DE102012210656A1 - Method for controlling inverter of electric machine used in motor vehicle drive strand, involves matching switch with voltage space pointer unit in switching state and forming voltage space pointer units at outside of angular range - 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 Einschlatzeiten 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 lock-in 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 durch die spezielle Folge von Schaltzuständen starke Leistungsschwankungen und hohe Blindströme in der Zwischenkreiskapazität auftreten können, wodurch Funktion der angesteuerten Last beeinträchtigt werden kann.The disadvantage here is that in certain driving situations by the specific sequence of switching states strong power fluctuations and high reactive currents can occur in the DC link capacity, whereby function of the controlled load can be affected.
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 dem ersten Grundspannungsraumzeiger und zwei weiteren Grundspannungsraumzeigern 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 aforementioned type is provided, wherein the voltage space vector in an angular range around a first of the basic voltage space pointer by a combination of different switching states of the switches are formed respectively corresponding to the first basic voltage space vector and two other basic voltage space vector, which are 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 den ersten Grundspannungsraumzeiger herum durch eine Kombination von Schaltzuständen der Schalter zu bilden, die jeweils dem Grundspannungsraumzeiger und zwei weiteren Grundspannungsraumzeigern entsprechen, die außerhalb des Winkelbereichs gebildet werden.Furthermore, according to the invention, a device for driving an inverter of the type mentioned is provided, wherein the control device is adapted to form the voltage space pointer in an angular range around the first base voltage space pointer by a combination of switching states of the switches, each of the base voltage space vector and two others Basic voltage space pointers that are formed outside the angular range correspond.
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 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 einen benachbarten ersten Grundspannungsraumzeiger und zwei weitere 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 mit der Zwischenkreiskapazität und die Schaltverluste der Schalter im Allgemeinen reduziert werden.Characterized in that the voltage space vector is formed by an adjacent first basic voltage space vector and two further basic voltage space vector, which are formed outside the adjacent angular range, the phase angle of the provided voltage space pointer fluctuates, whereby at the same time the amplitude variation of the voltage space vector is greatly reduced. As a result, a current with little variation in the output of the inverter can be provided, whereby the electrical power output by the inverter generally fluctuates less. Furthermore, by this control, the exchange of reactive current with the DC link capacitance and the switching losses of the switches can be reduced in general.
Vorzugsweise ist der Betrag des Spannungsraumzeigers, der durch die drei Grundspannungsraumzeiger gebildet wird, größer als ein vordefinierter Wert.Preferably, the magnitude of the voltage space vector formed by the three fundamental voltage space pointers is greater than a predefined value.
Dadurch kann in Situationen, in denen eine große Leistung angefordert wird, ein Spannungsraumzeiger und ein Stromraumzeiger mit reduzierter Amplitudenschwankung bereitgestellt werden, wodurch gleichzeitig die abgegebene elektrische Leistung weniger schwankt und im Allgemeinen die elektromagnetische und akustische Verträglichkeit verbessert werden.Thereby, in situations where a large power is required, a voltage space pointer and a current space hand with reduced amplitude fluctuation can be provided, whereby at the same time the output electric power fluctuates less and in general the electromagnetic and acoustic compatibility are improved.
Es ist dabei besonders bevorzugt, wenn der vordefinierte Wert bestimmt wird durch eine senkrechte Projektion der weiteren Grundspannungsraumzeiger auf den ersten Grundspannungsraumzeiger.It is particularly preferred if the predefined value is determined by a vertical projection of the further basic voltage space vector to the first basic voltage space vector.
Dadurch ist eine Bereitstellung des Spannungsraumzeigers durch eine einfache Kombination der drei Grundspannungsraumzeiger mit regelungstechnisch geringem Aufwand und ohne Hinzunahme eines Nullspannungszeigers möglich, wodurch der Austausch von Blindleistung mit der Zwischenkreiskapazität reduziert ist.This makes it possible to provide the voltage space vector by means of a simple combination of the three basic voltage space vector with little control effort and without the addition of a zero voltage indicator, thereby reducing the exchange of reactive power with the DC link capacity.
Es ist von besonderem Vorzug, wenn die weiteren Grundspannungsraumzeiger Grundspannungsraumzeigern entsprechen, die dem Winkelbereich benachbart, insbesondere unmittelbar benachbart sind.It is of particular advantage if the further basic voltage space pointers correspond to basic voltage space pointers which are adjacent to the angular range, in particular immediately adjacent to one another.
