DE102005028605B4 - Method for current measurement with a shunt and device for current measurement - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Bestimmung mindestens eines Phasenstroms (I, I, I) bei einer elektrischen sterngeschalteten Wechselstrommaschine (10) mit einer Maschinensteuervorrichtung (12), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, aufweisend mehrere jeweils einer Phase zugeordnete Schaltanordnungen (14) mit jeweils mindestens einem Schaltelement (16), wobei die Maschinensteuervorrichtung (12) mittels Betriebsschaltvorgängen die Schaltanordnungen (14) derart schaltet, dass zumindest zeitweise mindestens ein Phasenstrom (I, I, I) zur Maschine (10) geleitet wird, um einen Betrieb der Maschine (10) zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass neben den den Betrieb der Maschine (10) bewirkenden Betriebsschaltvorgängen mindestens ein weiterer der Bestimmung des mindestens einen Phasenstroms (I, I, I) dienender Messvorgang mittels mindestens einer der Schaltanordnungen (14) durchgeführt wird, wobei für den mindestens einen Messvorgang ein Taktmuster für Tastverhältnissignale (DC, DC, DC) erzeugt wird, welches Polaritäten und Tastverhältnisse der Schaltanordnungen (14) so einstellt, dass während des mindestens einen Messvorgangs mindestens ein Phasenstrom (I, I, I) gemessen wird, wobei der mindestens eine Messvorgang im Anschluss an einen der Betriebsschaltvorgänge durchgeführt wird, wobei für den mindestens einen Messvorgang Taktperioden (T0) der Betriebsschaltvorgänge auf eine Taktperiode (TM) reduziert werden, welche einer Impulsdauer eines Messimpulses entspricht.Method for determining at least one phase current (I, I, I) in an electric star-connected AC machine (10) having a machine control device (12), in particular for a motor vehicle, comprising a plurality of switching arrangements (14) each assigned to one phase, each having at least one switching element (16 ), wherein the machine control device (12) by means of operating switching operations switches the switching arrangements (14) such that at least at times at least one phase current (I, I, I) is conducted to the machine (10) to effect operation of the machine (10). characterized in that in addition to the operation of the machine (10) causing operating switching operations at least one further determination of the at least one phase current (I, I, I) serving measuring operation is carried out by means of at least one of the switching assemblies (14), wherein for the at least one measuring operation a clock pattern for duty cycle signals (DC, DC, DC) is generated which s polarities and duty cycles of the switching arrangements (14) adjusted so that at least one phase current (I, I, I) is measured during the at least one measuring operation, wherein the at least one measuring operation is performed subsequent to one of the operating switching operations, wherein for the at least one Measuring cycle periods (T0) of the operating switching operations to a clock period (TM) are reduced, which corresponds to a pulse duration of a measuring pulse.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung mindestens eines Phasenstroms bei einer elektrischen sterngeschalteten Wechselstrommaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine zugehörige Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.The invention relates to a method for determining at least one phase current in an electrical star-connected AC machine, in particular for a motor vehicle, according to the preamble of claim 1, as well as an associated device according to the preamble of claim 8.
Stand der TechnikState of the art
Beim Betrieb von elektrischen Maschinen ist es oftmals gewünscht oder erforderlich, mindestens einen Phasenstrom zu bestimmen. Dies gilt insbesondere für Anwendungen in der Kraftfahrzeugtechnik, bei denen eine elektrische Maschine getaktet angesteuert wird, bevorzugt mittels einer pulsweitenmodulierten (PWM-) Spannung. Die Information über den mindestens einen Phasenstrom dient als ein Eingabeparameter in Steuerungs- oder Regelungskreise, die beispielsweise einer Überwachung oder einer Abschaltung bei Überschreitung eines Grenzwerts dienen. Zur Messung des Phasenstroms ist es bekannt, einen niederohmigen Strommessshunt (Shunt) einzusetzen, der im Stromkreis des Phasenstroms angeordnet ist. Die über den Shunt abfallende Spannung ist proportional zum Phasenstrom und wird über entsprechende Kontakte abgegriffen. Das Signal dieses Spannungsabfalls wird weiterverarbeitet (beispielsweise verstärkt oder digitalisiert) und ausgewertet. Für das Anwendungsbeispiel einer dreiphasigen Maschine ergibt sich, dass stets mindestens zwei Phasenströme bestimmt werden müssen - der dritte Strom ergibt sich unmittelbar aus den zwei bekannten Strömen. Um dies zu realisieren, muss ein Shunt in jeder Phase der elektrischen Maschine angeordnet sein. Im Zusammenspiel mit den benötigten Vorrichtungen zur Signalaufbereitung, entstehen durch diese Lösung hohe Kosten und ein großer Platzbedarf. Zudem ist es bekannt, mit Hilfe eines digitalen Signalprozessors (DSP) die Phasenströme mit genau einem Shunt zu messen, der in der Zusammenführung der Phasen angeordnet ist (Application note von Texas Instruments, Three Phase Current Measurements Using a Single Line Resistor on the TMS320F240, Literature number: BPRA077, May 