DE102016213276A1 - Method for controlling a semiconductor switch of a power converter, converter, electric drive arrangement - Google Patents

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Michael Wiesinger
Martin Spornraft
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    • H02P29/00Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/50Reduction of harmonics

Abstract

Offenbart wird ein Verfahren zum Steuern mindestens eines Halbleiterschalters (HS) eines Stromrichters (WR) zum Bereitstellen von Phasenströmen für eine Drehfeldmaschine (EM) mit mindestens einem pulsweitenmodulierten Steuersignal (S), wobei ein Impuls (P1) in einer Signalperiode (T) des mindestens einen Steuersignals (S) von der Mitte (t1) der Signalperiode (T) um einen zufälligen Versatz (∆) verschoben generiert wird.Disclosed is a method for controlling at least one semiconductor switch (HS) of a power converter (WR) for providing phase currents for a rotating field machine (EM) with at least one pulse width modulated control signal (S), wherein a pulse (P1) in a signal period (T) of at least a control signal (S) is generated shifted from the center (t1) of the signal period (T) by a random offset (Δ).

Description

Technisches Gebiet:Technical area:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Halbleiterschalters eines Stromrichters zum Bereitstellen von Phasenströmen für eine rotierende Drehfeldmaschine, insbesondere einer elektrischen Antriebsanordnung. Ferner betrifft die Erfindung einen Stromrichter sowie eine elektrische Antriebsanordnung mit einem genannten Stromrichter.The invention relates to a method for controlling a semiconductor switch of a power converter for providing phase currents for a rotating induction machine, in particular an electric drive arrangement. Furthermore, the invention relates to a power converter and an electric drive arrangement with a said power converter.

Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:State of the art and object of the invention:

Rotierende elektrische Maschinen bzw. Drehfeldmaschinen, werden in der Regel von Stromrichtern, insbesondere Wechselrichtern (Invertern), mit Phasenströmen versorgt. Dabei wandelt ein Stromrichter bzw. ein Wechselrichter einen Gleichstrom eines Zwischenstromkreises in einen oder mehrere Phasenströme um. Hierzu umfasst der Stromrichter Halbbrücken mit Halbleiterschaltern, welche von pulsweitenmodulierten Steuersignalen angesteuert abwechselnd vollständig leitend oder sperrend geschaltet werden. Rotary electrical machines or induction machines are usually supplied with power by converters, in particular inverters, with phase currents. In this case, a converter or an inverter converts a DC current of an intermediate circuit into one or more phase currents. For this purpose, the power converter comprises half-bridges with semiconductor switches, which are controlled by pulse width modulated control signals alternately switched fully conducting or blocking.

Systembedingt weisen die derart generierten Phasenströme Oberwellen auf, die zu Problemen bei der Akustik sowie der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) des elektrischen Antriebsstrangs führen können.Due to the system, the phase currents generated in this way have harmonics that can lead to problems with the acoustics as well as the electromagnetic compatibility (EMC) of the electric drive train.

Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, mit der die oben genannten Probleme vermieden bzw. das Ausmaß der Probleme reduziert werden können.Thus, the object of the present invention is to provide a possibility with which the above-mentioned problems can be avoided or the extent of the problems can be reduced.

Beschreibung der Erfindung:Description of the invention:

Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is solved by subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern mindestens eines Halbleiterschalters eines Stromrichters zum Bereitstellen mindestens eines Phasenstroms für eine Drehfeldmaschine mit mindestens einem pulsweitenmodulierten Steuersignal bereitgestellt. According to a first aspect of the invention, a method is provided for controlling at least one semiconductor switch of a power converter for providing at least one phase current for a rotary field machine having at least one pulse-width-modulated control signal.

Gemäß dem Verfahren wird ein Impuls in mindestens einer Signalperiode des mindestens einen Steuersignals von der Mitte der Signalperiode aus um einen zufälligen Versatz verschoben, insbesondere um den zufälligen Versatz prozentual winkel- bzw. zeitverschoben, generiert.According to the method, a pulse is shifted in at least one signal period of the at least one control signal from the middle of the signal period by a random offset, in particular by the random offset percentage angle or time shifted generated.

Insbesondere wird das Verfahren zum Steuern von dreiphasigen Drehfeldmaschinen verwendet. Die Ansteuerung der Drehfeldmaschine erfolgt gewöhnlich mithilfe der Raumzeigermodulation (engl. „Space Vector Modulation“, kurz „SVM“). Bei der SVM wird für einen gewünschten Sollspannungszeiger, für jede Phase ein Tastgrad berechnet. Die Pulse werden in der Regel mittensynchron zur Schaltperiode, mit einer konstanten Schaltfrequenz ausgegeben. Die Linearkombination der einzelnen Null- und aktiven Spannungszeiger einer Schaltperiode ergibt nach Betrag und Winkel den gewünschten Sollspannungszeiger zum Zeitpunkt der Symmetrieachse des Pulsmusters. In particular, the method is used for controlling three-phase rotating field machines. The control of the induction machine is usually done using the space vector modulation ("SVM"). For the SVM, a duty cycle is calculated for a desired setpoint pointer and for each phase. The pulses are usually output mid-synchronous to the switching period, with a constant switching frequency. The linear combination of the individual zero and active voltage vector of a switching period results in magnitude and angle of the desired target voltage pointer at the time of the symmetry axis of the pulse pattern.

