DE102017205371A1

DE102017205371A1 - Verfahren zum sensorlosen Ermitteln einer Position eines Rotors einer elektrischen Maschine, Steuergerät und Steuermodul

Info

Publication number: DE102017205371A1
Application number: DE102017205371.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hodrius
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2017-03-29
Publication date: 2018-10-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum sensorlosen Ermitteln einer Position eines Rotors einer elektrischen Maschine (104), insbesondere eines Fahrzeugs (100). Dabei wird ein Pulsweitenmodulationssignal (110) zum Ansteuern eines mit der elektrischen Maschine (104) gekoppelten Umrichters (106) ausgegeben. Das Pulsweitenmodulationssignal (110) repräsentiert eine Pulsfolge aus zumindest zwei Messpulsen mit je einem Messpulsdach und einem Messpulsboden und zumindest einem Zwischenpuls mit einem Zwischenpulsdach und einem Zwischenpulsboden, wobei der Zwischenpuls zwischen den Messpulsen liegt und die Messpulsdächer je breiter als das Zwischenpulsdach sind. In einem weiteren Schritt wird eine in der elektrischen Maschine (104) induzierte Maschinenspannung (116) zu einem Zeitpunkt erfasst, zu dem das Pulsweitenmodulationssignal (110) ein Messpulsdach repräsentiert. Die Maschinenspannung (116) wird schließlich ausgewertet, um die Position des Rotors zu ermitteln.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum sensorlosen Ermitteln einer Position eines Rotors einer elektrischen Maschine, auf ein entsprechendes Steuergerät, auf ein entsprechendes Computerprogramm sowie auf ein Steuermodul zum Steuern einer elektrischen Maschine.
Bei der Ansteuerung elektrischer Maschinen kommt in der Regel ein Zwischenkreisumrichter zum Einsatz. Dieser wandelt eine Gleichspannung in eine zur Motoransteuerung benötigte Wechselspannung um. Der Zwischenkreisumrichter kann dabei durch eine Recheneinheit gesteuert bzw. geregelt werden, wobei die Recheneinheit die Phasenströme erfasst und damit entsprechende Ausgangsspannungen berechnet. Kommt eine sensorlose Regelung zum Einsatz, so kann auch eine Phasenspannung erfasst werden, die zur Erfassung der Nulldurchgänge der EMK-Spannung und somit der Motorposition dienen kann.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren zum sensorlosen Ermitteln einer Position eines Rotors einer elektrischen Maschine, ein verbessertes Steuergerät sowie ein verbessertes Steuermodul gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Es wird ein Verfahren zum sensorlosen Ermitteln einer Position eines Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Fahrzeugs vorgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

Ausgeben eines Pulsweitenmodulationssignals zum Ansteuern eines mit der elektrischen Maschine gekoppelten Umrichters, wobei das Pulsweitenmodulationssignal eine Pulsfolge aus zumindest zwei Messpulsen mit je einem Messpulsdach und einem Messpulsboden und zumindest einem Zwischenpuls mit einem Zwischenpulsdach und einem Zwischenpulsboden repräsentiert, wobei der Zwischenpuls zwischen den Messpulsen liegt und die Messpulsdächer je breiter als das Zwischenpulsdach sind;
Erfassen einer in der elektrischen Maschine induzierten Maschinenspannung zu einem Zeitpunkt, zu dem das Pulsweitenmodulationssignal ein Messpulsdach repräsentiert; und
Auswerten der Maschinenspannung, um die Position des Rotors zu ermitteln.

Unter einer elektrischen Maschine kann beispielsweise eine zwei- oder mehrphasige Asynchron- oder Synchronmaschine verstanden werden. Insbesondere kann es sich bei der elektrischen Maschine um eine dreiphasige, permanent erregte Drehstrom-Synchronmaschine handeln.
Unter einem Umrichter kann etwa ein indirekter, statischer Frequenzumrichter aus einem Gleichrichter, der einen Gleichspannungszwischenkreis speist, und einem aus dem Gleichspannungszwischenkreis gespeisten Wechselrichter verstanden werden. Der Gleichspannungszwischenkreis kann beispielsweise einen Kondensator zur Glättung der Gleichspannung und von Induktivitäten zur Entstörung umfassen. Der Wechselrichter kann beispielsweise leistungselektronische Transistoren in Form von Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET), Insulated-Gate-BipolarTransistoren (IGBT) oder Schaltthyristoren, auch Integrated-Gate-Commutated-Thyristoren (IGCT) genannt, als High- oder Low-Side-Schalter aufweisen. Insbesondere kann der Wechselrichter ausgebildet sein, um durch Pulsweitenmodulation in Höhe und Frequenz regelbare Ausgangsspannungen zum Betreiben der elektrischen Maschine zu erzeugen.
