DE102021133217A1 - Verfahren zur Phasenstrommessung und Steuerschaltung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zur Phasenstrommessung eines Elektromotors (M) über ein Strommesselement (14), das zwischen einer Schaltbrücke (12) mit wenigstens einem schaltbaren Schaltelement (S) zur Steuerung wenigstens eines einen Phasenstrom (I_U,I_V, I_W) einer Motorphase (U, V, W) des Elektromotors (M) beeinflussenden und abhängig von einem elektrischen Winkel (φ_g) wechselnden Schaltzustands und einer mit der Schaltbrücke (12) verbundenen Spannungsquelle (V_DC) zur Speisung des Phasenstroms (I_U, I_V, I_W) angeordnet ist, wobei der wenigstens eine einer Motorphase eindeutig zugeordnete Phasenstrom (I_U, I_V, I_W) bei wenigstens einer Schaltperiode (T_PWM) eines eine Ansteuerfrequenz (ω) aufweisenden Ansteuerungszyklus der Ansteuerung der Schaltbrücke (12) abhängig von einem durch eine Messung dieses Phasenstroms (I_U, I_V, I_W) bei wenigstens einer vorhergehenden Schaltperiode mit dem Strommesselement (14) ermittelten Bezugswert (I_U, I_V, Î_W, I'_U, I'_V, I'_W, I''_U, I''_V, I''_W) berechnet wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Steuerschaltung (10).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Steuerschaltung.
• Ein Verfahren zur Phasenstrommessung ist beispielsweise aus EP 1 347 567 A1 bekannt. Darin wird bei Ansteuerung eines dreiphasigen Elektromotors mit SVPWM-Signalen eine Verschiebung der Signale vorgenommen, um ausreichend Messzeitfenster für eine Phasenstrommessung zu erhalten, denn sind die Zeiträume für einen aktiven Spannungsvektor sehr klein oder nicht vorhanden, kann die Phasenstrommessung nicht durchgeführt werden. Es sind mindestens zwei Phasenströme der Wicklungen in dem Elektromotor erforderlich, um den Phasenstrom durch alle drei Motorphasen zu berechnen.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, den Phasenstrom eines Elektromotors genauer und zuverlässiger zu erfassen, sowie die Leistungsfähigkeit und die Effizienz des Elektromotors zu erhöhen. Weiterhin soll die Steuerschaltung zur Ansteuerung des Elektromotors und zur Phasenstrommessung kostengünstig und mit möglichst wenig Bauteilen ausgeführt werden.
• Wenigstens eine dieser Aufgaben wird durch ein Verfahren zur Phasenstrommessung eines Elektromotors über ein Strommesselement gelöst, das zwischen einer Schaltbrücke mit wenigstens einem schaltbaren Schaltelement zur Steuerung wenigstens eines einen Phasenstrom einer Motorphase des Elektromotors beeinflussenden und abhängig von einem elektrischen Winkel wechselnden Schaltzustands und einer mit der Schaltbrücke (12) verbundenen Spannungsquelle zur Speisung des Phasenstroms angeordnet ist, wobei der wenigstens eine einer Motorphase eindeutig zugeordnete Phasenstrom bei wenigstens einer Schaltperiode eines eine Ansteuerfrequenz aufweisenden Ansteuerungszyklus der Ansteuerung der Schaltbrücke abhängig von einem durch eine Messung dieses Phasenstroms bei wenigstens einer vorhergehenden Schaltperiode mit dem Strommesselement ermittelten Bezugswert berechnet wird. Dadurch kann der Phasenstrom eines Elektromotors genauer und zuverlässiger ermittelt werden und zugleich die Leistungsfähigkeit und Effizienz des Elektromotors erhöht werden. Die Kenntnis des wenigstens einen gemessenen Phasenstroms kann eine genauere Regelung des Elektromotors über die Steuerschaltung ermöglichen. Eine Veränderung der Motorsteuerung für eine Phasenstrommessung kann ausbleiben.
• Der berechnete Phasenstrom kann wenigstens unter Heranziehung des Bezugswerts extrapoliert werden. Der Phasenstrom kann bevorzugt berechnet werden, wenn eine Messung des Phasenstroms in dieser Schaltperiode unmöglich ist.
