DE102017127780A1

DE102017127780A1 - Adaptive Impulsbreitenmodulation bei Motorsteuerungssystemen

Info

Publication number: DE102017127780A1
Application number: DE102017127780.3A
Authority: DE
Inventors: Zhe Zhang; Prerit Pramod
Original assignee: Steering Solutions IP Holding Corp
Current assignee: Steering Solutions IP Holding Corp
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2017-11-24
Publication date: 2018-05-30
Also published as: CN108123653B; US20180152123A1; CN108123653A; US10153714B2

Abstract

Eine Ausführungsform eines Steuerungssystems zum Steuern des Betriebs eines Elektromotors umfasst ein Strombefehlsmodul, das ausgestaltet ist, um einen Drehmomentbefehl zu empfangen und einen Strombefehl auszugeben, und ein Stromcontrollermodul, das ausgestaltet ist, um auf der Grundlage des Strombefehls einen Modulationsindexwert zu erzeugen. Das System enthält außerdem einen Signalgenerator, der ausgestaltet ist, um ein Spannungssignal zu erzeugen, das mit Hilfe eines Impulsbreitenmodulationsschemas (PWM-Schemas) auf der Grundlage des Modulationsindexwerts moduliert wird, wobei das PWM-Schema eine Kombination aus einem kontinuierlichen PWM-Schema und einem nicht kontinuierlichen PWM-Schema auf der Grundlage dessen ist, dass der Modulationsindexwert größer oder gleich einem ersten Schwellenwert ist, wobei der Signalgenerator ausgestaltet ist, um das Spannungssignal an den Elektromotor auszugeben.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Systeme zum Steuern von Elektromotoren, und insbesondere Verfahren und Systeme zum Erzeugen von Modulationssignalen, die zur Steuerung eines Elektromotors verwendet werden.
Ein Controller steuert einen Elektromotor typischerweise, indem er Tastverhältnissignale für jede Motorphase erzeugt, z.B. unter Verwendung von Impulsbreitenmodulationstechniken (PWM-Techniken), welche verwendet werden, um Phasenspannungssignale für den Motor bereitzustellen. Zum Beispiel werden Elektromotoren allgemein durch ein Rückkopplungssystem gesteuert, das einen Stromregler und einen Modulator enthält, der ein sinusförmiges PWM-Schema nutzt, um Gatetreibersignale zu erzeugen und an einen dreiphasigen Umrichter (DC-AC-Wandler) zu übertragen. Der Umrichter liefert Spannungssignale für jede Phase eines Elektromotors. Die von dem Umrichter erzeugten Spannungen hängen sehr stark von dem Steuerungsschema ab, das von dem Umrichter verwendet wird, und suboptimale Techniken können zu einer nicht gewünschten Drehmomentwelligkeit und zu hörbaren Geräuschen in Hochleistungsanwendungen wie etwa einer elektrischen Servolenkung (EPS) führen.
Zum Steuern des Elektromotors wird typischerweise ein Stromsteuerungsmechanismus verwendet, welcher einen Stromregler (welcher mehrere verschiedene Konstruktionen aufweisen kann) enthalten kann, der mit einer gemessenen Stromrückkopplung betrieben wird, aber nicht darauf beschränkt ist. Andere Stromsteuerungsmechanismen können Vorwärts-Stromcontroller bzw. Feedforward-Stromcontroller enthalten, die ein statisches oder dynamisches inverses Maschinenmodell (oder allgemein ein Anlagenmodell in Abhängigkeit von dem System, das gesteuert wird) nutzen. Diese Vorwärts-Stromsteuerungssysteme benötigen keine gemessene Stromrückkopplung.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform eines Steuerungssystems zum Steuern des Betriebs eines Elektromotors enthält ein Strombefehlsmodul, das ausgestaltet ist, um einen Drehmomentbefehl zu empfangen und einen Strombefehl auszugeben, und ein Stromcontrollermodul, das ausgestaltet ist, um einen Modulationsindexwert auf der Grundlage des Strombefehls zu erzeugen. Das System enthält außerdem einen Signalgenerator, der ausgestaltet ist, um ein Spannungssignal zu erzeugen, das mit Hilfe eines Impulsbreitenmodulationsschemas (PWM-Schemas) beruhend auf dem Modulationsindexwert moduliert wird, wobei das PWM-Schema eine Kombination aus einem kontinuierlichen PWM-Schema und einem nicht kontinuierlichen PWM-Schema auf der Grundlage dessen ist, dass der Modulationsindexwert größer oder gleich einem ersten Schwellenwert ist, wobei der Signalgenerator ausgestaltet ist, um das Spannungssignal an den Elektromotor auszugeben.
