DE102017207744A1

DE102017207744A1 - Verfahren und vorrichtung zum steuern einer elektrischen maschine

Info

Publication number: DE102017207744A1
Application number: DE102017207744.1A
Authority: DE
Inventors: Jianglin Wang; Bon Ho Bae; Chia-Chou Yeh
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-05-18
Filing date: 2017-05-08
Publication date: 2017-11-23
Also published as: CN107404277A; US9800183B1; CN107404277B

Abstract

Ein Umrichter, der elektrisch mit einem Elektromotor wirkverbunden ist und in Verbindung mit einer Steuerung steht, wird beschrieben. Der Umrichter ist elektrisch mit einem Hochspannungs-Gleichstrombus verbunden. Ein Verfahren zum Steuern der Mehrphasen-Umrichterschaltung beinhaltet die Überwachung einer Drehzahl des Elektromotors während des Betriebs des Umrichters in einem Übermodulationsmodus durch die Steuerung. Der Umrichter wird angewiesen, in einem linearen Modulationsmodus zu arbeiten, wenn die Drehzahl innerhalb eines Drehzahlbereichs liegt, der von lästigen hörbaren Geräuschen begleitet wird, die durch den Betrieb des Elektromotors im Übermodulationsmodus erzeugt werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft generell die Steuerung von Wechselstrom-(AC-)Motor/Generatoren und insbesondere Vorrichtungen, Systeme und Verfahren zur Steuerung von AC-Motor/Generatoren.
HINTERGRUND
Die Steuerung von AC-Motor/Generatoren, wie dreiphasigen Permanentmagnet-Synchronmotoren (Elektromotoren), erfolgt unter Verwendung eines dreiphasigen pulsweitenmodulierten (PWM) Umrichters. Ein PWM-Umrichter kann in mehreren unterschiedlichen Betriebsmodi gesteuert werden, einschließlich beispielsweise einem linearen Modulationsmodus und einem Übermodulationsmodus. Ein Beispiel für einen Betriebsmodus in linearer Modulation ist ein Raumzeigermodulations(SVPWM)-Modus mit linearer Modulation, beispielsweise bis zu 90 % eines Sechs-Schritt-Betriebs, und ein Beispiel für einen Übermodulationsmodus ist ein voller Sechs-Schritt-Modus.
Die Größe der Ausgabespannung aus einem Umrichter bei seiner synchronen Grundfrequenz erreicht ihr Maximum nur dann, wenn der Umrichter im Übermodulationsmodus arbeitet. Aufgrund dieses Kennzeichens der Spannungsgröße kann der Betrieb im Übermodulationsmodus die Drehmomentleistungsfähigkeit eines Elektromotors in einem Feldschwächenbereich gegenüber einem Betrieb in einem linearen Modulationsmodus erhöhen. Dies liegt daran, dass die Spannungsgröße ein Hauptbegrenzungsfaktor der Drehmomentleistungsfähigkeit des Elektromotors ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Umrichter, der elektrisch mit einem Elektromotor wirkverbunden ist und in Verbindung mit einer Steuerung steht, wird beschrieben. Der Umrichter ist elektrisch mit einem Hochspannungs-Gleichstrombus verbunden. Ein Verfahren zum Steuern der Mehrphasen-Umrichterschaltung beinhaltet die Überwachung einer Drehzahl des Elektromotors während des Betriebs des Umrichters in einem Übermodulationsmodus durch die Steuerung. Der Umrichter wird angewiesen, in einem linearen Modulationsmodus zu arbeiten, wenn die Drehzahl innerhalb eines Drehzahlbereichs liegt, der von lästigen hörbaren Geräuschen begleitet wird, die durch den Betrieb des Elektromotors im Übermodulationsmodus erzeugt werden.
Die genannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren, gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von einigen der besten Ausführungsformen und anderen Arten zur Ausführung der vorliegenden Lehren unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden werden exemplarisch eine oder mehrere Ausführungsformen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 veranschaulicht schematisch eine mehrphasige PWM-Umrichterschaltung, die elektrisch mit einem mehrphasigen AC-Elektromotor/Generator wirkverbunden ist und gemäß der Offenbarung einen Umrichterregler beinhaltet;
2 zeigt schematisch eine Steuerarchitektur zur Steuerung einer Ausführungsform der mehrphasigen PWM-Umrichterschaltung, die mit Bezug auf 1 beschrieben wird, gemäß der Offenbarung;
3 zeigt grafisch eine Modulationsindex-Kalibrierungstabelle, die gemäß der Offenbarung angewendet werden kann, um einen Wert für einen anfänglichen Modulationsindex in Relation zur Drehzahl einer Ausführungsform des mit Bezug auf 1 beschriebenen mehrphasigen AC-Elektromotor/Generators zu bestimmen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die Komponenten der offenbarten Ausführungsformen, wie sie allgemein in den Figuren hierin beschrieben und veranschaulicht sind, könnten in einer großen Vielfalt von verschiedenen Konfigurationen angeordnet und konstruiert sein. Daher ist die folgende ausführliche Beschreibung der Offenbarung nicht dazu gedacht, den Umfang der Offenbarung einzuschränken, sondern sie stellt nur mögliche Ausführungsformen der Offenbarung bereit. Obwohl zahlreiche spezielle Einzelheiten in der folgenden Beschreibung offengelegt werden, um ein gründliches Verständnis der hierin offenbarten Ausführungsformen bereitzustellen, können zudem einige Ausführungsformen ohne einige oder alle diese Details in die Praxis umgesetzt werden. Darüber hinaus wurde der Klarheit halber bestimmtes technisches Material, das im Stand der Technik bekannt ist, nicht im Detail beschrieben, um ein unnötiges Verschleiern der Offenbarung zu vermeiden.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Zeichnungen, worin die Abbildungen nur zu Zwecken der Veranschaulichung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht zu Zwecken der Einschränkung derselben erfolgt, veranschaulicht 1 schematisch einen mehrphasigen PWM-Umrichter 100, der elektrisch mit einem mehrphasigen AC-Elektromotor/Generator (Elektromotor) 140 wirkverbunden ist und in Verbindung mit einer Spannungszwischenkreisumrichter(VSI)-Steuerung 105 steht, gemäß der Offenbarung. Die Elektromotor 140 und der zugehörige Umrichter 100 können nutzbringend eingesetzt werden, um Vortriebsleistung für ein Fahrzeug bereitzustellen. Das Fahrzeug kann ein Elektrofahrzeug, ein kraftstoffelektrisches Hybridfahrzeug oder eine andere Fahrzeugkonfiguration sein, die in einem fahrzeugseitigen Energiespeichersystem gespeicherte Elektroenergie für den Fahrzeugvortrieb einsetzt. Das Fahrzeug kann, mittels nicht beschränkender Beispiele, einen Personenkraftwagen, ein leichtes oder schweres Nutzfahrzeug, ein Mehrzweckfahrzeug, ein landwirtschaftliches Fahrzeug, ein Industriefahrzeug/Lagerhaus-Fahrzeug oder eine Freizeit-Geländefahrzeug beinhalten. Das Fahrzeug kann einen Fahrgastraum beinhalten, der eine Sitzanordnung für einen oder mehrere Fahrgäste beinhaltet.
