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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuerung zum Steuern eines Umrichters. Weiter betrifft die Erfindung ein Motorsystem.
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In modernen elektrischen Antriebssystemen spielen die akustischen und elektromagnetischen Eigenschaften eine immer bedeutendere Rolle. So müssen bei umrichtergespeisten Antrieben stets strengere Anforderungen an elektromagnetische Verträglichkeit und Akustik eingehalten werden. Um dies zu erreichen, werden einige Maßnahmen vorgeschlagen, die zu einer Verbesserung der oben genannten Eigenschaften beitragen.
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Beispielsweise kann das elektromagnetische Design des Motors dahingehend optimiert werden, dass mit weniger Strom gleiches Moment erzeugt werden kann. Durch geeignete Anpassung des Modulationsverfahrens können die spektralen Anteile, die typischerweise bei Vielfachen der Schaltfrequenz maximal sind, reduziert werden. Durch diese Reduzierung wird das akustische und elektromagnetische Verhalten optimiert. Leitungsgebundene Störungen können durch Hardware-Filterkomponenten reduziert werden. Ein geeignetes Gehäusematerial und Gehäusedesign kann die Abschirmung von Störstrahlung ermöglichen oder akustische Auffälligkeiten reduzieren. Durch aktive Beeinflussung der Oberwellenanteile können Geräusche reduziert werden.
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Zum Steuern eines Umrichters wird ein vorgegebenes Modulationsverfahren genutzt. Das Modulationsverfahren bestimmt Pulsmuster, die durch das Umschalten der Halbleiter im Umrichter eingestellt werden. Diese Umschaltungen erzeugen abhängig von der definierten Schaltfrequenz spektrale Komponenten, die negative akustische und elektromagnetische Eigenschaften hervorrufen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, akustische und elektromagnetische Anforderungen eines Motorsystems besser zu erfüllen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist das Reduzieren von Oberschwingungen bzw. deren Energie in einem Motorsystem.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Umrichters. Ein Umrichter kann dazu ausgeführt sein, eine Eingangsspannung, beispielsweise von einem Gleichstromzwischenkreis, in eine Ausgangsspannung, beispielsweise eine Wechselspannung, umzuwandeln. Beispielsweise kann die Spannung einer Batterie in eine Wechselspannung zum Antrieb eines Elektromotors umgewandelt werden. Weiter ist es möglich, dass eine Wechselspannung eines Generators, als der der Elektromotor fungieren kann, in eine Gleichspannung zum Laden einer Batterie umgewandelt wird. Dazu kann der Umrichter eine oder mehrere Halbbrücken aufweisen, die jeweils mehrere Halbleiterschalter, wie etwa IGBTs, umfassen. Mit jeder Halbbrücke kann eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umgewandelt werden und umgekehrt. Das Verfahren kann automatisch von einer Steuerung des Umrichters durchgeführt werden, die die Halbleiterschalter ansteuert und gemäß eines Pulsmusters öffnet und schließt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren: Bestimmen eines Pulsmusters für den Umrichter, wobei das Pulsmuster Schaltflanken enthält, bei denen eine Ausgangsspannung zwischen zwei Niveaus umgeschaltet wird; Verschieben von Schaltflanken des Pulsmusters, wobei beim Verschieben einer Schaltflanke zu einem Zeitpunkt, zu dem die Ausgangsspannung umgeschaltet wird, ein Zufallswert addiert wird; und Anwenden des Pulsmusters mit den verschobenen Schaltflanken auf Schaltelemente des Umrichters, um die Ausgangsspannung zu erzeugen.
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Ein Pulsmuster, das ein- oder mehrphasig sein kann, umfasst eine Mehrzahl von Schaltflanken, die jeweils einen Zeitpunkt angeben, an denen eine Ausgangsspannung des Umrichters, beispielsweise eine Phasenspannung von einem ersten Spannungsniveau auf ein zweites Spannungsniveau, umgeschaltet wird. Das Pulsmuster kann mittels eines Modulationsverfahrens erzeugt werden, bei dem die Schaltflanken basierend auf einer Referenzgröße, wie etwa einer Referenzspannung, einem Referenzstrom und/oder einem Referenzmoment, bestimmt werden. Ein mögliches Modulationsverfahren ist beispielsweise Pulsweitenmodulation. Beim Umrichter kann es sich um einen Zwei-Punkt-Umrichter mit nur zwei Spannungsniveaus oder um einen Multilevel-Umrichter mit mehr als zwei Spannungsniveaus handeln.
