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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduzierung von Zwischenkreiskapazitätsströmen und ein Lenksystem für ein Fahrzeug.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Im Stand der Technik sind Ansteuerschaltungen für Elektromotoren bekannt, die aus einer Gleichspannung PWM-Spannungen erzeugen, mit denen die Phasen des entsprechenden Elektromotors versorgt werden. Diese Schaltungen weisen typischerweise Halbbrücken für jede zu schaltende Phase des Elektromotors auf. Halbbrücken, die dasselbe Phasensystem des Elektromotors ansteuern, werden zu einer Endstufe zusammengefasst.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Erzeugung von PWM-Spannungen aus einer Gleichspannung erfordert eine Zwischenkreiskapazität, wenn z.B. aus EMV-Gründen nicht gewünscht ist, dass der von der oder den Endstufen benötigte Wechselstrom aus der Gleichspannungsquelle entnommen wird. Die Zwischenkreiskapazität ist für die Bereitstellung des beim Takten der Halbbrücken benötigten Wechselstromes vorgesehen.
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Bei einem hohen Wechselstrombedarf der Endstufen bzw. der Halbbrücken, muss die Zwischenkreiskapazität groß dimensioniert sein. Außerdem kann sich durch den hohen Wechselstrombedarf eine Erwärmung und Belastung der Zwischenkreiskapazität ergeben.
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Eine Aufgabe ist daher, eine Ansteuerschaltung mit Halbbrücken für einen Elektromotor derart vorzusehen, dass der bzw. die Zwischenkreiskondensatoren möglichst klein dimensioniert werden können. Es ergibt sich hierdurch vorteilhafterweise eine kleine Bauform der Kondensatoren. Außerdem sind klein dimensionierte Bauteile preisgünstig.
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Als erste Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Reduzierung von Zwischenkreiskapazitätsströmen mindestens einer ersten und einer zweiten Endstufe zur Verfügung gestellt, wobei die Endstufen zur Ansteuerung mindestens eines Elektromotors eines Lenksystems eines Fahrzeugs vorgesehen sind, umfassend mindestens ein erstes und ein zweites Phasensystem, wobei die Phasensysteme räumlich und elektrisch derart angeordnet sind, dass sich eine gleichmäßige Belastung der Zwischenkreiskapazität ergibt und/oder wobei die Phasensysteme elektronisch unterschiedlich angesteuert, insbesondere getaktet, werden, wodurch sich eine gleichmäßige Belastung der Zwischenkreiskapazität ergibt.
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Werden die Phasen unterschiedlicher Phasensysteme entsprechend angeordnet, kann eine Versetzung der Ansteuersignale der Phasen durch die entsprechenden Endstufen erreicht werden. Hierdurch ergibt sich eine gleichmäßige Belastung der betreffenden Zwischenkreiskapazität. Es entfallen hierdurch Spitzenbelastungen und es werden zum Betrieb der Endstufen nur geringe Zwischenkreiskapazitätsströme erforderlich. Als Konsequenz können der bzw. die Kondensatoren des Zwischenkreises kleiner dimensioniert werden. Mit „klein“ ist insbesondere eine kompakte Bauform bzw. eine nicht so hohe Leistungsfähigkeit gemeint, wobei ein nicht so hoher Bedarf an Leistungsfähigkeit eine räumlich kleine Bauform ermöglicht.
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Als zweite Ausführungsform der Erfindung wird ein Lenksystem für ein Fahrzeug zur Verfügung gestellt, wobei das Lenksystem eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.
