DE102008018075B4

DE102008018075B4 - Umrichter und Verfahren zur Bestimmung eines Stromraumzeigers

Info

Publication number: DE102008018075B4
Application number: DE102008018075A
Authority: DE
Inventors: Harald Wolf; Manuel Heil
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2008-04-09
Filing date: 2008-04-09
Publication date: 2010-12-23
Anticipated expiration: 2028-04-10
Also published as: DE102008018075A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung eines Stromraumzeigers zur Verwendung in einem Steuer- und/oder Regelverfahren,
für einen pulsweitenmoduliert betriebenen Umrichter, umfassend eine Signalelektronik, eine Leistungsendstufe mit in drei, jeweils einen unteren und einen oberen Zweig aufweisende Halbbrücken angeordneten Leistungsschaltern sowie in den drei unteren Zweigen der Halbbrücke angeordnete Mittel zur Abtastung der jeweiligen Ströme,
wobei zu Beginn, also vor dem Regelverfahren, in einem ersten Ablauf, der einen ersten Schritt und einen zweiten Schritt umfasst, ein oberer und der zugehörige untere Brückenzweig, die einer ersten Phase zugeordnet sind, ausgeschaltet sind, wodurch ein Fließen von Strom in dieser Phase verhindert ist,
– wobei in dem ersten Schritt in der zweiten Phase ein eingeprägter Strom aufgebaut wird, der dem Strom in der dritten Phase entgegengesetzt gerichtet ist und betragsmäßig gleicht,
– wobei in dem zweiten Schritt, insbesondere also nach Beenden des Aufbauens des Stromes, der obere Brückenzweig, der der zweiten Phase zugeordnet...

Description

Die Erfindung betrifft einen Umrichter und ein Verfahren zur Bestimmung eines Stromraumzeigers.
Bei einem ausgangsspannungsseitig pulsweitenmoduliert betriebenen Umrichter mit digitaler Regelung ist es zur Erreichung einer ausreichenden Regelgüte erforderlich, für eine Pulsweitenmodulationsperiode einen Wert für denjenigen Stromraumzeiger zu bestimmen, welcher dem über diese Pulsweitenmodulationsperiode gebildeten Mittelwert des real vorhandenen Stromraumzeigers entspricht. Die pulsweitenmodulierte Ausgangsspannung hat bei induktiver Last, wie insbesondere bei einem Elektromotor, einen sogenannten Stromripple zur Folge. Die Bestimmung des Stromraumzeigers muss unbeeinflusst von diesem Stromripple erfolgen. Bei manchen Umrichtern des Standes der Technik sind die Stromsensoren in den Zuleitungen zum Motor angeordnet, wodurch kontinuierliche Stromsignale auftreten, die durch analoge Filterung vom Stromripple befreit werden und dann für die Regelung verwendbar sind.
Aus dem Buch ,Praxis der feldorientierten Drehstromantriebsregelungen' von Nguyen Phung Quang und Jörg-Andreas Dittrich, zweite Auflage, aus dem Jahre 1999 sind aus Seite 110–113 pulsweitenmoduliert betreibbare Umrichter bekannt, bei denen Stromerfassungen mit Hilfe von drei (5.1) oder auch nur zwei (5.3, 5.5, 5.6, 5.9, 5.11) potentialtrennenden Stromfühlern in den Ausgangszweigen vorgesehen sind. Aus den Strommesswerten wird dabei ein Stromraumzeiger mit zwei Freiheitsgraden bestimmt (5.3, 5.5, 5.6, 5.9, 5.11). Weiter ist auf der Seite 76 bis 77 ausgeführt, dass zur Erfassung der Grundschwingung der Motorströme ohne Oberschwingungen, also ohne Stromripple, zu geeigneten Zeitpunkten die Strommesswerte zu erfassen sind. Dabei bezeichnet man die Abweichung von der Grundschwingung als Differenzstromraumzeiger. Die Erfassung der Strommesswerte erfolgt dann im Nulldurchgang des Differenzstromraumzeigers. Von Nachteil ist bei diesen bekannten Umrichtern, dass mindestens zwei kostspielige, potentialtrennende Strommessmittel notwendig sind.
Aus der DE 196 81 189 C2 ist ein pulsweitenmoduliert betreibbarer Umrichter mit Zwischenkreiskondensator (1, Bezugszeichen 3) und eine mit diesem verbundene Endstufe bekannt, die nur einen Stromfühler zur Erfassung des Zwischenkreisstromes umfasst. Die Stromerfassung enthält somit je nach Winkel des Ausgangsspannungszeigers die Information über einen einzelnen Phasenstrom oder Summen von Phasenströmen. Nachteilig ist dabei, dass bei bestimmten Winkeln des Ausgangsspannungszeigers das Bestimmen eines Stromraumzeigers nicht zufriedenstellend ausführbar ist.
Aus der Schrift von Francesco Parasiliti, „Low cost current Sensing in DSP Based Drives”, Industrial Electronics, 1999, ISIE'99, Proceedings of the IEEE, Volume 3, 1999, International Symposium, Volume 3, 1999, ist ein Umrichter bekannt, bei dem Shuntwiderstände in allen unteren Zweigen der Halbbrücken als Mittel zur Erfassung der jeweiligen Ströme angeordnet sind. Alle drei Strommesswerte werden erfasst, wobei die Messanstöße in der zeitlichen Mitte desjenigen Zeitabschnitts innerhalb einer Pulsweitenmodulationsperiode liegen, in welchem der diskrete Schaltzustand (000), also der Nullvektor v₀, anliegt (Seite 1287, linke Spalte und 7). Bei der konkreten Ausführung ist ein kleiner Zeitversatz zu dieser Mitte wegen Berücksichtigung von Totzeiten, Signallaufzeiten und dergleichen, vorhanden. Aus den zugehörigen Messwerten wird dann der Stromraumzeiger bestimmt. Nachteil ist dabei allerdings, dass in den schattierten Bereichen des Hexagons (Seite 1287, linke Spalte, letzter Abschnitt und 8) keine oder nur eine ungenaue Bestimmung des Stromraumzeigers möglich ist, da in diesen schattierten Bereichen entweder kein Nullvektor verwendet wird oder nur sehr kurz. Wenn nämlich der Nullvektor nicht vorhanden ist oder nur sehr kurz anliegt, ist damit automatisch in einer Phase kein oder nur ein sehr kurzes Strommesssignal vorhanden, welches somit für eine Auswertung nicht oder nur ungenau zur Verfügung steht. Daraus resultiert, dass im Falle eines über eine Pulsweitenmodulationsperiode gemittelten Ausgangsspannungsraumzeigers aus dem schattierten Bereich (Seite 1287, 8) mindestens ein Strommesswert verfälscht ist.
Aus der US 5 815 391 ist ein Umrichter bekannt, bei dem in allen unteren Zweigen der Halbbrücken Mittel zur Erfassung der jeweiligen Ströme angeordnet sind (2A). In der zugehörigen Tabelle (2B) wird erklärt, dass der Strom in der Phase A abhängig von den Schaltzuständen messbar (beispielhaft 1. Zeile: messbar;) oder aus den beiden anderen Strom-Messwerten berechenbar ist (5. Zeile: berechenbar;). Wenn jedoch der untere Schalter der Phase A und ein weiterer unterer Schalter geöffnet sind, ist der Strommesswert der Phase A nicht bestimmbar. Solche Schaltzustände sind in dieser Schrift als ,unknown' bei der Phase A gekennzeichnet.
Die genannte Tabelle 2B und das geschilderte Problem beziehen sich auf die Schaltzustände, also den jeweiligen Augenblickszustand des Umrichters.
Die genannte Tabelle 2B bezieht sich nur auf Phase A. Es lassen sich aber die zugehörigen Tabellen für die Phasen B und C aufstellen. Dabei ist leicht zu erkennen, dass bei einigen Schaltzuständen, nämlich (111), (110), (101), (011), kein oder nur ein Strommesswert bestimmbar ist und somit auf keinen Fall ein Stromraumzeiger für diese Augenblickszustände. Aus der US 5 815 391 geht daher nicht hervor, wie ein Stromraumzeiger zu bestimmen ist, welcher dem über eine Pulsweitenmodulationsperiode gebildeten Mittelwert des real vorhandenen Stromraumzeigers entspricht. Insbesondere ist nicht dargestellt, wie vorzugehen ist, damit der Stromraumzeiger nicht durch Stromripple verfälscht ist.
Die Dauer eines ,known'-Schaltzustandes innerhalb einer Pulsweitenmodulationsperiode hängt von folgenden Faktoren ab:
Trägerfrequenz der Pulsweitenmodulation,
Art und Weise des Pulsweitenmodulationsverfahrens. Wenn diese Dauer eines ,known'-Schaltzustandes zu kurz ist, ist der Stromraumzeiger nicht bestimmbar.
Wie das Pulsweitenmodulationsverfahren ausgeführt wird, ist in dieser Schrift nicht näher erläutert; es ist dem Fachmann jedoch klar, dass die Schrift lehrt, dass diese ,unknown'-Zustände ein Problem darstellen. In Spalte 1, Zeile 40–44 wird von einem ,Zurückrechnen' gesprochen, das aber nicht ausführbar beschrieben ist. Die Schrift lehrt den Fachmann, dass das Problem der ,unknown'-Zustände umgangen werden kann, indem gemäß den 5 und 6 sowohl in den oberen als auch in den unteren Zweigen der Halbbrücken Messmittel, insbesondere potentialfreie Messmittel, wie Rogowski-Spulen oder dergleichen, eingesetzt werden. Durch geschicktes Kombinieren der Messsignale, insbesondere Addition der Messsignale der unteren und der oberen Messmittel, wird ein kontinuierliches Strommesssignal erreicht und die ,unknown'-Zustände stellen kein Problem mehr dar.
Diese Lehre der US 5 815 391 , sowohl in den oberen als auch in den unteren Zweigen der Halbbrücken Messmittel einzusetzen, wäre auch auf die vorgenannte IEEE Schrift anwendbar. Auf diese Weise wäre die Strommessung in den dort schattierten Bereichen problemlos und genau ausführbar. Allerdings müssten aufwendige Messmittel, insbesondere solche zur Überwindung der Potentialbarriere und somit kostspielige, vorgesehen werden. Die Lösungen wären also sehr aufwendig und kostspielig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Umrichter weiterzubilden, bei dem auf möglichst viele kostspielige Teile verzichtet werden kann und insbesondere bei Massenproduktion eine kostengünstige Herstellung erreichbar ist und trotzdem ein Verfahren zur Bestimmung eines Stromraumzeigers ausführbar ist.
Aus der US 7 126 305 B2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem im geregelten Betrieb der Nulldurchgang eines Stromes einer Phase abgewartet wird und hierbei Stromwerte der anderen Phase erfasst werden, wodurch Verstärkungsfaktoren und Offsetwerte der den jeweiligen Phasen zugeordneten Stromerfassungsmittel bestimmbar sind. Somit ist eine Offset- und Verstärkungsfaktoren-Korrektur im Betrieb ermöglicht.
Aus der DE 10 2004 040 052 A1 ist bekannt, mittels Testpulsen mit wechselndem Vorzeichen Verstärkungsfaktoren der Stromerfassungsmittel zu bestimmen. Die Stromerfassungsmittel sind hierbei in den Motorzuleitungen angeordnet.
Aus der DE 11 2006 000 786 T5 ist ein Umrichter bekannt, bei dem die Stromerfassungsmittel in den unteren Brückenzweigen angeordnet sind und Stromversatzkorrekturwerte erfasst werden.
Aus der DE 102 48 375 C2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Stromerfassungsmittel abhängig vom mittleren Ausgangsspannungsraumzeiger als jeweiliges Paar ausgewählt werden und aus den zugehörigen Messwerten der Stromraumzeiger bestimmt wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Verfahren nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und bei einem Umrichter nach den in Anspruch 16 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren sind, dass es zur Bestimmung eines Stromraumzeigers vorgesehen ist,
insbesondere zur Verwendung in einem Steuer- und/oder Regelverfahren,
für einen pulsweitenmoduliert betriebenen Umrichter, umfassend eine Signalelektronik, eine Leistungsendstufe mit in drei, jeweils einen unteren und einen oberen Zweig aufweisende Halbbrücken angeordneten Leistungsschaltern sowie in den drei oberen oder unteren Zweigen der Halbbrücke angeordnete Mittel zur Abtastung der jeweiligen Ströme,
wobei in einem ersten Ablauf, der einen ersten Schritt und einen zweiten Schritt umfasst, ein oberer und der zugehörige untere Brückenzweig, die einer ersten Phase zugeordnet sind, ausgeschaltet sind,

