DE102017201131A1 - Ansteuerung einer elektrischen Maschine - Google Patents

Abstract

Diese Erfindung betrifft die Ansteuerung einer mit einem Wechselrichter (110) per Phasen verbundenen elektrischen Maschine (105). Der Wechselrichter (110) weist für eine jeweilige Phase (U, V, W) zwei Stromventile (S1-S2, S3-S4, S5-S6) auf, welche in Reihe zwischen einem hohen Quellenpotential und einem niedrigen Quellenpotential verbunden sind. Die jeweilige Phase (U, V, W) ist zwischen den zwei Stromventilen (S1-S2, S3-S4, S5-S6) angeschlossen. Das Verfahren weist die Schritte auf:periodisches Abtasten eines Phasenstroms der Phase (U, V, W) der elektrischen Maschine (105);Beurteilen auf der Grundlage des abgetasteten Phasenstroms, dass innerhalb einer gegenwärtigen Abtastperiode ein Nulldurchgang des Phasenstroms erfolgen wird, und Ansteuern des gegenwärtig leitenden Stromventils so, dass es sperrt, und nach einer vorgegebenen Sperrzeit Ansteuern des anderen Stromventils so, dass es leitet. Die Beurteilung wird positiv getroffen, wenn ein Betrag des abgetasteten Phasenstroms kleiner ist als ein Schwellenwert, der durch eine Beziehungausgedrückt wird, wobei IRange der Schwellenwert ist, ls_max ein Maximalwert des Phasenstroms ist, ωs eine Kreisfrequenz des Stroms ist, und TSample die Länge der Abtastperiode ist. Die Erfindung wird auch durch ein Computerprogrammprodukt, ein Antriebsmodul (100) und eine Steuervorrichtung verwirklicht.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine. Die Erfindung ist durch ein Verfahren, ein Computerprogrammprodukt, ein Antriebsmodul und eine Steuervorrichtung verwirklicht.
• Das Drehverhalten einer elektrischen Drehfeldmaschine mit mehreren Phasen kann mittels einer feldorientierten Regelung (FOR; auch: Vektorregelung) gesteuert werden. Dazu können Ströme durch die Phasen, ein elektrischer Winkel und eine elektrische Drehgeschwindigkeit mittels zugeordneter Einrichtungen abgetastet werden, um den Regelkreis zu schließen. Das Vorzeichen des Phasenstroms wird benötigt, um die Fehlerspannungen im Wechselrichter zu modellieren. Da die Phasenströme sinusförmig sind, ist der Zeitpunkt des Vorzeichenwechsels von hoher Bedeutung für die Bestimmung des Vorzeichens der Fehlerspannung. Es ist bekannt, den Nulldurchgang durch das Einlesen des Strommesswertes, und den Vorzeichenwechsel durch einen Vergleich mit dem vorangehenden Strommesswert zu ermitteln. Die gemessenen Ströme können aber verrauscht sein, sodass es zu Fehldetektionen kommen kann. Eine Filterung der Phasenströme bringt üblicherweise keine Abhilfe, da dadurch die Phasenlage verfälscht wird. Zudem ist beim Ausschalten eines Stromventils (Halbleiters) des Wechselrichters eine gewisse Zeit (Totzeit) erforderlich, bis alle Ladungen im Sperrbereich des Halbleiters ausgeräumt sind und der Halbleiter vollständig sperrt. Da wegen Kurzschlussgefahr zwei komplementäre Halbleiter in einer Phase nicht gleichzeitig eingeschaltet sein dürfen, ist eine entsprechende Sperrzeit zwischen dem Ausschalten eines Stromventils und dem Einschalten des komplementären Stromventils in der gleichen Phase vorzusehen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Technik zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine anzugeben. Eine weitere Aufgabe besteht darin, den Nulldurchgang des gemessenen Phasenstroms zuverlässig zu bestimmen. Die Erfindung löst diese Aufgaben mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
• Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur Ansteuerung einer mit einem Wechselrichter per Phasen verbundenen elektrischen Maschine vorschlagen. Die elektrische Maschine ist also phasengesteuert. Der Wechselrichter weist für eine der Phasen zwei Stromventile auf, welche in Reihe zwischen einem hohen Quellenpotential und einem niedrigen Quellenpotential verbunden sind, wobei die Phase zwischen den zwei Stromventilen angeschlossen ist.
• Das Verfahren weist die Schritte auf:
• Periodisches Abtasten eines Phasenstroms der Phase der elektrischen Maschine;
• Beurteilen auf der Grundlage des abgetasteten Phasenstroms, dass innerhalb einer gegenwärtigen Abtastperiode ein Nulldurchgang des Phasenstroms erfolgen wird, Ansteuern des gegenwärtig leitenden Stromventils so, dass es sperrt, und nach einer vorgegebenen Sperrzeit Ansteuern des anderen Stromventils so, dass es leitet. Dabei wird bestimmt, dass innerhalb einer gegenwärtigen Abtastperiode ein Nulldurchgang erfolgen wird, falls ein Betrag des abgetasteten Phasenstroms kleiner ist als ein Schwellenwert IRange, der durch $${\text{I}}_{\text{Range}}={\text{I}}_{\text{s}\text{,max}}*{\mathrm{\omega }}_{\text{s}}{\text{*T}}_{\text{Sample}}$$
  
