DE102007040560A1

DE102007040560A1 - Verfahren zur Ansteuerung eines Umrichters sowie zugehörige Vorrichtung

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Publication number: DE102007040560A1
Application number: DE102007040560A
Authority: DE
Inventors: Dirk Joachimsmeyer
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2009-03-12
Also published as: CN101790838B; WO2009027326A1; CN101790838A; US20100259206A1; KR20100059910A

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ansteuerung eines Umrichters (4) nach Maßgabe eines periodischen Kommutierungsmusters angegeben. Verfahrensgemäß wird im Rahmen des Kommutierungsmusters zwischen einem Sinus-Kommutierungsbereich (21) und einem Block-Kommutierungsbereich (22) ein Übergangsbereich (25) vorgesehen, in welchem eine von dem Umrichter (4) ausgegebene Phasenspannung (<UL1>) für einen ersten Teilabschnitt (t1) einer jeden Halbperiode (P1, P2) nach Art einer Block-Kommutierung zeitlich konstant eingestellt wird, während die Phasenspannung (<UL1>) für einen zweiten Teilabschnitt (t2, t3) der Halbperiode (P1, P2) nach Art einer Sinus-Kommutierung zeitlich variierend eingestellt wird. Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung (5) umfasst eine Steuereinheit (6), die zur Erzeugung eines Schaltsignals (PWM) für den Umrichter (4) nach dem oben beschriebenen Verfahren ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektrischen Umrichters, wie er insbesondere zur elektrischen Versorgung der Motorphasen eines Elektromotors mit einem Antriebsstrom eingesetzt wird. Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf eine zur Verfahrensdurchführung ausgebildete Vorrichtung.
Als Kommutierung wird allgemein die Beschaltung der Motorphasen eines Elektromotors mit einem Antriebsstrom bezeichnet. Moderne, so genannte bürstenlose Elektromotoren, werden in der Regel elektronisch mittels einer Umrichterschaltung (nachfolgend kurz als Umrichter bezeichnet) kommutiert. Ein solcher Umrichter weist eine der Anzahl der Motorphasen entsprechende Anzahl von in einen elektrischen Zwischenkreis geschalteten Halbbrücken auf. Jede Halbbrücke weist zwei in Reihe geschaltete elektronische Leistungsschalter, z. B. in Form von MosFet's oder IGBT's auf, zwischen denen die jeweils zugehörige Motorphase angeklemmt ist. Die Leistungsschalter werden – üblicherweise software-gesteuert – durch ein elektronisches Schaltsignal angesteuert, das somit die Art und Weise der Kommutierung bestimmt. Man unterscheidet diesbezüglich verschiedene gängige Kommutierungsmuster, insbesondere die so genannte Sinus-Kommutierung und die so genannte Block-Kommutierung. Bei Sinus-Kommutierung werden die Leistungsschalter des Umrichters derart angesteuert, dass die von dem Umrichter in eine Motorphase eingespeiste elektrische Phasenspannung während einer Motorumdrehung einem zumindest im Wesentlichen sinusförmigen zeitlichen Verlauf folgt. Bei Block-Kommutierung werden die Leistungsschalter des Umrichters dagegen derart angesteuert, dass von dem Umrichter eine im Wesentlichen rechteckig variierende Phasenspannung ausgegeben wird. Im Falle einer Block-Kommutierung wechselt die Phasenspannung also im Wesentlichen sprungweise zwischen diskreten Spannungswerten.
Bei reiner Sinus-Kommutierung ist die maximal auf den Motor zu übertragende Antriebsleistung dann erreicht, wenn die Amplitude der Phasenspannung gegen den Betrag der Zwischenkreisspannung geht. Um in diesem Fall die Leistung dennoch weiter steigern zu können, d. h. um den Motor mit mehr als 100% reiner Sinusleistung zu betreiben, können moderne Umrichter mitunter von der Sinus-Kommutierung auf eine Block-Kommutierung umgeschaltet werden. Beim Umschalten zwischen der Sinus-Kommutierung und der Block-Kommutierung kommt es in der Regel aber zu einem Drehmomentsprung des vom Motor erzeugten Antriebsdrehmomentes, der mit einer sprunghaften Änderung des Phasenstroms einhergeht. Der Drehmomentsprung führt üblicherweise zu einer ruckartigen Veränderung eines von dem Motor angetriebenen Bewegungsprozesses, die – je nach Anwendungsbereich des Motors – eine störende oder sogar zerstörerische Wirkung haben kann. Aufgrund des korrespondierenden Sprungs im Phasenstrom treten kurzfristig innerhalb des Umrichters Überstromspitzen auf, welche unter ungünstigen Umständen zur Abschaltung des Umrichters führen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vor diesem Hintergrund verbessertes Verfahren zur Ansteuerung eines Umrichters anzugeben. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung anzugeben.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach ist vorgesehen, dass im Rahmen eines periodischen Kommutierungsmusters zwischen einem Sinus-Kommutierungsbereich und einem Block-Kommutierungsbereich ein Übergangsbereich vorgesehen wird, in welchem eine von dem Umrichter ausgegebene Phasenspannung für einen ersten Teilabschnitt einer jeden Halbperiode des Kommutierungsmusters nach Art einer Block-Kommutierung konstant und für einen zweiten Teil der Halbperiode nach Art einer Sinus-Kommutierung variierend eingestellt wird.
