WO2006058808A1 - Verfahren zur strommessung mit einem shunt und vorrichtung zur strommessung - Google Patents

Verfahren zur strommessung mit einem shunt und vorrichtung zur strommessung Download PDF

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WO2006058808A1
WO2006058808A1 PCT/EP2005/055274 EP2005055274W WO2006058808A1 WO 2006058808 A1 WO2006058808 A1 WO 2006058808A1 EP 2005055274 W EP2005055274 W EP 2005055274W WO 2006058808 A1 WO2006058808 A1 WO 2006058808A1
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phase current
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PCT/EP2005/055274
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Joerg Sutter
Tero Jaervelaeinen
Gilles Schmitt
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/539—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters with automatic control of output wave form or frequency
    • H02M7/5395—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters with automatic control of output wave form or frequency by pulse-width modulation

Definitions

  • the invention relates to a method for determining at least one phase current in an electrical machine, in particular for a motor vehicle, according to the preamble of claim 1, and to a corresponding device according to the preamble of claim 9.
  • phase current In the operation of electrical machines, it is often desirable or necessary to determine at least one phase current. This applies in particular for applications in motor vehicle technology in which an electrical machine is controlled in a clocked manner, preferably by means of a pulse width modulated (PWM) voltage.
  • PWM pulse width modulated
  • the information about the at least one phase current serves as an input parameter in control or regulation circuits which serve, for example, for monitoring or shutdown when a limit value is exceeded.
  • shunt low-impedance current shunt
  • the voltage drop across the shunt is proportional to the phase current and is tapped via corresponding contacts.
  • the signal of this voltage drop is further processed (for example amplified or digitized) and evaluated.
  • a method for determining at least one phase current in an electrical machine having a machine control device, in particular for a motor vehicle, having a plurality of switching devices each assigned to one phase, each having at least one switching element, wherein the machine control device switches the switching arrangements by means of operating switching operations such that at least at least temporarily a phase current is passed to the machine to effect the operation of the machine it is proposed according to the invention that in addition to the operating switching operations causing the operation of the machine, at least one further measuring switching operation serving to determine the phase current is carried out by means of at least one of the switching arrangements.
  • the machine control device thus switches a voltage source assigned to the machine by means of the switching arrangements to the individual phases of the machine such that the operation of the machine is effected.
  • phase current measurement In order to carry out the phase current measurement, a switching operation is carried out by means of at least one switching arrangement. This means that not only the known operating switching operations and switching states are available for phase current measurement, but an additional measuring switching process is also generated. This creates a special flexibility with regard to the temporal positioning of the phase current measurement.
  • the measurement switching operation is performed when the switching states of the switching devices are the same.
  • the switching state of each individual switching arrangement is considered at a certain time. If the individual switching states of the individual switching arrangements match, this is to be understood as meaning that the switching states of the switching arrangements are the same. If the switching arrangements have a plurality of switching elements, the switching state with regard to the entirety of the switching states of the individual switching elements must be taken into account. For the example of a switching arrangement with two binary switching elements, this means that the switching arrangement can have a total of four possible switching states: 00, 01, 10 and 11.
  • the equality of the switching states of the switching arrangements means that the motor is not energized
  • the term "de-energized” is understood to mean that while current can flow within the motor but no current flows to or from the voltage source, the duration of a switching state in which the machine is not energized is typically longer than It should be noted that the measuring switching operation can be carried out each time the switching states of the switching arrangements are the same, but that not every point in time of the same switching states must be used.
  • the measuring switching operation is carried out in the middle of the period of the switching state. This can ensure that the measuring switching process does not affect or as little as possible on the operating switching operations.
  • the measurement switching operation is carried out during a switching period having a maximum time duration of all switching arrangements.
  • the measuring switching operation is carried out during a switching period of all switching arrangements having a minimum time duration. This leaves time enough room to carry out possible compensation steps. These compensation steps will be explained in more detail below.
  • the measurement switching process only lasts for the measurement duration used to determine the phase current. Since the measuring switching process causes a change in the switching operations, there is also a certain change in the operating behavior of the electric machine. Therefore, the change effected to perform the metering operation should only last as long as required to determine the phase current.
  • At least one switching time of at least one of the switching operations is adjusted to compensate for the measurement switching operation. This means, in particular, that when an additional current has flowed through the machine through the metering operation, this current is compensated by a previous shutdown or later switching on of this current at a different time. This can be the Reduce or eliminate the effects of the metering operation on the operation of the machine.
  • the period of the switching operations (for example the clock period) remains unchanged during the compensation. This reduces the complexity of a compensation, in particular with a PWM control of the machine.
  • the measuring switching operation is preferably carried out as a temporary inversion of the switching state of at least one of the switching arrangements.
  • the invention relates to a device for determining at least one phase current in an electric machine with a machine control device, in particular for a motor vehicle, having a plurality of each associated with one phase switching arrangements each having at least one switching element, wherein the machine control device by means of switching operations switching the switching arrangements such that at least temporarily At least one phase current is conducted to the machine in order to effect the operation of the machine, wherein the device has a measuring device and at least one measuring switching device carrying out the measurement process determining the phase current is provided in addition to the operating switching operations which effect the operation of the machine.
  • a measuring element of the measuring device is arranged in a combination of all phases. It is therefore no longer necessary to provide measuring elements for each phase.
