DE102012210671A1 - Method for controlling inverter by space pointer modulation for controlling electric machine in motor vehicle drive strand, involves determining sets of controlling periods in dependence of predetermined load reference values of inverter - 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 aufweist, und der dazu ausgebildet ist, einen mehrphasigen elektrischen Strom bereitzustellen, insbesondere um die elektrische Maschine mehrphasig mit elektrischem Strom zu versorgen, wobei der Wechselrichter angesteuert wird, um eine Mehrzahl von aufeinander folgenden unterschiedlichen Schaltzuständen der Schalter einzurichten, und wobei der Wechselrichter mittels zwei Schaltzuständen in einen spannungsfrei schaltenden Schaltzustand geschaltet wird, wobei der Wechselrichter mittels wenigstens zwei vordefinierten Sequenzen von Schaltzuständen ansteuerbar ist, die unterschiedliche Einschaltzeiten der Schaltzustände aufweisen. The present invention relates to a method for controlling an inverter by means of space vector modulation, in particular for driving an electrical machine, wherein the inverter has a plurality of controllable switches, and which is adapted to provide a multi-phase electric current, in particular to the electric machine polyphase with electrical Power supply, wherein the inverter is driven to set up a plurality of successive different switching states of the switches, and wherein the inverter is switched by means of two switching states in a de-energized switching state, the inverter is controlled by at least two predefined sequences of switching states, have the different on times of the switching states.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung 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 einen mehrphasigen elektrischen Strom bereitzustellen, insbesondere um die elektrische Maschine mehrphasig mit elektrischem Strom zu versorgen, mit einem Steuergerät, das dazu ausgebildet ist, den Wechselrichter anzusteuern, dass der Wechselrichter eine Mehrzahl von aufeinander folgenden unterschiedlichen Schaltzuständen der Schalter annimmt, wobei der Wechselrichter
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung einen Kraftfahrzeugantriebsstrang mit wenigstens einer elektrischen Maschine zum Bereitstellen von Antriebsleistung, eine Wechselrichtung zum Ansteuern der elektrischen Maschine und 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 alternating direction for driving the electric machine and 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 im Mittelwert 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 in the mean value.
Bei den bekannten Ansteuerungsverfahren werden die elektrischen Verbraucher mittels eines Wechselrichters mit Leistungshalbleiterschaltern angesteuert. Die Einstellung der acht 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 setting of the eight ground voltage pointer for generating the voltage space pointer is realized by alternately turning on and off certain power semiconductor switches of the inverter. 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 semiconductor switches are very common or switched on for a very long time and thus thermally loaded 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 in der
Nachteilig dabei ist es, dass eine, insbesondere thermische, Belastungsverteilung der Leistungshalbleiterschalter nicht gezielt eingestellt werden kann und somit Spitzenbelastungen einzelner der Leistungshalbleiterschalter in Kauf genommen werden müssen. The disadvantage here is that one, in particular thermal, load distribution of the power semiconductor switch can not be targeted and thus peak loads of individual power semiconductor switch must be taken into account.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zum Ansteuern eines Wechselrichters mittels Raumzeigermodulation der eingangs genannten Art bereitgestellt, bei dem der Wechselrichter für eine erste Anzahl von Ansteuerungsperioden mittels einer ersten der Sequenzen angesteuert wird und für eine zweite Anzahl von Ansteuerungsperioden mittels einer zweiten der Sequenzen angesteuert wird, wobei die erste Anzahl und die zweite Anzahl in Abhängigkeit eines vorbestimmten Belastungssollwertes des Wechselrichters bestimmt wird. According to the invention, therefore, a method is provided for driving an inverter by means of space vector modulation of the aforementioned type, in which the inverter is driven for a first number of drive periods by means of a first of the sequences and is driven for a second number of drive periods by means of a second of the sequences the first number and the second number are determined in dependence on a predetermined load setpoint of the inverter.
