Beziehungen für einen bestimmten Motor können unter Anwendung der oben beschriebenen Verfahren sowie anderer bekannter Motorsteuer- bzw. -regelverfahren ermittelt oder berechnet werden.
Eine beispielhafte grafische Darstellung gewünschter Phasen stromreferenzen vs. Rotorwinkelposition für einbeispielhaftes 1 – N·m-Eingangsbefehl-Drehmoment für einen im linearen Bereich arbeitenden Motor ist in 18 angegeben. Im dargestellten Beispiel haben die Phasenstromreferenzen der Drehmomenterzeugenden Komponente, da der Motor im linearen Bereich arbeitet, dieselbe allgemeine „Form" in Bezug auf die Rotorposition bei jedem Soll-Drehmoment und variieren nur linear in der Amplitude mit dem Soll-Drehmoment (direkt proportional zum Soll-Drehmoment).
Der Stromreferenzgenerator 32 kann unter Verwendung von Hardware (wie einer Verweistabelle, die Eingangparameter als Adressen zu entsprechenden Ausgangparametern abbildet), Software zur Berechnung der gewünschten Phasenstrombefehle aus den Eingangparametern oder einer Kombination aus beiden (z. B. einer dünn besetzten Matrix, die Eingänge auf Ausgänge mittels Interpolations-Software abbildet) implementiert werden. Der Aufbau eines solchen Schaltkreises hängt von der Fähigkeit des Fachmanns mit dem Nuten der vorliegenden Offenbarung ab und wird daher nicht im Detail besprochen.
Unter Bezugnahme auf 15B ist ein Motorregelsystem 150 mit einer Regeleinrichtung 151 zur Regelung des Stroms in einen Elektromotor 152 zwecks Erzeugung eines gewünschten Ausgangsdrehmoments oder einer gewünschten Ausgangsgeschwindigkeit dargestellt. Die Regeleinrichtung 151 empfängt als Eingänge: (a) den gewünschten Phasenströmen entsprechende Strom-Befehlssignale Ia_ref, Ib_ref und Ic_ref, die unter Verwendung der Schaltungsanordnung der 15A in Abhängigkeit von beispielsweise dem gewünschten Drehmoment, der gewünschten Rotorposition und der gewünschten Geschwindigkeit erzeugt werden; (b) ein für die Winkelposition und die Geschwindigkeit des Rotors stehendes Rotorpositions-Rückkopplungssignal 153; und (c) für den im Motor 152 strömenden Ist-Strom stehende Stromrückkopplungssignale Ia, Ib und Ic. Die Stromrückkopplungssignale Ia, Ib und Ic können unter Verwendung von herkömmlichen Stromsende- oder -schätzansätzen generiert werden, und die Rotorpositions- und -geschwindigkeitsinformationen können unter Verwendung eines Rotorpositionsdetektors von ausreichender Genauigkeit, eines Resolvers, eines Codierers oder durch einen sensorlosen Ansatz zur Berechnung und Schätzung der Rotorposition generiert werden. In der dargestellten Ausführungsform werden die Stromrück kopplungssignale Ia, Ib und Ic dem Ausgang eines Wechselrichters 154 entnommen, der zur Lieferung von elektrischer Energie an den Motor 152 verwendet wird.
Unter Bezugnahme auf 15B enthält die Steuer- bzw. Regelschaltung 151 eine Komponente 155, die als Eingang die Rotorpositions- und -geschwindigkeitssignale 153 empfängt und eine Stromspeisereferenz für eine Drehmomentunregelmäßigkeitssperre generiert, die zu den Soll-Strbmen Ia_ref, Ib_ref und Ic_ref der Drehmoment erzeugenden Komponente addiert werden. Im allgemeinen ist die Drehmomentunregelmäßigkeits-Sperrkomponente 155 eine Komponente, die Stromsignale generiert, welche den Strömen entsprechen, die im Motor 152 fließen müssen, um das Cogging-Drehmoment oder andere Drehmomentunregelmäßigkeiten zu löschen, welche andernfalls bestünden. Die Bestimmung der Werte solche Ströme kann unter Verwendung einer der oben beschriebenen Verfahren für jede gegebene Rotorposition und -geschwindigkeit bewerkstelligt werden.
Der Aufbau der Drehmomentunregelmäßigkeits-Sperrkomponente 155 kann vielfältig sein. Wenn die Regelschaltung der 15A und 15B durch Programmieren eines programmierbaren Prozessors oder durch richtiges Konfigurieren oder Konstruieren eines zweckbestimmten digitalen Signalprozessors (DSP) implementiert wird, kann die Komponente 155 die Form einer Software-Routine annehmen, die das Drehmomentunregelmäßigkeits-Sperrsignal als Reaktion auf die Rotorpositions- und -geschwindigkeitssignale 153 generiert. Das kann mit einer Software-Routine bewerkstelligt werden, enthaltend: (1) Verweisdaten, die jede Rotorposition und -geschwindigkeit mit einem Drehmoment-Sperrsignal korrelieren; (2) eine Rohmatrix mit entsprechenden Rotorpositionen, Geschwindigkeiten und Drehmomentunregelmäßigkeits-Sperrsignalen und eine Routine zur Interpolation solcher Informationen für Positionen und Geschwindigkeiten, die nicht in der Matrix wiedergegeben sind; (3) eine Routine zur Berechnung – unter Verwendung von beispielsweise den oben beschriebenen Verfahren – der Drehmomentunregelmäßigkeits-Sperrkomponente aus den gespeicherten Daten und Rotorpositions- und -geschwindigkeitsinformationen; oder (4) eine Kombination der obigen (1)–(3). Neben in erster Linie Software-Implementierungen der Komponente 155 sind auch Hardware- und Teils-Hardware/Teils-Software-Implementierungen der Komponente 155 möglich. Zum Beispiel kann die Komponente 155 einfach eine Verweistabelle darstellen, die als Addresseingang eine digitale Darstellung der Position und Geschwindigkeit des Rotors empfängt und als Ausgänge digitale oder analoge Darstellungen der Drehmoment-Sperrreferenzen liefert. Der Aufbau einer solchen Komponente 155 liegt innerhalb der Fähigkeit des Fachmanns mit dem Nutzen der vorliegenden Offenbarung.
Wie zu erkennen ist, liefert die Drehmomentunregelmäßigkeits-Sperrkomponente 155 als Ausgänge Drehmomentunregelmäßigkeits-Sperrstromreferenzen für jede der drei Phasenwicklungen A, B und C. Diese Drehmomentunregelmäßigkeits-Sperrstromreferenzen werden zu den Drehmoment erzeugenden Strombefehlen Ia_ref, Ib_ref und Ic_ref summiert, um zusammengesetzte Strombefehle zu erzeugen, die an eine Reglerfunktionstabelle oder Routine 156 angelegt werden, welche die gewünschte Reglerfunktion für das System implementiert. Im allgemeinen empfängt das Reglerfunktionselement 156 als Eingänge die zusammengesetzten Strombefehle und Rotorpositions- und -geschwindigkeitssignale und liefert Soll-Spannugen Va, Vb und Vc, die als Eingänge an den Wechselrichter 154 geliefert werden. Der Fachmann wird verstehen, dass viele Reglerfunktionen zur Regelung eines Motorsystems verwendet werden können, wie eine Proportionalregelung P, eine Integralregelung I, eine Proportional-plus-Integral-Regelung P + I oder eine Proportional-Integral-Differenzial-Regelung PID etc. Die Rotorpositions- und -geschwindigkeitsinformationen ermöglichen die Verwendung von „Geschwindigkeitskompensation mit positiver Rückkopplung", Rotorpositions- und -geschwindigkeits-abhängiger „Verstärkungsplanung", Reglerfunktionen für „Geschwindigkeitskompensation mit positiver Rückkopplung" und anderen, die Geschwindigkeits- und sämtliche Positions-abhängige elektrische Eigenschaften berücksichtigen. Darüber hinaus können herkömmliche Ansätze zur Auswahl und Implementierung von Reglerfunktionen in einem Motorsteuer- bzw. regelsystem zur Implementierung des Reglerfunktionselements 156 verwendet werden.
