DE102013109224A1

DE102013109224A1 - Control method for an electric drive of a mobile work machine

Info

Publication number: DE102013109224A1
Application number: DE102013109224.1A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kromm
Original assignee: Linde Material Handling GmbH
Current assignee: Linde Material Handling GmbH
Priority date: 2013-08-26
Filing date: 2013-08-26
Publication date: 2015-02-26

Abstract

bei einem Steuerungsverfahren für einen elektrischen Antrieb (30), insbesondere einen Fahrantrieb, einer mobilen Arbeitsmaschine (14), wobei der elektrische Antrieb einen Drehstrommotor (17) mit mindestens drei Phasen, einen regelbaren Umrichter (31) für die Versorgung der Phasen mit elektrischer Energie und eine Steuervorrichtung für den Umrichter (31) aufweist, und in einem ersten Betriebsbereich unterhalb eines von einem Betriebsparameter abhängigen ersten Schwellenwertes in einem kontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahren mit einem unteren Modulationsindex sowie in einem zweiten Betriebsbereichen oberhalb eines zweiten von einem Betriebsparameter abhängigen Schwellenwertes in einem diskontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahren mit einem oberen Modulationsindex durch die Steuerung betrieben wird, wird in einem dritten Betriebsbereich zwischen dem ersten Schwellenwert und dem zweitem Schwellenwert eine adaptive kontinuierliche Pulsweitenmodulation mit einem von dem unteren Modulationsindex am Betriebspunkt des ersten Schwellenwertes zu dem oberen Modulationsindex am Betriebspunkt des zweiten Schwellenwert ansteigenden Modulationsindex durch die Steuervorrichtung durchgeführt.in a control method for an electric drive (30), in particular a travel drive, a mobile work machine (14), wherein the electric drive comprises a three-phase motor (17) having at least three phases, a controllable inverter (31) for supplying the phases with electrical energy and a control device for the converter (31), and in a first operating range below a first threshold dependent on an operating parameter in a continuous pulse width modulation method having a lower modulation index and in a second operating range above a second operating parameter dependent threshold in a discontinuous pulse width modulation method an upper modulation index is operated by the controller is in a third operating range between the first threshold and the second threshold, an adaptive continuous pulse width modulation with one of the unt The modulation index at the operating point of the first threshold value to the upper modulation index at the operating point of the second threshold increasing modulation index is performed by the control device.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerungsverfahren für einen elektrischen Antrieb einer mobilen Arbeitsmaschine sowie eine entsprechende mobile Arbeitsmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Steuerungsverfahren für einen elektrischen Antrieb, insbesondere einen Fahrantrieb, einer mobilen Arbeitsmaschine, wobei der elektrische Antrieb einen Drehstrommotor mit mindestens drei Phasen, einen regelbaren Umrichter für die Versorgung der Phasen mit elektrischer Energie und eine Steuervorrichtung für den Umrichter aufweist, und in einem ersten Betriebsbereich unterhalb eines von einem Betriebsparameter abhängigen ersten Schwellenwertes in einem kontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahren mit einem unteren Modulationsindex sowie in einem zweiten Betriebsbereichen oberhalb eines von einem Betriebsparameter abhängigen zweiten Schwellenwertes in einem diskontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahren mit einem oberen Modulationsindex durch die Steuerung betrieben wird. The invention relates to a control method for an electric drive of a mobile machine and a corresponding mobile machine. In particular, the invention relates to a control method for an electric drive, in particular a traction drive, a mobile machine, wherein the electric drive comprises a three-phase AC motor, a controllable inverter for supplying the phases with electrical energy and a control device for the inverter, and in a first operating range below a first threshold value dependent on an operating parameter in a continuous pulse width modulation method with a lower modulation index and in a second operating range above a second threshold dependent on an operating parameter in a discontinuous pulse width modulation method with an upper modulation index by the controller.

Bei mobilen Arbeitsmaschinen ist es bekannt, elektrische Antriebe für verschiedene Einrichtungen und Arbeitsfunktionen vorzusehen, jedoch insbesondere für den Fahrantrieb im Falle von batterieelektrisch betriebenen mobilen Arbeitsmaschinen, bei denen die Energieversorgung für den Fahrantrieb aus einer Traktionsbatterie entnommen wird. In mobile machines, it is known to provide electric drives for various devices and work functions, but in particular for the drive in the case of battery-powered mobile work machines in which the power supply for the drive from a traction battery is removed.

Für solche elektrischen Antriebe werden in großem Umfang Drehstrommotoren und wegen des einfachen Aufbaus mit einem Kurzschlussläufer insbesondere Drehstrom-Asynchronmotoren eingesetzt. Dabei wird der Drehstrom-Asynchronmotor über einen Wechsel- oder Umrichter angesteuert und kann dadurch in einem großen Drehmoment- und Drehzahlbereich geregelt werden. Hierzu wird jeweils durch eine Halbbrücke mit zwei Leistungshalbleitern die Plus- oder Minusspannung eines den Umrichter speisenden Gleichstromzwischenkreises bzw. einer Spannungsversorgung auf eine Phase bzw. Statorwicklung geschaltet. Ein übliches Verfahren der Ansteuerung ist das Pulsweitenmodulationsverfahren, bei dem die Spannungen und Ströme der Phasen allein durch Ein-/Ausschalten und die Dauer der Schaltzeiten geregelt werden. Die Leistungshalbleiter werden daher auch als Spannungs- bzw. Stromventile bezeichnet. Hierzu sind Regelungsalgorithmen bei elektrischen Antriebssystemen bekannt, die betriebsbedingte Schwankungen der Batteriespannung zur Verbesserung der Regelungsqualität sowie Optimierung des Systemwirkungsgrades steuern. For such electric drives three-phase motors and because of the simple structure with a squirrel-cage rotor in particular three-phase asynchronous motors are widely used. In this case, the three-phase asynchronous motor is controlled by an AC or inverter and can thus be controlled in a large torque and speed range. For this purpose, the positive or negative voltage of a direct-current intermediate circuit supplying the converter or a voltage supply to a phase or stator winding is connected in each case by a half-bridge with two power semiconductors. A common method of driving is the pulse width modulation method, in which the voltages and currents of the phases are controlled solely by switching on / off and the duration of the switching times. The power semiconductors are therefore also referred to as voltage or current valves. For this purpose, control algorithms in electric drive systems are known, which control operational fluctuations in the battery voltage to improve the control quality and optimization of the system efficiency.