Gemäß dem Verfahren wird ein prozentualer Versatz ∆ aus der Mitte des sonst mittensynchronen PWM Signals definiert. Der maximal erlaubte Versatz ∆max darf dabei nicht dazu führen, dass das Pulsmuster über die Grenzen der zugehörigen Schaltperiode hinaus verschoben wird. Resultierend aus der zufälligen Verschiebung der Symmetrieachse des Pulsmusters ergibt sich ein verdrehter Sollspannungszeiger. Für diesen verdrehten Sollspannungszeiger werden für jede Phase die Tastgrade berechnet und die Pulse um den zufälligen Versatz zeitverschoben ausgegeben. Damit wird sichergestellt, dass die Wirkung der aktiven Spannungszeiger weiterhin optimal zur aktuellen Rotorposition passt.According to the method, a percentage offset Δ is defined from the center of the otherwise mid-synchronous PWM signal. The maximum permitted offset Δmax must not result in the pulse pattern being shifted beyond the limits of the associated switching period. As a result of the random displacement of the symmetry axis of the pulse pattern, a twisted setpoint voltage pointer results. For this twisted reference voltage pointer, the duty cycles are calculated for each phase and the pulses are output with the time delay shifted by the random offset. This ensures that the effect of the active voltage vector continues to optimally match the current rotor position.

Aufgrund der geforderten hohen Leistungsdichten von Drehstrommaschinen in der Anwendung als Fahrzeugantrieb, liegt die Drehfeldfrequenz meist relativ hoch im Bereich von 0 bis 2 kHz. Entsprechend liegt die Schaltfrequenz der PWM-Ansteuerung um etwa Faktor 10 höher als die Drehfeldfrequenz.Due to the required high power densities of three-phase machines in the application as a vehicle drive, the rotating field frequency is usually relatively high in the range of 0 to 2 kHz. Accordingly, the switching frequency of the PWM control is about 10 times higher than the rotating field frequency.

Bedingt durch die PWM-Ansteuerung werden Oberwellen erzeugt, die zu zusätzlichen Verlusten, EMV-Störungen und akustischen Abstrahlungen im elektrischen Antriebsstrang führen. Eine Erhöhung der Schaltfrequenz würde diese Effekte verringern, jedoch werden dadurch auch die Schaltverluste erhöht, die systembedingt durch die vorhandene Kühlleistung limitiert werden müssen. Zusätzlich verringert eine Erhöhung der Schaltfrequenz auch die Spannungsausnutzung aufgrund der vorhandenen Totzeiten zwischen Aus- und Einschalten der Leistungshalbleiter.Due to the PWM control harmonics are generated, which lead to additional losses, EMC interference and acoustic emissions in the electric drive train. An increase in the switching frequency would reduce these effects, but this also increases the switching losses, which must be limited by the existing cooling capacity due to the system. In addition, an increase in the switching frequency also reduces the voltage utilization due to the existing dead times between switching off and on of the power semiconductors.

Bauartbedingt ist der Schallpegel in Elektroautos vergleichsweise niedrig im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Da zudem der Geräuschpegel im Frequenzbereich von 10–20 kHz sehr niedrig ist, können akustische Abstrahlungen aufgrund einer konstanten Schaltfrequenz deutlich wahrgenommen und als störend empfunden werden.Due to the design, the sound level in electric cars is comparatively low compared to vehicles with internal combustion engines. In addition, since the noise level in the frequency range of 10-20 kHz is very low, acoustic emissions due to a constant switching frequency can be clearly perceived and bothersome.

Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde nach einer Lösung gesucht, mit der die akustischen Abstrahlungen des elektrischen Antriebsstrangs verringert, vermieden, oder vorteilhaft im Frequenzbereich verteilt werden können. Ziel der Erfindung ist es, das Spektrum um die Schaltfrequenz so zu streuen, dass die Geräuschkulisse im Fahrzeug angenehmer wahrgenommen wird. Zudem bietet die Lösung einen sehr geringen Implementierungsaufwand, da die Schaltfrequenz konstant belassen werden kann. Eine Kombinierbarkeit mit einer variablen Schaltfrequenz ist weiterhin gegeben. Da die größte Wirksamkeit der Erfindung bei kleinen Drehzahlen festzustellen ist, wird genau der kritischste Fall abgedeckt, wenn die Umgebungsgeräusche wie z.B. Abrollgeräusch im Elektrofahrzeug besonders niedrig sind.Based on these findings, a solution was sought with which the acoustic emissions of the electric drive train can be reduced, avoided, or advantageously distributed in the frequency range. The aim of the invention is It is to spread the spectrum around the switching frequency so that the background noise in the vehicle is perceived more pleasantly. In addition, the solution offers a very low implementation effort, since the switching frequency can be left constant. A combinability with a variable switching frequency is still given. Since the greatest effectiveness of the invention is to be determined at low speeds, exactly the most critical case is covered when the ambient noise such as rolling noise in the electric vehicle is particularly low.

Basierend auf diesen Erkenntnissen wird das zuvor beschriebene Verfahren zum Steuern mindestens eines Halbleiterschalters eines Stromrichters mit mindestens einem pulsweitenmodulierten Steuersignal bereitgestellt, bei dem ein (Rechteck-)Impuls in mindestens einer Signalperiode des mindestens einen Steuersignals von der Mitte der genannten Signalperiode um einen zufälligen Versatz ∆ (aber innerhalb der genannten Signalperiode) verschoben generiert wird. Based on these findings, the above-described method is provided for controlling at least one semiconductor switch of a power converter having at least one pulse width modulated control signal, wherein a (square) pulse in at least one signal period of the at least one control signal from the middle of said signal period by a random offset Δ (but within the aforementioned signal period) is generated shifted.

Damit wird im Falle eines kontinuierlichen Raumzeigermodulationsverfahrens (auf Englisch „Continuous Space Vector Modulation, CSVM“) der zugrundegelegte Winkel für die Berechnung der Tastgrade der jeweiligen Steuersignale für die betroffene Signalperiode um einen Verschiebungswinkel verschoben. Dadurch trifft die Symmetrieachse der aktiven Spannungszeiger immer genau den diskreten Zeitpunkt bzw. Winkel für die Berechnung der Tastgrade. Folglich wird die Wirkung der aktiven Spannungszeiger nicht verfälscht und sie werden zum richtigen Zeitpunkt gestellt. Thus, in the case of a continuous space vector modulation (CSVM) method, the underlying angle for computing the duty cycles of the respective control signals for the affected signal period is shifted by a shift angle. As a result, the symmetry axis of the active voltage pointer always exactly matches the discrete time or angle for the calculation of the duty cycles. Consequently, the effect of the active voltage pointers will not be corrupted and they will be set at the right time.

