-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ansteuern von Schaltelementen eines Stromrichters.
-
Stromrichter dienen der Umwandlung eines Stroms von einem Gleichstrom in einen Wechselstrom bzw. eines Wechselstroms in einen Gleichstrom. Auch zur Wandlung von Parametern des Stroms, wie einer Spannung und/oder einer Frequenz, werden Stromrichter eingesetzt. Häufig eingesetzte Varianten des Stromrichters sind Gleichrichter, Wechselrichter, Leistungssteller oder Umrichter. Auch bei der Steuerung und Regelung von Elektromotoren mit veränderbarer Drehzahl werden Stromrichter, beispielsweise in Form eines Vierquadrantenstellers, eingesetzt. Insbesondere in elektrifizierten Fahrzeugen kommen Stromrichter zum Einsatz, um einen Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umzuwandeln.
-
Die Wandlung erfolgt mit Hilfe von Hochleistungshalbleitern, wobei Transistoren oder Thyristoren, insbesondere Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistoren (MOSFETs), Insulated-Gate Bipolar Transistoren (IGBTs) und Integrated Gate-Commutated Thyristoren (IGCTs), zum Einsatz kommen. Diese Schaltelemente werden binär betrieben und haben deshalb zwei Schaltzustände („an“ oder „aus“). Ein Stromrichter umfasst in der Regel eine Vielzahl dieser Schaltelemente. Über das zeitliche Ansteuern der Schaltzustände dieser Schaltelemente mit Hilfe vorgegebener Pulsmuster erfolgt eine Wandlung der Ströme.
-
Aus der
WO 2015/089537 A1 ist ein Verfahren zur Ansteuerung von parallel geschalteten Inverterstufen bekannt, wobei jede Inverterstufe mehrere Schaltelemente mit jeweils zwei Schaltzuständen umfasst. Die Ansteuerung der Inverterstufen erfolgt über eine zentrale Regeleinheit, die mit jeder Inverterstufe über eine serielle Datenübertragungsstrecke verbunden ist.
-
Aus der
DE 10 2008 051 421 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung elektrischer Kenngrößen bekannt, mit einer ersten Wandlereinheit, welche analoge Signale in erste digitale Daten umwandelt, wobei die erste Wandlereinheit ein Sigma-Delta-Modulator ist, einer zweiten Wandlereinheit, welche analoge Signale in zweite digitale Daten umwandelt, wobei die zweite Wandlereinheit ein Sigma-Delta-Modulator ist, und mit wenigstens einer Auswertelogik zur Bearbeitung der von den Wandlereinheiten ausgegebenen Signale, wobei die Auswertelogik wenigstens ein Integrationsglied und ein diesem Integrationsglied nachgeschaltetes Differenzierglied aufweist. Die Auswertelogik bearbeitet die digitalen Signale beider Wandlereinheiten und die Wandlereinheiten weisen jeweils Eingänge für ein Taktsignal auf, wobei eine Taktgebereinrichtung vorgesehen ist, welche die erste Wandlereinheit und die zweite Wandlereinheit in einem vorgegebenen Verhältnis zueinander taktet.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ansteuern von Schaltelementen eines Stromrichters zu schaffen, bei denen ein Ansteuern und Überwachen verbessert, insbesondere flexibler, erfolgen kann.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Insbesondere wird eine Vorrichtung zum Ansteuern von Schaltelementen eines Stromrichters geschaffen, wobei jedes der Schaltelemente jeweils zwei oder mehr Schaltzustände aufweist, umfassend eine zentrale Regeleinrichtung, mindestens ein Schaltmodul zum Ansteuern mindestens eines dem mindestens einen Schaltmodul zugeordneten und mit diesem verbundenen Schaltelements, und eine Kommunikationsverbindung zwischen der zentralen Regeleinrichtung und dem mindestens einen Schaltmodul, wobei die Kommunikationsverbindung getaktet und paketbasiert ist, und wobei die zentrale Regeleinrichtung derart ausgebildet ist, einen Schaltzustand des mindestens einen dem mindestens einen Schaltmodul zugeordneten Schaltelements und einen Konfigurationszustand für das dem mindestens einen Schaltelement zugeordnete Schaltmodul festzulegen und als Datenpaket über die Kommunikationsverbindung an das mindestens eine Schaltmodul zu übermitteln, und wobei das mindestens eine Schaltmodul derart ausgebildet ist, aus dem übermittelten Datenpaket den Schaltzustand des mindestens einen dem mindestens einen Schaltmodul zugeordneten Schaltelements für einen jeweils aktuellen Zeitpunkt und den Konfigurationszustand zu extrahieren, den extrahierten Konfigurationszustand einzustellen und das mindestens eine zugeordnete Schaltelement entsprechend dem extrahierten Schaltzustand anzusteuern.
-
Ferner wird ein Verfahren zum Ansteuern von Schaltelementen eines Stromrichters zur Verfügung gestellt, wobei jedes der Schaltelemente jeweils zwei oder mehr Schaltzustände aufweist und von einem diesem Schaltelement zugeordneten Schaltmodul angesteuert wird, umfassend die folgenden Schritte für jedes von mindestens einem Schaltelement(en):
- - Festlegen eines Schaltzustands des Schaltelements und eines Konfigurationszustands für ein dem Schaltelement zugeordnetes Schaltmodul mittels einer zentralen Regeleinrichtung,
- - Übermitteln des festgelegten Schaltzustands und des festgelegten Konfigurationszustands als Datenpaket über eine Kommunikationsverbindung an das dem Schaltelement zugeordnete Schaltmodul, wobei die Kommunikationsverbindung getaktet und paketbasiert ist,
- - Extrahieren des Schaltzustands und des Konfigurationszustands für einen aktuellen Zeitpunkt aus dem übermittelten Datenpaket mittels des dem Schaltelement zugeordneten Schaltmoduls,
- - Einstellen des extrahierten Konfigurationszustands,
- - Ansteuern des Schaltelements entsprechend dem extrahierten Schaltzustand mittels des dem Schaltelement zugeordneten Schaltmoduls.
-
Es ist ein Grundgedanke der Erfindung, die Vorrichtung modular in Form von Schaltmodulen aufzubauen und diese zentral über eine Kommunikationsverbindung von einer zentralen Regeleinrichtung aus anzusteuern. Die einzelnen, insbesondere jeweils zwei („an“ oder „aus“), Schaltzustände der Schaltelemente werden von der zentralen Regeleinrichtung festgelegt, als Daten kodiert und in Form von mindestens einem Datenpaket von der zentralen Regeleinrichtung über die Kommunikationsverbindung an die Schaltmodule übermittelt. Jedes der Schaltmodule extrahiert aus dem übermittelten mindestens einen Datenpaket einen Schaltzustand eines dem jeweiligen Schaltmodul zugeordneten Schaltelements für einen aktuellen Zeitpunkt und steuert das zugeordnete Schaltelement entsprechend dem aktuellen Schaltzustand an. Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung ist, einen Konfigurationszustand des mindestens einen Schaltmoduls mittels der zentralen Regeleinrichtung festzulegen und diesen Konfigurationszustand ebenfalls über die Kommunikationsverbindung an das Schaltmodul zu übermitteln. Das Schaltmodul extrahiert dann diesen Konfigurationszustand aus dem übermittelten Datenpaket und das Schaltmodul wird gemäß dem extrahierten Konfigurationszustand konfiguriert.