Unter einem Pulsweitenmodulationssignal, kurz PWM-Signal, kann beispielsweise ein zwischen zwei Werten wechselndes, rechteckförmiges Spannungssignal verstanden werden. Das Pulsweitenmodulationssignal kann beispielsweise zur Ansteuerung von High- oder Low-Side-Schaltern einer Brückenschaltung des Umrichters dienen.
Unter einem Messpulsdach und einem Messpulsboden kann je ein den Messpuls bildender Impuls verstanden werden. Das Messpulsdach und der Messpulsboden eines Messpulses können beispielsweise zwei unterschiedliche Spannungspegel repräsentieren, zwischen denen sich das Pulsweitenmodulationssignal bewegt. Die Spannungswerte können beispielsweise auch von Messpuls zu Messpuls variieren. Beispielsweise kann das Messpulsdach einen oberen, von null verschiedenen Spannungswert repräsentieren, während der Messpulsboden einen vom oberen Spannungswert abweichenden unteren Spannungswert, insbesondere beispielsweise den Wert null, repräsentieren kann. Es ist jedoch auch möglich, dass der Messpulsboden den oberen Spannungswert und das Messpulsdach den unteren Spannungswert repräsentiert.
Diese Definition kann in analoger Weise auch auf den Zwischenpuls zutreffen, mit dem Unterschied, dass das Zwischenpulsdach eine geringere Breite als je eines der Messpulsdächer aufweist. Der Zwischenpuls kann etwa eine minimale Ausgangsspannung des Umrichters repräsentieren, durch die die elektrische Maschine mit einer kleinstmöglichen Drehzahl betrieben werden kann. Ein Breitenverhältnis zwischen Messpuls- und Zwischenpulsdächern kann beispielsweise in Abhängigkeit von einer aktuellen Drehzahl der elektrischen Maschine einstellbar sein.
Ein Intervall, in dem das Pulsweitenmodulationssignal das Mess- oder Zwischenpulsdach repräsentiert, kann auch als T_on bezeichnet werden. Im Gegenzug kann ein Intervall, in dem das Pulsweitenmodulationssignal den Mess- oder Zwischenpulsboden repräsentiert, auch als T_off bezeichnet werden.
Je nach Ausführungsform kann das Pulsweitenmodulationssignal auch eine Pulsfolge aus mehr als zwei Messpulsen umfassen, wobei je zwei Messpulse der Pulsfolge auch durch mehr als einen Zwischenpuls, beispielsweise durch 3 bis 3000 Zwischenpulse, voneinander getrennt sein können.
Der hier beschriebene Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass die sensorlose Positionserfassung einer elektrischen Maschine zu einem T_on-Zeitpunkt eines pulsweitenmodulierten Signals zur Ansteuerung der elektrischen Maschine erfolgen kann. Dies hat den Vorteil, dass eine spezielle Modulation verwendet werden kann, durch die eine Brückenspannung eines mit der elektrischen Maschine gekoppelten Umrichters und somit eine Drehzahl der elektrischen Maschine weiter verringert werden kann. Da die Drehzahlen niedrig sind, kann eine Spannungserfassung zu jedem einzelnen PWM-Zyklus, d.h. zu jedem einzelnen Puls des pulsweitenmodulierten Signals, entfallen. Die zwischen den Erfassungen liegenden PWM-Zyklen können entsprechend verkürzt werden, was schließlich zu einer Verringerung der Ausgangsspannung der Brücke führt. Wird nur an jedem x-ten Sample gemessen, so kann die minimale Ausgangsspannung damit auf einen Wert „Min-Duty/x“ reduziert werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Erfassens die Maschinenspannung außerhalb eines durch den Zwischenpuls repräsentierten Zeitraums erfasst werden. Dadurch kann der Zwischenpuls im Vergleich zu den Messpulsen verkürzt werden, sodass eine vom Umrichter erzeugte Ausgangsspannung auf ein Minimum reduziert wird. Gemäß einer Ausführungsform wird die Maschinenspannung innerhalb eines durch den Zwischenpuls repräsentierten Zeitraums nicht erfasst oder zumindest nicht zum Ermitteln der Position des Rotors ausgewertet. Somit kann im Schritt des Auswertens zum Ermitteln der Position des Rotors ausschließlich eine außerhalb eines durch den Zwischenpuls repräsentierten Zeitraums erfasste Maschinenspannung ausgewertet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können im Schritt des Ausgebens die Messpulsdächer je um einen in Abhängigkeit von einer Drehzahl der elektrischen Maschine vorgegebenen Faktor breiter als das Zwischenpulsdach sein. Dadurch wird eine drehzahlabhängige Messung der Maschinenspannung ermöglicht.