• Der Elektromotor kann ein bürstenloser Gleichstrommotor, insbesondere ein BLDC-Motor sein. Der Elektromotor kann mehrere Motorphasen, bevorzugt drei Motorphasen U, V, W aufweisen. Der Elektromotor kann als Antrieb in einem Aktor, insbesondere einem Kupplungsaktor, wirken. Der Elektromotor kann in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug wirksam sein. Der Elektromotor kann einen Stator und einen demgegenüber drehenden Rotor aufweisen. Der elektrische Winkel kann abhängig von einer Polpaarzahl des Elektromotors aus einem Drehwinkel des Rotors berechnet werden.
• Die Schaltbrücke kann eine B6-Brücke sein. Die Schaltbrücke kann ein Wechselrichter sein. Die Schaltbrücke kann sechs Schaltelemente aufweisen, insbesondere für die erste Motorphase U ein erstes Highside-Schaltelement S1.h und ein erstes Lowside-Schaltelement S1.I, für die zweite Motorphase V ein zweites Highside-Schaltelement S2.h und ein zweites Lowside-Schaltelement S2.I und für die dritte Motorphase ein drittes Highside-Schaltelement S3.h und ein drittes Lowside-Schaltelement S3.I. Wenigstens eines der Schaltelemente S besteht bevorzugt jeweils aus einem Transistor T mit einer definierten Durchlassrichtung sowie bevorzugt einer Diode D, insbesondere einer antiparallelen Body-Diode.
• Die Ansteuerung der Schaltbrücke zur Steuerung des wenigstens einen Phasenstroms kann über ein PWM-Signal mit einer Ansteuerfrequenz erfolgen. Die Ansteuerung der Phasenbrücke erfolgt bevorzugt über die Spannungsraumzeigermodulation unter Anwendung von die Spannungsraumzeiger während einer PWM-Periode festlegenden Modulationsfaktoren. Die Ansteuerung kann durch eine Flat-Bottom-Ansteuerung, eine Flat-Top-Ansteuerung oder eine THI-Ansteuerung (Third Harmonic Injection) erfolgen.
• Der Phasenstrom ist bevorzugt abhängig von einer Schalterstellung des wenigstens einen Schaltelements. Welcher Phasenstrom über das Strommesselement gerade messbar ist, kann von den Schalterstellungen der Schaltelemente in der Schaltbrücke abhängen. Innerhalb einer Schaltperiode, insbesondere PWM-Periode, kann insbesondere wenigstens einer, bevorzugt zwei von drei Phasenströmen des dreiphasigen Elektromotors über das Strommesselement messbar sein. Einer dieser Phasenströme kann eine positive Polarität und der andere eine negative Polarität haben. Der dritte Phasenstrom kann in Kenntnis von den zwei über das Strommesselement gemessenen Phasenströmen berechnet werden, beispielsweise mit dem Kirchhoff-Gesetz.
• Ist beispielsweise genau ein Highside-Schaltelement einer Motorphase leitend geschaltet, während das zugeordnete Lowside-Schaltelement offen ist und sind die anderen beiden Highside-Schaltelemente der anderen beiden Motorphasen offen und die beiden zugeordneten Lowside-Schaltelemente geschlossen, kann der Phasenstrom der Motorphase mit dem geschlossenen Highside-Schaltelement über eine Phasenstrommessung mit dem Strommesselement gemessen und dieser Motorphase eindeutig zugeordnet werden.
• Das Strommesselement kann einen Shunt-Widerstand umfassen. Der an dem Strommesselement anliegende zu messende Strom kann über einen Spannungsabfall an dem Shunt-Widerstand berechnet werden.
• Die Prüfung auf eine Durchführbarkeit einer Phasenstrommessung in dem anstehenden PWM-Zyklus in Bezug auf eine ausreichende Länge der Messzeitfenster lässt sich für eine symmetrische PWM-Ansteuerung abhängig von dem Ansteuerverfahren ermitteln. Hierfür ist die Berücksichtigung von Modulationsfaktoren der Spannungsraumzeigermodulation notwendig, die bei der Ansteuerung der Motorphasen U, V, W verwendet werden. Die den Motorphasen zugeordneten Modulationsfaktoren können bei einer eingestellten PWM-Ansteuerung der Größe nach in m_max, m_mid und m_min eingeteilt werden. Mit der Periodendauer T_PWM, der Übergangszeit t_u und der benötigten Messzeit t_m für die Strommessung kann damit eine Bedingung für eine durchführbare Strommessung während des PWM-Zyklus abhängig von dem benutzten Ansteuerverfahren wie folgt festgelegt werden:
• Bei Flat-Bottom-Ansteuerung:
  • Der positive Phasenstrom ist messbar wenn gilt: $m_{max}-m_{mid}\ge 2\cdot \frac{t_u+t_m}{T_{PWM}}$
    
