DE102013218679A1

DE102013218679A1 - Antriebssteuerung

Info

Publication number: DE102013218679A1
Application number: DE201310218679
Authority: DE
Inventors: Günter Schwesig; Andreas Trautmann; Hanno WALDERS
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Valeo eAutomotive Germany GmbH
Priority date: 2013-09-18
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2015-03-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebssteuerung (1) und ein Verfahren zum Betrieb einer Antriebssteuerung (1), wobei eine Logikschaltung (7) die Anforderungen verschiedener Betriebsmodi: „Normalbetrieb“ (N), „Drehmomentabschaltung“ (STO) sowie „Ankerkurzschluss unten/oben“ (AKK_o, AKK_u) auswertet und anhand einer Aussagelogik die Ansteuerung der ersten und/oder der zweiten Halbeiterelemente (3, 5) modifiziert. Die Eingangsbetriebsmodi (N, STO, AKK_u, AKK_o) ergeben sich aus Betriebszuständen einer zu steuernden Vorrichtung (15), vorzugsweise eines Elektromotors (15) und dienen zur Erhöhung der Betriebssicherheit.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebssteuerung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Antriebssteuerung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9. Weiter betrifft die Erfindung einen Umrichter mit einer solchen Vorrichtung, ein Antriebsystem mit einer solchen Vorrichtung und ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung.
Die Sicherheit bei elektrisch betriebenen Maschinen, insbesondere für den Einsatz in elektrisch betriebenen Fahrzeugen wird bei einer immer weiter fortschreitenden Verbreitung elektrisch betriebenen Fahrzeugen fortwährend wichtiger. Zur Steuerung von elektrischen Maschinen, insbesondere von weit verbreiteten Synchronmotoren kommen Umrichter zum Einsatz, welche regelmäßig aus einem Gleichrichter, aus einem Zwischenkreis und einem Wechselrichter bestehen. Der Wechselrichter dient dabei zur Umwandlung von Gleichspannung in eine Mehrphasenwechselspannung, vorteilhaft mit einer einstellbaren Frequenz und Spannung.
Ein Wechselrichter besteht regelmäßig aus zwei oder sechs Halbleiterbausteinen, meist IGBTs, welche durch eine Ansteuerungseinheit leitend oder nicht leitend geschaltet sind. Je nach Polarität der einzelnen Phasen der Wechselspannung werden Halbleiterbausteine angesteuert, deren Eingänge mit einer positiven oder einer negativen Gleichspannung gegenüber der Masse verbunden sind. Die Halbleiterbausteine, die mit der positiven Spannungsquelle verbunden sind, werden oft als obere Halbleiterbausteine (des Wechselrichters) bezeichnet. Die Halbleiterbausteine, die mit der negativen Spannungsquelle verbunden sind, werden oft als untere Halbleiterbausteine (des Wechselrichters) bezeichnet.
EP 0 742 637 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum sicheren Abbremsen eines elektrischen Antriebs, wobei in einem Fehlerfall eine Möglichkeit zur Herstellung eines Ankerkurzschlusses geschaffen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sicherheit eines elektrischen Antriebes zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird bei einer Antriebssteuerung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass bei Vorliegen unterschiedlicher Eingangsbetriebsmodi am Logikbaustein (7)

– der Eingangsbetriebsmodus „Drehmomentabschaltung“ (STO) gegen den Eingangsbetriebsmodus „Normalbetrieb“ (N) als durchsetzend vorgesehen ist,
– der Eingangsbetriebsmodus „Ankerkurzschluss oben“ (AKK_o) und der Eingangsbetriebsmodus „Ankerkurzschluss unten“ (AKK_u) gegen die Eingangsbetriebsmodi „Normalbetrieb“ (N) und „Drehmomentabschaltung“ (STO) als durchsetzend vorgesehen sind,
– ein vorrangiger Eingangsbetriebsmodus aus den Betriebsmodi „Ankerkurzschluss unten“ (AKK_u) oder „Ankerkurzschluss oben“ (AKK_o) bestimmbar ist, der gegen die jeweils anderen Eingangsbetriebsmodi (AKK_o, AKK_u) als durchsetzend vorgesehen ist,

7

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Steuerung eines Antriebssystems der eingangs genannten Art gelöst, wobei bei unterschiedlichen Eingangsbetriebsmodi sich

– der Eingangsbetriebsmodus „Drehmomentabschaltung“ (STO) gegen den Eingangsbetriebsmodus „Normalbetrieb“ (N) durchsetzt,
– der Eingangsbetriebsmodus „Ankerkurzschluss oben“ (AKK_o) und/oder der Eingangsbetriebsmodus „Ankerkurzschluss unten“ (AKK_u) gegen die Eingangsbetriebsmodi „Normalbetrieb“ (N) und „Drehmomentabschaltung“ (STO) durchsetzen,
– wobei ein vorrangiger Eingangsbetriebsmodus aus den Betriebsmodi „Ankerkurzschluss unten“ (AKK_u) oder „Ankerkurzschluss oben“ (AKK_o) bestimmbar ist, der sich gegen die jeweils anderen Eingangsbetriebsmodi (AKK_o, AKK_u) durchsetzt, und
– wobei der sich durchsetzende Eingangsbetriebsmodus (N, STO, AKK_o, AKK_u) als Ausgangsbetriebsmodus (N, STO, AKK_o, AKK_u) am Ausgang des Logikbausteins (7) vorliegt.

Weiter wird die Aufgabe durch einen Umrichter nach Anspruch 7, durch ein Antriebssystem nach Anspruch 8 sowie durch ein Fahrzeug nach Anspruch 9 gelöst.
Der mindestens eine Logikbaustein weist mindestens zwei Eingänge auf, wobei die Eingänge für die Eingangsbetriebsmodi vorgesehen sind. Der Logikbaustein weist weiter einen Ausgang auf, der für die Ausgabe des Ausgangsbetriebsmodus vorgesehen ist. Der Betriebsmodi, insbesondere der Betriebsmodus der Antriebssteuerung, ist regelmäßig einer der Eingangsbetriebsmodi.
