DE102012222315A1

DE102012222315A1 - Steuereinrichtung und Verfahren zum Ermitteln des Rotorwinkels einer Synchronmaschine

Info

Publication number: DE102012222315A1
Application number: DE102012222315.0A
Authority: DE
Inventors: Armin Niederer; Gerhard Knecht; Sebastian Paulus; Michael Körner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-12-05
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2014-06-05
Also published as: FR2999039B1; CN103856122B; CN103856122A; FR2999039A1; US20140152218A1; US9178455B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des Rotorwinkels einer Synchronmaschine, mit den Schritten des Erzeugens einer Vielzahl von pulsbreitenmodulierten Ansteuersignalen für die Phasen eines die Synchronmaschine speisenden Wechselrichters in Abhängigkeit von einer in die Synchronmaschine einzuspeisenden Spannung, des Änderns der Pulsbreitenmodulationsfrequenz mindestens eines Ansteuersignals der Vielzahl von pulsbreitenmodulierten Ansteuersignalen, so dass die Dauer der Schaltzustände des Wechselrichters, in denen ein aktiver Spannungsraumzeiger ausgegeben wird, verlängert ist, zum Generieren eines Schaltmusters für die Phasen des Wechselrichters, des Ansteuerns des Wechselrichters mit dem generierten Schaltmuster, des Ermittelns eines oder mehrerer von Sternpunktpotentialen im Sternpunkt der Synchronmaschine während des Ansteuerns des Wechselrichters mit dem Schaltmuster, und des Berechnens des Rotorwinkels der Synchronmaschine in Abhängigkeit von den ermittelten Sternpunktpotentialen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln des Rotorwinkels einer Synchronmaschine, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen einer Synchronmaschine eines elektrischen Antriebssystems eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie z.B. Windkraftanlagen oder Solaranlagen, wie auch in Fahrzeugen, wie Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, vermehrt elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren.
Bei der Regelung einer Synchronmaschine, beispielsweise in einem elektrischen Antriebssystem eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, spielt die Kenntnis über die relative Position des Rotors zum Stator der Synchronmaschine eine zentrale Rolle. Um ein gefordertes Drehmoment mit einer Synchronmaschine bereitzustellen, wird im Stator der Maschine ein rotierendes elektrisches Feld erzeugt, welches sich synchron mit dem Rotor dreht. Für die Erzeugung dieses Feldes wird der aktuelle Winkel des Rotors für die Regelung benötigt.
Eine Möglichkeit für die Bestimmung des Rotorwinkels besteht darin, Spannungen im Sternpunkt der Synchronmaschine bei verschiedenen Phasenstromkonstellationen in der Synchronmaschine zu messen, um daraus Rückschlüsse auf den aktuellen Rotorwinkel zu ziehen.
Beispielsweise offenbart die Druckschrift WO 2009/136381 A2 ein Verfahren zur Bestimmung des Rotorwinkels einer Synchronmaschine, bei der durch Verschiebung von Taktmustern einer pulsbreitenmodulierten Phasenansteuerung Messperioden zur Messung von Spannungen im Sternpunkt optimiert werden.
Die Druckschrift DE 697 01 762 T2 offenbart einen Frequenzwandler für Asynchronmotoren, welcher zur Ermittlung von Phasenströmen bei geringer Drehzahl des Motors einzelne Ausgangsspannungsvektoren raumzeigermodulierter PWM-Steuersignale durch eine Summe von im Mittel äquivalenten Ausgangsspannungsvektoren ersetzt, um die Messdauer für die Phasenströme zu erhöhen.
Die Druckschrift US 2004/0195995 A1 offenbart ein Raumzeigermodulationsverfahren für die Ansteuerung eines Inverters für eine Synchronmaschine, bei welchem PWM-Ansteuerzyklen durch gezielte Verlängerung von PWM-Ansteuersignalen zur Optimierung der Rotorpositionsbestimmung modifiziert werden.
