DE102014006409A1

DE102014006409A1 - Method for synchronizing a control electronics to a rotating motor with sinusoidal control

Info

Publication number: DE102014006409A1
Application number: DE102014006409.3A
Authority: DE
Inventors: Jörg Krupar
Original assignee: Elmos Semiconductor SE
Current assignee: Elmos Semiconductor SE
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2015-10-15

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Synchronisation, das bei der Ansteuerung von möglicherweise bereits bewegten Elektromotoren zur Verwendung kommt- Dabei werden die Motoren mit mindesten einer Halbbrücke über je eine gesteuerte Anschlussleitung angesteuert. Bei der Ansteuerung der Halbbrücke ist eine Totzeit (6) im zugehörigen Ansteuersignal vorgesehen, wobie der Begriff Totzeit sich auf den Anteil an einer Ansteuerperiode (T) bezieht. In einem ersten Fall ist die Totzeit (6) zu Beginn des Synchronisationsprozesses von der Totzeit (6) zum Ende des Synchronisationsprozesses verschieden. In einem zweiten Fall ist die Totzeit (6) zu einem früheren Zeitpunkt des Synchronisationsprozesses als das Ende des Synchronisationsprozesses von der Totzeit (6) zum Ende des Synchronisationsprozesses verschieden.The invention describes a method for synchronization, which is used in the control of possibly already moving electric motors for use. The motors are actuated with at least one half-bridge via a respective controlled connection line. When driving the half-bridge a dead time (6) is provided in the associated drive signal, wherein the term dead time refers to the proportion of a drive period (T). In a first case, the dead time (6) at the beginning of the synchronization process is different from the dead time (6) at the end of the synchronization process. In a second case, the dead time (6) at an earlier time of the synchronization process than the end of the synchronization process is different from the dead time (6) at the end of the synchronization process.

Description

Einleitungintroduction

Die Ansteuerung von Permanentmagnet-erregten Synchronmaschinen (PMSM) ist eine Aufgabe, bei der stets ein Drehfeld erzeugt werden muss, das bezüglich seiner Phasenlage, Amplitude und Feldfrequenz in einem fest vorgeschriebenen Zusammenhang zum Rotorfeld der Maschine steht. Es existiert eine Reihe von Verfahren zur Generierung eines entsprechenden Drehfeldes im Stand der Technik. Diese lösen die Aufgabe der Ansteuerung im stationären Betrieb, bei Last- und Drehzahlwechseln sowie beim Start aus dem Stillstand mehr oder weniger gut.The control of permanent magnet-excited synchronous machines (PMSM) is a task in which always a rotating field must be generated, which is in terms of its phase position, amplitude and field frequency in a fixed prescribed relationship to the rotor field of the machine. There are a number of methods for generating a corresponding rotating field in the prior art. These solve the task of control in stationary operation, with load and speed changes and when starting from standstill more or less well.

Ein größeres Problem im Stand der Technik stellt jedoch heute noch das Aufsynchronisieren auf eine sich bereits drehende Maschine dar. In diesem Betriebsfall erfolgt keine Ansteuerung. Die Anschlüsse der Maschine sind hochohmig und die Maschine dreht sich bereits entweder durch Fremdantrieb oder durch ihre Massenträgheit. Solche Betriebsfälle tauchen beispielsweise bei Windkraftanlagen, Kühlventilatoren oder Motoren die Fahrzeuge antreiben auf. Im ersteren Fall wird die Windkraftanlage beispielsweise durch den Wind bereits in Bewegung versetzt. Bei Kühlventilatoren kann dies beispielsweise durch den Fahrtwind des Fahrzeugs geschehen. Bei Elektrofahrzeugen kann dies beispielsweise der Betriebsfall der Zuschaltung des Elektroantriebs bei einem sich bereits bewegendem Fahrzeug sein.However, a major problem in the prior art still today is the synchronization with an already rotating machine. In this operating case, no activation takes place. The connections of the machine are high-impedance and the machine is already turning either by external drive or by their inertia. Such operating cases occur, for example, in wind turbines, cooling fans or engines that drive vehicles. In the former case, the wind turbine is already set in motion, for example by the wind. For cooling fans, this can be done for example by the wind of the vehicle. In electric vehicles, this can be, for example, the operating case of the connection of the electric drive in an already moving vehicle.

Die im Folgenden beschriebenen Probleme treten typischerweise beim Aufsynchnonisieren auf eine sich drehende Maschine bei sinusförmiger Ansteuerung auf. Dieser Fall kann z. B. bei Kühlerlüftern, Klimalüftern und diversen Pumpen auftreten, aber auch in anderen Anwendungen wie z. B. Klimaklappensteuerungen im Hausbereich.The problems described below typically occur during spin-up on a rotating machine with sinusoidal drive. This case can z. B. in radiator fans, air conditioners and various pumps, but also in other applications such. B. Climate flap controls in the home.

Das Erzeugen einer phasen- und frequenzrichtigen Ansteuerung stellt dabei an sich kein Problem dar, da beides entweder durch Auswertung von Sensorsignalen oder z. B. rückgemessenen Spannungen hinreichend genau ermittelt werden kann.The generation of a phase and frequency-correct control is not a problem in itself, since both either by evaluation of sensor signals or z. B. re-measured voltages can be determined with sufficient accuracy.