Der Wechselrichter 154 empfängt die Soll-Spannungen und führt als Antwort auf diese Spannungen geregelte elektrische Energie dem Motor 152 zu, um zu bewirken, dass sich die Ströme in den Phasenwicklungen des Motors 152 den zusammengesetzten Soll-Strömen annähern. Der Wechselrichter 154 kann herkömmlich aufgebaut sein und eine Vielzahl von bekannten Techniken zur Steuerung des Anlegens von elektrischer Energie an den Motor 152 verwenden. Beispielsweise kann der Wechselrichter 154 Pulsweitenmodulation, Pulsfrequenzmodulation, Raumvektormodulation oder andere Ansätze zur Steuerung des Anlegens von Strom an den Motor 152 verwenden. In alternativen Konstruktionen wird der Wechselrichter 154 in Verbindung mit bekannten Stromsteuer- bzw. -regeleinrichtungen angeordnet oder eingesetzt, die den in den Phasenwicklungen des Motors 152 fließenden Strom entsprechend regeln.
Da der im Motor 152 von der Regeleinrichtung 151 erzeugte Strom sowohl eine Drehmoment erzeugende Komponente, die auf die Erzeugung eines gewünschten Ausgangsdrehmoment (erzeugt als Reaktion auf Ia_ref, Ib_ref und Ic_ref) abzielt, als auch eine „Anti-Cogging-Komponente" (erzeugt als Reaktion auf die Sperrreferenzen der Drehmomentunregelmäßigkeiten) enthält, tendiert der Ausgang des Motors 152 dazu, das gewünschte Ausgangsdrehmoment ohne unerwünschte, beispielsweise durch Cogging verursachte Drehmomentunregelmäßigkeiten zu sein.
Der Fachmann wird verstehen, dass die oben beschriebene Regeleinrichtung 151 nur beispielhaft ist und äquivalent wirkende Steuer- bzw. Regeleinrichtungen mit der ganzen Hardware und vor allem Software oder einer Kombination aus Hardware und Software konstruiert werden können.
Die ABC-Motorsteuer- bzw. -regeleinrichtung der 15A und 15B ist zwar unkompliziert im Aufbau, erfordert aber die Entwicklung einer Motorsteuer- bzw. -regeleinrichtung 151 mit zweckbestimmten Drehmoment-Sperrkomponenten. 16 veranschaulicht einen Ansatz, bei dem viele der Drehmoment-Sperrvorteile des hierin beschriebenen Gegenstands unter Verwendung von herkömmlichen Steuer- bzw. Regeleinrichtungen mit wenig oder keiner Änderung erzielt werden können.
16 veranschaulicht ein Motorregelsystem 160 mit einer Motorregeleinrichtung 161 und einem Motor 152. Die Motorregeleinrichtung 161 ist ähnlich im Aufbau und Betrieb wie die oben in Verbindung mit 15B beschriebene Regeleinrichtung 151, und gleiche Bezugszeichen wurden für gleichartige Elemente beibehalten. Anzumerken ist, dass die Motorregeleinrichtung 161 keine Drehmoment-Sperrkomponente in ihrem Aufbau enthält. In diesem Sinn ist die Motorregelein richtung 161 ähnlich vielen erhältlichen Regeleinrichtunqen, die keine aktiven Drehmoment-Sperrkomponenten, aber Elemente zur Regelung des Stroms in einem Motor als Reaktion auf Eingangs-Referenzstrombefehle enthalten. Die Eingangs-Referenzstrombefehle können mit jedem geeigneten System wie beispielsweise dem System der 15A vorgesehen werden. Die Regeleinrichtung 161 kann somit eine herkömmliche Motorregeleinrichtung sein.
An die Motorregeleinrichtung 161 gekoppelt ist eine Drehmoment-Sperrschaltung 162, die von der herkömmlichen Regeleinrichtung 161 getrennt ist. Die Drehmoment-Sperrschaltung 162 empfängt als Eingang die Winkelposition und Geschwindigkeit des Rotors über das Rückkopplungssignal 153 und sendet Drehmoment-Sperrsignale, die mit den tatsächlichen Rückkopplungsstromsignalen Ia, Ib und Ic summiert werden, um modifizierte Rückkopplungssignale zu erzeugen, die an die Stromrückkopplungseingänge der Regeleinrichtung 161 angelegt werden. Im Aufbau kann die „Cogging"-Drehmoment-Sperrkomponente 162 ähnlich der in Verbindung mit 15B beschriebenen Komponente 155 sein. Wo jedoch die Drehmoment-Sperrschaltung 155 eine positive Anzeige der Ströme liefert, die fließen sollten, um die Drehmomentunregelmäßigkeiten aktiv zu löschen, sollte die Drehmoment-Sperrschaltung 162 den Negativwert dieses Stroms (eingestellt für die Reglerfunktionen) liefern, so dass die entsprechende Regelung implementiert wird. Die Addition dieses negativen Signals justiert die erfassten Ströme, so dass die Eingänge in die Motorregeleinrichtung nicht die erfassten Ist-Ströme, sondern Varianten der erfassten Ist-Ströme sind. Somit versucht die herkömmliche Motorregeleinrichtung 161, die modifizierten Stromwerte und nicht die Ist-Stromwerte derart zu steuern bzw. regeln, dass die Anti-Cogging-Vorteile des offenbaren Gegenstands durch den Einsatz einer herkömmlichen Steuer- bzw. Regeleinrichtung erzielt werden. Die Regeleinrichtung 161 arbeitet dann auf herkömmliche Weise, um die zusammengesetzten Rückkopplungsströme in Übereinstimmung mit den Strombefehlsignalen Ia_ref, Ib_ref und Ic_ref zu bringen. Durch den Einsatz der Schaltung 162 und des Systems der 16 können herkömmliche Steuer- bzw. Regeleinrichtungen verwendet werden, um eine aktive Drehmomentunregelmäßigkeitssperre zu bewirken, und Systeme mit herkömmlichen Steuer- bzw. Regeleinrichtungen können nachgerüstet werden, um eine aktive Reduktion von Drehmomentunregelmäßigkeiten zu bewirken.
Es sei bemerkt, dass die von der Schaltung 162 der 16 vorgesehenen negativen Stromreferenzen gewählt werden sollten, um die Reglerfunktionen und die durch die Reglerfunktionskomponente der Steuer- bzw. Regeleinrichtung 161 implementierte Verstärkung zu kompensieren.
Bei jeder der Steuer- bzw. Regeleinrichtungen der 15B und 16 wird die Cogging-Sperrkomponente des Phasenstroms (oder Negativwerts davon) für jede Phasenstromreferenz entwickelt. Die andere Komponente jeder Phasenstromreferenz ist die „Drehmoment erzeugende Komponente", die von einem System wie in 15A veranschaulicht zur Verfügung gestellt werden kann. Beispielhafte Darstellungen von repräsentativen Drehmomentsperren (oder Anti-Cogging-Strömen) sind in 17 zu finden. Beispielhafte Darstellungen von repräsentativen Drehmoment erzeugenden Strömen sind in 18 zu finden.
In den ABC-basierten Systemen der 15A, 15B und 16 beruhte das Steuer- bzw. Regelsystem auf Strombefehlen, und die Drehmomentunregelmäßigkeits-Sperrreferenzen waren Ströme. Der Fachmann wird erkennen, dass ein auf Spannung basierendes System angenommen werden kann und die Drehmoment-Sperrspeisungen als Spannung vorgesehen werden können. Bei solchen Systemen kann es wünschenswert sein, die Drehmomentunregelmäßigkeits-Sperrreferenzen zu den Spannungsausgängen aus dem Reglerfunktionselement zu addieren. Eine allgemeine Darstellung eines beispiel haften Systems 190 ist in 19 enthalten. Bei diesem System werden die Drehmomentunregelmäßigkeits-Sperrreferenzen vom Element 191 als Spannung geliefert und die Spannungsreferenzen zum Ausgang des Reglerfunktionselements 156 summiert. Die restlichen Elemente funktionieren wie in Zusammenhang mit 15 beschrieben.
Die beispielhaft beschriebenen Steuer- bzw. Regeleinrichtungen werden im ABC-Referenzrahmen betrieben. Es können auch alternative aktive Drehmoment-Sperrsteuerungen eingesetzt werden, die im α,β,0-Referenzrahmen arbeiten. Der α,β,0-Referenzrahmen ist im wesentlichen eine geometrische Zerlegung der ABC-Variablen auf eine „X- und Y"-Ebene, wobei die Summe der ABC-Komponenten die 0-Komponente im neuen Rahmen ist. Die nachstehende, gleich „C" gesetzte Transformation ist die Trans formation vom A,B,C- zum α,β,0-Rahmen.