Die Elektromotor 140 ist vorzugsweise eine Permanentmagnetsynchronvorrichtung, die einen Stator und einen Rotor beinhaltet, welche in einer Sternkonfiguration angeordnet sind, obwohl die hierin beschriebenen Konzepte sind nicht darauf eingeschränkt sind. Alternativ kann der Elektromotor 140 als Asynchronmaschine, geschaltete Reluktanzmaschine oder ein anderer geeigneter Elektromotor konfiguriert sein. Der Elektromotor 140 beinhaltet Wicklungen, die am Stator zur Erzeugung eines rotierenden Magnetfeldes angeordnet sind, welches auf den Rotor einwirkt, um Drehmoment zu induzieren. Das rotierende Magnetfeld wird durch den Umrichter 100 erzeugt. Die Drehposition und Drehzahl des Rotors des Elektromotors 140 wird durch einen Drehpositionssensor 141 überwacht, der jede geeignete Vorrichtung sein kann, wie beispielsweise ein Drehmelder oder ein Halleffektsensor.
Der Umrichter 100 ist elektrisch über einen positiven Hochspannungs-Gleichstrombus (HS+) 102 und einem negativen Hochspannungs-Gleichstrombus (HV–) 104 an eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung angeschlossen. Die Hochspannungs-Gleichstromversorgung kann ein elektrisches Hochspannungsenergiespeichergerät, wie z. B. einen Hochspannungsakku oder einen -kondensator, einen Hochspannungs-Stromgenerator oder ein ähnliches Gerät oder System, umfassen. Umrichter 100 beinhaltet eine Vielzahl von Schalterpaaren 112 und 114, 122 und 124 und 132 und 134, die elektrisch zwischen HS+ 102 und HV– 104 in Reihe geschaltet sind. Jedes der Schaltungspaare entspricht einer Phase des Elektromotors 140, wobei jeder von den ersten Schaltern mit dem entsprechenden zweiten Schalter an einem Knoten in Reihe geschaltet ist. Namentlich ist Schalterpaar 112 und 114 am Knoten 116 in Reihe geschaltet und bildet einen ersten Zweig des Umrichters 100, Schalterpaar 122 und 124 ist am Knoten 126 in Reihe geschaltet und bildet einen zweiten Zweig des Umrichters 100 und Schalterpaar 132 und 134 ist am Knoten 136 in Reihe geschaltet, um einen dritten Zweig des Umrichters 100 zu bilden. Die Knoten 116, 126 und 136 sind elektrisch mit den nominalen ersten, zweiten und dritten Phasen des Elektromotors 140 verbunden, um elektrischen Strom dorthin zu übertragen. Eine erste Gate-Treiberschaltung 106 steuert die Ein- und Abschaltung der ersten, hochseitigen Schalter 112, 122 und 132 und eine zweite Gate-Treiberschaltung 108 steuert die Ein- und Abschaltung der zweiten, niederseitigen Schalter 114, 124 und 134. Die ersten und zweiten Gate-Treiberschaltungen 106, 108 beinhalten jede geeignete elektronische Vorrichtung, die zur Aktivierung und Deaktivierung der Schalter 112 und 114, 122 und 124 sowie 132 und 134 in der Lage ist, um Energieübertragung zwischen entweder HV+ 102 oder HV– 104 und einer Phase von Elektromotor 140 in Reaktion auf Steuersignale aus der Steuerungen 105 zu bewirken. Die Steuerung 105 erzeugt Steuersignale, die über Signalleitungen 15 an die ersten und zweiten Gate-Treiberschaltungen 106, 108 übermittelt werden, um die Schalter 112 und 114, 122 und 124 sowie 132 und 134 in Reaktion auf einen Umrichterschalter-Steuermodus zu aktivieren und zu deaktivieren, welcher einen Linearmodulations-PWM-Modus, wie z. B. bis zu 90 % eines Sechs-Schritt-Betriebs, und einen Übermodulationsmodus, wie z. B. einen vollen Sechs-Schritt-Modus oder einem anderen geeigneten Steuermodus, beinhalten kann. Der Umrichter 100 beinhaltet andere elektrische Komponenten einschließlich Kondensatoren, z. B. den Gleichstrombuskondensator 142, Widerstände, wie den Buswiderstand 144 und andere elektrische Schaltkreiskomponenten, um Funktionen auszuführen, die mit elektrischer Rauschunterdrückung, Lastausgleich und dergleichen verbunden sind.
