DE102012210654A1 - Method for controlling inverter used for controlling electrical three-phase machine providing drive power for drive train of motor car, involves varying duty cycle of switching states based on voltage and/or current space vector - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Wechselrichters mittels Raumzeigermodulation, insbesondere zum Ansteuern einer elektrischen Maschine, wobei der Wechselrichter eine Mehrzahl von steuerbaren Schaltern und eine entsprechende Mehrzahl von Freilaufdioden aufweist, und der dazu ausgebildet ist, einen mehrphasigen elektrischen Strom und eine mehrphasige Spannung in Form eines Spannungsraumzeigers und eines Stromraumzeigers bereitzustellen, insbesondere um die elektrische Maschine mehrphasig mit elektrischem Strom zu versorgen, wobei der Wechselrichter angesteuert wird, um eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden unterschiedlichen Schaltzuständen der Schalter einzurichten, und wobei der Wechselrichter mittels zwei Schaltzuständen in einen spannungsfrei schaltenden Schaltzustand geschaltet wird.The present invention relates to a method for driving an inverter by means of space vector modulation, in particular for driving an electrical machine, wherein the inverter comprises a plurality of controllable switches and a corresponding plurality of free-wheeling diodes, and which is adapted to a polyphase electric current and a multi-phase voltage in the form of a voltage space vector and a current space vector, in particular in order to supply the electrical machine polyphase with electric current, wherein the inverter is driven to establish a plurality of successive different switching states of the switches, and wherein the inverter by means of two switching states in a de-energized switching state is switched.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Ansteuern eines Wechselrichters, der eine Mehrzahl von steuerbaren Leistungsschaltern und eine entsprechende Mehrzahl von Freilaufdioden aufweist, die dazu angeschlossen sind, einen mehrphasigen elektrischen Strom und eine mehrphasige Spannung in Form eines Spannungsraumzeigers und eines Stromraumzeigers bereitzustellen, insbesondere um die elektrische Maschine mehrphasig mit elektrischem Strom zu versorgen, mit einem Steuergerät, das dazu ausgebildet ist, den Wechselrichter derart anzusteuern, dass der Wechselrichter eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden unterschiedlichen Schaltzuständen der Schalter annimmt, und wobei der Wechselrichter zwei spannungsfrei schaltende Schaltzustände annehmen kann.The present invention further relates to an apparatus for driving an inverter having a plurality of controllable power switches and a corresponding plurality of free-wheeling diodes connected to provide, in particular, a polyphase electric current and a polyphase voltage in the form of a voltage space vector and a current space vector the electric machine to supply multiphase with electric current, with a control device which is adapted to control the inverter so that the inverter takes a plurality of successive different switching states of the switches, and wherein the inverter can adopt two de-energized switching states.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeugantriebstrang 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, 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 Belastung, insbesondere die 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 der Raumzeiger die auftretenden Verluste in einzelnen der Leistungshalbleiterschalter oder einzelnen der Freilaufdioden Spitzenwerte erreichen können, wodurch eine Überlastung, insbesondere thermische Überlastung, einzelner der Leistungshalbleiterschalter und/oder Freilaufdioden nicht vermieden werden kann.The disadvantage here is that in certain driving situations, especially at very low rotational speeds of the space vector, the losses occurring in each of the power semiconductor switches or individual freewheeling diodes can reach peak values, whereby an overload, in particular thermal overload, individual of the power semiconductor switch and / or freewheeling diodes are not avoided can.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zum Ansteuern eines Wechselrichters mittels Raumzeigermodulation der eingangs genannten Art bereitgestellt, wobei eine Einschaltdauer der Schaltzustände in Abhängigkeit des Spannungsraumzeigers und/oder des Stromraumzeigers variiert wird, um die Schalter und/oder die Freilaufdioden gemäß einem Belastungssollwert zu belasten.According to the invention, therefore, a method for driving an inverter by means of space vector modulation of the aforementioned type is provided, wherein a duty cycle of the switching states is varied as a function of the voltage space vector and / or the current space vector in order to load the switches and / or free-wheeling diodes in accordance with a desired load value.
Ferner wird daher erfindungsgemäß eine Vorrichtung zum Ansteuern eines Wechselrichters der eingangs genannten Art bereitgestellt, wobei das Steuergerät dazu ausgebildet ist, eine Einschaltdauer eines Schaltzustandes in Abhängigkeit des Spannungsraumzeigers und/oder des Stromraumzeigers zu variieren, um die Schalter und/oder die Freilaufdioden gemäß einem Belastungssollwert zu belasten.Furthermore, the invention therefore provides a device for driving an inverter of the aforementioned type, wherein the control device is designed to vary a duty cycle of a switching state as a function of the voltage space vector and / or the current space vector to the switches and / or freewheeling diodes according to a load setpoint to charge.
