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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von EMV-Einflüssen bei Schaltvorgängen eines PWM-Signals.
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In der elektrischen Antriebstechnik werden Leistungselektroniken zur Antriebsregelung verwendet. Diese Leistungselektroniken arbeiten z. B. mit einem Gleichspannungszwischenkreis. Die Gleichspannung wird dabei passend für den Motor in eine elektrische Wechselgröße umgeformt, damit ein Drehfeld entsteht. Diese Umrichtung geschieht durch häufiges Umschalten mittels Leistungsschaltern bzw. Leistungshalbleitern. Durch das Umschalten kommutiert der Strom in seiner Richtung und es entsteht ein Wechselstrom bzw. Drehstrom passend für die Maschine. Das Umschalten geschieht i. d. R. Pulsweitenmoduliert (PWM-Moduliert), wobei das Puls-Pausen Verhältnis bzw. der Tastgrad der aktuellen Regelgröße entspricht. Die PWM-Trägerfrequenz ist ein dabei fester Wert. Im Leistungsbereich bis ca. 20 kW werden üblicherweise MOSFETs eingesetzt, diese werden mit ca. 20 kHz getaktet. Bei höheren Leistungen kommen IGBTs zum Einsatz, diese werden üblicherweise mit festen Frequenzen im Bereich von 8 kHz - 16 kHz getaktet.
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Um die Verlustleistungen beim Schalten der Halbleiter gering zu halten wird mit sehr schnellen Schaltflanken hart durchgeschaltet, üblicherweise im Bereich von 100 - 200 ns. Durch das schnelle Schalten entstehen sehr hohe Strom- und Spannungsgradienten (di/dt und du/dt). Diese Gradienten verursachen über die allgemein bekannten EMV-Kopplungsmechanismen EMV-Störungen. Die Frequenz der festen PWM-Trägerfrequenz tritt dann als charakteristisches Störspektrum bei der EMV-Messung wieder auf. Dieses charakteristische Störspektrum setzt sich aus dem PWM-Trägerfrequenz als schmalbandige Grundschwingung und den ganzzahlige ebenfalls schmalbandigen Oberschwingungen zusammen. Bei einer mit 10 - 20 kHz getakteten Leistungselektronik können z. B. Störspektren bis zu ca. 300 MHz entstehen. Diese Störspektren müssen, um die gesetzlichen EMV-Vorgaben einzuhalten, mit sehr hohen Aufwendungen gedämpft werden z. B. durch teure und aufwändige Filterschaltungen oder Schirmungsmaßnahmen.
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Zur Verbesserung der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) von Systemen mit Schaltvorgängen, kann eine Spreizung des Spektrums durch Variierung der zeitlichen Abstände und damit der Frequenz der Schaltvorgänge durchgeführt werden.
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In der
US 6433507 B1 wird vorgeschlagen, das PWM-Signal zur Ansteuerung eines bürstenbehafteten Elektromotor hochfrequent auszulegen, wobei der hochfrequenzbedingt erhöhten EMV-Abstrahlung durch entsprechende Maßnahmen begegnet werden muss. Dazu wird der Tastgrad des PWM-Signals im Laufe der Zeit variiert, so dass das erzeugte Spektrum im Frequenzbereich verbreitert wird. Durch die Verbreiterung sinkt gleichzeitig die Maximalamplitude. Explizit wird die Änderung der Periodendauer (Trägerfrequenz) ausgeschlossen und als nachteilig angesehen.
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Weiterhin lehrt die Schrift, den Tastgrad im Verlauf über mehrere Zyklen mittels eines (Pseudo)zufallszahlenwertes zu variieren. Dadurch entstünde dann auch ein frequenzgespreiztes Spektrum, dass die EMV verbessert.
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Nachteilig ist, dass dieses Verfahren bei modernen, getakteten, leistungselektronisch betriebenen Maschinen nicht so einfach betrieben werden kann, da der Tastgrad (Duty-Cycle) gar nicht abgeändert werden sollte. Dies liegt in der Tatsache begründet, dass der Tastgrad der Regelgröße entspricht (Drehmoment, Drehzahl, Lage) und als PWM-Regler fungiert.
