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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines mechatronischen Systems mit einem Konverter mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen.
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Gemäß der
DE102014108667A1 , der
WO2015193439A1 oder Homann, Michael: Hochdynamische Strom- und Spannungsregelung von permanenterregten Synchronmaschinen auf Basis von Delta-Sigma Bitströmen. 2016 ist es bekannt, dadurch ein mechatronisches System zu betreiben, das einen Konverter/Stromrichter und eine elektrische Maschine umfasst, dass eine Steuerung/Regelung des mechatronischen Systems mittels eines Delta-Sigma-PWM-Modulators erfolgt, der ein PWM-Signal mit einer variablen Schaltfrequenz bereitstellt. Dabei werden mittels Delta-Sigma-Modulatoren Istgrößen erfasst und in Bitstromsignale konvertiert sowie Sollgrößen als Bitstromsignale vorgegeben. Der Aufbau und die Wirkungsweise von Delta-Sigma-PWM-Modulatoren ist nicht nur gemäß den bisher genannten Dokumenten bekannt, sondern beispielsweise auch gemäß
Bradshaw, J. B.: Bit-Stream Control of Doubly Fed Induction Generators. Dissertation, University of Auckland, 2012. oder
Weibo, L., Y. Orino, M. K. Kurosawa und T. Katagiri: Conversion of a single-bit signal into a PWM signal. In: TENCON. IEEE Region 10 Conference, Band A, Seiten 519-522, 2004. oder
Magrath, A. J. und M. B. Sandler: Hybrid pulse width modulation/sigma-delta modulation power digital-to-analogue converter. Circuits, Devices and Systems, IEE Proceedings, 143(3):149-156, 1996.
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Der Betrieb dieses mechatronischen Systems erfordert folglich die Messung von Zustands- bzw. Istgrößen, wie beispielsweise die Messung der Phasenströme/-spannungen der elektrischen Maschine. In Homann, Michael: Hochdynamische Strom- und Spannungsregelung von permanenterregten Synchronmaschinen auf Basis von Delta-Sigma Bitströmen. 2016 sind ab Seite 113 am Beispiel einer Regelung der Phasenspannung verschiedene Möglichkeiten der Berücksichtigung bzw. Erfassung von Istgrößen offenbart. Neben einer Rückführung analoger Signale wird die Rückführung digitaler Signale bzw. eines Bitstroms eines Delta-Sigma-Modulators und auch eine binäre Rückführung der jeweiligen Phasenspannung beschrieben. Die binäre Rückführung des Istwertes der Spannung einer Phase erfolgt dabei durch den Einsatz eines Komparators. Somit wird lediglich das Vorzeichen der Phasenspannung bestimmt. Praktisch steht durch diese Verwendung eines Komparators ein digitales Signal bereit, das, wie das mittels eines Delta-Sigma-Modulators gebildete Bitstromsignal, unmittelbar mittels des gemäß den oben genannten Dokumenten im Detail beschriebenen Delta-Sigma-PWM-Modulators derart verarbeitet wird, dass ein PWM-Signal mit einer variablen Schaltfrequenz bereitsteht. Mit anderen Worten stellt das mittels des Komparators bereitgestellte digitale Vorzeichensignal einen Spezialfall eines mittels eines Delta-Sigma-Modulators gebildeten Bitstromsignals dar. Durch den Einsatz von Komparatoren zur Bildung von rückzuführenden Zustandsgrößen eines mechatronischen Systems, insbesondere zur Rückführung der Phasenspannungen/-ströme einer elektrischen Maschine zum Zweck einer Regelung kann jedenfalls eine erhebliche Reduzierung der Kosten erreicht werden, da anstelle eines kostenintensiven Delta-Sigma-Modulators je Phase lediglich ein erheblich kostengünstigerer Komparator je Phase benötigt wird. Rückzuführende Zustandsgrößen eines mechatronischen Systems mit einem Stromrichter sind jedoch abhängig von der Zwischenkreisspannung des Stromrichters. Das wirkt sich insbesondere dann nachteilig auf eine Regelung des mechatronischen Systems aus, wenn die Zwischenkreisspannung nicht konstant ist, was insbesondere dann der Fall ist, wenn der Stromrichter eine Gleichspannung in eine Wechselspannung konvertiert und die Gleichspannung mittels eines elektrischen Speichers bereitgestellt wird, wie es beispielsweise