Unter dem Begriff "Kommutierungsmuster" wird allgemein eine bestimmte Art der Ansteuerung des Umrichters, dass heißt eine bestimmte Gestaltung eines an den Umrichter abgegebenen Schaltsignals, verstanden, aufgrund welcher eine von dem Umrichter ausgegebene Phasenspannung einen bestimmten zeitlichen Verlauf nimmt. Das Kommutierungsmuster ist periodisch, umfasst also mehrere aufeinander folgende Zeitabschnitte (Perioden), in denen sich das Kommutierungsmuster in identischer oder ähnlicher Weise wiederholt. Die Periode des Kommutierungsmusters entspricht hierbei einer Umdrehung des von dem Umrichter im Motor erzeugten Drehfeldes. Die Begriffe "Sinus-Kommutierungsbereich", "Block-Kommutierungsbereich" und "Übergangsbereich" beziehen sich auf zeitliche Abschnitte des Kommutierungsmusters, in denen das Kommutierungsmuster einheitliche charakteristische Eigenschaften aufweist. So wird die Phasenspannung im Sinus-Kommutierungsbereich zeitlich sinusförmig, im Block-Kommutierungsbereich nach einem Rechteckpuls-Schema variiert. Bei Sinus-Kommutierung beginnt die Periode konventionsgemäß mit dem Beginn der positiven Halbwelle der sinusförmigen Phasenspannung, d. h. an dem Punkt, an dem die Phasenspannung den Amplitudenmittelwert in positiver Richtung überschreitet. Bei Block-Kommutierung beginnt die Periode konventionsgemäß ebenfalls mit dem Einsetzen der positiven Halbwelle, d. h. mit dem Einsetzen der positiven Ansteuerungsphase des Kommutierungsmusters. Entsprechend wird auch für den Übergangsbereich der Beginn der Periode auf den Beginn der positiven Halbwelle des Übergangs-Kommutierungsmusters festgelegt. Als Halbperiode werden in diesem Sinne die positiven oder negativen Halbwellen des jeweiligen Kommutierungsmusters bezeichnet.
Durch das Verfahren wird ein im Wesentlichen kontinuierlicher Übergang zwischen einer Sinus-Kommutierung und einer Block-Kommutierung geschaffen, aufgrund dessen ruckartige Veränderungen des von dem Motor erzeugten Antriebsdrehmomentes und des zugrunde liegenden Phasenstromes vermieden werden. Ent sprechend werden auch die negativen Auswirkungen solcher ruckartigen Veränderungen auf den von dem Motor angetriebenen Bewegungsprozess bzw. den Umrichter vermieden.
In einer ersten Variante des Verfahrens wird die Dauer des ersten Teilabschnitts nach Maßgabe einer Stellgröße variiert, die für die einzustellende Motorleistung des von dem Umrichter angesteuerten Motors charakteristisch ist. Diese Stellgröße ist insbesondere auf 100% reine Sinusleistung normiert.
In einer alternativen Variante des Verfahrens wird nach Maßgabe der Motorleistung diskret zwischen Sinus-Kommutierung und Block-Kommutierung geschaltet. Der Übergang zwischen diesen beiden Kommutierungsformen erfolgt zeitlich aber nicht sprunghaft, sondern jeweils über den zwischengeschalteten Übergangsbereich, der in dieser Ausprägung des Verfahrens stets zeitlich vorübergehend eingesetzt wird. Die Dauer des ersten Teilabschnitts (im Verhältnis zu der Dauer der Halbperiode) wird dabei nach einer vorgegebenen Zeitabhängigkeit oder in Abhängigkeit des sogenannten Kommutierungswinkels variiert wird.
So wird bei einem Übergang von dem Sinus-Kommutierungsbereich auf einen anschließenden Block-Kommutierungsbereich die Dauer des ersten Teilabschnitts im Verhältnis zu dem zweiten Teilabschnitt sukzessive verlängert. Zusätzlich oder alternativ wird bei einem Übergang von Block-Kommutierungsbereich auf einen anschließenden Sinus-Kommutierungsbereich die Dauer des ersten Teilabschnitts sukzessive verkürzt.