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Steuern eines Elektromotors umfasst, dass ein Drehmomentbefehl empfangen wird und ein Strombefehl von einem Strombefehlsmodul ausgegeben wird, und dass ein Modulationsindexwert auf der Grundlage des Strombefehls erzeugt wird. Das Verfahren umfasst außerdem, dass von einem Signalgenerator ein Spannungssignal erzeugt wird, wobei das Spannungssignal mit Hilfe eines Impulsbreitenmodulationsschemas (PWM-Schema) auf der Grundlage eines Modulationsindexwerts moduliert wird, wobei das PWM-Schema eine Kombination aus einem kontinuierlichen PWM-Schema und einem nicht kontinuierlichen PWM-Schema beruhend darauf ist, dass der Modulationsindexwert größer oder gleich einem ersten Schwellenwert ist; und dass das Spannungssignal an den Elektromotor ausgegeben wird.
Diese und andere Vorteile und Merkmale werden sich aus der folgenden Beschreibung besser ergeben, wenn sie in Verbindung mit den Zeichnungen gelesen wird.
Figurenliste
Der Gegenstand, der als die Erfindung betrachtet wird, wird speziell dargelegt und in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung separat beansprucht. Die vorstehenden und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden genauen Beschreibung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird, in denen:

1 eine schematische Darstellung ist, die Komponenten, Module und Funktionen eines Motorsteuerungssystems in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
2 ein Beispiel für eine Tastverhältniswellenform darstellt, die in Übereinstimmung mit einem kontinuierlichen Impulsbreitenmodulationsschema (PWM-Schema) erzeugt wurde;
3 ein Beispiel für eine Tastverhältniswellenform [engl.: duty signal wave form] darstellt, die in Übereinstimmung mit einem nicht kontinuierlichen Impulsbreitenmodulationsschema (PWM-Schema) erzeugt wurde;
4 eine graphische Darstellung ist, die ein Beispiel für eine Mischfunktion zum Kombinieren eines kontinuierlichen und eines nicht kontinuierlichen PWM-Schemas in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
5 eine graphische Darstellung von Tastverhältniswellenformen, die auf der Grundlage einer Ausführungsform eines adaptiven Impulsbreitenmodulationsschemas (PWM-Schemas) erzeugt wurden, im Vergleich mit anderen PWM-Schemata ist;
6 eine Simulation eines Drehmoments darstellt, das durch einen Elektromotor auf der Grundlage eines adaptiven PWM-Schemas in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung erzeugt wurde; und
7 ein Drehmomentfrequenzspektrum darstellt, das von einem Elektromotor auf der Grundlage eines adaptiven PWM-Schemas in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung erzeugt wurde.

GENAUE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhaft und sie ist nicht dazu gedacht, die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendungsmöglichkeiten einzuschränken. Es versteht sich, dass in den Zeichnungen einander entsprechende Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen.
Mit Bezug nun auf 1 veranschaulicht ein Datenflussdiagramm eine beispielhafte Ausführungsform einer Steuerungsvorrichtung oder eines Systems 10 zum Steuern eines Elektromotors, etwa eines Wechselstrommotors (AC-Motors). Der Elektromotor und hier beschriebene Steuerungsvorrichtungen und Systeme können für jeden geeigneten Zweck genutzt werden. Beispielsweise können der Elektromotor und das Steuerungssystem 10 Teil eines Lenkungssystems sein, etwa einer elektrischen Servolenkung (EPS), eines Fahrerassistenzsystems und/oder eines Fahrzeugsteuerungssystems (z.B. ein autonomes oder semiautonomes Lenkungssystem). Es sei angemerkt, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen in Verbindung mit allen Vorrichtungen oder Systemen verwendet werden können, die einen oder mehrere Elektromotoren verwenden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Steuerungsvorrichtung oder das Steuerungssystem (z.B. das Modul 40) ein oder mehrere Teilmodule und Datenspeicher enthalten. Die Begriffe Modul und Teilmodul bezeichnen, so wie sie hier verwendet werden, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert, oder Gruppe) mit Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
In dem Beispiel von 1 enthält das Steuerungssystem 10 verschiedene Module oder Teilmodule, etwa ein Stromreferenzgeneratormodul 12, das einen Drehmoment- oder Drehzahlbefehl empfängt und einen Strombefehl I_dq* an einen Stromcontroller 14 (etwa einen Strom regler, der auf eine gemessene Stromrückkopplung hin agiert) ausgibt, welcher wiederum Modulationsparameter wie etwa einen Modulationsindex (M_i) und eine Phasenvoreilung (δ) an einen Impulsbreitenmodulator 16 (auch als Tastverhältnisgenerator bezeichnet) ausgibt. Der Strombefehl ist in einem synchron rotierenden Referenzrahmen, der gewöhnlich als der d/q-Achsenreferenzrahmen (Direkt-Quadratur-Achsenreferenzrahmen) bezeichnet wird, und der Strombefehl I_dq* enthält eine Direktkomponente I_d* und eine Quadraturkomponente I_q*. Der Impulsbreitenmodulator 16 gibt mehrphasige Tastverhältnissignale (oder Gatetreibersignale) d_a, d_b und d_dfür die jeweiligen Phasen a, b und c an einen Umrichter 18 aus, welcher dreiphasige Motorspannungsbefehle für jede Phase eines dreiphasigen Motors 20 erzeugt. Der Impulsbreitenmodulator 16 und der Umrichter 18 (oder Teile davon) können zusammen als Signalgenerator bezeichnet werden.