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Die Schaltflanken des Pulsmusters oder nur ein Teil davon wird nach dem Erzeugen des Pulsmusters zufällig verschoben. Es ist möglich, dass alle Schaltflanken zufällig verschoben werden. Es ist auch möglich, dass lediglich ein Teil der Schaltflanken zufällig verschoben wird. Beispielsweise nur die Hälfte der Schaltflanken.
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Dabei kann die Schaltflanke zeitlich nach hinten oder zeitlich nach vorne verschoben werden. Der Differenzwert der Zeitpunkte der ursprünglichen Schaltflanke und der verschobenen Schaltflanke, d.h. die Verschiebedifferenz, wird dabei zufällig gewählt. Beispielsweise kann der Zufallswert mit einem Zufallszahlengenerator erzeugt werden. Der Zufallswert kann negativ oder positiv sein.
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Aus dem Pulsmuster mit den verschobenen Schaltflanken können Schaltsignale für die Halbleiterschalter des Umrichters erzeugt werden, die dann entsprechend geschaltet werden, um die Ausgangsspannung zu erzeugen. In bestimmten Fällen können auch die Schaltsignale als Pulsmuster aufgefasst werden und/oder können die Schaltsignale zufällig zeitlich verschoben werden.
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Durch eine willkürliche, zufällige Verschiebung von Schaltflanken können ausgeprägte spektrale Anteile der Ausgangsspannung reduziert werden und/oder über das gesamte Spektrum verteilt werden.
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Insgesamt kann mit dem Verfahren eine Verbesserung der akustischen und elektromagnetischen Eigenschaften durch zufällige Verschiebung der Schaltflanken in umrichtergespeisten elektrischen Antriebssystemen erreicht werden. Das Verfahren kann einfach umgesetzt werden und benötigt kaum CPU-Ressourcen, wenn es als Computerprogramm implementiert wird. Ein Einsatz ohne großen finanziellen und entwicklungsintensiven Aufwand ist möglich. Änderungen an einer Regelung, beispielsweise bei der Erzeugung des Pulsmusters, sind nicht oder lediglich kaum notwendig.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung liegt der Zufallswert in einem vordefinierten Intervall. Der Zufallswert bzw. die Verschiebedifferenz kann von oben und/oder unten begrenzt sein. Die Reduzierung der Oberschwingungen hängt in der Regel direkt von dem Bereich bzw. Intervall ab, in dem die Schaltflanken zufällig verschoben werden können. Ein größeres Intervall, d.h. ein Intervall größerer Länge, kann zu einer stärkeren Reduzierung führen, kann aber auch zu einem negativen Einfluss auf die Regelung führen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das vordefinierte Intervall symmetrisch zu einem Nullwert. Mit anderen Worten kann der untere Randwert des Intervalls der negative Wert des oberen Randwerts sein. Damit können die Schaltflanken in beide Richtungen gleichmäßig verschoben werden.
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Es ist aber auch möglich, dass die Schaltflanken lediglich nach hinten oder lediglich nach vorne verschoben werden. Der untere Randwert oder der obere Randwert des Intervalls kann der Nullwert sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die in dem Intervall erzeugten Zufallswerte gleichverteilt. Werden in diesem Fall eine Vielzahl von Zufallswerten erzeugt, sind die Wahrscheinlichkeiten, dass der Zufallswert auf zwei beliebige Punkte des Intervalls fällt, gleich groß. Auch andere Zufallsverteilungen, wie etwa eine Gaußverteilung, oder bestimmte diskrete Werte in dem Intervall sind möglich. Auch mit der gewählten Zufallsverteilung kann das Verteilen der Oberschwingungen in das gesamte Spektrum eingestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Schaltflanke derart verschoben, dass Randbedingungen des Pulsmusters eingehalten werden. Diese Randbedingungen können eine Reihenfolge der Schaltflanken in einer Phase, eine Reihenfolge der Schaltflanken über mehrere Phasen, Minimal- und Maximalabstände der Schaltflanken zueinander usw. umfassen.