Im Falle eines diskontinuierlichen Raumzeigermodulationsverfahrens (auf Englisch „Discontinuous Space Vector Modulation, DSVM“) entfällt der mittlere Nullspannungszeiger innerhalb von der betroffenen Schaltperiode. In diesem Fall können die Rechteckpulse im Vergleich zu dem zuvor genannten kontinuierlichen Raumzeigermodulationsverfahren („CSVM“) doppelt so weit verschoben werden. In the case of a Discontinuous Space Vector Modulation (DSVM) method, the mean zero voltage pointer is omitted within the affected switching period. In this case, the rectangular pulses may be shifted twice as far as compared with the aforementioned continuous space vector modulation ("CSVM") method.

Beispielsweise ist der zufällige Versatz ein gleichverteilter zufälliger Versatz zwischen einem maximalen Versatz und dessen Gegenzahl, nämlich die negative Zahl des Betrags des maximalen (positiven) Versatzes. For example, the random offset is an equally distributed random offset between a maximum offset and its counterpart, namely the negative number of the amount of the maximum (positive) offset.

Alternativ ist der zufällige Versatz beispielsweise ein normal verteilter zufälliger Versatz zwischen dem maximalen Versatz und dessen Gegenzahl.Alternatively, the random offset is, for example, a normally distributed random offset between the maximum offset and its counterpart.

Alternativ kann der zufällige Versatz durch ein definiertes Muster dargestellt werden, da dies sehr einfach in einem Mikrocontrollersystem implementiert werden kann.Alternatively, the random offset may be represented by a defined pattern, as this can be implemented very easily in a microcontroller system.

Beispielsweise ist der zufällige Versatz ∆ proportional zu einem Produkt aus einer Konstanten k (je nach Modulationsfahren), einer reellen Zufallszahl aus einem reellen Zahlenintervall [–1, 1] und einer Differenz zwischen einem maximal möglichen Modulationsgrad des Stromrichters und einem aktuellen Modulationsgrad. For example, the random offset Δ is proportional to a product of a constant k (depending on the modulation travel), a real random number from a real number interval [-1, 1] and a difference between a maximum possible modulation degree of the converter and a current modulation degree.

Beispielsweise wird der zufällige Versatz anhand folgender Gleichung ermittelt: ∆ = k·rand·(m_max – m), wobei sind:

∆:
der zufällige Versatz [%];
k:
eine Zahl 1/4 (bei CSVM) oder 1/2 (bei DSVM);
rand:
die reelle Zufallszahl aus dem reellen Zahlenintervall [–1, 1];
m_max:
der maximal mögliche Modulationsgrad des Stromrichters;
m:
der aktuelle Modulationsgrad für eine aktuell bereitzustellende Phasenspannung des Stromrichters.
For example, the random offset is determined by the following equation: Δ = k · edge · (m_max-m), where are:
Δ:
the random offset [%];
k:
a number 1/4 (for CSVM) or 1/2 (for DSVM);
edge:
the real random number from the real number interval [-1, 1];
m_max:
the maximum possible degree of modulation of the converter;
m:
the current degree of modulation for a currently provided phase voltage of the converter.

Beispielsweise ist der aktuelle Modulationsgrad proportional zu einem Quotient zwischen der aktuell bereitzustellenden Phasenspannung und einer Zwischenkreisspannung des Stromrichters.For example, the current degree of modulation is proportional to a quotient between the currently provided phase voltage and an intermediate circuit voltage of the converter.

Beispielsweise wird der aktuelle Modulationsgrad des Stromrichters anhand folgender Gleichung ermittelt: m = sqrt(6)·U_ph/U_DC, wobei sind:

sqrt(6):
Quadratwurzel von der Zahl 6;
U_ph:
Effektivwert der aktuell bereitzustellenden Phasenspannung;
U_DC:
Zwischenkreisspannung des Stromrichters.
For example, the current degree of modulation of the converter is determined using the following equation: m = sqrt (6) · U_ph / U_DC, where are:
sqrt (6):
Square root of the number 6;
U_ph:
Rms value of the phase voltage currently to be provided;
U_DC:
DC link voltage of the converter.

Beispielsweise werden eine aktuelle Rotorposition und eine aktuelle Winkelgeschwindigkeit eines Rotors der elektrischen Maschine zu einem aktuellen Zeitpunkt (bzw. Messzeitpunkt) vor der genannten Signalperiode erfasst. Aus der erfassten aktuellen Rotorposition und der erfassten aktuellen Winkelgeschwindigkeit wird eine zukünftige Rotorposition zu einem Bezugszeitpunkt des Impulses der genannten Signalperiode ermittelt, der (Impuls) von der Mitte der Signalperiode um den zuvor ermittelten zufälligen Versatz verschoben ist. Dabei ist der Bezugszeitpunkt insbesondere die Symmetrieachse des Pulses. For example, a current rotor position and a current angular speed of a rotor of the electric machine are detected at a current time (or measuring time) before the signal period mentioned. From the detected current rotor position and the detected current angular velocity, a future rotor position is determined at a reference instant of the pulse of said signal period, which is shifted (pulse) from the middle of the signal period by the previously determined random offset. The reference time is in particular the symmetry axis of the pulse.

