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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Wechselrichters insbesondere eines Elektrofahrzeugs durch Modulieren des Wechselrichters mit mindestens einer trigonometrischen Funktion. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Antriebsvorrichtung für ein Elektrofahrzeug mit einem Elektromotor, einem Wechselrichter, mit dem der Elektromotor angesteuert wird, und einer Steuereinrichtung zum Modulieren des Wechselrichters mit mindestens einer trigonometrischen Funktion.
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Zur Ansteuerung von Fahrzeugwechselrichtern in Elektrofahrzeugen sind geeignete Modulationsmethoden einzusetzen, bei denen üblicherweise ein hoher Rechenaufwand für den Mikrocontroller entsteht. Diesen Aufwand gilt es zu reduzieren.
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Die Ansteuerung von Wechselrichtern erfolgt üblicherweise mittels PWM-basierter Steuerverfahren. Dabei werden drei sinusförmige Signale, oder die Summe aus sinusförmigen Signalen und weiteren Signalen, mit einem Dreieckssignal verglichen und daraus Schaltungsanweisungen erstellt. 1 stellt dies für einen einzelnen Leistungsschalter des Wechselrichters als Blockschaltbild dar. Eine trigonometrische Funktion 1 wird mit einem Störsignal 2 beaufschlagt, was einer Summenbildung 3 entspricht. Die Summe der beiden Signale 1 und 2 wird mit einem Dreieckssignal 4 in einer Vergleichseinheit 5 verglichen. Das Ausgangssignal der Vergleichseinheit 5 entspricht dem gewünschten Ansteuersignal 6.
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Das dargestellte Verfahren muss für jedes der drei Ansteuersignale durchgeführt werden. Das Störsignal 2 selbst wird aus dem Maximum bzw. Minimum der drei Sinusfunktionen berechnet. Somit muss der steuernde Mikrocontroller mindestens einmal pro Periode des Dreiecksignals
- 1. drei trigonometrische Funktionen berechnen sin(t), sin(t + (2/3)π), sin(t – (2/3)π)
- 2. das Störsignal berechnen gemäß der Formel
- 3. die resultierenden Referenzfunktionen berechnen durch Summierung der drei Funktionen mit dem Störsignal.
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Anschließend muss der Mikrocontroller die Periode über des Dreieckssignal mit den drei resultierenden Signalen vergleichen. Für eine Auflösung von 10 Bit bei üblicher Abtastung (regular sampling) muss die Berechnung einmal pro PWM-Periode, also bis zu mehreren 10 kHz durchgeführt werden, und der Vergleich mit allen drei Funktionen 2 × 1024 mal pro PWM-Periode.
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Insbesondere die Operationen mit den trigonometrischen Funktionen stellen für den Mikrocontroller eine hohe Belastung dar.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, den Rechenaufwand zur Modulation von Antriebswechselrichtern zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Antriebsvorrichtung nach Anspruch 7. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird demnach bereitgestellt ein Verfahren zum Ansteuern eines Wechselrichters insbesondere eines Elektrofahrzeugs durch Modulieren des Wechselrichters mit mindestens einer trigonometrischen Funktion, wobei die mindestens eine trigonometrische Funktion in einem oder mehreren Abschnitten durch jeweils eine lineare Funktion angenähert wird.
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Darüber hinaus wird erfindungsgemäß eine Antriebsvorrichtung für ein Elektrofahrzeug mit einem Elektromotor, einem Wechselrichter, mit dem der Elektromotor angesteuert wird, und einer Steuereinrichtung zum Modulieren des Wechselrichters mit mindestens einer trigonometrischen Funktion bereitgestellt. Wiederum ist die mindestens eine trigonometrische Funktion in einem oder mehreren Abschnitten durch jeweils eine lineare Funktion angenähert.
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In vorteilhafter Weise wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung der hohe Aufwand einer Operation mit trigonometrischen Funktionen für den Mikrocontroller reduziert. Trotzdem werden wesentliche Wechselrichterparameter den Qualitätsmerkmalen gerecht.
