用于调节电机的方法和装置与流程

1.本发明涉及一种用于调节电机的方法和装置。本发明还涉及一种具有相对应的装置的电驱动系统和一种具有电驱动系统的车辆以及一种计算机程序和一种计算机可读存储介质。


背景技术：

2.出版文献de 2017 102 03691 a1公开了一种用于电机的调节，在该调节的情况下同时补偿干扰量并且设定目标值。为了电机的运行，将相电流作为目标值进行调整。相电流优选地被调整为正弦基波。在电机运行时，相电流引起对均匀的平均转矩的输出。由于非理想正弦磁场、绕组布置、开槽、齿形、饱和效应和/或其它效应，除了均匀的平均转矩之外，也形成转矩的谐波。这种效应导致转子与定子之间的力波，这些力波在表征性的阶的情况下作为切向和径向齿力作用于定子齿。由于电机的机械传递行为，这些力能作为机器、机器外壳和耦合元件中的振动被感知并且借此作为结构和空气噪声或者表面振动被感知。在此，转矩的谐波也引起电机的电频率在相电流上的谐波作为干扰量。为了使这些干扰量最小化，有针对性地调整和指定谐波，这些谐波被叠加给被调整且被指定的相电流。
3.需要用于调节电机的替代方法和装置，利用其来尽可能鲁棒地、稳定地、高动态和灵活性地调整谐波，以考虑重要的频率分量。


技术实现要素：

4.提供了一种用于利用至少一个第一滤波器和至少一个第二滤波器来调节电机的方法。该方法包括如下步骤：确定反馈变量，其中反馈变量包括在磁场定向系统中的基波和指定频率的谐波的实际变量；借助于第一滤波器来对可指定的gw恒定控制变量进行滤波；将经滤波的没有基波分量的反馈变量确定为反馈变量与经滤波的gw恒定控制变量之差；借助于至少一个第二滤波器来对经滤波的没有基波分量的反馈变量进行滤波；将经滤波的没有谐波分量的反馈变量确定为该至少一个第二滤波器的输出变量与经滤波的gw恒定控制变量之和；根据经滤波的没有谐波分量的反馈变量来使电机的至少一个绕组通电。
5.为了电机的调节，广泛使用磁场定向调节。在此，在时域内优选地正弦形的所要调整的相电流的交变变量、也称为基波，借助于数学变换分别被转移到以这些交变变量的频率旋转的坐标系中。这些交变变量的频率也决定了机器中的磁场的频率，使得以这些交变变量的频率来旋转的这个坐标系也称为磁场定向系统。在电机的稳态运行中，从时域内的这些交变变量得出在磁场定向系统中的恒定变量，这些恒定变量可以借助于调节技术的常用方法来调节。磁场定向系统也称为d/q坐标系。在此，该d/q坐标系的d轴指向转子磁通的
方向。q轴垂直于d轴。正弦形相电流被表示为定子电流矢量或定子电流向量，该定子电流矢量或定子电流向量通过其长度及其方向来表征。该电流矢量与电机的旋转的定子或转子磁通同步旋转。在d/q坐标系中，电流矢量可以根据其长度及其方向借助于两个彼此垂直的分量id和id来呈现，这两个彼此垂直的分量在稳态情况下都是恒定变量。
6.为了调节能与谐波调节器连接或能连接至谐波调节器的电机，在磁场定向系统中记录电机的反馈变量。该反馈变量包括基波和叠加的谐波。在磁场定向系统中，相电流是恒定变量，而谐波是交变变量。借助于第一滤波器来对可指定的gw恒定控制变量进行滤波。在这种情况下，经滤波的gw恒定控制变量优选地对应于磁场定向调节的闭合调节回路的经建模的基波分量。此外，经滤波的没有基波分量的反馈变量被确定为反馈变量与经滤波的gw恒定控制变量之差。借助于至少一个第二滤波器来对经滤波的没有基波分量的反馈变量进行滤波。将经滤波的没有谐波分量的反馈变量确定为该至少一个第二滤波器的输出变量与经滤波的gw恒定控制变量之和。然后，根据没有谐波分量的反馈变量来使电机的至少一个绕组通电。
7.有利地，没有谐波分量的反馈变量对于优选地基于电机的所测量到的电流或相电流的基波调节器来说没有谐波分量或者只有微小的谐波分量。因此，提供了一种用于有效确定针对基波调节器的经滤波的没有谐波分量的反馈变量的方法。