• Der negative Phasenstrom ist messbar, wenn gilt: $m_{mid}\ge \frac{t_u+t_m}{T_{PWM}}$
  
  • Bei Flat-Top-Ansteuerung:
• Der negative Phasenstrom ist messbar, wenn gilt: $m_{max}-m_{mid}\ge 2\cdot \frac{t_u+t_m}{T_{PWM}}$
  
  • Der positive Phasenstrom ist messbar, wenn gilt: $m_{mid}\ge \frac{t_u+t_m}{T_{PWM}}$
    
• Bei THI-Ansteuerung:
  • Der positive Phasenstrom ist messbar, wenn gilt: $m_{max}-m_{mid}\ge 2\cdot \frac{t_u+t_m}{T_{PWM}}$
    
• Der negative Phasenstrom ist messbar, wenn gilt: $m_{mid}-m_{mid}\ge 2\cdot \frac{t_u+t_m}{T_{PWM}}$
  
• Die Zusammenhänge und deren Anwendung gelten insbesondere bei einem Motorbetrieb des Elektromotors, können jedoch analog auch bei einem Generatorbetrieb des Elektromotors zutreffen, wobei dann die Polarität des gemessenen Stroms durch das Strommesselement wechselt.
• Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn bezüglich einer Schaltperiode eines eine Ansteuerfrequenz aufweisenden Ansteuerungszyklus der Ansteuerung der Schaltbrücke ein erster Phasenstrom einer Motorphase abhängig von dem Bezugswert berechnet und ein zweiter Phasenstrom einer weiteren Motorphase durch das Strommesselement gemessen wird. Die Schaltperiode kann eine PWM-Periode sein. Ein dritter Phasenstrom kann bei einem dreiphasigen Elektromotor nach dem Kirchhoff-Gesetz aus dem ersten und zweiten Phasenstrom berechnet werden. Der erste Phasenstrom kann ein positiver oder negativer Phasenstrom sein. Der zweite Phasenstrom kann dementsprechend ein negativer oder positiver Phasenstrom sein. Der erste Phasenstrom kann dem zweiten Phasenstrom in einer Schaltperiode vorangehen oder diesem folgen.
• Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn der Bezugswert einen Zeitverlauf des Phasenstroms über einen von dem elektrischen Winkel abhängigen elektrischen Phasenstromwinkel kennzeichnet. Der Zeitverlauf kann eine harmonische Schwingung sein. Die harmonische Schwingung kann eine Sinus-Schwingung sein. Der elektrische Phasenstromwinkel kann gegenüber dem elektrischen Winkel einen Phasenversatz aufweisen. Der elektrische Phasenstromwinkel kann durch eine Koordinatentransformation des elektrischen Winkels in das Koordinatensystem der Motorphase berechnet werden.
• Bei einer vorzugsweisen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Bezugswert zumindest aus einem ersten Bezugswert, der eine Phasenstromamplitude des Zeitverlaufs kennzeichnet und einem zweiten Bezugswert, der einen Phasenstromgradienten kennzeichnet, wählbar ist. Die Phasenstromamplitude kann eine Amplitude der harmonischen Schwingung sein. Der zweite Bezugswert kann eine erste und/oder zweite Ableitung des Zeitverlaufs des Phasenstroms sein.
• Bei einer speziellen Ausführung der Erfindung ist es von Vorteil, wenn die Zuordnung des ersten und/oder zweiten Bezugswerts zu dem Bezugswert abhängig von dem elektrischen Phasenstromwinkel ist. Dadurch kann der Phasenstrom genauer berechnet werden. Die wahlweisen Bezugswerte ermöglichen eine dem tatsächlichen Phasenstrom noch näher kommende Abschätzung.
• Bei einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die Zuordnung abhängig von einem Abstand des vorliegenden elektrischen Phasenstromwinkels zu einer Phasenstromamplitude und/oder einem Nulldurchgang des Zeitverlaufs ist. Dadurch wird eine mögliche Nichtlinearität in dem periodischen Zeitverlauf des Phasenstroms berücksichtigt. Der Bezugswert kann abhängig von dem elektrischen Phasenstromwinkel gewählt werden und dadurch eine genauere Berechnung des Phasenstroms ermöglichen.
• Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei einem elektrischen Phasenstromwinkel in einem ersten Winkelbereich der erste Bezugswert und in einem zweiten Winkelbereich der zweite Bezugswert als Bezugswert zur Berechnung des Phasenstroms verwendet wird. Der erste Winkelbereich kann zwischen einer Phasenstromamplitude und 45° darüber aufgespannt sein. Der zweite Winkelbereich kann zwischen einem Nulldurchgang und 45° davor und/oder zwischen einem Nulldurchgang und 90° danach, insbesondere bis zu dem nächsten Extremwert (Maximum, Minimum) aufgespannt sein.
• Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn wenigstens ein erster Abtastzeitpunkt zur Messung des eindeutig einer Motorphase zugeordneten Phasenstroms vor Durchführung der Messung berechnet wird. Dadurch kann die Messung genauer erfolgen. Es können Verzögerungen in der Messkette und ein begrenztes Messzeitfenster für die Messung berücksichtigt werden.
• Bei einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die Bewertung einer Messbarkeit des Phasenstroms mit dem Strommesselement abhängig von einer Bedingung ist, bei der für die Ansteuerung der Schaltbrücke über eine Spannungsraumzeigermodulation verwendete Modulationsfaktoren berücksichtigt werden. Dadurch kann noch vor der PWM-Periode die Möglichkeit einer Messung des Phasenstroms abgeschätzt werden. Die elektrischen Bauteile können dadurch geschont und effizienter betrieben werden. Ergibt die Bewertung, dass eine Messung nicht durchführbar ist, wird diese bevorzugt nicht durchgeführt und stattdessen der Phasenstrom möglichst berechnet.