-
Der Vorteil der Erfindung ist, dass ein Ansteuern der einzelnen Schaltelemente flexibler erfolgen kann. Darüber hinaus kann jedes Schaltmodul flexibel konfiguriert werden. Die modulare Ausgestaltung der Vorrichtung und des Verfahrens erlauben deshalb eine flexible Anpassung bzw. Erweiterung auf beliebig komplexe Anwendungsszenarien.
-
Den Schaltmodulen wird jeweils mindestens eins der Schaltelemente zugeordnet. Es kann vorgesehen sein, dass einem Schaltmodul auch mehrere Schaltelemente zugeordnet sind. Das Schaltmodul ist dann entsprechend derart ausgebildet, die mehreren Schaltelemente ansteuern zu können, beispielsweise mittels einer entsprechenden Anzahl von Analogtreibereinheiten.
-
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Vielzahl von Schaltmodulen zum Ansteuern einer Vielzahl von Schaltelementen umfasst. Handelt es sich beispielsweise um einen 2-Level-Umrichter, so sind mindestens 6 Schaltelemente anzusteuern, dementsprechend umfasst die Vorrichtung beispielsweise 6 Schaltmodule, welche jeweils eines der 6 Schaltelemente ansteuern. Bei einem 3-Level-Umrichter erhöht sich die Anzahl der Schaltelemente auf 12. Die Anzahl der Schaltmodule erhöht sich ebenfalls auf 12, sofern jedem Schaltmodul ein Schaltelement zugeordnet ist.
-
Die Kommunikationsverbindung kann beispielsweise als Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen der zentralen Regeleinrichtung und den Schaltmodulen ausgebildet sein.
-
Alternativ hierzu kann die Kommunikationsverbindung auch eine ringförmige Struktur aufweisen. Der Vorteil einer ringförmigen Kommunikationsverbindung ist, dass die Kommunikationsstruktur schlank und kostensparend ausgelegt sein kann, da insbesondere keine einzelnen Kommunikationsverbindungen zwischen der zentralen Regeleinrichtung und den jeweiligen Schaltmodulen ausgebildet werden müssen. Durch die Ringstruktur kann jedes der Schaltmodule mit der zentralen Regeleinrichtung und mit sämtlichen anderen Schaltmodulen der Vorrichtung kommunizieren. Ferner kann die Vorrichtung auf einfache Weise um weitere Schaltmodule erweitert werden, indem diese in die Ringstruktur integriert werden.
-
Es kann vorgesehen sein, dass die Kommunikationsverbindung redundant ausgebildet ist, beispielsweise kann die Kommunikationsverbindung in doppelter Ausführung ausgebildet sein. Im Fall einer ringförmigen Kommunikationsverbindung sind dann beispielsweise mindestens zwei parallel verlaufende Ringe in der Kommunikationsstruktur vorhanden. Hierbei kann zusätzlich vorgesehen sein, dass die einzelnen Schaltmodule auch eine Bewertungsfunktion übernehmen, um über die redundante Kommunikationsverbindung übermittelte Daten überprüfen zu können. Im einfachsten Fall wird hierbei lediglich eine auf Grundlage der übermittelten Daten erzeugte Checksumme von jedem der Schaltmodule für jeden Kanal der redundanten Kommunikationsverbindung überprüft. Stimmt die Checksumme nicht, so werden die zugehörigen Daten verworfen. Ein weiterer Ansatz macht sich die Redundanz selbst zunutze, wobei vorgesehen ist, dass über die redundante Kommunikationsverbindung übermittelte Werte, beispielsweise Werte für die Schaltzustände der einzelnen Schaltelemente, jeweils durch Vergleich überprüft werden. Im einfachsten Fall kann eine Mehrheitsentscheidung zur Plausibilisierung getroffen werden, das heißt nur wenn alle oder alternativ eine Mehrheit der über die einzelnen Kanäle übermittelten Daten miteinander übereinstimmt, werden die Daten als plausibel erachtet. Ferner ist es möglich, eine Historie eines Kanals der redundanten Kommunikationsverbindung mit einzubeziehen. Weist die redundante Kommunikationsverbindung beispielsweise zwei Kanäle auf und von einem dieser Kanäle ist aus dessen Historie bekannt, dass dieser fehleranfälliger als der andere Kanal ist, so wird dies beim Überprüfen der Daten berücksichtigt, beispielsweise indem die über diesen Kanal übermittelten Daten von vornherein als weniger zuverlässig beurteilt werden und den Daten auf dem anderen Kanal mehr Gewicht beim Überprüfen oder bei einer Mehrheitsentscheidung gegeben wird. Beim Berücksichtigen der Historie können statistische Methoden zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann eine Statistik zur Zuverlässigkeit der einzelnen Kanäle der redundanten Kommunikationsverbindung erzeugt und in einem Speicher der Schaltmodule hinterlegt werden. Eine Bewertung von übermittelten Daten findet dann auf Grundlage dieser Statistik statt.
-
Insbesondere ist die Kommunikationsverbindung als serielle Hochgeschwindigkeitsschnittstelle ausgelegt. In der zentralen Regeleinrichtung erfolgt ein Festlegen der Schaltzustände und der Konfigurationszustände und ein Versenden entsprechender Datenpakete. Die einzelnen Schaltmodule sind dazu ausgebildet, aus den übermittelten Datenpaketen den jeweiligen Schaltzustand des jeweils zugeordneten Schaltelements und den Konfigurationszustand des zugehörigen Schaltmoduls zu extrahieren, den Konfigurationszustand einzustellen und das Schaltelement gemäß dem Schaltzustand anzusteuern.
-
Die Schaltmodule oder Teile davon können als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (application-specific integrated circuit, ASIC) oder in Form einzelner Bauteile ausgeführt sein.
-
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Schaltmodule alle gleichartig aufgebaut sind und erst bei einer Zusammenstellung einzelner Schaltelemente oder Stufen eines Stromrichters softwareseitig konfiguriert werden. Hierzu wird sowohl in der zentralen Regeleinrichtung als auch in den jeweiligen Schaltmodulen eine entsprechende Konfiguration vorgenommen, beispielsweise indem bei einer initialen Kommunikation den vorhandenen Schaltmodulen Referenzen und/oder eindeutige Identifikationsnummern (IDs) zugewiesen werden, die für den nachfolgenden Regelbetrieb über die Schnittstelle nötig sind, sodass sowohl der zentralen Regeleinrichtung als auch dem jeweiligen Schaltmodul eine Zuordnung einzelner Schaltelemente zu den jeweiligen Schaltmodulen entsprechend der Stromrichtertopologie bekannt sind. Dies ermöglicht eine schnelle, flexible und kostengünstige Einrichtung eines Stromrichters.