– wobei in dem ersten Schritt in der zweiten Phase ein Strom aufgebaut wird, der dem Strom in der dritten Phase entgegengesetzt gerichtet ist und betragsmäßig gleicht,
– wobei in dem zweiten Schritt, insbesondere also nach Beenden des Aufbauens des Stromes, der obere Brückenzweig, der der zweiten Phase zugeordnet ist, und derjenige obere Brückenzweig, der einer dritten Phase zugeordnet ist, ausgeschaltet sind,
– und wobei der untere Brückenzweig, der der zweiten Phase zugeordnet ist, und derjenige untere Brückenzweig, der der dritten Phase zugeordnet ist, eingeschaltet sind,
– und wobei in jedem eingeschalteten Brückenzweig mit den Mitteln zur Abtastung des Stromes mindestens ein Stromabtastwert bestimmt wird und daraus der Unterschied der Messwertverstärkungen der zweiten und dritten Phase für die Stromerfassung bestimmt und berücksichtigt wird, insbesondere also die Messwertverstärkungen jeweils mit einem entsprechenden Korrekturfaktor versehen werden.

Von Vorteil ist dabei, dass die erfassten Stromwerte abgleichbar sind, insbesondere anpassbar. Somit ist eine für alle drei Phasen gleichmäßige Stromerfassung vorsehbar. Der erfasste Strom ist also nicht verzerrt. Wenn beispielsweise ein betragsmäßig konstanter Stromvektor auftritt, ist nach Erfassung der drei Phasenströme die Rekonstruktion des Stromraumzeigers unverzerrt, also auch unabhängig von der Winkellage gleichartig ermöglicht.
Insbesondere wird bei der Erfindung

– zur Ansteuerung der Halbbrücken ein Pulsmuster innerhalb eines Zeitabschnitts, der eine Pulsweitenmodulationsperiode beträgt, derart generiert, dass zu einem ersten in der Pulsweitenmodulationsperiode liegenden Abtastzeitpunkt jeweils zumindest ein oberer oder ein unterer, mit Mitteln zur Abtastung des Stromes ausgestatteter Brückenzweig ausgeschaltet ist,
– im ausgeschalteten Brückenzweig mit den Mitteln zur Abtastung des Stromes mindestens ein Stromabtastwert bestimmt und daraus ein aktueller Offsetwert für die Stromerfassung bestimmt und berücksichtigt,
– der ausgeschaltete Brückenzweig abhängig vom mittleren Ausgangsspannungsraumzeiger verschieden gewählt und

Von Vorteil ist dabei, dass die Offsetbestimmung in einfacher Weise bei einem Umrichter ausführbar ist.
Insbesondere wird zur Offsetbestimmung der einer jeweiligen Phase zugeordneten Stromerfassung der Strom in einem ausgeschalteten Brückenzweig erfasst, insbesondere vor der Bestimmung der jeweiligen Messverstärkung. Von Vorteil ist dabei, dass der Offset vom Messergebnis subtrahierbar ist und somit eine weiter verbesserte Stromerfassung ermöglicht ist. In Zusammenwirkung ist also eine sehr genaue Erfassung des Stromraumzeigers ermöglicht, wobei der Betrag des Stromraumzeigers abhängt vom Absolutwert der Messverstärkungen, die unbekannt bleiben. Mit der Erfindung ist aber ein winkelmäßig unverzerrtes Bestimmen des Stromraumzeigers ermöglicht, der sogar noch Offsetfrei bestimmbar ist. Auf diese Weise ist die Drehmoment-Modellwertbildung der Regelung des Umrichters sehr gut und die Regeleigenschaften, wie Regelgüte, stark verbessert.
Von Vorteil ist dabei auch, dass ohne zusätzliche Mittel über die für die Stromerfassung notwendigen Mittel hinaus ein Abgleich der Messverstärkungen in den einzelnen Phasen einfach und schnell ermöglicht ist, insbesondere in sehr kurzer Zeit. Dabei wird durch Anlegen einer Spannung ein Strom nur derart lange eingeprägt, dass einen stationären eingeschwungenen Zustand erreicht. Für die Ausführung der Erfindung ist also nur zusätzliche Software notwendig.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird in einem jeweiligen Zwischenschritt, der nach dem genannten jeweiligen ersten, zweiten und dritten Schritt angeordnet ist, statt des jeweils eingeschalteten oberen der zugehörige untere Brückenzweig derselben Phase eingeschaltet und statt des jeweiligen eingeschalteten unteren der obere Brückenzweig eingeschaltet, insbesondere wodurch die eingeprägte Stromrichtung umgekehrt wird. Insbesondere ist der jeweilige Zwischenschritt unmittelbar nach dem ersten, zweiten und dritten Schritt angeordnet ist, also der erste Schritt gefolgt von einem Zwischenschritt und ebenso der zweite von einem entsprechenden Zwischenschritt und ebenso der dritte von einem entsprechenden Zwischenschritt. Von Vorteil ist dabei, dass ein eingeprägter Strom umgepolt wird und somit eine drehmomentfreie Bestimmung der Messverstärkungen ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden für das Regelverfahren als zur jeweiligen Phase zugehörige Strommesswerte die erfassten Strommesswerte durch die zur jeweiligen Phase zugehörige Messverstärkung dividiert, insbesondere also normierte Strommesswerte verwendet werden. Von Vorteil ist dabei, dass ein Abgleich der Messverstärkungen der Phasen zueinander in einfacher Weise ermöglicht ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zur Offsetbestimmung der einer jeweiligen Phase zugeordneten Stromerfassung der Strom in einem ausgeschalteten Brückenzweig erfasst, insbesondere vor der Bestimmung der jeweiligen Messverstärkung. Von Vorteil ist dabei, dass der Offset in besonders einfacher Weise bestimmbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird

– zur Ansteuerung der Halbbrücken ein symmetrisches Pulsmuster innerhalb eines Zeitabschnitts, der eine Pulsweitenmodulationsperiode beträgt, derart generiert, dass zu einem weiteren mittig in der Pulsweitenmodulationsperiode liegenden Abtastzeitpunkt jeweils ein Paar der drei oberen oder ein Paar der drei unteren, mit Mitteln zur Abtastung des Stromes ausgestatteten Brückenzweige eingeschaltet sind,
– in jedem der beiden eingeschalteten Brückenzweige mit den Mitteln zur Abtastung des Stromes mindestens ein Stromabtastwert bestimmt,
– das Paar von eingeschalteten Brückenzweigen abhängig vom mittleren Ausgangsspannungsraumzeiger verschieden gewählt und
– aus den Stromabtastwerten der Stromraumzeiger bestimmt, wobei der mittlere Ausgangsspannungsraumzeiger bestimmt ist durch die Differenzen der über eine Pulsweitenmodulationsperiode gemittelten Ausgangspotentiale der drei Ausgangsphasen.

Insbesondere wird

– zur Ansteuerung der Halbbrücken ein Pulsmuster innerhalb eines Zeitabschnitts, der eine Pulsweitenmodulationsperiode beträgt, derart generiert, dass zu einem ersten in der Pulsweitenmodulationsperiode liegenden Abtastzeitpunkt jeweils zumindest ein oberer oder ein unterer, mit Mitteln zur Abtastung des Stromes ausgestatteten Brückenzweig ausgeschaltet ist,
– im ausgeschalteten Brückenzweig mit den Mitteln zur Abtastung des Stromes mindestens ein Stromabtastwert bestimmt und daraus ein aktueller Offsetwert für die Stromerfassung bestimmt und berücksichtigt,
– der ausgeschaltete Brückenzweig abhängig vom mittleren Ausgangsspannungsraumzeiger verschieden gewählt und
– aus den Stromabtastwerten der Stromraumzeiger bestimmt, wobei der mittlere Ausgangsspannungsraumzeiger bestimmt ist durch die Differenzen der über eine Pulsweitenmodulationsperiode gemittelten Ausgangspotentiale der drei Ausgangsphasen.