Beispielsweise wird die zukünftige Rotorposition für die genannte Signalperiode anhand folgender Gleichung ermittelt: α_next = α_akt + ω_akt·(Tm + T/2 + ∆·T) wobei sind:

α_next:
die zukünftige Rotorposition zu dem Bezugszeitpunkt tb des Impulses der genannten Signalperiode;
Tm:
ein Zeitabstand zwischen dem Anfang der nächsten Schaltperiode und dem Messzeitpunkt (bzw. dem aktuellen Zeitpunkt);
α_akt:
die aktuelle Rotorposition zum Messzeitpunkt tm;
ω_akt:
die aktuelle Winkelgeschwindigkeit zum Messzeitpunkt tm;
∆:
der zufällige Versatz;
T:
die Signalperiodendauer des Steuersignals in der Signalperiode.
For example, the future rotor position for the said signal period is determined by the following equation: α_next = α_akt + ω_akt · (Tm + T / 2 + Δ · T) where are:
α_next:
the future rotor position at the reference time tb of the pulse of said signal period;
tm:
a time interval between the beginning of the next switching period and the measurement time (or the current time);
α_akt:
the current rotor position at the time of measurement tm;
ω_akt:
the current angular velocity at the time of measurement tm;
Δ:
the random offset;
T:
the signal period of the control signal in the signal period.

Aus der wie oben beschrieben ermittelten zukünftigen Rotorposition für die genannte Signalperiode wird beispielsweise ein Tastgrad pro Phase für die aktuelle Signalperiode ermittelt. Dabei wird die Ermittlung des Tastgrades beispielsweise vor dem Startzeitpunkt der genannten Signalperiode abgeschlossen.From the determined as described above future rotor position for said signal period, for example, a duty cycle per phase for the current signal period is determined. In this case, the determination of the duty cycle is completed, for example, before the start time of said signal period.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Stromrichter zum Bereitstellen zum Bereitstellen mindestens eines Phasenstromes für eine rotierende elektrische Maschine bereitgestellt. In accordance with another aspect of the invention, there is provided a power converter for providing at least one phase current to a rotary electric machine.

Der Stromrichter umfasst mindestens einen Halbleiterschalter zum Bereitstellen des mindestens einen Phasenstromes und mindestens einen Signalgenerator zum Generieren des mindestens einen pulsweitenmodulierten Steuersignals. Dabei ist der mindestens eine Signalgenerator ferner eingerichtet, den Impuls in mindestens einer Signalperiode des mindestens einen Steuersignals von der Mitte der mindestens einen Signalperiode um einen zufälligen Versatz verschoben zu generieren.The power converter comprises at least one semiconductor switch for providing the at least one phase current and at least one signal generator for generating the at least one pulse-width-modulated control signal. In this case, the at least one signal generator is further configured to generate the pulse shifted in at least one signal period of the at least one control signal from the center of the at least one signal period shifted by a random offset.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Antriebsanordnung, insbesondere zum Antrieb eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs, bereitgestellt. According to yet another aspect of the invention, an electric drive arrangement, in particular for driving a hybrid electric / electric vehicle, is provided.

Die Antriebsanordnung umfasst eine rotierende elektrische Maschine, insbesondere zum Antrieb des Hybrid-/Elektrofahrzeugs, sowie einen zuvor genannten Stromrichter, welcher ferner mindestens eine Phasenstromleitung umfasst und über die mindestens eine Phasenstromleitung mit der elektrischen Maschine elektrisch verbunden ist und eingerichtet ist, der elektrischen Maschine mindestens einen Phasenstrom bereitzustellen.The drive assembly comprises a rotating electrical machine, in particular for driving the hybrid / electric vehicle, and a previously mentioned power converter, which further comprises at least one phase current line and is electrically connected via the at least one phase current line to the electric machine and is arranged, the electric machine at least to provide a phase current.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben beschriebenen Verfahrens sind, soweit im Übrigen, auf den oben genannten Stromrichter bzw. auf die oben genannte Antriebsanordnung übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des Stromrichters der Antriebsanordnung anzusehen.Advantageous embodiments of the method described above are, as far as incidentally, transferable to the above-mentioned converter or to the above-mentioned drive arrangement, to be regarded as advantageous embodiments of the power converter of the drive assembly.

Kurze Beschreibung der Zeichnung:Brief description of the drawing:

Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung bezugnehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:In the following, an exemplary embodiment of the invention with reference to the accompanying drawings is explained in more detail. Showing:

1 in einer schematischen Darstellung eine elektrische Antriebsanordnung mit einem Wechselrichter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und 1 a schematic representation of an electric drive assembly with an inverter according to an embodiment of the invention; and

2A, 2B in jeweiligen Signalablaufdiagrammen jeweils eine Signalperiode eines pulsweitenmodulierten Steuersignals des Wechselrichters nach dem Stand der Technik und eine Signalperiode eines pulsweitenmodulierten Steuersignals nach einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 2A . 2 B in respective signal flow diagrams in each case one signal period of a pulse width modulated control signal of the inverter according to the prior art and a signal period of a pulse width modulated control signal according to a method according to an embodiment of the invention.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung:Detailed description of the drawing:

1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine elektrische Antriebsanordnung EA zum Antrieb eines Hybrid-/Elektrofahrzeugs. 1 shows a schematic representation of an electric drive assembly EA for driving a hybrid / electric vehicle.

Die Antriebsanordnung EA umfasst eine elektrische Maschine EM zum Antrieb des Hybrid-/Elektrofahrzeugs, welche in dieser Ausführungsform als eine permanente erregte Synchronmaschine mit einem Stator mit drei Statorphasen und einem gegenüber dem Stator drehbar ausgeführten Rotor ausgebildet ist. The drive assembly EA comprises an electric machine EM for driving the hybrid / electric vehicle, which in this embodiment is designed as a permanent magnet synchronous machine with a stator having three stator phases and a rotor rotatable relative to the stator.

