DE102015118983A1

DE102015118983A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern einer elektrischen Maschine in einem Modus mit sechs Schritten

Info

Publication number: DE102015118983A1
Application number: DE102015118983.6A
Authority: DE
Inventors: Jung Sik Yim; Bon Ho Bae
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2015-11-05
Publication date: 2016-05-19
Also published as: KR101674913B1; CN105610363B; US20160141982A1; US9419549B2; KR20160058675A; CN105610363A

Abstract

Ein Umrichter ist mit einer mehrphasigen elektrischen Maschine elektrisch wirksam verbunden und ein Verfahren zum Steuern des Umrichters umfasst, dass ein Modus mit sechs Schritten ausgeführt wird, um den Umrichter zu steuern, und dass ein elektrischer Spannungswinkel der elektrischen Maschine mit einer voreingestellten Abtastfrequenz überwacht wird. Wenn sich der elektrischen Spannungswinkel einem Schrittübergang nähert, der mit der Steuerung eines einer Vielzahl von Schaltern des Umrichters in dem Modus mit sechs Schritten verbunden ist, wird ein Zwischen-Tastverhältnisbefehl für den einen der Schalter ermittelt, und ein Trägersignal wird auf der Grundlage eines gegenwärtigen Zustands des einen der Schalter ausgerichtet. Der eine der Schalter wird unter Verwendung des Zwischen-Tastverhältnisbefehls und des ausgerichteten Trägers gesteuert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein das Steuern von Wechselstrom-Motoren/Generatoren (AC-Motoren/Generatoren), und sie betrifft insbesondere Vorrichtungen, Systeme und Verfahren zum Steuern von AC-Motoren/Generatoren.
HINTERGRUND
Das Steuern von AC-Motoren/Generatoren, etwa von dreiphasigen synchronen Permanentmagnet-Elektromotoren (von elektrischen Maschinen) wird unter Verwendung eines dreiphasigen impulsbreitenmodulierten Umrichters (PWM-Umrichters) bewerkstelligt. Ein PWM-Umrichter kann in mehreren verschiedenen Betriebsmodi gesteuert werden, welche beispielsweise einen Raumvektor-PWM-Modus (SVPWM-Modus) und einen Modus mit sechs Schritten bzw. Stufen umfassen. Eine Größe der Ausgabespannung aus einem Umrichter bei seiner Grundfrequenz erreicht ihr Maximum nur, wenn der Umrichter in dem Modus mit sechs Schritten betrieben wird. Aufgrund dieser Eigenschaft der Spannungsgröße kann ein Betrieb in dem Modus mit sechs Schritten die Drehmomentkapazität einer elektrischen Maschine im Vergleich mit einem bekannten SVPWM-Betrieb oder mit einem unstetigen Raumvektor-PWM-Betrieb (DPWM-Betrieb) in der Feldschwächregion, bei der die Spannungsgröße der Hauptbeschränkungsfaktor der Drehmomentkapazität ist, erhöhen. Jedoch ist die Spannungsgröße in dem Modus mit sechs Schritten nicht steuerbar. Darüber hinaus erfordern bekannte Verfahren zur frequenzsynchronisierten Steuerung eines Umrichters, der in dem Modus mit sechs Schritten betrieben wird, das Aktualisieren und möglicherweise das Verändern der Abtastfrequenz des Controllers bei jeder Abtastperiode, um Unterschwingungen zu minimieren, was für den Controller rechentechnisch belastend sein kann.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Umrichter ist mit einer mehrphasigen elektrischen Maschine elektrisch wirksam verbunden und ein Verfahren zum Steuern des Umrichters umfasst, dass ein Modus mit sechs Schritten ausgeführt wird, um den Umrichter zu steuern, und dass ein elektrischer Spannungswinkel der elektrischen Maschine mit einer voreingestellten Abtastfrequenz überwacht wird. Wenn sich der elektrische Spannungswinkel einem Schrittübergang nähert, der mit der Steuerung eines einer Vielzahl von Schaltern des Umrichters in dem Modus mit sechs Schritten verbunden ist, wird ein Zwischen-Tastverhältnisbefehl für den einen der Schalter ermittelt und ein Trägersignal wird auf der Grundlage eines gegenwärtigen Zustands des einen der Schalter ausgerichtet. Der eine der Schalter wird unter Verwendung des Zwischen-Tastverhältnisbefehls und des ausgerichteten Trägers gesteuert.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung einiger der besten Arten und anderer Ausführungsformen zum Ausführen der vorliegenden Lehren, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es werden nun eine oder mehrere Ausführungsformen anhand von Beispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 auf schematische Weise einen Controller in Übereinstimmung mit der Offenbarung veranschaulicht, der einen Stromregler und einen Flusscontroller mit sechs Schritten enthält, um einen Umrichter, der mit einem mehrphasigen AC-Elektromotor/Generator (einer elektrischen Maschine) verbunden ist, in einem Modus mit sechs Schritten zu steuern;
2 auf graphische Weise Schalterzustände von ersten, zweiten und dritten Schenkeln einer Ausführungsform eines Umrichters mit Bezug auf den Spannungswinkel (Grad) in Übereinstimmung mit der Offenbarung zeigt, wenn er in dem Modus mit sechs Schritten betrieben wird;
3 auf graphische Weise eine Vielzahl von Befehls- und Datensignalen in Übereinstimmung mit der Offenbarung zeigt, die mit einem Betrieb einer Phase eines Umrichters über einen Teil eines einzelnen Zyklus der elektrischen Drehung der elektrischen Maschine verbunden sind und einen Betrieb enthalten, der mit dem Ausführen eines Zwischen-Steuerungsschemas in der Form eines zweiten Trägersignals, eines Zwischen-Tastverhältnisbefehls und einer ausgerichteten PWM-Wellenform in Beziehung steht;
4 auf graphische Weise einen stationäre Direkt-Quadratur-Referenzrahmen (einen stationären dq- oder αβ-Referenzrahmen) zum Analysieren eines Betriebs eines dreiphasigen Umrichters in Übereinstimmung mit der Offenbarung zeigt, der Betriebssektoren zum Ermitteln von Zwischen-Tastverhältnisbefehlen enthält; und
5 schematisch eine Umrichtersteuerungsroutine zur frequenzsynchronisierten Umrichtersteuerung in einem Modus mit sechs Schritten zeigt, um die Ausführung des Modus mit sechs Schritten mit der Grundfrequenz des Spannungsbefehls in Übereinstimmung mit der Offenbarung zu synchronisieren.
GENAUE BESCHREIBUNG
Mit Bezug nun auf die Zeichnungen, bei denen die Darstellungen nur zur Veranschaulichung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht zur Einschränkung derselben gedacht sind, veranschaulicht 1 auf schematische Weise einen Controller 105 eines Spannungszwischenkreisumrichters (VSI-Controller) zum Steuern einer mehrphasigen PWM-Umrichterschaltung (eines Umrichters) 100, der in Übereinstimmung mit der Offenbarung mit einem mehrphasigen AC-Elektromotor/Generator (einer elektrischen Maschine) 140 elektrisch wirksam verbunden ist. Die elektrische Maschine 140 ist vorzugsweise eine synchrone Permanentmagnetvorrichtung, die einen Stator und einen Rotor, die in einer Sternkonfiguration angeordnet sind, enthält, obwohl die hier beschriebenen Konzepte nicht darauf beschränkt sind. Eine Drehposition und eine Drehzahl des Rotors der elektrischen Maschine 140 werden von einem Drehpositionssensor 141 überwacht, der eine beliebige geeignete Vorrichtung sein kann, etwa ein Resolver oder ein Halleffekt-Sensor.