Mögliches Einsatzgebiet einer solchen Antriebssteuerung ist ein, zumindest teilweise, elektrisch betriebenes Fahrzeug, ein Hybridfahrzeug, eine elektrische Maschine, einen Fahrstuhl, eine Produktionsmaschine, eine Werkzeugmaschine sowie eine sonstige Anlage für den industriellen Einsatz, die zumindest eine elektrische Maschine aufweist.
Eine Antriebssteuerung weist regelmäßig einen Gleichrichter, einen Zwischenkreis und einen Wechselrichter auf, wobei der Gleichrichter, der Zwischenkreis und der Wechselrichter zusammen als Umrichter bezeichnet werden. Eine Antriebssteuerung dient regelmäßig zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors. Als Elektromotoren in zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugen wird oft ein Synchronmotor eingesetzt, wobei der Synchronmotor regelmäßig zum Betrieb eine Dreiphasenwechselspannung benötigt. Zur Generierung der Dreiphasenwechselspannung dienen jeweils drei erste Halbleiterbausteine und drei zweite Halbleiterbausteine, wobei jeweils ein erster Halbleiterbaustein und ein zweiter Halbleiterbaustein eine Wechselspannung einer vorgebbaren Spannung, Frequenz sowie Phase generieren. Als Halbleiterbausteine dienen regelmäßig Transistoren sowie Thyristoren und IGBTs. Die Halbleiterbausteine werden beim ordnungsgemäßen Verlauf mittels der Ansteuerungssignale von der Antriebssteuerung angesteuert. Unter dem Betriebsmodus „Normalbetrieb“ versteht man den ordnungsgemäßen Betriebsmodus, bei welchem die Halbleiterbausteine die Mehrphasenwechselspannung aus der zugeleiteten Gleichspannung des Zwischenkreises generieren. Dabei dienen die zweiten Halbleiterbausteine zur Erzeugung der negativen Spannungsbestandteile und die ersten Halbleiterbausteine zur Erzeugung der positiven Spannungsanteile der Mehrphasenwechselspannung.
Hier werden die Halbleiterelemente als erste Halbleiterelemente bezeichnet, die zur Schaltung der jeweils positiven Spannungsanteile der Mehrphasenwechselspannung dienen. Weiter werden die Halbleiterelemente als zweite Halbleiterelemente bezeichnet, die zur Schaltung der jeweils negativen Spannungsanteile der Mehrphasenwechselspannung dienen. Gelegentlich werden erste Halbleiterbausteine in einem Umrichter auch als obere Halbleiterbausteine und zweite Halbleiterbausteine in einem Umrichter als untere Halbleiterbausteine bezeichnet.
Unter dem Betriebsmodus „Drehmomentabschaltung“ versteht man insbesondere eine grundlegende antriebsintegrierte Sicherheitsfunktion. Im Betriebsmodus „Drehmomentabschaltung“ erhält der an die Antriebssteuerung angeschlossene Motor keine Drehmoment bildende Energie (= Produkt aus Spannung und Stromstärke). So wirkt kein Drehmoment auf den Rotor des Motors durch den Motor selbst. So kann ein ungewollter Anlauf verhindert werden. Im Betriebsmodus „Drehmomentabschaltung“ sind sowohl die ersten (oberen) Halbleiterbausteine als auch die zweiten (unteren) Halbleiterbausteine in ihrem Betriebszustand nicht leitend gestellt (abgeschaltet). Der Betriebsmodus „Drehmomentabschaltung“ wird regelmäßig auch als „Safe Torque Off“ bezeichnet. Der Betriebszustand „Drehmomentabschaltung“ ist insbesondere bei Elektromotoren geeignet, die eine geringe Drehzahl aufweisen.
Unter einem „Ankerkurzschluss oben“ versteht man einen Ankerkurzschluss durch das Einschalten (leitend schalten) der ersten Halbleiterelemente und dem Ausschalten (nicht-leitend schalten) der zweiten Halbleiterelemente. Unter einem „Ankerkurzschluss unten“ versteht man einen Ankerkurzschluss, insbesondere bei einem Elektromotor, durch das Einschalten der zweiten Halbleiterbausteine und dem Ausschalten der ersten Halbleiterbausteine. Durch die Einschaltung aller ersten Halbleiterbausteine respektive aller zweiten Halbleiterbausteine sind die im Elektromotor sitzenden Wicklungen kurzgeschlossen, wodurch der Energiefluss zwischen Motor und Zwischenkreis verhindert wird.
Zur Einstellung der vorstehend erläuterten Betriebsmodi dient eine Logikschaltung, die vorteilhaft mit drei Eingängen ausgestattet ist. Zwei Eingänge sind mit Fehlerelementen verbunden und ein Eingang dient vorteilhaft zur Aufnahme des Steuerungssignals. Die Fehlerelemente dienen insbesondere zur Überwachung der an die Antriebssteuerung angeschlossenen elektrischen Maschinen. Zur Übermittlung eines Betriebszustandes wird beispielsweise ein positives Spannungssignal an den entsprechenden Eingang der Logikschaltung angelegt. Die Logikschaltung dient hierbei zur Abfrage der Fehlerelemente. Im Betriebszustand „Normalbetrieb“ werden beispielsweise keine besonderen Signale von den Fehlerelementen an den Logikbaustein und/oder an die Ansteuerungseinrichtung übertragen. Im Betriebszustand „Normalbetrieb“ werden die Steuerimpulse zur Ansteuerung der Halbleiterbausteine des Umrichters nicht beeinflusst, d.h., die Steuersignale für die Halbleiterbausteine durchlaufen ungehindert den Logikbaustein zu den Halbleiterbausteinen. So generiert der Wechselrichter die Mehrphasenwechselspannung nach den Vorgaben der Ansteuerungseinheit und/oder des Ansteuerungssignals.
