DE102013222166B4 - Verfahren zum Betreiben eines mehrphasigen Elektromotors - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines mehrphasigen Elektromotors mit einem Stator mit wenigstens zwei, insbesondere drei, Phasen (a, b, c) und einem Rotor, wobei die jeweilige Phase (a, b, c) jeweils von einem Highside-Leistungsschalter und einem Lowside-Leistungsschalter angesteuert wird, wobei folgende Schritte ausgeführt werden:a) Bestimmen der Verlustleistungen (PvH, PvL) der Leistungsschalter,b) Bestimmen der maximalen Verlustleistung der Highside-Leistungsschalter (PvHmax) und die maximale Verlustleistung der Lowside-Leistungsschalter (PvLmax),c) Bestimmen eines Offsets (O) in der Einschaltzeit der Phasen, der für alle Phasen (a, b, c) gleich gesetzt wird, derart, dass die maximal vorkommende Verlustleistung (PvHmax, PvLmax) gegenüber der bisher vorkommenden maximalen Verlustleistung (PvHmax, PvLmax) vermindert wird, wobei das Verfahren nur dann ausgeführt wird, wenn die Temperatur einen vorgegeben Temperaturschwellenwert überschreitet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines mehrphasigen Elektromotors mit einem Stator mit wenigstens zwei, insbesondere drei, Phasen und einem Rotor, wobei die jeweilige Phase jeweils von einem Highside-Leistungsschalter und einem Lowside-Leistungsschalter angesteuert wird. Sie betrifft weiterhin eine entsprechende Vorrichtung.
  • Beim Betrieb von Elektromotoren, insbesondere permanenterregten Synchronmaschinen, in Linearaktuatoren in Kraftfahrzeugen, können zeitweise thermische Überlastungen der Motorendstufe auftreten, was dazu führen kann, dass die Motorendstufe in ihrer Funktonalität stark beeinträchtigt wird bzw. vollständig ausfällt. Wird durch sie beispielsweise in einer Druckbereitstellungseinrichtung eines im „Brake-by-Wire“-Betrieb betriebenen elektrohydraulischen Bremssystems aktiv Druck in den Radbremszylindern aufgebaut, muss bei einem Ausfall der Motorendstufe in die hydraulische Rückfallebene geschaltet werden.
  • Die Motorendstufe umfasst dabei gewöhnlich für die Ansteuerung bzw. Stromregelung jeder Phase einen Highside-Leistungsschalter und einen Lowside-Leistungsschalter. Die Leistungsschalter sind dabei beispielsweise als MOSFETs ausgeführt. Ihre Ansteuerung erfolgt bevorzugt mit Hilfe eines Pulsweitenmodulations (PWM)-Verfahrens.
  • Die Verlustleistung innerhalb einer Endstufe eines mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen, Elektromotors wird hauptsächlich von Schalt- und Leitverlusten der Leistungsschalter bestimmt. Die Leitverluste ergeben sich aus den Widerständen des Leistungsschalters, der Leiterbahnen, des Stromes in der entsprechenden Phase und der Einschaltzeit (Duty Cycle) der entsprechenden Halbbrücke.
  • Hohe Verlustleistungen und insbesondere hohe Spitzen darin, sogenannte Hot Spots, führen zu einer thermischen Belastung der Motorendstufe und können zu den oben genannten thermischen Überlastungen führen, durch die einerseits die Funktionsfähigkeit der Motorendstufe und damit auch der Motorregelung gestört wird und andererseits auch ein letztendliches Versagen der Motoransteuerung verursacht werden kann.
  • WO 2013/ 132 182 A1 zeigt ein Verfahren, das in einer Leistungsbrücke mit mehreren Pfaden durchgeführt wird. Jeder Pfad umfasst obere und untere Halbleiterschalter, die in Reihe angeordnet und parallel an erste und zweite Anschlüsse einer gemeinsamen Spannungsquelle angeschlossen sind. Ziel in WO 2013/ 132 182 A1 ist es, aktuelle Verluste in den Pfaden einer Leistungsbrücke zu minimieren, um den zulässigen Strom innerhalb der Grenzen der Wärmeabgabe der Pfade bei niedrigen elektrischen Frequenzen zu maximieren. Die Lösung besteht darin, den oberen und den unteren Halbleiterschalter komplementär mit Impulsen zu steuern, die ein bestimmtes Tastverhältnis aufweisen, das in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren bestimmt wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eine thermische Überlastung zu vermeiden und die auftretenden Verlustleistungen auf die beteiligten Leistungsschalter zu verteilen und dadurch Hot-Spots zu vermeiden. Weiterhin soll eine entsprechende Vorrichtung angegeben werden.