Die Frequenzumrichter werden dabei oft in Antriebssystemen mit einer feldorientierten Regelung verwendet. Frequency converters are often used in drive systems with field-oriented control.

Nach dem Stand der Technik unterscheidet man bei drehzahl-/drehmomentgeregelten Antrieben grundsätzlich zwei wesentliche Gruppen von Modulationsverfahren, die oftmals in einer Pulsweitenmodulation des Frequenzumrichters realisiert werden. Die erste Gruppe besteht aus kontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahren, die ein gutes Verhalten in Bezug auf das Oberschwingungsspektrum des Statorstroms der elektrischen Maschine gewährleisten, da der Strom nahezu sinusförmig ist. According to the state of the art, a distinction is generally made in speed / torque-controlled drives in two essential groups of modulation methods, which are often implemented in a pulse width modulation of the frequency converter. The first group consists of continuous pulse width modulation techniques, which ensure good behavior with respect to the harmonic spectrum of the stator current of the electric machine, since the current is nearly sinusoidal.

Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass die Modulationsverfahren in dieser Gruppe hohe Spannungsverluste im Umrichter verursachen und daher die Kapazität beispielsweise einer Traktionsbatteriebatterie nicht optimal ausnutzen. Die beste Aussteuerung der Pulsweitenmodulation, die mit einem so genannten Modulationsindex beschrieben wird, definiert durch die Amplitude der Phasenausgabespannung als Normalwert in Bezug auf die halbe Versorgungsspannung des Gleichspannungszwischenkreises, beträgt beispielsweise bei einer Sinus-Dreiecksmodulation 0,785. A disadvantage of this prior art is that the modulation methods in this group cause high voltage losses in the inverter and therefore do not optimally utilize the capacity of, for example, a traction battery. The best modulation of the pulse width modulation, which is described by a so-called modulation index, defined by the amplitude of the phase output voltage as a normal value with respect to half the supply voltage of the DC link, is, for example, in a sine-delta modulation 0.785.

Die zweite Gruppe von Modulationsverfahren umfasst diskontinuierliche Pulsweitenmodulationsverfahren, die die Flat-Top-Modulationen (FTM) umfassen. Diese Gruppe der Modulationsverfahren nutzt die Kapazität der Batterie gut aus und zeigt wenig Spannungsverluste durch die Schaltvorgänge. Bei Flat-Top-Modulationen ist es möglich, einen Modulationsindex bis zum Wert von 1 im Blockbetrieb zu erreichen. The second group of modulation techniques includes discontinuous pulse width modulation techniques that include flat-top modulations (FTM). This group of modulation methods uses the capacity of the battery well and shows little voltage loss through the switching operations. With flat-top modulations it is possible to achieve a modulation index up to the value of 1 in block mode.

Nachteilig an diesem letzteren Stand der Technik ist jedoch, dass zusätzliche Oberwellen im Spektrum des Statorstroms der elektrischen Maschine auftreten und verzerrte Ströme zusätzliche Wärme sowie Eisenverluste in der elektrischen Maschine erzeugen. Je höher der Modulationsindex ist, desto schlechter ist das Spektrum der Ströme des Stators der elektrischen Maschine ausgebildet. A disadvantage of this latter state of the art, however, is that additional harmonics occur in the spectrum of the stator current of the electric machine and distorted currents generate additional heat and iron losses in the electrical machine. The higher the modulation index, the worse the spectrum of the currents of the stator of the electric machine is formed.

Daher ist weiterhin im Stand der Technik bekannt, um die jeweiligen Vorteile zu nutzen, eine Sinuskommutierung durch eine Flat-Top-Modulation zu erweitern, somit mit einer Kombination aus Modulationsverfahren aus beiden Gruppen zu arbeiten. Dabei wird während des Betriebs des Umrichters in Abhängigkeit eines Schwellenwertes der Drehzahl der elektrischen Maschine das Modulationsverfahren umgeschaltet. Durch zwei Referenzspannungen wird beim Umschalten des Modulationsverfahrens des Umrichters jeweils ein fester Modulationsindex für jedes der beiden Pulsweitenmodulationsverfahren festgelegt. Therefore, it is further known in the art to use the respective advantages of expanding a sine commutation by a flat-top modulation, thus working with a combination of modulation techniques from both groups. In this case, the modulation process is switched during operation of the inverter in response to a threshold value of the rotational speed of the electric machine. By means of two reference voltages, a fixed modulation index for each of the two pulse width modulation methods is determined in each case when switching over the modulation method of the converter.