  • the measuring device has a measuring resistor, in particular a shunt.
  • the switching arrangements each have two switching elements. These switching elements are preferably formed as semiconductor switching elements, in particular transistors. In this case, the switching elements are arranged in particular in series, wherein a branch is arranged in a phase of the electric machine between the switching elements. In conjunction with at least one further switching arrangement, one or more bridge circuits can thus be realized, by means of which the desired energization of the machine is effected.
  • the switching elements change their switching states in opposite directions to each other. This can ensure that the supplied current always flows through the windings of the machine, and does not cause a short circuit due to a switched-through switching arrangement.
  • so-called dead times can be provided, which prevent switching of the switching state when one switching element is switched on, in particular as a transistor, before the other switching element opens, in particular as a transistor. This prevents short-circuit current from occurring for a short time.
  • the electric machine is an AC motor.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that the AC motor is formed in star connection.
  • 1 shows a device for determining at least one
  • FIG. 2 shows a detailed view of the device according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows the timing of the switching processes for a method for determining at least one phase current
  • Figure 4 shows a first variant for generating the required switching signals
  • Figure 5 shows a second variant for generating the required switching signals.
  • FIG. 1 shows a device 1 for determining at least one phase current U, I B , IC in an electrical machine 10 with a machine control device 12 having a plurality of respective phase associated switching assemblies 14 each having two switching elements 16.
  • the electric machine 10 is here as an AC electric motor 11 trained in star connection.
  • a switching element 16 as a high-side switching element 18 is associated with a positive voltage potential of a voltage source 20 and the other switching element 16 as a low-side switching element 22 is associated with a negative potential of the voltage source 20.
  • Parallel to the voltage source 20, an electrolytic capacitor 24 is connected.
  • a branch 26 is arranged in each case, to each of which a motor winding 28 is connected.
  • the switching arrangements 14 are switched by the machine control device 12 by means of operating switching operations such that at least at times at least one phase current I A , I B , IC is conducted to the machine 10 in order to effect the operation of the machine 10.
  • the switching elements 16 of each switching arrangement 14 are thereby switched in opposite directions, that is, it is always one of Switching elements 16 are opened to prevent the occurrence of a short-circuit current through a switching arrangement 14.
  • a measuring element 32 of a measuring device 34 is arranged in the merge line 30, a measuring element 32 of a measuring device 34 is arranged.
  • the measuring element 32 is designed here as a measuring resistor (shunt) 36.
  • the measuring device 34 picks up the voltage drop across the shunt 36 and determines therefrom the current flowing through the merging line 30.
  • the machine control device 12 and the measuring device 34 are assigned a measuring switching device 38. While the engine control device 12 controls or regulates the operating shifts that cause the operation of the engine, the measurement switching device 38 is for performing an additional metering operation. It should be noted at this point that, although the components mentioned are shown individually, they can of course also be partially or fully integrated.
  • the interaction between the machine control device 12 and the measurement switching device 38 is as follows.
  • the machine control device 12 triggers switching operations in the switching arrangements 14 that bring about the desired operation of the electric machine 10.
  • the desired time of the measurement is first determined by the measurement switching device 38.
  • the information required for this purpose can be provided directly from the machine control device 12 in a simple manner. If the current measurement is to be performed, that is to say the measurement switching operation is carried out, the measurement switching device 38 sends a signal to the machine control device 12. On the basis of this signal, the machine control device 12 performs a switching operation in at least one of the switching arrangements 14.
  • a current flows, which allows an immediate inference to one of the phase currents U, I B , IC.
  • the measuring switching device 38 transmits a signal to the measuring device 34 for current measurement or queries a determined measured current value.
  • the measuring switching process is then terminated by reversing the switching state change for the measuring switching operation in the at least one switching arrangement. That is, after completion of the Meßschaltvorgangs the switching states of all switching arrangements are again as immediately before the initiation of the Meßschaltvorgangs.
  • the high-side elements 18 of the switching elements 14 here are the transistors T1, T3, T5 and the low-side switching elements 22 are the transistors T2, T4, T6.
  • the transistors T1, T3, T5 blocking and the transistors T2, T4, T6 are turned on, that is, no current flows through the electric machine 10, the following switching sequence is provided in this embodiment, in each case the Switching states of the transistors not mentioned remain unchanged:
  • FIG. 3 illustrates the time profiles of the switching states of the transistors T1 to T6 as an exemplary embodiment when both operating switching operations and measuring switching operations are carried out.
  • the abscissa is a time axis, and the respective switching state is read along the ordinate.
  • a low value means that the respective transistor blocks
  • a high value indicates a conduction of the transistor.
  • An additional thin line indicates how the course described with respect to FIG. 2 would result, that is to say without measuring switching operations.
  • the phase current I A can be determined there by means of the measuring device 34.
  • the current measurement is performed in the middle of the time between the time t 2 and the time t 3 , that is, in the middle of the measuring switching operation.
  • the time of the current measurement is indicated by the dashed line.
  • the measurement switching operation is in the middle of the time duration of the switching state S3, ie in the time center of the times ti and U.
  • the duration of the measurement switching process is kept as short as possible in order to minimize the effects on the operation of the electric machine 10 and, if necessary necessary compensation as low as possible.
