DE102010054243A1

DE102010054243A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer mehrphasigen Elektromaschine sowie Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Phasenstroms

Info

Publication number: DE102010054243A1
Application number: DE102010054243A
Authority: DE
Inventors: Carsten Busse; Peter-Christoph Daur; Markus Aust; Dr.-Ing. Bruna Michal
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2010-12-11
Filing date: 2010-12-11
Publication date: 2012-06-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer mehrphasigen Elektromaschine (9), wobei die Elektromaschine (9) eine Sternpunktschaltung aufweist, wobei mindestens eine Stellgröße der Elektromaschine (9) mindestens in Abhängigkeit einer Rotorlage (αF) eines Rotors der Elektromaschine (9) eingestellt wird, wobei die mindestens eine Stellgröße mittels mindestens eines Schaltelements eingestellt wird, wobei die Rotorlage (αF) in Abhängigkeit einer Sternpunktspannung (VS) der Elektromaschine (9) und einem Schaltzustand (SZ) des mindestens einen Schaltelements bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren lind eine Vorrichtung zur Steuerung einer mehrphasigen Elektromaschine sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Phasenstroms einer mehrphasigen Elektromaschine.
In Elektro- oder Hybridfahrzeugen erfolgt eine Regelung einer Elektromaschine mittels leistungselektronischer Elemente. Die Leistungselektronik wandelt hierbei in einem motorischen Betrieb elektrische Energie, die z. B. in einer Hochvolt-Batterie oder Traktionsbatterie gespeichert ist, in Wechselgrößen (Wechselstrom, Wechselspannung) zur Ansteuerung der Elektromaschine, beispielsweise einer dreiphasigen permanentmagneterregten Synchronmaschine, um. Die Leistungselektronik umfasst hierbei insbesondere einen so genannten Wechselrichter, wobei mittels des Wechselrichters Gleichgrößen in Wechselgrößen (motorischer Betrieb) und Wechselgrößen in Gleichgrößen (generatorischer Betrieb) wandelbar sind. Der Wechselrichter umfasst hierbei elektrische oder elektronische Schaltelemente, die beispielsweise als MOSFETs oder IGBTs ausgeführt sein können.
Hierbei kann die Elektromaschine eine so genannte Sternpunktschaltung aufweisen, wobei alle Phasen der mehrphasigen Elektromaschine an einen gemeinsamen Sternpunkt angeschlossen sind.
In einem motorischen Betriebsmodus erfolgt eine Steuerung oder Regelung der Elektromaschine durch Einstellen einer Stellgröße, beispielsweise einer Phasenspannung und/oder eines Phasenstroms der Elektromaschine, z. B. mittels einer entsprechend ausgebildeten Steuereinrichtung. Diese kann eine Stellgröße entsprechend einem Sollwert, z. B. einem Sollmoment, bestimmen und entsprechende Phasenspannungen einstellen. Hierfür können Schaltelemente eines Wechselrichters derart geschaltet werden, dass entsprechende Phasenspannungen der Elektromaschine eingestellt werden. Mittels der Steuereinrichtung können hierbei Schaltzeitpunkte der Schaltelemente derart bestimmt werden, dass an den Phasen der Elektromaschine eine gewünschte Phasenspannung eingestellt wird. Z. B. kann eine dreiphasige Elektromaschine mittels eines so genannten dreiphasigen Wechselrichters, der auch als B6-Brücke bezeichnet werden kann, betrieben werden. Hierbei umfasst der dreiphasige Wechselrichter drei Halbbrücken mit jeweils zwei Schaltelementen, die z. B. MOSFET oder IGBT ausgebildet sein können. Durch Ansteuerung dieser Schaltelemente, z. B. durch Einstellung der Gate-Spannung dieser Schaltelemente, können die drei gewünschten Phasenspannungen der dreiphasigen Elektromaschine eingestellt werden.
Verfahren zur Steuerung von mehrphasigen Elektromaschinen in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen umfassen auch eine so genannte Vektorsteuerung von Elektromaschinen. Hierbei werden Phasenspannungen und/oder Phasenströme der mehrphasigen Elektromaschine, die aus der Perspektive eines Rotors der Elektromaschine Wechselgrößen darstellen, in, aus Perspektive des Rotors betrachtete, Gleichgrößen transformiert. Auf Grundlage dieser Gleichgrößen wird dann eine gewünschte Steuer- oder Regelung durchgeführt. Hiernach werden die mittels der Steuerung oder Regelung bestimmten rotorfesten Gleichgrößen wieder in ein Koordinatensystem der ursprünglichen Wechselgrößen transformiert.