  • In Bezug auf das Verfahren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass folgende Schritte ausgeführt werden:
    1. a) Bestimmen der Verlustleistungen der Leistungsschalter,
    2. b) Bestimmen der maximalen Verlustleistung der Highside-Leistungsschalter und die maximale Verlustleistung der Lowside-Leistungsschalter,
    3. c) Bestimmen eines Offsets in der Einschaltzeit der Phasen, der für alle Phasen gleich gesetzt wird, derart, dass die maximal vorkommende Verlustleistung gegenüber der bisher vorkommenden maximalen Verlustleistung vermindert wird.
  • Erfindungsgemäß wird das Verfahren nur dann ausgeführt, wenn die Temperatur einen vorgegeben Temperaturschwellenwert überschreitet. Damit kommt es nur zur Anwendung, wenn eine thermische Überlastung aufgrund der auftretenden Temperaturen mittelbar oder unmittelbar droht.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass zur Vermeidung einer thermischen Überlastung einer Motorendstufe mit Leistungsschaltern, über die durch PWM-Modulation die Phasen des Motors angesteuert werden, die einzelnen maximalen Verlustleistungen möglichst reduziert werden sollten, da einzelne Spitzen das System thermisch stärker belasten als eher gleichmäßig auftretende Verlustleistungen.
  • Wie nunmehr erkannt wurde, ist eine Reduktion dieser Maxima bzw. Spitzen möglich, indem ein Offset in den Einschaltzeiten der einzelnen Phasen bestimmt wird, wodurch die Verlustleistungen zwischen den Lowside- und Highside-Leistungsschaltern verschoben werden können. Durch eine geeignete Wahl des Offsets wird gewissermaßen die Gesamtverlustleistung umverteilt, wobei durch diese Umverteilung auch eine gleichmäßigere Verteilung erreicht wird, in der die maximalen Spitzen reduziert werden können. Die gesamte Verlustleistung bleibt auf diese Weise weitgehend unverändert, durch die oben beschriebene Vermeidung von Hot-Spots können die Gesamtverluste aber geringfügig reduziert werden.
  • Vorteilhafterweise wird der Offset, welcher sich rechnerisch als ein Term in den Formeln zur Berechnung der einzelnen Spannungen niederschlägt, begrenzt durch den verfügbaren Abstand der höchsten Phasenspannung zur maximal verfügbaren Gleichspannung bzw. DC-Spannung und der niedrigsten Phasenspannung zu 0 V.
  • Zur Bestimmung des Offsets wird vorteilhafterweise eine Differenz der in Schritt b) bestimmten maximalen Verlustleistungen bestimmt, mit einem Differenzfaktor multipliziert und zu dem bisherigen Wert des Offsets addiert. Durch die Multiplikation der Differenz mit einem Differenzfaktor wird die Änderung des aktuellen Offsets definiert. Je geringer die Differenz ist, umso weniger wird der Offset verändert, was in einer iterativen Vorgehensweise auf eine Konvergenz des Verfahrens hindeuten kann.
  • Der dabei verwendete Differenzfaktor liegt vorteilhafterweise im Bereich von 0,05 und 0,2, insbesondere bei 0,1. Der Wert des Differenzfaktors hängt dabei stark von der konkreten Anwendung ab. Je größer die Ströme oder die Widerstände sind, desto größer werden die Unterschiede in den Verlustleistungen der Leistungsschalter, daher sollte der Faktor dann kleiner gewählt werden. Bei größerer Betriebsspannung und gleichen Strömen und Widerständen sollte der Faktor größer gewählt werden.
  • Je größer der Differenzfaktor gewählt wird, umso schneller ändert sich der Offset zwischen zwei Iterationen. Ist er zu groß, besteht die Gefahr des Überschwingens und der mangelnden Konvergenz.
