DE102018217977A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Anpassen von PWM-Werten einer feldorientierten Regelung einer elektrischen Maschine - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Anpassen von PWM-Werten einer feldorientierten Regelung einer elektrischen Maschine Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Anpassen von PWM-Werten einer feldorientierten Regelung einer elektrischen Maschine, umfassend die Schritte: Bereitstellen eines ersten, zweiten und dritten PWM-Eingangswertes; Vergleichen des ersten PWM-Eingangswertes mit einem ersten Schwellenwert; Setzen des ersten PWM-Ausgangswertes auf einen Maximalwert, falls der erste PWM-Eingangswert größer als der erste Schwellenwert ist; Berechnen einer Differenz aus dem ersten PWM-Ausgangswert und dem ersten PWM-Eingangswert; Setzen eines zweiten PWM-Ausgangswertes auf eine Summe aus dem zweiten PWM-Eingangswert und der Differenz; Setzen eines dritten PWM-Ausgangswertes auf eine Summe aus dem dritten PWM-Eingangswert und der Differenz; und Ausgeben des ersten, zweiten und dritten PWM-Ausgangswertes an einen Wechselrichter.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anpassen von PWM-Werten einer feldorientierten Regelung einer elektrischen Maschine.
  • Im Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen zum Anpassen von PWM-Werten einer feldorientierten Regelung einer elektrischen Maschine prinzipiell bekannt. Dabei wird üblicherweise ein PWM-Wert auf einen Minimalwert bzw. Maximalwert gesetzt, wenn der PWM-Wert innerhalb einer Sperrzeit liegt.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Anpassen von PWM-Werten einer feldorientierten Regelung einer elektrischen Maschine anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Anpassen von PWM-Werten einer feldorientierten Regelung einer elektrischen Maschine. Das Verfahren umfasst einen Schritt eines Bereitstellens eines ersten, zweiten und dritten PWM-Eingangswertes. Dieser Schritt wird typischerweise durch eine Bereitstellungsvorrichtung vorgenommen. Weiter umfasst das Verfahren ein Vergleichen des ersten PWM-Eingangswertes mit einem ersten Schwellenwert. Das Vergleichen erfolgt dabei typischerweise durch eine erste Vergleichsvorrichtung. In einem weiteren Schritt umfasst das Verfahren ein Setzen des ersten PWM-Ausgangswertes auf einen Maximalwert, falls der erste PWM-Eingangswert größer als der erste Schwellenwert ist, und ein Setzen des ersten PWM-Ausgangswertes auf den ersten PWM-Eingangswert, falls der erste PWM-Eingangswert nicht größer als der erste Schwellenwert ist. Diese Schritte erfolgen typischerweise durch eine Anpassungsvorrichtung. In einem weiteren Schritt umfasst das Verfahren ein Berechnen einer Differenz aus dem ersten PWM-Ausgangswert und dem ersten PWM-Eingangswert. Das Berechnen erfolgt dabei typischerweise durch eine Berechnungsvorrichtung. Die Differenz kann dabei insbesondere null sein, wenn beispielsweise der erste PWM-Ausgangswert zuvor auf den ersten PWM-Eingangswert gesetzt worden ist. Das Verfahren umfasst weiter die Schritte eines Setzens eines zweiten PWM-Ausgangswertes auf eine Summe aus dem zweiten PWM-Eingangswert und der Differenz, sowie eines Setzens eines dritten PWM-Ausgangswertes auf eine Summe aus dem dritten PWM-Eingangswert und der Differenz. Auch diese Schritte erfolgen typischerweise durch die Anpassungsvorrichtung. Dabei kann die Summe aus dem zweiten bzw. dritten PWM-Eingangswert und der Differenz auch gleich dem zweiten bzw. dritten PWM-Eingangswert sein, wenn die Differenz wie oben beschrieben null ist. In einem weiteren Schritt umfasst das Verfahren ein Ausgeben des ersten, zweiten und dritten PWM-Ausgangswertes an einen Wechselrichter. Das Ausgeben erfolgt typischerweise an einem Vorrichtungsausgang.
  • Das Berechnen einer ersten Differenz aus dem ersten PWM-Ausgangswert und dem ersten PWM-Eingangswert bedeutet dabei, dass der erste PWM-Eingangswert von dem ersten PWM-Ausgangswert abgezogen wird. Dabei kann eine positive Differenz, eine negative Differenz oder null herauskommen.
  • Eine feldorientierte Regelung einer elektrischen Maschine stellt dabei typischerweise drei PWM-Werte bereit, die aus Sollwerten und aus Messwerten einer dreiphasigen Wicklung der elektrischen Maschine ermittelt werden. Die drei PWM-Werte werden an einen Wechselrichter zum Betrieb einer dreiphasigen Wicklung der elektrischen Maschine bereitgestellt. Dabei ist der erste PWM-Eingangswert der größte der drei PWM-Werte, der zweite PWM-Eingangswert der mittlere der drei PWM-Werte, und der dritte PWM-Eingangswert der kleinste der drei PWM-Werte.
  • Dabei ist der Wechselrichter eine Vorrichtung zur Erzeugung eines dreiphasigen Wechselstroms, beispielsweise eines Dreiphasen-Drehstroms, aus einem konstanten Gleichstrom. Der Gleichstrom wird dabei in den meisten Anwendungen, beispielsweise in einem Automobil, durch einen Akkumulator bereitgestellt.
  • Die drei Phasen steuert der Wechselrichter mittels dreier Halbbrücken an. Eine Halbbrücke besteht aus einem Anschluss für die Phase, der über einen ersten Schalter mit einem positiven Potential verbunden ist, und durch einen zweiten Schalter mit einem negativen Potential verbunden ist. Das positive Potential wird dabei für alle Halbbrücken gemeinsam an einem Pol einer Gleichspannungsquelle zur Verfügung gestellt, das negative Potential an dem anderen Pol der Gleichspannungsquelle. Die Spannung zwischen dem positiven Potential und dem negativen Potential wird auch Zwischenkreisspannung genannt.
  • Die Schalter, auch Stromventile genannt, können beispielsweise als MOSFET, IGBT, Thyristoren, oder GTO ausgeführt werden. Daher dürfen die beiden Schalter einer Halbbrücke zu keiner Zeit gleichzeitig geschlossen sein, da dies einen Kurzschluss der Gleichspannungsquelle zur Folge hätte, der die Halbleiterbauteile zerstören Würde. Um einen Kurzschluss zu verhindern, wird der zweite Schalter üblicherweise mit einem gegenüber dem ersten Schalter inversen Signal betrieben. Dabei werden bei einem Umschaltvorgang für die Dauer einer Sperrzeit, auch Totzeit genannt, beide Schalter geschlossen. Somit kann jede Halbbrücke mit einem Signal gesteuert werden.
  • Um einer Phase einen gewünschten Spannungsverlauf aufzuprägen, wird ein Pulsweitenmodulationsverfahren zur Steuerung der entsprechenden Schaltbrücke eingesetzt. Dabei wird die Schaltbrücke in einem ersten Schaltzustand geschaltet und nach einem bestimmten Anteil eines Schaltzyklus in einen zweiten Schaltzustand umgeschaltet. Der Anteil eines Schaltzyklus, nach welchem der Schalter umgeschaltet wird, wird mit einem PWM-Wert zwischen 0 und 1 angegeben, und bestimmt, wie lange die Phase mit dem positiven Potential verbunden ist, und wie lange die Phase mit dem negativen Potential verbunden ist. Daraus ergibt sich, welches Potential für die Dauer des Schaltzyklus, oder der Schaltperiode, auf der entsprechenden Phase anliegt. Sind die Schaltperioden hinreichend kurz, lässt sich somit ein Spannungsverlauf auf die Phase aufprägen. Hochfrequente Anteile des Spannungsverlaufs, die sich aus der abwechselnden Beaufschlagung der Phase mit einem positiven Potential und einem negativen Potential ergeben, fallen dabei aufgrund der Tiefpass-Charakteristik elektrischer Maschinen annäherungsweise weg.