8.在本技术的范围内，调节回路的变量包括谐波或基波的表述意味着：调节回路的变量表征或描述至少一个谐波或基波，其中调节回路的相应的变量也可以包含其它信号分量，例如基波和一个或多个谐波以及附加地还存在的干扰量。
9.为了调节电机，广泛地根据转矩规定来根据所确定的实际相电流来指定目标相电流，其中相电压作为操纵变量来设定。因此，优选地在本技术的范围内，反馈变量（idq）、恒定反馈变量（ihrmc）、恒定控制变量（ihrmc*）、机器反馈变量（iabc）或者可指定的gw恒定控制变量（idq*）分别包括电流值；和/或恒定操纵变量（uhrmc*）、操纵变量（udqhrmc*）、gw恒定操纵变量或者机器操纵变量（uabc*）分别包括电压值。
10.优选地，磁场定向系统中的反馈变量包括基波和具有正频率的具有电机的电频率的第k阶的第一幅度和第一相位的谐波和/或具有负频率的具有电机的电频率的第k阶的第二幅度和第二相位的谐波。
11.磁场定向系统中的反馈变量包括至少一个基波和谐波。关于电机的电频率，该谐波或这些谐波具有带相应幅度和相位的第k阶的正和/或负频率。由于尤其是其幅度特别大而表示重要的干扰量的阶例如是6阶，优选地在正方向和负方向上。例如在电机的电频率、即基波在时域内为450 hz的情况下，6阶频率为450hz 450hz*6= 3150hz以及在负方向上为450hz-6*450hz=-2250hz。在其坐标系以电机的电频率旋转的磁场定向系统中，电机的电频率被映射到0hz，并且对于 /
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6阶谐波来说得出频率 2700hz和-2700 hz。根据幅度和相位的大小，得出电机的转子与定子之间的力波，这些力波作为切向和径向齿力作用于定子齿并且引起转矩的谐波振荡。为了该调节而考虑反馈变量的越多重要的解，干扰量就越有效地被消除。
12.在本发明的另一设计方案中，磁场定向系统的可指定的gw恒定控制变量包括用于产生正弦形相电流的基波以使电机的至少一个绕组通电的目标变量。
13.gw恒定控制变量是用于产生具有电机的电频率的基波以使电机通电的目标值。该
目标值尤其是根据转矩规定、（相）电流目标值或实际电流值、优选地所确定的相电流的（相）电流目标值或实际电流值来解析式指定或者借助于综合特性曲线来指定。为了在磁场定向系统中在gw调节器中使用，该目标值已经相对应地经变换地来指定。
14.有利地，提供gw恒定控制变量，以确定针对基波调节器的没有谐波分量的反馈变量。
15.在本发明的另一设计方案中，借助于至少一个第二滤波器对经滤波的没有基波分量的反馈变量的滤波包括：对经滤波的没有基波分量的反馈变量进行陷波滤波。
16.借助于陷波滤波，有针对性地除去反馈变量与经滤波的gw恒定控制变量之差的谐波分量。优选地，为了对正、负频率和/或不同阶的谐波分量进行滤波，依次应用或者相继接上多个陷波滤波器。优选地，使陷波滤波器得系数相乘，以提供具有多个阻带的滤波器。陷波滤波器在理想情况下以数字方式被设计成iir滤波器。
17.有利地，提供一种用于为经滤波的没有谐波分量的反馈变量除去谐波的可指定的阶的谐波分量的有效方法。
18.在本发明的另一设计方案中，借助于第一滤波器对可指定的gw恒定控制变量的滤波包括：对gw恒定控制变量进行低通滤波。
19.有利地，提供一种用于基于gw恒定控制变量来除去gw恒定反馈变量的基波分量的有效方法。
20.在本发明的另一设计方案中，滤波器的滤波时间常数对应于磁场定向系统的带宽或者闭合的磁场定向调节回路的带宽。
21.滤波时间常数被指定为等于磁场定向调节的闭合调节回路的稳定时间或者根据该稳定时间来指定。
22.有利地，提供一种基于gw恒定控制变量来对gw恒定反馈变量的变化过程进行建模的可能性。
