DE102011080442A1

DE102011080442A1 - Verfahren zum Betrieb einer Drehfeldmaschine

Info

Publication number: DE102011080442A1
Application number: DE201110080442
Authority: DE
Inventors: Hassan Lamsahel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2011-08-04
Filing date: 2011-08-04
Publication date: 2013-02-07

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Drehfeldmaschine (4), insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine (PMSM), an einem Wechselrichter (1), wobei zum Betrieb der Drehfeldmaschine (4) PWM-Vorgabewerte für die Phasen (U, V, W) derselben ermittelt werden, korrespondierend mit welchen Leistungsschalter (S1, ...S6) des Wechselrichters (1) einen Spannungsvektor an der Drehfeldmaschine (4) einstellen, dadurch gekennzeichnet, dass korrespondierend mit einer jeweiligen PWM-Periode zur Kompensation der Totzeit (t0) ein PWM-Vorgabewertfehler (ΔPWM1,2,3) je Phase (U, V, W) ermittelt wird, basierend auf welchem und dem PWM-Vorgabewert (PWM1, PWM2, PWM3) der Phase ein korrigierter PWM-Vorgabewert (PWM1n, PWM2n, PWM3n) zur Einstellung des Spannungsvektors ermittelt wird, wobei das Vorzeichen des PWM-Vorgabewertfehlers (ΔPWM1,2,3) basierend auf der elektrischen Leistung (Pel) der Drehfeldmaschine (4), insbesondere einer zu erwartenden Leistung (Pel), und dem PWM-Vorgabewert (PWM1, PWM2, PWM3) der Phase (U, V, W) ermittelt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Drehfeldmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Bei einem Wechselrichter, insbesondere einem Spannungszwischenkreis-Wechselrichter, können durch ein PWM-Modulationsverfahren die gewünschten Spannungen für eine mittels des Wechselrichters zu betreibende Drehfeldmaschine, z. B. eine permanenterregte Synchronmaschine (PMSM), mittels generierter PWM-Vorgabewerte eingestellt werden. Die generierten PWM-Vorgabewerte aus der Regelung oder der Steuerung zur Erzeugung eines bestimmten Spannungsvektors ändern sich in Abhängigkeit der gewünschten Spannungsfrequenz und -amplitude.
Als Halbleiter bzw. Stromventile im Wechselrichter werden in der Regel MOSFETs, IGBTs, Thyristoren, GTOs usw. genutzt. Allen gemein ist, dass das Ausschalten nicht sprungförmig erfolgt, sondern eine gewisse Zeit entsprechend einer Totzeit t₀ benötigt. Diese Totzeit hängt von den verwendeten Halbleitern ab. Diese Zeit liegt beim MOSFET beispielsweise unter 1 μs und beim IGBT z. B. zwischen 1 μs und 5 μs.
Im Wechselrichter dürfen die zwei komplementären Halbleiter, i. e. High-Side und Low-Side, in einer Phase niemals gleichzeitig eingeschaltet werden bzw. sein. Dies kann zum Kurzschluss des Zwischenkreises und folglich zur Zerstörung des Zwischenkreiskondensators und des Halbleiters führen. Aus diesem Grund wird in der Regel eine Verriegelungszeit bzw. Totzeit t₀ zwischen dem Ausschalten eines Halbleiters und dem Einschalten des komplementären Halbleiters in der gleichen Phase berücksichtigt.
Bei der Ansteuerung einer Maschine kann sich wegen dieser Totzeit eine Änderung des beabsichtigten Spannungsvektors ergeben, was zu Verzerrungen der Eingangsspannungen an der Maschine führt. Um diese Totzeit zu kompensieren wird im Stand der Technik, insbesondere im Zusammenhang mit Regelungen von Drehfeldmaschinen, welche die Phasenströme messen, um eine Rückkopplung im Regelkreis aufzubauen, vorgeschlagen, die je Phase gemessenen Phasenströme zu nutzen. Eine genaue Ermittlung des Nulldurchgangs ist hierbei sehr wichtig, da die Kompensation ansonsten zu falschen Ergebnissen führt.
Verfahren zur Erfassung und Unterdrückung von Totzeiteffekten sind beispielsweise aus der DE 101 39 642 A1 bekannt.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Drehfeldmaschine vorzuschlagen, welches die Kompensation der Totzeit im Wechselrichter ohne eine Messung der Phasenströme und Phasenspannungen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Betrieb einer Drehfeldmaschine, insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine (PMSM), an einem Wechselrichter, insbesondere einem Spannungszwischenkreis-Wechselrichter. Ein solcher weist netzseitig einen Spannungszwischenkreis auf, welcher vorzugsweise mittels eines Zwischenkreis-Kondensators gebildet ist. Des Weiteren weist der Wechselrichter Leistungsschalter auf, z. B. MOSFETs oder IGBTs, welche in Halbbrücken einer Wechselrichter-Brückenschaltung als High-Side-Leistungsschalter oder Low-Side-Leistungsschalter angeordnet sind. Vorzugsweise ist der Wechselrichter mittels einer B6-Brückenschaltung gebildet, welche von einer Treiberstufe insbesondere des Wechselrichters ansteuerbar ist.
Zum Betrieb einer Drehfeldmaschine – welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere einen Stator und einen Rotor aufweist und zum Beispiel als Vollpolmaschine mit rotationssymmetrischem Rotor oder als Schenkelpolmaschine mit ausgeprägten Polen ausgebildet sein kann – an dem Wechselrichter, ist vorgesehen, an der Drehfeldmaschine Spannungsvektoren mittels des Wechselrichters durch geeignete Schaltstellungen der Leistungsschalter desselben einzustellen, insbesondere je einen Spannungsvektor – vorzugsweise einen Raumzeigermodulations-Spannungsvektor – während je einer PWM-Periode. Hierfür werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens PWM-Vorgabewerte für je eine Phase ermittelt, z. B. berechnet, welche Tastverhältnisse für ausgewählte Schalter der Halbbrücken ausdrücken, i. e. je Phase, und für den Wechselrichter bzw. dessen Treiberstufe bereitgestellt werden.
Der Wechselrichter ist allgemein mittels PWM-Vorgabewerten für die jeweiligen PWM-Perioden betreibbar, welche die Kompensation der Totzeit bereits implementieren, z. B. im Rahmen von PWM-Vorgabewerten, welche von einer Regelung mit Strommessung erzeugt werden.
Des Weiteren ist der Wechselrichter und insoweit eine Drehfeldmaschine im Rahmen der vorliegenden Erfindung mittels PWM-Vorgabewerten für die jeweiligen PWM-Perioden betreibbar, welche – als weitgehend idealisierte PWM-Vorgabewerte, z. B. bereitgestellt im Rahmen einer feldorientierten Steuerung – noch einer Korrektur zur Totzeitkompensation bedürfen und einer solchen nachfolgend als korrigierte PWM-Vorgabewerte für den Wechselrichter bereitgestellt werden können. Dies wird nachfolgend näher erläutert.
