DE102008018950A1

DE102008018950A1 - Verfahren und System zur Impulspositionsplanung bei Elektroantrieben

Info

Publication number: DE102008018950A1
Application number: DE102008018950A
Authority: DE
Inventors: Brian A. Torrance Welchko; Steven E. Torrance Schulz; Silva Redondo Beach Hiti
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-04-18
Filing date: 2008-04-15
Publication date: 2008-11-20
Anticipated expiration: 2028-04-16
Also published as: CN101291132A; CN101291132B; US7723946B2; US20080258673A1; DE102008018950B4

Abstract

Es werden ein Verfahren und ein System zur Steuerung eines Wechselstrommotors (AC-Motors) über einen Wechselrichter bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Wählen eines Impulsabfolgeverfahrens auf der Grundlage eines Modulationsindex des Wechselrichters und ein Bereitstellen einer Spannung an den AC-Motor auf der Grundlage des Impulsabfolgeverfahrens. Das System umfasst einen Wechselrichter mit einem Modulationsindex (M<SUB>i</SUB>) und einen Controller, der mit dem Wechselrichter gekoppelt ist. Der Controller wählt ein Impulsabfolgeverfahren auf der Grundlage von M<SUB>i</SUB> und erzeugt ein Signal auf der Grundlage des Impulsabfolgeverfahrens. Der Wechselrichter umfasst ein Schaltnetzwerk, das in Ansprechen auf das Signal eine Spannung erzeugt, und die Spannung treibt den AC-Motor an.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Steuern von Elektroantrieben, und sie betrifft insbesondere ein System und Verfahren zur Impulspositionsplanung bei Elektroantrieben.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Elektroantriebe, wie z. B. bei Kraftfahrzeuganwendungen eingesetzte AC-Motoren, werden typischerweise über ein Spannungszwischenkreisumrichtersystem gesteuert. Üblicherweise werden unstetige Pulsweitenmodulationsverfahren (DPWM-Verfahren, DPWM von Discontinuous Pulse Width Modulation) verwendet, um die Grundausgangsspannungskomponente dreiphasiger Spannungszwischenkreisumrichter zu steuern. Diese dreiphasigen Spannungszwischenkreisumrichter können wiederum verwendet werden, um die Phasenströme der dreiphasigen AC-Motoren zu steuern. DPWM-Verfahren verringern typischerweise Wechselrichterverluste im Vergleich mit kontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahren (PWM-Verfahren), wie z. B. einer sinusförmigen oder Raumvektormodulation.
Im Allgemeinen unterscheiden sich DPWM-Verfahren von kontinuierlichen PWM-Verfahren darin, dass DPWM-Verfahren bei einem gegebenen Schaltzyklus des dreiphasigen Spannungszwischenkreisumrichters einen einzigen Nullvektor verwenden. Darüber hinaus ist bei den meisten DPWM-Verfahren jeder Schalter des dreiphasigen Spannungszwischenkreisumrichters während Sechzig-Grad-Segmenten (60°-Segmenten) eines Schaltzyklus geschlossen oder arretiert. Die Position des arretierten Sechzig-Grad-Segments (60°-Segments) mit Bezug auf die Ausgangsspannung des dreiphasigen Spannungszwischenkreisumrichters und den Lastleistungsfaktor bestimmt allgemein den Typ des DPWM-Verfahrens und sich daraus ergebende PWM-Eigenschaften.
PWM-Techniken bringen typischerweise in die Motorströme einen Restwelligkeitsstrom ein. Bei herkömmlichen Spannungszwischenkreisumrichtern umfasst die tatsächlich angelegte Ausgangsspannung des Spannungszwischenkreisumrichters eine AC-Komponente, die aus der Tätigkeit der PWM herrührt. Diese AC-Komponente besteht aus Oberwellenspannungen, die einem jeden Zustand der PWM-Impulssequenz entsprechen, und kann im Abtastaugenblick des Motorantriebs eine Fehlerquelle sein. Zum Beispiel wird eine Wechselrichter-Totzeit typischerweise so gewählt, dass sie Variationen bei der Temperatur und Komponententoleranzen berücksichtigt. Im Ergebnis ist der tatsächliche Schaltaugenblick für den Spannungszwischenkreisumrichter nicht notwendigerweise konstant und kann sich in der Zeit verschieben und sich so manifestieren, als ob der Abtastaugenblick fehlerhaft wäre (z. B. ein Messfehler).
Entsprechend ist es wünschenswert, ein Verfahren und System zur Steuerung eines Elektroantriebs bereitzustellen, die Stromabtastfehler verringern. Zusätzlich ist es wünschenswert, ein Verfahren und System zum Steuern eines Elektroantriebs zur Verbesserung einer Drehmomentgenauigkeit bereitzustellen. Darüber hinaus werden andere wünschenswerte Eigenschaften und Merkmale der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden genauen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Ver bindung mit den beiliegenden Zeichnungen und dem voranstehenden technischen Gebiet und Hintergrund offenbar werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird ein Verfahren zur Steuerung eines Wechselstrommotors (AC-Motors) über einen Wechselrichter bereitgestellt, welches ein Wählen eines Impulsabfolgeverfahrens auf der Grundlage eines Modulationsindex des Wechselrichters, und ein Liefern einer Spannung an den AC-Motor auf der Grundlage des Impulsabfolgeverfahrens umfasst.
Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst ein System zur Steuerung eines AC-Motors einen Wechselrichter, der zur Kopplung mit dem AC-Motor ausgestaltet ist, und einen mit dem Wechselrichter gekoppelten Controller. Der Wechselrichter weist einen Modulationsindex auf und umfasst ein Schaltnetzwerk, das ausgestaltet ist, um in Ansprechen auf ein Signal den AC-Motor mit einer Spannung zu versorgen. Der Controller ist ausgestaltet, um ein Impulsabfolgeverfahren auf der Grundlage des Modulationsindex zu wählen, und er ist ferner ausgestaltet, um das Signal auf der Grundlage des Impulsabfolgeverfahrens zu erzeugen.
Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist ein Spannungszwischenkreisumrichtersystem zur Steuerung eines AC-Motors bereitgestellt. Das Spannungszwischenkreisumrichtersystem ist ausgestaltet, um mit einem Modulationsindex (M_i) zu arbeiten und umfasst ein Schaltnetzwerk, das ein erstes, zweites und drittes Schalterpaar umfasst, und einen mit dem Schaltnetzwerk gekoppelten Controller. Die ersten, zweiten und dritten Schalterpaare sind zueinander parallel geschaltet und so ausgestaltet, dass sie zu einer Spannungsquelle parallel geschaltet sind. Das Schaltnetzwerk ist ausgestaltet, um eine Spannung in Ansprechen auf ein Signal zu erzeugen, und die Spannung treibt den AC-Motor an. Der Controller ist ausgestaltet, um ein Impulsabfolgeverfahren auf der Grundlage des Modulationsindex (M_i) zu wählen, und er ist ferner ausgestaltet, um das Signal auf der Grundlage des Impulsabfolgeverfahrens zu erzeugen. Das Impulsabfolgeverfahren führt dazu, dass nicht mehr als ein Schalter des ersten, zweiten und dritten Schalterpaars zu einem Augenblick geschlossen ist.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird anschließend in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und
1 ein Blockdiagramm eines Spannungszwischenkreisumrichtersystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist;
2 ein Schaltplan einer Wechselrichterschaltung des in
1 gezeigten Spannungszwischenkreisumrichtersystems ist;
3 ein Raumvektordiagramm ist, das zum Verständnis des in 1 gezeigten Spannungszwischenkreisumrichtersystems nützlich ist;
4–7 Beispiele von Impulsabfolgeverfahren für den in 3 gezeigten Sektor Eins sind;
8 eine graphische Darstellung der Schaltsequenz für den in 3 gezeigten Sektor Eins unter Verwendung des CAV-Schaltverfahrens ist;
9 eine Übersichtstabelle von Vektorsequenzen für verschiedene Schaltverfahren ist;
10 eine graphische Darstellung der in 8 in der d-Achse gezeigten Oberwellenflusstrajektorien ist;
11 eine graphische Darstellung der in 8 in der q-Achse gezeigten Oberwellenflusstrajektorien ist;
12 ein Graph ist, der gemessene Ströme für das RPL-, das CAV- und das CNV-Schaltverfahren in Bezug auf den Modulationsindex veranschaulicht;
13 ein Graph ist, der gemessene Stromfehler für das RPL-, CAV- und CNV-Schaltverfahren in Bezug auf den Modulationsindex veranschaulicht; und
14 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines AC-Motors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist.
BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die folgende genaue Beschreibung ist rein beispielhafter Natur und ist nicht dazu gedacht, die Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen der Erfindung zu beschränken. Darüber hinaus ist es nicht beabsich tigt, durch irgendeine explizite oder implizite Theorie gebunden zu sein, die in dem voranstehenden technischen Gebiet, dem Hintergrund, der Kurzzusammenfassung oder der nachfolgenden genauen Beschreibung dargestellt ist.
Mit Bezug auf 1 ist ein Spannungszwwischenkreisumrichtersystem 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Spannungszwischenkreisumrichtersystem 10 umfasst einen Controller 32, eine mit einem Ausgang des Controllers 32 gekoppelte Wechselrichterschaltung 30, und einen mit einem ersten Ausgang der Wechselrichterschaltung 30 gekoppelten Wechselstrommotor (AC-Motor) 12. Der Controller 32 erzeugt allgemein ein Pulsweitenmodulationssignal (PWM-Signal) zum Steuern der Schaltaktion der Wechselrichterschaltung 30, obwohl der Controller das PWM-Signal auch von einer anderen Quelle, beispielsweise einem Modulator, empfangen kann. Bei einer beispielhaften Ausführungsform erzeugt der Controller 32 ein unstetiges PWM-Signal (DPWM-Signal) mit einem einzigen, jedem Schaltzyklus der Wechselrichterschaltung 30 zugeordneten Nullvektor. Die Wechselrichterschaltung 30 wandelt dann das PWM-Signal in eine modulierte Spannungswellenform um, um den AC-Motor 12 zu betreiben. Der AC-Motor 12 kann ein sinusförmig gewickelter AC-Motor sein (z. B. Permanentmagnetmotor oder Induktionsmotor), wie er üblicherweise bei Kraftfahrzeugen verwendet wird.
2 stellt die Wechselrichterschaltung 30 von 1 genauer dar. Die Wechselrichterschaltung 30 ist eine dreiphasige Schaltung, die mit dem AC-Motor 12 gekoppelt ist, und umfasst Spannungsquellen 14, 16 und ein Schaltnetzwerk mit einem ersten Eingang, der mit den Spannungsquellen 14, 16 gekoppelt ist, und einem Ausgang, der zur Kopplung mit dem AC-Motor 12 ausgestaltet ist. Obwohl die Spannungsquellen 14, 16 als eine verteilte DC-Kopplung mit zwei seriellen Quellen (z. B. einer ersten seriel len Quelle 14 und einer zweiten seriellen Quelle 16) gezeigt sind, kann auch eine einzige Spannungsquelle verwendet werden.
Das Schaltnetzwerk umfasst drei Paare serieller Schalter mit antiparallelen Dioden (d. h. antiparallel zu jedem Schalter), welche jeder der Phasen entsprechen. Jedes der Paare serieller Schalter umfasst einen ersten Schalter 18, 22 und 26 mit einem ersten Anschluss, der mit einer positiven Elektrode der Spannungsquelle 16 gekoppelt ist, und einen zweiten Schalter 20, 24, 28, der einen mit einer negativen Elektrode der Spannungsquelle 16 gekoppelten ersten Anschluss aufweist. Der zweite Schalter 20, 24 und 28 weist einen zweiten Anschluss auf, der mit einem zweiten Anschluss des ersten Schalters 18, 22 bzw. 26 gekoppelt ist.