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Beispielhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei die einzelnen Phasen des ersten Phasensystems räumlich und elektrisch zwischen zwei Phasen des zweiten Phasensystems angeordnet sind.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei der Elektromotor ein erstes und ein zweites Phasensystem aufweist, wobei das erste und das zweite Phasensystem in Sternschaltung oder Dreieckschaltung geschaltet ist oder wobei ein erster Elektromotor das erste Phasensystem und ein zweiter Elektromotor das zweite Phasensystem aufweist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei eine Phase des ersten Phasensystems räumlich und elektrisch zwischen zwei Phasen des zweiten Phasensystems derart angeordnet ist, dass die Phase des ersten Phasensystems den elektrischen Winkel halbiert, den die zwei Phasen des zweiten Phasensystems aufspannen.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei das erste Phasensystem durch eine erste Endstufe und das zweite Phasensystem durch eine zweite Endstufe angesteuert werden, wobei die erste Endstufe das erste Phasensystem mit einer ersten PWM-Frequenz ansteuert und die zweite Endstufe das zweite Phasensystem mit einer zweiten PWM-Frequenz ansteuert, wobei die erste PWM-Frequenz zur zweiten PWM-Frequenz unterschiedlich ist.
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Durch eine unterschiedliche Taktung der verschiedenen Endstufen können die einzelnen Endstufen zeitversetzt betrieben werden. Hierdurch kann sich durch eine weitere alternative Ausführungsform eine gleichmäßige Belastung der Zwischenkreiskapazität ergeben. Es ergeben sich keine Spitzenbelastungen der Zwischenkreiskapazität und der bzw. die Kondensatoren des Zwischenkreises können klein dimensioniert sein.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei die erste Endstufe eine erste PWM-Frequenz und die zweite Endstufe eine zweite PWM-Frequenz aufweist, und wobei eine Strommessung innerhalb eines Zeitfensters ohne Schaltvorgänge vorgenommen wird, um die von der ersten und/oder zweiten Endstufe erzeugten Phasenströme störungsfrei zu bestimmen, wobei die Periodendauern der ersten und der zweiten PWM-Frequenz ein kleinstes gemeinsames Vielfaches in der Größe des Zeitrasters der Strommessung aufweisen.
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Bei einer ersten Frequenz von 16 kHz ergibt sich eine Periodendauer von 62.5 µs (P = 1/f). Bei einer zweiten Frequenz von 18 kHz ergibt sich eine Periodendauer von 55.5µs. Das kleinste gemeinsame Vielfache (kgV) von 62.5 µs und 55.5 µs ist 500µs. Bei einer Betrachtung der ersten und zweiten Frequenz wäre entsprechend der größte gemeinsame Teiler zu errechnen. Der größte gemeinsame Teiler (ggT) von 16 kHz und 18 kHz ist 2 kHz. Das Ergebnis von 2 kHz ist der Kehrwert des kleinsten gemeinsamen Vielfachen der beiden Periodendauern (500µs).
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Die beiden PWM-Periodendauern sollen ein kleinstes gemeinsames Vielfaches in der Größe des Zeitrasters aufweisen, da die Phasenströme nur dann störungsfrei gemessen werden können, wenn während der Abtastung keine der Endstufen bzw. Halbbrücken schaltet. Aufgrund der elektromagnetischen Verkopplungen der Phasen untereinander werden Störungen, welche durch den Schaltvorgang in einer Phase verursacht werden, auf alle anderen Phasen eingekoppelt. Ein Zeitfenster ohne Schaltvorgänge kann bei einer mittenzentrierten PWM in der Mitte der PWM-Periode geschaffen werden. Wenn die beiden unterschiedlichen PWM-Periodendauern ein kleinstes gemeinsames Vielfaches in der Größe des Zeitrasters der Strommessung (z.B. 500 µs) aufweisen, treffen die PWM-Mitten der unterschiedlichen PWM-Periodendauern genau alle 500 µs wieder aufeinander, so dass in diesem Zeitfenster die Ströme störungsfrei gemessen werden können. Vorteilhafterweise ergeben sich zwei unterschiedliche PWM-Periodendauern durch das versetzte Schalten der Halbbrücken, wodurch sich ein geringerer Wechselstrombedarf der Endstufe(n) ergibt. Daraus folgt vorteilhafterweise der Bedarf eines geringeren Zwischenkreiskapazitätsstromes. Dennoch sind die PWM-Mitten alle 500 µs synchron, wodurch die Phasenströme störungsfrei gemessen werden können. Betriebsfrequenz und PWM-Periodendauer stehen in einem umgekehrt proportionalen Verhältnis (f = 1/T).