Die Erzeugung der korrekten Amplitude für eine sanfte Übernahme der Motorkontrolle durch die Ansteuerungsschaltung ist jedoch noch ein Problem. Speziell bei Maschinen mit hoher Leistung und geringem Innenwiderstand führen bereits sehr geringe Abweichungen der Ansteueramplitude gegenüber der durch den Motor vorgegebenen Amplitude zu starken Stromanstiegen während des Übergangs vom hochohmigen Zustand des Motors in den normalen angesteuerten Zustand. Der steile Stromanstieg wiederum führt zu starken Spannungsänderungen in der Versorgungsspannung sowie zu starken Drehmomentwechseln und ggf. zu Geräuschen, die beispielsweise bei der Verwendung im Kfz stören. Die somit parasitär möglichen starken Drehmomentwechsel wiederum können zur Schädigung des mechanischen, an den Motor angeschlossenen Systems führen. In bestehenden Systemen zur Ansteuerung wird z. B. durch Messung der Amplitude oder auch Berechnung aus der Felddrehzahl unter Nutzung von im Speicher des Systems abgelegten Konstanten versucht, im Übernahmezeitpunkt eine möglichst genaue Amplitude zu erzeugen. Jedoch gelingt dies nicht immer, was zu den bereits genannten, teilweise inakzeptablen Effekten führt.However, generating the correct amplitude for a smooth takeover of motor control by the drive circuit is still a problem. Especially in machines with high performance and low internal resistance even very small deviations of the driving amplitude compared to the predetermined amplitude by the motor to strong current increases during the transition from the high-impedance state of the engine in the normal controlled state. The steep rise in current in turn leads to strong voltage changes in the supply voltage and to strong torque changes and possibly to noise that interfere, for example, when used in the car. The thus possible strong parasitic torque changes in turn can lead to damage to the mechanical system connected to the engine. In existing systems for controlling z. B. by measuring the amplitude or calculation from the field speed using stored in the memory of the system constants trying to produce the highest possible amplitude in the acquisition time. However, this does not always succeed, leading to the already mentioned, partially unacceptable effects.

Aus der DE 10 2008 059 052 A1 ist ein Verfahren bekannt, mit dem die Rotorlage einer Synchronmaschine mit permanenterregtem Rotor durch Vermessung der Stator-Ströme und -Spannungen durch Vermessung der Stator-Spannungen während eines Messfensters (Bezugszeichen T_M der DE 10 2008 059 052 A1) bestimmt wird. Während dieses Messfensters wird die Bestromung des Stators ausgesetzt. Der Fachmann wird vorzugsweise die Lage dieses Messfensters so bestimmen, dass die Messung der Rotorlage in der Nähe des Nulldurchgangs des Stator-Stromes, also während der ohnehin notwendigen Totzeit, erfolgt.From the DE 10 2008 059 052 A1 a method is known with which the rotor position of a synchronous machine with permanent-magnet rotor by measuring the stator currents and voltages by measuring the stator voltages during a measurement window (reference character T _M DE 10 2008 059 052 A1) is determined. During this measurement window, the current supply to the stator is suspended. The person skilled in the art will preferably determine the position of this measurement window in such a way that the measurement of the rotor position takes place in the vicinity of the zero crossing of the stator current, that is to say during the idle time which is necessary in any case.

Aus der DE 10 2010 030 239 A1 ist ein Verfahren zum Anlassen einer Synchronmaschine mit permanenterregtem Rotor bekannt, bei dem sich die absolute Totzeit, z. B. in ms gemessen, ändert, nicht jedoch die relative Totzeit bezogen auf eine Ansteuerperiode. Aufgrund des verwendeten Schaltschemas der nicht sinusförmigen Ansteuerung (2 der DE 10 2010 030 239 A1) beträgt die dort verwendete Totzeit in Summe immer ein Drittel der Ansteuerperiode, sodass immer nur zwei Wicklungsstränge stromführend sind (Seite 5, Zeile 1 und 2 linke Spalte der DE 10 2010 030 239 A1).From the DE 10 2010 030 239 A1 is a method for starting a synchronous machine with permanent-magnet rotor known, in which the absolute dead time, z. B. measured in ms, changes, but not the relative dead time with respect to a drive period. Due to the circuit diagram of the non-sinusoidal control ( 2 DE 10 2010 030 239 A1), the total dead time used there is always one third of the drive period, so that only two phase windings are always live (page 5, lines 1 and 2 left column of DE 10 2010 030 239 A1).

Das zuvor beschriebene Problem wird für eine sinusförmige Ansteuerung derzeit noch nicht gelöst. Auch geben die aus dem bekannten Stand der Technik keinen Hinweis auf eine Lösung des beschriebenen Problems.The problem described above is currently not solved for a sinusoidal control. Also, from the known prior art give no indication of a solution to the problem described.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Aufgabe ist es, eine Möglichkeit der Aufsynchnonisierung bei sinusförmiger Ansteuerung zu schaffen, welches keines der o. g. Probleme aufweist und diese somit vermeidet. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Ansteuerung nach Anspruch 13 und eine Maschine nach Anspruch 14 gelöst.The task is to create a possibility of up-synchronization in sinusoidal control, which none of the o. G. Has problems and thus avoids them. This object is achieved by a method according to claim 1 and a drive according to claim 13 and a machine according to claim 14.