In diesem Referenzrahmen sind die Ströme als α-Strom, als β-Strom und als ein dritter Strom definiert, der immer 0 ist. Da einer der Ströme immer Null ist, benötigen Steuer- bzw. Regeleinrichtungen, die den α, β- und 0-Referenzrahmen verwenden, unter Umständen weniger komplexe Berechnungen und weniger Bandbreite als Steuer- bzw. Regeleinrichtungen, die den ABC-Referenzrahmen benützen.
Die Transformation vom ABC-Rahmen zum α,β,0-Referenzrahmen kann wie folgt definiert werden:
Die Umkehrtransformation vom α,β,0-Rahmen zum A,B,C-Rahmen kann wie folgt definiert werden:
Die Beziehung zwischen den Variablen im ABC-Rahmen und im α,β,0-Rahmen kann folgendermaßen geschrieben werden: fαβ0 := C·fABC
Die α, β- und 0-Rahmen-Stromreferenzen können für das Beispiel, wo die Empfindlichkeit für Positionsfehler minimal ist, wie folgt berechnet werden:
Die Drehmomentgleichung kann auch durch Substitution von [Ia, Ib, Ic] gegen Iα, Iβ und I0 in der ABC-Rahmen-Drehmomentgleichung wie folgt in den α,β,0-Rahmen transformiert werden:
Bei Verwendung der Drehmoment- und Cogging-Signaturen für eine bestimmte Maschine, der oben besprochenen Methoden und der oben vorgesehenen Umwandlungen können α-, β- und 0-Stromreferenzen für eine bestimmte Maschine ermittelt werden, die das gewünschte Ausgangsdrehmoment liefern und die unerwünschten Drehmomentunregelmäßigkeiten reduzieren. Beispielhafte Strom lösungen für die Maschine mit den in den 2 und 3 veranschaulichten Cogging- und Drehmomentsignaturen für ein gewünschtes –4 N·m-Ausgangsdrehmoment sind in 20 angegeben. Wie in 20 dargestellt, sind die 0-Referenzströme immer Null. Wird nun eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung entwickelt, die entsprechende Referenzströme in Abhängigkeit von der Winkelposition und Geschwindigkeit des Rotors durch Verwendung einer Verweistabelle liefert, ist es möglich, dass eine α-, β- und 0-basierte Steuer- bzw. Regeleinrichtung einen kleineren Verweisspeicher braucht als eine den ABC-Rahmen verwendende Steuer- bzw. Regeleinrichtung, da nur zwei Verweise und nicht drei vervollständigt werden müssen. Auch kann bei einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung, die die Steuer- bzw. Regelströme in Echtzeit berechnet, eine auf α-, β- und 0-Referenzen basierende Steuer- bzw. Regeleinrichtung weniger Berechnungen benötigen als eine auf ABC-Referenz basierende Steuer- bzw. Regeleinrichtung.
20 ist eine grafische Darstellung mit α-, β- und 0-Ebene für einen –4 N·m-Drehmomentausgang. Da der 0-Strom immer einen Wert 0 hat, können die 0-Ströme ignoriert werden. 21 ist eine grafische Darstellung mit α-, β-Ebene, in der die 0-Ströme für verschiedene Drehmomentausgänge ignoriert wurden. Wie zu bemerken, besteht bei bestimmten Drehmomentbereichen eine bereite Beziehung zwischen den α-Strömen und den β-Strömen, die leicht berechen- und steuer- bzw. regelbar ist. Wenn man weiß, dass ein Motor mit einem Drehmomentbereich entsprechend einer dieser einfacheren Beziehungen arbeitet, kann eine auf α-, β- und 0-Referenz basierende Steuer- bzw. Regeleinrichtung wünschenswert sein, u.zw. aufgrund der geringeren rechentechnischen Komplexität, die zur Implementierung einer solchen Steuer- bzw. Regeleinrichtung gegenüber einer ABC-basierten Steuer- bzw. Regeleinrichtung erforderlich wäre.
Ein beispielhaftes Regelsystem 220 auf α-, β- und 0-Basis zur Gewährleistung einer aktiven Reduktion von Drehmomentunregelmäßigkeiten ist in 22 dargestellt. Abgesehen von der Verwendung eines unterschiedlichen Referenzrahmens ist der Betrieb des Systems 220 ähnlich dem Betrieb des oben in Zusammenhang mit den 15A und 15B besprochenen Systems 150.
Unter Bezugnahme auf 22 ist ein auf α-, β- und 0 basierendes Regelsystem 220 veranschaulicht, welches eine α-, β- und 0-basierte Regeleinrichtung 224 enthält, die eine Regelleistung an einen Motor 152 liefert. Die Regeleinrichtung 221 empfängt als Eingänge Rotorpositions- und -geschwindigkeitsinformationen an Eingangsleitungen 153 und Befehlsstrominformationen als Iα, Iβ vom I_ref-Berechnungsmittel, das auf ähnliche Weise arbeitet wie das in 15A gezeigte und früher beschriebene Mittel. Die Differenz sind die Referenzen der Drehmoment – erzeugenden Komponente, nämlich Iα_ref, Iβ_ref und I0_ref, worin die Null-Komponente immer Null und nicht notwendig ist. Iα_ref und Iβ_ref können mit Hilfe von früher beschriebenen Mitteln berechnet werden durch einfaches Anlegen der Transformations-"C"-zu-Ia_ref, Ib_ref, Ic_ref-Signale, beispielsweise der in 18 gezeigten Signale. Iα_ref, Iβ_ref könnten auch direkt aus der Motordrehmoment-Gleichung berechnet werden, die unter Verwendung von zuvor beschriebenen Verfahren in den α,β,0-Rahmen transformiert wurde. Da der 0-Strom immer einen Nullwert hat, ist kein 0-Strombefehl erforderlich.
Eine Drehmoment-Sperrkomponente 225 empfängt ebenfalls die Rotorpositions- und -geschwindigkeitssignale 153 und liefert Drehmoment-Sperrspeisungen als Iα und Iβ. Wieder ist keine 0-Stromkomponente erforderlich. Die Ausgänge von der Drehmoment-Sperrkomponente 225 werden mit den Befehlsströmen summiert, um zusammengesetzte Signale zu erzeugen, die an das Reglerfunktionselement 226 gesendet werden, das eine entsprechende Regelung im α,β,0-Referenzrahmen implementiert, um Befehlsspannungen als α, β und 0 zu erzeugen. Da der physikalische Motor entsprechend drei Phasen A, B und C arbeitet und der Wechselrichter 154 solche Ströme als Ia, Ib und Ic liefert, wandeln eine Wandlerschaltungsanordnung/Algorithmen 224 die Befehlsspannungen, die als α, β und 0 vorliegen, in Befehle als ABC um. Der Wechselrichter arbeitet dann wie oben in Zusammenhang mit 15B beschrieben, um den Motor 152 entsprechend zu bestromen. Darüber hinaus liefert der Wechselrichter 154 die den Ist-Strom im Motor 152 repräsentierenden Stromrückkopplungssignale. Da die Motorströme als ABC abgetastet werden, ist wieder eine Wandlerkomponente 228 vorgesehen, um die abgetasteten (oder berechneten) Ströme im ABC-Referenzrahmen in Ströme im α,β,0-Rahmen umzuwandeln. Die Rückkopplungsströme als α, β und 0 werden dann an das Reglerfunktionselement 226 zur Verarbeitung geliefert.
Die Regeleinrichtung 221 der 22 kann durch Hardware, Software oder eine Kombination von beiden implementiert und wie in Zusammenhang mit der obigen 15B beschrieben modifiziert werden.
Neben der Fähigkeit, in der ABC- und α-, β- und 0-Referenz implementiert zu werden, kann der Ansatz der aktiven Drehmomentunregelmäßigkeitssperre der vorliegenden Offenbarung auch durch eine Regeleinrichtung implementiert werden, die in einem Referenzrahmen arbeitet, der sich bei einer bestimmten Frequenz dreht. Für eine Motorsteuer- bzw. -regeleinrichtung gemäß der hierin enthaltenen Lehren kommt am ehesten ein Rahmen in Frage, der sich synchron mit der Gegen-EMK-Signatur des zu steuernden bzw. regelnden Motors dreht; oder eine Referenz, die die Cogging-Signatur der Maschine berücksichtigt.