• Weiterhin wird wenigstens eine der zuvor angegebenen Aufgaben durch eine Steuerschaltung zur Ansteuerung eines Elektromotors und zur Phasenstrommessung des Elektromotors gelöst, aufweisend eine mit einer Spannungsquelle verbindbare Schaltbrücke mit wenigstens einem schaltbaren Schaltelement zur Steuerung eines einen Phasenstrom des Elektromotors beeinflussenden und abhängig von einem elektrischen Winkel wechselnden Schaltzustands und ein Strommesselement, das zwischen der Schaltbrücke und der den Phasenstrom speisenden Spannungsquelle angeordnet ist und das eingerichtet ist, eine Phasenstrommessung mit einem Verfahren nach einem der vorangehenden Merkmale durchzuführen.
• Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung und den Abbildungen.
• Figurenliste
• Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Abbildungen ausführlich beschrieben. Es zeigen im Einzelnen:
• 1: Eine Steuerschaltung zur Ansteuerung eines Elektromotors in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung
• 2: Ein Verfahren zur Phasenstrommessung eines Elektromotors in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung.
• 3: Einen Detailablauf des Verfahrens aus 2.
• 4: Einen Detailablauf des Verfahrens aus 2.
• 5: Einen Detailablauf des Verfahrens aus 2.
• 1 zeigt eine Steuerschaltung zur Ansteuerung eines Elektromotors in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung Die Steuerschaltung 10 weist eine Schaltbrücke 12 auf und bewirkt die Ansteuerung eines insbesondere dreiphasigen Elektromotors M durch eine Spannungsraumzeigermodulation. Der Elektromotor M ist bevorzugt ein BLDC-Motor. Die Schaltbrücke 12 ist bevorzugt als B6-Brücke ausgeführt. Dazu gehören insgesamt sechs Schaltelemente S, ein erstes Highside-Schaltelement S1.h und ein erstes Lowside-Schaltelement S1.I, die der ersten Motorphase U des Elektromotors M zugeordnet sind, ein zweites Highside-Schaltelement S2.h und ein zweites Lowside-Schaltelement S2.I, die der zweiten Motorphase V des Elektromotors M zugeordnet sind und zudem ein drittes Highside-Schaltelement S3.h und ein drittes Lowside-Schaltelement S3.I, die der dritten Motorphase W des Elektromotors M zugeordnet sind. Diese Schaltelemente S bestehen bevorzugt jeweils aus einem Transistor T mit einer definierten Durchlassrichtung sowie bevorzugt einer Diode D, insbesondere einer antiparallelen Body-Diode.
• Die Schaltbrücke 12 ist an einer Spannungsquelle, insbesondere einer Gleichspannungsquelle mit der Versorgungsspannung (V_DC) angeschlossen, die die drei Motorphasen U, V, W des Elektromotors M mit elektrischer Energie versorgt. In den Massepfad zwischen der Schaltbrücke 12 und der Spannungsquelle ist ein Strommesselement 14, insbesondere ein Shunt-Widerstand für die Phasenstrommessung über die Masseleitung, eingebaut.
• 2 zeigt ein Verfahren zur Phasenstrommessung eines Elektromotors in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren 100 zur Phasenstrommessung ermöglicht eine phasenrichtige Zuordnung von drei Phasenströmen des Elektromotors durch Messung zumindest eines Phasenstroms innerhalb eines Ansteuerungszyklus, bevorzugt in einer PWM-Periode, beispielhaft bei einer Flat-Bottom-Ansteuerung. Dieses Ansteuerverfahren ist vorteilhaft wegen dem langen mittleren Zeitfenster während der PWM-Periode. Auch die Flat-Top-Ansteuerung ist ähnlich, dabei sind allerdings der negative und positive Phasenstrom vertauscht. Die THI-Ansteuerung ist wegen des unterbrochenen mittleren Zeitfensters unvorteilhafter.
• Die nachfolgend angegebenen Verfahrensschritte können für jede PWM-Periode durchgeführt werden. Beginnend mit dem Start 102 der PWM-Periode werden in einem ersten Schritt 104 zunächst die Modulationsfaktoren m_U, m_V, m_W der drei Motorphasen U, V, W der Größe nach geordnet in m_min, m_mid, m_max mit m_min ≤ m_mid ≤ m_max.
• Daraufhin werden in einem weiteren Schritt 106 die minimal notwendigen Zeitfenster tmin, also die minimal notwendigen Schaltzustandszeiten für eindeutige Messungen des Phasenstroms über das Strommesselement abhängig davon, ob ein positiver oder ein negativer Phasenstrom gemessen werden soll, festgelegt.
• Diese Zeitfenster sind mit der Übergangszeit t_u und der Messzeit t_m:
• Für einen positiven Phasenstrom: t_p,min = 2 · (t_u + t_m)
• Für einen negativen Phasenstrom: t_n,min = t_u + t_m
• Anschließend erfolgt in dem Schritt 108 eine Koordinatentransformation des gemessenen elektrischen Winkels φ_e in die Koordinatensysteme der drei Motorphasen als elektrischer Phasenstromwinkel über den ermittelten Phasenversatz zu jeder Motorphase wie folgt $${\phi }_{e,U}={\phi }_e+\mathrm{\Delta }{\phi }_{e,U}$$

