DE102020202318A1 - Method for operating an electrical machine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine mittels eines Stromrichters mit jeweils einer Leistungshalbbrücke pro Phase der elektrischen Maschine zum Erzeugen von Phasenspannungen, wobei die Leistungshalbbrücken in Blockkommutierung angesteuert werden, indem in dem Stromrichter Ansteuersignale (Su, Sv, Sw) für die Leistungshalbbrücken erzeugt werden, wobei der Stromrichter ein Taktsignal (ST) empfängt, das Umschaltinformationen (lu) über Umschaltzeitpunkte der Ansteuersignale (Su, Sv, Sw) enthält, und wobei in dem Stromrichter basierend auf dem Taktsignal (ST) und den darin enthaltenen Umschaltinformationen (lu) Pegel der Ansteuersignale (Su, Sv, Sw) umgeschaltet werden, sowie einen solchen Stromrichter.The invention relates to a method for operating an electrical machine by means of a converter with one power half-bridge per phase of the electrical machine for generating phase voltages, the power half-bridges being controlled in block commutation by triggering signals (Su, Sv, Sw) for the power half-bridges in the converter are generated, wherein the converter receives a clock signal (ST) that contains switchover information (lu) about switching times of the control signals (Su, Sv, Sw), and wherein in the converter based on the clock signal (ST) and the switch information contained therein (lu ) Levels of the control signals (Su, Sv, Sw) can be switched, as well as such a converter.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine mittels eines Stromrichters, einen Stromrichter, ein System mit Stromrichter und Recheneinheit sowie ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.The present invention relates to a method for operating an electrical machine by means of a converter, a converter, a system with converter and arithmetic unit, and a computer program for its implementation.
Stand der TechnikState of the art
Im Bereich kostengünstiger Krafträder bzw. Motorräder mit typischerweise kleinen Brennkraftmaschinen können permanenterregte Synchrongeneratoren zum Einsatz kommen, die starr mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelt sind. Diese Generatoren dienen zur Versorgung des Bordnetzes (mit Batterie, Steuergerät(en), Zündung, Einspritzung, etc.) mit elektrischer Energie. Die Auslegung des Generators kann dabei derart erfolgen, dass der maximale Energiebedarf des Bordnetzes jederzeit bereitgestellt werden kann. Dies bedingt, dass in vielen Betriebspunkten mehr elektrische Energie durch den Generator bereitgestellt wird, als benötigt wird.In the field of inexpensive motorcycles or motorcycles with typically small internal combustion engines, permanent magnet synchronous generators can be used, which are rigidly coupled to the crankshaft of the internal combustion engine. These generators are used to supply the on-board network (with battery, control unit (s), ignition, injection, etc.) with electrical energy. The generator can be designed in such a way that the maximum energy requirement of the on-board network can be made available at any time. This means that in many operating points more electrical energy is provided by the generator than is required.
Bei einem Überangebot an elektrischer Energie in einem Betriebspunkt muss ein Überladen der Batterie verhindert werden. Hierfür kann der Generator von den anderen Komponenten des Bordnetzes entkoppelt und in den elektrischen Leerlauf oder Kurzschluss versetzt werden, da keine Veränderung der Erregung (wie im Fall fremderregter elektrischen Maschinen) oder der Drehzahl möglich ist. Im Falle eines elektrischen Leerlaufs dreht der Generator synchron mit der Brennkraftmaschine, ohne diese nennenswert zu belasten. Im Falle eines Kurzschlusses wird die entstehende elektrische Leistung in Wärme umgewandelt und belastet damit die Brennkraftmaschine parasitär. Da im elektrischen Leerlauf sehr hohe Spannungen entstehen können (proportional zur Drehzahl), können eine Kurzschluss-Lösung bevorzugt und die entstehende Verlustleistung in Kauf genommen werden.If there is an oversupply of electrical energy at an operating point, overcharging of the battery must be prevented. For this purpose, the generator can be decoupled from the other components of the on-board network and put into electrical no-load or short-circuit, since no change in the excitation (as in the case of separately excited electrical machines) or the speed is possible. In the event of electrical idling, the generator rotates synchronously with the internal combustion engine without placing any significant load on it. In the event of a short circuit, the resulting electrical power is converted into heat and thus loads the internal combustion engine parasitically. Since very high voltages can arise in electrical idling (proportional to the speed), a short-circuit solution can be preferred and the resulting power loss can be accepted.
Typisch ist in diesem Bereich eine Verwendung ein- und dreiphasiger Generatoren, aber auch andere Phasenzahlen sind möglich. Übliche Leistungsgrößen bewegen sich zwischen 150 W und 500 W (bei einer Ausgangsspannung, die der Batterie-Spannung entspricht), je nach Auslegung und Energiebedarfs des elektrischen Bordnetzes.One-phase and three-phase generators are typically used in this area, but other numbers of phases are also possible. Usual power ratings range between 150 W and 500 W (with an output voltage that corresponds to the battery voltage), depending on the design and energy requirements of the on-board electrical system.
Im Falle kleiner Brennkraftmaschinen für z.B. Krafträder kann der Generator drei Funktionen vereinen. Neben elektrischer Energie für das Bordnetz kann der massiv ausgeführte Rotor die Schwungmasse zur Stabilisierung des Laufverhaltens der Brennkraftmaschine bereitstellen. Außerdem können sich auf dem Rotor die meist metallischen Markierungen („Zähne“) befinden, die damit ein Geberrad darstellen und zusammen mit einem Drehzahlsensor ein Drehzahl- und Kurbelwellenpositionssignal für ein Motorsteuergerät erzeugen können. Dieses ist für den Betrieb einer modernen Brennkraftmaschine mittels eines elektronischen Motorsteuergeräts notwendig. Über dieses Geberrad kann z.B. unter Verwendung eines induktiv wirkenden Sensors oder Hall-Gebers dessen Drehgeschwindigkeit erfasst werden. Dieser Sensor registriert dann vorbeistreichende metallische Markierungen („Zähne“) und bestimmt über die Zeitdifferenz zwischen zwei Marken die Rotationsgeschwindigkeit.In the case of small internal combustion engines, e.g. for motorcycles, the generator can combine three functions. In addition to electrical energy for the on-board network, the massive rotor can provide the flywheel to stabilize the running behavior of the internal combustion engine. In addition, the mostly metallic markings ("teeth") can be found on the rotor, which represent a sender wheel and, together with a speed sensor, can generate a speed and crankshaft position signal for an engine control unit. This is necessary for the operation of a modern internal combustion engine by means of an electronic engine control unit. This encoder wheel can be used, for example, to record the speed of rotation using an inductive sensor or Hall sensor. This sensor then registers metallic markings ("teeth") passing by and determines the speed of rotation based on the time difference between two marks.
