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Current Harmonics Control Algorithm for inverter-fed Nonlinear Synchronous Electrical Machines
(2023)
Current harmonics are a well known challenge of electrical machines. They can be undesirable as they can cause instabilities in the control, generate additional losses and lead to torque ripples with noise. However, they can also be specifically generated in new methods in order to improve the machine behavior. In this paper, an algorithm for controlling current harmonics is proposed. It can be described as a combination of different PI controllers for defined angles of the machine with repetitive control characteristics for whole revolutions. The controller design is explained and important points where linearization is necessary are shown. Furthermore, the limits are analyzed and, for validation, measurement results with a permanently excited synchronous machine on the test bench are considered.
The nonlinear behavior of inverters is largely impacted by the interlocking and switching times. A method for online identifying the switching times of semiconductors in inverters is presented in the following work. By being able to identify these times, it is possible to compensate for the nonlinear behavior, reduce interlocking time, and use the information for diagnostic purposes. The method is first theoretically derived by examining different inverter switching cases and determining potential identification possibilities. It is then modified to consider the entire module for more robust identification. The methodology, including limitations and boundary conditions, is investigated and a comparison of two methods of measurement acquisition is provided. Subsequently the developed hardware is described and the implementation in an FPGA is carried out. Finally, the results are presented, discussed, and potential challenges are encountered.
In this work a method for the estimation of current slopes induced by inverters operating interior permanent magnet synchronous machines is presented. After the derivation of the estimation algorithm, the requirements for a suitable sensor setup in terms of accuracy, dynamic and electromagnetic interference are discussed. The boundary conditions for the estimation algorithm are presented with respect to application within high power traction systems. The estimation algorithm is implemented on a field programmable gateway array. This moving least-square algorithm offers the advantage that it is not dependent on vectors and therefore not every measured value has to be stored. The summation of all measured values leads to a significant reduction of the required storage units and thus decreases the hardware requirements. The algorithm is designed to be calculated within the dead time of the inverter. Appropriate countermeasures for disturbances and hardware restrictions are implemented. The results are discussed afterwards.
The present work describes an extension of current slope estimation for parameter estimation of permanent magnet synchronous machines operated at inverters. The area of operation for current slope estimation in the individual switching states of the inverter is limited due to measurement noise, bandwidth limitation of the current sensors and the commutation processes of the inverter's switching operations. Therefore, a minimum duration of each switching state is necessary, limiting the final area of operation of a robust current slope estimation. This paper presents an extension of existing current slope estimation algorithms resulting in a greater area of operation and a more robust estimation result.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines batterieelektrischen Fahrzeugs mit einer elektrischen Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs und einem Inverter (1) zum Ansteuern der elektrischen Maschine, wobei der Inverter (1) eine dreiphasige Brückenschaltung mit einer Anzahl von als Halbleiter ausgebildeten Schaltern (3) umfasst, wobei im Inverter (1) entstehende Verluste zum Heizen eines Innenraums des Fahrzeugs und/oder zum Temperieren einer Batterie und/oder zum Temperieren von Getriebeöl verwendet werden, wobei der Inverter (1) mittels Raumzeigermodulation gesteuert wird, wobei ein nicht-optimales Schaltverhalten des Inverters (1) herbeigeführt wird, indem nicht optimale Spannungs-Raumzeiger (e, eu, ev, ew, e1, e2, -e1, -e2) eingestellt werden, wobei eine Skalierung der Spannungs-Raumzeiger (e, e1, e2) über die Schaltung von Nullspannungsvektoren, die je nach zeitlichem Anteil die Spannung reduzieren, oder durch Zuhilfenahme eines jeweils gegenüberliegenden Spannungs-Raumzeigers (-e1, - e2) erfolgt, so dass eine Schaltfolge mit einer maximalen Anzahl von Schaltzyklen realisiert wird, wobei in der Mitte einer Schaltperiode (Tp) keine Symmetrie erzeugt wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines batterieelektrischen Fahrzeugs mit