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Als eine Idee der Erfindung kann angesehen werden, eine Anordnung von mehreren Phasensystemen derart vorzusehen, dass eine gleichmäßige Belastung sichergestellt werden kann. Insbesondere durch eine gleichmäßige räumliche und elektrische Anordnung der einzelnen Phasen gegenüber ihren Pendants der anderen Phasensysteme kann eine gleichmäßige Belastung erreicht werden. In einer alternativen Ausführungsform werden die Endstufen mit unterschiedlichen PWM-Frequenzen getaktet, wodurch sich ebenfalls eine gleichmäßige Belastung des Zwischenkreises ergibt.
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Die einzelnen Merkmale können selbstverständlich auch untereinander kombiniert werden, wodurch sich zum Teil auch vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele deutlich. Es zeigen
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1 ein Schaltbild einer Ansteuerung eines Elektromotors 3 mit sechs Wicklungen für sechs Phasen,
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2 eine räumliche und elektrische Darstellung von zwei Phasensystemen mit jeweils drei Phasen,
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3 eine erfindungsgemäße räumliche und elektrische Anordnung von zwei Phasensystemen mit jeweils drei Phasen,
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4 eine Ansteuerschaltung mit zwei Endstufen 10, 11, wobei jede Endstufe 10, 11 für eine einzelne Teilmaschine vorgesehen ist und
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5 ein Zeitdiagramm zweier unterschiedlicher Folgen von PWM-Perioden von einer ersten und einer zweiten Endstufe, wobei bei der ersten PWM-Folge die Halbbrücken der ersten Endstufe z.B. mit einer Frequenz von 16 kHz und bei der zweiten PWM-Folge die Halbbrücken der zweiten Endstufe mit einer Frequenz von 18 kHz getaktet werden. Desweiteren wird gezeigt, dass bei dieser Konstellation die PWM-Mitten der unterschiedlichen Folgen von PWM-Perioden wieder im Zeitraster der Strommessung (z.B. 500 µs) zusammenfallen. Hierdurch kann ein Zeitfenster entstehen, um die Ströme störungsfrei messen zu können.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt einen Elektromotor 3 mit zwei unterschiedlichen Phasensystemen, wobei die einzelnen Phasen der zwei Phasensysteme erfindungsgemäß derart angeordnet sind, dass sich eine nahezu räumlich gleichmäßige Verteilung der einzelnen Phasen über den elektrischen Umfang ergibt. Insbesondere kann die räumliche Anordnung derart erfolgen, dass die Phasen eines Phasensystems räumlich und elektrisch zwischen den Phasen eines anderen Phasensystems angeordnet sind. Ein Elektromotor 3 kann insbesondere zwei unterschiedliche Phasensysteme aufweisen, die jeweils in einer Stern- oder einer Dreieckschaltung angeordnet sind. Zwei Sternpunkte zweier Phasensysteme können in einer alternativen Ausführungsform verbunden werden.
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Ein Drehstrom-Elektromotor kann mehrere Phasensysteme umfassen. Die Phasensysteme weisen jeweils einzelne Phasen auf, die als Wicklungen ausgebildet sind. Erfindungsgemäß werden diese Phasen gleichmäßig über den elektrischen Umfang angeordnet. Vorteilhafterweise ergeben sich hierdurch bei den jeweiligen Halbbrücken, die die Phasen ansteuern, PWM-Muster, die zeitlich versetzt sind. Es wird hierdurch eine ansonsten eventuell notwendige synchrone Versorgung dieser Halbbrücken vermieden. Stattdessen werden die entsprechenden Phasen aufgrund der räumlichen Anordnung zeitversetzt angesteuert. Hierdurch werden Spitzenbelastungen der entsprechenden Zwischenkreiskapazität vermieden. Insgesamt werden hierdurch geringere Zwischenkreiskapazitätsströme notwendig. Vorteilhafterweise kann erfindungsgemäß eine kleiner dimensionierte Zwischenkreiskapazität mit einer geringeren Leistungsfähigkeit und kleineren Baugröße verwendet werden.