Um eine Totzeit der Halbleiterschalter des Wechselrichters insbesondere im Rahmen einer feldorientierten Steuerung zu kompensieren, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass korrespondierend mit einer jeweiligen PWM-Periode ein PWM-Vorgabewertfehler je Phase ermittelt wird, basierend auf welchem und dem PWM-Vorgabewert für die Phase ein korrigierter PWM-Vorgabewert zur Einstellung des Spannungsvektors ermittelt wird, wobei das Vorzeichen des PWM-Vorgabewertfehlers basierend auf der elektrischen Leistung der Drehfeldmaschine, insbesondere einer zu erwartenden Leistung, und dem PWM-Vorgabewert der Phase ermittelt wird. Hierdurch kann vorteilhaft eine Strommessung der Phasenströme zur Kompensation der Totzeit entfallen.
Der PWM-Vorgabewertfehler setzt sich hierbei insbesondere aus dem jeweils ermittelten Vorzeichen, welches insbesondere dem Vorzeichen des Phasenstroms in der Phase entspricht, und einem Fehlerbetrag zusammen, welcher basierend auf einer Totzeit und einer Periodendauer ermittelt wird, wobei die Periodendauer insbesondere mit einer Schaltperiodendauer des Wechselrichters korrespondiert. Zur Ermittlung des Vorzeichens des jeweiligen PWM-Vorgabewertfehlers können der korrespondierende PWM-Vorgabewert und die elektrische Leistung je mit einem Schwellwert verglichen werden, wobei das Vorzeichen in Abhängigkeit beider Vergleichsergebnisse als ein Minus- oder ein Pluszeichen ermittelt wird.
Für ein PWM-Signal, welches zwischen 0% und 100% variiert, oder zwischen 0% und 100% eines in der Praxis maximal genutzten PWM-Wertes variiert, gilt insbesondere folgendes: ein PWM-Wert bzw. PWM-Vorgabewert von 50% bzw. 50% dieses maximal genutzten PWM-Wertes, entspricht einer Phasenspannung von 0 V. Ist der PWM-Vorgabewert größer als diese 50%, so ist die Phasenspannung positiv, ist der PWM-Vorgabewert kleiner als diese 50%, ist die Phasenspannung negativ.
Ist die Drehfeldmaschine im motorischen Betrieb, sind die Spannungen und die Ströme in jeder Phase in Phase, sie haben insbesondere gleiche Vorzeichen. Ist die Drehfeldmaschine im generatorischen Betrieb, haben die Phasenspannungen und -ströme unterschiedliche Vorzeichen. Um zu ermitteln, ob die Drehfeldmaschine im motorischen oder im generatorischen Betrieb arbeitet, ist vorgesehen, die elektrische Leistung der Drehfeldmaschine P_el zu berechnen. Hierbei kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die elektrische Leistung korrespondierend mit je einer PWM-Periode bevorzugt basierend auf Soll-Stromvorgaben und Soll-Spannungsvorgaben für die PWM-Periode ermittelt werden.
Arbeitet die Drehfeldmaschine motorisch, so ist ein positiver Strom bei positiver Spannung bzw. bei einem PWM-Vorgabewert größer als die 50% zu erwarten, bei negativer Spannung korrespondierend mit einem PWM-Vorgabewert kleiner als die 50% ein negativer Strom.
Arbeitet die Drehfeldmaschine generatorisch, so ist ein positiver Strom bei negativer Spannung bzw. bei einem PWM-Vorgabewert kleiner als die 50% zu erwarten, bei positiver Spannung korrespondierend mit einem PWM-Vorgabewert größer als die 50% ein negativer Strom.
Das Vorzeichen des PWM-Vorgabewertfehlers kann folglich als Pluszeichen ermittelt werden, falls der PWM-Vorgabewert einen Schwellwert von 50% bzw. 50% des in der Praxis maximal genutzten PWM-Wertes übersteigt und die elektrische Leistung den Schwellwert Null übersteigt, i. e. positiv ist. Daneben kann das Vorzeichen als Pluszeichen ermittelt werden, falls der PWM-Vorgabewert kleiner bzw. gleich einem Schwellwert von 50% bzw. 50% des in der Praxis maximal genutzten PWM-Wertes ist und die elektrische Leistung kleiner bzw. gleich dem Schwellwert Null ist.
Das Vorzeichen des PWM-Vorgabewertfehlers kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Minuszeichen ermittelt werden, falls der PWM-Vorgabewert den genannten Schwellwert von 50% übersteigt und die elektrische Leistung kleiner bzw. gleich dem Schwellwert Null ist. Daneben kann das Vorzeichen als Minuszeichen ermittelt werden, falls der PWM-Vorgabewert kleiner bzw. gleich dem genannten Schwellwert von 50% ist und die elektrische Leistung den Schwellwert Null übersteigt.
Zur Ermittlung des korrespondierenden korrigierten PWM-Vorgabewerts wird der jeweilige PWM-Vorgabewertfehler, welcher sich insbesondere aus dem ermittelten Vorzeichen und dem ermittelten Fehlerbetrag zusammensetzt, insbesondere mit dem korrespondierenden PWM-Vorgabewert für diese Phase addiert.
Nachfolgend kann der entsprechend korrigierte PWM-Vorgabewert zur Einstellung des verzerrungsfreien Spannungsvektors für den weiteren Betrieb der Drehfeldmaschine ausgegeben werden, insbesondere bei iterativer Anwendung des Verfahrens je ein korrigierter PWM-Vorgabewert je Phase für sämtliche zu stellende Spannungsvektoren. Um zu vermeiden, dass ein korrigierter PWM-Vorgabewert, welcher kleiner Null Prozent oder größer hundert Prozent ermittelt wurde, i. e. einen innerhalb einer PWM-Periode nicht wiedergebbaren Wert annimmt, an den Wechselrichter ausgegeben wird, kann dieser vor Ausgabe an den Wechselrichter auf Null Prozent bzw. hundert Prozent begrenzt werden.