Falls am Eingang der Logikschaltung der Eingangsbetriebszustand „Drehmomentabschaltung“ anliegt, werden alle Halbleiterbausteine auf nicht leitend gestellt (abgeschaltet), so dass der Umrichter keine Mehrphasenwechselspannung generiert. Der Betriebsmodus der „Drehmomentabschaltung“ dient insbesondere als Sicherheitsfunktion beim Betrieb des Motors mit einer geringen Drehzahl.
Falls am Logikbaustein der Ausgangsbetriebsmodus „Ankerkurzschluss oben“ vorliegt, so blockiert der Logikbaustein die Steuersignale für die Halbleiterbausteine dergestalt, dass die ersten Halbleiterbausteine eingeschaltet und gleichzeitig die zweiten Halbleiterbausteine ausgeschaltet sind.
Falls am Logikbaustein der Ausgangsbetriebsmodus „Ankerkurzschluss unten“ vorliegt, so blockiert der Logikbaustein die Steuersignale für die Halbleiterbausteine dergestalt, dass die zweiten Halbleiterbausteine eingeschaltet und gleichzeitig die ersten Halbleiterbausteine ausgeschaltet sind.
Beim Anliegen des Eingangsbetriebszustand „Ankerkurzschluss unten“ oder „Ankerkurzschluss oben“ oder „Drehmomentabschaltung“ blockiert der Logikbaustein die Ansteuersignale und steuert an die entsprechenden Halbleiterbausteine dergestalt, wie vorstehend ausgeführt. Die Ansteuerung der Halbleiterbausteine selbst erfolgt je nach Ausgestaltung der Antriebssteuerung entweder mittels dem Logikbaustein oder der Ansteuerungseinrichtung.
Wenn unterschiedliche Eingangsbetriebsmodi an der Logikschaltung vorliegen, entscheidet der Logikbaustein den Ausgangbetriebsmodus wie nachfolgend beschrieben.
Beim Anliegen der Betriebsmodi „Normalbetrieb“ und „Drehmomentabschaltung“ gibt die Logikschaltung den Ausgangsbetriebsmodus „Drehmomentabschaltung“ aus. Beim Anliegen der Eingangsbetriebsmodi „Ankerkurzschluss unten“ bzw. „Ankerkurzschluss oben“ und dem Betriebsmodus „Normalbetrieb“ gibt die Logikschaltung am Ausgang des Betriebsmodus „Ankerkurzschluss oben“ bzw. „Ankerkurzschluss unten“ aus. Beim Anliegen der Betriebsmodi „Ankerkurzschluss oben“ und des Betriebsmodus „Ankerkurzschluss unten“ an den Eingängen der Logikschaltung gibt die Logikschaltung an ihrem Ausgang den Betriebsmodus „Ankerkurzschluss unten“ aus. Es ist auch denkbar, dass der Betriebszustand „Ankerkurzschluss oben“ anliegt. Der Vorzug von „Ankerkurzschluss unten“ gegenüber „Ankerkurzschluss oben“ ist entweder willkürlich gesetzt oder durch einen Zustand der Antriebssteuerung und/oder der mit der Antriebssteuerung verbundenen elektrischen Maschine bestimmt. Beim Anliegen der Betriebsmodi „Drehmomentabschaltung“ und „Ankerkurzschluss unten“ gibt die Logikschaltung an ihrem Ausgang den Betriebszustand „Ankerkurzschluss unten“ aus. Beim Anliegen der Betriebsmodi „Drehmomentabschaltung“ und „Ankerkurzschluss oben“ gibt die Logikschaltung an ihrem Ausgang den Betriebszustand „Ankerkurzschluss oben“ aus.
Vorteilhaft wird durch die Ansteuerung die Betriebssicherheit der angeschlossenen elektrischen Maschine erhöht. Weiter vorteilhaft wird durch die vorstehend beschriebene Antriebssteuerung der Ankerkurzschluss, z.B. zum Verhindern eines ungewollten Drehmoments, eingesetzt. Das Verhindern eines ungewollten Drehmoments erfolgt bei der beschriebenen permanenterregten Synchronmaschine durch die vorhandenen Halbleitermodule des Wechselrichters. Vorteilhaft wird so eine Entscheidungslogik definiert und in einem Antriebssystem eingesetzt, die aufgrund von nur zwei Eingangsgrößen eine richtige Ansteuerung, insbesondere eines Ankerkurzschlusses, ermöglicht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Antriebssteuerung ist ein Wechsel des Ausgangsbetriebsmodus „Ankerkurzschluss unten“ oder „Ankerkurzschluss oben“ in einen weiteren Ausgangsbetriebsmodus vorgesehen, falls an der Mehrheit der Eingänge des Logikbausteins die Eingangsbetriebsmodi „Normalbetrieb“ und/oder „Drehmomentabschaltung“ vorliegen.
Bei einer besonders sicheren Ausgestaltung der Antriebssteuerung ist ein Wechsel des Ausgangsbetriebsmodus „Ankerkurzschluss unten“ oder „Ankerkurzschluss oben“ in einem weiteren Ausgangsbetriebsmodus vorgesehen, falls an den Eingängen des Logikbausteins die Eingangsbetriebsmodi „Normalbetrieb“ und/oder „Drehmomentabschaltung“ vorliegen.
Während der Wechsel aus dem Ausgangsbetriebsmodus „Normalbetrieb“ in einen weiteren Ausgangsbetriebsmodus bei Anliegen eines weiteren Eingangsbetriebsmodus lediglich einem oder einer bestimmten Anzahl eines Eingangs der Logikschaltung vorgesehen ist, ist für den Wechsel aus dem weiteren Betriebsmodus in den Ausgangsbetriebsmodus „Normalbetrieb“ mindestens eine Mehrheit der Eingangsbetriebsmodi „Normalbetrieb“ erforderlich. Dies ist zur Erhöhung der Betriebssicherheit der Antriebssteuerung vorteilhaft.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Antriebssteuerung ist der Wechsel von dem bestimmten Ausgangsbetriebsmodus „Ankerkurzschluss oben“ oder „Ankerkurzschluss unten“ solange verhindert ist, bis an der Mehrheit der Eingänge des Logikbausteins die Eingangsbetriebsmodi „Normalbetrieb“ und/oder „Drehmomentabschaltung“ vorliegen.