1998). Das Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass die Messung asynchron mit der Taktperiode ist. Der Zeitpunkt der Messung muss für jede Taktperiode neu berechnet werden, und die Tastverhältnisse müssen auf sehr komplizierte Weise angepasst beziehungsweise korrigiert werden. Dadurch entsteht - alleine aufgrund der Strommessung - ein hoher Rechenaufwand, der sich nur mit spezialisierten Mikrocontrollern, insbesondere dem vorgeschlagenen digitalen Signalprozessor, bewältigen lässt. Es verbleibt daher, insbesondere für Anwendungen in der Kraftfahrzeugtechnik, der Wunsch nach einer einfacheren und kostengünstigeren Lösung.In the operation of electrical machines, it is often desirable or necessary to determine at least one phase current. This applies in particular for applications in motor vehicle technology in which an electrical machine is controlled in a clocked manner, preferably by means of a pulse width modulated (PWM) voltage. The information about the at least one phase current serves as an input parameter in control or regulation circuits which serve, for example, monitoring or shutdown when a limit value is exceeded. For measuring the phase current, it is known to use a low-impedance current shunt (shunt), which is arranged in the circuit of the phase current. The voltage drop across the shunt is proportional to the phase current and is tapped via corresponding contacts. The signal of this voltage drop is further processed (for example amplified or digitized) and evaluated. For the application example of a three-phase machine it follows that always at least two phase currents must be determined - the third current results directly from the two known currents. To realize this, a shunt must be located in each phase of the electric machine. In conjunction with the required signal conditioning devices, this solution results in high costs and a large space requirement. In addition, it is known to measure the phase currents with exactly one shunt, which is arranged in the combination of the phases (application note from Texas Instruments, Three Phase Current Measurements Using a Single Line Resistor on the TMS320F240, using a digital signal processor (DSP)). Literature number: BPRA077, May 1998). However, the method has the disadvantage that the measurement is asynchronous with the clock period. The timing of the measurement must be recalculated for each clock period, and the duty cycles must be adjusted or corrected in a very complicated manner. This results - due to the current measurement alone - a high computational effort, which can be handled only with specialized microcontrollers, in particular the proposed digital signal processor. There remains therefore, especially for applications in automotive engineering, the desire for a simpler and less expensive solution.
Ein Verfahren zur Bestimmung eines Phasenstroms ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Für ein Verfahren zur Bestimmung mindestens eines Phasenstroms bei einer elektrischen sterngeschalteten Wechselstrommaschine mit einer Maschinensteuervorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, aufweisend mehrere jeweils einer Phase zugeordnete Schaltanordnungen mit jeweils mindestens einem Schaltelement, wobei die Maschinensteuervorrichtung mittels Betriebsschaltvorgängen die Schaltanordnungen derart schaltet, dass zumindest zeitweise mindestens ein Phasenstrom zur Maschine geleitet wird, um den Betrieb der Maschine zu bewirken, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass neben den den Betrieb der Maschine bewirkenden Betriebsschaltvorgängen mindestens ein weiterer der Bestimmung des Phasenstroms dienender Messschaltvorgang mittels mindestens einer der Schaltanordnungen durchgeführt wird, wobei für den Messschaltvorgang ein Taktmuster für Tastverhältnissignale erzeugt wird, welches Polaritäten und Tastverhältnisse der Schaltanordnungen so einstellt, dass während des Messschaltvorgangs mindestens ein Phasenstrom gemessen wird. Die Maschinensteuervorrichtung schaltet also eine der Maschine zugeordnete Spannungsquelle mittels der Schaltanordnungen derart auf die einzelnen Phasen der Maschine, dass der Betrieb der Maschine bewirkt wird. Zur Durchführung der Phasenstrommessung wird mittels mindestens einer Schaltanordnung ein Messschaltvorgang durchgeführt. Das heißt, zur Phasenstrommessung stehen nicht nur die bekannten Betriebsschaltvorgänge und Schaltzustände zur Verfügung, sondern es wird ein zusätzlicher Messschaltvorgang erzeugt. Es entsteht dadurch eine besondere Flexibilität hinsichtlich der zeitlichen Positionierung der Phasenstrommessung. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Pulsweitenmodulation einer sinusbestromten Wechselstrommaschine mit nur einem Shunt, wobei in vorteilhafter Weise alle für eine Stromregelung zu messenden Phasenströme innerhalb einer Taktperiode erfasst werden können, d.h. nahezu gleichzeitig erfasst werden können. Dadurch ist die Zeitverzögerung zwischen Messungen insbesondere bei verschiedenen Phasenströmen für eine Stromregelung, z.B. eine feldorientierte Regelung, mit einem Shunt in einem sterngeschalteten AC-Motor (PSM oder ASM) sehr kurz. Die gemessenen verschiedenen Phasenströme weisen in vorteilhafter Weise keine Zeitverzögerung von mindestens einer Taktperiode auf, wenn mehrere Phasenströme für die Stromregelung gemessen werden. Zudem ergibt sich insbesondere dann, wenn zur Fehlerüberwachung alle drei Phasenströme gemessen werden um die Bedingung ia+ib+ic=0 zu überprüfen nur eine geringe Zeitverzögerung. For a method for determining at least one phase current in an electrical star-connected alternator with a machine control device, in particular for a motor vehicle, having a plurality of each associated with one phase switching arrangements each having at least one switching element, the machine control device by means of switching operations, the switching arrangements such that at least temporarily at least one Phase current is passed to the machine to effect the operation of the machine, the invention proposes that in addition to the operation of the machine causing operating switching operations at least one of the determination of the phase current serving Meßschaltvorgang is performed by means of at least one of the switching arrangements, wherein for the measurement switching operation, a clock pattern is generated for duty cycle signals, which sets polarities and duty cycles of the switching arrangements so that during the Mes switching operation at least one phase current is measured. The machine control device thus switches a voltage source assigned to the machine by means of the switching arrangements to the individual phases of the machine such that the operation of the machine is effected. To carry out the phase current measurement, a measuring switching operation is carried out by means of at least one switching arrangement. That is, not only the known operational switching operations and switching states are available for phase current measurement, but it is an additional measurement switching process generated. This creates a special flexibility with regard to the temporal positioning of the phase current measurement. The method according to the invention enables a pulse width modulation of a sinusoidal AC machine with only one shunt, wherein advantageously all the phase currents to be measured for a current control can be detected within a clock period, i. can be detected almost simultaneously. As a result, the time delay between measurements, especially at different phase currents for current regulation, e.g. a field-oriented scheme, with a shunt in a star-connected AC motor (PSM or ASM) very short. The measured different phase currents advantageously have no time delay of at least one clock period when multiple phase currents are measured for current regulation. In addition, this results in particular when all three phase currents are measured for error monitoring in order to check the condition ia + ib + ic = 0 only a small time delay.
Erfindungsgemäß wird der Messvorgang im Anschluss an einen der Betriebsschaltvorgänge durchgeführt. Für den Messvorgang wird beispielsweise die Taktperiode der einzelnen Betriebsschaltvorgänge auf eine Taktperiode reduziert, welche der Impulsdauer eines Messimpulses entspricht. Durch die Reduzierung der Taktperiode kann die Zeitdauer des Messvorgangs verkürzt werden. According to the invention, the measuring operation is carried out following one of the operating switching operations. For the measuring process, for example, the clock period of the individual operating switching operations is reduced to a clock period which corresponds to the pulse duration of a measuring pulse. By reducing the clock period, the duration of the measurement process can be shortened.
In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für jeden zu messenden Phasenstrom ein Messimpuls erzeugt, während dem der entsprechende Phasenstrom gemessen wird.In an embodiment of the method according to the invention, a measuring pulse is generated for each phase current to be measured, during which the corresponding phase current is measured.
In vorteilhafter Weise wird der Messvorgang nach einer vorgegebenen Anzahl von Taktperioden der Betriebsschaltvorgänge ausgeführt, z.B. nach 20 Taktperioden. Dadurch werden die normalen Betriebsschaltvorgänge weniger beeinflusst.Advantageously, the measuring operation is carried out after a predetermined number of clock periods of the operational switching operations, e.g. after 20 clock periods. This will affect the normal operation switching less.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die während des Messvorgangs erzeugten Messimpulse im Anschluss innerhalb einer Kompensationstaktperiode kompensiert. Zur Kompensation der Messimpulse werden die Tastverhältnisse innerhalb der Kompensationsperiode so eingestellt, dass die Mittelwerte der Spannungen, welche für die Phasen über die Zeitdauer des vorherigen Messvorgangs und der anschließenden Kompensationsperiode ausgegeben werden, den Mittelwerten der Spannungen entspricht, welche für die Phasen während den normalen Betriebsschaltvorgängen ausgegeben werden.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the measuring pulses generated during the measuring process are subsequently compensated within a compensation clock period. To compensate for the measurement pulses, the duty cycles within the compensation period are adjusted so that the average values of the voltages output for the phases over the time period of the previous measurement and the subsequent compensation period correspond to the average values of the voltages that are used for the phases during normal operation switching be issued.