Erfindungsbeschreibung invention description

Die Erfindung erlaubt im Gegensatz zum Stand der Technik ein störungsfreies Aufsynchronisieren auf einen sich bereits drehenden Motor. Darüber hinaus kann in der Ansteuerung die sonst nötige Parametrierung der Motorkonstante eingespart werden. Die Erfindung wird im Folgenden erläutert.The invention allows in contrast to the prior art, a trouble-free synchronization on an already rotating engine. In addition, the otherwise necessary parameterization of the motor constant can be saved in the control. The invention will be explained below.

Es ist der wesentliche erfinderische Gedanke, der in dieser Beschreibung offenbart wird, die oben beschriebene Aufgabe durch Verwendung eines speziellen Verfahrens zu lösen, das während des Aufsynchronisierens die Totzeit verändert, indem deren relativer Anteil der Totzeit an einer Ansteuerperiode verändert wird. Eine Ansteuerperiode hat dabei eine zeitliche Länge T, die dem Kehrwert der Ansteuerfrequenz entspricht.It is the essential inventive concept disclosed in this specification to solve the above-described object by using a special method which changes the dead time during the synchronization by changing their relative proportion of the dead time on a drive period. A drive period has a time length T which corresponds to the reciprocal of the drive frequency.

Dies wird im Folgenden näher erläutert: Bei der Ansteuerung von Halbbrücken wird eine Totzeit benutzt, um Querstrom durch den High-Side-Treibertransistor und den Low-Side-Treibertransistor während der Übergangsphasen beim Schalten zu vermeiden. Ein solcher Querstrom würde zu einer unnötigen Erhitzung und/oder gar Zerstörung der Halbbrücke führen, was nur durch eine belastbarere Auslegung und damit eine Verteuerung der Halbbrücke vermieden werden könnte. Diese Totzeit, in der die Ansteuerung zur Vermeidung eines Querstroms ausgesetzt wird, wird gemäß des Standes der Technik relativ zur Ansteuerperiode minimiert, da sie Abweichungen zwischen dem gewünschten und dem tatsächlichen Tastverhältnis verursacht. Die Abweichung des tatsächlichen Tastverhältnisses hängt dabei wiederum von der Laststromrichtung ab.This is explained in more detail below: When driving half-bridges, a dead time is used to avoid cross-current through the high-side driver transistor and the low-side driver transistor during the transition phases during switching. Such a cross-flow would lead to unnecessary heating and / or even destruction of the half-bridge, which could only be avoided by a more robust design and thus an increase in the price of the half-bridge. This dead time, in which the drive is applied to avoid a cross current, is minimized in the prior art relative to the drive period, since it causes deviations between the desired and the actual duty cycle. The deviation of the actual duty cycle in turn depends on the load current direction.

Wenn im Folgenden von Totzeit die Rede ist, so ist damit immer der relative Anteil dieser Totzeit bezogen auf die Ansteuerperiode gemeint. Sie wird daher vorzugsweise in % der Ansteuerperiode angegeben.If, in the following, dead time is mentioned, then this always means the relative proportion of this dead time in relation to the activation period. It is therefore preferably given in% of the driving period.

Diesen Effekt nutzt das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufsynchnonisierung aus. Es erzeugt zu Beginn des Prozesses zur Aufsynchronisierung der Ansteuerung auf eine sich möglicher Weise bereits drehende Maschine entgegen den Verfahren aus dem Stand der Technik, die die Totzeit typischerweise minimieren, eine bewusst deutlich erhöhte Totzeit. Der nach dem Stand der Technik dadurch erzeugte „Fehler” des Tastverhältnisses wird im Verfahren als „Unsicherheit” der Ausgangsspannung verwendet. Diese „Unsicherheit” wird im Verfahren so eingestellt, dass sie im Moment des Aufsynchronisierens mindestens so groß ist, wie die Unsicherheit, die die zu erzeugende Ausgangsspannung z. B. aufgrund von Messfehlern und Parametrierungsfehlern bereits hat. Ziel ist es also, mittels einer künstlich stark vergrößerter Totzeit eine Ausgangsspannung mit einem „Unsicherheitsbereich” so zu erzeugen, dass die tatsächliche, zu erzeugende, exakte Ausgangsspannung innerhalb dieses „Unsicherheitsbereiches” liegt. Anschließend wird die Totzeit langsam bis zum minimal möglichen Wert verringert.This effect is exploited by the process according to the invention for upconnauterization. It generates at the beginning of the process for synchronization of the control in a possible way already rotating machine against the method of the prior art, which typically minimize the dead time, a deliberately significantly increased dead time. The "error" of the duty cycle generated according to the prior art is used in the method as "uncertainty" of the output voltage. This "uncertainty" is set in the process so that it is at least as large at the moment of Aufsynchronisieren as the uncertainty that the output voltage to be generated z. B. due to measurement errors and parameterization errors already has. The aim is thus to generate an output voltage with an "uncertainty range" by means of an artificially greatly increased dead time in such a way that the actual, exact output voltage to be generated lies within this "uncertainty range". Subsequently, the dead time is slowly reduced to the minimum possible value.