In einer bevorzugten Ausprägung des Verfahrens wird der erste Teilabschnitt zeitlich zentriert bezüglich des zweiten Teilabschnitts angesetzt. Dies hat zur Folge, dass im Übergangsbereich die Zeitabschnitte mit blockartig konstanter Phasenspannung stets an den Stellen des Kommutierungsmusters angeordnet sind, an denen bei reiner Sinus-Kommutierung die Minima bzw. Maxima der Phasenspannung liegen würden. Hierdurch wird erreicht, dass das Übergangs-Kommutierungsmuster insbesondere an dem an den Sinus-Kommutierungsbereich angrenzenden Rand des Übergangsbereichs weitestmöglich an das einer reinen Sinus-Kommutierung entsprechende Kommutierungsmuster angeglichen ist. Der Wechsel von reiner Sinus-Kommutierung in den Übergangsbereich erfolgt auf diese Weise besonders kontinuierlich.
Das zur Ansteuerung des Umrichters auf denselben gegebene Schaltsignal ist bevorzugt pulsweitenmoduliert, enthält also eine nach Maßgabe einer festen Zyklusdauer getaktete Serie von Pulsen und zwischengeordneten Pulslücken, wobei das Signal durch variable Einstellung der (zeitlichen) Pulsweite der Pulse moduliert wird. Das Schaltsignal ist in dieser Ausbildung des Verfahrens als PWM-Signal bezeichnet. Wird der Umrichter pulsweitenmoduliert angesteuert, so ist die vorstehend genannte Phasenspannung durch den über die Zyklusdauer des PWM-Signals gebildeten Mittelwert der momentanen Phasenspannung gegeben. Diese effektive Phasenspannung ist stets proportional zu der Pulsweite.
In einer besonders einfach realisierbaren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Verlängerung bzw. Verkürzung des ersten Teilabschnitts durch Variierung einer vorgegebenen Pulse-Locking-/Pulse-Dropping(PLPD)-Zeit vorgenommen. Hierdurch kann eine zumeist an sich auch im Rahmen eines herkömmlichen Ansteuerverfahrens vorgesehene Pulse-Locking-/Pulse-Dropping(PLPD)-Funktion – entgegen dem eigentlichen Einsatzzweck einer solchen Funktion – zur Gestaltung des Kommutierungsmusters im Übergangsbereich genutzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann hierdurch unter lediglich geringfügiger Änderung bekannter Ansteueralgorithmen – mithin ohne größeren Entwicklungsaufwand – realisiert werden.
Zusätzlich oder alternativ wird die PLPD-Funktion zweckmäßigerweise auch zur Erzeugung des Schaltsignals im Block-Kommutierungsbereich, also zur Realisierung einer reinen Block- Kommutierung genutzt. Zur Erzeugung der Block-Kommutierung wird hierbei einfach die vorgegebene PLPD-Zeit auf die Zyklusdauer des PWM-Signals gesetzt.
In einer besonders ressourcensparenden, d. h. vom Rechenaufwand her besonders anspruchslosen Ausführung des Verfahrens wird die Dauer des ersten Teilabschnitts nicht kontinuierlich, sondern quantisiert entsprechend einer vorgegebenen Abstufung variiert. Hierdurch entfällt insbesondere die Notwendigkeit, die Dauer des ersten Teilabschnitts bei iterativer Durchführung des Verfahrens stets neu berechnen zu müssen.
Bezüglich der Vorrichtung wird die obige Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 10. Danach umfasst die Vorrichtung eine schaltungs- und/oder programmtechnisch zur Erzeugung des Schaltsignals nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren ausgebildete Steuereinheit. Bei der Steuereinheit handelt es sich insbesondere um einen Mikrocontroller, in dem eine das Verfahren ausführende Steuerlogik in Form einer Software implementiert ist.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigen:
1 in einem grob schematisch vereinfachten Schaltbild einen Elektromotor mit einem diesem vorgeschalteten Umrichter sowie eine Vorrichtung zur Ansteuerung des Umrichters,
2 in einem schematischen Diagramm beispielhaft für eine Phase des Elektromotors die über eine PWM-Zyklusdauer gemittelte Phasenspannung bei Sinus-Kommutation, aufgetragen gegen die Zeit bzw. gegen den sogenannten Kommutierungswinkel,
3 in detaillierter Darstellung einen zeitlichen Ausschnitt III des Diagramms gemäß 2,
4 in 2 entsprechender Darstellung den Verlauf der Phasenspannung bei Block-Kommutierung,
5 anhand von fünf übereinander angeordneten Diagrammen gemäß 2 einen Übergang zwischen Sinus-Kommutierung und Block-Kommutierung, wobei die Form des Phasenspannungsverlaufs in einem Übergangsbereich in Abhängigkeit einer für die gewünschte Leistung des Elektromotors charakteristischen Größe bestimmt ist, und
6 in Darstellung gemäß 2 ein alternativer Übergang zwischen Sinus-Kommutierung und Block-Kommutierung, wobei die Form des Phasenspannungsverlaufs in einem entsprechenden Übergangsbereich in Abhängigkeit der Zeit oder des Kommutierungswinkels variiert wird.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt grob schematisch einen (Elektro-)Motor 1 mit einem Ständer 2 und einem in diesem drehbar gelagerten Läufer 3. Bei dem Motor handelt es sich beispielsweise um einen permanenterregten Synchronmotor. Der Läufer 3 ist hierbei mit Permanentmagneten zur Erzeugung eines magnetischen Läuferfeldes versehen. Im Rahmen der Erfindung können grundsätzlich daneben aber auch andere Motortypen, insbesondere auch Asynchronmotoren oder elektrisch erregte Synchronmotoren zum Einsatz kommen. Der Motor 1 ist insbesondere zum Einsatz in einem Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehen.