Das Steuerungssystem enthält verschiedene Funktionen und/oder Module zur Rückkopplung von Messwerten, die Eigenschaften des Motors 20 messen und diese Eigenschaften an das Steuerungssystem 10 zurückführen, um sie zum Justieren von Steuerungsparametern zu nutzen. Das Steuerungssystem 10 kann als Steuerungssystem mit geschlossenem Stromregelkreis charakterisiert werden.
In einer Ausführungsform umfassen Rückkopplungsmessungen ein Strommessmodul 22 und ein Positionsmessmodul 24, die Informationen zum Motorstrom und zur Motorposition bereitstellen, welche zur Kommutierung des Elektromotors genutzt werden. Das Strommessmodul 22 misst dreiphasige Motorströme I_a, I_b und I_c (die zusammen als I_abc bezeichnet werden), wandelt die Ströme in den d/q-Referenzrahmen um und gibt gemessene Ströme I_d und I_q (I_dq) in dem d/q-Referenzrahmen aus. In einem d/q-Achsenreferenzrahmen werden die Motorspannungen und die Motorströme zu Gleichstromgrößen (DC-Größen).
Motorpositionsmessungen zeigen die Winkel- oder Drehposition des Motors 20 an. In einer Ausführungsform enthält der Rückkopplungskreis das Positionsmessmodul 24, das eine Motorposition 0 misst und die Motorposition an den Impulsbreitenmodulator 16 und/oder an das Strommessmodul 22 ausgibt.
Eine Verarbeitungsvorrichtung oder ein Verarbeitungssystem, etwa das Steuerungssystem 10 und/oder Komponenten (z.B. Verarbeitungsmodule) desselben, ist ausgestaltet, um einen Elektromotor in Übereinstimmung mit einem Steuerungsverfahren zu steuern, das umfasst, dass ein Spannungssignal an einen Motor in Übereinstimmung mit einem adaptiven Impulsbreitenmodulationsschema (APWM-Schema) oder Verfahren aufgebracht wird. Die Verarbeitungsvorrichtung, welche in einer Ausführungsform ein Signalgenerator ist, der zumindest einen Teil des Impulsbreitenmodulators 16 und des Umrichters 18 enthält, empfängt Stromsignale, die ein Modulationsindexsignal (M_i-Signal) umfassen, und erzeugt ein Spannungssignal, das in Übereinstimmung mit dem APWM-Verfahren moduliert wird. Das APWM-Verfahren umfasst, dass in Abhängigkeit von dem Wert des M_i-Signals eine Kombination aus einem kontinuierlichen PWM-Schema und einem nicht kontinuierlichen PWM-Schema angewendet wird. Die Verarbeitungsvorrichtung vergleicht den M_i-Wert mit einem gewählten Schwellenwert und wendet die Kombination auf der Grundlage dessen an, dass der M_i-Wert größer oder gleich dem gewählten Schwellenwert ist.
In einer Ausführungsform umfasst das APWM-Verfahren, dass das Spannungssignal unter Verwendung eines kontinuierlichen PWM-Schemas erzeugt wird, wenn der M_i-Wert kleiner als der Schwellenwert ist, und dass die Kombination genutzt wird, wenn der M_i-Wert größer oder gleich dem Schwellenwert ist und kleiner als ein zweiter Wert ist, der größer als der Schwellenwert ist. Auf diese Weise wird ein M_i-Wertebereich so gewählt, dass die Kombination nur angewendet wird, wenn der M_i-Wert innerhalb des Bereichs liegt. Wenn der M_i-Wert größer als der zweite Wert ist, wird eine nicht kontinuierliche PWM verwendet.
Hier beschriebene Ausführungsformen verbessern Motorsteuerungssysteme, die Regelungssysteme zur Steuerung des Drehmoments, der Drehzahl oder der Position von Elektromotoren umfassen. Da Spannungen, die von Umrichtern erzeugt werden, sehr stark von dem verwendeten Umrichtersteuerungsschema abhängen, können suboptimale Umrichtersteuerungstechniken zu ungewünschter Drehmomentwelligkeit und hörbaren Geräuschen bei Hochleistungsanwendungen, wie etwa EPS führen. Die hier beschriebenen Ausführungsformen stellen sicher, dass Modulationstechniken für unterschiedliche Bedingungen automatisch justiert werden können und dadurch derartige ungewünschte Ergebnisse vermeiden können.
In einer Ausführungsform enthält das APWM-Schema eine Vielzahl von kontinuierlichen und nicht kontinuierlichen PWM-Schemata zum Steuern des Schaltens von Signalen und Spannungen, die an einen Elektromotor angelegt werden. Beispiele für kontinuierliche PWM-Schemata umfassen die sinusförmige PWM (SPWM) und die Raumvektor-PWM (SVPWM).