  • Statt eines konstanten Differenzfaktors kann alternativ auch ein sich im Laufe der Iterationen verändernder Differenzfaktor verwendet werden, der beispielsweise im Laufe der Iterationen immer kleiner wird.
  • Die Bestimmung des Offsets erfolgt vorzugsweise iterativ. Das heißt, die Berechnung der Spannungen, der Verlustleistungen, die Bestimmung der maximalen Verlustleistungen und die oben beschriebene Berechnung des Offsets werden schleifenartig ausgeführt. Durch die iterative Anpassung bzw. Bestimmung des Offsets kann die Qualität der Spitzenvermeidung bzw. Umverteilung der Verlustleistungen optimiert werden. Dies beruht auf der Tatsache, dass für die Bestimmung des Offsets jeweils eine Differenz der beiden maximalen Verlustleistungen gebildet wird, welche von ihrer Größe und ihrem Vorzeichen her die Veränderung bzw. Modifikation des Offsets angibt. Durch die Multiplikation der Differenz mit einem Differenzfaktor wird gewissermaßen die Schrittweite, durch die sich der Offset verändert, definiert. Da diese Schrittweite nicht zu groß gewählt werden darf (andernfalls ergeben sich Konvergenzprobleme) sind erfahrungsgemäß mehrere Schritte notwendig, um eine optimierte Lösung zu erzielen.
  • Alternativ zu der iterativen Verfahrensweise wird in einer weiteren bevorzugten Ausführung eine analytische Berechnung des Offsets durchgeführt, wobei der höchstbelastete Highside-Leistungsschalter und der höchstbelastete Lowside-Leistungsschalter bestimmt werden und der Offset durch Gleichsetzung der Verlustleistung dieser beiden höchstbelasteten Leistungsschalter errechnet wird, so dass die beiden bisher höchstbelasteten Leistungsschalter gleich belastet sind.
  • Zu einer Verbesserung der analytischen Lösung kann in dem Fall, dass nun ein anderer Leistungsschalter eine höhere Verlustleistung aufweist, wenigstens ein weiterer Durchlauf der genannten Verfahrensschritte erfolgen, wodurch das Ergebnis der Umverteilung noch verbessert werden kann.
  • Bevorzugt wird das Verfahren - in beiden Ausführungsarten - nur dann ausgeführt, wenn die Drehzahl einen vorgegebenen Drehzahlschwellenwert unterschreitet, insbesondere wenn Sie sehr gering oder Null ist. Besonders in diesen Situationen entstehen Leistungsspitzen, während bei höheren Drehzahlen die Verlustleistungen homogener verteilt sind.
  • In Bezug auf die Vorrichtung wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit wenigstens einem hardware- und/oder softwaremäßig realisierten Modul zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche. Das Verfahren ist dabei vorzugsweise in Form eines Computerprogrammes realisiert, welches, insbesondere auf einem Mikrocontroller, in einem Steuergerät bzw. einer Steuer- und Regeleinheit des Motors bzw. der Motorendstufe abläuft.
  • Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass durch die iterative oder analytische Bestimmung eines geeigneten Offsets die einzelnen Verlustleistungen der Leistungsschalter der Motorendstufe derart umverteilt werden, dass die Leistungsspitzen, die zu der thermischen Überlastung der Motorendstufe einen großen Beitrag liefern, reduziert werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in stark schematisierter Darstellung:
    • 1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben der Endstufe eines Elektromotors in einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
    • 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben der Endstufe eines Elektromotors in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
    • 3 Spannungsverläufe von drei Phasen eines Elektromotors in Abhängigkeit eines elektrischen Umdrehungswinkels,
    • 4 Verlustleistungen in sechs Leistungsschaltern in Abhängigkeit des Drehwinkels ohne Durchführung des Verfahrens,
    • 5 Verlustleistungen in sechs Leistungsschaltern in Abhängigkeit des Drehwinkels bei Durchführung des Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform,
    • 6 die Verlustleistungen bei Durchführung des Verfahrens in der ersten Hälfte des Winkelbereiches,
    • 7 die Spannungsverläufe in den drei Phasen bei Durchführung des Verfahrens in der ersten Hälfte des Winkelbereiches,
    • 8 der zu den Spannungen gemäß 7 korrespondierende Offset,
    • 9 der Offset im Fall einer höheren Line-Line Ausgangsspannung, und
    • 10 die zu 9 korrespondierenden Phasenspannungen.
  • Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Ein in 1 in Form eines Ablaufdiagrammes dargestelltes Verfahren dient der Umverteilung der Verlustleistungen von Highside- und Lowside-Leistungsschaltern einer Endstufe eines Elektromotors mit drei Phasen a, b, c. Die Leistungsschalter, welche als MOSFETs ausgebildet sind, werden durch Pulsweitenmodulation betrieben. Das Verfahren wird vorteilhafterweise softwaremäßig in einem Motorsteuergerät bzw. einer Steuer- und Regeleinheit implementiert.
  • In einem Block 2 werden für das Verfahren benötigte Größen initialisiert. Dabei werden eine Iterationsanzahl itmax, ein Spannungsvoreilungswinkel δ, ein Stromvoreilungswinkel γ, ein Peakwert der Spannung Upeak und ein Peakwert des Stromes Ipeak festgelegt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gilt: itmax = 20, 5 = 20°, γ = 20°, Upeak = 6 V, Ipeak = 100 A. Die DC-spannung bzw. Versorgungsspannung UDC beträgt 12 V, welches dem in Kraftfahrzeugen in der Batterie des Bordnetzes üblicherweise vorliegenden Wert entspricht. Ein elektrischer Widerstand R der Leistungsschalter wird für alle sechs Leistungsschalter als gleich groß angenommen und beträgt 0,003 Ohm. Der Peakwert der Spannung Upeak wird nach oben durch den Wert UDC/√3 begrenzt.
  • Nach der Initialisierung führt das Verfahren eine Schleife 4 über Winkelwerte α von 0° bis 360° eines elektrischen Umdrehungswinkels mit einer Schrittweite von 0,1° durch. In einem Block 8 wird zunächst ein Offset O, welcher im Folgenden iterativ bestimmt wird, auf den Wert 0 gesetzt. Der Offset O ist ein Spannungsoffset, der weiter unten im Verfahren jeweils zu allen Spannungen der Phasen addiert wird.
  • In Block 8 werden weiterhin die Spannungen Ua, Ub, Uc sowie die Ströme Ia, Ib, Ic der Phasen a, b und c berechnet durch U x = U peak ∗ sin ( ( α+δ+ ε x ) / 180 ∗ π ) + U DC / 2,
    Figure DE102013222166B4_0001
     I x = I peak ∗ sin ( ( α+γ+ ε x ) / 180 ∗ π ) ,
    Figure DE102013222166B4_0002
    wobei x = a, b c und εa = 0°, εb = 120° und εc = 240°.
  • Entweder werden Ströme Ia, Ib und Ic aus dem Ergebnis einer Berechnung mittels eines Motormodells oder die im letzten Regelzyklus gemessenen/ermittelten Ist-Ströme verwendet. Aufgrund der Anwendung bei vorzugsweise kleinen Motordrehzahlen sind die Änderungen dabei vernachlässigbar.
  • In einem Block 14 werden nun die Nullvektoren gleichmäßig verteilt. Dazu wird ein Abstand nach unten, au berechnet als Minimum der Spannungen Ua, Ub, und Uc. Ein Abstand nach oben ao wird berechnet als Differenz der DC-Spannung UDC und dem Maximum der Spannungen Ua, Ub, Uc. Ein Abstand in der Mitte dieser beiden Abstände am wird berechnet gemäß am = (ao - au) /2. Ein möglicher bzw. begrenzender Abstand ag, der als Begrenzung für den Wertebereich des Offsets O dient, ergibt sich dann zu a g = a o − a m .
    Figure DE102013222166B4_0003
  • In einer Schleife 20 wird nun der Offset O iterativ bestimmt, wobei eine Anzahl von Schleifendurchläufen bzw. Iterationen itmax durchgeführt wird. Alternativ oder in Kombination dazu kann auch ein Abbruchkriterium gewählt werden, das beispielsweise erfüllt ist, wenn die absolute Änderung und/ oder die relative Änderung des Offsets zwischen zwei folgenden Iterationen betragsmäßig einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreiten.