Es ist vorteilhaft, wenn im Schritt des Ausgebens die Messpulsdächer je 2-bis 200-mal breiter als das Zwischenpulsdach sind. Dadurch kann das Verfahren mit hoher Effizienz durchgeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Ausgebens zumindest ein weiteres Pulsweitenmodulationssignal zum Ansteuern des Umrichters ausgegeben werden. Das weitere Pulsweitenmodulationssignal kann analog zum Pulsweitenmodulationssignal eine Pulsfolge aus zumindest zwei weiteren Messpulsen mit je einem weiteren Messpulsdach und einem weiteren Messpulsboden und zumindest einem weiteren Zwischenpuls mit einem weiteren Zwischenpulsdach und einem weiteren Zwischenpulsboden repräsentieren. Dabei kann der weitere Zwischenpuls zwischen den weiteren Messpulsen liegen und die weiteren Messpulsdächer je breiter als das weitere Zwischenpulsdach sein. Entsprechend kann im Schritt des Erfassens die Maschinenspannung zu einem Zeitpunkt erfasst werden, zu dem das weitere Pulsweitenmodulationssignal ein weiteres Messpulsdach repräsentiert. Dadurch wird eine mehrphasige Ansteuerung der elektrischen Maschine ermöglicht.
Das Pulsweitenmodulationssignal und das weitere Pulsweitenmodulationssignal können im Schritt des Ausgebens gemäß einer Ausführungsform zueinander phasenverschoben ausgegeben werden. Dadurch wird eine phasenverschobene Ansteuerung der elektrischen Maschine ermöglicht.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Hierzu kann das Steuergerät zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt durch das Steuergerät eine Steuerung des Fahrzeugs. Hierzu kann das Steuergerät beispielsweise auf Sensorsignale wie Beschleunigungs-, Druck-, Lenkwinkel- oder Umfeldsensorsignale zugreifen. Die Ansteuerung erfolgt über Aktoren wie Brems- oder Lenkaktoren oder ein Motorsteuergerät des Fahrzeugs.
Ferner schafft der hier vorgestellte Ansatz ein Steuermodul zum Steuern einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Fahrzeugs, wobei das Steuermodul folgende Merkmale aufweist:

einen mit der elektrischen Maschine gekoppelten Umrichter; und
ein Steuergerät gemäß einer vorstehenden Ausführungsform.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Bei dem Fahrzeug, bei dem die Erfindung insbesondere eingesetzt wird, handelt es sich bevorzugt um ein elektrisches Fahrzeug, also ein Fahrzeug, das zumindest zeitweise elektrisch von der elektrischen Maschine (mit-)antreibbar ist, wie ein Hybridfahrzeug oder ein reines Elektrofahrzeug. Insbesondere dient die elektrische Maschine dort also als Traktionsantrieb des Fahrzeugs, d.h. zum Vortrieb. Insbesondere handelt es sich bei dem Fahrzeug um ein elektrisches Kraftfahrzeug, wie beispielsweise ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen. Ebenso kann die elektrische Maschine zwar in einem Fahrzeug angeordnet sein, jedoch zu anderen Zwecken als zum Vortrieb dienen. Insbesondere kann die elektrische Maschine als Aktor zur Betätigung von Bauteilen des Fahrzeugs dienen. Insbesondere kann die elektrische Maschine so zur Betätigung einer Lenkung oder einer Bremse des Fahrzeugs dienen. Grundsätzlich ist die Erfindung allerdings auch für andere Zwecke einsetzbar, beispielsweise für eine elektrische Maschine, die in der Produktion, im Haushalt oder in der Logistik eingesetzt wird.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Steuermodul gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung eines Steuermoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Darstellung von Pulsweitenmodulationssignalen zur Ansteuerung eines Umrichters gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 eine schematische Darstellung eines Steuergeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 100 mit einem Steuermodul 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Fahrzeug 100 weist eine elektrische Maschine 104 in Form eines Elektromotors zum Antreiben des Fahrzeugs 100 oder zur Betätigung von Bauteilen des Fahrzeugs 100 (Lenkung, Bremse, etc.) auf, wobei die elektrische Maschine 104 mittels des Steuermoduls 102 steuerbar ist. Bei der elektrischen Maschine 104 handelt es sich beispielsweise um eine mehrphasige, insbesondere dreiphasige Synchronmaschine, etwa eine permanent erregte Synchronmaschine, kurz PSM. Alternativ kann die elektrische Maschine 104 auch als Asynchronmaschine realisiert sein. Das Steuermodul 102 umfasst einen mit der elektrischen Maschine 104 gekoppelten Umrichter 106 sowie ein Steuergerät 108 zum Ansteuern des Umrichters 106 mittels eines geeigneten Pulsweitenmodulationssignals 110. Der Umrichter 106 ist ausgebildet, um unter Verwendung des Pulsweitenmodulationssignals 110 eine zum Betreiben der elektrischen Maschine 104 geeignete Ausgangsspannung 112 zu erzeugen, deren Frequenz und Höhe beispielsweise in Abhängigkeit von einem Phasenstrom der elektrischen Maschine 104 regelbar sind.