bei einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug der Fall ist, wobei die Zwischenkreisspannung daher schwankt, dass sich der Ladezustand des elektrischen Speichers fortlaufend ändert. Eine Kompensation des dadurch entstehenden Fehlers erfolgt gemäß dem Stand der Technik beispielsweise durch Aufschaltung einer vorab identifizierten Kennlinie. Dabei werden allerdings keine Exemplarstreuungen oder Temperatureinflüsse berücksichtigt und es müssen Ressourcen zur Speicherung der Kennlinie bereitgehalten werden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Einfluss der Zwischenkreisspannung eines Konverters auf rückgeführte Zustandsgrößen bei geringen Kosten besser zu berücksichtigen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Verfahrens und mittels einer Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass wenn mittels eines Konverters in Abhängigkeit eines pulsweitenmodulierten Signals eine Wechselspannung bereitgestellt wird, ein Istwertsignal der bereitgestellten Wechselspannung einem Komparator zugeführt wird und mittels des Komparators ein erstes digitales Signal bereitgestellt wird, wobei ein weiteres digitales Signal bereitgestellt wird, welches die Zwischenkreisspannung des Konverters repräsentiert und dieses weitere digitale Signal in Abhängigkeit des ersten digitalen Signals derart beeinflusst wird, dass nur dann das weitere digitale Signal einschließlich der darin enthaltenen Information über die Höhe der Zwischenkreisspannung der Bildung des pulsweitenmodulierten Signals zu Grunde gelegt wird, wenn das erste digitale Signal einen bestimmten Wert aufweist.
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Somit kann auf vorteilhafte Weise der Einfluss der Zwischenkreisspannung eines Konverters auf rückgeführte Zustandsgrößen sehr gut berücksichtigt werden. Die Kosten sind dabei sehr gering, da ein Komparator gegenüber einem Delta-Sigma-Modulator oder einem Analog-Digital-Umsetzer vergleichsweise sehr preisgünstig ist. Erfindungsgemäß wird auf einfache Weise eine Rückführung einer Zustandsgröße möglich. Insbesondere beim Betrieb einer elektrischen Maschine mit mehreren Phasen und folglich der Notwendigkeit der Rückführung einer Vielzahl von Istgrößen wird dieser Vorteil deutlich.
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Durch den Einsatz eines Komparators bzw. mehrerer Komparatoren, beispielsweise im Zusammenhang mit dem Betrieb einer elektrischen Maschine mit mehreren Phasen, wird ein digitales Vorzeichensignal zur Verfügung gestellt, das einen Spezialfall eines mittels eines Delta-Sigma-Modulators gebildeten Bitstromsignals darstellt. Somit kann in Verbindung mit der Bereitstellung des weiteren digitalen Signals, welches die Zwischenkreisspannung des Konverters repräsentiert, mittels eines Delta-Sigma-Modulators oder eines Analog-Digital-Umsetzers mit einem nachgeschalteten Algorithmus für eine Delta-Sigma-PWM-Modulation durchgängig auf Bitstrom-Ebene gearbeitet werden.
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Erfindungsgemäß besteht die Beeinflussung des weiteren digitalen Signals in Abhängigkeit des ersten digitalen Signals darin, dass das weitere digitale Signal eingeblendet und ausgeblendet wird, wobei wenn das weitere digitale Signal eingeblendet ist, der Bildung des pulsweitenmodulierten Signals die Information über die Höhe der Zwischenkreisspannung zu Grunde gelegt wird und dann, wenn das weitere digitale Signal ausgeblendet wird, der Bildung des pulsweitenmodulierten Signals keine Information über die Höhe der Zwischenkreisspannung zu Grunde gelegt wird, so dass eine zielgerichtete Datenreduktion erfolgt.
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Erfindungsgemäß wird auch eine Vorrichtung vorgeschlagen, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet ist. Bevorzugt ist diese Vorrichtung Bestandteil eines Fahrzeuges. Insbesondere dient diese Vorrichtung zum Antrieb eines Fahrzeuges. Der Antrieb erfolgt dabei in Verbindung mit einer elektrischen Maschine.