Für die Durchführung kurbelwinkelsynchroner Funktionen kann darüber hinaus die absolute Position der Kurbelwelle erfasst werden, um beispielsweise die Zeitpunkte für die Einspritzung und Zündung (im Falle eines Ottomotors) korrekt zu bestimmen. Dies kann über eine Zahnlücke auf dem Geberrad erreicht werden, die durch den Drehzahlsensor erkannt und somit einem definierten Kurbelwinkel zugeordnet werden kann.To carry out functions that are synchronous to the crank angle, the absolute position of the crankshaft can also be recorded, for example to correctly determine the times for injection and ignition (in the case of a gasoline engine). This can be achieved via a tooth gap on the encoder wheel, which can be recognized by the speed sensor and thus assigned to a defined crank angle.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, einen Stromrichter, ein System mit Stromrichter und Recheneinheit, sowie ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a method for operating an electrical machine, a converter, a system with converter and arithmetic unit, and a computer program for its implementation with the features of the independent claims are proposed. Advantageous refinements are the subject matter of the subclaims and the description below.
Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Betrieb einer insbesondere permanenterregten elektrischen Maschine mittels eines Stromrichters mit jeweils einer Leistungshalbbrücke pro Phase der elektrischen Maschine zum Erzeugen von Phasenspannungen. Eine Leistungshalbbrücke kann dabei zwei Halbleiterschalter bzw. Leistungsschalter wie MOSFETs oder IGBTs enthalten, wobei einer davon in der Regel als High-Side-, der andere als Low-Side-Schalter bezeichnet wird und die entsprechend mit dem positiven bzw. negativen Anschluss eines Bordnetzes zu verbinden sind.The invention is concerned with the operation of an electrical machine, in particular a permanent magnet, by means of a converter with one power half-bridge per phase of the electrical machine for generating phase voltages. A power half-bridge can contain two semiconductor switches or power switches such as MOSFETs or IGBTs, one of which is usually referred to as a high-side switch and the other as a low-side switch and which is connected to the positive or negative connection of an on-board network connect are.
Im Falle einer dreiphasigen elektrischen Maschine sind also drei Leistungshalbbrücken vorzusehen. Die Erfindung eignet sich aber auch für elektrische Maschinen mit anderer Phasenzahl, auch wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Erläuterung eine dreiphasige elektrische Maschine verwendet wird.In the case of a three-phase electrical machine, three power half-bridges must be provided. However, the invention is also suitable for electrical machines with a different number of phases, even if a three-phase electrical machine is used for explanation in the context of the present invention.
Durch die Verwendung solcher Stromrichter, insbesondere auch als Inverter bzw. Wechselrichter bezeichnet, anstelle von Gleichrichter-Spannungsreglern kann eine elektrische Maschine nicht nur generatorisch, sondern auch motorisch betrieben werden, womit die Effizienz der elektrischen Energieerzeugung erhöht und der Antriebsstrang zumindest in schwachem Maße hybridisiert werden kann.By using such power converters, in particular also referred to as inverters or inverters, instead of rectifier voltage regulators, an electrical machine can be operated not only as a generator but also as a motor, which increases the efficiency of electrical energy generation and the drive train is at least slightly hybridized can.
Um den Stromrichter bzw. Inverter passend zum jeweiligen DrehmomentenWunsch anzusteuern und die elektrische Maschine wahlweise als Motor oder Generator zu betreiben, kann über eine Recheneinheit bzw. ein Steuergerät zumindest ein digitales Steuersignal pro Leistungshalbbrücke ausgegeben werden. Entsprechend dem Logikpegel des Steuersignals kann durch eine geeignete Schaltung (z.B. Gate-Treiber) der obere (High-Pegel) oder untere (Low-Pegel) Leistungsschalter einer Leistungshalbrücke leitend geschaltet und der entsprechend andere Leistungsschalter gesperrt werden. Entsprechend wird für jede Leistungshalbbrücke ein digitales Steuersignal benötigt. Im Falle einer dreiphasigen elektrischen Maschine werden also drei Steuerleitungen benötigt.In order to control the power converter or inverter to match the respective torque requirement and to operate the electrical machine either as a motor or generator, at least one digital control signal can be output per power half-bridge via a computing unit or a control unit. Depending on the logic level of the control signal, the upper (high level) or lower (low level) power switch of a power half-bridge can be switched on by a suitable circuit (e.g. gate driver) and the corresponding other power switch can be blocked. Accordingly, a digital control signal is required for each power half-bridge. In the case of a three-phase electrical machine, three control lines are therefore required.
Um den jeweiligen Drehmomentenwunsch umsetzen zu können, muss der Stromrichter relativ zur aktuellen Position des Rotors voreilende oder nacheilende Spannungssignale für den Stator ausgeben. Entsprechend wird zum Erzeugen der Steuersignale die aktuelle Rotorposition und damit bei einem starr auf der Kurbelwelle montierten Rotor die Kurbelwellenposition benötigt.In order to be able to implement the respective torque request, the converter must output leading or lagging voltage signals for the stator relative to the current position of the rotor. Correspondingly, the current rotor position and thus the crankshaft position in the case of a rotor that is rigidly mounted on the crankshaft is required to generate the control signals.
Da die Kurbelwellenposition zum Betrieb der Brennkraftmaschine bereits als Messgröße im Motorsteuergerät vorhanden ist, bietet es sich an, dieses Steuergerät auch zur Ansteuerung des Stromrichters zu verwenden und so eine Hybridisierung ohne zweites Steuergerät oder Rotorlage-Sensorik zu erzielen, es ist lediglich der Stromrichter für die elektrische Maschine nötig.Since the crankshaft position for operating the internal combustion engine is already available as a measured variable in the engine control unit, it is advisable to use this control unit to control the converter and thus achieve hybridization without a second control unit or rotor position sensors; it is only the converter for the electrical machine necessary.
Solange eine geeignete Schaltung für den Stromrichter jedoch nicht in das Motorsteuergerät integriert wird (bzw. nicht integriert werden kann oder nicht werden soll), müssen dafür jedoch drei Steuerleitungen (bzw. allgemein eine pro Phase) zwischen Stromrichter und Steuergerät vorgesehen werden.However, as long as a suitable circuit for the converter is not integrated into the motor control unit (or cannot or should not be integrated), three control lines (or generally one per phase) must be provided between the converter and the control unit.
Vor diesem Hintergrund wird im Rahmen der Erfindung nun vorgeschlagen, dass die Leistungshalbbrücken in Blockkommutierung angesteuert werden, indem in dem Stromrichter entsprechende Ansteuersignale für die Leistungshalbbrücken erzeugt werden. Der Stromrichter empfängt hierzu ein Taktsignal, das Umschaltinformationen über Umschaltzeitpunkte der Ansteuersignale enthält, und das z.B. von einer vom Stromrichter getrennten Recheneinheit wie dem Motorsteuergerät erzeugt und übermittelt wird. In dem Stromrichter werden dann basierend auf dem Taktsignal und der darin enthaltenen Umschaltinformationen Pegel der Ansteuersignale umgeschaltet bzw. die Ansteuersignale werden derart erzeugt, dass sie entsprechend einen Wechsel des Pegels beinhalten.Against this background, it is now proposed within the scope of the invention that the power half-bridges are controlled in block commutation by generating corresponding control signals for the power half-bridges in the converter. For this purpose, the converter receives a clock signal which contains switchover information about switchover times of the control signals and which is generated and transmitted, for example, by a computing unit such as the motor control unit that is separate from the converter. In the converter, based on the clock signal and the switching information contained therein, levels of the control signals are switched or the control signals are generated in such a way that they accordingly contain a change in level.