1 zeigt weiterhin einen Umrichter 4 sowie eine Vorrichtung 5 zur Ansteuerung des Umrichters 4. Diese Vorrichtung 5 umfasst eine Steuereinheit 6 in Form eines Mikrocontrollers sowie einen Drehstellungssensor 7, der im Betrieb des Motors 1 die Drehstellung des Läufers 3 gegenüber dem Ständer 2 erfasst.
Der Ständer 2 des Motors 1 ist mit einer Drehfeldwicklung 8 zur Erzeugung eines magnetischen Ständerdrehfeldes bewickelt.
Die Drehfeldwicklung 8 umfasst drei Wicklungsstränge, nachfolgend als Motorphasen L1, L2 und L3 bezeichnet, die in einem Sternpunkt 9 zusammengeschlossen sind. Jede Motorphase L1, L2, L3 ist hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften gekennzeichnet durch eine Induktivität L_L1, LL2, LL3, einen ohmschen Widerstand R_L1, RL2, RL3 sowie durch eine induzierte Spannung U_L1, UL2, UL3. Die Induktivitäten L_L1, LL2, LL3, Widerstände R_L1, RL2, RL3 und Spannungen U_L1, UL2, UL3 sind in 1 in Form eines Ersatzschaltbildes eingetragen.
Der Umrichter 4 umfasst einen elektrischen Zwischenkreis 10 mit einer Hochpotenzial-Seite 11 und einer Niederpotenzial-Seite 12, zwischen denen im Betrieb des Motors 1 eine Zwischenkreisspannung U_Z angelegt ist.
In den Zwischenkreis 10 sind drei Halbbrücken 13a, 13b, 13c zur Speisung jeweils einer Motorphase L1, L2, L3 parallel geschaltet. Jede Halbbrücke 13a, 13b, 13c umfasst einen Phasenanschluss 14a, 14b, 14c, an dem die zugehörige Motorphase L1, L2, L3 angeschlossen ist.
Zwischen dem jeweiligen Phasenanschluss 14a, 14b, 14c und der Hochpotenzialseite 11 des Zwischenkreises 10 umfasst jede Halbbrücke 13a, 13b, 13c einen hochpotenzialseitigen Leistungsschalter 15a, 15b, 15c in Form eines IGBT. Jedem dieser Leistungsschalter 15a, 15b, 15c ist jeweils eine Freilaufdiode 16a, 16b, 16c parallel geschaltet. Zwischen den Motoranschluss 14a, 14b, 14c und die Niederpotenzial-Seite 12 des Zwischenkreises 10 ist im Rahmen jeder Halbbrücke 13a, 13b, 13c jeweils ein niederpotenzialseitiger Leistungsschalter 17a, 17b, 17c geschaltet. Jeder dieser Leistungsschalter 17a, 17b, 17c ist wiederum in Form eine IGBT ausgebildet und wird von einer parallel geschalteten Freilaufdiode 18a, 18b, 18c flankiert.
Der Umrichter 4 umfasst ferner einen in Parallelschaltung zu den Halbbrücken 13a, 13b, 13c in den Zwischenkreis 10 ge schalteten Kondensator 19 zum Ausgleich von Spannungswelligkeiten im Betrieb des Motors 1.
Die Steuereinheit 6 ist eingangsseitig mit dem Drehstellungssensor 7 verschaltet und erhält von diesem im Betrieb des Motors 1 ein Drehstellungssignal D, das eine Information über die aktuelle Drehstellung des Läufers 3 bezüglich des Ständers 2 enthält. Bei dem Drehstellungssensor 7 handelt es sich um einen absoluten Positionssensor, der beispielsweise den sogenannten Hall-Effekt oder eine induktive Ankopplung an das vom Läufer 3 erzeugte Läufermagnetfeld zur Erzeugung des Drehstellungssignals D nutzt.
Ausgangsseitig ist die Steuereinheit 6 jeweils mit dem Steuer- bzw. Gate-Anschluss eines jeden Leistungsschalters 15a, 15b, 15c und 17a, 17b, 17c verschaltet. Durch Ausgabe eines digitalen Schaltsignals schaltet die Steuereinheit 6 die Leistungsschalter 15a, 15b, 15c und 17a, 17b, 17c im Betrieb des Motors 1 reversibel zwischen einem elektrisch leitenden und einem elektrisch sperrenden Zustand, um die in den Motorphasen L1, L2, L3 anliegenden Phasenspannungen nach einem vorgegebenen Kommutierungsmuster zu variieren. Diese Schaltsignale sind pulsweitenmoduliert und werden daher im Folgenden als PWM-Signal PWM bezeichnet.
