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Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung und ein Verfahren zum Ansteuern einer Drehfeldmaschine, insbesondere einer rotierenden oder linearen Drehfeldmaschine eines elektrischen Antriebssystems eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs.
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Stand der Technik
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Bei der Regelung einer Drehfeldmaschine, beispielsweise in einem elektrischen Antriebssystem eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, spielt die Kenntnis über die relative Position des Rotors zum Stator der Drehfeldmaschine eine zentrale Rolle. Um ein gefordertes Drehmoment mit einer Drehfeldmaschine 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.
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Eine Möglichkeit für die Bestimmung der Rotorlage besteht in der Verwendung von mechanischen, optischen oder magnetischen Gebern. Diese sind jedoch teuer und benötigen entsprechenden Bauraum im elektrischen Antriebssystem. Eine alternative Möglichkeit für die Bestimmung des Rotorwinkels besteht daher darin, Spannungen in den Phasenleitungen der Drehfeldmaschine bei verschiedenen Phasenstromkonstellationen in der Drehfeldmaschine zu messen, um daraus aufgrund der Systemantwort der Drehfeldmaschine Rückschlüsse auf den aktuellen Rotorwinkel zu ziehen. Dazu müssen keine externen Geber mehr eingesetzt werden.
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Beispielsweise offenbart die Druckschrift
DE 10 2009 029 896 A1 ein Verfahren zum Bestimmen der Läuferposition einer Drehfeldmaschine, welches die elektrische Antwort der Drehfeldmaschine auf zwei zeitlich versetzte und senkrecht zueinander stehende Spannungspulse auswertet.
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Die Druckschrift
WO 92/01331 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zur sensorlosen Drehwinkelerfassung einer elektrischen Maschine, bei der von einem die elektrische Maschine speisenden Umrichter erzeugte Spannungspulse als elektrische Messsignale für die Drehwinkelerfassung verwendet werden.
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Die Druckschrift
DE 102 26 974 A1 offenbart ein sensorloses Verfahren zur Lagewinkelbestimmung eines Rotors einer elektrischen Maschine, welches zur Pulsweitenmodulation synchrone feldorientierte Testraumzeiger zur Erzeugung eines testsignalbedingten Stromwechselanteils nutzt, der wiederum zur Lagewinkelbestimmung ausgewertet werden kann.
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Bei herkömmlichen Verfahren muss der Betrieb der Modulationseinheit, welche die modulierten Ansteuersignale für den eigentlichen Betrieb der Drehfeldmaschine erzeugt, jeweils temporär unterbrochen werden, um Spannungspulse zum Messen der Systemantwort der Drehfeldmaschine in die Phasenleitungen einspeisen zu können. Dadurch können unerwünschte Spannungs- und/oder Stromschwankungen bzw. -ripple an den Eingangsanschlüssen der Drehfeldmaschine auftreten.
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Es besteht daher ein Bedarf nach Lösungen für eine geberfreie Rotorwinkelbestimmung, bei der Spannungs- und/oder Stromschwankungen minimiert und die Strom- und Spannungssensorik vereinfacht werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt eine Steuereinrichtung für eine Drehfeldmaschine, mit einer Winkelbestimmungseinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, Messspannungspulse zu erzeugen, einer Modulationseinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, Spannungsschaltmuster mit Steuerspannungspulsen für die Ansteuerung eines Wechselrichters zu erzeugen, welcher in Abhängigkeit von den Steuerspannungspulsen eine Gleichspannung in eine Wechselspannung für die Ansteuerung der Drehfeldmaschine wandelt, und einer Messeinrichtung, welche mit Eingangsanschlüssen der Drehfeldmaschine koppelbar ist, und welche dazu ausgelegt ist, die durch die Messspannungspulse generierten Maschinenströme an den Eingangsanschlüssen der Drehfeldmaschine zu messen und die gemessenen Maschinenströme an die Winkelbestimmungseinrichtung zum Ermitteln des Rotorwinkels der Drehfeldmaschine zu übergeben. Dabei ist die Winkelbestimmungseinrichtung ferner dazu ausgelegt, die erzeugten Messspannungspulse der Winkelbestimmungseinrichtung an die Modulationseinrichtung zu übergeben. Die Modulationseinrichtung ist ferner dazu ausgelegt ist, die Messspannungspulse an den Wechselrichter auszugeben und die Ausgabe der Messspannungspulse mit der Ausgabe der Steuerspannungspulse zu synchronisieren.