  • the measurement switching operations are always performed at the same timing in the clock period, so that the measurement timing is synchronous with the PWM period. This simplifies the evaluation. It was thereby recognized that the effect of the meter switching operations on the pulse duty factor can be easily compensated, in particular for sinusoidal current supply, if the original duty cycle lies between the time duration of the metering operation and the difference between the cycle period duration and the time duration of the meter switching operation.
  • FIGS. 4 and 5 Exemplary embodiments are shown in FIGS. 4 and 5, how the signals for the required switching operations can be generated in a simple manner, in this case using the example of the switching signals for the switching operations.
  • the resulting signals for the transistors T1 and T2 are first shown, wherein the signal for the transistor T1 from the signals T1a and T1 b results and the signal for the transistor T2 T2a and T2b.
  • the signal is generated by means of
  • T1 T1a AND TIb
  • T2 T2a OR T2b
  • T1 T1 a XOR T1 b
  • T2 T2a XOR T2b.
  • FIG. 5 is also shown how an implementation of a dead time can be integrated.
  • the effects of the measurement switching operations on the duty cycle are compensated.
  • the times in which the transistors T1 and T2 are turned on the desired clock ratios, such as those calculated by a controller or a controller.
  • the signals T1a, T1b and T2a, T2b can then be formed, for example, in a microprocessor or outside a microprocessor with a matching logic link.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung mindestens eines Phasenstroms (IA,IB,IC) bei einer elektrischen Maschine (10) mit einer Maschinensteuervorrichtung (12), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, aufweisend mehrere jeweils einer Phase zugeordnete Schaltanordnungen (14) mit jeweils mindestens einem Schaltelement (16), wobei die Maschinensteuervorrichtung (12) mittels Betriebsschaltvorgängen die Schaltanordnungen (14) derart schaltet, dass zumindest zeitweise mindestens ein Phasenstrom (IA, IB, IC) zur Maschine (10) geleitet wird, um den Betrieb der Maschine (10) zu bewirken, wobei neben den den Betrieb der Maschine (10) bewirkenden Betriebsschaltvorgängen mindestens ein weiterer der Bestimmung des Phasenstroms dienender Messschaltvorgang mittels mindestens einer Schaltanordnung (14) durchgeführt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung mindestens eines Phasenstroms (IA, IB, IC) bei einer elektrischen Maschine (10).

Description

Verfahren zur Strommessung mit einem Shunt und Vorrichtung zur Strommessung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung mindestens ei- nes Phasenstroms bei einer elektrischen Maschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Stand der Technik
Beim Betrieb von elektrischen Maschinen ist es oftmals gewünscht oder erforderlich, mindestens einen Phasenstrom zu bestimmen. Dies gilt insbesondere für Anwendungen in der Kraftfahrzeugtechnik, bei denen eine elektrische Maschine getaktet angesteuert wird, bevorzugt mittels einer pulsweitenmodulierten (PWM-) Spannung. Die Information über den mindestens einen Phasenstrom dient als ein Eingabeparameter in Steuerungs- oder Regelungskreise, die beispielsweise einer Überwachung oder einer Abschaltung bei Über- schreitung eines Grenzwerts dienen. Zur Messung des Phasenstroms ist es bekannt, einen niederohmigen Strommessshunt (Shunt) einzusetzen, der im Stromkreis des Phasenstroms angeordnet ist. Die über den Shunt abfallende Spannung ist proportional zum Phasenstrom und wird über entsprechende Kontakte abgegriffen. Das Signal dieses Spannungsabfalls wird weiterverarbeitet (beispielsweise verstärkt oder digitalisiert) und ausgewertet. Für das Anwendungsbeispiel einer dreiphasigen Maschine ergibt sich, dass stets mindestens zwei Phasenströme bestimmt werden müssen - der dritte Strom ergibt sich unmittelbar aus den zwei bekannten Strömen. Um dies zu realisieren, muss ein Shunt in jeder Phase der elektrischen Maschine angeordnet sein. Im Zusammenspiel mit den benötigten Vorrichtungen zur Signalaufbereitung, entstehen durch diese Lösung hohe Kosten und ein großer Platzbedarf. Zudem ist es bekannt, mit Hilfe eines digitalen Signalprozessors (DSP) die Phasen- ströme mit genau einem Shunt zu messen, der in der Zusammenführung der Phasen angeordnet ist (Application note von Texas Instruments, Three Phase Current Measurements Using a Single Line Resistor on the TMS320F240, Literature number: BPRA077, May 1998). Das Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass die Messung asynchron mit der Taktperiode ist. Der Zeitpunkt der Messung muss für jede Taktperiode neu berechnet werden, und die Tastverhältnisse müssen auf sehr komplizierte Weise angepasst beziehungsweise korrigiert werden. Dadurch entsteht -alleine aufgrund der Strommes- sung- ein hoher Rechenaufwand, der sich nur mit spezialisierten MikroControllern, insbesondere dem vorgeschlagenen digitalen Signalprozessor, bewältigen lässt. Es verbleibt daher, insbesondere für Anwendungen in der Kraftfahrzeugtechnik, der Wunsch nach einer einfacheren und kostengünstigeren Lösung.
