DE102017223156A1 - Mess-PWM ohne Verfälschung der Phasenspannung - Google Patents

Mess-PWM ohne Verfälschung der Phasenspannung Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Strommessung eines 3-phasigen Wechselrichters mit einem Strommesselement an dem ein Strommesssignal abgegriffen wird beschrieben, wobei eine erste PWM (27) für die erste Phase, eine zweite PWM (26) für die zweite Phase und eine dritte PWM (28) für die dritte Phase vorliegen, wobei die erste, zweite und dritte PWM (26, 27, 28) jeweils mit einer Offset-Spannung (19) aufmoduliert werden.

Description

  • Stand der Technik
  • Im Stand der Technik ist die Modulation der Wechselrichterausgangsspannung bekannt. Hierbei werden unterschiedliche Ziele verfolgt. Beispielsweise kann ein Sägezahnsignal auf die Klemmenspannungen aufmoduliert werden, um die effektive Phasenspannung erhöhen zu können.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Bei einer Strommessung mit einem Shunt ist es erforderlich, dass ein Stromfluss vorliegt. Wird der Stromkreis durch einen Schalter, beispielweise einen Power-Mosfet gesteuert, muss der entsprechende Mosfet leitend geschaltet sein. Liegen hohe PWM-Aussteuergrade vor oder ein Übersprechen aufgrund von Schalthandlungen in benachbarten Schaltkreisen, kann sich eine Verfälschung der Strommessung ergeben. Es wird daher die größtmögliche PWM begrenzt, um entsprechende Fehlmessungen ausschließen zu können. Nachteilig hierbei ist, dass sich aufgrund der Begrenzung des PWM-Aussteuerungsgrads eine Leistungseinbuße ergibt.
  • Bei einer Strommessung sollte die PWM-Aussteuerung nicht eingeschränkt werden, da ansonsten die Leistungsabgabe reduziert wird. Zum anderen sollte aufgrund der Strommessung der sinusförmige Verlauf nicht abgeändert werden, da sich ansonsten eine Geräuschentwicklung einstellt. Es sollte keine Messung erfolgen bei Schaltflanken, da dies die Strommessung verfälscht. Das PWM-Tastverhältmnis sollte unter einem Schwellwert sein, beispielsweise unter 92% sein. Grundsätzlich zu vermeiden bei einem Messeingriff zur Strommessung ist eine störende Geräuschentwicklung.
  • Besonders nachteilig ist es, falls sich eine Strommessung ergibt, die synchron mit dem Reglertakt ist und falls eine PWM-Begrenzung bei der Strommessung durchgeführt wird. In diesem Fall kommt es zu Anregungen mit der Frequenz f_noise=1/T_Regler. Diese Frequenz kann akustisch wahrgenommen werden.
  • Eine Aufgabe ist es daher, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei dem eine Strommessung ohne Leistungseinschränkung und ohne Geräuschentwicklung möglich ist.
  • Als erste Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Strommessung eines 3-phasigen Wechselrichters mit einem Strommesselement an dem ein Strommesssignal abgegriffen wird zur Verfügung gestellt, wobei eine erste PWM für die erste Phase, eine zweite PWM für die zweite Phase und eine dritte PWM für die dritte Phase vorliegen, wobei die erste, zweite und dritte PWM jeweils mit einer Offset-Spannung aufmoduliert werden, umfassend die Schritte: in einem ersten Winkelbereich Aufmodulieren der Offset-Spannung auf die erste, die zweite und die dritte PWM, sodass die erste PWM bei 100% ist, in einem darauffolgenden Winkelbereich Aufmodulieren der Offset-Spannung auf die erste, die zweite und die dritte PWM, sodass weder die erste, noch die zweite noch die dritte PWM größer als a% ist und dass die erste, die zweite und die dritte PWM immer größer oder gleich 0% sind, in einem weiteren darauffolgenden Winkelbereich Aufmodulieren der Offset-Spannung auf die erste, die zweite und die dritte PWM, sodass die zweite PWM bei 100% ist, in einem weiteren darauffolgenden Winkelbereich Aufmodulieren der Offset-Spannung auf die erste, die zweite und die dritte PWM, sodass weder die erste, noch die zweite noch die dritte PWM größer als a% ist und dass die erste, die zweite und die dritte PWM immer größer oder gleich 0% sind, in einem weiteren darauffolgenden Winkelbereich Aufmodulieren der Offset-Spannung auf die erste, die zweite und die dritte PWM, sodass die dritte PWM bei 100% ist, und in einem weiteren darauffolgenden Winkelbereich Aufmodulieren der Offset-Spannung auf die erste, die zweite und die dritte PWM, sodass weder die erste, noch die zweite noch die dritte PWM größer als a% ist und dass die erste, die zweite und die dritte PWM immer größer oder gleich 0% sind, wobei a% derart gewählt ist, dass ein Schaltvorgang des Wechselrichters und eine Strommessung nicht gleichzeitig stattfinden.