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem weiteren Aspekt ein elektrisches Antriebssystem, mit einer Drehfeldmaschine, einem Wechselrichter, welcher eine Gleichspannung in eine Wechselspannung für die Ansteuerung der Drehfeldmaschine wandelt, und einer Steuereinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern einer Drehfeldmaschine, mit den Schritten des Erzeugens von Messspannungspulsen für die Drehfeldmaschine durch eine Winkelbestimmungseinrichtung, des Erzeugens von Spannungsschaltmustern mit Steuerspannungspulsen für die Ansteuerung eines Wechselrichters, welcher in Abhängigkeit von den Steuerspannungspulsen eine Gleichspannung in eine Wechselspannung für die Ansteuerung der Drehfeldmaschine wandelt, durch eine Modulationseinrichtung, des Übergebens der erzeugten Messspannungspulse der Winkelbestimmungseinrichtung an die Modulationseinrichtung, des Synchronisierens der Ausgabe der Messspannungspulse an den Wechselrichter mit der Ausgabe der Steuerspannungspulse durch die Modulationseinrichtung, des Ausgebens die Messspannungspulse an den Wechselrichter durch die Modulationseinrichtung, des Messens der durch die Messspannungspulse generierten Maschinenströme an den Eingangsanschlüssen der Drehfeldmaschine, und des Übergebens der gemessenen Maschinenströme an die Winkelbestimmungseinrichtung zum Ermitteln des Rotorwinkels der Drehfeldmaschine durch die Winkelbestimmungseinrichtung.
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Vorteile der Erfindung
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, ein geberloses Verfahren zur Positionsermittlung eines Rotors einer Drehfeldmaschine in die Modulationseinheit zur Ansteuerung des Antriebssystems zu integrieren. Dabei werden die zur Rotorlagebestimmung notwendigen Spannungspulse mit den Steuerspannungspulsen zur Ansteuerung der Drehfeldmaschine durch einen Wechselrichter synchronisiert, d.h. die Messspannungspulse werden direkt in den gewöhnlichen Betriebsablauf der Modulationseinheit integriert. Auch die Messung der relevanten Systemgrößen wie Statorströme, Statorspannungen und ähnliche Systemparameter der Drehfeldmaschine, die als Antwort auf die Messspannungspulse hervorgerufen werden, werden im gleichen Zeitraster mit der Modulation der Steuerspannungspulse durchgeführt.
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Ein erheblicher Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass auf etliche sonst notwendige Bauteile verzichtet werden kann: Es ist beispielsweise weder ein separater Signalprozessor für die Ausgabe der Messsignalpulse an den Wechselrichter notwendig. Auch kann auf separate Messsignalerfassungskomponenten verzichtet werden.
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Zudem ist es besonders vorteilhaft, dass die Erfassung der Betriebsparameter der Drehfeldmaschine nicht zusätzlich modifiziert werden muss. Dadurch entstehen auch keine unerwünschten Strom- oder Spannungsschwankungen bzw. -ripple an den Eingangsanschlüssen der Drehfeldmaschine.