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Weitere vorteilhafte Ausführungen sind der folgenden detaillierten Beschreibung zu entnehmen.
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In 1 ist ein mechatronisches System mit einem Konverter/Stromrichter 1 gezeigt. In diesem Beispiel umfasst das mechatronische System eine elektrische Maschine 2. Bei der elektrischen Maschine 2 handelt es sich zum Beispiel um eine permanenterregte Synchronmaschine mit drei Phasen. Das mechatronische System nach 1 dient bevorzugt dem Antrieb eines Fahrzeuges. Die Steuerung bzw. Regelung der elektrischen Maschine 2 erfolgt in Verbindung mit einem Delta-Sigma-PWM-Modulator 3, der ein pulsweitenmoduliertes (PWM-)Signal mit einer variablen Schaltfrequenz bereitstellt. Der Aufbau und die Wirkungsweise eines solchen Delta-Sigma-PWM-Modulators 3 ist dem Fachmann gemäß den bisher genannten Dokumenten bekannt. In diesem Zusammenhang sei hiermit darauf verwiesen, dass der gesamte Inhalt der in der Einleitung genannten Dokumente in die vorliegende Offenbarung aufgenommen ist. Der in 1 gezeigte Stromrichter 1 ist dem Fachmann ebenfalls hinreichend bekannt. Der gezeigte Stromrichter 1 ist ein Wechselrichter, also ein elektrisches Gerät, das eine Gleichspannung in eine Wechselspannung konvertiert. Die Gleichspannung wird mittels eines elektrischen Speichers bereitgestellt und die Wechselspannung dient dem Antrieb der elektrischen Maschine 2. Jedenfalls werden mittels des Delta-Sigma-PWM-Modulators 3 die PWM-Signale S1 - S6 mit einer variablen Schaltfrequenz bereitstellt, so dass eine Betätigung der Leistungshalbleiter des Stromrichters 1 derart erfolgt, dass eine einstellbare Spannung und Frequenz der Phasenpotentiale u1, u2, u3 ermöglicht wird.
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Wie in 1 gezeigt, werden die Phasenspannungen u1, u2, u3 zum Zweck einer Regelung, so wie sie allgemein gemäß dem Stand der Technik und speziell aus den zitierten Dokumenten bekannt ist, rückgeführt. Dabei wird der Istwert der jeweiligen Spannung einer Phase u1, u2, u3 jeweils einem Komparator K1, K2, K3 zugeführt. Mittels des betreffenden Komparators K1, K2, K3 wird das Vorzeichen der jeweiligen Phasenspannung u1, u2, u3 bestimmt. Die Komparatoren K1, K2, K3 entsprechen praktisch jeweils einem 1-Bit-Analog-Digital-Umsetzer.
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Am Ausgang der Komparatoren K1, K2, K3 stehen somit zunächst digitale Signale D1, D2, D3 bereit, die in binärer Form anzeigen, ob der Istwert der jeweiligen Spannung einer Phase u1, u2, u3 größer oder kleiner ist, als eine Referenzgröße. D. h. somit stehen am Ausgang der Komparatoren K1, K2, K3 binäre Signale D1, D2, D3 bereit, die, wie die mittels eines Delta-Sigma-Modulators gebildeten Bitstromsignale, unmittelbar, d. h. ohne Zwischenschaltung einer spezifischen digitalen Logik, mittels des Delta-Sigma-PWM-Modulators 3 derart verarbeitet werden könnten, dass die PWM-Signale S1 - S6 gebildet werden.