  • Zur feldorientierten Regelung der elektrischen Maschine ist eine Information über die Regelgrößen für jede Regelperiode notwendig. Zu diesen gehören die Zwischenkreisströme, die über die einzelnen Phasen fließen. Hierzu können Stromsensoren über den Phasen eingesetzt werden. Da alle Halbbrücken bei dem Zwischenkreispotential zusammengeschaltet sind, genügen dabei zwei Stromsensoren zur Bestimmung der drei Phasenströme. Dabei werden zwei Phasenströme mit entsprechenden Stromsensoren gemessen. Der dritte Strom ergibt sich mit der Knotenregel aus den zwei gemessenen Strömen, da die Summe der drei Ströme null ergibt. Insbesondere bei kleinen und günstigen Motoren, wie beispielsweise Servomotoren oder Servolenkung oder als Stellmotor, kann allerdings auch lediglich ein Stromsensor verwendet werden. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass mit jedem der Pole über die Halbbrücken zu bestimmten Zeitpunkten eine Phase, zu anderen Zeitpunkten aber zwei Phasen verbunden sind. Anstatt je eine Messung an zwei Stromsensoren vorzunehmen, können daher zwei Messungen an einem Stromsensor zu unterschiedlichen Zeitpunkten vorgenommen werden. Damit die tatsächlichen Phasenströme aus den gemessenen Strömen zuverlässig berechnet werden können, müssen die Messungen zeitlich nah beieinander, nämlich in einer gemeinsamen Schaltperiode erfolgen.
  • Für die Abtastung des Zwischenkreisstromes in zwei unterschiedlichen Zeitpunkten innerhalb einer Schaltperiode des Wechselrichters benötigt man einen Mindestzeitabstand zwischen zwei benachbarten Schaltflanken des Wechselrichters, um eine saubere Strommessung durchzuführen. Im Wechselrichter sind Streu-Induktivitäten sowie kleine Kapazitäten vorhanden. Diese verursachen bei jeder Schaltflanke, infolge des Umschaltens einer Halbbrücke, ein schwingendes Verhalten, was erst nach einer gewisser Zeit ausklingt. Um nicht während dieses Einschwingverhaltens den Strom falsch abzutasten, muss folglich ein zeitlicher Abstand zwischen zwei Umschaltvorgängen gewahrt werden.
  • In einer Schaltperiode sind zu Beginn üblicherweise alle drei Schalter in einem ersten Schaltzustand. Nach Ablauf eines Anteils der Schaltperiodendauer, der durch einen kleinsten der drei PWM-Werte für diese Schaltperiode angegeben wird, wird der zu dem kleinsten PWM-Wert gehörige Schalter umgeschaltet. Nach Ablauf eines Anteils der Schaltperiodendauer, der durch einen mittleren der drei PWM-Werte für diese Schaltperiode angegeben wird, wird auch der zu dem mittleren PWM-Wert gehörige Schalter umgeschaltet. Nach Ablauf eines Anteils der Schaltperiodendauer, der durch einen größten der drei PWM-Werte für diese Schaltperiode angegeben wird, wird auch der zu dem größten PWM-Wert gehörige Schalter umgeschaltet. Dabei darf das Umschalten des zu dem größten PWM-Wert gehörigen Schalters nicht zu nah am Ende der Schaltperiode und damit dem Anfang einer darauffolgenden Schaltperiode liegen. Vielmehr muss mindestens eine Totzeit, oder Sperrzeit, dazwischen liegen, um einen Kurzschluss der Zwischenkreisspannung zu vermeiden.
  • Die von einem PWM-Generator erzeugten drei PWM-Werte werden von dem Verfahren angepasst und dann an den Wechselrichter ausgegeben.
  • Dabei wird der erste PWM-Ausgangswert auf den ersten PWM-Eingangswert gesetzt, falls der erste PWM-Eingangswert nicht größer als der erste Schwellenwert ist. Der erste Schwellenwert ist dabei ein Wert zwischen einem halben Maximalwert und dem Maximalwert. Wenn der erste PWM-Eingangswert kleiner als der erste Schwellenwert und somit in einem Bereich ist, in dem ein Schalten keine Probleme verursache, wird der PWM-Eingangswert somit direkt durchgereicht.
  • Falls der erste PWM-Eingangswert größer als der erste Schwellenwert ist, wird der erste PWM-Ausgangswert auf den Maximalwert gesetzt. Der Maximalwert ist dabei typischerweise 1,0 bzw. 100%. Dabei sind die PWM-Werte normiert auf eine Dauer eines Schalttaktes. Wenn ein PWM-Wert den Maximalwert annimmt, ergibt sich somit in dem betreffenden Schalttakt im Allgemeinen keine fallende Flanke. Der betreffende Schalter weist somit in diesem Schalttakt auch kein schwingendes Verhalten auf. Eine Sperrzeit, die auch Totzeit genannt wird, zwischen den Schaltflanken wird folglich nicht verletzt. Dazu ist der erste Schwellenwert vorzugsweise so gewählt, dass er nicht innerhalb der Totzeit am Ende der Schaltperiode liegt.
  • Das Vergleichen von PWM-Eingangswerten, oder PWM-Ausgangswerten, mit Schwellenwerten kann dabei in Form einer Hysterese, beispielsweise mittels eines Hystereseschalters erfolgen. Dabei wird ein Ergebnis des Vergleichs nur dann verändert, wenn die Abweichung eine vorbestimmte Hystereseschwelle überschreitet. Beispielsweise kann eine Hystereseschwelle 2% sein. Wenn somit beispielsweise in einem Schalttakt der erste PWM-Eingangswert um 5% größer als der erste Schwellenwert ist, kann ein Vergleich ergeben, dass der erste PWM-Eingangswert größer als der erste Schwellenwert ist. Wenn in einem nächsten Schalttakt der erste PWM-Eingangswert beispielsweise um 1% kleiner als der erste Schwellenwert ist, kann der Vergleich dennoch ergeben, dass der erste PWM-Eingangswert größer als der erste Schwellenwert ist, da die Differenz zwischen dem ersten PWM-Eingangswert und dem ersten Schwellenwert kleiner als die Hystereseschwelle ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die PWM-Ausgangswerte nicht in schneller Folge zwischen verschiedenen Werten hin- und herspringen. Beispielsweise können somit akustische Probleme vermindert werden.
  • Dadurch, dass der erste PWM-Ausgangswert auf den Maximalwert gesetzt wird, falls der erste PWM-Eingangswert größer als ein erster Schwellenwert ist, wird eine größtmögliche Spannungsausbeute erreicht, ohne die Randbedingungen der Feldorientierten Regelung, das heißt die Totzeiten bzw. Sperrzeiten zu Anfang des Schalttaktes und zum Ende der Schaltperiode, zu verletzten. Dadurch, dass in diesem Fall der zweite und der dritte PWM-Ausgangswert gegenüber dem zweiten und dem dritten PWM-Eingangswert wie beschrieben angepasst werden, wird eine Spannungsverzerrung dabei minimiert.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Setzen des zweiten PWM-Ausgangswertes ein Vergleichen des zweiten PWM-Ausgangswertes mit einem zweiten Schwellenwert und ein Vergleichen des zweiten PWM-Ausgangswertes mit einem dritten Schwellenwert. Das Setzen des zweiten PWM-Ausgangswertes umfasst dabei weiter ein Ändern des zweiten PWM-Ausgangswertes auf den Maximalwert, falls der zweite PWM-Ausgangswert größer als der zweite Schwellenwert ist, und ein Ändern des zweiten PWM-Ausgangswertes auf den ersten Schwellenwert, falls der zweite PWM-Ausgangswert größer als der dritte Schwellenwert und nicht größer als der zweite Schwellenwert ist.
