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Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung einer elektrischen Maschine. Insbesondere betrifft die Erfindung die Verbringung der elektrischen Maschine in einen sicheren Zustand.
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Eine elektrische Maschine, beispielsweise ein Elektromotor, kann mittels eines Wechselrichters in seinem Bewegungsverhalten gesteuert werden. Dazu umfasst der Wechselrichter üblicherweise mehrere Brückenschaltungen, die jeweils zwei Stromventile umfassen, die alternierend angesteuert werden können, um ein vorbestimmtes Potential an einem zugeordneten Anschluss der Maschine bereitzustellen.
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Um die elektrischen Maschine abzuschalten, können die Stromventile derart angesteuert werden, dass die elektrischen Anschlüsse der Maschine mit einem gemeinsamen Potential verbunden werden und die Maschine aktiv kurzgeschlossen wird. Eine Bewegungsenergie der Maschine kann dann in elektrische Energie und diese über den Kurzschluss in Wärme umgesetzt werden, sodass die Maschine rasch und ohne externe Bremsarbeit abgebremst werden kann.
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Die aktive Abschaltung kann nicht verfügbar sein, wenn eine die Stromventile steuernde Steuervorrichtung einen Defekt aufweist oder nicht mit den Stromventilen verbunden ist. Es wurde vorgeschlagen, Steueranschlüsse der Stromventile bei Bedarf über passende Pullup- oder Pulldown-Widerstände mit einem festen Potential zu verbinden, um auch bei einem Defekt der Vorrichtung einen aktiven Kurzschluss bewirken zu können. Welche der Stromventile im Bedarfsfall schließen, wird jedoch üblicherweise nicht in Abhängigkeit eines vorliegenden Fehlers bestimmt, sodass ein Abschaltversuch der Maschine einen Kurzschluss in einem Zwischenkreis bewirken kann, aus dem die Stromventile gespeist sind.
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Eine der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, eine verbesserte Technik zur Abschaltung einer derart gesteuerten elektrischen Maschine anzugeben. Die Erfindung löst die Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Ein Wechselrichter ist zum Steuern einer elektrischen Maschine an einer Spannungsquelle mit einem ersten und einem zweiten Potential eingerichtet. Dabei umfasst der Wechselrichter mehrere Brückenschaltungen, die jeweils ein erstes Stromventil, ein zweites Stromventil und einen Anschluss für die elektrische Maschine umfassen, und eine erste Schnittstelle zur Entgegennahme individueller Steuersignale für die Stromventile und eine zweite Schnittstelle zur Erfassung eines Abschaltsignals. Jedes erste Stromventil ist dazu eingerichtet, Strom zwischen dem hohen elektrischen Potential und dem zugeordneten Anschluss zu steuern, und jedes zweite Stromventil dazu, Strom zwischen dem zugeordneten Anschluss und dem niedrigen elektrischen Potential zu steuern. Eine Abschalteinrichtung ist dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit des Abschaltsignals und unabhängig von Signalen an der ersten Schnittstelle entweder alle ersten oder alle zweiten Stromventile zu schließen.
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Die Abschalteinrichtung kann dynamisch, beispielsweise in Abhängigkeit der Art des Abschaltsignals, entweder alle ersten oder alle zweiten Stromventile schließen, um die elektrische Maschine in einen sicheren Zustand zu bringen. Der sichere Zustand umfasst üblicherweise den Stillstand, wobei die Maschine nicht von Strom durchflossen wird. Mittels der Abschalteinrichtung kann der sichere Zustand auch dann gesteuert werden, wenn eine Steuervorrichtung, die insbesondere mit der ersten Schnittstelle verbindbar ist, nicht fehlerfrei arbeitet oder nicht vorhanden ist. In einer Ausführungsform können zwei unterschiedliche Abschaltsignale unterschieden werden, wobei eines zum Schließen aller ersten und ein anderes zum Schließen aller zweiten Stromventile führt. Die Abschaltsignale können so gewählt sein, dass sich nicht gleichzeitig vorliegen können. Beispielsweise kann ein erstes Signal eine Abschaltung anfordern und ein zweites, binäres Signal zwischen den ersten und den zweiten Stromventilen auswählen.
