DE102013221969A1

DE102013221969A1 - Verfahren zum Ansteuern einer Elektromaschine mit zwei elektrischen Phasen, Zweiphasen-Elektromaschine, elektrisches Antriebssystem und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102013221969A1
Application number: DE201310221969
Authority: DE
Inventors: Henning Hanssen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2015-05-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zum Ansteuern einer Zweiphasen-Elektromaschine mit zwei elektrische Phasen, wobei die zwei elektrischen Phasen einen elektrischen Phasenwinkel ungleich 90° aufweisen, mittels einer B6-Brücke mit sechs Schaltelementen, mit den Schritten Berechnen eines ersten elektrischen Ansteuerwinkels für die erste elektrische Phase und eines zweiten elektrischen Ansteuerwinkels für die zweite elektrische Phase basierend auf dem elektrischen Phasenwinkel und Modulieren der Steuerbefehle für die sechs Schaltelemente der B6-Brücke basierend auf dem berechneten ersten elektrischen Ansteuerwinkel und dem berechneten zweiten elektrischen Ansteuerwinkel. Ferner offenbart die vorliegende Erfindung eine Zweiphasen-Elektromaschine, ein elektrisches Antriebssystem und ein Fahrzeug.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ansteuern einer Elektromaschine mit zwei elektrischen Phasen, eine Zweiphasen-Elektromaschine, ein elektrisches Antriebssystem und ein Fahrzeug.
Stand der Technik
In der modernen Technik werden elektrische Motoren für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Beispielsweise können elektrische Motoren in Haushaltsgeräten, wie z.B. einer Waschmaschine, in Fahrzeugen, z.B. als Antriebsmotor, oder dergleichen eingesetzt werden.
Häufig werden dabei dreiphasige Elektromotoren eingesetzt. Diese weisen üblicherweise konstruktiv einen symmetrischen Aufbau mit jeweils 120° Phasenwinkel zwischen den einzelnen Phasen auf.
Wird ein solcher Elektromotor in einer Sternschaltung oder einer Dreieckschaltung betrieben, ergibt sich ein Vorteil bei der Ansteuerung in einem Dreiphasen-Stromnetz. Für solche Elektromotoren, die in einer Sternschaltung oder einer Dreieckschaltung betrieben werden, können dann Wechselrichter eingesetzt werden, die eine sog. B6-Brücke oder eine Brücke mit einer B6-Standard-Topologie aufweisen. Insbesondere ist eine B6-Brücke vorteilhaft, da diese lediglich sechs Schaltelemente, z.B. Halbleiterschalter in Form von MOSFETs oder dergleichen, aufweist.
Es sind heute auch zweiphasige Elektromotoren bekannt, welche zwischen den zwei Phasen einen 90° Phasenwinkel aufweisen. Solche zweiphasigen Elektromotoren werden mit einer 2H-Topologie, welche 2H-Brücken aufweist, angesteuert, welche acht Leistungsschalter benötigt. Diese höhere Anzahl an Schaltelementen führt zu einer komplexeren Ansteuerung der 2H-Topologie und einer komplexeren Aufbau- und Verbindungstechnik.
Ferner müssen Wechselrichter mit einer 2H-Topologie häufig explizit für eine Anwendung entwickelt werden, da, im Gegensatz zu Wechselrichtern für drei-phasige Elektromotoren, keine breite Palette an Standardprodukten zur Verfügung steht.
In 8 ist eine solche 2H-Topologie dargestellt, die mit einem zweiphasigen Elektromotor gekoppelt werden kann. In 8 sind die zwei Phasen des Elektromotors als Induktivitäten L1 und L2 dargestellt. Die Induktivität L1 weist die Unterschrift 0deg auf, was bedeutet, dass diese Phase einen elektrischen Phasenwinkel von 0° aufweist. Ferner weist die Induktivität L2 die Unterschrift 90deg auf, was bedeutet, dass diese Phase einen elektrischen Phasenwinkel von 90° aufweist.
Die 2H-Topologie in 8 weist vier Schalter Q1, Q2, Q5 und Q6 auf, welche die erste der zwei H-Brücken bilden, und vier Schalter Q3, Q4, Q7 und Q8, welche die zweite der zwei H-Brücken bilden. Dabei sind Schalter Q1 und Q5, Q2 und Q6, Q3 und Q7 und Schalter Q4 und Q8 jeweils in Reihe zwischen einer positiven und einer negativen Spannung angeordnet. Der Eingang der ersten elektrischen Phase L1 ist mit dem Knotenpunkt zwischen Schaltern Q1 und Q5 gekoppelt und der Ausgang der ersten elektrischen Phase L1 ist mit dem Knotenpunkt zwischen Schaltern Q2 und Q6 gekoppelt. Ferner ist der Eingang der zweiten elektrischen Phase L2 mit dem Knotenpunkt zwischen Schaltern Q3 und Q7 gekoppelt und der Ausgang der zweiten elektrischen Phase L2 ist mit dem Knotenpunkt zwischen Schaltern Q4 und Q8 gekoppelt.
In 8 ist deutlich zu erkennen, wie bei einer Ansteuerung des zweiphasigen Elektromotors beide Phasen unabhängig voneinander angesteuert werden können, da für jede Phase vier Schalter verwendet werden.