Während bei elektrischen Maschinen höherer Leistungsklasse oft schnell getaktete Pulswechselrichter-Verfahren zur Erzeugung der Phasenspannungen des Stators zum Einsatz kommen, kann für elektrische Maschinen, wie sie speziell im Bereich der Krafträder zum Einsatz kommen, mit vergleichsweise geringen Leistungen (z.B. 150 W bis 500 W oder ggf. 1 kW) auch eine reine Blockkommutierung als Ansteuerverfahren angewendet werden. Die resultierenden Verläufe der Phasenspannungen ähneln dabei in ihrer Form dem Spannungsverlauf unter Verwendung eines herkömmlichen Dioden-Gleichrichters. Allerdings kann durch die Phasenlage der Spannungen relativ zur Rotorposition die Leistungsabgabe- bzw. Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine nach Belieben eingestellt werden.While high-performance electrical machines often use fast pulse-controlled inverter processes to generate the phase voltages of the stator, for electrical machines such as those used specifically in the field of motorcycles, comparatively low powers (e.g. 150 W to 500 W or possibly 1 kW), a pure block commutation can also be used as the control method. The resulting curves of the phase voltages are similar in shape to the voltage curve using a conventional diode rectifier. However, the power output or power consumption of the electrical machine can be adjusted as desired by the phase position of the voltages relative to the rotor position.
Bei der Blockkommutierung sind die Ansteuersignale für die Leistungshalbbrücken zueinander lediglich phasenverschoben, aber ansonsten formgleich. Dies ermöglicht es nun, diese Form der Ansteuersignale im Stromrichter z.B. in geeigneter Schaltung bzw. Hardware für alle Leistungshalbbrücken bzw. Phasen analog zu hinterlegen und als Eingang lediglich das erwähnte Taktsignal anzulegen bzw. im Stromrichter zu empfangen, das den Umschaltpunkt bzw. Umschaltzeitpunkt von einem Block in den nächsten beschreibt, also diejenigen Zeitpunkte, zu denen der Pegel eines Ansteuersignals geändert werden soll bzw. werden muss, z.B. von High auf Low.With block commutation, the control signals for the power half-bridges are only phase-shifted with respect to one another, but otherwise have the same shape. This now makes it possible to store this form of control signals in the converter, for example in a suitable circuit or hardware for all power half bridges or phases, and to apply only the mentioned clock signal as an input or to receive it in the converter that indicates the switchover point or switchover time from a Block in the next describes, that is, those times at which the level of a control signal should or must be changed, for example from high to low.
Ein Block beschreibt dabei das Intervall, in dem keine Änderung der Ansteuersignale vorliegt. Entsprechend beschreibt jede Flanke eines Ansteuersignals, also eine Pegeländerung, einen Übergang von einem in den nächsten Block. Bei drei Phasen ergeben sich damit z.B. sechs unterschiedliche Schaltzustände und Blöcke, bevor das erste Blockmuster eine Periode (bzw. eine Ansteuerperiode) später wiederholt wird, diese Ansteuerperiode also einen vollen Durchlauf vollzieht.A block describes the interval in which there is no change in the control signals. Correspondingly, each edge of a control signal, i.e. a level change, describes a transition from one in the next block. With three phases, for example, there are six different switching states and blocks before the first block pattern is repeated one period (or one control period) later, that is, this control period completes a full cycle.
Die Anzahl der Perioden pro Rotorumdrehung ergibt sich aus der Anzahl der verwendeten Magnete bzw. Polpaare im Rotor. Pro Polpaar ergibt sich eine elektrische Periode, bei sechs Polpaaren ergeben sich also beispielsweise sechs Perioden bzw. Ansteuerperioden pro Umdrehung. Da die Abfolge der Blöcke durch die Geometrie der elektrischen Maschine fest vorgegeben ist, ändert sich die Abfolge der Blöcke auch nicht für verschiedene Drehmomenten-Anforderungen. Lediglich die Phasenlage der Blöcke relativ zur Rotorposition wird verschoben.The number of periods per rotor revolution results from the number of magnets or pole pairs used in the rotor. There is one electrical period per pair of poles, so with six pairs of poles there are, for example, six periods or control periods per revolution. Since the sequence of the blocks is fixed by the geometry of the electrical machine, the sequence of the blocks does not change for different torque requirements. Only the phase position of the blocks relative to the rotor position is shifted.
Vorzugsweise enthält das Taktsignal weiterhin Synchronisierungsinformationen, die bevorzugt jeden vollen Durchlauf einer Ansteuerperiode aller Leistungshalbbrücken angeben, wobei in dem Stromrichter basierend auf dem Taktsignal und den darin enthaltenen Synchronisierungsinformationen die Ansteuersignale in einen gewünschten Zustand gebracht werden, bevorzugt mit einer Rotorposition der elektrischen Maschine synchronisiert. Damit ist regelmäßig und/oder bei Bedarf eine entsprechende Synchronisierung der Ansteuerung möglich.The clock signal preferably also contains synchronization information that preferably specifies each full cycle of a control period of all power half-bridges, the control signals being brought into a desired state in the converter based on the clock signal and the synchronization information contained therein, preferably synchronized with a rotor position of the electrical machine. A corresponding synchronization of the control is thus possible regularly and / or when required.
Es ist besonders bevorzugt, wenn die Umschaltinformationen in dem Taktsignal für einen bestimmten Umschaltzeitpunkt eines bestimmten Ansteuersignals innerhalb eines vollen Durchlaufs einer Ansteuerperiode aller Leistungshalbbrücken den Synchronisierungsinformationen entsprechen und als Pulse mit einer ersten Länge ausgebildet sind, wobei die Umschaltinformationen für die übrigen Umschaltzeitpunkte der Ansteuersignale innerhalb dieses vollen Durchlaufs der Ansteuerperiode aller Leistungshalbbrücken jeweils als Pulse mit einer zweiten, von der ersten verschiedenen Länge ausgebildet sind. Der Puls für die Synchronisierungsinformationen ist dabei zweckmäßigerweise länger (die erste Länge) als die übrigen Pulse für die Umschaltinformationen (die zweite Länge).It is particularly preferred if the switchover information in the clock signal for a specific switchover time of a specific drive signal corresponds to the synchronization information within a full cycle of a drive period of all power half-bridges and is embodied as pulses with a first length, the switchover information for the other switchover times of the drive signals within this The full cycle of the control period of all power half bridges are each formed as pulses with a second length different from the first. The pulse for the synchronization information is expediently longer (the first length) than the remaining pulses for the switchover information (the second length).