Der Umrichter 100 ist über einen positiven Hochspannungs-DC-Leistungsbus (HV+) 102 und einen negativen Hochspannungs-DC-Leistungsbus (HV–) 104 mit einer Hochspannungs-DC-Leistungsquelle elektrisch verbunden. Die Hochspannungs-DC-Leistungsquelle kann eine elektrische Hochspannungs-Energiespeichervorrichtung, beispielsweise eine Hochspannungsbatterie oder einen Kondensator, einen elektrischen Hochspannungs-Leistungsgenerator oder eine andere ähnliche Vorrichtung oder ein anderes ähnliches System enthalten. Der Umrichter 100 enthält eine Vielzahl von Schalterpaaren 112 und 114, 122 und 124 sowie 132 und 134, die zwischen HV+ 102 und HV– 104 elektrisch in Reihe verbunden sind. Jedes der Schalterpaare entspricht einer Phase der elektrischen Maschine 140, wobei jeder der ersten Schalter mit dem zugehörigen zweiten Schalter an einem Knoten in Reihe verbunden ist. Insbesondere sind die Schalterpaare 112 und 114 an einem Knoten 116 in Reihe verbunden, um einen ersten Schenkel des Umrichters 100 auszubilden, die Schalterpaare 122 und 124 sind an einem Knoten 126 in Reihe verbunden, um einen zweiten Schenkel des Umrichters 100 auszubilden, und die Schalterpaare 132 und 134 sind an einem Knoten 136 in Reihe verbunden, um einen dritten Schenkel des Umrichters 100 auszubilden. Die Knoten 116, 126 und 136 sind mit nominell ersten, zweiten und dritten Phasen der elektrischen Maschine 140 elektrisch verbunden, um elektrische Leistung dorthin zu übertragen. Eine erste Gatetreiberschaltung 106 steuert die Aktivierung und Deaktivierung der ersten bzw. High-Side-Schalter 112, 122 und 132, und eine zweite Gatetreiberschaltung 108 steuert die Aktivierung und Deaktivierung der zweiten bzw. Low-Side-Schalter 114, 124 und 134. Die ersten und zweiten Gatetreiberschaltungen 106, 108 enthalten eine beliebige geeignete elektronische Vorrichtung, die zum Aktivieren und Deaktivieren der Schalter 112 und 114, 122 und 124 sowie 132 und 134 in der Lage ist, um einen Leistungstransfer zwischen entweder HV+ 102 oder HV– 104 und einer Phase der elektrischen Maschine 140 in Ansprechen auf Steuerungssignale, die vom Controller 105 stammen, zu bewirken. Der Controller 105 erzeugt Steuerungssignale, die an die ersten und zweiten Gatetreiberschaltungen 106, 108 übermittelt werden, um die Schalter 112 und 114, 122 und 124 sowie 132 und 134 in Ansprechen auf einen Umrichterschalter-Steuerungsmodus zu aktivieren und zu deaktivieren, welcher einen Raumvektor-PWM-Modus (SVPWM-Modus) und einen Modus mit sechs Schritten oder einen anderen geeigneten Steuerungsmodus enthalten kann. Der Umrichter 100 enthält andere elektrische Komponenten, die Kondensatoren, beispielsweise den DC-Bus-Kondensator 142, Widerstände, zum Beispiel den Buswiderstand 144, und andere elektrische Schaltungskomponenten enthalten, um Funktionen zu bewerkstelligen, welche eine elektrische Rauschunterdrückung, einen Lastausgleich und dergleichen betreffen.
Jeder der ersten Schalter 112, 122 und 132 und der zweiten Schalter 114, 124 und 134 kann entweder in einen eingeschalteten Zustand oder in einen ausgeschalteten Zustand gesteuert werden. Jeder der Schenkel, die durch die Schalterpaare 112 und 114, 122 und 124 sowie 132 und 134 gebildet werden, kann in einen Steuerungszustand von 1 oder 0 gesteuert werden. Ein Steuerungszustand von 1 für einen der Schenkel entspricht der Aktivierung eines der ersten Schalter 112, 122 und 132, wobei ein jeweiliger zugehöriger zweiter Schalter 114, 124 oder 134 deaktiviert ist. Ein Steuerungszustand von 0 für einen der Schenkel entspricht der Aktivierung eines der zweiten Schalter 114, 124 und 134, wobei ein jeweiliger zugehöriger erster Schalter 112, 122 oder 132 deaktiviert ist.
Jeder der ersten Schalter 112, 122 und 132 ist vorzugsweise als ein im Normalfall ausgeschalteter Schalter ausgestaltet, was bedeutet, dass der Schalter einen elektrischen Strom nur leitet, wenn er durch den ersten Gatetreiber 106 aktiviert wird. In einer Ausführungsform sind die ersten Schalter 112, 122 und 132 Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode (IGBTs), die jeweils eine parallel geschaltete Diode aufweisen. Der erste Gatetreiber 106 aktiviert jeden der ersten Schalter 112, 122 und 132, um in Ansprechen auf den gewählten Umrichterschalter-Steuerungsmodus einen Stromfluss durch diesen hindurch zu bewirken. Jeder der zweiten Schalter 114, 124 und 134 ist vorzugsweise als ein im Normalfall ausgeschalteter Schalter ausgestaltet, was bedeutet, dass der Schalter einen elektrischen Strom nur leitet, wenn er durch den zweiten Gatetreiber 108 aktiviert wird. Die zweiten Schalter 114, 124 und 134 können eine beliebige Art eines im Normalfall ausgeschalteten Halbleiterschalters sein, die zum Beispiel IGBT-Schalter umfasst, die jeweils eine parallel geschaltete Diode aufweisen. Während eines Betriebs ohne Schaltungsfehler erzeugen die ersten und zweiten Gatetreiberschaltungen 106, 108 Aktivierungssignale, um die ersten Schalter 112, 122 und 132 und die zweiten Schalter 114, 124 und 134 zu aktivieren und zu deaktivieren, um die elektrische Maschine 140 so zu betreiben, dass sie Drehmoment erzeugt. Alternativ können die zweiten Schalter 114, 124 und 134 eine beliebige Art eines im Normalfall eingeschalteten Halbleiterschalters sein. Der Umrichter 100 ist mit der elektrischen Maschine 140 elektrisch wirksam insofern verbunden, als die Aktion des selektiven Aktivierens und Deaktivierens der Schalter 112 und 114, 122 und 124 sowie 132 und 134, um einen Leistungstransfer zwischen entweder HV+ 102 oder HV– 104 und einer Phase der mehrphasigen elektrischen Maschine 140 in Ansprechen auf Steuerungssignale, die von dem Controller 105 stammen, zu bewirken, ein elektrisches Feld in einem Element eines Stators der elektrischen Maschine 140 induziert, das auf ein Element des Rotors einwirkt, um eine Bewegung des Rotors zu dem Stator hin oder von diesem weg zu erzwingen, wodurch Drehmoment in einem Wellenelement induziert wird, das mit dem Rotor mechanisch gekoppelt ist.
Der Controller 105 überwacht Signaleingaben von Sensoren, beispielsweise von dem Drehpositionssensor 141, und er steuert den Betrieb des Umrichters 100 selektiv in entweder einem PWM-Modus oder einem Modus mit sechs Schritten in Ansprechen auf einen Drehmoment- oder Drehzahlbefehl. Der Controller 105 steuert die Drehmomentausgabe aus der elektrischen Maschine 140 durch den Umrichter 100, welcher über HV+ 102 und HV– 104 mit einer elektrischen Hochspannungs-DC-Leistungsquelle elektrisch verbunden ist. Steuerungsverfahren zum Umschalten zwischen Umrichterzuständen, um die Drehmomentausgabe der elektrischen Maschine 140 zu regeln, umfassen den Betrieb in entweder einem PWM-Modus oder in einem Modus mit sechs Schritten. In dem PWM-Modus schaltet der Umrichter 100 schnell zwischen zwei der von Null verschiedenen Zustände und einem oder zwei der Null-Zustände um. Der Controller 105 gibt vor, welcher Anteil der Zeit in jedem der drei Zustände verbracht wird, indem er PWM-Tastverhältnisse vorgibt. Der Controller 105 aktualisiert die PWM-Tastverhältnisse in regelmäßigen Intervallen, sodass die Frequenz der Aktualisierungen signifikant höher als die Frequenz der Rotorrotation ist. In dem Modus mit sechs Schritten durchläuft der Umrichter 100 zyklisch die sechs von Null verschiedenen Zustände einmal pro Zyklus des Rotors der elektrischen Maschine 140, um eine AC-Spannung und einen AC-Strom in jeder Wicklung des Stators zu erzeugen. Ein Rotorzyklus ist mit Bezug auf Motorpole definiert und entspricht nicht unbedingt einer vollständigen Umdrehung des Rotors. Der Controller 105 enthält einen Stromregler und einen Flusscontroller zum Steuern eines Betriebs des Umrichters 100, um den Betrieb der elektrischen Maschine 140 in entweder einem PWM-Modus oder in dem Modus mit sechs Schritten zu steuern. Die Amplitude der AC-Spannung ist durch die Größe der DC-Spannung an dem Hochspannungs-DC-Bus vorgegeben, welcher eine elektrische Hochspannungs-Leistungsquelle mit dem Umrichter 100 elektrisch verbindet. Das Drehmoment wird durch die DC-Spannung, die Rotordrehzahl und die Phasendifferenz zwischen diesen quasi sinusförmigen AC-Spannungssignalen und der Rotorposition vorgegeben und es wird ferner gesteuert, indem das Steuerungssystem in dem Modus mit sechs Schritten betrieben wird. Der Controller 105 gibt Befehle an den Umrichter 100 aus, die angeben, wann in den nächsten Zustand in der Sequenz umgeschaltet werden muss. Der Modus mit sechs Schritten ist ein Betriebsmodus des Umrichters 100, der umfasst, dass der Umrichter 100 einmal pro Zyklus des Rotors der elektrischen Maschine 140 die sechs von Null verschiedenen Zustände zyklisch durchläuft, um eine AC-Spannung und einen AC-Strom in jeder Wicklung des Stators zu erzeugen. Ein Rotorzyklus ist relativ zu Motorpolen definiert und er entspricht keiner vollständigen Umdrehung des Rotors, wenn eine elektrische Maschine mit mehreren Polen verwendet wird. Als Beispiel kann die Grundfrequenz in einer elektrischen Permanentmagnetmaschine wie folgt ermittelt werden: ωr = ωrm·PP wobei