3 ist ein Raumvektordiagramm, das zum Verständnis des in 1 gezeigten Spannungszwischenkreisumrichtersystems 10 nützlich ist. Die Wechselrichterausgangsspannungen sind durch Vektoren dargestellt (z. B. V₁, V₂, V₃, V₄, V₅ und V₆), die dem Schalten für jede Phase (z. B. jede von drei Phasen) des Schaltzyklus entsprechen. Jede der Phasen weist zwei (2) Zustände (z. B. entsprechend diskret Eins und Null) auf. Zum Beispiel ist V₁ der Spannungsvektor, welcher einem diskreten Eins-Zustand (z. B. ein oberer Schalter "ein" und ein unterer Schalter "aus") des ersten Schalterpaars 18, 20 und einem diskreten Null-Zustand (z. B. der obere Schalter "aus" und der untere Schalter "ein") des zweiten und des dritten Schalterpaars 22, 24 und 26, 28 entspricht. V₂ ist der Spannungsvektor, der einem diskreten Eins-Zustand des ersten und des zweiten Schalterpaars 18, 20 und 22, 24 und einem diskreten Null-Zustand des dritten Schalterpaars 26, 28 entspricht. V₃ ist der Spannungsvektor, der einem diskreten Null-Zustand des ersten und des dritten Schalterpaars 18, 20 und 26, 28 und einem diskreten Eins-Zustand des zweiten Schalterpaars 22, 24 entspricht. V₄ ist der Spannungsvektor, der einem diskreten Null-Zustand des ersten Schalterpaars 18, 20 und einem diskreten Eins-Zustand des zweiten und des dritten Schalterpaars 22, 24 und 26, 28 entspricht. V₅ ist der Spannungsvektor, der einem diskreten Null-Zustand des ersten und des zweiten Schalterpaars 18, 20 und 22, 24 und einem diskreten Null-Zustand des dritten Schalterpaars entspricht. V₆ ist der Spannungsvektor, der einem diskreten Eins-Zustand des ersten und des dritten Schalterpaars 18, 20 und 26, 28 und einem diskreten Null-Zustand des zweiten Schalterpaars 22, 24 entspricht. Ein Nullvektor (z. B. am Mittelpunkt der Graphen) entspricht entweder einem diskreten Eins-Zustand für jedes der Schalterpaare 18, 20, 22, 24 und 26, 28 (Nullvektor V₇) oder einem diskreten Null-Zustand für jedes der Schalterpaare 18, 20, 22, 24 und 26, 28 (Nullvektor V₀).
Das Raumvektordiagramm ist ferner in sechs Sektoren unterteilt, die durch die Ziffern in den Quadraten dargestellt sind. Sektor Eins wird von dem V₁-Vektor und dem V₂-Vektor begrenzt. Sektor Zwei wird von dem V₂-Vektor und dem V₃-Vektor begrenzt. Sektor Drei wird von dem V₃-Vektor und dem V₄-Vektor begrenzt. Sektor Vier wird von dem V₄-Vektor und dem V₅-Vektor begrenzt. Sektor Fünf wird von dem V₅-Vektor und dem V₆-Vektor begrenzt. Sektor Sechs wird von dem V₆-Vektor und dem V₁-Vektor begrenzt. Die sechs Vektoren entsprechen einem Grundzyklus der Wechselrichterschaltung und bilden die verfügbare Ausgangsspannung als eine Funktion einer elektrischen Position ab. Das Raumvektordiagramm ist zur Darstellung der makroskopischen Phasenschenkeltastverhältnisse des jeweiligen PWM-Verfahrens nützlich.
Sobald die Tastverhältnisse der aktiven und der Nullraumvektoren ermittelt sind, kann die Abfolge innerhalb eines jeden PWM-Zyklus ausgeführt werden. Obwohl zahlreiche Sequenzen möglich sind, verwendet eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine von vier möglichen Sequenzen in jedem PWM-Zyklus. Die vier möglichen Sequenzen werden auf der Grundlage der folgenden drei Überlegungen ermittelt: 1) zu einem Zeitpunkt wird nur ein Schalter geschaltet; 2) die Sequenz ist bezüglich des Anfangs und des Endes symmetrisch; und 3) während des Zyklus wird einer der Schalter nicht geschaltet.
4–7 veranschaulichen die vier beispielhaften Impulsabfolgeverfahren für den Sektor Eins. Insbesondere zeigt 4 das beispielhafte Impulsabfolgeverfahren für die Vektorsequenz V₀ mit aktiver Mitte für den Sektor Eins, welche die Vektorsequenz 0-1-2-2-1-0 umfasst. 5 zeigt ein beispielhaftes Impulsabfolgeverfahren für die Vektorsequenz V₇ mit Null-Mitte für den Sektor Eins, welche die Vektorsequenz 1-2-7-7-2-1 umfasst. 6 zeigt ein beispielhaftes Impulsabfolgeverfahren für die Vektorsequenz V₀ mit Null-Mitte für den Sektor Eins, welche die Vektorsequenz 2-1-0-0-1-2 umfasst. 7 zeigt ein beispielhaftes Impulsabfolgeverfahren für die Vektorsequenz V₇ mit aktiver Mitte für den Sektor Eins, welche die Vektorsequenz 7-2-1-1-2-7 umfasst. Wie durch die Bezeichnung angedeutet ist, verwendet die Sequenz V₀ mit aktiver Mitte in 4 den V₀-Nullvektor, aktive Vektoren in dem Mittelabschnitt der Sequenz, und Nullvektoren befinden sich an jedem Ende. Hingegen zeigt die Bezeichnung für die Sequenz V₇ mit Null-Mitte in 5 an, dass die Sequenz den V₇-Nullvektor und zwei Nullvektoren in dem Mittelabschnitt der Sequenz verwendet.