Kapitel 8 in Jenny, F; Wüest, D.: „Steuerverfahren für selbstgeführte Stromrichter", Vdf Hochschulverlag AG, 1995, S. 152–167 offenbart grundlegende Überlegungen zu Raumzeigermodulationsverfahren für dreiphasige Spannungserzeugung.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt ein Verfahren zum Ermitteln des Rotorwinkels einer Synchronmaschine, mit den Schritten des Erzeugens einer Vielzahl von pulsbreitenmodulierten Ansteuersignalen für die Phasen eines die Synchronmaschine speisenden Wechselrichters in Abhängigkeit von einer in die Synchronmaschine einzuspeisenden Spannung, des Änderns der Pulsbreitenmodulationsfrequenz mindestens eines Ansteuersignals der Vielzahl von pulsbreitenmodulierten Ansteuersignalen, so dass die Dauer der Schaltzustände des Wechselrichters, in denen ein aktiver Spannungsraumzeiger ausgegeben wird, verlängert ist, zum Generieren eines Schaltmusters für die Phasen des Wechselrichters, des Ansteuerns des Wechselrichters mit dem generierten Schaltmuster, des Ermittelns eines oder mehrerer von Sternpunktpotentialen im Sternpunkt der Synchronmaschine während des Ansteuerns des Wechselrichters mit dem Schaltmuster, und des Berechnens des Rotorwinkels der Synchronmaschine in Abhängigkeit von den ermittelten Sternpunktpotentialen.
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem weiteren Aspekt eine Steuereinrichtung zum Ermitteln des Rotorwinkels einer Synchronmaschine, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, ein Verfahren gemäß einem Aspekt der Erfindung durchzuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein elektrisches Antriebssystem mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung, einer Synchronmaschine, welche mit der Steuereinrichtung gekoppelt ist, und einem Wechselrichter, welcher mit der Steuereinrichtung und der Synchronmaschine gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, eine Versorgungsspannung für die Synchronmaschine bereitzustellen, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, den Wechselrichter in Abhängigkeit von dem ermittelten Rotorwinkel anzusteuern.
Vorteile der Erfindung
Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, eine geberlose Rotorwinkelbestimmung für Synchronmaschinen, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen zu implementieren. Dabei wird eine bestehende pulsbreitenmodulierte Ansteuerung (PWM-Ansteuerung) derart modifiziert, dass statt der Verwendung mittenzentrierter PWM-Ansteuersignale für die einzelnen Statorphasen innerhalb einer PWM-Pulsperiode einzelne der PWM-Ansteuersignale in der PWM-Ansteuerfrequenz gegenüber den übrigen PWM-Ansteuersignalen verändert werden. Durch unterschiedliche Auswahl der Ansteuerfrequenzen der PWM-Ansteuersignale können in zyklischer Abfolge entsprechende Zeitdauern von aktiven Spannungsraumzeigern erzeugt werden, die gegenüber einer herkömmlichen PWM-Ansteuerung verlängert sind. Die Auswahl der geänderten Frequenzen kann dabei nach jeder oder mehreren PWM-Pulsperioden zwischen den PWM-Ansteuersignalen getauscht werden, um nach Ablauf einer bestimmten Anzahl von PWM-Pulsperioden Synchronität zwischen den PWM-Ansteuersignale herzustellen. Weiterhin können Frequenzbereiche für jedes PWM-Ansteuersignale in einem sogenannten „Sweeping“-Modus durchlaufen werden.
Ein erheblicher Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass keine zusätzlichen Spannungs- oder Strompulse in die Synchronmaschine eingespeist werden müssen, um den Rotorwinkel zu bestimmen. Stattdessen ist es in vorteilhafter Weise möglich, ohnehin zur Ansteuerung der Synchronmaschine eingesetzte PWM-Ansteuermuster derart zu modifizieren, dass eine Bestimmung des Rotorwinkels während des laufenden Betriebs der Synchronmaschine möglich ist. Insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, bei denen das Verhältnis der Einsatzhäufigkeit von Nullspannungsraumzeigern gegenüber aktiven Spannungsraumzeigern besonders hoch ist, kann das erfindungsgemäße Vorgehen die Zeitdauer, während derer zur Bestimmung des Rotorwinkels geeignete Spannungsraumzeiger am Sternpunkt der Synchronmaschine anliegen, erheblich erhöht werden.
Zudem ist die Robustheit und Zuverlässigkeit der Rotorwinkelbestimmung gegenüber bekannten geberlosen Verfahren erheblich besser. Dies ermöglicht den Einsatz der Rotorwinkelbestimmung beispielsweise in Serienfahrzeugen mit elektrischem Antriebssystem.