Jeder der ersten Schalter 112, 122 und 132 und zweiten Schalter 114, 124 und 134 kann so gesteuert werden, dass er entweder EIN oder AUS ist. Jeder der durch die Schalterpaare 112 und 114, 122 und 124 sowie 132 und 134 gebildeten Zweige kann so gesteuert werden, dass er sich in einem Steuerzustand 1 oder 0 befindet. Ein Steuerzustand 1 für einen der Zweige entspricht der Aktivierung eines der ersten Schalter 112, 122 und 132, wobei der entsprechende zweite Schalter 114, 124 bzw. 134 deaktiviert ist. Ein Steuerzustand 0 für einen der Zweige entspricht der Aktivierung eines der zweiten Schalter 114, 124 und 134, wobei der entsprechende erste Schalter 112, 122 bzw. 132 deaktiviert ist.
Jeder der ersten Schalter 112, 122 und 132 ist vorzugsweise als Normalerweise-AUS-Schalter konfiguriert, das heißt, der Schalter leitet elektrischen Strom nur dann, wenn durch den ersten Gate-Treiber 106 aktiviert wird. In einer Ausführungsform sind die ersten Schalter 112, 122 und 132 Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT-Transistoren), die jeweils eine parallel angeordnete Diode aufweisen. Der erste Gate-Treiber 106 aktiviert jeden der ersten Schalter 112, 122 und 132, um einen Stromfluss über diese in Reaktion auf den gewählten Inverterschalter-Steuermodus zu bewirken. Jeder der zweiten Schalter 114, 124 und 134 ist vorzugsweise als Normalerweise-AUS-Schalter konfiguriert, das heißt, der Schalter leitet elektrischen Strom nur dann, wenn durch den zweiten Gate-Treiber 108 aktiviert wird. Die zweiten Schalter 114, 124 und 134 können jede Art von Normalerweise-AUS-Halbleiterschalter sein, einschließlich z. B. IGBT-Schaltern, die jeweils eine parallel angeordnete Diode aufweisen. Unter Betrieb ohne Schaltungsfehler erzeugen die erste und zweite Gate-Treiberschaltung 106, 108 Aktivierungssignale, um die ersten Schalter 112, 122 und 132 sowie die zweiten Schalter 114, 124 und 134 zu aktivieren und zu deaktivieren und den Elektromotor 140 zur Erzeugung von Drehmoment zu betreiben. Alternativ können die ersten Schalter 112, 122 und 132 und die zweiten Schalter 114, 124 und 134 jeder geeignete Halbleiterschalter sein. Der Umrichter 100 ist elektrisch mit dem Elektromotor 140 wirkverbunden, und die Aktion der selektiven Aktivierung und Deaktivierung der Schalter 112 und 114, 122 und 124 sowie 132 und 134 induziert ein elektrisches Feld in ein Element eines Stators des Elektromotors 140 zur Erzeugung einer Magnetkraft, die auf ein Element des Rotors einwirkt, um den Rotor zu einer Bewegung hin zum oder weg vom Stator zu drängen und Drehmoment in ein Wellenglied zu induzieren, das mechanisch mit dem Rotor verbunden ist. Insofern bewirken aus der Steuerung 105 stammende Steuersignale eine Leistungsübertragung zwischen entweder dem HS+ 102 oder dem HV– 104 und einer Phase des mehrphasigen Elektromotors 140.
Die Steuerung 105 überwacht Signaleingaben von Sensoren, beispielsweise, dem Drehpositionssensor 141 und steuert selektiv den Betrieb des Umrichters 100 entweder in einem linearen Modulationsmodus oder einem Übermodulationsmodus in Reaktion auf einen Drehmoment- oder Drehzahlbefehl, der von einer anderen Steuerung übermittelt sein kann. Die Steuerung 105 steuert die Drehmomentausgabe aus dem Elektromotor 140 über den Umrichter 100, der über HV+ 102 und HV– 104 elektrisch mit einer elektrischen Hochspannungs-Gleichstromversorgung verbunden ist. Steuerverfahren zum Umschalten zwischen Umrichterzuständen, um die Drehmomentabgabe des Elektromotors 140 zu regulieren, können das Betreiben entweder in einem linearen Modulationsmodus oder in Übermodulationsmodus, z. B. einem Sechs-Stufen-Modus, beinhalten. Im linearen Modulationsmodus steuert der Umrichter 100 schnell die Schalterpaare, um während jedes Zyklus des Rotors des Elektromotors 140 mehrmals zwischen zwei der Nicht-Null-Zustände und dem Null-Zustand zu schalten, um eine Wechselspannung und -strom in jeder Wicklung des Stators zu erzeugen. Die Steuerung 105 spezifiziert, welcher Bruchteil der Zeit in jedem der drei Zustände durch Spezifizieren von PWM-Tastverhältnissen ausgegeben wird. Die Steuerung 105 aktualisiert die PWM-Tastzyklen in regelmäßigen Intervallen, sodass die die Häufigkeit der Aktualisierungen deutlich höher ist als die Frequenz der Rotordrehung. Im Übermodulationsmodus durchläuft der Umrichter 100 jeden der sechs Zustände, die nicht null sind, einmal pro elektrischem Zyklus des Elektromotors 140, um eine Wechselspannung und -strom in jeder Wicklung des Stators zu erzeugen. Ein Rotorzyklus wird relativ zu den Motorpolen definiert und entspricht nicht notwendigerweise einer vollständigen Umdrehung des Rotors. Insofern ist die Größe des Steuersignals bei Betrieb im linearen Modulationsmodus kleiner oder gleich der Größe des Trägersignals, und bei Betrieb im Übermodulationsmodus ist die Größe des Steuersignals größer ist als die Größe des Trägersignals.