Ferner wird daher erfindungsgemäß eine Vorrichtung zum Ansteuern eines Wechselrichters der eingangs genannten Art bereitgestellt, wobei das Steuergerät dazu ausgebildet ist, den Wechselrichter für eine erste Anzahl von Ansteuerungsperioden mittels einer ersten der Sequenzen anzusteuern und für eine zweite Anzahl von Ansteuerungsperioden mittels einer zweiten der Sequenzen anzusteuern, wobei das Steuergerät dazu ausgebildet ist, die erste Anzahl und die zweite Anzahl in Abhängigkeit eines vorbestimmten Belastungssollwertes des Wechselrichters zu bestimmen.Furthermore, an apparatus for driving an inverter of the type mentioned above is therefore provided according to the invention, wherein the controller is configured to drive the inverter for a first number of drive periods by means of a first of the sequences and for a second number of drive periods to control by means of a second of the sequences, wherein the control device is adapted to determine the first number and the second number in response to a predetermined load setpoint of the inverter.
Schließlich wird erfindungsgemäß ein Kraftfahrzeugantriebsstrang bereitgestellt mit 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 an 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
Durch die vorliegende Erfindung kann ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitgestellt werden, bei der mit einfachen Mitteln ein vorbestimmter, insbesondere thermischer, Belastungssollwert des Wechselrichters eingestellt werden kann, um entsprechende Überbelastungen der Leistungshalbleiterschalter zu vermeiden. Dadurch, dass die Belastungswerte der beiden Ansteuerungssequenzen bekannt sind, und zwischen den beiden Sequenzen beliebig gewechselt werden kann, ist der Steuerungsaufwand gering und ein nahezu beliebiger Belastungswert der Leistungshalbleiterschalter einstellbar. Daher können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei geringen Drehzahlen die Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters gleichmäßiger belastet werden und eine Überlastung einzelner Leistungshalbleiterschalter vermieden werden. Im Ergebnis können somit die Leistungshalbleiterschalter geringer dimensioniert werden, wodurch die Herstellung des Wechselrichters im Allgemeinen kostengünstiger und weniger aufwändig wird. Des Weiteren wird dadurch der Steuerungsaufwand zum Ansteuern des Wechselrichters reduziert, da weniger Parameter berücksichtigt werden müssen, wodurch insbesondere die Vorrichtung zum Ansteuern des Wechselrichters durch den reduzierten Rechenaufwand kostengünstiger und mit technisch einfacheren Mitteln hergestellt werden kann. By means of the present invention, a method and a device can be provided in which a predetermined, in particular thermal, load setpoint value of the inverter can be adjusted by simple means in order to avoid corresponding overloading of the power semiconductor switches. Because the load values of the two drive sequences are known and can be changed as desired between the two sequences, the control effort is low and a virtually arbitrary load value of the power semiconductor switches can be set. Therefore, with the inventive method and the device according to the invention at low speeds, the power semiconductor switch of the inverter can be loaded evenly and overloading of individual power semiconductor switch can be avoided. As a result, the power semiconductor switches can thus be made smaller, making the manufacture of the inverter generally less expensive and less expensive. Furthermore, the control effort for driving the inverter is thereby reduced, since fewer parameters must be taken into account, whereby in particular the device for driving the inverter can be produced more cost-effectively and with technically simpler means due to the reduced computational complexity.
Vorzugsweise stellen beide Sequenzen einen identischen Spannungsraumzeiger ein.Preferably, both sequences set an identical voltage space vector.
Dadurch wird die Ansteuerung der angeschlossenen Last durch das Wechseln der Sequenzen nicht beeinflusst.As a result, the control of the connected load is not affected by changing the sequences.
Von besonderem Vorzug ist es, wenn die zwei vordefinierten Sequenzen unterschiedliche Einschaltzeiten der beiden spannungsfrei schaltenden Schaltzustände aufweisen. It is of particular advantage if the two predefined sequences have different switch-on times of the two voltage-free-switching switching states.