  • Das heißt, dass das Setzen des zweiten PWM-Ausgangswertes zunächst ein Setzen des zweiten PWM-Ausgangswertes wie oben beschrieben auf eine Summe aus dem zweiten PWM-Eingangswert und der Differenz umfasst. Diese Summe wird, als zweiter PWM-Ausgangswert, dann mit dem dritten Schwellenwert verglichen. Der zweite PWM-Ausgangswert wird dann wie oben beschrieben unter Umständen auf den ersten Schwellenwert oder auf den Maximalwert geändert. Der Schritt des Ausgebens des zweiten PWM-Ausgangswertes gibt dann, wenn der zweite PWM-Ausgangswert geändert worden ist, diesen geänderten zweiten PWM-Ausgangswert aus. Wenn der PWM-Ausgangswert nicht geändert worden ist, gibt der Schritt des Ausgebens des zweiten PWM-Ausgangswertes den ursprünglich gesetzten zweiten PWM-Ausgangswert aus, der gleich der Summe aus dem zweiten PWM-Eingangswert und der Differenz ist.
  • Der dritte Schwellenwert ist dabei derjenige Wert, der gerade noch nicht in die Totzeit zum Ende der Schaltperiode fällt. Wenn die Totzeit zum Ende der Schaltperiode beispielsweise 10% der Schaltperiode in Anspruch nimmt, ist der dritte Schwellenwert typischerweise 0,9 bzw. 90%.
  • Der zweite Schwellenwert ist ein Wert, der zwischen dem dritten Schwellenwert und dem Maximalwert liegt. Vorzugsweise ist der zweite Schwellenwert dabei der Mittelwert des dritten Schwellenwertes und des Maximalwertes. Wenn die Totzeit zum Ende der Schaltperiode beispielsweise 10% der Schaltperiode in Anspruch nimmt, ist der dritte Schwellenwert typischerweise 0,95 bzw. 95%.
  • Dadurch, dass das Setzen des zweiten PWM-Ausgangswertes ein Vergleichen des zweiten PWM-Ausgangswertes mit einem zweiten und einem dritten Schwellenwert und ein Ändern des zweiten PWM-Ausgangswertes in Abhängigkeit von dem Vergleichen umfasst, ist sichergestellt, dass die Spannungsverzerrung minimiert wird, ohne die Randbedingungen der Feldorientierten Regelung zu verletzten. Insbesondere kann dadurch, dass der zweite Schwellenwert zwischen, typischerweise mittig zwischen, dem dritten Schwellenwert und dem Maximalwert liegt, der Spannungsvektor im Mittel über mehrere Schalttakte nur minimal verändert bleiben und somit die Spannungsverzerrung weiter minimiert werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Setzen des zweiten PWM-Ausgangswertes ein Vergleichen des zweiten PWM-Ausgangswertes mit einem vierten Schwellenwert und ein Vergleichen des zweiten PWM-Ausgangswertes mit einem fünften Schwellenwert. Das Setzen des zweiten PWM-Ausgangswertes umfasst dabei ein Ändern des zweiten PWM-Ausgangswertes auf einen Minimalwert, falls der zweite PWM-Ausgangswert kleiner als der fünfte Schwellenwert ist, und ein Ändern des zweiten PWM-Ausgangswertes auf den vierten Schwellenwert, falls der zweite PWM-Ausgangswert kleiner als der vierte Schwellenwert und nicht kleiner als der fünfte Schwellenwert ist.
  • Der Minimalwert ist dabei typischerweise 0,0 bzw. 0%. Dabei sind die PWM-Werte normiert auf eine Dauer eines Schalttaktes. Wenn ein PWM-Wert den Minimalwert annimmt, ergibt sich somit in dem betreffenden Schalttakt im Allgemeinen keine steigende Flanke.
  • Der vierte Schwellenwert ist dabei derjenige Wert, der gerade nicht mehr in die Totzeit zum Anfang der Schaltperiode fällt. Wenn die Totzeit zum Anfang der Schaltperiode beispielsweise 16% der Schaltberiode in Anspruch nimmt, ist der vierte Schwellenwert typischerweise 0,16 bzw. 16%.
  • Der fünfte Schwellenwert ist ein Wert, der zwischen dem Minimalwert und dem viertem Schwellenwert liegt. Vorzugsweise ist der fünfte Schwellenwert dabei der Mittelwert des Minimalwertes und des vierten Schwellenwertes. Wenn die Totzeit zum Anfang der Schaltperiode beispielsweise 16% der Schaltperiode in Anspruch nimmt, ist der fünfte Schwellenwert typischerweise 0,08 bzw. 8%.
  • Dadurch, dass das Setzen des zweiten PWM-Ausgangswertes ein Vergleichen des dritten PWM-Ausgangswertes mit einem vierten und einem fünften Schwellenwert und ein Ändern zweiten dritten PWM-Ausgangswertes in Abhängigkeit von dem Vergleichen umfasst, ist sichergestellt, dass die Spannungsverzerrung minimiert wird, ohne die Randbedingungen der Feldorientierten Regelung zu verletzten. Insbesondere kann dadurch, dass der fünfte Schwellenwert zwischen, typischerweise mittig zwischen, dem Minimalwert und dem vierten Schwellenwert liegt, der Spannungsvektor im Mittel über mehrere Schalttakte nur minimal verändert bleiben und somit die Spannungsverzerrung weiter minimiert werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Setzen des dritten PWM-Ausgangswertes ein Vergleichen des dritten PWM-Ausgangswertes mit dem vierten Schwellenwert und ein Vergleichen des dritten PWM-Ausgangswertes mit dem fünften Schwellenwert. Das Setzen des dritten PWM-Ausgangswertes umfasst dabei ein Ändern des dritten PWM-Ausgangswertes auf den Minimalwert, falls der dritte PWM-Ausgangswert kleiner als der fünfte Schwellenwert ist, und ein Ändern des dritten PWM-Ausgangswertes auf den vierten Schwellenwert, falls der dritte PWM-Ausgangswert kleiner als der vierte Schwellenwert und nicht kleiner als der fünfte Schwellenwert ist.
  • Dadurch, dass das Setzen des dritten PWM-Ausgangswertes ein Vergleichen des dritten PWM-Ausgangswertes mit einem vierten und einem fünften Schwellenwert und ein Ändern des dritten PWM-Ausgangswertes in Abhängigkeit von dem Vergleichen umfasst, ist sichergestellt, dass die Spannungsverzerrung minimiert wird, ohne die Randbedingungen der Feldorientierten Regelung zu verletzten. Insbesondere kann dadurch, dass der fünfte Schwellenwert zwischen, typischerweise mittig zwischen, dem Minimalwert und dem vierten Schwellenwert liegt, der Spannungsvektor im Mittel über mehrere Schalttakte nur minimal verändert bleiben und somit die Spannungsverzerrung weiter minimiert werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Schwellenwert identisch mit dem dritten Schwellenwert.
  • Somit ist der erste Schwellenwert wie der dritte Schwellenwert derjenige PWM-Wert, bei dem ein PWM-Signal gerade noch nicht in einer Sperrzeit bzw. Totzeit zum Ende der Schaltperiode, das heißt des Schalttaktes, liegt. Wenn beispielsweise die Sperrzeit zum Ende der Schaltperiode ein Zehntel der Schaltperiode in Anspruch nimmt und der Maximalwert 1,0 bzw. 100% ist, dann ist der erste Schwellenwert somit 0,1 bzw. 10%.
  • Dadurch, dass der erste Schwellenwert identisch mit dem dritten Schwellenwert ist, wird der erste PWM-Ausgangswert nur genau dann gegenüber dem ersten PWM-Eingangswert verändert, wenn der erste PWM-Eingangswert in eine Sperrzeit fallen würde. Somit wird eine Spannungsverzerrung nur so weit eingeführt, wie das nötig ist. Zusätzlich wird dadurch das Verfahren besonders einfach.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Bereitstellen der PWM-Eingangswerte ein Empfangen dreier PWM-Werte von einem PWM-Generator. Die empfangenen PWM-Werte werden nach ihrer Größe sortiert. Der erste PWM-Eingangswert wird auf den größten der drei empfangenen PWM-Werte gesetzt. Der zweite PWM-Eingangswert wird auf den mittleren der drei empfangenen PWM-Werte gesetzt. Der dritte PWM-Eingangswert wird auf den kleinsten der drei empfangenen PWM-Werte gesetzt. Dabei wird eine Zuordnung gespeichert. Beispielsweise seien die drei empfangenen PWM-Werte PWMa , PWMb und PWMc . Wenn nun PWMb der größte der empfangenen PWM-Werte ist, dann wird der erste PWM-Eingangswert auf PWMb gesetzt und gespeichert, dass PWMb dem ersten PWM-Eingangswert zugeordnet wurde. Somit kann der erste PWM-Ausgangswert wieder an die Phase ausgegeben werden, der PWMb ursprünglich zugeordnet war. Ebenso wird auch der zweite PWM-Ausgangswert nach der Anpassung an die Phase ausgegeben, für die der empfangene PWM-Wert vorgesehen war, auf den der zweite PWM-Eingangswert gesetzt wurde.