Daraus ergibt sich ein Ansteuerbereich, welcher in dem Zeigerdiagramm der 10 dargestellt ist. In dem Zeigerdiagramm der 10 wird ein quadratischer Bereich vollständig durch die möglichen Ansteuervektoren abgedeckt. Die möglichen Ansteuervektoren ergeben sich dabei aus allen möglichen Linearkombinationen der Grundvektoren der zwei Phasen, wobei die Vektoren entweder mit einem der Faktoren [–1, 0, +1] verrechnet werden können, um das Zeigerdiagramm aufzuspannen.
Wird ein herkömmlicher zweiphasiger Elektromotor mit einem Wechselrichter angesteuert, der eine B6-Brücke aufweist, ergibt sich ein Zeigerdiagramm, dass einen deutlich eingeschränkten Ansteuerbereich aufweist. Ein solches Zeigerdiagramm ist in 11 dargestellt.
In einer solchen Anordnung teilt sich die elektrische Spannung zwischen den Induktivitäten der zwei Phasen auf, wenn entweder der Vektor 100.001 oder der Vektor 001.100 angesteuert wird. Dies führt aber dazu, dass der entsprechende Spannungsvektor in dem Zeigerdiagramm lediglich die halbe Länge aufweist.
Wird der Ansteuerbereich, wie er in 11 dargestellt ist, voll ausgenutzt, ergibt sich im Zeigerdiagramm beispielhaft ein elliptischer Ansteuerbereich, der in 11 als gestrichelte Ellipse dargestellt ist. Dies führt aber zu unerwünschten Oberwellen und Drehmomentschwankungen in dem Elektromotor. Wären keine Oberwellen zugelassen, würde sich ein Kreis ergeben, dessen Radius der kurzen Halbachse der Ellipse entspräche. Würden alle Oberwellen zugelassen, würde sich als Ansteuerbereich das in 11 dargestellt Polygon ergeben.
Soll der Elektromotor mit einem runden Vektorkreis (in 11 mit einer durchgezogenen Linie dargestellt) angesteuert werden, ergibt sich ein gegenüber der 2H-Topologie stark eingeschränkter Drehmomentbereich, da sich die nutzbare Spannungsfläche in dem Zeigerdiagramm deutlich reduziert.
Die EP 2464003 A2 zeigt z.B. einen elektronisch kommutierter Elektromotor mit zwei Phasen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zum Ansteuern einer Zweiphasen-Elektromaschine mit zwei elektrischen Phasen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Ferner offenbart die vorliegende Erfindung eine Zweiphasen-Elektromaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7, ein elektrisches Antriebssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 und ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12.
Demgemäß ist vorgesehen:
Ein Verfahren zum Ansteuern einer Zweiphasen-Elektromaschine mit zwei elektrischen Phasen, wobei die zwei elektrischen Phasen einen elektrischen Phasenwinkel ungleich 90° aufweisen, mittels einer B6-Brücke mit sechs Schaltelementen, mit den Schritten Berechnen eines ersten elektrischen Ansteuerwinkels für die erste elektrische Phase und eines zweiten elektrischen Ansteuerwinkels für die zweite elektrische Phase basierend auf dem elektrischen Phasenwinkel und Modulieren der Steuerbefehle für die sechs Schaltelemente der B6-Brücke basierend auf dem berechneten ersten elektrischen Ansteuerwinkel und dem berechneten zweiten elektrischen Ansteuerwinkel.
Ferner ist vorgesehen:
Eine Zweiphasen-Elektromaschine, mit einer ersten elektrischen Phase und mit einer zweiten elektrischen Phase, die einen gegenüber der ersten elektrischen Phase um mehr oder weniger als 90° verschobenen elektrischen Phasenwinkel aufweist.
Ferner ist vorgesehen:
Ein elektrisches Antriebssystem mit einer erfindungsgemäßen Zweiphasen-Elektromaschine, welche zwei elektrische Phasen aufweist, und mit einer B6-Brücke, welche mit der Zweiphasen-Elektromaschine derart gekoppelt ist, dass die sechs Schaltelemente der B6 Brücke die zwei elektrischen Phasen der Zweiphasen-Elektromaschine ansteuern.
Schließlich ist vorgesehen:
Ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystem.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass die Aufteilung der Ansteuerspannung der Zweiphasen-Elektromaschine über die zwei Phasen der Zweiphasen-Elektromaschine bei Ansteuerung mit einer B6-Brücke dazu führt, dass lediglich ein geringes Drehmoment mit der Zweiphasen-Elektromaschine erzeugt werden kann, wenn keine Oberwellen in dem Drehmomentverlauf erwünscht sind. Folglich kann nicht die maximale Leistung mit einer Zweiphasen-Elektromaschine, die einen herkömmlichen Phasenwinkel von 90° aufweist, abgerufen werden.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Möglichkeit vorzusehen, den Ansteuerbereich einer Zweiphasen-Elektromaschine zu vergrößern, auch wenn diese mit einer B6-Brücke angesteuert wird.
Dazu sieht die vorliegende Erfindung vor, dass der mechanische Aufbau der Zweiphasen-Elektromaschine an eine Ansteuerung mit einer B6-Brücke angepasst wird. Dies erfolgt gemäß der vorliegenden Erfindung, indem die Zweiphasen-Elektromaschine mit einem Phasenwinkel von mehr oder weniger als 90° aufgebaut wird.