  ausgedrückt wird, wobei ls_max ein Maximalwert des Phasenstroms ist, ωs eine Kreisfrequenz des Stroms, und TSample die Länge der Abtastperiode. Die Sperrzeit ist üblicherweise fest vorbestimmt und kann insbesondere in Abhängigkeit einer bauartbedingten Abschaltverzögerung eines der Stromventile gewählt sein. Umfasst das Stromventil beispielsweise einen IGBT, so kann die Sperrzeit in einem Bereich von ca. 120 - 180 us liegen.
• Die Abtastperiode kann auch Abtastschrittweite, Abtastintervall, Abtastperiode, Abtastabschnitt, Abtastspanne, Abtastraum oder Abtastphase genannt werden. Sie besitzt eine zeitliche Dauer von TSample. Die periodische Abtastung kann insbesondere mit einer vorbestimmten Frequenz f erfolgen, sodass TSample=1/f. Die elektrische Maschine ist vorzugsweise eine Drehfeldmaschine mit einem Rotor, der einen Permanentmagneten aufweisen kann, und einem Stator, dessen Wicklungen die Phasen bilden können. Es ist denkbar, aber unüblich, dass die Phasen dem Rotor zugeordnet sind; in diesem Fall können sich die Feldbetrachtungen umdrehen. Es versteht sich, dass das Verfahren auf jede Phase der elektrischen Maschine angewendet werden kann. Das hohe Quellenpotential und das niedrige Quellenpotential ergeben sich aus der Spannung einer Gleichspannungsquelle. Die Gleichspannungsquelle kann beispielsweise eine Fahrzeugbatterie oder sonstige Batterie sein. Die Spannung der Gleichspannungsquelle kann auch als Zwischenkreisspannung bezeichnet werden. Sie kann über einen Zwischenkreiskondensator geliefert werden. Der Verlauf des Phasenstroms Is kann idealisiert als eine Sinusschwingung der Form $${\text{I}}_{\text{s}}={\text{I}}_{\text{s}\text{,max}}*\text{sin}\left({\mathrm{\omega }}_{\text{s}}*\text{t}\right)$$

  

  
  ausgedrückt werden, wobei die Steigung an einem beliebigen Punkt durch $${\text{dl/dt=I}}_{\text{s}\text{,max}}{}^{*}{\mathrm{\omega }}_{\text{s}}*\text{cos}\left({\mathrm{\omega }}_{\text{s}}*\text{t}\right)$$

  

  
  gegeben ist.
• Die Erfindung geht von der Überlegung aus, einen Schwellenwert zu finden, welcher einen Stromkorridor um den Stromwert null herum (jeweils zur positiven und negativen Seite) definiert, sodass wenn der gegenwärtige Abtastwert des Phasenstroms erstmals in diesem Korridor liegt, der Vorzeichenwechsel innerhalb der laufenden Abtastperiode erfolgt. Ein Ansatz zur Bestimmung des Schwellenwerts kann darin bestehen zu ermitteln, welchen Wert der Phasenstrom im zeitlichen Abstand einer Abtastperiode vor dem Nulldurchgang annimmt. Wenn angenommen wird, dass im interessierenden Bereich des Nulldurchgangs, also innerhalb des durch den Schwellenwert gegebenen Stromkorridors, die Steigung des Graphs des Phasenstroms im gesamten Stromkorridor im Wesentlichen linear mit dem Wert im Nulldurchgang ist, wird das Kosinus-Glied obiger Gleichung wegen t=0 zu 1, damit wird die Steigung zu $${\text{dl/dt}|}_{\text{t=0}}{\text{=I}}_{\text{s}\text{,max}}{}^{*}{\mathrm{\omega }}_{\text{s}}$$

  

  
  und kann die Bestimmung des Schwellenwerts auf eine einfache Dreiecksberechnung der Form $${\text{I}}_{\text{Range}}={\text{I}}_{\text{s}\text{,max}}*{\text{dl/dt}|}_{\text{t=0}}$$

  

  
  zurückgeführt werden, was auf das Ergebnis $${\text{I}}_{\text{Range}}={\text{I}}_{\text{s}\text{,max}}*{\mathrm{\omega }}_{\text{s}}{\text{*T}}_{\text{Sample}}$$

