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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft elektronisch kommutierte elektrische Maschinen, insbesondere die Ansteuerung von elektrischen Maschinen gemäß einem Kommutierungsschema mit Pulsweitenmodulation.
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Stand der Technik
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Elektronisch kommutierte elektrische Maschinen sind zwei- oder mehrphasig ausgebildet und können mit verschiedenen Kommutierungsschemata angesteuert werden. Ein Kommutierungsschema entspricht einer zeitlichen Abfolge von Ansteuerungsmustern für die Phasenleitungen, über die die elektrische Maschine mit elektrischer Energie versorgt wird. Das Kommutierungsschema gibt vor, in welcher Weise die Phasenspannungen an die einzelnen Phasenstränge der elektrischen Maschine angelegt werden.
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Ein mögliches Kommutierungsschema ist die Blockkommutierung, bei der das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation während der gesamten Dauer, während der ein Phasenstrang bestromt werden soll, konstant bleibt. Je nach Art der Blockkommutierung werden während eines Schaltzyklus entweder immer zwei oder alle Phasenstränge bestromt. Die Blockkommutierung ist das einfachste Verfahren zur Kommutierung einer elektrischen Maschine und kann unter Einsatz von Mikrocontrollern mit geringer Leistung realisiert werden. Durch die steilen Flanken des Ein- und Ausschaltens der Bestromung der Phasenstränge zu Beginn und Ende jedes Schaltzyklus entstehen jedoch mechanische Schwingungen in der elektrischen Maschine, die zu störenden Betriebsgeräusche führen können. Weiterhin entstehen höhenfrequente Stromrippel in den Versorgungsleitungen, die sich insbesondere bei einem Einsatz in einem Kraftfahrzeug nachteilig auswirken.
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Als weiteres Kommutierungsschema ist die Trapezkommutierung bekannt, bei der in jedem Schaltzyklus (entspricht 180° elektrischer Kommutierungswinkel) die benötigte Phasenspannung mit einem verringerten Gradienten angefahren wird. Dies wird durch ein schrittweises Erhöhen des Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation, beispielsweise gemäß einer einfach zu berechnenden Rampe wie z. B. einer linearen Rampe, erreicht. Dieses Kommutierungschema bringt zwar eine Verbesserung gegenüber der zuvor beschriebenen Blockkommutierung, das Entstehen von Störgeräuschen und sonstigen Störeinflüssen wird jedoch nicht zufriedenstellend vermieden.
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Die physikalisch optimale Ansteuerung der elektrischen Maschine besteht jedoch in der Sinusansteuerung, bei der für jeden Schaltzyklus ein sinusförmiger Verlauf der anzulegenden Phasenspannung vorgegeben wird. Dies wird durch die entsprechende Anpassung des Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation erreicht. Eine Sinusansteuerung ist hinsichtlich der Störgeräuschentwicklung und des Entstehens von EMV-Gesichtspunkten das am besten geeignete Verfahren, benötigt aber eine hohe Rechenleistung des verwendeten Mikrocontrollers, der das Kommutierungsschema umsetzt, und ist daher aufwändig zu realisieren.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern einer mehrphasigen elektrischen Maschine zur Verfügung zu stellen, mit dem die elektrische Maschine mit möglichst geringer Geräuschentwicklung und geringen EMV-Einflüssen auf benachbarte Systeme betrieben werden kann und trotzdem wenig Rechenleistung benötigt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung und das Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Ansteuern einer mehrphasigen elektrischen Maschine vorgesehen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- – Bereitstellen von Schaltmustern für eine Schaltperiode in einem Zwischenspeicher, wobei die Schaltperiode einer Läuferlage der elektrischen Maschine zugeordnet ist, wobei jedes Schaltmuster einer Kombination von bei einer Läuferlage der elektrischen Maschine anzulegenden Phasenspannungen entspricht;
- – zyklisches Abrufen eines Schaltmusters und Ansteuern einer Treiberschaltung entsprechend dem jeweils abgerufenen Schaltmuster;
- – Berechnen von Schaltmustern für die folgende Schaltperiode; und
- – Speichern der berechneten Schaltmuster für die nächste Zeitperiode im Zwischenspeicher.
