DE102017211292A1

DE102017211292A1 - Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Motors

Info

Publication number: DE102017211292A1
Application number: DE102017211292.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kranz; Frank Sader
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2017-07-03
Filing date: 2017-07-03
Publication date: 2019-01-03
Also published as: WO2019007694A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines elektrischen Motors, wobei eine Leistungsendstufe mit Betriebsspannung beaufschlagte Halbbrücken (4) aufweist, die jeweils aus einer Reihenschaltung eines ersten und eines zweiten Halbleiterschalters bestehen und wobei die Verbindungspunkte der Halbleiterschalter der Halbbrücken (4) Ausgänge bilden, welche jeweils mit einer Wicklung des elektrischen Motors verbunden sind, wobei die Halbleiterschalter mittels einer Steuereinheit (8) angesteuert werden, wobei auf ein nicht-leitend Schalten des ersten oder zweiten Halbleiterschalters nach einer tatsächlichen Totzeit ein leitend Schalten des jeweils anderen Halbleiterschalters folgt, wobei die Ansteuerung des ersten und zweiten Halbleiterschalters in einem solchen zeitlichen Ansteuerabstand erfolgt, dass die Dauer der tatsächlichen Totzeit einem in der Steuereinheit (8) hinterlegten Sollwert entspricht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Motors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine entsprechende Vorrichtung.
Zum Betrieb eines elektrischen Motors wird dieser gewöhnlicherweise über eine Leistungsendstufe mit einer pulsweitenmodulierten Spannung angesteuert. Die Phasen des elektrischen Motors sind dazu mit einem Wechselrichter verbunden, der je Phase zumindest eine Halbbrücke aufweist. Zur Kommutierung des elektrischen Motors werden wiederum je Halbbrücke zwei Halbleiterschalter individuell angesteuert.
Solche Halbleiterschalter können beispielsweise als Feldeffekttransistoren (FET), speziell Metalloxid-FeldeffektTransistoren (MOSFET) ausgebildet sein. MOSFETS sind aufgrund hoher Schaltgeschwindigkeiten und geringer Verluste besonders geeignet für die Leistungselektronik eines elektrischen Motors. Jedoch wird für den Schaltvorgang, also das Schließen oder Öffnen des Halbleiterschalters stets eine gewisse Zeitbenötigt, die jedoch klein ist im Verhältnis zur Periodendauer der pulsweitenmodulierten Spannung. Das Schließen oder Öffnen vollzieht sich also nicht abrupt, sondern mit einem Übergang. Die genaue Schaltzeit ist toleranzbehaftet und beispielsweise abhängig von Geometrie, Material und Herstelltechnologie.
Zur Kommutierung des elektrischen Motors werden die Halbleiterschalter einer Halbbrücke wechselseitig geschaltet, das heißt, wenn der eine Halbleiterschalter geöffnet ist, muss der andere geschlossen sein. Damit sich nicht die Schließphase des einen und die Öffnungsphase des anderen Halbleiterschalters überlappen oder es durch einen Zustand, bei dem beide Halbleiterschalter geöffnet sind, zu einem hohen Kurzschluss kommt, ist eine Totzeit vorgesehen. Damit wird der Zeitraum bezeichnet, in dem zwischen dem Wechsel der Schaltzustände beide Halbleiterschalter geschlossen sind.