Die SPWM umfasst, dass eine sinusförmige Wellenform erzeugt wird, die direkt als das Modulationssignal für einen gegebenen Modulationsindex M_i und eine gegebene Bus-Gleichspannung (DC-Spannung) V_DC verwendet wird. Die mit Hilfe der SPWM erzeugte Spannung kann mathematisch ausgedrückt werden als: $V_{S P W M} = (\frac{1}{2} + \frac{1}{2} sin ω t M_{i}) V_{D C}$
wobei t die Zeit ist und ω die elektrische Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors ist. Das SPWM-Verfahren ist einfach zu implementieren, aber es nutzt möglicherweise die DC-Buskapazität nicht vollständig.
Die SVPWM verbessert die Nutzung des DC-Busses, indem sie in die Grundwellenform Oberwellen dritter und höherer ungerader Ordnung injiziert. Die mit SVPWM erzeugte Spannung kann ausgedrückt werden als: $V_{S P W M} = (\frac{1}{2} + \frac{1}{\sqrt{3}} (sin ω t + \frac{1}{2} f (ω t)) M_{i}) V_{D C}$
In der vorstehenden Gleichung ist f(ωt) eine Funktion, die eine Oberwelle höherer ungerader Ordnung repräsentiert. In diesem Beispiel zeigt der vorstehende Ausdruck für V_SVPWM, dass die Amplitude der Sinusgrundwelle 0,577 ist, was in etwa 15,5% höher als diejenige von SPWM ist. Dies bedeutet, dass ein DC/AC-Leistungswandler unter Verwendung von SVPWM eine um 15,5% höhere Spannung von Leitung zu Leitung als unter Verwendung von SPWM ausgeben kann, unter der Annahme, dass die DC-Busspannung gleichbleibt. Ein Beispiel für eine Tastverhältniswellenform für SVPWM ist in 2 gezeigt.
Beispiele für nicht kontinuierliche PWM-Schemata umfassen diskontinuierliche PWM-Minimum (DPWMMIN), diskontinuierliche PWM-Minimum mit Versatz (DPWMMINO) und andere. Der mathematische Ausdruck für eine Spannung der DPWMMIN kann ausgedrückt werden al s: $V_{D P W M M I N} = (\frac{1}{2} + \frac{1}{\sqrt{3}} (sin ω t - (1 + min (V_{P G A}, V_{P G B}, V_{P G C},))) M_{i}) V_{D C}$
In der vorstehenden Gleichung sind V_PGA, V_PGB und V_PGC Phasenspannungen (für Phase a, b bzw. c) für einen gegebenen Steuerungszyklus, und „min(V_PGA, V_PGB und V_PBC)“ ist die minimale Phasenspannung jeder Phase für den Steuerungszyklus. In diesem Beispiel zeigt der vorstehende Ausdruck für V_DPWMMIN ähnlich wie SVPWM, dass die maximale Amplitude der Sinusgrundwelle, die mit DPWMMIN erzeugt werden kann, 0,577·V_DC ist. Ein Beispiel für eine Tastverhältniswellenform des DPWMMIN-Schemas ist in 3 gezeigt.
DPWMMINO wurde auf der Grundlage von DPWMMIN entwickelt, um das Problem der Umrichternichtlinearität beim Umschalten zu beheben, wenn der Modulationsindex niedrig ist. Ein konstanter Wert wird zu DPWMMIN addiert, um die Schalter bei einem niedrigen Modulationsindex aufzuwärmen.
Nicht kontinuierliche PWM-Schemata stellen Vorteile wie etwa reduzierte Schaltverluste und eine höhere Auflösung bereit. Beispielsweise weist das DPWMMIN-Schema die Eigenschaft auf, dass der Umrichterschenkel für ein Drittel der Periode an Masse geklemmt wird. Daher können die Schaltverluste bei DPWMMIN reduziert werden, da in der Klemmregion kein Schalter aktiviert wird. Außerdem ist der Maximalwert von DPWMMIN proportional zum Modulationsindex, so dass der gesamte Tastverhältnisbereich von 0 bis 100% genutzt werden kann, was zu einer höheren PWM-Auflösung führt. Jedoch wird das DPWMMINO-Schema dem DPWMMIN-Schema vorgezogen, da es die Umrichternichtlinearität bei niedrigen Modulationsindizes überwindet, auf Kosten von erhöhten Schaltverlusten.
Diese nicht kontinuierlichen Schemata stellen jedoch einige Nachteile bereit, welche von kontinuierlichen PWM-Schemata überwunden werden. Beispielsweise können nicht kontinuierliche Schemata höhere Oberwellen erzeugen, die zu höheren Verzerrungen führen können. Beispielsweise zeigt ein Vergleich der Oberwelleninhalte von SVPWM- und DPWMINMIN-Schemata, dass im Gegensatz zu DPWMMIN (und DPWMMINO) SVPWM keine Oberwellen der Ordnung 6n (n = 0, 1, 2, ...) enthält. Theoretisch ist die Gesamtverzerrung durch Oberwellen (THD) von DPWMMIN ungefähr um 4,87% höher als diejenige von SVPWM.