Das Steuermodul 102 ist beispielsweise ausgebildet, um den Phasenstrom mittels des Umrichters 106 und des Steuergeräts 108 während des laufenden Betriebs der elektrischen Maschine 104 zu erfassen und zu verarbeiten. Hierbei empfängt das Steuergerät 108 von dem Umrichter 106 einen entsprechenden Stromwert 114.
Das Pulsweitenmodulationssignal 110 repräsentiert eine Pulsfolge aus zumindest zwei Messpulsen, die durch zumindest einen Zwischenpuls voneinander getrennt sind, wobei die Messpulse und der Zwischenpuls voneinander abweichende Tastgrade, auch Dutycycles genannt, aufweisen. Insbesondere repräsentiert der Zwischenpuls einen kürzeren Zyklus als je einer der Messpulse. Das Steuergerät 108 ist ausgebildet, um eine in der elektrischen Maschine 104 induzierte Maschinenspannung 116 immer dann zu erfassen, wenn das Pulsweitenmodulationssignal 110 einen Messpuls, genauer eine T_on-Phase eines Messpulses, repräsentiert, d.h., die Erfassung der Maschinenspannung 116 durch das Steuergerät 108 erfolgt nicht zu jedem einzelnen der die Pulsfolge konstituierenden Pulse, sondern nur zu jedem Messpuls, und somit, je nach Anzahl der dazwischenliegenden Zwischenpulse, beispielsweise zu jedem x-ten Sample der Pulsfolge. Die derart erfasste Maschinenspannung 116 wird von dem Steuergerät 108 ausgewertet, um eine Position eines Rotors der elektrischen Maschine 104 zu ermitteln. Dazu ist das Steuergerät 108 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um ein die Maschinenspannung 116 zu einem Messzeitpunkt repräsentierenden Spannungswert oder mehrere zu unterschiedlichen Messzeitpunkten erfasste Maschinenspannungen 116 repräsentierende Spannungswerte unter Verwendung einer geeigneten Auswertevorschrift auszuwerten, um die Position des Rotors zu ermitteln. Durch ein derartiges Zurückmessen der induzierten Maschinenspannung 116 kann etwa insbesondere bei Blockkommutierung eine sensorlose Regelung der elektrischen Maschine 104 realisiert werden.
Die Erfassung der Nulldurchgänge kann beispielsweise zu einem Zeitpunkt „PWM On“, zu dem das Pulsweitenmodulationssignal 110 einen Wert „an“ repräsentiert, auch T_on-Erkennung genannt, oder zu einem Zeitpunkt „PWM Off“, zu dem das Pulsweitenmodulationssignal 110 einen Wert „aus“ repräsentiert, auch T_off-Erkennung genannt, erfolgen. Bei der T_off-Erkennung werden die möglichen Dutycycle-Ausgänge an der Brücke des Umrichters 106 nach oben begrenzt, während bei der T_on-Erkennung die möglichen Dutycycle-Ausgänge nach unten begrenzt werden. Um eine maximale Ausgangsleistung oder Spannung an der Brücke zu ermöglichen, ist das Steuergerät 108 insbesondere ausgebildet, um eine T_on-Erfassung zur Ermittlung der Rotorposition durchzuführen, da hier 100 Prozent möglich sind. Dies führt zur Begrenzung der minimalen Dutycycles nach unten und somit zur Begrenzung der minimal möglichen Drehzahl oder Spannung an der elektrischen Maschine 104.