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Weiterhin besteht der Vorteil, dass der gewöhnliche Ansteuerbetrieb der Modulationseinheit nicht oder nur unwesentlich an die Rotorlagebestimmung angepasst werden muss. Dies ermöglicht die Nutzung von herkömmlichen Signalprozessoren bzw. herkömmlichen Modulationseinheiten für die Ansteuerung des Wechselrichters. Die Auswertung der Messspannungspulse durch die Winkelbestimmungseinrichtung kann variabel an die Anforderungen der Modulationseinheit angepasst werden, insbesondere kann der Zeitpunkt der Messsignalerfassung den Vorgaben der Modulationseinheit untergeordnet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung kann die Modulationseinrichtung eine Selektionseinrichtung aufweisen, welche dazu ausgelegt ist, die empfangenen Messspannungspulse der Winkelbestimmungseinrichtung mit den Steuerspannungspulsen der Modulationseinrichtung zu vergleichen, und in Abhängigkeit von dem Vergleich mindestens einen der Messspannungspulse mit einem der Steuerspannungspulse zu ersetzen. Dies ermöglicht es, ohnehin auszugebende Steuerspannungspulse gleichzeitig als Messspannungspulse einzusetzen, wodurch die Störung des Normalbetriebs der Modulationseinrichtung weiter verringert werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung kann die Modulationseinrichtung dazu ausgelegt sein, ein Synchronisationssignal zum Synchronisieren des Betriebs der Messeinrichtung mit den Steuerspannungspulsen an die Messeinrichtung auszugeben. Damit kann die Modulationseinrichtung den gewöhnlichen Ansteuerbetrieb höher priorisieren als den Messbetrieb für die Rotorlagebestimmung, was in weniger Unterbrechungen des Ansteuerbetriebs und damit in höherer Laufruhe der Drehfeldmaschine resultiert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung kann die Modulationseinrichtung dazu ausgelegt sein, die Steuerspannungspulse für die Ansteuerung eines Wechselrichters gemäß einem Pulsbreitenmodulationsverfahren, insbesondere einem mittenzentrierten Pulsbreitenmodulationsverfahren, zu erzeugen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung kann die Winkelbestimmungseinrichtung dazu ausgelegt sein, mindestens einen ersten Messspannungspuls zu einem ersten Messzeitpunkt und mindestens einen gegenüber dem ersten Messspannungspuls um mehr als 90° verdrehten zweiten Messspannungspuls zu einem nach dem ersten Messspannungspuls liegenden zweiten Messzeitpunkt zu erzeugen. Durch die Messspannungspulse wird in der Drehfeldmaschine gezielt eine magnetische Anisotropie hervorgerufen, die durch Auswertung der elektrischen Antwort der Drehfeldmaschine detektiert werden kann. An der Drehfeldmaschine müssen hierzu vorteilhafterweise keine Anpassungen durchgeführt werden. Die Prozedur lässt sich sowohl bei permanent-magnetischen als auch bei fremderregten rotierenden oder linearen Drehfeldmaschinen einsetzen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung kann die Messeinrichtung weiterhin dazu ausgelegt sein, Statorspannungen der Drehfeldmaschine zu messen. Dabei kann ferner die Winkelbestimmungseinrichtung weiterhin dazu ausgelegt sein, in Abhängigkeit der gemessenen Maschinenströme und der Statorspannungen der Drehfeldmaschine auf der Basis eines Modells der Drehfeldmaschine Modellströme zu ermitteln und zu den ersten und zweiten Messzeitpunkten jeweils erste und zweite Differenzstromraumzeiger aus der Differenz der gemessenen Maschinenströme und der Modellströme zu bilden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung kann die Winkelbestimmungseinrichtung weiterhin dazu ausgelegt sein, durch Bilden von Linearkombinationen der ersten und zweiten Differenzstromraumzeiger den Rotorwinkel der Drehfeldmaschine zu bestimmen.