Der Steuereinheit ist weiterhin (in nicht näher dargestellter Weise) als Steuergröße ein Sollwert für die Motordrehzahl zugeführt.
In der Steuereinheit ist eine Steuerlogik 20 in Form einer oder mehrerer Softwaremodule implementiert, die im Betrieb des Motors 1 ein nachfolgend näher beschriebenes Verfahren zur Ansteuerung des Umrichters 4, d. h. zur Erzeugung der PWM-Signale PWM durchführt.
Die Steuerlogik 20 berechnet hierbei aus dem zeitlichen Verlauf des Drehstellungssignals D einen Istwert der Motordreh zahl. Die Steuerlogik 20 ermittelt weiter im Rahmen einer Drehzahlregelung eine Stelldifferenzgröße, die angibt, ob die Motorleistung – bzw. die Motordrehzahl – unter den aktuellen Betriebsbedingungen erhöht, erniedrigt oder konstant gehalten werden soll.
Anhand des Drehstellungssignals D und der Stelldifferenzgröße ermittelt die Steuerlogik 20 dann eine Pulsweite λ (3) und erzeugt nach Maßgabe dieser Pulsweite λ und einer vorgegebenen Zyklusdauer T (3) das PWM-Signal PWM für jeden der Leistungsschalter 15a, 15b, 15c und 17a, 17b, 17c.
Im Normalbetrieb des Motors 1, das heißt bei niedriger oder mittlerer Motorleistung, führt die Steuerlogik 20 eine sogenannte Sinus-Kommutierung 21 (2) durch. Dabei wird die Pulsweite λ des einem jeden Leistungsschalter 15a, 15b, 15c und 17a, 17b, 17c zugeordneten PWM-Signals PWM mit der Zeit t sinusförmig variiert. Entsprechend folgt auch die über die Zyklusdauer T des PWM-Taktes gemittelte Phasenspannung einer jeden Motorphase L1, L2, L3 einem sinusförmigen Verlauf mit der Zeit. Die Sinus-Kommutierung 21 ist am Beispiel der effektiven, d. h. über die Zyklusdauer T gemittelten Phasenspannung <U_L1> der Motorphase L1 in den 2 und 3 dargestellt (Mit spitzen Klammern <> wird hierbei formelhaft auf die Mittelwertbildung angedeutet).
Die effektive Phasenspannung <U_L1> schwingt synchron mit dem sogenannten Kommutierungswinkel φ, der die Drehstellung des von den Motorphasen L1, L2, L3 erzeugten magnetischen Ständerdrehfeldes wiedergibt. Eine Periode P oder Vollschwingung der effektiven Phasenspannung <U_L1> entspricht also einer Volldrehung des magnetischen Drehfeldes, mithin einer Änderung des Kommutierungswinkels φ um 360°.
Die gemittelten Phasenspannungen der übrigen Motorphasen L2 und L3 gleichen hinsichtlich ihres zeitlichen bzw. kommutierungswinkelabhängigen Verlaufs der Phasenspannung <U_L1>, sind aber bezüglich dieser um einen Kommutierungswinkelbetrag von 120° bzw. 240° phasenverschoben.
Um den Motor 1 in einem Hochleistungsbereich mit mehr als 100% reiner Sinusleistung betreiben zu können, kann die Steuerlogik 20 von der in 2 dargestellten Sinus-Kommutierung 21 auf eine so genannte Block-Kommutierung 22, wie sie – wiederum beispielhaft für die Phasenspannung <U_L1> in 4 dargestellt ist – umschalten. Dabei wird durch entsprechende Ansteuerung der Leistungsschalter 15a, 15b, 15c und 17a, 17b, 17c die Phasenspannung <U_L1> derart eingestellt, dass sie innerhalb einer Periode P einen Rechteckpuls 23 und eine nachfolgende Pulslücke 24 aufweist. Für die Dauer des Rechteckpulses 23 ist die Pulsweite λ des jeweils zugeordneten hochpotentialseitigen Leistungsschalters 15a–15c auf λ = 100% T gesetzt, für die Dauer der Pulslücke 24 auf λ = 0. Der zugeordnete Leistungsschalter 17a–17c ist stets entgegengesetzt hierzu angesteuert. Die Phasenspannungen der übrigen Phasen L2 und L3 gleichen wiederum hinsichtlich ihres zeitlichen Verlaufs der Phasenspannung <U_L1>, sind aber gegenüber dieser um eine Kommutierungswinkeldifferenz von 120° bzw. 240° phasenverschoben.