Im beispielhaften Falle einer dreiphasigen elektrischen Maschine gibt es insgesamt sechs aufeinanderfolgende Umschaltzeitpunkte, von denen einer zur Synchronisation dient und eine andere Pulslänge hat als die anderen fünf. Das Taktsignal enthält also nach jeweils fünf kurzen Pulsen einen längeren Puls. Diesem längeren Puls ist ein definierter Blockübergang zugeordnet. Damit wird erreicht, dass eine Synchronisierung auf die Rotor- und Kurbelwellenposition möglich ist und die Schaltung zu jeder Zeit in einen bekannten Zustand gebracht werden kann. Das Taktsignal kann dabei mit kurzen Spannungseinbrüchen und hohem Ruhepegel ausgebildet sein. Je nach Realisierung kann aber auch ein Taktsignal mit niedrigem Ruhepegel und kurzen ansteigenden Spannungsspitzen bzw. Pulsen verwendet werden.In the exemplary case of a three-phase electrical machine, there are a total of six successive switching times, one of which is used for synchronization and has a different pulse length than the other five. The clock signal therefore contains a longer pulse after every five short pulses. A defined block transition is assigned to this longer pulse. This means that synchronization to the rotor and crankshaft position is possible and the circuit can be brought into a known state at any time. The clock signal can be designed with short voltage drops and a high quiescent level. Depending on the implementation, a clock signal with a low quiescent level and short rising voltage peaks or pulses can also be used.
Alternativ ist es bevorzugt, wenn die Umschaltinformationen in dem Taktsignal für die Umschaltzeitpunkte aller Ansteuersignale eines vollen Durchlaufs einer Ansteuerperiode aller Leistungshalbbrücken jeweils als Pulse mit voneinander verschiedener Länge ausgebildet sind. Insbesondere können dann einer oder mehrere Pulse innerhalb dieses Durchlaufs der Ansteuerperiode aller Leistungshalbbrücken als die Synchronisierungsinformationen verwendet werden.Alternatively, it is preferred if the switchover information in the clock signal for the switchover times of all control signals of a full cycle of a control period of all power half-bridges are each embodied as pulses with mutually different lengths. In particular, one or more pulses can then be used as the synchronization information within this run of the control period of all power half bridges.
Bei dieser Variante kann nicht nur ein bestimmter Blockwechsel durch einen längeren Puls ausgelöst werden, sondern jedem Blockwechsel ist eine definierte Pulslänge zugeordnet. Dadurch kann zu jedem beliebigen Zeitpunkt in einen beliebigen Block gewechselt werden, ohne eine Folge aus mehreren Pulsen ausgeben zu müssen. Je nach Reaktionsgeschwindigkeit der Schaltung des Stromrichters kann eine schnelle Abfolge aus Blockwechseln kurzzeitige Schwingungen der Phasenspannungen etc. auslösen, was mit dieser Alternative vermieden wird, auch wenn dies eine etwas aufwändigere Kodierung des Taktsignals erfordert.With this variant, not only can a specific block change be triggered by a longer pulse, but each block change is assigned a defined pulse length. This means that you can switch to any block at any time without having to output a sequence of several pulses. Depending on the reaction speed of the converter circuit, a rapid sequence of block changes can trigger brief oscillations in the phase voltages, etc., which is avoided with this alternative, even if this requires a somewhat more complex coding of the clock signal.
Unabhängig von der Anzahl verschiedener Pulslängen ist eine Realisierung bevorzugt, bei der die erste, einleitende Flanke des Pulses einen Blockwechsel in den nächsten Schaltzustand auslöst, also als die Umschaltinformation verwendet wird. Die Zeitdauer bis zur zweiten, abschließenden Flanke des Pulses (also die Zeitdauer des Pulses an sich) wird zweckmäßigerweise zur Überprüfung bzw. zur Evaluierung verwendet, ob der aktuell eingestellte Block dem gewünschten, durch die Pulslänge gekennzeichneten, Block entspricht, also der Pegel des Ansteuersignals stimmt. Falls nicht, wird bevorzugt ein erneuter Schaltvorgang in den erwarteten Block ausgelöst. Damit wird ein möglichst frühes Umschalten in den nächsten Block gewährleistet und gleichzeitig eine Resynchronisierung im Fehlerfall ermöglicht, sobald die Synchronisierungsinformation mit Pulsende vorliegt (im Fall zweiter Pulslängen spätestens nach sechs Pulsen, in der zweiten Variante nach Auswertung jeder Pulslänge).Regardless of the number of different pulse lengths, an implementation is preferred in which the first, leading edge of the pulse triggers a block change to the next switching state, that is to say is used as the switchover information. The length of time up to the second, final edge of the pulse (i.e. the length of the pulse itself) is expediently used to check or evaluate whether the currently set block corresponds to the desired block identified by the pulse length, i.e. the level of the control signal it's correct. If not, a new switching process into the expected block is preferably triggered. This ensures the earliest possible switchover to the next block and at the same time enables resynchronization in the event of an error as soon as the synchronization information with the end of the pulse is available (in the case of second pulse lengths after six pulses at the latest, in the second variant after evaluation of each pulse length).
Über den gesamten Betriebsbereich der elektrischen Maschine hinweg können sich verschiedene Anforderungen an die Schaltung bzw. den Stromrichter und das zu generierende bzw. zu empfangende Taktsignal ergeben.Over the entire operating range of the electrical machine, there may be various requirements for the circuit or the converter and the clock signal to be generated or received.
Während eines Startvorgangs sind die Kurbelwellenposition der Brennkraftmaschine (und damit die Position des Rotors der elektrischen Maschine) nicht sofort bekannt. Entsprechend kann auch keine gezielte Ansteuerung des Stromrichters erfolgen und kein plausibles Taktsignal bereitgestellt werden. Insofern ist es bevorzugt, wenn in dem Stromrichter nur dann die Ansteuersignale für die Leistungshalbbrücken erzeugt werden, um die Leistungshalbbrücken in Blockkommutierung anzusteuern, wenn (überhaupt) ein Taktsignal empfangen wird.During a starting process, the crankshaft position of the internal combustion engine (and thus the position of the rotor of the electrical machine) are not immediately known. Correspondingly, no specific control of the converter can take place and no plausible clock signal can be provided. In this respect, it is preferred if the control signals for the power half-bridges are only generated in the converter in order to control the power half-bridges in block commutation if a clock signal is received (at all).