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Dabei kann man aus der Summe der Differenzstromraumzeiger den Sektor, in dem sich der Rotor befindet, exakt bestimmen und aus der Differenz der Differenzstromraumzeiger die exakte Position des Läufers innerhalb des Sektors. Damit liegt die Rotorposition eindeutig und mit hoher Genauigkeit fest. Es ist dabei unerheblich, welche Phase der Maschine mit den Messspannungspulsen beaufschlagt wird, solange die ersten und zweiten Messspannungspulse um mehr als 90° gegeneinander verdreht sind.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann das Antriebssystem weiterhin eine LC-Filtereinrichtung umfassen, welche zwischen dem Wechselrichter und den Eingangsanschlüssen der Drehfeldmaschine angeordnet ist. Dies erweitert die Rotorwinkelbestimmung auch auf Systeme mit LC-Filtern, für die andere konventionelle Rotorwinkelbestimmungsverfahren nicht einsetzbar sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einer Drehfeldmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung einer Winkelbestimmungseinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Ansteuern einer Drehfeldmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4 ein schematisches Diagramm für beispielhafte PWM-Ansteuersignale einer Drehfeldmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5 ein schematisches Diagramm für einen beispielhaften Messspannungspuls für die Rotorwinkelbestimmung einer Drehfeldmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6 ein schematisches Diagramm für beispielhafte Messspannungspulsfolge für die Rotorwinkelbestimmung einer Drehfeldmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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7 ein schematisches Diagramm für einen weiteren beispielhaften Messspannungspuls für die Rotorwinkelbestimmung einer Drehfeldmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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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.
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Drehfeldmaschinen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind elektrische Maschinen, bei der entweder 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, oder mit einem entsprechenden Schlupfwinkel nacheilt, das heißt, dass die Drehzahl über die Polpaarzahl von der Frequenz der Statorspannung direkt abhängig ist. Drehfeldmaschinen im Sinne der vorliegenden Erfindung können beispielsweise Drehstrom-Drehfeldmaschinen sein, die zum Beispiel als Außen- oder Innenpolmaschinen ausgebildet sind, die über einen Rotor und einen Stator verfügen. Weiterhin können Drehfeldmaschinen im Sinne der vorliegenden Erfindung Schenkelpolmaschinen oder Vollpolmaschinen umfassen. Vollpolmaschinen besitzen im ungesättigten Zustand 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 Drehfeldmaschinentypen Bezug genommen. Weiterhin gelten alle im Folgenden getroffenen Erwägungen und Erläuterung für permanent-erregte sowie fremd-erregte, rotierende als auch lineare Drehfeldmaschinen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems 100 mit einer Drehfeldmaschine 9, in die dreiphasiger Drehstrom eingespeist werden kann. Dabei wird über einen Umrichter 8, beispielsweise in Form eines Pulswechselrichters 8, eine Gleichspannung U in eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet.
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Beispielhaft ist die Drehfeldmaschine 9 eine dreiphasige Drehfeldmaschine. Es ist jedoch prinzipiell auch möglich, eine andere Anzahl von Phasen für die Drehfeldmaschine 9 vorzusehen. Dabei spielt die Regelung der Drehfeldmaschine 9 im elektrischen Antriebssystem eine zentrale Rolle. Um ein gefordertes Drehmoment mit einer Drehfeldmaschine 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.
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Das elektrische Antriebssystem 100 umfasst daher eine Steuereinrichtung 10, welche mit der Drehfeldmaschine 9 bzw. dem Wechselrichter 8 gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, die Drehfeldmaschine 9 anzusteuern bzw. deren Betrieb zu regeln. Die Steuereinrichtung 10 greift für diese Ansteuerung bzw. Regelung auf den zeitabhängigen Rotorwinkel des Rotors der Drehfeldmaschine 9 in Bezug auf den Stator der Drehfeldmaschine 9 zurück.