Weiterhin besteht der Vorteil, dass im Laufe der Bestimmungsprozedur keine zusätzlichen Anregungen durch Testspannungspulse generiert werden, was die Laufruhe der Synchronmaschine während des Betriebs verbessert.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Synchronmaschine eine Schenkelpolmaschine oder eine Vollpolmaschine umfassen. Schenkelpolmaschinen weisen in vorteilhafter Weise unterschiedliche Induktivitäten in Längs- und Querrichtung, das heißt entlang der d-Achse beziehungsweise der q-Achse auf.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Berechnen des Rotorwinkels in Abhängigkeit von Differenzen von ermittelten Sternpunktpotentialen erfolgen. Dadurch können Störungen, temporäre Schwankungen und Messungenauigkeiten besser berücksichtigt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verfahren weiterhin die Schritte des Änderns der Pulsbreitenmodulationsfrequenz mindestens eines weiteren Ansteuersignals der Vielzahl von pulsbreitenmodulierten Ansteuersignalen zum Generieren eines weiteren Schaltmusters für die Phasen des Wechselrichters, und des Auswählens eines oder mehrerer der generierten Schaltmuster zum Ansteuern des Wechselrichters umfassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können die generierten Schaltmuster in zyklischer Reihenfolge zum Ansteuern des Wechselrichters ausgewählt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können die geänderten Pulsbreitenmodulationsfrequenzen kommensurabel sein. Dadurch kann nach einer vorbestimmten Anzahl von PWM-Ansteuerperiode wieder Synchronität zwischen den einzelnen Phasen garantiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können die geänderten Pulsbreitenmodulationsfrequenzen einen Frequenzbereich durchlaufen. Durch diesen Frequenzdurchlauf („sweeping“) können abrupte Frequenzänderungen und damit eventuell verbundene Störungen in den Phasenansteuerungen vermieden werden.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einer Synchronmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ein schematisches Parameterdiagramm für die Winkelabhängigkeit der Induktivität einer Synchronmaschine von dem Rotorwinkel gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ein schematisches Raumzeigerdiagramm für die Ansteuerung einer dreipoligen Synchronmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ein schematisches Diagramm für beispielhafte PWM-Ansteuersignale einer Synchronmaschine;
5 ein schematisches Diagramm für beispielhafte PWM-Ansteuersignale einer Synchronmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
6 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Bestimmen des Rotorwinkels einer Synchronmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Allgemeinen gleichartige oder gleich wirkende Komponenten. Die in den Figuren gezeigten schematischen Signal- und Parameterverläufe sind nur beispielhafter Natur, die aus Gründen der Übersichtlichkeit idealisiert abgebildet sind. Es versteht sich, dass sich in der Praxis aufgrund von abweichenden Randbedingungen abweichende Signal- und Parameterverläufe ergeben können, und dass die dargestellten Signal- und Parameterverläufe lediglich zur Veranschaulichung von Prinzipien und funktionellen Aspekten der vorliegenden Erfindung dienen.
Synchronmaschinen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind elektrische Maschinen, bei der ein konstant magnetisierter Läufer oder Rotor synchron von einem zeitabhängigen magnetischen Drehfeld im umgebenden Ständer oder Stator durch magnetische Wechselwirkung angetrieben wird, so dass der Rotor eine zu den Spannungsverhältnissen im Stator synchrone Bewegung ausführt, das heißt, dass die Drehzahl über die Polpaarzahl von der Frequenz der Statorspannung abhängig ist. Synchronmaschinen im Sinne der vorliegenden Erfindung können beispielsweise Drehstrom-Synchronmaschinen sein, die zum Beispiel als Außen- oder Innenpolmaschinen ausgebildet sind, die über einen Rotor und einen Stator verfügen. Weiterhin können Synchronmaschinen im Sinne der vorliegenden Erfindung Schenkelpolmaschinen oder Vollpolmaschinen umfassen. Vollpolmaschinen besitzen eine achsunabhängige Induktivität des Rotors, während Schenkelpolmaschinen eine ausgezeichnete Polachse, auch d-Achse genannt, aufweisen, in Richtung derer aufgrund des geringeren Luftspalts die Hauptinduktivität größer ist als in Richtung der Pollücke, auch q-Achse genannt. Die nachstehend genannten Verfahren und Steuereinrichtungen lassen sich prinzipiell gleichermaßen für Vollpolmaschinen und Schenkelpolmaschinen einsetzen, es sei denn, es wird im Folgenden explizit auf unterschiedliche Behandlung von Synchronmaschinentypen Bezug genommen.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems 100 mit einer Synchronmaschine 101, in die dreiphasiger Drehstrom eingespeist werden kann. Dabei wird über einen Umrichter in Form eines Pulswechselrichters 102 eine von einem Gleichspannungszwischenkreis 103 bereitgestellte Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet. Der Gleichspannungszwischenkreis 103 wird von einem Strang 104 aus seriell verschalteten Batteriemodulen 105 gespeist. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden häufig mehrere Batteriemodule 105 in einer Traktionsbatterie 104 in Serie geschaltet.