Die Steuerung 105 beinhaltet einen Stromregler und einen Flussregler zum Steuern des Betriebs des Umrichters 100, um den Betrieb des Elektromotors 140 entweder im linearen Modulationsmodus oder im Übermodulationsmodus zu steuern. Die Amplitude der Wechselspannung wird durch die Größe des Gleichspannungspegels am Hochspannungs-Gleichspannungsbus vorgegeben, der eine Hochspannungs-Stromquelle elektrisch mit dem Umrichter 100 verbindet. Das Drehmoment wird durch die Gleichspannung, die Rotorgeschwindigkeit und die Phasendifferenz zwischen diesen quasi-sinusförmigen Wechselspannungssignalen und der Rotorposition vorgegeben und kann des Weiteren durch den Betrieb im Übermodulationsmodus gesteuert werden. Die Steuerung 105 gibt Befehle an den Umrichter 100 aus, indem sie anzeigt, wann in den nächsten Zustand in der Sequenz umzuschalten ist. Der Übermodulationsmodus ist ein Betriebsmodus des Umrichters 100, der beinhaltet, dass der Umrichter 100 einmal pro Zyklus des Rotors der Elektromotor 140 die sechs Zustände durchläuft, die nicht null sind, um eine Wechselspannung und -strom in jeder Wicklung des Stators zu erzeugen. Ein Rotorzyklus wird relativ zu den Motorpolen definiert und entspricht nicht einer vollständigen Umdrehung des Rotors, wenn ein mehrpoliger Elektromotor zum Einsatz kommt. Um ein Beispiel zu geben kann die synchrone Grundfrequenz in einem Permanentmagneten-Elektromotor wie folgt bestimmt werden: ωe = ωrm·PP [1] worin:

ωe: die synchrone Grundfrequenz ist;
ωrm: die mechanische Motordrehzahl oder -frequenz ist; und
PP: die Anzahl der Polpaare des Elektromotors ist.

Desgleichen kann bei Einsatz eines Induktionselektromotors die synchrone Grundfrequenz wie folgt bestimmt werden: ωe = ωrm·PP + ωsl [2] worin

ωe: die synchrone Grundfrequenz ist;
ωrm: die mechanische Motordrehzahl oder -frequenz ist;
PP: die Anzahl der Polpaare des Elektromotors ist; und
ωsl: die Schlupffrequenz ist.

Die synchrone Grundfrequenz ωe ist physikalisch der Rotationsfrequenz des Rotorflusses äquivalent und wird auch als eine synchrone Frequenz bezeichnet. Weitere Einzelheiten im Zusammenhang mit Betrieb werden unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
Die Begriffe Steuereinheit, Steuermodul, Modul, Steuerung, Steuergerät, Prozessor und Ähnliches beziehen sich auf eine oder mehrere Kombinationen anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreise (ASIC), elektronische(r) Schaltkreis(e), Zentraleinheit(en), z. B. Mikroprozessor(en) und deren zugeordneten nicht-transitorische Speicherkomponenten in Form von Arbeitsspeicher- und Datenspeichergeräten (Lesespeicher, programmierbarer Lesespeicher, Direktzugriffsspeicher, Festplattenspeicher usw.). Die nicht-transitorisch Speicherkomponente ist in der Lage, maschinenlesbare Befehle in der Form einer oder mehrerer Software- oder Firmware-Programme oder -Routine, kombinatorischen Logikschaltung(en), Eingabe-/Ausgabeschaltung(en) und -geräten, Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen und anderen Komponenten zu speichern, auf die durch einen oder mehrere Prozessoren zugegriffen werden kann, um eine beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Zu den Ein- und Ausgabegeräten und Schaltungen gehören Analog-/Digitalwandler und ähnliche Geräte, die Sensoreingaben mit einer vorgegebenen Abruffrequenz oder in Reaktion auf ein Auslöseereignis überwachen. Software, Firmware, Programme, Befehle, Steuerroutinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe beziehen sich auf sämtliche von einer Steuereinheit ausführbaren Befehlssätze, wie z. B. Kalibrierungen und Wertetabellen. Jede Steuereinheit führt für Steuerroutine(n) aus, um die gewünschten Funktionen, darunter auch die Überwachung der Eingaben von Sensorgeräten und anderen vernetzten Steuereinheiten, bereitzustellen, und führt zudem Steuer- und Diagnoseroutinen aus, um die Betätigung von Stellgliedern zu steuern. Die Routinen können in regelmäßigen Intervallen, wie z. B. während des laufenden Betriebs alle 100 Mikrosekunden, ausgeführt werden. Alternativ dazu können Routinen in Reaktion auf ein Auslöseereignis ausgeführt werden. Die Kommunikation zwischen den Steuerungen und zwischen Steuerungen, Stellgliedern und/oder Sensoren kann über eine Punkt-zu-Punkt-Direktverkabelung, eine Netzwerkkommunikations-Busverbindung, eine drahtlose Verbindung oder jede andere geeignete Kommunikationsverbindung bewerkstelligt werden und ist durch die Signalleitungen 15 gekennzeichnet. Die Kommunikation beinhaltet den Austausch von Datensignalen auf eine beliebige geeignete Art, darunter auch z. B. elektrische Signale über ein leitfähiges Medium, elektromagnetische Signale durch die Luft, optische Signale über Lichtwellenleiter und dergleichen. Datensignale können diskrete, analoge oder digitalisierte analoge Signale beinhalten, die Eingaben von Sensoren und Stellgliedbefehle, sowie Kommunikationssignale zwischen Steuereinheiten darstellen. Der Begriff „Signal“ bezieht sich auf jede physisch wahrnehmbare Anzeige, die Informationen übermittelt und kann jede geeignete Wellenform (z. B. elektrische, optische, magnetische, mechanische oder elektromagnetische) umfassen, wie beispielsweise Gleichstrom, Wechselspannung, Sinuswellen, Dreieckswelle, Rechteckwelle, Vibration und dergleichen, die durch ein Medium laufen können. Der Begriff „Modell“ bezeichnet einen prozessorbasierten oder einen mittels des Prozessors ausführbaren Code und der zugehörigen Kalibrierung, die die physische Existenz einer Vorrichtung oder eines physischen Prozesses simuliert. Wie hierin verwendet, bezeichnen die Begriffe „dynamische“ und „dynamisch“ Schritte oder Verfahren, die in Echtzeit ausgeführt werden.