Beispielsweise stellen bei einer dreiphasigen permanenterregten Synchronmaschine die Phasenströme der jeweiligen Phase Wechselgrößen bezüglich des Rotors der Synchronmaschine dar. Zur Regelung eines Drehmoments der genannten Elektromaschine mittels der Vektorsteuerung werden diese Wechselgrößen mit Hilfe der so genannten Clark-Transformation in ein Zwei-Größen-System transformiert, welches auch als α-β-System bezeichnet wird. Das α-β-System stellt ein statorfestes Koordinatensystem dar, welches aber weiterhin Wechselgrößen bezüglich des Rotors enthält. Selbstverständlich können mit Hilfe einer inversen Clark-Transformation Größen des α-β-Systems wiederum in die ursprünglichen Phasenströme transformiert werden. Um aus Größen des α-β-Systems, welche weiterhin Wechselgrößen bezüglich des Rotors darstellen, Gleichgrößen (bezüglich des Rotors) zu erhalten, wird in der Regel die so genannte Park-Transformation angewendet. Hierbei werden Größen des α-β-Systems in ein so genanntes d-q-System transformiert, welches ein rotorfestes Koordinatensystem darstellt. Dies hat den Vorteil, dass für die nun vorliegenden Gleichgrößen einfache und bekannte Regelalgorithmen anwendbar sind. Mit Hilfe einer so genannten inversen Park-Transformation wird aus dem rotorfesten d-q-System wieder in das statorfeste α-β-System transformiert. Hiernach kann eine so genannte Raumzeigermodulation erfolgen, wobei mittels der Raumzeigermodulation ein zeitlicher Verlauf von Phasenspannungen der dreiphasigen permanenterregten Synchronmaschine erzeugt wird. Hierbei wird also das auf zwei Größen bezogene α-β-System durch die Raumzeigermodulation wieder in ein dreiphasiges System aus Wechselgrößen transformiert. Auf Grundlage der Ergebnisse der Raumzeigermodulation werden dann Schaltzustände eines dreiphasigen Wechselrichters eingestellt.
Zur Transformation von einem statorfesten Koordinatensystem in ein rotorfestes Koordinatensystem, insbesondere zur Transformation von Größen im α-β-System in Größen des d-q-Systems wird eine Information über eine Rotorlage des Rotors der Elektromaschine benötigt.
Hierbei ist bekannt, eine Rotorlage der Elektromaschine mittels eines geeigneten Rotorlagesensors zu erfassen. Nachteilig ergibt sich hierbei, dass der Rotorlagesensor ein kostenintensives Bauelement darstellt und zusätzlichen Bauraum erfordert.
Alternativ ist es möglich, eine Rotorlage des Rotors zu schätzen. Die DE 10 2008 058 872 A1 offenbart ein Verfahren zum Steuern eines Elektromotors, wobei ein Signal an den Elektromotor bereitgestellt wird, das mindestens erste und zweite Zyklen umfasst. Hierbei wird ein erster Flusswert für den Elektromotor berechnet, welcher dem ersten Zyklus des Signals zugeordnet ist. Weiter wird ein zweiter Flusswertauf Grundlage des ersten Flusswerts für den Elektromotor berechnet, welcher dem zweiten Zyklus des Signals zugeordnet ist. Das in der Druckschrift offenbarte Verfahren ist hierbei ein Verfahren zur sensorlosen Steuerung eines Elektromotors. Hierbei wird in Abhängigkeit einer Motorspannung und eines Motorstroms mittels eines Motormodells und eines Flussmodells eine Rotorposition und eine Drehzahl des Elektromotors bestimmt.
Nachteilig ergibt sich hierbei, dass zur Bestimmung der Rotorlage eine Erfassung von Motorströmen erforderlich ist.
Es stellt sich das technische Problem, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, welche eine rotorlagesensorlose und vereinfachte Steuerung der Elektromaschine, insbesondere eine Steuerung ohne messtechnische Erfassung von Phasenströmen der Elektromaschine, ermöglicht. Weiter stellt sich das technische Problem, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schätzung von Phasenströmen einer Elektromaschine zu ermöglichen, die eine hinreichend genaue Bestimmung von Phasenströmen ermöglicht.
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Steuerung einer mehrphasigen Elektromaschine, insbesondere einer dreiphasigen Elektromaschine. Die Elektromaschine kann hierbei insbesondere als permanentmagneterregte Synchronmaschine ausgebildet sein. Die Elektromaschine weist hierbei eine Sternpunktschaltung auf. Der Sternpunkt bezeichnet hierbei einen Schaltpunkt, an welchem alle Phasen der mehrphasigen Elektromaschine zusammengeschaltet sind. Weiter wird mindestens eine Stellgröße der Elektromaschine mindestens in Abhängigkeit einer Rotorlage eines Rotors der Elektromaschine eingestellt. Beispielsweise können Phasenspannungen der Elektromaschine als Stellgrößen eingestellt werden. Dies kann beispielsweise mittels einer geeigneten Steuereinrichtung erfolgen, wobei die Steuereinrichtung z. B. das vorhergehend erläuterte Verfahren zur Vektorsteuerung durchführen kann. Die mindestens eine Stellgröße wird hierbei mittels mindestens eines Schaltelements eingestellt. Das Schaltelement bezeichnet hierbei ein elektrisches oder elektronisches Schaltelement, insbesondere ein MOSFET oder IGBT. Ist die mehrphasige Elektromaschine eine dreiphasige Elektromaschine, so können die drei Phasenspannungen (Stellgrößen) mittels den Schaltelementen eines dreiphasigen Wechselrichters eingestellt werden. Hierfür können z. B. aus einer Raumzeigermodulation geeignete Schaltzeitpunkte der einzelnen Schaltelemente ermittelt werden. Die mindestens eine Stellgröße kann hierbei zusätzlich in Abhängigkeit einer z. B. durch einen Kraftfahrzeugführer vorgegebenen Sollgröße, beispielsweise einer Soll-Drehzahl oder eines Soll-Drehmoments, eingestellt werden.