Die technisch notwendige Totzeit führt zu einer unvermeidlichen Abweichung zwischen der von der Motoransteuerung vorgegebenen Sollpulsweite und der tatsächlich erzielten Pulsweite an der Halbbrücke. Bisher besteht lediglich die Möglichkeit, die Totzeit durch Anpassung in gewissen Grenzen zu optimieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren aufzuzeigen, das einen effizienten und kostengünstigen Betrieb eines elektrischen Motors ermöglicht.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 12 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Motors, wobei eine Leistungsendstufe mit Betriebsspannung beaufschlagte Halbbrücken aufweist, die jeweils aus einer Reihenschaltung eines ersten und eines zweiten Halbleiterschalters bestehen und wobei die Verbindungspunkte der Halbleiterschalter der Halbbrücken Ausgänge bilden, welche jeweils mit einer Wicklung des elektrischen Motors verbunden sind, wobei die Halbleiterschalter mittels einer Steuereinheit angesteuert werden, wobei auf ein nicht-leitend Schalten des ersten oder zweiten Halbleiterschalters nach einer tatsächlichen Totzeit ein leitend Schalten des jeweils anderen Halbleiterschalters folgt, erfolgt die Ansteuerung des ersten und zweiten Halbleiterschalters in einem solchen zeitlichen Ansteuerabstand, dass die Dauer der tatsächlichen Totzeit einem in der Steuereinheit hinterlegten Sollwert entspricht. Die tatsächliche Totzeit hat damit einen genau definierten und bekannten Wert, was eine Kompensation, vorzugsweise in der Motoransteuerung, besonders bevorzugt als Teil der Sollpulsweitenbestimmung, in einer dem Fachmann bekannten Weise, vereinfacht.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Abweichung zwischen der tatsächlich erzielten Pulsweite an der Halbbrücke und der von der Motoransteuerung vorgegebenen Sollpulsweite nicht nur von der technisch notwendigen Totzeit, sondern auch von den Schaltzeiten der Halbleiterschalter abhängig ist. Die Schaltzeit hängt wiederum von verschiedenen Einflüssen, beispielsweise Spannung, Temperatur, Strom, fertigungsabhängige Parameter, insbesondere von der Schaltschwellenspannung (auch Gate Source Threshold Voltage, VGSTh) ab. Der Versuch, dieses Problem mit einer Stromregelung zu herrschen, setzt jedoch eine Strommessung voraus und ist damit aufwändig bzw. kostenintensiv.
Hier setzt die Erfindung mit dem Vorschlag an, den Schaltwechsel zwischen den Halbleiterschaltern einer Halbbrücke in einem solchen zeitlichen Ansteuerabstand vorzunehmen, dass die Dauer der tatsächlichen Totzeit einem in der Steuereinheit hinterlegten Sollwert entspricht. Anstatt die tatsächliche Totzeit nur auf einen minimalen Wert hin zu optimieren, lässt sich diese also auf einen bestimmten Wert, den Sollwert, festlegen und damit unabhängig von Bauteiltoleranzen bzw. von sonstigen Einflüssen auf die Schaltzeit der Halbleiterschalter machen. Mit anderen Worten können so die elektrischen Eigenschaften, insbesondere die Abweichungen von den Nominalwerten der Halbleiterschalter ermittelt und geeignet kompensiert werden.
Im Sinne der Erfindung wird unter einem zeitlichen Ansteuerabstand vorzugsweise die Zeitdauer verstanden, die zwischen der Aussendung des Signals zum nicht-leitend Schalten des ersten oder zweiten Halbleiterschalters zur Aussendung des Signals zum leitend Schalten des jeweils anderen Halbleiterschalters vergeht. Diese Signale gehen vorzugsweise von einer Signaleinheit bzw. einer eine Pulsweitenmodulation der Spannung generierenden Einheit, beispielsweise in der Peripherie eines Mikrocontrollers, aus. Die Signale werden bevorzugt über einen Brücken- bzw. Gate-Treiber an die Halbleiterschalter übermittelt.
Bevorzugt wird im Sinne der Erfindung unter einer tatsächlichen Totzeit die Dauer verstanden, nach der auf ein nicht-leitend Schalten des ersten oder zweiten Halbleiterschalters ein leitend Schalten des jeweils anderen Halbleiterschalters folgt. Unter dem Begriff des zeitlichen Ansteuerabstands wird im Gegensatz dazu, wie oben mit anderen Worten erläutert, die Dauer verstanden, nach der auf ein Signal zum nicht-leitend Schalten des ersten oder zweiten Halbleiterschalters ein Signal zum leitend Schalten des jeweils anderen Halbleiterschalters folgt, weshalb zwischen dem Begriff der Totzeit im Sinne eines zeitlichen Ansteuerabstands und der tatsächlichen Totzeit unterschieden werden muss.
Vorzugsweise bleibt der Sollwert bzw. die tatsächlichen Totzeit über mehrere Schaltvorgänge konstant, während der zeitliche Ansteuerabstand variabel ist.