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Die Steuereinrichtung 10 kann über einen Drehzahlregler 1 eine gewünschte Drehzahl w empfangen, die in entsprechende Sollströme IM für einen Statorstromregler 2 konvertiert wird. Der Statorstromregler 2 gibt entsprechende Sollspannungen UM für die Ansteuerung der Drehfeldmaschine 9 aus. Die Sollströme IM und Sollspannungen UM werden dabei im d,q-Koordinatensystem generiert und einer ersten Transformationseinrichtung 3 übergeben, die aus den Sollspannungen UM im d,q-Koordinatensystem Sollspannungen UP im Phasenkoordinatensystem der Drehfeldmaschine 9 erzeugt, beispielsweise drei verschiedene Phasensollspannungen UP für eine dreiphasige Drehfeldmaschine 9.
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Die Sollspannungen UP werden in einer Modulationseinrichtung 11 in Steuerspannungspulse S für den Wechselrichter 8 umgewandelt, der eine Gleichspannung U in eine mehrphasige Wechselspannung gemäß den Steuerspannungspulsen S umrichtet. Die aufgrund der Wechselspannung auftretenden Phasenströme können beispielsweise in einer LC-Filtereinrichtung 7 mit Filterdrosseln 7b und Filterkapazitäten 7a gefiltert werden. Die beispielhafte LC-Filtereinrichtung 7 in 1 stellt einen Tiefpassfilter für die Phasenströme dar.
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Um dem Drehzahlregler 1 und der ersten Transformationseinrichtung 3 eine Regelabweichung einzuspeisen wird ein unterlagertes Regelsystem genutzt, welches eine Drehzahlberechnungseinrichtung 5 aufweist. Die Drehzahlberechnungseinrichtung 5 gibt eine berechnete tatsächliche Drehzahl wc sowie einen berechneten tatsächlichen Rotorwinkel pc aus, die jeweils an den Drehzahlregler 1 und die erste Transformationseinrichtung 3 ausgegeben werden. Die Drehzahlberechnungseinrichtung 5 nutzt hierzu einerseits gemessene Phasenströme IK im d,q-Koordinatensystem, die von einer zweiten Transformationseinrichtung 4 aus gemessenen Phasenströmen IB im Phasenkoordinatensystem der Drehfeldmaschine 9 abhängig sind. Dazu bedient sich die zweite Transformationseinrichtung 4 der Rotorlageinformation über den berechneten Rotorwinkel pc. Andererseits nutzt die Drehzahlberechnungseinrichtung 5 einen modellierten Rotorwinkel sc, welcher durch eine Winkelbestimmungseinrichtung 20 berechnet wird.
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Die Winkelbestimmungseinrichtung 20 nimmt hierzu die gemessenen Phasenströme IB im Phasenkoordinatensystem der Drehfeldmaschine 9 sowie die gemessenen Phasenspannungen UB entgegen, die beispielsweise durch eine Messeinrichtung 13 mithilfe von Strom- und Spannungssensoren 6a bzw. 6b einer Sensoreinrichtung 6, welche zwischen der LC-Filtereinrichtung 7 und der Drehfeldmaschine 9 angeordnet ist, ermittelt werden. Es kann dabei auch möglich sein, dass die Messeinrichtung 13 die Phasenspannungen UB aus den gemessenen Phasenströmen IB rückrechnet.
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Die Winkelbestimmungseinrichtung 20 ist in einer beispielhaften Aufbauform in 2 in größerem Detail beschrieben. Beispielweise kann die Winkelbestimmungseinrichtung 20 dazu ausgelegt sein, mehrere Differenzstromraumzeiger IBc zu ermitteln, wobei ein idealisierter Statorstrom IB eines idealisierten Maschinenmodells 21 aus der gemessenen Statorspannung berechnet wird. Als idealisierte Modellmaschine wird hierbei eine vollkommen symmetrische Maschine ohne Toleranzen angenommen.
