DE102012210644A1 - Method for controlling inverter by space vector modulation for controlling electric machine of motor vehicle drive strand, involves forming voltage space vector around base voltage space vector by combination of switching states of switch - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Wechselrichters mittels Raumzeigermodulation, insbesondere zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine, wobei der Wechselrichter eine Mehrzahl von steuerbaren Schaltern aufweist und der dazu ausgebildet ist, eine mehrphasige elektrische Spannung und einen mehrphasigen elektrischen Strom bereitzustellen, insbesondere um die elektrische Maschine mehrphasig mit elektrischem Strom zu versorgen, wobei der Wechselrichter derart angesteuert wird, dass eine Mehrzahl von unterschiedlichen aufeinanderfolgenden Schaltzuständen der Schalter eingerichtet wird und somit jeweils ein Grundspannungsraumzeiger ausgebildet wird, um die elektrische Spannung in Form eines Spannungsraumzeigers bereitzustellen.The present invention relates to a method for controlling an inverter by means of space vector modulation, in particular for controlling an electrical machine, wherein the inverter has a plurality of controllable switches and which is adapted to provide a multi-phase electric voltage and a multi-phase electric current, in particular to the electric Multi-phase power supply to the machine, wherein the inverter is controlled such that a plurality of different successive switching states of the switches is set and thus each a base voltage space pointer is formed to provide the electrical voltage in the form of a voltage space vector.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Ansteuern eines Wechselrichters, insbesondere zum Ansteuern einer elektrischen Maschine, wobei der Wechselrichter eine Mehrzahl von steuerbaren Schaltern aufweist, die dazu angeschlossen sind, eine mehrphasige elektrische Spannung und einen mehrphasigen elektrischen Strom bereitzustellen, insbesondere um die elektrische Maschine mehrphasig zu bestromen, mit einem Steuergerät, das dazu ausgebildet ist, den Wechselrichter derart anzusteuern, dass der Wechselrichter eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden unterschiedlichen Schaltzuständen der Schalter annimmt und somit jeweils ein Grundspannungsraumzeiger ausgebildet wird, um die elektrische Spannung in Form des Spannungsraumzeigers bereitzustellen.The present invention further relates to an apparatus for driving an inverter, in particular for driving an electrical machine, wherein the inverter has a plurality of controllable switches which are connected to provide a multi-phase electrical voltage and a multi-phase electric current, in particular around the electric machine energized multi-phase, with a control device which is adapted to drive the inverter such that the inverter assumes a plurality of successive different switching states of the switches and thus each a base voltage space pointer is formed to provide the electrical voltage in the form of the voltage space vector.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang mit wenigstens einer elektrische Maschine zum Bereitstellen von Antriebsleistung, einen Wechselrichter zum Ansteuern der elektrischen Maschine und mit einer Vorrichtung zum Ansteuern des Wechselrichters der oben beschriebenen Art.Finally, the present invention relates to a motor vehicle drive train with at least one electric machine for providing drive power, an inverter for driving the electric machine and with a device for driving the inverter of the type described above.
Stand der TechnikState of the art
Auf dem technischen Gebiet der Drehstromverbraucher im Allgemeinen und der elektrischen Drehstrommaschinen im Speziellen sind unterschiedliche Ansteuerungsverfahren bekannt. Dabei wird aktuell üblicherweise das Verfahren der Raumzeigermodulation zur Ansteuerung des Drehstromverbrauchers bevorzugt. Bei diesem Ansteuerungsverfahren wird ein Raumzeiger durch aufeinander folgende Einstellung von acht Grundspannungszeigern gebildet. Um die Strangspannung bereitzustellen, werden die Grundspannungszeiger pulsweitenmoduliert geschaltet, sodass eine entsprechende Ansteuerspannung generiert wird. In the technical field of three-phase current consumers in general and three-phase electrical machines in particular, different driving methods are known. Currently, the method of space vector modulation for controlling the three-phase current consumer is currently preferred. In this driving method, a space pointer is formed by sequentially setting eight ground voltage hands. In order to provide the string voltage, the ground voltage phasors are switched pulse width modulated, so that a corresponding drive voltage is generated.