Im Betrieb eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs ist es jedoch vorteilhaft, dass der Logikbaustein nach Wegfall der Betriebsmodi „Ankerkurzschluss unten“ oder „Ankerkurzschluss oben“ wieder in den Ausgangsbetriebszustand „Normalbetrieb“ oder in den Ausgangsbetriebszustand „Drehmomentabschaltung“ wechseln kann. Je nach Ausgestaltung der Antriebssteuerung ist für den Ausgangsbetriebsmodus „Normalbetrieb“ das ausschließliche Vorliegen des Eingangsbetriebsmodus „Normalbetrieb“ an den Eingängen des Logikbausteins notwendig. In einer weiteren Ausgestaltung der Antriebssteuerung kann auch das Vorliegen des Eingangsbetriebsmodus „Normalbetrieb“ an der Mehrheit der Eingänge ausreichend sein, falls der Logikbaustein über mindestens drei Eingänge für Betriebsmodi verfügt. Die vorstehenden Ausführungen gelten auch für einen Wechsel des Ausgangsbetriebsmodus „Drehmomentabschaltung“ gegenüber den höher priorisierten Eingangsbetriebsmodi „Ankerkurschluss oben“ und/oder „Ankerkurzschluss unten“.
Vorteilhaft weist der Logikbaustein ein Schaltelement auf, wobei ein Anwender, insbesondere ein Fahrer eines solchen elektrisch betriebenen Fahrzeugs, den Logikbaustein manuell auf einen der Zustände „Normalbetrieb“, „Drehmomentabschaltung“, „Ankerkurzschluss oben“ oder „Ankerkurzschluss unten“ schalten kann. So kann beispielsweise ein Abschleppen eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs gefahrenfrei durchgeführt werden.
Weiter ist nach Wegfall einer Fehlerquelle, die als auslösendes Moment“, der Ausgangsbetriebsmodi „Ankerkurzschluss unten“, „Ankerkurzschluss oben“ und/oder „Drehmomentabschaltung“ ein Rückgang in die Ausgangsbetriebsmodi „Normalbetrieb“ oder „Drehmomentabschaltung“ vorteilhaft. Zusätzlich ist eine regelmäßige Überprüfung des Vorliegens von Eingangsbetriebsmodi wie „Drehmomentabschaltung“ und/oder „Ankerkurzschluss unten“ und/oder „Ankerkurzschluss oben“ sinnvoll, wobei nach einem Wegfall der Fehlerquelle die Logikschaltung wieder auf den Ausgangsbetriebszustand „Normalbetrieb“ zurücksetzt. So kann beim Anliegen des Betriebsmodus „Normalbetrieb“ an der Mehrheit oder allen Eingängen des Logikbausteins den Betriebszustand „Normalbetrieb“ geschaltet werden. Vorteilhaft ist so nach Beendigung der Störung eine Rückführung der Antriebssteuerung in den Betriebsmodus „Normalbetrieb“ möglich und die elektrische Maschine oder das Fahrzeug kann wieder weiter benutzt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Antriebssteuerung verfügt der Ausgangsbetriebsmodus des Logikbausteins zur Steuerung einer Ansteuerungseinheit vorgesehen ist, wobei das Ansteuerungseinheit zur Ansteuerung der ersten und zweiten Halbleiterelemente dient.
Besonders vorteilhaft verfügt sowohl der mindestens ein erster Halbleiterbaustein über einen eigenen Logikbaustein und der mindestens ein zweiter Halbleiterbaustein über einen weiteren Logikbaustein.
Weiter vorteilhaft kann einerseits ein gemeinsamer Logikbaustein zwei Ansteuerungseinheiten für die jeweils ersten Halbleiterbausteine und die jeweils zweiten Halbleiterbausteine als Teil der Antriebssteuerung vorhanden sein.
Vorteilhaft weist der Logikbaustein einen Eingang für das Steuersignal an der Eingangsseite, ggf. eine Verbindung mit der Ansteuerungseinheit, insbesondere zur Weiterleitung des Steuersignals an die Ansteuereinheit und/oder einen Anschluss zur Ausgabe der Steuersignale an die ersten und zweiten Halbleiterbausteine sowie zwei Eingänge für die Eingangsbetriebsmodi auf. In der vorteilhaften Ausgestaltung eines Dreiphasenwechselrichters verfügt der Logikbaustein oder die Ansteuerungsvorrichtung über drei Ausgänge, wobei jeder der Ausgänge zur Steuerung eines ersten oder eines zweiten Halbleiterbausteins vorgesehen ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Antriebssteuerung erfolgt die Auswahl des vorrangigen Betriebsmodus der Betriebsmodi „Ankerkurzschluss unten“ und „Ankerkurzschluss oben“ anhand der Phasenspannung.
Die Mehrphasenwechselspannung setzt sich aus den einzelnen Phasenspannungen zusammen. Vorteilhaft wird die Summe aus allen Phasenspannungen ermittelt. Je nachdem, ob die Summe der Phasenspannungen positiv oder negativ ausfällt, entscheidet eine Entscheidungseinheit, welcher Eingangsbetriebsmodus der Eingangsbetriebsmodi „Ankerkurzschluss unten“ oder „Ankerkurzschluss oben“ sich durchsetzt.