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Die elektrische Maschine kann beispielsweise einen Servo- oder Traktionsmotor umfassen und insbesondere zur Verwendung an Bord eines Kraftfahrzeugs eingerichtet sein. Der Wechselrichter kann integriert mit der Abschalteinrichtung aufgebaut sein, sodass stets redundante Steuerpfade für die elektrische Maschine zur Verfügung stehen können. Die Abschalteinrichtung kann eine elektronische Schaltung umfassen und integriert mit anderen elektronischen Elementen des Wechselrichters aufgebaut sein. In einer Ausführungsform kann die Abschalteinrichtung auch mit Stromventilen integriert ausgeführt sein, die beispielsweise Feldeffekttransistoren (FET), insbesondere Metalloxid-FETs, oder Thyristoren oder auch andere Halbleiter umfassen können.
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Die Abschalteinrichtung kann beispielsweise als SiP („System-in-Package“) ausgeführt sein. Dabei können passive und aktive Bauelemente sowie weitere Komponenten mittels Mikrosystemtechnologien auf mehreren Halbleiter-Chips hergestellt und diese in einem Gehäuse (genannt IC-Package) mittels passender Aufbau- oder Verbindungstechnik vereint werden. Alternativ kann die Abschalteinrichtung auch als MCM („Multi Chip Modul“) aus mehreren Halbleiterchips in einem gemeinsamen Gehäuse integriert werden. In einer weiteren Ausführungsform kann die Abschalteinrichtung auch als Anwenderspezifischer Integrierter Schaltkreis („ASIC“) ausgeführt sein.
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Die Abschalteinrichtung kann dazu eingerichtet sein, ein defektes Stromventil zu bestimmen und in Abhängigkeit eines Bestimmungsergebnisses die ersten oder die zweiten Stromventile zu schließen. Dadurch ist es nicht erforderlich, extern zu bestimmen, welche der Stromventile zum Steuern des sicheren Zustands geschlossen werden müssen. Das ist besonders relevant, wenn eine extern Funktionskomponente, die einen Fehler bestimmen soll, selbst einer Fehlfunktion unterliegt. Das Abschaltsignal kann beispielsweise benutzergesteuert bereitgestellt werden und die Bestimmung, wie die das Einnehmen des sicheren Zustands gesteuert werden soll, kann autark durch den Wechselrichter durchgeführt werden.
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In einer ersten Variante ist die Abschalteinrichtung dazu eingerichtet, im Fall eines nicht zu öffnenden Stromventils alle Stromventile zu schließen, die zu diesem Stromventil korrespondieren. Ist beispielsweise ein erstes Stromventil permanent geschlossen, so kann der aktive Kurzschluss noch durch das Schließen aller anderen ersten Stromventile gesteuert werden. Würden stattdessen die zweiten Stromventile geschlossen, so könnte der aktive Kurzschluss zwar hergestellt werden, gleichzeitig läge aber ein Kurzschluss über die Potentiale vor, aus denen die elektrische Maschine im Normalbetrieb gespeist werden kann oder in welche die elektrische Maschine im Generatorbetrieb speisen kann.
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In einer zweiten Variante ist die Abschalteinrichtung dazu eingerichtet, im Fall eines nicht zu schließenden Stromventils alle Stromventile zu schließen, die nicht zu diesem Stromventil korrespondieren. Ist beispielsweise ein erstes Stromventil permanent offen, so kann der aktive Kurzschluss noch durch das Schließen aller zweiten Stromventile gesteuert werden. Das Schließen der ersten Stromventile hätte in diesem Fall nur verringerte oder gar keine Wirkung.
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Die Abschalteinrichtung kann dazu eingerichtet sein, ein Steuersignal zum Schließen eines Stromventils an der ersten Schnittstelle außer Kraft zu setzen. (==> Aufgabe von 165) Dadurch kann vermieden werden, dass ein Stromventil geschlossen wird, das am aktiven Kurzschluss nicht beteiligt ist und dessen Schließen einen Kurzschluss zwischen den Potentialen verursachen könnte.