-
Die mittels der Vorrichtung und des Verfahrens angesteuerten Stromrichter können mehrphasig, insbesondere dreiphasig, ausgebildet sein.
-
Ein von der Vorrichtung und dem Verfahren angesteuerter Stromrichter kann insbesondere ein AC/AC-Wandler bzw. Umrichter, ein Vierquadrantensteller, ein DC/DC-Wandler, insbesondere ein Aufwärtswandler (auch als Hochsetzsteller bezeichnet) oder Abwärtswandler (auch als Tiefsetzsteller bezeichnet) oder ein sonstiger Wandler im Hochspannungs-, Mittelspannungs- und/oder Niederspannungsbereich sein. Insbesondere kann es sich bei dem angesteuerten Stromrichter um einen Multi-Level-Umrichter handeln. Zum Einsatz können insbesondere Leistungshalbleiter mit großer Bandlücke kommen, wie z.B. SiC oder GaN.
-
Insbesondere kann ein Schaltmodul eine Auswahleinheit aufweisen. Diese Auswahleinheit ist derart ausgebildet, ein dem jeweiligen Schaltelement bzw. dem Schaltmodul zugeordnetes und über die Kommunikationsverbindung übermitteltes Datenpaket zu extrahieren und hieraus den Schaltzustand des Schaltelements und den Konfigurationszustand zu extrahieren, beispielsweise auf Grundlage der Identifikationsnummer. Der extrahierte Schaltzustand wird dann beispielsweise an eine Analogtreibereinheit zum Ansteuern des Schaltelements übergeben. Der extrahierte Konfigurationszustand wird dann durch entsprechendes Konfigurieren des Schaltmoduls bzw. Teilen davon umgesetzt.
-
Im Falle der Verwendung einer ringförmigen Kommunikationsverbindung, kann bei der Kommunikation beispielsweise vorgesehen sein, dass ein übermitteltes Datenpaket von einem Schaltmodul empfangen wird und anschließend an das nächste in der Reihe der ringförmigen Kommunikationsverbindung angeordnete Schaltmodul weitergeleitet wird. Das Datenpaket wird auf diese Weise der Reihe nach von einem Schaltmodul an das jeweils nachfolgende Schaltmodul weitergeleitet und am Ende des Rings wieder an die zentrale Regeleinrichtung zurück übermittelt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein derart übermitteltes Datenpaket durch die einzelnen Schaltmodule auf dem Ring durch Einfügen von Daten verändert wird.
-
Es kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Schaltmodul ferner derart ausgebildet ist, mindestens einen Rückgabewert als Datenpaket über die Kommunikationsverbindung an die zentrale Regeleinrichtung und/oder mindestens ein anderes Schaltmodul zu übermitteln. Der Rückgabewert kann beispielsweise ein Statuswert sein, der einen aktuellen Schaltzustand des mindestens einen dem jeweiligen Schaltmodul zugeordneten Schaltelements umfasst. Hierdurch kann der zentralen Regeleinrichtung ein real vorliegender aktueller Schaltzustand der einzelnen Schaltelemente bereitgestellt werden, sodass eine fortlaufende Überwachung des Betriebs der einzelnen Schaltelemente des Stromrichters ermöglicht wird. Auch den anderen Schaltmodulen kann ein aktueller Schaltzustand eines Schaltelements über den Rückgabewert zur Verfügung gestellt werden. Hierdurch kann insbesondere ein Erkennen von Fehlern beim Ansteuern der Schaltelemente verbessert werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass der mindestens eine Rückgabewert in ein Datenpaket eingefügt wird.
-
Beim Verfahren ist entsprechend vorgesehen, dass von einem Schaltmodul mindestens ein Rückgabewert als Datenpaket über die Kommunikationsverbindung an die zentrale Regeleinrichtung und/oder mindestens ein anderes Schaltmodul übermittelt wird.
-
Eine Kommunikation über eine ringförmig ausgebildete Kommunikationsverbindung kann dann beispielsweise wie folgt durchgeführt werden: Die zentrale Regeleinrichtung legt die Schaltzustände für alle Schaltmodule und die Konfigurationszustände der zugehörigen Schaltmodule für einen aktuellen Zeitpunkt fest. Die festgelegten Schaltzustände und Konfigurationszustände werden zusammen mit Adressierungen und gegebenenfalls einem Zeitstempel zur Synchronisation als Datenpaket kodiert. Das Datenpaket umfasst beispielsweise sowohl Steuerdaten, welche die festgelegten Schaltzustände umfassen, als auch Rückmeldedaten in Form von beispielsweise Kontrollbits, welche von den einzelnen Schaltmodulen mit Rückgabewerten aufgefüllt bzw. gesetzt werden können. Der Konfigurationszustand ist beispielsweise in einem Kopfbereich des Datenpakets untergebracht. Das Datenpaket durchläuft anschließend der Reihe nach die einzelnen Schaltmodule. Das erste Schaltmodul auf der ringförmigen Kommunikationsverbindung extrahiert den festgelegten Schaltzustand für das diesem Schaltmodul zugeordnete Schaltelement und den Konfigurationszustand dieses Schaltmoduls. Anschließend fügt es einen Rückgabewert in Form eines Kontrollbits an einer hierfür vorgesehene Position des Datenpakets ein. Das derart veränderte Datenpaket wird anschließend an das dem ersten Schaltmodul in der Reihe der ringförmigen Kommunikationsverbindung nachfolgende Schaltmodul weitergeleitet. Dieses Schaltmodul verfährt in gleicher Weise wie das erste Schaltmodul. Sind alle Schaltmodule durchlaufen, sendet das letzte sich auf dem Ring befindende Schaltmodul das Datenpaket zurück an die zentrale Regeleinrichtung. Die zentrale Regeleinrichtung kann aus dem zurückgesendeten Datenpaket dann insbesondere die eingefügten Rückgabewerte bzw. Kontrollbits extrahieren und auswerten und verfügt hierdurch über ein reales Abbild der durch das Ansteuern realisierten Schaltzustände. Es kann auch vorgesehen sein, dass für jedes Schaltmodul ein eigenes Datenpaket verwendet wird.
-
Es kann ferner vorgesehen sein, dass auch die Schaltmodule selbst die gesetzten Kontrollbits bzw. die Rückgabewerte der jeweils vorhergehenden Schaltmodule auf dem Ring auswerten. Dies ermöglicht es, gegebenenfalls das Ansteuern in Abhängigkeit der realen Schaltzustände der jeweils auf dem Ring vorhergehenden Schaltelemente anzupassen.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die zentrale Regeleinrichtung ferner derart ausgebildet ist, durch ein entsprechend hierfür ausgebildetes und übermitteltes Datenpaket mindestens eines der Schaltelemente aktivieren und deaktivieren zu können, wobei das mindestens eine Schaltmodul ferner derart ausgebildet ist, das mindestens eine diesem zugeordnete Schaltelement auf Grundlage des übermittelten Datenpakets zu aktivieren und zu deaktivieren. Dies ermöglicht es insbesondere, flexibel Schaltelemente in eine Stromrichtertopologie einzufügen oder zu entfernen. Hierdurch lassen sich flexible, insbesondere leistungsabhängige, Stromrichter ausbilden, welche je nach aktueller Leistungsanforderung eine Topologie erweitern oder verkleinern können. Auch eine redundante Auslegung der Stromrichter wird hierdurch ermöglicht, da bei Ausfall eines oder mehrerer der Schaltelemente des redundanten Stromrichters die zusätzlichen Schaltelemente flexibel aktiviert werden können, um die defekten Schaltelemente zu ersetzen.
