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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Wechselrichter, und sie
betrifft insbesondere Verfahren und Systeme zum Steuern von Wechselrichtern
bei Elektroantriebssystemen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In
den letzten Jahren haben technologische Fortschritte sowie sich
immer weiter entwickelnde Vorlieben bezüglich des Stils zu wesentlichen
Veränderungen
bei der Konstruktion von Kraftfahrzeugen geführt. Eine der Veränderungen
betrifft die Komplexität
der elektrischen Systeme in Kraftfahrzeugen, insbesondere Fahrzeugen
mit alternativem Kraftstoff, wie etwa Hybrid-, Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeugen.
Derartige Fahrzeuge mit alternativem Kraftstoff verwenden typischerweise
einen Elektromotor, möglicherweise
in Kombination mit einem weiteren Aktuator, um die Räder anzutreiben.
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Diese
Fahrzeugtypen können
wesentliche Verbesserungen beim Wirkungsgrad bieten. Es bleibt jedoch
ein immer gegenwärtiger
Bedarf zur Verbesserung des Wirkungsgrads von Elektromotorantrieben,
um Leistungsverluste zu verringern, die Lebensdauer der Batterie
zu verbessern und die Reichweite zu erhöhen. Zudem ist es allgemein
wünschenswert,
die von dem Kraftfahrzeug erzeugten Geräusche zu verringern. Unglücklicherweise
kann es sein, dass einige Techniken zur Verringerung von Leistungsverlusten
bei dem Elektromotorsystem akustische Geräuschemissionen über akzeptable
Niveaus hinaus erhöhen.
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Entsprechend
ist es wünschenswert,
ein Steuerungsverfahren bereitzustellen, welches Leistungsverluste
verringert und den Wirkungsgrad von Elektromotoren bei Kraftfahrzeugen
erhöht,
ohne die von dem Elektromotor erzeugten akustischen Geräusche übermäßig zu erhöhen. Darüber hinaus
werden weitere wünschenswerte
Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der nachstehenden
genauen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den
beiliegenden Zeichnungen und dem vorstehenden technischen Gebiet
und Hintergrund offenbar werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Bei
einer Ausführungsform
wird ein Verfahren zum Steuern eines Wechselrichters in einem Elektroantriebssystem
eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Das Verfahren steuert allgemein
den Wechselrichter dadurch, dass es in Ansprechen darauf, dass ein
befohlenes Drehmoment des Elektromotors unter einem ersten Drehmomentniveau
liegt, den Wechselrichter so steuert, dass eine Schaltfrequenz des
Wechselrichters auf eine erste Einstellfrequenz eingestellt wird;
und dadurch, dass es in Ansprechen darauf, dass das befohlene Drehmoment
des Elektromotors zwischen dem ersten Drehmomentniveau und einem
zweiten Drehmomentniveau liegt, den Wechselrichter so steuert, dass
die Schaltfrequenz des Wechselrichters als eine Funktion des befohlenen
Drehmoments des Elektromotors bestimmt wird, während die Schaltfrequenz über einer
dynamischen Frequenzgrenze gehalten wird. Das Verfahren verringert
Schaltfrequenzen in dem Wechselrichter bei hohen befohlenen Drehmomenten,
während
die Schaltfrequenzen über
einer dynamischen Frequenzgrenze gehalten wer den, die für eine effektive
Steuerung des Motors sorgt. Dies verringert einen Leistungsverlust
und verbessert somit den Wirkungsgrad des Systems.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
wird ein Elektroantriebssystem eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt.
Das Elektroantriebssystem des Kraftfahrzeugs umfasst einen Elektromotor,
einen mit dem Motor gekoppelten Wechselrichter und mindestens einen
Prozessor, der mit dem Elektromotor und dem Wechselrichter gekoppelt
ist. Der mindestens eine Prozessor ist so ausgestaltet, dass er
in Ansprechen darauf, dass ein befohlenes Drehmoment des Elektromotors
unter einem ersten Drehmomentniveau liegt, ein Signal bereitstellt,
das den Wechselrichter so steuert, dass eine Schaltfrequenz des
Wechselrichters auf eine erste Einstellfrequenz eingestellt wird;
und, dass er in Ansprechen darauf, dass das befohlene Drehmoment
des Elektromotors zwischen dem ersten Drehmomentniveau und einem
zweiten Drehmomentniveau liegt, ein Signal bereitstellt, das den
Wechselrichter so steuert, dass die Schaltfrequenz des Wechselrichters
als eine Funktion des befohlenen Drehmoments des Elektromotors bestimmt
wird, während
die Schaltfrequenz über
einer dynamischen Frequenzgrenze gehalten wird. Das System verringert
Schaltfrequenzen in dem Wechselrichter bei hohen befohlenen Drehmomenten,
während
die Schaltfrequenzen über
einer dynamischen Frequenzgrenze gehalten werden, die für eine effektive
Steuerung des Motors sorgt. Dies verringert einen Leistungsverlust
und verbessert damit den Wirkungsgrad des Systems.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird hierin nachstehend in Verbindung mit
den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen
gleiche Elemente bezeichnen, und
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1 eine
schematische Ansicht eines beispielhaften Kraftfahrzeugs gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist;
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2 ein
Blockdiagramm eines Spannungszwischenkreisumrichtersystems in dem
Kraftfahrzeug von 1 ist;
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3 eine
schematische Ansicht eines Wechselrichters in dem Kraftfahrzeug
von 1 ist;
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4 eine
graphische Darstellung eines beispielhaften Schaltfrequenz-Steuerungsschemas
ist; und
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5 eine
graphische Darstellung eines Steuerungsschemas für die dynamische Frequenzgrenze
ist.