Nachteilig an diesem bekannten Stand der Technik ist, dass die Umschaltung des Modulationsverfahrens auf eine Flat-Top-Modulation eine sprunghafte Erhöhung der Verluste in dem Antriebssystem aufgrund der dann auftretenden Oberwellen hervorruft. Durch die entstehenden Oberwellen kommt es auch zu einem unrunden Laufverhalten sowie einer Verschlechterung der Qualität der Drehmoment- und Drehzahlregelung in dem Antriebssystem. Insbesondere bei aus Batterien versorgten elektrischen Antrieben ist die Verschlechterung des Wirkungsgrades dabei von besonderem Nachteil. Durch die Umschaltung des Modulationsverfahrens auf Flat-Top-Modulationen anhand der Drehzahl kann es bei tiefer Batteriespannung, beispielsweise bei einer hohen erforderlichen Antriebsleistung, vorkommen, dass im Umrichter die Flat-Top-Modulation nicht aktiviert werden kann, weil es nicht möglich ist, eine definierte Schaltdrehzahl bzw. den Schwellenwert zu überschreiten. Dadurch ergeben sich Nachteile in der Antriebsleistung, da der hohe Modulationsindex des diskontinuierlichen Modulationsverfahrens nicht erreicht werden kann. Schließlich ergeben sich auch mechanische Vibrationen des Antriebs und gegebenenfalls der gesamten mobilen Arbeitsmaschine, die ungünstig sind und sich nachteilig auf die Lebensdauer auswirken. A disadvantage of this known prior art is that the switching of the modulation method to a flat-top modulation an abrupt increase in losses in the drive system due to the then occurring harmonics causes. The resulting harmonics also lead to a non-round running behavior and a deterioration of the quality of the torque and speed control in the drive system. Particularly in the case of electric drives powered by batteries, the deterioration of the efficiency is of particular disadvantage. By switching the modulation method to flat-top modulations based on the speed, it can occur at low battery voltage, for example at a high required drive power, that in the inverter, the flat-top modulation can not be activated because it is not possible, one defined switching speed or to exceed the threshold. This results in disadvantages in the drive power, since the high modulation index of the discontinuous modulation method can not be achieved. Finally, there are also mechanical vibrations of the drive and possibly the entire mobile machine, which are unfavorable and adversely affect the life.

Die beschriebenen Modulationsverfahren kommen bei elektrischen Antrieben, insbesondere dem Fahrantrieb von aus einer Traktionsbatterie mit Strom versorgten elektrischen mobilen Arbeitsmaschinen zum Einsatz. Elektrische mobile Arbeitsmaschinen umfassen dabei sowohl Flurförderzeuge wie auch etwa Zweiwegefahrzeuge. Zweiwegefahrzeuge sind Fahrzeuge, die sowohl über normale Straßenverkehrsflächen auf eigener Achse fahren, als auch auf Schienen sich bewegen können. Neben dem Einsatzzweck für Unterhaltsarbeiten sowie als Baumaschinen für Bauarbeiten an Gleiskörpern kommen solche Zweiwegefahrzeuge in Industriegeländen mit Gleisanschluss zum Einsatz, um einzelne Güterwaggons bis hin zu ganzen Zügen auf den Gleisanlagen des Werksgeländes bewegen zu können. Hierfür ist eine sehr hohe und mit guter Regelung auf eine Schiene übertragbare Antriebsleistung von besonderer Bedeutung, da von einem relativ kleinen Fahrzeug oft mehrere Waggons bis hin zu kurzen Zügen mit erheblichem Gewicht bewegt werden sollen. The modulation methods described are used in electric drives, in particular the traction drive powered by a traction battery electric mobile work machines. Electric mobile machines include both industrial trucks as well as about two-way vehicles. Two-way vehicles are vehicles that can drive both on normal road surfaces on its own axis, as well as on rails to move. In addition to the purpose for maintenance work as well as construction machinery for construction work on track bodies such two-way vehicles in industrial sites with siding are used to move individual freight cars to trains on the tracks of the factory site. For this purpose, a very high and with good control on a rail transferable drive power is of particular importance because of a relatively small vehicle often several cars are to be moved to short trains with considerable weight.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuerungsverfahren für einen elektrischen Antrieb einer mobilen Arbeitsmaschine, insbesondere einen Fahrantrieb, zur Verfügung zu stellen, das die zuvor genannten Nachteile vermeidet und einen in allen Betriebsbereichen optimierte Drehmoment-/Drehzahlregelung bei minimalem Energieverbrauch zur Verfügung stellt. It is therefore an object of the present invention to provide a control method for an electric drive of a mobile work machine, in particular a travel drive, which avoids the aforementioned disadvantages and provides optimized in all operating ranges torque / speed control with minimal energy consumption.