Die elektrische Maschine 101 kann beispielsweise eine Synchronmaschine 101 sein, welche über Statorinduktivitäten L₁, L₂ und L₃ verfügt. Beispielhaft ist die Synchronmaschine 101 eine dreiphasige Synchronmaschine. Es ist jedoch prinzipiell auch möglich, eine andere Anzahl von Phasen für die Synchronmaschine vorzusehen. Dabei spielt die Regelung der Synchronmaschine 101 im elektrischen Antriebssystem eine zentrale Rolle. Um ein gefordertes Drehmoment mit einer Synchronmaschine bereitzustellen, wird im Stator der Maschine ein rotierendes elektrisches Feld erzeugt, welches sich synchron mit dem Rotor dreht. Für die Erzeugung dieses Feldes wird der aktuelle Winkel des Rotors für die Regelung benötigt.
Das elektrische Antriebssystem 100 umfasst daher eine Steuereinrichtung 10, welche mit der Synchronmaschine 101 gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, die Synchronmaschine 101 anzusteuern bzw. deren Betrieb zu regeln. Die Steuereinrichtung 10 greift für diese Ansteuerung bzw. Regelung auf den zeitabhängigen Rotorwinkel des Rotors der Synchronmaschine 101 in Bezug auf den Stator der Synchronmaschine 101 zurück. Dabei kann die Steuereinrichtung 10 elektrische Betriebsparameter der Synchronmaschine 101 erfassen. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 10 dazu ausgelegt sein, die Spannung am Sternpunkt 106 der Synchronmaschine 101 zu ermitteln. Zur Erfassung der Sternpunktspannung kann die Steuereinrichtung 10 beispielsweise an einem Sternpunktanschluss der Synchronmaschine 101 angeschlossen sein, um die Sternpunktspannung gegenüber einem positiven oder negativen Referenzpotential zu bestimmen. Es kann auch möglich sein, die Sternpunktspannung gegen einen Sternpunkt von einem parallel geschalteten Netzwerk aus drei im Stern verschalteten gleichartigen Widerständen zu ermitteln.
Die Steuereinrichtung 10 kann weiterhin eine Beobachtungseinrichtung 11 aufweisen, mittels derer die erfasste Sternpunktspannung am Sternpunkt 106 weiterverarbeitet werden kann. Die Beobachtungseinrichtung 11 kann beispielsweise einen Kalman-Beobachter, einen Luenberger-Beobachter, einen Hautus-Beobachter oder einen Gilbert-Beobachter zur Stützung der Winkelbeobachtung aufweisen. Die Beobachtungseinrichtung 11 kann aus der erfassten Sternpunktspannung eine Ansteuerung für den Pulswechselrichter 102 generieren. Dazu kann die Beobachtungseinrichtung 11 dazu ausgelegt sein, Clarke-Transformationen zur Berechnung der Rotorwinkel aus den ermittelten Spannungswerten durchzuführen.
In Bezug auf die 2 bis 5 wird erläutert, auf welche Weise und unter Berücksichtigung welcher Zusammenhänge die Steuereinrichtung 10 ein Ermitteln des Rotorwinkels β einer Synchronmaschine 101, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen der Synchronmaschine 101, durchführt. Dabei kann die Steuereinrichtung 10 insbesondere das im Bezug auf die 6 erläuterte Verfahren 20 implementieren.