Die elektrische Antriebsanordnung EA umfasst ferner einen Wechselrichter (Inverter) WR zum Bereitstellen von Phasenströmen für die elektrische Maschine EM, einen Drehwinkelsensor DS zum Erfassen des Drehwinkels und der Drehgeschwindigkeit des Rotors.The electric drive assembly EA further includes an inverter (inverter) WR for providing phase currents to the electric machine EM, a rotation angle sensor DS for detecting the rotation angle, and the rotation speed of the rotor.

Die elektrische Antriebsanordnung EA umfasst ferner eine Messanordnung MA zum Erfassen einer Zwischenkreisspannung U_DC an dem Wechselrichter WR, sowie eine Regelanordnung RA zum Regeln einer Phasenspannung U_ph, welche der Wechselrichter WR zum Betrieb der elektrischen Maschine EM bereitstellen soll. The electric drive arrangement EA further comprises a measuring arrangement MA for detecting an intermediate circuit voltage U_DC at the inverter WR, and a control arrangement RA for regulating a phase voltage U_ph, which the inverter WR is to provide for the operation of the electric machine EM.

Der Wechselrichter WR umfasst eine dreifach-Brückenschaltung BS als eine Leistungsendstufe zum Bereitstellen von Phasenströmen für die elektrische Maschine EM.The inverter WR includes a triple bridge circuit BS as one Power output stage for providing phase currents for the electric machine EM.

Die Brückenschaltung BS umfasst drei Halbbrücken HB, welche zueinander parallel zwischen einer positiven Versorgungsstromleitung V+ und einer negativen Versorgungsstromleitung V– geschaltet sind. Jede der drei Halbbrücken HB umfasst jeweils einen positivspannungsseitigen Halbleiterschalter HS1 und jeweils einen negativspannungsseitigen Halbleiterschalter HS2, wobei die beiden Halbleiterschalter HS1, HS2 der jeweiligen Halbbrücken HB zueinander in Reihe geschaltet sind. Die Halbleiterschalter HS1, HS2 sind beispielsweise als Leistungs-IGBTs (Leistungs-Bipolar-Transistor mit isolierter Gate-Elektrode) oder als Leistungs-MOSFETs (Leistungs-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor) ausgebildet.The bridge circuit BS comprises three half-bridges HB, which are connected in parallel between a positive supply current line V + and a negative supply current line V-. Each of the three half-bridges HB comprises in each case a positive-voltage-side semiconductor switch HS1 and in each case a negative-voltage-side semiconductor switch HS2, the two semiconductor switches HS1, HS2 of the respective half-bridges HB being connected to one another in series. The semiconductor switches HS1, HS2 are designed, for example, as power IGBTs (insulated gate power bipolar transistor) or as power MOSFETs (power metal oxide semiconductor field effect transistor).

Die Brückenschaltung BS umfasst ferner drei Phasenstromleitungen PL, welche die jeweiligen elektrischen Verbindungspunkt VP des positivspannungsseitigen und negativspannungsseitigen Halbleiterschalters HS1, HS2 der jeweiligen Halbbrücken HB mit einer der drei Statorphasen der elektrischen Maschine EM elektrisch leitend verbinden.The bridge circuit BS further comprises three phase current lines PL, which electrically conductively connect the respective electrical connection point VP of the positive voltage side and negative voltage side semiconductor switch HS1, HS2 of the respective half bridges HB to one of the three stator phases of the electric machine EM.

Der Wechselrichter WR umfasst ferner einen Signalgenerator SG zum Generieren von pulsweitenmodulierten Steuersignalen S1, S1‘, S2, S2‘, S3, S3‘, mit denen die der jeweiligen Halbleiterschalter HS1, HS2 der drei Halbbrücken HB angesteuert werden. The inverter WR further comprises a signal generator SG for generating pulse width modulated control signals S1, S1 ', S2, S2', S3, S3 ', with which the respective semiconductor switches HS1, HS2 of the three half bridges HB are controlled.

Signaleingangsseitig ist der Signalgenerator SG mit jeweils einem Signalausgang des Drehwinkelsensors DS, einem Signalausgang der Messanordnung MA sowie einem Signalausgang der Regelanordnung RA signaltechnisch verbunden.Signal input side of the signal generator SG is signal-technically connected to a respective signal output of the rotation angle sensor DS, a signal output of the measuring arrangement MA and a signal output of the control arrangement RA.

Signalausgangsseitig ist der Signalgenerator SG über jeweils einen Signalausgang mit dem Steueranschluss der jeweiligen Halbleiterschalter HS1, HS2 der drei Halbbrücken HB elektrisch verbunden.Signal output side of the signal generator SG is electrically connected via a respective signal output to the control terminal of the respective semiconductor switches HS1, HS2 of the three half-bridges HB.

Nachdem die Schaltungstopologie der elektrischen Antriebsanordnung EA anhand 1 beschrieben wurde, wird nachfolgend deren Funktion insbesondere die des Wechselrichters WR mithilfe von 2A und 2B näher beschrieben:
2A zeigt in einem schematischen Signalablaufdiagramm eine Signalperiode T eines nach dem Stand der Technik generierten pulsweitenmodulierten Steuersignals S0, welche zwischen den Zeitpunkten t0 und t2 liegt.
After the circuit topology of the electric drive assembly EA based 1 is described below, their function is in particular that of the inverter WR using 2A and 2 B described in more detail:
2A shows in a schematic signal flow diagram a signal period T of a generated according to the prior art pulse width modulated control signal S0, which lies between the times t0 and t2.