ωr: die Grundfrequenz ist;
ωrm: die mechanische Motordrehzahl oder Frequenz ist; und
PP: die Anzahl der Polpaare der elektrischen Maschine ist.

Wenn eine elektrische Maschine in der Form eines Induktionsmotors verwendet wird, kann die Grundfrequenz analog wie folgt ermittelt werden: ωe = ωrm·PP + ωsl wobei

ωe: die Grundfrequenz ist;
ωrm: die mechanische Motordrehzahl oder Frequenz ist;
PP: die Anzahl der Polpaare der elektrischen Maschine ist; und
ωrm: die Schlupffrequenz ist.

Die Grundfrequez ωe ist physikalisch äquivalent zur Drehfrequenz des Rotorflusses und sie wird auch als synchrone Frequenz bezeichnet.
Die Begriffe Controller, Steuerungsmodul, Modul, Steuerung, Steuerungseinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe bezeichnen eine beliebige oder verschiedene Kombinationen aus anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), elektronischen Schaltungen, zentralen Verarbeitungseinheiten, beispielsweise Mikroprozessoren und zugehörigen nicht vorübergehenden Speicherkomponenten in der Form von Arbeitsspeicher- und Massenspeichervorrichtungen (Festwertspeicher, programmierbarer Festwertspeicher, Speicher mit wahlfreiem Zugriff, Festplattenlaufwerk usw.). Die nicht vorübergehende Speicherkomponente ist in der Lage, maschinenlesbare Anweisungen in der Form eines oder mehrerer Software- oder Firmwareprogramme oder Routinen zu speichern. [Die Kombinationen umfassen ferner] kombinatorische Logikschaltungen, Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Vorrichtungen, Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen und andere Komponenten, auf die von einem oder mehreren Prozessoren zugegriffen werden kann, um eine beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Vorrichtungen enthalten Analog/Digital-Wandler und ähnliche Vorrichtungen, die Eingaben von Sensoren überwachen, wobei diese Eingaben mit einer voreingestellten Abtastfrequenz oder in Ansprechen auf ein Auslöseereignis überwacht werden. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Steuerungsroutinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe bezeichnen beliebige von einem Controller ausführbare Anweisungssätze, die Kalibrierungen und Nachschlagetabellen enthalten. Jeder Controller führt eine oder mehrere Steuerungsroutinen aus, um gewünschte Funktionen bereitzustellen, die das Überwachen von Eingaben von Erfassungsvorrichtungen und anderen Netzwerkcontrollern und das Ausführen von Steuerungs- und Diagnoseroutinen zum Steuern des Betriebs von Aktoren umfassen. Routinen können in regelmäßigen Intervallen ausgeführt werden, zum Beispiel alle 100 Mikrosekunden während eines fortlaufenden Betriebs. Alternativ können Routinen in Ansprechen auf das Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden, etwa einer Eingabe von einem überwachten Sensor. Kommunikationen zwischen Controllern und zwischen Controllern, Aktoren und/oder Sensoren können unter Verwendung einer direkt verdrahteten Kopplung, einer Netzwerkskommunikationsbuskopplung, einer drahtlosen Kopplung oder einer beliebigen anderen geeigneten Kommunikationskopplung bewerkstelligt werden. Kommunikationen umfassen das Austauschen von Datensignalen in einer beliebigen geeigneten Form, die beispielsweise elektrische Signale über ein leitfähiges Medium, elektromagnetische Signale über Luft, optische Signale über optische Wellenleiter und dergleichen umfassen.
2 zeigt auf graphische Weise Schalterzustände Sa 202, Sb 204 und Sc 206 des ersten, zweiten und dritten Schenkels einer Ausführungsform des Umrichters 100 mit Bezug auf einen Spannungswinkel 210 (Grad) bei einem Betrieb in dem Modus mit sechs Schritten, wobei ein Zustandswert von 1 einem eingeschalteten Zustand für den Schenkel entspricht und ein Zustandswert von 0 einem ausgeschalteten Zustand für den Schenkel entspricht. Außerdem sind resultierende Phasenspannungsniveaus gezeigt, die Va 212, das mit dem ersten Knoten 116 verbunden ist, Vb 214, das mit dem zweiten Knoten 126 verbunden ist, und Vc 216, das mit dem dritten Knoten 136 verbunden ist, jeweils mit Bezug auf den Spannungswinkel 210 (Grad) umfassen. Folglich verändert der Betrieb in dem Modus mit sechs Schritten den Schaltzustand auf den befohlenen Spannungswinkel, wobei der Schaltzustand jedes Schenkels in einer Grundperiode, d. h. in einem Rotor- oder elektrischen Zyklus, nur einmal verändert wird. Die resultierende Phasenspannung weist in einer Grundperiode sechs schrittweise Veränderungen auf. Wenn angenommen wird, dass der Schalter ein idealer Schalter ohne Spannungsabfall ist, wird die Spitzenspannung bei der Grundfrequenz zu 2 / π·V_dc . Die Ausgabeleistung des Umrichters 100 kann als V·I·Leistungsfaktor definiert sein und der Umrichter 100 kann seine theoretisch maximale Ausgabeleistung an die elektrische Maschine liefern, wenn er in dem Modus mit sechs Schritten betrieben wird.
Unterschwingungen können in einem Motorsteuerungssystem aufgrund von Differenzen zwischen einer Abtastfrequenz eines digitalen Controllers und einer Drehzahl der elektrischen Maschine verursacht werden. Bekannte Motorsteuerungssysteme justieren die Abtastfrequenz in der sechsten Potenz der Grundfrequenz des Spannungsbefehls, was erfordert, dass die nächste Abtastfrequenz während jeder Drehung berechnet werden muss, wobei dem Controller eine entsprechende Berechnungslast aufgebürdet wird. Sowohl das stationäre als auch das transiente Verhalten des Controllers mit geschlossenen Regelkreis können auf das Verhalten der Drehzahl- und Positionssensoren empfindlich reagieren, da die Grundfrequenz des Spannungsbefehls mit der Motordrehzahl variiert, wodurch weitere Variationen eingeführt werden.