Wird die erfindungsgemäße Zweiphasen-Elektromaschine mit einem Phasenwinkel von z.B. 60° aufgebaut und mit einer B6-Brücke angesteuert, ergibt sich ein neues Raumzeigerdiagramm, welches in Zusammenhang mit 7 näher erläutert wird.
Das neue Raumzeigerdiagramm weist eine hexagonale Form auf und stellt damit eine nahezu kreisförmige Fläche dar, innerhalb welcher der Spannungszeiger für die Ansteuerung der Zweiphasen-Elektromaschine eingestellt werden kann.
Soll nun das maximale gleichförmige Drehmoment mit der Zweiphasen-Elektromaschine erzeugt werden, können ein erster elektrischer Ansteuerwinkel für die erste elektrische Phase und ein zweiter elektrischer Ansteuerwinkel für die zweite elektrische Phase basierend auf dem elektrischen Phasenwinkel berechnet werden.
Werden basierend auf dem berechneten ersten elektrischen Ansteuerwinkel und dem berechneten zweiten elektrischen Ansteuerwinkel die Steuerbefehle für die sechs Schaltelemente der B6-Brücke moduliert, wird der Spannungszeiger auf dem äußeren Radius des Kreises bewegt werden, wodurch sich ein großes Drehmoment mit sehr geringem Oberwellenanteil ergibt.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
In einer Ausführungsform wird der erste elektrische Ansteuerwinkel aus der Differenz des Winkels der ersten elektrischen Phase mit der Differenz aus 90° und dem elektrischen Phasenwinkel berechnet. Dies ermöglicht eine sehr einfache Berechnung des ersten elektrischen Ansteuerwinkels.
In einer Ausführungsform wird der zweite elektrische Ansteuerwinkel aus der Summe des Winkels der zweiten elektrischen Phase mit der Differenz aus 90° und dem elektrischen Phasenwinkel berechnet. Dies ermöglicht eine sehr einfache Berechnung des zweiten elektrischen Ansteuerwinkels.
In einer Ausführungsform werden beim Modulieren der Steuerbefehle die Steuerbefehle derart moduliert, dass sich in der ersten elektrischen Phase ein erster sinusförmiger Strom mit einem Phasenwinkel einstellt, der dem berechneten ersten elektrischen Ansteuerwinkel entspricht, und dass sich in der zweiten elektrischen Phase ein zweiter sinusförmiger Strom mit einem Phasenwinkel einstellt, der dem berechneten zweiten elektrischen Ansteuerwinkel entspricht. So kann auf sehr einfache Art bei beim Modulieren der Steuerbefehle der elektrische Phasenwinkel berücksichtigt werden.
In einer Ausführungsform ist der Schritt Ansteuern der Schaltelemente der B6-Brücke mittels der modulierten Steuerbefehle vorgesehen.
In einer Ausführungsform werden beim Modulieren der Steuerbefehle die Steuerbefehle basierend auf dem berechneten ersten elektrischen Ansteuerwinkel und dem berechneten zweiten elektrischen Ansteuerwinkel nach einem PWM-Modulationsverfahren moduliert. So kann eine wenig komplexe und einfach zu implementierende Modulation durchgeführt werden.
In einer Ausführungsform werden beim Modulieren der Steuerbefehle die Steuerbefehle basierend auf dem berechneten ersten elektrischen Ansteuerwinkel und dem berechneten zweiten elektrischen Ansteuerwinkel nach einem beliebigen weiteren Modulationsverfahren, z.B. einem Raumzeigermodulationsverfahren, einem Verfahren der zeitdiskreten Schaltzustandsänderung, oder zum Beispiel auf Basis einer Hysterese Regelung moduliert. Dadurch kann das Verfahren an unterschiedliche Anforderungen und Anwendungen einfach angepasst werden.
In einer Ausführungsform weisen die zwei elektrischen Phasen einen elektrischen Phasenwinkel von weniger als 90° auf. Dies ermöglicht eine flexible Anpassung der Zweiphasen-Elektromaschine an unterschiedliche Anforderungen.
In einer Ausführungsform weisen die zwei elektrischen Phasen einen elektrischen Phasenwinkel von mehr als 90° auf. Dies ermöglicht ebenfalls eine flexible Anpassung der Zweiphasen-Elektromaschine an unterschiedliche Anforderungen.
In einer Ausführungsform weisen die zwei elektrischen Phasen einen elektrischen Phasenwinkel von 60° auf. Dies ermöglicht ebenfalls eine flexible Anpassung der Zweiphasen-Elektromaschine an unterschiedliche Anforderungen.
In einer Ausführungsform weisen die zwei elektrischen Phasen einen elektrischen Phasenwinkel von 120° auf. Dies ermöglicht eine flexible Anpassung der Zweiphasen-Elektromaschine an unterschiedliche Anforderungen.