Vorteile der Erfindung
Für ein Verfahren zur Bestimmung mindestens eines Phasenstroms bei einer elektrischen Maschine mit einer Maschinensteuervorrich- tung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, aufweisend mehrere jeweils einer Phase zugeordnete Schaltanordnungen mit jeweils mindestens einem Schaltelement, wobei die Maschinensteuervorrichtung mittels Betriebsschaltvorgängen die Schaltanordnungen derart schaltet, dass zumindest zeitweise mindestens ein Phasenstrom zur Maschine geleitet wird, um den Betrieb der Maschine zu bewirken, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass neben den den Betrieb der Maschine bewirkenden Betriebsschaltvorgängen mindestens ein weiterer der Bestimmung des Phasenstroms dienender Messschaltvorgang mittels mindestens einer der Schaltanordnungen durchge- führt wird. Die Maschinensteuervorrichtung schaltet also eine der Maschine zugeordnete Spannungsquelle mittels der Schaltanordnungen derart auf die einzelnen Phasen der Maschine, dass der Betrieb der Maschine bewirkt wird. (Das gleiche Prinzip gilt analog auch für einen Generatorbetrieb, wenn durch eine äußere Krafteinwirkung Ströme in den Wicklungen der Maschine induziert werden.) Um nun die Phasenstrommessung durchzuführen, wird mittels mindestens einer Schaltanordnung ein Messschaltvorgang durchgeführt. Das heißt, zur Phasenstrommessung stehen nicht nur die bekannten Be- triebsschaltvorgänge und Schaltzustände zur Verfügung, sondern es wird ein zusätzlicher Messschaltvorgang erzeugt. Es entsteht dadurch eine besondere Flexibilität hinsichtlich der zeitlichen Positionierung der Phasenstrommessung.
Vorteilhafterweise wird der Messschaltvorgang durchgeführt, wenn die Schaltzustände der Schaltanordnungen gleich sind. Dabei wird zu einem bestimmten Zeitpunkt der Schaltzustand jeder einzelnen Schaltanordnung betrachtet. Stimmen die einzelnen Schaltzustände der einzelnen Schaltanordnungen überein, so ist dies dahingehend zu verstehen, dass die Schaltzustände der Schaltanordnungen gleich sind. Weisen die Schaltanordnungen mehrere Schaltelemente auf, so ist der Schaltzustand hinsichtlich der Gesamtheit der Schaltzustände der einzelnen Schaltelemente zu berücksichtigen. Für das Beispiel einer Schaltanordnung mit zwei binären Schaltelementen bedeutet dies, dass die Schaltanordnung insgesamt vier mögliche Schaltzustände haben kann: 00, 01 , 10 und 11. Für den bereits genannten mehrphasigen Motor bedeutet die Gleichheit der Schaltzustände der Schaltanordnungen, dass der Motor nicht bestromt wird. Unter dem Begriff „nicht bestromt" soll verstanden werden, dass zwar innerhalb des Motors ein Strom fließen kann, aber kein Strom zur oder von der Spannungsquelle fließt. Die Zeitdauer eines Schaltzustands, in dem die Maschine nicht bestromt wird, ist in der Regel länger als die Zeitdauern, in denen die Maschine bestromt wird. Es sei darauf hingewiesen, dass der Messschaltvorgang jedes Mal durchgeführt werden kann, wenn die Schaltzustände der Schaltanordnungen gleich sind, dass aber nicht jeder Zeitpunkt gleicher Schaltzustände genutzt werden muss. - A -
Es ist vorteilhaft, wenn der Messschaltvorgang in der Mitte der Zeitdauer des Schaltzustands durchgeführt wird. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Messschaltvorgang sich nicht oder möglichst wenig auf die Betriebsschaltvorgänge auswirkt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Messschaltvorgang während eines eine maximale Zeitdauer aufweisenden Schaltzustands aller Schaltanordnungen durchgeführt. Dadurch verbleibt auch bei einer Implementierung mit schnell wech- selnden Schaltzuständen ausreichend Zeit für die Durchführung der Phasenstrommessung.
Vorteilhafterweise wird der Messschaltvorgang während eines eine minimale Zeitdauer aufweisenden Schaltzustands aller Schaltanord- nungen durchgeführt. Dadurch verbleibt zeitlich genügend Raum, mögliche Kompensationsschritte durchzuführen. Diese Kompensationsschritte werden nachfolgend noch näher erläutert.
Mit Vorteil dauert der Messschaltvorgang nur für die der Bestimmung des Phasenstroms dienende Messdauer an. Da der Messschaltvorgang eine Veränderung hinsichtlich der Schaltvorgänge bewirkt, stellt sich auch eine gewisse Änderung des Betriebsverhaltens der elektrischen Maschine ein. Daher sollte die zur Durchführung des Messschaltvorgangs bewirkte Änderung nur solange andauern, wie dies zur Bestimmung des Phasenstroms erforderlich ist.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird mindestens ein Schaltzeitpunkt mindestens eines der Schaltvorgänge angepasst, um den Messschaltvorgang zu kompensieren. Dies bedeutet insbe- sondere, dass wenn durch den Messschaltvorgang ein zusätzlicher Strom durch die Maschine geflossen ist, dieser Strom durch ein früheres Abschalten oder ein späteres Einschalten dieses Stroms zu einem anderen Zeitpunkt kompensiert wird. Dadurch lassen sich die Auswirkungen des Messschaltvorgangs auf den Betrieb der Maschine reduzieren oder eliminieren.