-
Beim Verfahren ist entsprechend vorgesehen, dass mindestens eines der Schaltelemente von der zentralen Regeleinrichtung über ein von dieser an das diesem Schaltelement zugeordnete Schaltmodul übermitteltes Datenpaket aktiviert oder deaktiviert wird.
-
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das mindestens eine Schaltmodul ferner derart ausgebildet ist, eine Messwerterfassung auf Grundlage des extrahierten Konfigurationszustands zu konfigurieren und mindestens einen erfassten Messwert mittels eines Datenpakets über die Kommunikationsverbindung an die zentrale Regeleinrichtung und/oder mindestens ein anderes Schaltmodul zu übermitteln. Ein solcher Messwert kann eine an dem Schaltelement abfallende Spannung oder ein über das Schaltelement fließender Strom sein. Ein Strom kann beispielsweise über einen Spannungsabfall an einem Shunt oder mittels eines magneto-resistiven oder Hall-Verfahrens bestimmt werden. Ein solcher Messwert kann beispielsweise auch ein mittels eines Temperatursensors erfasster Temperaturmesswert, beispielsweise einer Temperatur an einem der Leistungshalbleiter eines Schaltelements, sein. Der erfasste Messwert wird dann über die Kommunikationsverbindung an die zentrale Regeleinrichtung und/oder ein anderes Schaltmodul übermittelt. Es kann vorgesehen sein, dass die zentrale Regeleinrichtung die übermittelten Messwerte beim Regeln berücksichtigt.
-
Bei dem Verfahren ist entsprechend vorgesehen, dass von einem Schaltmodul mindestens ein erfasster Messwert mittels eines Datenpakets über die Kommunikationsverbindung an die zentrale Regeleinrichtung und/oder mindestens ein anderes Schaltmodul übermittelt wird, wobei eine Messwerterfassung auf Grundlage des extrahierten Konfigurationszustands konfiguriert wird.
-
In einer weiterbildenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass das mindestens eine Schaltmodul mindestens einen Sigma-Delta-Wandler zum Wandeln des mindestens einen erfassten Messwertes und mindestens ein Sinc-Filter zum Filtern eines Ausgangssignals des mindestens einen Sigma-Delta-Wandlers umfasst, wobei das mindestens eine Schaltmodul ferner derart ausgebildet ist, den mindestens einen Sigma-Delta-Wandler und das mindestens eine Sinc-Filter auf Grundlage des extrahierten Konfigurationszustands zu konfigurieren. Aufgrund der hohen Übertastung bei einer Sigma-Delta-Wandlung entsteht in einem Frequenzbereich oberhalb einer bestimmten Frequenz durch die Quantisierung ein Rauschen, das mittels eines digitalen Tiefpassfilters abgedämpft werden kann. Weiterhin kann eine serielle Bitfolge durch einen sogenannten Dezimierer in Datenworte einer bestimmten Bitbreite umgewandelt werden. Durch den Einsatz des Sinc-Filters können beide Aufgaben gelöst werden, da der Sinc-Filter als Anti-Aliasing-Filter wirkt. Insbesondere kann der übermittelte Konfigurationszustand Parameter des Sigma-Delta-Wandlers, beispielsweise eine Abtastrate, umfassen. Ferner umfasst der Konfigurationszustand insbesondere Parameter des Sinc-Filters, beispielsweise einen Dezimationswert.
-
Der Sigma-Delta-Wandler kann einkanalig oder mehrkanalig ausgebildet sein, sodass mehrere unterschiedliche Messwerte erfasst und gewandelt werden können. Für jeden der Kanäle ist dann ein eigener Sigma-Delta-Wandler und ein eigener Sinc-Filter vorgesehen.
-
Bei dem Verfahren ist entsprechend vorgesehen, dass der mindestens eine erfasste Messwert mittels eines Sigma-Delta-Wandlers gewandelt und mittels eines Sinc-Filters gefiltert wird, wobei der mindestens einen Sigma-Delta-Wandler und das mindestens eine Sinc-Filter auf Grundlage des extrahierten Konfigurationszustands konfiguriert werden.
-
Es kann hierbei in einer weiterbildenden Ausführungsform vorgesehen sein, dass ein Bitstrom zumindest eines der Sigma-Delta-Wandler als (globaler) Zeitgeber für die ringförmige Kommunikationsverbindung verwendet wird. Die ringförmige Kommunikationsverbindung wird dann über diesen zumindest einen Sigma-Delta-Wandler getaktet. Sigma-Delta-Wandler in anderen Schaltmodulen können anschließend auf Grundlage dieser Taktung synchronisiert und getaktet werden, beispielsweise mittels einer Phasenregelschleife-Synchronisation (engl. phase-locked loop, PLL).
-
Es kann alternativ vorgesehen sein, dass der Wandler anders ausgebildet ist. Ebenfalls können alternativ oder zusätzlich ein oder mehrere andere Filter vorgesehen sein.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das mindestens eine Schaltmodul mindestens eine Abtastratenkonvertierungseinrichtung und/oder mindestens eine Mittelungseinrichtung umfasst, wobei das mindestens eine Schaltmodul ferner derart ausgebildet ist, die mindestens eine Abtastratenkonvertierungseinrichtung und/oder die mindestens eine Mittelungseinrichtung auf Grundlage des extrahierten Konfigurationszustands zu konfigurieren. Das Abtastratenkonvertierungseinrichtung und die Mittelungseinrichtung sind beispielsweise dem Sinc-Filter nachgeschaltet. Der Konfigurationszustand umfasst insbesondere Parameter der Abtastratenkonvertierungseinrichtung, beispielsweise eine Zielabtastrate und/oder Datenwortlänge und/oder Parameter der mindestens einen Mittelungseinrichtung, beispielsweise eine Anzahl von Werten, über die gemittelt werden soll. Durch den kombinierten Einsatz einer Abtastratenkonvertierungseinrichtung und einer Mittelungseinrichtung kann ein Verhältnis eingestellt werden zwischen einer Genauigkeit eines Messwertes und einer Latenzzeit bzw. Durchsatzrate. Ohne eine Abtastratenkonvertierung (engl. resampling) und eine Mittelung der vom Sigma-Delta-Wandler ausgegebenen Messwerte wird ein hoher Datendurchsatz mit geringer Latenzzeit ermöglicht, jedoch mit dem Nachteil eines stärkeren Rauschens. Mit einer Abtastratenkonvertierung und einer Mittelung der vom Sigma-Delta-Wandler ausgegebenen Messwerte kann das Rauschen verringert werden, jedoch auf Kosten des Datendurchsatzes bzw. mit dem Nachteil einer erhöhten Latenzzeit. Da sich die mindestens eine Abtastratenkonvertierungseinrichtung und die mindestens eine Mittelungseinrichtung über den Konfigurationszustand flexibel (um)konfigurieren lassen, können für jede Situation bzw. jedes Messszenario optimale Parameter verwendet werden.