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Die Winkelbestimmungseinrichtung 20 umfasst eine Berechnungseinrichtung 24, welche Messspannungspulse zu verschiedenen Messzeitpunkten generiert. Beispielsweise kann die Berechnungseinrichtung 24 einen ersten Messspannungspuls zu einem ersten Messzeitpunkt und mindestens einen gegenüber dem ersten Messspannungspuls um mehr als 90° verdrehten zweiten Messspannungspuls zu einem nach dem ersten Messspannungspuls liegenden zweiten Messzeitpunkt erzeugen. Diese Messspannungspulse können über das Ansteuersignal T an die Modulationseinrichtung 11 bzw. die Selektionseinrichtung 12 übergeben werden. Für jeden der Messspannungspulse können entsprechende Systemantworten in Form von gemessenen Maschinenströme IB und der Statorspannungen der Drehfeldmaschine 9 ermittelt werden, beispielsweise mithilfe einer Messeinrichtung 13 der Steuereinrichtung 10.
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Die Messeinrichtung 13 ist dabei über eine Sensoreinrichtung 6, mit Eingangsanschlüssen der Drehfeldmaschine 9 koppelbar, so dass die Messeinrichtung 13 mithilfe eines Stromsensors 6b und/oder eines Spannungssensors 6a die durch die ersten und zweiten Messspannungspulse generierten Maschinenströme IB und/oder Statorspannungen UB an den Eingangsanschlüssen der Drehfeldmaschine 9 zu messen und als Messparameter an die Winkelbestimmungseinrichtung 20 einerseits und die zweite Transformationseinrichtung 4 andererseits übergeben kann.
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Die Winkelbestimmungseinrichtung 20 empfängt die gemessenen Maschinenströme IB und/oder Statorspannungen UB zum Ermitteln des Rotorwinkels der Drehfeldmaschine 9. Dazu kann die Berechnungseinrichtung 24 in Abhängigkeit auf der Basis des in dem idealisierten Maschinenmodell 21 der Drehfeldmaschine 9 hinterlegten Modell die Modellströme Ic zu ermitteln und zu den ersten und zweiten Messzeitpunkten jeweils erste und zweite Differenzstromraumzeiger IBc aus der Differenz der gemessenen Maschinenströme IB und der Modellströme Ic bilden. In einem Kombinierer 23 können die verschiedenen Differenzstromraumzeiger IBc dann zu Linearkombinationen zusammengefasst werden, aus denen der Rotorwinkel sc der Drehfeldmaschine 9 bestimmt werden kann.
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Beispielweise kann zu einem ersten Messzeitpunkt der erste Messspannungspuls in die Drehfeldmaschine 9 eingespeist werden, so dass zu einem Zeitpunkt nach Einspeisen des ersten Messspannungspulses ein erster Messwert für die Statorströme IB in mindestens zwei der Phasen der Drehfeldmaschine 9 ermittelt werden kann. Gleichermaßen kann zu einem zweiten Messzeitpunkt der zweite Messspannungspuls, der gegenüber dem ersten Messspannungspuls um mehr als 90° verdreht ist, in die Drehfeldmaschine 9 eingespeist werden, so dass zu einem Zeitpunkt nach Einspeisen des zweiten Messspannungspulses ein zweiter Messwert für die Statorströme IB in mindestens zwei der Phasen der Drehfeldmaschine 9 ermittelt werden kann.