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass zur Realisierung einer Sinusansteuerung der elektrischen Maschine der Verlauf der Schaltmuster gemäß dem als nächsten anzugebenden Tastverhältnis für eine Halbwelle berechnet wird und dies als dynamische Tabelle in einem Zwischenspeicher abgelegt wird. Zum Ansteuern der elektrischen Maschine werden nun die Werte der berechneten Tabelle ausgelesen und es wird ein entsprechendes Schaltmuster an die elektrische Maschine angelegt. Eine derartige Vorgehensweise hat den Vorteil, dass die Ansteuermuster nicht in Echtzeit berechnet werden müssen, sondern dass es vielmehr möglich ist, eine komplexe Berechnung der Schaltmuster mit einem einfachen Mikrocontroller durchzuführen und anschließend die in dem Zwischenspeicher abgelegten Schaltmuster der einen Halbwelle in einfacher Weise auszulesen und an die elektrische Maschine anzulegen, um diese entsprechend dem vorgegebenen Tastverhältnis zu betreiben.
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Weiterhin kann die Kombination der bei einer Rotorlage der elektrischen Maschine anzulegenden Phasenspannungen einen Zustand eines oder mehrerer unbestromter Phasenstränge der elektrischen Maschine umfassen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Schaltperiode einem Schaltzyklus entsprechen, der einen Zeitraum zwischen aufeinanderfolgenden Vorzeichenwechseln der Phasenspannungen oder einen Wechsel von einem unbestromten zu einem bestromten Zustand oder umgekehrt angibt.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Ansteuerung der Treiberschaltung gemäß einer Pulsweitenmodulation durchgeführt wird, wobei jede durch ein Schaltmuster angegebene Phasenspannung durch eine Angabe eines Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation bestimmt wird.
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Insbesondere kann der Zeitpunkt des Wechsels von einer Schaltperiode zu einer nächsten Schaltperiode läuferlageabhängig durchgeführt werden, wobei das zyklische Abrufen des Schaltmusters durchgeführt wird, indem das Schaltmuster innerhalb der Schaltperioden für jeden Pulsweitenmodulationszyklus abhängig von einer vorgegebenen Angabe der Drehzahl bestimmt wird.
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Weiterhin können das zyklische Abrufen des Schaltmusters und das Ansteuern der Treiberschaltung in einer Steuereinheit sowie das Berechnen der Schaltmuster für die folgende Schaltperiode und das Speichern der berechneten Schaltmuster im Zwischenspeicher, insbesondere asynchron, in einem von der Steuereinheit separaten Steuergerät oder in einem separaten Software-Task desselben Steuergerätes durchgeführt werden.
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Insbesondere kann das Berechnen der Schaltmuster für die Schaltperiode gemäß einer Sinuskommutierung durchgeführt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Ansteuern einer mehrphasigen elektrischen Maschine vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst:
- – eine Speichereinheit zum Bereitstellen von Schaltmustern für eine erste Schaltperiode, wobei jedes Schaltmuster einer Kombination von bei einer Rotorlage der elektrischen Maschine anzulegenden Phasenspannungen entspricht;
- – eine Steuereinheit zum zyklischen Abrufen eines von einer Läuferlage der elektrischen Maschine abhängigen Schaltmusters und Ansteuern einer Treiberschaltung entsprechend dem jeweils abgerufenen Schaltmuster; und
- – ein von der Steuereinheit separates Steuergerät oder separater Software-Task zum Berechnen von Schaltmustern für eine folgende Schaltperiode; und zum Speichern der berechneten Schaltmuster für die folgende Zeitperiode in der Speichereinheit.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem vorgesehen, umfassend:
- – eine elektrische Maschine;
- – eine Treiberschaltung zum Bereitstellen von Phasenspannungen; und
- – die obige Vorrichtung.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem Synchronmotor; und
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2 eine schematische Darstellung der Funktion zum Betreiben des Synchronmotors des Motorsystems der 1.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motorsystems 1 zum Betreiben eines Synchronmotors 2. Der Synchronmotor 2 ist mehrphasig, insbesondere dreiphasig, ausgebildet und kann zum Betreiben eines Lüfters, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, dienen.