3 und 4 sind mit einem Verfahren zur frequenzsynchronisierten Steuerung eines Umrichters verbunden, der in dem Modus mit sechs Schritten betrieben wird, um eine elektrische Maschine in Ansprechen auf einen Drehmoment- oder Drehzahlbefehl mit Leistung zu versorgen, ohne die Abtastfrequenz eines Controllers zu verändern, während Unterschwingungen minimiert oder beseitigt werden. Eine Ausführungsform eines Verfahrens zur frequenzsynchronisierten Umrichtersteuerung in einem Modus mit sechs Schritten wird mit Bezug auf 5 beschrieben. Das frequenzsynchronisierte Steuerungsverfahren kann beispielsweise in einer Ausführungsform des Umrichters 100, der elektrischen Maschine 140 und des Controllers 105, die mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben sind, implementiert werden. Dies umfasst, dass der Modus mit sechs Schritten ausgeführt wird, um den Umrichter zu steuern, wobei ein elektrischer Spannungswinkel der elektrischen Maschine mit einer voreingestellten Abtastfrequenz eines digitalen Controllers überwacht wird. Wenn sich der Winkel des αβ-Spannungsbefehls in der Nähe eines Schrittübergangs befindet, der mit einem der Schenkel des Umrichters in dem Modus mit sechs Schritten verbunden ist, wird ein Zwischen-Tastverhältnis-Befehl berechnet, und mit der Ausführung des Zwischen-Tastverhältnis-Befehls werden Veränderungen bei der Trägerausrichtung implementiert, um die Ausführung des Modus mit sechs Schritten mit der Grundfrequenz des Spannungsbefehls zu synchronisieren: diese ist äquivalent zu der Drehzahl/Frequenz des Rotors im Permanentmagnetmotor oder zum Rotorfluss im Induktionsmotor. Dieser Betrieb ermöglicht eine trägerbasierte PWM-Implementierung zur Steuerung des Umrichters in dem Modus mit sechs Schritten, der mit der Grundfrequenz des Spannungsbefehls synchronisiert ist, ohne die Abtastfrequenz des digitalen Controllers für eine Synchronisation mit der Motordrehzahl zu justieren. Als Folge wird das Verhalten der Stromsteuerungsschleife nicht auf der Grundlage des Verhaltens der Positions- und Drehzahlsensoren gesteuert.
3 zeigt auf graphische Weise eine Vielzahl von Befehls- und Datensignalen, die mit dem Betrieb einer Phase eines Umrichters über einen Teil eines einzelnen Zyklus der elektrischen Rotation der elektrischen Maschine, welche auf der horizontalen Achse als Spannungswinkel 310 (θ, Grad) gezeigt ist, verbunden sind. Drehpositionen der elektrischen Maschine sind in der Form von Spannungswinkeln von 90° 311, 150° 313, 210° 315 und 270° 317 gezeigt. Eine Linie 302 zeigt die Drehposition der elektrischen Maschine und eine Linie 304 zeigt einen bevorzugten Befehl für einen der Schalter eines der Schenkel des Umrichters in Bezug auf den Spannungswinkel 310 bei einem Betrieb in dem Modus mit sechs Schritten. Der bevorzugte Befehl 304 spricht auf den Drehmoment- oder Drehzahlbefehl an. Der Spannungswinkel von 90° 311 entspricht einer Schrittveränderung bei dem bevorzugten Befehl 304 für den zugehörigen Schalter von einem eingeschalteten Zustand mit einem Wert von 1 zu einem ausgeschalteten Zustand mit einem Wert von 0. Der Spannungswinkel von 270° 317 entspricht einer Schrittveränderung bei dem bevorzugten Befehl 304 von einem ausgeschalteten Zustand mit einem Wert von 0 zu einen eingeschalteten Zustand mit einem Wert von 1.
Ein erstes Trägersignal 322, ein Tastverhältnisbefehl 324 und eine PWM-Wellenform 326 stellen einen Betrieb einer Ausführungsform des Umrichters 100 in dem Modus mit sechs Schritten ohne Synchronisation der Abtastperiode der Drehposition der elektrischen Maschine 140 mit dem Betrieb des Umrichters 100 auf graphische Weise dar. Das erste Trägersignal 322 liegt in der Form eines wiederholten Ausführens einer auf die Mitte ausgerichteten Dreieckswelle vor, die zwischen einem Nennwert von 1 und einem Nennwert von 0 variiert und eine Zyklusperiode aufweist, die wesentlich kleiner als eine Zyklusperiode ist, die mit der Grundfrequenz des Spannungsbefehls verbunden ist. Wie gezeigt startet die auf die Mitte ausgerichtete Dreieckswelle während einer Zyklusperiode bei einem Zustand 0, steigt auf einen Zustand 1 an und fällt dann auf einen Zustand 0 ab. Der Tastverhältnisbefehl 324 zum Befehlen eines Betriebs des Umrichters in dem Modus mit sechs Schritten umfasst einen Nennwert von 1, um den oberen Schalter von Phase A einzuschalten, und einen Nennwert von 0, um den unteren Schalter von Phase A einzuschalten. Wie gezeigt ist das erste Trägersignal 322 asynchron zu dem Spannungsbefehl 302 und es ist nicht auf den idealen Übergangswinkel des Schaltzustands bei entweder 90° 311 oder 270° 317 ausgerichtet. Das erste Trägersignal 322 und der Tastverhältnisbefehl 324 werden als Eingaben für einen Signalkomparator bereitgestellt, welcher eine Signalausgabe in der Form der Linie 326 erzeugt, die eine resultierende PWM-Wellenform zeigt. Die resultierende PWM-Wellenform 326 weist einen Nennwert von 1 auf, wenn die Größe des Tastverhältnisbefehls 324 größer als die Größe des ersten Trägersignals 322 ist, und einen Nennwert von 0, wenn die Größe des Tastverhältnisbefehls 324 kleiner als die Größe des ersten Trägersignals 322 ist. Die PWM-Wellenformen, welche die hier beschriebenen Wellenformen 326, 336 und 346 umfassen, entsprechen den Steuerungssignalen, die mit Bezug auf 1 beschrieben sind, die von dem Controller 105 erzeugt und an entweder die ersten oder die zweiten Gatetreiberschaltungen 106, 108 übermittelt werden, um einen der Schalter 112 und 114 zu aktivieren und zu deaktivieren. Wie gezeigt sind die Spannungsbefehlswinkel für die einzelne Phase des Umrichters gezeigt, wenn der Umrichter ohne den Vorteil des Synchronisierens der Schaltperiode mit der elektrischen Rotation des Rotors der elektrischen Maschine betrieben wird. Wie festzustellen ist, dient die Verwendung des ersten Trägersignals 322 in der Form einer auf die Mitte ausgerichteten Dreieckswelle der Veranschaulichung und nicht einer Beschränkung. Andere Formen von Trägersignalen können mit ähnlichem Effekt verwendet werden.