Außerdem ist es zweckmäßig, dass dann, wenn der Stromrichter kein Taktsignal empfängt oder das Taktsignal keine Umschaltinformationen enthält, der Stromrichter als Dioden-Gleichrichter betrieben wird oder alle High-Side- oder alle Low-Side-Schalter der Leistungshalbbrücken leitend geschaltet werden.It is also useful that when the converter does not receive a clock signal or the clock signal does not contain any switching information, the converter is operated as a diode rectifier or all high-side or all low-side switches of the power half-bridges are switched on.
Damit ein definierter Zustand des Stromrichters in einem solchen Betriebspunkt beim Startvorgang vorliegt, kann aus dem Taktsignal ein „Enable“-Signal generiert werden. Liegt kein Taktsignal vor (bzw. sind die Umschaltinformationen nicht enthalten), kann das „Enable“-Signal einem „Disable“-Pegel (z.B. Low) entsprechen. Liegt das Taktsignal vor, wird daraus ein „Enable“-Pegel (dann z.B. High) für das „Enable“-Signal abgeleitet und die Schaltung im Stromrichter aktiviert. Bei Bedarf kann das „Enable“-Signal auch erst dann den „Enable“-Pegel annehmen, wenn das erste Mal ein Synchronisierungspuls (also z.B. ein längerer Puls, wie vorhin schon erwähnt) vorgegeben wird.An “Enable” signal can be generated from the clock signal so that the converter is in a defined state at such an operating point during the start-up process. If there is no clock signal (or if the switchover information is not included), the "Enable" signal can correspond to a "Disable" level (e.g. low). If the clock signal is present, an "Enable" level (then e.g. High) for the "Enable" signal is derived from this and the circuit in the converter is activated. If necessary, the "Enable" signal can only take on the "Enable" level when a synchronization pulse (e.g. a longer pulse, as already mentioned) is specified for the first time.
Liegt ein „Disable“-Pegel vor, kann der Stromrichter, wie ebenfalls schon erwähnt, als Dioden-Gleichrichter betrieben werden. Hierzu können alle Leistungsschalter gesperrt und die typischerweise vorhandenen Body-Dioden (parasitäre Dioden z.B. eines MOSFETs) als Dioden-Gleichrichter verwendet werden. Alternativ können die oberen Leistungsschalter alle gesperrt und die unteren alle leitend geschaltet werden (oder umgekehrt) und so die elektrische Maschine entkoppelt von der Gleichspannungsseite (Batterie- bzw. Bordnetz-Seite) im Kurzschluss betrieben werden.If the level is “Disable”, the converter can, as already mentioned, be operated as a diode rectifier. For this purpose, all power switches can be blocked and the body diodes typically present (parasitic diodes, e.g. of a MOSFET) can be used as diode rectifiers. Alternatively, the upper circuit breakers can all be blocked and the lower ones can all be switched on (or vice versa) and the electrical machine can thus be operated in a short circuit, decoupled from the DC voltage side (battery or vehicle electrical system side).
Bevorzugt kann die Aktivierung durch den (längeren) Synchronisierungspuls bzw. die Synchronisierungsinformation im Taktsignal erfolgen. Damit dieser möglichst früh nach Vorliegen der Kurbelwellenposition ausgegeben werden kann, kann in sehr schneller Abfolge direkt im Anschluss an den Synchronisierungspuls die notwendige Anzahl kurzer Pulse (mit den Umschaltinformationen) ausgegeben werden, um den gewünschten Block zur aktuellen Kurbelwellenposition einzustellen. Ab Erreichen dieses Blocks erfolgt die Ausgabe des Taktsignals synchron zur Drehfrequenz des Rotors, wobei an den entsprechenden Stellen wie beschrieben ein längerer Puls ausgegeben wird, um zu gewährleisten, dass die Phasenlage der Phasenspannungen wie gewünscht eingestellt wird und nicht beispielsweise durch eine kurzzeitige Störung auf der Taktleitung dauerhaft ein verschobener (fehlerhafter) Betrieb vorliegt.The activation can preferably take place by the (longer) synchronization pulse or the synchronization information in the clock signal. So that this can be output as soon as possible after the crankshaft position is available, the necessary number of short pulses (with the switchover information) can be output in very quick succession directly after the synchronization pulse in order to set the desired block for the current crankshaft position. When this block is reached, the clock signal is output synchronously with the rotational frequency of the rotor, with a longer pulse being output at the corresponding points as described to ensure that the phase position of the phase voltages is set as desired and not, for example, due to a brief disturbance on the Clock line is permanently shifted (faulty) operation.
Wie schon erwähnt, ist die elektrische Maschine bevorzugt drehfest mit einer Brennkraftmaschine gekoppelt, z.B. durch Befestigung des Rotors direkt auf bzw. an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine.As already mentioned, the electrical machine is preferably coupled to an internal combustion engine in a rotationally fixed manner, e.g. by fastening the rotor directly on or on the crankshaft of the internal combustion engine.
Ebenso ist es zweckmäßig, wenn das Taktsignal von einer von dem Stromrichter verschiedenen Recheneinheit - z.B. einem Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine - erzeugt und an den Stromrichter übermittelt wird, bevorzugt über eine einzelne Steuerleitung. Zur Änderung einer von der elektrischen Maschine abgegebenen mechanischen oder elektrischen Leistung werden die Umschaltzeitinformationen in dem Taktsignal dann derart geändert, dass die Umschaltzeitpunkte zeitlich verschoben werden.It is also useful if the clock signal is generated by a computing unit other than the converter - e.g. a motor control unit of the internal combustion engine - and transmitted to the converter, preferably via a single control line. To change a mechanical or electrical power output by the electrical machine, the switchover time information in the clock signal is then changed in such a way that the switchover times are shifted in time.
Um das Drehmoment der elektrischen Maschine zu ändern, muss die Phasenlage der Phasenspannungen und damit des Taktsignals geändert werden. Ausgehend von einem typischen Generatorbetrieb zum Versorgen des Bordnetzes muss für einen stärker generatorischen Betrieb und ein erhöhtes bremsendes Drehmoment (also eine Erhöhung der abgegebenen elektrischen Leistung) das Taktsignal verzögert werden. Für einen schwächer generatorischen Betrieb beziehungsweise einen motorischen Betrieb und beschleunigendes Drehmoment (also eine Erhöhung der abgegebenen mechanischen Leistung) muss das Taktsignal früher ausgegeben werden.In order to change the torque of the electrical machine, the phase position of the phase voltages and thus of the clock signal must be changed. Based on a typical generator operation to supply the on-board network, the clock signal must be delayed for a more powerful generator operation and an increased braking torque (i.e. an increase in the electrical power output). For a weaker generator operation or motor operation and accelerating torque (i.e. an increase in the mechanical power output), the clock signal must be output earlier.