Von Vorteil ist dabei, dass ein aktueller Offsetwert bestimmt wird und somit ein offsetbefreite Erfassung des Stromes ermöglicht ist, wodurch ein besseres Regelverhalten des Umrichters erzielbar ist. Auch bei einer gegebenenfalls auftretenden Temperaturdrift des Offsetwertes des Messverstärkers ist ein stets aktuell gültiger Wert bestimmt. Da die Drift bei industrieüblichen Betriebsweisen eine charakteristische Zeitkonstante aufweist, die größer ist als eine bei zu einer im Bereich zwischen 1 kHz und 100 kHz liegenden Pulsweitenmodulationsfrequenz gehörenden Pulsweitenmodulationsperiode, ist es nicht notwendig in jeder Pulsweitenmodulationsperiode einen Offsetwert zu bestimmen sondern es genügt, dies in größeren zeitlichen Abständen auszuführen. Außerdem ist beider Erfindung keine Sample-Holdschaltung notwendig, obwohl Strommesswerte zu mehreren Phasen erfassbar sind und nur ein Analog/Digital-Wandler verwendet werden muss.
Vorteiligerweise werden zur Bestimmung des Stromraumzeigers für jede Pulsweitenmodulationsperiode stets nur die zwei geeignetsten der drei möglichen Strommesswerte ausgewählt. Insbesondere liegt der Erfindung die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass die Information über den Stromraumzeiger im Zeitverlauf der zwei geeignetsten Strommesssignale enthalten ist. Dabei ist es sogar erlaubt, dass innerhalb dieser Pulsweitenmodulationsperiode sogar Schaltzustände zeitweise auftreten dürfen, die für sich genommen keine Bestimmung des Stromraumzeigers erlauben würden, also im Sinne der US 5 815 391 ,unknown'-Zustände sind!
Da bei der Variante mit in allen drei unteren Zweigen der Halbbrücken angeordneten Mittel zur Erfassung der jeweiligen Ströme immer diejenige Phase, bei der das entsprechende Pulsweitenmodulations-Signal kürzer als eine Mindestdauer im LOW-Zustand ist, nicht verwendet wird, ist ein sicheres Bestimmen des Stromraumzeigers gewährleistet unter Verwendung eines geeigneten Pulsweitenmodulationsverfahrens, insbesondere eines symmetrischen Pulsweitenmodulationsverfahrens. Dabei ist im jeweiligen LOW-Zustand der untere Leistungsschalter geschlossen und der obere geöffnet. Bei einem HIGH-Zustand liegt der umgekehrte Fall vor.
Außerdem sind möglichst viele kostspielige Teile verzichtbar, insbesondere potentialtrennende Stromfühler, da die Ströme nicht in den Ausgangszweigen sondern in den unteren oder oberen Zweigen der Halbbrücken gemessen werden. Bei Massenproduktion ist eine kostengünstige Herstellung erreichbar.
Insbesondere werden bei der Erfindung mit den zwei der drei Mitteln zur Erfassung der Ströme die zugehörigen Stromabtastwerte nicht gleichzeitig innerhalb der Pulsweitenmodulationsperiode erfasst und/oder die zugehörigen Messanstöße nicht gleichzeitig ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass bei dem Umrichter ein Mikrocontroller mit nur einem einzigen Analog-Digital-Wandler und keiner zusätzlichen Sample-Hold-Schaltung verwendbar ist, also keiner extern vom Mikrocontroller angeordneten Sample-Hold-Schaltung.
Insbesondere wird mit mindestens einem der zwei Mittel mehr als einmal pro Pulsweitenmodulationsperiode ein Stromabtastwert erfasst und/oder mehr als ein Messanstoß innerhalb einer Pulsweitenmodulationsperiode vorgesehen.
Insbesondere wird mit einem ersten der zwei Mittel genau zweimal pro Pulsweitenmodulationsperiode ein Stromabtastwert erfasst und der Messanstoß für das zweite der zwei Mittel liegt in der Mitte der Pulsweitenmodulationsperiode. Vorteiligerweise liegen die zwei Messanstöße des ersten der zwei Mittel äquidistant zur Mitte der Pulsweitenmodulationsperiode, das heißt, dass der zeitliche Abstand vom ersten Messanstoß des ersten Mittels zum ersten Messanstoß des zweiten Mittels gleich groß ist wie der zeitliche Abstand vom Messanstoß des zweiten Mittels zum zweiten Messanstoß des ersten Mittels und der letztgenannte Messanstoß des zweiten Mittels in der Mitte der Pulsweitenmodulationsperiode liegt.
Bei der Variante mit in allen drei unteren Zweigen der Halbbrücken angeordneten Mittel zur Erfassung der jeweiligen Ströme bezeichnet die zeitliche Mitte der Pulsweitenmodulations-Periode die zeitliche Mitte der jeweiligen LOW-Zustände. Während dieser Zustände sind Strommesssignale an den Mitteln zur Erfassung der jeweiligen Ströme vorhanden.
Zur Bestimmung des Stromraumzeigers sind die Strommesswerte von den zu den beiden genannten Mitteln gehörigen Phasen ausreichend. Bei der vorliegenden Erfindung sind stets die insgesamt drei Strommesswerte der beiden Mittel erhältlich, weil bei der Erfindung ein vorteilhaftes Pulsweitenmodulations-Verfahren verwendet wird, wie beispielsweise ein symmetrisches Pulsweitenmodulations-Verfahren, und der Ausgangsspannungsraumzeiger auf den Innkreis des Hexagons begrenzt wird. Dies bedeutet beispielsweise auch, dass keine Eckvektoren des Hexagons dauerhaft über eine ganze Pulsweitenmodulations-Periode hinweg auftreten.
Damit der Stromraumzeiger frei vom Einfluss des durch die PULSWEITENMODULATION bedingten Stromripples bleibt, müssen die Messanstöße an geeigneten Zeitpunkten erfolgen. Dafür vorteilhaft wären die Zeitpunkte der Messanstöße der beiden Mittel jeweils gleichzeitig und in die Mitte der Pulsweitenmodulations-Periode zu legen. Dann wären jedoch entweder zwei A/D-Wandler oder externe Sample-Hold-Schaltungen notwendig, was kostspielig wäre.
Erfindungsgemäß werden aber mit dem ersten Mittel zwei zeitlich versetzte Messanstöße ausgeführt. Der Zeitpunkt des Messanstoßes des zweiten Mittels ist in die Mitte der Pulsweitenmodulations-Periode gelegt. Die Zeitpunkte der beiden Messanstöße des ersten Mittels weisen jeweils den selben zeitlichen Abstand zur Mitte der Pulsweitenmodulations-Periode auf. Somit ist infolge der Mittelwertbildung und wegen der Symmetrie des Stromripples, der wegen des symmetrischen Pulsweitenmodulations-Verfahrens symmetrisch zur Mitte der Pulsweitenmodulations-Periode verläuft, ein Strommesswert unter Verwendung des ersten Mittels bestimmt, der gleich ist zu demjenigen Strommesswert, der mit dem ersten Mittel am Zeitpunkt der Mitte der Pulsweitenmodulations-Periode messbar wäre.
Insbesondere wird der Stromraumzeiger für jede Pulsweitenmodulationsperiode bestimmt. Von Vorteil ist dabei, dass auch bei kleiner Pulsweitenmodulationsfrequenz eine möglichst häufige Bestimmung des Stromraumzeigers vorsehbar ist zur Verbesserung der Regelgüte des Regelverfahrens des Umrichters.
Bei einer vorteilhaften Ausführung liegt der erste Abtastzeitpunkt mittig in der Pulsweitenmodulationsperiode oder mittig in einem Zeitabschnitt, währenddessen der jeweilige Brückenzweig ausgeschaltet wird. Vorteiligerweise ist somit ein im vorangegangenen Zeitabschnitt auftretender Strom abgeklungen und es sind keine Restströme mehr vorhanden.
Bei einer vorteilhaften Ausführung liegen mehrere erste Abtastzeitpunkte in jeweils einem Zeitabschnitt und der Mittelwert der erfassten Strommesswerte wird zur Bestimmung des Offsetwerts verwendet. Von Vorteil ist dabei, dass über einen Multiplexer die Messwerte von nur einem Analog/Digital-Wandler erfassbar sind, der zeitlich nacheinander die Strommesswerte von verschiedenen Brückenzweigen erfassbar macht.
Bei einer vorteilhaften Ausführung werden in einem weiteren ausgeschalteten Brückenzweig zeitlich symmetrisch um vor und nach dem ersten Abtastzeitpunkt Stromabtastwerte erfasst zur Bestimmung des Offsetwerts. Von Vorteil ist dabei, dass die erfassten Werte für verschiedene ausgeschaltete Brückenzweige im Wesentlichen einer zeitsynchronen Erfassung entsprechen.
Bei bevorzugten Ausführungen werden die Strommesssignale auf dem unteren Zwischenkreispotential gebildet, wobei den jeweiligen Halbbrücken zugeordnete Strommesswerte aus Stromabtastwerten bestimmt werden, die aus den Strommesssignalen abgeleitet werden. Insbesondere entspricht das Bezugspotential der Signalelektronik, die eine Steuer- und Regeleinrichtung des Umrichters umfasst, dem Bezugspotential, auf welchem die Strommesssignale gebildet werden. Von Vorteil ist dabei, dass Optokoppler zur Potentialtrennung einsparbar sind. Das Bezugspotential der Signalelektronik weist ebenfalls das untere Zwischenkreispotential auf. Wesentlicher Vorteil ist dabei, dass die Ansteuersignale der unteren Leistungsschalter in den Halbbrücken von der Signalelektronik generierbar sind, ohne dass ein hoher Spannungsabstand auftritt, der eine aufwendige Potentialtrennung notwendig machen würde. Nur die Ansteuersignale der oberen Leistungsschalter müssen über Optokoppler oder andere potentialtrennende Vorrichtungen angesteuert werden. Insbesondere bei einem Umrichter, der keine Anschlüsse für einen Geber, wie Drehzahl- oder Positionsgeber, oder für andere potential-abzutrennende Vorrichtungen aufweist, ist somit ein wesentlicher Schritt zur Kosteneinsparung und eine Reduktion der Anzahl der Teile erreichbar.
Vorteilhaft sind als untere Leistungsschalter in den Halbbrücken Leistungshalbleiterschalter, wie IGBT vom Typ npn, verwendbar, die mit Steuerspannungen ansteuerbar sind, die als Bezugspotential das untere Zwischenkreispotential aufweisen.
Bei Verwendung komplementärer Leistungshalbleiterschalter, wie beispielsweise IGBT vom Typ pnp, ist dann als Bezugspotential für die Strommessung und für die Signalelektronik das obere Zwischenkreispotential zu wählen und der Umrichter entsprechend zu gestalten.
Bei einer bevorzugten Ausführung wird das Paar abhängig vom Winkel des Ausgangsspannungsraumzeigers und nicht vom Pulsweitenmodulationsmuster verschieden ausgewählt. Von Vorteil ist dabei, dass die programmtechnische Realisierung besonders einfach ist.
Bei einer anderen Ausführung wird statt der einen Pulsweitenmodulationsperiode ein Zeitabschnitt von zwei oder mehreren Pulsweitenmodulationsperioden verwendet. Von Vorteil ist dabei, dass auch bei hoher Schaltfrequenz der Stromraumzeiger bestimmbar ist. Dabei ist zwar eine leichte Verfälschung vorhanden, die aber bei hoher Schaltfrequenz gering ist.
Bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung wird das Erfassen des mit dem ersten Strommessmittel, also Mittel zur Erfassung der Ströme, erfassten Stromabtastwertes mittig in der Pulsweitenmodulationsperiode ausgeführt. Insbesondere wird mit einem zweiten der zwei Strommessmittel ein erster und ein zweiter zugehöriger Stromabtastwert symmetrisch vor und nach dem Erfassen eines mit dem ersten Strommessmittel erfassten Stromabtastwertes erfasst. Von Vorteil ist dabei, dass mit nur einem Analog-Digital-Wandler ohne externe Sample-Hold-Schaltungen Strommesswerte bestimmbar sind, die nicht von Pulsweitenmodulationsbedingten Stromripple verfälscht sind. Also ist die Bestimmung der Strommesswerte besonders einfach und mit wenig Rechenaufwand ausführbar.
Bei Verwendung zusätzlicher externer Sample-Hold-Schaltungen könnten mit den zwei der drei Mitteln zur Erfassung der Ströme die zugehörigen Stromabtastwerte gleichzeitig erfasst und/oder die zugehörigen Messanstöße gleichzeitig ausgeführt werden. Insbesondere würden die Messanstöße mittig in der Pulsweitenmodulationsperiode ausgeführt. Von Vorteil wäre dabei, dass die Bestimmung der Strommesswerte besonders einfach ist und trotzdem keine durch Stromripple verursachten Verfälschungen vorhanden sind.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführung der Erfindung wird mit dem ersten der zwei Mittel zur Erfassung der Ströme ein zugehöriger Stromabtastwert mindestens eine Pulsweitenmodulationsperiode nach dem Erfassen eines zum zweiten Mittel zur Erfassung der Ströme zugehörigen Stromabtastwertes erfasst. Insbesondere liegen die zu den beiden Mitteln zur Erfassung der Ströme zugehörige Messanstöße in verschiedenen Pulsweitenmodulationsperioden. Von Vorteil ist dabei, dass auch bei hohen Schaltfrequenzen unter Verwendung nur eines einzigen Analog-Digital-Wandlers und ohne zusätzliche Sample-Hold-Schaltungen ein Stromraumzeiger bestimmbar ist, insbesondere ohne durch Stromripple verursachten Verfälschungen.
Bei einer bevorzugten Ausführung wird der erste Stromabtastwert des Paares mehr als einmal pro Pulsweitenmodulationsperiode erfasst und aus den erfassten Werten wird ein gemäß den Zeitpunkten der jeweiligen Erfassung interpolierter Wert und/oder Mittelwert gebildet. Insbesondere wird ein erster Stromabtastwert des Paares, der einer ersten Halbbrücke zugeordnet ist, vor und nach dem zweiten Stromabtastwert des Paares, der einer zweiten Halbbrücke zugeordnet, erfasst. Von Vorteil ist dabei, dass durch Interpolation oder auch Mittelwertbildung ein fiktiver Strommesswert mit guter Genauigkeit bestimmbar ist, der zeitgleich zum anderen erfassten Stromabtastwert vorhanden ist.
Bei einer bevorzugten Ausführung entspricht der erfasste Stromraumzeiger dem Mittelwert des Stromraumzeigers über eine Pulsweitenmodulationsperiode. Von Vorteil ist dabei, dass der infolge der Pulsweitenmodulation vorhandene Stromripple das Ergebnis und somit auch die Regelverfahren nicht verfälscht.
Wesentliche Merkmale der Erfindung bei dem Umrichter, umfassend eine Signalelektronik und eine Leistungsendstufe, die in drei, jeweils einen unteren und einen oberen Zweig umfassende Halbbrücken angeordnete Leistungsschalter umfasst, wobei der Umrichter pulsweitenmoduliert betreibbar ist, sind, dass