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Zum Betreiben des Synchronmotors 2 ist dieser mit einer Treiberschaltung 3 verbunden, die gemäß einem Schaltmuster Phasenspannungen über Phasenleitungen 4 an den Synchronmotor 2 anlegt. Die Treiberschaltung 3 kann beispielsweise in Form einer an sich bekannten B6-Schaltung ausgebildet sein, bei der drei Inverterbrücken zwischen einem Versorgungspotential und einem Massepotential vorgesehen sind. Jede der Inverterbrücken weist zwei in Reihe geschaltete Leistungstransistoren auf, die separat ein- und ausschaltbar sind. Alternativ kann, insbesondere bei zweiphasigen elektrischen Maschinen, eine 2H-Schaltung als Treiberschaltung vorgesehen sein.
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Die Steuerung der Leistungstransistoren wird von einer Steuereinheit 5 übernommen, die z. B. als ein Mikrocontroller ausgebildet sein kann. Die Steuereinheit 5 steuert die einzelnen Leistungstransistoren mit Steuersignalen gemäß Schaltmustern an. Die Ansteuerung erfolgt rotorlageabhängig. Dazu kann der Synchronmotor 2 beispielsweise mit einem Lagesensor 6 versehen sein, der die aktuelle Rotorlage an die Steuereinheit 5 meldet. Alternativ können in der Steuereinheit 5 auch Verfahren zur sensorlosen Lagebestimmung implementiert sein.
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Die Steuereinheit 5 schaltet die einzelnen Phasenspannungen in Schaltzyklen, wobei bei jedem Wechsel von einem Schaltzyklus zu einem nächsten einer der Phasenanschlüsse stromlos geschaltet wird und/oder ein weiterer der zuvor stromlosen Phasenanschlüsse bestromt wird. Der Wechsel von einem Schaltzyklus zu einem nächsten wird durch die Änderung der Rotorlage bestimmt. Insbesondere kann ein Umlauf eines Rotors der Synchronmaschine 2 in eine Anzahl von Schaltzyklen unterteilt werden, die dem Produkt der Anzahl von Phasen und der Anzahl von Rotorpolen entspricht. Die Ansteuerung der Treiberschaltung 3 während der einzelnen Schaltzyklen wird durch Schaltmuster bestimmt. Die Schaltmuster geben für jede Phase und für einen bestimmten Zeitpunkt bzw. eine bestimmte Zeitperiode eine anzulegende Phasenspannung für den jeweils betreffenden Phasenstrang an. Die Phasenspannung wird in der Regel durch eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung der der jeweiligen Phase zugeordneten Inverterschaltung erzeugt. Zur Variation der Phasenspannung wird ein Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation vorgegeben, das ein Verhältnis einer Einschaltzeit eines der Leistungstransistoren zu einer gesamten Zykluszeit der Pulsweitenmodulation angibt.
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Die während eines Schaltzyklus an die Treiberschaltung 3 anzulegenden Schaltmuster werden einem Zwischenspeicher 7 entnommen. Der Zwischenspeicher 7 speichert für eine vorgegebene Anzahl von Stützstellen Angaben über die an jede der Phasenleitungen 4 anzulegenden Phasenspannungen. Beispielsweise können Speicherplätze für Phasenspannungsangaben für 64 Schaltmuster vorgesehen sein. Die Schaltmuster können für jede der Phasen beispielsweise eine Angabe zu einem Tastverhältnis, gemäß dem die Treiberschaltung angesteuert wird, und/oder eine Angabe über eine oder mehrere der Phasen, die unbestromt sind, bereitstellen.