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Bei einer geregelten Drehstrommaschine ist in einer Periode (bzw. einer mechanischen Umdrehung z. B. von 1kHz) der Tastgrad nicht konstant, sondern variiert innerhalb der Umdrehung. Der Tastgrad entspricht dabei dem Regelwert und sorgt für die gewünschte Drehung des Motors mit entsprechender Geschwindigkeit, Drehmoment, etc. Würde der Tastgrad z. B. wegen der EMV beeinflusst werden, würde man unerwünschter weise die Regeleingenschaften verändern.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher die EMV zu verbessern, ohne dafür den Tastgrad zu ändern.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Reduzierung von EMV-Einflüssen bei Schaltvorgängen eines PWM-Signals mit einem Tastgrad und einer Trägerfrequenz. Die Trägerfrequenz wird zum Zweck einer Frequenzspreizung variiert und auf den Tastgrad wird zu diesem Zweck kein Einfluss genommen.
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Ein Schaltvorgang ist der Wechsel eines Spannungspegels innerhalb einer bestimmten Zeitdauer, d. h. mit einer Mindeststeilheit der Flanke. Bei einem PWM-Signal finden solche Schaltvorgänge wiederkehrend statt. Je steiler die Flanken sind, desto ausgeprägter sind die diskreten Frequenzen im Frequenzspektrum abgebildet und desto höher deren Amplituden und desto höher die emittierten Ordnungen im Oberschwingungsanteil im Spektrum. Die Höhe dieser Amplituden ist ein Grad für die EMV-Belastung und sind vorzugsweise zu reduzieren. Umgekehrt kann durch Variierung dieser Frequenzen eine Verbreiterung (Spreizung) der Ausschläge im Frequenzspektrum und gleichzeitig eine Reduzierung der Amplituden erreicht werden.
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Vorteilhafterweise führt eine Variierung der Trägerfrequenz zu einer solchen Frequenzspreizung und Verringerung der Amplitude. Gleichzeitig kann der Tastgrad unbeeinflusst gelassen werden und damit die vorhandene Regelung weiter betrieben werden.
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Auf den Tastgrad selbst wird dabei nur Einfluss zum Zweck einer weiteren Regelung genommen, bei einem Elektromotor beispielsweise, um dessen Geschwindigkeit oder Drehmoment zu beeinflussen. Der Tastgrad wird dabei jedoch nicht (zusätzlich) verändert zum Zweck um einen Einfluss auf die EMV zu erzielen.
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Dabei kann von Periode zu Periode (Zyklus oder Takt) des PWM-Signals die Periodendauer, die das reziproke der Trägerfrequenz ist, variiert werden. Z. B. nach Ablauf einer Periodendauer kann für die nächste Periode eine andere Periodendauer festgelegt werden.
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Das Verfahren kann für jegliche leistungselektronisch betriebene Antriebe genutzt werden um generell EMV Rückwirkungen auf den Zwischenkreis und dessen Zu- und Ableitungen zu minimieren. Dies ist vor allem bei Fahrzeugantrieben erstrebenswert. Die Maßnahme wirkt sowohl für leitungsgebundene Störemissionen als auch für feldgebundene Störemissionen. Das Verfahren kann auch generell für jegliche getaktete Leistungselektronik angewandt werden so z. B. auch für getaktete Stromversorgungen wie DC/DC-Wandler.
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In einer erweiterten Ausgestaltung wird mit dem PWM-Signal ein bürstenloser Elektromotor angesteuert.
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Vorteil einer variierenden Trägerfrequenz ist, dass das Verfahren auch für geregelte Drehstrommaschinen anwendbar ist. Dazu zählen auch bürstenlose (EC) Maschinen und sog. EC-Gleichstrommotoren. Dabei kann der Strom einer Gleichspannungsquelle durch eine elektronische Regelung so geschaltet (kommutiert) werden, dass die Maschine dadurch mit einem Wechselstrom beaufschlagt wird.