Bei den bekannten Ansteuerungsverfahren werden die elektrischen Verbraucher mittels eines Wechselrichters mit Leistungshalbleiterschaltern angesteuert. Die Einstellung der acht aufeinander folgenden Grundspannungszeiger zur Erzeugung des Spannungsraumzeigers wird durch abwechselndes Ein- und Ausschalten bestimmter Leistungshalbleiterschalter der Wechselrichter realisiert. Bei sehr geringen Rotationsgeschwindigkeiten des Raumzeigers beziehungsweise, sofern der Drehstromverbraucher eine elektrische Maschine ist, bei geringen Drehzahlen der angesteuerten elektrischen Maschinen werden einzelne der Leistungshalbleiterschalter sehr häufig bzw. sehr lange geschaltet und somit durch einen sehr lange bzw. sehr häufig fließenden elektrischen Strom thermisch belastet. Daher müssen die Leistungshalbleiterschalter für sehr lange Einschaltzeiten und für sehr große Ströme ausgelegt werden, wodurch der Wechselrichter im Allgemeinen technisch aufwändig wird. In the known driving method, the electrical loads are controlled by means of an inverter with power semiconductor switches. The adjustment of the eight successive ground voltage pointers for generating the voltage space vector is realized by alternately turning on and off certain power semiconductor switches of the inverters. At very low rotational speeds of the space hand or, if the three-phase load is an electrical machine, at low speeds of the driven electrical machines individual power semiconductors are switched very often or very long and thus thermally stressed by a very long or very frequently flowing electric current. Therefore, the power semiconductor switches must be designed for very long turn-on times and for very large currents, whereby the inverter is generally technically complex.
Um einer, insbesondere thermischen, Überbelastung der Leistungshalbleiterschalter zu begegnen wird beispielsweise in der
Da die, insbesondere thermische, Belastung einzelner Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters abhängig von einem Phasenwinkel des bereitgestellten Stromraumzeigers ist bzw. einzelne der Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters für bestimmte Phasenwinkel des bereitgestellten Stromraumzeigers unterschiedlich belastet werden, wird beispielsweise in der
Nachteilig dabei ist es, dass in bestimmten Ansteuerungssituationen, insbesondere bei sehr geringen Rotationsgeschwindigkeiten des Stromraumzeigers und bestimmten Phasenlagen des Stromraumzeigers einzelne der Leistungshalbleiterschalter dauerhaft belastet werden, um den bestimmten Stromraumzeiger bereitzustellen und somit in bestimmten Situationen eine Überlastung einzelner der Leistungshalbleiterschalter nicht vermieden werden kann.The disadvantage here is that in certain driving situations, especially at very low rotational speeds of the current space pointer and certain phase positions of the current space pointer individual power semiconductors are permanently loaded to provide the specific current space pointer and thus in certain situations, an overload of individual power semiconductor switch can not be avoided.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zum Ansteuern eines Wechselrichters mittels Raumzeigermodulation der eingangs genannten Art bereitgestellt, wobei der Spannungsraumzeiger in einem Winkelbereich um einen ersten der Grundspannungsraumzeiger herum durch eine Kombination von unterschiedlichen Schaltzuständen der Schalter gebildet wird, die jeweils einem der Grundspannungsraumzeiger entsprechen, die außerhalb des Winkelbereichs ausgebildet werden.According to the invention, therefore, a method for driving an inverter by means of space vector modulation of the type mentioned wherein the voltage space pointer is formed in an angular range around a first one of the basic voltage space pointers by a combination of different switching states of the switches each corresponding to one of the basic voltage space pointers formed outside the angular range.