  

  $${\phi }_{e,V}={\phi }_e+\mathrm{\Delta }{\phi }_{e,V}$$

  

  $${\phi }_{e,W}={\phi }_e+\mathrm{\Delta }{\phi }_{e,W}$$

  
• In einem weiteren Schritt 110 werden beide reguläre Messfenster (für den positiven und negativen Phasenstrom) gemäß folgender Bedingung geprüft: $$m_{max}-m_{mid}\ge \frac{t_{p,min}}{T_{PWM}}$$

  

  und $$m_{mid}-m_{min}\ge \frac{t_{n,min}}{T_{PWM}}$$

  
• Sind beide Messfenster t_p,min und t_n,min ausreichend, also die Bedingung (B1) erfüllt, werden in einem weiteren Schritt 112 die beiden Phasenströme gemessen und der dritte Phasenstrom berechnet. Den genauen Ablauf dieses Verfahrensschritts 112 wird später näher erläutert.
• Ein Abschluss 114 des Verfahrens erfolgt nach Ermittlung der drei Phasenströme.
• Wird die Bedingung B1 nicht erfüllt, erfolgt in einem Schritt 116 die Abfrage der nachfolgenden Bedingung $$m_{max}-m_{mid}\ge \frac{t_{p,min}}{T_{PWM}}$$

  

  und $$m_{mid}-m_{min}<\frac{t_{n,min}}{T_{PWM}}$$

  
• Ist diese erfüllt, dann ist der positive Phasenstrom durch das Strommesselement messbar, allerdings nicht der negative Phasenstrom, da das Messzeitfenster für diese Messung unzureichend ist. Wird die Bedingung B2 erfüllt, wird in einem Schritt 118 der positive Phasenstrom gemessen und die beiden anderen Phasenströme berechnet. Den genauen Ablauf dieses Verfahrensschritts 118 wird später näher beschrieben.
• Wird die Bedingung B2 nicht erfüllt, erfolgt in einem Schritt 120 die Abfrage der nachfolgenden Bedingung $$m_{max}-m_{mid}<\frac{t_{n,min}}{T_{PWM}}$$

  

  und $$m_{mid}-m_{min}\ge \frac{t_{n,min}}{T_{PWM}}$$

  
• Ist diese erfüllt, dann ist der negative Phasenstrom durch das Strommesselement messbar, hingegen nicht der positive Phasenstrom, da das Messzeitfenster für diese Messung unzureichend ist. Wird die Bedingung B3 erfüllt, wird in einem Schritt 122 der negative Phasenstrom gemessen und die beiden anderen Phasenströme berechnet. Den genauen Ablauf dieses Verfahrensschritts 122 wird später näher erklärt.
• Ist auch die Bedingung B3 nicht erfüllt, wird in dem Schritt 124 festgestellt, dass beide Messfenster zu kurz für Messungen der beiden Phasenströme sind und in der laufenden PWM-Periode kein Phasenstrom gemessen werden kann, womit alle drei Phasenströme unbekannt sind. Dann kann die Stromregelung durch eine Steuerung ersetzt oder alle drei Phasenströme berechnet werden.
• 3 zeigt einen Detailablauf des Verfahrens aus 2. Wird bei der Abfrage 110 die Bedingung B1 erfüllt, können in dem Schritt 112.1 während der Messfenster zwei Abtastzeitpunkte für den Phasenstrom gesetzt werden. Diese sind
  für den negativen Phasenstrom: $t_{i,n}=\frac{T_{PWM}+t_u+t_m}{2}$

  

  
  für den positiven Phasenstrom: $t_{i,p}=\left(1-\frac{m_{max}-m_{mid}}{2}\right)\cdot \frac{T_{PWM}}{2}+\frac{t_m+t_u}{2}$

  
• Der Abtastzeitpunkt t_i,n liegt im Bereich der Mitte der PWM-Periode, wobei eine Verschiebung wegen der Korrektur in Bezug auf die Übergangszeit und die Messzeit erfolgt.
• Der Abtastzeitpunkt t_i,p liegt annähernd mittig in der Schaltzustandsdauer des positiven Phasenstroms, wobei auch hier eine Verschiebung wegen der Korrektur in Bezug auf die Übergangszeit und die Messzeit vorgenommen wird.
• In dem Schritt 112.2 wird die Messung der Phasenströme dem positiven und negativen Phasenstrom wie folgt zugewiesen $$I_p=I\left(t_{i,p}\right)$$

  

  $$I_n=-I\left(t_{i,n}\right)$$

  
• In dem Schritt 112.3 wird der dritte Phasenstrom nach dem Kirchhoff-Gesetz wie folgt berechnet $$I_3=-I_p-I_n$$

  
• Ausgehend von der Zuordnung der Modulationsfaktoren aus Schritt 104 unter Heranziehung folgender Zuordnung $$I_p\to m_{max}$$

  

  $$I_n\to m_{min}$$

  

  $$I_3\to m_{mid}$$

  

  werden die drei Phasenströme den jeweiligen Motorphasen in Schritt 112.4 unter der beispielhaften Annahme m_U = m_max folgendermaßen zugeordnet $$I_p=I_U,I_n=I_V,I_3=I_W$$

  
• In dem nächsten Schritt 112.5 werden die ersten Ableitungen der drei Phasenströme numerisch als Differenzquotient und die zweiten Ableitungen mit der Drehfrequenz ω analytisch aus den Phasenströmen wie folgt berechnet $$I{\text{'}}_U\left(t\right)=\frac{I_U\left(t\right)-I_U\left(t-dt\right)}{dt},I\text{'}{\text{'}}_U\left(t\right)=-{\omega }_e^2\cdot I_U\left(t\right)$$