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Mit anderen Worten werden mittels der Komparatoren K1, K2, K3 digitale/binäre Vorzeichensignale D1, D2, D3 zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt, wobei die Signale D1, D2, D3 ein Spezialfall eines Bitstromsignals sind. Erfindungsgemäß erfolgt im weiteren Verlauf, und zwar noch bevor die binären Signale D1, D2, D3 dem Delta-Sigma-PWM-Modulator 3 zugeführt werden, eine Zusammenführung der binären Signale D1, D2, D3 mit einem digitalen/binäres Signal Z, welches die Zwischenkreisspannung UDC des Stromrichters 1 repräsentiert. Insbesondere erfolgt dabei eine Beeinflussung des Signals Z. Diese Beeinflussung besteht bevorzugt in einer Wichtung/Bewertung des Signals Z in Abhängigkeit der binären Signale D1, D2, D3. Wie in 1 gezeigt, erfolgt zur Bildung des Signals Z eine Messung/Erfassung bzw. Umsetzung der Zwischenkreisspannung UDC in ein digitales Signal Z bzw. in einen entsprechenden Bitstrom, bevorzugt mittels eines Delta-Sigma-Modulators DSM, so dass ein serielles Ein-Bit-Signal bzw. Binärsignal bereitsteht. Alternativ zur Bildung des Signals Z kann auch eine Messung/Erfassung bzw. Umsetzung der Zwischenkreisspannung UDC in ein digitales Signal Z mittels eines üblichen Analog-Digital-Umsetzers erfolgen, wobei darauffolgend mittels eines durch eine Software realisierten Algorithmus eine Delta-Sigma-Modulation erfolgt, so dass ein Bitstrom bereitsteht.
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Erfindungsgemäß erfolgt eine Wichtung/Bewertung des digitalen Signals Z in Abhängigkeit der Signale D1, D2, D3 derart, dass im Ergebnis nur dann das digitale Signal Z bzw. der Bitstrom, welcher die Zwischenkreisspannung UDC repräsentiert, einschließlich der darin enthaltenen Informationen hinsichtlich der Zwischenkreisspannung UDC, der Bildung der PWM-Signale S1 - S6 mittels des Delta-Sigma-PWM-Modulators 3 zur Ansteuerung des Stromrichters 1 bzw. der Betätigung der Leistungshalbleiter des Stromrichters 1 zu Grunde gelegt wird bzw. durchgelassen wird, wenn das jeweilige digitale binäre Signal D1, D2, D3 einen der beiden möglichen Zustände/Werte bzw. Pegel, entweder 1 oder 0 bzw. High oder Low bzw. Plus (+) oder Minus (-), aufweist.
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Mit anderen Worten erfolgt die erfindungsgemäße Beeinflussung des Signals Z derart, dass in Abhängigkeit der binären Signale D1, D2, D3 das digitale Signals Z ein- und ausgeblendet wird. Da das digitale Signal Z Informationen hinsichtlich der Zwischenkreisspannung UDC enthält, wird dann, wenn das digitale Signal Z eingeblendet ist, dieses Signal Z einschließlich dieser darin enthaltenen Informationen, der Bildung der PWM-Signale S1 - S6 mittels des Delta-Sigma-PWM-Modulators 3 zur Ansteuerung des Stromrichters 1 bzw. der Betätigung der Leistungshalbleiter des Stromrichters 1 zu Grunde gelegt.
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Noch anders gesagt, wird durch die erfindungsgemäße Kombination der mittels der Komparatoren K1, K2, K3 gebildeten binären Signale D1, D2, D3 mit dem digitalen Signal Z bzw. dem Bitstrom, welcher die Zwischenkreisspannung UDC repräsentiert, im Ergebnis ein Bitstrom gebildet, der das anhand der Komparatoren K1, K2, K3 identifizierte Schaltverhalten und die Höhe der Zwischenkreisspannung UDC abbildet.
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Wie in 1 gezeigt, können zum Zweck der Kombination der binären Signale D1, D2, D3 mit dem digitalen Signal Z Schalter SW1, SW2, SW3 verwendet werden, welche in Abhängigkeit der in den binären Signalen D1, D2, D3 enthaltenen digitalen Informationen betätigt werden. Am Beispiel gemäß 1 erfolgt beispielsweise dann ein Betätigen der Schalter SW1, SW2, SW3, wenn die digitale Information des jeweiligen binären Signals D1, D2, D3 eins (hohes Potential) ist, so dass dann nicht z. B. die digitale Information 0 (niedriges Potential) der Bildung der PWM-Signale S1 - S6 mittels des Delta-Sigma-PWM-Modulators 3 zur Ansteuerung des Stromrichters 1 bzw. der Betätigung der Leistungshalbleiter des Stromrichters 1 zu Grunde gelegt wird, sondern die digitale Information über die Höhe der Zwischenkreisspannung UDC, welche in dem Signal Z enthalten ist und zwar solange, bis die in den binären Signalen D1, D2, D3 enthaltene digitale Information jeweils wieder 0 ist.