In einer Ausführungsform ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche mit der B6-Brücke gekoppelt ist und welche dazu ausgebildet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ansteuerung der Zweiphasen-Elektromaschine durchzuführen.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
1 ein Ablaufdiagramm einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zweiphasen-Elektromaschine;
3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems;
4 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs;
5 ein Ablaufdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
6 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer B6-Brücke;
7 eine Darstellung eines Zeigerdiagramms für eine Ausführungsform einer Zweiphasen-Elektromaschine gemäß der vorliegenden Erfindung;
8 ein Blockschaltbild einer 2H-Topologie;
9 ein Diagramm für den Strom in den elektrischen Phasen einer Ausführungsform einer Zweiphasen-Elektromaschine gemäß der vorliegenden Erfindung;
10 ein Raumzeigerdiagramm eines herkömmlichen Zweiphasen-Elektromotors mit einer 2H-Topologie;
11 ein Raumzeigerdiagramm eines herkömmlichen Zweiphasen-Elektromotors mit einer B6-Brücke.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
Unter einer Elektromaschine mit zwei Phasen bzw. einer Zweiphasen-Elektromaschine ist im Rahmen dieser Patentanmeldung jede elektrische Maschine zu verstehen, die zwei unterschiedliche elektrische Phasen aufweist. Dabei können die zwei unterschiedlichen elektrischen Phasen eine beliebige Anzahl von Polpaaren aufweisen. Beispielsweise kann die Zweiphasen-Elektromaschine als Transversalflussmaschine oder dergleichen ausgebildet sein.
Als elektrischer Phasenwinkel wird im Rahmen dieser Patentanmeldung derjenige Winkel verstanden, den die zwei elektrischen Phasen zueinander aufweisen. Mit Hilfe der Anzahl der Polpaare kann z.B. von dem elektrischen Phasenwinkel auf den mechanischen Winkel geschlossen werden.
Unter einer B6-Brücke ist im Rahmen dieser Patentanmeldung eine elektronische Schaltung zu verstehen, die sechs Schaltelemente aufweist und aus einer Versorgungsspannung, insbesondere einer Gleichspannung, eine Ansteuerspannung für einen Elektromotor, insbesondere für einen Zweiphasen-Elektromotor, erzeugen kann.
Ein Schaltelement im Rahmen dieser Patentanmeldung kann jedes elektronische oder elektrische Element sein, welches geeignet ist, einen elektrischen Strom bzw. eine elektrische Spannung zu schalten. Beispielsweise können die Schaltelemente als Halbleiterschalter, z.B. als Transistoren, FETs, MOSFETs oder dergleichen ausgebildet sein.
In einem Raumzeigerdiagramm werden physikalischen Größen in einem Mehrphasensystem als Zeiger in einer komplexen Ebene dargestellt. Dies können z.B. Spannungen und/oder Ströme sein.
Unter einem Grundvektor ist im Rahmen dieser Patentanmeldung jeweils ein Vektor zu verstehen, der in dem Raumzeigerdiagramm die Ansteuerung lediglich einer Phase mit dem vollen Betrag der Ansteuerspannung darstellt. Bei einem Zweiphasen-System ergeben sich folglich zwei Grundvektoren.
Unter den Schaltvektoren sind diejenigen Vektoren zu verstehen, die sich in dem Raumzeigerdiagramm durch eine Linearkombination der Grundvektoren ergeben können. Dabei entsprechen sowohl die Grundvektoren als auch die Schaltvektoren jeweils einer vorgegebenen Kombination von Schalterstellungen der Schaltelemente der B6-Brücke.
Unter einem PWM-Modulationsverfahren ist im Rahmen dieser Patentanmeldung ein Verfahren zu verstehen, bei welchem die Ströme für die einzelnen Phasen der Elektromaschine mittels eine PWM-Ansteuerung der Schaltelemente der B6-Brücke eingestellt werden.
Unter dem Vektormodulationsverfahren, bzw. der Vektormodulation oder Raumzeigermodulation ist im Rahmen dieser Patentanmeldung ein Verfahren zur Steuerung elektrischer Maschinen zu verstehen, das auf Basis der Pulsweitenmodulation der Steuerbefehle für die einzelnen Schaltelemente der B6-Brücke in der Elektromaschine die gewünschten Spannungen bzw. Ströme einstellt. Insbesondere werden dabei Spannungszeiger, die nicht einem der Grundvektoren oder Schaltvektoren entsprechen, durch abwechselndes Einstellen der geeigneten Grundvektoren bzw. Schaltvektoren erzeugt.
Steuerbefehle kennzeichnen im Rahmen dieser Erfindung diejenigen Impulse oder Signale, welche von einer Steuereinrichtung an die einzelnen Schaltelemente der B6-Brücke übertragen werden.
Unter dem Modulieren der Steuerbefehle wird im Rahmen dieser Patentanmeldung verstanden, dass die Steuerbefehle derart angepasst werden, dass sich durch das Schalten der Schaltelemente in den zwei elektrischen Phasen der Zweiphasen-Elektromaschine die gewünschte Spannung nach Betrag und Phase einstellt. Dies kann z.B. mit Hilfe des oben bereits erklärten Vektormodulationsverfahrens erreicht werden.