Erfindungsgemäß wird die Rotorlage in Abhängigkeit einer Sternpunktspannung der Elektromaschine und einem Schalizustand des mindestens eines Schaltelements bestimmt. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Sternpunktspannung abhängig von Phasenspannungen und eine durch eine zeitliche Veränderung eines magnetischen Flusses in der Elektromaschine induzierten Spannung ist. Eine Kenntnis der Schaltzustände der Schaltelemente erlaubt hierbei einen Rückschluss auf die an Phasen der Elektromaschine anliegenden Phasenspannungen. Je nach Rotorlage und somit auch Lage eines magnetischen Feldes des Rotors (Rotorfeld) stellt sich ein magnetischer Fluss in der Elektromaschine ein, der in Wicklungen der Elektromaschine, insbesondere in den Statorwicklungen, eine Spannung induziert. Die Sternpunktspannung ist daher abhängig von den Phasenspannungen und den durch den magnetischen Fluss bzw. dessen zeitliche Änderung induzierten Spannungen. Eine Abhängigkeit der Sternpunktspannung von den Phasenspannungen und induzierten Spannungen kann hierbei z. B. mittels einer Funktion beschreibbar sein oder mittels Heuristiken vorbekannt sein, die beispielsweise über Feldversuche bestimmt wurden. Aus der bekannten Sternpunktspannung und der aus dem mindestens einen Schaltzustand bekannten Phasenspannung lässt sich die induzierte Spannung bestimmen. Aus der induzierten Spannung kann wiederum die Rotorlage bestimmt werden.
Durch das vorgeschlagene Verfahren ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache Bestimmung einer Rotorlage ohne Verwendung eines Rotorlagesensors. Dies reduziert in vorteilhafter Weise Kosten und einen benötigten Bauraum einer Vorrichtung zur Steuerung der Elektromaschine.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Rotorlage zusätzlich in Abhängigkeit von mindestens einer Phasenspannung und einer Längsinduktivität und/oder einer Querinduktivität der Elektromaschine bestimmt. Die mindestens eine Phasenspannung kann hierbei mittels eines Spannungssensors erfasst werden. Vorzugsweise werden alle Phasenspannungen aller Phasen der Elektromaschine mittels eines Spannungssensors erfasst. Die Kenntnis der Phasenspannung oder der Phasenspannungen sowie die Kenntnis einer Längs- und/oder Querinduktivität ermöglicht hierbei eine genauere Beschreibung eines Zusammenhangs zwischen der Sternpunktspannung und der Rotorlage. Insbesondere liegt eine genaue und nicht indirekt aus Schaltzuständen ermittelte Kenntnis der Phasenspannungen und aufgrund der Kenntnis der Längs- und/oder Querinduktivität verbesserte Bestimmbarkeit der induzierten Spannung vor. Hierdurch ergibt sich also in vorteilhafter Weise eine genauere Bestimmung der Rotorlage.
Zu beachten ist, dass die Rotorlage ausschließlich in Abhängigkeit einer Sternpunktspannung der Elektromaschine und einem Schaltzustand des mindestens einen Schaltelements bestimmt werden kann, insbesondere ohne Kenntnis von Phasenströmen der Elektromaschine. Auch kann die Rotorlage ausschließlich in Abhängigkeit der Sternpunktspannung, der Schaltzustände der Phasenspannungen und/oder einer Längsinduktivität und/oder einer Querinduktivität, also wiederum ohne Kenntnis von Phasenströmen, bestimmt werden.