Dieser minimal mögliche Wert wird erkannt, wenn der Wert eines Registers, das die aktuelle Totzeit enthält, einen vorher parametrierten Wert, der an anderer Stelle, z. B. einem anderen Register, abgelegt wurde, nicht mehr überschreitet. Dieser parametrierte Wert ist nur von der Dimensionierung der Halbbrücken und nicht von der Last bzw. dem Motor abhängig. Natürlich ist es beispielsweise auch denkbar, diesen Zielwert analog von außen oder fest einzustellen und diesen von außen vorgegebenen vorher parametrierten Wert mit dem Wert des Registers zu vergleichen. Statt einer digitalen Lösung ist hier selbstverständlich auch eine rein analoge Lösung möglich.This minimum possible value is recognized when the value of a register containing the current dead time has a previously parameterized value that is elsewhere, eg. B. another register, was stored, no longer exceeds. This parameterized value depends only on the dimensioning of the half-bridges and not on the load or the motor. Of course, it is also conceivable, for example, to set this target value analogously from the outside or fixed and to compare this externally predefined value with the value of the register. Of course, instead of a digital solution, a purely analogue solution is also possible.

Durch die langsame Verringerung wird eine kontinuierliche Übernahme mit sanftem Strom- und Drehmomentenverlauf ermöglicht.The slow reduction allows a continuous transfer with gentle current and torque characteristics.

Darüber hinaus erlaubt dieses Verfahren die Einsparung der aufwändigen Parametrierung des Motors, so dass z. B. ohne Einmessvorgänge in der Produktion oder bei der Inbetriebnahme einfach bei drehendem Motor die ungefähre Amplitude gemessen werden kann und die Aufsynchronisation mit einer entsprechenden sehr großen Totzeit gestartet werden kann.In addition, this method allows the saving of the complex parameterization of the engine, so that z. B. without Einmessvorgänge in production or during commissioning simply with a rotating motor, the approximate amplitude can be measured and the synchronization can be started with a corresponding very large dead time.

Das Gesamtsystem zeigt somit einen kontinuierlichen Drehmomenten- und Stromverlauf beim Aufsynchronisieren der Ansteuerung auf eine drehende MaschineThe overall system thus shows a continuous torque and current profile when synchronizing the control to a rotating machine

Darüber hinaus können einige maschinenspezifische Parametrierungen eingespart werden und durch eine universelle Parametrierung der Totzeitgenerierung ersetzt werden.In addition, some machine-specific parameterizations can be saved and replaced by a universal parameterization of deadtime generation.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in typischen Anwendungsfällen vorzugsweise so durchgeführt, dass zunächst nur die Unsicherheit der Amplitude ausgeglichen wird. Typischerweise ist eine Synchronisation der Phase ein geringeres Problem. Diese Synchronisation der Phase kann beispielsweise durch Zeitmessungen zwischen den Nulldurchgängen der rückgemessenen Spannungen an den Motorklemmen geschehen. Trotzdem ist eine vergrößerte Totzeit auch sehr gut geeignet, Unsicherheiten in der Phase auszugleichen. Da man davon ausgehen kann, dass ein sich bereits drehender Motor seine Drehzahl mit Sicherheit ändert. Dies kann beispielsweise durch ein äußeres Bremsmoment oder gar Momentenschwankungen verursacht sein. Typischerweise kann ein solches Ausgangssignal dann immer erst nach einer entsprechenden Zeitmessung erzeugt werden. Dadurch ist auch ein geringer Phasenunterschied zwischen Ausgangsspannung und Motorspannung zu erwarten.The inventive method is preferably carried out in typical applications, that initially only the uncertainty of the amplitude is compensated. Typically, phase synchronization is a minor problem. This synchronization of the phase can be done for example by time measurements between the zero crossings of the back-measured voltages at the motor terminals. Nevertheless, an increased dead time is also very well suited to compensate for uncertainties in the phase. Since one can assume that an already rotating engine changes its speed with certainty. This can be caused for example by an external braking torque or even torque fluctuations. Typically, such an output signal can always only after a corresponding time measurement be generated. As a result, a small phase difference between output voltage and motor voltage is to be expected.

Es ist dem Fachmann offensichtlich, dass es auf Basis des Verfahrens möglich ist, eine Vorrichtung zu betreiben, die das zuvor beschriebene Verfahren ausführt. Dabei kann die Verringerung der Totzeit (6) eines Ausgangssignals einer Halbbrücke und die Korrektur von Phase/Amplitude dieses Ausgangssignals gleichzeitig erfolgen.It is obvious to a person skilled in the art that it is possible, based on the method, to operate a device which carries out the method described above. The reduction of the dead time ( 6 ) of an output signal of a half-bridge and the correction of phase / amplitude of this output signal occur simultaneously.