– entweder in allen drei unteren oder in allen drei oberen Zweigen der Halbbrücken Mittel zur Erfassung der jeweiligen Ströme angeordnet sind,
– von den drei Mitteln zur Erfassung der Ströme erfasste Strommesssignale über einen Multiplexer nur einem einzigen Analog-Digital-Wandler zugeführt werden und/oder zuführbar sind.

Von Vorteil ist dabei, dass kostspielige potentialtrennende Mittel einsparbar und das Bauvolumen des Umrichters reduzierbar ist.
Bei einer bevorzugten Ausführung umfassen die Mittel zur Stromerfassung Widerstände, insbesondere Shunt-Widerstände. Von Vorteil ist dabei, dass die Stromerfassung äußerst kostengünstig sind.
Bei einer bevorzugten Ausführung sind die Mittel zur Stromerfassung derart in den Halbbrücken angeordnet, dass sie entweder mit dem oberen oder mit dem unteren Zwischenkreispotential verbunden sind. Von Vorteil ist dabei, dass Mittel zur Potentialtrennung einsparbar sind. Bei einer weiter bevorzugten Ausführung weist die Signalelektronik ein Bezugspotential auf, das auch Bezugspotential für die Mittel zur Stromerfassung ist. Wenn dieses Bezugspotential Uz– beträgt, dann sind die Mittel zur Potentialtrennung für die Ansteuersignale der unteren Leistungsschalter der Halbbrücken einsparbar. Wenn dieses Bezugspotential Uz+ beträgt, dann sind die Mittel zur Potentialtrennung für die Ansteuersignale der oberen Leistungsschalter der Halbbrücken einsparbar.
Bei einer bevorzugten Ausführung weist die Signalelektronik ein Bezugspotential auf, das auch Bezugspotential für die Mittel zur Stromerfassung ist. Von Vorteil ist dabei, dass kostspielige potentialtrennende Mittel einsparbar sind. Denn, wären die Mittel zur Stromerfassung in den Zuleitungen zum Motor vorgesehen, würden kostspielige potentialtrennende Mittel notwendig sein.
Bei einer bevorzugten Ausführung ist einem einzigen Analog-Digital-Wandler mittels eines Multiplexers und/oder Schalters jedes Mittel zur Stromerfassung zuordenbar. Von Vorteil ist dabei, dass der Umrichter kostengünstig ausführbar ist, insbesondere durch Einsparung von weiteren Analog-Digital-Wandlern.
Prinzipiell wäre es auch möglich, mehr als ein Analog-Digital-Wandler den Mitteln zur Stromerfassung zuzuordnen. Von Vorteil wäre dabei, dass bei Verwendung geeignet angeordneter Multiplexer das jeweils ausgewählte Paar von Mitteln zur Erfassung der Ströme den beispielsweise zwei Analog-Digital-Wandlern zuordenbar ist und zusätzliche Sample-Hold-Schaltungen einsparbar sind. Insbesondere wäre jedem Mittel zur Stromerfassung jeweils ein Analog-Digital-Wandler zuordenbar. Von Vorteil ist dabei, dass keine zusätzlichen Sample-Hold-Schaltungen notwendig sind und eine synchrone Erfassung der Stromabtastwerte gewährleistbar ist. Bevorzugt wäre dann auch zwischen jedem Mittel zur Stromerfassung und dem zuordenbaren Analog-Digital-Wandler jeweils eine Sample-Hold-Schaltung anordenbar. Von Vorteil wäre hierbei, dass der Stromraumzeiger ohne Verfälschung durch Stromripple bestimmbar ist und ein einziger Analog-Digital-Wandler genügt. Weiter bevorzugt könnte die Signalelektronik einen Mikrocontroller, der einen einzigen Analog-Digital-Wandler aufweist, und eine Sample-Hold-Schaltung aufweisen, die nicht vom Mikrocontroller umfasst ist, also eine zusätzliche externe. Von Vorteil wäre dabei, dass ein kostengünstiger Mikrocontroller verwendbar ist, der nur einen einzigen Analog-Digital-Wandler umfasst.
Bei einer bevorzugten Ausführung umfasst die Signalelektronik Mittel zur Erzeugung pulsweitenmodulierter Steuersignale für die Leistungsschalter und die Signalelektronik weist ein Bezugspotential auf, das auch Bezugspotential für die Mittel zur Stromerfassung ist. Von Vorteil ist dabei, dass Mittel zur Potentialtrennung einsparbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist einem einzigen Analog-Digital-Wandler mittels eines Multiplexers und/oder Schalters ein jeweiliges Mittel zur Stromerfassung zuordenbar. Somit sind dann kostspielige weitere Analog-Digital-Wandler verzichtbar.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die wesentlichen Merkmale, dass

– entweder in allen drei unteren oder in allen drei oberen Zweigen der Halbbrücken Mittel zur Erfassung der jeweiligen Ströme angeordnet sind,
– die Pulsweitenmodulationsfrequenz größer ist als eine Mindestfrequenz,
– innerhalb eines Zeitabschnitts, der zwei Pulsweitenmodulationsperioden beträgt, mit zwei der drei Mittel zur Erfassung der Ströme jeweils mindestens ein zugehöriger Stromabtastwert bestimmt wird und in beiden Pulsweitenmodulationsperioden derselbe mittlere Ausgangsspannungsraumzeigers ausgegeben wird,
– mit einem ersten Mittel des Paares ein erster Stromabtastwert in der Mitte der ersten der zwei Pulsweitenmodulationsperioden erfasst wird und mit einem zweiten Mittel des Paares ein zugehöriger Stromabtastwert in der Mitte der zweiten, also unmittelbar nachfolgenden Pulsweitenmodulationsperiode erfasst wird,
– aus den mit diesem Paar von Mitteln bestimmten Stromabtastwerten ein Stromraumzeiger gebildet wird oder die Stromwerte in den Ausgangszweigen gebildet werden, insbesondere zur Verwendung in einem Steuer- und/oder Regelverfahren, und
– dieses Paar von Mitteln abhängig vom mittleren Ausgangsspannungsraumzeiger verschieden ausgewählt wird,
– und wobei der mittlere Ausgangsspannungsraumzeiger bestimmt ist durch die Differenzen der über eine Pulsweitenmodulationsperiode gemittelten Ausgangspotentiale der drei Ausgangsphasen.