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Bürstenbehaftete Motoren entsprechen nicht mehr dem Stand der Technik und werden nicht mehr so häufig eingesetzt. Hauptgrund liegt im hohen Verschleiß der Bürsten. Heutige Antriebe sind üblicherweise bürstenlose (Brush-Iess) GleichstromMotoren, diese Motoren bestehen allgemein aus einem Drehstrommotor (Synchron oder Asynchron) in Verbindung mit einer Leistungselektronik, welche die Stromumformung vornimmt.
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Die Trägerfrequenz wird dabei in einem Rahmen variiert, dass diese zu einer gewünschten Motordrehzahl/-drehmoment passt. Die Regelung des Motors geschieht dabei jedoch über die Beeinflussung des Tastgrads.
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In einer erweiterten Ausgestaltung wird mit dem PWM-Signal ein Motor in einem Fahrzeug angesteuert.
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Vorteilhafterweise kommen gerade im automobilen Umfeld die durch diese Erfindung ermöglichten Vorteile besonders zum Tragen, da hier der Bauraum besonders knapp und der Kostenfaktor besonders entscheidend ist. Die EMV-Funktstöremissionen müssen dabei unterhalb der gesetzlich zulässigen Emmissionsgrenzwerte liegen.
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Die vorgeschlagene Lösung kann mit bereits vorhandenen Komponenten, wie sie üblicherweise in einem Steuergerät eines Fahrzeugs (Mikrocontroller) ohnehin schon vorhanden sind, realisiert werden. Im Vergleich zu anderen, aufwändigeren Maßnahmen, wie Filterschaltungen oder Schirmungsmaßnahmen kann so mit möglichst geringem Kosten- und Materialaufwand das System unterhalb der gesetzlich zulässigen Emissionsgrenzwerte gebracht werden. In automobilen Anwendungen kommt erschwerend der begrenzte Bauraum hinzu, der gleich bleibt, da durch eine softwaretechnische Lösung mittels des Mikrocontrollers keine weiteren Bauteile eingesetzt werden müssen.
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In einer erweiterten Ausgestaltung wird die Trägerfrequenz kontinuierlich variiert.
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Es wird die Trägerfrequenz nicht mittels eines (Pseudo)zufallsgenerator variiert, sondern kontinuierlich, bzw. stetig. Dies kann nach einer bestimmten Rechenvorschrift geschehen, so dass die Periodendauer der folgenden Periode vorab bekannt ist.
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Vorteilhafterweise ist bei einer bekannten Änderung über die Zeit der Mittelwert der Trägerfrequenz exakt festlegbar, während bei einer zufälligen Wahl dieser nur statistisch erreicht wird (Erwartungswert). In der Realität würde dieser aber nie exakt erreicht werden. Dies kann dann ungewollte Auswirkungen auf die Drehung des Motors haben.
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Vorgeschlagen wird, die Trägerfrequenz bzw. Periodendauer kontinuierlich zu verändern (variieren). Zudem ist das Ergebnis berechenbar und vor allem reproduzierbar. Letzteres ist in der EMV ein sehr wichtiger Aspekt, gerade im Automotive Bereich.
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In einer erweiterten Ausgestaltung wird die Trägerfrequenz kontinuierlich variiert durch Programmierung interner Register eines Mikrocontrollers bzw. über Softwareeingriffe.
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Die kontinuierliche Anpassung der Taktfrequenz kann durch eine Software-Routine in den Zeitgeber-Modulen eines Mikroprozessors implementiert werden. Die Abtastung der Messgrößen zur Regelung der Maschine (Rotorposition, Strommessungen) kann dann ebenfalls durch eine Software-Routine kontinuierlich synchronisiert werden.
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In einer erweiterten Ausgestaltung wird die Trägerfrequenz kontinuierlich variiert durch eine PLL (Phasenregelschleife).
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Die Funktionalität einer programmierbaren PLL ist häufig Bestandteil eines Mikrocontrollers und kann durch entsprechende Programmierung oder Konfiguration des Mikrocontrollers realisiert werden.