Vorteilhaft werden die einzelnen Phasenspannungen sowie ggf. die Zwischenkreisspannung mit einem Spannungsmesser ermittelt. Zur Bestimmung des durchsetzenden Eingangsbetriebsmodus dient vorteilhaft ein Entscheidungselement. Dies kann beispielsweise als Flip-Flop ausgestaltet sein, wobei der Spannungsmesser das Flip-Flop schaltet und wobei ein Umschalten lediglich während der Ausgangsbetriebsmodi „Normalbetrieb“ und/oder „Drehmomentabschaltung“ erfolgt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
1 eine Antriebssteuerung und einen Umrichter,
2 eine weitere Ausführung der Antriebssteuerung und einen Umrichter, sowie
3 eine weitere Ausführung der Antriebssteuerung.
1 zeigt eine Antriebssteuerung 1 und einen Umrichter zum Antrieb einer elektrischen Maschine 15, insbesondere einem Elektromotor 15. Der Elektromotor 15 wird mit einer Dreiphasenwechselspannung betrieben, die in einem Wechselrichter als Teil der Antriebssteuerung 1 generiert wird. Zur Generierung der Dreiphasenwechselspannung dienen drei erste Halbleiterbausteine 3 und drei zweite Halbleiterbausteine 5, wobei die ersten Halbleiterbausteine 3 und die zweiten Halbleiterbausteine 5 an einem Ende miteinander verbunden sind, und mit dem jeweils anderen Ende an der Versorgungsspannung V liegen. Die ersten Halbleiterbausteine 3 sind mit der positiven Spannung +V des Zwischenkreises verbunden, während die ersten Halbleiterbausteine 5 mit der negativen Spannung –V aus dem Zwischenkreis gespeist werden.
Die ersten Halbleiterbausteine 3 und die zweiten Halbleiterbausteine 5 werden durch ein Steuersignal 19 angesteuert, welches zuvor eine Ansteuerungseinheit 9 durchläuft. Die Ansteuerungseinheit weist einen Logikbaustein 7 auf, wobei der Logikbaustein 7 über mehrere Eingänge für die jeweils drei Eingangsbetriebsmodi N, STO, Akk_o, Akk_u verfügt. Je nach Ausführung kann die Ansteuerungseinheit noch eine zusätzliche Ansteuerung 9‘ aufweisen, die sich jeweils zwischen dem Logikbaustein 7 und den Halbleiterbausteinen 3, 5 befindet. Diese zusätzliche Ansteuerung 9‘ stellt aber lediglich eine optionale Möglichkeit dar und ist nicht zwingend erforderlich.
Die Eingangsbetriebsmodi werden in den Fehlerelementen 17 erzeugt, wobei die Fehlerelemente 17 elektronische Schaltungen zur Überwachung des Betriebs des Fahrzeugs, des Fahrstuhls oder der elektrischen Maschine dienen. Vorteilhaft erhalten die Fehlerelemente dieselben Signale F, wobei eine Fehlfunktion eines Fehlerelementes 17 oder mehrerer Fehlerelemente 17 auftreten kann. Zur Korrektur der Fehlfunktion eines Fehlerelements 17 dienen die beiden anderen Fehlerelemente 17, wobei anzunehmen ist, dass nicht zwei der drei Fehlerelemente 17 gleichzeitig eine Fehlfunktion aufweisen. Die Logikelemente 7 besitzen jeweils einen Eingang für jedes Fehlerelement 17. Die Fehlerelemente sind dabei jeweils mit beiden Logikelementen 7 verbunden. Die Logikelemente 7 sind Teil einer Ansteuerungseinheit 9. Es besteht auch die Möglichkeit, dass die Logikbausteine 7 und die Ansteuerungseinheiten 9 als separate Bausteine bestehen, oder dass die Ansteuerungseinheit 9 in den Logikbaustein 7 integriert ist. Die Ansteuerungseinheit 9 weist weiter einen Eingang für das Steuersignal 19 auf, wobei das Steuersignal zur Ansteuerung der ersten Halbleiterbausteine 3 respektive der zweiten Halbleiterbausteine 5 vorgesehen ist. Anhand des Steuersignals 19 werden die Halbleiterbausteine angesteuert und die Mehrphasenwechselspannung U2, V2, W2 aus der Spannung +V, –V des Zwischenkreises generiert.
Falls alle Fehlerelemente 17 den Betriebsmodus „Normalbetrieb“ ausgeben, so geht das Steuersignal 19 ungehindert von der Ansteuerungseinheit 9 zu den ersten Halbleiterbausteinen 3 bzw. zu den zweiten Halbleiterbausteinen 5.
Falls eines der Fehlerelemente 17 oder die Mehrheit der Fehlerelemente 17 den Betriebsmodus „Drehmomentabschaltung“ STO an die Logikbausteine 7 oder die Ansteuerungseinheit 9 ausgeben, so wird das Steuersignal geblockt und alle Halbleiterelemente in den nicht-leitenden Zustand geschaltet.
Falls eines der Fehlerelemente 17 oder die Mehrheit der Fehlerelemente 17 den Betriebsmodus „Ankerkurzschluss oben“ Akk_o an die Logikbausteine 7 oder die Ansteuerungseinheit 9 ausgeben, so wird das Steuersignal 19 geblockt und die ersten Halbleiterbausteine 3 leitend geschalten und die zweiten Halbleiterbausteine 5 nicht-leitend geschalten.
Falls einer der Fehlerelemente 17 oder die Mehrheit der Fehlerelemente 17 den Betriebsmodus „Ankerkurzschluss unten“ Akk_u an die Logikbausteine 7 oder die Ansteuerungseinheit 9 ausgeben, so wird das Steuersignal 19 geblockt und die zweiten Halbeleiterbausteine 5 leitend geschalten und die ersten Halbleiterbausteine 5 nicht-leitend geschalten.