Von Vorteil ist dabei, dass auch bei hohen Pulsweitenmodulations-Frequenzen ein einziger Analog-Digital-Wandler ausreichend ist und keine externen Sample-Hold-Schaltungen notwendig sind. Bei Unterschreiten der Mindestfrequenz, die beispielsweise 10 kHz beträgt, ist auf das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren umschaltbar. Somit sind die Vorteile sogar bei allen Pulsweitenmodulations-Frequenzen vorhanden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der 1 ist für einen dreiphasigen Umrichter eine Leistungsendstufe schematisch skizziert. Die Leistungsschalter mit zugeordneten Freilaufdioden sind dabei durch sechs Schaltersymbole S_Ro, S_So, S_To, S_Ru, S_Su, und S_Tu bezeichnet. In den unteren Zweigen der Halbbrücken sind als Mittel zur Stromerfassung Shunt-Widerstände R_R, R_S und R_T angeordnet.
Diese sind somit mit dem unteren Bezugspotential U_Z– verbunden, das auch gleichzeitig Bezugspotential der eine Steuer- und Regelvorrichtung 1 umfassenden Signalelektronik des Umrichters ist. Die motorseitigen Ausgangspotentiale des Umrichters sind U_R, U_S und U_T; die Motorströme sind mit I_R, I_S und I_T bezeichnet.
Die Widerstände sind mit Verstärkerschaltungen V_R, V_S und V_T verbunden, die jeweils ausgangsseitig ein Strommesssignal I_RM, I_SM und I_TM erzeugen. Aus den drei Strommesssignalen werden durch Analog-Digital-Wandlung Stromabtastwerte abgeleitet, aus denen Strommesswerte gebildet werden. Aus diesen Strommesswerten wird der Stromraumzeiger bestimmt, wobei die zu den Strommesswerten zugehörigen Halbbrücken abhängig vom Winkel des Spannungsraumzeigers ausgewählt werden. Da für die Motorströme nach der Kirchhoffschen Regel I_R + I_S + I_T = 0 gilt, weist dieser Stromraumzeiger zwei Freiheitsgrade auf. Er weist also zwei unabhängige Parameter auf. Daher genügt es prinzipiell, dass zur Bestimmung des Stromraumzeigers nur zu zwei Zweigen zugeordnete Strommesswerte verwendet werden. Dabei ist allerdings zu beachten, dass Pulsweitenmodulationssignale des Umrichters innerhalb einer Pulsweitenmodulationsperiode nicht konstant sein müssen, also die Schaltzustände derart wechseln, dass sogar Schaltzustände zeitweise auftreten können, die für sich allein genommen gar keine Bestimmung des Stromraumzeigers erlauben würden!
Für das Regelverfahren des Umrichters ist es zur Erreichung einer hinreichenden Regelgüte ausreichend, einmal pro Pulsweitenmodulationsperiode einen Stromraumzeiger als Rechengröße zu bestimmen, der den über eine Pulsweitenmodulationsperiode gebildeten Mittelwert des physikalischen Stromraumzeigers repräsentiert.
Die von der Steuer- und Regelvorrichtung 1 generierten Pulsweitenmodulations-Signale PWM_R(t), PWM_S(t) und PWM_T(t) bestimmen den Zustand der Leistungsschalter S_Ro, S_So, S_To, S_Ru, S_Su, und S_Tu. Die Pulsweitenmodulations-Signale sind folgendermaßen vorgesehen: Wenn das jeweilige Pulsweitenmodulations-Signal, beispielsweise PWM_R(t), 1 beträgt, wird der zugehörige obere Leistungsschalter, also beispielhaft S_Ro, geschlossen und der zugehörige untere Leistungsschalter, also beispielhaft S_Ru, geöffnet. In diesem Fall beträgt das zugehörige Ausgangsspannungspotential U_Z+. Beträgt das Pulsweitenmodulations-Signal 0, ist also im LOW-Zustand, sind die zugehörigen Leistungsschalter in dem jeweils anderen Zustand und das zugehörige Ausgangsspannungspotential beträgt U_Z–. Die in der praktischen Realisierung eingefügte sogenannte Totzeit, während der der jeweils obere und untere Schalter offen ist, ist für die prinzipielle Funktion der Erfindung nicht relevant.
Wenn ein zu einer Halbbrücke gehörendes Pulsweitenmodulations-Signal sich im LOW-Zustand befindet, fließt der zugehörige Motorstrom im unteren Zweig der zugehörigen Halbbrücke und damit über den jeweiligen Shunt-Widerstand. Zur genauen Erfassung der Strommesswerte muss der Shunt-Widerstand länger als eine Mindestdauer vom zugehörigen Motorstrom durchflossen werden. Die Mindestdauer ist dabei abhängig von der Filterwirkung der Messverstärkerschaltungen, umfassend Verstärkerschaltungen V_R, V_S und V_T. Eine Filterwirkung wird durch entsprechende Beschaltung erreicht, um Rauschanteile oder Störanteile bei den Strommesswerten zu unterdrücken. Beispielsweise ist bei einer Pulsweitenmodulationsfrequenz von 16 kHz eine Filterzeitkonstante aus dem Bereich von 0,5 μs bis 2 μs vorteilhaft.
Bei der vorliegenden Erfindung wird vorteiligerweise ein sogenanntes symmetrisches Pulsweitenmodulationsverfahren verwendet. Bei solchen symmetrischen Pulsweitenmodulationsverfahren hat derjenige zeitliche Mittelwert, der aus dem Wert des Zeitpunktes eines ersten Schaltzustandswechsels des Pulsweitenmodulations-Signals in einer ersten Phase und dem Wert des Zeitpunktes des zeitlich nachfolgenden zugehörigen Schaltzustandswechsels in der selben Phase gebildet wird, den selben Wert wie die entsprechend gebildeten Mittelwerte der anderen beiden Phasen. Daher liegen also die Schaltzustandswechsel von HIGH auf LOW und zurück in allen drei Phasen symmetrisch zur Mitte der Pulsweitenmodulations-Periode.
Bei der Erfindung wird die Amplitude des gemittelten Ausgangsspannungsraumzeigers auf U_Z/√3 begrenzt, so dass stets ein sinusförmiges Drehspannungssystem generierbar ist. Diese Begrenzung bezeichnet bei der Erfindung die maximale Aussteuerung. Eine Übersteuerung, also Verlassen dieses durch die Begrenzung definierten Arbeitsbereiches, wird stets vermieden.
Die Erfindung bezieht sich also nur auf solche Umrichter, die derart pulsweitenmoduliert betrieben werden, dass in keiner Pulsweitenmodulationsperiode eine derartig hohe Aussteuerung vorgenommen wird, dass nur ein einziger aktiver Schaltzustand für eine volle Pulsweitenmodulationsperiode auftritt. Bei einem solchen aktiven Schaltzustand nehmen die Pulsweitenmodulations-Signale PWM_R(t), PWM_S(t) und PWM_T(t) die Werte (110), (101), (100), (001), (010) oder (011) an, die auch als diskrete aktive Ausgangsspannungsraumzeiger bezeichnet werden. Aktive Schaltzustände umfassen also nicht die Schaltzustände (111) und (000). Die beiden zuletzt genannten Schaltzustände werden jeweils auch als diskreter Nullspannungsraumzeiger oder Nullvektor bezeichnet.
Sogenannte Randvektoren sind diejenigen, über eine Pulsweitenmodulationsperiode gemittelten Ausgangsspannungsraumzeiger, welche beim theoretischen Anlegen eines einzigen der aktiven Schaltzustände über eine ganze Pulsweitenmodulationsperiode sich ergeben würden. Bei der Erfindung nimmt der über eine Pulsweitenmodulationsperiode gemittelte Ausgangsspannungsraumzeiger nie den Wert eines solchen Randvektors an wegen der oben erwähnten Begrenzung des Arbeitsbereichs.
Im Bild der genannten IEEE-Schrift von Francesco Parasiliti nach der dortigen 8 auf Seite 1287 gesprochen, bedeutet die oben beschriebene Begrenzung des über eine Pulsweitenmodulationsperiode gemittelten Ausgangsspannungsraumzeigers, dass dieser innerhalb des maximalen Innkreises des Hexagons liegt. Der gemittelte Ausgangsspannungsraumzeiger nimmt nie den Wert eines Randvektors an, kommt also bei der Erfindung nie auf die Ecken des Hexagons zu liegen.
Da der Ausgangsspannungsraumzeiger begrenzt ist, wechseln sich verschiedene diskrete Schaltzustände ab. Durch geschickte Wahl der Zeitpunkte für die Messanstöße innerhalb einer Pulsweitenmodulationsperiode ist für jede Pulsweitenmodulationsperiode ein Stromraumzeiger bestimmbar. Die sich abwechselnden Zustände umfassen dabei unter Anderem sogar Zustände, bei denen die Bestimmung eines Stromraumzeigers nicht möglich wäre, wenn sie dauerhaft über eine Pulsweitenmodulationsperiode anliegen würden, wie beispielsweise auch den Zustand (101) entsprechend der letzten Zeile der Tabelle 2B aus der US 5 815 391 . Insbesondere wird beispielsweise an einem ersten Zeitpunkt in einer ersten Phase ein Messanstoß ausgeführt, zu einem anderen zweiten Zeitpunkt in einer zweiten Phase ein zweiter Messanstoß und zu einem dritten Zeitpunkt in der ersten Phase ein dritter Messanstoß. Durch Mittelwertbildung des ersten und dritten Messwertes wird erreicht, dass der ermittelbare Stromraumzeiger nicht durch Stromripple verfälscht ist bei dem für die Erfindung zulässigen Pulsweitenmodulations-Verfahren, insbesondere symmetrischen Pulsweitenmodulations-Verfahren, bei denen der Ausgangsspannungsraumzeiger auf den Innkreis des Hexagons begrenzt ist. Somit ist also nur ein einziger Analog-Digital-Wandler notwendig, insbesondere ohne externe zusätzliche Sample-Hold-Schaltungen.
Inder 2 ist eine realisierbare Variante für einen Teil der Steuer- und Regelvorrichtung 1 aus 1 gezeigt. Dieser umfasst eine Sample-Hold-Schaltung 21, der die drei Strommesssignale zugeführt werden, und einen Mikrocontroller 22 mit integriertem Analog-Digital-Wandler. Der Mikrocontroller 22 steuert über die Signale S/H1, S/H2 und S/H3 die Abtastzeitpunkte, die auch als Messanstöße bezeichnet werden, zu denen die Sample-Hold-Schaltung 21 Strommesssignale bis zur Analog-Digital-Wandlung fest hält. Der Mikrocontroller 22 muss dann nur einen einzigen Analog-Digital-Wandler zusammen mit einem Analog-Multiplexer oder Umschalter 23 umfassen. Vorteil ist dabei, dass mit nur einem einzigen Analog-Digital-Wandler eine gleichzeitige Erfassung von Stromabtastwerten erreicht ist, obwohl eine sequentielle Analog-Digital-Wandlung stattfindet. Im Mikrocontroller 22 werden dann aus den Stromabtastwerten Strommesswerte beziehungsweise ein Stromraumzeiger bestimmt. Der Mikrocontroller 22 steuert über die Signale S/H1, S/H2 und S/H3 die Sample-Hold-Schaltung und damit die Messanstöße entsprechend der weiter unten geschilderten Verfahren.
In einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist gemäß 3 im Unterschied zur Variante nach 2 die Sample-Hold-Schaltung 21 einsparbar. Dabei ist es jedoch notwendig, die Stromabtastwerte nacheinander zu erfassen entsprechend der weiter unten geschilderten Verfahren.
In der 4 sind beispielhafte zeitliche Verläufe der über jeweils eine Pulsweitenmodulationsperiode gemittelten motorseitigen Ausgangspotentiale U_R, U_S und U_T des Umrichters über eine Ausgangsspannungsperiode gezeigt, wobei die motorseitigen Ausgangspotentiale U_R, U_S und U_T normiert eingezeichnet sind und der Ausgangsspannungswinkel α sich über den Bereich von 0 bis 2π erstreckt. Entsprechend der Normierung entspricht der Potentialwert U_Z– dem Wert –1 und U_Z+ dem Wert +1.
In der 4 ist zu erkennen, dass die Mittelwerte der Ausgangspotentiale eine dritte Oberschwingung enthalten.
Weiter sind in 4 Winkelbereiche 1 bis 6 des Ausgangsspannungszeigers eingezeichnet, in denen verschiedene Mittel zur Stromerfassung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden.
Bei einem Ausgangsspannungswinkel von α = π/6 beträgt der Mittelwert des Ausgangspotentials U_S Null. Der Mittelwert des Ausgangspotentials U_R liegt in der Nähe des positiven maximalen Wertes 1. Der Mittelwert des Ausgangspotentials U_T liegt in der Nähe des minimalen Wertes –1. Die Mittelwerte der Ausgangspotentiale erreichen bei diesem Ausgangsspannungswinkel und bei der beispielhaft gewählten Amplitude also fast die maximale Aussteuerung des Umrichters.