  • Durch eine zeitliche Entflechtung des Schaltens des Wechselrichters und der Strommessungen wird eine Verfälschung der Strommessung vermieden.
  • Als zweite Ausführungsform der Erfindung wird ein Steuergerät eines Lenksystems mit einer Recheneinheit zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Verfügung gestellt.
  • Als dritte Ausführungsform der Erfindung wird ein Lenksystem mit einem Steuergerät nach Anspruch 9 zur Verfügung gestellt.
  • Als vierte Ausführungsform der Erfindung wird ein System zur Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Verfügung gestellt, wobei das System 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder beliebig viele Wechselrichter zur Ansteuerung von 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder beliebig vieler Elektromotoren aufweist, wobei ein Wechselrichter einem Elektromotor zugeordnet ist.
  • Beispielhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei das Strommesssignal stabil und/oder eingeschwungen ist.
  • Falls das Strommesssignal stabil ist, kann eine exakte Strommessung vorgenommen werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei sich der jeweilige Winkelbereich aus der Orientierung des Spannungsraumzeigers der Ausgangsspannung des Wechselrichters ergibt.
  • In einer noch weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei die Phasenströme jeweils mit einem Strommesselement, beispielsweise einem Shunt-Widerstand, einem Sense-Fet oder einem Hall-Element, gemessen werden und/oder wobei das Strommesselement in einem High-Side-Zweig oder einem Low-Side-Zweig oder einem Phasenabgang angeordnet ist.
  • In einer noch weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei 2 Phasenströme mit dem Strommesselement gemessen werden und wobei der nicht gemessene Phasenstrom mit der Kirchhoff schen Regel errechnet wird.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei die Phasenspannungen sinusförmig ausgeformt werden, um eine Geräuschentwicklung zu vermeiden.
  • In einer noch weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein System zur Verfügung gestellt, wobei die 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder beliebig viele Elektromotoren eine gemeinsame Welle aufweisen.
  • Als eine Idee der Erfindung kann angesehen werden, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das eine hohe Aussteuerung eines Wechselrichters bei Vermeiden einer Geräuschentwicklung ermöglicht. Hierzu wird eine geeignete Offsetspannung auf die PWM der einzelnen Halbbrücken aufmoduliert.
  • Die einzelnen Merkmale können selbstverständlich auch untereinander kombiniert werden, wodurch sich zum Teil auch vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.
  • Es zeigen:
    • 1 eine dreiphasige Brückenschaltung, die als Wechselrichter zur Ansteuerung des Elektromotors 11 vorgesehen ist. Der Elektromotor 11 weist drei Phasen U, V, W auf. Es handelt sich daher um einen n•3-phasigen Wechselrichter mit n=1. Die Phasen U, V, W werden von Schaltern 2, 3, 4, 5, 6, 7 beschaltet, wobei es sich bei den Schaltern 2, 3, 4 um solche der Highside und bei den Schaltern 5, 6, 7 um diejenigen der Lowside handelt.
    • 2 zeigt die PWM 12, 13, 14 der drei Phasen U, V und W und eine sägezahnförmige Offsetspannung 15. Die Sägezahnspannung 15 ist eine Offset-Spannung und wird auf die Phasenspannungen aufmoduliert, um die effektive Phasenspannung zu erhöhen.
