DE102013204887A1

DE102013204887A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Betreiben einer elektrischen Maschine, elektrische Maschine, Computerprogramm-Produkt

Info

Publication number: DE102013204887A1
Application number: DE102013204887.4A
Authority: DE
Inventors: Oliver Leibfried; Christoph Emde; Marco Ferwagner; Gotthilf Koerner; Andreas Schmidtlein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-03-20
Filing date: 2013-03-20
Publication date: 2014-09-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (2), insbesondere Gleichstrommotor, wobei die elektrische Maschine (2) mittels Pulsweitenmodulation angesteuert wird und einen Glättungskondensator (6) aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass beim Abschalten der elektrischen Maschine (2) eine Spannung des Glättungskondensators (6) überwacht und bei Erfassen einer Spannung oberhalb einer vorgebbaren Grenzspannung mindestens ein zusätzlicher Impuls (12) zum Spannungsabbau erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, insbesondere Gleichstrommotor, wobei die elektrische Maschine mit Pulsweitenmodulation angesteuert wird und einen Glättungskondensator aufweist.
Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechende Schaltungsanordnung zum Betreiben der elektrischen Maschine, die die elektrische Maschine insbesondere gemäß dem obenstehenden Verfahren betreibt.
Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, ein Computerprogramm sowie ein Computerprogramm-Produkt.
Stand der Technik
Verfahren und Schaltungsanordnungen zum Betreiben von elektrischen Maschinen sind aus dem Stand der Technik weitläufig bekannt. Zur Drehzahlregulierung von Gleichstrommotoren, wie sie beispielsweise bei sicherheitsrelevanten Bremssystemen für Rückförderpumpen genutzt werden, wird eine Pulsweitenmodulation für die Ansteuerung der elektrischen Maschine beziehungsweise des Gleichstrommotors angewandt. Durch die Induktivität der Stromzuleitung(en) in einem Fahrzeug kommt es besonders bei der Stromabschaltung zu großen Spannungsüberhöhungen im Bordnetz, da die in der Zuleitung gespeicherte Energie unkontrolliert entladen wird. Das kann dazu führen, dass Steuergeräte wegen Überspannung abschalten oder Funktionsstörungen bei anderen an das Bordnetz angeschlossenen Geräten auftreten.
Um dieses Problem zu lösen, sind bereits zwei Maßnahmen bekannt. Bei der einen wird ein langsames Abschalten vorgesehen, wobei das Abschalten der elektrischen Maschine kontrolliert über eine längere Zeit erfolgt und die in der Induktivität gespeicherte Energie in Wärme umgesetzt wird, üblicherweise im Motorschalter, der im linearen Betrieb gehalten wird. Bei der anderen Lösung wird eine hochfrequente Ansteuerung des Motorschalters vorgesehen, bei der das Ausschalten stufenweise erfolgt, sodass die Energie in kleineren Schritten abgebaut wird.