Das APWM-Schema kombiniert die Vorteile von SVPWM und DPWMMIN gleichzeitig, d.h. weniger Oberwellen und weniger Verluste. Die APWM reduziert die hörbaren Geräusche in der Betriebsregion mit niedrigem Modulationsindex, speziell wenn geringe Schaltfrequenzen genutzt werden. Außerdem ist die Berechnungskomplexität des APWM-Schemas gering, beispielsweise, wenn ein auf Nachschlagetabellen beruhendes Verfahren verwendet werden kann.
Ein dreiphasiger zweistufiger Umrichter kann insgesamt acht Spannungsvektoren erzeugen; davon sind sechs aktive Vektoren und zwei sind Nullvektoren. Um die Trajektorie des Motorflussvektors kreisförmig zu gestalten, wird eine Synthese von mehreren Spannungsvektoren (einschließlich der aktiven und der Nullvektoren) ausgeführt. Bei SVPWM werden vier Spannungsvektoren V_act1, V_act2, V₀ und V₇ in einem Schaltzyklus (d.h. Steuerungszyklus) ausgeführt. Die Zuordnungen der Einschaltzeiten der vier Vektoren werden durch den Spannungsbefehl und durch die DC-Busspannung bestimmt. Man hat festgestellt, dass DPWMMIN drei Vektoren V_act1, V_act2 und V₀ verwendet, um den gewünschten Spannungsvektor zu synthetisieren, und dass die Zeitdauern von V_act1 und V_act2 die gleichen wie diejenigen bei SVPWM sein können. Dies ist hilfreich zum Verständnis der Korrelation zwischen SVPWM und DPWMMIN, und was noch wichtiger ist, es vereinfacht die Tastverhältnisberechnungen für SVPWM. Unter der Annahme, dass die augenblicklichen Tastverhältnisse von DPWMMIN für die drei Phasen bekannt sind (z.B. aus einer Nachschlagetabelle beschafft), können die Tastverhältnisse für SVPWM geschrieben werden als: $V_{S V P W M} = V_{D P W M M I N} + \frac{1}{2} (1 - m a x (V_{D P W M M I N}))$
wobei „max(V_DPWMMIN)“ die Maximalspannung ist, die für einen gegebenen Steuerungszyklus unter Verwendung von DPWMMIN berechnet wird.
In einer Ausführungsform des APWM-Schemas oder -Verfahrens wird die Konstante „1/2“ in der vorstehenden Gleichung durch eine Mischfunktion f_b(M_i) ersetzt, die einen Wert in Abhängigkeit vom Modulationsindex erzeugt. Der Wert kann unter Verwendung einer beliebigen geeigneten Funktion, einer mathematischen Gleichung, einer Kurve oder eines Satzes von Werten (z.B. aus einer Nachschlagetabelle oder einer anderen relationalen Datenstruktur) berechnet werden. Die Funktion kann die Konstante ersetzen oder für einen gewählten Bereich von Modulationsindexwerten, der durch einen unteren Wert a₁ und einen oberen Wert a₂ begrenzt ist, anderweitig eine Beziehung mit dem Modulationsindex bereitstellen. a₁ wird so gewählt, dass das APWM-Schema für niedrigere Modulationsindexwerte, die für kontinuierliche PWM-Schemata besser geeignet sind, ausschließlich ein kontinuierliches Schema ist, und das APWM-Schema ist für höhere Modulationsindexwerte, die für nicht kontinuierliche PWM-Schemata besser geeignet sind, ausschließlich ein nicht kontinuierliches Schema. Ein Beispiel für einen geeigneten Bereich wird definiert, indem a₁ so gewählt wird, dass er in etwa gleich 0,6 ist, und a₂ so gewählt wird, dass er in etwa gleich 0,9 ist.
In einer Ausführungsform weist der mathematische Ausdruck für die APWM die folgende Form auf: $V_{A P W M} = V_{D P W M M I N} + f_{b} (M_{i}) (1 - m a x (V_{D P W M M I N}))$
In einer Ausführungsform ist die Funktion f_b(M_i) eine gestückelte Funktion, die gleich einer Konstante ist, wenn der Modulationsindex außerhalb des Bereichs liegt, der durch a₁ und a₂ definiert wird, und die umgekehrt proportional zu M_i ist, wenn der Modulationsindex innerhalb des Bereichs liegt. Beispielsweise ist die Funktion f_b(M_i) eine stückweise lineare Funktion, die einen sanften Übergang von SVPWM zu DPWMMIN mit nur ein paar wenigen zusätzlichen Berechnungen bereitstellt. Ein Beispiel für diese Funktion ist wie folgt: $f_{b} (M_{i}) = {\begin{array}{r} \frac{1}{2}, & 0 \leq M_{i} < a_{1} \\ \frac{1}{2} (\frac{a_{2} - M_{i}}{a_{2} - a_{1}}), & a_{1} \leq M_{i} < a_{2} \\ 0, & a_{2} \leq M_{i} < 1 \end{array}$
Es sei angemerkt, dass, obwohl der Ausdruck für das APWM-Schema mit Bezugnahme auf DPWMMIN erörtert wird, es nicht darauf beschränkt ist. Das APWM-Schema kann verwendet werden, um ein beliebiges geeignetes kontinuierliches Schema (z.B. SPWM oder SVPWM) mit einem beliebigen geeigneten nicht kontinuierlichen Schema (z.B. DPWMMIN oder DPWMMINO) zu mischen.