Bei dem durch die Steuerlogik 20 durchgeführten Verfahren erfolgt der Übergang zwischen reiner Sinus-Kommutierung 21 und reiner Block-Kommutierung 22 nicht sprunghaft. Vielmehr ist zwischen diesen beiden extremen Kommutierungsmustern ein Übergangsbereich 25 vorgesehen, in dem das Kommutierungsmuster – und hieraus resultierend die Form der Phasenspannung <U_L1> – sukzessive von dem Sinus-Modus in den Block-Modus (oder umgekehrt) überführt wird. Dieser Übergang wird dadurch erreicht, dass ausgehend von dem reinen Sinus-Modus die Kommutierung derart verändert wird, dass in jeder Halbperiode P1, P2 der Periode P ein erster Teilabschnitt t1 vorgesehen wird, in dem die Phasenspannung <U_L1> auf einem im Wesentlichen der Zwischenkreisspannung U_Z entsprechenden Maximalwert konstant festgehalten wird. Der Teilabschnitt t1 ist hierbei bezüglich der Halbperiode P1 zeitlich zentriert, so dass der Bereich konstanter Phasenspannung <U_L1> stets mit denjenigen Bereichen des Spannungsverlaufs zusammenfällt, in denen bei reiner Sinus-Kommutierung 21 die Maxima bzw. Minima der Phasenspannung <U_L1> auftreten würden. In jeweils gleich großen Zeitabschnitten t2 und t3 vor bzw. nach dem Teilabschnitt t1 wird die Phasenspannung <U_L1> sinusförmig kommutiert.
Der sukzessive Übergang zwischen dem reinen Sinus-Modus und dem reinen Block-Modus wird verfahrensgemäß vorgenommen, indem die Dauer des Teilabschnitts t1 zu Ungunsten des restlichen Teilabschnitts t2 + t3 der jeweiligen Halbperiode P1, P2 um so mehr vergrößert wird, je mehr das Kommutierungsmuster im Übergangsbereich 25 an den reinen Block-Modus angeglichen werden soll. Der Teilabschnitt t1 ist also an dem zum Sinus-Modus benachbarten Rand des Übergangsbereiches in Relation zu dem restlichen Teilabschnitt t2 + t3 vergleichsweise klein, an dem zu dem reinen Block-Modus benachbarten Rand des Übergangsbereichs dagegen vergleichsweise groß.
In einer in 5 dargestellten ersten Variante des von der Steuerlogik 20 ausgeführten Verfahrens wird die Länge des Teilabschnitts t1 im Übergangsbereich als Funktion einer für die Motorleistung charakteristischen Stellgröße S eingestellt. In dem in 5 dargestellten Beispiel ist diese Stellgröße S auf 100% reine Sinusleistung normiert. Sie gibt also die von der Steuerlogik 20 eingestellte Motorleistung in Relation zu 100% Sinusleistung an, und hat bei Erreichen der maximalen Sinusleistung den Wert 1.
Entsprechend arbeitet die Steuerlogik 20 für S ≤ 1 im reinen Sinus-Modus. Die Stellgröße S entspricht in diesem Bereich im Wesentlichen der auf die Zwischenzeitspannung U_Z normierten Amplitude der Phasenspannung <U_L1>. Für Werte von S ≥ 1 wird der Teilabschnitt t1 schrittweise erhöht, bis bei Überschreitung eines oberen Leistungsschwellwerts – im Beispiel gemäß 5 S = 1,3 – die Zeitspanne t1 an die gesamte Dauer der Halbperiode P1 bzw. P2 angeglichen wird, und somit der reine Block-Modus erreicht ist.
TAB 1 zeigt die funktionale Abhängigkeit des Teilabschnitts t1 von der Stellgröße S für das in 5 dargestellte Beispiel

S t1/(t1 + t2 + t3) Kommutierungsmuster

≤ 1 0 Sinus-Modus

1 < S ≤ 1,1 0,2 Übergangsbereich

1,1 < S ≤ 1,2 0,4

1,2 < S ≤ 1,3 0,75

> 1,3 1 Block-Modus

TAB 1
Um den Spannungsverlauf im Übergangsbereich mit besonders geringem numerischen Aufwand zu realisieren, greift die Steuerlogik 20 auf eine integrierte Pulse-Locking/Pulse-Dropping(PLPD)-Funktion zurück.
Durch diese Funktion wird ein Puls des PWM-Signals PWM unterdrückt, wenn seine Pulsweite λ eine vorgegebene PLPD-Zeit t_PLPD unterschreitet (Pulse-Dropping). Des Weiteren wird ein Puls des PWM-Signals PWM dann über die gesamte Zyklusdauer T ausgedehnt, wenn die Differenz der Pulsseite λ von der Zyklusdauer T die vorgegebene PLPD-Zeit t_PLPD unterschreitet (Pulse-Locking). Mit anderen Worten wird mittels Pulse-Locking die zwischen zwei Pulsen des PWM-Signals PWM gebildete Pulslücke dann unterdrückt, wenn die Dauer dieser Pulslücke die PLPD-Zeit t_PLPD unterschreitet.