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BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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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 beabsichtigt, durch irgendeine explizite oder
implizite Theorie gebunden zu sein, die in dem voranstehenden technischen
Gebiet, dem Hintergrund, der Kurzzusammenfassung oder der folgenden
genauen Beschreibung dargestellt ist.
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Die
folgende Beschreibung bezieht sich auf Elemente oder Merkmale, die
miteinander "verbunden" oder "gekoppelt" sind. Bei der Verwendung
hierin bedeutet "verbunden", sofern es nicht
ausdrücklich
anderweitig angegeben ist, dass ein Element/Merkmal mit einem weiteren
Element/Merkmal direkt verbunden ist (oder direkt damit kommuniziert),
und zwar nicht notwendigerweise mechanisch. Gleichermaßen bedeutet "gekoppelt", sofern es nicht
ausdrücklich
anderweitig angegeben ist, dass ein Element/Merkmal mit einem weiteren
Element/Merkmal direkt oder indirekt verbunden ist (oder direkt
oder indirekt damit kommuniziert), und zwar nicht notwendigerweise
mechanisch. Es sollte jedoch verstanden sein, dass, obwohl zwei
Elemente nachstehend bei einer Ausführungsform als "verbunden" beschrieben sein
können, ähnliche
Elemente bei alternativen Ausführungsformen "gekoppelt" sein können und
umgekehrt. Somit können,
obwohl die hierin gezeigten schematischen Zeichnungen beispielhafte
Anordnungen von Elementen darstellen, bei einer tatsächlichen
Ausführungsform
zusätzliche
dazwischen kommende Elemente, Einrichtungen, Merkmale oder Komponenten
vorhanden sein. Es sollte auch verstanden sein, dass die Figuren
nur zur Veranschaulichung dienen und möglicherweise nicht maßstabsgetreu
gezeichnet sind.
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Die
Figuren veranschaulichen ein Verfahren und ein System zum Steuern
eines Wechselrichters in einem Elektroantriebssystem eines Kraftfahrzeugs.
Das System und Verfahren steuern allgemein den Wechselrichter dadurch,
dass sie in Ansprechen darauf, dass ein befohlenes Drehmoment des
Elektromotors unter einem ersten Drehmomentniveau liegt, den Wechselrichter
so steuern, dass eine Schaltfrequenz des Wechselrichters auf eine
erste Einstellfrequenz eingestellt wird; und dadurch, dass sie in
Ansprechen darauf, dass das befohlene Drehmoment des Elektromotors
zwischen dem ersten Drehmomentniveau und einem zweiten Drehmomentniveau
liegt, den Wechselrichter so steuern, dass die Schaltfrequenz des
Wechselrichters als eine Funktion des befohlenen Drehmoments des
Elektromotors bestimmt wird, während
die Schaltfrequenz über einer
dynamischen Frequenzgrenze gehalten wird. Das Verfahren verringert Schaltfrequenzen
in dem Wechselrichter bei hohen befohlenen Drehmomenten, während es
die Schaltfrequenzen über
einer dynamischen Frequenzgrenze hält, die für eine effektive Steuerung
des Motors sorgt. Dies verringert einen Leistungsverlust und verbessert
damit den Wirkungsgrad des Systems.
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1 veranschaulicht
ein Fahrzeug 30 oder "Kraftfahrzeug" gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Kraftfahrzeug 30 umfasst
ein Chassis 32, eine Karosserie 34, vier Räder 36 und
ein elektronisches Steuerungssystem 38. Die Karosserie 34 ist
auf dem Chassis 32 angeordnet und umhüllt im Wesentlichen die anderen
Komponenten des Kraftfahrzeugs 30. Die Karosserie 34 und
das Chassis 32 können
gemeinsam einen Rahmen bilden. Die Räder 36 sind jeweils
in der Nähe
einer jeweiligen Ecke der Karosserie 34 mit dem Chassis 32 drehbar
gekoppelt.