    Ebenso wird auch der dritte PWM-Ausgangswert nach der Anpassung an diejenige Phase ausgegeben, für die der empfangene PWM-Wert vorgesehen war, auf den der dritte PWM-Eingangswert gesetzt wurde.
  • Wenn dabei zwei PWM-Werte gleich groß sind, können diese PWM-Werte beliebig, beispielsweise zufällig, untereinander verteilt werden. Wenn beispielsweise ein empfangener PWM-Wert kleiner als zwei gleich große PWM-Werte ist, dann wird der dritte PWM-Eingangswert auf den kleineren PWM-Wert gesetzt, und der zweite und erste PWM-Eingangswert werden auf den anderen PWM-Wert gesetzt.
  • Dadurch, dass das Bereitstellen der PWM-Eingangswerte ein Empfangen und Sortieren von PWM-Werten wie beschrieben umfasst, können PWM-Eingangswerte besonders einfach bereitgestellt werden. Zusätzlich kann auch das Verfahren dadurch besonders einfach implementiert werden, da der erste PWM-Eingangswert immer vorhersehbar der größte PWM-Eingangswert und der dritte PWM-Eingangswert immer vorhersehbar der kleinste PWM-Eingangswert ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum Anpassen von PWM-Werten einer feldorientierten Regelung einer elektrischen Maschine. Die Vorrichtung umfasst eine Bereitstellungsvorrichtung, eine erste Vergleichsvorrichtung, eine Anpassungsvorrichtung, eine Berechnungsvorrichtung, und einen Vorrichtungsausgang. Dabei ist die Bereitstellungsvorrichtung ausgebildet zum Bereitstellen eines ersten, zweiten und dritten PWM-Eingangswertes an die erste Vergleichsvorrichtung. Die erste Vergleichsvorrichtung ist dabei ausgebildet zum Vergleichen des ersten PWM-Eingangswertes mit einem ersten Schwellenwert. Die Anpassungsvorrichtung ist ausgebildet zum Setzen des ersten PWM-Ausgangswertes auf einen Maximalwert, falls der erste PWM-Eingangswert größer als der erste Schwellenwert ist, und auf den ersten PWM-Eingangswert, falls der erste PWM-Eingangswert kleiner als der zweite Schwellenwert ist. Die Berechnungsvorrichtung ist ausgebildet zum Berechnen einer Differenz aus dem ersten PWM-Ausgangswert und dem ersten PWM-Eingangswert. Die Anpassungsvorrichtung ist weiter ausgebildet zum Setzen eines zweiten PWM-Ausgangswertes auf eine Summe aus dem zweiten PWM-Eingangswert und der Differenz, und zum Setzen eines dritten PWM-Ausgangswertes auf eine Summe aus dem dritten PWM-Eingangswert und der Differenz. Der Vorrichtungsausgang ist ausgebildet zum Ausgeben des ersten, zweiten und dritten PWM-Ausgangswertes an einen Wechselrichter.
  • Die elektrische Maschine ist ein Energiewandler, der die Eigenschaften der elektromagnetischen Wechselwirkung nutzt, um elektrische Energie in eine rotierende Bewegung umzuwandeln. Typischerweise ist die elektrische Maschine dabei eine elektrische Drehfeldmaschine, beispielsweise eine Asynchronmaschine, eine permanenterregte Synchronmaschine, oder eine andere elektrische Drehfeldmaschine.
  • Dabei ist eine Asynchronmaschine eine elektrische Drehfeldmaschine, die einen Rotor, sowie einen Stator mit mindestens einer ersten dreiphasigen Wicklung und einer zweiten dreiphasigen Wicklung aufweist. Eine dreiphasige Wicklung weist dabei drei elektrische Spulen auf, die üblicherweise um jeweils einen Winkel von 120° versetzt kreisförmig angeordnet sind. Die zweite dreiphasige Wicklung kann gegenüber der ersten dreiphasigen Wicklung um einen beliebigen Winkel versetzt sein, beispielsweise auch um einen Winkel von 0°. Die zweite dreiphasige Wicklung auf dem Stator dient dabei üblicherweise der Bereitstellung einer Redundanz, um die Ausfallsicherheit der Asynchronmaschine zu erhöhen. Die erste dreiphasige Wicklung ist von einer ersten Spannungsversorgung gespeist. Die zweite dreiphasige Wicklung ist häufig von einer zweiten Spannungsversorgung gespeist, die von einer ersten Spannungsversorgung verschieden ist, um die Ausfallsicherheit weiter zu erhöhen. Die zweite dreiphasige Wicklung kann jedoch auch von der ersten Spannungsversorgung gespeist sein.
  • Die elektrische Maschine wird dabei durch eine feldorientierte Regelung geregelt, wobei die Regelung aus Sollwerten und Messwerten der ersten dreiphasigen Wicklung einen Spannungsvektor bereitstellt.
  • Die erste Vergleichsvorrichtung kann dabei eine Hysterese-Vergleichsvorrichtung sein. Eine Hysterese-Vergleichsvorrichtung wird auch Hystereseschalter genannt. Der Ausgang einer Hysterese-Vergleichsvorrichtung kann dabei unter bestimmten Umständen gleich bleiben, obwohl die ursprünglich kleinere der zu vergleichenden Größen zu einer größeren der zu vergleichenden Größen wird. Dabei wird ein Ergebnis des Vergleichs erst dann verändert, wenn die Abweichung eine vorbestimmte Hystereseschwelle überschreitet. Beispielsweise kann eine Hystereseschwelle 2% sein. Wenn somit beispielsweise in einem Schalttakt der erste PWM-Eingangswert um 5% größer als der erste Schwellenwert ist, kann die Hysterese-Vergleichsvorrichtung ausgeben, dass der erste PWM-Eingangswert größer als der erste Schwellenwert ist. Wenn in einem nächsten Schalttakt der erste PWM-Eingangswert beispielsweise um 1% kleiner als der erste Schwellenwert ist, kann die Hysterese-Vergleichsvorrichtung dennoch ausgeben, dass der erste PWM-Eingangswert größer als der erste Schwellenwert ist, da der Abstand zwischen dem ersten PWM-Eingangswert und dem ersten Schwellenwert kleiner als die Hystereseschwelle ist. Wenn in einem weiteren Schalttakt der erste PWM-Eingangswert beispielsweise 3% kleiner als der erste PWM-Ausgangswert ist, kann die Hysterese-Vergleichsvorrichtung schließlich ausgeben, dass der erste PWM-Eingangswert kleiner als der erste PWM-Ausgangswert ist. Wenn in einem weiteren Schalttakt beispielsweise der erste PWM-Eingangswert erneut 2% größer als der erste PWM-Ausgangswert ist, kann die Hysterese-Vergleichsvorrichtung nun umgekehrt ausgeben, dass der erste PWM-Eingangswert kleiner als der erste PWM-Ausgangswert ist, da der Abstand zwischen dem ersten PWM-Eingangswert und dem ersten Schwellenwert kleiner als die Hystereseschwelle. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die PWM-Ausgangswerte nicht in schneller Folge zwischen verschiedenen Werten hin- und herspringen und somit eine glatte Spannungskurve ermöglicht wird. Beispielsweise können somit akustische Probleme vermindert werden.
