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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit einem Stromrichter sowie eine Steuereinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Elektrische Maschinen, insbesondere bei einem Einsatz in einem Fahrzeug, können motorisch an einem Stromrichter, insbesondere Wechselrichter bzw. Inverter, betrieben werden, der von einem Gleichspannungskreis gespeist wird. Üblich für solche Inverter, auch als Traktionsinverter bezeichnet, ist ein getaktetes Öffnen und Schließen von Schaltelementen, insbesondere Halbleiterschaltern wie MOSFETs oder IGBTs, beispielsweise im Wege einer Blockkommutierung.
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Üblicherweise findet zwischen der Ansteuerelektronik und dem Stromrichter eine Potentialtrennung statt. In 48V-Systemen, beispielsweise in sogenannten Boost-Rekuperationsmaschinen (BRM), sind Anwendungen denkbar, bei denen aus Bauraum- und Kostengründen diese Potentialtrennung nicht vorhanden ist.
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Jedoch führt eine nicht vorhandene Potentialtrennung dazu, dass sich Schaltvorgänge, d.h. das Öffnen und Schließen von Schaltelementen, in Potentialsprüngen an der Logikversorgung auswirken können. Beispielsweise kann so die Messung des Phasenstroms und/oder die Messung der Rotorlage des Läufers der elektrischen Maschine gestört werden.
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Zur Abhilfe kann man den Messzeitpunkt in Abhängigkeit von den Schaltvorgängen berechnen und variabel anpassen. Insbesondere bei mehrphasigen elektrischen Maschinen und steigenden Ansteuerfrequenzen ist die Suche nach ungestörten Messzeitpunkten aufwendig. Ferner können dabei negative Aspekte für die Regelung aufgrund von nicht-äquidistanten Messungen sowie zusätzlicher Aufwand für Plausibilisierungen auf Grund von Sicherheitsaspekten gemäß ISO 26262 entstehen.
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Bei elektrischen Maschinen (oder Antrieben) im Automotive-Bereich findet in der Regel die Norm ISO 26262 Anwendung, in der dies sog. „Automotive Safety Integrity Level“ (ASIL) - hierbei handelt es sich um Sicherheitsstufen in Fahrzeugen - definiert werden. Für elektrische Maschinen mit einer ASIL-Einstufung wird in der Regel das erzeugte Drehmoment mit einer Sicherheitslast belegt, d.h. das erzeugte Drehmoment muss eine vorgegebene Genauigkeit aufweisen.
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Aus Kostengründen kann das Drehmoment einer elektrischen Maschine anhand gemessener Phasenströme und entsprechender Maschinengleichungen ermittelt werden, ein Drehmomentsensor ist dann nicht nötig. Dabei ist aber eine möglichst genaue Erfassung der Phasenströme wichtig, um den Anforderungen der ISO 26262 zu genügen. Die Phasenströme finden in der Regel Eingang in die Stromregelung, mittels welcher ein Solldrehmoment realisiert werden kann. Ungenau erfasste Phasenströme führen daher zu einem ungenau gestellten Drehmoment, was wiederrum die Verletzung von Sicherheitszielen nach ISO 26262 nach sich ziehen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit einem Stromrichter sowie eine Steuereinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung basiert auf der Maßnahme, ungestörte und insbesondere äquidistante Messungen dadurch zu erreichen, dass die Umschaltzeitpunkte der Halbleiterschalter notfalls verschoben werden.
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Dabei werden die bestimmten Umschaltzeitpunkte derart an die bestimmten Messzeitpunkte angepasst, dass in einem bestimmten Intervall um einen bestimmten Messzeitpunkt die Halbleiterschalter nicht geschlossen und geöffnet werden. Das Intervall kann insbesondere ein Zeitintervall oder ein Drehwinkelintervall (des Läufers) sein.
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Dies hat den Vorteil, dass die Messung durch den Sensor, beispielsweise durch Potentialsprünge an der Logikversorgung, nicht beeinflusst oder gestört wird. Das Intervall wird einerseits möglichst so lang gewählt, dass die Zeit für die Messung ausreicht, aber andererseits möglichst kurz gewählt, so dass die Messung nicht das Öffnen oder das Schließen der Halbleiterschalter unnötig verzögert. Bevorzugt wird ein Zeitintervall von 10 µs, insbesondere von 5 µs verwendet.