  

  $$I{\text{'}}_V\left(t\right)=\frac{I_V\left(t\right)-I_V\left(t-dt\right)}{dt},I\text{'}{\text{'}}_V\left(t\right)=-{\omega }_e^2\cdot I_V\left(t\right)$$

  

  $$I{\text{'}}_W\left(t\right)=\frac{I_W\left(t\right)-I_W\left(t-dt\right)}{dt},I\text{'}{\text{'}}_W\left(t\right)=-{\omega }_e^2\cdot I_W\left(t\right)$$

  
• Die erste und zweite Ableitung werden als Bezugswert für eine mögliche spätere Verwendung zur Berechnung des Phasenstroms hinterlegt.
• In Schritt 112.6 erfolgt die Überprüfung nach einem jeweiligen Maximum bei den gemessenen Phasenstrombeträgen, beispielsweise |I_U| im Vergleich zu einem vorangehend ermittelten und hinterlegten Maximum Î_U,pre wie folgt $$\left|I_U\right|>{\widehat{I}}_{U,pre}$$

  

  $$\left|I_V\right|>{\widehat{I}}_{V,pre}$$

  

  $$\left|I_W\right|>{\widehat{I}}_{W,pre}$$

  
• Ist für die jeweilige Motorphase die zugeordnete Bedingung erfüllt, wird in einem nachfolgenden Schritt 112.7 der Phasenstrombetrag dieser Motorphase als aktuelle Phasenstromamplitude Î_U und der vorliegende elektrische Winkel φ_e als Phasenversatz einer positiven (bei einem Maximum) oder negativen (bei einem Minimum) Kosinus-Schwingung wie folgt berechnet $${\widehat{I}}_U=\left|I_U\right|,\Delta {\phi }_{e,U}={\phi }_e-90°\left(\text{f}\ddot{\text{u}}\text{r Maximum}\right),\Delta {\phi }_{e,U}={\phi }_e+90°\left(\text{f}\ddot{\text{u}}\text{r Minimum}\right)$$

  

  $${\widehat{I}}_V=\left|I_V\right|,\Delta {\phi }_{e,V}={\phi }_e-90°\left(\text{f}\ddot{\text{u}}\text{r Maximum}\right),\Delta {\phi }_{e,V}={\phi }_e+90°\left(\text{f}\ddot{\text{u}}\text{r Minimum}\right)$$

  

  $${\widehat{I}}_W=\left|I_W\right|,\Delta {\phi }_{e,W}={\phi }_e-90°\left(\text{f}\ddot{\text{u}}\text{r Maximum}\right),\Delta {\phi }_{e,W}={\phi }_e+90°\left(\text{f}\ddot{\text{u}}\text{r Minimum}\right)$$

  
• Die Phasenstromamplitude und der Phasenversatz werden als Bezugswert für eine mögliche spätere Verwendung zur Berechnung des Phasenstroms hinterlegt.
• Ist die Bedingung für die jeweilige Motorphase nicht erfüllt, wird in dem Schritt 112.8 festgestellt, ob ein Nulldurchgang dieses Phasenstroms vorliegt. Die Abfrage unter Berücksichtigung des bevorzugt gemessenen Phasenstroms dieser Motorphase aus der vorangehenden PWM-Periode ist: $$\frac{I_U}{I_{U,pre}}<0$$

  

  $$\frac{I_V}{I_{V,pre}}<0$$

  

  $$\frac{I_V}{I_{V,pre}}<0$$

  
• Ist für die jeweilige Motorphase die Bedingung erfüllt, wird in einem abschließenden Schritt 112.9 der aktuelle elektrische Winkel φ_e als Phasenversatz einer positiven oder negativen Sinus-Schwingung erfasst und die hinterlegte Phasenstromamplitude dieser Motorphase zurückgesetzt $$\Delta {\phi }_{e,U}={\phi }_e\left(positiv\right),\Delta {\phi }_{e,U}={\phi }_e+180°\left(negativ\right),{\widehat{I}}_U=0$$

  

  $$\Delta {\phi }_{e,V}={\phi }_e\left(positiv\right),\Delta {\phi }_{e,V}={\phi }_e+180°\left(negativ\right),{\widehat{I}}_V=0$$

  

  $$\Delta {\phi }_{e,W}={\phi }_e\left(positiv\right),\Delta {\phi }_{e,W}={\phi }_e+180°\left(negativ\right),{\widehat{I}}_W=0$$

  
• Der Phasenversatz wird als Bezugswert für eine mögliche spätere Verwendung zur Berechnung des Phasenstroms hinterlegt.
• 4 zeigt einen Detailablauf des Verfahrens aus 2. Ein genauer Ablauf in dem Verfahrensschritt 118 aus 2 wird nachfolgend beschrieben.
• In dem Schritt 118.1 wird der positive Phasenstrom zu dem Abtastzeitpunkt t_i,p gemessen, der wie folgt vorgegeben ist $$t_{i,p}=\left(1-\frac{m_{max}-m_{mid}}{2}\right)\cdot \frac{T_{PWM}}{2}+\frac{t_m+t_u}{2}$$