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Verfahren ohne Zufallsprinzip sind einfacher umzusetzen. Man benötigt keine aufwändige Software für einen (Pseudo)Zufallszahlengenerator und andere Ressourcen, wie Speicher, sondern kann mit einfachen Bordmitteln eines Steuergeräts, z. B. der häufig im Mikrocontroller vorhandenen programmierbare PLL, die Funktion implementieren.
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In einer erweiterten Ausgestaltung wird die Trägerfrequenz kontinuierlich variiert in einem Bereich um eine Nennfrequenz herum.
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Dadurch wird sichergestellt, dass die Maßnahmen zur Frequenzspreizung nicht zu einer zu stark abweichenden Trägerfrequenz führen und damit möglicherweise zu einem ungewollten Betriebszustand.
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Dafür kann ein Basisanteil der Frequenz, der konstant bleibt und ein auf diesen Basisanteil aufmodulierter variabler Anteil die variable Trägerfrequenz bilden. Der Basisanteil kann z. B. der Nennfrequenz entsprechen, während der variable Anteil die Änderung vom Basisanteil ausdrückt.
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Die kontinuierliche Änderung der Trägerfrequenz von Periode zu Periode bzw. Takt zu Takt sollte mit einer derart geringen Schrittweite geschehen, dass eine Spreizung des Spektrums auf ein EMV verträgliches Maß gewährleistet ist. Entsprechend kann die Schrittweite angepasst werden. Wird die Schrittweite dabei zu groß gewählt, entstehen ggf. wieder einzelne Störspitzen mit zu hoher Amplitude. Die Messbandbreite in der EMV sollte wesentlich höher als die Schrittweite liegen.
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In einer erweiterten Ausgestaltung wird die Trägerfrequenz kontinuierlich variiert, in einem Bereich von +/-10 % um eine Nennfrequenz herum um eine Frequenzspreizung im Mittel um die Trägerfrequenz zu erreichen. Alternativ kann auch nur +10 % nach oben oder nur -10 % nach unten gespreizt werden, je nach Anwendungsfall.
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Die Trägerfrequenz kann sich kontinuierlich, in zeitlich aufeinander folgenden Abständen von z. B. 100 Hz, um einen Betrag von bis z. B. ±10 % ändern. Die prozentuale Änderung ist prinzipiell nicht beschränkt. Jedoch muss bei wesentlich höheren Frequenzen die Verlustleistung, aufgrund erhöhter Schaltverluste, Berücksichtigung finden. Bei wesentlich kleineren Frequenzen müssen akustische Auswirkungen und Anforderungen an die Dynamik des Antriebs (Drehzahl, Drehmomente) Berücksichtigung finden.
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Zum Beispiel soll sich bei einer Nenn(träger)frequenz von 10 kHz die Trägerfrequenz stetig auf bis maximal ±1 kHz ändern. Beim ersten PWM Takt beträgt die Periode (bzw. Trägerfrequenz) somit 10 kHz mit einer Periodendauer von 100 µs, die darauf folgende Periode wäre dann 10,1 kHz mit einer Periodendauer von 99 µs. Die darauf folgende Periode beträgt dann 10,2 kHz mit einer Periodendauer von 98 µs. Die Trägerfrequenz wird so lange erhöht, bis die maximal Frequenz von 11 kHz erreicht wird. Alternativ wird die Trägerfrequenz so lange verringert, bis die minimale Frequenz von 9 kHz erreicht wird.
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Vorteilhafterweise wird bei dieser zahlenmäßigen Auslegung ein positiver Einfluss auf die EMV bewirkt, gleichzeitig der Motorbetrieb vernachlässigbar beeinflusst.
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In einer erweiterten Ausgestaltung wird die Trägerfrequenz kontinuierlich variiert, wobei die kontinuierliche Änderung alternierend ist.