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Das
Kraftfahrzeug 30 kann ein beliebiger einer Anzahl verschiedener
Typen von Kraftfahrzeugen sein, wie z. B. eine Limousine, ein Kombi,
ein Lastwagen oder ein Sportnutzfahrzeug (SUV), und kann ein Zweiradantrieb
(2WD) (d. h. Heckantrieb oder Frontantrieb), ein Vierradantrieb
(4WD) oder ein Allradantrieb (AWD) sein. Das Fahrzeug 30 kann
auch einen beliebigen oder eine Kombination einer Anzahl verschiedener
Typen von Maschinen (oder Aktuatoren) enthalten, wie z. B. eine
benzin- oder diesel-gespeiste
Brennkraftmaschine, die Maschine eines "Fahrzeugs mit flexiblem Kraftstoff" (FFV, FFV von flex
fuel vehicle) (d. h., die eine Mischung aus Benzin und Alkohol verwendet),
eine mit einem gasförmigen
Gemisch (z. B. Wasserstoff und/oder Erdgas) gespeiste Maschine oder
eine Brennstoffzellenenergiequelle, eine hybride Brennkraft/Elektromotormaschine
und einen Elektromotor.
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Bei
der in 1 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform
ist das Kraftfahrzeug 30 ein Hybridfahrzeug und umfasst
ferner eine Aktuatoranordnung 40, eine Batterie (oder einen
anderen elektrischen Energiespeicher) 42, einen Wechselrichter
(oder Inverter) 44 und einen Radiator 46. Die
Aktuatoranordnung 40 umfasst eine Brennkraftmaschine 48 und
einen Elektromotor/Generator (oder Motor) 50. Der Elektromotor 50 ist
bei einer Ausführungsform
ein sinusförmig
gewickelter Wechselstrommotor (AC-Motor) (z. B. Permanentmagnet
oder Induktion), wie er häufig
bei Kraftfahrzeugen verwendet wird (z. B. bei Fahrantriebssteuerungssystemen
und dergleichen). Wie der Fachmann feststellt, kann der Elektromotor 50 ein
Getriebe darin enthalten und er enthält, obwohl es nicht veranschaulicht
ist, auch eine Statoranordnung (welche leitfähige Spulen enthält), eine
Rotoranordnung (welche einen ferromagnetischen Kern enthält) und
ein Kühlfluid
(d. h. ein Kühlmittel).
Die Statoranordnung und/oder die Rotoranordnung in dem Elektromotor 50 können mehrere
(z. B. zwölf)
elektromagnetische Pole umfassen, wie allgemein verstanden wird.
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Immer
noch mit Bezug auf 1 sind bei einer Ausführungsform
die Brennkraftmaschine 48 und der Elektromotor 50 derart
zusammengebaut, dass beide durch eine oder mehrere Antriebswellen 52 mit
wenigstens einigen der Räder 36 mechanisch
gekoppelt sind. Der Radiator 46 ist mit dem Rahmen an einem äußeren Abschnitt
desselben verbunden und umfasst, obwohl es nicht im Detail veranschaulicht
ist, mehrere Kühlkanäle dort
hindurch, welche ein Kühlfluid
(d. h. ein Kühlmittel)
enthalten, wie etwa Wasser und/oder Ethylenglykol (d. h. "Frostschutz"), und ist mit der
Maschine 48 und dem Wechselrichter 44 gekoppelt.
Wieder mit Bezug auf 1 empfängt der Wechselrichter 44 bei
der dargestellten Ausführungsform
ein Kühlmittel
und teilt dieses mit dem Elektromotor 50. Der Radiator 46 kann
auf ähnliche
Weise mit dem Wechselrichter 44 und/oder dem Elektromotor 50 verbunden
sein.
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Das
elektronische Steuerungssystem 38 steht in wirksamer Verbindung
mit der Aktuatoranordnung 40, der Batterie 42 und
dem Wechselrichter 44. Obwohl es nicht im Detail gezeigt
ist, umfasst das elektronische Steuerungssystem 38 verschiedene
Sensoren und Kraftfahrzeugsteuerungsmodule oder elektronische Steuerungseinheiten
(ECUs), wie etwa ein Wechselrichtersteuerungsmodul und einen Fahrzeugcontroller,
und mindestens einen Prozessor und/oder einen Speicher, welcher
darin (oder in einem anderen computerlesbaren Medium) gespeicherte
Anweisungen umfasst, um die Prozesse und Verfahren wie nachstehend
beschrieben auszuführen.