Die fehlende Synchronisation der Schaltperiode mit der Grundfrequenz des Spannungsbefehls ist als eine asynchrone Zeitperiode T_comp 323 gezeigt, welche eine Zeitverzögerung zwischen einer Veränderung bei dem bevorzugten Befehl 304 von einem eingeschalteten Zustand mit einem Wert von 1 zu einem ausgeschalteten Zustand mit einem Wert von 0 bei dem Spannungswinkel von 90° 311 und einer Veränderung bei dem tatsächlichen Tastverhältnisbefehl 324 von einem eingeschalteten Zustand mit einem Wert von 1 zu einem ausgeschalteten Zustand mit einem Wert von 0 bei einem nachfolgenden Spannungswinkel 312 ist.
Die asynchrone Zeitperiode T_comp 323 kann während eines unmittelbar vorherigen Schaltzyklus ermittelt werden. In dem Modus mit sechs Schritten wird die Größe der Phasenspannung bei der Grundfrequenz maximal. Wenn angenommen wird, dass der Schalter ideal ist, sodass es keinen Spannungsabfall gibt, wird die Spitzenspannung bei der Grundfrequenz zu 2 / π·V_dc . Da die Ausgabeleistung eines dreiphasigen PWM-Umrichters als V·I·Leistungsfaktor definiert werden kann, kann ein dreiphasiger PWM-Umrichter seine theoretisch maximale Ausgabeleistung in dem Modus mit sechs Schritten an den Motor liefern. Bei einem vollständigen Modus mit sechs Schritten muss der Schaltzustand alle 60° des Spannungsbefehls geändert werden. Jedoch aktualisiert der Controller 105 seine Ausgabe nur einmal in einer Abtastperiode. Unter der Annahme, dass das Abtastverhältnis
20 ist, eilt der Winkel des Spannungsbefehls in einer Abtastperiode um 360° / 20 = 13° voraus. Wenn die Abtastperiode des Controllers nicht mit der Grundperiode des Spannungsbefehls synchronisiert ist, kann der Übergang des Schaltzustands in dem vollständigen Modus mit sechs Schritten folglich einen Fehler von maximal ± 13° im Vergleich mit dem Spannungsbefehl aufweisen. Die Ausgabespannung eines PWM-Umrichters kann aufgrund dieses Fehlers Unterschwingungen aufweisen. Diese Unterschwingung in der Phasenspannung kann Unterschwingungen im Phasenstrom und damit im Ausgabedrehmoment der elektrischen Maschine erzeugen. Wie gezeigt ist der Mittelwert des Schaltsignals in einer Grundperiode nicht gleich 0,5. Wenn der Mittelwert größer als 0,5 ist, weist die sechschrittige Spannung in dieser Periode einen längeren Spitzenwert auf. Wenn der Mittelwert kleiner als 0,5 ist, weist die sechschrittige Spannung einen kürzeren Spitzenwert auf. Wie gezeigt beträgt der Mittelwert des Schaltsignals 0,429, sodass die sechschrittige Spannung einen kürzeren Spitzenwert aufweist.
3 zeigt ferner auf graphische Weise einen Betrieb mit Bezug auf die Ausführung eines Zwischensteuerungsschemas in der Form eines zweiten Trägersignals 332, eines Zwischen-Tastverhältnisbefehls 334 und einer Zwischen-PWM-Wellenform 336. Der Zwischen-Tastverhältnisbefehl 334 wird eingeführt, um die Größe des Mittelwerts des Schaltsignals auf eine Weise zu justieren, die Unterwellenfrequenzen in der Steuerung und im Betrieb der elektrischen Maschine verhindert. Der Zwischen-Tastverhältnisbefehl 334 gibt einen Tastverhältnisbefehl aus, der weder 0 noch 1 ist, wenn sich der Spannungswinkel 310 einem der interessierenden Drehwinkel der elektrischen Maschine nähert, z. B. den Drehwinkeln von 30, 90, 150, 210, 270 und 330 Grad. Der Spannungswinkel 310 wird als einer der interessierenden Drehwinkel betrachtet, wenn sich die Periode des kommenden Zyklus des Trägersignals, zum Beispiel des zweiten Trägersignals 322 mit einem der interessierenden Drehwinkel überlappt. Wie gezeigt überlappt sich das Trägersignal 322 mit dem Spannungsbefehlswinkel bei einem Drehwinkel von 90° beim Zeitpunkt 311, und das Trägersignal 322 überlappt mit der Drehposition der elektrischen Maschine bei einem Drehwinkel von 270° beim Zeitpunkt 317.
Die Größe des Zwischen-Tastverhältnisbefehls 334 ist so gewählt, dass die mittlere Spannung des Schaltsignals gleich derjenigen der bevorzugten Spannung 304 in der Wellenform mit sechs Schritten gehalten wird. Beispielsweise ist in der ersten Schaltperiode, die durch die Linien 324 und 326 gezeigt ist, die Dauer des Spitzenwerts des nicht synchronisierten Tastverhältnisbefehls 324 mit sechs Schritten um eine Zeitperiode T_comp 323 länger als diejenige des synchronisierten Tastverhältnisbefehls mit sechs Schritten, der durch den bevorzugten Befehl 304 gezeigt ist. In diesem Fall kann die Größe des Zwischen-Tastverhältnisbefehls 334 in dieser Schaltperiode, d. h. zwischen den Zeitpunkten 309 und 312 auf eine Größe verringert werden, die eine Reduktion der PWM-Wellenform 336 auf Null für eine Taldauer von T_comp 333 verursacht, die äquivalent zu der erwarteten T_comp 323 ist. Dies ist als der Zwischen-Tastverhältnisbefehl 334 und die resultierende PWM-Wellenform 336 gezeigt. Der Trägerbefehl 332 entspricht dem ersten Trägerbefehl 322 und er liegt in der Form einer Dreieckswelle vor. Der Zwischen-Tastverhältnisbefehl 334 bewirkt, dass der Mittelwert des Schaltsignals in einer Grundperiode unabhängig von der Synchronisation der Schaltperiode mit dem Spannungsbefehl Null ist. Wie in diesem Fall gezeigt ist, können Unterwellen beseitigt werden.
Die Verwendung des Zwischen-Tastverhältnisbefehls 334 kann ungewünschte Störimpulse in die PWM-Wellenform 336 einbringen. Störimpulse werden vermieden, indem die Ausrichtung des Trägersignals verändert wird, d. h. die Ausrichtung des Trägerbefehls 332 verändert wird, ohne die Frequenz oder Periode des Trägerbefehls 332 zu verändern. In einer Ausführungsform liegt der Trägerbefehl 332 in der Form eines Dreiecks vor und die Dreieckskonfiguration kann entweder eine rechts ausgerichtete oder eine auf die Mitte ausgerichtete oder eine links ausgerichtete Trägerwellenform sein. Es sind Beispiele für die rechts ausgerichtete Trägerwellenform 347, für die auf die Mitte ausgerichtete Trägerwellenform 349 und für die links ausgerichtete Trägerwellenform 345 gezeigt. Das Zwischen-Steuerungsschema wird implementiert, indem das Trägersignal 322 auf der Grundlage des Zwischen-Tastverhältnisbefehls 344 ausgerichtet wird, um Störimpulse zu vermeiden. Der Zwischen-Tastverhältnisbefehl 334 interagiert mit dem Trägersignal 322, um eine PWM-Wellenform 346 zu erreichen, die zu der Abwesenheit von Störimpulsen führt.