Hier kann angenommen werden, dass Induktivitäten oder Teilinduktivitäten der Elektromaschine vorbekannt sind.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Rotorlage zusätzlich in Abhängigkeit von mindestens einer Teilphasenspannung bestimmt. Insbesondere kann die Rotorlage zusätzlich in Abhängigkeit mehrerer oder aller Teilphasenspannungen der im Sternpunkt geschalteten Elektromaschine bestimmt werden. Eine Teilphasenspannung bezeichnet hierbei eine über einem Teil der jeweiligen Phase, beispielsweise über einer Teilinduktivität der Phase, abfallende Spannung. Eine Kenntnis der Teilphasenspannung erlaubt hierbei eine genauere Beschreibung eines Zusammenhangs zwischen der Rotorlage und der Sternpunktspannung. Insbesondere kann aus Kenntnis aller Teilphasenspannungen und aller Induktivitätswerte von (Teil-)Induktivitäten der Elektromaschine ein magnetischer Fluss der Elektromaschine und hieraus die Rotorlage genauer bestimmt werden. Hierfür können Wicklungen, insbesondere Statorwicklungen, der Elektromaschine aus zwei Teilwicklungen aufgebaut sein. Eine Teilphasenspannung kann dann z. B. zwischen den beiden Teilwicklungen abgegriffen werden.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine verbesserte Bestimmung der Rotorlage ohne Verwendung eines separaten vorgesehenen Rotorlagesensors.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Rotorlage zusätzlich in Abhängigkeit mindestens eines Phasenstroms bestimmt. Insbesondere kann die Rotorlage zusätzlich in Abhängigkeit aller Phasenströme der Elektromaschine bestimmt werden. Insbesondere ermöglicht die Kenntnis von Phasenströmen eine verbesserte Bestimmung des magnetischen Flusses in der Elektromaschine und somit eine verbesserte Beschreibung eines Zusammenhangs zwischen Sternpunktspannung und Rotorlage. Weiter kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung einer mehrphasigen Elektromaschine die mindestens eine Stellgröße der Elektromaschine zusätzlich in Abhängigkeit von Phasenströmen der Elektromaschine einstellen. Insbesondere ist denkbar, dass die Phasenspannungen mittels des vorhergehend beschriebenen Verfahrens der Vektorsteuerung eingestellt werden, wobei die statorfesten Phasenströme in rotorfeste Phasenströme transformiert und hieraus z. B. nach einer entsprechenden Regelung mittels einer Raumzeigermodulation Phasenspannungen bestimmt werden. Hierdurch ergibt sich eine verbesserte Steuerung oder Regelung der mehrphasigen Elektromaschine.
In einer weiteren Ausführungsform wird mittels des mindestens einen Schaltelements eine Phasenspannung eingestellt, wobei der mindestens eine Phasenstrom in Abhängigkeit einer Zeitdauer eines Anstiegs oder Abfalls der mindestens einen Phasenspannung und in Abhängigkeit von dynamischen Eigenschaften des mindestens einen Schaltelements bestimmt wird. Hierbei wird eine Richtung und eine Stärke des Phasenstroms in Abhängigkeit einer Zeitdauer eines Anstiegs oder Abfalls der mindestens einen Phasenspannung von einem Ausgangswert auf einen vorbestimmten Schwellwert und in Abhängigkeit von dynamischen Eigenschaften, insbesondere von resistiven kapazitiven und/oder indtiktiven Eigenschaften, des mindestens einen Schaltelements bestimmt. Die Zeitdauer wird hierbei ab einem Schaltzeitpunkt des mindestens einen Schaltelements bestimmt. Die Zeitdauer von dem Schaltzeitpunkt, beispielsweise von dem Zeitpunkt der Einstellung einer vorbestimmten Gate-Spannung an einem MOSFET oder IGBT, bis zum Erreichen des vorbestimmten Schwellwerts kann hierbei auch als Totzeit bezeichnet werden. Aus dem zeitlichen Verlauf der Phasenspannung nach dem Schaltzeitpunkt sowie den dynamischen Eigenschaften des Schaltelements kann somit eine Richtung und eine Stärke des Phasenstroms geschätzt werden. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass kein separater Stromsensor benötigt wird, wodurch Bauraum und Kosten einer Vorrichtung zur Steuerung einer mehrphasigen Elektromaschine reduziert werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird der mindestens eine Phasenstrom zusätzlich in Abhängigkeit einer Anstiegszeit oder einer Abfallzeit von Schaltflanken eines Steuersignals des mindestens einen Schaltelements bestimmt. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine Dynamik des Steuersignals bei der Bestimmung des Phasenstroms aus einem zeitlichen Verlauf der Phasenspannung ab einem Schaltzeitpunkt bis zum Erreichen eines vorbestimmten Schwellwert und den dynamischen Eigenschaften des Schaltelements berücksichtigt.
Weiter vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Steuerung einer mehrphasigen Elektromaschine. Die Elektromaschine weist eine Sternpunktschaltung auf. Die Vorrichtung umfasst mindestens eine Auswerteeinrichtung und mindestens ein Schaltelement und mindestens eine Einrichtung zur Erfassung einer Sternpunktspannung der Elektromaschine. Mittels der vorgeschlagenen Vorrichtung ist in vorteilhafter Weise eines der vorhergehend genannten Verfahren durchführbar. Weiter kann die Vorrichtung zur Steuerung einer mehrphasigen Elektromaschine Einrichtungen zur Erfassung einer Phasenspannung und/oder Einrichtungen zur Erfassung einer Teilphasenspannung und/oder Einrichtungen zur Erfassung eines Phasenstroms und/oder Einrichtungen zum Schätzen eines Phasenstroms umfassen.
Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Bestimmung eines Phasenstroms einer mehrphasigen Elektromaschine. Hierbei wird eine Phasenspannung der Elektromaschine mittels mindestens eines Schaltelements eingestellt. Erfindungsgemäß wird der mindestens eine Phasenstrom in Abhängigkeit einer Zeitdauer eines Anstiegs oder Abfalls der mindestens einen Phasenspannung und in Abhängigkeit von dynamischen Eigenschaften des mindestens einen Schaltelements bestimmt. Das vorhergehend erläuterte Verfahren zur Bestimmung eines Phasenstroms in Abhängigkeit einer Zeitdauer von einem Schaltzeitpunkt des Schaltelements bis zum Erreichen eines vorbestimmten Schwellwerts in Abhängigkeit von resistiven, kapazitiven und/oder induktiven Eigenschaften des mindestens einen Schaltelements stellt hierbei also eine eigene Erfindung dar. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass bekannte Verfahren zur Regelung einer mehrphasigen Elektromaschine, insbesondere auf der vorhergehend erläuterten Vektorsteuerung basierende Verfahren, die Informationen über eine Stromrichtung und Stromstärke der Phasenströme benötigen, nicht mehr auf eine Erfassung dieser Phasenströme mittels geeigneter Sensoren angewiesen sind. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass Bauraum und Kosten bei einer Vorrichtung zur Regelung einer mehrphasigen Elektromaschine reduziert werden können. Insbesondere ist das vorgeschlagene Verfahren zur Bestimmung eines Phasenstroms einer mehrphasigen Elektromaschine auch bei Verfahren zur Steuerung einer mehrphasigen Elektromaschine einsetzbar, in welchen eine Rotorlage mittels eines Rotorlagesensors erfasst und somit nicht mittels des weiter vorgeschlagenen Verfahrens zur Steuerung einer mehrphasigen Elektromaschine geschätzt wird.
In einer weiteren Ausführungsform wird der mindestens eine Phasenstrom zusätzlich in Abhängigkeit einer Anstiegszeit oder einer Abfallszeit von Schaltflanken eines Steuersignals des mindestens einen Schaltelements bestimmt. Hierdurch ergeben sich im Wesentlichen die vorhergehend genannten Vorteile, insbesondere eine verbesserte Bestimmung einer Stärke und einer Richtung des Phasenstroms.
Weiter vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Phasenstromes einer mehrphasigen Elektromaschine, wobei die Vorrichtung mindestens eine Steuereinrichtung, mindestens ein Schaltelement und mindestens eine Einrichtung zur Erfassung einer Phasenspannung der Elektromaschine umfasst. Hierbei wird die Phasenspannung der Elektromaschine mittels des mindestens einen Schaltelements eingestellt. Erfindungsgemäß ist der mindestens eine Phasenstrom mittels der Steuereinrichtung in Abhängigkeit einer Zeitdauer eines Anstiegs oder Abfalls der mindestens einen Phasenspannung und in Abhängigkeit von dynamischen Eigenschaften des mindestens einen Schaltelements bestimmbar. Mittels der vorgeschlagenen Vorrichtung ist in vorteilhafter Weise das vorgeschlagene Verfahren zur Bestimmung mindestens eines Phasenstromes durchführbar.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild eines elektrischen Systems eines Elektrofahrzeugs.
2 ein schematisches Blockschaltbild einer Ansteuerung einer dreiphasigen permanenterregten Synchronmaschine (Stand der Technik).
3 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ansteuerung einer dreiphasigen permanenterregten Synchronmaschine und
4 einen schematischer Schaltplan eines dreiphasigen Wechselrichters.
Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.
In 1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines elektrischen Systems 1 eines Elektrofahrzeugs 2 dargestellt. Das elektrische System 1 umfasst hierbei eine Traktionsbatterie 3, eine Einheit 4 zum Batteriemanagement, einen Wechselrichter 5, einen Gleichstromwandler 6, ein Bordnetz 7, eine Steuereinrichtung 8 zur Regelung einer Elektromaschine 9 sowie die Elektromaschine 9. Der Wechselrichter 5 ist hierbei als dreiphasiger Wechselrichter 5 ausgebildet. Die Elektromaschine 9 ist hierbei als dreiphasige permanentmagneterregte Synchronmaschine ausgebildet. Weiter ist in 1 eine Schnittstelle 10 zu einem externen Stromnetz dargestellt, wobei die Traktionsbatterie 3 aus dem externen Stromnetz mittels einer Einheit 11 zur Steuerung eines Ladevorgangs geladen werden kann. Hierbei ist dargestellt, dass die Traktionsbatterie 3 mit dem Wechselrichter 5 über elektrische Leitungen 12 elektrisch verbunden ist. Der Wechselrichter 5 dient hierbei der Erzeugung von Wechselströmen und Wechselspannungen aus der von der Traktionsbatterie 3 zur Verfügung gestellten Versorgungsspannung, die eine Gleichspannung ist (motorischer Betriebsmodus). Hierbei werden z. B. in 4 dargestellte elektronische Schaltelemente, z. B. IGBTs 13 (siehe 4), des Wechselrichters 5 mittels der Steuereinrichtung 8 derart geregelt, dass die Elektromaschine 9 in einem motorischen Betriebsmodus z. B. ein gewünschtes Drehmoment erzeugt. Auch können mittels der Steuereinrichtung 8 die IGBTs 13 derart gesteuert werden, dass in einem generatorischen Betriebsmodus von der Elektromaschine 9 erzeugte elektrische Wechselspannung gleichgerichtet und somit elektrische Energie von der Elektromaschine 9 zur Traktionsbatterie 3 transferiert werden kann.