Als erstes wird eine beispielhafte Steuer- bzw. Regeleinrichtung besprochen, bei der ein rotierender Referenzrahmen verwendet wird, der sich synchron mit der Gegen-EMK dreht. Die Verwendung dieses speziellen Rotationsrahmens gewährleistet, dass die Drehmoment erzeugenden Komponenten des Strombefehls von Natur aus quasi-statisch sind. Die Cogging-Sperrkomponente der Strombefehle ist jedoch nicht quasi-statisch. Der gewünschte Strombefehl wird als komplexes Exponential dargestellt.
Zuerst müssen die Strombefehle im rotierenden Referenzrahmen ausgedrückt werden. Das kann geschehen durch (1) Umwandeln der Strombefehlsdarstellung von einem ABC-Rahmen in den α,β,0-Rahmen wie folgt:

und dann (2) Ableiten einer komplexen Polardarstellung der Befehlsströme durch Berechnen des „Winkels und Radius" der Polardarstellung der Stromreferenzen gemäß folgenden Gleichungen:
Die Berechnung der komplexen Exponentialform der Regelströme kann somit wie folgt bewerkstelligt werden:
Eine Transformation, die gewährleistet, dass die Drehmoment erzeugenden Komponenten der Stromspeisungen quasi-statisch sind, kann beispielsweise aus den 1 Nm-Drehmoment erzeugenden Komponenten der Regelströme durch Anwendung der folgenden Gleichung berechnet werden:
Dann kann eine Funktion definiert werden, um die rotierenden Komponenten der Stromspeisung als Rotationsrahmen (oder Blind-, direkte und 0-Komponente „QD0") wie folgt zu berechnen: I_QD0(Ia_ref Ib_ref Ic_ref Ia, Ib, Ic) := K_QD0_ABC(Ia_ref Ib_ref Ic_ref)·I_sv(Ia, Ib, Ic)
Beispiele für die QD0 können dann unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet werden: I_QD0_Bemfm,p := t_QD0(I_a_zero_sense_Tem, I_b_zero_sense_Tem, I_c_zero_sense_Tem, I_a_zero_sense_totm,p, I_b_zero_sense_totm,p, I_c_zero_sense_totm,p)
23 ist eine grafische Darstellung der Q-Wellenform (reeller Anteil) und der D-Wellenform (imaginärer Anteil) (die 0-Sequenzkomponente ist Null) für zwei beispielhafte Ausgangsdrehmomente (0 N·m und 2 N·m). Die Welligkeit bei den Wellenformen geht auf die Cogging-Sperrkomponente der Speisungen zurück. Es sei bemerkt, dass der (imaginäre) D-Achsen-Strom für den 0-Nm- und den 2-Nm-Drehmomentausgang gleich ist.
Wie bei einer genauen Untersuchung der 23 zu bemerken ist, enthalten die Q- und D-Achsenströme eine signifikante Welligkeit, was bedeutet, dass eine Reglerfunktion mit ziemlich hoher Bandbreite zur Verfolgung der Stromreferenzen notwendig ist (wenn auch bei weitem nicht so hohe Bandbreiten wie im ABC- oder α,β,0-Rahmen). Um dieses Erfordernis abzuschwächen, kann eine neue Transformation abgeleitet werden, die die variierende Natur des Cogging-Sperranteils der Regelströme weg transformiert. Die Transformation erfolgt in mehreren Stufen.
Zuerst kann der Phasen-Regelstrombefehl als komplexe Exponentiale als Summe zweier Ausdrücke gedacht werden, nämlich eines Drehmoment erzeugenden Ausdrucks und eines Cogging-Sperrausdrucks:
Der Cogging-Sperrausdruck ist belastungsinvariant im Fall einer linearen Maschine, und die Drehmomenterzeugungsausdrücke variieren linear mit dem Soll-Drehmoment. Ziel ist es, eine transformierte komplexe Exponentialdarstellung der Stromreferenzen zu erzeugen, die sich nur mit der Stromamplitude verändert. Der erste Schritt zur Erreichung dieses Ziels besteht in der Wegtransformation der variierenden Natur des Cogging-Sperranteils der Speisung. Mehrere Variable können wie folgt „genullt" werden, um den Speicher für Berechnungen frei zu machen:
Die komplexe Exponentialdarstellung des gesamten Phasenstrombefehls kann dann in einen rotierenden Rahmen transformiert werden, der synchron mit der Cogging-Signatur des zu steuernden bzw. regelnden Motors ist, nämlich:
worin
(1) R_cog_rej der „Radius" der Referenz der Cogging-Sperrkomponente ist. (2) σ_cog_rej der Polarwinkel der Referenz der Cogging-Sperrkomponente ist. (3) R_Te_ref der „Radius" der Referenz der Drehmoment erzeugenden Komponente ist. (4) σ_Te_ref der Polarwinkel der Referenz der Drehmoment erzeugenden Komponente ist. (5) Te_com der gewünschte Drehmoment-Ausgang der Machine ist.
Zur Vereinfachung:
Der nächste Schritt besteht in der Subtraktion von Eins von beiden Seiten der Gleichung.
Der letzte Schritt in der Ableitung ist die Multiplikation beider Seiten der Gleichung mit dem Ausdruck, der Te_com auf der rechten Seite der Gleichung isoliert.
Zur Vereinfachung:
Somit kann die Transformation aus dem ABC-Rahmen in den Cogging inkludierenden QD0-Rotationsrahmen zusammengefasst wie folgt geschrieben werden:
worin X_ABC_cog für die Polardarstellung der Gesamtreferenzen des ABC-Rahmens steht wie zuvor beschrieben (I_sv_tot). Bei Verwendung dieser Transformation wird der Q-Achsenstrom proportional zum Ausgangsdrehmoment der Welle. Die Umkehrtransformation kann ebenfalls abgeleitet werden.
Es kann nun ein numerisches Beispiel berechnet werden. Definieren einer Funktion, die den ersten Ausdruck der ABC-zu-QD0-Transformation berechnet.
Definieren einer Funktion, die den zweiten Ausdruck der ABC-zu-QD0-Transformation berechnet.
Definieren der Gesamttransformation als Summe der beiden Funktionen. KQD0_ABC_cog(IaTe, IbTe, IcTe.Iacog, Ibcog, Iccog, XABCoog) := KQD0_ABC_cog_T1(IaTe, IbTe, IcTe, XABCoog) + KQD0_ABC_cog_T2(IaTe, IbTe, IcTe, Iacog, Ibcog, Iccog)
Berechnen der komplexen Exponentialdarstellung der ABC-Stromspeisungen mit minimaler Empfindlichkeit. I_sv_zero_sense_totm,p := I_sv(I_a_zero_sense_totm,p, I_b_zero_sense_totm,p, I_c_zero_sense_totm,p)
Berechnen der QD0-Ströme, worin der reelle Anteil der Q-Achsenstrom und der imaginäre Anteil der D-Achsenstrom ist (die Nullsequenz-Komponente ist Null, da die Speisung symmetrisch ist). IQD0_zero_sensem,p := KQD0_ABC_cog(I_a_zero_sense_Tem, I_b_zero_sense_Tem, I_c_zero_sense_Tem, I_a_zero_sense_cog_rejm, I_b_zero_sense_cog_rejm, I_c_zero_sense_cog_rejm, I_sv_zero_sense_totm,p)
Bei Verwendung dieses Rahmens, der die Cogging-Signaturdaten inkorporiert, können Q- und D-Ströme für verschiedene gewünschte Drehmomentausgänge abgeleitet werden, wie in 24 dargestellt. Wie bei Betrachtung der 24 zu bemerken, bilden die Regelausgänge in diesem Referenzrahmen unter Verwendung der beschriebenen Umrechnungen quasi-statische Regelreferenzen, die eine effektivere und feinere Regelung bei einer niedrigeren Bandbreite gestatten, als wenn sich die Regelvariablen ständig verändern.