  • In einem Block 26 werden die Phasenspannungen Ua, Ub und Uc berechnet gemäß U x = U peak ∗ sin ( ( α+δ+ ε x ) / 180 ∗ π ) + U DC / 2 + a m + O ,
    Figure DE102013222166B4_0004
    wieder mit x = a, b c und εa = 0°, εb = 120° und εc = 240°.
  • In der ersten Iteration ist der Offset O noch 0, so dass in der ersten Iteration die Spannungen Ua, Ub, Uc wie in Block 8 berechnet werden, wobei zu diesen Spannungen noch jeweils der mittlere Abstand am addiert wird. In den folgenden Iterationen, wenn der Offset O von 0 verschiedene Werte annimmt, verändern sich dadurch dann zusätzlich die Werte der Spannungen Ua, Ub, Uc.
  • In einem Block 32 werden dann für jede Phase a, b, c die Verlustleistungen des jeweiligen Highside-Leistungsschalters PvH und des jeweiligen Lowside-Leistungsschalters PvL berechnet. Sie ergeben sich zu PvH x = I x 2 ∗ R ∗ U x /U DC ,
    Figure DE102013222166B4_0005
     PvL x = I x 2 ∗ R ∗ ( 1 − U x /U DC ) .
    Figure DE102013222166B4_0006
  • Ein H bezeichnet dabei jeweils die Highside-, ein L die Lowside-Komponente, und x = a, b, c.
  • In einem Block 38 werden nun die maximale Highside-Verlustleistung PvHmax und die maximale Lowside-Verlustleistung PvLmax bestimmt (jeweils aus den PvHx bzw. PvLx) . Zudem wird eine Differenz D dieser beiden maximalen Verlustleistungen gebildet gemäß D = PvHmax - PvLmax.
  • In einem Block 44 wird dem Offset O nun ein neuer Wert zugewiesen, welcher gegeben ist durch den bisherigen Wert des Offsets O, vermindert um das Produkt aus der Differenz D mit einem Differenzfaktor fd, welcher vorliegend den Wert 0,1 hat, d. h. On wird zugewiesen On-1 - D * fd, wobei n die aktuelle und n-1 die vorherige Iteration bezeichnet.
  • Der Offset O wird nun noch betragsmäßig auf den Wert des mögliche Abstandes ag begrenzt, d. h. gilt O > ag wird O auf ag gesetzt; gilt O < -ag wird O auf -ag gesetzt. Beide Überprüfungen sind notwendig, da der Offset O sowohl positive als auch negative Werte annehmen kann.
  • In der nun folgenden nächsten Iteration werden in Block 26 wieder die Spannungen berechnet, welche sich aufgrund des veränderten Wertes von O von denen der vorherigen Iteration unterscheiden. Aufgrund der veränderten Spannungen ergeben sich nun wiederum auch neue Werte für die Verlustleistungen. Das Verfahren ändert iterativ den Wert des Offsets O derart, dass sich die maximalen Verlustleistungen so verschieben, dass deren Differenz D im Laufe der Iterationen vermindert wird. Dadurch werden Spitzen in den Verlustleistungen, die sogenannten Hot Spots, vermieden, so dass das Risiko einer thermischen Überlastung der Motorendstufe bzw. der darin verbauten Leistungsschalter deutlich vermindert wird.
  • Ein Verfahren in einer zweiten bevorzugten Ausführung ist in 2 dargestellt. Bei diesem Verfahren wird eine analytische Lösung für den Offset gesucht. Die Verfahrensschritte in den Blöcken 2, 8 und 14, 26, 32 entsprechen denen des im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Verfahrens, mit dem Unterschied, dass in Block 2 keine maximale Iterationszahl bestimmt werden muss. Auch hier wird wieder eine Schleife 4 über die Winkel durchgeführt, eine Schleife 20, in der iterativ der Offset O bestimmt wird, entfällt hier allerdings. In einem Block 50 werden nun jeweils ein Index iH der maximalen Highside-Verlustleistung (iH = a, b, oder c) und ein Index iL der maximalen Highside-Verlustleistung (iL = a, b oder c) bestimmt. Mit Hilfe dieser Indices iH, iL wird nun ein Wert für den Offset O bestimmt. Dabei werden folgende Fälle unterschieden:
    1. 1. Beide Indices iH, iL sind gleich, d. h., die maximale Highside-Verlustleistung und die maximale Lowside-Verlustleistung gehören zur gleichen Phase. In diesem Fall wird dem Offset O der Wert 0,5 - Ux/UDC zugeordnet, wobei x = iH = iL gilt.