Um eine weitere Verringerung der Brückenspannung bzw. Motordrehzahl zu ermöglichen, verwendet das Steuergerät 108 beispielsweise eine spezielle Modulation der PWM-Ausgabe. Da die Drehzahlen niedrig sind, ist es nicht erforderlich, die Spannung zu jedem PWM-Zyklus zu erfassen. Die zwischen den Erfassungen liegenden PWM-Zyklen werden entsprechend verkürzt, was zu einer Verringerung der Ausgangsspannung der Brücke führt. Misst das Steuergerät 108 nur an jedem x-ten Sample, so kann die minimale Ausgangsspannung damit auf einen Wert „Min-Duty/x“ reduziert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät 108 ausgebildet, um die Maschinenspannung 116 außerhalb eines durch den Zwischenpuls repräsentierten Zeitraums, d.h. ausschließlich zu den durch die Messpulse repräsentierten Zeitpunkten, zu erfassen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät 108 ausgebildet, um ausschließlich erfasst Werte der Maschinenspannung 116 zum Ermitteln der Position des Rotors der elektrischen Maschine 104 zu verwenden, die außerhalb des durch den Zwischenpuls repräsentierten Zeitraums erfasst wurden.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Steuermoduls 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel, beispielsweise eines vorangehend anhand von 1 beschriebenen Steuermoduls. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Umrichter 106 mit einer Wechselrichtereinheit 200 zum Erzeugen einer dreiphasigen Wechselspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine 104 realisiert. Die Wechselrichtereinheit 200 umfasst hierzu eine erste Halbbrücke 201 mit einem ersten High-Side-Schalter 202 und einem ersten Low-Side-Schalter 204, eine zweite Halb-brücke 206 mit einem zweiten High-Side-Schalter 208 und einem zweiten Low-Side-Schalter 210 sowie eine dritte Halbbrücke 212 mit einem dritten High-Side-Schalter 214 und einem dritten Low-Side-Schalter 216. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel erzeugt die Wechselrichtereinheit 200 die entsprechenden Ausgangsspannungen unter Verwendung einer von einem Gleichspannungszwischenkreis 218 bereitgestellten Gleichspannung. Der Gleichspannungszwischenkreis 218 weist beispielhaft einen Zwischenkreiskondensator 220 zum Glätten von Spannungsspitzen auf.
Die drei High-Side-Schalter 202, 208, 214 sind je mit einem ersten Potenzialanschluss 222 des Umrichters 106, beispielsweise einem Versorgungsanschluss zum Anlegen einer Versorgungsspannung, gekoppelt, während die drei Low-Side-Schalter 204, 210, 216 je mit einem zweiten Potenzialanschluss 224 des Umrichters 106 gekoppelt sind, etwa einem Masseanschluss. In 2 sind alle drei High-Side-Schalter 202, 208, 214 im geöffneten Zustand gezeigt, sodass keine Spannung am Ausgang des Umrichters 106 erzeugt wird.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der zweite Potenzialanschluss 224 über eine Strommesseinheit 226 zum Messen des Phasenstroms mit den drei Low-Side-Schaltern 204, 210, 216 gekoppelt. Die Strommesseinheit 226 ist in 2 beispielhaft als ein in Summenstromanordnung mit den drei Low-Side-Schaltern verbundener Low-Side-Shunt realisiert. Alternativ kann die Strommesseinheit 226 auch mehrere Shunts zum separaten Messen des Phasenstroms je Low-Side-Schalter umfassen.
Die elektrische Maschine 104 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel über insgesamt drei je einer Phase zugeordnete Anschlüsse mit dem Umrichter 106 gekoppelt: über einen zwischen dem ersten High-Side-Schalter 202 und dem ersten Low-Side-Schalter 204 angeordneten ersten Maschinenanschluss 228, einen zwischen dem zweiten High-Side-Schalter 208 und dem zweiten Low-Side-Schalter 210 angeordneten zweiten Maschinenanschluss 230 und einen zwischen dem dritten High-Side-Schalter 214 und dem dritten Low-Side-Schalter 216 angeordneten dritten Maschinenanschluss 232.