Auf diese Weise kann eine Ansteuerung für eine permanentmagnet-erregte Synchronmaschine konstruiert werden, bei der die Verringerung der Totzeit eines Ausgangssignals einer Halbbrücke und die Korrektur von Phase/Amplitude dieses Ausgangssignals gleichzeitig erfolgen.In this way, a drive for a permanent-magnet-excited synchronous machine can be constructed in which the reduction of the dead time of an output signal of a half-bridge and the correction of phase / amplitude of this output signal occur simultaneously.

Diese Ansteuerung kann Teil einer elektrischen Maschine sein, die typischerweise eine permanentmagnet-erregte Synchronmaschine ist.This control can be part of an electrical machine, which is typically a permanent-magnet-excited synchronous machine.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten beispielhaften schematisch vereinfachter Figuren weiter erläutert.The invention will be further elucidated with reference to the attached exemplary schematically simplified figures.

Hierbei zeigen die Figuren:Here are the figures:

1 zeigt einen Vergleich zwischen EMK der Maschine und generierten Spannungen zu Beginn der Synchronisation nach dem Stand der Technik 1 FIG. 12 shows a comparison between engine EMF and generated voltages at the beginning of the prior art synchronization

2 zeigt die generierten Signale mit Totzeit entsprechend dem Stand der Technik (Hinweis: Zur besseren Sichtbarkeit und zum besseren Verständnis durch den Leser ist die Totzeit gegenüber der Realität stark vergrößert, also nicht maßstabsgerecht dargestellt.) 2 shows the generated signals with dead time according to the state of the art (Hint: For better visibility and better understanding by the reader, the dead time compared to the reality is greatly enlarged, so not drawn to scale.)

3 zeigt den Unsicherheitsbereich einer generierten Ausgangsspannung, die durch die Totzeit nach dem Stand der Technik verursacht wird. (Hinweis: Zur besseren Sichtbarkeit und zum besseren Verständnis durch den Leser ist der Unsicherheitsbereich gegenüber dem Signal stark vergrößert, also nicht maßstabsgerecht dargestellt.) 3 shows the uncertainty range of a generated output voltage caused by the dead time in the prior art. (Note: For better visibility and better understanding by the reader, the uncertainty range is greatly magnified over the signal, so not drawn to scale.)

4 zeigt ein erfindungsgemäß generiertes Signal zu Beginn der Synchronisation 4 shows a signal generated according to the invention at the beginning of the synchronization

5 zeigt ein erfindungsgemäß generiertes Signal zum Ende der Synchronisation 5 shows a signal generated according to the invention at the end of the synchronization

Fig. 1Fig. 1

1 zeigt den Vergleich zwischen der ersten Kurve (1) der elektromotorischen Kraft (EMK) der Maschine und den generierten Spannungen zu Beginn der Synchronisation entsprechend dem Stand der Technik. Dabei stellt die zweite Kurve (2) eine Spannung mit etwas zu großer Amplitude dar. Diese Spannung würde für eine starke Beschleunigung mit entsprechend großem Strom und starkem Drehmomentenwechsel zu Beginn der Synchronisation führen. 1 shows the comparison between the first curve ( 1 ) of the electromotive force (EMF) of the machine and the generated voltages at the beginning of the synchronization according to the prior art. The second curve ( 2 ) This voltage would lead to a strong acceleration with a correspondingly large current and a strong torque change at the beginning of the synchronization.

Die dritte Kurve 3 stellt eine Spannung mit etwas zu geringer Amplitude dar. Sie würde zu Beginn der Synchronisation zu einem großen unerwünschten Bremsmoment führen. Als Folge entsteht ebenfalls ein hoher unerwünschter Strom durch die nicht gezeichnete ansteuernde Halbbrücke. Die beiden Betriebsfälle, repräsentiert durch die zweite Kurve (2) und dritte Kurve (3) führen somit zu einer thermischen Belastung der ansteuernden Halbbrücken im Stand der Technik, weshalb diese vergrößert ausgelegt werden müssen, um Beschädigungen zu vermeiden. Darüber hinaus können dabei erhöhte mechanische Belastungen durch die entstehenden Drehmomentenwechsel entstehen, die ebenfalls durch eine verstärkte und damit teurere Dimensionierung abgefangen werden müssen, um Beschädigungen zu vermeiden.The third turn 3 represents a voltage with a little too low amplitude. It would lead to a large undesirable braking torque at the beginning of the synchronization. As a result, also creates a high unwanted current through the not shown driving half bridge. The two operating cases, represented by the second curve ( 2 ) and third curve ( 3 ) thus lead to a thermal load of the driving half bridges in the prior art, which is why they must be designed enlarged in order to avoid damage. In addition, thereby increased mechanical stress caused by the resulting torque changes, which must also be intercepted by a reinforced and therefore more expensive sizing to avoid damage.