Diese Aufgabe wird durch ein Steuerungsverfahren für einen elektrischen Antrieb mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 durch eine entsprechende Mobile Arbeitsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. This object is achieved by a control method for an electric drive with the features of independent claim 1 by a corresponding mobile machine with the features of claim 11. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Steuerungsverfahren für einen elektrischen Antrieb, insbesondere einen Fahrantrieb, einer mobilen Arbeitsmaschine, wobei der elektrische Antrieb einen Drehstrommotor mit mindestens drei Phasen, einen regelbaren Umrichter für die Versorgung der Phasen mit elektrischer Energie und eine Steuervorrichtung für den Umrichter aufweist, und in einem ersten Betriebsbereich unterhalb eines von einem Betriebsparameter abhängigen ersten Schwellenwertes in einem kontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahren mit einem unteren Modulationsindex sowie in einem zweiten Betriebsbereichen oberhalb eines von einem Betriebsparameter abhängigen zweiten Schwellenwertes in einem diskontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahren mit einem oberen Modulationsindex durch die Steuerung betrieben wird, in einem dritten Betriebsbereich zwischen dem ersten Schwellenwert und dem zweitem Schwellenwert eine adaptive kontinuierliche Pulsweitenmodulation mit einem von dem unteren Modulationsindex am Betriebspunkt des ersten Schwellenwertes zu dem oberen Modulationsindex am Betriebspunkt des zweiten Schwellenwert ansteigenden Modulationsindex durch die Steuervorrichtung durchgeführt wird. The object is achieved in that in a control method for an electric drive, in particular a traction drive, a mobile machine, wherein the electric drive is a three-phase motor with at least three phases, a variable speed inverter for supplying the phases with electrical energy and a control device for in a first operating range below a first threshold dependent on an operating parameter in a continuous pulse width modulation scheme having a lower modulation index, and in a second operating range above a second threshold dependent on an operating parameter in a discontinuous pulse width modulation scheme having an upper modulation index by the controller is an adaptive continuous pulse width module in a third operating range between the first threshold and the second threshold tion with a modulation index increasing from the lower modulation index at the operating point of the first threshold value to the upper modulation index at the operating point of the second threshold value is performed by the control device.

Indem es nicht zu einem sprunghaften Übergang des Modulationsindexes bei dem Wechsel von einem kontinuierlichen Modulationsverfahren zu dem diskontinuierlichen Modulationsverfahren kommt, ergibt sich ein rundes Laufverhalten des elektrischen Antriebs und eine höhere Qualität der Drehmoment- und Drehzahlregelung. Der Frequenzumrichter wird ohne unnötige Übermodulation ausgesteuert. Vorteilhaft ergibt sich als Folge auch eine Erhöhung des maximalen Wirkungsgrades des Antriebssystems und eine Verringerung der zusätzlichen mechanischen Vibrationen verbunden mit einer längeren Lebensdauer der Maschine bzw. mobilen Arbeitsmaschine. By not causing a sudden transition of the modulation index in the change from a continuous modulation method to the discontinuous modulation method results in a round running behavior of the electric drive and a higher quality of the torque and speed control. The frequency converter is controlled without unnecessary overmodulation. Advantageously, this results in an increase in the maximum efficiency of the drive system and a reduction in the additional mechanical vibrations associated with a longer life of the machine or mobile machine.

Vorteilhaft sind der erste Schwellenwert und/oder der zweite Schwellenwert abhängig von Spannungswerten der Versorgungsspannung des Umrichters. The first threshold value and / or the second threshold value are advantageously dependent on voltage values of the supply voltage of the converter.

Dadurch kann eine bessere Anpassung erfolgen und eine Umschaltung gerade anhand der Werte der Versorgungsspannung. Es wird somit vermieden, dass es zu einer Umschaltung nicht kommen kann, da eine bestimmte Drehzahl nicht erreicht wird. Solange es von der Versorgungsspannung des Umrichters her noch möglich ist, kann das gesamte Leistungsspektrum des elektrischen Antriebs ausgenutzt werden. Dabei kann der Schwellenwert allein von der Versorgungsspannung des Umrichter, beispielsweise der Spannung einer Traktionsbatterie, abhängen oder zusätzlich von weiteren Werten, wie etwa beispielsweise in Kombination auch von Istdrehzalen des Antriebs. As a result, a better adaptation can take place and a changeover can be effected precisely on the basis of the values of the supply voltage. It is thus avoided that it can not come to a switch, because a certain speed is not reached. As long as it is still possible from the supply voltage of the inverter, the entire power spectrum of the electric drive can be exploited. In this case, the threshold value can be determined solely by the supply voltage of the converter, for example the voltage of a traction battery, depend on or in addition of other values, such as, for example, in combination of Istdrehzalen the drive.

In einer Ausführungsform des Steuerungsverfahrens sind der erste Schwellenwert und/oder der zweite Schwellenwert abhängig von Drehzahlwerten des elektrischen Antriebs. In one embodiment of the control method, the first threshold value and / or the second threshold value are dependent on rotational speed values of the electric drive.

Vorteilhaft ist die kontinuierliche Pulsweitenmodulation in dem ersten Betriebsbereich eine Sinuskommutierung. Advantageously, the continuous pulse width modulation in the first operating range is a sinusoidal commutation.

Eine Sinuskommentierung zeigt als kontinuierliches Pulsweitenmodulationsverfahren ein gutes Verhalten in Bezug auf das Oberschwingungsspektrum in den Wicklungen des elektrischen Antriebs. A sine commentary as a continuous pulse width modulation method shows good behavior with respect to the harmonic spectrum in the windings of the electric drive.

Der Modulationsindex der Sinuskommutierung kann ca. 0,78 betragen. The modulation index of the sinusoidal commutation can be about 0.78.

Die ergibt insbesondere bei einer Sinus-Dreiecksmodulation eine vorteilhafte Ansteuerung der Pulsweitenmodulation. This results in particular in a sinusoidal triangle modulation an advantageous control of the pulse width modulation.

In einer günstigen Ausbildung des Steuerungsverfahrens ist die diskontinuierliche Pulsweitenmodulation in dem zweiten Betriebsbereich eine Flat-Top-Modulation. In a favorable embodiment of the control method, the discontinuous pulse width modulation in the second operating range is a flat-top modulation.