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Mit
Bezug auf 2 ist ein Spannungszwischenkreisumrichtersystem
(oder Elektroantriebssystem) 54 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Spannungszwischenkreisumrichtersystem 54 umfasst
einen Controller 56, den mit einem Ausgang des Controllers 56 gekoppelten Wechselrichter 44 und
den Motor 50, der mit einem ersten Ausgang des Wechselrichters 44 gekoppelt
ist. Der Controller 56 kann in dem in 1 gezeigten
elektronischen Steuerungssystem 38 integriert sein.
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3 veranschaulicht
den Wechselrichter 44 von 1 und 2 genauer.
Der Wechselrichter 44 umfasst eine dreiphasige Schaltung,
die mit dem Motor 50 gekoppelt ist. Insbesondere umfasst
der Wechselrichter 44 ein Schalternetzwerk, das einen ersten
Eingang, der mit einer Spannungsquelle Vdc (z.
B. der Batterie 42) gekoppelt ist, und einen Ausgang aufweist,
der mit dem Motor 50 gekoppelt ist. Obwohl eine einzige Spannungsquelle
gezeigt ist, kann eine verteilte Gleichstromverbindung (DC-Verbindung) mit zwei
seriellen Quellen verwendet werden.
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Das
Schalternetzwerk 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 (oder Transistor) 60, 62 und 64 mit
einem ersten Anschluss, der mit einer positiven Elektrode der Spannungsquelle 42 gekoppelt
ist, und einen zweiten Schalter 66, 68 und 70 mit
einem zweiten Anschluss, der mit einer negativen Elektrode der Spannungsquelle 42 gekoppelt
ist und mit einem ersten Anschluss, der mit einem zweiten Anschluss
des jeweiligen ersten Schalters 60, 62 und 64 gekoppelt
ist.
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Immer
noch mit Bezug auf 1 wird das Fahrzeug 30 im
Betrieb dadurch betrieben, dass von der Brennkraftmaschine 48 und
dem Elektromotor 50 abwechselnd und/oder von der Brennkraftmaschine 48 und dem
Elektromotor 50 gleichzeitig Leistung an die Räder 36 geliefert
wird. Um den Elektromotor 50 mit Leistung zu versorgen,
wird DC-Leistung von der Batterie 42 an den Wechselrichter 44 geliefert,
welcher die DC-Leistung
in AC-Leistung umwandelt, bevor die Leistung an den Elektromotor 50 gesandt
wird. Wie der Fachmann feststellt, wird die Umwandlung von DC-Leistung
in AC-Leistung im Wesentlichen ausgeführt, indem die Transistoren
in dem Wechselrichter 44 mit einer "Schaltfrequenz" betrieben (d. h. wiederholt geschaltet)
werden.
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Der
Controller 56 erzeugt allgemein ein Signal zum Steuern
der Schaltaktion des Wechselrichters 44. Als ein Beispiel
erzeugt der Controller 56 ein unstetiges PWM-Signal (DPWM-Signal)
mit einem einzigen Nullvektor, der jedem Schaltzyklus des Wechselrichters 44 zugeordnet
ist. Der Wechselrichter 44 wandelt dann das PWM-Signal
in eine modulierte Spannungswellenform um, um den Motor 50 zu
betreiben. Bei einer bevorzugten Ausführungsform erzeugt der Controller 56 ein
PWM-Signal, das den Wechselrichter 44 so steuert, dass
die Schaltfrequenz des Wechselrichters 44 in Ansprechen
darauf, dass ein befohlenes Drehmoment des Elektromotors 50 unter
einem ersten Niveau liegt, auf einer ersten relativ hohen Einstellfrequenz
gehalten wird. Der Controller 56 erzeugt außerdem ein
PWM-Signal, das den Wechselrichter so steuert, dass ein Signal bereitgestellt
wird, das den Wechselrichter so steuert, dass die Schaltfrequenz
des Wechselrichters als eine Funktion des befohlenen Drehmoments
des Elektromotors bestimmt wird, während die Schaltfrequenz über einer
dynamischen Frequenzgrenze gehalten wird, wenn das befohlene Drehmoment
zwischen dem ersten und zweiten Niveau liegt.