-
Die Abtastratenkonvertierungseinrichtung und die Mittelungseinrichtung können beispielsweise in Form eines ASIC ausgebildet sein. Dieser ASIC kann zusätzlich noch weitere Protokollfunktionen für die Kommunikationsverbindung übernehmen.
-
Bei dem Verfahren ist entsprechend vorgesehen, dass der gewandelte und gefilterte mindestens eine Messwert mittels einer Abtastratenkonvertierungseinrichtung und/oder mittels einer Mittelungseinrichtung weiterverarbeitet wird, wobei die mindestens eine Abtastratenkonvertierungseinrichtung und/oder die mindestens eine Mittelungseinrichtung auf Grundlage des extrahierten Konfigurationszustands konfiguriert werden.
-
Bei der Messwerterfassung kann vorgesehen sein, dass eine galvanische Trennung vorgenommen wird, beispielsweise mittels eines Optokopplers.
-
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die zentrale Regeleinrichtung derart ausgebildet ist, eine Qualität eines von einem Schaltmodul übermittelten Messwertes zu überprüfen und in Abhängigkeit eines Überprüfungsergebnisses einen Konfigurationszustand des Schaltmoduls abzuändern. Die Qualität kann hierbei sämtliche Eigenschaften des übermittelten Messwertes umfassen. Insbesondere kann eine Qualität beispielsweise durch ein Maß für ein Rauschen bestimmt sein. Wird beispielsweise ein zu starkes Rauschen von der zentralen Regeleinrichtung in übermittelten Messwerten festgestellt, wird ein Konfigurationszustand des zugehörigen Schaltmoduls abgeändert, beispielsweise indem eine Abtastratenkonvertierungseinrichtung und eine Mittelungseinrichtung dahingehend umkonfiguriert werden, dass über eine größere Anzahl von Messwerten gemittelt wird.
-
Teile der Vorrichtung können einzeln oder zusammengefasst als eine Kombination von Hardware und Software ausgebildet sein, beispielsweise als Programmcode, der auf einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführt wird.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Ansteuern von Schaltelementen eines Stromrichters;
- 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Schaltmoduls zum Ansteuern von Schaltelementen eines Stromrichters;
- 3 eine schematische Darstellung eines Signalflusses bei einer Messwerterfassung.
-
In 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung 1 zum Ansteuern von Schaltelementen 21 eines Stromrichters 20 zum Antreiben einer elektrischen Maschine 24 mittels einer Gleichstromquelle 23 gezeigt. Die Vorrichtung 1 umfasst eine zentrale Regeleinrichtung 2, mehrere Schaltmodule 3 und eine ringförmige Kommunikationsverbindung 4, welche die zentrale Regeleinrichtung 2 und die mehreren Schaltmodule 3 in Reihe miteinander verbindet.
-
Die ringförmige Kommunikationsverbindung 4 ist insbesondere als serielle 1-Bit-Schnittstelle ausgebildet, das heißt es wird ein einzelner Bitstrom über die ringförmige Kommunikationsverbindung 4 übermittelt, der aus einzelnen Datenpaketen 9 besteht.
-
Die ringförmige Kommunikationsverbindung 4 verbindet nacheinander die zentrale Regeleinrichtung 2 und die einzelnen Schaltmodule 3 und wird anschließend wieder zur zentralen Regeleinrichtung 2 zurückgeführt. Die Ringstruktur bedeutet für die Kommunikation, dass alle Datenpakete 9 für sämtliche Kommunikationsteilnehmer auf dem Ring sichtbar und empfangbar sind.
-
Die mehreren Schaltmodule 3 sind in der gezeigten Ausführungsform jeweils mit zweien der Schaltelemente 21 des Stromrichters 20 verbunden und können diese Schaltelemente 21 gezielt in einen von zwei Schaltzuständen („an“ oder „aus“) versetzen. Das Ansteuern der Schaltzustände erfolgt zentral mittels der zentralen Regeleinrichtung 2.
-
Die zentrale Regeleinrichtung 2 umfasst in der gezeigten Ausführungsform eine Regeleinheit 5 und eine Kommunikationsschnittstelle 6. Die Regeleinheit 5 erhält Sollwerte 7 für einen gewandelten Strom sowie Istwerte 8 für den gewandelten Strom als Rückkoppelwerte für die Regelung. Auf Grundlage der Sollwerte 7 und der Istwerte 8 legt die Regeleinheit 5 die Schaltzustände aller Schaltelemente 21 des Stromwandlers 20 fest und übergibt diese an die Kommunikationsschnittstelle 6. Die Kommunikationsschnittstelle 6 erzeugt aus den übergebenen Schaltzuständen mindestens ein Datenpaket 9 und übermittelt dieses über die ringförmige Kommunikationsverbindung 4.
-
Im einfachsten Fall entspricht ein aktueller Gesamtschaltzustand aller Schaltelemente 21 des Stromrichters 20 einer einfachen Bitfolge aus einer Anzahl von Bits, welche jeweils den jeweiligen Schaltzustand eines der Schaltelemente 21 repräsentieren. Eine einfache Adressierung kann beispielsweise über einen vorgegebenen Zeitschlitz erreicht werden, welcher für ein bestimmtes Schaltmodul 3 bzw. ein diesem zugeordnetes Schaltelement 21 in der Bitfolge bzw. einem entsprechenden Datenpaket 9 reserviert ist. Es können aber auch andere Formen der Adressierung vorgesehen sein.
-
Die Schaltmodule 3 empfangen das mindestens eine Datenpaket 9 über die ringförmige Kommunikationsverbindung 4 und extrahieren daraus den an das jeweilige Schaltmodul 3 bzw. Schaltelement 21 adressierten Schaltzustand.
-
Anschließend steuern die Schaltmodule 3 die jeweils diesen zugeordneten Schaltmodule 21 des Stromrichters 20 entsprechend des jeweils extrahierten Schaltzustandes an.
-
Es ist ferner vorgesehen, dass die zentrale Regeleinrichtung 2 einen Konfigurationszustand für die den Schaltelementen 21 zugeordneten Schaltmodule 3 festlegt und mittels des Datenpakets 9 oder mittels eines eigenen Datenpakets 9 über die Kommunikationsverbindung 4 an die jeweiligen Schaltmodule 3 übermittelt. Die Schaltmodule 3 extrahieren aus dem übermittelten Datenpaket 9 nicht nur den jeweiligen Schaltzustand, sondern auch ihren jeweiligen Konfigurationszustand für einen aktuellen Zeitpunkt. Jedes der Schaltmodule 3 stellt den jeweils extrahierten Konfigurationszustand durch entsprechendes Konfigurieren des Schaltmoduls 3 bzw. einzelnen Teilen davon ein.