23.在用于调节电机的方法的另一设计方案中，该电机进一步包括基波调节器，其中该基波调节器包括gw输入变换、gw调节器和gw输出变换。该方法包括如下其它步骤：确定机器反馈变量，其中该机器反馈变量包括电机的实际变量；借助于gw输入变换来将机器反馈变量变换成磁场定向系统中的反馈变量；将gw调节偏差确定为指定的gw恒定控制变量与在磁场定向系统中的经滤波的没有谐波分量的反馈变量之差；借助于gw调节器根据gw调节偏差来确定gw恒定操纵变量；借助于gw输出变换将gw恒定操纵变量逆变换成机器操纵变量；并且根据机器操纵变量来使电机的至少一个绕组通电。
24.借助于基波调节来调节在时域内优选地正弦形的所要调整的相电流的交变变量。为了调节能与基波调节器连接或能连接至基波调节器的电机，在时域内记录电机的机器反馈变量、即实际变量。机器反馈变量优选地是电机的具有叠加的干扰量的相电流。机器反馈变量包括相电流作为基波并且包括谐波作为干扰量，这些谐波与经过电机的相电流叠加。在时域内，相电流是交变变量，该交变变量与谐波的其它交变变量叠加。为了调节基波，从时域变换到磁场定向域。为此，机器反馈变量借助于gw输入变换被变换成磁场定向系统中的反馈变量。优选地，在本技术的范围内，“gw”作为符号代表被用于调节基波的调节步骤和
变换。在电机的稳态运行中，在时域内的交变变量得出在磁场定向系统中的恒定变量。这些恒定变量可以借助于调节技术的常用方法来调节。相对应地，gw调节偏差被确定为指定的gw恒定控制变量与在磁场定向系统中的经滤波的没有谐波分量的反馈变量之差。借助于gw调节器，根据gw调节偏差来确定gw恒定操纵变量。磁场定向系统中的gw恒定操纵变量为了进一步使用以在时域内对电机进行操控或通电而借助于gw输出变换来逆变换成时域内的机器操纵变量。在时域内，机器操纵变量包括交变变量、即基波。最后，该方法包括根据机器操纵变量来使电机通电的步骤。
25.有利地，提供一种用于有效的基波调节器的方法。
26.在用于调节电机的方法的另一设计方案中，该电机进一步包括谐波调节器，其中该谐波调节器包括输入变换、调节器和输出变换。该方法具有如下其它步骤：借助于输入变换将经滤波的没有基波分量的反馈变量变换成谐波定向系统中的恒定反馈变量；将调节偏差确定为可指定的恒定控制变量与谐波定向系统中的恒定反馈变量之差；借助于调节器根据该调节偏差来确定恒定操纵变量；借助于输出变换将恒定操纵变量逆变换成磁场定向系统中的操纵变量；将gw恒定操纵变量与该操纵变量叠加，其中在借助于gw输出变换来逆变换成机器操纵变量的步骤中，gw恒定操纵变量与该操纵变量的叠加的输出值被逆变换成机器操纵变量。
27.借助于第一滤波器来对可指定的gw恒定控制变量进行滤波。在这种情况下，经滤波的gw恒定控制变量优选地对应于磁场定向调节的闭合调节回路的经建模的基波分量。将经滤波的没有基波分量的反馈变量确定为反馈变量与经滤波的gw恒定控制变量之差。为了在谐波调节器中使用没有基波分量的反馈变量，没有基波分量的反馈变量借助于输入变换来变换成谐波定向系统中的恒定反馈变量。
28.为了在谐波调节器中调节谐波，以谐波的频率从磁场定向系统到谐波定向系统的数学变换类似于借助于输入变换从时域到磁场定向域的变换。为此，没有基波分量的反馈变量借助于到恒定反馈变量的输入变换来变换到谐波定向系统中。在电机的稳态运行中，在磁场定向系统中呈现为交变变量的变量在谐波定向系统中被呈现为恒定变量。这些恒定变量可以借助于调节技术的常用方法来调节。