Ein typisches Verfahren zur Abfolge der Impulse in jeder PWM-Periode umfasst das Ändern der Position nur eines Schalters in jedem Augenblick. In dem Sektor Eins beispielsweise ist die Sequenz der Vektoren 1-2-7-7-2-1, während die Sequenz im Sektor Zwei umgekehrt wird zu 0-3-2-2-3-0. Bei ungeradzahlig nummerierten Sektoren wird die Sequenz V₇ mit Null-Mitte verwendet, während die Sequenz V₀ mit aktiver Mitte bei geradzahlig nummerierten Sektoren verwendet wird. Bei einer weiteren Ausführungsform können die Sequenzen derart invertiert sein, dass die Sequenz V₇ mit aktiver Mitte und die Sequenz V₀ mit Null-Mitte verwendet werden. Ohne Rücksicht darauf, welcher Nullvektor (oder welches PWM-Verfahren) verwendet wird, wird das V₀ mit aktiver Mitte-V₇ mit Null-Mitte-Paar oder das V₀ mit Null-Mitte-V₇ mit aktiver Mitte-Paar typischerweise als eine herkömmliche Abfolge für die Impulse angesehen, weil diese Paare dem analogen Äquivalent des digital abgeleiteten und implementierten DPWM-Verfahrens auf natürliche Weise folgen. Eine Verwendung des V₀ mit aktiver Mitte-V₇ mit Null-Mitte-Paars wird in diesem Kontext als ein Verfahren mit Regulärer Positiver Logik (RPL-Verfahren) bezeichnet. Die Umkehrung des V₀ mit aktiver Mitte-V₇ mit Null-Mitte-Paars (oder RPL-Paars) ist das V₀ mit Null-Mitte-V₇ mit aktiver Mitte-Paar, und seine Arbeitsweise ähnelt im Wesentlichen der des RPL-Paars.
Da über einen Grundzyklus ein Minimum von zwei Sequenzen verwendet wird, ist es möglich, die aktiven Vektoren oder die Nullvektoren in einem Schaltzyklus zu zentrieren. Die Verwendung des V₀ mit aktiver Mitte-V₇ mit aktiver Mitte-Paars wird in diesem Kontext als das Verfahren mit Mitte-Aktiv-Vektor (CAV-Verfahren, CAV von Center Active Vector) bezeichnet, und die Verwendung des V₀ mit Null-Mitte-V₇ mit Null-Mitte-Paars wird in diesem Kontext als das Verfahren mit Mitte-Null-Vektor (CNV-Verfahren, CNV von Center Null Vector) bezeichnet. Obwohl diese Impulssequenzen mit Bezug auf das DPWM2-Verfahren bezeichnet sind, kann die Impulsabfolge auf jede DPWM sowie kontinuierliche PWM angewandt werden, weil sich unstetige PWM-Verfahren bei der Position der arretierten Ausgangsposition unterscheiden (z. B. der Position des arretierten 60°-Segments).
8 ist eine graphische Darstellung der Schaltsequenz für den in 3 gezeigten Sektor Eins unter Verwendung des CAV-Verfahrens, welche Oberwellenflusstrajektorien für den Sektor Eins veranschaulicht. Ein Ansatz zum Verständnis der Eigenschaften der Oberwellen der Schaltfrequenz einer speziellen PWM-Schaltsequenz besteht in der Verwendung einer Raumvektordarstellung. Der befohlene Ausgangsspannungsvektor ist durch vdq^* dargestellt. Die tatsächlich angelegte Ausgangsspannung (v_dq) kann dargestellt werden durch vdq = v -dq + v ~dq (Gleichung 1)wobei v -dq = v*dq eine Durchschnittsspannung ist, die während der Schaltperiode anliegt, und v ~dq eine Wechselspannungskomponente (AC-Komponente) ist, die aus der PWM-Tätigkeit resultiert. Die AC-Komponente (v ~dq ), welche eine Quelle von Stromoberwellen ist, wird ermittelt aus v ~dq = vdq – v -dq (Gleichung 2)
Die AC-Spannung umfasst die Oberwellenspannungsvektoren, die während eines jeden Zustands der PWM-Impulssequenz erzeugt werden. Zum Beispiel ist V1h = V1 – v -dq (Gleichung 3) wobei V_1h die Oberwellenspannung ist, die dem ersten aktiven Zustand zugeordnet ist, und V₁ die Wechselrichterausgangsspannung ist, die dem ersten aktiven Zustand zugeordnet ist.
Wie in 8 gezeigt ist, bewirken die Oberwellenspannungsvektoren (V_1h, V_2h, V_0h und V_7h), dass die Wechselrichterausgangsspannung innerhalb der Schaltperiode von dem befohlenen Spannungsvektor (v_dq ^*) abweicht. Die Oberwellenspannungsvektoren hängen vom Raum und vom Modulationsindex ab. Zusammen mit den Oberwellenspannungsvektoren bestimmen die Tastverhältnisse der aktiven Wechselrichterzustände und die Einteilung des Nullvektors oder der Nullvektoren die Oberwellenstromtrajektorien. Da das Trägerfrequenzmodell einer Motorlast durch eine Induktivität angenähert werden kann, können theoretische Oberwellenflusstrajektorien (z. B. auf der Grundlage eines Zeitintegrals der Oberwellenspannungsvektoren) verwendet werden, um die Auswirkung der Impulspositionierung auf die Stromabtastung zu ermitteln. Der Oberwellenfluss und der Oberwellenstrom unterscheiden sich in der Amplitude und stehen durch die Systemparameter miteinander in Beziehung.
9 ist eine Übersichtstabelle von Vektorsequenzen für verschiedene Schaltverfahren. Für jeden Sektor des in 3 gezeigten Raumvektordiagramms und für jedes der RPL-, CAV- und CNV-Verfahren sind Vektorsequenzen bereitgestellt. Mit Bezug auf 8 und 9 ist die für den Sektor Eins angewandte Schaltsequenz unter Verwendung des CAV-Verfahrens V₇-V₂-V₁-V₁-V₂-V₇ (oder vereinfacht 7-2-1-1-2-7). Das System unterliegt einer Oberwellenflusstrajektorie, die einem Pfad entlang von Punkten folgt, die als a-b-c-d-e-f-g bezeichnet sind. Für das CNV-Verfahren ist die Schaltsequenz innerhalb von Sektor Eins 1-2-7-7-2-1 und die entsprechende Oberwellenflusstrajektorie folgt einem Pfad entlang der Punkte, die als g-e-f-a-b-c-d bezeichnet sind. Aus einem räumlichen Blickwinkel werden im Wesentlichen identische Oberwellenflussdreiecke 36, 38 gebildet, die sich in der Richtung unterscheiden, in welcher die Oberwellenflussdreiecke 36, 38 durchlaufen werden.