Die Längsströme I_d und Querströme I_q einer permanent erregten Synchronmaschine verhalten sich abhängig von der Rotorinduktivität L_d in Polachsenrichtung und der Rotorinduktivität L_q in Pollückenrichtung und der anliegenden Spannung U_d bzw. U_q wie folgt: dI_d/dt = L_d ^–1·U_d – R·L_d ^–1·I_d + L_q·L_d ^–1·ω_e·I_q dI_q/dt = L_q ^–1·U_q – R·L_q ^–1·I_q + L_d·L_q ^–1·ω_e·I_d – L_q ^–1·u_p
Dies gilt bei der Winkelgeschwindigkeit ω_e des Rotors der Synchronmaschine, des Ohm'schen Widerstands R sowie der Polradspannung u_p. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass der bzw. die Polschuhe nicht in Sättigung betrieben werden, das heißt, dass die Beziehung zwischen Strom und magnetischen Fluss linear ist und die jeweilige Induktivität nicht von der Stromstärke abhängig ist.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Winkelabhängigkeit L(β) der Induktivität vom Rotorwinkel β. Längs- und Querinduktivitäten L_d bzw. L_q treten jeweils bei den Extremalwerten der winkelabhängigen Induktivität auf. Der Rotorwinkel β ist derjenige Winkel, den die q-Achse mit der Hauptstatorachse einschließt. Der Rotorwinkel β ist dabei über einen vollen Rotorumlauf, das heißt 360°, illustriert. Die Festlegung des Bezugswinkels von 0° auf die negative q-Achsenrichtung ist dabei nur beispielhaft. Es ist daher denkbar, den Rotorwinkel β auch auf andere Bezugswinkel festzulegen.
Im Sternpunkt der Synchronmaschine ergibt sich daher in Abhängigkeit von den an den einzelnen Phasen anliegenden Spannungen U, V und W jeweils eine von den Statorinduktivitäten L₁, L₂ und L₃ abhängige Sternpunktspannung U_S: U_S = (cU + bV + aW)/(a + b + c), wobei a = L₁L₂, b = L₁L₃ und c = L₂L₃ gilt. Im Folgenden werden der Einfachheit halber die verschiedenen Schaltzustände des Pulswechselrichters mit binären dreistelligen Codes abgekürzt. Beispielsweise bedeutet der Schaltzustand „100“, dass die Phase U auf ein positives, die Phasen V und W hingegen auf ein negatives Batteriepotential geschaltet sind. Der Schaltzustand „011“ bedeutet beispielsweise, dass die Phase U auf ein negatives, die Phasen V und W hingegen auf ein positives Batteriepotential geschaltet sind. Damit ergeben sich für ein dreiphasiges System sechs aktive Schaltzustände, das heißt Schaltzustände, für die ein von Null verschiedener Spannungsraumzeiger aktiviert ist. Gleichermaßen ergeben sich zwei passive Schaltzustände, das heißt Schaltzustände, in denen ein Nullspannungsraumzeiger aktiviert ist.
Für die Schaltzustände 001, 010 und 100 können jeweils drei verschiedene Sternpunktspannungen ermittelt werden, aus denen über die oben angegebenen Beziehung in einem linearen Gleichungssystem die Werte für die Statorinduktivitäten L₁, L₂ und L₃ berechnet werden können. Zur Reduzierung von Störungen durch die induzierte Spannungen und der Nutzbestromung können vorteilhafterweise auch Differenzen zwischen den Sternpunktspannungen gebildet werden, um die Statorinduktivitäten L₁, L₂ und L₃ zu berechnen. In gleicher Weise können auch die aktiven Schaltzustände 011, 101 und 110 zur Berechnung der Statorinduktivitäten L₁, L₂ und L₃ herangezogen werden.
Alternativ kann die Messung der Sternpunktspannung auch als eine Differenzmessung zwischen dem Sternpunkt und einem parallel geschalteten Sternpunkt aus drei Widerständen ausgeführt werden. Wiederum kann über die Messung der Sternpunktspannung für die verschiedenen Schaltzustände bzw. deren Differenzen ein Rückschluss auf die Statorinduktivitäten L₁, L₂ und L₃ gezogen werden. Diese Differenzmessung zu einem Widerstandssternpunkt kann eine höhere Messgenauigkeit mit sich bringen.
Die gewählte Messmethode für die Ermittlung der Sternpunktspannungen kann nach geforderten Gütekriterien, Effizienzkriterien oder Kostenanforderungen gewählt werden. Eine weitere optionale Verbesserung der Messergebnisse kann sich ergeben, wenn eine zusätzliche Differenzbildung mit der gemessenen Sternpunktspannung für einen oder beide der mit den Nullspannungsraumzeigern assoziierten Schaltzuständen bewirkt wird, um störende Einflüsse wie beispielsweise Obertöne der Sternpunktspannungen besser zu unterdrücken.
In jedem Fall kann über die Sternpunktspannungen bzw. die Differenzen zwischen den Sternpunktspannungen auf die Statorinduktivitäten L₁, L₂ und L₃ geschlossen werden. Damit ist ein indirekter Rückschluss auf den Rotorwinkel β möglich.