  
• Da das Messfenster für eine Messung des negativen Phasenstroms zu kurz ist, wie in dem Schritt 116 aus 2 festgestellt, kann der negative Phasenstrom nicht gemessen, jedoch wie nachfolgend beschrieben, berechnet werden.
• In einem anschließenden Schritt 118.2 wird zunächst der positive Phasenstrom als der zu dem Abtastzeitpunkt t_i,p gemessene Phasenstrom festgelegt $$I_p=I\left(t_{i,p}\right)$$

  
• Anschließend wird in einem Schritt 118.3 unter Heranziehung der Zuweisung I_p → m_max der positive Phasenstrom I_p der entsprechenden Motorphase durch die Kenntnis des zu dem Abtastzeitpunkt geschalteten Phasenstroms wie nachfolgend angegeben zugeordnet
  I_U = I_p wenn S1.h, S2.h, S3.h = 1, 0, 0 oder I_V = I_p wenn S1.h, S2.h, S3.h = 0, 1, 0 oder
  I_W = I_p wenn S1.h, S2.h, S3.h = 0, 0, 1
• In einem nachfolgenden Schritt 118.4 werden die beiden nicht messbaren Phasenströme berücksichtigt. Dabei erfolgt zunächst die Abfrage des in das Koordinatensystem der jeweiligen Motorphase übertragenen elektrischen Winkels, entsprechend dem elektrischen Phasenstromwinkel φ_e,phase in Bezug auf einen jeweils ersten Winkelbereich gemäß $$90°<{\phi }_{e,phase}<135°$$

  

  oder $$270°<{\phi }_{e,phase}<315°$$

  
• Damit wird festgestellt, ob die Sinus-Schwingung zuletzt ein Extremum des jeweiligen Phasenstroms erzeugt hätte. Wenn ja, wird in einem Schritt 118.5 der Phasenstrom abhängig von wenigstens einem Bezugswert, beispielsweise der Phasenstromamplitude aus dem vorherigen Ablauf über den Schritt 112.7 und 112.9 aus 3 und dem elektrischen Phasenwinkel wie folgt berechnet $$I_U={\widehat{I}}_U\cdot \text{sin}\left({\phi }_{e,U}\right)$$

  

  $$I_V={\widehat{I}}_U\cdot \text{sin}\left({\phi }_{e,V}\right)$$

  

  $$I_W={\widehat{I}}_U\cdot \text{sin}\left({\phi }_{e,W}\right)$$

  
• Wird die Bedingung aus Schritt 118.4 durch den elektrischen Phasenstromwinkel φ_e.phase nicht erfüllt, liegt dieser somit außerhalb des ersten Winkelbereichs und in einem zweiten Winkelbereich, bei dem ein Nulldurchgang der Sinus-Schwingung vorhanden oder der Abstand zu dem zurückliegenden Maximum des Phasenstroms mehr als 45° sein kann. Damit wird der jeweilige Phasenstrom in dem Schritt 118.6 abhängig von wenigstens einem Bezugswert, der die in Schritt 112.5 aus 3 berechnete erste und zweite Ableitung des Phasenstroms zu dem Zeitpunkt t, der um die Zeitspanne Δt zurückliegt, einbezieht, wie folgt berechnet $$I_U\left(t+\Delta t\right)=I_U\left(t\right)+I{\text{'}}_U\left(t\right)\cdot \Delta t-I\text{'}{\text{'}}_U\left(t\right)\cdot \Delta t^2$$

  

  $$I_V\left(t+\Delta t\right)=I_V\left(t\right)+I{\text{'}}_V\left(t\right)\cdot \Delta t-I\text{'}{\text{'}}_V\left(t\right)\cdot \Delta t^2$$

  

  $$I_W\left(t+\Delta t\right)=I_W\left(t\right)+I{\text{'}}_W\left(t\right)\cdot \Delta t-I\text{'}{\text{'}}_W\left(t\right)\cdot \Delta t^2$$

  
• Damit kann der jeweilige Phasenstrom auch dann ermittelt werden, wenn keine Messung möglich gewesen ist.
• 5 zeigt einen Detailablauf des Verfahrens aus 2. Dabei ist ein genauer Ablauf in dem Verfahrensschritt 122 aus 2 dargestellt. Der Ablauf und die gemachten Berechnungen und Bedingungen gleichen denen aus 4 mit nachfolgenden Unterschieden.
• Der Abtastzeitpunkt für den negativen Phasenstrom wird in dem Schritt 122.1 wie folgt berechnet $$t_{i,n}=\frac{T_{PWM}+t_u+t_m}{2}$$

  
• In dem anschließenden Schritt 122.2 wird der negative Phasenstrom In dem gemessenen Phasenstrom zu dem Abtastzeitpunkt wie folgt zugeordnet $$I_n=-I\left(t_{i,n}\right)$$