-
Die einzelnen Schritte werden anschließend und fortlaufend wiederholt, sodass die Schaltelemente 3 des Stromrichters 20 ein von der zentralen Regeleinrichtung 2 vorgegebenes Schaltmuster erzeugen und hierdurch die Sollwerte 7 für einen Stromausgang des Stromrichters 20 erzeugen. Die Schaltmodule 3 extrahieren fortlaufend von der zentralen Regeleinrichtung 2 übermittelte Konfigurationszustände aus den Datenpaketen 9 und konfigurieren sich entsprechend um oder behalten ihre jeweilige Konfiguration bei.
-
Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 1 zusätzlich mindestens eine weitere ringförmige Kommunikationsverbindung umfasst (nicht gezeigt), wobei eine Kommunikation zwischen der zentralen Regeleinrichtung 2 und den Schaltmodulen 3 redundant ausgelegt ist.
-
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die zentrale Regeleinrichtung 2 ferner derart ausgebildet ist, durch ein entsprechend hierfür ausgebildetes und übermitteltes Datenpaket 9, beispielsweise in Form zumindest eines Aktivierungsbits, mindestens eines der Schaltelemente 21 aktivieren und deaktivieren zu können, wobei das mindestens eine Schaltmodul 3 ferner derart ausgebildet ist, das mindestens eine diesem zugeordnete Schaltelement 21 auf Grundlage des übermittelten Datenpakets 9 zu aktivieren und zu deaktivieren. Dies ermöglicht es beispielsweise, den Stromrichter 20 redundant auszulegen, im Betrieb jedoch immer nur teilweise zu betreiben. Bei Bedarf kann auf einen anderen Teil umgeschaltet werden. Auch eine leistungsabhängige Auslegung des Stromrichters 20 wird hierdurch ermöglicht. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass je nach Leistungsanforderungen weitere Schaltelemente, die beispielsweise zu bereits betriebenen redundant ausgelegt sind, hinzu- oder hinweggeschaltet werden.
-
Die Vorrichtung 1 kann prinzipiell beliebig skaliert werden und hierdurch an spezielle Aufgaben und Anordnungen von Schaltelementen 21 angepasst werden. Ein von der Vorrichtung 1 angesteuerter Stromrichter 20 kann insbesondere ein AC/AC-Wandler bzw. Umrichter, ein Vierquadrantensteller, ein DC/DC-Wandler, insbesondere ein Aufwärtswandler (auch als Hochsetzsteller bezeichnet) oder Abwärtswandler (auch als Tiefsetzsteller bezeichnet) oder ein sonstiger Wandler im Hochspannungs-, Mittelspannungs- und/oder Niederspannungsbereich sein. Insbesondere kann es sich bei dem angesteuerten Stromrichter 20 um einen Multi-Level-Umrichter handeln, insbesondere um einen 2-Level-Umrichter oder einen 3-Level-Umrichter. Von der Vorrichtung 1 können prinzipiell beliebig komplexe Stromrichter 20 angesteuert werden.
-
Prinzipiell kann die Vorrichtung 1 auch zum Ansteuern eines Stromrichters 20 mit beliebiger Phasenanzahl verwendet werden. Zwar sind stets drei Phasen gezeigt, jedoch können auch mehr (oder auch weniger) als drei Phasen angesteuert werden.
-
Die Kommunikationsverbindung 4 kann prinzipiell auch eine andere Struktur aufweisen. Beispielsweise kann auch eine sternförmige Kommunikationsverbindung vorgesehen sein.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Schaltmoduls 3 zum Ansteuern eines Schaltelements 21 eines Stromrichters, wobei ein Aufbau lediglich für das obere der beiden dem Schaltmodul 3 zugeordneten Schaltelemente 21 gezeigt ist, der Aufbau für das untere Schaltelement 21 ist hierbei analog. Das Schaltmodul 3 umfasst eine Auswahleinheit 10 und eine Analogtreibereinheit 11. Die Auswahleinheit 10 extrahiert ein dem jeweiligen Schaltelement 21 bzw. dem Schaltmodul 3 zugeordnetes und über die ringförmige Kommunikationsverbindung 4 übermitteltes Datenpaket 9 und extrahiert hieraus einen Schaltzustand 12 des Schaltelements 21 für einen aktuellen Zeitpunkt und übergibt diesen extrahierten Schaltzustand 12 an die Analogtreibereinheit 11. Die Analogtreibereinheit 11 erzeugt auf Grundlage des übergebenen Schaltzustands 12 ein Treibersignal 13, beispielsweise eine Gatespannung für einen Leistungstransistor des Schaltelements 21.
-
Das übermittelte bzw. empfangene Datenpaket 9 besteht beispielsweise aus einer Abfolge von zeitlich aufeinanderfolgenden Datenschlitzen 29. In diesen Datenschlitzen 29 sind beispielsweise die Adressen der Schaltelemente 21 mit den jeweils zugehörigen Schaltzuständen 12 der Schaltelemente 21 hinterlegt. Das Datenpaket 9 kann ferner Kontrollbits 30 umfassen, welche einer Überprüfung der in den Datenschlitzen 29 enthaltenen Daten dienen.
-
Hierbei sind prinzipiell zwei Ausführungsformen möglich, je nachdem, ob ein Schaltmodul 3 eine zur ringförmigen Kommunikationsverbindung 4 unabhängige eigene Taktung aufweist oder nicht. Weisen die Schaltmodule 3 keine eigene Taktung auf und werden über die ringförmige Kommunikationsverbindung 4 synchronisiert, so sind in den übermittelten bzw. empfangenen Datenpaketen 9 lediglich die aktuellen Schaltzustände hinterlegt, wobei auf eine gesonderte zeitliche Taktung bzw. Auswertung in dem Schaltmodul 3 selbst verzichtet wird. Ein Schaltmodul 3 erkennt in diesem Fall das für sich relevante Datenpaket 9 oder den für sich relevanten Datenschlitz 29 in einem übermittelten bzw. empfangenen Datenpaket 9 und schaltet dann entsprechend das diesem zugeordnete Schaltelement 21 sofort, ohne eine zeitliche Auswertung oder Anpassung vorzunehmen. Eine zeitliche Taktung erfolgt also über die ringförmige Kommunikationsverbindung 4 als globalem Zeitgeber. Weisen die Schaltmodule 3 hingegen jeweils einen eigenen Zeitgeber 31 für eine zeitliche Taktung auf, so sind in den Datenpaketen 9 bzw. den Datenschlitzen 29 zusätzlich noch Zeitangaben bzw. Zeitpunkte für die jeweiligen Schaltvorgänge hinterlegt. Ein Schaltmodul 3 extrahiert dann das für sich relevante Datenpaket 9 bzw. den relevanten Datenschlitz 29 und schaltet das zugehörige Schaltelement 21 dann auf Grundlage des darin enthaltenen Schaltzustands 12 und einem jeweils übermittelten Schaltzeitpunkt. Hierfür wird der extrahierte Schaltzeitpunkt in Beziehung gesetzt mit dem Zeitgeber 31 des jeweiligen Schaltmoduls 3.