Bevorzugt wird der zeitliche Ansteuerabstand mittels einer Regelung, einer Steuerung oder einer Kombination von beidem ermittelt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird bei der Regelung, und insbesondere zur Ermittlung des zeitlichen Ansteuerabstands, eine Spannung an der jeweiligen Halbbrücke bzw. Motorphase abgegriffen und deren zeitlicher Verlauf, insbesondere die Pulsweite, mit dem Sollwert verglichen. Bevorzugt kann der Sollwert in Abhängigkeit weiterer Parameter angepasst werden, beispielsweise wenn bestimmte Einflüsse auf die Schaltzeit der Halbleiterschalter nicht kompensiert werden sollen oder die tatsächliche Totzeit, beispielsweise bei höheren Temperaturen, gezielt verändert werden soll.
Vorzugsweise wird der Sollwert anhand von Betriebsparametern, insbesondere Strom und / oder Temperatur angepasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden bei der Steuerung, und insbesondere zur Ermittlung des zeitlichen Ansteuerabstands Kennwerte bezüglich der Schalteigenschaften des ersten und / oder zweiten Halbleiterschalters, insbesondere Kennwerte zur Abhängigkeit der Schaltgeschwindigkeit von Betriebsspannung, Temperatur, Strom und / oder Fertigungstoleranzen der Halbleiterschalter zur Berechnung herangezogen.
Bei kleinen Strömen, wenn beispielsweise der elektrische Motor mit einem kleinen Drehmoment betrieben wird, kann es vorkommen, dass die resultierende Spannung an der Halbbrücke bzw. Motorphase nicht genau genug gemessen werden kann. Bevorzugt wird daher das bei der Regelung vorgesehene Konzept, nach dem die Spannung an der jeweiligen Halbbrücke bzw. Motorphase abgegriffen und deren zeitlicher Verlauf, insbesondere die Pulsweite, mit dem Sollwert verglichen wird, in einem geeigneten Arbeitspunkt des Motors, also bei verhältnismäßig hohem Drehmoment bzw. hohen Strömen durchgeführt und im Sinne einer Steuerung als Korrekturwert zur Ermittlung des zeitlichen Ansteuerabstands verwendet. Alternativ oder zusätzlich kann der Einfluss der Fertigungstoleranz eines Halbleiterschalters bei dessen Produktion ermittelt und im Sinne einer Steuerung als Korrekturwert zur Ermittlung des zeitlichen Ansteuerabstands verwendet werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Kennwerte nichtflüchtig in einem Speichermodul der Steuereinheit gespeichert.
Vorzugsweise wird bei der Steuerung, und insbesondere zur Ermittlung des zeitlichen Ansteuerabstands der Schaltschwellenspannungswert des ersten und / oder zweiten Halbleiterschalters zur Berechnung herangezogen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird bei der Kombination einer Steuerung und einer Regelung der Einfluss von Temperatur und / oder Betriebsspannung und / oder Fertigungstoleranzen der Halbleiterschalter, insbesondere des Schaltschwellenspannungswerts des ersten und / oder zweiten Halbleiterschalters auf die tatsächliche Totzeit mittels Steuerung kompensiert und der Einfluss des Stroms auf die tatsächliche Totzeit mittels Regelung kompensiert.
Vorzugsweise wird bei der Kombination einer Steuerung und einer Regelung ein aus der Regelung erhaltener Vergleich des zeitlichen Verlaufs der an der Halbbrücke abgegriffenen Spannung mit dem Sollwert zur Ermittlung wenigstens eines Kennwertes für die Steuerung verwendet.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird der zeitliche Ansteuerabstand über mehrere Halbleiterschalter gemittelt, insbesondere über alle Halbleiterschalter, jeweils die Halbleiterschalter der High-Side und Low-Side der Leistungsendstufe oder über den je ersten und je zweiten Halbleiterschalter je Halbrücke.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform empfängt die Steuereinheit von einer Motoransteuerungseinheit eine angepasste Sollpulsweite, wobei die angepasste Sollpulsweite die Zeitdauer eines Schaltzustandes eines Halbleiterschalters und die tatsächliche Totzeit enthält.
Nach einem zweckmäßigen Aspekt der Erfindung weist eine Vorrichtung zum Betreiben eines elektrischen Motors eine Leistungsendstufe auf, die wiederum mit Betriebsspannung beaufschlagte Halbbrücken aufweist, wobei die Halbbrücken jeweils aus einer Reihenschaltung eines ersten und eines zweiten Halbleiterschalters bestehen und wobei die Verbindungspunkte der Halbleiterschalter der Halbbrücken Ausgänge bilden, welche jeweils mit einer Wicklung des elektrischen Motors verbunden sind, wobei die Halbleiterschalter mittels einer Steuereinheit angesteuert werden, die dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.