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Die Abschalteinrichtung kann auch dazu eingerichtet sein, ein Steuersignal zum Öffnen eines Stromventils an der ersten Schnittstelle außer Kraft zu setzen. (==> Aufgabe von 165) Dadurch kann sichergestellt werden, dass ein anzusteuernder aktiver Kurzschluss alle zueinander korrespondierenden Stromventile, also alle ersten oder alle zweite Stromventile, umfasst. Die Effizienz des aktiven Kurzschlusses kann so gesteigert sein.
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Die Abschalteinrichtung oder ein Teil davon kann als fest verdrahtete Logik implementiert sein. Dadurch kann eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit und eine hohe Resistenz gegen Störungen erzielt werden. Außerdem kann die Logik bereits in einer Konzeptionsphase erschöpfend validiert werden, sodass eine spätere Fehlschaltung sehr unwahrscheinlich sein kann.
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Der Wechselrichter kann drei Brückenschaltungen umfassen, wobei der Wechselrichter bevorzugt zum Anschließen eines dreiphasigen elektromechanischen Wandlers eingerichtet ist. Der elektromechanische Wandler kann allgemein eine als Motor oder als Generator betriebene elektrische Maschine umfassen. Beispielsweise kann der elektromechanische Wandler eine Rotationsmaschine, insbesondere Drehfeldmaschine umfassen, die beispielsweise mittels feldorientierter Steuerung (FOS) gesteuert werden kann. Die elektrische Maschine kann eine Asynchronmaschine (ASM) oder eine permanenterregte Synchronmaschine (PSM) umfassen.
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In einer anderen Ausführungsform umfasst der Wechselrichter nur zwei Brückenschaltungen; diese Anordnung ist auch als H-Brücke bekannt. Die elektrische Maschine kann dabei einen Gleichstrommotor, insbesondere der kommutierten Art, umfassen.
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Ein Aktuator umfasst einen hierin beschriebenen Wechselrichter; eine elektrische Maschine; und eine Steuervorrichtung, die zur Steuerung eines Drehverhaltens der elektrischen Maschine eingerichtet ist. Der Aktuator kann beispielsweise als integrierter Stell- oder Traktionsantrieb eingesetzt werden, insbesondere an Bord eines Kraftfahrzeugs.
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Ein Verfahren zum Steuern einer elektrischen Maschine, die mittels eines hierin beschriebenen Wechselrichters an einer Spannungsquelle mit einem ersten und einem zweiten Potential betrieben wird, umfasst Schritte des Erfassens eines Abschaltsignals; und des Schließens aller ersten oder aller zweiten Stromventile unabhängig von Signalen an der ersten Schnittstelle. Dabei kann sichergestellt werden, dass in einem ersten Fall exklusiv die ersten Stromventile geschlossen werden und die zweiten Stromventile nicht, oder in einem zweiten Fall die zweiten Stromventile geschlossen werden und die ersten nicht. Diese Unterscheidung ist auch als Exklusiv-Oder (XOR) bekannt.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
- 1 ein System mit einer steuerbaren elektrischen Maschine; und
- 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern einer elektrischen Maschine
- darstellt.
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1 zeigt ein System 100 mit einer steuerbaren elektrischen Maschine 105 und einem Wechselrichter 110.In der vorliegenden Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine 105 drei Anschlüsse und kann insbesondere als dreiphasiger elektromechanischer Aktuator ausgeführt sein. Der Wechselrichter 110 umfasst dementsprechend drei Brückenschaltungen 115, die jeweils ein erstes Stromventil 120 und ein zweites Stromventil 125 umfassen. Die Brückenschaltungen 115 können an einem Zwischenkreis mit einem Zwischenkreiskondensator 180 betrieben werden, der eine Spannung zwischen einem hohen Potential und einem niedrigen Potential bereitstellt. Der Zwischenkreis kann beispielsweise eine Batterie 128 umfassen, deren Verbindung zu den Brückenschaltungen 115 in 1 nicht dargestellt ist.