  

  
  führt. Da die Sinusfunktion in Bezug auf ihren Fußpunkt auf der Abszisse stets - und auch im Bereich des Nulldurchgangs zwar geringfügig, aber immerhin noch - konkav ist, erlaubt die angegebene Dreiecksnäherung eine robuste Bestimmung, da der berechnete Schwellenwert immer größer ist als der durch die Sinusfunktion vorgegebene.
• In einer Weiterbildung wird auf der Basis eines Unterschieds zwischen dem abgetasteten Phasenstrom und dem Schwellenwert bestimmt, wie nahe der Phasenstrom am Nulldurchgang liegt. Je größer der Unterschied zwischen dem Schwellenwert und dem abgetasteten Phasenstrom bzw. dessen Betrag ist, umso näher liegt der Phasenstrom am Nulldurchgang. Aufgrund dieser Bestimmung kann der Nulldurchgang für weitere Betrachtungen verbessert genähert, bestimmt oder gewichtet werden.
• Vorzugsweise werden die Beurteilung, ob ein Nulldurchgang stattfindet, und die Durchführung darauf gestützter Maßnahmen innerhalb der Sperrzeit ausgesetzt. Da der Phasenstrom nach erstmaligem Erkennen eines Unterschreitens des Schwellenwerts im Allgemeinen auch beim nächsten Abtastvorgang wieder den Schwellenwert betragsmäßig unterschreiten wird, aber mit anderem Vorzeichen, dies aber nicht zum erneuten Beginn einer Sperrzeit führen soll, muss eine erneute Erfassung dieses Vorgangs verhindert werden. In Weiterbildungen kann die Beurteilung auch länger ausgesetzt werden, vorzugsweise für zwei oder mehr Abtastperioden.
• In einer weiteren Weiterbildung erfolgt ein Anpassen der vorgegebenen Sperrzeit und/oder des Schwellenwerts anhand einer Rauschgröße des abgetasteten Phasenstroms der Phase. Dies kann die Sicherheit in der Vermeidung eines verpolten Stromventils erhöhen. Als Rauschgröße kann beispielsweise ein Signal-RauschVerhältnis verwendet werden. Je stärker das Rauschen ist, desto breiter kann der Stromkorridor gewählt werden und umgekehrt.
• In weiteren Ausführungsformen wird das Verfahren in einer Feldorientierten Steuerung (FOS) oder Feldorientierten Regelung (FOR) der elektrischen Maschine angewendet. Eine elektrische Maschine, insbesondere eine Drehfeldmaschine, umfasst einen Stator und einen Rotor, die drehbar gegeneinander gelagert sind. Der Stator weist um den Rotor herum angeordnete Spulen auf, welche die Phasen der Maschine bilden und bei Erregung durch entsprechende Phasenströme den Rotor in Bewegung versetzen. Die Phasenströme werden durch einen Wechselrichter aus einer Gleichspannung, auch als Zwischenkreisspannung bezeichnet, gebildet. Zur Ansteuerung des Wechselrichters wird zunächst anhand von Vorgabewerten wie etwa des Drehmoments ein Arbeitspunkt der Maschine in Form eines Statorstroms auf der Basis eines rotorfesten Koordinatensystems ermittelt. Die rotorfesten Koordinaten, auch als Feldkoordinaten bezeichnet, weisen eine flussbildende Komponente (d-Koordinate) und eine drehmomentbildende Komponente (q-Komponente) auf. Die Verwendung des rotorfesten Koordinatensystems hat den Vorteil, dass die Phasenströme, die als Wechselströme durch die Phasen des Stators fließen, als Gleichströme behandelt werden können. Die Komponenten des Statorstroms werden in mehreren Schritten in Phasenspannungen umgerechnet, welche dann in Steuersignale zur Ansteuerung der Halbleiterschalter jeder Phase des Wechselrichters moduliert werden. Diese Form der Steuerung wird als feldorientierte Steuerung (FOS) bezeichnet. Soll eine feldorientierte Regelung (FOR) erfolgen, so können die gemessenen Phasenströme in das rotorfeste Koordinatensystem transformiert und in dieser Form den Sollströmen rückgeführt werden.
• In Ausführungsformen wird der Maximalbetrag des Phasenstroms nach der Beziehung $$I_{s,max}=\sqrt{I_{sd}{}^2+I_{sq}{}^2}$$

  