Schließlich wird erfindungsgemäß ein Kraftfahrzeugantriebsstrang 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 beschrieben 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 die Einschaltdauer der Schaltzustände in Abhängigkeit des Spannungsraumzeigers und/oder des Stromraumzeigers derart variiert wird, dass die Schalter und/oder die Freilaufdioden gemäß einem Belastungssollwert, insbesondere thermischen Belastungssollwert, belastet werden, kann eine Verlustleistung, die in den einzelnen Bauelementen des Wechselrichters auftritt, gezielt verteilt werden, so dass eine Spitzenbelastung einzelner der Bauelemente reduziert ist und somit die entsprechenden Schalter und/oder Freilaufdioden nicht überlastet werden. Im Ergebnis kann somit auch für besondere Ansteuerungssituationen eine Überlastung der Schalter und/oder der Freilaufdioden vermieden werden, wodurch die entsprechenden Bauelemente im Allgemeinen für geringere Belastungswerte ausgelegt werden können, so dass der Wechselrichter allgemein technisch weniger aufwendig und kostengünstiger gefertigt werden kann. Ferner wird durch die gleichmäßige Belastung der Schalter und/oder der Freilaufdioden die Lebensdauer des Wechselrichters im Allgemeinen verlängert.Characterized in that the duty cycle of the switching states in response to the voltage space vector and / or the current space pointer is varied such that the switches and / or freewheeling diodes are loaded according to a load setpoint, in particular thermal load setpoint, a power loss in the individual components of the inverter occurs, be distributed selectively, so that a peak load of each of the components is reduced and thus the corresponding switches and / or free-wheeling diodes are not overloaded. As a result, overloading of the switches and / or the free-wheeling diodes can thus be avoided even for special triggering situations, whereby the corresponding components can generally be designed for lower load values, so that the inverter can generally be manufactured in a technically less complicated and cost-effective manner. Furthermore, the uniform loading of the switches and / or free-wheeling diodes extends the life of the inverter in general.
Vorzugsweise wird eine Einschaltdauer eines ersten der spannungsfrei schaltenden Schaltzustände in Abhängigkeit des Spannungsraumzeigers und/oder des Stromraumzeigers variiert.Preferably, a duty cycle of a first of the voltage-free switching switching states is varied as a function of the voltage space vector and / or the current space vector.
Dadurch können die spannungsfrei schaltenden Schaltzustände, die ihrerseits keinen Einfluss auf den bereitgestellten Raumzeiger haben, verwendet werden, um den vordefinierten Belastungssollwert der Schalter und/oder der Freilaufdioden einzustellen.As a result, the voltage-free switching switching states, which in turn have no influence on the provided space vector, can be used to set the predefined load setpoint of the switches and / or the freewheeling diodes.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Einschaltdauer der Schaltzustände pro Pulsweitenmodulationsperiode variiert wird.It is further preferred if the duty cycle of the switching states per pulse width modulation period is varied.
Dadurch können die Schalter und/oder die Freilaufdioden in jeder der pulsweiten Modulationsperioden präzise gemäß dem Belastungssollwert belastet werden.As a result, the switches and / or free-wheeling diodes in each of the pulse-width modulation periods can be loaded precisely according to the load setpoint.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Einschaltdauer pro Pulsweitenmodulationsperiode eines ersten spannungsfrei schaltenden Schaltzustandes zu einer Gesamtdauer der spannungsfrei schaltenden Schaltzustände pro Pulsweitenmodulationsperiode in Abhängigkeit des Spannungsraumzeiger und/oder des Stromraumzeigers variiert wird.It is further preferred if the duty cycle per pulse width modulation period of a first voltage-free switching switching state is varied to a total duration of the voltage-free switching switching states per pulse width modulation period as a function of the voltage space vector and / or the current space vector.
Dadurch kann mit regelungstechnisch einfachen Maßnahmen die Belastung der Schalter und/oder der Freilaufdioden präzise gemäß dem Belastungssollwert eingestellt werden.As a result, the load of the switches and / or the free-wheeling diodes can be adjusted precisely according to the load setpoint with simple control measures.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Einschaltdauer in Abhängigkeit eines Phasenwinkels des Spannungsraumzeigers und/oder eines Phasenwinkel des Stromraumzeigers variiert wird.It is further preferred if the duty cycle is varied in dependence on a phase angle of the voltage space vector and / or a phase angle of the current space vector.