Die Flat-Top-Modulation kann einen festen Flat-Top-Winkel von 30° oder 60° oder 120° aufweisen. The flat-top modulation can have a fixed flat-top angle of 30 ° or 60 ° or 120 °.

Bei Flat-Top-Modulationen treten vorteilhaft wenig Schaltverluste auf, da im Idealfall immer nur eine der Halbleiterbrücken geschaltet wird und bei einem hohen Aufteilungsfaktor (Apportioning) die Gesamtzahl der Schaltungen verringert ist, insbesondere durch eine geringere Anzahl von Schaltungen in die neutralen Raumzeiger. Dies ermöglicht eine hohe Leistung des elektrischen Antriebes und nützt durch die verringerten Schaltverluste, insbesondere bei einer Spannungsversorgung des elektrischen Antriebes aus einer Batterie, die Kapazität dieser Batterie bzw. eines elektrischen Energiespeichers optimal aus. In flat-top modulations advantageous little switching losses occur because ideally only one of the semiconductor bridges is always switched and with a high apportioning the total number of circuits is reduced, in particular by a smaller number of circuits in the neutral space vector. This allows a high power of the electric drive and benefits from the reduced switching losses, especially in a power supply of the electric drive from a battery, the capacity of this battery or an electrical energy storage optimally.

Vorteilhaft ist die adaptive kontinuierliche Pulsweitenmodulation in dem dritten Betriebsbereich eine Sinuskommutierung. Advantageously, the adaptive continuous pulse width modulation in the third operating range is a sinusoidal commutation.

In einer Weiterbildung des Steuerungsverfahrens wird der Modulationsindex der Sinuskommentierung durch einen ansteigenden Faktor für eine Dreiecks-Referenzspannung bewirkt, der linear abhängig von dem Betriebsparameter zwischen dem ersten und zweiten Schwellenwert ansteigt. In a further development of the control method, the modulation index of the sine comment is effected by an increasing factor for a triangular reference voltage, which rises linearly as a function of the operating parameter between the first and second threshold values.

Dies ermöglicht auf einfache Art und Weise eine Adaptierung des Modulationsindexes in dem dritten Betriebsbereich This enables a simple adaptation of the modulation index in the third operating range

Vorteilhaft wird die mobile Arbeitsmaschine aus einer Batterie, insbesondere einer Traktionsbatterie für einen Fahrantrieb, mit elektrischer Energie versorgt. Advantageously, the mobile machine from a battery, in particular a traction battery for a traction drive, supplied with electrical energy.

Durch den besseren Wirkungsgrad des beschriebenen Verfahrens kann insbesondere bei einer Spannungsversorgung des elektrischen Antriebs aus einer Batterie, etwa im Falle einer Traktionsbatterie für einen elektrischen Fahrantrieb, eine Verbesserung der Reichweite und Betriebsdauer erreicht werden. Due to the better efficiency of the method described, an improvement of the range and service life can be achieved in particular in the case of a voltage supply of the electric drive from a battery, for example in the case of a traction battery for an electric traction drive.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch eine mobile Arbeitsmaschine mit einem elektrischen Antrieb gelöst, der einen Drehstrommotor mit mindestens drei Phasen, einen regelbaren Umrichter für die Versorgung der Phasen mit elektrischer Energie und eine Steuervorrichtung für den Umrichter umfasst, bei dem die Steuervorrichtung ein zuvor beschriebenes Steuerungsverfahren durchführt. The object of the invention is also achieved by a mobile machine having an electric drive, which comprises a three-phase motor with three phases, a controllable converter for supplying the phases with electrical energy and a control device for the converter, in which the control device has a previously described control method performs.

Die mobile Arbeitsmaschine weist die bereits genannten Vorteile auf. The mobile work machine has the advantages already mentioned.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen mobilen Arbeitsmaschine näher erläutert. Hierbei zeigt Further advantages and details of the invention will be explained in more detail with reference to the embodiment of the mobile working machine according to the invention shown in the schematic figures. This shows

1 in Seitenansicht als Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen mobilen Arbeitsmaschinen ein Zweiwegefahrzeug auf Schienen, 1 in side view as an embodiment of a mobile working machines according to the invention a two-way vehicle on rails,

2 schematisch ein Steuerungsverfahren eines elektrischen Antriebs einer mobilen Arbeitsmaschine nach dem Stand der Technik, 2 1 schematically shows a control method of an electric drive of a mobile working machine according to the prior art,

3 schematisch ein erfindungsgemäßes Steuerungsverfahren eines elektrischen Antriebs der mobilen Arbeitsmaschine der 1, 3 schematically an inventive control method of an electric drive of the mobile machine of the 1 .

4 ein Diagramm der Umrichteraussteuerung für eine Sinus-Dreieck-Modulation, 4 a diagram of the converter modulation for a sine-delta modulation,

5 ein Diagramm der Umrichteraussteuerung für eine Flat-Top-Modulation, 5 a diagram of the inverter modulation for a flat-top modulation,

6 ein Diagramm der Umrichteraussteuerung für eine adaptive Modulation und 6 a diagram of the Umrichteraussteuerung for an adaptive modulation and

7. ein weiteres Diagramm der Umrichteraussteuerung für die adaptive Modulation. 7 , another diagram of the converter modulation for adaptive modulation.