In der 5 sind für die Ausgangspotentiale aus 4 wieder beim Ausgangsspannungswinkel α = π/6 zugehörige zeitliche Verläufe der Pulsweitenmodulations-Signale PWM_R(t), PWM_S(t) und PWM_T(t) skizziert. Aus diesen werden die Ansteuersignale für die Leistungsschalter S_Ro, S_So, S_To, S_Ru, S_Su, und S_Tu abgeleitet. Wenn das jeweilige Pulsweitenmodulations-Signal, beispielsweise PWM_R(t), 1 beträgt, wird der zugehörige obere Leistungsschalter, also beispielhaft S_Ro, geschlossen und der zugehörige untere Leistungsschalter, also beispielhaft S_Ru, geöffnet. In diesem Fall beträgt das zugehörige Ausgangsspannungspotential U_R = U_Z+. Beträgt das Pulsweitenmodulations-Signal 0 gehen die zugehörigen Leistungsschalter in den jeweils anderen Zustand und das zugehörige Ausgangsspannungspotential beträgt U_Z–. Die in der praktischen Realisierung eingefügte sogenannte Totzeit, während der der jeweils obere und untere Schalter offen ist, ist für die Funktion der Erfindung prinzipiell nicht relevant. In der 5 sind in Abszissenrichtung zwei Pulsweitenmodulationsperioden gezeigt.
Das über eine Pulsweitenmodulationsperiode gemittelte Ausgangsspannungspotential U_S = 0 wird gemäß 5 durch ein PWM_S(t)-Signal erreicht, das zu 50% der Pulsweitenmodulationsperiode 1 ist und zu 50% der Pulsweitenmodulationsperiode 0 ist. Die Pulsweitenmodulations-Verhältnisse der anderen Pulsweitenmodulations-Signale PWM_R(t) und PWM_T(t) sind entsprechend deren über eine Pulsweitenmodulationsperiode Bemitteltes Ausgangsspannungspotential verteilt.
In der 6 sind die zu den beiden genannten Pulsweitenmodulationsperioden zugehörigen beispielhaften Motorströme I_R(t), I_S(t) und I_T(t) in den Ausgangszweigen gezeigt. Außerdem ist die aufgrund der pulsweitenmodulierten Ausgangspotentiale resultierende Stromwelligkeit angedeutet.
In der 7 ist der zu den beiden genannten Pulsweitenmodulationsperioden zugehörige idealisierte zeitliche Verlauf der Strommesssignale I_RM(t), I_SM(t) und I_TM(t) gezeigt ohne die filternde Wirkung der Verstärkerschaltungen V_R, V_S und V_T. Ein von Null abweichender Stromabtastwert ergibt sich immer nur zu denjenigen Zeitabschnitten, bei denen das Pulsweitenmodulations-Signal der zugehörigen Halbbrücke Null ist; d. h., der untere Schalter geschlossen ist. Ist der obere Schalter geschlossen, fließt nämlich der Motorstrom nicht über den Shunt-Widerstand der Halbbrücke, so dass während dieser Zeit der Strommesssignal unabhängig vom tatsächlichen Strom Null ist. Die Strommesssignale repräsentieren also nicht kontinuierlich die Motorströme sondern sie repräsentieren diese lediglich in denjenigen Zeitabschnitten, in welchen die Pulsweitenmodulations-Signalen PWM_R(t), PWM_S(t) und PWM_T(t) Null sind. Bei dem gezeigten Verlauf ist das Strommesssignal I_RM(t) nur während eines sehr kurzen Zeitabschnittes von Null verschieden. Bei Vollaussteuerung der Ausgangsspannung würde dieser Zeitabschnitt sogar gänzlich verschwinden. Aus 7 ist daher ersichtlich, dass das Bestimmen eines Stromraumzeigers bei solchen Betriebszuständen versagt, wenn der Stromraumzeiger unter Verwendung von Strommesssignalen gebildet wird, die nur so kurzzeitig von Null verschieden sind, wie in 7 beispielhaft I_RM(t), dass sie durch die Filterwirkung zum Zeitpunkt der Erfassung, also beim Messanstoß, nennenswert verfälscht werden. Eine Mindestfilterwirkung ist aber notwendig, um Messrauschen und Störsignale zu unterdrücken.
Daher wird bei der vorliegenden Erfindung für jede Pulsweitenmodulationsperiode dasjenige „optimale” Paar, das die jeweils breiteren Pulsweitenmodulations-Signale aufweist, aus den drei Halbbrücken ausgewählt, d. h. es werden nur Strommesssignale dieser beiden speziellen Halbbrücken verwendet. Das Auswählen erfolgt derart, dass dasjenige Strommesssignal nicht verwendet wird, dessen unterer Schalter innerhalb einer jeweiligen Pulsweitenmodulationsperiode eine kürzere Zeit den geschlossenen Zustand aufweist als die beiden anderen unteren Schalter.
In der 7 ist ein Betriebszustand für zwei Pulsweitenmodulationsperioden gezeigt, bei dem das ausgewählte Paar I_SM(t) und I_TM(t) ist. Für diese sind auch die Zeitpunkte, zu denen die Stromabtastwerte erfasst werden und die auch als Messanstöße bezeichnet werden, durch gezackte Pfeile angedeutet.
Dabei sind erfindungsgemäß zwei Grundtypen von Verfahren verwendbar.
Für ein erstes Verfahren sind die Messanstöße mit durchgezogen, nicht gestrichelt gezeichneten gezackten Pfeilen eingezeichnet. Dabei werden die Stromabtastwerte beim ausgewählten Paar I_SM(t) und I_TM(t) gleichzeitig erfasst. Hierbei sind verschiedene Ausführungen vorsehbar. Bei einer ersten Ausführung wird jeder Stromabtastwert durch einen separaten Analog-Digital-Wandler gebildet. Bei einer zweiten Ausführung werden die drei Strommesssignale gemäß 2 jeweils einem Sample-Hold-Verstärker der Sample-Hold-Schaltung 21 zugeführt, wobei die Sample-Hold-Verstärker zum Zeitpunkt der Abtastung in den Hold-Zustand wechseln. Somit kann der Analog-Digital-Wandler mittels des Multiplexers oder Umschalters die fest gehaltenen Strommesssignale nacheinander wandeln. Bei einer dritten Ausführung werden zwei Analog-Digital-Wandler und entsprechende Umschalter verwendet. Bei weiteren Ausführungen sind auch Mischformen ausführbar.
Beim ersten Verfahren wird vorteiligerweise ein symmetrisches Pulsweitenmodulations-Verfahren verwendet, wobei die Schaltfrequenz nicht höher als 20 kHz gewählt ist und die oben beschriebene, maximale Aussteuerung nicht überschritten wird. Somit ist stets innerhalb einer Pulsweitenmodulations-Periode ein Pulsmuster vorhanden, bei dem in maximal einem Ausgangszweig ein solches Pulsweitenmodulations-Signal auftritt, dessen LOW-Zustand kürzer als die Mindestdauer währt. D. h., dass niemals in zwei Phasen gleichzeitig für weniger als die Mindestdauer beide Pulsweitenmodulations-Signale im LOW-Zustand sind. Für den Fall, dass der LOW-Zustand eines der Pulsweitenmodulations-Signale, beispielsweise PWM_R(t), die Mindestdauer unterschreitet, ist trotzdem sicher gestellt, dass der Stromraumzeiger korrekt bestimmt wird. Denn die beiden anderen Pulsweitenmodulations-Signale, im Beispiel also PWM_S(t) und PWM_T(t), unterschreiten die Mindestdauer nicht. Somit ist bei der vorliegenden Erfindung immer ein korrektes Bestimmen des Stromraumzeigers gewährleistet, sofern bei der jeweiligen Art der Pulsweitenmodulations-Verfahren sicher gestellt ist, dass immer nur maximal ein Pulsweitenmodulations-Signal kürzer als die Mindestdauer im LOW-Zustand verweilt.
Bei einem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren ist der in der Mitte der Pulsweitenmodulationsperiode liegende Messanstoß für I_TM des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens durch zwei Messanstöße ersetzt, die jeweils einen Zeitversatz Δt aufweisen. Zuerst erfolgt dabei in sequentieller Weise der erste Messanstoß für I_TM, danach der für I_SM und dann der zweite Messanstoß für I_TM. Vorteilhaft ist dabei, den Messanstoß für I_SM in die Mitte der Pulsweitenmodulationsperiode zu legen. Der Zeitversatz Δt ist möglichst klein, aber größer als die Analog-Digital-Wandler-Zeit zu wählen. Aus dem ersten und zweiten Stromabtastwert für I_TM wird der Mittelwert gebildet und zur Bestimmung des Stromraumzeigers verwendet. Dieser so gebildete Mittelwert entspricht demjenigen fiktiven Stromabtastwert für I_TM, der gleichzeitig zur Erfassung des Stromabtastwertes I_SM erfassbar wäre. Damit ist der auf diese Weise bestimmte Stromraumzeiger frei vom Einfluss des Stromripple. Denn bei der Verwendung von symmetrischen Pulsweitenmodulationsverfahren weist auch der Stromripple einen zur Mitte der Pulsweitenmodulationsperiode punktsymmetrischen Verlauf zur jeweiligen Strom-Funktionswert bei t = 0.5 auf, wie auch in 6 beispielhaft erkennbar ist. In 6 liegt die Mitte der ersten Pulsweitenmodulationsperiode bei t = 0.5 und der zweiten Pulsweitenmodulationsperiode bei t = 1.5. Da also die beiden Stromabtastwerte I_TM (t = 0.5 – Δt) und I_TM (t = 0.5 + Δt) punktsymmetrisch zum Strom-Funktionswert I_TM (t = 0.5) sind, gleicht der Mittelwert der beiden Stromabtastwerte I_TM (t = 0.5 – Δt) und I_TM (t = 0.5 + Δt) dem Strom-Funktionswert I_TM (t = 0.5).
Auf diese Weise ist es ermöglicht, mit nur einem einzigen Analog-Digital-Wandler den Stromraumzeiger ohne Verfälschung durch Stromripple zu bestimmen. Da nämlich alle Stromabtastungen sequentiell ausführbar sind, sind zudem zusätzliche Sample-Hold-Schaltungen verzichtbar. Unter zusätzlichen Sample-Hold-Schaltungen sind nicht diejenigen Sample-Hold-Schaltungen zu verstehen, die fester Bestandteil bei gebräuchlichen Analog-Digital-Wandlern sind.
Auch beim zweiten Verfahren wird vorteiligerweise ein symmetrisches Pulsweitenmodulations-Verfahren verwendet, wobei die Schaltfrequenz vorteiligerweise nicht höher als 20 kHz gewählt ist und die oben beschriebene, maximale Aussteuerung nicht überschritten wird. Somit ist wiederum stets innerhalb einer Pulsweitenmodulations-Periode ein Pulsmuster vorhanden, bei dem in maximal einem Ausgangszweig ein solches Pulsweitenmodulations-Signal auftritt, dessen LOW-Zustand kürzer als die Mindestdauer währt. Bei dem beim zweiten erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Pulsweitenmodulations-Verfahren ist stets mindestens ein Pulsweitenmodulations-Signal vorhanden, dessen LOW-Zustand länger als die Summe aus Mindestdauer und dem doppelten Zeitversatz, also 2·Δt, währt. Somit ist bei der vorliegenden Erfindung immer ein korrektes Bestimmen des Stromraumzeigers gewährleistet, sofern bei der jeweiligen Art der Pulsweitenmodulations-Verfahren sicher gestellt ist, dass die Pulsweitenmodulations-Signale eine ausreichende Pulsbreite aufweisen. Flat-Top-Verfahren sind zwar symmetrische Pulsweitenmodulations-Verfahren im Allgemeinen aber nicht vorteilig bei kleinen Ausgangsspannungen verwendbar.
Im Ausführungsbeispiel nach 7 werden darüber hinaus in denjenigen Zeitabschnitten, in welchen ein verschwindender Stromabtastwert zu erwarten ist, ein oder mehrere Stromabtastwerte erfasst. Beispielhaft ist in 7 gezeigt, dass für die Phase R der Messwert I_RMoff an zwei Zeitpunkten erfasst wird, wobei hierbei der Mittelwert der beiden erfassten Messwerte verwendet wird, und für die Phase S der Messwert I_SMoff. In der Phase T ist der Zeitbereich für ein störungsfreies Erfassen eines Strommesswertes zu kurz und es wird daher kein Strom in den Zeitabschnitten erfasst, in welchen ein verschwindender Stromabtastwert zu erwarten ist.
Wenn sich in nachfolgenden Pulsweitenmodulationsperioden die in den einzelnen Phasen zu erzeugenden Spannungswerte ändern und somit in der Phase T ein längerer Zeitabschnitt für erwartenden verschwindenden Strom, wird auch in der Phase T ein Stromabtastwert erfasst. Insbesondere bei einem zu erzeugenden Drehfeld verteilt sich also die Stromerfassung gleichmäßig über die Drei Phasen.