29.从磁场定向系统变换到谐波定向系统包括：借助于旋转矩阵或转动矩阵的旋转。因此，磁场定向系统中的交变变量变成谐波定向系统中的恒定变量。为此，反馈变量以对应于当前的转子角度的k倍的旋转角来旋转，即在电频率的6阶谐波的变换的情况下以当前的转子角度的6倍来旋转。对于在正方向上的k阶谐波来说，朝着正方向旋转，在负方向上的k阶谐波的情况下，朝着负方向旋转。所得到的在谐波定向系统中的恒定变量可以借助于复数或者作为复参数、例如作为iposreal、iposimag或作为inegreal和inegimag来说明、表征或描述。
30.除了旋转之外，替代地，也能使用其它变换。例如，也可以通过将d电流乘以取决于k倍转子角度的正弦以及乘以复分量idsin、idcos的余弦并且通过将q电流乘以该正弦以及乘以该余弦来计算复分量iqsin、iqcos（也称为混频或外差）。
31.作为另一替代的描述，可以使用分别具有d电流和q电流的幅度和相位的复谐波。
32.同样，这些分量也可以通过具有不同幅度和相位的两个反向旋转的矢量的叠加来呈现为具有高度、宽度、旋转和相位的椭圆，优选地用于特别高效的校准。
33.此外，将调节偏差确定为可指定的恒定控制变量与谐波定向系统中的恒定反馈变量之差。借助于调节器，根据该调节偏差来确定恒定操纵变量。作为在谐波定向系统中的恒定变量的该恒定操纵变量为了进一步使用而在电机的磁场定向调节中借助于输出变换来逆变换成磁场定向系统中的操纵变量。在磁场定向系统中，该操纵变量包括交变变量、即谐波。
34.优选地，谐波定向系统的可指定的恒定控制变量包括在谐波定向系统中的用于产生在正弦形相电流上的谐波以使电机的至少一个绕组通电的目标变量。
35.恒定控制变量是用于产生电机的可指定的频率或k阶的谐波以叠加正弦形相电流或基波来使电机通电的目标值。该目标值尤其是根据转矩规定、（相）电流目标值或实际电流值、所确定的相电流的（相）电流目标值或实际电流值来解析式指定或者借助于综合特性曲线来指定。为了在谐波定向系统中在谐波调节器中使用，该目标值已经相对应地经变换地来指定。
36.优选地，根据电机的所确定的当前的转子角度来对恒定操纵变量进行逆变换。该逆变换包括以旋转角来旋转，该旋转角对应于当前的转子角度的k倍。该逆变换分别包括朝着借助于输入变换的反馈变量的旋转的相反的正和/或负方向的旋转。从谐波定向系统变换到磁场定向系统包括：借助于旋转矩阵或转动矩阵的旋转。这样，谐波定向系统中的恒定变量变成磁场定向系统中的交变变量。为此，恒定操纵变量以对应于当前的转子角度的k倍的旋转角来旋转，即在电频率的6阶谐波的变换的情况下以当前的转子角度的6倍来旋转。对于在正方向上的k阶谐波来说，朝着正方向旋转，在负方向上的k阶谐波的情况下，朝着负方向旋转。得到磁场定向系统中的交变变量。优选地，在朝着负和正方向的旋转的情况下，所得到的在磁场定向系统中的交变变量以复方式被相加到操纵变量。
37.此外，该操纵变量作为谐波调节器的输出信号与磁场定向系统中的gw恒定操纵变量叠加或相加。磁场定向系统中的叠加的该输出变量为了进一步使用以在时域内对电机进行操控或通电而借助于gw输出变换来逆变换成时域内的机器操纵变量。在时域内，该机器操纵变量包括：交变变量、即基波；和至少一个其它的叠加的交变变量、即谐波。最后，该方法包括根据机器操纵变量来使电机通电的步骤。
38.有利地，提供一种用于有效的基波和谐波调节器的方法。
39.本发明还涉及一种计算机程序，该计算机程序包括指令，这些指令在由计算机执行时促使该计算机实施到目前为止所描述的方法的步骤。
40.本发明还涉及一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质包括指令，这些指令在由计算机执行时促使该计算机实施到目前为止所描述的方法的步骤。
41.本发明还涉及一种用于调节电机的装置，该装置具有计算单元和至少一个第一滤波器和至少一个第二滤波器。该装置被设立为实施所描述的方法的步骤。
42.有利地，提供了一种用于有效确定针对基波调节器的经滤波的没有谐波分量的反馈变量的装置。