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Diese
Ausgestaltung des Antriebssystems stellt eine gute Steuerung und
eine effiziente Verwendung von Leistung in dem Elektromotorantriebssystem
sicher. Insbesondere beeinflusst die Schaltfrequenz eines PWM-Wechselrichters die
Leistungsverluste in Halbleiterschaltern. Somit kann ein Verringern
der Schaltfrequenz Leistungsverluste verringern. Bei höheren Motordrehzahlen
ist jedoch eine höhere
Schaltfrequenz wünschenswert,
um ein angemessenes Impulsverhältnis
für eine
präzise
Steuerbarkeit des Elektromotors beizubehalten. Zudem ist es wünschenswert,
die Schaltfrequenz über
Niveaus zu halten, die übermäßige Geräuschemissionen
verursachen. Drittens beeinflusst die Schaltfrequenz die maximal
steuerbare Statorgrundfrequenz. Viertens kann die Schaltfrequenz
den Phasenrestwelligkeitsstrom beeinflussen, welcher Verluste sowohl
in dem Wechselrichter als auch dem Motor beeinflussen kann. Zudem
kann der Restwelligkeitsstrom eine ungewollte Drehmomentrestwelligkeit
in dem Antrieb verursachen.
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Die
Wechselrichterschaltverluste können
mit Gleichung 1 grob beschrieben werden. Insbesondere zeigt Gleichung
1, dass Schaltverluste PSW zu einer Spannung
Vdc, einem Phasenstrom Iph und
einer Schaltfrequenz fsw proportional sind. Psw ∝ VdcIphfsw (1)
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Um
daher konstante Schaltverluste beizubehalten, kann die Schaltfrequenz
so justiert werden, dass sie umgekehrt proportional zu dem Phasenstrom
ist. Da der Phasenstrom in etwa proportional zu dem Motordrehmoment
ist (in dem ungesättigten
Fall und unter der Basisdrehzahl), kann der Phasenstrom dem Motordrehmoment
in etwa gleichgesetzt werden. Ein Justieren der Schaltfrequenz als
eine Funktion, die umgekehrt proportional zu dem Motordrehmoment
ist, tendiert daher dazu, dass konstante Schaltverluste in den Halbleitereinrichtungen
beibehalten werden.
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Außerdem können durch
den Motor aufgrund der Schaltfrequenz akustische Geräusche erzeugt
werden. Das menschliche Ohr ist allgemein am empfindlichsten auf
Frequenzen in dem Bereich von 1 kHz bis 5 kHz. Um daher akustische
Geräusche
zu minimieren, ist es wünschenswert,
den Wechselrichter in einem viel höheren Bereich zu betreiben,
z. B. bei 8 kHz.
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Im
Allgemeinen ist die elektrische Grundfrequenz (fe)
eines Elektromotors proportional zu der Motordrehzahl. Um die Statorströme auf stabile
Weise zu steuern, muss das Verhältnis
der Schaltfrequenz zu der elektrischen Grundfrequenz hoch genug
bleiben. Dieses Verhältnis
wird manchmal als ein Impulsverhältnis
bezeichnet. Bei einigen typischen Motorsteuerungen wird beispielsweise
ein Impulsverhältnis
von etwa 10:1 benötigt,
um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten.
Es ist daher wünschenswert,
die Schaltfrequenz über
einem Niveau zu halten, welches verhindert, dass das Impulsverhältnis unter
den Betrag fällt,
der zur Gewährleistung
eines stabilen Betriebs benötigt
wird.
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Es
gibt daher Ziele, die bezüglich
der Schaltfrequenz in Konflikt stehen. Die Ausführungsformen der Erfindung
sind so ausgestaltet, dass sie die Schaltfrequenz so steuern, dass
sie bei einem hohen Wert liegt, um akustische Geräusche zu
verringern und die Steuerung bei hohen Drehzahlen und niedrigem
Drehmoment zu verbessern, und dass sie dann die Schaltfrequenz bei
hohem Drehmoment und Strom verringern, um den Leistungsverlust zu
verringern und die Halbleiterschalter vor einer Temperaturüberlastung
zu schützen.
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Zu 1–3 zurückkehrend,
ist der Controller 56 somit so ausgestaltet, dass er ein
PWM-Signal erzeugt, das den Wechselrichter 44 so steuert,
dass die Schaltfrequenz des Wechselrichters 44 auf einer
ersten, relativ hohen Einstellfrequenz in Ansprechen darauf gehalten
wird, dass ein befohlenes Drehmoment des Elektromotors 50 unter
einem ersten Niveau liegt. Der Controller 56 erzeugt ferner
ein PWM-Signal, das den Wechselrichter so steuert, dass ein Signal
bereitgestellt wird, welches den Wechselrichter so steuert, dass
die Schaltfrequenz des Wechselrichters als eine Funktion des befohlenen
Drehmoments des Elektromotors bestimmt wird, während die Schaltfrequenz über einer
dynamischen Frequenzgrenze gehalten wird, wenn das befohlene Drehmoment
zwischen dem ersten und zweiten Niveau liegt.