    2. 2. Die Indices iH und iL sind unterschiedlich, d. h. die maximale Highside-Verlustleistung und die maximale Lowside-Verlustleistung korrespondieren zu unterschiedlichen Phasen. Mit i = iH und j = iL wird dann dem Offset O der Wert O = (Ij 2 * (1 - U3/UDC) - Ii 2 * U1/UDc) / (Ii 2 + Ij 2) zugeordnet.
  • In beiden Fällen wird der Offset O noch mit der Gleichspannung UDC multipliziert, um zu dem neuen Wert zu gelangen.
  • In einem Block 56 wird der Offset O nun, wie oben beschrieben, betragsmäßig auf den möglichen Abstand ag begrenzt. Nun werden in einem Block 62 wieder, wie oben im Zusammenhang mit den Blöcken 26 und 32 diskutiert, erneut die Spannungen Ua,b,c, die Verlustleistungen PvHa,b,c und PvLa,b,c sowie die maximale Highside-Verlustleistung und die maximale Lowside-Verlustleistung berechnet.
  • In einer Entscheidung 68 wird überprüft, ob der Betrag der Differenz zwischen maximaler Highside-Verlustleistung und maximaler Lowside-Verlustleistung größer ist als deren Mittelwert multipliziert mit einem Faktor, der vorliegend zu 0,01 gewählt wurde. Ist dies nicht der Fall, wird das Verfahren in Block 70 beendet, da eine Vermeidung von Leistungsspitzen ausreichend gelungen ist. Andernfalls werden die Verfahrensschritte ab Block 50 erneut durchgeführt. Durch die Berechnung des Offsets wurden nämlich zwar die bisherigen bekannten maximalen Verlustleistungen reduziert - eine Verlustleistung eines anderen Leistungsschalters ist durch die Wahl des Offsets aber nun derart angestiegen, dass diese Spitze nun noch vermindert werden soll.
  • Diese Wiederholung der Verfahrensschritte kann gegebenenfalls auch mehrfach erfolgen, bis die Verlustleistungsspitzen ausreichend reduziert worden sind.
  • Die folgenden Figuren entstammen einer Simulationsrechnung zur Verdeutlichung des oben besprochenen Verfahrens. In 3 ist auf einer x-Achse 90 ein Winkel bzw. Phasenwinkel aufgetragen, während auf einer y-Achse 92 eine Spannung in der Einheit Volt aufgetragen ist. Drei Kurven 96, 98, 100 verdeutlichen den Verlauf der Spannung der drei Phasen a, b, c über einer elektrischen Umdrehung bei gleichmäßiger Verteilung der Nullvektoren, wie sie erfindungsgemäß zu Beginn des Verfahrens vorgesehen ist. Dabei ist die Spannungsreserve, d. h. der Spannungsbereich, der zur Variation hin zu höheren (bis zur maximalen Spannung UDC von 12 V) und zu niedrigeren Spannungen (bis hinunter zu 0 V) zur Verfügung steht, gleich. Mit anderen Worten, Die Differenz der in den Phasen geringsten Spannungen zu 0 V ist gleich der Differenz der höchsten Spannung UDC zu den vorkommenden Spannungsmaxima.
  • In 6 sind dazu durch die Kurven 104, 106, 108, 110, 112, 114 die korrespondierenden Verlustleistungen in den drei Highside- und den drei Lowside-Leistungsschaltern auf der y-Achse 92 in der Einheit Watt (W) aufgetragen. Die Maxima aller Verlustleitungen sind hierbei gleich hoch.
