WO2007000285A1 - Ansteuersystem für eine permanenterregte elektrische maschine - Google Patents

Ansteuersystem für eine permanenterregte elektrische maschine Download PDF

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Jens Ranneberg
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DaimlerChrysler AG
Daimler AG
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    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
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    • H02H7/08—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors
    • H02H7/0833—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors for electric motors with control arrangements
    • H02H7/0844—Fail safe control, e.g. by comparing control signal and controlled current, isolating motor on commutation error
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02H1/0053—Means for storing the measured quantities during a predetermined time
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H02P29/024—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load
    • H02P29/0241—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load the fault being an overvoltage

Definitions

  • the invention relates to a drive system for a permanent-magnet electric machine.
  • the invention also relates to a drive unit for a switching element of a half-bridge arrangement for the power supply of an electrical machine.
  • Permanent-magnet electric machines are used, for example, as vehicle drive motors which receive electric energy from a so-called traction battery in hybrid drive systems from a generator driven by an internal combustion engine or in fully electrically powered vehicles.
  • traction battery in hybrid drive systems from a generator driven by an internal combustion engine or in fully electrically powered vehicles.
  • pole wheel voltage a countervoltage known as the pole wheel voltage is induced in the armature windings. This induced voltage increases with increasing speed until it is in the range of the supply voltage of the electric machine.
  • a short-circuit is generated at each line or at each phase of the electrical machine by means of a drive arrangement of a drive system, if by an operating state detection arrangement in the drive system and / or the electric machine the presence of at least one predetermined operating condition is detected.
  • a predetermined operating state may be, for example, a faulty sensor, a short circuit fault, in particular in the region of the motor, a drop or failure of the motor supply voltage or the rise of a DC link voltage above a predetermined limit.
  • the drive system comprises a half-bridge arrangement, an intermediate circuit connecting each half-bridge arrangement with a supply voltage source, and a drive arrangement for driving each half-bridge arrangement, for each phase or phase of the electrical machine.
  • Each half-bridge arrangement may comprise a first switching element for selectively connecting the associated strand or phase of the electrical machine to the potential of a first polarity, and a second switching element for selectively connecting the associated strand or phase to a second polarity.
  • a short circuit in each strand or each phase of the electric machine is then generated by the first switching element of each half-bridge arrangement is turned on and / or the second element of each half-bridge arrangement is turned on. If due to a defective switching element, for example, no longer conducts or no longer blocks, the desired short-circuit effect does not occur, the short circuit can be effected by the respective complementary switching elements.
  • the . DE 102 O5_963_A1 relates to a method and a drive system for driving a permanently excited electrical machine.
  • the individual switching elements of the half-bridge arrangements are monitored. Whether in a fault condition a short circuit of the electrical machine takes place by driving the first switching elements or the second switching elements of each half-bridge arrangement depends on a measured variable of the monitored switching elements. Thus, the measures to avoid endangerment of components and persons, namely the short circuit of the electric machine, initiated quickly and effectively. If the measured variable of a switching element exceeds the threshold value, an error is concluded which has effects on the branch of the half-bridge arrangement in which the switching element which generates the measured variable or on which the measured variable is measured is not arranged and becomes the complementary switching elements controlled by the drive unit or switched to conduct a short circuit of the electric machine.
  • a switching mechanism is described in principle, which stores the last on state to determine which of the two switching elements or transistors of a half-bridge arrangement has caused the error.
  • an error signal occurs, in particular an error signal of the collector-emitter voltage (U ce or V ce ) not the one transistor is defective, which reports the error, but the opposite transistor.
  • the control unit supplies for the drive units or driver stages (so-called gate drives) of the respective switching elements or transistors for the three phases of the electric machine as a manipulated variable phase potentials (Potential Touchbetatione) which converted accordingly for the driver stages be, with e.vent.uelJL Error signals are taken into account.
  • a drive signal gate signal
  • the drive signal corresponding to the error-free operation would then be output again, but the error would occur again, since the error situation is still present, so that an oscillation would occur.
  • the present invention is therefore an object of the invention to provide a drive system and a drive unit of the type mentioned, which avoid the disadvantages of the prior art, in particular to improve the safety of components and people and effectively prevent the occurrence of oscillations in error situations.