Bei diesem pulsweitenmodulierten Steuersignal S0 liegt der Signalimpuls P0 bzw. der Signalabschnitt mit einem High-Pegel symmetrisch zu der Mitte t1 der entsprechenden Signalperiode T, sodass die Zeitdauer T01, T02 des Signalimpulses P0 in den beiden, gleich langen Periodenabschnitten zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 bzw. t1 und t2 derselben Signalperiode T gleich lang sind.In this pulse width modulated control signal S0, the signal pulse P0 or the signal section with a high level is symmetrical to the middle t1 of the corresponding signal period T, so that the time duration T01, T02 of the signal pulse P0 in the two, equally long period sections between the times t0 and t1 or t1 and t2 of the same signal period T are the same length.

2B zeigt in einem weiteren schematischen Signalablaufdiagramm eine analoge Signalperiode T eines weiteren pulsweitenmodulierten Steuersignals S1, welches mittels des in 1 dargestellten Wechselrichters WR nach einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung generiert ist. 2 B shows in a further schematic signal flow diagram, an analog signal period T of another pulse width modulated control signal S1, which by means of in 1 illustrated inverter WR is generated according to a method according to an embodiment of the invention.

Bei diesem Steuersignal S1 liegt der Signalimpuls P1 asymmetrisch zu der Mitte t1 der Signalperiode T bzw. um einen Versatz ∆ bzw. eine Verschiebungszeitdauer ∆·T von der Mitte t1 der Signalperiode T zeitverschoben. Damit sind die Zeitdauer T11, T12 des Signalimpulses P1 in den beiden, gleich langen Periodenabschnitten zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 bzw. t1 und t2 derselben Signalperiode T ungleich lang.In this control signal S1, the signal pulse P1 is asymmetrically shifted to the middle t1 of the signal period T and by an offset Δ or a shift time period Δ · T from the middle t1 of the signal period T, respectively. Thus, the time duration T11, T12 of the signal pulse P1 in the two, equally long period sections between the times t0 and t1 or t1 and t2 the same signal period T are unequal length.

Die Ermittlung des Versatzes ∆ bzw. der Verschiebungszeit ∆·T erfolgt wie nachfolgend beschrieben:
Zum Messzeitpunkt tm vor dem Startzeitpunkt t0 der Signalperiode T, für die der Versatz ∆ bzw. die Verschiebungszeit ∆·T und ein Tastgrad D ermittelt werden, ermittelt der Drehwinkelsensor DS eine aktuelle Rotorposition α_akt und eine aktuelle Winkelgeschwindigkeit ω_akt des Rotors der elektrischen Maschine EM und übermittelt diese dem Signalgenerator SG.
The determination of the offset Δ or of the shift time Δ ·T takes place as described below:
At the measurement time tm before the start time t0 of the signal period T, for which the offset Δ or the shift time Δ · T and a duty cycle D are determined, the rotation angle sensor DS determines a current rotor position α_akt and a current angular speed ω_akt of the rotor of the electric machine EM and transmits this to the signal generator SG.

Ferner ermittelt die Regelungsanordnung RA eine aktuell bereitzustellende Phasenspannung U_ph und übermittelt diese dem Signalgenerator SG.Furthermore, the control arrangement RA determines a currently to be provided phase voltage U_ph and transmits this to the signal generator SG.

Analog ermittelt die Messanordnung MA eine Zwischenkreisspannung U_DC und übermittelt diese dem Signalgenerator SG.Analogously, the measuring arrangement MA determines an intermediate circuit voltage U_DC and transmits this to the signal generator SG.

Der Signalgenerator SG ermittelt aus der übermittelten aktuell bereitzustellenden Phasenspannung U_ph und der übermittelten Zwischenkreisspannung U_DC und anhand folgender Gleichung einen aktuellen Modulationsgrad m für die Signalperiode T: m = sqrt(6)·U_ph/U_DC, wobei sqrt(6) Quadratwurzel von 6 bedeutet.The signal generator SG determines from the transmitted currently to be provided phase voltage U_ph and the transmitted intermediate circuit voltage U_DC and the following equation a current modulation degree m for the signal period T: m = sqrt (6) · U_ph / U_DC, where sqrt (6) means square root of 6.

Anschließend bildet der Signalgenerator SG eine Differenz (m_max – m) zwischen einem maximal möglichen Modulationsgrad m_max und dem ermittelten aktuellen Modulationsgrad m und wählt anhand eines Zahlengenerators aus einem reellen Zahlenintervall [–1, 1] eine gleich- oder normalverteilte reelle Zufallszahl rand.Subsequently, the signal generator SG forms a difference (m_max-m) between a maximum possible modulation degree m_max and the determined current modulation degree m and uses a number generator from a real number interval [-1, 1] selects a uniformly or normally distributed real random number rand.

Der maximal mögliche Modulationsgrad m_max des Wechselrichters WR wird im Vorfeld basierend auf die Hardware-Eigenschaften des Wechselrichters WR ermittelt. Im Idealfall, nämlich bei einer Raumzeigermodulation (auf Englisch „Space Vector Modulation“) und dem idealen Wechselrichter WR beträgt der maximal mögliche Modulationsgrad m_max 1, und im Normalfall beispielsweise 0,98. The maximum possible modulation degree m_max of the inverter WR is determined in advance based on the hardware properties of the inverter WR. Ideally, namely space vector modulation ("Space Vector Modulation") and the ideal inverter WR, the maximum possible degree of modulation is m_max 1, and normally 0.98, for example.

Aus der Differenz (m_max – m), der Zufallszahl rand, sowie der Periodendauer T der Signalperiode T berechnet der Signalgenerator SG anhand folgender Gleichung den zufälligen Versatz ∆: ∆ = k·rand·(m_max – m). From the difference (m_max-m), the random number rand, as well as the period T of the signal period T, the signal generator SG calculates the random offset Δ using the following equation: Δ = k · edge · (m_max - m).