In einer besonders sicheren Ausführung der Antriebssteuerung ist bei Vorliegen eines der Eingangsmodi „Ankerkurschluss unten“ Akk_u priorisierend über „Ankerkurzschluss oben“ Akk_u, priorisierend über „Drehmomentabschaltung“ STO, priorisierend über „Normalbetrieb“ N als Ausgangsbetriebsmodus der Eingangsbetriebsmodus mit der jeweils höchsten Priorität vorgesehen. Beispielsweise liegt am Ausgang des Logikbausteins 7 oder der Logikbausteine 7 der Ausgangsbetriebsmodus „Drehmomentabschaltung“ STO vor, falls an einem der Eingänge eines Logikbausteins 7 der Eingangsbetriebsmodus „Drehmomentabschaltung“ STO vorliegt und an den anderen Eingängen der Logikbausteine 7 der Eingangsbetriebsmodus „Normalbetrieb“ N anliegt.
In einer besonders betriebsstabilen Ausführung der Antriebssteuerung ist bei Vorliegen eines der Eingangsmodi „Ankerkurschluss unten“ Akk_u priorisierend über „Ankerkurzschluss oben“ Akk_u, priorisierend über „Drehmomentabschaltung“ STO, priorisierend über „Normalbetrieb“ N als Ausgangsbetriebsmodus der Eingangsbetriebsmodus vorgesehen, der an der Mehrheit der Eingänge vorliegt. Beispielsweise liegt am Ausgang des Logikbausteins 7 oder der Logikbausteine 7 der Ausgangsbetriebsmodus „Normalbetrieb“ N vor, falls an einem der Eingänge eines Logikbausteins 7 der Zustand „Drehmomentabschaltung“ STO vorliegt und an den anderen Eingängen der Logikbausteine 7 der Eingangsbetriebsmodus „Normalbetrieb“ N anliegt.
2 zeigt eine weitere Ausführung der Antriebssteuerung und einen Umrichter. Analog zu 1 weist der Umrichter und/oder die Antriebssteuerung drei erste Halbleiterelemente 3 sowie drei zweite Halbleiterbausteine 5 auf, wobei in dieser Ausgestaltungsform die ersten Halbleiterbausteine 3 und die zweiten Halbleiterbausteine 5 aus einem IGBT T1, T2, T3, T4, T5, T6 bestehen, wobei jeder IGBT T1, T2, T3, T4, T5, T6 jeweils zusätzlich eine Diode V1, V2, V3, V4, V5, V6 in Parallelschaltung zum Eingang und zum Ausgang des IGBT aufweist. Weiter weist der als Wechselrichter fungierende Teil der Antriebssteuerung 1 einen Zwischenkreiskondensator 13 auf. Als weitere Baugruppe weist die in 2 gezeigte Antriebssteuerung 1 einen Spannungsmesser 11 auf, wobei der Spannungsmesser 11 die Spannungen der einzelnen Phasen U2, V2, W2 der Mehrphasenwechselspannung ermittelt und die Information über die Spannungen U2, V2, W2 an die Ansteuerungseinheiten 9 übermittelt. Die Ansteuerungseinheiten 9 weisen zusätzliche Eingänge vom Fehlerelement 17 auf, wobei das Fehlerelement 17 den Eingangsbetriebsmodus N, STO, AKK_o, AKK_u aus den möglichen Eingangsbetriebsmodi „Ankerkurzschluss oben“ AKK_o, „Ankerkurzschluss unten“ AKK_u, Drehmomentabschaltung STO, und/oder Normalbetrieb N auswählt. Die Ansteuerungseinheiten 9, die Logikbausteine 7 und/oder die Fehlerelemente 17 sind vorteilhaft durch Mikrokontroller realisiert, wobei die Mikrokontroller zur Steuerung und/oder Regelung der Antriebssteuerung 1 dienen oder die Steuerung unterstützen. Die Ansteuerungseinheiten 9 geben ein Signal an jeweils beide Logikbausteine 7 weiter. Jeder Logikbaustein 7 gibt die Eingangsbetriebsmodi N, STO, AKK_o, AKK_u, welche jeweils durch die Ansteuerungseinheit 9 geleitet und mit Hilfe des Fehlerelements 17 erzeugt werden, an die oberen und/oder unteren Halbleiterbausteine 3, 5 weiter.
Als weiteres Eingangssignal der Logikbausteine 7 dient das Steuersignal 19, welches bei Vorliegen des Eingangs- und/oder Ausgangsbetriebsmodus „Normalbetrieb“ an die jeweiligen ersten und zweiten Halbleiterbausteine 3, 5 weitergeleitet werden. Mittels der ersten und zweiten Halbleiterbausteine 3, 5 wird die Mehrphasenwechselspannung U2, V2, W2 erzeugt und zum Elektromotor geleitet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung sind die Logikbausteine 7, die Ansteuerungseinheiten 9 und das Fehlerelement in einem Baustein zusammengefasst, beispielsweise in einem Mikrocomputer oder einem Mikrokontroller. Weiter vorteilhaft dient zur Bestimmung einer Amplitude der Mehrphasenwechselspannung U2, V2, W2 auch das Steuersignal 19 und/oder ein weiteres Signal, welches die Spannung und die Frequenz, der in dem Umrichter erzeugten Mehrphasenwechselspannung U2, V2, W2 steuert.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Antriebssteuerung. In 3 ist der Umrichter als Teil der Antriebssteuerung dargestellt. Der Umrichter weist in bekannter Bauweise drei erste Halbleiterbausteine 3 und drei untere Halbleiterbausteine 5 auf. Weiter weist die Antriebssteuerung 1 zwei Fehlerelemente 17 auf, wobei die Fehlerelemente 17 einen Eingang für das Fehlersignal F aufweisen und wobei jedes Fehlerelement 17 mit beiden Logikbausteinen 7 verbunden ist. Die Logikbausteine 7 weisen Eingänge auf, die für Signale des Eingangsbetriebsmodus N, STO, Akk_u, Akk_o vorgesehen sind. Die Logikbausteine 7 weisen weiter einen Eingang für das Steuersignal 19 auf, wobei das Steuersignal zur Ansteuerung der ersten Halbleiterbausteine 3 und der zweiten Halbleiterbausteine 5 vorgesehen ist. Die ersten Halbleiterbausteine 3 und die zweiten Halbleiterbausteine 5 sind zur Erzeugung der Mehrphasenwechselspannung U2, V2, W2 vorgesehen.