Die Zeitdauer der Kompensationsperiode entspricht beispielsweise der Differenz einer Taktperiode der Betriebsschaltvorgänge und der Zeitdauer des vorherigen Messvorgangs, welche der Anzahl der Taktperioden der zum Messen des mindestens einen Phasenstroms erzeugten Messimpulse entspricht.The duration of the compensation period corresponds, for example, to the difference between a clock period of the operating switching operations and the time duration of the previous measuring operation, which corresponds to the number of clock periods of the measuring pulses generated for measuring the at least one phase current.
Alternativ entspricht die Zeitdauer der Kompensationsperiode der Differenz von zwei Taktperioden der Betriebsschaltvorgänge und der Zeitdauer des vorherigen Messvorgangs, welche der Anzahl der Taktperioden der zum Messen des mindestens einen Phasenstroms erzeugten Messimpulse entspricht. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise größere Messimpulse, da mehr Zeit für die Kompensation zur Verfügung steht, und die Transistoren werden wie bei den normalen Betriebsschaltvorgängen nur maximal zweimal innerhalb von zwei Taktperioden getaktet.Alternatively, the duration of the compensation period corresponds to the difference between two clock periods of the operating switching operations and the duration of the previous measuring operation, which corresponds to the number of clock periods of the measuring pulses generated for measuring the at least one phase current. This advantageously allows larger measurement pulses, as more time is available for compensation, and the transistors are clocked only a maximum of two times within two clock periods, as in normal operation switching operations.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens eines Phasenstroms bei einer elektrischen sterngeschalteten Wechselstrommaschine mit einer Maschinensteuervorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, aufweisend mehrere jeweils einer Phase zugeordnete Schaltanordnungen mit jeweils mindestens einem Schaltelement, wobei die Maschinensteuervorrichtung mittels Betriebsschaltvorgängen die Schaltanordnungen derart schaltet, dass zumindest zeitweise mindestens ein Phasenstrom zur Maschine geleitet wird, um den Betrieb der Maschine zu bewirken, wobei die Vorrichtung eine Messeinrichtung aufweist und eine neben den den Betrieb der Maschine bewirkenden Betriebsschaltvorgängen mindestens einen der Bestimmung des Phasenstroms dienenden Messschaltvorgang durchführende Messschaltvorrichtung vorgesehen ist, welche für den Messschaltvorgang ein Taktmuster für Tastverhältnissignale erzeugt, welches Polaritäten und Tastverhältnisse der Schaltanordnungen so einstellt, dass während des Messvorgangs mindestens ein Phasenstrom messbar ist wobei der Messvorgang im Anschluss an einen der Betriebsschaltvorgänge durchführbar ist, wobei für den Messvorgang die Taktperioden der Betriebsschaltvorgänge auf eine Taktperiode reduzierbar sind, welche der Impulsdauer eines Messimpulses entspricht.Furthermore, the invention relates to a device for determining at least one phase current in an electrical star-connected alternator with a machine control device, in particular for a motor vehicle, having a plurality of each associated with a phase switching arrangements each having at least one switching element, wherein the machine control device by means of operating switching operations, the switching arrangements such that at least at least one phase current is routed to the machine at times to effect the operation of the machine, the apparatus having a measuring device and at least one of the determination of the phase current serving measuring switching operation performing measuring switching device is provided in addition to the operation of the machine operating switching operations, which for the Meßschaltvorgang generates a clock pattern for duty cycle signals which sets polarities and duty cycles of the switching arrangements so in that at least one phase current can be measured during the measuring process, wherein the measuring process can be carried out following one of the operating switching operations, wherein for the measuring process the clock periods of the operating switching operations can be reduced to one clock period which corresponds to the pulse duration of a measuring pulse.
Es ist vorteilhaft, wenn ein Messelement der Messeinrichtung in einer Zusammenführung aller Phasen angeordnet ist. Es ist demnach nicht mehr erforderlich, Messelemente für jede Phase vorzusehen.It is advantageous if a measuring element of the measuring device is arranged in a combination of all phases. It is therefore no longer necessary to provide measuring elements for each phase.