3 zeigt ein Sektordiagramm für die Raumzeigermodulation eines dreiphasigen Raumzeigersystems. Dabei kann jede Spannung in den sechs Sektoren S1 bis S6 aus einer Linearkombination zweier der Grundspannungen U, V und W gebildet werden. Beispielsweise kann durch eine Kombination der Schaltzustände 101 und 001, welche die Grundspannungen U und W bzw. lediglich die Grundspannung W auswählen, eine Spannung in Sektor S4 dargestellt werden. Der Phasenwinkel der dargestellten Spannung hängt dabei vom Verhältnis der zeitlichen Dauern der Schaltzustände 101 und 001 ab, die Amplitude der dargestellten Spannung von dem Verhältnis der Gesamtdauer der Schaltzustände 101 und 001 zur Dauer der Schaltzustände 111 bzw. 000, das heißt, der Auswahl eines Nullspannungsraumzeigers. In ähnlicher Weise können beliebige Spannungszeiger in allen Sektoren durch Linearkombinationen der Grundspannungen U, V und W über eine Auswahl passender Schaltzustandsabfolgen für den Pulswechselrichter dargestellt werden.
4 zeigt ein schematisches Diagramm für beispielhafte PWM-Ansteuersignale einer Synchronmaschine, beispielsweise der Synchronmaschine 101 in 1. Die PWM-Ansteuersignale U1, V1 und W1 entsprechen jeweils den Spannungen, die im zeitlichen Verlauf an den jeweiligen Phasen U, V und W angelegt werden. Dabei entspricht ein hoher Pegel der PWM-Ansteuersignale U1, V1 und W1 jeweils einem Anlegen eines positiven Potentials über entsprechende Ansteuerung der Halbbrücken des Pulswechselrichters an die jeweilige Phase, und ein niedriger Pegel der PWM-Ansteuersignale U1, V1 und W1 jeweils einem Anlegen eines negativen Potentials an die jeweilige Phase. Die PWM-Ansteuersignale U1, V1 und W1 in 4 bilden eine mittenzentrierte PWM-Ansteuerung, das heißt, die Anzahl der Schaltvorgänge ist minimal. Weiterhin ist jeweils nur ein einziger Schaltvorgang beim Wechsel in einen anderen Schaltzustand notwendig. Die gesamte Zeitdauer des Schaltzustandes 001 beträgt 2·T₀₀₁, während die gesamte Zeitdauer des Schaltzustandes 011 2·T₀₁₁ beträgt. Die restliche Zeitdauer einer gesamten PWM-Ansteuerperiode T wird jeweils einer von den Nullspannungsraumzeigern durch die Schaltzustände 000 bzw. 111 dargestellt.
Insbesondere bei geringen auszugebenden Spannungszeigern, beispielsweise bei niedrigen Drehzahlen der Synchronmaschine, ist das Verhältnis zwischen der Gesamtzeitdauer der Schaltzustände 001 und 011, das heißt 2·T₀₁₁ + 2·T₀₀₁, gegenüber der Zeitdauer der gesamten PWM-Ansteuerperiode T ebenfalls gering. Während der nur kurz dargestellten Schaltzustände kann es daher vorkommen, dass das Potential am Sternpunkt nicht oder nicht in ausreichend genauem Maße bestimmt werden kann.
5 zeigt daher eine alternative Möglichkeit zur Generierung von PWM-Ansteuersignalen U2, V2 und W2. Die PWM-Ansteuersignale U2, V2 und W2 entsprechen bei gleicher Spannungszeigererzeugung im Verhältnis ihren hohen Pegel zu ihren niedrigen Pegeln den PWM-Ansteuersignalen U1, V1 und W1 in 4. Allerdings sind die Pulsmodulationsfrequenzen der PWM-Ansteuersignale V2 und W2 gegenüber den PWM-Ansteuersignalen V1 und W1 in 4 geändert, so dass die Ansteuerperioden TV und TW gegenüber der eigentlichen Ansteuerperiode T verkürzt ist. Alternativ können die Ansteuerperioden TV und TW auch gegenüber der Ansteuerperiode T verlängert werden. Dabei können ein oder mehrere der PWM-Ansteuersignale in ihren Pulsmodulationsfrequenzen geändert werden. Beispielsweise können für verschiedene PWM-Ansteuersignale unterschiedliche geänderte Pulsmodulationsfrequenzen gewählt werden. Zum Beispiel kann die Phase U mit 9 kHz getaktet werden, die Phase V mit 10 kHz und die Phase W mit 11 kHz.