Mittels einer Entscheidungseinheit FF wird die Priorität des Betriebsmodus aus den Betriebsmodi „Ankerkurzschluss oben“ Akk_o und „Ankerkurzschluss unten“ Akk_u bestimmt. Die Bestimmung der Priorität erfolgt vorteilhaft anhand der Mehrphasenwechselspannung U2, V2, W2. Dabei ist vorteilhaft die höchste Priorität für den Betriebszustand „Ankerkurzschluss unten“ Akk_u zu bestimmen, falls die Mehrphasenwechselspannung U2, V2, W2 in der Summe einen negativen Wert aufweist. Weiter vorteilhaft ist die höchste Priorität für den Betriebszustand „Ankerkurzschluss oben“ zu bestimmen, falls die Mehrphasenwechselspannung U2, V2, W2 in der Summe einen positiven Wert aufweist.
Weiter kann eine Bestimmung der Priorität aus den Betriebszuständen „Ankerkurzschluss oben“ Akk_o und „Ankerkurzschluss unten“ Akk_u anhand des Drehwinkels des Rotors der elektrischen Maschine erfolgen, die durch die Antriebssteuerung betrieben wird.
Zur weiteren Erhöhung der Sicherheit wird bei unterschiedlichen Eingangsbetriebsmodi N, STO, Akk_o, Akk_u ein Prüfsignal XF von mindestens einem Logikbaustein 7 an mindestens ein Fehlerelement 17 übertragen. Das Prüfsignal dient vorteilhaft zur Überprüfung der Funktionsweise des Fehlerelements 17. Bei einer nicht vorschriftsmäßigen Funktion des Fehlerelements 17 wird vorteilhaft ein Prüfsignal XF von dem Fehlerelement 17 an den Logikbaustein 7 zurückgesandt, wobei je nach Prüfsignal XF der Logikbaustein 7 entscheidet, ob das Signal des nicht vorschriftsmäßig funktionierenden Fehlerelements 17 beachtet wird.
Kurz gefasst betrifft die Erfindung eine Antriebssteuerung 1 mit einem Wechselrichter zur Erzeugung einer Mehrphasenwechselspannung U2, V2, W3. Die Antriebssteuerung 1 weist zwei Eingänge für Fehlersignale auf, wobei neben dem Normalbetrieb als Fehlersignale „Drehmomentabschaltung“ STO, „Ankerkurzschluss oben“ AKK_o sowie „Ankerkurzschluss unten“ AKK_u möglich sind. Ein Logikbaustein 7 und/oder eine Ansteuerungseinheit 9 als Teil der Antriebssteuerung 1 dient zur Auswahl des jeweiligen Fehlersignals zur Beeinflussung der oberen Halbleiterbauelemente 3 und/oder der unteren Halbleiterbauelemente 5. Dabei setzen sich die Fehlersignale „Ankerkurzschluss oben“ AKK_o und „Ankerkurzschluss unten“ AKK_u gegenüber dem Normalbetrieb N und dem Fehlersignal „Drehmomentabschaltung“ STO durch. Bei Anliegen von „Ankerkurzschluss oben“ AKK_o und „Ankerkurzschluss unten“ AKK_u setzt sich in einer besonders bevorzugten Ausführung entweder ein festgelegtes Fehlersignal durch oder das sich durchsetzende Fehlersignal wird anhand der ermittelten Mehrphasenwechselspannung U2, V2, W2 ausgewählt.
Die Erfindung betrifft eine Antriebssteuerung 1 und ein Verfahren zum Betrieb einer Antriebssteuerung 1, wobei eine Logikschaltung 7 die Anforderungen verschiedener Betriebsmodi: „Normalbetrieb“ N, „Drehmomentabschaltung“ STO sowie „Ankerkurzschluss unten/oben“ AKK_o, AKK_u auswertet und anhand einer Aussagelogik die Ansteuerung der ersten und/oder der zweiten Halbleiterelemente 3, 5 modifiziert. Die Eingangsbetriebsmodi N, STO, AKK_u, AKK_o ergeben sich aus Betriebszuständen einer zu steuernden Vorrichtung 15, vorzugsweise eines Elektromotors 15 und dienen zur Erhöhung der Betriebssicherheit.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0742637 A1 [0004]

Claims

Antriebssteuerung (1), insbesondere als Teil eines Antriebssystems eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs, aufweisend – mindestens einen ersten Halbleiterbaustein (3) und mindestens einen zweiten Halbleiterbaustein (5), wobei der erste Halbleiterbaustein (3) und der zweite Halbleiterbaustein (5) zur Erzeugung einer Mehrphasenwechselspannung (U2, V2, W2) vorgesehen sind, – mindestens einen Logikbaustein (7) zur Steuerung des ersten Halbleiterbausteins (3) und des zweiten Halbleiterbausteins (5), wobei der Logikbaustein (7) Eingänge für Eingangsbetriebsmodi „Ankerkurzschluss unten“ (AKK_u), „Ankerkurzschluss oben“ (AKK_o), „Drehmomentabschaltung“ (STO) und „Normalbetrieb“ (N) und einen Ausgang für einen Ausgangsbetriebsmodus (N, STO, AKK_o, AKK_u) aufweist, wobei der Logikbaustein (7) zur Ermittlung des Ausgangsbetriebsmodus (N, STO, AKK_o, AKK_u) am Ausgang aus den Eingangsbetriebsmodi (N, STO, AKK_o, AKK_u) an den Eingängen vorgesehen ist, wobei der Ausgangsbetriebsmodus (N, STO, AKK_o, AKK_u) am Ausgang zur Steuerung der ersten und zweiten Halbleiterbausteine (3, 5) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen unterschiedlicher Eingangsbetriebsmodi am Logikbaustein (7) – der Eingangsbetriebsmodus „Drehmomentabschaltung“ (STO) gegen den Eingangsbetriebsmodus „Normalbetrieb“ (N) als durchsetzend vorgesehen ist, – der Eingangsbetriebsmodus „Ankerkurzschluss oben“ (AKK_o) und der Eingangsbetriebsmodus „Ankerkurzschluss unten“ (AKK_u) gegen die Eingangsbetriebsmodi „Normalbetrieb“ (N) und „Drehmomentabschaltung“ (STO) als durchsetzend vorgesehen sind, – ein vorrangiger Eingangsbetriebsmodus aus den Betriebsmodi „Ankerkurzschluss unten“ (AKK_u) oder „Ankerkurzschluss oben“ (AKK_o) bestimmbar ist, der gegen die jeweils anderen Eingangsbetriebsmodi (AKK_o, AKK_u) als durchsetzend vorgesehen ist, und dass der sich durchsetzende Eingangsbetriebsmodus (AKK_o, AKK_u, STO) als Ausgangsbetriebsmodus für den Ausgang des Logikbausteins (7) vorgesehen ist.