  • Die Vorrichtung führt dabei im Wesentlichen das bereits beschriebene Verfahren aus.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Vergleichsvorrichtung weiter ausgebildet zum Vergleichen des zweiten PWM-Ausgangswertes mit einem zweiten Schwellenwert und zum Vergleichen des zweiten PWM-Ausgangswertes mit einem dritten Schwellenwert. Die Anpassungsvorrichtung ist dabei weiter ausgebildet zum Ändern des zweiten PWM-Ausgangswertes auf den Maximalwert, falls der zweite PWM-Ausgangswert größer als der zweite Schwellenwert ist, und auf den ersten Schwellenwert falls der zweite PWM-Ausgangswert größer als der dritte Schwellenwert und nicht größer als der zweite Schwellenwert ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiter eine zweite Vergleichsvorrichtung, die ausgebildet ist zum Vergleichen des zweiten PWM-Ausgangswertes mit dem vierten Schwellenwert, und zum Vergleichen des zweiten PWM-Ausgangswertes mit einem fünften Schwellenwert. Dabei ist die Anpassungsvorrichtung weiter ausgebildet zum Ändern des zweiten PWM-Ausgangswertes auf einen Minimalwert, falls der zweite PWM-Ausgangswert kleiner als der vierte Schwellenwert ist, und auf den fünften Schwellenwert, falls der zweite PWM-Ausgangswert kleiner als der fünfte Schwellenwert und größer als der vierte Schwellenwert ist.
  • Dabei kann die zweite Vergleichsvorrichtung eine von der ersten Vergleichsvorrichtung getrennten Vergleichsvorrichtung sein, oder mit der ersten Vergleichsvorrichtung in einer Vorrichtung integriert sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiter eine dritte Vergleichsvorrichtung, die ausgebildet ist zum Vergleichen des dritten PWM-Ausgangswertes mit dem vierten Schwellenwert und zum Vergleichen des dritten PWM-Ausgangswertes mit dem fünften Schwellenwert. Dabei ist die Anpassungsvorrichtung weiter ausgebildet zum Ändern des zweiten PWM-Ausgangswertes auf einen Minimalwert, falls der zweite PWM-Ausgangswert kleiner als der vierte Schwellenwert ist, und auf den fünften Schwellenwert, falls der zweite PWM-Ausgangswert kleiner als der fünfte Schwellenwert und größer als der vierte Schwellenwert ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Schwellenwert identisch mit dem dritten Schwellenwert.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Bereitstellungsvorrichtung weiter ausgebildet zum Empfangen dreier PWM-Werte von einem PWM-Generator. Die Bereitstellungsvorrichtung ist weiter ausgebildet, die empfangenen PWM-Werte der Größe nach zu sortieren, den ersten PWM-Eingangswert auf den größten der drei empfangenen PWM-Werte zu setzen, den zweiten PWM-Eingangswert auf den mittleren der drei empfangenen PWM-Werte zu setzen, und den dritten PWM-Eingangswert auf den kleinsten der drei empfangenen PWM-Werte zu setzen. Dabei ist die Zuordnung von empfangenen PWM-Werte zu PWM-Eingangswert umkehrbar. Beispielsweise kann die Bereitstellungsvorrichtung speichern, welcher PWM-Eingangswert mit welchem der empfangenen PWM-Werte belegt wurde, um bei der Ausgabe der PWM-Ausgangswerte am Vorrichtungsausgang die PWM-Ausgangswerte an den jeweils richtigen Phasen auszugeben.
  • Für die Vorteile wird zusätzlich auf das oben beschriebene Verfahren verwiesen.
  • Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher beschrieben, in denen
    • 1 ein Schaltbild eines Wechselrichters;
    • 2 ein Schaltbild einer feldorientierten Regelung gemäß dem Stand der Technik;
    • 3 einen Zeitverlauf dreier PWM-Schaltsignale;
    • 4 ein Schaltbild einer feldorientierten Regelung mir einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;
    • 5 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
    • 6 ein Verlaufsdiagramm von PWM-Werten über der Zeit;
    • 7 ein Spannungsvektordiagramm gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren sowie gemäß dem theoretischen Optimum;
    • 8 ein Spannungsvektordiagramm gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren sowie gemäß einem Verfahren aus dem Stand der Technik;
    • 9 ein Verlaufsdiagramm von PWM-Werten über der Zeit; und
    • 10 ein weiteres Spannungsvektordiagramm gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren sowie gemäß einem Verfahren aus dem Stand der Technik;
    darstellen.
  • Dabei bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Merkmale.
  • 1 zeigt exemplarisch und schematisch einen insbesondere als Pulswechselrichter ausgeführten Wechselrichter 220 mit einem Zwischenkreis, zu welchem ein Zwischenkreiskondensator 105 parallelgeschaltet ist. Der Wechselrichter 220 ist in B6-Brückenschaltung mit drei Halbbrücken gebildet, welche jeweils zwei Stromventile S1 und S2, S3 und S4, bzw. S5 und S6 umfasst. Die Stromventile S1 bis S6 sind bevorzugt jeweils in Form eines Halbleiters wie eines MOSFETs, IGBTs, Thyristors oder GTOs ausgebildet. Die angedeuteten Dioden sind optional und können von den betreffenden Halbleitern jeweils umfasst sein. Drei Leistungsschalter S1, S3, S5 des Wechselrichters 220 sind als High-Side-Leistungsschalter, drei Schalter S2, S4, S6 als Low-Side-Leistungsschalter angeordnet.
  • Die Schalter S1 bis S6 sind üblicherweise als Halbleiter realisiert. Das Ausschalten eines Halbleiters erfolgt nicht sprungförmig, sondern es benötigt eine sogenannte Totzeit t0 , bis alle Ladungen im Sperrbereich des Halbleiters ausgeräumt sind und der Halbleiter ganz ausgeschaltet ist. Diese Totzeit hängt von der Art des verwendeten Halbleiters ab und liegt zum Beispiel bei einem MOSFET unter 1 µs und beim IGBT zwischen 1 µs und 5 µs. Im Wechselrichter 220 dürfen die zwei komplementären Halbleiter in einer Phase, z. B. S1 und S2, niemals gleichzeitig eingeschaltet werden, um einen Kurzschluss im Zwischenkreis zu vermeiden, der zu einer Zerstörung des Zwischenkreiskondensators 105 oder der Halbleiter führen kann.
  • Aus diesem Grund wird in der Regel eine Verriegelzeit, auch Totzeit oder Sperrzeit genannt, zwischen dem Ausschalten eines Halbleiters, bis alle Ladungen ausgeräumt sind, und dem Einschalten des komplementären Halbleiters an der gleichen Phase U, V, W eingefügt.
  • Für die Durchführung der feldorientierten Regelung sind neben der Rotorposition und der Zwischenkreisspannung Udc Informationen über die Phasenströme erforderlich, um die Rückkopplung der zu regelnden Größe (d,q-Ströme) des Regelkreises zu gewährleisten. Dies bedeutet, dass Strommesssensoren zur Messung der Ströme benötigt werden. Üblicherweise werden dabei zwei Phasenströme (beispielsweise Is1 und Is2 ) gemessen und der dritte Phasenstrom durch die Gleichung Is3 = -Is1 - Is2 berechnet. In manche Anwendungen wird nur eine Strommessung für die Ermittlung der drei Phasenströme der Maschine verwendet. Dazu wird ein Gleichstrom IsSum anhand der an einem Shunt abfallenden Spannung bestimmt werden. Der Shunt hat bevorzugt einen sehr kleinen Widerstandswert, beispielsweise im Bereich von kleiner als ca. 1 mΩ. Um Phasenströme zu erhalten, wird der Strom IsSum zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten t1 und t2 abgetastet. Für beide Zeitpunkte wird jeweils die Phase mit dem kleinsten und dem zweitkleinsten (mittleren) PWM-Wert bestimmt.