Fig. 2Fig. 2

2 stellt die Generierung der beispielhaften Ansteuersignale für eine beispielhafte Halbbrücke der Leistungsschaltung nach dem Stand der Technik zur Ansteuerung der Maschine dar. Die Halbbrücke soll aus einem Leistungsschalter für die positive Versorgungsspannung, dem High-Side-Treiber, und aus einem Leistungsschalter für die negative Versorgungsspannung, dem Low-Side-Treiber, bestehen. Der Leistungsschalter für die positive Versorgungsspannung schaltet in diesem Beispiel die positive Versorgungsspannung auf den Ausgang der Halbbrücke, wenn sein Ansteuersignal (4) positiv ist. In der 2 stellt die vierte Kurve (4) somit das Ansteuersignal für den Leistungsschalter zur Bereitstellung einer positiven Versorgungsspannung am Ausgang der Halbbrücke dar. Der Leistungsschalter für die negative Versorgungsspannung schaltet in diesem Beispiel die negative Versorgungsspannung auf den Ausgang der Halbbrücke, wenn sein Ansteuersignal (5) positiv ist. In der 2 stellt die fünfte Kurve (5) somit das Ansteuersignal für den Leistungsschalter zur Bereitstellung einer negativen Versorgungsspannung am Ausgang der Halbbrücke dar. 2 illustrates the generation of the exemplary drive signals for an exemplary half-bridge of the prior art power circuit for driving the machine. The half-bridge is intended to consist of a positive supply circuit breaker, the high side driver, and a negative supply circuit breaker, the low-side driver. The positive supply circuit breaker in this example switches the positive supply voltage to the output of the half bridge when its drive signal ( 4 ) is positive. In the 2 represents the fourth curve ( 4 ) thus the drive signal for the power switch for providing a positive supply voltage at the output of the half-bridge. The power switch for the negative supply voltage switches in this example, the negative supply voltage to the output of the half-bridge when its drive signal ( 5 ) is positive. In the 2 represents the fifth curve ( 5 ) Thus, the drive signal for the power switch to provide a negative supply voltage at the output of the half-bridge.

Die siebte Kurve (7) stellt beispielhaft den sich der sich ergebenden Spannungsverlauf der Ausgangsspannung der Halbbrücke bei einem Ausgangsstrom, der aus der Halbbrücke herausfließt, dar. Die achte Kurve (8) stellt beispielhaft den sich ergebende Spannungsverlauf der Ausgangsspannung bei einem Ausgangsstrom, der in die Halbbrücke hineinfließt, dar.The seventh curve ( 7 ) represents by way of example the resulting voltage curve of the output voltage of the half-bridge at an output current which flows out of the half-bridge. The eighth curve (FIG. 8th ) exemplifies the resulting voltage waveform of the output voltage at an output current flowing into the half-bridge.

Zwischen den Ansteuerimpulsen der Halbbrücke ergibt sich ein Zeitraum, in dem weder das Ansteuersignal des Leistungsschalters für die negative Versorgungsspannung (Low-Side-Treiber) noch das Ansteuersignal des Leistungsschalters für die positive Versorgungsspannung (High-Side-Treiber) aktiv sind. Dieser Zeitraum ist die Totzeit (6). Natürlich ist es denkbar, aber typischerweise nicht sinnvoll, dass in dieser Totzeit (6) ein von Null verschiedener Restquerstrom durch die Brücke fließt oder einer der beiden Schalter nicht ganz ausgeschaltet ist. Die Totzeit (6) sorgt als nach dem Stand der Technik unerwünschter Nebeneffekt dafür, dass es Zeitintervalle (9) gibt, in denen die momentane Ausgangsspannung je nach Vorzeichen des Ausgangstroms entweder der positiven oder der negativen Versorgungsspannung entspricht. Ist der Ausgangsstrom Null, so kann die Ausgangsspannung in diesen Zeitintervallen jeden beliebigen Wert annehmen. Between the drive pulses of the half-bridge results in a period in which neither the drive signal of the circuit breaker for the negative supply voltage (low-side driver) nor the drive signal of the circuit breaker for the positive supply voltage (high-side driver) are active. This period is the dead time ( 6 ). Of course, it is conceivable, but typically not meaningful, that in this dead time ( 6 ) flows through the bridge of a non-zero residual cross-current or one of the two switches is not completely switched off. The dead time ( 6 ), as a side effect which is undesirable according to the prior art, ensures that there are time intervals ( 9 ), in which the instantaneous output voltage corresponds to either the positive or the negative supply voltage depending on the sign of the output current. If the output current is zero, the output voltage can assume any value in these time intervals.