Die vorstehend erwähnte Funktion zum Implementieren einer Mischoperation ist in 4 veranschaulicht. Eine Kurve 30 repräsentiert den Prozentsatz oder das Gewicht, das einem kontinuierlichen PWM-Schema gegeben wird, als Funktion des Modulationsindex M_i, und eine Kurve 32 repräsentiert den Prozentsatz oder das Gewicht, das einem nicht kontinuierlichen PWM-Schema gegeben wird. Wie gezeigt dominiert die SVPWM-Wellenform, wenn der Modulationsindex innerhalb eines relativ niedrigen Wertebereichs liegt. Dieser niedrige Wertebereich ist so gezeigt, dass er zwischen 0 und a₁ liegt. In einem mittleren Wertebereich, zwischen a₁ und einem größeren M_i-Wert a₂, wird die SVPWM-Wellenform mit der DPWMMIN-Wellenform gemischt, so dass, wenn der M_i zunimmt, das relative Gewicht der DPWMMIN zunimmt, bis die DPWMMIN-Wellenform bei Werten größer oder gleich a₂ dominiert.
5 zeigt ein Beispiel für einen Vergleich einer Tastverhältniswellenform des vorstehend beschriebenen APWM-Schemas mit herkömmlichen Wellenformen von PWM-Schemata, wenn der Modulationsindex zunimmt. Eine Kurve 34 ist eine Wellenform, die unter Verwendung des SVPWM-Schemas erzeugt wurde, eine Kurve 36 ist eine Wellenform, die unter Verwendung des DPWMMINO-Schemas erzeugt wurde, und eine Kurve 38 ist eine Wellenform, die unter Verwendung des APWM-Schemas erzeugt wurde. Wie gezeigt ist das APWM-Schema bei niedrigen M_i-Werten bis hin zu etwa 0,2 kontinuierlich (z.B. ist es gleich dem SVPWM-Schema), und es wechselt allmählich von einem kontinuierlichen zu einem nicht kontinuierlichen Schema, wenn M_i-Werte bis hin zu etwa 0,8 zunehmen, wonach das APWM-Schema nicht kontinuierlich ist (z b ist es gleich dem DPWMMIN- und/oder DPWMMINO-Schema).
6 und 7 stellen Beispiele für Vergleiche zwischen dem APWM-Schema und einem herkömmlichen nicht kontinuierlichen PWM-Schema dar. 6 zeigt Simulationsergebnisse, welche die Antwort 42 eines elektromagnetischen Drehmoments eines Motors unter Verwendung des DPWMMINO-Schemas und die Antwort 44 eines elektromagnetischen Drehmoments unter Verwendung des APWM-Schemas innerhalb von 0,01 s vergleichen. 7 zeigt Simulationsergebnisse, welche das Frequenzspektrum 46 des elektromagnetischen Drehmoments während eines elektrischen Zyklus unter Verwendung des APWM-Schemas und das Frequenzspektrum 48 des elektromagnetischen Drehmoments während des Steuerungszyklus unter Verwendung des DPWMMINO-Schemas [engl.: APWM scheme] vergleichen.
Aus den vorstehenden Vergleichen wird deutlich, dass das APWM-Schema nahezu keinen Inhalt bei der Schaltfrequenz, z.B. 10 kHz, im Vergleich mit dem DPWMMINO-Schema aufweist. Es ist wichtig, diesen Inhalt zu minimieren, da dieser typischerweise innerhalb des hörbaren Bereichs liegt. Zudem behält das APWM-Schema einen linearen Betrieb des Umrichters bei niedrigen Modulationsindizes ähnlich wie das DPWMMINO-Schema bei, während die Gesamtdrehmomentwelligkeit verbessert wird. Durch Verwendung der hier beschriebenen Mischoperationen wird das gesamte Tastverhältnis genutzt und die optimale PWM-Auflösung aufrechterhalten.
Hier beschriebene Ausführungsformen können in einem Verfahren zum Steuern eines Elektromotors genutzt werden. Das Verfahren wird wie folgt in Verbindung mit dem Steuerungssystem 10 erörtert, ist aber nicht darauf beschränkt. Das Verfahren enthält einen oder mehrere Schritte. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren das Ausführen aller Schritte in der beschriebenen Reihenfolge. Jedoch können bestimmte Schritte weggelassen werden, Schritte können hinzugefügt werden oder die Reihenfolge der Schritte kann verändert werden.