Das Verfahren ist insbesondere zur Anwendung mit einer Steuerstruktur zur feldorientierten Steuerung, insbesondere mit einstellbarer Dynamik vorgesehen. Die Steuerstruktur kann in eine Reglerstruktur zur feldorientierten Regelung implementiert sein, welche auf die Steuerstruktur umschaltbar ist. Ein Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform sei hierfür kurz geschildert:
Für eine genaue Messung der Maschinenströme müssen herkömmlicher Weise Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) mit hoher Auflösung eingesetzt werden. Diese sind teurer als Standard-A/D-Wandler mit niedriger Auflösung. Um diesen Kostenaufwand der A/D-Wandler bei der Strommessung zu minimieren, wird ein Standard-A/D-Wandler für die Messung der großen Ströme verwendet. Bei kleinen Strömen bzw. niedrigen Drehzahlen wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf die relativ niedrig auflösende, grobe Strommessung verzichtet und von der Regelung auf eine feldorientierte Steuerung umgeschaltet, bei welcher zur Totzeitkompensation das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist, jedoch keine Standard-Kompensation über das durch Messung ermittelte Vorzeichen der Phasenströme.
Das Verfahren, welches den Betrieb der Drehfeldmaschine ohne Phasenstromsensorik und ohne Phasenspannungssensorik ermöglicht, ist insofern insbesondere bei niedrigen Drehzahlen vorteilhaft anwendbar, bei welchen Strom und Spannung in jede Phase fast in Phase sind bzw. die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung nahe Null ist.
Denkbar ist die Anwendung des Verfahrens auch im Zusammenhang mit einer Reglerstruktur für eine feldorientierte Regelung, z. B. bei Ausfall der Stromsensorik oder einer Stromschätzung derselben. Das Verfahren kann computerisiert durchgeführt werden, insbesondere kontinuierlich, z. B. mittels eines Mikrocontrollers, z. B. einer Steuerung oder einer Regelung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere z. B. derselben Steuerung oder Regelung, welche auch die PWM-Vorgabewerte berechnet.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ferner eine Vorrichtung zum Betrieb einer Drehfeldmaschine vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung insbesondere einen Wechselrichter beinhaltet. Die Vorrichtung ist zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens insbesondere derart ausgebildet, dass zum Betrieb des Wechselrichters korrigierte PWM-Vorgabewerte durch die Vorrichtung bereitgestellt werden. In Abhängigkeit der korrigierten PWM-Vorgabewerte kann der Wechselrichter eine mit diesem leistungsseitig verbundene Drehfeldmaschine ansteuern, welche bevorzugt Bestandteil eines mittels der Vorrichtung bildbaren Antriebssystems, insbesondere Fahrzeugsantriebssystems, ist.
Vorgesehen ist bevorzugt, dass die Vorrichtung eine Steuerstruktur zur feldorientierten Steuerung oder eine Reglerstruktur aufweist, welche auf eine Steuerstruktur zur feldorientierten Steuerung der Drehfeldmaschine umschaltbar ist, insbesondere jeweils zur feldorientierten Steuerung mit einstellbarer Dynamik. Hierbei stellt die Vorrichtung im Zuge der feldorientierten Steuerung korrigierte PWM-Vorgabewerte bereit, i. e. für den Wechselrichter. Diese können seitens der Vorrichtung zur Ansteuerung der Drehfeldmaschine des Antriebssystems mit Kompensation der Totzeit an den Wechselrichter ausgegeben werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 exemplarisch einen Spannungszwischenkreis-Wechselrichter mit einer durch diesen betreibbaren Drehfeldmaschine;
2 exemplarisch ein Ersatzschaltbild für die Anordnung gemäß 1;
3 exemplarisch und schematisch eine Reglerstruktur, welche in eine Steuerstruktur gemäß 4 zur feldorientierten Steuerung gemäß einer möglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung überführbar ist; und
5 exemplarisch und schematisch ein Ablaufdiagramm zur Bereitstellung der korrigierten PWM-Vorgabewerte gemäß dem Verfahren zum Betrieb einer Drehfeldmaschine gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung.
In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt exemplarisch und schematisch einen Pulswechselrichter 1 mit einem Spannungszwischenkreis 2, welcher mittels eines Zwischenkreiskondensators 3 gebildet ist. Der Wechselrichter 1 ist in B6-Brückenschaltung mit drei Halbbrücken gebildet, welche jeweils zwei Leistungsschalter S1, S2 bzw. S3, S4, bzw. S5, S6 in Form von MOSFETs aufweisen. Drei Leistungsschalter S1, S3, S5 des Wechselrichters 1 sind als High-Side-Leistungsschalter, drei Schalter S2, S4, S6 als Low-Side-Leistungsschalter angeordnet. Die Mittenabgriffe der Halbbrücken sind je mit einer Phase U bzw. V bzw. W einer Drehfeldmaschine 4 in Form einer permanenterregten Synchronmaschine (PMSM) elektrisch verbunden. Die Drehfeldmaschine 4, welche zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist, z. B. in einem hybridisierten oder elektrischen Antriebsstrang, weist einen Stator mit einer Ständerwicklung, insbesondere mit den drei Wicklungssträngen U, V, W auf, welche vorzugsweise symmetrisch gewickelt und um 120 Grad versetzt angeordnet sind, und weiterhin insbesondere einen mit Permanentmagneten bestückten Rotor.
Mittels der Schalter S1...S6 können über eine nicht dargestellte Treiberstufe des Wechselrichters 1 die bei einem Raumzeigermodulationsverfahren üblichen Spannungsvektoren an der Drehfeldmaschine 4 eingestellt werden, i. e. über die acht möglichen Schaltzustände der Leistungsschalter S1 bis S6 des Wechselrichters 1.
Ein Durchschaltzustand einer Halbbrücke für eine Phase U, V, W kann allgemein über einen PWM-Vorgabewert, welcher im Rahmen der 3 bis 5 mit PWM1 bzw. PWM2 bzw. PWM3 bezeichnet ist, korrespondierend mit einem Tastverhältnis je PWM-Periode gesteuert werden. 2 veranschaulicht hierbei ein Ersatzschaltbild, in welchem je zwei Schalter S1, S2 bzw. S3, S4 bzw. S5, S6 je einer Halbbrücke als ein Umschalter S_U, S_V, S_W entsprechend der Funktionalität des Wechselrichters 1 dargestellt sind. In Abhängigkeit eines jeweiligen PWM-Vorgabewerts für eine der Phasen U, V, W kann jeder Umschalter S_U, S_V, S_W zwischen High-Side- und Low-Side-Potential für eine bestimmte Dauer je PWM-Periode von –1 auf +1 umgeschaltet werden (oder umgekehrt), wobei das High-Side-Potential durch die Umschalterstellung +1, Low-Side-Potential durch die Stellung –1 veranschaulicht ist.