  
  bestimmt, wobei lsd und Isq Komponenten des Phasenstroms in rotorfesten Koordinaten sind. Im Zuge der feldorientierten Regelung fällt der Phasenstrom in rotorfesten Koordinaten ohnehin oft als Rückführungsgröße an.
• Bevorzugt wird eine Kompensation der Sperrzeit bei der Modellierung des gewünschten Spannungsvektors abhängig vom abgetasteten Phasenstrom vorgenommen. Eine solche Kompensation hilft, Verzerrungen im realen Spannungsvektor zu vermeiden. Vorteilhaft wirkt sich für diese Kompensation eine genaue Ermittlung des Nulldurchgangs aus, da bei ungenauer Annahme über den Nulldurchgang die Kompensation zu falschen Ergebnissen führen kann und insbesondere bei geringer Drehzahl eine Verschlechterung statt einer Verbesserung bei der Ansteuerung bewirken kann.
• Das Verfahren kann bevorzugt bei der Ansteuerung von Asynchronmaschinen (ASM) angewendet werden.
• Ein Computerprogrammprodukt umfasst gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung Programmcodemittel zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungsvorrichtung ausgeführt wird oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
• Ein Antriebsmodul weist gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung eine elektrische Maschine mit mehreren Phasen und einen damit verbundenen Wechselrichter sowie eine Steuerungsvorrichtung auf. Der Wechselrichter weist für eine jeweilige Phase zwei Stromventile auf, welche in Reihe zwischen einem hohen Quellenpotential und einem niedrigen Quellenpotential verbunden sind, wobei die jeweilige Phase zwischen den zwei Stromventilen angeschlossen ist. Die Steuervorrichtung ist eingerichtet, auf der Grundlage eines periodisch abgetasteten Phasenstroms der jeweiligen Phase der elektrischen Maschine zu beurteilen, ob innerhalb einer gegenwärtigen Abtastperiode ein Nulldurchgang des Phasenstroms erfolgen wird, und
  wenn die Beurteilung, ob innerhalb der gegenwärtigen Abtastperiode ein Nulldurchgang des Phasenstroms erfolgen wird, positiv getroffen wird, das gegenwärtig leitende Stromventil so anzusteuern, dass es sperrt, und nach einer vorgegebenen Sperrzeit das andere Stromventil so anzusteuern, dass es leitet, wobei bestimmt wird dass innerhalb einer gegenwärtigen Abtastperiode ein Nulldurchgang erfolgen wird, wenn ein Betrag des abgetasteten Phasenstroms kleiner ist als ein Schwellenwert, wobei der Schwellenwert durch eine Beziehung $${\text{I}}_{\text{Range}}={\text{I}}_{\text{s}\text{,max}}*{\mathrm{\omega }}_{\text{s}}{\text{*T}}_{\text{Sample}}$$

  

  ausgedrückt wird, wobei IRange der Schwellenwert ist, ls_max ein Maximalwert des Phasenstroms ist, ωs eine Kreisfrequenz des Stroms ist, und TSample die Länge der Abtastperiode ist.
• Eine Steuervorrichtung für eine mit einem Wechselrichter verbundene elektrische Maschine mit mehreren Phasen umfasst gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung einen Steuerungs-/Regelungsblock, der dazu eingerichtet ist, die elektrische Maschine auf der Basis von Sollwerten feldorientiert zu steuern bzw. zu regeln. Der Wechselrichter weist für eine der Phasen zwei Stromventile auf, welche in Reihe zwischen einem hohen Quellenpotential und einem niedrigen Quellenpotential verbunden sind, wobei die jeweilige Phase zwischen den zwei Stromventilen angeschlossen ist. Die Steuervorrichtung weist Mittel auf, die eingerichtet sind, um auf der Grundlage eines periodisch abgetasteten Phasenstroms der jeweiligen Phase der elektrischen Maschine zu beurteilen, ob innerhalb einer gegenwärtigen Abtastperiode ein Nulldurchgang des Phasenstroms erfolgen wird, und wenn die Beurteilung, ob innerhalb der gegenwärtigen Abtastperiode ein Nulldurchgang des Phasenstroms erfolgen wird, positiv ist, das gegenwärtig leitende Stromventil so anzusteuern, dass es sperrt, und nach einer vorgegebenen Sperrzeit das andere Stromventil so anzusteuern, dass es leitet, wobei bestimmt wird, dass innerhalb einer gegenwärtigen Abtastperiode ein Nulldurchgang erfolgen wird, positiv getroffen wird, wenn ein Betrag des abgetasteten Phasenstroms kleiner ist als ein Schwellenwert, wobei der Schwellenwert durch eine Beziehung $${\text{I}}_{\text{Range}}={\text{I}}_{\text{s}\text{,max}}*{\mathrm{\omega }}_{\text{s}}{\text{*T}}_{\text{Sample}}$$

  

  
  ausgedrückt wird, wobei IRange der Schwellenwert ist, ls_max ein Maximalwert des Phasenstroms ist, ωs eine Kreisfrequenz des Stroms ist, und TSample die Länge der Abtastperiode ist.
• Die Steuervorrichtung kann insbesondere als programmierbarer Mikrocomputer oder Mikrocontroller ausgeführt sein. Dabei ist eine Verarbeitung in diskreten Zeitschritten fester Länge bevorzugt. Die Steuervorrichtung kann Teil des Antriebsmoduls sein. Außerdem kann die Steuervorrichtung dazu eingerichtet sein, das oben angegebene Verfahren wenigstens teilweise durchzuführen. Merkmale oder Vorteile, die bezüglich des Verfahrens genannt sind, können auf die Vorrichtung bzw. das Antriebsmodul übertragen werden und umgekehrt.
• Die Steuervorrichtung kann Mittel zum Abtasten des Phasenstroms aufweisen. Die Steuervorrichtung kann auch Mittel zur Umrechnung des Phasenstroms in rotorfeste Koordinaten (d,q-Koordinaten) aufweisen.
• Das Stromventil kann jeweils einen Halbleiterschalter aufweisen, der insbesondere als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), Thyristor, GTO-Thyristor oder dergleichen ausgebildet ist.
• Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
• 1 ein schematisches Schaltbild eines Antriebsmoduls nach einem Ausführungsbeispiel; und
• 2 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung eines Algorithmus zur Bestimmung eines Nullpunktdurchgangs eines gemessenen Phasenstroms