Im ersten Schritt empfängt eine Verarbeitungsvorrichtung, etwa das Steuerungsmodul 40, das Motorsteuerungssystem 10 und/oder eine oder mehrere Komponenten oder Module derselben (einzeln oder in Zusammenarbeit) einen Drehmomentbefehl. Der Drehmomentbefehl wird in einer Ausführungsform von einem EPS-System oder von einem Fahrzeugsteuerungssystem (autonom oder semiautonom) bereitgestellt, obwohl die hier beschriebenen Ausführungsformen ein beliebiges geeignetes System sein können, das einen Elektromotor verwendet.
Im zweiten Schritt wird der Drehmomentbefehl in einen Strombefehl umgewandelt und in einen Stromcontroller eingegeben, der Modulationsparameter erzeugt. Die Modulationsparameter umfassen einen Modulationsindexwert, der in einen Tastverhältnisgenerator oder einen Impulsbreitenmodulator eingegeben wird. Der Impulsbreitenmodulator erzeugt Schaltsignale, die Tastverhältnisse (d.h. Tastzyklen) für jede Phase eines Elektromotors definieren, etwa eines Motors eines Servolenkungssystems oder eines Fahrzeuglenkungssteuerungsmotors.
Im dritten Schritt erzeugt der Impulsbreitenmodulator die Schaltsignale in Übereinstimmung mit einem adaptiven PWM-Verfahren. Beispielsweise werden Schaltsignale oder Tastverhältnissignale unter Verwendung einer Funktion f_b(M_i) berechnet, die die Form einer mathematischen Beziehung oder eines Satzes von Werten annehmen kann. In einer Ausführungsform werden die Schaltsignale unter Verwendung einer Nachschlagetabelle oder einer anderen Datenstruktur berechnet, welche Werte für f_b(M_i) für unterschiedliche Modulationsindexwerte speichert. Wenn der Modulationsindex größer oder gleich a₁ und kleiner oder gleich a₂ ist, repräsentiert der Wert f_b(M_i) ein relatives Verhältnis oder einen Prozentsatz der Berechnung, der durch ein kontinuierliches PWM-Schema beeinflusst wird. Für Modulationsindexwerte näher bei a₁ beispielsweise beruht ein höherer Prozentsatz des Schaltsignals auf einer kontinuierlichen PWM, und für Modulationsindexwerte näher bei a₂ beruht ein höherer Prozentsatz des Schaltsignals auf einer nicht kontinuierlichen PWM.
Im vierten Schritt werden die Schaltsignale an einen Leistungswandler ausgegeben, der Signale von dem Impulsbreitenmodulator in Spannungssignale umsetzt, die an den Motor angelegt werden. In einer Ausführungsform ist der Leistungswandler ein Umrichter, obwohl ein beliebiger geeigneter Typ von Wandler (z.B. ein Gleichrichter) verwendet werden kann.
Im fünften Schritt werden während eines Betriebs des Motors verschiedene Messwerte erfasst und an Steuerungsmodule oder Komponenten gesendet, etwa an den Stromcontroller und den Impulsbreitenmodulator. Beispielsweise werden bei jedem Steuerungszyklus Motorpositionsmesssignale und Motorstrommesssignale periodisch abgetastet. Die Strom- und Positionsmesssignale werden in geeignete Verarbeitungsvorrichtungen oder Module in einem Motorsteuerungssystem eingegeben und das Modulationssignal wird bei Bedarf justiert. Das justierte Modulationssignal wird verwendet, um Spannungssignale zu steuern, die an den Motor gesendet werden.
Obwohl die Erfindung im Detail in Verbindung mit nur einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es leicht zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf diese offenbarten Ausführungsformen begrenzt ist. Stattdessen kann die Erfindung modifiziert werden, um eine beliebige Anzahl von Variationen, Veränderungen, Substitutionen oder äquivalenten Anordnungen aufzunehmen, die hier im Vorstehenden nicht beschrieben wurden, aber mit dem Geist und Umfang der Erfindung übereinstimmen. Obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, ist es außerdem zu verstehen, dass Aspekte der Erfindung nur einige der beschriebenen Ausführungsformen enthalten können. Folglich darf die Erfindung nicht so aufgefasst werden, dass sie auf die vorstehende Beschreibung begrenzt ist.

Claims

Steuerungssystem zum Steuern des Betriebs eines Elektromotors, umfassend: ein Strombefehlsmodul, das ausgestaltet ist, um einen Drehmomentbefehl zu empfangen und um einen Strombefehl auszugeben; ein Stromcontrollermodul, das ausgestaltet ist, um einen Modulationsindexwert auf der Grundlage des Strombefehls zu erzeugen; einen Signalgenerator, der ausgestaltet ist, um ein Spannungssignal zu erzeugen, das mit Hilfe eines Impulsbreitenmodulationsschemas (PWM-Schemas) auf der Grundlage des Modulationsindexwerts moduliert wird, wobei das PWM-Schema eine Kombination aus einem kontinuierlichen PWM-Schema und einem nicht kontinuierlichen PWM-Schema auf der Grundlage dessen ist, dass der Modulationsindexwert größer oder gleich einem ersten Schwellenwert ist, wobei der Signalgenerator ausgestaltet ist, um das Spannungssignal an den Elektromotor auszugeben.