  • 2 zeigt beispielhaft ein Schaltbild einer feldorientierten Regelung (FOR) für die elektrische Maschine 100. Eine Steuerkomponente 205 generiert auf der Basis von vorgegebenen d- und q-Komponenten eines Gesamt-Sollstroms Isd, Isq der elektrische Maschine 100 d- und q-Komponenten einer Spannung Usd, Usq. Die d- und q-Komponenten Isd, Isq spannen einen Stromvektor auf, der dem Gesamt-Sollstrom entspricht. Die in der Steuerkomponente 205 generierte und durch die d- und q-Komponenten Usd, Usq ausgedrückte Spannung wird mittels eines Umsetzers 210 vom d, q-Koordinatensystem in ein dreidimensionales Koordinatensystem, insbesondere das U, V, W-Koordinatensystem, umgesetzt. Dabei ergeben sich drei Spannungen Us1, Us2, Us3, die mittels eines PWM-Generators 215 in Gestalt eines Vektormodulators auf der Basis einer Zwischenkreisspannung Udc in drei korrespondierende Pulsweitenmodulationswerte PWM1, PWM2, und PWM3 umgesetzt werden. Die Zwischenkreisspannung Udc kann bei Einsatz in einem Kraftfahrzeug einer Bordspannung oder auch einer Batteriespannung entsprechen. Ein Pulswechselrichter 220 ist dazu eingerichtet, jede der Phasen U, V, W abwechselnd mit einem hohen und einem niedrigen Potential der Zwischenkreisspannung Udc zu verbinden, sodass sich an der Phase U, V, W eine gewünschte Spannung einstellt. Die angelegten Spannungen bewirken Ist-Phasenströme durch die Phasen U, V und W. Mindestens ein Ist-Phasenstrom wird mittels zumindest einer Abtasteinrichtung 225 abgetastet, welche auch Stromsensoren umfasst. Über einen Positionssensor 230 wird der elektrische Winkel Θel der PSM basierend auf der gemessenen mechanischen Rotorposition Θmech und der Polpaarzahl ermittelt. Um die gegenseitige Wirkung der beiden Ströme Isd und Isq zu kompensieren, können Entkopplungen 240 eingeführt werden.
  • 3 zeigt einen Zeitverlauf dreier PWM-Schaltsignale über zwei Schaltperioden. Dabei ist zu sehen, dass das ganz oben dargestellte PWM-Schaltsignal PWM1 zu Beginn der Schaltperiode auf 1 geschaltet und nach einer Zeit PWM1*TS auf 0 geschaltet wird. Dabei ist TS die Dauer einer Schaltperiode, und PWM1 ein PWM-Wert zwischen 0 und 1. Das in der Mitte dargestellte PWM-Schaltsignal PWM2 wird zu Beginn der Schaltperiode auf 1 geschaltet und nach einer Zeit PWM2*TS auf 0 geschaltet. Das ganz unten dargestellte PWM-Schaltsignal PWM3 wird zu Beginn der Schaltperiode auf 1 geschaltet und nach einer Zeit PWM3*TS auf 0 geschaltet.
  • Somit ist zu erkennen, dass alle drei PWM-Schaltsignale gleichzeitig zu Beginn der Schaltperiode auf 1 geschaltet werden. Infolgedessen ist zu Beginn der Schaltperiode für eine Sperrzeit ΔtMind ein Schalten eines PWM-Schaltsignals auf 0 nicht gestattet, da beispielsweise nicht ausgeschlossen werden könnte, dass ein Kurzschluss innerhalb des Zwischenkreises auftritt.
  • Ebenso ist zum Ende einer Schaltperiode eine Sperrzeit ΔtMind zu erkennen, während derer ein Schalten eines PWM-Schaltsignals auf 0 nicht gestattet ist, da dieses abermals zeitlich zu nah an dem Schalten aller PWM-Schaltsignale auf 1 zum Beginn der nächsten Schaltperiode wäre.
  • 4 zeigt ein Schaltbild einer feldorientierten Regelung mir einer Vorrichtung 250 gemäß der Erfindung. Eine Steuerkomponente 205 generiert auf der Basis von vorgegebenen d- und q-Komponenten eines Gesamt-Sollstroms Isd, Isq der elektrischen Maschine 100 d- und q-Komponenten einer Spannung Usd, Usq. Die d- und q-Komponenten Isd, Isq spannen einen Stromvektor auf, der dem Gesamt-Sollstrom entspricht. Die in der Steuerkomponente 205 generierte und durch die d- und q-Komponenten Usd, Usq ausgedrückte Spannung wird mittels eines Umsetzers 210 vom d, q-Koordinatensystem in ein dreidimensionales Koordinatensystem, insbesondere das U, V, W-Koordinatensystem, umgesetzt. Dabei ergeben sich drei Spannungen Us1, Us2, Us3, die mittels eines PWM-Generators 215 in Gestalt eines Vektormodulators auf der Basis einer Zwischenkreisspannung Udc in drei korrespondierende Pulsweitenmodulationswerte PWM1, PWM2, und PWM3 umgesetzt werden. Die PWM-Werte des PWM-Generators 215 werden dabei zunächst an die Vorrichtung 250 zum Anpassen von PWM-Werten einer feldorientierten Regelung einer elektrischen Maschine ausgegeben. Die Vorrichtung empfängt die PWM-Werte, passt sie bei Bedarf an und gibt die angepassten PWM-Ausgangswerte an den Wechselrichter 220 aus. Die Zwischenkreisspannung Udc kann bei Einsatz in einem Kraftfahrzeug einer Bordspannung oder auch einer Batteriespannung entsprechen. Ein Pulswechselrichter 220 ist dazu eingerichtet, jede der Phasen U, V, W abwechselnd mit einem hohen und einem niedrigen Potential der Zwischenkreisspannung Udc zu verbinden, sodass sich an der Phase U, V, W eine gewünschte Spannung einstellt. Die angelegten Spannungen bewirken Ist-Phasenströme durch die Phasen U, V und W. Mindestens ein Ist-Phasenstrom wird mittels zumindest einer Abtasteinrichtung 225 abgetastet, welche auch Stromsensoren umfasst. Über einen Positionssensor 230 wird der elektrische Winkel Θel der PSM basierend auf der gemessenen mechanischen Rotorposition Θmech und der Polpaarzahl ermittelt. Um die gegenseitige Wirkung der beiden Ströme Isd und Isq zu kompensieren, können Entkopplungen 240 eingeführt werden.
  • 5 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens 500. Im Schritt 501 beginnt das Verfahren.
  • Im Schritt 505 werden der dritte und der vierte Schwellenwert ermittelt und an den nächsten Schritt 510 übergeben. Dabei wird der dritte Schwellenwert gemäß der Gleichung PWMmind = 100%*ΔTMind/Ts berechnet, wobei PWMmind der dritte Schwellenwert ist, ΔTMind die Sperrzeit zu Beginn einer Schaltperiode ist, und Ts die Dauer einer Schaltperiode ist. Der vierte Schwellenwert wird gemäß der Gleichung PWMmaxd = 100%*(Ts-ΔTMaxd)/Ts berechnet, wobei PWMmaxd der vierte Schwellenwert ist, ΔTMaxd die Sperrzeit zum Ende einer Schaltperiode ist, und Ts die Dauer einer Schaltperiode ist.
  • Ebenso werden die empfangenen PWM-Werte PWMu , PWMv und PWMw an den Schritt 510 übergeben.
  • Im Schritt 510 werden die empfangenen PWM-Werte sortiert und es wird ein erster PWM-Eingangswert PWM1 auf den größten der empfangenen PWM-Werte, ein zweiter PWM-Eingangswert PWM2 auf den mittleren der empfangenen PWM-Werte und ein dritter PWM-Eingangswert PWM3 auf den kleinsten der empfangenen PWM-Werte gesetzt. Dabei wird gespeichert, welcher der empfangenen PWM-Werte PWMu , PWMv und PWMw welchem PWM-Eingangswert zugeordnet ist.
  • Im Schritt 520 wird geprüft ob der erste PWM-Eingangswert größer als der vorbestimmte erste Grenzwert ist.
  • Falls ja fährt das Verfahren mit Schritt 531 fort, falls nein mit Schritt 532.
  • In Schritt 531 werden der erste PWM-Ausgangswert PWM1n auf einen Maximalwert PWM1n=1 gesetzt, der zweite PWM-Ausgangswert PWM2n auf einen Wert PWM2n=PWM2+PWM1n-PWM1 gesetzt, und der dritte PWM-Ausgangswert PWM3n auf einen Wert PWM3n=PWM2+PWM1n-PWM1 gesetzt.