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Wie in 2a gezeigt, hat die Zwischenkreisspannung UDC einen wesentlichen Einfluss auf die Phasenspannung u1. Gezeigt sind zwei Perioden der Phasenspannung u1, einmal für den Fall, dass die Zwischenkreisspannung UDC vergleichsweise hoch ist und einmal für den Fall, dass die Zwischenkreisspannung UDC' vergleichsweise niedrig ist. Der Unterschied zwischen den beiden Zwischenkreisspannungen UDC und UDC' ist anhand des binären Signals D1 nicht identifizierbar, wie in 2b gezeigt.
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Gemäß 3 ist schematisch der Bitstrom bzw. das digitale Signal Z gezeigt, welcher/welches mittels des Delta-Sigma-Modulators DSM gebildet wird und die Zwischenkreisspannung UDC des Stromrichters 1 repräsentiert und zwar einmal betreffend die vergleichsweise hohe Zwischenkreisspannung UDC und einmal betreffend die vergleichsweise niedrige Zwischenkreisspannung UDC'. Wie zu erkennen ist, weist der Bitstrom, der die vergleichsweise hohe Zwischenkreisspannung UDC repräsentiert, gegenüber dem Bitstrom, der die vergleichsweise niedrige Zwischenkreisspannung UDC' repräsentiert, eine größere Anzahl von Zuständen bzw. Pegeln mit einem hohen Potential auf, da der Mittelwert des Bitstroms, der mittels des Delta-Sigma-Modulators DSM gebildet wird, dem Mittelwert der Zwischenkreisspannung UDC bzw. UDC' entspricht.
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Um diese in dem Bitstrom bzw. dem digitalen Signal Z hinsichtlich der Zwischenkreisspannung UDC enthaltene Information zum Zweck einer verbesserten Regelung des mechatronischen Systems bzw. der elektrischen Maschine 2 vorteilhaft zu nutzen, erfolgt wie in 4 gezeigt, eine Zusammenführung des digitalen Signals Z und des binären Signals D1. Wie in 4 gemäß den beiden unteren Verläufen dargestellt, steht im Ergebnis ein Bitstrom zur Bildung von PWM-Signalen mittels des Delta-Sigma-PWM-Modulators 3 bereit, der den Einfluss einer schwankenden Zwischenkreisspannung UDC des Stromrichters 1 berücksichtigt bzw. abbildet, wobei es zudem von Vorteil ist, dass durch die Kombination bzw. Zusammenführung des digitalen Signals Z und des binären Signals D1 eine Datenreduktion erfolgt. Insbesondere ist das digitale Signal Z zunächst solange 0 (niedriges Potential), bis das binäre Signal D1 ein hohes Potential (1) aufweist. Solange das binäre Signal D1 ein hohes Potential (1) aufweist, wird das digitale Signal Z bzw. der mittels des Delta-Sigma-Modulators DSM gebildete entsprechende Bitstrom unverändert der Bildung von PWM-Signalen mittels des Delta-Sigma-PWM-Modulators 3 zu Grunde gelegt. Wechselt das binäre Signal D1 von diesem hohen Potential wieder auf 0 (niedriges Potential), dann ist das digitale Signal Z auch wieder 0 (niedriges Potential).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014108667 A1 [0002]
- WO 2015193439 A1 [0002]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Bradshaw, J. B.: Bit-Stream Control of Doubly Fed Induction Generators. Dissertation, University of Auckland, 2012 [0002]
- Weibo, L., Y. Orino, M. K. Kurosawa und T. Katagiri: Conversion of a single-bit signal into a PWM signal. In: TENCON. IEEE Region 10 Conference, Band A, Seiten 519-522, 2004 [0002]
- Magrath, A. J. und M. B. Sandler: Hybrid pulse width modulation/sigma-delta modulation power digital-to-analogue converter. Circuits, Devices and Systems, IEE Proceedings, 143(3):149-156, 1996 [0002]