In 2 ist ein schematisches Blockschaltbild einer Ansteuerung einer dreiphasigen Elektromaschine 9 dargestellt, die dem Stand der Technik entspricht. Hierbei wird die dreiphasige Elektromaschine 9 mittels einer Steuereinrichtung 8, die auch Verfahren zur Regelung durchführen kann, geregelt. Die Steuereinrichtung 8 ist hierbei als Mehrgrößenregler ausgeführt. Insbesondere wird ein Drehmoment der Elektromaschine 9 geregelt. Die drei Phasen der Elektromaschine 9 sind hierbei mit U, V, W bezeichnet. In einem Wechselrichter 5 wird hierbei aus einer Batteriespannung (Gleichspannung) die jeweilige Phasenspannung V_U, V_V, V_W (Wechselspannung) der jeweiligen Phasen U, V, W erzeugt. Weiter werden Phasenströme i_U, i_V, i_W erfasst, wobei die Phasenströme i_U, i_V, i_W ebenfalls Wechselgrößen sind. Mit Hilfe einer Clark-Transformation 20 werden diese drei Phasenströme i_U, i_V, i_W in ein statorfestes 2-Größen-System überführt, welches als α-β-System bezeichnet wird. Das α-β-System umfasst die Ströme i_α, i_β, die ebenfalls Wechselgrößen bezüglich eines Rotors der Elektromaschine 9 darstellen. Mit Hilfe einer Park-Transformation 21 werden die Ströme i_α, i_β in Größen eines rotorfesten d-q-Koordinatensystems überführt. Die Ströme i_c, i_q stellen hierbei Gleichgrößen bezüglich des Rotors dar. Die Steuereinrichtung 8 regelt nun in Abhängigkeit einer Regeldifferenz zwischen Soll-Strömen i_d,soll, i_{q soll} und den Strömen i_d, i_q im d-q-Koordinatensystem Phasenspannungen U_d, U_q im d-q-Koordinatensystem. Diese Spannungen U_d, U_q werden dann mit Hilfe einer inversen Park-Transformation 23 in das α-β-Koordinatensystem zu den Spannungen U_α, U_β transformiert. Diese stellen wiederum Wechselgrößen bezüglich des Rotors dar. Die Spannungen U_α, U_β werden dann mit Hilfe einer Raumzeigermodulation 22 in Steuersignale für die Schaltelemente des Wechselrichters 5 umgewandelt und erzeugen somit die Phasenspannungen für die drei Phasen U, V, W. Für die Park-Transformation 21 und die inverse Park-Transformation 23 ist eine Rotorlage α_F des Rotors der Elektromaschine 9 notwendig. Hierzu erfasst ein Positionssensor 14 eine Rotorlage α_F des Rotors, wobei ein Ausgangssignal des Positionssensors 14 von einer Einheit 15 aufbereitet und datentechnisch an die Einheit oder die Einheiten übermittelt wird, welche die Park-Transformation 21 bzw. die inverse Park-Transformation 23 durchführen.
In 3 ist ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regelung einer dreiphasigen Elektromaschine 9 dargestellt. Hierbei umfasst jede Phase U, V, W der Elektromaschine 9 zwei Teilwicklungen. Weiter werden, wie in 3 dargestellt, Phasenspannungen V_U, V_V, V_W der einzelnen Phasen U, V, W mittels Spannungssensoren 16 erfasst. Auch werden die zwischen den jeweiligen Teilwicklungen anliegenden Teilphasenspannungen V_U1, V_V1, V_W1 mittels Spannungssensoren 17 erfasst. Auch wird eine Sternpunktspannung V_S mittels eines weiteren Spannungssensors 18 erfasst. Die vorhergehend genannten Größen werden datentechnisch an eine zentrale Auswerteeinrichtung 19 übermittelt. Weiter werden an die Auswerteeinrichtung 19 von einer Einrichtung zur Durchführung einer Pulsweitenmodulation 22 Informationen über Schaltzustände SZ von IGBT 13 eines dreiphasigen Wechselrichters 5 (siehe 4) datentechnisch übermittelt. Weiter werden von der Einrichtung zur Durchführung einer Pulsweitenmodulation 22 Informationen über Schaltzeitpunkte TZ und über Schaltflanken SF an die Auswerteeinrichtung 19 übermittelt. Die Schaltzustände SZ, die Schaltzeitpunkte TZ und die Schaltflanken SF werden nachfolgend näher erläutert.