Ferner wird daher erfindungsgemäß eine Vorrichtung zum Ansteuern eines Wechselrichters der eingangs genannten Art bereitgestellt, wobei das Steuergerät dazu ausgebildet ist, den Spannungsraumzeiger in einem Winkelbereich um einen ersten der Grundspannungsraumzeiger herum durch eine Kombination von Schaltzuständen der Schalter zu bilden, die jeweils einem der Grundspannungsraumzeiger entsprechen, die außerhalb des Winkelbereichs ausgebildet werden.Further, according to the invention, there is provided a device for driving an inverter of the type mentioned, wherein the control device is adapted to form the voltage space pointer in an angular range around a first of the basic voltage space pointer by a combination of switching states of the switches, each corresponding to one of the basic voltage space vector which are formed outside the angular range.
Schließlich wird erfindungsgemäß ein Kraftfahrzeug-Antriebsstrang bereitgestellt mit wenigstens einer elektrischen Maschine zum Bereitstellen von Antriebsleistung, einem Wechselrichter zum Ansteuern der elektrischen Maschine und mit einer Vorrichtung zum Ansteuern des Wechselrichters der oben beschriebenen Art.Finally, according to the invention, a motor vehicle drive train is provided with at least one electric machine for providing drive power, an inverter for driving the electric machine and with a device for driving the inverter of the type described above.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Dadurch, dass der Spannungsraumzeiger durch Grundspannungsraumzeiger gebildet wird, die außerhalb des benachbarten Winkelbereichs ausgebildet werden, schwankt der Phasenwinkel des bereitgestellten Spannungsraumzeigers wodurch gleichzeitig die Amplitudenschwankung des Spannungsraumzeigers stark reduziert ist. Dadurch kann ein Strom mit geringen Schwankungen am Ausgang des Wechselrichters bereitgestellt werden wodurch die von dem Wechselrichter abgegeben elektrische Leistung im Allgemeinen weniger schwankt. Weiterhin kann durch diese Ansteuerung der Austausch von Blindstrom der Zwischenkreiskapazität mit den Schaltern und die Schaltverluste der Schalter im Allgemeinen reduziert werden.The fact that the voltage space vector is formed by fundamental voltage space vectors which are formed outside the adjacent angular range causes the phase angle of the voltage space vector provided to fluctuate, as a result of which the amplitude fluctuation of the voltage space vector is greatly reduced. As a result, a current can be provided with little variation in the output of the inverter, whereby the electrical power output by the inverter generally fluctuates less. Furthermore, by this control, the exchange of reactive current of the DC link capacitance with the switches and the switching losses of the switches can be generally reduced.
Vorzugsweise wird der Wechselrichter mittels zwei Schaltzuständen in einen spannungsfrei schaltenden Schaltzustand geschaltet und der Spannungsraumzeiger durch eine Kombination der Schaltzustände mit einem der spannungsfrei schaltenden Schaltzustände gebildet. Preferably, the inverter is switched by means of two switching states into a voltage-free switching switching state and the voltage space vector is formed by a combination of the switching states with one of the voltage-free switching switching states.
Dadurch können einzelne der steuerbaren Schalter, insbesondere thermisch, entlastet werden, da die spannungsfrei schaltenden Schaltzustände jeweils nur eine obere oder eine untere Seite des Wechselrichters belasten.As a result, individual of the controllable switches, in particular thermally relieved, since the voltage-free switching switching states each load only an upper or a lower side of the inverter.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn einer der spannungsfrei schaltenden Schaltzustände jeweils zwischen die Grundspannungszeiger geschaltet wird. It is further preferred if one of the voltage-free switching switching states is switched between the ground voltage pointer in each case.
Dadurch können Stromschwankungen am Eingang und am Ausgang des Wechselrichters im Allgemeinen reduziert werden und eine Frequenz der Stromschwankung erhöht werden, wodurch die resultierenden mechanischen Schwingungen reduziert bzw. weniger wahrnehmbar sind. As a result, current fluctuations at the input and output of the inverter can generally be reduced and a frequency of the current fluctuation increased, whereby the resulting mechanical oscillations are reduced or less perceptible.