Daher ist der Trägerbefehl 342 eine links ausgerichtete Wellenform 345, die gewählt wurde, um einen Störimpuls zu vermeiden, der ansonsten in Ansprechen auf den Zwischen-Tastverhältnisbefehl 344 auftreten würde, bevor die PWM-Wellenform umgeschaltet wird, um den zugehörigen Schalter des Umrichters in einen ausgeschalteten oder einen Zustand 0 zu befehlen. Analog wird, wie bei Zeitpunkt 316 beginnend gezeigt ist, die rechts ausgerichtete Trägerwellenform 347 gewählt, um einen Störimpuls zwischen den Zeitpunkten 318 und 319 zu vermeiden, der ansonsten in Ansprechen auf den Zwischen-Tastverhältnisbefehl 344 auftreten würde, bevor die PWM-Wellenform umgeschaltet wird, um den zugehörigen Schalter des Umrichters in einen eingeschalteten oder einen Zustand 1 zu befehlen.
Außerdem müssen Verzögerungen berücksichtigt werden, die mit Latenzen im Betrieb des digitalen Controllers verbunden sind. Ein Spannungsbefehl oder Tastverhältnisbefehl, der in einer Schaltperiode, beispielsweise einer Periode [n] berechnet wurde, wird tatsächlich bei der nächsten Schaltperiode [n + 1] aktualisiert. Aus diesem Grund wird eine Winkelvorverstellung ω·T_SW während einer Schaltperiode bei der Berechnung des Zwischen-Tastverhältnisbefehls in Betracht gezogen. Auch die Drehrichtung muss sowohl bei der Berechnung des Zwischen-Tastverhältnisses als auch bei der Entscheidung der Ausrichtung des Trägersignals in Betracht gezogen werden, da der Rotor oder der Rotorfluss sowohl im Urzeigersinn (negative Richtung) als auch gegen den Uhrzeigersinn (positive Richtung) rotieren können.
Wieder mit Bezug auf 1 aktivieren die ersten und zweiten Gatetreiberschaltungen 106, 108 nur einen der Schalter von jedem der Schalterpaare 112 und 114, 122 und 124 sowie 132 und 134, um einen Leistungstransfer zwischen entweder HV+ 102 oder HV– 104 und einer Phase der elektrischen Maschine 140 in Ansprechen auf Steuerungssignale, die vom Controller 105 stammen, zu bewirken. Ein Schalten der beiden Schalter in einem der Schalterpaare in den eingeschalteten Zustand verursacht einen ungewünschten Kurzschluss zwischen HV+ 102 und HV– 104 und dies wird folglich vermieden. Das Schalten der beiden Schalter in einem der Schalterpaare in den ausgeschalteten Zustand bewirkt eine ungewünschte Trennung des Phasenanschlusses von der Leistungsquelle, was zu einem Zustand mit einer floatenden Spannung führt. Allgemein wird ein Bezugszeichen mit einer Ziffer verwendet, um den Schaltzustand eines Schenkels auszudrücken, d. h. von jedem der Schalterpaare 112 und 114, 122 und 124 sowie 132 und 134. Ein Schalterzustand von 1 gibt an, dass der obere Schalter aktiviert ist und die Anschlussspannung mit HV+ 102 verbunden ist. Ein Schalterzustand von 0 gibt an, dass der untere Schalter aktiviert ist und die Anschlussspannung mit HV– 104 verbunden ist. Wenn als Beispiel der Schalter 112 des Schalterpaars 112 und 114 aktiviert ist, wobei der Schalter 114 deaktiviert ist, wird der Schaltzustand wie folgt ausgedrückt: S_A = 1 [1]
Wenn analog der Schalter 112 des Schalterpaars 112 und 114 deaktiviert ist, wobei der Schalter 114 aktiviert ist, dann wird der Schaltzustand wie folgt ausgedrückt: S_A = 0 [2]
Dies kann auf alle drei Phasen S_A, S_B und S_C erweitert werden. Wenn beispielsweise der Schaltzustand als (1, 0, 0) ausgedrückt ist, umfasst der tatsächliche Schaltzustand, dass Schalter 112 eingeschaltet ist, Schalter 114 ausgeschaltet ist, Schalter 122 ausgeschaltet ist, Schalter 124 eingeschaltet ist, Schalter 132 ausgeschaltet ist und Schalter 134 eingeschaltet ist.
Folglich kann jede Phasenspannung aus dem Schaltzustand wie folgt berechnet werden, wobei V_as die Spannungsgröße am ersten Knoten 116 repräsentiert, V_bs die Spannungsgröße am zweiten Knoten 126 repräsentiert und V_cs die Spannungsgröße am dritten Knoten 136 repräsentiert. V_as = 2 / 3·V_dc·S_A – 1 / 3·V_dc·(S_B + S_C) [3] V_bs = 2 / 3·V_dc·S_B – 1 / 3·V_dc·(S_C + S_A) [4] V_cs = 2 / 3·V_dc·S_C – 1 / 3·V_dc·(S_A + S_B) [5]
4 zeigt auf graphische Weise einen stationären Direkt-Quadratur-Referenzrahmen 400 (einen stationären dq- oder αβ-Referenzrahmen) zum Analysieren der Arbeitsweise eines dreiphasigen Umrichters, beispielsweise des mit Bezug auf 1 beschriebenen Umrichters 100, wobei die Analyse im Kontext einer Direktspannung v_α 420 auf der horizontalen Achse und einer Quadraturspannung v_β 430 auf der vertikalen Achse gezeigt ist. Die Spannung an einem Punkt im Betrieb ist als Vektor v_αβ 425 gezeigt. Eine dreiphasige Schaltung, beispielsweise der mit Bezug auf 1 gezeigte Umrichter 100 kann mathematisch umgeformt werden, um einen Referenzrahmen des dreiphasigen Systems (abc) in einen stationären dq-(αβ-)Rahmen zu drehen, um eine Analyse und Steuerung derselben zu vereinfachen, indem dreiphasige Stator- und Rotorgrößen in einen einzigen rotierenden Referenzrahmen transformiert werden, um Effekte von zeitvarianten Induktivitäten zu beseitigen. Ein dreiphasiger Umrichter, z. B. der Umrichter 100, enthält drei Schenkel, wobei jeder Schenkel zwei mögliche Schaltzustände aufweist, was zu acht Kombinationen von Schalterzuständen führt. Die Schalterzustände sind durch Spannungsvektoren angezeigt, wie aus Tabelle 1 folgt, wobei die dreiphasigen Spannungen in jedem Schaltzustand aus drei Phasen konvertiert werden, wobei die resultierenden αβ-Spannungen in 4 als Spannungsvektoren V0 410, V1 401, V2 402, V3 403, V4 404, V5 405, V6 406 und V7 407 gezeigt sind. Es sind auch Betriebssektoren gezeigt, die einen Sektor I 411 zwischen den Vektoren V1 401 und V2 402, einen Sektor II 412 zwischen den Vektoren V2 402 und V3 403 einen Sektor III 413 zwischen den Vektoren V3 403 und V4 404, einen Sektor IV 414 zwischen den Vektoren V4 404 und V5 405, einen Sektor V 415 zwischen dem Vektor V5 405 und dem Vektor V6 406 und einen Sektor VI 416 zwischen dem Vektor V6 406 und dem Vektor V1 401 umfassen. Tabelle 1