Bei einem PWM-Vorgabewert PWM1 bzw. PWM2 bzw. PWM3 von 100% befindet sich ein Umschalter S_U bzw. S_V bzw. S_W für die gesamte Dauer einer PWM-Periode in der Position +1, d. h. die Drehfeldmaschine 4 ist währenddessen über die zugehörige Phase U bzw. V bwz. W mit dem High-Side-Potential verbunden. Für einen PWM-Vorgabewert von 0% befindet sich der Umschalter S_U, S_V, S_W für die gesamte PWM-Periodendauer in der Stellung –1, d. h. die Drehfeldmaschine 4 ist währenddessen über die zugehörige Phase mit dem Low-Side-Potential verbunden. Ein PWM-Vorgabewert PWM1 bzw. PWM2 bzw. PWM3 zwischen Null und 100% kennzeichnet insofern ein entsprechendes Tastverhältnis korrespondierend mit dem Verhältnis der Dauer des Zustands +1 zur Periodendauer.
Für einen Betrieb der Drehfeldmaschine 4 bei insbesondere mittleren und höheren Drehzahlen, bei welchem kostengünstig eine Strommessung 5 zur Ausbildung einer Rückkopplung realisierbar ist, weist ein Antriebssystem 6 für die Drehfeldmaschine 4 eine Reglerstruktur 7 gemäß 3 auf. Die Reglerstruktur 7 ist für den Betrieb der Drehfeldmaschine 4 bei niedrigen Drehzahlen bzw. bei kleinen Strömen vorteilhaft auf eine Steuerstruktur gemäß 4 umschaltbar. Angemerkt sei, dass die Steuerstruktur im Rahmen der vorliegenden Erfindung alternativ auch über den gesamten Betriebsbereich der Drehfeldmaschine an die Stelle der Reglerstruktur 7 treten kann.
Für den Betriebsfall bei mittleren und höheren Drehzahlen ist die Reglerstruktur 7 zur feldorientierten Regelung ausgebildet, wobei PWM-Vorgabewerte PWM1, PWM2, PWM3 für den Wechselrichter 1 mittels eines PWM-Generators 8 anhand von Sollstromgrößen Isd*, Isq*, welche im d,q-Zweigrößensystem vorgegeben werden, unter Berücksichtigung tatsächlicher, gemessener Phasenströme Is1, Is2, Is3 ermittelt werden. Zur Ermittlung der Phasenströme Is1, Is2, Is3 werden Stromsensoren 9 verwendet, um eine möglichst exakte Regelung zu ermöglichen. Mittels der erhaltenen PWM-Vorgabewerte PWM1, PWM2, PWM3 wird der Wechselrichter 1 angesteuert bzw. über dessen Brückenabgriffe die Phasen U, V, W der Drehfeldmaschine 4. Weitere Merkmale der Reglerstruktur 7 sind nachfolgend im Zusammenhang mit 4 noch näher beschrieben.
Die Steuerstruktur 10 des Antriebssystems 6 gemäß 4 nutzt einen Positionsgeber 11 bzw. Positionssensor der Reglerstruktur 7, z. B. in Form eines Inkrementalgebers oder eines Resolvers, welcher der Ermittlung der mechanischen Winkelgeschwindigkeit des Rotors bzw. Polrades der Drehfeldmaschine 4 dient. Der Positionsgeber 11 liefert z. B. ein Positionssignal in Form eines Winkelsignals, z. B. den mechanischen Winkel θ_mech, welchen der Rotor z. B. mit einem Bezugspunkt auf dem Stator der Drehfeldmaschine 4 einschließt.
Die Steuerstruktur 10 weist weiterhin eine erste Funktionseinheit 12, welche mittels eines Mikrocontrollers oder eines Mikrocomputers der Reglerstruktur 7 gebildet sein kann, auf, wobei die erste Funktionseinheit 12 dazu vorgesehen ist, insbesondere unter Berücksichtigung einer tatsächlichen, ermittelten elektrischen Winkelgeschwindigkeit ω_el des Rotors sowie vorgegebenen d,q-Stromkomponenten Spannungsvorgaben bzw. Sollspannungswerte für eine (Stator-)Längsspannungskomponente bzw. d-Spannungskomponente und eine (Stator-)Querspannungskomponente bzw. q-Spannungskomponente jeweils im d,q-Zweigrößensystem mittels jeweiliger FOS-Algorithmen zu ermitteln und bereit zu stellen. Das d,q-Zweigrößensystem bezeichnet dabei ein Koordinatensystem, welches auf bekannte Weise mit dem Rotor umläuft.
Die erste Funktionseinheit 12 weist einen Eingang 13 auf, welchem die Sollstromkomponenten Sollquerstrom I_sq und Solllängsstrom I_sd des jeweiligen aktuellen Abtastschritts, vorliegend gekennzeichnet durch die Indizierung _{_k}, im d,q-Zweigrößensystem, als Eingangsgrößen bzw. Vorgaben zuführbar sind, um ein für den Betrieb gewünschtes Drehmoment an der Drehfeldmaschine 4 abhängig von ihrer Drehzahl via des Sollquerstroms I_{sd_k} und des Solllängsstroms I_{sq_k} im jeweiligen Abtastschritt der Dauer T einzustellen. Die Sollstromvorgaben I_{sd_k}, I_{sq_k} werden z. B. aufgrund einer Nutzereingabe vorgegeben. Angemerkt sei, dass die Indizierung _s hierbei den Statorbezug, d. h. eine Größe betreffend den Stator der Drehfeldmaschine 4 ausdrückt.
Weiterhin weist die erste Funktionseinheit 12 einen Eingang 14 auf, an welchem als zusätzliche Eingangsgröße die tatsächliche elektrische Winkelgeschwindigkeit ω_el des Rotors zur Verfügung gestellt wird. Die elektrische Winkelgeschwindigkeit ω_el wird basierend auf dem ermittelten mechanischen Winkel θ_mech z. B. durch Betrachtung der zeitlichen Änderung des mechanischen Winkels θ_mech entsprechend
i. e. basierend auf der Winkelinformation des Positionsgebers 11, als auch in Abhängigkeit der Polpaarzahl Zp auf bekannte Weise ermittelt. Eine dazu entsprechend ausgebildete zweite Funktionseinheit 15 kann z. B. Teil des Positionssensors 11 oder alternativ getrennt davon gebildet sein, z. B. integral mit der ersten Funktionseinheit 12. Der Eingang 14 ist z. B. mit einem Ausgang der zweiten Funktionseinheit 15 verbunden, z. B. mittels einer elektrischen Verbindungsleitung 16.