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Vorzugsweise erfolgt das Modulieren mit drei trigonometrischen Funktionen. Die drei trigonometrischen Funktionen können in Bezug auf den Winkel in Blöcke unterteilt sein. In den Blocken sind die trigonometrischen Funktionen vorteilhafterweise so linearisiert, dass sie punktsymmetrisch zum Mittelpunkt des jeweiligen Blocks sind. Günstigerweise wird ein Übergang zwischen einem linearisierten Abschnitt und einem nicht-linearisierten Abschnitt der trigonometrischen Funktion mit einer stetigen Krümmung erzeugt. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die trigonometrische Funktionen in einem Block Leistungsvektoren definieren, deren Übergang linearisiert wird.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
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1 ein Blockschaltbild zu dem erfindungsgemäßen Verfahren;
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2 Referenzsignale für eine sinusoidale PWM für einen Verlauf ohne Störsignal;
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3 einen Block von 2 mit Schaltzuständen;
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4 eine Transformation der Nullvektorbereiche und des Übergangs der Leistungsvektoren;
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5 eine Aufteilung eines Blocks in zwei Abschnitte mit jeweils zur einem Nullvektor;
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6 Verläufe für Phasenstrom, Drehzahl und Drehmoment einer permanenterregten Synchronmaschine; und
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7 einen Vergleich zwischen Blockmodulation und einer sogenannten „Rahmenmodulation” ohne Nullvektoren.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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In dem folgenden konkreten Ausführungsbeispiel im Rahmen einer erfindungsgemäßen „Rahmenmodulation” werden die trigonometrischen Funktionen der Referenzsignale in einzelne Blöcke unterteilt, und innerhalb dieser Blöcke werden die drei trigonometrischen Funktionen linear angenähert. Die Blöcke werden periodisch und können einmal vor der Laufzeit berechnet werden. Die Referenzfunktionen bilden dann einen Rahmen, der sich beispielsweise alle 60° wiederholt. Dadurch können einerseits die Schaltvorgänge gegenüber den Modulationsarten des heutigen Stands der Technik gering gehalten werden, und andererseits eine beträchtliche Reduzierung des Rechenaufwands für den Mikrocontroller erzielt werden.
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2 zeigt die resultierenden Referenzsignale für die sinusoidale PWM für einen Verlauf ohne Störsignal. Die gestrichelten Linien teilen die Verläufe in 60°-Blöcke 7. Die Blöcke 7 sind identisch, mit der Ausnahme, dass jeder zweite Block gespiegelt ist. Die Spiegelung beeinflusst die Wahl des Schaltzustandes in den Gebieten. Dies kann aber durch eine entsprechende Wahl der Schaltanweisungen umgangen bzw. ignoriert werden.
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3 zeigt einen der Blöcke 7 für sich und die resultierenden Schaltzustände [000], [001], [011] und [111] am Wechselrichter. Wichtig ist, dass bei der Abtastung durch eine Pulsweitenmodulation nur die Anteile der Schaltzustände an der Pulsperiode eine Rolle spielen. Die Nullvektoren [000] und [111] sind dabei austauschbar. D. h. es kann in beiden Nullvektorbereichen derselbe Nullvektor verwendet werden, ohne dass das Ausgangssignal beeinflusst wird.
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4 zeigt eine entsprechende Transformation der Nullvektorbereiche und des Übergangs der Leistungsvektoren. Der Übergang zwischen den Leistungsvektoren kann hier schon sehr gut als linear angenommen werden. Jedoch werden immer noch, wie bei der sinusoidalen PWM typisch in jeder Pulsperiode beide Nullvektoren verwendet. Das bedeutet mehr Schaltvorgänge, und es müssen immer noch zwei von den drei trigonometrischen Funktionen berechnet werden.
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5 zeigt eine weiterentwickelte Ausführungsform, bei der ein Block 7 in zwei 300 Abschnitte 8 mit jeweils nur einem Nullvektor aufgeteilt ist. Die beiden Nullvektoranteile sind punktsymmetrisch zum Mittelpunkt des Blocks. Die Krümmung der Funktionen ist durch ein mathematisches Modell angepasst für minimale Verzerrung des Ausgangssignals bei gleichzeitigem linearen Übergang zwischen den Leistungsvektoren. Dadurch wird eine Übereinstimmung von 99,6% zwischen dem berechneten Ausgangssignal (unter der Voraussetzung der idealen Glättung) und einem mathematisch perfekten Sinus erzielt. Der Modulationsindex erreicht dabei die optimalen 1,15.