darstellt.
• 1 zeigt schematisch ein beispielhaftes Antriebsmodul 100 nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug. Das Antriebsmodul 100 kann beispielsweise in einem Aktor oder einem Antrieb, beispielsweise einer Sitzverstellung, einem Schiebedach oder einer Servolenkung, oder in einem Fahrantrieb eingesetzt werden. Das Antriebsmodul 100 umfasst einen Wechselrichter 110, der bevorzugt als Spannungszwischenkreis-Wechselrichter ausgelegt ist, und eine elektrische Maschine 105, die bevorzugt als permanenterregte Synchronmaschine (PSM) oder Asynchronmaschine (ASM) ausgelegt ist. Eine Steuervorrichtung zur Ansteuerung des Wechselrichters 110 kann zusätzlich im Antriebsmodul 100 integriert sein.
• Der Wechselrichter 110 umfasst einen Zwischenkreis 115, zu welchem ein optionaler Zwischenkreiskondensator 120 parallel geschaltet ist. Der Wechselrichter 110 ist exemplarisch in B6-Brückenschaltung mit drei Halbbrücken gebildet, welche jeweils zwei zueinander komplementäre Stromventile S1 und S2 bzw. S3 und S4 bzw. S5 und S6 umfassen. Die Stromventile S1-S6 sind bevorzugt jeweils in Form eines Halbleiter-Leistungsschalters wie eines MOSFETs, IGBTs, Thyristors oder GTOs ausgebildet. Die angedeuteten Dioden an den Stromventilen S1-S6 sind optional und können jeweils von den zugeordneten Halbleitern umfasst sein. Drei Leistungsschalter S1, S3, S5 des Wechselrichters 100 sind als High-Side-Schalter, und drei weitere Leistungsschalter S2, S4, S6 als Low-Side-Schalter angeordnet. Jede Halbbrücke umfasst einen High-Side-Schalter S1, S3, S5 und ein Low-Side-Schalter S2, S4, S6, die miteinander in Serie mit dem Zwischenkreis 115 verbunden sind. Mittenabgriffe der Halbbrücken des Wechselrichters 110 sind je mit einer Phase U bzw. V bzw. W der Maschine 105 elektrisch verbunden. Der Wechselrichter 110 kann mit unterschiedlichen Modulationsverfahren wie beispielsweise einer Pulsbreitenmodulation (PWM) angesteuert werden, um gewünschte Verläufe der Spannungen an den Phasen U, V, W der Maschine 105 zu generieren. Ein Spannungsvektor, der die gewünschten Spannungen für die elektrische Maschine 105 enthält, wird hierzu mittels einer Steuervorrichtung (nicht näher dargestellt) bestimmt und an die PWM-Erzeugung weitergegeben.
• Das Ausschalten eines Halbleiters geschieht nicht sprungförmig, sondern es ist vom Beginn des Ausschaltvorgangs an eine gewisse Zeit (Totzeit t₀) erforderlich, bis alle Ladungen im Sperrbereich des Halbleiters ausgeräumt sind und der Halbleiter vollständig sperrt. Diese Totzeit hängt vom verwendeten Halbleiter ab. Zum Beispiel liegt diese Zeit beim MOSFET unter 1µs und beim IGBT zwischen 1 µs und 5µs.
• Im Wechselrichter 110 dürfen zwei komplementäre Halbleiter S1 und S2 bzw. S3 und S4, bzw. S5 und S6, die einer Phase U, V, W zugeordnet bzw. von einer Halbbrücke umfasst sind, nicht gleichzeitig eingeschaltet sein, da sonst ein Kurzschlussstrom im Zwischenkreis 115 fließen kann, der einen Halbleiter oder den Zwischenkreiskondensator 120 beschädigen kann. Aus diesem Grund wird in der Regel eine Sperrzeit (auch Totzeit oder Verriegelzeit genannt) zwischen dem Ausschalten eines Halbleiters (bis alle Ladungen ausgeräumt sind) und dem Einschalten des komplementären Halbleiters in der gleichen Phase U, V, W eingelegt. Die Sperrzeit sollte im Interesse eines möglichst hohen Wirkungsgrads der elektrischen Maschine 105 möglichst minimiert sein. Die minimal mögliche Sperrzeit ist von tatsächlichen Schaltzeiten zugeordneter Stromventile S1 bis S6 abhängig.
• Bei der Ansteuerung der elektrischen Maschine 105 entsteht wegen der Sperrzeit eine Änderung des gewünschten Spannungsvektors, was zu Verzerrungen der Eingangsspannungen an der elektrischen Maschine 105 führen kann. Um die Sperrzeit zu kompensieren, kann sie abhängig vom gemessenen Phasenstrom in einer Phase U, V, W kompensiert werden. Eine genaue Ermittlung des Nulldurchgangs des Stroms durch die Phase U, V, W ist dabei wichtig, sonst führt die Kompensation zu falschen Ergebnissen und kann eine Verschlechterung statt einer Verbesserung bei der Ansteuerung bewirken. Der Einfluss der Sperrzeit ist insbesondere bei einer geringen Drehzahl der Maschine 105 signifikant.
• Erfindungsgemäß wird das Antriebsmodul 100 gemäß dem nachstehend erläuterten Algorithmus angesteuert.
• 2 zeigt ein schematisches Diagramm zur Veranschaulichung eines Algorithmus zur Bestimmung eines Nullpunktdurchgangs eines gemessenen Phasenstroms Is gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Diagramm zeigt einen beispielhaften, vereinfachten Verlauf eines gemessenen Phasenstroms Is. Der in 2 gezeigte Verlauf steht beispielhaft für einen der Phasenströme Isu, Isv, Isw der Phasen U, V, W der Maschine 105 und ist als sinusförmiger Verlauf idealisiert. Der Algorithmus kann als Steuervorrichtung 205 ausgeführt sein, welche die Bestimmung des Nullpunktdurchgangs durchführt. Dazu können Teile der Steuervorrichtung 205 insbesondere von einem programmierbaren Mikrocomputer oder Mikrocontroller umfasst sein, wobei die Verarbeitung bevorzugt digital erfolgt. Die Darstellung von 2 kann jedoch auch als Funktionsschema für ein Verfahren 210 zur Bestimmung des Nullpunktdurchgangs aufgefasst werden. Dementsprechend können in 2 gezeigte und/oder implizierte und/oder darauf bezogene Vorgänge als verdrahtete und/oder gegebenenfalls programmierte Funktionseinheiten der Steuervorrichtung 205 oder als Prozessabschnitte des Verfahrens 210 verwirklicht sein.
• Aus dem Verlauf des gemessenen Phasenstroms wird zunächst die Amplitude etwa nach der beispielhaften Rechenvorschrift $$I_{s,max}=\sqrt{I_{sd}{}^2+I_{sq}{}^2}$$