Die erste Funktionseinheit 12 ist erfindungsgemäß zur Ermittlung von Sollspannungskomponenten U_{sd_k}, U_{sq_k} im d,q-Zweigrößensystem in einem aktuellen Abtastschritt basierend auf Sollspannungskomponenten U_{sd_k-1}, U_{sq_k-1} und/oder Sollstromkomponenten I_{sd_k-1}, I_{sq_k-1} des d,q-Zweigrößensystems des vorhergehenden Abtastschritts ausgebildet, wobei die ermittelten Sollspannungskomponenten U_{sd_k}, U_{sq_k}, insbesondere eine Solllängsspannungs- und eine Sollquerspannungskomponente U_{sd_k}, U_{sq_k}, zur Ansteuerung der Drehfeldmaschine 4 bereitgestellt werden, z. B. an einem Ausgang 17 der ersten Funktionseinheit 12. Anders ausgedrückt werden mittels der ersten Funktionseinheit 12 d,q-Sollspannungswerte U_{sd_k}, U_{sq_k}, insbesondere eine Solllängsspannungskomponente U_{sd_k} und eine Sollquerspannungskomponente U_{sq_k}, des aktuellen Abtastschritts in Abhängigkeit von d,q-Sollspannungswerten U_{sd_k-1}, U_{sq_k-1} und/oder d,q-Sollstromwerten bzw. Vorgaben I_{sd_k-1}, I_{sq_k-1} des vorhergehenden Abtastschritts ermittelt, i. e. entsprechend einem iterativen Verfahren.
Bei der Ermittlung der d,q-Sollspannungskomponenten U_{sd_k}, U_{sq_k} in dem jeweiligen aktuellen Abtastschritt werden insbesondere die Solllängsspannungskomponente U_{sd_k} im d,q-Zweigrößensystem in Abhängigkeit einer Solllängsstromkomponente I_{sd_k-1} und/oder einer Solllängspannungskomponente U_{sd_k-1} und/oder die Sollquerspannungskomponente U_{sq_k} im d,q-Zweigrößensystem in Abhängigkeit einer Sollquerstromkomponente I_{sq_k-1} und/oder einer Sollquerspannungskomponente U_{sq_k-1} jeweils des vorhergehenden Abtastschritts ermittelt, insbesondere durch die erste Funktionseinheit 12. Durch Berücksichtigung von Sollvorgaben bzw. Komponenten des jeweiligen vorangegangenen Abtastschritts im aktuellen Abtastschritt kann vorteilhaft eine hochdynamische Steuerung realisiert werden.
Die Ermittlung der Solllängsspannungskomponente U_{sd_k} durch insbesondere die erste Funktionseinheit 12 im aktuellen Abtastschritt erfolgt basierend auf dem Bestimmen der Lösung einer Relation, insbesondere einer Gleichung A), in welcher die Solllängsspannung U_{sd_k} des aktuellen Abtastschritts eine Funktion der Solllängsspannung U_{sd_k-1} des vorausgehenden Abtastschritts und/oder eine Funktion des Solllängsstroms I_{sd_k-1} des vorausgehenden Abtastschritts und/oder eine Funktion des Sollquerstroms I_{sq_k} des aktuellen Abtastschritts ist.
In gleicher Weise erfolgt die Ermittlung der Sollquerspannungskomponente U_{sq_k} durch insbesondere die erste Funktionseinheit 12 im aktuellen Abtastschritt basierend auf dem Bestimmen der Lösung einer Relation, insbesondere einer Gleichung B), in welcher die Sollquerspannung U_{sq_k} des aktuellen Abtastschritts eine Funktion der Sollquerspannung U_{sq_k-1} des vorausgehenden Abtastschritts und/oder eine Funktion des Sollquerstroms I_{sq_k-1} des vorausgehenden Abtastschritts und/oder eine Funktion des Solllängsstroms I_{sd_k} des aktuellen Abtastschritts ist.
Im jeweiligen aktuellen bzw. durchzuführenden Abtastschritt werden Relationen, insbesondere Gleichung A) für die (Stator-)Solllängsspannungskomponente:
und Gleichung B) für die (Stator-)Sollquerspannungskomponente
gelöst.
Die ermittelten Sollspannungen U_{sd_k}, U_{sq_k} bzw. damit korrespondierende Signale werden an dem Ausgang 17 der ersten Funktionseinheit 12 bereitgestellt. Die Gleichungen A) und B) sind z. B. in einem Festspeicher der ersten Funktionseinheit 12 hinterlegt oder werden z. B. bedarfsabhängig in einen volatilen Speicher geladen, auf welchen die erste Funktionseinheit 12 zugreift.
In den, insbesondere diskreten, Gleichungen A) und B) bezeichnet die Indizierung _{_k}, wie bereits erwähnt, ebenfalls die Größen des aktuellen und _{_k-1} die Größen des vorhergehenden Abtastschritts der Dauer T und _s den Statorbezug, d. h. eine Größe betreffend den Stator der Drehfeldmaschine 4. U_{sd_k} bzw. U_{sd_k-1} bezeichnen die Solllängsspannungskomponente, U_{sq_k} bzw. U_{sq_k-1} die Sollquerspannungskomponente, d. h. jeweils Vorgaben für z. B. weitere Funktionseinheiten des Antriebssystems 6 bzw. zur Ansteuerung der Drehfeldmaschine 4.
T_Ed bezeichnet eine Zeitkonstante resultierend aus L_sd/R und L_sd die Längskomponente der Induktivität der Ständer- bzw. Statorwicklung, T_Eq eine Zeitkonstante resultierend aus L_sq/R und L_sq die Querkomponente der Induktivität der Statorwicklung, I_{sd_k} bzw. I_{sd_k-1} die vorgegebene Solllängsstromkomponente, I_{sq_k} bzw. I_{sq_k-1} die vorgegebene Sollquerstromkomponente, R den ohmschen Wicklungswiderstand der Statorwicklung, ω_el die elektrische Winkelgeschwindigkeit und Ψω_el die als konstant angenommene Polrad- bzw. Rotorspannung für einen insbesondere sehr kleinen bzw. kurzen Abtastschritt der Dauer T, wobei Ψ den Polradfluss darstellt. Die Polradspannung wird z. B. mittels hinterlegter Kennlinien ermittelt.
Der Wicklungswiderstand R ist z. B. hinterlegt oder wird im Einzelfall entsprechend der jeweiligen Drehfeldmaschine 4 vorgegeben, z. B. ebenfalls in einem Speicher für die erste Funktionseinheit 12 hinterlegt. Die Polradspannung Ψω_el wird als konstant angenommen, da im Normalfall die mechanische Zeitkonstante der Drehfeldmaschine 4 größer ist als die elektrische Zeitkonstante. Die Drehzahl kann während der schnellen Änderung des Stromes als konstant angesehen werden.
Die d,q-Stromsollwerte bzw. Sollstromkomponenten I_{sd_k-1} und I_{sq_k-1} des jeweils vorangegangenen Abtastschritts, welche zum Lösen der Gleichung A) und B) in einem gegenwärtigen Abtastschritt _{_k} erforderlich sind, werden z. B. ebenfalls in einem Speicher für die erste Funktionseinheit 12 hinterlegt. Die Hinterlegung und ein Zugriff auf die gespeicherten Werte wird insbesondere von der ersten Funktionseinheit 12 veranlasst. Der Speicher ist z. B. ein volatiler bzw. ein RAM-Speicher.