Die erste Methode hat den Nachteil, dass relativ hohe Verlustleistungen im System entstehen, die teure Entwärmungsmaßnahmen erfordern. Die zweite Methode ist nur dann anwendbar, wenn eine hochfrequente Motorsteuerung zur Verfügung steht, was typischerweise nur bei sogenannten High-End-Geräten der Fall ist.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass auf einfache und kostengünstige Art und Weise eine Regelschleife vorgesehen wird, die so parametriert werden kann, dass die durch das Schalten produzierte Störungen auf ein zulässiges Maß limitiert werden. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass beim Abschalten der elektrischen Maschine eine Spannung des Glättungskondensators überwacht und bei Erfassen einer Spannung oberhalb einer vorgebbaren Grenzspannung mindestens ein zusätzlicher Puls zum Spannungsabbau erzeugt wird. Der Puls ist hierbei als zusätzlicher Puls der Pulsweitenmodulation zu verstehen, der zusätzlich auf den von der Pulsweitenmodulation angesteuerten Schalter aufgebracht wird. Durch den zusätzlichen Puls wird somit der Schalter erneut betätigt und Strom in die elektrische Maschine abgegeben. Der Puls wird dabei vorzugsweise derart gewählt, dass die Spannungsüberhöhung auf dem Glättungskondensator appliziert wird, wobei keine signifikante Stromerhöhung durch die elektrische Maschine beziehungsweise den Gleichstrommotor stattfindet. Dadurch wird nach dem Abschalten der elektrischen Maschine ein großer Teil der im System gespeicherten Energie wieder der Maschine zugeführt, sodass die aus der Bordnetz-Induktivität entnommene Energie nicht komplett in Wärme umgesetzt, sondern Schritt für Schritt in der elektrischen Maschine verbraucht wird. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass das Erzeugen eines zusätzlichen Pulses nur dann erfolgt, wenn es tatsächlich notwendig ist, die zusätzlichen Pulse werden also nur nach Bedarf erzeugt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine zusätzliche Puls unabhängig von den Pulsen der Pulsweitenmodulation erzeugt wird. Der Puls wird auf das Signal der Pulsweitenmodulation zusätzlich aufgebracht. Durch das Aufbringen auf das bereits vorhandene Signal ist keine zusätzliche Ansteuertechnik für den Schalter beziehungsweise Motorschalter der elektrischen Maschine notwendig. Das Verfahren lässt sich somit einfach und kostengünstig durchführen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren wiederholt wird, bis die Spannung des Glättungskondensators nach dem Abschalten die Grenzspannung nicht mehr übersteigt. Wird nach dem Abschalten und einem erstmaligen Erzeugen eines zusätzlichen Pulses erfasst, dass die Spannung in dem Glättungskondensator wieder die Grenzspannung erreicht oder übersteigt, so wird erneut mindestens ein zusätzlicher Impuls zur Spannungsreduzierung abgegeben. Erst wenn keine weitere kritische Spannung erfasst wird, wird das Verfahren beendet. Besonders bevorzugt wird in diesem Zusammenhang eine Zeitschaltung vorgegeben, die nach dem letztmaligen Erfassen der Spannung beginnt zu laufen und innerhalb einer vorgebbaren Zeitdauer die Spannung des Glättungskondensators weiter überwacht. Nach Ablauf der Zeitdauer oder nach einem Starten der elektrischen Maschine wird das Verfahren beendet.
Die Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 führt zu den bereits genannten Vorteilen. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine Abschalteinrichtung aufweist, die die Spannung des Glättungskondensators überwacht und bei Erfassen einer Spannung oberhalb eines vorgebbaren Grenzwertes beziehungsweise einer vorgebbaren Grenzspannung mindestens einen zusätzlichen Puls zum Spannungsabbau erzeugt.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der mindestens eine zusätzliche Puls unabhängig von dem Pulsen der Pulsweitenmodulation erzeugt wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass in einer Additionsschaltung der zusätzliche Puls auf das Signal der Pulsweitenmodulation aufgeschaltet wird. Gemäß einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abschalteinrichtung einen Komperator zum Überwachen der Spannung des Glättungskondensators aufweist. Hierdurch lässt sich die Spannung einfach und genau ermitteln.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Abschalteinrichtung eine Logikeinheit aufweist, die in Abhängigkeit von der erfassten Spannung einen zusätzlichen Puls erzeugt. Bei der Logikeinheit kann es sich um einen zusätzlichen Logikbaustein oder auch um ein die elektrische Maschine antreibendes beziehungsweise ansteuerndes Steuergerät handeln.
Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, die sich durch die Merkmale des Anspruchs 7 auszeichnet. Die elektrische Maschine weist neben dem bekannten Glättungskondensator und dem durch Pulsweitenmodulation ansteuerbaren Schalter, insbesondere Halbleiterschalter, die zuvor beschriebene Schaltungsanordnung auf. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sieht vor, dass alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens so ausgeführt werden, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm-Produkt mit einem auf einen maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode führt das erfindungsgemäße Verfahren aus, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigt die einzige
Figur eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Betreiben einer elektrischen Maschine in einer schematischen Darstellung.