-
Bei der zeitlichen Taktung mittels des moduleigenen Zeitgebers 31 kann vorgesehen sein, dass eine Zeitbasis zwischen der zentralen Regeleinrichtung 2 und den Schaltmodulen 3 gleich gewählt ist und fortlaufend synchronisiert wird.
-
Es kann vorgesehen sein, dass das Schaltmodul 3 zusätzlich eine Rückmeldeeinheit 14 umfasst. Diese Rückmeldeeinheit 14 ermöglicht es, mindestens einen Rückgabewert (nicht gezeigt) als Datenpaket 9 über die ringförmige Kommunikationsverbindung 4 an die zentrale Regeleinrichtung 2 (vgl. 1) und/oder mindestens ein anderes Schaltmodul 3 (vgl. 1) zu übermitteln.
-
Es ist vorgesehen, dass Messwerte 16 mittels geeigneter Sensoren 60 erfasst werden und mittels eines Datenpakets 9 zurück an die zentrale Regeleinrichtung und/oder andere Schaltmodule übermittelt werden. Die Messwerte 16 können beispielsweise eine Spannung und/oder ein Strom auf dem vom Schaltelement 21 geschalteten Leitungsstrang sein. Hierzu umfasst das Schaltmodul 3 Verstärker 18 sowie einen (zweikanaligen) Sigma-Delta-Wandler 40 zum Wandeln der Messwerte 16 und mindestens ein Sinc-Filter 41 zum Filtern eines Ausgangssignals 42 des mindestens einen Sigma-Delta-Wandlers 40. Der Aufbau der beiden Kanäle des Sigma-Delta-Wandlers 40 und des Sinc-Filters 41 ist gleich, das heißt jeder Kanal umfasst einen eigenen Sigma-Delta-Wandler und einen eigenen Sinc-Filter (nicht gesondert dargestellt).
-
Die Messwerterfassung wird auf Grundlage des festgelegten Konfigurationszustands 50 konfiguriert. Hierzu umfasst das Schaltmodul 3 eine Sigma-Delta-Konfigurationseinheit 43 und eine Sinc-Filter-Konfigurationseinheit 44, welche den Konfigurationszustand 50 aus dem Datenpaket 9 extrahieren und den Sigma-Delta-Wandler 40 und das Sinc-Filter 41 entsprechend konfigurieren. Es kann hierbei vorgesehen sein, dass nicht der gesamte Konfigurationszustand 50 jeweils von der Sigma-Delta-Konfigurationseinheit 43 und der Filter-Konfigurationseinheit 44 extrahiert wird, sondern jeweils nur der für den Sigma-Delta-Wandler 40 bzw. das Sinc-Filter 41 relevante Teil.
-
Der Vorteil des modularen Aufbaus der Vorrichtung 1 (vgl. 1) ist, dass die Vorrichtung 1 an beliebige Topologien von Stromrichtern angepasst und beliebig skaliert werden kann.
-
Eine Kommunikation über die ringförmige Kommunikationsverbindung 4 kann insbesondere wie folgt durchgeführt werden: Die zentrale Regeleinrichtung 2 (vgl. 1) legt die Schaltzustände 12 für alle Schaltmodule 3 für einen aktuellen Zeitpunkt fest. Die festgelegten Schaltzustände 12 werden zusammen mit Adressierungen und gegebenenfalls einem Zeitstempel zur Synchronisation als Datenpaket 9 kodiert. Das Datenpaket 9 umfasst beispielsweise sowohl Steuerdaten, welche die festgelegten Schaltzustände 12 umfassen, als auch Rückmeldedaten in Form von beispielswiese den Kontrollbits 30, welche von den einzelnen Schaltmodulen 3 gesetzt werden können. Ferner umfasst das Datenpaket 9 die von der zentralen Regeleinrichtung festgelegten Konfigurationszustände 50 für die einzelnen Schaltmodule 3. Das Datenpaket 9 durchläuft anschließend der Reihe nach die einzelnen Schaltmodule 3. Das erste Schaltmodul 3 auf der ringförmigen Kommunikationsverbindung 4 extrahiert den Schaltzustand 12 für das diesem Schaltmodul 3 zugeordnete Schaltelement 21 und den Konfigurationszustand 50 für das Schaltmodul 3. Anschließend fügt es beispielsweise einen Rückgabewert in Form eines Kontrollbits 30 und die erfassten Messwerte 16 nach Wandlung und Filterung an die hierfür vorgesehene Position des Datenpakets 9 ein. Das derart veränderte Datenpaket 9 wird anschließend an das dem ersten Schaltmodul 3 in der Reihe der ringförmigen Kommunikationsverbindung 4 nachfolgende Schaltmodul 3 weitergeleitet. Dieses Schaltmodul 3 verfährt in gleicher Weise wie das erste Schaltmodul 3. Sind alle Schaltmodule 3 durchlaufen, sendet das letzte sich auf dem Ring befindende Schaltmodul 3 das Datenpaket 9 zurück an die zentrale Regeleinrichtung 2 (vgl. 1). Die zentrale Regeleinrichtung 2 kann aus dem zurückgesendeten Datenpaket 9 dann insbesondere die eingefügten Rückgabewerte bzw. Kontrollbits 30 und die jeweiligen Messwerte 16 extrahieren und auswerten. Die zentrale Regeleinrichtung 2 verfügt hierdurch über ein reales Abbild der durch Ansteuern realisierten Schaltzustände 12 und beispielsweise der auf den jeweiligen Leitungssträngen vorherrschenden Spannungen und Ströme. Alternativ kann auch für jedes der Schaltmodule 3 ein eigenes Datenpaket 9 vorgesehen sein.
-
Es kann ferner vorgesehen sein, dass auch die Schaltmodule 3 selbst die gesetzten Kontrollbits 30 bzw. die Rückgabewerte der jeweils auf dem Ring vorhergehenden Schaltmodule 3 auswerten. Dies ermöglicht es, gegebenenfalls das Ansteuern in Abhängigkeit der realen Schaltzustände 12 der jeweils auf dem Ring vorhergehenden Schaltelemente 21 anzupassen.