Die 1 zeigt als Beispiel für eine mobile Arbeitsmaschine 14 in Seitenansicht ein batterie-elektrisch betriebenes Zweiwegefahrzeug 1 auf Schienen 2, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommt. Eine auf einer Seite des Zweiwegefahrzeug 1 angeordnete erste Achse 3 mit Antriebsrädern 4, die eine Gummiauflage 5 aufweisen, dient im Straßenbetrieb als Straßenachse 6. Vor der ersten Achse 3 sind absenkbaren Spurkranzrollen 8 als Spurführungsmittel 7 angeordnet. Eine zweite Achse 9 weist ebenfalls Antriebsräder 4 mit einer Gummiauflage 5 auf und ist an der anderen Seite des Zweiwegefahrzeugs 1 ebenfalls mit Spurkranzrollen 8 als Spurführungsmittel 7 angeordnet. Die Räder 4 der Achsen 3, 9 können nicht eingeschlagen werden. Jedes Antriebsrad 4 wird durch einen nicht dargestellten elektrischen Fahrmotor als elektrischen Antrieb bzw. Fahrantrieb einzeln angetrieben. Zwischen der ersten Achse 3 und der zweiten Achse 9 ist eine Traktionsbatterie 10 angeordnet, die in einem Batteriefach 11 sitzt und ausgetauscht werden kann, wenn sie entladen ist. Um im Straßenbetrieb auf einer Verkehrsfläche zu lenken kann eine als Doppelrolle 13 ausgeführte Lenkrolle 12, wie durch den Doppelpfeil angedeutet, abgesenkt sowie angehoben werden und ist hier in der angehobenen Stellung dargestellt. Über ebenfalls nicht dargestellte Umrichter werden die elektrischen Fahrantriebe angesteuert und erzeugen insbesondere im Schienenbetrieb die zum Ziehen von Eisenbahnwaggons bzw. Zügen erforderlichen hohen Drehmomente. The 1 shows as an example of a mobile work machine 14 in side view, a battery-powered two-way vehicle 1 on tracks 2 , in which the inventive method is used. One on one side of the two-way vehicle 1 arranged first axis 3 with drive wheels 4 putting a rubber pad 5 have, serves in road operation as a road axis 6 , In front of the first axle 3 are lowerable flange wheels 8th as a tracking agent 7 arranged. A second axis 9 also has drive wheels 4 with a rubber pad 5 on and is on the other side of the two-way vehicle 1 also with flange rings 8th as a tracking agent 7 arranged. The wheels 4 the axes 3 . 9 can not be smashed. Each drive wheel 4 is driven individually by an electric traction motor, not shown as an electric drive or traction drive. Between the first axis 3 and the second axis 9 is a traction battery 10 Arranged in a battery compartment 11 sits and can be exchanged when it is unloaded. To steer in traffic on a traffic surface can be a double role 13 executed steering role 12 , as indicated by the double arrow, lowered and lifted and is shown here in the raised position. The inverters, which are likewise not shown, actuate the electric traction drives and, in particular in rail operation, generate the high torques required for pulling railway wagons or trains.

Die 2 zeigt schematisch ein Steuerungsverfahren eines elektrischen Antriebs 16 einer mobilen Arbeitsmaschine nach dem Stand der Technik. Ein Umrichter 15 dient zur Versorgung eines Drehstrommotors 17 über Halbleiterbrücken 18 bzw. Transistorbrücken. Die Halbleiterbrücken 18 und der Umrichter 15 werden aus einer Spannungsquelle 19, die in dem vorliegenden Beispiel eine Traktionsbatteriebatterie 20 ist, mit Spannung versorgt. Der Umrichter 15 weist eine erste Referenzspannung 21 für eine Sinuskommutierung bzw. kontinuierliche Pulsweitenmodulation und eine zweite Referenzspannung 22 für eine Flat-Top-Modulation bzw. diskontinuierliche Pulsweitenmodulation auf. Über einen Selektor 23 erzeugt ein Pulsweitenmodulations-Generator 24 die Ansteuersignale für die Halbleiterbrücken 18, wobei die Sollwerte 25 für die Ansteuerung der Phasen des Drehstrommotors 17 vorgegeben werden. Ein Drehzahlsensor 26 erfasst die Istdrehzahl des Drehstrommotors 17, aus denen eine Recheneinheit 27 die entsprechenden Drehzahlwerte bestimmt. Eine Drehzahl-Kennlinie 28 gibt einen systemspezifischen Schwellenwert vor, ab dem der Selektor 23 von einer Pulsweitenmodulation auf der Grundlage der ersten Referenzspannung 21 auf die zweite Referenzspannung 22 und somit von einer Sinuskommmutierung als kontinuierliche Pulsweitenmodulation auf eine Flat-Top-Modulation als diskontinuierliche Pulsweitenmodulation umschaltet. The 2 schematically shows a control method of an electric drive 16 a mobile work machine according to the prior art. An inverter 15 serves to supply a three-phase motor 17 via semiconductor bridges 18 or transistor bridges. The semiconductor bridges 18 and the inverter 15 become from a voltage source 19 , which in the present example is a traction battery 20 is energized. The inverter 15 has a first reference voltage 21 for a sinusoidal commutation or continuous pulse width modulation and a second reference voltage 22 for a flat-top modulation or discontinuous pulse width modulation. About a selector 23 generates a pulse width modulation generator 24 the drive signals for the semiconductor bridges 18 , where the setpoints 25 for controlling the phases of the three-phase motor 17 be specified. A speed sensor 26 detects the actual speed of the three-phase motor 17 that make up a computing unit 27 the corresponding speed values are determined. A speed characteristic 28 specifies a system-specific threshold above which the selector 23 from a pulse width modulation based on the first reference voltage 21 to the second reference voltage 22 and thus switches from a sinusoidal commutation as a continuous pulse width modulation to a flat-top modulation as a discontinuous pulse width modulation.