Die PLPD-Funktion dient im Normalbetrieb der Vorrichtung 5 dazu, übermäßig kurze Schaltpulse, die von dem Umrichter 4 aufgrund der baubedingten Schaltzeiten der Leistungsschalter 15a, 15b, 15c und 17a, 17b, 17c nicht ordnungsgemäß durchgeführt werden können, zu vermeiden. Die PLPD-Zeit t_PLPD ist im Normalbetrieb auf einen sehr kleinen konstanten Wert von ca. 6 μ sec gesetzt, um nicht-harmonische Signalverzerrungen zu vermeiden.
Im Gegensatz hierzu wird die PLPD-Zeit t_PLPD im Übergangsbereich 25 in Abhängigkeit der Stellgröße S variiert, indem die PLPD-Zeit t_PLPD stets auf den für den Teilabschnitt t1 gewünschten Wert gesetzt wird. Infolge der Eigenschaften der PLPD-Funktion stellt sich der in 5 dargestellte Kurvenverlauf der Phasenspannung <U_L1> dann automatisch ein. Insbesondere wird auch die reine Block-Kommutierung 22 mittels die PLPD-Funktion realisiert, indem die PLPD-Zeit t_PLPD auf einen der Dauer der jeweiligen Halbperiode P1, P2 entsprechenden Wert gesetzt wird.
In 6 ist eine Variante des von der Steuerlogik 20 durchgeführten Verfahrens dargestellt. Im Gegensatz zu der vorstehend beschriebenen Verfahrensvariante wird hier im Übergangsbereich 25 der Teilabschnitt t1 nicht in Abhängigkeit der Motorleistung, sondern aufgrund einer vorgegebenen Zeitabhängigkeit oder in Abhängigkeit des Kommutierungswinkels φ variiert. Beispielsweise wird – wie in 6 dargestellt – der Teilabschnitt t1 ab Beginn des Übergangsbereichs 25 mit jeder folgenden Periode P anhand einer vorgegebenen Quantisierungsvorschrift schrittweise vergrößert, bis der Block-Modus 22 erreicht ist. Optional ist auch beim Übergang von dem Block-Modus in den Sinus-Modus ein solcher Übergangsbereich vorgesehen, in dem die Dauer des Teilabschnitts t1 mit jeder Periode P schrittweise vermindert wird. Die einstellbaren Werte des ersten Teilabschnitts sind dabei durch eine vorgegebene Abstufung (bzw. Quantisierungsvorschrift) vorgegeben, die insbesondere der mittleren Spalte von TAB 1 entspricht.
Im Übrigen gleicht das Kommutierungsverfahren der im Zusammenhang mit 5 beschriebenen Verfahrensvariante. Insbesondere wird die Kurvenform der Phasenspannung <U_L1> im Übergangsbereich und Block-Modus durch Variation der PLPD-Zeit t_PLPD eingestellt.
Die in den 5 und 6 für die Phase L1 und die zugehörige Phasenspannung <U_L1> dargestellte Variation des Kommutierungsmusters im Übergangsbereich 25 wird in gleicher Weise auf die Phasenspannungen der übrigen Phasen L2 oder L3 angewendet, die wiederum gegenüber der Phasenspannung <U_L1> lediglich phasenverschoben sind.

Claims

Verfahren zur Ansteuerung eines Umrichters (4) nach Maßgabe eines periodischen Kommutierungsmusters, wobei im Rahmen des Kommutierungsmusters zwischen einem Sinus-Kommutierungsbereich (21) und einem Block-Kommutierungsbereich (22) ein Übergangsbereich (25) vorgesehen wird, in welchem eine von dem Umrichter (4) ausgegebene Phasenspannung (<U_L1>) für einen ersten Teilabschnitt (t1) einer jeden Halbperiode (P1, P2) nach Art einer Block-Kommutierung zeitlich konstant eingestellt wird, während die Phasenspannung (<U_L1>) für einen zweiten Teilabschnitt (t2, t3) der Halbperiode (P1, P2) nach Art einer Sinus-Kommutierung zeitlich variierend eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dauer des ersten Teilabschnitts (t1) relativ zu der Dauer der Halbperiode (P1, P2) in Abhängigkeit einer für eine Motorleistung charakteristischen Stellgröße (S) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dauer des ersten Teilabschnitts (t1) im Verlauf des Übergangsbereichs (25) zwischen dem Sinus-Kommutierungsbereich (21) und dem zeitlich anschließenden Block-Kommutierungsbereich (22) nach einer vorgegebenen Abhängigkeit von der Zeit (t) oder einem Kommutierungswinkel (φ) sukzessive vergrößert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dauer des ersten Teilabschnitts (t1) im Verlauf des Übergangsbereichs zwischen dem Block-Kommutierungsbereich (22) und dem zeitlich anschließenden Sinus-Kommutierungsbereich (21) nach einer vorgegebenen Abhängigkeit von der Zeit (t) oder einem Kommutierungswinkel (φ) sukzessive verkürzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Teilabschnitt (t1) innerhalb jeder Halbperiode (P1, P2) zentriert bezüglich des zweiten Teilabschnitts (t2, t3) vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Ansteuerung des Umrichters (4) durch Vorgabe mindestens eines PWM-Signals (PWM) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Verlängerung bzw. Verkürzung des ersten Teilabschnitts (t1) durch Variierung einer vorgegebenen Pulse-Locking-/Pulse-Dropping-Zeit (t_PLPD) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Block-Kommutierungsbereich (22) dadurch eingestellt wird, dass eine vorgegebene Pulse-Locking-/Pulse-Dropping-Zeit (t_PLPD) auf die Zyklusdauer (T) eines PWM-Zyklus des PWM-Signals (PWM) gesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Dauer des ersten Teilabschnitts (t1) quantisiert entsprechend einer vorgegebenen Abstufung variiert wird.