Antriebssteuerung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechsel des Ausgangsbetriebsmodus „Ankerkurzschluss unten“ (AKK_u) oder „Ankerkurzschluss oben“ (AKK_o) in einen weiteren Ausgangsbetriebsmodus vorgesehen ist, falls an der Mehrheit der Eingänge des Logikbausteins (7) die Eingangsbetriebsmodi „Normalbetrieb“ (N) und/oder „Drehmomentabschaltung“ (STO) vorliegen.
Antriebssteuerung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechsel des Ausgangsbetriebsmodus „Ankerkurzschluss unten“ (AKK_u) oder „Ankerkurzschluss oben“ (AKK_o) in einen weiteren Ausgangsbetriebsmodus vorgesehen ist, falls an den Eingängen des Logikbausteins (7) die Eingangsbetriebsmodi „Normalbetrieb“ (N) und/oder „Drehmomentabschaltung“ (STO) vorliegen.
Antriebssteuerung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechsel von dem bestimmten Ausgangsbetriebsmodus „Ankerkurzschluss oben“ (Akk_o) oder „Ankerkurzschluss unten“ (Akk_u) solange verhindert ist, bis an der Mehrheit der Eingänge des Logikbausteins (7) die Eingangsbetriebsmodi „Normalbetrieb“ (N) und/oder „Drehmomentabschaltung“ (STO) vorliegen.
Antriebssteuerung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsbetriebsmodus des Logikbausteins (7) zur Steuerung einer Ansteuerungseinheit (9) vorgesehen ist, wobei die Ansteuerungseinheit (9) zur Ansteuerung der ersten und zweiten Halbleiterelemente (3, 5) dient.
Antriebssteuerung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl des vorrangigen Betriebsmodus der Betriebsmodi „Ankerkurzschluss unten“ (AKK_u) und „Ankerkurzschluss oben“ (AKK_o) anhand der Phasenspannung (U2, V2, W2) erfolgt.
Umrichter, insbesondere zum Einsatz in einem zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeug, aufweisend eine Antriebssteuerung (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
Antriebssystem, insbesondere zum Einsatz in einem zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeug, aufweisend eine Antriebssteuerung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 und aufweisend einen Motor (15), insbesondere einen Synchronmotor (15).
Fahrzeug, insbesondere ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes Fahrzeug, aufweisend eine Antriebssteuerung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.
Verfahren zur Steuerung eines Antriebsystems, insbesondere zur Steuerung eines Antriebssystems eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs, wobei – das Antriebssystem mindestens einen ersten Halbleiterbaustein (3) und mindestens einen zweiten Halbleiterbaustein (5) aufweist, wobei der erste Halbleiterbaustein (3) und der zweite Halbleiterbaustein (5) eine Mehrphasenwechselspannung (U2, V2, W2) generiert, – wobei mindestens ein Logikbaustein (7) den ersten Halbleiterbaustein (3) und/oder den zweiten Halbleiterbaustein (5) steuert, wobei der Logikbaustein (7) Eingänge für Eingangsbetriebsmodi „Ankerkurzschluss unten“ (AKK_u), „Ankerkurzschluss oben“ (AKK_o), „Drehmomentabschaltung“ (STO) und „Normalbetrieb“ (N) und einen Ausgang für einen Ausgangsbetriebsmodus (N, STO, AKK_o, AKK_u) aufweist, – wobei der Logikbaustein (7) den Ausgangsbetriebsmodus (N, STO, AKK_o, AKK_u) am Ausgang aus den Eingangsbetriebsmodi an (N, STO, AKK_o, AKK_u) den Eingängen ermittelt, – wobei der Ausgangsbetriebsmodus am Ausgang die ersten Halbleiterbausteine (3) und/oder die zweiten Halbleiterbausteine (5) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass bei unterschiedlichen Eingangsbetriebsmodi sich – der Eingangsbetriebsmodus „Drehmomentabschaltung“ (STO) gegen den Eingangsbetriebsmodus „Normalbetrieb“ (N) durchsetzt, – der Eingangsbetriebsmodus „Ankerkurzschluss oben“ (AKK_o) und/oder der Eingangsbetriebsmodus „Ankerkurzschluss unten“ (AKK_u) gegen die Eingangsbetriebsmodi „Normalbetrieb“ (N) und „Drehmomentabschaltung“ (STO) durchsetzen, – ein vorrangiger Eingangsbetriebsmodus aus den Betriebsmodi „Ankerkurzschluss unten“ (AKK_u) oder „Ankerkurzschluss oben“ (AKK_o) bestimmbar ist, der sich gegen die jeweils anderen Eingangsbetriebsmodi (AKK_o, AKK_u) durchsetzt, und – wobei der sich durchsetzende Eingangsbetriebsmodus (N, STO, AKK_o, AKK_u) als Ausgangsbetriebsmodus (N, STO, AKK_o, AKK_u) am Ausgang des Logikbausteins (7) vorliegt.