25 und 26 sind allgemeine Abbildungen eines Steuer- bzw. Regelsystems 250, bei dem eine rotierende (QD) Referenz verwendet werden kann. Die zur Berechnung der Transformationen in den QD0-Referenzrahmen verwendeten speziellen Verfahren hängen davon ab, welche der beschriebenen Transformationsansätze angewendet werden. Der Fachmann mit dem Nutzen der vorliegenden Offenbarung ist in der Lage, ein solches System aufzustellen.
Unter anfänglicher Bezugnahme auf 25 ist ein Motorregelsystem 250 mit einem Motor 152 und einer Motorregeleinrichtung 251 veranschaulicht. Die Motorregeleinrichtung 251 verwendet einen rotierenden Referenzrahmen, in dem die Cogging-Sperrkomponente des Stroms nicht im dargestellten Rotationsrahmen enthalten ist. Der rotierende Referenzrahmen, der für die Regeleinrichtung 251 der 25 verwendet werden kann, kann jeder rotierende Referenzrahmen sein, der die Cogging-Sperrkomponente nicht enthält, und könnte beispielsweise der oben beschriebene Rahmen sein, der gewährleistet, dass die Drehmoment erzeugenden Stromkomponenten im Rotationsrahmen quasi-statisch sind, d. h. sich konstant im stationären Betriebszustand befinden. Der Rotationsrahmen könnte auch ein klassischer synchroner „Park-Rahmen" sein.
Das System der 25 empfängt als Eingangsdrehmoment erzeugende Stromreferenzbefehle iq_ref, id_ref und ic_ref, die sich im QD0-Referenzrahmen befinden. Solche Drehmoment erzeugenden Referenzstrombefehle variieren nicht mit der Rotorposition, weil sie sich im QD0-Rahmen befinden. Die QD0-Drehmoment erzeugenden Stromreferenzbefehle können von einer Schaltungsanordnung wie der in 15A veranschaulichten geliefert werden, die so adaptiert wurde, dass sie Ausgangsreferenzströme im QD0-Referenzrahmen liefert. Die „0"-Referenz ist typischerweise Null.
Wie in 25 dargestellt, empfängt die Regeleinrichtung 251 neben den Drehmoment erzeugenden Stromreferenzen QD0 auch als Eingänge Rotorpositionsrückkopplungsinformationen von der Leitung 153. Die Rotorrückkopplungsinformationen werden an eine Drehmoment-Sperrkomponente 255 geliefert, die als Reaktion ein Drehmoment-Sperrreferenzsignal erzeugt, welches Stromreferenzen als QD0 enthält, die mit den Drehmoment erzeugenden Stromreferenzen QD0 summiert werden, um eine zusammengesetzte Strombefehlsreferenz zu erzeugen. Die QD0-Cogging-Sperrkomponenten-Referenzen können in diesem Rahmen als Funktion der Rotorposition und -geschwindigkeit gespeichert werden, berechnet in Echtzeit, und der Block bzw. das Element 255 kann gemäß der früheren Beschreibung des Elements 155 in 15B, 162 in 16, 191 in 19 und 225 in 22 arbeiten und konstruiert sein.
Da sich das Drehmoment-Sperrsignal mit der Rotorposition verändert, verändern sich auch die zusammengesetzten Strom befehlsreferenzen mit der Rotorposition. Die zusammengesetzte Strombefehl-"0"-Referenz ist typischerweise immer Null. Eine grafische Darstellung von beispielhaften zusammengesetzten (Gesamt-)Strombefehlsreferenzen ist in 23 angegeben.
Wie in 25 gezeigt, werden die zusammengesetzten Strombefehlsreferenzen an das Reglerfunktionselement 256 geliefert, das die entsprechenden QD0-Regelung implementiert und Regelspannungen als Vq, Vd und V0 ausgibt. Die anderen Eingänge zum Reglerfunktionselement 256 sind Stromrückkopplungsbefehle, die für den Strom im Motor als QD0 stehen, sowie Rückkopplungssignale, die für die Winkelposition (und Geschwindigkeit, wenn nicht vom Positionssignal abgeleitet) des Rotors stehen.
Die Ausgänge des Reglerfunktionselements 256 sind QD0-Spannungsbefehle, die transformiert werden, um ABC-Spannungsbefehle zur Verfügung zu stellen, die an den Wechselrichter 154 angelegt werden. Im dargestellten Beispiel wird die Transformation ausgeführt durch eine erste Transformation, implementiert von VQD0, zum V_vs-Block 263, der die QD0-Spannungen von 256 in Polardarstellungen der Spannungen in einem stationären Rahmen (V_sv) umwandelt. Bei einem in 25 beschriebenen Rotationsrahmen könnte die Operation eine (Vq + 1j·Vd)·R_Te·exp(1j·σ_Te)-Transformation sein, wie zuvor beschrieben. Ein anderes Beispiel für die Transformation könnte eine leicht veränderte Operation (Vq + 1j·Vd)·RV_Te·exp(1j·σV_Te) sein, worin RV_Te und σV_Te die Polardarstellung der Spannung sind, die erforderlich wäre, um zu gewährleisten, dass die Drehmoment erzeugende Stromkomponente im Motor 152 fließt. Mit anderen Worten, die Impedanz der Motorphasen und die Gegen-EMK würden in erster Linie in der Transformation und nicht durch die Wirkung der Reglerfunktion berücksichtigt.
Der Block 263 empfängt auch als Eingänge die Polardarstellung der Form der Drehmoment erzeugenden Stromkomponenten (Radius und Polarwinkel) R_Te und σR_Te vom Block 600. R_Te und σ_Te können beispielsweise durch Verwendung der zuvor für die komplexe Polardarstellung der Ströme der 18 und des Rotorpositions-/-geschwindigkeitssignals 153 vorgesehenen Formeln berechnet werden. R_Te und σ_Te können in 1-bezogenen Ausgangsausdrücken (z. B. 1 Nm) angegeben werden. Im linearen Fall sind R_Te und σ_Te nur vom Winkel abhängig.
Der Ausgang des Transformationselements 263 ist die Polardarstellung der Phasenspannungen in einem stationären Rahmen. Block 264 empfängt als Eingang den Polardarstellungsausgang von Block 263 (V_sv) und wandelt ihn in Spannungen im αβ0-Referenzrahmen um, indem er beispielsweise den reellen Anteil Vα und den imaginären Anteil Vβ zuordnet. V0 ist in diesem Fall Null. Die αβ0-Spannungen vom Block oder Element 264 werden dann vom Block 265 in ABC-Rahmen-Spannungen transformiert, der auf die zuvor in Zusammenhang mit Block 224 der 22 beschriebene Weise arbeitet. Die ABC-Ausgänge aus dem Block/Element 265 werden dann als Eingänge an den Wechselrichter 154 angelegt, der zur Bestromung des Motors 152 wie zuvor beschrieben funktioniert.
Wie in 25 dargestellt, empfängt das Reglerfunktionselement 265 als Eingänge sowohl die Rotorpositions(geschwindigkeits)informationen von der Leitung 153 als auch die Stromrückkopplungsinformationen im QD0-Referenzrahmen. Die QD0-Stromrückkopplungssignale werden erhalten, indem zuerst die Stromrückkopplungssignale am Wechselrichter 154 erhalten werden wie zuvor in Bezug auf Ia, Ib und Ic beschrieben. Die ABC-Ströme werden dann vom Element 258 in den α,β,0-Referenzrahmen übergeführt. Die Stromrückkopplung als α, β und 0 wird dann vom Element 259 verarbeitet, das die α,β,0-Rückkopplungsströme in eine komplexe Polardarstellung der Rückkopplungsströme umwandelt. Der Block 259 funktioniert wie zuvor im Berechnungsbeispiel von I_sv beschrieben, außer das Iα, Iβ und I0 bereits vom Element 258 berechnet worden sind. Im Fall des im beispielhaften System der 25 verwendeten rotierenden Rahmens würde der Block 260 die Operation (I_sv)·(1/R_Te)·exp(–lj·σ_Te) durchführen wie zuvor beschrieben (I_sv ist eine komplexe Zahl). Der reelle Anteil der Berechnung kann als Iq definiert werden, der imaginäre Anteil kann als Id definiert werden. I0 ist Null. Iq, Id und I0 werden dann vom Block 260 ausgegeben und als Eingänge zur Regelung des Reglerfunktionsblocks 256 ausgegeben. Der Block 260 empfängt auch als Eingänge die Polardarstellung der Form der Drehmoment erzeugenden Stromkomponente (Radius und Polarwinkel) R_Te und σ_Te vom Block 600, berechnet wie oben beschrieben.