Dabei ist der Faktor k eine Zahl 1/4 oder 1/2, welche abhängig von dem verwendeten Modulationsverfahren festgelegt wird. Bei dem kontinuierlichen Raumzeigermodulationsverfahren („CSVM“) beträgt der Faktor k 1/4. Bei dem diskontinuierlichen Raumzeigermodulationsverfahren („DSVM“) beträgt der Faktor k 1/2.Here, the factor k is a number 1/4 or 1/2, which is determined depending on the modulation method used. In the continuous space vector modulation ("CSVM") method, the factor k is 1/4. In the discontinuous space vector modulation ("DSVM") method, the factor k is 1/2.

Der derart ermittelte zufällige Versatz ∆ ist ein gleich- oder normalverteilter zufälliger Versatz zwischen einem maximal möglichen Versatz ∆max und dessen Gegenzahl –∆max. Dabei gilt für den maximal möglichen Versatz ∆max folgender Zusammenhang: ∆max = k·m_max. The random offset Δ thus determined is an equally or normally distributed random offset between a maximum possible offset Δmax and its counterpart -Δmax. The following relationship applies for the maximum possible offset Δmax: Δmax = k · m_max.

Der maximale Versatz ∆max ergibt, wenn die Einschaltdauer eines Nullspannungszeigers am Rand der Schalperiode (Signalperiode) gleich 0 (null) wird (bei einem idealen Wechselrichter) bzw. eine Hardware-Grenze erreicht wird (bei einem realen Wechselrichter).The maximum offset Δmax results when the duty cycle of a zero-voltage pointer at the edge of the switching period (signal period) becomes equal to 0 (in the case of an ideal inverter) or a hardware limit is reached (in the case of a real inverter).

Ferner ermittelt der Signalgenerator SG aus dem zuvor ermittelten zufälligen Versatz ∆, der aktuellen Rotorposition α_akt und der aktuellen Winkelgeschwindigkeit ω_akt anhand folgender Gleichung eine zukünftige Rotorposition α_next des Rotors zu einem Bezugszeitpunkt tb des Impuls P1, zu dem der um den zufälligen Versatz ∆ verschobene Impuls P1 die Symmetrieachse aufweist: α_next = α_akt + ω_akt·(Tm + T/2 + ∆·T). Further, the signal generator SG determined from the previously determined random offset Δ, the current rotor position α_akt and the current angular velocity ω_akt using the following equation, a future rotor position α_next of the rotor at a reference time tb of the pulse P1, to which the shifted by the random offset Δ pulse P1 the symmetry axis has: α_next = α_akt + ω_akt · (Tm + T / 2 + Δ · T).

Dabei ist Tm der Zeitabstand zwischen dem Messzeitpunkt tm und Startzeitpunkt t0 der Signalperiode T. Tm is the time interval between the measurement time tm and the start time t0 of the signal period T.

Aus der ermittelten, zukünftigen Rotorposition α_next und dem Modulationsgrad m ermittelt der Signalgenerator SG in einer dem Fachmann bekannten Weise den Tastgrad D1 für die Signalperiode T.From the determined, future rotor position α_next and the modulation degree m, the signal generator SG determines the duty cycle D1 for the signal period T in a manner known to those skilled in the art.

Anschließend generiert der Signalgenerator SG die Signalperiode T des pulsweitenmodulierten Steuersignals S1 mit dem Impuls P1, der den zuvor ermittelten Tastgrad D1 aufweist und von der Mittel t1 der Signalperiode T um den zuvor ermittelten zufälligen Versatz ∆ und somit um eine Verschiebungszeit ∆·T zeitverschoben ist. Subsequently, the signal generator SG generates the signal period T of the pulse-width-modulated control signal S1 with the pulse P1, which has the previously determined duty cycle D1 and by the means t1 of the signal period T by the previously determined random offset Δ and thus by a shift time Δ · T is time-shifted.

Mit dem obigen Beispiel wurde beschrieben, wie das pulsweitenmodulierten Steuersignal S1 zum Ansteuern eines der Halbleiterschalters HS1 generiert wird. Die restlichen Steuersignale S2, S3 bzw. S1‘, S2‘ und S3‘ werden in analoger Weise generiert. The above example described how the pulse width modulated control signal S1 is generated for driving one of the semiconductor switches HS1. The remaining control signals S2, S3 or S1 ', S2' and S3 'are generated in an analogous manner.

Claims (12)