  

  
  berechnet, wobei:

Isq, Isd:

der gemessene Phasenstrom in d,q-Koordinaten und

ls_max:

dessen Betrag ist.

• Danach kann eine Änderung des Stromwerts innerhalb einer Abtastperiode zwischen zwei aufeinander folgenden Abtastungen, beim Nulldurchgang berechnet werden. Die Änderung entspricht einem Schwellenwert IRange, der, in positiver und negativer Richtung auf der Stromachse des Zeit-Strom-Diagramms von 2 aufgetragen, einen Strombereich ±IRange um den Wert null herum definiert, innerhalb dessen der Ist-Strom in einer Zeitspanne zwischen der Dauer einer Abtastperiode vor dem Nulldurchgang und der Dauer einer Abtastperiode nach dem Nulldurchgang liegt. Hat die Abtastperiode beispielsweise eine Dauer von 1 ms, so ist der Strombereich derart bemessen, dass der Phasenstrom Is spätestens 2 ms nach dem Eintreten in den Strombereich sein Vorzeichen gewechselt hat. Dies gilt sowohl für das Eintreten bei steigendem als auch bei fallendem Phasenstrom Is.
• Der Verlauf des Phasenstroms Is liegt idealerweise in der Form $$\begin{array}{cc}{\text{I}}_{\text{s}}& {\text{=I}}_{\text{s}\text{,max}}*\text{sin}\left({\mathrm{\omega }}_{\text{s}}*\text{t}\right)\end{array}$$

  

  
  vor, wobei

Is:

der zeitabhängige Verlauf des Phasenstroms ist,

ωs:

die elektrische Kreisfrequenz ist, und

t:

die Zeit ist.

• Beim Nulldurchgang wird die Steigung der Sinusgrößen maximal und der Term cos(ωs*t) kann als 1 vereinfacht werden: $${\text{dl/dt=I}}_{\text{s}\text{,max}}{}^{*}{\mathrm{\omega }}_{\text{s}}\underset{1}{\underbrace{*\text{cos}\left({\mathrm{\omega }}_{\text{s}}*\text{t}\right)}}$$

  
• Die Steigung zwischen zwei Abtastpunkten t1, t2 um den Nulldurchgang herum kann daher als linear betrachtet werden, so dass mit der Multiplikation der Dauer der Abtastperiode, der Amplitude und der Drehfrequenz des Stromes der Strombereich nach der Beziehung: $${\text{I}}_{\text{Range}}={\text{I}}_{\text{s}\text{,max}}*{\mathrm{\omega }}_{\text{s}}{\text{*T}}_{\text{Sample}}$$