Vektor S_A S_B S_C

V0 0 0 0

V1 1 0 0

V2 1 1 0

V3 0 1 0

V4 0 1 1

V5 0 0 1

V6 1 0 1

V7 1 1 1
Bei einem Betrieb mit einer Bedingung mit positiver Drehzahl können die Zwischen-Tastverhältnisbefehle (Duty_A, Duty_B, Duty_C) und die Trägerausrichtung (Ausrichtung) für jeden der Sektoren wie folgt in Tabelle 2 ermittelt werden. Tabelle 2

Sektor Duty_A Duty_B Duty_C Ausrichtung

I 1,0 INT6 0,0 Links

II INT1 1,0 0,0 Rechts

III 0,0 1,0 INT2 Links

IV 0,0 INT3 1,0 Rechts

V INT4 0,0 1,0 Links

VI 1,0 0,0 INT5 Rechts
Die Terme INT1, INT2, INT3, INT4, INT5 und INT6 repräsentieren Gleichungen zur Berechnung der Zwischen-Tastverhältnisbefehle wie folgt, wobei der Term θv_αβ den elektrischen Winkel für den Vektor v_αβ 425 repräsentiert und ω·T_SW die Winkelvorverstellung während einer Schaltperiode repräsentiert:
Bei einem Betrieb in einer Bedingung mit negativer Drehzahl können die Zwischen-Tastverhältnisbefehle (Duty_A, Duty_B, Duty_C) und die Trägerausrichtung (Ausrichtung) für jeden der Sektoren wie in Tabelle 3 folgt ermittelt werden. Tabelle 3

Sektor Duty_A Duty_B Duty_C Ausrichtung

I 1,0 0,0 INT12 Links

II 1,0 INT7 0,0 Rechts

III INT8 1,0 0,0 Links

IV 0,0 1,0 INT9 Rechts

V 0,0 INT10 1,0 Links

VI INT11 0,0 1,0 Rechts
Die Terme INT7, INT8, INT9, INT10, INT11 und INT12 repräsentieren Gleichungen zur Berechnung der Zwischenbefehle wie folgt, wobei der Term θv_αβ den elektrischen Winkel für den Vektor v_αβ 425 repräsentiert und ω·T_SW die Winkelvorverstellung während einer Schaltperiode repräsentiert:

5 zeigt auf schematische Weise eine Umrichtersteuerungsroutine 500 zur frequenzsynchronisierten Umrichtersteuerung in dem Modus mit sechs Schritten. Die Umrichtersteuerungsroutine 500 steuert den Umrichter in dem Modus mit sechs Schritten, um die Ausführung des Modus mit sechs Schritten mit der Rotation der elektrischen Maschine zu synchronisieren. Die Umrichtersteuerungsroutine 500 kann verwendet werden, um eine Ausführungsform des Umrichters 100 zu steuern, der mit Bezug auf 1 beschrieben ist. Tabelle 4 wird als Schlüssel bereitgestellt, wobei die numerisch beschrifteten Blöcke und die zugehörigen Funktionen wie folgt offengelegt sind, welche der Umrichtersteuerungsroutine 500 entsprechen. Tabelle 4

BLOCK	BLOCKINHALTE
502	Modus mit sechs Schritten zur Steuerung des Umrichters ausführen
504	Elektrischen Spannungswinkel der elektrischen Maschine überwachen
506	Umrichterschalter in Ansprechen auf Drehmomentbefehl befehlen
508	PWM-Träger mit voreingestellter Frequenz und vorbestimmter Ausrichtung befehlen
510	Nähert sich Schalter einem Schrittübergang?
512	Zwischen-Tastverhältnisbefehl für den Schalter ermitteln, der umgeschaltet wird
514	Trägerausrichtung ermitteln
516	Das Umschalten des Schalters in Ansprechen auf den Zwischen-Tastverhältnisbefehl und die Trägerausrichtung steuern
518	Ende