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Vorteilhafterweise kann durch die wechselweise Änderung der Mittelwert der Trägerfrequenz (Nennfrequenz) garantiert werden. So kann z. B. abwechselnd ein Wert der Trägerfrequenz über der Nennfrequenz und im folgenden Takt im gleichen Maße unter der Nennfrequenz gewählt werden. Alternativ können mehrere Werte der Trägerfrequenz über mehrere Takte hinweg über der Nennfrequenz und daraufhin mehrere Takte unterhalb der Nennfrequenz liegen.
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Z. B. kann im vorgenannten Beispiel nach einem Anstieg der Trägerfrequenz bis zur maximalen Frequenz von 11 kHz ein alternierender Abstieg bis 9 kHz folgen, woraufhin wieder ein alternierender Anstieg auf 11 kHz erfolgt, usw. Diese zeitliche Abfolge kann so lange geschehen, wie die Leistungselektronik aktiv betrieben wird.
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In einer erweiterten Ausgestaltung wird die Trägerfrequenz kontinuierlich variiert, wobei die kontinuierliche Änderung sinusförmig, sägezahnförmig, dreiecksförmig oder periodisch ist.
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Der zeitliche Verlauf, mit dem sich die Trägerfrequenz ändert, kann unterschiedliche Verlaufsformen annehmen. So haben Sinus-, Sägezahn- und Dreiecksformen bei einer mittigen Nennfrequenz den Vorteil, dass der Mittelwert der Trägerfrequenz der Nennfrequenz entspricht, da diese Formen symmetrisch sind.
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Ein periodisches Wiederkehren eines Änderungsmusters/Verlaufsform hat z. B. den Vorteil der einfacheren Programmierung, wobei die programmierte Routine einfach wiederholt aufgerufen werden kann. Ggf. können Trägerfrequenzen für die verschiedenen Takte einer solchen Taktfolge (Periode) auch vordefiniert in einem Speicher abgelegt werden ohne berechnet werden zu müssen.
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Die Periode des periodischen Wiederkehrens der kontinuierlichen Änderung der Trägerfrequenz ist nicht identisch mit der Periode (Takt) des PWM-Signals, sondern in der Regel deutlich länger.
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Die Taktfolge (Periode) kann identisch mit einem Vielfachen der Periodenlänge des PWM-Signals sein. Dadurch kann der Mittelwert der Trägerfrequenzen exakt durch Mittelwertbildung bestimmt und realisiert werden. Dafür treten von Taktfolge zu Taktfolge immer wieder die gleichen Frequenzen auf.
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Die Taktfolge (Periode) kann auch von dem Vielfachen der Periodenlänge des PWM-Signals abweichen. Dadurch wird eine bessere Streuung im Frequenzspektrum erreicht, da es zu weniger (oder sogar gar keinen) identischen Frequenzen kommt.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Schaltung zur Ansteuerung eines Elektromotors zur Reduzierung von EMV-Einflüssen bei Schaltvorgängen. Diese umfasst einen Schaltungsteil, der ein PWM-Signal mit einem Tastgrad und einer Trägerfrequenz zur Ansteuerung des Elektromotors generiert und einen weiteren Schaltungsteil, der die Trägerfrequenz zum Zwecke einer Frequenzspreizung variiert und auf den Tastgrad zu diesem Zweck kein Einfluss nimmt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 einen Ablauf der Trägerfrequenzänderung (Schematische Darstellung).
- 2 ein gespreiztes Frequenzspektrum in Überlagerung mit einem ungespreizten.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Verlaufs der Trägerfrequenz im Laufe der Zeit gezeigt. Die Trägerfrequenz verläuft linear alternierend zwischen einer oberen fMax und unteren fMin Frequenz um eine Nennfrequenz fNenn herum in Form eines Sägezahnmusters.