Fig. 3Fig. 3

3 zeigt den Verlauf einer generierten Ausgangsspannung bei Vorhandensein einer Totzeit nach dem Stand der Technik. Sie enthält einen nach dem Stand der Technik unerwünschten „Unsicherheitsbereich” (10), der die reale Ausgangsspannung, die, da unbekannt, nicht eingezeichnet ist als Einhüllende umgibt. Der Unsicherheitsbereich ist zur besseren Darstellbarkeit gegenüber dem generierten Signal stark vergrößert und nicht maßstabsgerecht dargestellt. Innerhalb dieses Unsicherheitsbereichs kann die Ausgangsspannung allein abhängig vom Ausgangstrom zu dem jeweiligen Zeitpunkt jeden beliebigen Wert annehmen. Wäre die Stromrichtung stets positiv aus der Halbbrücke heraus, würde die tatsächliche Ausgangsspannung typischerweise entlang der oberen Grenze des schraffierten Bereichs (10) verlaufen. Wäre die Stromrichtung stets negativ, würde die tatsächliche Ausgangsspannung typischerweise entlang der unteren Grenze des schraffierten Bereichs (10) verlaufen. 3 shows the course of a generated output voltage in the presence of a dead time according to the prior art. It contains an undesirable "state of uncertainty" according to the prior art ( 10 ), which surrounds the real output voltage, which, since unknown, is not drawn as an envelope. The uncertainty range is greatly enlarged for better representability to the generated signal and not shown to scale. Within this uncertainty range, the output voltage alone can take on any value depending on the output current at the respective time. If the current direction were always positive out of the half-bridge, the actual output voltage would typically be along the upper limit of the hatched area (FIG. 10 ). If the current direction were always negative, the actual output voltage would typically be along the lower bound of the hatched area (FIG. 10 ).

Ein Stromrichtungswechsel führt zu einem Wechsel des tatsächlichen Verlaufs zwischen unterer und oberer Grenze. Werte innerhalb des schraffierten Bereichs werden angenommen, wenn der Ausgangstrom den Wert Null hat oder während ein Stromrichtungsübergang stattfindet.A change of current leads to a change in the actual course between lower and upper limit. Values within the hatched area are assumed when the output current is zero or during a current direction transition.

Fig. 4Fig. 4

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt dieses bisher unerwünschte Verhalten aus, um während der Aufsynchronisation einen sanft ansteigenden Motorstrom und damit ein sanft ansteigendes Drehmoment zu erzeugen. Dazu wird zu Beginn der Aufsynchronisation eine sehr große Totzeit gewählt. Diese sorgt für einen entsprechend großen Unsicherheitsbereich (11). Dieser Unsicherheitsbereich (11) wird erfindungsgemäß so generiert, dass die tatsächliche EMK des Motors (1) stets innerhalb des Unsicherheitsbereichs (11) liegt. Ist die Amplitude der EMK komplett unbekannt, kann dazu sogar mit einer Totzeit von 100% gestartet werden. Der Prozess der Aufsynchronisation kann also für das betroffene Ausgangssignal der jeweiligen Halbbrücke mit einer Totzeit von 100% oder mehr als 99% und/oder 98% und/oder 96% und/oder 90% und/oder 80% und/oder 60% und/oder 40% und/oder 10% und/oder 5% begonnen werden.The method according to the invention exploits this hitherto undesirable behavior in order to generate a gently rising motor current and thus a gently increasing torque during the synchronization. For this purpose, a very long dead time is selected at the beginning of the synchronization. This ensures a correspondingly large range of uncertainty ( 11 ). This uncertainty area ( 11 ) is generated according to the invention so that the actual emf of the engine ( 1 ) always within the uncertainty range ( 11 ) lies. If the amplitude of the EMF is completely unknown, it can even be started with a dead time of 100%. The process of the synchronization can therefore for the affected output of the respective half-bridge with a dead time of 100% or more than 99% and / or 98% and / or 96% and / or 90% and / or 80% and / or 60% and / or 40% and / or 10% and / or 5%.

Erfindungsgemäß kann der Unsicherheitsbereich auch ausgenutzt werden, um verbleibende Unsicherheiten bezüglich der Phase der zu generierenden Ausgangsspannung mit einzuschließen.According to the invention, the uncertainty range can also be exploited to include remaining uncertainties with respect to the phase of the output voltage to be generated.

Im Verlauf der Synchronisation wird die Totzeit erfindungsgemäß langsam und schrittweise verringert, bis sie den Zielwert erreicht hat.In the course of the synchronization, the dead time according to the invention is slowly and gradually reduced until it has reached the target value.

Erfindungsgemäß kann auch erst die Amplitude und oder Phase der Ausgangsspannung zunächst kontinuierlich korrigiert werden, bis ein bestimmter Laststrom fließt oder ein bestimmtes Lastmoment erzeugt ist, bevor die Totzeit verringert wird. Dies kann so geschehen, dass während der Verringerung der Totzeit keine Vorzeichenwechsel im Lastmoment generiert werden.According to the invention, first the amplitude and or phase of the output voltage can first be continuously corrected until a specific load current flows or a specific load torque is generated before the dead time is reduced. This can be done so that during the reduction of the dead time no sign changes are generated in the load torque.

Darüber hinaus kann die Verringerung der Totzeit auch zu jedem beliebigen Zeitpunkt unterbrochen werden, um Amplitude/Phase anzupassen und die Totzeit danach weiter zu verringern.In addition, the reduction in dead time can also be interrupted at any time to adjust amplitude / phase and then further reduce the dead time thereafter.

Erfindungsgemäß können auch die Verringerung der Totzeit und die Korrektur von Phase/Amplitude gleichzeitig erfolgen.According to the invention, the reduction of the dead time and the correction of phase / amplitude can take place simultaneously.