Das restliche Schaltsystem arbeitet wie oben beschrieben, wobei R_Te und σ_Te die Polardarstellung der Form der Drehmoment erzeugenden Stromkomponente (Radius und Polarwinkel) von beispielsweise 18 sind, und wobei R_cog und σ_cog die Polardarstellung der Cogging-Sperrstromkomponente (Radius und Polarwinkel) von beispielsweise 17 sind.
26 veranschaulicht ein beispielhaftes Regelsystem, das in einem rotierenden Referenzrahmen arbeitet, in dem die Cogging-Sperrkomponente des Stroms im Rotationsrahmen enthalten ist.
In dieser Figur ist ein Regelsystem 550 veranschaulicht, welches eine Regeleinrichtung 551 zur Bestromung eines Motors 152 aufweist. Die Regeleinrichtung 551 empfängt als Eingänge Drehmoment erzeugende Stromreferenzen als QD0, die unter Verwendung des Schaltsystems der 15A, wie es in Zusammenhang mit den Drehmoment erzeugenden Referenzen der 25 beschrieben ist, erzeugt werden können. Wie im System der 25 verändern sich die QD0-Referenzen der Drehmoment erzeugenden Komponente in diesem Rotationsrahmen nicht mit der Rotorposition. Beispielhafte Drehmoment erzeugende Stromreferenzen der Art, wie sie zur Versorgung der Regeleinrichtung der 26 geeignet sind, sind in 24 dargestellt. Im speziellen Beispiel der 26 ist die „0"-Stromreferenz immer Null.
Im beispielhaften Schaltkreis der 26 werden die Drehmoment erzeugenden Stromreferenzen als Eingänge an die Reglerfunktionskomponente 256 angelegt, die wie oben in Zusammenhang mit dem Element 256 der 25 beschrieben arbeitet, um entsprechende Ausgangsspannungen Vq, Vd und V0 zu liefern, die sich im QD0-Rahmen befinden. Die QD0-Spannungen vom Element 256 werden als Eingänge an das Transformationselement 563 geliefert, welches die QD0-Spannungen vom Element 256 in eine Polardarstellung der Spannungen (V_sv) mit stationärem Rahmen umwandelt. Die Transformation wird vom Element 563 als Reaktion auf den Ausgang eines Cogging-Sperrelements 555 und eines Elements 600 der Drehmoment erzeugenden Komponente durchgeführt, welches als Eingang das Rotorpositions/geschwindigkeitssignal 153 empfängt und als Reaktion darauf die Polar darstellung der Cogging-Sperrkomponente (Radius und Polarwinkel) R_cog und σ_cog erzeugt. R_cog und σ_cog können durch Verwendung der Formeln berechnet werden, die zuvor für die komplexe Polardarstellung von Strömen mit den Cogging-Sperrkomponentenströmen der 17 vorgesehen wurden. Das Element 555 kann wie in Zusammenhang mit dem Element 255 der 25 beschrieben implementiert werden, ebenso das Element 600.
Das Transformationselement 563 transformiert die QD0-Spannungen vom Reglerfunktionselement 256 in die Polarspannungsdarstellung V_sv mit stationärem Rahmen, so dass die Polarspannungsdarstellung V_sv mit stationärem Rahmen, wenn sie als Eingang an das (zuvor beschriebene) Schaltsystem 264, 265 und 154 gelegt wird, ein Ausgangsdrehmoment am Motor erzeugt, das dazu tendiert, das gewünschte Ausgangsdrehmoment zu erzeugen und Drehmomentunregelmäßigkeiten zu verringern. Die Transformation kann z. B. die Operation V_sv = (R_Te)·exp(lj·σ_Te)·(Vq + 1j·Vd) + R_cog·exp(lj·σ_cog) ausführen, oder die Transformation kann z. B. die Operation V_sv = (RV_Te)·exp(lj·σV_Te)·(Vq + 1j·Vd) + RV_cog· exp(1j·σV_cog) ausführen, worin RV_Te und σV_Te die Polardarstellung der Spannung sind, die erforderlich wäre, um zu gewährleisten, dass die Drehmoment erzeugende Stromkomponente im Motor 152 fließt, und RV_cog und σV_cog der Radius und Winkel der Polardarstellung der Spannung sind, die erforderlich wären, um zu gewährleisten, dass die Cogging-Sperrstromkomponente im Motor fließt. Die Polardarstellung der Phasenspannungsbefehle V_sv ist der Ausgang von 563.
Der Ausgang des Elements 563 wird an die Elemente 264, 265 und 154 gelegt, die wie oben in Zusammenhang mit 25 beschrieben zur Bestromung des Motors 152 arbeiten.
Wie in 26 gezeigt, werden die Stromrückkopplungssignale iq, id und i0 als Eingänge an den Reglerfunktionsblock 256 angelegt. Die Erzeugung dieser Rückkopplungssignale erfolgt durch den Einsatz von Signalen ia, ib und ic, die vom Wechselrichter 154 wie oben beschrieben erhalten werden, sowie durch den Einsatz der Transformationselemente 258 und 259, die wie in Zusammenhang mit 25 beschrieben funktionieren. Der Block 560 transformiert den Ausgang von Block 259 durch eine Transformation, die die vom Element 555 vorgesehenen Cogging-Sperrparameter und die Referenz der Drehmoment erzeugenden Komponente R_Te, σ_Te von Block 600 berücksichtigt. Die vom Element 560 durchgeführte Transformation kann bewerkstelligt werden, indem die folgende Operation am Eingang I_sv durchgeführt wird: IQD0_sv = (1/R_Te)·exp(–lj·σ_Te)·I_sv(1/R_Te)·R_cog·exp(–lj·(σ_Te-σ_cog)), worin IQD0_sv eine komplexe Darstellung der QD0-Rahmen-Rückkopplungsströme ist. Iq wird dann als reeler Anteil von IQD0_sv definiert, Id als imaginärer Anteil von IQD0_sv definiert, und I0 ist in diesem speziellen Beispiel Null. Der Block 600 berechnet R_Te, und σ_Te ist so, wie oben unter Bezugnahme auf 25 beschrieben.
Die oben beschriebenen Motorsteuer- bzw. -regelsysteme bezogen sich auf Motoren oder den Betrieb von Motorabschnitten, wo Motoren in linearen Bereich wirken (d. h. in Bereichen, wo die magnetische Rückschlusssättigung und andere nicht-linear produzierende Effekte unbedeutend sind). Der Fachmann wird erkennen, dass Motoren unter Umständen auch in nicht-linearen Bereichen arbeiten, wo die Merkmale der Motorveränderung nicht-linear sind. Die zuvor oben besprochenen Steuer- bzw. Regelsysteme und Steuer- bzw. Regeleinrichtungen können modifiziert werden, um einem derartigen nicht-linearen Motorbetrieb Rechnung zu tragen.
Die zur Umwandlung der in den 15A und 15B dargestellten Regeleinrichtung erforderliche Modifikation wird nachstehend erörtert, der Fachmann mit dem Nutzen der vorliegenden Offenbarung wird aber verstehen, dass die beispielhaften Modifikationen auch an den anderen hierein beispielhaft besprochenen Regeleinrichtungen vorgenommen werden können.
Eine Modifikation, die vorgenommen werden kann, damit die zuvor beschriebenen Steuer- bzw. Regeleinrichtungen im nicht-linearen Bereich wirken können, besteht in der Einstellung der Beziehung zwischen den Eingängen und Ausgängen des das Drehmoment erzeugende Stromreferenzen generierenden Schaltsystems der 15A, so dass die Beziehung nicht-linear ist. Mit anderen Worten, die Referenzen der Drehmoment erzeugenden Komponente wären nicht mehr linear proportional zum Soll-Drehmoment.