Dabei nimmt das Verhältnis der Zeitdauern, während derer Schaltzustände mit aktiven Grundspannungsraumzeigern dargestellt werden, gegenüber den Zeitdauern, während derer Schaltzustände mit passiven Grundspannungsraumzeigern, das heißt Nullspannungsraumzeigern dargestellt werden, im Laufe der durchlaufenen Ansteuerperioden zu, da die jeweils hohen Pegelzustände der einzelnen Phasen mit Ablauf der Zeit immer weiter gegeneinander versetzt erscheinen. Dadurch können in Abhängigkeit von den Frequenzbeziehungen der Pulsmodulationsfrequenzen untereinander geeignete Zeiträume vorab bestimmt werden, in denen eine Erfassung von Sternpunktpotentialen während der Darstellung von aktiven Spannungsraumzeigern möglich ist. Die geänderten Pulsmodulationsfrequenzen können kommensurabel zueinander gewählt werden, so dass nach einer vorbestimmten Anzahl von Ansteuerperiodendurchläufen wieder Synchronität zwischen den Ansteuerzyklen herrscht.
Mit dieser Vorgehensweise können auf Kosten der Anzahl der benötigten Schaltvorgänge ausreichend lange Zeitdauern geschaffen werden, während derer eine zuverlässige Messung bzw. Bestimmung des Sternpunktpotentials in verschiedenen Schaltzuständen möglich ist.
Die Pulsmodulationsfrequenzen können variabel sein. Beispielsweise können die Pulsmodulationsfrequenzen in einem Frequenzdurchlauf, einem sogenannten Frequenzsweeping kontinuierlich geändert werden. Aufgrund der verschiedenen kombinatorischen Möglichkeiten, die Pulsmodulationsfrequenzen für die unterschiedlichen Phasen zu ändern, entstehen somit ein oder mehrere verschiedene Schaltmuster für die PWM-Ansteuersignale U2, V2 und W2.
Nach Erzeugung eines oder mehrerer Schaltmuster können die Schaltmuster statt einer mittenzentrierten PWM-Ansteuerung eingesetzt werden, um während der Nutzung der Schaltmuster ausreichend Gelegenheit für die Messung der Sternpunktpotentiale bzw. der Differenzen von Sternpunktpotentialen zu haben. Die Schaltmuster können dann in beliebiger Reihenfolge in der Sequenz der Ansteuerperioden zur Ansteuerung des Wechselrichters eingesetzt werden. Beispielsweise können zwei Schaltmuster in alternierender Reihenfolge zum Ansteuern des Wechselrichters ausgewählt werden. Bei drei oder mehr Schaltmustern können diese in zyklischer Reihenfolge zum Ansteuern des Wechselrichters ausgewählt werden. Es kann auch möglich sein, zwischen den Schaltmustern mit geänderten Pulsmodulationsfrequenzen herkömmliche Ansteuerperioden ohne geänderte Pulsmodulationsfrequenzen zu verwenden, so dass die Schaltmuster alternierend zu den pulsbreitenmodulierten Ansteuersignalen zum Ansteuern des Wechselrichters ausgewählt werden können. Prinzipiell sind dabei viele verschiedene Varianten zur Auswahl der Schaltmuster denkbar, um den Wechselrichter anzusteuern.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 20 zum Ermitteln des Rotorwinkels einer Synchronmaschine, insbesondere einer Synchronmaschine 101 wie in 1 beispielhaft dargestellt. Dabei kann das Verfahren 20 auf die im Zusammenhang mit den 2 bis 5 erläuterten Zusammenhänge zurückgreifen.
In einem ersten Schritt 21 erfolgt ein Erzeugen einer Vielzahl von pulsbreitenmodulierten Ansteuersignalen für die Phasen eines die Synchronmaschine speisenden Wechselrichters in Abhängigkeit von einer in die Synchronmaschine einzuspeisenden Spannung.
In einem zweiten Schritt 22 erfolgt ein Ändern der Pulsbreitenmodulationsfrequenz mindestens eines Ansteuersignals der Vielzahl von pulsbreitenmodulierten Ansteuersignalen, so dass die Dauer der Schaltzustände des Wechselrichters, in denen ein aktiver Spannungsraumzeiger ausgegeben wird, verlängert ist, zum Generieren eines Schaltmusters für die Phasen des Wechselrichters. Daraufhin kann in einem dritten Schritt 23 ein Ansteuern des Wechselrichters mit dem generierten Schaltmuster erfolgen, so dass in einem Schritt 24 ein Ermitteln eines oder mehrerer von Sternpunktpotentialen im Sternpunkt der Synchronmaschine während des Ansteuerns des Wechselrichters mit dem Schaltmuster erfolgen kann. Daraus kann in Schritt 25 dann der Rotorwinkel der Synchronmaschine in Abhängigkeit von den ermittelten Sternpunktpotentialen berechnet werden.