Die Vektorsequenzen der RPL- und CNV-Verfahren sind für die ungeradzahlig nummerierten Sektoren gleich, und die RPL- und CAV-Verfahren sind für die geradzahlig nummerierten Sektoren gleich. Da die Oberwellenflussdreiecke 36, 38 für jede Schaltsequenz identisch sind, ist die Gesamtoberwellenverzerrung unabhängig von der verwendeten Schaltsequenz.
10 ist eine graphische Darstellung der Oberwellenflusstrajektorien 40, 42 unter Verwendung des CNV-Verfahrens bzw. des CAV-Verfahrens, die in 8 in der D-Achse gezeigt sind. 11 ist eine graphische Darstellung von Oberwellenflusstrajektorien 44, 46 unter Verwendung des CNV-Verfahrens bzw. des CAV-Verfahrens, die in 8 in der q-Achse gezeigt sind. Die Oberwellenspannungsvektoren bewirken, dass die Phasenströme von den Sollwerten abweichen (z. B. über die Oberwellenflusstrajektorie). Die Oberwellenflusstrajektorien 40, 42, 44, 46 sind in dem Synchronreferenzrahmen gezeigt, wobei der Synchronreferenzrahmen an den befohlenen Spannungsvektor angelehnt ist, wie in 8 gezeigt ist, obwohl die Position des Synchronreferenzrahmens variiert werden kann. Die Oberwellenflüsse weisen gleichzeitig einen Wert von Null in der d-Achse und der q-Achse an einem Anfangspunkt (z. B. bei einem Schaltzykluszeitpunkt von etwa Null), einem Mittelpunkt (z. B. bei einem Schaltzykluszeitpunkt von etwa 0,5) und einem Endpunkt (z. B. bei einem Schaltzykluszeitpunkt von etwa Eins) eines jeden PWM-Zyklus auf. Wenn die Phasenströme bei dem Anfangspunkt, dem Mittelpunkt oder dem Endpunkt eines jeden PWM-Zyklus abgetastet werden, können die abgetasteten Werte unverzerrt sein und damit mit dem tatsächlichen Durchschnittswert des Phasenstroms über den PWM-Zyklus übereinstimmen.
Bei der herkömmlichen Praxis kann der Abtastaugenblick so eingestellt werden, dass er mit dem Auftreten eines der Nullwerte des Oberwellenflusses zusammenfällt. Der tatsächliche Schaltaugenblick ist jedoch nicht notwendigerweise konstant und kann sich mit der Zeit verschieben und manifestieren, als ob der Abtastaugenblick fehlerhaft ist (z. B. ein Messfehler). Der tatsächliche Schaltaugenblick ist allgemein eine Funktion der benötigten Wechselrichter-Totzeit. Die Totzeit ist so gewählt, dass sie ein gleichzeitiges Schließen beider Schalter in einem Phasenschenkel verhindert. Diese Totzeit ist typischerweise so gewählt, dass sie ausreichend groß ist, um eine Variabilität bei den Schaltzeiten über einen vorbestimmten Temperaturbereich und eine Herstellungstoleranz sowohl der Wechselrichterschalter als auch zugeordneter Gatetreiberschaltkreise zu bewältigen. Zusätzlich ist die Oberwellenflusstrajektorie eine Funktion aller drei Wechselrichterphasen. Obwohl ein Stromregler stationäre Unterschiede, die aus der Auswirkung der Schaltzeit auf die durchschnittliche Ausgangsspannung resultieren, einstellen kann, stellt der Stromregler eine relative Bewegung zwischen den tatsächlichen Schalt- und Abtastzeiten nicht ein. Die Schaltsequenz beeinflusst daher den Messfehler in den abgetasteten Phasenströmen.
Dieser Messfehler kann durch viele Faktoren beeinflusst werden, die umfassen, aber nicht notwendigerweise beschränkt sind auf den Modulationsindex und eine Winkelstellung des befohlenen Ausgangsspannungsvektors. Zusätzlich beeinflusst der Grad der Zeitverschiebung (z. B. verzögert oder vorverstellt) des Abtastaugenblicks mit Bezug auf den Schaltaugenblick den Messfehler. Wenn z. B. das CAV-Verfahren verwendet wird und der befohlene Strom vollständig auf der q-Achse liegt (z. B. mit Bezug auf 8), ist der Messfehler unbedeutend oder Null, solange der Abtastaugenblick innerhalb etwa zwanzig Prozent (20%) ab dem Beginn des PWM-Zyklus liegt. Wenn ein Strom in der d-Achse befohlen ist, erzeugt eine Verschiebung bei dem Abtastaugenblick mit Bezug auf den Schaltaugenblick einen Fehler bei dem gemessenen Strom unabhängig davon, welches Schaltverfahren verwendet wird (z. B. das CNV- oder das CAV-Verfahren). Da die dem RPL-Verfahren zugeordneten Sequenzen sich sowohl aus dem CNV- als auch dem CAV-Verfahren zusammensetzen, kann der durchschnittliche Fehler des RPL-Verfahrens bei einem gegebenen Satz an Betriebsbedingungen grundsätzlich durch den durchschnittlichen Fehler zwischen dem CAV- und dem CNV-Verfahren dargestellt werden.