Dadurch kann die Phasenlage des Spannungszeigers und/oder des Stromzeigers entsprechend berücksichtigt werden.As a result, the phase position of the voltage vector and / or the current vector can be taken into account accordingly.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Einschaltdauer in Abhängigkeit eines Betrages des Spannungsraumzeigers und/oder des Stromraumzeigers variiert wird.It is further preferred if the duty cycle is varied in dependence on an amount of the voltage space vector and / or the current space vector.
Dadurch kann die von dem Wechselrichter abgegebene Leistung entsprechend berücksichtigt werden.As a result, the power output by the inverter can be taken into account accordingly.
Weiterhin ist bevorzugt, wenn der Belastungssollwert zwischen einem vordefinierten oberen Wert und einem vordefinierten unteren Wert variiert wird.Furthermore, it is preferred if the load desired value is varied between a predefined upper value and a predefined lower value.
Dadurch können ungleichmäßige Belastungen des Wechselrichters besonders schnell ausgeglichen werden.As a result, uneven loads on the inverter can be compensated for particularly quickly.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn der Belastungssollwert linear variiert wird. Dadurch lässt sich die Belastung der Schalter und/oder der Freilaufdioden mit regelungstechnisch einfachen Mitteln einstellen.It is particularly preferred if the load setpoint is varied linearly. As a result, the load on the switches and / or the freewheeling diodes can be adjusted with simple control means.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der Belastungssollwert in Abhängigkeit von für den einzustellenden Spannungsraumzeiger maximal und minimal möglichen Verlusten von zwei der Schalter und/oder der zwei Freilaufdioden bestimmt wird. It is furthermore preferred if the load setpoint value is determined as a function of maximum and minimum possible losses of two of the switches and / or the two freewheeling diodes for the voltage space vector to be set.
Dadurch, dass die maximal und minimal möglichen Verluste berücksichtigt werden, kann die Belastung von einzelnen der Schalter und/oder Freilaufdioden besonders präzise innerhalb von möglichen Grenzen eingestellt werden.By taking into account the maximum and minimum possible losses, the load on individual ones of the switches and / or freewheeling diodes can be set particularly precisely within possible limits.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die maximal und minimal möglichen Verluste der zwei Schalter und/oder der zwei Freilaufdioden für den Fall bestimmt werden, dass lediglich der eine bzw. der andere der spannungsfrei schaltenden Schaltzustände verwendet wird.It is particularly preferred if the maximum and minimum possible losses of the two switches and / or the two free-wheeling diodes are determined in the event that only one or the other of the voltage-free switching switching states is used.
Dadurch lassen sich die entsprechenden Verluste mit geringem Aufwand bestimmen und dadurch lässt sich der Belastungssollwert mit regelungstechnisch einfachen Mitteln einstellen.As a result, the corresponding losses can be determined with little effort and thus the load setpoint can be adjusted with simple control means.
Dabei ist es bevorzugt, wenn ein erster der Schalter und/oder eine erste der Freilaufdioden einem hohen Versorgungsspannungspotential zugeordnet ist und ein zweiter der Schalter und/oder eine zweite der Freilaufdioden einem niedrigen Versorgungsspannungspotential zugeordnet ist.It is preferred if a first of the switches and / or a first of the freewheeling diodes is associated with a high supply voltage potential and a second of the switches and / or a second of the freewheeling diodes is associated with a low supply voltage potential.
Dadurch lässt sich eine ungleichmäßige Belastung zwischen einer oberen Seite des Wechselrichters und einer unteren Seite des Wechselrichters besonders einfach ermitteln und mit geringem Aufwand ausgleichen.This makes it particularly easy to determine an uneven load between an upper side of the inverter and a lower side of the inverter and compensate with little effort.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der Belastungssollwert zum Einstellen des Spannungsraumzeigers und/oder des Stromraumzeigers in Abhängigkeit von maximal und minimal möglichen Verlusten eines Schalters und/oder einer Freilaufdiode, der bzw. die dem hohen Versorgungsspannungspotential zugeordnet sind, und in Abhängigkeit der maximalen und minimalen möglichen Verluste eines Schalters und/oder einer Freilaufdiode, der bzw. die dem niedrigen Versorgungsspannungspotential zugeordnet sind, bestimmt wird.It is furthermore preferred if the load setpoint for setting the voltage space vector and / or the current space vector is dependent on maximum and minimum possible losses of a switch and / or a freewheeling diode, which are assigned to the high supply voltage potential, and depending on the maximum and minimum possible losses of a switch and / or a freewheeling diode associated with the low supply voltage potential is determined.