Unter einer Steuereinrichtung ist im Rahmen dieser Patentanmeldung jede elektrische oder elektronische Vorrichtung zu verstehen, die das erfindungsgemäße Verfahren durchführen kann und dazu geeignet ist, die Schaltelemente der B6-Brücke entsprechend anzusteuern. Eine Steuereinrichtung kann z.B. ein Steuergerät mit einem Prozessor, Speicher, In/Out-Pins und dergleichen sein. Eine Steuereinrichtung kann aber auch ein Programmmodul sein, welches von einem Steuergerät ausgeführt wird.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein Ablaufdiagramm einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das Verfahren wird insbesondere mit einer Zweiphasen-Elektromaschine 1 mit zwei elektrischen Phasen 2, 3, und einer B6-Brücke 5 mit sechs Schaltelementen 6–11 ausgeführt.
Dabei weisen die zwei elektrischen Phasen 2, 3 einen elektrischen Phasenwinkel 4 von mehr oder weniger als 90° auf.
Das Verfahren sieht in einem ersten Schritt S1 das Berechnen eines ersten elektrischen Ansteuerwinkels A1 für die erste elektrische Phase 2 und eines zweiten elektrischen Ansteuerwinkels A2 für die zweite elektrische Phase 3 basierend auf dem elektrischen Phasenwinkel 4 vor.
In einem zweiten Schritt S2 werden die Steuerbefehle 14 für die sechs Schaltelemente 6–11 der B6-Brücke 5 basierend auf dem berechneten ersten elektrischen Ansteuerwinkel A1 und dem berechneten zweiten elektrischen Ansteuerwinkel A2 moduliert.
In einer Ausführungsform ist insbesondere der elektrische Phasenwinkel der zwei elektrischen Phasen 2, 3 ungleich 90°, insbesondere zwischen 60° und < 90° oder > 90° und 120°. In einer Ausführungsform ist der elektrische Phasenwinkel zwischen den zwei elektrischen Phasen 2, 3 gleich 60° oder gleich 120°.
2 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zweiphasen-Elektromaschine 1.
Die Zweiphasen-Elektromaschine 1 weist eine erste elektrischen Phase 2 auf. Ferner weist die Zweiphasen-Elektromaschine 1 eine zweite elektrischen Phase 3 auf, die gegenüber der ersten elektrischen Phase einen elektrischen Phasenwinkel 4 von 60° aufweist.
In 2 ist die Zweiphasen-Elektromaschine 1 in der Frontalansicht rund bzw. kreisförmig ausgebildet. Andere Formen sind ebenfalls möglich.
Die Zweiphasen-Elektromaschine 1 kann in einer Ausführungsform z.B. als Transversalflussmaschine ausgebildet sein.
In 2 beträgt der elektrischen Phasenwinkel 4 60°. In weiteren Ausführungsformen kann der elektrische Phasenwinkel 4 zwischen 60° und 120°, insbesondere ungleich 90°, insbesondere auch zwischen 60° und < 90° und > 90° und 120°, insbesondere auch 120° betragen. Phasenwinkel 4 von weniger als 60° und mehr als 120° sind ebenfalls möglich.
3 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems 25.
Das elektrische Antriebssystem 25 weist eine erfindungsgemäße Zweiphasen-Elektromaschine 1 auf, welche zwei elektrische Phasen 2, 3 aufweist. Die Zweiphasen-Elektromaschine 1 ist mit einer B6-Brücke 5 derart gekoppelt, dass die sechs Schaltelemente 6–11 der B6-Brücke 5 die zwei elektrischen Phasen 2, 3 der Zweiphasen-Elektromaschine 1 ansteuern können. Die B6-Brücke 5 erhält Steuerbefehle 14, die dazu dienen, die einzelnen Schaltelemente 6–11 der B6-Brücke 5 anzusteuern.
In 3 sind die zwei elektrischen Phasen 2, 3 in Reihe derart angeordnet, dass zwei Schaltelemente 6, 7 mit dem Eingang der Reihenschaltung, zwei Schaltelemente 10, 11 mit dem Knotenpunkt zwischen den zwei elektrischen Phasen 2, 3 und zwei Schaltelemente 8, 9 mit dem Ausgang der Reihenschaltung gekoppelt sind.
Von den Schaltelementepaaren 6–7, 8–9 und 10–11 ist jeweils ein Schalter dazu ausgelegt, eine positive elektrische Spannung an der Zweiphasen-Elektromaschine 1 anzulegen. Der jeweils andere Schalter ist folglich dazu ausgebildet, eine negative Spannung an die Zweiphasen-Elektromaschine 1 anzulegen.
Durch die Anordnung der Schaltelemente wird es möglich Spannungen bzw. Ströme in verschiedenen Richtungen an die zwei elektrischen Phasen 2, 3 anzulegen. Die einzelnen möglichen Spannungen bzw. Spannungsvektoren werden in Bezug zu 6 und 7 näher erläutert.
4 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs 24.
Das Fahrzeug 24 weist eine Steuereinrichtung 23 auf, die dazu ausgebildet ist, Steuerbefehle 14 für die B6-Brücke 5 zu erzeugen. Die B6-Brücke 5 wiederum ist mit einer Zweiphasen-Elektromaschine 1 gekoppelt, um die zwei elektrischen Phasen 2, 3 der Zweiphasen-Elektromaschine 1 anzusteuern.