-
In einer Ausführungsformen ist vorgesehen, dass das mindestens eine Schaltmodul 3 eine Abtastratenkonvertierungseinrichtung 45 und eine Mittelungseinrichtung 46 umfasst, welche in der in der 2 gezeigten Ausführungsform in kombinierter Form ausgebildet sind. Die Abtastratenkonvertierungseinrichtung 45 und die Mittelungseinrichtung 46 werden ebenfalls von der Filter-Konfigurationseinheit 44 konfiguriert, welche die relevanten Informationen für die Abtastratenkonvertierungseinrichtung 45 und die Mittelungseinrichtung 46 aus dem übermittelten Konfigurationszustand 50 extrahiert und die Abtastratenkonvertierungseinrichtung 45 und die Mittelungseinrichtung 46 entsprechend konfiguriert. Ein Ausgangssignal des Sinc-Filters 41 wird der Abtastratenkonvertierungseinrichtung 45 und die Mittelungseinrichtung 46 zugeführt und nach der Abtastratenkonvertierung und der Mittelung wird das Ergebnis der Rückmeldeeinheit 14 zugeführt, welche das Ergebnis für die Messwerte 16 in ein Datenpaket 9 einfügt und über die ringförmige Kommunikationsverbindung 4 übermittelt.
-
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die zentrale Regeleinrichtung 2 (vgl. 1) derart ausgebildet ist, eine Qualität eines von einem Schaltmodul 3 übermittelten Messwertes 16 zu überprüfen und in Abhängigkeit eines Überprüfungsergebnisses einen Konfigurationszustand 50 des Schaltmoduls 3 abzuändern. Insbesondere kann beispielsweise ein Konfigurationszustand 50 im Hinblick auf eine Abtastrate des Sigma-Delta-Wandlers 40, Parameter des Sinc-Filters 41 und/oder Parameter der Abtastratenkonvertierungseinrichtung 45 und/oder der Mittelungseinrichtung 46 geändert werden, beispielsweise um ein Rauschen zu vermindern, einen Datendurchsatz zu erhöhen oder eine Latenzzeit zu verringern. Dies kann insbesondere auch während eines Betriebs der Vorrichtung bzw. des Stromrichters erfolgen, beispielsweise wenn die zentrale Regeneinrichtung 2 feststellt, dass ein an diese übermittelter Messwert 16 zu stark mit einem Rauschen behaftet ist. Das Rauschen kann dann durch Anpassen des Konfigurationszustands 50 verringert werden. Das Überwachen der Funktion der Vorrichtung bzw. des Stromrichters kann hierdurch deutlich flexibler gestaltet werden und auf unterschiedliche Fehlerszenarien, insbesondere bei der Messwerterfassung, verbessert reagiert werden.
-
Die 3a und 3b zeigen schematische Darstellungen eines Signalflusses bei der Messwerterfassung in einem Schaltmodul zur Verdeutlichung von Ausführungsformen der Erfindung. Es ist jeweils der Signalfluss von einem Sigma-Delta-Wandler 40 über einen Sinc-Filter 41 dritter Ordnung und eine kombinierte Abtastratenkonvertierungseinrichtung 45 und Mittelungseinrichtung 46 gezeigt.
-
In 3a werden analoge Messwerte 16 erfasst und mittels des Sigma-Delta-Wandlers 40 bei einer Abtastrate von 6,25 MHz in einen 1-Bit-Strom gewandelt. Der 1-Bit-Strom wird von dem Sinc-Filter 41 gemittelt, hierbei wird beispielsweise eine Dezimation von 128 verwendet, das heißt es werden bei einer gleitenden Mittelwertbildung jeweils 128 Werte akkumuliert. Anschließend stehen die gemittelten Messwerte 16 als 21-Bit lange Datenwörter mit einer Rate von 48,828125 kHz zur Verfügung. Diese werden in der kombinierten Abtastratenkonvertierungseinrichtung 45 und Mittelungseinrichtung 46 gemittelt und eine Abtastrate konvertiert. Beispielsweise werden in diesem Beispiel jeweils fünf Werte gemittelt, sodass am Ausgang Mittelwerte mit einer Rate von 9,765625 kHz bereitgestellt werden. Diese Mittelwerte werden dann mittels der Rückmeldeeinheit 14 (vgl. 2) an die zentrale Regeleinrichtung 2 (vgl. 1) und/oder ein anderes Schaltmodul 3 (vgl. 1 und 2) übermittelt.
-
In 3b ist der Ablauf prinzipiell identisch, lediglich die Parameter sind anders gewählt. Es werden analoge Messerwerte 16 erfasst und mittels des Sigma-Delta-Wandlers 40 bei einer Abtastrate von 6,25 MHz in einen 1-Bit-Strom gewandelt. Der 1-Bit-Strom wird von dem Sinc-Filter 41 gemittelt, hierbei wird beispielsweise eine Dezimation von 64 verwendet, das heißt es werden bei der gleitenden Mittelwertbildung jeweils 64 Werte akkumuliert. Anschließend stehen die gemittelten Messwerte 16 als 18-Bit lange Datenwörter mit einer Rate von 97,65625 kHz zur Verfügung. Diese werden in der kombinierten Abtastratenkonvertierungseinrichtung 45 und Mittelungseinrichtung 46 gemittelt und eine Abtastrate konvertiert. Beispielsweise werden in diesem Beispiel jeweils fünf Werte gemittelt, sodass am Ausgang Mittelwerte mit einer Rate von 19,53125 kHz bereitgestellt werden. Diese Mittelwerte werden dann mittels der Rückmeldeeinheit 14 (vgl. 2) an die zentrale Regeleinrichtung 2 (vgl. 1) und/oder ein anderes Schaltmodul 3 (vgl. 1 und 2) übermittelt.
-
Die jeweiligen Abtastraten und die Dezimation lassen sich dann über den Konfigurationszustand flexibel einstellen und an ein jeweiliges Mess- und/oder Fehlerszenario anpassen.
-
Die in den vorangegangenen Abschnitten verwendeten Frequenzen wurden lediglich als Beispiele ausgewählt. Insbesondere ist es möglich, auch höhere Frequenzen zu verwenden. Hierdurch lässt sich ein Datendurchsatz erhöhen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- zentrale Regeneinrichtung
- 3
- Schaltmodul
- 4
- ringförmige Kommunikationsverbindung
- 5
- Regeleinheit
- 6
- Kommunikationsschnittstelle
- 7
- Sollwerte
- 8
- Istwerte
- 9
- Datenpaket
- 10
- Auswahleinheit
- 11
- Analogtreibereinheit
- 12
- Schaltzustand
- 13
- Treibersignal
- 14
- Rückmeldeeinheit
- 16
- Messwert
- 17
- Temperatursensor
- 18
- Verstärker
- 19
- Analog-Digital-Wandler
- 20
- Stromrichter
- 21
- Schaltelement
- 23
- Gleichstromquelle
- 24
- elektrische Maschine
- 27
- Antriebsumrichter
- 29
- Datenschlitz
- 30
- Kontrollbit
- 31
- Zeitgeber
- 40
- Sigma-Delta-Wandler
- 41
- Sinc-Filter
- 42
- Ausgangssignal
- 43
- Sigma-Delta-Konfigurationseinheit
- 44
- Filter-Konfigurationseinheit
- 45
- Abtastratenkonvertierungseinrichtung
- 46
- Mittelungseinrichtung
- 50
- Konfigurationszustand
- 60
- Sensor
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- WO 2015/089537 A1 [0004]
- DE 102008051421 A1 [0005]