Beispielhaft weist das Steuermodul 102 zusätzlich eine erste Spannungsmesseinheit 234 zum Messen der Maschinenspannung 116 zwischen dem ersten Maschinenanschluss 228 und dem zweiten Potenzialanschluss 224, eine zweite Spannungsmesseinheit 236 zum Messen der Maschinenspannung 116 zwischen dem zweiten Maschinenanschluss 230 und dem zweiten Potenzialanschluss 224 sowie eine dritte Spannungsmesseinheit 238 zum Messen der Maschinenspannung 116 zwischen dem dritten Maschinenanschluss 232 und dem zweiten Potenzialanschluss 224 auf. Die Anzahl der Spannungsmesseinheiten kann je nach Anzahl der erforderlichen Phasen variieren. Die drei von den Spannungsmesseinheiten 234, 236, 238 ermittelten Phasenspannungen sowie der von der Strommesseinheit 226 gemessene Stromwert 114 gehen beispielsweise in einen Analog-digital-Wandler 240 des Steuergeräts 108 ein, bevor sie weiterverarbeitet werden. Zur hier sechsfachen Brückensteuerung weist das Steuergerät 108 beispielsweise eine PWM-Einheit 242 zum Ausgeben des Pulsweitenmodulationssignals 110 sowie zum Empfangen von Signalen von der Wechselrichtereinheit 200 auf.
Je nach Ausführungsform der elektrischen Maschine 104 kann die Wechselrichtereinheit 200 auch weniger oder mehr als drei Halbbrücken mit entsprechenden Schalterpaarungen zum Erzeugen der benötigten Ausgangsspannung(en) aufweisen.
3 zeigt eine schematische Darstellung von Pulsweitenmodulationssignalen 110, 300, 302 zur Ansteuerung eines Umrichters gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa eines vorangehend anhand der 1 und 2 beschriebenen Umrichters. Lediglich beispielhaft handelt es sich bei den in 3 gezeigten Pulsweitenmodulationssignalen um geradlinig verlaufende Pulsfolgen aus rechteckförmigen Spannungspulsen. Alternativ können die drei Pulsweitenmodulationssignale aber auch einen beliebig anderen Verlauf aus rechteckförmigen Pulsen aufweisen, etwa einen sinusförmigen Verlauf.
Nachfolgend werden die charakteristischen Merkmale der drei Pulsmodulationssignale 110, 300, 302 am Beispiel des Pulsweitenmodulationssignals 110 beschrieben. Die Beschreibung des Pulsweitenmodulationssignals 110 kann jedoch gleichermaßen auf die zwei weiteren Pulsweitenmodulationssignale 300, 302 zutreffen.
Das Pulsweitenmodulationssignal 110 besteht, wie bereits beschrieben, aus einer Pulsfolge aus zumindest zwei Messpulsen 304, die je durch ein Messpulsdach 306 und einen Messpulsboden 308 gebildet sind, sowie zumindest einem zwischen den beiden Messpulsen 304 liegenden Zwischenpuls 310, der durch ein Zwischenpulsdach 312 und einen Zwischenpulsboden 314 gebildet ist. Beispielhaft sind die zwei Messpulse 304, von denen in 3 nur einer dargestellt ist, hier durch zwei dazwischenliegende Zwischenpulse 310 voneinander getrennt. Die Messpulsdächer 306 sind je deutlich breiter als das Zwischenpulsdach 312. Je nach Ausführungsbeispiel ist die Breite eines Messpulsdaches 306 um einen Faktor 2 bis 200 größer als die Breite des Zwischenpulsdaches 312. Dieser Faktor kann beispielsweise in Abhängigkeit von einer aktuellen Drehzahl der elektrischen Maschine variieren. Die Erfassung der induzierten Maschinenspannung erfolgt dabei zu Messzeitpunkten, zu denen das Pulsweitenmodulationssignal 110 je das Messpulsdach 306 repräsentiert. Außerhalb dieser Messzeitpunkte erfolgt keine Messung der Maschinenspannung.
Analog zum Pulsweitenmodulationssignal 110 bestehen die beiden weiteren Pulsweitenmodulationssignale 300, 302 je aus zumindest zwei weiteren Messpulsen 316 mit je einem weiteren Messpulsdach 318 und einem weiteren Messpulsboden 320 und zumindest einem weiteren Zwischenpuls 322 mit einem weiteren Zwischenpulsdach 324 und einem weiteren Zwischenpulsboden 326, hier beispielhaft ebenfalls aus zwei weiteren Zwischenpulsen 322. Ein jeweiliger Tastgrad der weiteren Messpulse 316 bzw. der weiteren Zwischenpulse 322 entspricht beispielsweise im Wesentlichen einem jeweiligen Tastgrad der Messpulse 304 bzw. der Zwischenpulse 310 des Pulsweitenmodulationssignals 110. Alternativ können die jeweiligen Tastgrade der Mess- bzw. Zwischenpulse auch von Pulsweitenmodulationssignal zu Pulsweitenmodulationssignal variieren. Die weiteren Zwischenpulse 322 liegen zwischen den weiteren Messpulsen 316. Wie beim Pulsweitenmodulationssignal 110 sind auch die weiteren Messpulsdächer 318 je deutlich breiter als je eines der weiteren Zwischenpulsdächer 324. Die Erfassung der Maschinenspannung erfolgt hierbei zu weiteren Messzeitpunkten, zu denen die weiteren Pulsweitenmodulationssignale 300, 302 je das weitere Messpulsdach 318 repräsentieren.