Das Fahrzeug 24 ist in Form einer Draufsicht eines PKW ausgebildet. Das Fahrzeug 24 kann in anderen Ausführungsformen aber jedes Fahrzeug sein, dass eine Zweiphasen-Elektromaschine 1 aufweist. Dabei kann die Zweiphasen-Elektromaschine 1 z.B. als Antrieb des Fahrzeugs 24 dienen. Die Zweiphasen-Elektromaschine 1 kann aber auch ein anderer in dem Fahrzeug benötigter Elektromotor sein.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das Verfahren der 5 basiert auf dem Verfahren der 1 und weist die weiteren Schritte S3–S5 auf.
Die Schritte S3 und S4 werden in dem Schritt S1 ausgeführt und der Schritt S5 wird nach dem Schritt S2 ausgeführt.
Dabei wird in dem Schritt S3 der erste elektrische Ansteuerwinkel A1 aus der Differenz des Winkels der ersten elektrischen Phase mit der Differenz aus 90° und dem elektrischen Phasenwinkel 4 berechnet.
In Schritt S4 wird der zweite elektrische Ansteuerwinkel A2 aus der Summe des Winkels der zweiten elektrischen Phase mit der Differenz aus 90° und dem elektrischen Phasenwinkel 4 berechnet.
Schließlich sieht der Schritt S5 vor, dass die Schaltelemente 6–11 der B6-Brücke 5 mittels der modulierten Steuerbefehle 14 angesteuert werden.
6 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer B6-Brücke 5.
In 6 ist eine B6-Brücke 5 dargestellt, die mit zwei elektrischen Phasen 2, 3 einer Zweiphasen-Elektromaschine 1 (nicht explizit dargestellt) gekoppelt ist.
Die zwei elektrischen Phasen 2, 3 sind in Reihe geschaltet. Ferner sind die Schalter 6–8 mit einem Spannungszweig gekoppelt, welcher eine positive Spannung + führt und die Schalter 9–11 mit einem Spannungszweig gekoppelt, welcher eine negative Spannungführt.
Die Schaltelemente 6 und 9, 7 und 10 und 8 und 11 sind jeweils in Reihe geschaltet. Schließlich ist der Knotenpunkt zwischen Schaltelementen 6 und 9 mit dem Eingang der ersten elektrischen Phase 2 gekoppelt, der Knotenpunkt zwischen Schaltelementen 7 und 10 mit dem Knotenpunkt zwischen den zwei elektrischen Phasen 2, 3 gekoppelt und der Knotenpunkt zwischen Schaltelementen 8 und 11 mit dem Ausgang der zweiten elektrischen Phase 3 gekoppelt.
Um die möglichen Schalterstellungen zu kennzeichnen, wird im Folgenden eine Kombination von 6 Zeichen verwendet, wobei eine 1 bedeutet, dass ein Schaltelement 6–11 durchgeschaltet ist, und eine 0 bedeutet, dass ein Schaltelement 6–11 nicht durchgeschaltet also gesperrt ist.
Dabei bezieht sich das erste Zeichen auf das Schaltelement 6, das zweite Zeichen auf das Schaltelement 7, das dritte Zeichen auf das Schaltelement 8, das vierte Zeichen auf das Schaltelement 9, das fünfte Zeichen auf das Schaltelement 10 und das sechste Zeichen auf das Schaltelement 11. Zwischen dem dritten und dem vierten Zeichen ist jeweils ein Punkt angeordnet, um diejenigen Schaltelemente 6–9, welche mit dem positiven Spannungszweig gekoppelt sind, von denjenigen zu trennen, welche mit dem negativen Spannungszweig gekoppelt sind.
Folglich stellt 100.001 diejenige Schalterstellung dar, bei welcher das Schaltelement 6 und das Schaltelement 11 durchgeschaltet sind und alle weiteren Schaltelemente 7–10 gesperrt sind. Der sich ergebende Strompfad ist in 6 als gestrichelter Pfeil dargestellt, der von dem Schaltelement 6 über die erste elektrische Phase 2 und die zweite elektrische Phase 3 zu dem Schaltelement 11 verläuft.
Bei dieser Stellung der Schaltelemente 6–11 liegt an jeder der elektrischen Phasen 2, 3 die halbe Spannung an, die zwischen dem positiven Spannungszweig und dem negativen Spannungszweig anliegt. Das gleiche gilt auch für die Schalterstellung 001.100, bei welcher lediglich die Schaltelemente 8 und 9 durchgeschaltet sind.
In 6 ist ferner der Strompfad für die Schalterstellung 010.101 durch zwei mit gepunkteten Linien ausgeführte Pfeile dargestellt. Bei der Schalterstellung 010.101 sind die Schaltelemente 7, 9 und 11 durchgeschaltet. Dadurch liegen die zwei elektrischen Phasen 2 und 3 in Parallelschaltung zwischen dem positiven Stromzweig und dem negativen Stromzweig und über ihnen fällt jeweils die gesamte Spannung ab, welche zwischen dem positiven Spannungszweig und dem negativen Spannungszweig anliegt. Das gleiche gilt in umgekehrter Richtung für die Schalterstellung 101.010.
7 zeigt eine Darstellung eines Zeigerdiagramms 26 für eine Zweiphasen-Elektromaschine 1 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Es soll in Zusammenhang mit 7 näher erläutert werden, wie die Schritte S3 und S4 durchgeführt werden können.