  • a drive system for a permanent-magnet electric machine each phase of the electric machine is assigned a half-bridge arrangement with a first and a second switching element for power supply via an intermediate circuit, wherein at least one drive unit is provided for driving the switching elements, wherein a Rear derailleur is provided, which has a protective circuit for at least one of the permanent-magnet machine associated half-bridge arrangement and wherein the protection circuit stores the drive signals for the switching elements after the reaction already occurred to the error signal in a memory element upon the occurrence of an error signal.
  • the drive signals are supplied with a delay, e.g. of 100 ns.
  • the delay time should be chosen so as to ensure that the error has already been implemented both dynamically and in the logic.
  • the storage element is arranged in the drive unit or in the driver stage of the respective switching element.
  • the memory element is designed as a flip-flop, in particular as a D-latch.
  • a drive unit for a switching element of a half-bridge arrangement for powering a permanently excited electrical machine is indicated via an intermediate circuit with a memory element which is configurable such that either at an occurrence of an error signal, the drive signal for the switching element after the already occurred response to the error signal is stored in the memory element or a shutdown of the switching element takes place.
  • such a configurable drive unit or driver stage for a switching element can be used both in a permanent-magnet machine and in an asynchronous machine in which, for example, via a jumper is configured, if the drive signal for the switching element at permanently excited Machine nach_ der_rs_Subteii response to the error signal is stored in the memory element or in asynchronous machines is a simple shutdown of the switching element.
  • Figure 1 is a schematic circuit diagram of a power section of a drive system according to the invention in conjunction with a permanent-magnet electric machine.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a switching mechanism with drive units for switching elements of a drive system according to the invention
  • FIG. 3 is a schematic circuit diagram of a switching mechanism with a protection circuit for driving a first switching element
  • FIG. 4 shows a simplified schematic circuit diagram of a switching mechanism with a protective circuit for driving a second switching element
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a redundant control voltage supply for the drive units from FIG. 2.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of a power section of a drive system according to the invention in conjunction with a permanent-magnet electric machine 1, for example a synchronous machine or a transverse flux machine.
  • the unspecified power part of the drive system has three half-bridge assemblies 2, 2 ', 2 ", each 2 of the half-bridges or half-bridge arrangements 2, one of the phases PhI, Ph2, Ph3 (see, for example, Fig. 2) is assigned to the electrical machine 1 via unspecified lines and in a known manner the function of the handoff of the electric loading in the electric machine fulfills 1 (commutation) and preferably the setting of the height of the machine current by rapidly switching on and off of switching elements of the power unit.
  • the half-bridge arrangements 2, 2 1, 2 are a DC link 3, which has a potential of a first, preferably positive polarity (+) and a potential of a second, preferably negative polarity (-), supplied with electrical energy from a voltage source and / or current source, not shown.
  • a voltage source for example, a traction battery or a generator driven by an internal combustion engine can be used.
  • Each half-bridge arrangement 2, 2 1 , 2 has, in the illustrated embodiment, a first switching element T 1 , T 2, T 3 and a second switching element T 4, T 5, T 6, which are connected in series with each other
  • the first switching elements T 1 , T 2, T 3 form in the present case an upper commutation group Up, while the second switching elements T4, T5, T6 form a lower commutation group Lo.
  • switching elements Tl to T6 power semiconductors such as IGBTs, MOSFETs and / or thyristors such as GTOs (Gate Turn-Off Tyristor) are preferably used It is also possible to use relays
  • Switching elements Tl to T ⁇ are unspecified diodes, so-called freewheeling diodes or reverse current diodes, associated in the usual way in antiparallel are arranged to the switching elements Tl to T6.
  • antiparallel is meant that the current flow direction of the diodes opposite sets de_r preferred S ⁇ ⁇ rom versefJLussri rect the schaj-tele- elements Tl to T6.
  • Each of the switching elements Tl to T6 is driven in the present case via its own drive unit or driver stage (gate drive) of the drive system.
  • the drive units are preferably arranged in a control unit. The control is usually carried out with puls shimmerenmodulier- th timing signals, over the pulse width, the current and / or speed control of the electric machine 1 can be done.
  • Fig. 2 shows a switching mechanism 4 of a drive system according to the invention, which is connected between a control board, not shown, which is in particular provided with a microprocessor or the like, and drive units Gl, G2, G3 for the switching elements Tl, T2, T3.
  • the switching mechanism 4 is powered by a voltage source, not shown.
  • the switching mechanism receives phase potentials as manipulated variable (potential change commands) PhI, Ph2, Ph3 from the control board, not shown, a logically inverted external error signal Failure and from the drive units Gl, G2, G3 an error or status signal of the controlled switching elements Tl, T2, T3.
  • manipulated variable potential change commands
  • the other three drive units for the switching elements T4 to T6 are not shown (drive unit G4, see FIGS. 3 and 4).
  • the switching mechanism 4 As outputs, the switching mechanism 4, the drive signals gate signal for the drive units Gl, G2, G3, their supply lines power and a status signal status for the control board (control board) on.