Die Auswerleeinrichtung 19 führt hierbei die in 2 dargestellte Clark-Transformation 20 durch. Hierfür bestimmt die Auswerteeinrichtung 19 Phasenströme i_U, i_V, i_W aus einem zeitlichen Verlauf der Phasenspannungen V_U, V_V, V_W sowie den Schaltzeitpunkten TZ der in 4 dargestellten IGBT 13 des dreiphasigen Wechselrichters 5 sowie einem zeitlichen Verlauf eines Steuersignals der IGBT 13, insbesondere einem zeitlichen Verlauf von Schaltflanken SF einer Gate-Spannung der IGBT 13. Hierfür ermitteln Auswerteeinrichtungen 19 insbesondere eine so genannte Totzeit, welche eine Anstiegszeit der Phasenspannungen V_U, V_V, V_W von einer Ausgangsspannung zu einem Schaltzeitpunkt TZ eines IGBT 13, insbesondere eines Highside-Schalters 13-1 (siehe 4), bis zum Erreichen eines vorbestimmten Schwellwerts ist. Aus dieser Totzeit und vorbekannten dynamischen Eigenschaften, insbesondere resistiven, kapazitiven und induktiven Eigenschaften der IGBT 13, kann dann eine Richtung und eine Stärke der Phasenströme i_U, i_V, i_W bestimmt werden. Weiter führt die Auswerteeinrichtung 19 die in 2 dargestellte Park-Transformation 21 durch. Hierfür wird eine Rotorlage α_F eines Rotors der Elektromaschine 9 benötigt. Hierfür bestimmt die Auswerteeinrichtung 19 die Rotorlage α_F in Abhängigkeit von Schaltzuständen SZ der IGBT 13 des dreiphasigen Wechselrichters 5, der Sternpunktspannung V_S, der Phasenspannung V_U, V_V, V_W und der Teilphasenspannungen V_U1, V_V1, V_W1. Hierfür wird eine Längsinduktivität und eine Querinduktivität der Elektromaschine 9 als bekannt vorausgesetzt. Die Auswerteeinrichtung 19 bestimmt hierbei eine Rotorlage α_F aus einem funktionellen Zusammenhang der Rotorlage α_F, der Sternpunktspannung V_S und den Schaltzuständen SZ. Weiter wird hierbei berücksichtigt, dass die Sternpunktspannung abhängig von Phasenspannungen V_U, V_V, V_W sowie Teilphasenspannungen V_U1, V_V1, V_W1 und einem zeitlichen und räumlichen Verlauf eines magnetischen Flusses in der Elektromaschine 9 ist. Die bekannte Längs- und Querinduktivität der Elektromaschine 9 sowie die Teilphasenspannungen V_U1, V_V1, V_W1 erlauben hierbei eine exakte Bestimmung des magnetischen Flusses in der Elektromaschine 9. Aus Kenntnis der Phasenspannungen V_U, V_V, V_W, den Teilphasenspannungen V_U1, V_V1, V_W1 und den Längs- und Querinduktivitäten kann ein magnetischer Fluss in der Elektromaschine 9 und somit die Rotorlage α_F bestimmt werden. Die derart bestimmte Rotorlage α_F wird ebenfalls datentechnisch an eine Einrichtung zur Durchführung einer inversen Park-Transformation 23 übertragen. Somit kann das in 2 vorgestellte Verfahren zur Regelung der Elektromaschine 9 auch ohne eine mittels eines Rotorlagesensors 14 erfassten Rotorlage α_F durchgeführt werden.
In 4 ist ein schematischer Schaltplan eines dreiphasigen Wechselrichters 5 dargestellt. Weiter ist eine Traktionsbatterie 3 dargestellt. Der dreiphasige Wechselrichter 5 besteht hierbei aus drei Halbbrücken. Eine Halbbrücke umfasst hierbei jeweils einen Highside-Schalter 13-1, der als IGBT 13 ausgebildet ist. Weiter umfasst eine Halbbrücke einen Lowside-Schalter 13-2, der ebenfalls als IGBT 13 ausgebildet ist. Antiparallel zu den IGBT 13 sind jeweils Dioden D1, D2, D3, D4, D5, D6 geschaltet. Die Elektromaschine 9 ist hierbei schematisch mittels Phaseninduktivitäten L1, L2, L3 sowie Phasenwiderständen R1, R2, R3 dargestellt. Weiter dargestellt sind Spannungssensoren 16 zur Erfassung einer Phasenspannung V_U, V_V, V_W sowie ein Spannungssensor 18 zur Erfassung einer Sternpunktspannung V_S.