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Die Stromventile 120, 125 sind bevorzugt in Halbleitertechnik herstellbar. Ein erstes Stromventil 120 ist hier mit dem hohen Potential verbunden und kann auch High Side Switch genannt werden, während ein zweites Stromventil 125 hier mit dem niedrigen Potential verbunden ist und auch Low Side Switch genannt werden kann. Steueranschlüsse der Stromventile 120, 125 sind individuell an eine erste Schnittstelle 130 geführt. Mit der ersten Schnittstelle 130 kann eine Steuervorrichtung 135 zur Steuerung der elektrischen Maschine 105 verbunden sein (nicht dargestellt). Die Steuervorrichtung 135 kann insbesondere eine feldorientierte Steuerung (FOS) oder eine feldorientierte Regelung (FOR) der elektrischen Maschine 105 durchführen.
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Der Wechselrichter 110 umfasst ferner eine zweite Schnittstelle 140, die mit einer Abschalteinrichtung 145 verbunden ist. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst die zweite Schnittstelle 140 mehrere Signale, in einer anderen Ausführungsform kann auch ein einziges Signal ausreichen. Die Abschalteinrichtung 145 ist dazu eingerichtet, ein Abschaltsignal an der zweiten Schnittstelle 140 zu erfassen und daraufhin die elektrische Maschine 105 in einen sicheren Zustand zu bringen. Dazu kann die Abschalteinrichtung 145 insbesondere entweder die ersten Stromventile 120 schließen, um an der elektrischen Maschine 105 einen ersten aktiven Kurzschluss herbeizuführen, bei welchem Anschlüsse der elektrischen Maschine 105 mit dem hohen Potential verbunden sind, oder die Abschalteinrichtung 145 kann die zweiten Stromventile 125 schließen, um an der elektrischen Maschine 105 einen zweiten aktiven Kurzschluss herbeizuführen, bei welchem die Anschlüsse mit dem niedrigen Potential verbunden sind.
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Zueinander korrespondierende Stromventile 120, 125 können jeweils mittels individueller erster Treiber 150, die wie gezeigt als Kette (Daisy Chain) oder jeweils separat mit der Abschalteinrichtung 145 verbunden, miteinander verbunden sein können, oder mittels eines gemeinsamen Treibers 155 durch die Abschalteinrichtung 145 angesteuert werden. Die Abschalteinrichtung 145 bzw. die Treiber 150, 155 und die erste Schnittstelle 130 sind beispielhaft mittels Dioden 160 voneinander entkoppelt, um einen Kurzschluss auf der Ebene der Steuersignale zu vermeiden. Andere Lösungen können beispielsweise logische Gatter, Transistoren, MOSFET's oder Widerstände verwenden.
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Ein Schalter 165 ist über die zweite Schnittstelle 140 mit der Abschalteinrichtung 145 verbunden und dient zum außer Kraft setzen der ersten Schnittstelle 130 bei Fehlfunktion bzw. zur Überstimmung der ersten Schnittstelle 130 durch Abtrennung der Funktionalität von der ersten Schnittstelle 130.
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Die Abschalteinrichtung 145 kann mehrere Abschaltsignale akzeptieren. Ein Abschaltsignal kann von der Steuervorrichtung 135 bereitgestellt werden, wenn diese beispielsweise einen Fehlerzustand bestimmt. Ein zweites Abschaltsignal kann von einer Spannungsüberwachung 170 stammen, wobei das zweite Abschaltsignal bereitgestellt werden kann, wenn eine Spannung des Zwischenkreises am Zwischenkreiskondensator 180, aus dem die Brückenschaltungen 115 gespeist werden oder der Spannungsversorgung 128 einen vorbestimmten Wert unterschreitet oder einen anderen vorbestimmten Wert überschreitet. In der vorliegenden Ausführungsform sind zusätzliche, optionale Steuerverbindungen dargestellt, die zum Austauschen von Signalen oder Zuständen insbesondere mit der Steuervorrichtung 135 vorgesehen und entsprechend benannt sind.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Steuern einer elektrischen Maschine 105, die mittels eines Wechselrichters 110 der Art von 1 verbunden ist. Das Verfahren 200 kann ganz oder in Teilen mittels des Wechselrichters110, insbesondere dessen Abschalteinrichtung 145 durchgeführt werden. Dazu kann die Abschalteinrichtung einen programmierbaren Mikrocomputer oder Mikrocontroller umfassen und das Verfahren 200 kann in Form eines Computerprogrammprodukts mit Programmcodemitteln vorliegen. Merkmale, Optionen oder Vorteile des Verfahrens 200 können auf den Wechselrichter 110 bzw. die Abschalteinrichtung 145 übertragen werden und umgekehrt.