Die Figur zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Schaltungsanordnung 1 zum Betreiben einer elektrischen Maschine 2. Die elektrische Maschine 2 ist als Gleichstrommotor ausgebildet und über eine Versorgungsleitung 3 mit einer Spannungsquelle 4 sowie über eine Versorgungsleitung 5 mit Masse verbunden. Parallel zu der Spannungsquelle 4 ist zwischen den Versorgungsleitungen 3 und 5 ein Glättungskondensator 6 geschaltet. Eine Induktivität der Versorgungsleitung 3 ist durch L dargestellt. Parallel zu dem Glättungskondensator 6 ist die elektrische Maschine 2 in Reihe mit einem Motorschalter 7 geschaltet, der als Halbleiterschalter ausgebildet ist. Parallel zu der elektrischen Maschine 2 ist außerdem eine Freilaufdiode 8 vorgesehen.
Der Motorschalter 7 wird durch eine Pulsweitenmodulation angesteuert. Dafür ist eine Steuereinrichtung 9 vorgesehen, die das pulsweitenmodulierte Signal (PWM) erzeugt. Vorliegend wird dieses Signal einer Logikeinheit 10 zugeführt, die außerdem das Signal eines Komperators 11 erhält. Der Komperator 11 erfasst die Spannung U_K des Glättungskondensators 6 und vergleicht diese mit einer vorgebbaren Grenzspannung U_K-max. Erreicht die erfasste Spannung die Grenzspannung oder wird die Grenzspannung durch die erfasste Spannung überschritten, so gibt der Komperator 11 ein Signal an die Logikeinheit 10 aus, woraufhin diese auf das Pulsweitenmodulations-Signal (PWM) mindestens einen zusätzlichen Puls, vorliegend beispielsweise drei zusätzliche Pulse 12, aufschaltet, durch welche der Motorschalter 7 entsprechend betätigt wird. Dies dient dazu, um beim Abschalten der elektrischen Maschine 2 beziehungsweise des Gleichstrommotors Überspannungen im System zu vermeiden. Während eine Motorinduktivität sich selbst kontrolliert über die Freilaufdiode 8 entlädt, die alternativ auch als Transistor ausgebildet sein kann, hat die aufgeladene Induktivität L der Versorgungsleitung 3 üblicherweise keinen Freilaufpfad, da dieser räumlich nicht darstellbar ist. Die Folge ist, dass die Induktivität der Versorgungsleitung 3 eine Spannungsüberhöhung an der Steuergeräteklemme erzeugt. Ein Teil der Energie wird somit im Glättungskondensator gespeichert. Um die ganze in der Induktivität gespeicherte Energie mit geringem Spannungshub im Kondensator zu speichern, muss man eine sehr hohe Kapazität bereitstellen. Mit den aktuellen, verfügbaren Bauelementen würde das ein größeres und teureres Gerät bedingen.
Das Prinzip des hier vorgeschlagenen Verfahrens sieht vor, dass durch die zusätzlichen Pulse 12 die Spannungsüberhöhung des Glättungskondensators 6 nach dem beziehungsweise beim Abschalten der elektrischen Maschine 2 abgebaut wird. Dabei ist vorgesehen, dass der Motorschalter 7 für eine derart kurze Zeit aktiviert wird, das keine signifikante Stromerhöhung durch die elektrische Maschine 2 stattfindet. Nach dem beim Abschalten zunächst erfolgten Ansteuern durch die zusätzlichen Pulse 12 wird die Spannung beziehungsweise der Spannungsverlauf des Glättungskondensators 6 weiter überwacht, zumindest für eine vorbestimmte Zeitdauer. Wird erneut eine Überschreitung des vorgebbaren Grenzwertes erfasst, wiederholt sich das Verfahren und die Logikeinheit 10 schaltet auf das PWM-Signal erneut mindestens einen zusätzlichen Puls auf, um die gespeicherte Energie weiter abzubauen, bis die Energie aus der Versorgungsleitung 3 vollständig abgebaut ist.