2 zeigt schematisch eine Steuerarchitektur 200 zur Steuerung einer Ausführungsform des Umrichters 100 und des Elektromotors 140, die unter Bezugnahme auf 1 beschrieben werden. Die Steuerarchitektur 200 kann als Hardware-, Software-, und/oder Firmwarekomponenten implementiert werden und stellt ein Verfahren zur Steuerung des Umrichters 100 bereit, um einen Betrieb im Übermodulationsmodus zu vermeiden, wenn die Drehzahl des Elektromotors 140 innerhalb eines Drehzahlbereichs liegt, der von lästigen hörbaren Geräuschen begleitet wird, die durch den Betrieb des Elektromotors im Übermodulationsmodus erzeugt werden. Stattdessen wird der Umrichter angewiesen, in einem linearen Modulationsmodus zu arbeiten, wenn die Drehzahl des Elektromotors 140 innerhalb eines Drehzahlbereichs liegt, der von lästigen hörbaren Geräuschen begleitet wird, die durch den Betrieb im Übermodulationsmodus erzeugt werden.
Die Steuerarchitektur 200 beinhaltet eine Strombestimmungsroutine 210, eine Stromregelungsroutine 250 und eine Umrichtersteuerroutine 260, die alle miteinander kombiniert werden, um Umrichterbefehle zur Steuerung des Umrichters 100 entweder im linearen Modulationsmodus oder im Übermodulationsmodus zu erzeugen. Die Strombestimmungsroutine 210 und die Stromregelungsroutine 250 werden im Kontext eines d–q synchronen Bezugsrahmens berechnet und beschrieben, der direkte (Längs-) und Querachsen, auch als d–q Achsen bezeichnet, aufweist. Die Umrichtersteuerroutine 260 transformiert die Werte des d–q synchronen Bezugsrahmens in synchrone Bezugsrahmenwerte, auch als a-b-c-Werte bezeichnet. Analysen für synchrone Bezugsrahmen sind Fachleuten bekannt und werden somit hierin nicht ausführlich beschrieben.
Insgesamt werden ein Drehmomentbefehl 202, ein Spannungspegel 204 der Hochspannungs-Gleichstromversorgung und die Motordrehzahl 206 als Eingaben der Strombestimmungsroutine 210 bereitgestellt, welche Längs- und Querstrombefehle Id* 212 bzw. Iq* 214 bestimmt. Die Stromregelungsroutine 250 verwendet die Längs- und Querstrombefehle Id* 212 und Iq* 214, um die Längs- und Querspannungsbefehle Vd* 252 und Vq* 254 und einen quadrierten Modulationsindex M² 255 zu bestimmen, der als Rückkopplungsterm bereitgestellt wird. Die Umrichtersteuerroutine 260 verwendet die Längs- und Querspannungsbefehle Vd* 252 und Vq* 254, um Umrichterbefehle D_A, D_B und D_C 262 zu erzeugen, um den Umrichter 100 entweder im linearen Modulationsmodus oder im Übermodulationsmodus zu steuern, welcher den Betrieb des Elektromotors 140 steuert.
Der Drehmomentbefehl 202, der Spannungspegel 204 der Hochspannungs-Gleichstromversorgung, die Motordrehzahl 206 und der quadrierte Modulationsindex M² 255 werden der die Strombestimmungsroutine 210 als Eingaben bereitgestellt.
Eine Quer-Referenztabelle 220 wird verwendet, um eine Größe des Querstrombefehls Iq* 214 auf Grundlage des Drehmomentbefehls 202, des Spannungspegels 204 der Hochspannungs-Gleichstromversorgung und der Motordrehzahl 206 zu bestimmen. Die Quer-Referenztabelle 220 ist spezifisch für den Elektromotor 140 und wird vorzugsweise ohne Netzbetrieb durch Charakterisierung des Elektromotors 140 über Betriebsbereiche von Drehzahlen und Drehmomenten bestimmt. Die Quer-Referenztabelle 220 kann reduziert werden, um als Feld von numerischen Werten in einer nichtflüchtigen Speichervorrichtung gespeichert zu werden, der durch die Steuerung 105 abgefragt werden kann.
Eine Fluss-Referenztabelle 230 wird verwendet, um eine Größe des Flussbefehls λ* 232 auf Grundlage des Drehmomentbefehls 202, des Spannungspegels 204 der Hochspannungs-Gleichstromversorgung und der Motordrehzahl 206 zu bestimmen. Die Fluss-Referenztabelle 230 ist spezifisch für den Elektromotor 140 und wird vorzugsweise ohne Netzbetrieb durch Charakterisierung des Elektromotors 140 über Betriebsbereiche von Drehzahlen und Drehmomenten bestimmt. Die Fluss-Referenztabelle 230 kann reduziert werden, um als Feld von numerischen Werten in einer nichtflüchtigen Speichervorrichtung gespeichert zu werden, der durch die Steuerung 105 abgefragt werden kann. Der Flussbefehl λ* 232 wird zur Bestimmung eines anfänglichen Längsstrombefehls I_di* 236 eingesetzt, der arithmetisch mit einem Längsstromrückkopplungsbefehl I_{d_FB}* 248 kombiniert wird, um den Längsstrombefehl I_d* 212 zu bestimmen.