  • In 5 sind nun durch die Kurven 12, 122, 124, 126, 128 und 130 die Verlustleistungen dargestellt, die sich bei Anwendung des Verfahrens mit der analytischen Lösung für den Offset O ergeben. Dabei wurde bis zu dem Winkel von 180° ein Durchlauf zur Bestimmung von O durchgeführt, in dem Bereich von 180° bis 360° wurden zwei Durchläufe zur Bestimmung von O durchgeführt. Dabei ist deutlich erkennbar, dass im Vergleich zu nur einem Durchlauf der Verlauf der Verlustleistungen in ihren Spitzenbereichen abgerundet wurde, während die absoluten Maxima in beiden Bereichen, also 0° bis 180° und 180° bis 360°, ungefähr gleich blieben. Im Vergleich zu 4 wird deutlich, dass aufgrund der erfolgten Umverteilung der Verlustleistungen deren Maxima niedriger ausfallen, wodurch die thermische Belastung der Motorendstufe verringert wird. Bei Anwendung des analytischen Verfahrens werden zunächst die Leistungsschalter, die ohne einen Eingriff die maximalen Verlustleistungen in Low-Side und High-Side erzeugen, gesucht. Die Verteilung der Verlustleistung einer Phase auf High- und Low-Side bestimmt sich aus der Spannung, die Gesamthöhe der Verluste aus dem Strom. Daher kann bei hohem Strom und kleiner Spannung (bezogen auf Ubat/2) eine kleine Verlustleistung errechnet werden, die sich bei Anwendung eines Offsets stark vergrößert, weil der Strom in dieser Phase groß ist.
  • Dadurch kann es vorkommen, dass nach der Durchführung des ersten Durchlaufs die Verlustleistung eines Schaltelements sich derart gesteigert hat, dass sie fortan die dominierende Verlustleistung darstellt. Falls diese zwar verbesserte, aber noch nicht optimale Verlustleistungsverteilung nicht akzeptiert wird, kann der Fehler durch einen nochmaligen Durchlauf korrigiert werden.
  • Bei der in der 6 gezeigten Simulation wird das Verfahren bei den elektrischen Umdrehungswinkeln von 0-180° durchgeführt und ist danach inaktiv, wodurch die Reduktion der Verlustleistungsmaxima deutlich sichtbar wird.
  • In 7 werden mit den Kurven 96, 98, 100 wieder wie in 3 die Spannungsverläufe in den drei Phasen a, b, c dargestellt, wobei diesmal im Winkelbereich 0° bis 180° das oben beschriebene Verfahren betrieben wird und dann inaktiv ist. Aus diesem Grund ergibt sich im Winkelbereich 180° bis 360° jeweils wieder ein Spannungsverlauf, der demjenigen aus 3 entspricht. Im Winkelbereich 0° bis 180° hat die Reduzierung der maximalen Verlustleistungen und die damit einhergehende Bestimmung des Offsets O dazu geführt, dass die Spannungsverläufe einen größeren Wertebereich abdecken, mit anderen Worten: der Abstand zwischen Spannungsmaxima und Spannungsminima in den drei Phasen ist größer geworden.
  • In 8 ist dabei der in der Kurve 138 der korrespondierende Offset O aufgetragen, welcher für alle Phasenspannungen verwendet wird und einem Offset in der Einschaltzeit entspricht. Durch eine Kurve 140 ist eine obere Grenze bzw. Spannungsreserve, die dem Verfahren zur Verfügung steht, für den Offset O angegeben, durch eine Kurve 142 eine entsprechende untere Grenze bzw. untere Spannungsreserve. Der Wert für den Offset O muss sich für jeden Winkel in diesem Wertebereich bewegen. Wie aus 8 erkennbar ist, wurde im vorliegenden Durchlauf dieser Wertebereich nicht vollständig ausgeschöpft. Ab dem Winkel 180° ist der Offset O 0, da hier das Verfahren nicht angewendet wurde.