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Vorteilhafterweise wird in einem Fall, in dem ein bestimmter Umschaltzeitpunkt in dem bestimmten Intervall um einen bestimmten Messzeitpunkt liegt, der bestimmte Umschaltzeitpunkt nach außerhalb des bestimmten Intervalls verschoben. Dies ist vorteilhaft, da dadurch verhindert wird, dass die Messung durch das Schalten der Halbleiter beeinflusst oder gestört wird. Dabei kann der bestimmte Umschaltzeitpunkt derart verschoben werden, dass der bestimmte Umschaltzeitpunkt auf den letztmöglichen Zeitpunkt vor dem Intervall oder auf den frühestmöglichen Zeitpunkt nach dem Intervall verschoben wird. Dies kann auch von der Position des Umschaltzeitpunkts im Intervall abhängen, d.h. liegt er näher am Beginn oder am Ende.
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Vorzugsweise wird ein Umschaltzeitpunkt eines ersten Halbleiterschalters (insbesondere Highside) eines Zweigs des Stromrichters vor das Zeitintervall und ein Umschaltzeitpunkt eines zweiten Halbleiterschalters (insbesondere Lowside) des Zweigs des Stromrichters nach das Zeitintervall verschoben. Weiter vorzugsweise erfolgt die Verschiebung symmetrisch zum eigentlichen Schaltzeitpunkt. Auf diese Weise kann die Entstehung von Drehmomentschwankungen (Rippel) vermieden werden.
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Vorteilhafterweise sind die bestimmten Messzeitpunkte zeitlich äquidistant. Die Messungen werden somit in regelmäßigen zeitlichen Abständen durchgeführt. Somit können zeitlich äquidistante Messwerte erhalten werden, um beispielsweise die eingangs genannten Anforderungen zu erfüllen.
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Vorteilhafterweise wird der Sensor zur Messung eines durch eine der Ständerwicklungen fließenden Phasenstroms oder einer Rotorlage des Läufers verwendet. Der Phasenstrom kann beispielsweise über sogenannte Shunts gemessen werden. In der Regel sind diese Shunts nicht direkt in den Phasen der Ständerwicklungen verbaut, sondern beispielsweise in einem Lowside-Pfad und/oder im Highside-Pfad des Stromrichters.
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Sind die Shunts nur im Lowside-Pfad verbaut, kann der Phasenstrom nur dann gemessen werden, wenn der Lowside-Pfad eingeschaltet ist. Analoges gilt für den Highside-Pfad.
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Vorteilhafterweise wird die Ständerwicklung in Blockkommutierung betrieben. Ab einer bestimmten Drehzahl, der sogenannten Eckdrehzahl, erreicht die elektrische Maschine die sogenannte Spannungsgrenze. Bei dieser ist die erzeugte Polradspannung größer als die an den Phasen anliegende Spannung. Damit die Maschine oberhalb dieser Drehzahl ein motorisches Moment erzeugen kann, wird sie im sogenannten Feldschwächbetrieb betrieben. Da diese Betriebsart jedoch einen geringeren Wirkungsgrad aufweist, sollte die Eckdrehzahl möglichst hoch liegen, was beispielsweise durch eine höhere Phasenspannung erreicht werden kann. Daher werden entsprechende Maschinen im Feldschwächbereich im Blockbetrieb angesteuert, da in diesem eine größere effektive Spannung an der Ständerwicklung erzeugt werden kann als bei einer PWM-Ansteuerung.
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Bei einer Blockkommutierung wird keine feste Ansteuerfrequenz (also keine PWM-Kommutierung) verwendet, sondern die Halbleiterschalter werden synchron zur elektrischen Winkelgeschwindigkeit der elektrischen Maschine blockförmig ein- und ausgeschaltet. Je nach Phasenzahl lassen sich verschiedene Blockbreiten realisieren. Die Ansteuerart, die die größte effektive Phasenspannung erzeugt, ist die sogenannte 180°-Blockkommutierung, bei welcher pro Phase innerhalb einer elektrischen Umdrehung die Highside- und Lowside-Halbleiterschalter jeweils für einen elektrischen Winkel von 180° eingeschaltet sind.