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Wenn eine verschobene Schaltflanke einen Bereich verlässt, außerhalb dem sie nicht mehr einer Randbedingung genügt, kann entweder das Verschieben rückgängig gemacht werden oder die Schaltflanke auf den Zeitpunkt gelegt werden, an dem sie gerade noch der Randbedingung genügt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Umrichter eine Halbbrücke mit einem oberen Schalter und einem unteren Schalter auf, für die jeweils ein Pulsmuster erzeugt wird. Jeder der Schalter kann beispielsweise ein IGBT mit antiparalleler Diode sein. Die beiden Pulsmuster können bestimmen, wann der obere Schalter eingeschaltet und der untere Schalter ausgeschaltet wird bzw. umgekehrt. Die beiden Pulsmuster können gegenübereinander invertiert sein. Auf diese Weise werden aus einer Schaltflanke für die Umrichterphase zwei gegenläufige Schaltflanken für die Schalter erzeugt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Schaltflanke für das Pulsmuster des unteren Schalters gegenüber einer zugehörigen Schaltflanke des Pulsmusters des oberen Schalters mittels eines Totzeitoffsets verschoben, wobei der Zufallswert zu dem Totzeitoffset addiert werden kann. Mit einem Totzeitoffset, wie etwa 1-2 µs, kann verhindert werden, dass beide Schalter gleichzeitig offen sind, was zu einem Kurzschluss führen würde. Das Verschieben der Schaltflanke kann somit auch für die Pulsmuster der beiden Schalter durchgeführt werden und insbesondere durch Ändern des Totzeitoffsets. Es ist zu verstehen, dass das Intervall für den Zufallswert so gewählt werden sollte, dass ein Minimalwert für das Totzeitoffset nicht unterschritten wird.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Pulsmuster mittels Pulsweitenmodulation erzeugt wird, beispielsweise mittels Raumzeigermodulation (SV PWM).
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Ausgangsspannung des Umrichters mehrere Phasen, für die jeweils ein Phasenpulsmuster erzeugt wird. Die Schaltflanken aus verschiedenen Phasen des Phasenpulsmusters können unabhängig voneinander mittels Zufallswerten verschoben werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Steuerung für einen Umrichter, die dazu ausgeführt ist, das Verfahren, so wie hierin beschrieben, durchzuführen. Die Steuerung kann einen Regler zum Erzeugen des Pulsmusters und einen Verschieberbaustein zum Verschieben der Schaltflanken umfassen. Alle diese Bausteine können auch Softwaremodule einer in der Steuerung ausgeführten Software sein.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Motorsystem, das einen Umrichter, eine derartige Steuerung und einen elektrischen Motor umfasst, der mit einer von dem Umrichter erzeugten Ausgangsspannung betrieben wird. Das Motorsystem kann beispielsweise der Antrieb oder zumindest ein Teil des Antriebs eines Straßenfahrzeugs sein.
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Es ist zu verstehen, dass Merkmale des Verfahrens, so wie oben stehend und unten stehend beschrieben, auch Merkmale des Motorsystems sein können und umgekehrt.
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Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Computerprogramm, das, wenn es auf einem Prozessor ausgeführt wird, das Verfahren, wie es im Vorangehenden und im Folgenden beschrieben ist, durchführt, sowie ein computerlesbares Medium, auf dem ein derartiges Computerprogramm gespeichert ist. Ein computerlesbares Medium kann dabei eine Harddisk, ein USB-Speichergerät, ein RAM, ein ROM, ein EPROM oder ein Flash-Speicher sein. Ein computerlesbares Medium kann auch ein Datenkommunikationsnetzwerk, wie beispielsweise das Internet, das den Download eines Programmcodes ermöglicht, sein. Das computerlesbare Medium kann ein transitorisches oder nicht transitorisches Medium sein. Merkmale des Verfahrens, wie es im Vorangehenden und im Folgenden beschrieben ist, können auch Merkmale des Computerprogramms und/oder des computerlesbaren Mediums sein.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben.
- 1 zeigt ein Motorsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 2 zeigt einen Teil eines Motorsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 3 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern eines Umrichters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung illustriert.
- 4 zeigt ein Diagramm mit Pulsmustern.
- 5A und 5B zeigen Diagramme mit Spektren von Spannungen, die mit Pulsmustern erzeugt wurden.
- 6 zeigt ein Diagramm mit der Differenz der Spektren aus 5A und 5B.
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Die in den Figuren verwendeten Bezugszeichen und ihre Bedeutung sind in zusammenfassender Form in der Liste der Bezugszeichen aufgeführt. Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Motorsystem 10, das einen elektrischen Motor 12, einen Umrichter 14 und eine Steuerung 16 umfasst. Die Steuerung 16 erzeugt ein Pulsmuster 18, mit dem der Umrichter 14 gesteuert wird. Basierend darauf erzeugt der Umrichter 14 eine dreiphasige Ausgangsspannung 22, die dem Motor 12 zugeführt wird und diesen antreibt. Das Motorsystem 10 kann Bestandteil eines Antriebs eines Straßenfahrzeugs, wie etwa eines Pkws, Lkws, Busses oder Motorrads, sein. Die Steuerung 16 kann einen Prozessor aufweisen, der die unten genannten Bausteine als Softwaremodule ausführt.