Fig. 5Fig. 5

5 zeigt den Verlauf der EMK (1) und des generierten Signals am Ende des Aufsynchronisationsprozesses (12). Die Totzeit ist bis auf einen typischerweise vorgegebenen minimal möglichen Wert (Zielwert) verringert. Dieser Zielwert wird typischerweise durch Konstruktion des Reglers und/oder durch ein externes Ansteuersignal und/oder durch eine Programmierung vorgegeben. 5 shows the course of EMF ( 1 ) and the generated signal at the end of the synchronization process ( 12 ). The dead time is reduced to a typically predetermined minimum possible value (target value). This target value is typically dictated by the design of the regulator and / or by an external drive signal and / or by programming.

Entsprechend gering ist der noch verbleibende Unsicherheitsbereich am Ende des Aufsynchronisationsprozesses (12). Die Ansteuerung generiert ein drehzahl- und lastgerechtes Signal, ohne dabei starke Drehmomentenwechsel oder Stromänderungen zu verursachen.The remaining uncertainty range at the end of the synchronization process is correspondingly low ( 12 ). The control generates a speed and load-oriented signal, without causing strong torque changes or current changes.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102008059052 A1 [0006]
DE 102010030239 A1 [0007]

Claims

Method for synchronization in the control of possibly already moving electric motors wherein the motors are controlled with at least one half-bridge via at least one controlled connecting line and wherein when driving at least one half-bridge, a dead time ( 6 ) is provided in the associated drive signal and a. the relative proportion of the dead time ( 6 ) at a driving period (T) at the beginning of the synchronization process of the relative proportion of the dead time ( 6 ) is different at a drive period (T) at the end of the synchronization process, or b. the relative proportion of the dead time ( 6 ) at an actuation period (T) at an earlier time of the synchronization process than the end of the synchronization process from the relative fraction of the dead time ( 6 ) is different at a drive period (T) at the end of the synchronization process.

Method according to claim 1, wherein the control takes place with at least two and / or three half-bridges.

Method according to claim 1 or 2, wherein the relative proportion of the dead time ( 6 ) at a drive period (T) of at least one output signal of at least one half-bridge at the beginning of the synchronization process is greater than at the end of the synchronization process.

Method according to one of the preceding claims, wherein the relative proportion of the dead time ( 6 ) is set at a drive period (T) in the case of at least one drive signal of at least one half-bridge so that the resulting uncertainty range ( 11 . 12 ) of the output signal of this half-bridge is generated so that the actual emf of the motor ( 1 ) always within this uncertainty range ( 11 . 12 ) lies.

Method according to claim 4, wherein with a relative proportion of the dead time ( 6 ) at a drive period (T) with at least one output signal of at least one half bridge with a relative proportion of more than 99% and / or 98% and / or 96% and / or 90% and / or 80% and / or 60% and / or 40% and / or 10% and / or 5% is started.

Method according to one of the preceding claims, wherein remaining uncertainties with respect to the phase of an output voltage to be generated of at least one output signal of at least one half-bridge through an uncertainty range ( 11 . 12 ) by a correspondingly large proportion of the dead time ( 6 ) be included in a drive period (T) of this output signal of this half-bridge.

Method according to one of the preceding claims, wherein during the synchronization the relative proportion of the dead time ( 6 ) is gradually reduced at a driving period (T) of at least one output signal of at least one half-bridge until it has reached or fallen below a predetermined target value.

The method of claim 7 wherein the target value is predetermined by design of the controller and / or by an external drive signal and / or by programming.

Method according to one of the preceding claims, wherein first the amplitude and / or the phase of the output voltage of at least one output signal of at least one half-bridge are corrected until a load current whose magnitude or amplitude is greater than a predetermined load current flows, or a torque occurs, the one larger amount than a predetermined torque before the relative proportion of dead time ( 6 ) is reduced at a drive period (T) of this output signal of this half-bridge.

Method according to claim 9, wherein the relative proportion of the dead time ( 6 ) is reduced on a drive period (T) of at least one output signal of at least one half-bridge so that during the reduction of the relative proportion of the dead time ( 6 ) at a drive period (T) of this output signal of this half-bridge no sign change in torque can be generated.

Method according to one or more of the preceding claims, wherein the reduction of the relative proportion of the dead time ( 6 ) is interrupted at a control period (T) at least one output signal of at least one half-bridge at least one time and the amplitude and / or phase of this output signal of this half-bridge is adjusted after this interruption and the relative proportion of dead time ( 6 ) is further reduced at a drive period (T) of this output signal of this half-bridge after this adjustment.

Method according to one or more of the preceding claims, wherein the reduction of the relative proportion of the dead time ( 6 ) take place simultaneously on a drive period (T) of at least one output signal of a half-bridge and the correction of phase / amplitude of this output signal.

Control for a permanent magnet-excited synchronous machine, which performs a method according to one or more of the preceding claims.

Control for at least one half-bridge, which is suitable and intended, as part of a Device according to claim 13, to carry out a method according to one or more of claims 1 to 12.

An electric machine, which is a permanent-magnet-excited synchronous machine, which comprises a drive according to claim 13 or at least one drive according to claim 14.