Optional kann weiterhin ein Ändern der Pulsbreitenmodulationsfrequenz mindestens eines weiteren Ansteuersignals der Vielzahl von pulsbreitenmodulierten Ansteuersignalen zum Generieren eines weiteren Schaltmusters für die Phasen des Wechselrichters erfolgen, welches dann einer Auswahl eines oder mehrerer der generierten Schaltmuster zum Ansteuern des Wechselrichters zugrunde gelegt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/136381 A2 [0005]
DE 69701762 T2 [0006]
US 2004/0195995 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Kapitel 8 in Jenny, F; Wüest, D.: „Steuerverfahren für selbstgeführte Stromrichter“, Vdf Hochschulverlag AG, 1995, S. 152–167 [0008]

Claims

Verfahren (20) zum Ermitteln des Rotorwinkels (β) einer Synchronmaschine (101), mit den Schritten: Erzeugen (21) einer Vielzahl von pulsbreitenmodulierten Ansteuersignalen für die Phasen eines die Synchronmaschine (101) speisenden Wechselrichters (102) in Abhängigkeit von einer in die Synchronmaschine (101) einzuspeisenden Spannung; Ändern (22) der Pulsbreitenmodulationsfrequenz mindestens eines Ansteuersignals der Vielzahl von pulsbreitenmodulierten Ansteuersignalen, so dass die Dauer der Schaltzustände des Wechselrichters (102), in denen ein aktiver Spannungsraumzeiger ausgegeben wird, verlängert ist, zum Generieren eines Schaltmusters für die Phasen des Wechselrichters (102); Ansteuern (23) des Wechselrichters (102) mit dem generierten Schaltmuster; Ermitteln (24) eines oder mehrerer von Sternpunktpotentialen im Sternpunkt (106) der Synchronmaschine (101) während des Ansteuerns des Wechselrichters (102) mit dem Schaltmuster; und Berechnen (25) des Rotorwinkels (β) der Synchronmaschine (101) in Abhängigkeit von den ermittelten Sternpunktpotentialen.
Verfahren (20) nach Anspruch 1, wobei die Synchronmaschine (101) eine Schenkelpolmaschine oder eine Vollpolmaschine umfasst.
Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei das Berechnen des Rotorwinkels (β) in Abhängigkeit von Differenzen von ermittelten Sternpunktpotentialen erfolgt.
Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin mit den Schritten: Ändern der Pulsbreitenmodulationsfrequenz mindestens eines weiteren Ansteuersignals der Vielzahl von pulsbreitenmodulierten Ansteuersignalen zum Generieren eines weiteren Schaltmusters für die Phasen des Wechselrichters (102); und Auswählen eines oder mehrerer der generierten Schaltmuster zum Ansteuern des Wechselrichters (102).
Verfahren (20) nach Anspruch 4, wobei die generierten Schaltmuster in zyklischer Reihenfolge zum Ansteuern des Wechselrichters (102) ausgewählt werden.
Verfahren (20) nach Anspruch 5, wobei die geänderten Pulsbreitenmodulationsfrequenzen kommensurabel sind.
Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die geänderte Pulsbreitenmodulationsfrequenzen einen Frequenzbereich durchläuft.
Steuereinrichtung (10) zum Ermitteln des Rotorwinkels (β) einer Synchronmaschine (101), wobei die Steuereinrichtung (10) dazu ausgelegt ist, ein Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
Elektrisches Antriebssystem (100), mit: einer Steuereinrichtung (10) nach Anspruch 8; einer Synchronmaschine (101), welche mit der Steuereinrichtung (10) gekoppelt ist; und einem Wechselrichter (102), welcher mit der Steuereinrichtung (10) und der Synchronmaschine (101) gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, eine Versorgungsspannung für die Synchronmaschine (101) bereitzustellen, wobei die Steuereinrichtung (10) dazu ausgelegt ist, den Wechselrichter (102) in Abhängigkeit von dem ermittelten Rotorwinkel anzusteuern.