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Ein Lage- bzw. Winkelsensor 24 erzeugt ein Lagesignal 26 des Motorrotors, das einem dq-Wandler 28 und einem aß-Wandler 30 der Steuerung 16 zugeführt wird.
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Der dq-Wandler 28 empfängt ein Stromsignal 32 der Motorströme und transformiert dieses in ein Stromsignal 34 im dq-System. Das Stromsignal 34 wird von einem Referenzstromsignal 36 abgezogen und die Differenz wird dem aß-Wandler 30 zugeführt, der ein Differenzsignal 38 im aß-System erzeugt, das einem Regler 40 zugeführt wird. Der Regler 40 erzeugt ein Sollspannungssignal 42, aus dem ein Modulator 44 ein Pulsmuster 46 erzeugt. Ein Verschiebebaustein 48 wandelt das Pulsmuster 46 in ein Pulsmuster 18 um, das zufällig verschobene Schaltflanken aufweist.
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2 zeigt einen Teil des Motorsystems 10 genauer. Der Verschiebebaustein 48 kann einen Flankenschieber 50 aufweisen, der in dem Pulsmuster 46 für eine Phase des Umrichters 14 Schaltflanken zufällig verschiebt und so ein verschobenes Pulsmuster 18 erzeugt. Alternativ oder zusätzlich kann das verschobene Pulsmuster 18 mittels eines Totzeiterzeugers 52 erzeugt werden. Beides wird weiter unten noch einmal genauer beschrieben.
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Der Verschiebebaustein 48 kann weiter einen Schalterpulsmuster-Erzeuger 51 aufweisen, der aus dem Pulsmuster 18 oder direkt aus dem Pulsmuster 46 für eine Phase des Umrichters 14 zwei Schalter-Pulsmuster 18a, 18b erzeugt, die einem oberen Schalter 54a und einem unteren Schalter 54b einer Halbbrücke 56 des Umrichters 14 zugeführt werden. Der Totzeiterzeuger 52 verschiebt dabei Schaltflanken des Pulsmusters 18b für den unteren Schalter 54b zeitlich, um eine Totzeit nach hinten um das verschobene Schalter-Pulsmuster 18b' zu erzeugen. Mit der Totzeit soll verhindert werden, dass beide Schalter 54a, 54b gleichzeitig offen sind und die Halbbrücke 56 kurzgeschlossen wird. Die Totzeit ist dabei von einem Zufallswert abhängig, der eine zufällige Verschiebung der Schaltflanken des Schalter-Pulsmusters 18b bewirkt. Es ist zu verstehen, dass auch das Schalter-Pulsmuster 18b' als Pulsmuster für den Umrichter 14 mit verschobenen Schaltflanken aufgefasst werden kann.
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Die Halbbrücke 56 mit den beiden in Reihe geschalteten Schaltern 54a, 54b kann an einen Zwischenkreis angeschlossen sein und aus der dort vorhandenen Gleichspannung 58 eine Phase der Ausgangsspannung 22 erzeugen. Die Ausgangsspannung 22 hat dann im Wesentlichen die gleiche Form wie das Pulsmuster 18.
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Die 3 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern des Umrichters 14 zeigt. Wie bereits erwähnt, kann die Ausgangsspannung 22 des Umrichters 14 mehrere Phasen umfassen. Das Verfahren wird im Folgenden für eine dieser Phasen beschrieben, kann aber unabhängig voneinander für jede der Phasen durchgeführt werden.
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Im Schritt S10 bestimmt der Modulator 44 basierend auf der durch den Regler 40 erzeugten Referenzspannung das Pulsmusters 46 für den Umrichter 14. Das Pulsmuster 46 kann beispielsweise mittels Pulsweitenmodulation erzeugt werden.
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Die 4 zeigt ein derartiges Pulsmuster 46 genauer. Das Pulsmuster 46 weist Schaltflanken 60 auf, die kodieren, dass eine Ausgangsspannung 22 zwischen den beiden Niveaus 0 und 1 hin- und hergeschaltet werden soll. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist lediglich eine der Schaltflanken mit einem Bezugszeichen bezeichnet.
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Im Schritt S12 wird die Schaltflanke 60 des Pulsmusters 46 durch den Flankenschieber zu einem neuen Zeitpunkt verschoben. Das Pulsmuster 18 mit der verschobenen Schaltflanke 66 ist auch in der 4 dargestellt. Die Schaltflanke 60 wird dabei so verschoben, dass zu dem Zeitpunkt der ursprünglichen Schaltflanke 60, an dem die Ausgangsspannung 22 umgeschaltet werden soll, ein Zufallswert 62 addiert wird.