Die 3 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Steuerungsverfahren eines elektrischen Antriebs 30 der mobilen Arbeitsmaschine der 1. Den Komponenten der Steuerung nach dem Stand der Technik in der 1 entsprechende Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Ein Umrichter 31 dient zur Versorgung des Drehstrommotors 17 über die Halbleiterbrücken 18 bzw. Transistorbrücken. Die Halbleiterbrücken 18 und der Umrichter 31 werden aus der Spannungsquelle 19, die in dem vorliegenden Beispiel eine Traktionsbatteriebatterie 20 ist, mit Spannung versorgt. Der Umrichter 31 weist die erste Referenzspannung 21 für eine Sinuskommutierung bzw. kontinuierliche Pulsweitenmodulation und die zweite Referenzspannung 22 für eine Flat-Top-Modulation auf. Über den Selektor 23 erzeugt der Pulsweitenmodulations-Generator 24 die Ansteuersignale für die Halbleiterbrücken 18, wobei die Sollwerte 25 für die Ansteuerung der Phasen des Drehstrommotors 17 vorgegeben werden. Der Drehzahlsensor 26 erfasst die Istdrehzahl des Drehstrommotors 17, aus denen eine Recheneinheit 32, der auch ein Signal eines Stromsensors 36 zugeführt wird, die entsprechenden Drehzahlwerte bestimmt. Zusammen mit den Spannungswerten der Versorgungsspannung der Spannungsquelle 19 wird hieraus eine Schaltkennlinie 33 mit einem ersten und einem zweiten Schwellenwert gebildet, von denen abhängig zwischen einem ersten Betriebsbereich, einem zweiten Betriebsbereich und einem dazwischenliegenden dritten Betriebsbereich umgeschaltet werden kann. Abhängig von diesen Schwellenwerten schaltet der Selektor 23 von einer Pulsweitenmodulation auf der Grundlage der ersten Referenzspannung 21 in dem ersten Betriebsbereich auf eine dritte Referenzspannung 34 in dem dritten Betriebsbereich mit einer adaptiven Pulsweitenmodulation um. In diesem dritten Betriebsbereich erfolgt die adaptive-kontinuierliche Pulsweitenmodulation als Sinuskommutation mit einem linear ansteigenden Modulationsindex der zwischen den Schaltpunkten des ersten und zweiten Schwellenwertes entsprechend einer Skalierungskennlinie 35 ansteigt. Wenn in der Schaltkennlinie 33 der zweite Schwellenwert erreicht wird, schaltet der Selektor 23 von dem dritten Betriebsbereich in den zweiten Betriebsbereich auf eine Flat-Top-Modulation als diskontinuierliche Pulsweitenmodulation um. The 3 schematically shows an inventive control method of an electric drive 30 the mobile working machine of the 1 , The components of the control according to the prior art in the 1 corresponding components are provided with the same reference numerals. An inverter 31 serves to supply the three-phase motor 17 over the semiconductor bridges 18 or transistor bridges. The semiconductor bridges 18 and the inverter 31 become out of the voltage source 19 , which in the present example is a traction battery 20 is energized. The inverter 31 indicates the first reference voltage 21 for a sinusoidal commutation or continuous pulse width modulation and the second reference voltage 22 for a flat-top modulation on. About the selector 23 generates the pulse width modulation generator 24 the drive signals for the semiconductor bridges 18 , where the setpoints 25 for controlling the phases of the three-phase motor 17 be specified. The speed sensor 26 detects the actual speed of the three-phase motor 17 that make up a computing unit 32 , which is also a signal of a current sensor 36 is supplied, the corresponding speed values determined. Together with the voltage values of the supply voltage of the voltage source 19 this results in a switching characteristic 33 formed with a first and a second threshold, which can be switched depending on a first operating range, a second operating range and an intermediate third operating range. Depending on these thresholds, the selector switches 23 from a pulse width modulation based on the first reference voltage 21 in the first operating range to a third reference voltage 34 in the third operating range with adaptive pulse width modulation. In this third operating range, the adaptive-continuous pulse width modulation is performed as a sine commutation with a linearly increasing modulation index of between the switching points of the first and second threshold value according to a scaling characteristic 35 increases. If in the switching characteristic 33 the second threshold is reached, the selector switches 23 from the third operating range in the second operating range to a flat-top modulation as a discontinuous pulse width modulation.

Vorteilhaft kommt es zu keinem sprunghaften Übergang des Modulationsindex beim Wechsel von dem kontinuierlichen Modulationsverfahren des ersten Betriebsbereiches zu dem diskontinuierlichen Modulationsverfahren des zweiten Betriebsbereiches. Es ergibt sich ein rundes Laufverhalten des elektrischen Antriebs und eine höhere Qualität der Drehmoment- und Drehzahlregelung. Der Umrichter 31 wird ohne unnötige Übermodulation ausgesteuert. Der maximale Wirkungsgrad des Antriebssystems ist erhöht. Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft bei einem Zweiwegefahrzeug 1 als Ausführungsbeispiel einer mobilen Arbeitsmaschine 14, da im Schienenbetrieb sehr hohe Drehmomente erzeugt werden müssen und ein optimiertes Antriebsverfahren besonders vorteilhaft ist. Advantageously, there is no sudden transition of the modulation index when changing from the continuous modulation method of the first operating range to the discontinuous modulation method of the second operating range. The result is a round running behavior of the electric drive and a higher quality of torque and speed control. The inverter 31 is controlled without unnecessary overmodulation. The maximum efficiency of the drive system is increased. The method according to the invention is particularly advantageous in a two-way vehicle 1 as an embodiment of a mobile machine 14 because in rail operation very high torques must be generated and an optimized drive method is particularly advantageous.