Für einen stärker generatorischen Betrieb erfolgt das Umschalten entsprechend durch eine entsprechende Verzögerung des nächsten Taktpulses. Würde der neue resultierende Block jedoch einem anderen als gerade vorliegend entsprechen, müsste hierzu entsprechend lange verzögert werden. Alternativ kann für einen sofortigen Wechsel in den gewünschten Block auch ein Synchronisierungspuls bzw. eine Synchronisierungsinformation gefolgt von der notwendigen Anzahl an kurzen Pulsen bzw. Umschaltinformationen erfolgen.For a stronger generator operation, the switchover takes place accordingly by a corresponding delay of the next clock pulse. However, if the new resulting block were to correspond to a block other than the one currently present, this would have to be delayed for a correspondingly long time. Alternatively, for an immediate change to the desired block, a synchronization pulse or synchronization information followed by the necessary number of short pulses or switchover information.
Für einen Wechsel in einen weniger starken generatorischen Betrieb oder einen motorischen Betrieb müssen die Taktpulse zeitlich nach vorne gezogen werden. Würde ein Puls dabei in die Vergangenheit „rutschen“, muss auch hier ein Synchronisierungspuls bzw. eine Synchronisierungsinformation gefolgt von der notwendigen Anzahl an kurzen Pulsen bzw. Umschaltinformationen erfolgen, um einen schnellen und gezielten Übergang in den gewünschten Block zu erzielen.For a change to less powerful generator operation or motor operation, the clock pulses must be moved forward in time. If a pulse were to "slip" into the past, a synchronization pulse or synchronization information followed by the necessary number of short pulses or switchover information must also occur here in order to achieve a quick and targeted transition to the desired block.
Alternativ zu einem Synchronisierungspuls und der notwendigen Anzahl weiterer Pulse zum Erreichen des gewünschten neuen Blocks können auch nur die notwendige Anzahl kurzer Pulse ausgegeben werden. Da jede erste Flanke des Pulses ein Weiterschalten in den nächsten Block auslöst, ist es wünschenswert für einen schnellen Wechsel hin zum neuen Block, in möglichst kurzer Zeit alle notwendigen Pulse zu platzieren, also auf den langen Synchronisierungspuls zu verzichten. Diese Alternative ermöglicht ein schnelleres Umschalten in den neuen Block, jedoch mit dem Risiko, dass im Falle eines auftretenden Störpulses bis zur Ausgabe eines regulären Synchronisierungspulses ein falscher Betriebszustand der elektrischen Maschine vorliegen kann.As an alternative to a synchronization pulse and the necessary number of further pulses to reach the desired new block, only the necessary number of short pulses can also be output. Since every first edge of the pulse triggers switching to the next block, it is desirable for a quick change to the new block to place all the necessary pulses in the shortest possible time, i.e. to forego the long synchronization pulse. This alternative enables faster switching to the new block, but with the risk that, in the event of an interference pulse, the electrical machine may be in an incorrect operating state until a regular synchronization pulse is output.
Zweckmäßigerweise ist die elektrische Maschine in ein Bordnetz mit einer Batterie eingebunden, wobei es dann bevorzugt ist, dass die Synchronisierungsinformationen und/oder die Umschaltinformationen den Stromrichter veranlassen, als nächstes einen gewünschten Pegel eines gewünschten Ansteuersignal zu erzeugen, wenn eine ungewollte Änderung einer Batterie- oder Bordnetzspannung erkannt wird.The electrical machine is expediently integrated into an on-board network with a battery, in which case it is preferred that the synchronization information and / or the switching information cause the converter to next generate a desired level of a desired control signal when an undesired change in a battery or signal occurs Vehicle electrical system voltage is detected.
Eine kurzzeitige Störung des Taktsignals, beispielsweise ein einzelner Störpuls, führt zum Wechsel in einen ungewollten Block bzw. zum Wechsel des Pegels eines Ansteuersignals. Entsprechend stellt sich ein ungewünschtes Drehmoment der elektrischen Maschine ein. Entsprechend wird bei einem Sprung in einen stärker generatorischen Betrieb mehr elektrische Energie in das Bordnetz abgegeben und die Batteriespannung steigt. Bei einem Sprung in einen schwächer generatorischen oder sogar motorischen Betrieb sinkt dagegen die Energiemenge oder wird negativ. Entsprechend fällt die Batteriespannung.A brief disturbance of the clock signal, for example a single disturbance pulse, leads to a change to an unwanted block or to a change in the level of a control signal. Accordingly, an undesired torque of the electrical machine occurs. Correspondingly, if there is a jump to a more powerful generator mode, more electrical energy is released into the vehicle electrical system and the battery voltage rises. In the case of a jump to a weaker generator or even motor operation, on the other hand, the amount of energy decreases or becomes negative. The battery voltage drops accordingly.
Bei Erkennen einer ungewollten, insbesondere deutlichen Änderung der Batteriespannung bzw. Bordnetzspannung (bzw. bei Über- bzw. Unterschreiten eines jeweiligen Schwellwerts) kann also auf eine mögliche Störung der Signalleitung bzw. des darüber übermittelten Taktsignals geschlossen werden. Als Reaktion können ein Synchronisierungspuls und die notwendige Anzahl kurzer Pulse (bzw. Synchronisierungsinformation und Umschaltinformation) ausgegeben werden, um in den gewünschten Block zu gelangen.Upon detection of an undesired, particularly significant change in the battery voltage or on-board network voltage (or if a respective threshold value is exceeded or fallen below), a possible disruption of the signal line or of the clock signal transmitted via it can be concluded. In response, a synchronization pulse and the necessary number of short pulses (or synchronization information and switchover information) can be output in order to get to the desired block.
Stellt sich auch im Anschluss nicht die gewünschte Batteriespannung ein, kann auf eine Laständerung im Bordnetz geschlossen werden und der Sollwert eines entsprechenden Spannungsreglers kann an die neuen Lastverhältnisse angepasst werden.If the desired battery voltage is not established afterwards either, a change in load in the vehicle electrical system can be concluded and the setpoint value of a corresponding voltage regulator can be adapted to the new load conditions.
Weiterführend kann in der Hardware des Stromrichters eine Überwachung des Taktsignals vorgesehen werden. Beispielsweise kann die Frequenz des Taktsignals plausibilisiert werden und die Schaltung deaktiviert („Disable“-Pegel, etc.) werden, falls eine hochfrequente und anhaltende Störung vorliegt. Alternativ kann auch ein erneuter Taktpuls erst nach einer Mindestzeit zugelassen werden, sodass der Bereich, in dem Störungen eine Auswirkung haben, verkleinert wird. Weiter kann auch eine Maximalzeit zwischen Taktpulsen überwacht werden. Da die Ansteuerung mittels des Steuergeräts erst bei rotierender Kurbelwelle und einer Mindestdrehzahl (beispielsweise 50-100 rpm bzw. U/min) erfolgt, kann so verhindert werden, dass bei Stillstand der Kurbelwelle oder niedrigen Drehzahlen Störungen auf der Taktleitung ein Fehlverhalten des Stromrichters verursachen. Furthermore, monitoring of the clock signal can be provided in the hardware of the converter. For example, the frequency of the clock signal can be checked for plausibility and the circuit deactivated ("Disable" level, etc.) if a high-frequency and persistent disturbance is present. Alternatively, a new clock pulse can only be allowed after a minimum time, so that the area in which disturbances have an effect is reduced. A maximum time between clock pulses can also be monitored. As the control by means of the control unit only takes place when the crankshaft is rotating and a minimum speed (e.g. 50-100 rpm or rpm), it can be prevented that faults on the clock line cause the converter to malfunction when the crankshaft is at a standstill or at low speeds.