Eine zweite Modifikation, die an den zuvor beschriebenen Steuer- bzw. Regeleinrichtungen vorgenommen werden kann, damit sie Motoren in ihrem nicht-linearen Bereich leichter betreiben können, besteht in der Modifikation der Komponenten, die die Cogging-Sperrstromreferenzen (oder Cogging-Sperrparameter) erzeugen, so dass die Cogging-Sperrstromreferenzen/-parameter nicht nur mit der Rotorposition und gegebenenfalls Rotorgeschwindigkeit, sondern auch mit dem Soll-Drehmoment variieren. 27 zeigt eine derartige Modifikation, wie sie an der Steuer- bzw. Regelschaltung der 15B vorgenommen werden kann. Wie dargestellt, empfängt die Komponente 191' als Eingänge nicht nur die Stromposition und gegebenenfalls Geschwindigkeitsinformationen von der Leitung 153, sondern auch eine Darstellung des Soll-Drehmomentbefehls Te. Das Element 191' der 27 generiert dann die Cogging-Sperrstromreferenzen, die sich mit Änderungen des Soll-Drehmoments verändern. Das restliche Schaltsystem der 27 funktioniert wie oben in Verbindung mit 15B beschrieben.
Der Fachmann wird erkennen, dass die Verwendung des Soll-Drehmomentsignalbefehls Te für nicht-lineare Regelzwecke nur als Beispiel dient. Andere befohlene oder abgetastete Parameter (wie der Strom im Motor) könnten ebenfalls für solche Zwecke verwendet werden. Der Fachmann wird auch erkennen, dass die hierein beschriebenen Steuer- bzw. Regelkreise über programmierte Prozessoren implementiert werden können, in denen die verschiedenen oben beschriebenen Elemente und Komponenten über Software-Routinen implementiert würden. Solche Software-Implementierungen sind äquivalent zu den hierin besprochenen und beschriebenen Hardware-Implementierungen. Die Anwendung solcher Software-Ansätze gestattet die Herstellung einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung, die für verschiedene Drehmoment-/Geschwindigkeitsbedingungen optimiert werden kann.
Beispielsweise zeigt 21, dass im dargestellten Beispiel bei bestimmten Drehmoment-Ausgangsbereichen die Beziehung zwischen den Steuer- bzw. Regelparametern derart ist, dass es keine klare und einfach zu beschreibende Beziehung zwischen dem α- und dem β-Strom (für einen αβ-Referenzrahmen) für relativ niedrige Ausgangsdrehmomentgrößenordnungen gibt. Für höhere Drehmomentausgänge ist die Beziehung zwischen dem α- und dem β-Strom eindeutiger. Für eine solche Anwendung kann es möglich sein, eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung vorzusehen, die in einem ABC-basierten Modus in niedrigen Drehmomentbereichen arbeitet und zu einer α-, β- und 0-basierten Steuer- bzw. Regeleinrichtung konvertiert, sobald das Ausgangsdrehmoment einen bestimmten Grenzpunkt überschreitet. Angesichts der einfachen Verfügbarkeit von programmierbaren Prozessoren und DSPs kann eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung vorgesehen werden, die als ABC-basierte Steuer- bzw. Regeleinrichtung innerhalb bestimmter Drehmomentbereiche wirkt und in höheren Drehmomentbereichen zu einer α-, β- und 0-basierten Steuer- bzw. Regeleinrichtung konvertiert.
Demgemäß kann eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung vorgesehen werden, die unter verschiedenen Umständen nach unterschiedlichen Steuer- bzw. Regelschemen arbeitet. Beispielsweise ist bei niedrigen Rotorgeschwindigkeiten die Möglichkeit eines Rotorpositionsdetektorfehlers hoch. Daher kann es bei niedrigen Geschwindigkeiten wünschenswert sein, eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung zu haben, die mit sehr geringer Empfindlichkeit für Rotorpositionsfehler arbeitet. Bei hohen Geschwindigkeiten – wo Rotorpositionsfehler weniger signifikant und weniger wahrscheinlich sind – können die von einer derartigen Steuer- bzw. Regeleinrichtung generierten hohen Effektivströme zu unerwünschten Verlusten führen. Bei einer solchen Anwendung kann es wünschenswert sein, eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung zu haben, die bei niedrigen Rotorgeschwindigkeiten nach einem Steuer- bzw. Regelschema mit minimaler Empfindlichkeit arbeitet und bei hohen Geschwindigkeiten zu einem minimalen Effektivstrom-Steuer- bzw. -regelschema konvertiert. Die Umschaltung zwischen den beiden Betriebsmodi kann nämlich je nach Rotorgeschwindigkeit ein allmählicher Übergang von einem Modus in den anderen sein, was in einer „Gleitmodus"-Steuer- bzw. Regeleinrichtung resultiert. Beispielsweise kann ein Satz von Cogging-Sperr- und Drehmoment produzierenden Referenzen, die hinsichtlich Empfindlichkeit für Rotorpositionfehler variieren, für verschiedene Rotorgeschwindigkeiten berechnet und bei Änderung der Rotorgeschwindigkeit dazwischen interpoliert werden, oder die Berechnung könnte in Echtzeit durchgeführt werden. Ein anderes Beispiel könnte ein Übergang von Null-Empfindlichkeitsreferenzen bei niedriger Geschwindigkeit zu den erforderlichen Minimalspannungs-Speisungen bei hoher Geschwindigkeit sein. Die Null-Empfindlichkeitsreferenzen würden verwendet bis zu einer Geschwindigkeit, bei der die Steuer- bzw. Regeleinrichtung keine entsprechende Spannung und/oder Bandbreite mehr hätte, um die Null-Empfindlichkeitsreferenzen nachzuverfolgen. Mit Hilfe von Optimierungsverfahren würde ein Set von Referenzen berechnet, die nach und nach gestatten, dass die „Empfindlichkeitskosten" hinaufgehen, während die „Spannungskosten" zurückgehen. Die Änderung könnte allmählich wie bei einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung mit Gleitmodus oder abrupt wie bei einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung mit veränderlichem Modus erfolgen. Klarerweise ist für den Fachmann mit dem Nutzen der vorliegenden Offenbarung eine unendliche Anzahl von Referenzkombinationen möglich, die mit der Rotorgeschwindigkeit variieren.
Aufgrund der allgemeinen Gleichartigkeit vieler Elemente der in den 15B, 16, 19, 22 und 25, 26, 27 dargestellten Steuer- bzw. Regeleinrichtungen und der zunehmenden Geschwindigkeit und sinkenden Kosten verschiedener programmierbarer Steuer- bzw. Regeleinrichtungen kann der Einsatz von Mehrfach-Steuer- bzw. Regeleinrichtungen, von Gleitmodus/Mehrfachrahmen-Steuer- bzw. Regeleinrichtungen, wie oben beschrieben, möglich und wünschenswert sein.
Die obige Beschreibung mehrerer beispielhafter Ausführungsformen erfolgte exemplarisch und nicht einschränkend. Es können viele Änderungen an den hierin offenbarten Ausführungsformen und Verfahren vorgenommen werden, ohne vom Rahmen der vorliegenden Erfindung abzugehen. Beispielsweise wurde die vorliegende Erfindung in Zusammenhang mit einer rotierenden Maschine besprochen, die eine bestimmte Anzahl von Stator- und Rotorpolen und Dreiphasenwicklungen aufweist. Alternative Statorpol/Rotorpol-Kombinationen und verschiedene Kombinationen von Phasen-Schaltverbindungen, Anordnung und Sequenz jeder Phasenwicklung zur Gewährleistung unterschiedlicher EMK-Muster sind ebenso möglich wie alternative Phasenanzahlen (zwei Phasen, vier Phasen etc.). Die Verwendung von solchen alternativen Konfigurationen bedeutet kein Abgehen vom Bereich der vorliegenden Erfindung. Desgleichen ist die Erfindung bei linearen Maschinen als Gegensatz zu Drehmaschinen anwendbar, in denen das bewegliche Element, das dem Rotor entspricht, entlang einer Bahn auf dem Stator wandert. Beim Betrieb als Motor ist der Ausgang einer solchen Maschine die Kraft und nicht das Drehmoment. In diesem Fall tritt die Ungleichmäßigkeit (Unregelmäßigkeit) im Ausgang einer linearen Maschine als Kraft-Welligkeit auf.
Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung in vielen Anwendungsbereichen einschließlich gewerblichen Anwendungen, Spezialanwendungen, Geräteanwendungen sowie Anwendungen in der Raumfahrt und in der Fahrzeugtechnik eingesetzt werden. Die vorliegende Erfindung kann auch für Anwendungen in der Energieerzeugung einschließlich eigenständigen Generatoren und/oder ans Netz angeschlossenen Generatoren verwendet werden. Die Verwendung der vorliegenden Erfindung in den oben beschriebenen oder anderen Anwendungsgebieten bedeutet keine Abweichung vom Rahmen der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung soll nur durch den Umfang der nachstehenden Ansprüche beschränkt sein.