Jeder der Grundvektoren 12, 13 und Schaltvektoren 16–22 in 7 entspricht einer Stellung der einzelnen Schaltelemente 6–11.
Der Grundvektor 12 entspricht der Schalterstellung 100.010. Der Grundvektor 13 entspricht der Schalterstellung 010.001. Der Schaltvektor 16 entspricht der Schalterstellung 100.001. Der Schaltvektor 17 entspricht der Schalterstellung 010.101. Der Schaltvektor 18 entspricht der Schalterstellung 010.100. Der Schaltvektor 19 entspricht der Schalterstellung 001.100. Der Schaltvektor 20 entspricht der Schalterstellung 010.001. Der Schaltvektor 21 entspricht der Schalterstellung 101.010. Schließlich entspricht der Schaltvektor 22 dem Nullvektor bzw. der Schalterstellung 000.000.
Die einzelnen Schaltvektoren 16–22 können jeweils durch eine Linearkombination der Grundvektoren 12, 13 erzeugt werden. Dazu wird der jeweilige Grundvektor 12, 13 mit dem Anteil der Spannung multipliziert, welche an der jeweiligen Phase 2, 3 bei der entsprechenden Schalterstellung anliegt. Beispielsweise liegt bei der Schalterstellung 100.001 bzw. 001.100 an jeder Phase lediglich die halbe Spannung an.
Folglich ergibt sich der Schaltvektor 16 aus (0.5·Grundvektor 12 + 0.5·Grundvektor 13). Wobei Summe und Differenz als Vektoroperationen zu verstehen sind.
Der Schaltvektor 17 ergibt sich aus (–1·Grundvektor 12 + 1·Grundvektor 13).
Der Schaltvektor 18 ergibt sich aus (–1·Grundvektor 12 + 0·Grundvektor 13).
Der Schaltvektor 19 ergibt sich aus (–0.5·Grundvektor 12 – 0.5·Grundvektor 13).
Der Schaltvektor 20 ergibt sich aus (–1·Grundvektor 12 – 1·Grundvektor 13).
Der Schaltvektor 21 ergibt sich aus (1·Grundvektor 12 – 1·Grundvektor 13).
Der Schaltvektor 22 ergibt sich aus (0·Grundvektor 12 + 0·Grundvektor 13).
In dem Spannungszeigerdiagramm 26 der 7 ist jeweils an dem Ende eines jeden Vektors die entsprechende Schalterstellung vermerkt.
In 7 wird deutlich, dass die Fläche in dem Spannungszeigerdiagramm 26 gegenüber der Kreisfläche der 11 deutlich vergrößert ist. Folglich kann ein größerer Spannungsbereich genutzt werden, um die Zweiphasen-Elektromaschine 1 mit geringen Oberwellen in Strom und damit im Drehmoment anzusteuern.
8 zeigt ein Blockschaltbild einer 2H-Topologie und wurde bereits in der Einleitung beschrieben.
9 zeigt ein Diagramm für den Strom I1, I2 in den elektrischen Phasen 2, 3 einer Ausführungsform einer Zweiphasen-Elektromaschine 1 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Zweiphasen-Elektromaschine 1, für die in 9 der Strom I1, I2 der elektrischen Phasen 2, 3 dargestellt ist, weist einen elektrischen Phasenwinkel zwischen den zwei elektrischen Phasen 2, 3 von 60° auf. D.h. der Offset oder die Verschiebung gegenüber einem Winkel von 90° beträgt 30°.
In dem Diagramm der 9 ist eine obere Kurve dargestellt, die den Strom I1 für die erste elektrische Phase 2 der Zweiphasen-Elektromaschine 1 darstellt. In der unteren Kurve des Diagramms ist der Strom I2 für die zweite elektrische Phase 3 der Zweiphasen-Elektromaschine 1 dargestellt.
Da die erste elektrische Phase 2 einen Winkel von 0° aufweist, ergibt sich für den ersten elektrischen Ansteuerwinkel A1 ein Wert von –30°. Dieser berechnet sich aus der Differenz des Winkels von 0° und dem Offset bzw. der Differenz aus 90° und dem elektrischen Phasenwinkel: A1 = 0° – (90° – 60°)
Die zweite elektrische Phase 3 weist einen Winkel von 60° auf. Folglich ergibt sich für den zweiten elektrischen Ansteuerwinkel A2 ein Wert von 90°. Dieser berechnet sich aus der Summe des Winkels von 60° und dem Offset bzw. der Differenz aus 90° und dem elektrischen Phasenwinkel: A2 = 60° + (90° – 60°)
Wie in 9 zu sehen ist, sind der erste sinusförmige Strom I1 und der zweite sinusförmige Strom I2 gegeneinander um einen Winkel von 120° verschoben. Dabei ist der Nulldurchgang des ersten sinusförmigen Stroms I1 um –30° gegenüber 0° verschoben. Der Strom I1 wird durch die Funktion I1 = I1^peak·cos(ωt – A1), also I1 = I1^peak·cos(ωt + 30°) beschrieben, wobei I1^peak die Amplitude des Stroms I1 ist. Der Nulldurchgang des zweiten sinusförmigen Stroms I2 ist um +90° gegenüber 0° verschoben. Der Strom I2 wird durch die Funktion I2 = I2^peak·cos(ωt – A2), also I1 = I1^peak·cos(ωt – 90°) = I1^peak·sin(ωt) beschrieben, wobei I2^peak die Amplitude des Stroms I2 ist. In 9 wurde der Anschaulichkeit halber I1^peak = I2^peak = 1 gesetzt.