  • In 9 sind durch die Kurve 138 wieder der Offset O und durch die Kurven 138 und 142 wieder obere bzw. untere Begrenzungen für den Offset O angegeben für den Fall einer höheren Line-Line-Ausgangsspannung. Der Aussteuergrad ist hierbei insgesamt höher, daher befindet sich der gewählte Offset fast immer in einer der oberen oder unteren Begrenzungen. Dazwischen sind nur sehr kurze Übergänge, während denen der Offset schnell von unterer zu oberer Begrenzung wechselt. Daher sieht man in 10 Bereiche, in denen die Ausgangsspannung der Phasen die obere oder untere Grenze erreicht. Aufgrund des fehlenden „Spielraums“ kann das Verfahren hier nicht mehr wirken.
  • Wie bereits oben erklärt, kommt dieser Fall (hohe Aussteuerung) selten mit dem thermisch bedeutenden Fall (nahezu Stillstand) zusammen. Die entsprechenden Spannungsverläufe sind in 10 dargestellt.
  • Bezugszeichenliste
    • 2
    Block
    4
    Schleife
    8
    Block
    14
    Block
    20
    Schleife
    20
    Block
    26
    Block
    32
    Block
    38
    Block
    44
    Block
    50
    Block
    56
    Block
    62
    Block
    68
    Entscheidung
    70
    Block
    90
    x-Achse
    92
    y-Achse
    96
    Kurve
    98
    Kurve
    100
    Kurve
    104, 106, 108, 110, 112, 114
    Kurve
    120, 122, 124, 126, 128, 130
    Kurve
    138, 140, 142
    Kurve

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben eines mehrphasigen Elektromotors mit einem Stator mit wenigstens zwei, insbesondere drei, Phasen (a, b, c) und einem Rotor, wobei die jeweilige Phase (a, b, c) jeweils von einem Highside-Leistungsschalter und einem Lowside-Leistungsschalter angesteuert wird, wobei folgende Schritte ausgeführt werden: a) Bestimmen der Verlustleistungen (PvH, PvL) der Leistungsschalter, b) Bestimmen der maximalen Verlustleistung der Highside-Leistungsschalter (PvHmax) und die maximale Verlustleistung der Lowside-Leistungsschalter (PvLmax), c) Bestimmen eines Offsets (O) in der Einschaltzeit der Phasen, der für alle Phasen (a, b, c) gleich gesetzt wird, derart, dass die maximal vorkommende Verlustleistung (PvHmax, PvLmax) gegenüber der bisher vorkommenden maximalen Verlustleistung (PvHmax, PvLmax) vermindert wird, wobei das Verfahren nur dann ausgeführt wird, wenn die Temperatur einen vorgegeben Temperaturschwellenwert überschreitet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Offset (O) begrenzt wird durch den verfügbaren Abstand (am) der höchsten Phasenspannung zur maximal verfügbaren Gleichspannung (UDC) und der niedrigsten Phasenspannung zu 0 V.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Differenz (D) der in Schritt b) bestimmten maximalen Verlustleistungen bestimmt, mit einem Differenzfaktor (fd) multipliziert und zu dem bisherigen Wert des Offsets (O) addiert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Differenzfaktor (fd) im Bereich 0,05 und 0,2, insbesondere bei 0,1, liegt.
  5. Verfahren, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Bestimmung des Offsets (O) iterativ erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der höchstbelastete Highside-Leistungsschalter und der höchstbelastete Lowside-Leistungsschalter bestimmt werden und der Offset (O) durch Gleichsetzung der Verlustleistung dieser beiden höchstbelasteten Leistungsschalter errechnet wird, so dass die beiden bisher höchstbelasteten Leistungsschalter gleich belastet sind.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei in dem Fall, dass nun ein anderer Leistungsschalter eine höhere Verlustleistung aufweist, ein wenigstens weiterer Durchlauf der Verfahrensschritte gemäß Anspruch 6 erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welches nur dann ausgeführt wird, wenn die Drehzahl einen vorgegebenen Drehzahlschwellenwert unterschreitet.
  9. Vorrichtung zum Betreiben eines mehrphasigen Elektromotors mit einem Stator mit wenigstens zwei, insbesondere drei, Phasen (a, b, c) und einem Stator, wobei die jeweilige Phase (a, b, c) jeweils von einem Highside-Leistungsschalter und einem Lowside-Leistungsschalter angesteuert wird, mit wenigstens einem hardware- und/oder softwaremäßig realisierten Modul, welches das Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche durchführt.
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