Ein großer Teil der abzubauenden Energie wird somit der elektrischen Maschine 2 zugeführt, sodass die Energie nicht vollständig in Wärme umgesetzt, sondern Schritt für Schritt in der elektrischen Maschine 2 verbraucht wird.
Wie schnell die zusätzliche Pulsfolge abklingt, wird insbesondere in Abhängigkeit von dem Motorstrom im Abschaltmoment, der Zuleitungsinduktivität L, der maximal erlaubten Spannungsüberhöhung und der Kapazität des Glättungskondensators 6 abhängig gemacht.
Der Motorschalter 7 wird überwiegend im Schaltbetrieb genutzt, der Linear-Anteil verringert sich deutlich gegenüber den sonst üblichen Methoden mit einem langsamen Abschalten der elektrischen Maschine 2. Dadurch wird die thermische Belastung für den Motorschalter 7 und die Schaltungsanordnung 1 insgesamt reduziert, was die Entwärmungsmaßnahmen kostengünstiger gestalten lässt. Die zusätzlichen Pulse werden – wie bereits erwähnt – nur bei Bedarf erzeugt, sodass bei geringen Motorströmen beispielsweise nur noch wenige bis gar keine zusätzlichen Pulse generiert werden, während bei hohen Motorströmen mehrere zusätzliche Impulse erzeugt werden. Letzteres ist beispielsweise beim Motoranlauf der Fall. Je nach Parametrierung der Schaltungsanordnung 1 ist es möglich, die Störungen einfacher zu bekämpfen als im Falle einer auch bekannten hochfrequenten Motoransteuerung. Das gibt die Möglichkeit, wenige auffällige Filtermaßnahmen für die Schaltungsanordnung 1 vorsehen zu müssen.
Durch die in der Figur gezeigte und beschriebene Regelschleife, bei welcher die Spannungsüberhöhung des Glättungskondensators 6 als Kriterium für das Erzeugen mindestens eines zusätzlichen Pulses der Pulsweitenmodulation vorzusehen, können die durch das Abschalten der elektrischen Maschine 2 gegebenenfalls entstehenden Störungen begrenzt oder vollständig entfernt werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (2), insbesondere Gleichstrommotor, wobei die elektrische Maschine (2) mittels Pulsweitenmodulation angesteuert wird und einen Glättungskondensator (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abschalten der elektrischen Maschine (2) eine Spannung des Glättungskondensators (6) überwacht und bei Erfassen einer Spannung oberhalb einer vorgebbaren Grenzspannung mindestens ein zusätzlicher Impuls (12) zum Spannungsabbau erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine zusätzliche Puls (12) unabhängig von Pulsen der Pulsweitenmodulation erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren wiederholt wird, bis die Spannung des Glättungskondensators (6) nach dem Abschalten die Grenzspannung nicht mehr übersteigt.
Schaltungsanordnung (1) zum Betreiben einer elektrischen Maschine (2), insbesondere durch ein Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Steuereinrichtung (9), mindestens einem durch die Steuereinrichtung (9) mittels Pulsweitenmodulation (PWM) ansteuerbaren Motorschalter (7), insbesondere Halbleiterschalter, und mit mindestens einem Glättungskondensator (6), gekennzeichnet durch eine Abschalteinrichtung (13), die die Spannung des Glättungskondensators (6) überwacht und bei Erfassen einer Spannung oberhalb einer vorgebbaren Grenzspannung mindestens einen zusätzlichen Puls zum Spannungsabbau erzeugt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschalteinrichtung (13) einen Komperator (11) zur Überwachung der Spannung des Glättungskondensators (6) aufweist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschalteinrichtung (13) eine Logikeinheit (10) aufweist, die in Abhängigkeit von der erfassten Spannung einen zusätzlichen Puls (12) erzeugt.
Elektrische Maschine (2) mit einer Schaltungsanordnung zum Betreiben, gekennzeichnet durch eine Schaltungsanordnung (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.
Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausführt, wenn das Programm auf einem Computer läuft.
Computerprogramm-Produkt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.