Gemäß der Gleichungen A) und B) kann die Dynamik einer feldorientierten Steuerung (FOS), welche mittels der ersten zuschaltbaren Funktionseinheit 12 der Reglerstruktur 7 realisierbar ist bzw. ermöglicht wird, hierbei vorteilhaft wahlfrei über die Zeitkonstanten T₁ und T₂ eingestellt werden, z. B. durch zusätzliche Übertragungsglieder. Die Zeitkonstanten T_Ed und T_Eq der (Steuer-)Strecke können somit vorteilhaft kompensiert werden. Eine Rückkopplung von Ist-Werten der Längs- und Querstromkomponenten an einen Eingang zum Zwecke des Soll-/Ist-Vergleichs ist – im Gegensatz zu der feldorientierten Regelung (FOR) – nunmehr nicht länger erforderlich, so dass geeignete Sollgrößen für den Weiterbetrieb der Drehfeldmaschine 4 nach einer Abschaltung der Stromsensorik 5 weiterhin erhältlich sind.
Die Steuerstruktur 10 weist weiterhin z. B. eine dritte Funktionseinheit 18 auf, welche dazu vorgesehen ist, die von der ersten Funktionseinheit 12 bereitgestellten d,q-Sollspannungskomponenten U_{sd_k}, U_{sq_k} insbesondere mittels einer inversen Park- und Clarke-Transformation, in Spannungen bzw. Sollspannungswerte U_s1, U_s2, U_s3 eines Mehrphasen-Drehstromsystems, insbesondere eines Dreiphasen-Drehstromsystems, umzuwandeln, z. B. ebenfalls innerhalb des jeweiligen aktuellen Abtastschritts.
Die dritte Funktionseinheit 18 weist einen Eingang 19 auf, welcher mit dem Ausgang 17 der ersten Funktionseinheit 12 in Verbindung steht, z. B. über elektrische Verbindungsleitungen. Die der ersten Funktionseinheit 12 insbesondere nachgeordnete dritte Funktionseinheit 18, ist insbesondere als Signalwandler bzw. als Transformationseinheit ausgebildet, welche z. B. in vorstehend beschriebene erste Funktionseinheit 12 zum Lösen der Gleichung A) und B) integriert ist oder alternativ z. B. mittels einer weiteren, davon getrennten Funktionseinheit gebildet ist, z. B. in Form einer elektronischen Schaltung, z. B. eines Mikrocontrollers oder Mikrocomputers.
Zur Ermittlung der Sollspannungswerte U_s1, U_s2, U_s3 im Mehrgrößen-Drehstromsystem wird der dritten Funktionseinheit 18 ebenfalls eine Winkelinformation zur Verfügung gestellt, i. e. der tatsächliche elektrische Winkel θ_el des Rotors resultierend aus dem mechanischen Winkel in Abhängigkeit der Polpaarzahl Z_p mitgeteilt. Diese Größe wird von einer weiteren, vierten Funktionseinheit 20, alternativ z. B. von der zweiten Funktionseinheit 15, z. B. basierend auf der Winkelinformation des Positionssensors 11 auf an sich bekannte Weise ermittelt und z. B. einem weiteren Eingang 21 der dritten Funktionseinheit 18 zur Verfügung gestellt, welcher mit einem Ausgang der vierten Funktionseinheit 20 in Verbindung steht.
Basierend auf den von der dritten Funktionseinheit 18 an einem Ausgang 22 ausgegebenen Sollspannungen U_s1, U_s2, U_s3 werden anschließend PWM-Vorgabewerte PWM1, PWM2, PWM3 erzeugt, welche mit Werten korrespondieren, mit welchen die Drehfeldmaschine 4 in einem idealisierten Betriebsfall betreibbar wäre, i. e. idealisierten Werten, die Totzeit t₀ im Gegensatz zu den im Zuge einer Regelung generierten PWM-Vorgabewerten PWM1, PWM2, PWM3 gemäß 3 jedoch nicht berücksichtigen.
Die Umwandlung der Sollspannungswerte U_s1, U_s2, U_s3 zu PWM-Vorgabewerten PWM1, PWM2, PWM3 erfolgt z. B. durch eine fünfte Funktionseinheit in Form des PWM-Generators 8, welcher als Vektormodulator bzw. Raumzeiger-Pulsweitenmodulator gebildet ist und welchem zudem die Gleichspannung U_dc des Zwischenkreises des Wechselrichters 1 als weitere Eingangsgröße zugeführt wird, i. e. an einen Eingang 23. Die Sollspannungswerte U_s1, U_s2, U_s3 liegen an einem Eingang 24 der fünften Funktionseinheit 8 an, die PWM-Vorgabewerte PWM1, PWM2, PWM3 stehen an einem Ausgang 25 zur Verfügung. Die fünfte Funktionseinheit 8 ist z. B. in eine der vorstehend beschriebenen Funktionseinheiten 12, 18, ... integriert oder z. B. alternativ davon getrennt gebildet.
Mit dem Ausgang 25 der fünften Funktionseinheit 8 verbunden ist der Eingang 26 einer sechsten Funktionseinheit 27, welche im Zuge des Umschaltens der Reglerstruktur 7 auf den Steuer-Betriebsmodus zugeschaltet wird und ausgangsseitig den Wechselrichter 1 ansteuert, i. e. dessen Treiberstufe.
Die sechste Funktionseinheit 27 ist zur Totzeitkompensation ausgebildet, wozu diese mit einer siebten Funktionseinheit 28, i. e. zur Ermittlung und Bereitstellung bzw. Ausgabe korrigierter PWM-Vorgabewerte PWM1n bzw. PWM2n bzw. PWM3n, welche die Kompensation der Totzeit t₀ implementieren, zusammenwirkt. Die sechste Funktionseinheit 27 und die siebte Funktionseinheit 28 sind mittels je einer elektronischen Schaltung in Form eines Mikrocontrollers realisiert, können allgemein jedoch z. B. in eine der vorstehend beschriebenen Funktionseinheiten 12, 18 integriert oder z. B. alternativ davon getrennt gebildet sein, z. B. auch mittels einer Software.
Die siebte Funktionseinheit 28 ermittelt die elektrische Leistung der Drehfeldmaschine 4 basierend auf den Sollgrößen I_{sd_k}, I_{sq_k} sowie U_{sd_k} und U_{sq_k} im jeweiligen Abtastschritt _{_k} und stellt diese via eines Ausgangs 29 der sechsten Funktionseinheit 27 an einem Eingang 30 zur Verfügung. Die vorstehend genannten Sollgrößen werden der siebten Funktionseinheit 28 über entsprechende Abgriffe an einen Eingang 31 zugeführt.