einer elektrischen Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs und einem Inverter (1) zum Ansteuern eine Stators (2) der elektrischen Maschine, wobei der Inverter (1) eine dreiphasige Brückenschaltung mit einer Anzahl von als Halbleiter ausgebildeten Schaltern (3) umfasst, wobei im Inverter (1) und/oder in der elektrischen Maschine entstehende Verluste zum Heizen eines Innenraums des Fahrzeugs und/oder zum Temperieren einer Batterie und/oder zum Temperieren von Getriebeöl verwendet werden, wobei während des Stillstands des Fahrzeugs ein von einem Permanentmagneten der elektrischen Maschine verursachter Permanentmagnetfluss durch Einstellen einer nichtdrehmomentbildenden Statorstromkomponente (Id) in Höhe des negativen Quotienten aus einem Statorfluss (&psgr;PM) und einer d-Komponente einer Statorinduktivität (Ld) so stark geschwächt wird, dass der magnetische Fluss kompensiert wird, wobei ein sehr hochfrequenter Wechselstrom als drehmomentbildende Statorstromkomponente (Iq) eingestellt wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines batterieelektrischen Fahrzeugs mit einer elektrischen Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs und einem Inverter (1) zum Ansteuern eines Stators (2) der elektrischen Maschine, wobei der Inverter (1) eine dreiphasige Brückenschaltung mit einer Anzahl von als Halbleiter ausgebildeten Schaltern (3) umfasst, wobei im Inverter (1) und/oder in der elektrischen Maschine entstehende Verluste zum Heizen eines Innenraums des Fahrzeugs und/oder zum Temperieren einer Batterie und/oder zum Temperieren von Getriebeöl verwendet werden, wobei eine als Wechselstrom ausgebildete nichtdrehmomentbildende Statorstromkomponente (Id) in die elektrische Maschine eingeprägt wird, wobei im Stillstand eine drehmomentbildende Statorstromkomponente (Iq) zu Null geregelt wird, wobei im Fahrbetrieb ein Kompensationsstrom als drehmomentbildende Statorstromkomponente (Iq) eingeprägt wird, der ein durch die Variation der nichtdrehmomentbildenden Statorstromkomponente (Id) entstehendes Drehmoment kompensiert.
Verfahren zum Betrieb eines batterieelektrischen Fahrzeugs mit einer elektrischen Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs und einem Inverter (1) zum Ansteuern der elektrischen Maschine, wobei der Inverter (1) eine dreiphasige Brückenschaltung mit einer Anzahl von als Halbleiter ausgebildeten Schaltern (3) umfasst, wobei im Inverter (1) entstehende Verluste zum Heizen eines Innenraums des Fahrzeugs und/oder zum Temperieren einer Batterie und/oder zum Temperieren von Getriebeöl verwendet werden, wobei der Inverter (1) mittels Raumzeigermodulation gesteuert wird, wobei ein nicht-optimales Schaltverhalten des Inverters (1) herbeigeführt wird, indem nicht optimale Spannungs-Raumzeiger (e, eu, ev, ew, e1, e2, -e1, -e2) eingestellt werden, wobei eine Skalierung der Spannungs-Raumzeiger (e, e1, e2) über die Schaltung von Nullspannungsvektoren, die je nach zeitlichem Anteil die Spannung reduzieren, oder durch Zuhilfenahme eines jeweils gegenüberliegenden Spannungs-Raumzeigers (-e1, -e2) erfolgt, so dass eine Schaltfolge mit einer maximalen Anzahl von Schaltzyklen realisiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mitte einer Schaltperiode (Tp) keine Symmetrie erzeugt wird.
The following describes a new method for estimating the parameters of an interior permanent magnet synchronous machine (IPMSM). For the estimation of the parameters the current slopes caused by the switching of the inverter are used to determine the unknowns of the system equations of the electrical machine. The angle and current dependence of the machine parameters are linearized within a PWM cycle. By considering the different switching states of the inverter, several system equations can be derived and a solution can be found within one PWM cycle. The use of test signals and filter-based approaches is avoided. The derived algorithm is explained and validated with measurements on a test bench.
The nonlinear behavior of inverters is mainly influenced by the interlocking and switching times of the semiconductors. In the following work, a method is presented that enables the possibility of an online identification of the switching times of the semiconductors. This information allows a compensation of the non-linear behavior, a reduction of the locking time and can be used for diagnostic purposes. First, a theoretical derivation of the method is made by considering different cases when switching of the inverter and deriving identification possibilities. The method is then extended so that the entire module is taken into account. Furthermore, a possible theoretical implementation is shown. After the methodology has been investigated with possible limitations, boundary conditions and with respect to real hardware, an implementation in the FPGA is performed. Finally, the results are presented, discussed
and further improvements are presented in an outlook.