  • In Schritt 532 werden der erste PWM-Ausgangswert PWM1n auf den ersten PWM-Eingangswert PWM1 , der zweite PWM-Ausgangswert PWM2n auf den zweiten PWM-Eingangswert PWM2 , und der dritte PWM-Ausgangswert PWM3n auf den dritten PWM-Eingangswert PWM3 gesetzt.
  • Im darauffolgenden Schritt 540 werden der zweite und der fünfte Schwellenwert ermittelt. Der zweite Schwellenwert wird dabei gemäß der Gleichung PWMmaxZ=(PWMmaxd+100%)/2 berechnet, wobei PWMmaxZ der zweite Schwellenwert ist, PWMmaxd der dritte Schwellenwert ist, und 100% der Maximalwert ist. Der fünfte Schwellenwert wird dabei gemäß der Gleichung PWMminZ=(PWMmind+0%)/2 berechnet, wobei PWMminZ der fünfte Schwellenwert ist, PWMmind der vierte Schwellenwert ist, und 0% der Minimalwert ist.
  • Im Schritt 551 wird geprüft, ob der zweite PWM-Ausgangswert PWM2n größer ist als der zweite Schwellenwert. Falls ja fährt das Verfahren mit Schritt 561 fort, falls nein mit Schritt 552.
  • Im Schritt 552 wird geprüft, ob der zweite PWM-Ausgangswert PWM2n kleiner ist als der fünfte Schwellenwert. Falls ja fährt das Verfahren mit Schritt 562 fort, falls nein mit Schritt 580.
  • Im Schritt 553 wird geprüft, ob der dritte PWM-Ausgangswert PWM3n kleiner ist als der fünfte Schwellenwert. Falls ja fährt das Verfahren mit Schritt 563 fort, falls nein mit Schritt 580.
  • Im Schritt 561 wird geprüft, ob der zweite PWM-Ausgangswert PWM2n größer als der zweite Schwellenwert ist. Falls ja fährt das Verfahren mit Schritt 571 fort, falls nein mit Schritt 572
  • Im Schritt 562 wird geprüft, ob der zweite PWM-Ausgangswert PWM2n größer ist als fünfte Schwellenwert ist. Falls ja fährt das Verfahren mit Schritt 573 fort, falls nein mit Schritt 574
  • Im Schritt 563 wird geprüft, ob der dritte PWM-Ausgangswert PWM3n größer ist als der fünfte Schwellenwert. Falls ja fährt das Verfahren mit Schritt 575 fort, falls nein mit Schritt 576.
  • Im Schritt 571 wird der zweite PWM-Ausgangswert PWM2n auf den Maximalwert gesetzt. Der Maximalwert ist dabei 1 bzw. 100%.
  • Im Schritt 572 wird der zweite PWM-Ausgangswert PWM2n auf den dritten Schwellenwert gesetzt.
  • Im Schritt 573 wird der zweite PWM-Ausgangswert PWM2n auf den vierten Schwellenwert gesetzt.
  • Im Schritt 574 wird der zweite PWM-Ausgangswert PWM2n auf einen Minimalwert gesetzt. Der Minimalwert ist dabei 0 bzw. 0%.
  • Im Schritt 575 wird der dritte der dritte PWM-Ausgangswert PWM3n auf den vierten Schwellenwert gesetzt
  • Im Schritt 576 wird der dritte PWM-Ausgangswert PWM3n auf einen Minimalwert gesetzt. Der Minimalwert ist dabei 0 bzw. 0%.
  • An die Schritte 571 bis 575 schließt sich Schritt 580 an.
  • Im Schritt 580 werden der erste, zweite und dritte PWM-Ausgangswert an die zugehörigen Phasen zugewiesen. Dazu erhält Schritt 580 von Schritt 510 die gespeicherte Zuordnung, welcher der Phasen u, v und w die PWM-Eingangswert PWM1 , PWM2 und PWM3 zugeordnet worden sind. Die PWM-Ausgangswerte PWM1n , PWM2n und PWM3n werden entsprechend denselben Phasen u, v und w zugeordnet.
  • Im Schritt 590 werden die PWM-Ausgangswerte an den Wechselrichter bereitgestellt.
  • Im Schritt 599 endet das Verfahren.
  • 6 zeigt ein Verlaufsdiagramm von PWM-Werten über der Zeit. Dabei zeigt das untere Verlaufsdiagramm 620 den Verlauf der PWM-Werte, wie sie von einem PWM-Generator gemäß Stand der Technik ausgegeben werden. Dabei sind die PWM-Werte wegen der Sperrzeit unten und oben begrenzt. Das obere Verlaufsdiagramm 610 zeigt den Verlauf der PWM-Werte, wie sie als PWM-Ausgangswerte von einem erfindungsgemäßen Verfahren ausgegeben werden. Dabei werden der Minimalwert 0% und der Maximalwert 100% von den PWM-Werten erreicht.
  • 7 zeigt ein Spannungsvektordiagramm 700 gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren sowie gemäß dem theoretischen Optimum. Dabei zeigt eine gepunktete Linie die durch das erfindungsgemäße Verfahren erreichte gute Spannungsausbeute, während die durchgezogene Linie das theoretische Optimum zeigt.
  • 8 zeigt ein Spannungsvektordiagramm 800 gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren sowie gemäß einem Verfahren aus dem Stand der Technik. Dabei zeigt eine gepunktete Linie die durch das erfindungsgemäße Verfahren erreichte gute Spannungsausbeute, während die durchgezogene Linie die schwächere Spannungsausbeute gemäß Verfahren aus dem Stand der Technik zeigt.
  • 9 zeigt ein weiteres Verlaufsdiagramm von PWM-Werten über der Zeit. Dabei sind im Vergleich zu 6 Spannungsvektoren in anderer Größenordnung abgerufen worden. Das untere Verlaufsdiagramm 920 zeigt den Verlauf der PWM-Werte, wie sie von einem PWM-Generator gemäß Stand der Technik ausgegeben werden. Dabei sind die PWM-Werte wegen der Sperrzeit unten und oben begrenzt. Das obere Verlaufsdiagramm 910 zeigt den Verlauf der PWM-Werte, wie sie als PWM-Ausgangswerte von einem erfindungsgemäßen Verfahren ausgegeben werden. Dabei werden der Minimalwert 0% und der Maximalwert 100% von den PWM-Werten erreicht.