Vorteilhafterweise bleibt die Periode der Schaltvorgänge (zum Bei- spiel die Taktperiode) bei der Kompensation unverändert. Dies reduziert den Aufwand einer Kompensation, insbesondere bei einer PWM-Ansteuerung der Maschine.
Bevorzugt wird der Messschaltvorgang als zeitweises Invertieren des Schaltzustands mindestens einer der Schaltanordnungen durchgeführt.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens eines Phasenstroms bei einer elektrischen Maschine mit einer Maschinensteuervorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, aufweisend mehrere jeweils einer Phase zugeordnete Schaltanordnungen mit jeweils mindestens einem Schaltelement, wobei die Maschinensteuervorrichtung mittels Betriebsschaltvorgängen die Schaltanordnungen derart schaltet, dass zumindest zeitweise min- destens ein Phasenstrom zur Maschine geleitet wird, um den Betrieb der Maschine zu bewirken, wobei die Vorrichtung eine Messeinrichtung aufweist und eine neben den den Betrieb der Maschine bewirkenden Betriebsschaltvorgängen mindestens einen der Bestimmung des Phasenstroms dienenden Messschaltvorgang durchführende Messschaltvorrichtung vorgesehen ist.
Es ist vorteilhaft, wenn ein Messelement der Messeinrichtung in einer Zusammenführung aller Phasen angeordnet ist. Es ist demnach nicht mehr erforderlich, Messelemente für jede Phase vorzusehen.
Vorteilhafterweise weist die Messeinrichtung einen Messwiderstand, insbesondere einen Shunt, auf. Dadurch lässt sich die Messeinrichtung preiswert gestalten. Bei einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Schaltanordnungen jeweils zwei Schaltelemente auf. Diese Schaltelemente sind dabei bevorzugt als Halbleiterschaltelemente, insbesondere Transistoren, ausgebildet. Dabei sind die Schaltelemente insbesondere in Reihe angeordnet, wobei zwischen den Schaltelementen ein Abzweig in eine Phase der elektrischen Maschine angeordnet ist. Im Zusammenspiel mit mindestens einer weiteren Schaltanordnung lassen sich so eine oder mehrere Brückenschaltungen realisieren, mittels derer die gewünschte Bestromung der Maschine bewirkt wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wechseln die Schaltelemente ihre Schaltzustände gegenläufig zueinander. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der zugeführte Strom stets durch die Wicklungen der Maschine fließt, und nicht aufgrund einer durchgeschalteten Schaltanordnung ein Kurzschluss entsteht. Es können dabei zudem sogenannte Totzeiten vorgesehen werden, die bei einem Wechsel des Schaltzustands verhindern, dass das eine Schaltelement durchschaltet, insbesondere als Transistor leitend wird, bevor das andere Schaltelement öffnet, insbesondere als Tran- sistor sperrt. Dadurch wird verhindert, dass kurzzeitig ein Kurzschlussstrom entsteht.
Bevorzugt ist die elektrische Maschine ein Wechselstrommotor.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Wechselstrommotor in Sternschaltung ausgebildet ist.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen
Figur 1 eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens eines
Phasenstroms, Figur 2 eine Detailansicht der Vorrichtung gemäß Figur 1 ,
Figur 3 zeitlicher Ablauf der Schaltvorgänge für ein Verfahren zur Bestimmung mindestens eines Phasenstroms,
Figur 4 eine erste Variante zur Erzeugung der benötigten Schaltsignale und
Figur 5 eine zweite Variante zur Erzeugung der benötigten Schaltsignale.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Bestimmung mindestens eines Phasenstroms U, IB, IC bei einer elektrischen Maschine 10 mit einer Maschinensteuervorrichtung 12 aufweisend mehrere jeweils einer Phase zugeordnete Schaltanordnungen 14 mit jeweils zwei Schaltelementen 16. Die elektrische Maschine 10 ist hier als Wechsel- strommotor 11 in Sternschaltung ausgebildet. In jeder Schaltanordnung 14 ist ein Schaltelement 16 als High-Side-Schaltelement 18 einem positiven Spannungspotential einer Spannungsquelle 20 zugeordnet und das andere Schaltelement 16 als Low-Side- Schaltelement 22 einem negativen Potential der Spannungsquelle 20 zugeordnet. Parallel zur Spannungsquelle 20 ist ein Elektrolytkondensator 24 geschaltet. Zwischen dem High-Side-Schaltelement 18 und dem Low-Side-Schaltelement 22 ist jeweils ein Abzweig 26 angeordnet, an den jeweils eine Motorwicklung 28 angeschlossen ist. Die Schaltanordnungen 14 werden von der Maschinensteuervorrich- tung 12 mittels Betriebsschaltvorgängen derart geschaltet, dass zumindest zeitweise mindestens ein Phasenstrom IA, IB, IC zur Maschine 10 geleitet wird, um den Betrieb der Maschine 10 zu bewirken. Die Schaltelemente 16 jeder Schaltanordnung 14 werden dabei gegenläufig zueinander geschaltet, das heißt es ist stets eines der Schaltelemente 16 geöffnet, um das Auftreten eines Kurzschlussstroms durch eine Schaltanordnung 14 zu verhindern.