43.在本发明的另一设计方案中，该装置包括基波调节器，其中该基波调节器包括gw
输入变换、gw调节器和gw输出变换。该装置被设立为实施所描述的方法的步骤。
44.有利地，提供了一种用于电机的有效的谐波调节的装置。
45.在本发明的另一设计方案中，该装置包括谐波调节器，其中该谐波调节器包括输入变换、调节器和输出变换。该装置被设立为实施所描述的方法的步骤。
46.有利地，提供了一种用于电机的有效的组合式基波和谐波调节的装置。
47.本发明还涉及一种电驱动系统，该电驱动系统具有电机和所描述的装置。这样的电驱动系统例如用于驱动电车辆。借助于该方法和该装置能够实现传动系的经优化的运行。
48.本发明还涉及一种车辆，该车辆具有所描述的驱动系统。 有利地，因此提供了一种车辆，该车辆包括用来有效调节电机的装置。
49.易于理解的是，按照本发明的方法的特征、特性和优点都相对应地能被应用于或适用于该装置或该驱动系统和该车辆，并且反之亦然。
50.本发明的实施方式的其它特征和优点从随后参考随附的附图的描述中得到。
附图说明
51.在下文，本发明应该依据几个附图进一步予以阐述，为此：图1示出了用于调节电机的示意性调节结构；图2示出了用于利用谐波调节器来调节电机的示意性调节结构；图3示出了谐波调节器的示意性调节结构；图4示出了示意性呈现的用于调节电机的方法的流程图；图5示出了示意性呈现的用于调节电机的装置；图6示出了示意性呈现的具有电驱动系统的车辆。
具体实施方式
52.图1示出了用于调节电机190的示意性调节结构。电机190被呈现为由逆变器192和电动马达194构成的单元。基波调节器200包括gw输入变换210、gw调节器220和gw输出变换230。该调节结构进一步包括第一滤波器140以及第二滤波器142和144。电机的机器反馈变量iabc在时域内被确定并且被输送给gw输入变换210。机器反馈变量iabc借助于到反馈变量idq的gw输入变换210来变换到磁场定向系统中。借助于第一滤波器140来对可指定的gw恒定控制变量idq*进行滤波。将经滤波的没有基波分量的反馈变量idqwofunda确定为反馈变量idq与经滤波的gw恒定控制变量idq*之差，该经滤波的没有基波分量的反馈变量借助于第二滤波器142、144来滤波。将经滤波的没有谐波分量的反馈变量idqfunda确定为至少一个第二滤波器142、144的输出变量与经滤波的gw恒定控制变量idq*之和。将gw调节偏差确定为指定的gw恒定控制变量idq*与在磁场定向系统中的经滤波的没有谐波分量的反馈变量idqfunda之差。借助于gw调节器220，根据gw调节偏差来确定gw恒定操纵变量。gw恒定操纵变量借助于到机器操纵变量uabc*的gw输出变换230来变换到时域中。为了使电机190的至少一个绕组通电，向该绕组提供机器操纵变量uabc*、优选地相电压。借助于逆变器192来生成相电压并且至少在电动马达194的绕组上施加该相电压。
53.图2示出了用于利用谐波调节器100来调节电机的示意性调节结构。不同于图1，谐
波调节器根据经滤波的没有基波分量的反馈变量idqwofunda来确定操纵变量udqhrmc*。在这种情况下，使并行确定的gw恒定操纵变量与操纵变量udqhrmc*叠加。在磁场定向系统中的叠加的输出变量借助于到机器操纵变量uabc*的gw输出变换230来变换到时域中。为了使电机190的至少一个绕组通电，向该绕组提供机器操纵变量uabc*、优选地相电压。借助于逆变器192来生成相电压并且至少在电动马达194的绕组上施加该相电压。