Bezugszeichenliste

1: elektrisches System
2: Elektrofahrzeug
3: Traktionsbatterie
4: Einrichtung zum Batteriemanagement
5: Wechselrichter
6: Gleichstromwandler
7: Bordnetz
8: Steuereinrichtung
9: Elektromaschine
10: externes Stromnetz
11: Einheit zur Steuerung eines Ladevorgangs
12: elektrische Leitung
13: IGBT
13-1: Highside-Schalter
13-2: Lowside-Schalter
14: Rotorlagesensor
15: Einheit zur Aufbereitung
16: Spannungssensor
17: Spannungssensor
18: Spannungssensor
19: Auswerteeinrichtung
20: Clark-Transformation
21: Park-Transformation
22: Pulsweitenmodulation
23: inverse Park-Transformation
U, V, W: Phasen
i_U, i_V, i_W: Phasenströme
V_U, V_V, V_W: Phasenspannungen
i_α, i_β: Ströme im α-β-Koordinatensystem
i_d, i_q: Ströme im d-q-Koordinatensystem
i_d,soll, i_{q soll}: Soll-Ströme im d-q-Koordinatensystem
U_d, U_q: Phasenspannungen im d-q-Koordinatensystem
U_α, U_β: Phasenspannungen im α-β-Koordinatensystem
V_U1, V_V1, V_W1: Teilphasenspannungen
V_S: Sternpunktspannung
α_F: Rotorlage
SZ: Schaltzustände
TZ: Schaltzeitpunkte
SF: Schaltflanken
U_Batt: Traktionsbatteriespannung
GND: Masse
L1, L2, L3: Motorinduktivitäten
R1, R2, R3: Motorwiderstände

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008058872 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur Steuerung einer mehrphasigen Elektromaschine (9), wobei die Elektromaschine (9) eine Sternpunktschaltung aufweist, wobei mindestens eine Stellgröße der Elektromaschine (9) mindestens in Abhängigkeit einer Rotorlage (α_F) eines Rotors der Elektromaschine (9) eingestellt wird, wobei die mindestens eine Stellgröße mittels mindestens eines Schaltelements eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorlage (α_F) in Abhängigkeit einer Sternpunktspannung (V_S) der Elektromaschine (9) und einem Schaltzustand (SZ) des mindestens einen Schaltelements bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorlage (α_F) zusätzlich in Abhängigkeit von mindestens einer Phasenspannung (V_U, V_V, V_W) und/oder einer Längsinduktivität und/oder einer Querinduktivität der Elektromaschine (9) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorlage (α_F) zusätzlich in Abhängigkeit von mindestens einer Teilphasenspannung (V_U1, V_V1, V_W1) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorlage (α_F) zusätzlich in Abhängigkeit mindestens eines Phasenstroms (i_U, i_V, i_W) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des mindestens einen Schaltelements eine Phasenspannung (V_U, V_V, V_W) eingestellt wird, wobei der mindestens eine Phasenstrom (i_U, i_V, i_W) in Abhängigkeit einer Anstiegszeit oder einer Abfallzeit der mindestens einen Phasenspannung (V_U, V_V, V_W) nach einem Schaltzeitpunkt (TZ) des Schaltelements und in Abhängigkeit von dynamischen Eigenschaften des mindestens einen Schaltelements bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Phasenstrom (i_U, i_V, i_W) zusätzlich in Abhängigkeit einer Anstiegszeit oder einer Abfallzeit von Schaltflanken eines Steuersignals des mindestens einen Schaltelements bestimmt wird.
Vorrichtung zur Steuerung einer mehrphasigen Elektromaschine (9), wobei die Elektromaschine (9) eine Sternpunktschaltung aufweist, wobei die Vorrichtung mindestens eine Auswerteeinrichtung (19), mindestens ein Schaltelement und mindestens eine Einrichtung zur Erfassung einer Sternpunktspannung (V_S) der Elektromaschine (9) aufweist, wobei mindestens eine Stellgröße der Elektromaschine (9) mindestens in Abhängigkeit einer Rotorlage (α_F) eines Rotors der Elektromaschine (9) bestimmbar ist, wobei die mindestens eine Stellgröße mittels mindestens eines Schaltelements einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorlage (α_F) mittels der Auswerteeinrichtung (19) in Abhängigkeit einer Sternpunktspannung (V_S) der Elektromaschine (9) und einem Schaltzustand (SZ) des mindestens einen Schaltelements bestimmbar ist, wobei die Sternpunktspannung (V_S) mittels der Einrichtung zur Erfassung der Sternpunktspannung (V_S) erfassbar ist.
Verfahren zur Bestimmung mindestens eines Phasenstroms (i_U, i_V, i_W) einer mehrphasigen Elektromaschine (9), wobei eine Phasenspannung (V_U, V_V, V_W) der Elektromaschine (9) mittels mindestens eines Schaltelements eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Phasenstrom (i_U, i_V, i_W) in Abhängigkeit einer Anstiegszeit oder einer Abfallzeit der mindestens einen Phasenspannung (V_U, V_V, V_W) nach einem Schaltzeitpunkt (TZ) des Schaltelements und in Abhängigkeit von dynamischen Eigenschaften des mindestens einen Schaltelements bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Phasenstrom (i_U, i_V, i_W) zusätzlich in Abhängigkeit einer Anstiegszeit oder einer Abfallzeit von Schaltflanken eines Steuersignals des mindestens einen Schaltelements bestimmt wird.
Vorrichtung zur Bestimmung eines Phasenstroms (i_U, i_V, i_W) einer mehrphasigen Elektromaschine (9), wobei die Vorrichtung mindestens eine Auswerteeinrichtung (19), mindestens ein Schaltelement und mindestens eine Einrichtung zur Erfassung einer Phasenspannung (V_U, V_V, V_W) der Elektromaschine (9) umfasst, wobei die Phasenspannung (V_U, V_V, V_W) der Elektromaschine (9) mittels des mindestens einen Schaltelements einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Phasenstrom (i_U, i_V, i_W) mittels der Auswerteeinrichtung (19) in Abhängigkeit einer Anstiegszeit oder einer Abfallzeit der mindestens einen Phasenspannung (V_U, V_V, V_W) nach einem Schaltzeitpunkt (TZ) des Schaltelements und in Abhängigkeit von dynamischen Eigenschaften des mindestens einen Schaltelements bestimmbar ist.