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Vorteilhafterweise werden die bestimmten Umschaltzeitpunkte und die bestimmten Messzeitpunkte von einer Steuereinheit bestimmt. Die Steuereinheit berechnet bzw. bestimmt beispielsweise zunächst die Messzeitpunkte. Anschließend berechnet bzw. bestimmt die Steuereinheit die Umschaltzeitpunkte der Halbleiterschalter und vergleicht die bestimmten Messzeitpunkte mit den bestimmten Umschaltzeitpunkten. Sofern ein bestimmter Umschaltzeitpunkt in einem Intervall um einen bestimmten Messzeitpunkt liegt, bestimmt die Steuereinheit, ob der Umschaltzeitpunkt auf einen Zeitpunkt vor oder auf einen Zeitpunkt nach dem Intervall verschoben wird.
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Ferner ist die erfindungsgemäße Steuereinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcodemitteln zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- 1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine mit Stromrichter bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
- 2 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist schematisch eine elektrische Maschine 100 mit Stromrichter 110 dargestellt, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Die elektrische Maschine weist (in einem nicht dargestellten Stator) sechs Phasen(wicklungen) auf, die zwei Drehstromgruppen als Teilsysteme bilden und mit U1, V1 und W1 sowie U2, V2 und W2 bezeichnet sind. Dabei gilt zwischen den beiden dreiphasigen Teilsystemen U1, V1, W1 sowie U2, V2, W2 beispielsweise ein elektrischer Phasenversatz von 30°. Eine Drehstromgruppe ist durch eine elektrische Verbindung der Phasenwicklungen im Ständer, hier beispielsweise einen gemeinsamen Sternpunkt, charakterisiert, ist jedoch im Ständer nicht elektrisch mit Phasen anderer Drehstromgruppen verbunden und kann daher eine eigenes Ansteuerschema haben, welches im Prinzip unterschiedlich von Ansteuerschemata anderer Drehstromgruppen sein kann.
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Der Stromrichter 110 weist zwei Teile 111 und 112 auf, die jeweils als übliche Brückengleichrichter ausgebildet sind, und sechs (nicht näher bezeichnete) Schaltelemente, z. B. Halbleiterschalter wie MOSFETS, aufweisen und jeweils zum Ansteuern (d.h. zum Verbinden mit den Gleichspannungsanschlüssen des Stromrichter) eines der dreiphasigen Teilsysteme U1, V1, W1 bzw. U2, V2, W2 dienen. Über zwei (nicht näher bezeichnete) Kondensatoren ist der Stromrichter 110 mit einem positiven und einem negativen Anschluss z.B. in ein Bordnetz eines Fahrzeugs als Gleichspannungsanschlüsse eingebunden. Zudem ist beispielhaft eine Steuer- und/oder Regeleinheit 150 gezeigt, die zum Ansteuern des Stromrichters 110, insbesondere zum Öffnen und Schließen der Schaltelemente, dient. Es versteht sich, dass eine solche auch in den Stromrichter 110 integriert sein kann.
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Die Ansteuerung der beiden dreiphasigen Teilsysteme U1, V1, W1 bzw. U2, V2, W2 erfolgt hier über zwei getrennte Ansteuerschaltungen 115 und 116. In den Phasen fließt dabei jeweils ein Phasenstrom IU1 , IV1 , und IW1 bzw. IU2 , IV2 und IW2 . Diese Phasenströme können z.B. mittels eines Phasenstromsensors bzw. einer Strommesseinrichtung - eine solche ist schematisch und beispielhaft mit 120 bezeichnet - gemessen bzw. erfasst werden.
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Wenn zwischen den Ansteuerschaltungen 115 und 116 und dem Stromrichter 110 keine Potentialtrennung existiert, können sich Schaltvorgänge, d.h. das Öffnen und Schließen von Schaltelementen, in Potentialsprüngen an der Logikversorgung auswirken. Beispielsweise kann so die Messung des Phasenstroms der elektrischen Maschine100 gestört werden.