Die Umrichtersteuerungsroutine 500 betrifft das Ausführen des Modus mit sechs Schritten, um den Umrichter zu steuern (502), was umfasst, dass ein elektrischer Spannungswinkel der elektrischen Maschine überwacht wird (504). Das Überwachen des elektrischen Spannungswinkels der elektrischen Maschine kann ein Überwachen mit einer voreingestellten Abtastrate, das von einer voreingestellten Abtastfrequenz eines Analog/Digital-Wandlers getrieben wird, der mit dem Controller elektrisch verbunden ist, oder das Überwachen in Ansprechen auf ein Auslöseereignis, wie etwa eines Signals mit steigender Flanke oder eines Signals mit fallender Flanke, das von einem Halleffekt-Sensor oder in Ansprechen auf einen anderen Drehpositionssensor erzeugt wird, umfassen. Der Umrichter wird in dem Modus mit sechs Schritten betrieben, was umfasst, dass die Schalter in Ansprechen auf einen Drehmomentbefehl befohlen werden, indem die Umrichterschalter einmal pro Rotorzyklus zyklisch durch die sechs von Null verschiedenen Zustände hindurch laufen, um eine AC-Spannung und einen AC-Strom in jeder Wicklung des Stators zu erzeugen (506) und der PWM-Träger mit einer voreingestellten Frequenz und einer vorbestimmten Ausrichtung befohlen wird (508), um die Operation auszuführen. Die Routine ermittelt, ob sich in einem der Schalter ein Schrittübergang nähert (510). Ein Schrittübergang in einem der Schalter nähert sich, wenn sich der elektrische Drehwinkel einem interessierenden Drehwinkel nähert, was angezeigt wird, wenn sich eine Periode eines kommenden Zyklus des PWM-Trägers mit einem der interessierenden Drehwinkel überlappt, z. B. Drehwinkeln von 30, 90, 150, 210, 270 und 330 Grad.
Wenn sich ein Schrittübergang in einem der Schalter nähert (510)(1), wird ein Zwischen-Tastverhältnisbefehl für den Schalter, der gerade übergeht, ermittelt, wobei der Zwischen-Tastverhältnisbefehl auf der Grundlage einer der Gleichungen 6 bis 17 ermittelt wird, wobei die spezielle Gleichung auf der Grundlage des sich nähernden Winkels und des speziellen Schalters, der gerade übergeht, gewählt wird (512). Gleichzeitig wird die Trägerausrichtung auf der Grundlage des gegenwärtigen Steuerungszustands des speziellen Schalters, der gerade übergeht, gewählt (514). In einer Ausführungsform wird die Wahl der speziellen Gleichung und der Trägerausrichtung auf der Grundlage der interessierenden Drehwinkel ermittelt, wobei die Aufmerksamkeit auf den speziellen Sektor unter Verwendung von 4 und der Tabellen 2 und 3 gerichtet wird. Der resultierende Zwischen-Tastverhältnisbefehl und die Trägerausrichtung werden ausgeführt, um den Umrichter während der Periode des kommenden Zyklus des PWM-Trägers zu steuern (516) und diese Iteration der Routine endet (518).
Auf diese Weise kann ein PWM-Umrichter in einem Modus mit sechs Schritten betrieben werden, um die Drehmomentkapazität einer elektrischen Maschine in einer Flussschwächregion zu erhöhen, was zu einer erhöhten Drehmomentausgabe im Vergleich mit einem Betrieb in einem SVPWM-Modus führt, was umfasst, dass die PWM-Wellenform mit sechs Schritten mit der Motordrehzahl synchronisiert wird, um eine Unterwellen-Welligkeit in Phasenströmen zu vermeiden, ohne die Abtastfrequenz zu verändern.
Die genaue Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben die vorliegenden Lehren, aber der Umfang der vorliegenden Lehren wird nur durch die Ansprüche definiert. Obwohl einige der besten Arten und andere Ausführungsformen zum Ausführen der vorliegenden Lehren im Detail beschrieben wurden, existieren verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen, um die vorliegenden Lehren, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, in die Praxis umzusetzen.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Umrichters, der mit einer mehrphasigen elektrischen AC-Maschine elektrisch wirksam verbunden ist, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Modus mit sechs Schritten ausgeführt wird, um den Umrichter zu steuern; ein elektrischer Spannungswinkel der elektrischen Maschine mit einer voreingestellten Abtastfrequenz überwacht wird; und wenn sich der elektrische Spannungswinkel einem Schrittübergang nähert, der mit dem Steuern eines einer Vielzahl von Schaltern des Umrichters in dem Modus mit sechs Schritten verbunden ist: ein Zwischen-Tastverhältnisbefehl für den einen der Schalter erzeugt wird; ein Trägersignal auf der Grundlage eines gegenwärtigen Steuerungszustands des einen der Schalter ausgerichtet wird; und der eine der Schalter unter Verwendung des Zwischen-Tastverhältnisbefehls und des ausgerichteten Trägersignals gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen eines Zwischen-Tastverhältnisbefehls für den einen der Schalter umfasst, dass: eine Winkelvorverstellung eines Vektors während einer einzelnen Schaltperiode ermittelt wird; ein Vektorwinkel ermittelt wird, der mit dem elektrischen Spannungswinkel der elektrischen Maschine verbunden ist; und der Zwischen-Tastverhältnisbefehl für den einen der Schalter auf der Grundlage der Winkelvorverstellung des Vektors während einer einzelnen Schaltperiode und des Vektorwinkels ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausrichten eines Trägers auf der Grundlage eines gegenwärtigen Steuerungszustands des einen der Schalter umfasst, dass eine links ausgerichtete Trägerwellenform in Ansprechen auf den Zwischen-Tastverhältnisbefehl gewählt wird, bevor die PWM-Wellenform umgeschaltet wird, um den zugehörigen Schalter des Umrichters in einen ausgeschalteten Zustand zu befehlen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausrichten eines Trägers auf der Grundlage eines gegenwärtigen Steuerungszustands des einen der Schalter umfasst, dass eine rechts ausgerichtete Trägerwellenform in Ansprechen auf den Zwischen-Tastverhältnisbefehl gewählt wird, bevor die PWM-Wellenform umgeschaltet wird, um den zugehörigen Schalter des Umrichters in einen eingeschalteten Zustand zu befehlen.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass eine auf die Mitte ausgerichtete Trägerwellenform gewählt wird, wenn sich der elektrische Spannungswinkel nicht einem Schrittübergang nähert, der mit dem Steuern eines einer Vielzahl von Schaltern des Umrichters in dem Modus mit sechs Schritten verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Steuern des einen der Schalter unter Verwendung des Zwischen-Tastverhältnisbefehls und des ausgerichteten Trägersignals umfasst, dass der eine der Schalter unter Verwendung des Zwischen-Tastverhältnisbefehls und des ausgerichteten Trägersignals gesteuert wird, um eine Ausführung des Modus mit sechs Schritten mit der Rotation der elektrischen Maschine zu synchronisieren.
Verfahren zum Steuern eines Spannungszwischenkreisumrichters, der eine Vielzahl von Schenkeln enthält, die mit Phasen einer mehrphasigen synchronen elektrischen Permanentmagnet-AC-Maschine elektrisch wirksam verbunden sind, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Modus mit sechs Schritten ausgeführt wird, um den Umrichter in Ansprechen auf einen Drehmomentbefehl zu steuern; ein Drehwinkel der elektrischen Maschine mit einer voreingestellten Abtastfrequenz überwacht wird; und wenn sich der elektrische Spannungswinkel einem Schrittübergang nähert, der mit dem Steuern eines der Schenkel des Umrichters in dem Modus mit sechs Schritten verbunden ist: ein Zwischen-Tastverhältnisbefehl für den einen der Schenkel erzeugt wird; ein Trägersignal auf der Grundlage eines gegenwärtigen Steuerungszustands des einen der Schenkel ausgerichtet wird; und der eine der Schenkel unter Verwendung des Zwischen-Tastverhältnisbefehls und des ausgerichteten Trägersignals gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Erzeugen eines Zwischen-Tastverhältnisbefehls für den einen der Schalter umfasst, dass: eine Vektorwinkelvorverstellung während einer einzelnen Schaltperiode ermittelt wird; ein Vektorwinkel ermittelt wird, der mit dem elektrischen Spannungswinkel der elektrischen Maschine verbunden ist; und der Zwischen-Tastverhältnisbefehl auf der Grundlage der Vektorwinkelvorverstellung während einer einzelnen Schaltperiode und des Vektorwinkels ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Ausrichten eines Trägers auf der Grundlage eines gegenwärtigen Steuerungszustands des einen der Schalter umfasst, dass eine links ausgerichtete Trägerwellenform in Ansprechen auf den Zwischen-Tastverhältnisbefehl gewählt wird, bevor die PWM-Wellenform umgeschaltet wird, um den zugehörigen Schenkel des Umrichters in einen Steuerungszustand von 0 zu befehlen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Ausrichten eines Trägers auf der Grundlage eines gegenwärtigen Steuerungszustands des einen der Schalter umfasst, dass eine rechts ausgerichtete Trägerwellenform in Ansprechen auf den Zwischen-Tastverhältnisbefehl gewählt wird, bevor die PWM-Wellenform umgeschaltet wird, um den zugehörigen Schenkel des Umrichters in einen Steuerzustand von 1 zu befehlen.