Claims

Steuer- bzw. Regeleinrichtung für eine elektromagnetische Maschine mit einem Stator und einem beweglichen Teil, der bestimmte Positionen relativ zum Stator anderen Positionen vorzieht, mit Mitteln zum Erzeugen eines Positionssignals, das die Position des beweglichen Teils in Bezug auf den Stator anzeigt; und Mitteln zur Steuerung bzw. Regelung der Speisung der Statorwicklungen als Reaktion auf das Positionssignal, und um der Bevorzugung einer bestimmten Position durch den beweglichen Teil entgegenzuwirken, einschließlich einem Ausgangswelligkeits-Sperrmittel, das auf das Positionssignal und ein Drehmoment-Befehlssignal anspricht, um einen kompensierenden Ausgang zur Speisung der Statorwicklungen zu erzeugen, um der genannten Bevorzugung entgegenzuwirken.
Steuer- bzw. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, wobei das Ausgangswelligkeits-Sperrmittel einen steuer- bzw. regelbaren Parameter der Maschine, welcher in einem rotierenden Referenzrahmen repräsentiert ist, der sich synchron mit der Gegen-EMK der Maschine, der Bewegung des beweglichen Teils oder den fiktiven Phasenströmen bei einem Maschinenausgang ohne den Einfluss der Bevorzugung bewegt, oder einen steuerbaren Parameter der Maschine implementiert, der im α,β,θ-Referenzrahmen repräsentiert ist.
Steuer- bzw. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die Ausgangswelligkeits-Sperrmittel betätigbar sind, um den kompensierenden Ausgang als Signal zu erzeugen, das den Strom angibt, der für das aktive Löschen der Bevorzugung erforderlich ist.
Steuer- bzw. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die Mittel zur Steuerung bzw. Regelung weiters Steuer- bzw. Regel-Vorschriftsmittel enthalten, die auf das Positionssignal und ein Ausgangs-Bedarfssignal ansprechen, um Statorwicklungs-Steuer- bzw. Regelsignale in Kombination mit den Ausgangswelligkeits-Sperrmitteln zu erzeugen.
Steuer- bzw. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, einschließlich Summiermitteln zum Summieren des kompensierenden Ausgangs der Ausgangswelligkeits-Sperrmittel mit dem Ausgangs-Bedarfssignal zur Erzeugung eines summierten Ausgangs, wobei die Mittel zur Steuerung bzw. Regelung auch auf den summierten Ausgang ansprechen, um die Statorwicklungs-Steuer- bzw. Regelsignale zu erzeugen.
Steuer- bzw. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, einschließlich Mitteln zum Erzeugen von Rückkopplungssignalen, die die Wicklungs-Speisung anzeigen, und Summiermitteln zum Summieren des kompensierenden Ausgangs der Ausgangswelligkeits-Sperrmittel mit den Rückkopplungssignalen zur Erzeugung eines summierten Ausgangs, wobei die Mittel zur Regelung auch auf den summierten Ausgang ansprechen, um die Regelung der Speisung der Maschine zu erzeugen.
Steuer- bzw. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, mit Mitteln zum Erzeugen von Rückkopplungssignalen, die die Wicklungs-Speisung anzeigen, welche Rückkopplungssignale den Mitteln zur Regelung zugeführt werden, und mit Summiermitteln zum Summieren des kompensierenden Ausgangs der Ausgangswelligkeits-Sperrmittel mit den Statorwicklungs-Regelsignalen von den Regelungsmitteln zum Erzeugen eines summierten Ausgangs zum Regeln der Speisung der Maschine.
Steuer- bzw. Regeleinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei welcher die Rückkopplungssignale proportional zum Wicklungsstrom sind.
Steuer- bzw. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, eingerichtet zum Betreiben der Maschine als Motor, wobei das Ausgangs-Charakteristikum das Drehmoment oder die Kraft ist.
Antriebssystem mit einer elektromagnetischen Maschine und einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Antriebssystem nach Anspruch 10, bei welchem der bewegliche Teil ein Rotor ist, der so angeordnet ist, dass er sich relativ zum Stator dreht, und bei welchem die Position des beweglichen Teils die Winkelposition des Rotors in Bezug auf den Stator ist.
Antriebssystem nach Anspruch 10, bei welchem das Mittel zur Steuerung bzw. Regelung in einem ABC-Referenzrahmen in einem ersten vorbestimmten Drehmoment-Bereich arbeitet und in einem α,β,0-Referenzrahmen in einem zweiten vorbestimmten Drehmoment-Bereich arbeitet.
Antriebssystem nach Anspruch 10, bei welchem das Mittel zur Steuerung bzw. Regelung in einem ersten Parameter-Bereich des beweglichen Teils in einem Steuer-/Regelschema, das minimal empfindlich für die Genauigkeit des Positionssignals ist, und in einem Mindest-Effektivstrom-Steuer-/Regelschema in einem zweiten Parameter-Bereich des beweglichen Teils arbeitet.
Verfahren zum Speisen einer elektromagnetischen Maschine mit einem Stator und einem beweglichen Teil, welcher bestimmte Positionen in Bezug auf den Stator anderen Positionen vorzieht, welches Verfahren das Erzeugen eines Positionssignals, das die Position des beweglichen Teils in Bezug auf den Stator anzeigt; und das Steuern bzw. Regeln der Speisung der Statorwicklungen als Reaktion auf das Positionssignal umfasst, um der Bevorzugung einer bestimmten Position durch den beweglichen Teil entgegenzuwirken, einschließlich des Sperrens einer Ausgangswelligkeit als Reaktion auf die Positionssignale und ein Drehmoment-Bedarfssignal, um einen kompensierenden Ausgang zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 14, enthaltend das Steuern bzw. Regeln der Speisung als Reaktion auf die Positionssignale und ein Maschinenausgangs-Bedarfssignal gemäß einer Steuer- bzw. Regel-Vorschrift zum Erzeugen von Statorwicklungs-Steuer- bzw. Regelsignalen in Kombination mit dem Ausgangswelligkeits-Sperrsignal.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, enthaltend das Summieren des kompensierenden Ausgangs mit dem Ausgangs-Bedarfssignal zum Erzeugen eines summierten Ausgangs und die Steuerung bzw. Regelung der Speisung auf Basis des summierten Ausgangs.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, enthaltend die Erzeugung von Rückkopplungssignalen, die die Wicklungs-Speisung angeben und die Summierung des kompensierenden Ausgangs mit den Rückkopplungs-Signalen, um einen summierten Ausgang zu erzeugen, und das Steuern bwz. Regeln der Speisung auf Basis des summierten Ausgangs.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei die die Speisung der Wicklung anzeigenden Rückkopplungssignale zum Erzeugen von Regelsignalen verwendet werden und der kompensierende Ausgang mit den Regelsignalen summiert wird, um den summierten Ausgang zum Regeln der Speisung der Maschine zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, bei welchem die Rückkopplungssignale proportional zum Wicklungsstrom sind.
Verfahren zum Steuern bzw. Regeln einer elektromagnetischen Maschine nach einem der Ansprüche 14 bis 19 zum Betreiben der Maschine als Motor, bei welchem das Ausgangs-Charakteristikum das Drehmoment oder die Kraft ist.
Verfahren zum Speisen einer elektromagnetischen Maschine nach Anspruch 14, wobei das Steuern bzw. Regeln der Speisung das Arbeiten in einem ABC-Referenzrahmen in einem ersten vorbestimmten Drehmoment-Bereich und das Arbeiten in einem α,β,0-Referenzrahmen in einem zweiten vorbestimmten Drehmoment-Bereich umfasst.
Verfahren zum Speisen einer elektromagnetischen Maschine nach Anspruch 14, wobei das Steuern bzw. Regeln der Speisung das Arbeiten in einem Steuer- bzw. Regelschema mit minimaler Empfindlichkeit für die Genauigkeit des Positionssignals in einem ersten Parameterbereich des beweglichen Teils und in einem Mindest-Effektivstrom-Steuer- bzw. Regelschema in einem zweiten Parameterbereich des beweglichen Teils umfasst.