54.图3示出了具有滤波器140的谐波调节器100的示意性调节结构。谐波调节器100包括输入变换110。借助于滤波器140来对可指定的gw恒定控制变量idq*进行滤波、优选地低通滤波。此外，确定在磁场定向系统中的反馈变量idq。将经滤波的没有基波分量的反馈变量idqwofunda确定为反馈变量idq与经滤波的gw恒定控制变量idq*之差。借助于输入变换110将经滤波的没有基波分量的该反馈变量idqwofunda变换成谐波定向系统中的恒定反馈变量ihrmc。谐波调节器100进一步包括调节器120和输出变换130。所确定的可指定的恒定控制变量ihrmc*与在谐波定向系统中的恒定反馈变量ihrmc之差作为调节偏差和输入变量被输送给调节器120。借助于调节器120，根据该调节偏差来确定恒定操纵变量uhrmc*。谐波定向系统中的该恒定操纵变量uhrmc*借助于输出变换来变换成磁场定向系统中的操纵变量udqhrmc*。优选地，根据操纵变量udqhrmc*来使电机190的至少一个绕组通电。
55.图4示出了示意性呈现的用于调节电机190的方法400的流程图。该方法开始于步骤401。优选地，在步骤402中，在时域内确定电机的机器反馈变量iabc。优选地，在步骤404中，该机器反馈变量iabc借助于到反馈变量idq的gw输入变换210来变换到磁场定向系统中。
56.在步骤410中，确定反馈变量idq。在步骤412中，借助于第一滤波器140来对可指定的gw恒定控制变量idq*进行滤波。在步骤414中，将经滤波的没有基波分量的反馈变量idqwofunda确定为反馈变量idq与经滤波的gw恒定控制变量idq*之差。在步骤416中，借助于至少一个第二滤波器142、144来对经滤波的没有基波分量的反馈变量idqwofunda进行滤波。在步骤418中，将经滤波的没有谐波分量的反馈变量idqfunda确定为至少一个第二滤波器142、144的输出变量与经滤波的gw恒定控制变量idq*之和。优选地，在步骤480中，根据经滤波的没有谐波分量的反馈变量idqfunda来使电机190的至少一个绕组通电。
57.优选地，在步骤420中，借助于输入变换110将经滤波的没有基波分量的反馈变量idqwofunda变换成谐波定向系统中的恒定反馈变量ihrmc。在步骤430中，将可指定的恒定控制变量ihrmc*与恒定反馈变量ihrmc之差作为调节偏差和输入变量输送给调节器120。在步骤440中，借助于该调节器，根据该调节偏差来确定恒定操纵变量uhrmc*。在步骤450中，谐波定向系统中的该恒定操纵变量uhrmc*借助于输出变换来变换成磁场定向系统中的操纵变量udqhrmc*。优选地，在步骤452中，将gw调节偏差确定为指定的gw恒定控制变量idq*与在磁场定向系统中的经滤波的没有谐波分量的反馈变量idqfunda之差。优选地，在步骤454中，借助于gw调节器220根据gw调节偏差来确定gw恒定操纵变量。优选地，在步骤460中将gw恒定操纵变量与操纵变量udqhrmc*叠加。优选地，在步骤470中，借助于到机器操纵变量uabc*的gw输出变换230将在磁场定向系统中的叠加的输出变量变换到时域中。优选地，在步骤480中，根据机器操纵变量uabc*来使电机190的至少一个绕组通电。该方法以步骤490结束。
58.图5示出了示意性呈现的用于调节电机190的装置300。电机190被呈现为由逆变器
192和电动马达194构成的单元。该装置300包括谐波调节器100和计算单元310，该计算单元用于控制和实现谐波调节器100的结构。该装置优选地包括基波调节器200，该基波调节器同样借助于计算单元310来控制和实现。该装置被设立为：实施上述方法步骤并且因此运行和调节电机190。
59.图6示出了示意性呈现的车辆600，该车辆包括电驱动系统500。驱动系统500包括：电机190，该电机包括逆变器192和电动马达194；和用于调节该电机的装置300，如关于图5所描述的那样。优选地，该电驱动系统包括用于给电驱动系统500供应电能的电池。