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2 zeigt eine Anordnung der Phasen 14, 15 zweier Phasensysteme 12, 13, wobei die Phasen 14, 15 unterschiedlicher Phasensysteme 12, 13 eher räumlich und elektrisch zusammengefasst bzw. „konzentriert“ ausgerichtet sind. Hierdurch wird es notwendig, dass die entsprechenden Halbbrücken die Phasen nahezu zeitlich synchron ansteuern. Es ergeben sich Spitzenbelastungen der Zwischenkreiskapazität, wodurch höhere Zwischenkreiskapazitätsströme resultieren.
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung der Phasen 14, 15 zweier Phasensysteme 12, 13, wobei ebenfalls die Phasen 14, 15 in einer Sternschaltung ausgebildet sind. Im Gegensatz zur Anordnung der 2 sind die einzelnen Phasen 15 des ersten Phasensystems 12, auch unter Einbezug der Phasen 14 des zweiten Phasensystems 13 gleichmäßig über den elektrischen Umfang verteilt, und zwar derart, dass sich zwischen zwei Phasen 14, 15 ein elektrischer Winkel von 60° ergibt. Insbesondere kann jeweils eine Phase 15 des ersten Phasensystems 12 zwischen zwei Phasen 14 des zweiten Phasensystems 13 angeordnet werden.
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4 zeigt eine Ansteuerschaltung mit zwei Endstufen 10, 11, wobei eine Endstufe 10, 11 jeweils für eine Teilmaschine eines Drehstrom-Elektromotors 3 vorgesehen ist.
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Die Teilmaschinen können jeweils drei Phasen umfassen, die insbesondere in einer Sternschaltung ausgebildet sind. Die Endstufen 10, 11 können jeweils drei Halbbrücken vorsehen, die jeweils eine Phase einer Teilmaschine mit einer PWM-Wechselspannung versorgen. Erfindungsgemäß können die Endstufen 10, 11 mit unterschiedlichen PWM-Frequenzen angesteuert werden, wodurch die Halbbrücken einer Endstufe 10 im Vergleich zu den Halbbrücken der zweiten Endstufe 11 nicht synchron takten. Hierdurch kann eine gleichmäßigere Belastung der Zwischenkreiskapazität erreicht werden, da Spitzenbelastungen vermieden werden. Vorteilhafterweise ergibt sich erfindungsgemäß ein geringerer Strom durch die Zwischenkreiskapazität, wodurch eine kleinere Dimensionierung der Zwischenkreiskapazität ermöglicht wird.
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5 zeigt ein Zeitdiagramm zweier unterschiedlicher Folgen von PWM-Perioden, wobei bei der ersten PWM-Folge die Halbbrücken einer ersten Endstufe z.B. mit einer Frequenz von 16 kHz und bei der zweiten PWM-Folge die Halbbrücken einer zweiten Endstufe mit einer Frequenz von 18 kHz angesteuert werden. Hierdurch kann eine gleichmäßigere Verteilung der Belastung der Zwischenkreiskapazität erreicht werden. Spitzenbelastungen der Zwischenkreiskapazität werden vermieden.
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Es sei angemerkt, dass der Begriff „umfassen“ weitere Elemente oder Verfahrensschritte nicht ausschließt, ebenso wie der Begriff „ein“ und „eine“ mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließt.
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Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegeben wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Eingangsspannung
- 2
- Zwischenkreiskapazität
- 3
- Elektromotor
- 4
- Halbbrücke
- 5
- Halbbrücke
- 6
- Halbbrücke
- 7
- Halbbrücke
- 8
- Halbbrücke
- 9
- Halbbrücke
- 10
- Endstufe
- 11
- Endstufe
- 12
- erstes Phasensystem
- 13
- zweites Phasensystem
- 14
- Phase des zweiten Phasensystems
- 15
- Phase des ersten Phasensystems
- U
- Phase
- V
- Phase
- W
- Phase
- X
- Phase
- Y
- Phase
- Z
- Phase