    • 3 zeigt die Phasenspannungen 16, 17 und 18, die sich aufgrund der aufmodulierten Offsetspannung 15 als sinusförmige Spannungen für die Phasen U, V und W ergeben. Aufgrund der Sinusförmigkeit der Phasenspannungen 16, 17 und 18 ergibt sich keine akustische Anregung. Es entsteht keine Geräuschentwicklung.
    • 4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorgehensweise, wobei eine Strommessung im Low-Side-Zweig vorgenommen wird. Hierbei wird eine Offset-Spannung 19 auf die PWM 26, 27, 28 der Phasen U, V und W aufmoduliert. Die Offset-Spannung 19 zeichnet sich insbesondere durch einen Abfall der Spannung in Bereichen 20, 23 und 25 aus. Außerdem bewirkt die Offset-Spannung 19, dass alternierend die PWM 26, 27, 28 in Bereichen 21, 22 und 24 einen Aussteuerungsgrad von 100% aufweisen.
  • Die Offset-Spannung 19 ist dabei derart ausgebildet, dass die PWM einer ersten Phasenspannung 100% ist. In dieser Phase finden keine Schalthandlungen statt. Beim Übergang auf die nächste Phase wird durch die Offset-Spannung 19 eine Verschiebung aller PWM-Signale derart vorgenommen, dass eine zweite PWM 0% ist. Hiermit werden PWM-Aussteuergrade zwischen 90% und 100% vermieden, bei denen sich eine Verfälschung der Strommessung ergeben kann.
  • Die Berechnung der Phasenströme ergibt sich beispielsweise mit Hilfe des Kirchhoff' schem Gesetz, wobei nur n-1 von n Phasenströmen gemessen werden müssen. Der übrig bleibende Phasenstrom kann errechnet werden.
  • 4 zeigt mehrere Zeitabschnitte, die durch die Offset-Spannung 19 unterschieden werden können. In einem ersten Zeitabschnitt 21 wird eine erste PWM 27 derart durch die Offsetspannung 19 moduliert, dass die PWM 100% ist. In einem zweiten Zeitabschnitt 20 werden die PWMs 26, 27, 28 derart moduliert, dass die dritte PWM 28 zu Null wird. In einem darauffolgenden Zeitabschnitt 22 wird durch die Modulation die zweite PWM 26 zu 100%. In einem nächsten Zeitabschnitt 23 wird die erste PWM 27 zu Null aufgrund der Modulation mit der Offset-Spannung 19. In dem Zeitabschnitt 24 wird die dritte PWM 28 zu 100% moduliert. In einem letzten Zeitabschnitt 25 wird die zweite PWM 26 zu Null gesetzt.
  • In der 4 ist mit a% der sprungartige Übergang der Bereiche 21 zu 20, 22 zu 23 und 24 zu 25 dargestellt, wobei eine jeweilige Phase, die bei 100% ist um diesen Prozentsatz erniedrigt wird. Durch diese Verringerung der PWMs wird verhindert, dass ein Schaltvorgang des Wechselrichters und eine Strommessung zur gleichen Zeit stattfinden.
  • Aufgrund des alternierenden zu 100% bzw. zu 0% Setzens der PWMs ergibt sich kein Aussteuerungsgrad von zwischen 90% und 100% des betreffenden Wechselrichters, wobei eine Strommessung mit einem Shunt in einem jeweiligen Zweig des Wechselrichters nicht verfälscht wird und eine Geräuschentwicklung vermieden werden kann.
  • Falls eine Strommessung im High-Side-Zweig durchgeführt wird, vertauscht sich die Offset-Richtung: statt 0% wird ein Offset von 100% verwendet und statt einem bisherigen Offset von 100% muss ein Offset von 0% angesetzt werden.
  • Erfolgt die Strommessung im Phasenabgang sind beide Varianten möglich.
  • 5 zeigt die sinusförmigen Phasenspannungen 16, 17, 18 bei dem erfindungsgemäßen Verfahren. Aufgrund des sinusförmigen, symmetrischen und gleichförmigen Verlaufs der Phasenspannungen wird sich keine nachteilige Geräuschentwicklung ergeben.