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Die Punkte P1 bis PN stellen beispielhaft die unterschiedlich eingestellten Periodendauern zum jeweiligen fortschreitenden Zeitpunkt dar. Hier werden diese kontinuierlich, in einer besonderen Ausführungsform linear äquidistant von Schritt zu Schritt geändert. Ein solcher Schritt kann einem Zyklus des PWM-Signals, d. h. der Periodendauer bzw. Takt entsprechen oder andererseits einem zeitlichen Abstand, der durch Internas der ansteuernden Software oder Hardware bestimmt wird. Im einfachsten Fall dauert ein Schritt immer eine konstante Zeit. An einem Punkt PN (Punkt der Anzahl N) wird die Richtung der Frequenzänderung umgekehrt (Alternierung). Das Verfahren setzt sich bis zum Erreichen einer bestimmten Schrittanzahl oder einer oberen Frequenz fMax mit steigender Trägerfrequenz fort. Von dort aus wird die Trägerfrequenz wieder reduziert und das Verfahren beginnt von vorne.
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Die Achsenbeschriftung der y-Achse bezeichnet die Trägerfrequenz in Hz, die der x-Achse der Zeit, z. B. in µs. Die gestrichelten Linien deuten an, dass es an dieser Stelle kontinuierlich so weiter gehen kann.
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In 2 ist ein gemäß der Erfindung gespreiztes Frequenzspektrum einem ungespreizten Frequenzspektrum grafisch überlagert dargestellt. Im rechten Bildbereich ist ein Ausschnitt (Kreis) vergrößert dargestellt.
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Bei einem ungespreizten Spektrum U, wie es durch eine feste PWM-Taktfrequenz entsteht, entstehen Spitzen mit einer Amplitude des ungespreizten Spektrums PU an der Stelle der Trägerfrequenz und Oberschwingungen davon. Dies stellt ein herkömmliches charakteristisches Emissionsspektrum mit hohen Spitzenwerten (Peaks) dar, da die emittierte Energie auf diskrete Frequenzen gebündelt ist. Zusätzlich können Frequenzbestandteile auftreten, die durch den Tastgrad entstehen und durch die Beeinflussung dieses durch die Motorregelung.
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Bei einem gespreizten (Frequenz)spektrum S, entstehen breite Peaks um die Trägerfrequenz herum mit einem geringeren Emissionslevel, nämlich mit einer Amplitude des gespreizten Spektrums PS. Die emittierte Energie verteilt sich auf das gespreizte Spektrum.
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Der Effekt wird umso größer, je breiter das Spektrum um die Trägerfrequenz in % gespreizt wird. Mit anderen Worten, desto breiter sich die Energie im zeitlichen Verlauf auf die Frequenzanteile aufteilen kann.
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Sichtbar ist, dass die Amplitude des gespreizten Spektrums PS kleiner ist, als die des ungespreizten Spektrums PU. Dies ist die Messgröße bei der EMV-Messung und ein Maß für die Stärke der EMV-Störung. Bei dem gespreizten Spektrum S ist diese somit vorteilhafterweise geringer als bei dem ungespreizten Spektrum U.
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Dieser zeitliche Ablaufzyklus hat zur Folge, dass sich das charakteristische EMV Emissionsspektrum positiv ändert. Die Energie der elektromagnetischen Störungen verteilt sich auf ein gespreiztes Frequenzspektrum. Aus hohen diskreten schmalbandigen Störspitzen werden, niedrigere breitbandige Störspitzen. Da die neue Emissionscharakteristik einen niedrigeren Störpegel verursacht hilft dies dabei die EMV Grenzwerte einzuhalten bzw. der Aufwand zusätzlicher EMV Maßnahmen ist geringer.
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Die Achsenbeschriftung der x-Achse bezeichnet das Spektrum der Trägerfrequenzen in Hz, die der y-Achse die Amplitude in dBµV. Gestrichelt ist das Hintergrundgitter des darstellenden Simulationstools.
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Bezugszeichenliste
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- fMax
- obere Frequenz
- fNenn
- Nennfrequenz
- fMin
- untere Frequenz
- P1-N
- unterschiedlich eingestellte Periodendauern
- U
- ungespreiztes Spektrum
- S
- gespreiztes Spektrum
- PU
- Amplitude des ungespreizten Spektrums
- PS
- Amplitude des gespreizten Spektrums
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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