Vorteilhafterweise weist die Messeinrichtung einen Messwiderstand, insbesondere einen Shunt, auf. Dadurch lässt sich die Messeinrichtung preiswert gestalten.Advantageously, the measuring device has a measuring resistor, in particular a shunt. As a result, the measuring device can be made inexpensive.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Schaltanordnungen jeweils zwei Schaltelemente auf. Diese Schaltelemente sind dabei bevorzugt als Halbleiterschaltelemente, insbesondere Transistoren, ausgebildet. Dabei sind die Schaltelemente insbesondere in Reihe angeordnet, wobei zwischen den Schaltelementen ein Abzweig in eine Phase der elektrischen Maschine angeordnet ist. Im Zusammenspiel mit mindestens einer weiteren Schaltanordnung lassen sich so eine oder mehrere Brückenschaltungen realisieren, mittels derer die gewünschte Bestromung der Maschine bewirkt wird.In a further development of the invention, the switching arrangements each have two switching elements. These switching elements are preferably formed as semiconductor switching elements, in particular transistors. In this case, the switching elements are arranged in particular in series, wherein a branch is arranged in a phase of the electric machine between the switching elements. In conjunction with at least one further switching arrangement, one or more bridge circuits can thus be realized, by means of which the desired energization of the machine is effected.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wechseln die Schaltelemente ihre Schaltzustände gegenläufig zueinander. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der zugeführte Strom stets durch die Wicklungen der Maschine fließt, und nicht aufgrund einer durchgeschalteten Schaltanordnung ein Kurzschluss entsteht. Es können dabei zudem so genannte Totzeiten vorgesehen werden, die bei einem Wechsel des Schaltzustands verhindern, dass das eine Schaltelement durchschaltet, insbesondere als Transistor leitend wird, bevor das andere Schaltelement öffnet, insbesondere als Transistor sperrt. Dadurch wird verhindert, dass kurzzeitig ein Kurzschlussstrom entsteht.In an advantageous embodiment of the invention, the switching elements change their switching states in opposite directions to each other. This can ensure that the supplied current always flows through the windings of the machine, and does not cause a short circuit due to a switched-through switching arrangement. It can also be provided so-called dead times, which prevent a switching element, that turns on a switching element, in particular as a transistor becomes conductive before the other switching element opens, in particular locks as a transistor. This prevents short-circuit current from occurring for a short time.
Figurenlistelist of figures
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens eines Phasenstroms, -
2 eine Detailansicht der Vorrichtung gemäß1 , -
3 ein zeitlicher Verlauf eines mittig ausgerichteten Taktmusters, -
4 einen zeitlichen Ablauf eines ersten Ausführungsbeispiels der Schaltvorgänge der TransistorenT1 bisT6 bei einem Verfahren zur Bestimmung des Phasenstroms, -
5 einen zeitlichen Ablauf eines zweiten Ausführungsbeispiels der Schaltvorgänge der TransistorenT1 bisT6 bei einem Verfahren zur Bestimmung des Phasenstroms, und -
6 einen zeitlichen Ablauf eines dritten Ausführungsbeispiels der Schaltvorgänge der TransistorenT1 bisT6 bei einem Verfahren zur Bestimmung des Phasenstroms.
-
1 a device for determining at least one phase current, -
2 a detailed view of the device according to1 . -
3 a time course of a centrally aligned clock pattern, -
4 a timing of a first embodiment of the switching operations of the transistorsT1 toT6 in a method for determining the phase current, -
5 a timing of a second embodiment of the switching operations of the transistorsT1 toT6 in a method for determining the phase current, and -
6 a timing of a third embodiment of the switching operations of the transistorsT1 toT6 in a method for determining the phase current.
Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment
In der Zusammenführungsleitung
Während des Betriebs stellt sich das Zusammenspiel zwischen Maschinensteuervorrichtung
Anhand der
Da die Summe aller Ströme in der elektrischen Maschine
Zusätzlich können zur Messung von mindestens einem Phasenstrom
Für die Erläuterungen sei angenommen, dass ein Ein- beziehungsweise Abschalten der Transistoren einer Schaltanordnung
Nach dem zwischen den Zeitpunkten
Bei einer alternativen nicht dargestellten Ausführungsform entspricht die Zeitdauer der Kompensationsperiode
Bei einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform wird nach dem Messvorgang keine Kompensation durchgeführt, sondern es wird nach den Messimpulsen mit der Messperiode TM mit der normalen Taktperiode
Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren für die Strommessung in einem dreiphasigen Motor beschrieben ist, kann die Strommessung in einem M-phasigen Motor (M=3...n) daraus abgeleitet werden.Although the inventive method is described for current measurement in a three-phase motor, the current measurement in an M-phase motor (M = 3 ... n) can be derived therefrom.
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