Der Oberwellenfluss (λ^s _h) in dem Stationärreferenzrahmen, der durch die Hochstellung s angezeigt ist, welcher den Messfehler verursacht, wird ermittelt aus
wobei V_k ein Wechselrichterausgangsspannungsvektor in dem k-ten Zustand der Schaltsequenz ist und ein Zeitpunkt ist, an welchem der Strom abgetastet wird. Der Oberwellenfluss kann in den durch die Hochstellung e bezeichneten Synchronrahmen transformiert werden. Der Fehler bei den gemessenen Strömen wird ermittelt aus
wobei k ein Faktor ist, der eine Beziehung zwischen dem Oberwellenfluss und dem befohlenen Strom bereitstellt und von Systemparametern abhängt.
12 ist ein Graph, der gemessene Ströme für das RPL-, das CAV- und das CNV-Schaltverfahren mit Bezug auf den Modulationsindex in einem linearen Bereich veranschaulicht. Die Auswirkung der Impulssequenz auf den Messfehler beim Stromabtasten kann für typische Betriebsbedingungen durch numerische Berechnungen (z. B. unter Verwendung der Gleichungen 4 und 5) untersucht werden. Eine typische Betriebsbedingung weist z. B. einen befohlenen Strom mit einem Betawinkel von etwa fünfundvierzig Grad (45°) mit einem Leistungsfaktor von etwa 0,866 nacheilend und einem Abtastaugenblick auf, der zu dem Anfang des PWM-Zyklus etwa fünf Prozent (5%) vorverstellt ist.
Bei einer Abtastvorverstellung von etwa fünf Prozent (5%) liefert das CNV-Verfahren allgemein einen Messstrom, der größer als der tatsächliche Strom ist. Bei einem herkömmlichen Betrieb wird der Stromregler den tatsächlichen Strom derart verringern, dass der gemessene Strom mit dem befohlenen Strom übereinstimmt. Bei einem Elektromotor impliziert dies, dass die tatsächlichen Motorströme verringert werden und sich ein Drehmomentverlust ergibt. In dem Fall des CAV-Verfahrens ist der gemessene Strom durchgehend kleiner als der tatsächliche Strom. Bei einem herkömmlichen Betrieb wird der Stromregler den tatsächlichen Systemstrom erhöhen und das erzeugte Drehmoment wird größer als angefordert sein. Das RPL-Verfahren liefert einen gemessenen Strom, der grundsätzlich zwischen dem CAV- und dem CNV-Verfahren liegt.
13 ist ein Graph, der absolute Werte gemessener Stromfehler für das RPL-, das CAV- bzw. das CNV-Schaltverfahren in Bezug auf den Modulati onsindex veranschaulicht. Bei niedrigen Modulationsindizes erzeugt das CAV-Verfahren den niedrigsten Strommessfehler. Bei den höheren Modulationsindizes erzeugt das CNV-Verfahren den niedrigsten Strommessfehler. Ein kombinierter Fehler (vorgeschlagene Kombination) wird minimiert, indem bei jedem Modulationsindex das Impulssequenzverfahren mit dem kleinsten Fehler gewählt wird.
Da der Stromfehler eine Funktion des Oberwellenflusses ist, hängt der Stromfehler nicht von dem tatsächlichen Wert des befohlenen Stroms ab. Im Allgemeinen umfasst der Fehler, der aus einem nicht idealen Abtasten resultiert, einen größeren prozentualen Fehler, wenn der befohlene Strom klein ist, und der prozentuale Fehler wird für größere Werte des befohlenen Stroms kleiner.
Um den Strommessfehler zu minimieren, der aus der Zeitverschiebung zwischen dem aktuellen Abtastaugenblick und dem Auftreten eines der Nullwerte des Oberwellenflusses während des Schaltzyklus resultiert, wird ein PWM-Impulspositionsplanverfahren vorgeschlagen. Mit Bezug auf 1 verwendet der Controller 32 das RPL-, das CAV- oder das CNV-Verfahren, um Stromabtastfehler bei Elektromotoren zu minimieren. Auf der Grundlage des Fehlers bei gemessenen Strömen, der dem RPL-, dem CAV- und dem CNV-Verfahren zugeordnet ist, können dem Modulationsindex zugeordnete Übergangspunkte gewählt werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform verwendet der Controller 32 bei niedrigen Modulationsindizes die Impulspositionssequenzen, die dem CAV-Verfahren zugeordnet sind. Sobald der Modulationsindex über einen ersten vorbestimmten Wert M_{i_mid} ansteigt, verwendet der Controller 32 die Impulspositionssequenzen, welche dem RPL-Verfahren zugeordnet sind. Sobald der Modulationsindex über einen zweiten vorbestimmten Wert M_{i_high} ansteigt, verwendet der Controller 32 die Impulspositionssequenzen, die dem CNV-Verfahren zugeordnet sind. Die durch M_{i_mid} und M_{i_high} bereitgestellten Übergangspunkte oder -bereiche, denen eine gewisse Hysterese zugeordnet sein kann, können ermittelt und zur Verwendung durch den Systemcontroller in einer Nachschlagetabelle gespeichert werden. Diese durch M_{i_mid} und M_{i_high} bereitgestellten Übergangspunkte können auch Variable sein, die von der speziellen Betriebsbedingung (z. B. dem Strom) abhängen, oder sie können für ein gegebenes System konstante Werte sein.
Ein Variieren des PWM-Impulspositionsabfolgeverfahrens über den Betriebsbereich des AC-Motors durch ein Wählen des PWM-Impulspositionsabfolgeverfahrens minimiert den Stromabtastfehler und verbessert die Genauigkeit des gemessenen Stroms. Die Drehmomentgenauigkeit des AC-Motors wird auch verbessert und der Drehmomentfehler wird allgemein verbessert, insbesondere bei Zuständen mit leichter Last. Zusätzlich wird durch das Variieren des PWM-Impulspositionsabfolgeverfahrens zur Minimierung des Stromabtastfehlers die Empfindlichkeit des Systems gegenüber Fertigungstoleranzen verringert.