In der Zusammenführungsleitung 30 ist ein Messelement 32 einer Messeinrichtung 34 angeordnet. Das Messelement 32 ist hier als Messwiderstand (Shunt) 36 ausgeführt. Die Messeinrichtung 34 greift den Spannungsabfall über den Shunt 36 ab und ermittelt daraus den durch die Zusammenführungsleitung 30 fließenden Strom. Der Maschinensteuervorrichtung 12 und der Messeinrichtung 34 sind eine Messschaltvorrichtung 38 zugeordnet. Während die Maschinensteuervorrichtung 12 die den Betrieb der Maschine bewirkenden Betriebsschaltvorgänge steuert oder regelt, dient die Messschaltvorrichtung 38 der Ausführung eines zusätzlichen Messschaltvorgangs. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die genannten Kompo- nenten zwar einzeln dargestellt sind, dass diese aber selbstverständlich auch teil- beziehungsweise vollintegriert sein können.
Während des Betriebs stellt sich das Zusammenspiel zwischen Maschinensteuervorrichtung 12 und Messschaltvorrichtung 38 wie folgt dar. Die Maschinensteuervorrichtung 12 löst in den Schaltanordnungen 14 Schaltvorgänge aus, die den gewünschten Betrieb der elektrischen Maschine 10 bewirken. Um nun die Messung eines Phasenstroms IA, IB, IC durchzuführen, wird zunächst von der Messschaltvorrichtung 38 der gewünschte Zeitpunkt der Messung ermittelt. Die da- zu benötigte Information kann auf einfache Weise direkt von der Maschinensteuervorrichtung 12 bereitgestellt werden. Soll die Strommessung vorgenommen werden, das heißt der Messschaltvorgang durchgeführt werden, sendet die Messschaltvorrichtung 38 ein Signal an die Maschinensteuervorrichtung 12. Aufgrund dieses Signals führt die Maschinensteuervorrichtung 12 einen Schaltvorgang in mindestens einer der Schaltanordnungen 14 durch. Wie später noch näher erläutert wird, führt dies dazu, dass in der Zusammenführungsleitung 30 ein Strom fließt, der einen unmittelbaren Rückschluss auf einen der Phasenströme U, IB, IC ermöglicht. Während des Messschaltvor- gangs sendet die Messschaltvorrichtung 38 ein Signal an die Messeinrichtung 34 zur Strommessung beziehungsweise fragt einen ermittelten Strommesswert ab. Der Messschaltvorgang wird dann beendet, indem die für den Messschaltvorgang erfolgte Schaltzu- Standsänderung in der mindestens einen Schaltanordnung rückgängig gemacht wird. Das heißt, nach Beendigung des Messschaltvorgangs sind die Schaltzustände aller Schaltanordnungen wieder so, wie unmittelbar vor dem Einleiten des Messschaltvorgangs.
Anhand der Figur 2, die einen Detailausschnitt aus der Figur 1 darstellt, sollen nun die Betriebsschaltvorgänge näher erläutert werden, die von der Maschinensteuervorrichtung 12 ausgelöst werden. Die High-Side-Elemente 18 der Schaltelemente 14 sind hier die Transistoren T1 , T3, T5 und die Low-Side-Schaltelemente 22 sind die Tran- sistoren T2, T4, T6. Ausgehend von einem Zustand, in dem die Transistoren T1 , T3, T5 sperrend und die Transistoren T2, T4, T6 leitend geschaltet sind, das heißt es fließt kein Strom durch die elektrische Maschine 10, ist in diesem Ausführungsbeispiel folgende Schaltreihenfolge vorgesehen, wobei jeweils die Schaltzustände der nicht genannten Transistoren unverändert bleiben:
S1 : T5 leitend und T6 sperrend
S2: T3 leitend und T4 sperrend
S3: T1 leitend und T2 sperrend S4: T1 sperrend und T2 leitend
S5: T3 sperrend und T4 leitend
S6: T5 sperrend und T6 leitend
S7: Wiederholung ab S1
Da die Summe aller Ströme in der elektrischen Maschine 10 null ist, ergibt sich die Beziehung IA + IB + Ic = 0. Dadurch lassen sich hinsichtlich der Phasenströme U, IB, IC -es werden nach wie vor nur die Betriebsschaltvorgänge betrachtet- aufgrund des in der Zusammen- führungsleitung 30 fließenden Stroms IM folgende Rückschlüsse ziehen:
S1 : IM = IC S2: |M = |B + |c = -|A
S3: IM = 0, das heißt keine Aussage möglich
S4: |M = |B + |c = -|A
S5: IM = Ic
S6: IM = 0, das heißt keine Aussage möglich.
Da die Schaltzustände S1 , S2, S4, S5 in der Regel wesentlich kürzer sind als die Schaltzustände S3, S6 bedeutet dies, dass sich die Messungen der Phasenströme U, IB, IC nur in sehr kleinen Zeitfenstern durchführen lässt, wobei die Zeitfenster oftmals so klein sind, dass eine zuverlässige Messung gar nicht möglich ist.
An dieser Stelle kommen nun die erfindungsgemäßen Messschaltvorgänge hinzu, die anhand der Figur 3 näher erläutert werden.