Dabei ist es bevorzugt, wenn einer der spannungsfrei schaltenden Schaltzustände verwendet wird, bei dem die meisten der Schalter identisch mit den Schaltzuständen der vorgeschalteten und nachfolgenden Grundspannungsraumzeiger geschaltet sind.It is preferred if one of the voltage-free switching switching states is used, in which most of the switches are connected identical to the switching states of the upstream and downstream basic voltage space vector.
Mit anderen Worten wird der spannungsfrei schaltende Schaltzustand derart ausgewählt, dass beim Umschalten zwischen dem spannungsfrei schaltenden Schaltzustand und dem Grundspannungsraumzeiger möglichst wenig Schalter umgeschaltet werden müssen. Dadurch können die Schaltverluste der Schalter weiter reduziert werden.In other words, the voltage-free switching switching state is selected such that when switching between the de-energized switching state and the base voltage space pointer as little as possible switch must be switched. As a result, the switching losses of the switches can be further reduced.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der Winkelbereich einen Phasenwinkel von 60 Grad umfasst.It is further preferred if the angular range comprises a phase angle of 60 degrees.
Dadurch kann der vollständige Winkelbereich von 360 Grad abgedeckt werden, da jeder der Grundspannungsraumzeiger einen entsprechenden Teil des gesamten Winkelbereichs abdeckt.Thereby, the full angle range of 360 degrees can be covered because each of the basic voltage space pointers covers a corresponding part of the entire angle range.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der Winkelbereich symmetrisch um den ersten Grundspannungsraumzeiger herum gebildet ist. It is furthermore preferred if the angular range is formed symmetrically around the first basic voltage space vector.
Dadurch kann der Spannungsraumzeiger mit regelungstechnisch geringem Aufwand durch die Kombination der unterschieden Schaltzustände der benachbarten Grundspannungsraumzeiger realisiert werden.As a result, the voltage space vector can be realized with little control effort by the combination of the different switching states of the adjacent fundamental voltage space vector.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Schaltzustände der Schalter, mittels der der Spannungsraumzeiger gebildet wird, jeweils einem der Spannungsraumzeiger entsprechen, die dem Winkelbereich benachbart, insbesondere unmittelbar benachbart sind.It is further preferred if the switching states of the switches, by means of which the voltage space vector is formed, each correspond to one of the voltage space vectors, which are adjacent to the angular range, in particular directly adjacent.
Dadurch kann eine besonders konstante Leistungsabgabe des Wechselrichters an die angesteuerte Last bereitgestellt werden, da die benachbarten Grundspannungsraumzeiger vorwiegend Schwankungen des Phasenwinkels des Spannungsraumzeigers bewirken und weniger eine Schwankung des Betrages des Spannungsraumzeigers.As a result, a particularly constant power output of the inverter to the driven load can be provided, since the adjacent base voltage space pointers cause predominantly variations of the phase angle of the voltage space vector and less a fluctuation of the magnitude of the voltage space vector.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn um jeden der Grundspannungsraumzeiger herum jeweils ein entsprechender Winkelbereich gebildet ist und der Spannungsraumzeiger in dem jeweiligen Winkelbereich durch eine Kombination von zwei Schaltzuständen der Schalter gebildet wird, die jeweils einem der Grundspannungsraumzeiger entsprechen, die dem jeweiligen Winkelbereich benachbart, insbesondere unmittelbar benachbart sind.It is further preferred if in each case around one of the basic voltage space pointers corresponding angular range is formed and the voltage space vector is formed in the respective angular range by a combination of two switching states of the switches, each corresponding to one of the Grundspannungsraumzeiger adjacent to the respective angular range, in particular immediately adjacent.
Dadurch kann jeder beliebige Spannungsraumzeiger durch eine Kombination von Spannungsraumzeigern gebildet werden, so dass durch diese alternative Ansteuerung insgesamt eine möglichst geringe Schwankung der abgegebenen Leistung erzielt werden kann.As a result, any desired voltage-space pointer can be formed by a combination of voltage-space pointers, so that, as a result of this alternative activation, as little fluctuation as possible of the power output can be achieved.