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Allgemein
ist die erste Einstellfrequenz auf ein relativ hohes Niveau eingestellt,
das für
eine gute Steuerung des Elektromotors 50 sorgt, ohne den
Durchlassbereich der Schalter in dem Wechselrichter 44 zu überschreiten
oder eine übermäßige Wärme aufgrund
von Schaltverlusten zu bewirken. Bei einigen Ausführungsformen
wird die erste Einstellfrequenz beispielsweise eine Schaltfrequenz
von 8 kHz umfassen.
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Bei
mittleren Motordrehzahlen wird der Wechselrichter 44 mit
einer Schaltfrequenz betrieben, die als eine Funktion des Drehmoments
variiert. Im Allgemeinen wird die Schaltfrequenz verringert, wenn
das befohlene Drehmoment ansteigt, und eine Vielzahl funktionaler
Beziehungen zwischen der Schaltfrequenz und dem Drehmoment kann
verwendet werden, um dies zu bewerkstelligen. Zum Beispiel kann
bei mittleren Motordrehzahlen die Beziehung zwischen der Schaltfrequenz
und dem Drehmoment linear, nicht linear oder irgendeine Kombination
daraus sein.
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Wie
voranstehend angegeben, wird die Schaltfrequenz im Betrieb des Elektromotors 50 als
eine Funktion des befohlenen Drehmoments variiert. Gleichzeitig
wird der Betrieb des Wechselrichters 44 jedoch so gesteuert,
dass sichergestellt wird, dass die Schaltfrequenz über einer
dynamischen Frequenzgrenze gehalten wird. Im Allgemeinen variiert
die dynamische Frequenzgrenze selbst mit der Motordrehzahl und spricht
auf diese an. Die dynamische Frequenzgrenze wird vorzugsweise so
implementiert, dass eine ausreichende Verringerung bei der Schaltfrequenz
zulässig
ist, um Leistungsverluste zu verringern, während eine Schaltfrequenz beibehalten
wird, die hoch genug ist, um eine gute Stromsteuerung bei der gegenwärtigen Drehzahl
des Motors beizubehalten. Darüber
hinaus ist die dynamische Frequenzgrenze vorzugsweise so gewählt, dass
akustische Geräusche
auf akzeptable Niveaus begrenzt werden.
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Bei
einer Ausführungsform
ist die dynamische Frequenzgrenze eine Funktion der Motordrehzahl, wenn
der Elektromotor bei mittleren Drehzahlen betrieben wird, d. h.
zwischen einem ersten Drehzahlniveau und einem zweiten Drehzahlniveau.
Wenn dann die Motordrehzahl unter einem ersten Drehzahlniveau liegt, wird
die dynamische Frequenzgrenze auf einer relativ niedrigen angegebenen
Einstellfrequenz gehalten.
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Zum
Beispiel kann die dynamische Frequenzgrenze so gewählt sein,
dass während
des Betriebs des Elektromotors ein angegebenes Impulsverhältnis beibehalten
wird, wobei das Impulsverhältnis
allgemein als ein Verhältnis
der Schaltfrequenz zu der Grundfrequenz definiert ist. Da die Grundfrequenz
in Beziehung zu der Motordrehzahl steht, legt ein Konfigurieren
der dynamischen Grenze, um ein angegebenes Impulsverhältnis beizubehalten,
die dynamische Frequenzgrenze effektiv als eine Funktion der Motordrehzahl
fest. Das Beibehalten eines hohen Impulsverhältnisses stellt einen ausreichende
Menge an Zyklen in dem Wechselrichter 44 sicher, um für eine genaue
Steuerung über
den Strom in dem Elektromotor 50 zu sorgen. Die dynamische Frequenzgrenze
wird somit so implementiert, dass sichergestellt ist, dass, wenn
die Motordrehzahl zunimmt, auch die Frequenzgrenze zunimmt, um sicherzustellen,
dass eine effektive Motorsteuerung beibehalten wird.
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Zudem
kann die dynamische Frequenzgrenze so eingestellt werden, dass bei
einer relativ hohen Frequenzgrenze gearbeitet wird, wenn der Elektromotor
bei Drehzahlen betrieben wird, die über dem zweiten Drehzahlniveau
liegen. Bei einer speziellen Ausführungsform kann diese hohe
Frequenzgrenze die gleiche Frequenz sein, mit welcher der Wechselrichter
bei niedrigen Drehmomentniveaus betrieben wird (z. B. 8 kHz).
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In 4 ist
nun eine graphische Darstellung 400 eines beispielhaften
Schaltfrequenz-Steuerungsschemas veranschaulicht. Bei dieser Darstellung
ist die Aufzeichnung der Schaltfrequenz als eine Funktion des Drehmomentbefehls
für Motordrehzahlwerte
von 100, 200, 400, 600, 800 und 800 U/min (RPM) veranschaulicht.