Zur Ermittlung der Leistung P_el basierend auf den Sollgrößen wird seitens der siebten Funktionseinheit 28 die Gleichung C) gelöst: P_el = 1.5·(U_{sd_k}·I_{sd_k} + U_{sq_k}·I_{sq_k})
Der ermittelte Wert für P_el wird der sechsten Funktionseinheit 27 zur weiteren Verwendung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verfügung gestellt.
Anhand von 5 wird das Verfahren zum Betrieb der Drehfeldmaschine 4 nachfolgend noch näher erläutert.
Korrespondierend mit einer jeweiligen PWM-Periode wird zur Kompensation der Totzeit t₀ ein PWM-Vorgabewertfehler ΔPWM_1,2,3, welcher sich aus einem Fehlerbetrag |ΔPWM_1,2,3| und einem Vorzeichen bzw. arithmetischen Operator, i. e. Plus oder Minus, zusammensetzt, je Phase U, V, W basierend auf der zu erwartenden Leistung P_el, und dem PWM-Vorgabewert PWM1 bzw. PWM2 bzw. PWM3 für diese Phase U bzw. V bzw. W ermittelt.
Für jeden Fehlerbetrag |ΔPWM_1,2,3| wird hierbei durch die sechste Funktionseinheit 27 die Gleichung D) gelöst, Bz. 32,
wobei t₀ die Totzeit und T_s die Schaltperiode des Wechselrichters 1 bezeichnet, i. e. entsprechend T_s = 1/f_s, wobei f_s die Schaltfrequenz des Wechselrichters darstellt.
Das Vorzeichen eines jeweiligen PWM-Vorgabewertfehlers ΔPWM_1,2,3 je Phase U, V, W wird im Zusammenwirken der sechsten 27 und siebten 28 Funktionseinheit basierend auf der elektrischen Leistung P_el gemäß Gleichung C), Bz. 33, und jeweils dem PWM-Vorgabewert PWM1 bzw. PWM2 bzw. PWM3 der Phase im Zuge zweier Schwellwertvergleiche ermittelt, Bz. 34 und 35. Die Schwellwertvergleiche 34, 35 werden hierbei ebenfalls von der sechsten Funktionseinheit 27 durchgeführt.
Im Rahmen eines ersten Schwellwertvergleichs 34 wird der jeweilige PWM-Vorgabewert PWM1 bzw. PWM2 bzw. PWM3 mit dem Schwellwert von 50% verglichen, i. e. untersucht, ob die einzustellende Spannung positiv, i. e. der PWM-Vorgabewert größer 50% ist oder negativ, i. e. der PWM-Vorgabewert kleiner 50% ist.
Im Rahmen eines zweiten Schwellwertvergleichs 35 wird jeweils die elektrische Leistung P_el mit dem Schwellwert Null verglichen, i. e. untersucht, ob die zu erwartende Leistung P_el positiv oder negativ ist.
Auf den Ergebnissen beider Schwellwertvergleiche 34, 35 basierend wird das Vorzeichen des jeweiligen PWM-Vorgabewertfehlers ΔPWM_1,2,3 als Pluszeichen ermittelt, falls der PWM-Vorgabewert PWM1 bzw. PWM2 bzw. PWM3 einen Schwellwert von 50% übersteigt, Bz. 36 und die elektrische Leistung P_el den Schwellwert Null übersteigt, Bz. 37, oder das Vorzeichen als Pluszeichen ermittelt, falls der PWM-Vorgabewert kleiner gleich dem Schwellwert von 50% ist, Bz. 38, und die elektrische Leistung P_el kleiner gleich dem Schwellwert Null ist, Bz. 39.
Das Vorzeichen des jeweiligen PWM-Vorgabewertfehlers ΔPWM_1,2,3 wird als Minuszeichen ermittelt, falls der PWM-Vorgabewert PWM1 bzw. PWM2 bzw. PWM3 größer dem Schwellwert 50% ist, Bz. 36, und die elektrische Leistung P_el kleiner gleich dem Schwellwert Null ist, Bz. 40, oder das Vorzeichen als Minuszeichen ermittelt, falls der PWM-Vorgabewert PWM1 bzw. PWM2 bzw. PWM3 kleiner gleich dem Schwellwert 50% ist, Bz. 38, und die elektrische Leistung P_el den Schwellwert Null übersteigt, Bz. 41.
Durch Addieren eines jeweils derart hinsichtlich seines Betrags und seines Vorzeichens ermittelten PWM-Vorgabewertfehlers ΔPWM_1,2,3 je Phase mit dem korrespondierenden PWM-Vorgabewert PWM1 bzw. PWM2 bzw. PWM3 wird nunmehr für jede Phase U, V, W ein neuer bzw. korrigierter PWM-Vorgabewert PWM1n bzw. PWM2n bzw. PWM3n bestimmt, welcher zur Ausgabe an den Wechselrichter 1 zur Einstellung eines die Totzeit t₀ berücksichtigenden Spannungsvektors ausgegeben bzw. bereitgestellt werden kann, Bz. 42. Die korrigierten PWM-Vorgabewerte PWM1n bzw. PWM2n bzw. PWM3n ergeben sich somit zu PWM1n = PWM1 + ΔPWM1, PWM2n = PWM2 + ΔPWM2, und PWM3n = PWM3 + ΔPWM3.
Ein korrigierter PWM-Vorgabewert PWM1n, PWM2n, PWM3n, welcher kleiner Null Prozent oder größer hundert Prozent ist, wird hierbei vor Ausgabe an den Wechselrichter 1 auf Null Prozent bzw. hundert Prozent durch die sechste Funktionseinheit 27 begrenzt, Bz. 43. Die Ausgabe erfolgt über einen Ausgang 44 der sechsten Funktionseinheit 27.
Angemerkt sei, dass die Drehfeldmaschine 4 während des geschilderten Verfahrens gemäß einer feldorientierten Steuerung, insbesondere mit einstellbarer Dynamik, gesteuert betrieben wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine Totzeitkompensation unter Verzicht auf Stromsensorik ermöglicht, einhergehend mit einem reduzierten Kostenaufwand für Sensoren, A/D-Wandler, Platinenfläche, z. B. für den Einsatz in Servolenkungen. Durch den Verzicht auf Strommessung können die Probleme der Strommessung wie Rauschen, Offset, die zu Geräuschen und Drehmomentschwankungen führen, reduziert werden. Bei insbesondere niedrigen Drehzahlen kann eine Totzeitkompensation im Wechselrichter ohne Strommessung einhergehend mit einer erhöhten Genauigkeit durchgeführt werden. Das Verfahren ist bei Traktionsantrieben, d. h. einem Fahrzeugantrieb, mit ungenauer Strommessung im kleinen Strombereich und kleinen Drehzahlbereich verwendbar. Selbstverständlich sind weitere Anwendungsmöglichkeiten denkbar.