Verfahren zum Steuern mindestens eines Halbleiterschalters (HS) eines Stromrichters (WR) zum Bereitstellen von mindestens einem Phasenstrom für eine Drehfeldmaschine (EM) mit mindestens einem pulsweitenmodulierten Steuersignal (S), wobei ein Impuls (P1) in einer Signalperiode (T) des mindestens einen Steuersignals (S) von der Mitte (t1) der Signalperiode (T) um einen zufälligen Versatz (∆) verschoben generiert wird. Method for controlling at least one semiconductor switch (HS) of a power converter (WR) for providing at least one phase current for a rotary field machine (EM) with at least one pulse width modulated control signal (S), wherein a pulse (P1) in a signal period (T) of the at least one Control signal (S) from the center (t1) of the signal period (T) by a random offset (Δ) shifted generated. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zufällige Versatz (∆) ein gleichverteilter zufälliger Versatz zwischen einem maximalen Versatz (∆max) und dessen Gegenzahl (–∆max) ist.The method of claim 1, wherein the random offset (Δ) is an equally distributed random offset between a maximum offset (Δmax) and its counterpart (-Δmax). Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zufällige Versatz (∆) ein normalverteilter zufälliger Versatz zwischen einem maximalen Versatz (∆max) und dessen Gegenzahl (–∆max) ist.The method of claim 1, wherein the random offset (Δ) is a normally distributed random offset between a maximum offset (Δmax) and its counterpart (-Δmax). Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zufällige Versatz (∆) proportional zu einem Produkt aus einer reellen Zufallszahl (rand) aus einem reellen Zahlenintervall [–1, 1] und einer Differenz (m_max – m) zwischen einem maximal möglichen Modulationsgrad (m_max) des Stromrichters (WR) und einem aktuellen Modulationsgrad (m) ist. Method according to one of the preceding claims, wherein the random offset (Δ) is proportional to a product of a real random number (rand) of a real number interval [-1, 1] and a difference (m_max - m) between a maximum possible degree of modulation (m_max ) of the power converter (WR) and a current degree of modulation (m). Verfahren nach Anspruch 4, wobei der zufällige Versatz (∆) anhand folgender Gleichung ermittelt wird: ∆ = k·rand·(m_max – m), wobei k eine Zahl 1/4 oder 1/2 ist. Method according to claim 4, wherein the random offset (Δ) is determined by the following equation: Δ = k · edge · (m_max-m), where k is a number 1/4 or 1/2. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei der aktuelle Modulationsgrad (m) proportional zu einem Quotient zwischen der aktuell bereitzustellenden Phasenspannung (U_ph) und einer Zwischenkreisspannung (U_DC) des Stromrichters (WR) ist. Method according to Claim 4 or 5, wherein the current modulation factor (m) is proportional to a quotient between the phase voltage (U_ph) currently to be provided and an intermediate circuit voltage (U_DC) of the power converter (WR). Verfahren nach Anspruch 6, wobei der aktuelle Modulationsgrad (m) des Stromrichters (WR) anhand folgender Gleichung ermittelt wird: m = sqrt(6)·U_ph/U_DC. Method according to claim 6, wherein the current modulation factor (m) of the power converter (WR) is determined by the following equation: m = sqrt (6) · U_ph / U_DC. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüchen, ferner mit folgenden Schritten: – Erfassen einer aktuellen Rotorposition (α_akt) und einer aktuellen Winkelgeschwindigkeit (ω_akt) eines Rotors der Drehfeldmaschine (EM) zu einem aktuellen Zeitpunkt (tm) vor der Signalperiode (T); – Ermitteln einer zukünftigen Rotorposition (α_next) für die Signalperiode (T) zu einem Bezugszeitpunkt (tb) des Impuls (P1), der von der Mitte (t1) der Signalperiode (T) um der zufällige Versatz (∆) verschoben ist, aus der aktuellen Rotorposition (α_akt) und der aktuellen Winkelgeschwindigkeit (ω_akt).Method according to one of the preceding claims, further comprising the following steps: - Detecting a current rotor position (α_akt) and a current angular velocity (ω_akt) of a rotor of the induction machine (EM) at a current time (tm) before the signal period (T); Determining a future rotor position (α_next) for the signal period (T) at a reference instant (tb) of the pulse (P1) shifted from the center (t1) of the signal period (T) by the random offset (Δ) from current rotor position (α_akt) and the current angular velocity (ω_akt). Verfahren nach Anspruch 8, wobei die zukünftige Rotorposition (α_next) für die Signalperiode (T) anhand folgender Gleichung ermittelt wird: α_next = α_akt + ω_akt·(Tm + T/2 + ∆·T); wobei Tm der Zeitabstand zwischen dem aktuellen Zeitpunkt (tm) und dem Startzeitpunkt (t0) der Signalperiode (T) ist. Method according to claim 8, wherein the future rotor position (α_next) for the signal period (T) is determined by the following equation: α_next = α_akt + ω_akt · (Tm + T / 2 + Δ · T); where Tm is the time interval between the current time (tm) and the start time (t0) of the signal period (T). Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei aus der zukünftigen Rotorposition (α_next) für die Signalperiode (T) ein Tastgrad (D) für die Signalperiode (T) ermittelt wird.The method of claim 8 or 9, wherein from the future rotor position (α_next) for the signal period (T) a duty cycle (D) for the signal period (T) is determined. Stromrichter (WR) zum Bereitstellen mindestens eines Phasenstromes für eine Drehfeldmaschine (EM), umfassend: – mindestens einen Halbleiterschalter (HS) zum Bereitstellen des mindestens einen Phasenstromes, – mindestens einen Signalgenerator (SG) zum generieren mindestens eines pulsweitenmodulierten Steuersignals (S) zum Steuern des mindestens einen Halbleiterschalters (HS); – wobei der Signalgenerator (SG) ferner eingerichtet ist, den Impuls (P1) in mindestens einer Signalperiode (T) des mindestens einen Steuersignals (S) von der Mitte (t1) der mindestens einen Signalperiode (T) um einen zufälligen Versatz (∆) zeitverschoben zu generieren.Power converter (WR) for providing at least one phase current for a rotating field machine (EM), comprising: At least one semiconductor switch (HS) for providing the at least one phase current, - At least one signal generator (SG) for generating at least one pulse width modulated control signal (S) for controlling the at least one semiconductor switch (HS); - wherein the signal generator (SG) is further set up the pulse (P1) in at least one signal period (T) of the at least one control signal (S) from the center (t1) of the at least one signal period (T) by a random offset (Δ) time-shifted to generate. Elektrische Antriebsanordnung (EA), insb. zum Antrieb eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs, umfassend: – eine Drehfeldmaschine (EM), insb. zum Antrieb des Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs; – einen Stromrichter (WR) nach Anspruch 11, welcher ferner mindestens ein Phasenstromleitung umfasst und über die mindestens eine Phasenstromleitung mit der Drehfeldmaschine (EM) elektrisch verbunden ist und eingerichtet ist, der Drehfeldmaschine (EM) mindestens einen Phasenstrom bereitzustellen. Electric drive arrangement (EA), in particular for driving a hybrid electric / electric vehicle, comprising: - An induction machine (EM), esp. To drive the hybrid electric / electric vehicle; - A power converter (WR) according to claim 11, which further comprises at least one phase current line and via the at least one phase current line to the induction machine (EM) is electrically connected and is arranged to provide the induction machine (EM) at least one phase current.
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