  • 10 zeigt ein weiteres Spannungsvektordiagramm 1000 gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren sowie gemäß einem Verfahren aus dem Stand der Technik. Dabei sind im Vergleich zu 8 Spannungsvektoren in anderer Größenordnung abgerufen worden. Die gepunktete Linie zeigt die durch das erfindungsgemäße Verfahren erreichte gute Spannungsausbeute bei niedrigem Oberschwindungsanteil, während die durchgezogene Linie die PWM-Werte gemäß einem üblichen Verfahren aus dem Stand der Technik zeigt.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Elektrische Maschine
    105
    Zwischenkreiskondensator
    205
    Steuerkomponente
    210
    Umsetzer
    215
    PWM-Generator
    220
    Wechselrichter
    230
    Positionssensor
    240
    Entkopplung
    250
    Vorrichtung500 Verfahren
    501
    Beginn des Verfahrens
    505
    Verfahrensschritt
    510
    Verfahrensschritt
    520
    Verfahrensschritt
    531
    Verfahrensschritt
    532
    Verfahrensschritt
    540
    Verfahrensschritt
    551
    Verfahrensschritt
    552
    Verfahrensschritt
    553
    Verfahrensschritt
    561
    Verfahrensschritt
    562
    Verfahrensschritt
    563
    Verfahrensschritt
    571
    Verfahrensschritt
    572
    Verfahrensschritt
    573
    Verfahrensschritt
    574
    Verfahrensschritt
    575
    Verfahrensschritt
    576
    Verfahrensschritt
    580
    Verfahrensschritt
    590
    Verfahrensschritt
    599
    Ende des Verfahrens
    610
    Verlaufsdiagramm
    620
    Verlaufsdiagramm
    700
    Spannungsvektordiagramm
    800
    Spannungsvektordiagramm
    910
    Verlaufsdiagramm
    920
    Verlaufsdiagramm
    1000
    Spannungsvektordiagramm
    S1
    Schalter
    S2
    Schalter
    S3
    Schalter
    S4
    Schalter
    S5
    Schalter
    S6
    Schalter

Claims (12)

  1. Verfahren zum Anpassen von PWM-Werten einer feldorientierten Regelung einer elektrischen Maschine, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines ersten, zweiten und dritten PWM-Eingangswertes; Vergleichen des ersten PWM-Eingangswertes mit einem ersten Schwellenwert; - Setzen des ersten PWM-Ausgangswertes auf einen Maximalwert, falls der erste PWM-Eingangswert größer als der erste Schwellenwert ist; - Berechnen einer Differenz aus dem ersten PWM-Ausgangswert und dem ersten PWM-Eingangswert; - Setzen eines zweiten PWM-Ausgangswertes auf eine Summe aus dem zweiten PWM-Eingangswert und der Differenz; - Setzen eines dritten PWM-Ausgangswertes auf eine Summe aus dem dritten PWM-Eingangswert und der Differenz; und - Ausgeben des ersten, zweiten und dritten PWM-Ausgangswertes an einen Wechselrichter.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Setzen des zweiten PWM-Ausgangswertes umfasst: - Vergleichen des zweiten PWM-Ausgangswertes mit einem zweiten Schwellenwert; - Vergleichen des zweiten PWM-Ausgangswertes mit einem dritten Schwellenwert; - Ändern des zweiten PWM-Ausgangswertes auf den Maximalwert, falls der zweite PWM-Ausgangswert größer als der zweite Schwellenwert ist; und - Ändern des zweiten PWM-Ausgangswertes auf den ersten Schwellenwert, falls der zweite PWM-Ausgangswert größer als der dritte Schwellenwert und nicht größer als der zweite Schwellenwert ist.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Setzen des zweiten PWM-Ausgangswertes umfasst: - Vergleichen des zweiten PWM-Ausgangswertes mit einem vierten Schwellenwert; - Vergleichen des zweiten PWM-Ausgangswertes mit einem fünften Schwellenwert; - Ändern des zweiten PWM-Ausgangswertes auf einen Minimalwert, falls der zweite - - PWM-Ausgangswert kleiner als der fünfte Schwellenwert ist; und - Ändern des zweiten PWM-Ausgangswertes auf den vierten Schwellenwert, falls der zweite PWM-Ausgangswert kleiner als der vierte Schwellenwert und nicht kleiner als der fünfte Schwellenwert ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Setzen des dritten PWM-Ausgangswertes umfasst: - Vergleichen des dritten PWM-Ausgangswertes mit dem vierten Schwellenwert; - Vergleichen des dritten PWM-Ausgangswertes mit dem fünften Schwellenwert; - Ändern des dritten PWM-Ausgangswertes auf den Minimalwert, falls der dritte PWM-Ausgangswert kleiner als der fünfte Schwellenwert ist; und - Ändern des dritten PWM-Ausgangswertes auf den vierten Schwellenwert, falls der dritte PWM-Ausgangswert kleiner als der vierte Schwellenwert und nicht kleiner als der fünfte Schwellenwert ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Schwellenwert identisch mit dem dritten Schwellenwert ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Bereitstellen der PWM-Eingangswerte die folgenden Schritte umfasst: - Empfangen dreier PWM-Werte von einem PWM-Generator; - Setzen eines ersten PWM-Eingangswertes auf den größten der drei empfangenen PWM-Werte; - Setzen eines zweiten PWM-Eingangswertes auf den mittleren der drei empfangenen PWM-Werte; - Setzen eines dritten PWM-Eingangswertes auf den kleinsten der drei empfangenen PWM-Werte.
  7. Vorrichtung (250) zum Anpassen von PWM-Werten einer feldorientierten Regelung einer elektrischen Maschine (100), umfassend: eine Bereitstellungsvorrichtung, die ausgebildet ist zum Bereitstellen eines ersten, zweiten und dritten PWM-Eingangswertes; eine erste Vergleichsvorrichtung, die ausgebildet ist zum Vergleichen des ersten PWM-Eingangswertes mit einem ersten Schwellenwert; eine Anpassungsvorrichtung, die ausgebildet ist zum Setzen des ersten PWM-Ausgangswertes auf einen Maximalwert, falls der erste PWM-Eingangswert größer als der erste Schwellenwert ist; eine Berechnungsvorrichtung, die ausgebildet ist zum Berechnen einer Differenz aus dem ersten PWM-Ausgangswert und dem ersten PWM-Eingangswert; wobei die Anpassungsvorrichtung weiter ausgebildet ist zum Setzen eines zweiten PWM-Ausgangswertes auf eine Summe aus dem zweiten PWM-Eingangswert und der Differenz, und zum Setzen eines dritten PWM-Ausgangswertes auf eine Summe aus dem dritten PWM-Eingangswert und der Differenz; und einen Vorrichtungsausgang, der ausgebildet ist zum Ausgeben des ersten, zweiten und dritten PWM-Ausgangswertes an einen Wechselrichter (220).
  8. Vorrichtung (250) nach Anspruch 7, wobei die erste Vergleichsvorrichtung weiter ausgebildet ist zum Vergleichen des zweiten PWM-Ausgangswertes mit einem zweiten Schwellenwert und zum Vergleichen des zweiten PWM-Ausgangswertes mit einem dritten Schwellenwert; und wobei die Anpassungsvorrichtung ausgebildet ist zum Ändern des zweiten PWM-Ausgangswertes auf den Maximalwert, falls der zweite PWM-Ausgangswert größer als der zweite Schwellenwert ist, und auf den ersten Schwellenwert falls der zweite PWM-Ausgangswert größer als der dritte Schwellenwert und nicht größer als der zweite Schwellenwert ist.
  9. Vorrichtung (250) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Vorrichtung weiter eine zweite Vergleichsvorrichtung umfasst, die ausgebildet ist zum Vergleichen des zweiten PWM-Ausgangswertes mit einem vierten Schwellenwert, und zum Vergleichen des zweiten PWM-Ausgangswertes mit einem fünften Schwellenwert; und wobei die Anpassungsvorrichtung weiter ausgebildet ist zum Ändern des zweiten PWM-Ausgangswertes auf einen Minimalwert, falls der zweite PWM-Ausgangswert kleiner als der vierte Schwellenwert ist, und auf den fünften Schwellenwert, falls der zweite PWM-Ausgangswert kleiner als der fünfte Schwellenwert und größer als der vierte Schwellenwert ist.
  10. Vorrichtung (250) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Vorrichtung weiter eine dritte Vergleichsvorrichtung umfasst, die ausgebildet ist zum Vergleichen des dritten PWM-Ausgangswertes mit dem vierten Schwellenwert und zum Vergleichen des dritten PWM-Ausgangswertes mit dem fünften Schwellenwert; und wobei die Anpassungsvorrichtung weiter ausgebildet ist zum Ändern des dritten PWM-Ausgangswertes auf den Minimalwert, falls der dritte PWM-Ausgangswert kleiner als der vierte Schwellenwert ist, und auf den fünften Schwellenwert, falls der dritte PWM-Ausgangswert kleiner als der fünfte Schwellenwert und größer als der vierte Schwellenwert ist.
  11. Vorrichtung (250) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der erste Schwellenwert identisch mit dem dritten Schwellenwert ist.
  12. Vorrichtung (250) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Bereitstellungsvorrichtung weiter ausgebildet ist zum Empfangen dreier PWM-Werte von einem PWM-Generator, zum Setzen des ersten PWM-Eingangswertes auf den größten der drei empfangenen PWM-Werte, zum Setzen des zweiten PWM-Eingangswertes auf den mittleren der drei empfangenen PWM-Werte, und zum Setzen des dritten PWM-Eingangswertes auf den kleinsten der drei empfangenen PWM-Werte.
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Title
Brian A. Welchko ; Steven E. Schulz ; Silva HitiEffects and Compensation of Dead-Time and Minimum Pulse-Width Limitations in Two-Level PWM Voltage Source InvertersConference Record of the 2006 IEEE Industry Applications Conference Forty-First IAS Annual MeetingYear: 2006 | Volume: 2 | Conference Paper | Publisher: IEEE *

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