Wie aus 3 ersichtlich, werden die drei Pulsweitenmodulationssignale 110, 300, 302 durch das Steuergerät beispielsweise derart ausgegeben, dass die jeweiligen Messpulse und Zwischenpulse der einzelnen Pulsweitenmodulationssignale zueinander phasenverschoben sind. Dabei ist jedes der drei Pulsweitenmodulationssignale je einer Phase der elektrischen Maschine zugeordnet, bei der es sich hier um eine dreiphasige elektrische Maschine handelt.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Steuergeräts 108 gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa eines vorangehend anhand der 1 bis 3 beschriebenen Steuergeräts. Das Steuergerät 108 umfasst eine Ausgabeeinheit 410 zum Ausgeben des Pulsweitenmodulationssignals 110. Eine Erfassungseinheit 420 ist ausgebildet, um das Pulsweitenmodulationssignal 110 von der Ausgabeeinheit 410 einzulesen und die Maschinenspannung 114 jeweils dann zu erfassen, wenn das Pulsweitenmodulationssignal 110 ein Messpulsdach repräsentiert. Eine an die Erfassungseinheit 420 angeschlossene Auswerteeinheit 430 ist ausgebildet, um die Position des Rotors der elektrischen Maschine unter Verwendung der Maschinenspannung 114 zu ermitteln und eine die Rotorposition repräsentierende Positionsinformation 432 zu erzeugen.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei dem Verfahren 500 handelt es sich um ein PWM-Verfahren zur Verringerung einer Brückenausgangsspannung unter Verwendung einer sensorlosen Positionserfassung zum PWM-T_on-Zeitpunkt. Das Verfahren 500 kann beispielsweise unter Verwendung eines Steuergeräts, wie es vorangehend anhand der 1 bis 4 beschrieben ist, durchgeführt werden. Dabei wird in einem Schritt 510 das Pulsweitenmodulationssignal ausgegeben, in einem Schritt 520 die Maschinenspannung erfasst, wenn das Pulsweitenmodulationssignal ein Messpulsdach repräsentiert, und in einem Schritt 530 die Maschinenspannung ausgewertet, um die Position des Roboters der elektrischen Maschine zu ermitteln.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
Bezugszeichenliste

100: Fahrzeug
102: Steuermodul
104: elektrische Maschine
106: Umrichter
108: Steuergerät
110: Pulsweitenmodulationssignal
112: Ausgangsspannung
114: Stromwert
116: Maschinenspannung
200: Wechselrichtereinheit
201: erste Halbbrücke
202: erster High-Side-Schalter
204: erster Low-Side-Schalter
206: zweite Halbbrücke
208: zweiter High-Side-Schalter
210: zweiter Low-Side-Schalter
212: dritte Halbbrücke
214: dritter High-Side-Schalter
216: dritter Low-Side-Schalter
218: Gleichspannungszwischenkreis
220: Zwischenkreiskondensator
222: erster Potenzialanschluss
224: zweiter Potenzialanschluss
226: Strommesseinheit
228: erster Maschinenanschluss
230: zweiter Maschinenanschluss
232: dritter Maschinenanschluss
234: erste Spannungsmesseinheit
236: zweite Spannungsmesseinheit
238: dritte Spannungsmesseinheit
240: Analog-digital-Wandler
242: PWM-Einheit
300: erstes weiteres Pulsweitenmodulationssignal
302: zweites weiteres Pulsweitenmodulationssignal
304: Messpuls
306: Messpulsdach
308: Messpulsboden
310: Zwischenpuls
312: Zwischenpulsdach
314: Zwischenpulsboden
316: weiterer Messpuls
318: weiteres Messpulsdach
320: weiterer Messpulsboden
322: weiterer Zwischenpuls
324: weiteres Zwischenpulsdach
326: weiterer Zwischenpulsboden
410: Ausgabeeinheit
420: Erfassungseinheit
430: Auswerteeinheit
432: Positionsinformation
500: Verfahren zum sensorlosen Ermitteln einer Position eines Rotors einer elektrischen Maschine zum Antreiben eines Fahrzeugs
510: Schritt des Ausgebens
520: Schritt des Erfassens
530: Schritt des Auswertens

Claims