Gegenstand der Erfindung ist zudem ein Stromrichter zum Betreiben einer permanenterregten elektrischen Maschine, mit jeweils einer Leistungshalbbrücke pro Phase der elektrischen Maschine zum Erzeugen von Phasenspannungen, der dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, soweit diese vom Stromrichter durchgeführt werden.The invention also relates to a converter for operating a permanently excited electrical machine, each with a power half-bridge per phase of the electrical machine for generating phase voltages, which is set up to carry out all method steps of a method according to the invention, insofar as these are carried out by the converter.
Entsprechend ist Gegenstand der Erfindung auch ein System mit einem Stromrichter zum Betreiben einer permanenterregten elektrischen Maschine, mit jeweils einer Leistungshalbbrücke pro Phase der elektrischen Maschine zum Erzeugen von Phasenspannungen, und mit einer Recheneinheit, die bevorzugt mittels einer Steuerleitung mit dem Stromrichter verbunden ist, wobei das System dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, wenn diese z.B. vom Stromrichter und der Recheneinheit (bei der es sich um ein Motorsteuergerät handeln kann) durchgeführt werden.Accordingly, the subject matter of the invention is also a system with a converter for operating a permanently excited electrical machine, with one power half-bridge for each phase of the electrical machine for generating phase voltages, and with a computing unit that is preferably connected to the converter by means of a control line The system is set up to carry out all method steps of a method according to the invention if these are carried out, for example, by the converter and the computing unit (which can be a motor control device).
Hinsichtlich möglicher Ausgestaltungen des Stromrichters bzw. dessen Schaltung sei auf die Figuren sowie die zugehörige Beschreibung verwiesen.With regard to possible configurations of the converter or its circuit, reference is made to the figures and the associated description.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode 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.The implementation of a method according to the invention in the form of a computer program or computer program product with program code for performing all method steps is advantageous, since this causes particularly low costs, in particular if an executing control device is also used for other tasks and is therefore available anyway. Suitable data carriers for providing the computer program are, in particular, magnetic, optical and electrical memories, such as hard drives, flash memories, EEPROMs, DVDs, etc. A program can also be downloaded via computer networks (Internet, intranet, etc.).
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention emerge from the description and the accompanying drawing.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.The invention is shown schematically in the drawing using an exemplary embodiment and is described below with reference to the drawing.
FigurenlisteFigure list
-
1 zeigt schematisch ein System mit Brennkraftmaschine, elektrischer Maschine, Stromrichter und Motorsteuergerät, mit dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.1 shows schematically a system with internal combustion engine, electrical machine, converter and motor control device, with which a method according to the invention can be carried out. -
2 zeigt schematisch ein Taktsignal und Ansteuersignale bei Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.2 shows schematically a clock signal and control signals when carrying out a method according to the invention in a preferred embodiment. -
3 zeigt schematisch eine Konvertereinheit als Teil eines erfindungsgemäßen Stromrichters in einer bevorzugten Ausführungsform.3 shows schematically a converter unit as part of a converter according to the invention in a preferred embodiment. -
4 zeigt schematisch die mit der Konvertereinheit gemäß3 erzeugten Signale.4th shows schematically with the converter unit according to FIG3 generated signals. -
5 zeigt schematisch eine Schaltung zum Erreichen der Funktionalität, die in3 gezeigt ist.5 shows schematically a circuit for achieving the functionality shown in FIG3 is shown.
Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment (s) of the invention
In
Die elektrische Maschine
Mittels eines Drehzahlsensors
Der Stromrichter
Der Stromrichter
Weiterhin weist der Stromrichter
Soll z.B. während des Betriebs des Stromrichters
Um bei Verlust des Batterieanschlusses beim Betrieb ein Hochschnellen der Ausgangsspannung des Stromrichters im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine zu verhindern, kann eine zweite Spannungsüberwachung oberhalb des zulässigen Batteriespannungsbereichs dauerhaft vorgesehen werden. Diese greift z.B. im Fehlerfall ein und schaltet die elektrische Maschine ebenfalls wie beschrieben in den Kurzschlussbetrieb.In order to prevent the output voltage of the converter from rising when the electrical machine is operating in generator mode, if the battery connection is lost during operation, a second voltage monitoring above the permissible battery voltage range can be provided permanently. This intervenes in the event of a fault, for example, and also switches the electrical machine to short-circuit operation as described.
In
Das Taktsignal
Aus dem Taktsignal
Dabei ist zu sehen, dass mit jedem Puls des Taktsignals
Die Ansteuerung der Leistungshalbbrücken bzw. der Leistungsschalter erfolgt mit diesen Ansteuersignalen dann auf an sich bekannte Weise, d.h. die daraus erhaltenen Phasenspannungen sind, wie in
In
Die grundsätzliche Funktionalität kann durch ein Schieberegister
Das Schieberegister
Um abwechselnd für drei Takte einen High- bzw. Low-Pegel zu erhalten, wird der letzte Datenausgang (OUT 3) invertiert auf den Dateneingang (DATA) zurückgekoppelt. Invertiert bedeutet hierbei, dass bei vorliegendem High-Pegel am Ausgang ein Low-Pegel am Eingang vorgegeben wird und umgekehrt.In order to obtain a high or low level alternately for three clocks, the last data output (OUT 3) is inverted and fed back to the data input (DATA). In this context, inverted means that if there is a high level at the output, a low level is specified at the input and vice versa.
Damit ergibt sich die nachfolgend dargestellte Abfolge der Schaltzustände:
Takt 1 entspricht dabei dem Zustand, der sich auch initial und nach einem Reset einstellt. Nach dem sechsten Takt (Takt
Aus dem vom Motorsteuergerät vorgegebenen Taktsignal
Aus dem aufbereiteten Taktsignal (vgl. Schritt bzw. Block
Dieser Initialzustand definiert den Block, in dem die Schaltung des Stromrichters initial startet und auf welchen die Position des längeren Pulses im Taktsignal getriggert werden muss. Typischerweise entspricht der Initialzustand einem Low-Pegel an allen Datenausgängen. Entsprechend liegt nach ausgelöstem Reset ein High-Pegel am Dateneingang für das erste folgende Taktsignal an.This initial state defines the block in which the converter circuit starts initially and on which the position of the longer pulse in the clock signal must be triggered. The initial state typically corresponds to a low level at all data outputs. Accordingly, after a reset has been triggered, there is a high level at the data input for the first following clock signal.