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In 2 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Hierzu kann die elektrische Maschine 100 mit Stromrichter 110 wie in 1 gezeigt verwendet werden. Zur Vereinfachung wird nur eines der beiden dreiphasigen Teilsysteme U1, V1, W1 dargestellt, das hier in 180°-Blockkommutierung betrieben wird.
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Im Diagramm 2a der 2 sind bestimmte Zeitintervalle um bestimmte Messzeitpunkte der Messung des Phasenstroms gezeigt. Zu den Zeitpunkten 50 µs, 150 µs, 250 µs, 350 µs und 450 µs finden hier beispielhaft jeweils Messungen statt. Insgesamt werden somit (für die vorliegende Drehzahl) während einer vollständigen Umdrehung des Läufers fünf Messungen durchgeführt. Zwischen den bestimmten Messzeitpunkten liegt ein äquidistanter Abstand von 100 µs. Das Zeitintervall um einen bestimmten Messzeitpunkt beträgt hier 10 µs, wobei das Zeitintervall 5 µs vor einem bestimmten Messzeitpunkt beginnt und 5 µs nach einem bestimmten Messzeitpunkt endet (siehe Pfeil). Das Zeitintervall um den bestimmten Messzeitpunkt 250 µs beginnt somit zum Zeitpunkt 245 µs und endet zum Zeitpunkt 255 µs.
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In den Diagrammen 2b bis 2d werden jeweils die bestimmten Umschaltzeitpunkte, d.h. der Zeitpunkt des Einschaltens bzw. des Ausschaltens, der einzelnen Phasen U1, V1 und W1 gezeigt. Ein eingeschalteter (leitender) Highside-FET und ausgeschalteter (nicht-leitender) Lowside-FET wird dabei durch den Wert 1, ein eingeschalteter Lowside-FET und ausgeschalteter Highside-FET durch den Wert -1 repräsentiert. Zu einem Umschaltzeitpunkt werden somit üblicherweise immer beide einer Phase zugehörigen Schaltelemente umgeschaltet. Dabei ist sinnvollerweise darauf zu achten, dass kein Kurzschluss entsteht, dass also immer ein Schaltelement nicht-leitend ist. Sind beide Schalter ausgeschaltet, wird dies durch den Wert 0 repräsentiert.
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Während die Messungen zu den Zeitpunkten 50 µs, 150 µs, 350 µs, 450 µs störungsfrei stattfinden, d.h. ohne dass ein gleichzeitiger Schaltvorgang durchgeführt wird, würden zum Zeitpunkt 250 µs eine Messung des Phasenstroms mit einem Umschaltzeitpunkt der Phase U1, d.h. Ausschalten des Highside-FETs und Einschalten des Lowside-FETs der Phase U1, kollidieren.
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Daher wird Highside-FET schon zum Zeitpunkt 245 µs ausgeschaltet, was den letztmöglichen Zeitpunkt vor dem Zeitintervall um den bestimmten Messzeitpunkt bei 250 µs darstellt. Ferner wird der Lowside-FET nicht zum Zeitpunkt 250 µs eingeschaltet wird, sondern erst zum Zeitpunkt 255 µs, was den frühestmöglichen Zeitpunkt nach dem Zeitintervall um den bestimmten Messzeitpunkt bei 250 µs darstellt. Dabei verringert sich jedoch die Länge des verfügbaren Spannungszeigers. Alternativ kann die Verschiebung der Umschaltzeitpunkte auch winkelabhängig erfolgen, d.h. z.B. bei 175° und 185°. Es versteht sich, dass jedoch auch sowohl Highside-FET als auch Lowside-FET gemeinsam vor oder nach dem Intervall geschaltet werden können. Dadurch ändert sich jedoch der Ansteuerwinkel, wodurch es zu einem Drehmomententrippel kommt.
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Die Berechnung der bestimmten Messzeitpunkte und der bestimmten Umschaltzeitpunkte wird dabei von der Steuereinheit 150 (siehe 1) durchgeführt. Zudem bestimmt die Steuereinheit 150, ob ein bestimmter Umschaltzeitpunkt in dem bestimmten Intervall um einen bestimmten Messzeitpunkt liegt und verschiebt den Umschaltzeitpunkt gegebenenfalls.