Vorrichtung (5) zur Ansteuerung eines Umrichters (3), mit einer Steuereinheit (6) zur Vorgabe mindestens eines Schaltsignals (PWM) für den Umrichter (4), wobei die Steuereinheit (5) dazu ausgebildet ist, das Schaltsignal (PWM) nach Maßgabe eines periodischen Kommutierungsmusters derart zu erzeugen, dass im Rahmen des Kommutierungsmusters zwischen einem Sinus-Kommutierungsbereich (21) und einem Block-Kommutierungsbereich (22) ein Übergangsbereich (25) angeordnet ist, in welchem eine von dem Umrichter (4) ausgegebene gemittelte Phasenspannung (<U_L1>) für einen ersten Teilabschnitt (t1) einer jeden Halbperiode (P1, P2) nach Art einer Block-Kommutierung konstant, und für einen zweiten Teilabschnitt (t2, t3) der Halbperiode (P1, P2) nach Art einer Sinus-Kommutierung variierend eingestellt ist.
Vorrichtung (5) nach Anspruch 10, wobei die Steuereinheit (6) dazu ausgebildet ist, die Dauer des ersten Teilabschnitts (t1) relativ zu der Dauer der Halbperiode (P1, P2) in Abhängigkeit einer für eine Motorleistung charakteristischen Stellgröße (S) einzustellen.
Vorrichtung (5) nach Anspruch 10, wobei die Steuereinheit (6) dazu ausgebildet ist, die Dauer des ersten Teilabschnitts (t1) im Verlauf des Übergangsbereichs (25) zwischen dem Sinus-Kommutierungsbereich (21) und dem zeitlich anschließenden Block-Kommutierungsbereich (22) nach einer vorgegebenen Abhängigkeit von der Zeit (t) oder einem Kommutierungswinkel (φ) sukzessive zu vergrößern.
Vorrichtung (5) nach Anspruch 10, wobei die Steuereinheit (6) dazu ausgebildet ist, die Dauer des ersten Teilabschnitts (t1) im Verlauf des Übergangsbereichs zwischen dem Block-Kommutierungsbereich (22) und dem zeitlich anschließenden Sinus-Kommutierungsbereich (21) nach einer vorgegebenen Abhängigkeit von der Zeit (t) oder einem Kommutierungswinkel (φ) sukzessive zu verkürzen.
Vorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Steuereinheit (6) dazu ausgebildet ist, den ersten Teilabschnitt (t1) innerhalb jeder Halbperiode (P1, P2) zentriert bezüglich des zweiten Teilabschnitts (t2, t3) einzusetzen.
Vorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Steuereinheit (6) dazu ausgebildet ist, die Ansteuerung des Umrichters (4) durch Vorgabe mindestens eines PWM-Signals (PWM) vorzunehmen.
Vorrichtung (5) nach Anspruch 15, wobei die Steuereinheit (6) dazu ausgebildet ist, die Verlängerung bzw. Verkürzung des ersten Teilabschnitts (t1) durch Variierung ei ner vorgegebenen Pulse-Locking-/Pulse-Dropping-Zeit (t_PLPD) vorzunehmen.
Vorrichtung (5) nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Steuereinheit (6) dazu ausgebildet ist, den Block-Kommutierungsbereich (22) dadurch einzustellen, indem sie eine vorgegebene Pulse-Locking-/Pulse-Dropping-Zeit (t_PLPD) auf die Zyklusdauer (T) eines PWM-Zyklus des PWM-Signals (PWM) setzt.
Vorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 10 bis 17, wobei die Steuereinheit (6) dazu ausgebildet ist, die Dauer des ersten Teilabschnitts (t1) quantisiert entsprechend einer vorgegebenen Abstufung zu variieren.