System nach Anspruch 1, wobei das Spannungssignal mit Hilfe des kontinuierlichen PWM-Schemas auf der Grundlage dessen erzeugt wird, dass der Modulationsindexwert kleiner als der erste Schwellenwert ist.
System nach Anspruch 2, wobei das Spannungssignal mit Hilfe der Kombination aus dem kontinuierlichen PWM-Schema und dem nicht kontinuierlichen PWM-Schema auf der Grundlage dessen erzeugt wird, dass der Modulationsindexwert größer oder gleich dem ersten Schwellenwert und klei- . ner als ein zweiter Schwellenwert ist, wobei der zweite Schwellenwert größer als der erste Schwellenwert ist.
System nach Anspruch 3, wobei das Spannungssignal mit Hilfe des nicht kontinuierlichen PWM-Schemas auf der Grundlage dessen erzeugt wird, dass der Modulationsindexwert größer oder gleich dem zweiten Schwellenwert ist.
System nach Anspruch 1, wobei das kontinuierliche PWM-Schema ein sinusförmiges PWM-Schema ist.
System nach Anspruch 1, wobei das nicht kontinuierliche PWM-Schema entweder ein diskontinuierliches PWM-Minimum-Schema (DPWMMIN-Schema) oder ein diskontinuierliches PWM-Minimum-Schema mit Versatz (DPWMMINO-Schema) ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Kombination eine gewichtete Kombination aus dem kontinuierlichen PWM-Schema und dem nicht kontinuierlichen PWM-Schema ist, wobei die gewichtete Kombination auf der Grundlage einer Funktion berechnet wird, die umgekehrt proportional zu dem Modulationsindexwert ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Kombination auf der Grundlage der folgenden Beziehung berechnet wird: $V_{A P W M} = V_{A P W M M I N} + f_{b} (M_{i}) (1 - m a x (V_{D P W M M I N})),$
wobei V_APWM das Spannungssignal ist, V_DPWMMIN ein Spannungswert ist, der auf der Grundlage des nicht kontinuierlichen PWM-Schemas berechnet wird, und max(V_DPWMMIN) ein Maximalwert der Spannung ist, und f_b(M_i) eine Funktion ist, die beruhend auf einer Differenz zwischen dem Modulationsindexwert und zwei Schwellenwerten berechnet wird.
System nach Anspruch 1, wobei der Signalgenerator einen Tastverhältnisgenerator, der ausgestaltet ist, um ein Tastverhältnissignal auf der Grundlage des Modulationsindexwerts und eines Phasenvoreilwerts zu erzeugen, und ein Wandlermodul enthält, das ausgestaltet ist, um das Tastverhältnissignal zu empfangen und das Spannungssignal auf der Grundlage des Modulationssignals an den Motor auszugeben.
System nach Anspruch 1, wobei der Elektromotor ausgestaltet ist, um mindestens eines auszuführen von: Aufbringen eines Assistenzdrehmoments auf ein Lenkungssystem eines Fahrzeugs und Steuern des Lenkungssystems.
Verfahren zum Steuern eines Elektromotors, das umfasst, dass: von einem Strombefehlsmodul ein Drehmomentbefehl empfangen wird und ein Strombefehl ausgegeben wird; auf der Grundlage des Strombefehls ein Modulationsindexwert erzeugt wird; von einem Signalgenerator ein Spannungssignal erzeugt wird, wobei das Spannungssignal mit Hilfe eines Impulsbreitenmodulationsschemas (PWM-Schemas) auf der Grundlage eines Modulationsindexwerts moduliert wird, wobei das PWM-Schema eine Kombination aus einem kontinuierlichen PWM-Schema und einem nicht kontinuierlichen PWM-Schema aufgrund dessen ist, dass der Modulationsindexwert größer oder gleich einem ersten Schwellenwert ist; und dass das Spannungssignal an den Elektromotor ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Spannungssignal mit Hilfe des kontinuierlichen PWM-Schemas aufgrund dessen erzeugt wird, dass der Modulationsindexwert kleiner als der erste Schwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das nicht kontinuierliche PWM-Schema entweder ein diskontinuierliches PWM-Minimum-Schema (DPWMMIN-Schema) oder ein diskontinuierliches PWM-Minimum-Schema mit Versatz (DPWMMINO-Schema) ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Kombination eine gewichtete Kombination aus dem kontinuierlichen PWM-Schema und dem nicht kontinuierlichen PWM-Schema ist, wobei die gewichtete Kombination auf der Grundlage einer Funktion berechnet wird, die umgekehrt proportional zu dem Modulationsindexwert ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Ausgeben des Spannungssignals umfasst, dass ein Tastverhältnissignal auf der Grundlage des Modulationsindexwerts und eines Phasenvoreilwerts erzeugt wird, und dass das Tastverhältnissignal an ein Wandlermodul übertragen wird, das ausgestaltet ist, um das Tastverhältnissignal in das Spannungssignal umzuwandeln.