Die 1 zeigt ein Schaubild, das das Zusammenwirken einzelner Komponenten bzw. Funktionseinheiten einer Leistungselektronik eines elektrischen Motors verdeutlicht.
In einer Anwendung eines elektrischen Motors, beispielsweise bei einer elektrischen Lenkunterstützung in einem Kraftfahrzeug, wird ein bestimmtes Solldrehmoment bzw. ein Sollstrom als Anforderungsgröße 11 an die Motorsteuerung 1 übermittelt. Über den Zwischenschritt einer Sollspannung wird in der Motoransteuerung 1 eine Sollpulsweite 12 bzw. ein Tastverhältnis für jeden der Anschlüsse der Motorphasen berechnet. Bei elektrischen Motoren vom BLCD-Typ sind meist drei Motorphasen vorhanden, jedoch sind viele weitere Varianten denkbar, beispielsweise mit zwei Motorphasen und vier Halbbrücken 4 oder bei Gleichstrommotoren mit Bürsten eine Motorphase und zwei Halbbrücken 4.
Die Ansteuerung der Halbbrücken 4 bzw. deren Halbleiterschalter erfolgt mit einer Steuereinheit 8.
Die berechnete Sollpulsweite 12 wird an eine Signaleinheit 2 übermittelt, die daraus ein pulsweitenmoduliertes Signal generiert. Die Signaleinheit 2 ist beispielsweise als ein für diese Aufgabe spezialisierter Teil eines Mikrocontrollers ausgebildet. Sie erzeugt für jeden Halbleiterschalter ein individuelles Ansteuersignal 13, wobei die beiden Halbleiterschalter einer Halbbrücke 4 wechselseitig geschaltet werden.
Da die Halbbrücken 4 an eine Betriebsspannung angeschlossen sind, würde es zu Querströmen zwischen Plus und Minus kommen, wenn nicht zunächst der leitend geschaltete Halbleiterschalter nicht-leitend und erst nach einer Verzögerung, der tatsächlichen Totzeit, der andere Halbleiterschalter leitend geschaltet würde. Dazu erfolgt über den Brückentreiber 3 die Ansteuerung der Halbleiterschalter der jeweiligen Halbbrücke 4 mit einem von der Signaleinheit 2 vorgegebenen zeitlichen Ansteuerabstand.
Die Ansteuersignale 13 bzw. der zeitliche Ansteuerabstand je Halbbrücke wird nun so adaptiert, dass sich die tatsächlichen Schaltzeitpunkte und damit die tatsächliche Totzeit unabhängig von den Einflüssen einstellt, die die Schaltzeiten der Halbleiterschalter beeinflussen. Dazu wird an der jeweiligen Halbbrücke 4 die anliegende Spannung abgegriffen und einer Funktionseinheit zur Spannungs -bzw. Pulsweitenmessung 6 zugeführt. Dort wird die Pulsweite 14 ermittelt und an eine Korrektureinheit 7 weitergeleitet.
Die Korrektureinheit 7 vergleicht die gemessene Pulsweite 14, also die Ispulsweite, mit einem Istpulsweiten-Sollwert bzw. die tatsächliche Totzeit mit deren Sollwert. Zusätzlich kann die Korrektureinheit 7 von der Motoransteuerung 1 Betriebsparameter 15 erhalten, die Informationen über Einflüsse enthalten, die das Schaltverhalten bzw. die Schaltzeit der Halbleiterschalter oder des jeweiligen Halbleiterschalters beinhalten, beispielsweise Strom, Spannung oder Temperatur. Weitere Einfluss- bzw. Betriebsparameter 15 kann die Korrektureinheit 7 aus einem Speicher entnehmen bzw. von anderen Funktionseinheiten zugeführt bekommen. Mit Hilfe der Eingangsgrößen, mit denen die Korrektureinheit 7 versorgt wird, berechnet diese einen Korrekturwert 16. Über einen Regler wird entsprechend dieses Korrekturwerts 16 der zeitliche Ansteuerabstand angepasst.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können beispielsweise Teil einer elektrisch unterstützten Lenkung sein. Sie sind aber nicht auf diese Anwendung beschränkt, sondern können in jeder Anwendung mit einem durch einen Wechselrichter mit Schaltern kommutierten bzw. gesteuerten elektrischen Motor zum Einsatz kommen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Motors, wobei eine Leistungsendstufe mit Betriebsspannung beaufschlagte Halbbrücken (4) aufweist, die jeweils aus einer Reihenschaltung eines ersten und eines zweiten Halbleiterschalters bestehen und wobei die Verbindungspunkte der Halbleiterschalter der Halbbrücken (4) Ausgänge bilden, welche jeweils mit einer Wicklung des elektrischen Motors verbunden sind, wobei die Halbleiterschalter mittels einer Steuereinheit (8) angesteuert werden, wobei auf ein nicht-leitend Schalten des ersten oder zweiten Halbleiterschalters nach einer tatsächlichen Totzeit ein leitend Schalten des jeweils anderen Halbleiterschalters folgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des ersten und zweiten Halbleiterschalters in einem solchen zeitlichen Ansteuerabstand erfolgt, dass die Dauer der tatsächlichen Totzeit einem in der Steuereinheit (8) hinterlegten Sollwert entspricht.
Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Motors gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Ansteuerabstand mittels einer Regelung, einer Steuerung oder einer Kombination von beidem ermittelt wird.
Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Motors gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Regelung, und insbesondere zur Ermittlung des zeitlichen Ansteuerabstands, eine Spannung an der jeweiligen Halbbrücke (4) abgegriffen und deren zeitlicher Verlauf, insbesondere die Pulsweite (14), mit dem Sollwert verglichen wird.
Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Motors gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert anhand von Betriebsparametern (15), insbesondere Strom und / oder Temperatur angepasst wird.
Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Motors gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Steuerung, und insbesondere zur Ermittlung des zeitlichen Ansteuerabstands Kennwerte bezüglich der Schalteigenschaften des ersten und / oder zweiten Halbleiterschalters, insbesondere Kennwerte zur Abhängigkeit der Schaltgeschwindigkeit von Betriebsspannung, Temperatur, Strom und / oder Fertigungstoleranzen der Halbleiterschalter zur Berechnung herangezogen werden.
Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Motors gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennwerte nichtflüchtig in einem Speichermodul der Steuereinheit (8) gespeichert werden.
Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Motors gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Steuerung, und insbesondere zur Ermittlung des zeitlichen Ansteuerabstands der Schaltschwellenspannungswert des ersten und / oder zweiten Halbleiterschalters zur Berechnung herangezogen wird.
Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Motors gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Kombination einer Steuerung und einer Regelung der Einfluss von Temperatur und / oder Betriebsspannung und / oder Fertigungstoleranzen der Halbleiterschalter, insbesondere des Schaltschwellenspannungswerts des ersten und / oder zweiten Halbleiterschalters auf die tatsächliche Totzeit mittels Steuerung kompensiert wird und der Einfluss des Stroms auf die tatsächliche Totzeit mittels Regelung kompensiert wird.
Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Motors gemäß einem der Ansprüche 2 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Kombination einer Steuerung und einer Regelung ein aus der Regelung erhaltener Vergleich des zeitlichen Verlaufs der an der Halbbrücke (4) abgegriffenen Spannung mit dem Sollwert zur Ermittlung wenigstens eines Kennwertes für die Steuerung verwendet wird.
Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Motors gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Ansteuerabstand über mehrere Halbleiterschalter gemittelt wird, insbesondere über alle Halbleiterschalter, jeweils die Halbleiterschalter der High-Side und Low-Side der Leistungsendstufe oder über den je ersten und je zweiten Halbleiterschalter je einer Halbbrücke.
Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Motors gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (8) von einer Motoransteuerungseinheit eine angepasste Sollpulsweite empfängt, wobei die angepasste Sollpulsweite die Zeitdauer eines Schaltzustandes eines Halbleiterschalters und die tatsächliche Totzeit enthält.
Vorrichtung zum Betreiben eines elektrischen Motors aufweisend eine Leistungsendstufe, die mit Betriebsspannung beaufschlagte Halbbrücken (4) aufweist, wobei die Halbbrücken (4) jeweils aus einer Reihenschaltung eines ersten und eines zweiten Halbleiterschalters bestehen und wobei die Verbindungspunkte der Halbleiterschalter der Halbbrücken (4) Ausgänge bilden, welche jeweils mit einer Wicklung des elektrischen Motors verbunden sind, wobei die Halbleiterschalter mittels einer Steuereinheit (8) angesteuert werden, die dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.