Auf diese Weise ist der Offset der einzelnen Messverstärker der Sample-Hold-Schaltung bestimmbar. Bei der Stromerfassung wird dieser berücksichtigt, indem der jeweils aktuelle Offset-Wert vom erfassten Messwert subtrahiert wird. Es ergibt sich somit ein verbesserter Messwert und damit auch eine entsprechend verbesserte Regelung des Motors.
Vorteiligerweise ist diese Offset-Bestimmung online ermöglicht, also während des ablaufenden Betriebs der Regelung. Es werden dabei nur zusätzliche Erfassungen des Stromes ausgeführt, die keine wesentliche zusätzliche Belastung der Steuereinheit oder eine Verlangsamung des Steuer- und Regelverfahrens verursachen. Weiterer Vorteil ist auch, dass durch Temperaturanstieg verursachte Drift des Offsets bestimmbar wird und entsprechend gegengewirkt werden kann.
Der Zeitpunkt des Stromabtastens hat mindestens 6 μs, vorzugsweise mindestens 8 μs, Abstand von demjenigen vorausgehenden Zeitabschnitt, in welchem der zugehörige Brückenzweig eingeschaltet war. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass Schwingvorgänge beendet sind und der Strom sicher abgeklungen ist.
In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird statt der beiden Messungen in der Phase R nur ein einzelner Messwert erfasst, der nicht gleichzeitig mit dem Messwert der Phase S erfasst wird.
In Weiterbildung wird als aktuell erfasster Offset-Wert ein gleitender Mittelwert einiger zuletzt erfassten Messwerte verwendet.
Vorzugsweise werden die Messwerte symmetrisch um den ersten Abtastzeitpunkt herum erfasst.
Bei der vorliegenden Erfindung werden also nur solche Pulsweitenmodulations-Verfahren verwendet, die in der Mitte Pulsweitenmodulations-Periode einen Schaltzustand derart aufweisen, dass mindestens zwei untere Schalter geschlossen sind.
In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel werden die Stromabtastwerte nicht in derselben Pulsweitenmodulationsperiode bestimmt, sondern es wird der erste Stromabtastwert in einer ersten Pulsweitenmodulationsperiode erfasst und der zweite Stromabtastwert in einer der darauf folgenden Pulsweitenmodulationsperioden. Dabei ist wiederum nur ein einziger Analog-Digital-Wandler ohne zusätzliche Sample-Hold-Schaltung vorsehbar. Dies ist besonders vorteilhaft bei hoher Schaltfrequenz und somit also kurzen Pulsweitenmodulationsperioden. Dabei tritt keine Verfälschung durch Stromripple auf. Nur die in dieser Zeit vorkommende Änderung des Winkels des Stromraumzeigers kann Ursache für Verfälschungen werden. Die Auswahl des Paares erfolgt dabei gemäß 8.
In 4 sind Winkelbereiche 1 bis 6 eingezeichnet, die verschiedenen Winkelbereichen des Ausgangsspannungszeigers entsprechen. In der 8 ist für jeden dieser Winkelbereiche das zu verwendende Paar durch gezackte Pfeile angegeben. Beispielsweise ist im Winkelbereich 1 nur S und T, also I_SM und I_TM, zu verwenden. Im Winkelbereich 2 ist nur R und T, also I_RM und I_TM, zu verwenden. In denjenigen Winkelbereichen, in welchen in einer jeweiligen Phase keine Stromerfassung ausgeführt ist, ist die Erfassung des Offsetwertes vorgesehen. Dies ist in 8 mit dem Eintrag I_RMoff, I_SMoff und I_TMoff bezeichnet.
Jedem einer jeweiligen Phase R, S, T zugeordneten Brückenzweig ist gemäß 1 und 2 ist ein jeweiliges Mittel zur Stromerfassung zugeordnet. Dieses umfasst, wie in den Figuren angedeutet, einen jeweiligen Messverstärker. Erfindungsgemäß wird zu Beginn oder in einem anderen Zeitabschnitt die Messverstärkung der drei den drei Phasen zugeordneten Mittel bestimmt und/oder zumindest zueinander angeglichen.
Hierzu wird in einem ersten Schritt ein erster der drei Brückenzweige ausgeschaltet und die beiden anderen derart bestromt, dass im einer zweiten Phase zugeordneten Brückenzweig betragsmäßig derselbe Strom fließt wie in der der dritten zugeordneten Phase. Nach Einschwingen des Stromes wird in beiden Phasen ein Stromabtastwert erfasst.
Vorzugswiese wird in einem zweiten Schritt danach die angelegte Spannung umgepolt, also die Stromrichtung invertiert, wobei derart dieselbe Zeitdauer der Bestromung wie beim ersten Schritt vorgesehen ist, dass die zugehörige Strom-Zeit-Fläche beim ersten und zweiten Schritt im Wesentlichen gleich groß ist. Auf diese Weise wird eine etwaige drehmomenterzeugende Wirkung zumindest im zeitlichen Mittel verhindert. Nach Einschwingen des Stromes im zweiten Zeitschritt werden wiederum entsprechende Stromabtastwerte für beide Phasen erfasst.
Der erste und Zweite Schritt wird wiederholt, wobei die den Phasen zugeordneten Mittel zyklisch getauscht werden.
Auf diese Weise werden die drei Verstärkungen der den drei Phasen zugeordneten Stromerfassungen, umfassend jeweilige Messverstärker, bestimmt. Vorzugsweise geht dieser Bestimmung eine Bestimmung des Offsetwertes mittels Erfassung eines Stromabtastwerts bei jeweils ausgeschalteten Brückenzweigen voran.
Nach Bestimmung der drei Messverstärkungen ist die Stromerfassung in allen drei Phasen normiert ausführbar, also der Stromabtastwert durch die Messverstärkung dividiert verwendbar für das Regelverfahren des Umrichters. Ein betragsmäßig konstanter, aber seinen Winkel verändernder Stromraumzeiger wird also auch als betragsmäßig konstanter Strom erfasst und die Regelung erreicht verbesserte Regeleigenschaften, insbesondere eine höhere Regelgüte. Insbesondere das aus diesen Strommesswerten bestimmte Drehmoment ist genauer und realitätsnäher bestimmt.
Außerdem ist bei in zeitlichen Abständen wiederholt ausgeführten Bestimmungen der Messverstärkungen eine Drift der Messverstärkungen kompensierbar und berücksichtigbar.
Wie oben beschrieben, wird bei dem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren der symmetrisch in der Mitte der Pulsweitenmodulationsperiode liegende Messanstoß für einen Stromabtastwert des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens durch zwei Messanstöße ersetzt, die jeweils einen Zeitversatz Δt aufweisen. 9 zeigt, wie in Abhängigkeit von den Winkelbereichen des Ausgangsspannungsraumzeigers die Messanstöße durchzuführen sind. Es ist insbesondere dargestellt, in welcher Halbbrücke zwei Messanstöße und in welcher Halbbrücke der einzelne mittig liegende Messanstoß durchzuführen sind. Im Winkelbereich 1 erfolgt also ein erster Messanstoß für I_TM, danach ein einzelner, mittig liegender Messanstoß für I_SM und zuletzt ein zweiter Messanstoß für I_TM. Die Messanstöße weisen dabei einen zeitlichen Abstand von Δt auf.
Im Winkelbereich 3 erfolgt also ein erster Messanstoß für I_RM, danach ein einzelner, mittig liegender Messanstoß für I_TM und zuletzt ein zweiter Messanstoß für I_RM.
Für jeden Winkelbereich gibt es also eine Phase mit einem durchgezogen gezeichneten Blitz, was eine in der Mitte liegende Stromabtastung in dieser Phase bedeutet, und eine andere Phase mit zwei gestrichelt gezeichneten Blitzen, was eine doppelte Stromabtastung in dieser Phase bedeutet und zwar um den Zeitversatz Δt vor- und nach der Mitte. Es werden bei der vorliegenden Erfindung nur solche Pulsweitenmodulationsverfahren verwendet, deren Pulsmuster stets derart beschaffen ist, dass die unteren Schalter im jeweiligen Winkelbereich der mit Blitzen gekennzeichneten Phasen geschlossen sind in einem Zeitbereich um die jeweiligen Stromabtastungen herum. Bei der Phase mit zwei gestrichelt gezeichneten Blitzen ist der zugehörige untere Schalter von vor dem ersten Messanstoß bis nach dem zweiten Messanstoß geschlossen.
Kennzeichen der verwendbaren Pulsweitenmodulations-Verfahren ist, dass zumindest im Zeitpunkt der Mitte der Pulsweitenmodulations-Periode stets zwei untere Schalter geschlossen sind, wobei derjenige von diesen beiden unteren Schaltern, der zu der Phase mit der doppelten Stromabtastung zugeordnet ist, sogar mindestens eine Zeitspanne 2Δt geschlossen bleibt.
Wiederum ist in denjenigen Winkelbereichen, in welchen in einer jeweiligen Phase keine Stromerfassung ausgeführt ist, die Erfassung des Offsetwertes vorgesehen. Dies ist in 9 mit dem Eintrag I_RMoff, I_SMoff und I_TMoff gekennzeichnet. Somit sind die ansonsten ungenutzten Bereiche ausgenutzt für die Bestimmung des Offsetwertes der Stromerfassung, also der gesamten Mittel hierzu, wie Messverstärker, Multiplexer und Analog/Digital-Wandler.
In 10 ist ein beispielhafter Stromverlauf in den unteren Brückenzweigen der Phasen R, S, T gezeigt. Dabei ist die T-Phase stromlos, also der zugehörige obere und untere Brückenzweig ausgeschaltet. Die Schaltzustände der Schalter der Phasen ist im oberen Bereich der 10 gezeigt. Der Schalter ist wie die entsprechende Motorphasenleitung mit R, S oder T bezeichnet und im unteren Brückenzweig mit Index u bezeichnet und im oberen Brückenzweig mit dem Index o. Ein Oberstrich bedeutet die Invertierung des wirklichen Schaltzustandes.
Die resultierenden qualitativen zugehörigen Stromverläufe sind im mittleren und unteren Bereich der 10 gezeigt. Der Zeitpunkt der Strommessungen ist durch den Phasen zugeordnete Blitzpfeile dargestellt. Dabei werden die Strommesszeitpunkte in Zeitbereiche gelegt, in welchen die unteren Brückenzweige der Phasen R und S ausgeschaltet sind.
Damit nur ein einziger Analog-Digital-Wandler notwendig ist, wird innerhalb des Zeitbereichs in einer Phase die Strommessung einmal, also an einem Zeitpunkt, und in der anderen Phase die Strommessung an einem vor und an einem nach diesem Zeitpunkt liegenden Zeitpunkt ausgeführt, wobei für die letztgenannte Phase der Mittelwert der Messwerte verwendet wird als Messwert für diese Phase.
In diesen Zeitbereichen klingen die Stromwerte zwar exponentiell ab und die kleinen Zeitunterschiede in den Messzeitpunkten innerhalb des Bereiches haben kleine Unterschiede in den gemessenen Stromwerten zur Folge, jedoch wird im darauf folgenden Bereich die Phase mit den zwei Messzeitpunkten getauscht und somit der Einfluss des exponentiellen Abklingens auch wegen der Periodizität des Stromverlaufs eliminiert.
Bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen werden gemäß 7 die beiden Stromabtastwerte des Strommesssignals I_TM nicht symmetrisch um den Messanstoß zur Erfassung des stromabtastwertes des Strommesssignals I_SM herum erfasst, also nicht mit Zeitabstand Δt vor und hinter der Erfassung von I_SM, sondern mit unterschiedlichen Zeitabständen. Dann wird statt des Mittelwertes ein interpolierter Wert gebildet, der die entsprechenden Zeitabstände berücksichtigt, wobei allerdings den Motor kennzeichnende Größen und auch die Art und Dauer der Schaltzustände beim Interpolieren zu berücksichtigen sind.
Bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen werden statt der erwähnten zwei Stromabtastwerte mehr Stromabtastwerte erfasst. Darüber hinaus ist grundsätzlich jeder Stromabtastwert durch mehrere Stromabtastwerte ersetzbar. Somit ist eine weitere Verringerung von Messrauschen vorsehbar.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird das Zeitverhalten der Verstärkerschaltungen V_R, V_S und V_T berücksichtigt, indem alle Messanstöße um die Filter-Zeitkonstante der Verstärkerschaltungen verzögert stattfinden. Die Filterzeitkonstante ist dabei kleiner als die halbe Mindestdauer.
Das Verfahren funktioniert auch bei höheren Pulsweitenmodulations-Frequenz als 20 kHz.