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Die trigonometrischen Funktionen sind in ihrer Position auf kleine Bereiche beschränkt. Bei dem hier dargestellten Modulationsindex muss auf einen Schnitt zwischen der Dreieckspannung, der PWM und den Nullvektorbereichen nur oberhalb von 0,86 und unterhalb von 0,13 geprüft werden. Indem die Bereiche, in denen eine trigonometrische Funktion vorkommt, eingeschränkt werden, wird der Rechenaufwand noch weiter verringert, da 73% der Periode überhaupt keine trigonometrischen Berechnungen erfordern.
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Die trigonometrischen Funktionen können auf Kosten der Signalqualität durch lineare Funktionen oder Stufen genähert werden.
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Da sich dieser Vergleichsrahmen für jeden 60°-Abschnitt wiederholt, kann er einmal vor der Laufzeit berechnet und dann beliebig oft verwendet werden.
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6 zeigt die Verläufe für Phasenstrom, Drehzahl und Drehmoment bei der Simulation einer permanenterregten Synchronmaschine. Von links nach rechts sind die Verläufe bei Modulation mit der sinusoidalen PWM mit addierter dritter Harmonischer, der Flattop 60 Raumzeigermodulation und der Rahmenmodulation abgebildet.
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Als weitere relevante Faktoren dienen die beiden Hauptverlustquellen, die Schaltverluste und die Eisenverluste durch Oberschwingungen und die Schwankungsbreite des Drehmoments im eingeschwungenen Zustand.
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Die Rahmenbedingungen sind dabei eine Signalfrequenz von 50 Hz bei einer PWM-Frequenz von 4800 Hz. Die Last ist eine permanenterregte Synchronmaschine mit vier Polpaaren. Das Widerstandsmoment ist 20 Nm. Die maximale Leistung der Maschine liegt bei ca. 37 Nm mit leichten Schwankungen je nach Modulation.
| | Schaltvorgänge/s | THD | Schwankungsbreite des Drehmoments |
| Sinusoidale PWM mit 3. Harmonischer | 4800 | 0,0089 | 0,5971 Nm |
| Flattop 60 Raumanzeigermodulation | 3253 | 0,0090 | 0,6289 Nm |
| Rahmenmodulation | 3347 | 0,0088 | 0,5889 Nm |
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Die Rahmenmodulation bietet darüber hinaus durch einen Zwischenweg zwischen der Blockmodulation und der sinusoidalen PWM bzw. der Raumzeigermodulation preiswerte Systeme. Die Blockmodulation wird wegen ihrer Einfachheit und hohen Nutzung der Quelle geschätzt. Werden die Nullvektoranteile bei der Rahmenmodulation weggelassen, so erhält man eine einfache PWM-basierte Dreiphasenmodulation.
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7 zeigt den Vergleich zwischen Blockmodulation (links) und Rahmenmodulation ohne Nullvektoren (rechts). Die Welligkeit der Drehzahl und des Drehmoments sind bei der Rahmenmodulation weit geringer. Die entsprechenden Daten bei den gleichen Testbedingungen wie bei der vorherigen Messung ergeben sich aus folgender Tabelle.
| | Schaltvorgänge/s | THD | Schwankungsbreite des Drehmoments | Maximales Drehmoment |
| Blockmodulation | 133 | 0,4834 | 3,9081 | 41,88 |
| Rahmenmodulation ohne Nullvektoren | 460 | 0,0694 | 2,5792 | 39,11 |
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Damit sind der Verzerrungsgrad und die Eisenverluste im Motor um ein Vielfaches geringer. In vorteilhafter Weise werden also erfindungsgemäß Abschnitte der trigonometrischen Funktionen durch lineare Funktionen genähert. Aufgrund der Tatsache, dass dadurch die trigonometrischen Funktionen in ihrer Position auf kleine Bereiche beschränkt sind, wird der Rechenaufwand für die Steuerelektronik deutlich verringert. Somit kann eine Blockmodulation mit höherer Signalqualität bei gleichem Rechenaufwand erzielt werden. Durch die höhere Signalqualität wiederum wird die Belastung des Motors reduziert.
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Bezugszeichenliste
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- 9
- trigonometrische Funktion
- 2
- Störsignal
- 3
- Summenbildung
- 4
- Dreieckssignal
- 5
- Vergleichseinheit
- 6
- Ansteuersignal
- 7
- 60°-Blöcke
- 8
- 30°-Abschnitte