Dadurch kann mit besonders einfachen Mitteln ein Bereich bestimmt werden, in dem der Belastungssollwert zum Einstellen eines Spannungsraumzeigers und/oder eines Stromraumzeigers variiert werden kann, ohne den entsprechenden Raumzeiger zu beeinflussen.As a result, a region can be determined with particularly simple means in which the desired load value for setting a voltage space vector and / or a current space vector can be varied without influencing the corresponding space vector.
Im Ergebnis kann durch die vorliegende Erfindung auch bei geringen Rotationsfrequenzen der Spannungsraumzeiger und/oder der Stromraumzeiger der Wechselrichter gleichmäßiger belastet werden, indem die Einschaltdauer der Schaltzustände entsprechend variiert wird und somit die Schalter und/oder Dioden unterschiedlich belastet werden, wobei der resultierende Spannungsraumzeiger und/oder Stromraumzeiger nicht beeinflusst wird. Dadurch kann die Verlustleistung in den Schaltern und/oder Freilaufdioden des Wechselrichters verteilt werden und somit der Wechselrichter im Allgemeinen gleichmäßiger belastet werden kann.As a result, the inverter can be loaded more uniformly by the present invention even at low rotational frequencies of the voltage space vector and / or the current space pointer by the duty cycle of the switching states is varied accordingly and thus the switches and / or diodes are loaded differently, the resulting voltage space vector and / or current space pointer is not affected. As a result, the power loss can be distributed in the switches and / or freewheeling diodes of the inverter and thus the inverter can be loaded more uniform in general.
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
Zur Bestromung des elektrischen Verbrauchers
In
In
Als Eingangsgröße dienen der Betrag V des Spannungsraumzeigers V*, der Phasenwinkel Alpha_V des Spannungsraumzeigers V*, der Betrag I des Stromraumzeigers I* und der Phasenwinkel Alpha_I des Stromraumzeigers I*. The magnitude V of the voltage space vector V *, the phase angle Alpha_V of the voltage space vector V *, the magnitude I of the current space vector I * and the phase angle Alpha_I of the current space vector I * serve as input variables.
Zunächst wird einer der oberen Schalter SH oder eine der oberen Freilaufdioden DH ausgewählt, der bzw. die die maximalen Verluste der oberen Seite aufweist und es werden die maximal möglichen Verluste P_Hmax dieses Schalters SH oder dieser Freilaufdiode DH für den einzustellenden Spannungsraumzeiger V* theoretisch bestimmt für den Fall, dass lediglich V7 als Nullspannungszeiger verwendet wird. Ferner werden die minimal möglichen Verluste P_Hmin dieses Schalters SH bzw. dieser Freilaufdiode D für den einzustellenden Spannungsraumzeiger V* theoretisch bestimmt für den Fall, dass lediglich V0 als Nullspannungszeiger verwendet wird, wie es bei
Dabei wird vorzugsweise das Bauelement (Schalter oder Freilaufdiode) ausgewählt, das die höchsten Verluste der jeweiligen Seite aufweist und der entsprechende Wert der Verlustleistungen verwendet. Der so bestimmte Belastungssollwert m verteilt die thermische Belastung des Wechselrichters
Da die Freilaufdioden D und die Schalter S unterschiedliche Belastungsgrenzen bzw. Leistungsgrenzen aufweisen, müssen die entsprechend umgesetzten elektrischen Verlustleistungen PD der Freilaufdioden D angespasst bzw. faktorisiert werden, um mit den Verlustleistungen der Schalter S verglichen werden zu können und zwar mit der Formel:
Ferner wird deutlich, dass die Verluste und somit die Temperatur der Schalter S bzw. der Freilaufdioden D ausschließlich einer Funktion des Betrages V des Spannungsraumzeigers V*, des Phasenwinkels alpha_V, des Betrages I des Stromraumzeigers I* und des Phasenwinkels alpha_I sind. Furthermore, it becomes clear that the losses and thus the temperature of the switches S and the freewheeling diodes D are exclusively a function of the magnitude V of the voltage space vector V *, the phase angle alpha_V, the magnitude I of the current space vector I * and the phase angle alpha_I.
In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Hiti, S.; Tang, D.; Stancu, C.; Ostrom, E.Zero vector modulation method for voltage source inverter operating near zero output frequency Industry Applications Conference, 2004. 39th IAS Annual Meeting. Conference Record of the 2004 IEEE; Volume: 1; Publication Year: 2004 * |
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