  

  
  ein Schwellenwert berechnet werden kann, wobei
  IRange: der Schwellenwert ist, welcher den Strombereich definiert, und
  TSample: die zeitliche Dauer einer Abtastperiode, also der Zeitabstand zweier aufeinander folgender Abtastungen des Phasenstroms ist.
• Durch die lineare Betrachtung der zwei Abtastpunkte kann durch den gemessenen Strom der genaue Zeitpunkt im Rechenzyklus ermittelt und entsprechend berücksichtigt werden. Wenn also der gemessene Strom sich erstmals innerhalb des berechneten Strombereiches befindet (also in einer vorangehenden Abtastperiode außerhalb des Strombereichs lag), wird innerhalb dieses Rechenzyklus bzw. dieser Abtastperiode der Stromnulldurchgang erfolgen, und es kann mit diesem Zeitpunkt die Sperrzeit eingeleitet werden.
• Die Abtastperiode kann je nach auftretender Drehfrequenz der Drehfeldmaschine gewählt werden. Üblicherweise liegt eine Abtastfrequenz um ein Mehrfaches höher als eine Drehzahl der Drehfeldmaschine, sodass während einer Umdrehung der Drehfeldmaschine mehrere Abtastungen des Phasenstroms stattfinden.
• Mit dem beschriebenen Verfahren kann die Ermittlung des genauen Nulldurchgangs mit kleinem Rechenaufwand erfolgen. Der beschriebene Algorithmus ist einfach, und ermöglicht daher eine Prädiktion des Stromnulldurchgangs mit kleinem Rechenaufwand. Das Verfahren kann sowohl mit Istströmen als auch mit Sollströmen verwendet werden. Das Verfahren ist auch für stromsensorlose Antriebsmodule geeignet, bei denen beispielsweise einige oder alle Ströme algorithmisch bestimmt werden können, was den Vorteil eines geringeren Rauschens, aber wegen der fehlenden Messung den Nachteil einer direkten Rückmeldung der tatsächlichen Ist-Stromwerte aufweisen kann. In Verbindung mit der Wechselrichterspannungskorrektur können hörbare Emissionen im Bereich des Wechselrichters 110 oder der Drehfeldmaschine 110 verringert werden.
• Bezugszeichenliste

100

Antriebsmodul

105

Maschine

110

(Zwischenkreis-)Wechselrichter

115

Zwischenkreis

120

Zwischenkreis-Kondensator

205

Steuervorrichtung

210

Verfahren

d,q

rotorfestes Koordinatensystem

I Range

Strombereich

Is

Phasenstrom, gemessen

ls_max

maximaler Phasenstrom

Isd, Isq

Phasenstrom in d,q-Koordinaten

U, V, W

Phasen

T, t

Zeit

TSample

Länge einer Abtastperiode

t0

Totzeit

t1, t2

Abtast-Zeitpunkte

ωs

Kreisfrequenz des Stroms (elektrische Kreisfrequenz)

Claims (13)

1. Verfahren zur Ansteuerung einer mit einem Wechselrichter (110) per Phasen verbundenen elektrischen Maschine (105), wobei der Wechselrichter (110) für eine Phase (U, V, W) zwei Stromventile (S1-S2, S3-S4, S5-S6), welche in Reihe zwischen einem hohen Quellenpotential und einem niedrigen Quellenpotential verbunden sind, aufweist, wobei die jeweilige Phase (U, V, W) zwischen den zwei Stromventilen (S1-S2, S3-S4, S5-S6) angeschlossen ist, wobei ein Phasenstrom der Phase (U, V, W) der elektrischen Maschine (105) periodisch abgetastet wird; auf der Grundlage des abgetasteten Phasenstroms beurteilt wird, dass innerhalb einer gegenwärtigen Abtastperiode ein Nulldurchgang des Phasenstroms erfolgen wird; das gegenwärtig leitende Stromventil (S1 oder S2, S3 oder S4, S5 oder S6) so angesteuert wird, dass es sperrt, und nach einer vorgegebenen Sperrzeit das andere Stromventil (S2 oder S1, S4 oder S3, S6 oder S5) so angesteuert wird, dass es leitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Beurteilung, ob innerhalb einer gegenwärtigen Abtastperiode ein Nulldurchgang erfolgen wird, positiv getroffen wird, wenn ein Betrag des abgetasteten Phasenstroms kleiner ist als ein Schwellenwert, wobei der Schwellenwert durch eine Beziehung $${\text{I}}_{\text{Range}}={\text{I}}_{\text{s}\text{,max}}*{\mathrm{\omega }}_{\text{s}}{\text{*T}}_{\text{Sample}}$$

   

   ausgedrückt wird, wobei IRange der Schwellenwert ist, ls_max ein Maximalwert des Phasenstroms ist, ωs eine Kreisfrequenz des Stroms ist, und TSample die Länge der Abtastperiode ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei auf der Basis eines Unterschieds zwischen dem abgetasteten Phasenstrom und dem Schwellenwert bestimmt wird, wie nahe der Phasenstrom am Nulldurchgang liegt.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beurteilung, ob innerhalb einer gegenwärtigen Abtastperiode ein Nulldurchgang des Phasenstroms erfolgen wird, und die Durchführung darauf gestützter Maßnahmen wenigstens innerhalb der Sperrzeit ausgesetzt werden.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die vorgegebene Sperrzeit und/oder der Schwellenwert anhand einer Rauschgröße des abgetasteten Phasenstroms der jeweiligen Phase (U, V, W) angepasst werden.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren in einer Feldorientierten Steuerung (FOS) oder Feldorientierten Regelung (FOR) der elektrischen Maschine (105) angewendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Maximalbetrag des Phasenstroms nach der Beziehung $$I_{s,max}=\sqrt{I_{sd}{}^2+I_{sq}{}^2}$$