In dem Diagramm der 9 ist ferner im Hintergrund jeder der Kurven ein PWM-Signal dargestellt, welches den im Vordergrund dargestellten Stromverlauf erzeugt, wenn der Strom in der jeweiligen elektrischen Phase 2, 3 mit dem dargestellten PWM-Signal moduliert wird.
10 zeigt ein Raumzeigerdiagramm eines herkömmlichen Zweiphasen-Elektromotors mit einer 2H-Topologie und wurde bereits in der Einleitung beschrieben.
11 zeigt ein Raumzeigerdiagramm eines herkömmlichen Zweiphasen-Elektromotors mit einer B6-Brücke und wurde bereits in der Einleitung beschrieben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2464003 A2 [0015]

Claims

Verfahren zum Ansteuern einer Zweiphasen-Elektromaschine (1) mit zwei elektrischen Phasen (2, 3), wobei die zwei elektrischen Phasen (2, 3) einen elektrischen Phasenwinkel (4) ungleich 90° aufweisen, mittels einer B6-Brücke (5) mit sechs Schaltelementen (6–11), mit den Schritten: Berechnen (S1) eines ersten elektrischen Ansteuerwinkels (A1) für die erste elektrische Phase (2) und eines zweiten elektrischen Ansteuerwinkels (A2) für die zweite elektrische Phase (3) basierend auf dem elektrischen Phasenwinkel (4); Modulieren (S2) der Steuerbefehle (14) für die sechs Schaltelemente (6–11) der B6-Brücke (5) basierend auf dem berechneten ersten elektrischen Ansteuerwinkel (A1) und dem berechneten zweiten elektrischen Ansteuerwinkel (A2).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei beim Berechnen (S1) der erste elektrische Ansteuerwinkel (A1) aus der Differenz des Winkels der ersten elektrischen Phase (2) mit der Differenz aus 90° und dem elektrischen Phasenwinkel (4) berechnet wird (S3); und der zweite elektrische Ansteuerwinkel (A2) aus der Summe des Winkels der zweiten elektrischen Phase (3) mit der Differenz aus 90° und dem elektrischen Phasenwinkel (4) berechnet wird (S4).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei beim Modulieren (S2) der Steuerbefehle (14) die Steuerbefehle (14) derart moduliert werden, dass sich in der ersten elektrischen Phase (2) ein erster sinusförmiger Strom (I1) mit einem Phasenwinkel einstellt, der dem berechneten ersten elektrischen Ansteuerwinkel (A1) entspricht, und dass sich in der zweiten elektrischen Phase (3) ein zweiter sinusförmiger Strom (I2) mit einem Phasenwinkel einstellt, der dem berechneten zweiten elektrischen Ansteuerwinkel (A2) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit dem Schritt: Ansteuern (S5) der Schaltelemente (6–11) der B6-Brücke (5) mittels der modulierten Steuerbefehle (14).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 4, wobei beim Modulieren (S2) der Steuerbefehle (14) die Steuerbefehle (14) basierend auf dem berechneten ersten elektrischen Ansteuerwinkel (A1) und dem berechneten zweiten elektrischen Ansteuerwinkel (A2) nach einem PWM-Modulationsverfahren, moduliert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zwei elektrischen Phasen (2, 3) einen elektrischen Phasenwinkel (4) von weniger als 90°; und/oder wobei die zwei elektrischen Phasen (2, 3) einen elektrischen Phasenwinkel (4) von mehr als 90° aufweisen; und/oder wobei die zwei elektrischen Phasen (2, 3) einen elektrischen Phasenwinkel (4) von 60° aufweisen; und/oder wobei die zwei elektrischen Phasen (2, 3) einen elektrischen Phasenwinkel (4) von 120° aufweisen.
Zweiphasen-Elektromaschine (1), mit einer ersten elektrischen Phase (2); und mit einer zweiten elektrischen Phase (3), die einen gegenüber der ersten elektrischen Phase um mehr oder weniger als 90° verschobenen elektrischen Phasenwinkel (4) aufweist.
Zweiphasen-Elektromaschine (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Phasenwinkel (4) als 60° Winkel ausgebildet ist; und/oder dass der elektrische Phasenwinkel (4) als 120° Winkel ausgebildet ist.
Elektrisches Antriebssystem (25), mit einer Zweiphasen-Elektromaschine (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, welche zwei elektrische Phasen (2, 3) aufweist; und mit einer B6-Brücke (5), welche mit der Zweiphasen-Elektromaschine (1) derart gekoppelt ist, dass die sechs Schaltelemente (6–11) der B6-Brücke die zwei elektrischen Phasen (2, 3) der Zweiphasen-Elektromaschine (1) ansteuern.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 9, mit einer Steuereinrichtung (23), welche mit der B6-Brücke (5) gekoppelt ist und welche dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6 zur Ansteuerung der Zweiphasen-Elektromaschine (1) durchzuführen.
Fahrzeug (24), mit einem Antriebssystem (25) nach einem der Ansprüche 9 und 10.