14 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 100 zur Steuerung eines AC-Motors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Insbesondere stellt 14 einen Prozess zur Ermittlung eines geeigneten PWM-Impulsabfolgeverfahrens detailliert dar, welcher den Stromabtastfehler eines Spannungszwischenkreisumrichters zum Antreiben eines AC-Motors minimiert. Mit Bezug auf 1 und 14 wird der Modulationsindex (M_i) des Spannungszwischenkreisumrichters ermittelt, wie bei Schritt 105 angezeigt ist. Beispielsweise kann der Controller 32 den Modulationsindex (M_i) der Wechselrichterschaltung 30 während eines Betriebs des AC-Motors 12 überwachen oder ermitteln. Der erste und der zweite vorbestimmte Modu lationsindex (M_{i_mid} und M_{i_high}) können auf der Grundlage einer Vielzahl von Betriebsbedingungen (z. B. dem Strom) erzeugt worden sein und geben Übergangspunkte oder -bereiche von einem PWM-Impulsabfolgeverfahren zu einem anderen an, um den Stromabtastfehler zu verringern. Diese Modulationsindizes (M_{i_mid} und M_{i_high}) können in dem Controller 32 in einer Nachschlagetabelle gespeichert sein. Die PWM-Impulsabfolgeverfahren umfassen vorzugsweise das CAV-, das RPL- und das CNV-Verfahren.
Es wird ermittelt, ob M_i < M_{i_mid} ist, wie bei Schritt 110 angezeigt ist. Wenn M_i < M_{i_mid} ist, dann wird das CAV-Abfolgeverfahren verwendet, wie bei Schritt 115 angezeigt ist. Wenn der Modulationsindex (M_i) nicht kleiner als der erste vorbestimmte Modulationsindex (M_{i_mid}) ist, dann wird ermittelt, ob M_{i_mid} ≤ M_i ≤ M_{i_high} ist, wie bei Schritt 120 angezeigt ist. Wenn M_{i_mid} ≤ M_i ≤ M_{i_high} ist, dann wird das RPL-Abfolgeverfahren verwendet, wie bei Schritt 125 angezeigt ist. Wenn der Modulationsindex (M_i) größer als der zweite vorbestimmte Modulationsindex (M_{i_high}) ist, dann wird das CNV-Verfahren verwendet, wie bei Schritt 130 angezeigt ist. Der AC-Motor wird auf der Grundlage des gewählten Impulsabfolgeverfahrens mit einer Spannung versorgt, wie bei Schritt 135 angezeigt ist.
Obwohl in der voranstehenden genauen Beschreibung mindestens eine beispielhafte Ausführungsform dargestellt wurde, ist festzustellen, dass eine riesige Anzahl an Variationen existiert. Es ist auch festzustellen, dass die beispielhafte Ausführungsform oder die beispielhaften Ausführungsformen nur Beispiele sind und nicht dazu gedacht sind, den Schutzumfang, die Anwendbarkeit oder die Ausgestaltung der Erfindung auf irgendeine Weise zu beschränken. Stattdessen wird die voranstehende genaue Beschreibung Fachleute mit einer brauchbaren Anleitung zur Implementierung der beispielhaften Ausführungsform oder der beispielhaften Aus führungsformen versorgen. Es sollte verstanden sein, dass bei der Funktion und Anordnung von Elementen verschiedene Veränderungen durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen und deren juristischen Äquivalenten offen gelegt ist.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Wechselstrommotors (AC-Motors) über einen Wechselrichter, das umfasst: Wählen eines Impulsabfolgeverfahrens auf der Grundlage eines Modulationsindex (M_i) des Wechselrichters; und Versorgen des AC-Motors mit einer Spannung auf der Grundlage des Impulsabfolgeverfahrens.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Wählens ein Wählen des Impulsabfolgeverfahrens umfasst, um einen Stromabtastfehler des Wechselrichters auf der Grundlage des Modulationsindex (M_i) zu minimieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Wählens ein Wählen des Impulsabfolgeverfahrens aus einer Gruppe umfasst, die aus einem Mitte-Aktiv-Vektor-Abfolgeverfahren (CAV-Abfolgeverfahren), einem Reguläre Positive Logik-Abfolgeverfahren (RPL-Abfolgeverfahren) und einem Mitte-Null-Vektor-Abfolgeverfahren (CNV-Verfahren) besteht.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Wählens ferner umfasst: Wählen des CAV-Abfolgeverfahrens, wenn M_i < als ein erster Modulationsindex (M_{i_mid}) ist; Wählen des RPL-Abfolgeverfahrens, wenn M_{i_mid} ≤ M_i ≤ einem zweiten Modulationsindex (M_{i_high}) ist, wobei M_{i_mid} < M_{i_high} ist; und Wählen des CNV-Abfolgeverfahrens, wenn M_i > M_{i_high} ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wechselrichter einen Stromabtastfehler, einen ersten vorbestimmten Modulationsindex (M_{i_mid}) und einen zweiten vorbestimmten Modulationsindex (M_{i_high}) aufweist, wobei M_{i_mid} < M_{i_high} ist, M_{i_mid} einen ersten Übergang zur Minimierung des Stromabtastfehlers anzeigt und M_{i_high} einen zweiten Übergang zur Minimierung des Stromabtastfehlers anzeigt; und wobei der Schritt des Wählens ein Vergleichen von M_i mit M_{i_mid} und M_{i_high} umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner ein Liefern eines unstetigen Pulsweitenmodulationssignals (DPWM-Signals) auf der Grundlage des Impulsabfolgeverfahrens an den Wechselrichter umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Wechselrichter eine Schaltung umfasst, die ein erstes, zweites und drittes Paar seriell verbundener Schalter umfasst, wobei das erste, zweite und dritte Schalterpaar mit Bezug auf eine Spannungsquelle zueinander parallel geschaltet sind; und wobei der Schritt des Lieferns ein Steuern des ersten, zweiten und dritten Schalterpaars in Ansprechen auf das DPWM-Signal umfasst.