Unter einem ersten Drehmomentwert von m1 (z.
B. 100 Nm) wird die Schaltfrequenz ohne Rücksicht auf die Motordrehzahl
auf einem vorbestimmten Maximalwert (z. B. 8 kHz) gehalten. Wenn
der Drehmomentbefehl den ersten Wert überschreitet, wird die Schaltfrequenz
umgekehrt proportional zu dem Drehmoment verringert, während die
Schaltfrequenz über
einer dynamischen Frequenzgrenze gehalten wird.
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Die
dynamische Frequenzgrenze selbst variiert mit der Motordrehzahl
und spricht auf diese an. Dies verursacht die separaten Aufzeichnungen
für jeden
der veranschaulichten Motordrehzahlwerte. Bei der Darstellung von 4 ist
die dynamische Frequenzgrenze eine Funktion der Motordrehzahl, wenn
der Elektromotor bei mittleren Drehzahlen betrieben wird, d. h.
zwischen einem ersten Drehzahlniveau und einem zweiten Drehzahlniveau.
Dann, wenn die Motordrehzahl unter dem ersten Drehzahlniveau liegt,
wird die dynamische Frequenzgrenze bei einer relativ niedrigen angegebenen
Einstellfrequenz von 1 kHz gehalten.
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Nun
mit Bezug auf 5 ist eine graphische Darstellung 500 eines
beispielhaften Schemas für
die dynamische Frequenzgrenze veranschaulicht. Dies ist ein Beispiel
des Darstellungstyps, der, wenn er mit einer Funktion zur Steuerung
der Schaltfrequenz als Funktion des Drehmoments verwendet wird,
zu den in 4 veranschaulichten Schaltfrequenzwerten
führt.
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Bei
der Darstellung 500 ist die dynamische Grenze der Schaltfrequenz
als Funktion der Motordrehzahl aufgezeichnet. Bei niedrigen Motordrehzahlen
unter einer Drehzahl n1 (z. B. 100 U/min)
wird die dynamische Grenze der Schaltfrequenz auf einer voreingestellten
niedrigen Einstellfrequenz (fsw_min_lim)
gehalten. Dieses Niveau ist so gewählt, dass eine gute Steuerung
beibehalten wird, während übermäßige akustische
Geräusche und
ein übermäßiger Leistungsverlust
vermieden werden, und ist bei diesem Beispiel auf 1 kHz eingestellt. Selbstverständlich ist
dies nur ein Beispiel und es können
auch andere Grenzwerte verwendet werden.
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Bei
mittleren Motordrehzahlen (zwischen n1 und
n2 (z. B. 800 U/min)) wird die Schaltfrequenz
des Wechselrichters als eine Funktion der Motordrehzahl bestimmt.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist
die Funktion so ausgestaltet, dass ein gewünschtes minimales Impulsverhältnis (N)
zwischen der Schaltfrequenz (fsw) und der
Grundfrequenz (fe) beibehalten wird. Im
Betrieb des Elektromotors wird die Schaltfrequenz der Wechselrichter
als eine Funktion des befohlenen Drehmoments betrieben, welche die
Schaltfrequenz verringert, wenn das befohlene Drehmoment erhöht wird,
während
die Schaltfrequenz über
einer dynamischen Frequenzgrenze gehalten wird, die von der Motordrehzahl
abhängt.
Anders ausgedrückt
bestimmt die Motordrehzahl die minimal mögliche Schaltfrequenz, wobei
der Drehmomentbefehl die tatsächliche
Schaltfrequenz zwischen der maximalen und der drehzahlabhängigen minimalen
Frequenz verschwenkt. Somit ist der Betriebsbereich der Schaltfrequenz
fsw in 5 als die
schraffierte Fläche über der
dynamischen Frequenzgrenze fsw_min und unter
der maximalen Einstellschaltfrequenz von fsw_max veranschaulicht.
Es wird angemerkt, dass die dynamische Frequenzgrenze fsw_min und
die Maximalfrequenz fsw_max über Drehzahlen
von n2 konvergieren, und somit wird der
Motor über
Drehzahlen von n2 ohne Rücksicht auf das Drehmoment
mit der maximalen Schaltfrequenz fsw_max arbeiten.
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Es
wird erneut angemerkt, dass die Drehzahlwerte n1 und
n2 und die Frequenzwerte fsw_max und
fsw_min_lim und die Steigung und/oder die
Funktion der dynamischen Frequenzgrenze fsw_min rein
beispielhaft sind und dass andere Werte und Funktionen in Abhängigkeit
von den Details der Anwendung verwendet werden können.