Bezugszeichenliste

1: Wechselrichter
2: Zwischenkreis
3: Zwischenkreiskondensator
4: Drehfeldmaschine
5: Strommessung
6: Antriebssystem
7: Reglerstruktur
8: PWM-Generator
9: Stromsensorik
10: Steuerstruktur
11: Positionssensor
12: erste Funktionseinheit
13: Eingang 12
14: weiterer Eingang 12
15: zweite Funktionseinheit
16: Verbindungsleitung
17: Ausgang 12
18: dritte Funktionseinheit
19: Eingang 18
20: vierte Funktionseinheit
21: weiterer Eingang 18
22: Ausgang 18
23: Eingang 8
24: Eingang 8
25: Ausgang 8
26: Eingang 27
27: sechste Funktionseinheit
28: siebte Funktionseinheit
29: Ausgang 28
30: weiterer Eingang 27
31: Eingang 28
32: Lösen Gleichung D)
33: Lösen Gleichung C)
34: erster Schwellwertvergleich
35: zweiter Schwellwertvergleich
36...41: Ergebnisse Schwellwertvergleiche 34, 35
42: Addition
43: Begrenzung
44: Ausgang 27
S1...S6: Leistungsschalter
U, V, W: Phasen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10139642 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Drehfeldmaschine (4), insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine (PMSM), an einem Wechselrichter (1), wobei zum Betrieb der Drehfeldmaschine (4) PWM-Vorgabewerte für die Phasen (U, V, W) derselben ermittelt werden, korrespondierend mit welchen Leistungsschalter (S1, ...S6) des Wechselrichters (1) einen Spannungsvektor an der Drehfeldmaschine (4) einstellen, dadurch gekennzeichnet, dass korrespondierend mit einer jeweiligen PWM-Periode zur Kompensation der Totzeit (t₀) ein PWM-Vorgabewertfehler (ΔPWM_1,2,3) je Phase (U, V, W) ermittelt wird, basierend auf welchem und dem PWM-Vorgabewert (PWM1, PWM2, PWM3) der Phase ein korrigierter PWM-Vorgabewert (PWM1n, PWM2n, PWM3n) zur Einstellung des Spannungsvektors ermittelt wird, wobei das Vorzeichen des PWM-Vorgabewertfehlers (ΔPWM_1,2,3) basierend auf der elektrischen Leistung (P_el) der Drehfeldmaschine (4), insbesondere einer zu erwartenden Leistung (P_el), und dem PWM-Vorgabewert (PWM1, PWM2, PWM3) der Phase (U, V, W) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der PWM-Vorgabewertfehler (ΔPWM_1,2,3) weiterhin basierend auf der Totzeit (t₀) und einer Periodendauer (T_s) ermittelt wird, wobei die Periodendauer insbesondere mit einer Schaltperiodendauer des Wechselrichters (1) korrespondiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein korrigierter PWM-Vorgabewert (PWM1n, PWM2n, PWM3n), welcher kleiner Null Prozent oder größer hundert Prozent ist, vor Ausgabe an den Wechselrichter (1) auf Null Prozent bzw. hundert Prozent begrenzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Vorzeichens des jeweiligen PWM-Vorgabewertfehlers (ΔPWM_1,2,3) der korrespondierende PWM-Vorgabewert (PWM1, PWM2, PWM3) und die elektrische Leistung (P_el) je mit einem Schwellwert verglichen wird, wobei das Vorzeichen in Abhängigkeit beider Vergleichsergebnisse als ein Minus- oder ein Pluszeichen ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorzeichen des PWM-Vorgabewertfehlers (ΔPWM_1,2,3) als Pluszeichen ermittelt wird, falls der PWM-Vorgabewert einen Schwellwert von 50% übersteigt und die elektrische Leistung (P_el) den Schwellwert Null übersteigt, oder das Vorzeichen als Pluszeichen ermittelt wird, falls der PWM-Vorgabewert (PWM1, PMW2, PWM3) einen Schwellwert von 50% unterschreitet und die elektrische Leistung (P_el) den Schwellwert Null unterschreitet; und wobei das Vorzeichen als Minuszeichen ermittelt wird, falls der PWM-Vorgabewert (PWM1, PMW2, PWM3) den Schwellwert von 50% übersteigt und die elektrische Leistung (P_el) den Schwellwert Null unterschreitet, oder das Vorzeichen als Minuszeichen ermittelt wird, falls der PWM-Vorgabewert (PWM1, PMW2, PWM3) den Schwellwert von 50% unterschreitet und die elektrische Leistung (P_el) den Schwellwert Null übersteigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leistung (P_el) korrespondierend mit je einer PWM-Periode basierend auf Soll-Stromvorgaben (Isd_k, Isq_k) und/oder Soll-Spannungsvorgaben (Usd_k, Usq_k) für die PWM-Periode ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige PWM-Vorgabewertfehler (ΔPWM_1,2,3) zur Ermittlung des korrespondierenden korrigierten PWM-Vorgabewerts (PWM1n, PWM2n, PWM3n) mit dem korrespondierenden PWM-Vorgabewert (PWM1, PWM2, PWM3) für diese Phase (U, V, W) addiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehfeldmaschine (4) während des Verfahrens gemäß einer feldorientierten Steuerung, insbesondere mit einstellbarer Dynamik, gesteuert betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der korrigierte PWM-Vorgabewert (PWM1n, PWM2n, PWM3n) je Phase (U, V, W) an den Wechselrichter (1) zur Einstellung eines Spannungsvektors ausgegeben wird.
Vorrichtung zum Betrieb einer Drehfeldmaschine (4), insbesondere mit einem Wechselrichter (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, wobei zum Betrieb des Wechselrichters (1) korrigierte PWM-Vorgabewerte (PWM1n, PWM2n, PWM3n) durch die Vorrichtung bereitgestellt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Steuerstruktur (10) zur feldorientierten Steuerung oder eine Reglerstruktur (7) aufweist, welche auf eine Steuerstruktur (10) zur feldorientierten Steuerung der Drehfeldmaschine (4) umschaltbar ist, insbesondere jeweils zur feldorientierten Steuerung mit einstellbarer Dynamik, wobei die Vorrichtung im Zuge der feldorientierten Steuerung korrigierte PWM-Vorgabewerte (PWM1n, PWM2n, PWM3n) bereitstellt.
Antriebssystem (6) mit einer Drehfeldmaschine (4) und einem Wechselrichter (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (6) zum Betrieb der Drehfeldmaschine (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.