Weiterhin von Vorteil ist es, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die steuerbaren Schalter zur Erzeugung des Spannungsraumzeigers seltener geschaltet werden müssen, um verglichen mit herkömmlichen Ansteuerungen eine vergleichbar geringe Schwankung des Betrages des Spannungsraumzeigers zu erzielen. Dadurch können die Schaltverluste in den steuerbaren Schaltern verringert werden. It is furthermore advantageous that the controllable switches for generating the voltage space vector must be switched less frequently by the method according to the invention in order to achieve a comparably small fluctuation of the magnitude of the voltage space vector compared with conventional actuation systems. As a result, the switching losses in the controllable switches can be reduced.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der Wechselrichter pulsweitenmoduliert angesteuert wird.It is further preferred if the inverter is controlled pulse width modulated.
Dadurch kann der Spannungsraumzeiger besonders präzise eingestellt werden.As a result, the voltage space pointer can be set particularly precisely.
Es versteht sich, dass Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auch entsprechend auf die erfindungsgemäße Vorrichtung zutreffen bzw. anwendbar sind.It is understood that features, properties and advantages of the method according to the invention also apply to the device according to the invention or are applicable.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In
Der Wechselrichter
Parallel zu den Schaltern S ist jeweils eine Freilaufdiode D geschaltet, die einen Stromfluss in entgegengesetzter Richtung ermöglicht. Parallel to the switches S, a freewheeling diode D is in each case connected, which allows a current flow in the opposite direction.
In
Durch wechselndes Öffnen und Schließen der Schalter S wird zwischen den Phasenleitern U, V, W jeweils eine Ansteuerspannung angelegt, sodass sich entsprechend jeweils ein Phasenstrom IU, IV, IW einstellt, der die elektrische Maschine
In
In dem Zeigerdiagramm
Sofern der Spannungszeiger V*, wie in dem in
In Abhängigkeit des Spannungsraumzeigers V* stellt sich ein Stromraumzeiger I* ein. Der Stromraumzeiger I* weist eine Amplitude und einen Phasenwinkel auf, die sich in Abhängigkeit des angesteuerten elektrischen Verbrauchers
In
In
Üblicherweise wird nach dem Stand der Technik der Grundspannungsraumzeiger V* in dem in
Alternativ zu diesem bekannten Verfahren wird nun erfindungsgemäß der Spannungsraumzeiger V* eingestellt durch eine Kombination der Grundspannungsraumzeiger V1 und V3 und vorzugsweise der Nullspannungszeiger V0, V7. Dadurch kann die Schwankung der Amplitude des Spannungsraumzeigers V* und somit auch der Stromraumzeiger I* reduziert werden.As an alternative to this known method, according to the invention, the voltage space vector V * is now set by a combination of the basic voltage space vector V1 and V3 and preferably the zero voltage vector V0, V7. As a result, the fluctuation of the amplitude of the voltage space vector V * and thus also the current space vector I * can be reduced.
Zwischen den Grundspannungsraumzeigern V1 und V3 wird vorzugsweise der Nullspannungszeiger V0 geschaltet, um Schwankungen der Phasenströme IU, IV, IW an den Phasenausgängen U, V, W des Wechselrichters
Mit anderen Worten werden zur Einstellung des Spannungsraumzeigers V*, der sich in dem Winkelbereich
In
Erfindungsgemäß wird der Spannungsraumzeiger V*, der sich in dem Winkelbereich
Zwischen den Grundspannungsraumzeigern V2 und V6 wird vorzugsweise der Nullspannungszeiger V7 geschaltet, um Schwankungen der Phasenströme an den Phasenausgängen des Wechselrichters
In
In
In
In
In
Im Gegensatz dazu ist in
In
Dadurch wird deutlich, dass die Schwankung des Stromraumzeigers I*, die durch den Pfeil
Im Gegensatz dazu ist in
Zur Optimierung der Effizienz des Wechselrichters
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20150101 |