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Erste und zweite Differenzstromraumzeiger IBc werden dann durch Bilden der Differenz zwischen den gemessenen Statorströmen IB und den idealisierten Statorströmen Ic in einer Summiereinrichtung 22 berechnet. Der Kombinierer 23 bildet dann Linearkombinationen aus den ermittelten Differenzstromraumzeigern, aus denen dann die Rotorposition berechnet werden kann. Dabei kann man aus der Summe der Differenzstromraumzeiger IBc den Sektor, in dem sich der Rotor befindet, und aus der Differenz der Differenzstromraumzeiger IBc die exakte Position des Rotors innerhalb des Sektors bestimmen. In diesem Verfahren ist für jeden der Messvorgänge jeweils nur ein Messspannungspuls in einer beliebigen Phase der Drehfeldmaschine 9 aufzuschalten, unabhängig davon, ob der Drehfeldmaschine 9 eine LC-Filtereinrichtung 7 vorgeschaltet ist oder nicht. Der Kombinierer gibt dann als Ausgabeparameter den modellierten Rotorwinkel sc aus, der durch die Drehzahlberechnungseinrichtung 5 dazu eingesetzt wird, die Rotorposition pc als auch die Drehzahl wc der Drehfeldmaschine 9 zu bestimmen, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen der Drehfeldmaschine 9.
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Durch die Messspannungspulse wird in der Drehfeldmaschine 9 gezielt eine magnetische Anisotropie hervorgerufen, die über die Statorströme IB detektiert und zur Bestimmung der Rotorposition herangezogen wird. Es muss dazu lediglich die elektrische Antwort der Drehfeldmaschine 9 ausgewertet werden. Die Berechnung des idealisierten Statorstroms Ic kann vorzugsweise aus der gemessenen Statorspannung UB unter Vernachlässigung des Statorwiderstands mittels Integration berechnet werden. Die Integration erfolgt dabei über das Zeitintervall vom Messzeitpunkt bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die Statorspannung UB gemessen wird.
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Eine wesentliche Idee der Erfindung betrifft nun die Synchronisierung der Messspannungspulse T mit dem Ablauf der im gewöhnlichen Betrieb der Modulationseinrichtung 11 erzeugten Steuerspannungspulse S für den Wechselrichter 8. Wenn die Messspannungspulse T durch die Modulationseinrichtung 11 im normalen Betrieb integriert an den Wechselrichter 8 abgegeben werden, ist es nicht mehr oder zumindest nur noch in bestimmten Fällen nötig, das Ansteuerverfahren für den Wechselrichter 8 für ein Rotorwinkelmessverfahren zu unterbrechen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verfahrens 30 zum Ansteuern einer Drehfeldmaschine, insbesondere einer Drehfeldmaschine 9 wie in 1 beispielhaft dargestellt. Dabei kann das Verfahren 30 auf die im Zusammenhang mit den 1 und 2 sowie 4 bis 6 erläuterten Zusammenhänge zurückgreifen.
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In einem ersten Schritt erfolgt ein Erzeugen 31 von Messspannungspulsen T für die Drehfeldmaschine 9 durch die Winkelbestimmungseinrichtung 20. Gleichzeitig können in einem Schritt 32 durch die Modulationseinrichtung 11 Spannungsschaltmuster mit Steuerspannungspulsen S für die Ansteuerung eines Wechselrichters 8 erzeugt werden, welcher in Abhängigkeit von den Steuerspannungspulsen S eine Gleichspannung U in eine Wechselspannung für die Ansteuerung der Drehfeldmaschine 9 wandelt.
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Die erzeugten Messspannungspulse T werden in Schritt 33 der Modulationseinrichtung 11 durch die Winkelbestimmungseinrichtung 20 übergeben, so dass die Modulationseinrichtung 11 in einem Schritt 34 die Ausgabe der Messspannungspulse T an den Wechselrichter 8 mit der Ausgabe der Steuerspannungspulse S synchronisieren kann. Die Ausgabe der Messspannungspulse T an den Wechselrichter 8 erfolgt durch die Modulationseinrichtung 11 dann in einem Schritt 35.
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Die Messeinrichtung 13 kann in einem Schritt 36 dann dazu eingesetzt werden, die durch die Messspannungspulse T generierten Maschinenströme IB an den Eingangsanschlüssen der Drehfeldmaschine 9 zu messen und in einem Schritt 37 an die Winkelbestimmungseinrichtung 20 zum Ermitteln des Rotorwinkels der Drehfeldmaschine 9 durch die Winkelbestimmungseinrichtung 20 zu übergeben.