Die Motordrehzahl 206 wird zur Bestimmung eines anfänglichen quadrierten Modulationsindex M² 242 eingesetzt, der ein Befehl zum Betrieb des Umrichters 100 unter Verwendung entweder der linearen Modulation oder der Übermodulation ist. 3 zeigt grafisch eine Modulationsindex-Kalibrierungstabelle 240, die angewendet werden kann, um einen Wert für einen anfänglichen quadrierten Modulationsindex M² 242 in Relation zur Drehzahl 206 zu bestimmen. Wie dargestellt wird der anfängliche quadrierte Modulationsindex M² 242 auf der vertikalen Achse in Relation zur Drehzahl 206 auf der horizontalen Achse angezeigt. Die Drehzahl 206 auf der horizontalen Achse beinhaltet einen Geschwindigkeitsbereich, der durch einen ersten Drehzahlpegel n₁ 207 und einer zweiten Drehzahlpegel n₂ 208 definiert wird. Der anfängliche quadrierte Modulationsindex M² 242 kann entweder ein Index sein, der einem linearen Modulationsmodus 243 zugeordnet ist, oder ein Index, der einem Übermodulationsmodus 244 zugeordnet ist, abhängig von der Drehzahl 206. Wenn die Drehzahl 206 außerhalb des Drehzahlbereichs liegt, d. h. kleiner ist als der erste Drehzahlpegel n₁ 207 oder größer als der zweite Drehzahlpegel n₂ 208 ist, dann ist der anfängliche quadrierte Modulationsindex M² 242 dem Übermodulationsmodus 244 zugeordnet. Wenn die Drehzahl 206 mit dem Drehzahlbereich zusammenfällt, d. h. zwischen dem ersten Drehzahlpegel n₁ 207 oder dem zweiten Drehzahlpegel n₂ 208 liegt, ist der anfängliche quadrierte Modulationsindex M² 242 dem linearen Modulationsmodus 243 zugeordnet. Die Modulationsindex-Kalibrierungstabelle 240 kann in einer Steuerroutine als eindimensionales Feld von Werten implementiert werden, die in einer nichtflüchtigen Speichervorrichtung gespeichert sind, auf die die Strombestimmungsroutine 210 zugreifen und die sie abfragen kann.
Der Betrieb im Übermodulationsmodus verbessert die Spannungsauslastung, er kann aber auch die Oberschwingungen im Motorstrom und Batteriestrom steigern. Diese Oberschwingungsströme können im Elektromotor und der Batterie Geräusche und Schwingungen erzeugen. Die Größe der Geräusche und Schwingungen variiert in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, da sich die Betriebsbedingungen des Motors, z. B. Leistung, Strom- und Flusspegel, in Relation zur Motordrehzahl ändern. Insofern wird der quadrierte Modulationsindex M² 255 in Relation zur Motordrehzahl charakterisiert, um den durch den Elektromotor 140 bei jeder Drehzahl erzeugten akustischen Geräuschpegel zu steuern.
Wenn der Elektromotor 140 im Übermodulationsmodus arbeitet, kann eine Oberschwingungsfrequenz erzeugt werden, die innerhalb eines bestimmten Drehzahlbereichs zu hörbaren akustischen Geräuschen führen kann, welche für die Fahrgäste im Fahrgastraum lästig sind. Hörbare akustische Geräusche, die lästig sind, können durch ein Tonfrequenzspektrum und den zugehörigen Geräuschpegel, der in Dezibel (dB) gemessen werden kann, definiert werden. Im Sinne eines Beispiels können die durch einen Fahrgast hörbaren Geräusche als lästig empfunden werden, d. h. einen maximal zulässigen Geräuschpegel (in dB) überschreiten, wenn der Elektromotor 140 im Übermodulationsmodus 244 arbeitet, d. h. unter dem ersten Drehzahlpegel n₁ 207 oder oberhalb des zweiten Drehzahlpegels n₂ 208. Das von einem Fahrgast erfahrene lästige hörbare Geräusch kann eine Oberschwingungsfrequenz der sechsten Ordnung sein, die durch den Betrieb im Übermodulationsmodus 244 hervorgerufen wird und mit dem Betrieb im vollen Sechs-Schritt-Modus zusammenhängt. Im Gegensatz dazu kann das von einem Fahrgast erfahrene hörbare Geräusch annehmbar sein, d. h. unter dem maximal zulässigen Geräuschpegel (in dB) liegen, wenn der Elektromotor 140 im linearen Modulationsmodus 243 zwischen dem ersten Drehzahlpegel n₁ 207 und dem zweiten Drehzahlpegel n₂ 208 arbeitet.
Insofern wird der ursprünglichen quadrierte Modulationsindex M² 242 ausgewählt, um einen Betrieb des Elektromotors 140 im linearen Modulationsmodus 243 zwischen dem ersten Drehzahlpegel n₁ 207 und dem zweiten Drehzahlpegel n₂ 208 anzuweisen, damit ein Betrieb im Übermodulationsmodus verhindert wird. Der erste Drehzahlpegel n₁ 207 und der zweite Drehzahlpegel n₂ 208 sind spezifisch für den Elektromotor 140 und seine Anwendung, und können somit während der Entwicklung empirisch ermitteltet werden. Weiterhin können die Beträge des ersten Drehzahlpegels n₁ 207 und des zweiten Drehzahlpegels n₂ 208 unterschiedlich sein, je nachdem, ob der Umrichter 100 den Elektromotor 140 zum Betrieb als Elektromotor zur Erzeugung von Drehmoment in Reaktion auf einen positiven Drehmomentbefehl steuert oder als elektrischen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie in Reaktion auf einen negativen oder Gegendrehmomentbefehl.