Dadurch kann mit einfachen und effektiven Mitteln eine Entlastung eines oder mehrerer der Leistungshalbleiterschalter erzielt werden, da ein beliebiges Wechseln zwischen diesen beiden Schaltzuständen keinen Einfluss auf den Spannungsraumzeiger, jedoch eine große Wirkung auf die Belastung einzelner der Leistungshalbleiterschalter hat. This can be achieved with simple and effective means relieving one or more of the power semiconductor switches, since any change between these two switching states has no effect on the voltage space vector, but has a large effect on the load of each of the power semiconductor switches.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die erste Anzahl und die zweite Anzahl begrenzt wird.It is furthermore preferred if the first number and the second number are limited.
Dadurch kann eine dynamische Regelung des Belastungssollwertes störungsfrei erfolgen.This allows a dynamic control of the load setpoint trouble-free.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn ein Verhältniswert auf der Grundlage des Belastungssollwertes und Referenzbelastungswerten der beiden Sequenzen gebildet wird. It is further preferable that a ratio value is formed based on the load target value and reference load values of the two sequences.
Dadurch kann mit geringem Aufwand ein Verhältnis der beiden Sequenzen zueinander bestimmt werden, um den vorbestimmten Belastungssollwert zu erzielen. As a result, a ratio of the two sequences can be determined with little effort to each other to achieve the predetermined load setpoint.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die zwei Sequenzen aus einer Mehrzahl von Sequenzen ausgewählt werden, deren Belastungswert den geringsten Unterschied zu dem Belastungssollwert aufweisen.It is furthermore preferred if the two sequences are selected from a plurality of sequences whose load value has the least difference from the load setpoint.
Dadurch kann der vorbestimmte Belastungssollwert gezielt mit geringen Abweichungen eingestellt werden. As a result, the predetermined load setpoint can be set specifically with slight deviations.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die erste und die zweite Anzahl auf der Grundlage des Verhältniswertes bestimmt werden.It is further preferred if the first and second numbers are determined based on the ratio.
Dadurch kann der Belastungssollwert des Wechselrichters mit geringem Regelungsaufwand und in kurzer Zeit eingestellt werden.As a result, the load setpoint of the inverter can be set with little control effort and in a short time.
Es ist dabei von besonderem Vorzug, wenn die erste oder die zweite Anzahl durch Abrundung eines Quotienten bestimmt wird, der auf der Grundlage des Verhältniswertes bestimmt wird.It is of particular advantage if the first or the second number is determined by rounding off a quotient which is determined on the basis of the ratio value.
Dadurch lässt sich mit geringem Rechenaufwand ein ganzzeiliger Wert ermitteln, auf dessen Grundlage die Ansteuerungssequenzen verwendet werden und somit ein Belastungswert erzielt werden, der nur geringe Abweichungen von dem Belastungssollwert aufweist.As a result, it is possible with little computational effort to determine a whole-line value, on the basis of which the activation sequences are used and thus a load value is achieved which has only slight deviations from the load setpoint.
Es ist im Allgemeinen bevorzugt, wenn auf der Grundlage des Verhältniswertes eine binäre Zahlenfolge bestimmt wird und entsprechend der Zahlenwerte der binären Zahlenfolge der Wechselrichter mittels der ersten oder der zweiten vordefinierten Sequenz angesteuert wird. It is generally preferred if a binary number sequence is determined on the basis of the ratio value and the inverter is driven according to the numerical values of the binary number sequence by means of the first or the second predefined sequence.
Dadurch kann ein optimales Verhältnis der Ansteuerung mittels der beiden Sequenzen berechnet werden, um möglichst geringe Abweichungen von dem Belastungssollwert zu erzielen. This allows an optimal ratio of the drive by means of the two sequences be calculated in order to achieve the smallest possible deviations from the load setpoint.
Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auch entsprechend auf die erfindungsgemäße Vorrichtung zutreffen beziehungsweise anwendbar sind. It is understood that the 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 Drehstromverbrauchers
In
Da der Nullspannungszeiger V0 lediglich die Schalter SLA, SLB, SLC, die dem niedrigen Potenzial der Spannungsquelle
Generell kann ein allgemeiner Belastungswert lsm auf der Grundlage der allgemeinen Einschaltzeit t eines der Schalter S bestimmt werden. Dabei wird einer der Schalter S ausgewählt, wie z.B. der, der am stärksten belastet ist. Der Belastungswert lsm wird dabei für einen der Schalter SHA, SHB, SHC der oberen Seite des Wechselrichters
Erfindungsgemäß werden zwei Sequenzen von aufeinander folgenden Schaltzuständen V0–V7 verwendet, um einen bestimmten Spannungsraumzeiger V* mit einem bestimmten Betrag und einem bestimmten Winkel Alpha zu erzeugen. Die unterschiedlichen Sequenzen weisen unterschiedliche Folgen von Schaltzuständen V0–V7 auf, sodass die Schalter S des Wechselrichters
In
Zur Bestimmung der Anzahl n_a und der Anzahl n_b werden vorzugsweise zwei unterschiedliche Verfahren verwendet. To determine the number n_a and the number n_b, two different methods are preferably used.
Zunächst wird ein Verhältnis der Belastungswerte m, m1, m2 bestimmt mittels der Formel wobei r der Verhältniswert, m der Belastungssollwert ist und m1, m2 die Belastungsreferenzwerte der beiden Sequenzen A, B sind.First, a ratio of the load values m, m1, m2 is determined by the formula where r is the ratio value, m is the load setpoint and m1, m2 are the load reference values of the two sequences A, B.
Um die Anzahl n_a, n_b zu bestimmen wird zunächst der Verhältniswert r durch eine rationale Zahl angenähert, die dem Quotienten n_b/n_c von zwei ganzen Zahlen entspricht. Die Anzahl n_a ergibt sich durch die Gleichung n_a = n_c – n_b. In order to determine the number n_a, n_b, first the ratio value r is approximated by a rational number which corresponds to the quotient n_b / n_c of two integers. The number n_a is given by the equation n_a = n_c - n_b.
Um zu lange Sequenzen der Perioden n_c zu vermeiden, kann die Anzahl der pulsweiten Modulationsperioden T innerhalb einer Gesamtdauer n_c begrenzt werden, zum Beispiel auf
Die Reihenfolge der Sequenzen A und B kann frei gewählt werden. Um A und B homogen zu verteilen, wird die Abrundungsfunktion und daraus eine Verteilung der beiden Sequenzen A, B bestimmt. Sofern n_a <= n_b ist, wird die Anzahl n_a bestimmt durch eine Abrundungsfunktion
Wenn für n_a Pulsweitenmodulationsperioden T der Wechselrichter
Sofern n_b < n_a gilt, wird die Anzahl n_b bestimmt durch die Abrundungsfunktion:
Wenn für n_b Pulsweitenmodulationsperioden T der Wechselrichter
Alternativ dazu kann die Verteilung der Sequenzen A, B durch eine binäre Zahlenfolge festgelegt werden, wie es in
Ähnlich wie bei dem oben ausgeführten Verfahren wird aus dem Verhältniswert r eine rationale Zahl bestimmt, sodass gilt: wobei n_a und p jeweils ganze Zahlen sind. Bei dem Beispiel aus
Jede Ziffer der binären Sequenz 32 stellt eine Pulsweitenmodulationsperiode T dar und bestimmt, ob die Sequenz A oder die Sequenz B verwendet wird. Dabei entspricht beispielsweise eine 0 in der binären Sequenz 32 der Sequenz A und einer 1 in der binären Sequenz 32 der Sequenz B. Each digit of
Alternativ kann eine zweite binäre Sequenz 34 mittels desselben Verfahrens bestimmt werden, wie es in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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