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Eine
weitere beispielhafte Veranschaulichung der Techniken zur Bestimmung
der Schaltfrequenz ist in Gleichung 2 veranschaulicht.
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In
Gleichung 2 wird die Schaltfrequenz als eine Funktion des befohlenen
Drehmoments m* bestimmt, während
sie über
einer dynamischen Frequenzgrenze fsw_min gehalten
wird. Wenn das befohlene Drehmoment kleiner als ein Drehmomentniveau
m1 ist, wird die Schaltfrequenz auf die
maximale Frequenz fsw_max gesetzt. Wenn
das befohlene Drehmoment über
einem Drehmomentniveau m2 liegt, wird die
Schaltfrequenz fsw auf die dynamische Frequenzgrenze
fsw_min herunter verringert. Bei mittleren
Drehmomentwerten ist die Schaltfrequenz eine Funktion des Drehmoments
und der Frequenzgrenzen.
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Wie
bei dem Beispiel von Gleichung 2 auch gezeigt ist, ist die dynamische
Frequenzgrenze fsw_min selbst eine Funktion
der Motordrehzahl, die bei Drehzahlen über n2 gleich
fsw_max gesetzt wird, bei Drehzahlen unter
n1 gleich einem minimalen Wert fsw_min_lim gesetzt wird und bei dazwischen liegenden
Drehzahlen als eine Funktion der Grundfrequenz fe und
eines gewünschten
Impulsverhältnisses
N bestimmt wird.
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Wieder
werden die Werte, welche für
diese verschiedenen Parameter gewählt werden, auf der Grundlage
der Bedürfnisse
einer speziellen Anwendung gewählt.
Zum Beispiel kann das Frequenzprofil so gewählt sein, dass Verbindungstemperaturschwankungen
bei häufigen
Arbeitspunkten minimiert werden, um die Lebensdauer der Einrichtungen
zu erhöhen.
Zum Beispiel kann m1 so gewählt werden,
dass fsw bei einem typischen Motorankurbelereignis
auf ihrem Maximalwert gehalten wird, um Probleme mit akustischen
Geräuschen zu
vermeiden. Es wird auch angemerkt, dass Gleichung 2 nur eine beispielhafte
Funktion zur Einstellung der Schaltfrequenzen als eine Funktion
des Drehmoments (d. h. umgekehrt proportional) veranschaulicht.
Es können
jedoch auch alternative Funktionen verwendet werden. Auf ähnliche
Weise können,
obwohl Gleichung 2 die dynamische Frequenzgrenze fsw_min so
veranschaulicht, dass sie bei mittleren Drehzahlen als eine lineare Funktion
der Grundfrequenz fe bestimmt wird, auch
andere Funktionen verwendet werden.
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Die
verschiedenen Ausführungsformen
stellen somit ein System und Verfahren bereit, welche den Wechselrichter
so steuern, dass in Ansprechen darauf, dass ein befohlenes Drehmoment
des Elektromotors unter einem ersten Drehmomentniveau liegt, der
Wechselrichter so gesteuert wird, dass eine Schaltfrequenz des Wechselrichters
auf eine erste Einstellfrequenz eingestellt wird; und dass in Ansprechen
darauf, dass das befohlene Drehmoment des Elektromotors zwischen
dem ersten Drehmomentniveau und einem zweiten Drehmomentniveau liegt,
der Wechselrichter so gesteuert wird, dass die Schaltfrequenz des
Wechselrichters als eine Funktion des befohlenen Drehmoments des
Elektromotors bestimmt wird, während
die Schaltfrequenz über
einer dynamischen Frequenzgrenze gehalten wird. Das Verfahren verringert
Schaltfrequenzen in dem Wechselrichter bei hohen befohlenen Drehmomenten,
während
es die Schaltfrequenzen über
einer dynamischen Frequenzgrenze hält, die für eine effektive Steuerung
des Motors sorgt. Dies verringert einen Leistungsverlust und verbessert
damit den Wirkungsgrad des Systems.
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Obwohl
mindestens eine beispielhafte Ausführungsform in der voranstehenden
genauen Beschreibung dargestellt wurde, ist festzustellen, dass
eine große
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 Umfang, die
Anwendbarkeit oder die Ausgestaltung der Erfindung in irgendeiner
Weise zu beschränken.
Stattdessen wird die voranstehende genaue Beschreibung Fachleuten
eine brauchbare Anleitung zur Implementierung der beispielhaften
Ausführungsform
oder der beispielhaften Ausführungsformen
bereitstellen. Es sollte verstanden sein, dass in der Funktion und
Anordnung von Elementen verschiedene Änderungen durchgeführt werden
können,
ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den
beigefügten
Ansprüchen
und deren juristischen Äquivalenten
offen gelegt ist.