Verfahren (500) zum sensorlosen Ermitteln einer Position eines Rotors einer elektrischen Maschine (104), insbesondere eines Fahrzeugs (100), wobei das Verfahren (500) folgende Schritte umfasst: Ausgeben (510) eines Pulsweitenmodulationssignals (110) zum Ansteuern eines mit der elektrischen Maschine (104) gekoppelten Umrichters (106), wobei das Pulsweitenmodulationssignal (110) eine Pulsfolge aus zumindest zwei Messpulsen (304) mit je einem Messpulsdach (306) und einem Messpulsboden (308) und zumindest einem Zwischenpuls (310) mit einem Zwischenpulsdach (312) und einem Zwischenpulsboden (314) repräsentiert, wobei der Zwischenpuls (310) zwischen den Messpulsen (304) liegt und die Messpulsdächer (306) je breiter als das Zwischenpulsdach (312) sind; Erfassen (520) einer in der elektrischen Maschine (104) induzierten Maschinenspannung (116) zu einem Zeitpunkt, zu dem das Pulsweitenmodulationssignal (110) ein Messpulsdach (306) repräsentiert; und Auswerten (530) der Maschinenspannung (116), um die Position des Rotors zu ermitteln.
Verfahren (500) gemäß Anspruch 1, bei dem im Schritt des Erfassens (520) die Maschinenspannung (116) außerhalb eines durch den Zwischenpuls (310) repräsentierten Zeitraums erfasst wird und im Schritt des Auswertens (530) zum Ermitteln der Position des Rotors ausschließlich eine außerhalb eines durch den Zwischenpuls (310) repräsentierten Zeitraums erfasste Maschinenspannung (116) ausgewertet wird.
Verfahren (500) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Ausgebens (510) die Messpulsdächer (306) je um einen in Abhängigkeit von einer Drehzahl der elektrischen Maschine (104) vorgegebenen Faktor breiter als das Zwischenpulsdach (312) sind.
Verfahren (500) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Ausgebens (510) die Messpulsdächer (306) je 2- bis 200-mal breiter als das Zwischenpulsdach (312) sind.
Verfahren (500) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Ausgebens (510) zumindest ein weiteres Pulsweitenmodulationssignal (300, 302) zum Ansteuern des Umrichters (106) ausgegeben wird, wobei das weitere Pulsweitenmodulationssignal (300, 302) eine Pulsfolge aus zumindest zwei weiteren Messpulsen (316) mit je einem weiteren Messpulsdach (318) und einem weiteren Messpulsboden (320) und zumindest einem weiteren Zwischenpuls (322) mit einem weiteren Zwischenpulsdach (324) und einem weiteren Zwischenpulsboden (326) repräsentiert, wobei der weitere Zwischenpuls (310) zwischen den weiteren Messpulsen (316) liegt und die weiteren Messpulsdächer (318) je breiter als das weitere Zwischenpulsdach (324) sind, wobei im Schritt des Erfassens (520) die Maschinenspannung (116) zu einem Zeitpunkt, zu dem das weitere Pulsweitenmodulationssignal (300, 302) ein weiteres Messpulsdach (318) repräsentiert, erfasst wird.
Verfahren (500) gemäß Anspruch 5, bei dem im Schritt des Ausgebens (510) das Pulsweitenmodulationssignal (110) und das weitere Pulsweitenmodulationssignal (300, 302) zueinander phasenverschoben ausgegeben werden.
Steuergerät (108) mit Einheiten (410, 420, 430), die ausgebildet sind, um das Verfahren (500) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen und/oder anzusteuern.
Steuermodul (102) zum Steuern einer elektrischen Maschine (104), insbesondere eines Fahrzeugs (100), wobei das Steuermodul (102) folgende Merkmale aufweist: einen mit der elektrischen Maschine (104) gekoppelten Umrichter (106); und ein Steuergerät (108) gemäß Anspruch 7.
Computerprogramm, das ausgebildet ist, um das Verfahren (500) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen und/oder anzusteuern.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 9 gespeichert ist.