Die 4 zeigt ein Diagramm der Umrichteraussteuerung für eine Sinus-Dreieck-Modulation als Beispiel einer kontinuierlichen Pulsweitenmodulation in dem ersten Betriebsbereich. Dabei ist über X- und Y-Achse die umlaufende Spitzenlinie des Raumzeigers der durch den Umrichter 31 erzeugten Modulationsspannung aufgetragen. The 4 shows a diagram of the inverter modulation for a sine-wave modulation as an example of a continuous pulse width modulation in the first operating range. The X-axis and Y-axis are the peripheral top line of the space vector through the inverter 31 applied modulation voltage applied.

Die 5 zeigt ein Diagramm der Umrichteraussteuerung für eine Flat-Top-Modulation als Beispiel einer diskontinuierlichen Pulsweitenmodulation in dem zweiten Betriebsbereich in der entsprechenden Darstellung der 4. The 5 shows a diagram of the inverter drive for a flat-top modulation as an example of a discontinuous pulse width modulation in the second operating range in the corresponding representation of 4 ,

Die 6 zeigt ein Diagramm der Umrichteraussteuerung für eine adaptive Modulation in dem dritten Betriebsbereich an der Grenze zu dem ersten Betriebsbereich in der entsprechenden Darstellung der 4. The 6 FIG. 12 is a diagram of inverter modulation for adaptive modulation in the third operating region at the boundary of the first operating region in the corresponding representation of FIG 4 ,

Die 7. zeigt ein weiteres Diagramm der Umrichteraussteuerung für die adaptive Modulation in dem dritten Betriebsbereich an der Grenze zu dem zweiten Betriebsbereich in der entsprechenden Darstellung der 4. The 7 , FIG. 12 is another diagram of the inverter modulation for the adaptive modulation in the third operating region at the boundary to the second operating region in the corresponding representation of FIG 4 ,

In den 4 bis 7 bedeutet eine umso größere Fläche, dass die Pulsweitenmodulation des Umrichters 31 umso besser ausgesteuert ist. Je größer jedoch gleichzeitig die Verzerrung des Kreises ist, desto schlechter ist das sich ergebende Spektrum der Ströme des Stators in dem Drehstrommotor 18. Wie an den 6 und 7 zu erkennen ist, ergibt sich durch den dritten Betriebsbereich ein kontinuierlicher Übergang, der eine allmähliche Verschlechterung des Spektrums in Kauf nimmt, jedoch einen abrupten Übergang vermeidet und eine hohe Aussteuerung des Umrichters blinkenden) in 31 ermöglicht. In the 4 to 7 means a larger area that the pulse width modulation of the inverter 31 the better controlled. However, the larger the distortion of the circle, the worse the resulting spectrum of currents of the stator in the three-phase motor is 18 , How to the 6 and 7 can be seen, results from the third operating range, a continuous transition, which accepts a gradual deterioration of the spectrum, but avoids an abrupt transition and a high level control of the inverter flashing) in 31 allows.

Claims

Control method for an electric drive ( 30 ), in particular a travel drive, a mobile work machine ( 14 ), wherein the electric drive is a three-phase motor ( 17 ) with at least three phases, a variable frequency converter ( 31 ) for supplying the phases with electrical energy and a control device for the inverter ( 31 ) and in a first operating range below a first threshold dependent on an operating parameter in a continuous pulse width modulation scheme having a lower modulation index and in a second operating range above a second operating parameter dependent threshold in a discontinuous pulse width modulation scheme having an upper modulation index by the controller characterized in that in a third operating range between the first threshold and the second threshold, an adaptive continuous pulse width modulation is performed by the controller increasing the modulation index from the lower modulation index at the operating point of the first threshold to the upper modulation index at the operating point of the second threshold.

Control method according to Claim 1, characterized in that the first threshold value and / or the second threshold value are dependent on voltage values of the supply voltage of the converter ( 31 ) are.

Control method according to Claim 1, characterized in that the first threshold value and / or the second threshold value are dependent on rotational speed values of the electric drive ( 30 ) are.

Control method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the continuous pulse width modulation in the first operating range is a sinusoidal commutation.

Control method according to claim 4, characterized in that the modulation index of the sinusoidal commutation is about 0.78.

Control method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the discontinuous pulse width modulation in the second operating range is a flat-top modulation.

Control method according to claim 6, characterized in that the flat-top modulation has a fixed flat-top angle of 30 ° or 60 ° or 120 °.

Control method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the adaptive continuous pulse width modulation in the third operating range is a sine commutation.

Control method according to claim 8, characterized in that the modulation index of the sine comment is effected by an increasing factor for a triangular reference voltage which increases linearly in dependence upon the operating parameter between the first and second threshold values.

Control method according to one of claims 1 to 9, characterized in that the mobile working machine ( 14 ) from a battery, in particular a traction battery ( 20 ) for a traction drive, is supplied with electrical energy.

Mobile work machine with an electric drive, a three-phase motor ( 17 ) with at least three phases, a variable frequency converter ( 31 ) for supplying the phases with electrical energy and a control device for the inverter ( 31 ), in which the control device performs a control method according to one of claims 1 to 10.