In der Figur 3 sind die zeitlichen Verläufe der Schaltzustände der Transistoren T1 bis T6 als Ausführungsbeispiel dargestellt, wenn sowohl Betriebsschaltvorgänge als auch Messschaltvorgänge durchgeführt werden. Die Abszisse ist eine Zeitachse, und der jeweilige Schaltzustand ist entlang der Ordinate abzulesen. Dabei bedeutet ein niedriger Wert (erster Pegel), dass der jeweilige Transistor sperrt, während ein hoher Wert (zweiter Pegel) ein Leiten des Transistors anzeigt. Anhand einer zusätzlichen dünnen Linie wird angedeutet, wie sich der zur Figur 2 beschriebene Verlauf ergeben würde, also ohne Messschaltvorgänge. Für die Erläuterungen sei angenommen, dass ein Ein- beziehungsweise Abschalten der Transistoren einer Schaltanordnung 14 tatsächlich zeitgleich erfolgen kann, ohne einen Kurzschlussstrom auszulösen, das heißt die zuvor erwähnten Totzeiten werden hier nicht betrachtet. Selbstverständlich kann deren Berücksichtigung in bekannter Weise durch ein Versetzen der jeweili- gen Schaltflanken erfolgen. Anhand der Schaltvorgänge der Transistoren T1 und T2 zu den Zeitpunkten t-i, t2, t3, t4 wird nun das Prinzip der Phasenstrommessung erläutert. Zum Zeitpunkt t = 0 sperrt Transistor T1 und leitet Transistor T2 bis zum Zeitpunkt t-i, an dem Tran- sistor T1 leitend und Transistor T2 sperrend geschaltet werden. Im Hinblick auf die zuvor zur Figur 2 dargestellten Schaltzustände der gesamten Anordnung, liegt nun der Schaltzustand S3 vor. Zum Zeitpunkt t2 wird nun der Messschaltvorgang eingeleitet. Dazu werden die Schaltzustände der Transistoren T1 , T2 invertiert, das heißt T1 wird sperrend und T2 leitend geschaltet. Dadurch stellt sich die Situation ein, dass der Phasenstrom IA zur elektrischen Maschine 10 fließt, von dort wieder als -IB -IC = IA herausfließt und schließlich in der Zusammenführungsleitung 30 mündet. Der Phasenstrom IA kann dort mittels der Messvorrichtung 34 ermittelt werden. Im Hinblick auf das Ende des Messvorgangs zum Zeitpunkt t3, wird die Strommessung in der zeitlichen Mitte zwischen dem Zeitpunkt t2 und dem Zeitpunkt t3, das heißt in der Mitte des Messschaltvorgangs, durchgeführt. Der Zeitpunkt der Strommessung ist mittels der gestrichelten Linie angedeutet. Der Messschaltvorgang liegt in der Mitte der Zeit- dauer des Schaltzustands S3, das heißt in der zeitlichen Mitte der Zeitpunkte ti und U. Die Zeitdauer des Messschaltvorgangs wird so kurz wie möglich gehalten, um die Auswirkungen auf den Betrieb der elektrischen Maschine 10 und gegebenenfalls die notwendige Kompensation so gering wie möglich zu halten.
Im Vergleich zu dem mit der dünnen Linie dargestellten Verlauf, das heißt ohne einen Messschaltvorgang, ist zu erkennen, dass der Schaltvorgang zum Zeitpunkt ti bei Durchführung des Messschaltvorgangs etwas früher erfolgt und der Schaltvorgang zum Zeitpunkt U etwas später erfolgt. Das heißt, der Schaltzustand S3, in dem die elektrische Maschine 10 nicht von Strom durchflössen ist, wird etwas früher eingeleitet und etwas später beendet. Diese Verschiebungen der Schaltzeitpunkte dienen der Kompensation des Messschaltvorgangs. Während des Messschaltvorgangs fließt ein zusätzlicher Strom durch die elektrische Maschine 10, der aber für den Betrieb der Maschine 10 nicht erforderlich ist, ja sogar die Effizienz des Betriebs verringern könnte. Dieser zusätzliche Stromfluss wird dadurch kompensiert, dass der Stromfluss durch die Verschiebung der Schaltvorgänge an anderer Stelle unterdrückt wird. Es ist dabei zu erkennen, dass die Fläche 40, die sich während des Messschaltvorgangs im Vergleich zu der dünnen Linie ergibt, in etwa gleich ist, wie die Summe der Flächen 42,40, die sich aufgrund der Verschiebung der Schaltzeitpunkte ti, U ergeben. Zum Zeitpunkt tA wird der Pha- senstrom IA bestimmt. War bereits im Vorfeld der Phasenstrom IB bestimmt worden und insbesondere in einer Speichervorrichtung zwischengespeichert worden, so ergibt sich auch unmittelbar der Phasenstrom Ic = -IA-IB-
Wie anhand der Figur 3 zu erkennen ist, wird im weiteren Verlauf nun ein Messschaltvorgang mittels der Transistoren T3, T4 durchgeführt. Dabei lassen sich die vorstehend gemachten Erläuterungen analog anwenden. Zum Zeitpunkt tß wird demnach der Phasenstrom IB bestimmt. Wurde der Phasenstrom IA zwischengespeichert, so ergibt sich wiederum der Phasenstrom Ic = -U-IB-
In diesem Ausführungsbeispiel werden die Messschaltvorgänge immer zum gleichen Zeitpunkt in der Taktperiode durchgeführt, sodass der Messzeitpunkt synchron zur PWM-Periode ist. Dies vereinfacht die Auswertung. Es wurde dabei erkannt, dass die Auswirkung der Messschaltvorgänge auf das Tastverhältnis -insbesondere bei Si- nusbestromung- leicht kompensiert werden kann, wenn das ursprüngliche Tastverhältnis zwischen der Zeitdauer des Messschaltvorgangs und der Differenz aus Taktperiodendauer und Zeitdauer des Messschaltvorgangs liegt.