Der Betrieb im Übermodulationsmodus erleichtert die Maximierung der Leistungsfähigkeit des Umrichters 100 bei der Spannungsausgabe, indem Feldschwächung eingesetzt wird, um die Gegen-EMK zu reduzieren. Wenn die Elektromotor 140 bei einer Drehzahl arbeitet, die kleiner ist als eine Grunddrehzahl, die mit dem Erzielen einer maximalen Leistungsausgabe in Verbindung steht, liegt die Spannung unter dem Systemgrenzwert und nimmt mit wachsender Drehzahl zu. Bei der Grunddrehzahl ist die Spannung gleich dem maximal zulässigen Spannungspegel. Wenn die Motordrehzahl größer ist als die Grunddrehzahl, wird der Fluss unter Verwendung eines als Feldschwächung bezeichneten Verfahrens invers zur Drehzahl reduziert. Die Feldschwächung, die als eine oder mehrere Routinen und Kalibrierungen implementiert werden kann, ändert den Fluss durch Reduzierung des anfänglichen Längsstrombefehls I_di* 236, um die Klemmenspannung aufrechtzuerhalten. Beim Betrieb der Elektromotor 140 bei einer maximal zulässigen Hochspannungs-Gleichstrom-Versorgungsspannung, ist die Stromentnahme geringer und somit arbeitet der Elektromotor 140 mit einem höheren Wirkungsgrad. Insofern kann die Leistungsfähigkeit des Systems maximiert werden. Der Betrieb des Elektromotors 140 bei Spannungspegeln, die mit der maximal zulässigen Hochspannungs-Gleichstrom-Versorgungsspannung in Verbindung stehen, erfordert den Betrieb im Übermodulationsmodus.
Der quadrierte Modulationsindex M² 255 ist ein Rückkopplungsterm, der als normalisierte Grundreferenzspannung definiert werden kann, und wird als Verhältnis einer Spitzengrundphasenspannung und einer maximal verfügbaren Spannung bestimmt, und hat einen Bereich zwischen 0,0 und 1,0. Der quadrierte Modulationsindex M² 255 kann wie folgt bestimmt werden:
worin:

m_i: die Wurzel des quadrierten Modulationsindex M² 255 ist;
V_fund: eine Spitzengrundphasenspannung der elektrischen Energieversorgung des Elektromotors 140 ist, die wie folgt berechnet wird: V_fund = √(Vd*² + Vq*²) unter Verwendung der Längs- und Querspannungsbefehle Vd* 252 und Vq* 254; und
V_DC: die maximale verfügbare Busspannung von der Hochspannungs-Gleichstromversorgung ist, wie zwischen HS+ 102 und HV– 104 gemessen oder anderweitig bestimmt.

Der quadrierte Modulationsindex M² 255 wird arithmetisch vom anfänglichen quadrierte Modulationsindex M 242 subtrahiert, um einen Differenzterm 245 zu bestimmen, der eine Eingabe in eine proportional-integrale Steuerung 246 ist, damit dieser den Längsstromrückkopplungsbefehl I_{d_FB}* 248 bestimmen kann. Der anfängliche Längsstrombefehl I_di* 236 wird arithmetisch mit einem Längsstromrückkopplungsbefehl I_{d_FB}* 248 kombiniert, um den Längsstrombefehl I_d* 212 zu bestimmen.
Die Stromregelungsroutine 250 verwendet die Längs- und Querstrombefehle Id* 212 und Iq* 214, um die Längs- und Querspannungsbefehle Vd* 252 und Vq* 254 zu bestimmen. Die Umrichtersteuerroutine 260 verwendet die Längs- und Querspannungsbefehle Vd* 252 und Vq* 254, um Umrichterbefehle D_A, D_B und D_C 262 zu erzeugen, um den Umrichter 100 entweder im linearen Modulationsmodus oder im Übermodulationsmodus zu steuern, welcher den Betrieb des Elektromotors 140 steuert. Auf diese Weise kann der Umrichter 100 im Übermodulationsmodus betrieben werden, um die Drehzahl des Elektromotors 140 in einer Feldschwächenbereich zu erhöhen und zugleich die Geräuschentwicklung zu handhaben.
Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass die Lehren hierin in Bezug auf funktionale und/oder logische Blockkomponenten und/oder verschiedene Verarbeitungsschritte beschrieben werden können. Es ist zu beachten, dass derartige Blockkomponenten aus einer beliebigen Anzahl von Hardware-, Software- und/oder Firmware-Komponenten bestehen können, die dafür konfiguriert sind, die spezifizierten Funktionen auszuführen. Weiterhin zeigt der Ausdruck „wirkverbunden“ an, dass eine Verbindung zwischen zwei oder mehreren Elementen in Form einer elektrischen, mechanischen, pneumatischen oder anderen Verbindung besteht, die es einem der Elemente ermöglicht, den Betrieb eines anderen Elements zu steuern, damit dieses eine bestimmte Aufgabe erfüllt.