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In einem ersten Schritt 205 kann ein Fehlerzustand bestimmt werden. Der Fehlerzustand kann beispielsweise durch die Steuervorrichtung 135, die Spannungsüberwachung 170 oder die Abschalteinrichtung 145 bestimmt werden. In jedem Fall kann ein Abschaltsignal bestimmt werden, das eine Anforderung umfasst, die elektrische Maschine 105 in einen sicheren Zustand zu bringen.
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In einem optionalen Schritt 210 kann eine Funktionsfähigkeit der Stromventile 120,125 bestimmt werden. Insbesondere kann überprüft werden, ob eines der Stromventile 120, 125 nicht öffnen oder nicht schließen kann. Auf der Basis eines Bestimmungsergebnisses kann in einem Schritt 215 bestimmt werden, ob der sichere Zustand durch Schließen der ersten Stromventile 120 oder durch Schließen der zweiten Stromventile 125 gesteuert werden soll. Kann eines der Stromventile 120, 125 nicht geöffnet werden, so sollen alle korrespondierenden Stromventile 120, 125 geschlossen werden. Kann eines der Stromventile 120, 125 nicht geschlossen werden, so sollen alle nicht korrespondierenden Stromventile 120, 125 geschlossen werden. Sind alle Stromventile 120, 125 in Ordnung, so kann eine Voreinstellung verwendet werden oder eine zufällige Auswahl entweder der ersten oder der zweiten Stromventile 120, 125 getroffen werden. Weist das im Schritt 205 bestimmte Abschaltsignal darauf hin, welche der Stromventile 120, 125 geschlossen werden sollen, um die Maschine 105 in den sicheren Zustand zu bringen, so kann die Überprüfung im Schritt 210 ausgelassen werden. In einer anderen Ausführungsform kann das Ergebnis der Überprüfung die über das Abschaltsignal empfangene Anforderung überstimmen.
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In einem Schritt 220 kann der sichere Zustand gesteuert werden, indem die zuvor bestimmten ersten Stromventile 120 oder die zuvor bestimmten zweiten Stromventile 125 geschlossen werden. In einer Ausführungsform werden Steuersignale, die über die erste Schnittstelle 130 bereitgestellt werden, außer Kraft gesetzt, überstimmt oder abgeschaltet. Außerdem kann ein Signal nach außen bereitgestellt werden, das auf das Ansteuern des sicheren Zustands hinweist. Optional umfasst das Signal eine Angabe, welche Stromventile 120, 125 geschlossen werden. Das Signal kann insbesondere an die Steuervorrichtung 135 bereitgestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- System
- 105
- elektrische Maschine
- 110
- Wechselrichter
- 115
- Brückenschaltung
- 120
- erstes Stromventil (High Side Switch)
- 125
- zweites Stromventil (Low Side Switch)
- 128
- Spannungsversorgung (z.B. LDO)
- 130
- erste Schnittstelle
- 135
- Steuervorrichtung
- 140
- zweite Schnittstelle
- 145
- Abschalteinrichtung
- 150
- erster Treiber
- 155
- zweiter Treiber
- 160
- Diode
- 165
- Schalter
- 170
- Spannungsüberwachung
- 180
- Zwischenkreiskondensator
- 200
- Verfahren
- 205
- Bestimmen eines Fehlerzustands
- 210
- Bestimmen Funktionsfähigkeit der Stromventile
- 215
- Bestimmen aktiver Kurzschluss
- 220
- Ansteuern aktiver Kurzschluss