System zum Steuern eines AC-Motors, wobei das System umfasst: einen Wechselrichter, der zur Kopplung mit dem AC-Motor ausgestaltet ist, wobei der Wechselrichter einen Modulationsindex (M_i) aufweist und ein Schaltnetzwerk umfasst, das ausgestaltet ist, um in Ansprechen auf ein Signal eine Spannung an den AC-Motor zu liefern, wobei die Spannung den AC-Motor antreibt; und einen mit dem Wechselrichter gekoppelten Controller, wobei der Controller ausgestaltet ist, um ein Impulsabfolgeverfahren auf der Grundlage des Modulationsindex (M_i) zu wählen und ferner ausgestaltet ist, um das Signal auf der Grundlage des Impulsabfolgeverfahrens zu erzeugen.
System nach Anspruch 8, wobei der Controller ferner ausgestaltet ist, um: einen Stromabtastfehler des Wechselrichters zu ermitteln; und das Impulsabfolgeverfahren so zu wählen, dass der Stromabtastfehler minimiert ist.
System nach Anspruch 9, wobei der Controller ferner ausgestaltet ist, um das Impulsabfolgeverfahren auf der Grundlage eines Vergleichs von M_i mit einem ersten vorbestimmten Modulationsindex (M_{i_mid}) und/oder einem zweiten vorbestimmten Modulationsindex (M_{i_high}) zu wählen, wobei M_{i_mid} einen ersten Übergang zur Minimierung des Stromabtastfehlers anzeigt und M_{i_high} einen zweiten Übergang zur Minimierung des Stromabtastfehlers anzeigt.
System nach Anspruch 9, wobei das Signal ein PWM-Signal ist und wobei der Stromabtastfehler auf einem Oberwellenfluss basiert, der aus dem PWM-Signal resultiert.
System nach Anspruch 8, wobei der Controller ferner ausgestaltet ist, um: ein Mitte-Aktiv-Vektor-Abfolgeverfahren (CAV-Abfolgeverfahren) zu wählen, wenn M_i < ein erster Modulationsindex (M_{i_mid}) ist; ein Reguläre Positive Logik-Abfolgeverfahren (RPL-Abfolgeverfahren) zu wählen, wenn M_{i_mid} ≤ M_i ≤ einem zweiten Modulationsindex (M_{i_high}) ist, wobei M_{i_mid} < M_{i_high} ist; und ein Mitte-Null-Vektor-Abfolgeverfahren (CNV-Abfolgeverfahren) zu wählen, wenn M_i > M_{i_high}.
System nach Anspruch 8, wobei der Controller ferner ausgestaltet ist, um das Impulsabfolgeverfahren aus einer Gruppe auszuwählen, die aus einem CAV-Abfolgeverfahren, einem RPL-Abfolgeverfahren und einem CNV-Abfolgeverfahren besteht.
System nach Anspruch 8, wobei das Signal ein unstetiges Pulsweitenmodulationssignal (DPWM-Signal) ist.
System nach Anspruch 8, wobei das Schaltnetzwerk ein erstes, zweites und drittes Paar seriell gekoppelter Schalter umfasst, wobei das erste, zweite und dritte Schalterpaar mit Bezug auf eine Spannungsquelle zueinander parallel geschaltet sind.
Spannungszwischenkreisumrichtersystem zur Steuerung eines AC-Motors, wobei das Spannungszwischenkreisumrichtersystem ausgestaltet ist, um mit einem Modulationsindex (M_i) zu arbeiten, wobei das Spannungszwischenkreisumrichtersystem umfasst: ein Schaltnetzwerk, das ein erstes, zweites und drittes Schalterpaar umfasst, wobei die ersten, zweiten und dritten Schalterpaare zueinander parallel geschaltet sind und für eine parallele Kopplung mit Bezug auf eine Spannungsquelle ausgestaltet sind, wobei das Schaltnetzwerk ausgestaltet ist, um eine Spannung in Ansprechen auf ein Signal zu erzeugen, wobei die Spannung den AC-Motor antreibt; und einen mit dem Schaltnetzwerk gekoppelten Controller, wobei der Controller ausgestaltet ist, um ein Impulsabfolgeverfahren auf der Grundlage des Modulationsindex (M_i) zu wählen, und ferner ausgestaltet ist, um das Signal auf der Grundlage des Impulsabfolgeverfahrens zu erzeugen, und wobei das Impulsabfolgeverfahren dazu führt, dass nicht mehr als ein Schalter des ersten, zweiten und dritten Schalterpaars zu einem Augenblick geschlossen ist.
Spannungszwischenkreisumrichtersystem nach Anspruch 16, wobei das Spannungszwischenkreisumrichtersystem einen Stromabtastfehler aufweist; und wobei der Controller ferner ausgestaltet ist, um das Impulsabfolgeverfahren so zu wählen, dass der Stromabtastfehler minimiert ist.
Spannungszwischenkreisumrichtersystem nach Anspruch 16, wobei der Controller ferner ausgestaltet ist, um das Impulsabfolgeverfahren aus einer Gruppe auszuwählen, die aus einem Mitte-Aktiv-Vektor-Abfolgeverfahren (CAV-Abfolgeverfahren), einem Reguläre Positive Logik-Abfolgeverfahren (RPL-Abfolgeverfahren) und einem Mitte-Null-Vektor-Abfolgeverfahren (CNV-Abfolgeverfahren) besteht.
Spannungszwischenkreisumrichtersystem nach Anspruch 16, wobei der Controller ferner ausgestaltet ist, um: ein CAV-Abfolgeverfahren zu wählen, wenn M_i < ein erster Modulationsindex (M_{i_mid}) ist; ein RPL-Abfolgeverfahren zu wählen, wenn M_{i_mid} ≤ M_i ≤ ein zweiter Modulationsindex (M_{i_high}) ist, wobei M_{i_mid} < M_{i_high} ist; und ein CNV-Abfolgeverfahren zu wählen, wenn M_i > M_{i_high} ist.
Spannungszwischenkreisumrichtersystem nach Anspruch 19, wobei das Spannungszwischenkreisumrichtersystem einen Stromabtastfehler aufweist; und wobei M_{i_mid} einen ersten Übergang zur Minimierung des Stromabtastfehlers anzeigt und M_{i_high} einen zweiten Übergang zur Minimierung des Stromabtastfehlers anzeigt.