  • Es sei angemerkt, dass der Begriff „umfassen“ weitere Elemente oder Verfahrensschritte nicht ausschließt, ebenso wie der Begriff „ein“ und „eine“ mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließt.
  • Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegeben wird.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Strommessung eines 3-phasigen Wechselrichters mit einem Strommesselement an dem ein Strommesssignal abgegriffen wird, wobei eine erste PWM (27) für die erste Phase, eine zweite PWM (26) für die zweite Phase und eine dritte PWM (28) für die dritte Phase vorliegen, wobei die erste, zweite und dritte PWM (26, 27, 28) jeweils mit einer Offset-Spannung (19) aufmoduliert werden, umfassend die Schritte: in einem ersten Winkelbereich (21) Aufmodulieren der Offset-Spannung (19) auf die erste, die zweite und die dritte PWM (26, 27, 28), sodass die erste PWM (27) bei 100% ist, in einem darauffolgenden Winkelbereich (20) Aufmodulieren der Offset-Spannung (19) auf die erste, die zweite und die dritte PWM (26, 27, 28), sodass weder die erste, noch die zweite noch die dritte PWM (26, 27, 28) größer als a% ist und dass die erste, die zweite und die dritte PWM (26, 27, 28) immer größer oder gleich 0% sind, in einem weiteren darauffolgenden Winkelbereich (22) Aufmodulieren der Offset-Spannung (19) auf die erste, die zweite und die dritte PWM (26, 27, 28), sodass die zweite PWM (26) bei 100% ist, in einem weiteren darauffolgenden Winkelbereich (23) Aufmodulieren der Offset-Spannung (19) auf die erste, die zweite und die dritte PWM (26, 27, 28), sodass weder die erste, noch die zweite noch die dritte PWM (26, 27, 28) größer als a% ist und dass die erste, die zweite und die dritte PWM (26, 27, 28) immer größer oder gleich 0% sind, in einem weiteren darauffolgenden Winkelbereich (24) Aufmodulieren der Offset-Spannung (19) auf die erste, die zweite und die dritte PWM (26, 27, 28), sodass die dritte PWM (28) bei 100% ist, und in einem weiteren darauffolgenden Winkelbereich (25) Aufmodulieren der Offset-Spannung (19) auf die erste, die zweite und die dritte PWM (26, 27, 28), sodass weder die erste, noch die zweite noch die dritte PWM (26, 27, 28) größer als a% ist und dass die erste, die zweite und die dritte PWM (26, 27, 28) immer größer oder gleich 0% sind, wobei a% derart gewählt ist, dass ein Schaltvorgang des Wechselrichters und eine Strommessung nicht gleichzeitig stattfinden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Strommesssignal stabil und/oder eingeschwungen ist.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei sich der jeweilige Winkelbereich aus der Orientierung des Spannungsraumzeigers der Ausgangsspannung des Wechselrichters ergibt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Phasenströme jeweils mit einem Strommesselement, beispielsweise einem Shunt-Widerstand, einem Sense-Fet oder einem Hall-Element, gemessen werden und/oder wobei das Strommesselement in einem High-Side-Zweig oder einem Low-Side-Zweig oder einem Phasenabgang angeordnet ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei 2 Phasenströme mit dem Strommesselement gemessen werden und wobei der nicht gemessene Phasenstrom mit der Kirchhoff schen Regel errechnet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Phasenspannungen sinusförmig ausgeformt werden, um eine Geräuschentwicklung zu vermeiden.
  7. System zur Anwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System zumindest einen Wechselrichter zur Ansteuerung von zumindest einem Elektromotor aufweist.
  8. System nach Anspruch 7, wobei das System mehrere Wechselrichter zur Ansteuerung von mehreren Elektromotoren aufweist und die Elektromotoren eine gemeinsame Welle aufweisen.
  9. Steuergerät eines Lenksystems mit einer Recheneinheit zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
  10. Lenksystem mit einem Steuergerät nach Anspruch 9.
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