Dadurch kann eine besonders konstante Leistung des Wechselrichters der angesteuerten 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 of the inverter of the driven load can be provided, since the adjacent fundamental voltage space pointers cause predominantly fluctuations 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 der erste Grundspannungsraumzeiger und die zwei weiteren Grundspannungsraumzeiger einen Winkelbereich von 120° aufspannen.It is further preferred if the first basic voltage space vector and the two further basic voltage space vector devices span an angular range of 120 °.
Dadurch können die Schaltverluste der Schalter reduziert werden, da weniger unterschiedliche Schaltereinstellungen nacheinander eingestellt werden müssen.As a result, the switching losses of the switches can be reduced because fewer different switch settings must be set one after the other.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der Spannungsraumzeiger im Wesentlichen durch eine Kombination von Grundspannungsraumzeigern gebildet wird, insbesondere mit einer Einschaltdauer von wenigstens 90 %.It is furthermore preferred if the voltage space vector is essentially formed by a combination of basic voltage space pointers, in particular with a duty cycle of at least 90%.
Dadurch kann auf die Verwendung von Nullspannungszeigern im Wesentlichen verzichtet werden, wodurch die Spannungs- und Stromschwankungen am Eingang des Wechselrichters reduziert sind und die zwischen der Zwischenkreiskapazität und den steuerbaren Schaltern ausgetauschte Blindleistung reduziert werden kann.As a result, the use of zero voltage pointers can essentially be dispensed with, whereby the voltage and current fluctuations at the input of the inverter are reduced and the reactive power exchanged between the DC link capacitance and the controllable switches can be reduced.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der Winkelbereich einen Phasenwinkel von 60° umfasst.It is further preferred if the angular range comprises a phase angle of 60 °.
Dadurch kann der vollständige Winkelbereich von 360° abgedeckt werden, da jeder der Grundspannungsraumzeiger einen entsprechenden Teil des gesamten Winkelbereichs abdeckt.As a result, the entire angular range of 360 ° can be covered, since each of the basic voltage space pointers covers a corresponding part of the entire angular range.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der Winkelbereich symmetrisch um den ersten Grundspannungsraumzeiger gebildet ist. It is furthermore preferred if the angular range is formed symmetrically about the first basic voltage space vector.
Dadurch kann der Spannungsraumzeiger mit regelungstechnisch geringem Aufwand durch die Kombination der unterschiedlichen Schaltzustände der drei 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 three basic voltage space vector.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der Wechselrichter pulsweitenmoduliert angesteuert wird. Dadurch kann der Spannungsraumzeiger besonders präzise eingestellt werden.It is further preferred if the inverter is controlled pulse width modulated. As a result, the voltage space pointer can be set particularly precisely.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Ansteuerung des Wechselrichters in Abhängigkeit von vorbestimmten Bedingungen mittels drei Grunspannungsraumzeigern pro Pulsweitenmodulationsperiode oder mittels zwei Grundspannungsraumzeigern pro Pulsweitenmodulationsperiode erfolgt, wobei die vorbestimmten Bedingungen in einem Kennfeld gespeichert sind.It is furthermore preferred if the drive of the inverter takes place as a function of predetermined conditions by means of three ground voltage space pointers per pulse width modulation period or by means of two ground voltage space pointers per pulse width modulation period, the predetermined conditions being stored in a characteristic field.
Durch die unterschiedlichen situationsbedingten Ansteuerungen kann die Leistungsausbeute und der Wirkungsgrad erhöht und gleichzeitig elektromagnetische und akustische Verträglichkeit verbessert werden.Due to the different situation-dependent controls the power output and efficiency can be increased while improving electromagnetic and acoustic compatibility.
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
In
Zur Einstellung des Spannungsraumzeigers V*, der einen Betrag V aufweist, der größer ist als die Betragsgrenze
In
Erfindungsgemäß wird der Spannungsraumzeiger V* durch eine Kombination von Schaltzuständen V0–V7 der Schalter S, die durch den Grundspannungsraumzeiger V1 des Winkelbereichs
In
In
In
In
In
Im Gegensatz dazu ist in
In
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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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Effective date: 20150101 |