1: Steuer- und Regelvorrichtung
21: Sample-Hold-Schaltung
22: Mikrocontroller
23: Multiplexer

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Stromraumzeigers zur Verwendung in einem Steuer- und/oder Regelverfahren, für einen pulsweitenmoduliert betriebenen Umrichter, umfassend eine Signalelektronik, eine Leistungsendstufe mit in drei, jeweils einen unteren und einen oberen Zweig aufweisende Halbbrücken angeordneten Leistungsschaltern sowie in den drei unteren Zweigen der Halbbrücke angeordnete Mittel zur Abtastung der jeweiligen Ströme, wobei zu Beginn, also vor dem Regelverfahren, in einem ersten Ablauf, der einen ersten Schritt und einen zweiten Schritt umfasst, ein oberer und der zugehörige untere Brückenzweig, die einer ersten Phase zugeordnet sind, ausgeschaltet sind, wodurch ein Fließen von Strom in dieser Phase verhindert ist, – wobei in dem ersten Schritt in der zweiten Phase ein eingeprägter Strom aufgebaut wird, der dem Strom in der dritten Phase entgegengesetzt gerichtet ist und betragsmäßig gleicht, – wobei in dem zweiten Schritt, insbesondere also nach Beenden des Aufbauens des Stromes, der obere Brückenzweig, der der zweiten Phase zugeordnet ist, und derjenige obere Brückenzweig, der einer dritten Phase zugeordnet ist, ausgeschaltet sind, – und wobei der untere Brückenzweig, der der zweiten Phase zugeordnet ist, und derjenige untere Brückenzweig, der der dritten Phase zugeordnet ist, eingeschaltet sind, – und wobei in jedem eingeschalteten Brückenzweig mit den Mitteln zur Abtastung des Stromes mindestens ein Stromabtastwert bestimmt wird und daraus der Unterschied der Messwertverstärkungen der zweiten und dritten Phase für die Stromerfassung bestimmt und berücksichtigt wird, wobei der eingeprägte Strom ein derartiger Wechselstrom ist, dass seine Periode der Pulsweitenmodulationsperiode oder einem Mehrfachen hiervon entspricht, wobei der Mittelwert des Wechselstromes bezogen auf die Periode Null ist, wobei zur Offsetbestimmung der einer jeweiligen Phase zugeordneten Stromerfassung der Strom in einem ausgeschalteten Brückenzweig erfasst wird vor der Bestimmung der jeweiligen Messwertverstärkung, wobei während des Regelverfahrens – zur Ansteuerung der Halbbrücken ein symmetrisches Pulsmuster innerhalb eines Zeitabschnitts, der eine Pulsweitenmodulationsperiode beträgt, derart generiert wird, dass zu einem weiteren mittig in der Pulsweitenmodulationsperiode liegenden Abtastzeitpunkt jeweils ein Paar der drei oberen oder ein Paar der drei unteren, mit Mitteln zur Abtastung des Stromes ausgestatteten Brückenzweige eingeschaltet sind, – in jedem der beiden eingeschalteten Brückenzweige mit den Mitteln zur Abtastung des Stromes mindestens ein Stromabtastwert bestimmt wird, – das Paar von eingeschalteten Brückenzweigen abhängig vom mittleren Ausgangsspannungsraumzeiger verschieden gewählt wird und der jeweils nicht ausgewählte Brückenzweig zur Offset-Korrektur verwendet wird und aus den korrigierten Stromabtastwerten der Stromraumzeiger bestimmt wird, wobei der mittlere Ausgangsspannungsraumzeiger bestimmt ist durch die Differenzen der über eine Pulsweitenmodulationsperiode gemittelten Ausgangspotentiale der drei Ausgangsphasen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abtastzeitpunkt mittig in der Pulsweitenmodulationsperiode oder mittig in einem Zeitabschnitt liegt, währenddessen der jeweilige Brückenzweig ausgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere erste Abtastzeitpunkte in jeweils einem Zeitabschnitt liegen und der Mittelwert der erfassten Strommesswerte zur Bestimmung des Offsetwerts verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren ausgeschalteten Brückenzweig zeitlich symmetrisch um vor und nach dem ersten Abtastzeitpunkt Stromabtastwerte erfasst werden zur Bestimmung des Offsetwerts.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Mittel des zweiten Brückenzweiges des Paares ein erster und ein zweiter zugehöriger Stromabtastwert zeitlich vor und nach dem Erfassen eines mit dem Mittel des ersten Brückenzweiges des Paares erfassten Stromabtastwertes vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromabtastwerte mit Mitteln bestimmt werden, die mit dem unteren oder mit dem oberen Zwischenkreispotential verbunden sind.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bezugspotential der Signalelektronik einem Bezugspotential entspricht, auf welchem die Strommesssignale liegen und/oder die Stromabtastwerte erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen eines Stromabtastwertes mittig zu demjenigen Zustand der Pulsweitenmodulationsperiode erfolgt, bei dem der im gleichen Zweig wie das zugehörige Strommessmittel angeordnete Leistungsschalter leitend ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen eines Stromabtastwertes um die Filterzeitkonstante versetzt zur Mitte desjenigen Zustandes der Pulsweitenmodulationsperiode erfolgt, bei dem der im gleichen Zweig wie das zugehörige Strommessmittel angeordnete Leistungsschalter leitend ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Mittel des Paares dasjenige Mittel ist, bei welchem der während der jeweiligen Pulsweitenmodulations-Periode am längsten dauernde Leitendzustand von den drei unteren Leistungsschaltern auftritt, sofern die Strommessmittel in den drei unteren Zweigen angeordnet sind, und dass das erste Mittel des Paares dasjenige Mittel ist, bei welchem der während der jeweiligen Pulsweitenmodulations-Periode am zweitlängsten dauernde Leitendzustand von den drei unteren Leistungsschaltern auftritt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Mittel des Paares dasjenige Mittel ist, bei welchem der während der jeweiligen Pulsweitenmodulations-Periode am längsten dauernde Leitendzustand von den drei oberen Leistungsschaltern auftritt, sofern die Strommessmittel in den drei oberen Zweigen angeordnet sind, und dass das erste Mittel des Paares dasjenige Mittel ist, bei welchem der während der jeweiligen Pulsweitenmodulations-Periode am zweitlängsten dauernde Leitendzustand von den drei oberen Leistungsschaltern auftritt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanstöße zur Erfassung der zu einem Mittel zugehörigen Stromabtastwerte innerhalb einer Pulsweitenmodulationsperiode jeweils den selben zeitlichen Abstand zur Mitte der Pulsweitenmodulations-Periode liegen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit beiden Mitteln mehr als einmal pro Pulsweitenmodulationsperiode ein Stromabtastwert erfasst wird und/oder mehr als ein Messanstoß innerhalb einer Pulsweitenmodulationsperiode vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den erfassten Stromabtastwerten ein gemäß den Zeitpunkten der jeweiligen Erfassung interpolierter Wert und/oder Mittelwert gebildet wird als Strommesswert zur Bestimmung des Stromraumzeigers.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erster und zweiter Stromabtastwert des zweiten Mittels des Paares gleichzeitig zum Erfassen des erfassten Stromabtastwertes vorgesehen ist, insbesondere durch eine einzige Abtastung ersetzt wird.
Umrichter, umfassend eine Signalelektronik, die zur Umsetzung eines Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche eingerichtet ist, wobei der Umrichter pulsweitenmoduliert betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – entweder in allen drei unteren oder in allen drei oberen Zweigen der Halbbrücken Mittel zur Erfassung der jeweiligen Ströme angeordnet sind und – von den drei Mitteln zur Erfassung der Ströme erfasste Strommesssignale über einen Multiplexer nur einem einzigen Analog-Digital-Wandler zugeführt werden und/oder zuführbar sind – wobei die Mittel zur Erfassung der Ströme auch als Mittel zur Bestimmung von den jeweiligen Brückenzweigen zugeordneten Offsetwerten der Stromerfassung vorgesehen sind.
Umrichter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Stromerfassung Widerstände, insbesondere Shunt-Widerstände, umfassen und/oder die Mittel zur Stromerfassung derart in den Halbbrücken angeordnet sind, dass sie entweder mit dem oberen oder mit dem unteren Zwischenkreispotential verbunden sind.
Umrichter nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalelektronik Mittel zur Erzeugung pulsweitenmodulierter Steuersignale für die Leistungsschalter umfasst.
Umrichter nach Anspruch 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalelektronik ein Bezugspotential aufweist, das auch Bezugspotential für die Mittel zur Stromerfassung ist.