   

   bestimmt, wird wobei Isd und Isq Komponenten des Phasenstroms in rotorfesten Koordinaten sind.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Kompensation der Sperrzeit bei der Modellierung des gewünschten Spannungsvektors abhängig vom abgetasteten Phasenstrom vorgenommen wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine (105) eine Asynchronmaschine ist.
9. Computerprogrammprodukt, umfassend Programmcodemittel zur Durchführung Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungsvorrichtung ausgeführt wird oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
10. Antriebsmodul (100), aufweisend eine elektrische Maschine (105) mit mehreren Phasen (U, V, W) und einen damit verbundenen Wechselrichter (110) sowie eine Steuerungsvorrichtung, wobei der Wechselrichter (110) für eine Phase (U, V, W) zwei Stromventile (S1-S2, S3-S4, S5-S6), welche in Reihe zwischen einem hohen Quellenpotential und einem niedrigen Quellenpotential verbunden sind, aufweist, wobei die jeweilige Phase (U, V, W) zwischen den zwei Stromventilen (S1-S2, S3-S4, S5-S6) angeschlossen ist, wobei die Steuervorrichtung (205) eingerichtet ist, auf der Grundlage eines periodisch abgetasteten Phasenstroms der jeweiligen Phase (U, V, W) der elektrischen Maschine (105) zu beurteilen, dass innerhalb einer gegenwärtigen Abtastperiode ein Nulldurchgang des Phasenstroms erfolgen wird, das gegenwärtig leitende Stromventil (S1 oder S2, S3 oder S4, S5 oder S6) so anzusteuern, dass es sperrt, und nach einer vorgegebenen Sperrzeit das andere Stromventil (S2 oder S1, S4 oder S3, S6 oder S5) so anzusteuern, dass es leitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Beurteilung, ob innerhalb einer gegenwärtigen Abtastperiode ein Nulldurchgang erfolgen wird, positiv getroffen wird, wenn ein Betrag des abgetasteten Phasenstroms kleiner ist als ein Schwellenwert, wobei der Schwellenwert durch eine Beziehung $${\text{I}}_{\text{Range}}={\text{I}}_{\text{s}\text{,max}}*{\mathrm{\omega }}_{\text{s}}{\text{*T}}_{\text{Sample}}$$

    

    ausgedrückt wird, wobei IRange der Schwellenwert ist, ls_max ein Maximalwert des Phasenstroms ist, ωs eine Kreisfrequenz des Stroms ist, und TSample die Länge der Abtastperiode ist.
11. Steuervorrichtung (205) für eine mit einem Wechselrichter (110) verbundene elektrische Maschine (105) mit mehreren Phasen (U, V, W), umfassend einen Steuerungs-/Regelungsblock, der dazu eingerichtet ist, die elektrische Maschine (105) auf der Basis von Sollwerten feldorientiert zu steuern bzw. zu regeln, wobei der Wechselrichter (110) für eine Phase (U, V, W) zwei Stromventile (S1-S2, S3-S4, S5-S6), welche in Reihe zwischen einem hohen Quellenpotential und einem niedrigen Quellenpotential verbunden sind, aufweist, wobei die jeweilige Phase (U, V, W) zwischen den zwei Stromventilen (S1-S2, S3-S4, S5-S6) angeschlossen ist, wobei die Steuervorrichtung (205) Mittel aufweist, die eingerichtet sind, um auf der Grundlage eines periodisch abgetasteten Phasenstroms der jeweiligen Phase (U, V, W) der elektrischen Maschine (105) zu beurteilen, dass innerhalb einer gegenwärtigen Abtastperiode ein Nulldurchgang des Phasenstroms erfolgen wird, das gegenwärtig leitende Stromventil (S1 oder S2, S3 oder S4, S5 oder S6) so anzusteuern, dass es sperrt, und nach einer vorgegebenen Sperrzeit das andere Stromventil (S2 oder S1, S4 oder S3, S6 oder S5) so anzusteuern, dass es leitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Beurteilung, ob innerhalb einer gegenwärtigen Abtastperiode ein Nulldurchgang erfolgen wird, positiv getroffen wird, wenn ein Betrag des abgetasteten Phasenstroms kleiner ist als ein Schwellenwert, wobei der Schwellenwert durch eine Beziehung $${\text{I}}_{\text{Range}}={\text{I}}_{\text{s}\text{,max}}*{\mathrm{\omega }}_{\text{s}}{\text{*T}}_{\text{Sample}}$$

    

    ausgedrückt wird, wobei IRange der Schwellenwert ist, ls_max ein Maximalwert des Phasenstroms ist, ωs eine Kreisfrequenz des Stroms ist, und TSample die Abtastperiode ist.
12. Steuervorrichtung (205) nach Anspruch 11, wobei die Steuervorrichtung (205) Mittel zum Abtasten des Phasenstroms aufweist.
13. Steuervorrichtung (205) nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Steuervorrichtung (205) Mittel zur Umrechnung des Phasenstroms in rotorfeste Koordinaten aufweist.

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