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Nach jedem Pulsweitenmodulationszyklus der pulsweitenmodulierten Motoransteuerung wird nun ein Zeiger für den Bereich des Zwischenspeichers 7 inkrementiert, in dem die Schaltmuster für den aktuellen Schaltzyklus abgelegt sind, und es wird ein entsprechendes Schaltmuster, d. h. eine Kombination von Tastverhältnissen sowie eine Angabe eines etwaigen unbestromten Zustandes einer Phase aus dem Zwischenspeicher 7, ausgelesen. Der Pulsweitenmodulationszyklus entspricht vorzugsweise einer Zeitdauer, die höchstens der Zeitdauer eines Schaltzyklus dividiert durch die Anzahl von Stützstellen entspricht. Die Schrittweite, mit der der Zeiger für jeden Pulsweitenmodulationszyklus inkrementiert wird, ist abhängig von der Drehzahl des Rotors.
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Im Detail wird ausgehend vom Zeitpunkt des Beginns des Schaltzyklus, der Dauer des Pulsweitenmodulationszyklus und der momentanen Drehzahl, die vorgegeben wird, die für den folgenden Pulsweitenmodulationszyklus benötigte Kombination von Tastverhältnissen ermittelt. Auf diese Weise kann die Steuereinheit 5 für jeden neuen Pulsweitenmodulationszyklus das entsprechende Tastverhältnis für jede der Inverterbrücken auslesen und die Ansteuerschaltung entsprechend betreiben.
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Es ist weiterhin zusätzlich zur Steuereinheit 5 ein Steuergerät 8 vorgesehen, das eine Sollangabe zur Ansteuerung des Synchronmotors 2 von extern empfängt, beispielsweise in Form einer Motorstromangabe oder einer Drehmomentangabe. Das Steuergerät 8 ermittelt basierend auf der Sollangabe laufend Schaltmuster für die Stützstellen zum asynchronen Speichern in den Zwischenspeicher 7.
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Alternativ kann der Zwischenspeicher 7 zwei Speicherbereiche aufweisen. Ein erster Speicherbereich speichert die Schaltmuster des aktuellen Schaltzyklus und ein zweiter Speicherbereich speichert die Schaltmuster des darauffolgenden Schaltzyklus. Bei einem Wechsel des Schaltzyklus entsprechend einer Änderung der Rotorlage werden Schaltmuster des zweiten Speicherbereiches ausgegeben, während das Steuergerät 8 die Schaltmuster des nächsten Schaltzyklus in den ersten Speicherbereich speichert.
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Wie in dem Funktionsdiagramm der 2 dargestellt, erhält ein Berechnungsblock 11 des Steuergeräts 8 dazu neben der Sollangabe S auch eine Angabe über die Batteriespannung Ubat bzw. die Bordnetzspannung, die Drehzahl n des Rotors des Synchronmotors 2, Motorgrößen, wie z. B. dessen Induktivität Li, Innenwiderstand Ri und Polzahl P, sowie Angaben aus einer Induktionsspannungstabelle 12 und einer Stromformtabelle 13, die motorindividuell vorgegeben sein können. Daraus ermittelt das Steuergerät 8 eine Schaltmustertabelle 14, die im Zwischenspeicher 7 abgelegt wird.
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Die Schaltmuster werden entsprechend einer Sinuskommutierung berechnet. Bei der Sinuskommutierung variieren die Tastverhältnisse der Schaltmuster während jedes Schaltzyklus entsprechend einer Sinushalbwelle. Da dieses sich permanent ändernde Tastverhältnis zu jedem neuen Pulsweitenmodulationszyklus entsprechend bereitgestellt werden muss, sind die üblicherweise als Steuereinheit 5 eingesetzten Mikrocontroller nicht ausreichend, um diese Berechnung in Echtzeit durchzuführen. Daher sieht das obige Motorsystem vor, die Berechnung der Schaltmuster für jeden Schaltzyklus vorzuziehen und in dem Zwischenspeicher 7 abzulegen. Die Steuereinheit 5 greift dann lediglich auf den Zwischenspeicher 7 zu, um das jeweils aktuelle Schaltmuster an die Treiberschaltung 3 anzulegen. Anstelle der Sinuskommutierung kann das obige Verfahren auch mit jedem anderen Kommutierungsschema verwendet werden.