In den Figuren 4 und 5 sind Ausführungsbeispiele dargestellt, wie sich auf einfache Weise die Signale für die benötigten Schaltvorgänge erzeugen lassen, hier am Beispiel der Schaltsignale für die Tran- sistoren T1 und T2. Dabei sind in jeder Figur zunächst die resultierenden Signale für die Transistoren T1 und T2 dargestellt, wobei sich das Signal für den Transistor T1 aus den Signalen T1a und T1 b ergibt und das Signal für den Transistor T2 auf T2a und T2b. Für das Ausführungsbeispiel der Figur 4 erfolgt die Signalgenerierung mittels
T1 = T1a UND TI b, T2 = T2a ODER T2b,
und für die Figur 5 mittels
T1 = T1 a XOR T1 b, T2 = T2a XOR T2b.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 5 ist zudem aufgezeigt, wie eine Implementierung einer Totzeit integriert werden kann. In den gezeig- ten Ausführungsbeispielen werden die Effekte der Messschaltvorgänge auf das Tastverhältnis kompensiert. Dabei sind die Zeiten, in denen die Transistoren T1 beziehungsweise T2 eingeschaltet sind, die gewünschten Taktverhältnisse, wie sie zum Beispiel von einem Regler oder einer Steuerung berechnet werden. Die Signale T1a, T1 b beziehungsweise T2a, T2b können dann beispielsweise in einem Mikroprozessor oder außerhalb eines Mikroprozessors mit einer passenden Logikverknüpfung gebildet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung mindestens eines Phasenstroms (U, IB, Ic) bei einer elektrischen Maschine (10) mit einer Maschinensteuervorrichtung (12), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, aufweisend mehrere jeweils einer Phase zugeordnete Schaltanordnungen (14) mit jeweils mindestens einem Schaltelement (16), wobei die Maschi- nensteuervorrichtung (12) mittels Betriebsschaltvorgängen die Schaltanordnungen (14) derart schaltet, dass zumindest zeitweise mindestens ein Phasenstrom (IAJBJC) zur Maschine (10) geleitet wird, um den Betrieb der Maschine (10) zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass neben den den Betrieb der Maschine (10) be- wirkenden Betriebsschaltvorgängen mindestens ein weiterer der Bestimmung des Phasenstroms dienender Messschaltvorgang mittels mindestens einer der Schaltanordnungen (14) durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Messschaltvorgang durchgeführt wird, wenn die Schaltzustände der
Schaltanordnungen (14) gleich sind.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messschaltvorgang in der Mitte der Zeit- dauer des Schaltzustands durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messschaltvorgang während eines eine maximale Zeitdauer aufweisenden Schaltzustands aller Schaltanord- nungen (14) durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Messschaltvorgang während eines eine minimale Zeitdauer aufweisenden Schaltzustands aller Schaltanordnungen (14) durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messschaltvorgang nur für die der Bestimmung des Phasenstroms dienende Messdauer andauert.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Schaltzeitpunkt mindestens eines der Schaltvorgänge angepasst wird, um den Messschaltvorgang zu kompensieren.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Periode der Schaltvorgänge bei der Kompensation unverändert bleibt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messschaltvorgang als zeitweises Invertieren des Schaltzustands mindestens einer der Schaltanordnungen (14) durchgeführt wird.
10. Vorrichtung (1 ) zur Bestimmung mindestens eines Phasenstroms (IAJBJC) bei einer elektrischen Maschine (10) mit einer Maschinensteuervorrichtung (12), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, aufwei- send mehrere jeweils einer Phase zugeordnete Schaltanordnungen (14) mit jeweils mindestens einem Schaltelement (16), wobei die Maschinensteuervorrichtung (12) mittels Betriebsschaltvorgängen die Schaltanordnungen (14) derart schaltet, dass zumindest zeitweise mindestens ein Phasenstrom (IAJBJC) zur Maschine (10) geleitet wird, um den Betrieb der Maschine (10) zu bewirken, wobei die Vorrichtung (1 ) eine Messeinrichtung (34) aufweist, gekennzeichnet durch eine neben den den Betrieb der Maschine (10) bewirkenden Betriebsschaltvorgängen mindestens einen der Bestimmung des Phasenstroms dienenden Messschaltvorgang durchführende Messschaltvorrichtung (38).
11. Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messelement (32) der Messeinrichtung (34) in einer Zu- sammenführungsleitung (30) aller Phasen angeordnet ist.
12. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (34) einen Mess- widerstand (36), insbesondere einen Shunt, aufweist.
13. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltanordnungen (14) jeweils zwei Schaltelemente (16) aufweisen.
14. Vorrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (16) ihre Schaltzustände gegenläufig zueinander wechseln.
15. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (10) ein Wechselstrommotor (11 ) ist.
16. Vorrichtung (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstrommotor (11 ) in Sternschaltung ausgebildet ist.
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