Wie in
Um zusätzlich sicherzustellen, dass die Ansteuersignale nur dann weitergeleitet werden, also am Ausgang des Schieberegisters zur Verfügung stehen, wenn ein Taktsignal vorliegt, kann ein „Enable“-Signal vorgesehen werden. Viele Schieberegisterschaltungen bieten die Möglichkeit, die Ausgänge nur dann zu aktivieren, wenn ein entsprechender „Enable“-Pegel am „Enable“-Eingang vorliegt. Je nach verwendeten Gate-Treibern kann dasselbe Signal auch als „Enable“-Signal für diese Treiberschaltungen verwendet werden.In order to additionally ensure that the control signals are only passed on, i.e. are only available at the output of the shift register, when a clock signal is present, an “enable” signal can be provided. Many shift register circuits offer the option of activating the outputs only if there is a corresponding “Enable” level at the “Enable” input. Depending on the gate drivers used, the same signal can also be used as an “enable” signal for these driver circuits.
Häufig werden Reset- und Enable-Funktionalitäten an fallende Signalflanken bzw. Low-Pegel geknüpft. Daher nimmt das Enable-Signal bei nicht aktivierter Schaltung einen High-Pegel als Ruhepegel an und geht zur Aktivierung der Ausgänge auf einen Low-Pegel. Das Reset-Signal weist bei aktivierter Schaltung einen High-Pegel als Ruhepegel auf und löst durch Low-Pulse einen Reset des Schieberegisters aus.Reset and enable functions are often linked to falling signal edges or low levels. Therefore, when the circuit is not activated, the enable signal assumes a high level as the quiescent level and goes to a low level to activate the outputs. When the circuit is activated, the reset signal has a high level as the quiescent level and triggers a reset of the shift register with low pulses.
Damit ergeben sich die in
Weiterhin sind die Signalausgänge OUT 1, OUT 2 und OUT 3 dargestellt. Diese werden erst dann aktiviert, wenn das Enable-Signal auf Low-Pegel gesetzt wird und es werden alle entsprechend deaktiviert, wenn das Enable-Signal zurück auf High-Pegel gesetzt wird. Während der aktivierten Zeit schalten die Ausgänge entsprechend obiger Tabelle bei jedem Taktpuls in den nächsten Zustand bzw. Block.The signal outputs OUT 1, OUT 2 and OUT 3 are also shown. These are only activated when the enable signal is set to low level and they are all deactivated accordingly when the enable signal is set back to high level. During the activated time, the outputs switch to the next state or block with each clock pulse according to the table above.
Weiterhin sind die beiden Signale OUT 2' und DATA dargestellt, die mittels einer Invertierungsschaltung aus den Signalen OUT
Außerdem sind die drei Ausgangssignale OUT 1, OUT 2' und OUT 3 in Richtung der weiteren Hardware des Stromrichters (also zur Ansteuereinheit
Nach dem fünften Reset-Puls ist im Taktsignal
Der erste verlängerte Takt-Puls (d.h. die Synchronisierungsinformation) und der damit verbundene Reset-Puls können wahlweise erst dann ausgegeben werden, wenn sich der Rotor der elektrischen Maschine an der gewünschten Position (abhängig vom gewünschten Betriebspunkt der elektrischen Maschine) befindet, oder auch schon früher, wenn der Stromrichter möglichst früh anfangen soll zu arbeiten.The first extended clock pulse (ie the synchronization information) and the associated reset pulse can optionally only be output when the rotor of the electrical machine is in the desired position (depending on the desired operating point of the electrical machine), or even already earlier, if the converter is to start working as early as possible.
In diesem Fall müssen nach dem Reset-Puls in schneller Abfolge die benötigten weiteren Takt-Pulse ausgegeben werden, um das Schieberegister in den gewünschten Zustand zu bringen, bevor die Ausgänge aktiviert (Enable = Low-Pegel) werden. Im hier dargestellten Beispiel wird dafür direkt nach dem ersten Reset-Puls im Taktsignal ein weiterer Puls nachgeschoben, bevor rotorsynchron die weiteren Takt-Pulse zum Umschalten der jeweiligen Blöcke vorgegeben werden.In this case, after the reset pulse, the required additional clock pulses must be output in quick succession in order to bring the shift register into the desired state before the outputs are activated (enable = low level). In the example shown here, a further pulse is added directly after the first reset pulse in the clock signal before the further clock pulses for switching over the respective blocks are specified in a rotor-synchronous manner.
In
Wird durch das Motorsteuergerät kein Eingangssignal vorgegeben, wird das Clock-Signal
Dieses Eingangssignal wird (im Fall einer Open-Collector-Erzeugung) durch den Pull-Up-Widerstand
Die Bauteile
Die Diode
Die Bauteile
Die Bauteile
Die Bauteile
Alternativ zu einer Realisierung mittels diskreter Bauteile kann auch die Verwendung einer digitalen Steuerung auf dem Stromrichter vorgesehen werden. Diese übernimmt nicht, wie in anderen Stromrichtern, die Detektion der Rotorposition und eine entsprechende Ansteuerung der Ausgangsstufe gemäß einem externen Momentenwunsch. Stattdessen kann dieser Steuerung dasselbe Pulssignal wie oben beschrieben von einer externen Steuereinheit zugeführt und daraus die Ableitung der einzelnen Ansteuersignale für die Ausgangsstufen, sowie die Plausibilisierung des Eingangssignals und die Erzeugung eines Enable-Signals vorgenommen werden.As an alternative to implementation using discrete components, the use of a digital controller on the converter can also be provided. Unlike in other converters, this does not take over the detection of the rotor position and a corresponding control of the output stage according to an external torque request. Instead, this control can be supplied with the same pulse signal as described above from an external control unit and the individual control signals for the output stages can be derived from this, as well as the plausibility check of the input signal and the generation of an enable signal.
Entsprechend sind die Anforderungen an diese digitale Steuerung deutlich geringer als bei anderen Stromrichtern, und damit kann eine günstigere Steuereinheit mit geringerem Softwareaufwand verwendet werden. Gegebenenfalls kann auch eine integrierte Einheit verwendet werden, die eine digitale Steuereinheit mit der notwendigen Zusatzbeschaltung (z.B. Spannungsversorgung) sowie die Schaltungsteile zur Ansteuerung aller Leistungsschalter in einem Bauteil vereint. Dadurch kann der Platzbedarf auf der Platine des Stromrichters stark verringert werden.Accordingly, the requirements placed on this digital control are significantly lower than with other power converters, and a cheaper control unit with less software effort can therefore be used. If necessary, an integrated unit can also be used, which combines a digital control unit with the necessary additional circuitry (e.g. power supply) and the circuit parts for controlling all circuit breakers in one component. As a result, the space requirement on the converter board can be greatly reduced.
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