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Der Zufallswert 62 liegt in einem vordefinierten Intervall 64, das das Verschieben auf einen bestimmten Zeitraum begrenzt. Das vordefinierte Intervall 64 kann symmetrisch zu einem Nullwert sein, d.h. die Zufallswerte können den Zeitpunkt gleich weit in die Vergangenheit schieben wie in die Zukunft.
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Weiter können die in dem Intervall 64 erzeugten Zufallswerte 62 gleichverteilt sein. Ein Zufallszahlengenerator, der die Zufallswerte 62 erzeugt, kann so eingestellt sein, dass jeder Wert im Intervall 64 gleichwahrscheinlich ist.
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Es kann auch berücksichtigt werden, dass die Schaltflanke 60 derart verschoben wird, dass Randbedingungen des Pulsmusters 46 eingehalten werden. Beispielsweise kann die Schaltflanke 60 nur so weit in die Zukunft geschoben werden, dass ein vordefinierter Abstand zu der nächsten Schaltflanke eingehalten wird.
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Alternativ oder zusätzlich kann es auch sein, dass das Verschieben einer Schaltflanke mittels eines Totzeitoffsets für einen Schalter 54a, 54b des Umrichters 14 durch den Totzeiterzeuger erfolgt. In diesem Fall entspricht die Linie 46 in der 4 dem Schalter-Pulsmuster 18b, das bereits um einen vorgegebenen, konstanten Totzeitoffset verschoben wurde, und die Line 18 entspricht dem Schalter-Pulsmuster 18b'. Zu dem Totzeitoffset, wie etwa 2 µs, wird zusätzlich der Zufallswert 62 addiert, der beispielsweise in einem Intervall zwischen -1 µs und +1 µs erzeugt werden kann. Damit ist eine minimale Totzeit von 1 µs gewährleistet.
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Im Schritt S14 wird schließlich das Pulsmuster 18 (bzw. die Schalter-Pulsmuster 18a, 18b') mit den verschobenen Schaltflanken 66 auf die Schaltelemente 54a, 54b des Umrichters 14 angewendet, um die Ausgangsspannung 22 zu erzeugen.
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Die 5A zeigt das Spektrum einer Ausgangspannung 22, die mittels eines Pulsmusters 46 erzeugt wurde, bei der die Schaltflanken 60 nicht zufällig verschoben wurden. Die durch das regelmäßige, rechteckige Pulsmuster 46 erzeugten Oberschwingungen bei Vielfachen der Periodenfrequenz sind gut als Peaks des Spektrums zu erkennen.
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Analog zeigt die 5B das Spektrum einer Ausgangsspannung 22, die mittels eines Pulsmusters 18 erzeugt, wurde, bei dem die Schaltflanken 60 zufällig verschoben wurden. Es ist zu erkennen, dass die Energie der Peaks abgenommen hat und dabei die Energie von anderen Frequenzanteilen zugenommen hat.
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Die 6 zeigt ein Diagramm mit der Differenz der Spektren aus 5A und 5B. Hier ist eindeutig zu erkennen, dass die Energie der Spektralanteile der Oberschwingungen abgenommen hat. Durch die verminderte Energie der Oberschwingungen ist die Gefahr von Resonanzen in dem Motorsystem 10 geringer geworden. Die elektromagnetische Verträglichkeit des Motorsystems 10 steigt. Weiter werden akustische Probleme reduziert.
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Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Motorsystem
- 12
- elektrischer Motor
- 14
- Umrichter
- 16
- Steuerung
- 18
- Pulsmuster
- 18a
- Schalter-Pulsmuster
- 18b
- Schalter-Pulsmuster
- 18b'
- verschobenes Schalter-Pulsmuster
- 22
- Ausgangsspannung
- 24
- Lage- und/oder Winkelsensor
- 26
- Lagesignal
- 28
- dq-Wandler
- 30
- αβ-Wandler
- 32
- Stromsignal
- 34
- transformiertes Stromsignal
- 36
- Referenzstromsignal
- 38
- Differenzsignal
- 40
- Regler
- 42
- Sollspannungssignal
- 44
- Modulator
- 46
- ursprüngliches Pulsmuster
- 48
- Verschiebebaustein
- 50
- Flankenschieber
- 51
- Schalterpulsmuster-Erzeuger
- 52
- Totzeiterzeuger
- 54a
- oberer Schalter
- 54b
- unterer Schalter
- 56
- Halbbrücke
- 58
- Gleichspannung
- 60
- Schaltflanke
- 62
- Zufallswert
- 64
- Intervall
- 66
- verschobene Schaltflanke