  
• Im dem weiteren Schritt 122.3 wird unter Heranziehung der Zuordnung I_n → m_min der negative Phasenstrom In der entsprechenden Motorphase durch die Kenntnis des zu dem Abtastzeitpunkt geschalteten Phasenstroms zugeordnet $$I_U=I_n\text{oder}{I}_V=I_n\text{oder}{I}_W=I_n$$

  
• Die weiteren Schritte zur Berechnung der anderen beiden Phasenströme entsprechen den Verfahrensschritten aus 4.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• EP 1347567 A1 [0002]

Claims (10)

1. Verfahren (100) zur Phasenstrommessung eines Elektromotors (M) über ein Strommesselement (14), das zwischen einer Schaltbrücke (12) mit wenigstens einem schaltbaren Schaltelement (S) zur Steuerung wenigstens eines einen Phasenstrom (I_U,I_V, I_W) einer Motorphase (U, V, W) des Elektromotors (M) beeinflussenden und abhängig von einem elektrischen Winkel (φ_e) wechselnden Schaltzustands und einer mit der Schaltbrücke (12) verbundenen Spannungsquelle (V_DC) zur Speisung des Phasenstroms (I_U, I_V, I_W) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine einer Motorphase eindeutig zugeordnete Phasenstrom (I_U, I_V, I_W) bei wenigstens einer Schaltperiode (T_PWM) eines eine Ansteuerfrequenz (ω) aufweisenden Ansteuerungszyklus der Ansteuerung der Schaltbrücke (12) abhängig von einem durch eine Messung dieses Phasenstroms (I_U, I_V, I_W) bei wenigstens einer vorhergehenden Schaltperiode mit dem Strommesselement (14) ermittelten Bezugswert (I_U, Î_V, Î_W,Î'_U,I'_V,I'_W,I''_U,I''_V,I''_W) berechnet wird.
2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bezüglich der Schaltperiode (T_PWM) ein erster Phasenstrom einer Motorphase abhängig von dem Bezugswert (I_U, I_V, Î_W,Î'_U,I'_V,I'_W,I''_U,I''_V,I''_W) berechnet und ein zweiter Phasenstrom einer weiteren Motorphase durch das Strommesselement (14) gemessen wird.
3. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bezugswert (I_U, I_V, Î_W, I'_U, I'_V, I'_W,I''_U,I''_V,I''_W) einen Zeitverlauf des Phasenstroms (I_U,I_V,I_W) über einen von dem elektrischen Winkel (φ_e) abhängigen elektrischen Phasenstromwinkel (φ_e,phase) kennzeichnet.
4. Verfahren (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bezugswert (I_U, I_V, Î_W,Î'_U,I'_V,I'_W,I''_U,I''_V,I''_W) zumindest aus einem ersten Bezugswert (I_U, Î_V, Î_W), der eine Phasenstromamplitude des Zeitverlaufs kennzeichnet und einem zweiten Bezugswert (I'_U, I'_V, I'_W), der einen Phasenstromgradienten kennzeichnet, wählbar ist.
5. Verfahren (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung des ersten und/oder zweiten Bezugswerts (I_U, I_V, Î_W,Î'_U,I'_V,I'_W,I''_U,I''_V,I''_W) zu dem Bezugswert abhängig von dem elektrischen Phasenstromwinkel (φ_e,phase) ist.
6. Verfahren (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung abhängig von einem Abstand des vorliegenden elektrischen Phasenstromwinkels (φ_e,phase) zu einer Phasenstromamplitude und/oder einem Nulldurchgang des Zeitverlaufs ist.
7. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem elektrischen Phasenstromwinkel (φ_e,phase) in einem ersten Winkelbereich der erste Bezugswert (I_U, I_V, I_W) und in einem zweiten Winkelbereich der zweite Bezugswert (I'_U,I'_V,I'_W) als Bezugswert zur Berechnung des Phasenstroms verwendet wird.
8. Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein erster Abtastzeitpunkt (t_i,p, t_i,n) zur Messung des eindeutig einer Motorphase (U, V, W) zugeordneten Phasenstroms vor Durchführung der Messung berechnet wird.
9. Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertung einer Messbarkeit des Phasenstroms (I_U,I_V,I_W) mit dem Strommesselement (14) abhängig von einer Bedingung ist, bei der für die Ansteuerung der Schaltbrücke (12) über eine Spannungsraumzeigermodulation verwendete Modulationsfaktoren (m_U, m_V, m_W) berücksichtigt werden.
10. Steuerschaltung (10) zur Ansteuerung eines Elektromotors (M) und zur Phasenstrommessung des Elektromotors (M), aufweisend eine mit einer Spannungsquelle (V_DC) verbindbare Schaltbrücke (12) mit wenigstens einem schaltbaren Schaltelement (S) zur Steuerung eines einen Phasenstrom (I_U, I_V, I_W) des Elektromotors (M) beeinflussenden und abhängig von einem elektrischen Winkel (φ_e) wechselnden Schaltzustands und ein Strommesselement (14), das zwischen der Schaltbrücke (12) und der den Phasenstrom (I_U, I_V, I_W) speisenden Spannungsquelle (V_DC) angeordnet ist und das eingerichtet ist, eine Phasenstrommessung mit einem Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche durchzuführen.

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