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4 zeigt ein schematisches Diagramm für beispielhafte PWM-Ansteuersignale einer Drehfeldmaschine, beispielsweise der Drehfeldmaschine 9 in 1. Um eine Phasenspannung U1 zu erzeugen, kann während einer Modulationsperiode TP ein Steuerspannungspuls mit einer Pulsdauer TS erzeugt werden. Beispielhaft zeigt 4 eine mittenzentrierte PWM-Ansteuerung, bei der die Pulsdauer TS mittig in der Modulationsperiode TP eingebettet ist.
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Die Modulationseinrichtung 11 weist eine Selektionseinrichtung 12 auf, welche die Messspannungspulse T der Winkelbestimmungseinrichtung 20 entgegennimmt, und für jeden der Messspannungspulse T entscheidet, ob einer der Steuerspannungspulse der Modulationseinrichtung 11 auch als Messspannungspuls geeignet ist. Sollte dies der Fall sein, kann die Selektionseinrichtung 12 dazu ausgelegt sein, den jeweiligen Messspannungspuls, der von der Winkelbestimmungseinrichtung 20 ausgegeben wird, mit einem jeweiligen Steuerspannungspuls der Modulationseinrichtung 11 zu ersetzen. Dadurch können Steuerspannungspulse der Modulationseinrichtung 11 zur Rotorwinkelbestimmung eingesetzt werden, ohne dass der gewöhnliche Steuerablauf der Ansteuerung des Wechselrichters 8 beeinträchtigt werden würde.
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In den 5, 6 und 7 sind hierzu schematische Diagramme für beispielhafte Messspannungspulse bzw. beispielhafte Messspannungspulsfolgen für die Rotorwinkelbestimmung einer Drehfeldmaschine gezeigt. In 5 ist der Fall gezeigt, dass ein einzelner Messspannungspuls TI für die Rotorwinkelbestimmung eingesetzt wird. Nach Ablauf der Messspannungspulsdauer ti des Messspannungspulses TI kann das Messintervall TB zum Zeitpunkt tb enden, zu dem die Messeinrichtung 13 die durch den Messspannungspuls TI hervorgerufene Systemantwort der Drehfeldmaschine 9 bestimmt. Die Zeitpunkte bzw. -dauern ti und tb sind dabei mit den über gestrichelte Linien angedeuteten Modulationsperiodendauern der Modulationseinrichtung 11 synchronisiert.
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Insbesondere bei geringen auszugebenden Spannungszeigern, beispielsweise bei niedrigen Drehzahlen der Drehfeldmaschine, kann das Verhältnis der Pulsdauer TS der Steuerspannungspulse gegenüber der Zeitdauer der Modulationsperiode TP zu gering sein, um eine geeignete Systemantwort hervorzurufen. 6 zeigt einen solchen beispielhaften Fall, in dem mehrere Messspannungspulse T1, T2 und T3 innerhalb eines Messintervalls TB aufeinander folgen. Wiederum sind die Zeitpunkte bzw. -dauern ti und tb sind dabei mit den über gestrichelte Linien angedeuteten Modulationsperiodendauern der Modulationseinrichtung 11 synchronisiert.
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Schließlich kann – wie in 7 beispielhaft gezeigt – die Dauer tb des Messintervalls TBe auch an jede beliebige Messzeit nach der Ausgabe des Messspannungspulses TI angepasst werden. Die für das Verfahren benötigte Dauer tb des Messintervalls TB kann dabei beispielsweise mithilfe des Tastgrads der PWM-Ansteuerung durch die Modulationseinrichtung 11 angepasst werden. Im vorliegenden Fall ist die Dauer tb des Messintervalls TB über mehrere Modulationsperioden hinweg verlängert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009029896 A1 [0004]
- WO 92/01331 A1 [0005]
- DE 10226974 A1 [0006]