Während die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren die vorliegenden Lehren unterstützen und beschreiben, wird der Umfang der vorliegenden Lehren jedoch einzig und allein durch die Ansprüche definiert. Während ein paar der besten Ausführungsformen und anderen Arten zur Ausführung der vorliegenden Lehren ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Umsetzung der vorliegenden Lehren, die in den hinzugefügten Ansprüchen definiert sind.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Umrichters, der elektrisch mit einem Elektromotor wirkverbunden ist und in Verbindung mit einer Steuerung steht, worin der Umrichter elektrisch mit einem Hochspannungs-Gleichstrombus verbunden ist, welches Verfahren Folgendes umfasst: die Überwachung, über die Steuerung, einer Drehzahl des Elektromotors, während der Umrichters in einem Übermodulationsmodus betrieben wird; und die Anweisung des Betriebs des Umrichters in einem linearen Modulationsmodus, wenn die Drehzahl innerhalb eines Drehzahlbereichs liegt, der von lästigen hörbaren Geräuschen begleitet wird, die durch den Betrieb des Elektromotors im Übermodulationsmodus erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: die Überwachung, über die Steuerung, eines Drehmomentbefehls und eines Spannungspegels des Hochspannungs-Gleichstrombusses; das Bestimmen eines befohlenen Querstroms auf Grundlage des Drehmomentbefehls, der Drehzahl des Elektromotors und des Spannungspegels des Hochspannungs-Gleichstrombusses; das Bestimmen eines anfänglichen Längsstroms auf Grundlage des Drehmomentbefehls, der Drehzahl des Elektromotors und des Spannungspegels des Hochspannungs-Gleichstrombusses; das Bestimmen eines anfänglichen Modulationsindex auf Grundlage der Drehgeschwindigkeit des Elektromotors; das Bestimmen eines Modulationsindex; das Bestimmen eines Rückkopplungsstrombefehls auf Grundlage des anfänglichen Modulationsindex und des Modulationsindex; das Bestimmen eines endgültigen befohlenen Längsstroms auf Grundlage des anfänglichen Längsstroms und des Rückkopplungsstrombefehls; und das Bestimmen von Betriebsbefehlen zur Steuerung des Umrichters auf Grundlage des befohlenen Querstroms und des endgültigen befohlenen Längsstroms.
Verfahren nach Anspruch 2, worin der Modulationsindex auf Grundlage einer Spitzengrundphasenspannung des an den Inverter angelegten elektrischen Stroms und eines maximal verfügbaren Bus-Spannungspegels vom Hochspannungs-Gleichstrombus bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, worin die Bestimmung der anfänglichen Modulationsindex auf Grundlage der Drehgeschwindigkeit des Elektromotors das Auswählen einer Größe für den anfänglichen Modulationsindex umfasst, welche mit dem Steuern des Umrichters im linearen Modulationsmodus in Verbindung steht, wenn die Drehzahl innerhalb des Drehzahlbereichs liegt, der mit lästigen hörbaren Geräuschen in Verbindung gebracht wird, die durch den Elektromotor im Übermodulationsmodus erzeugt werden, worin der Drehzahlbereich durch einen ersten Drehzahlpegel und einen zweiten Drehzahlpegel definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 2, worin die Bestimmung des anfänglichen Modulationsindex auf Grundlage der Drehgeschwindigkeit des Elektromotors das Auswählen einer Größe für den anfänglichen Modulationsindex umfasst, welche mit einem Übermodulationsmodus zur Steuerung des Umrichters in Verbindung steht, wenn die Drehzahl außerhalb einer Drehzahl liegt, die durch einen ersten Drehzahlpegel und einen zweiten Drehzahlpegel definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 2, worin die Bestimmung der Steuerbefehle zur Steuerung des Umrichters auf Grundlage des befohlenen Querstroms und des endgültigen befohlenen Längsstroms die Verwendung des endgültigen befohlenen Längsstroms und des befohlene Querstroms zur Erzeugung von Umrichterbefehlen zur Steuerung des Umrichters im linearen Modulationsmodus umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, worin die Bestimmung der Steuerbefehle zur Steuerung des Umrichters auf Grundlage des befohlenen Querstroms und des endgültigen befohlenen Längsstroms die Verwendung des endgültigen befohlenen Längsstroms und des befohlene Querstroms zur Erzeugung von Umrichterbefehlen zur Steuerung des Umrichters im Übermodulationsmodus umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin durch den Elektromotor im Übermodulationsmodus erzeugte lästige hörbare Geräusche durch ein Tonfrequenzspektrum und einen zugehörigen Geräuschpegel gemessen in Dezibel definiert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Betrieb des Umrichters im Übermodulationsmodus das Steuern von Schalterpaaren des Umrichters umfasst, um jeden der sechs Zustände, die nicht null sind, einmal pro Zyklus des Rotors des Elektromotors zu durchlaufen; und worin das Befehlen des Betriebs des Umrichters im linearen Modulationsmodus die Anweisung an den Umrichter umfasst, jedes der Schalterpaare des Umrichters zu steuern, zwischen zwei der Zustände, die nicht null sind, und dem Nullzustand mehrere Male während jedes Zyklus des Rotors der Elektromotor umzuschalten.
Vorrichtung, Folgendes umfassend: eine Umrichterschaltung, die elektrisch mit einem Elektromotor wirkverbunden ist; eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung, die elektrisch mit der Umrichterschaltung verbunden ist; eine Steuerung in Verbindung mit dem Umrichter und dem Elektromotor, wobei die Steuerung einen Befehlssatz beinhaltet, welcher Befehlssatz ausführbar ist, um: den Umrichter anzuweisen, in einem Übermodulationsmodus zu arbeiten, und eine Drehzahl des Elektromotors in diesem Betriebszustand zu überwachen; und den Umrichter anzuweisen, in einem linearen Modulationsmodus zu arbeiten, wenn die Drehzahl innerhalb eines Drehzahlbereichs liegt, der von lästigen hörbaren Geräuschen begleitet wird, die durch den Betrieb des Elektromotors im Übermodulationsmodus erzeugt werden.