  • power parts with more than two switching elements per half-bridge arrangement 2, 2 ', 2 ", for example, four switching elements or more, can be used.
  • the drive units G1, G2, G3 have means not shown for detecting at least one operating state of the -Extensionsx on_. Furthermore, not shown means for detecting at least one operating state of the permanent-magnet electric machine 1 are provided. In particular, the drive units have not shown means for detecting a measured variable of the switching elements Tl to T6. That is, a measurable size of the switching elements Tl to T6 is monitored by means of the respective associated drive units. Are used as switching elements Tl to T6 as in the present case transistors, as a measured variable, preferably the collector-emitter voltage V ce is used. This is transmitted as a status message status (Vce) of the drive units Gl, G2, G3 (FIG. 2) to the switching mechanism 4.
  • Vce status message status
  • Fig. 3 shows a simplified part of the switching mechanism 4 of the drive system according to the invention with a unspecified protection circuit for the drive unit G4 and the transistor T4.
  • a dashed framed circuit area 100 is the same for all three phases PhI, Ph2, Ph3.
  • the circuit logic according to FIG. 3 provides a drive signal for the drive unit G4 or for the transistor T4 of the lower commutation group Lo.
  • the dashed framed circuit area 100 is built only once. It can be shared for the entire inverter.
  • An OR gate 10 receives as inputs the previously inverted phase signal PhI and an error signal of the upper commutation group UpVce and an external error signal Failure, according to which the output signal PhI v UpVce v Failure is sent to an inverter.
  • Gate 11 is supplied, which additionally receives an inverted error signal LoVce the lower commutation group as an input signal.
  • the output of the AND gate 11 is forwarded to a D-latch 12 for storage, which supplies the drive signal gate signal for the transistor T4 to the drive unit G4.
  • the control units Gl and G4 are provided for safety reasons with a potential separation.
  • two OR gates 13a, 13b are provided in the circuit part 100.
  • the OR gate 13a receives as input the error or status signal lines of the switching elements T1, T2, _ T3__der Vce-Fault 1 to Vce-Fault 3 (error signal upper commutation group UpVce) and an external error signal Failure, which was previously obtained via a pull-down resistor and inverted, as input signals and supplies the output as the result (UpVce v Failure) to the Or gate 10 and another
  • OR gate 14 receives the error or status signals of the drive units of the lower commutation group Vce-Fault 4 to Vce-Fault 6 as inputs and supplies the result LoVce both inverted to the AND-gate
  • the OR gate 14 receives its own result as an input to record the occurrence of an error signal. Furthermore, there is a delay of storage in the memory element or D-latch
  • the protection circuit stores the control signal gate signal for the switching element T4 after the already effected response to the error signal Vce-Fault 1 to Vce-Fault 6 , Failure in the D-latch 12.
  • the control unit G4 supplies (as the other control units) as an output signal the error status or the error signal Vce-Fault 4.
  • an AND gate 15 is provided, which receives as input the phase signal PhI and the inverted external error signal Failure and the result PhI ⁇ Failure to an OR gate 10 'which, as an additional input, the error signal LoVce of the lower commutation group, namely the error signals Vce-Fault 4 to Vce Fault 6 receives and the result PhI ⁇ Failure v LoVce forwarded to the AND gate 11 ', which receives as an additional input the inverted error signal of the upper commutation group UpVce and supplies the result to the D-latch 12, which the drive signal to the Drive unit Gl supplies.
  • the signals LoVce, UpVce and no error are supplied from the circuit part 100 (see FIG. 3), which can be used for all the transistors Tl to T6.
  • the signal LoVce is tapped directly at the OR gate 13b.
  • an inverter and an additional not-shown OR gate is provided. Which UpVce provides, since OR gate 13a already delivers UpVce v Failure as a result.
  • OR gate 13a already delivers UpVce v Failure as a result.
  • T3, T6 and T2, T5 the circuits are analogous to the circuit diagrams shown in Figures 3, 4 for the transistors Tl, T4.
  • Gate signal for G4 (Phi v Failure v UpVce) ⁇ LoVce for T4 as
  • Gate signal for Gl (PhI ⁇ Failure v LoVce) ⁇ UpVce for Tl as
  • the D-latch 12 can also be accommodated directly in control units, not shown.
  • the configurable control unit can also be used for asynchronous machines or the like. The desired operation can be easily done via programming, e.g. via a jumper.
  • FIG. 5 shows a redundant control voltage supply for the drive units G1 to G4. Since in a possible failure of the 12 volt control voltage of the vehicle no controlling interventions would be possible, the control power supply can be redundant. Thus, the power unit can still be protected even if the 12 volt control voltage fails.
  • a DC / DC converter 16 generates a 12 volt control voltage from the DC link 3.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ansteuersystem für eine permanenterregte elektrische Maschine, wobei jeder Phase der elektrischen Maschine eine Halbbrückenanordnung mit einem ersten und einem zweiten Schaltelement zur Stromversorgung über einen Zwischenkreis zugeordnet ist, wobei wenigstens eine Ansteuereinheit zur Ansteuerung der Schaltelemente vorgesehen ist, wobei ein Schaltwerk vorgesehen ist, welches eine Schutzschaltung für wenigstens eine der permanenterregten Maschine zugeordnete Halbbrückenanordnung aufweist. Die Schutzschaltung speichert beim Auftreten eines Fehlersignals die Ansteuersignale für die Schaltelemente nach der bereits erfolgten Reaktion auf das Fehlersignal in einem Speicherelement.

Description

Ansteuersystem für eine permanenterregte elektrische Maschine
Die Erfindung betrifft ein Ansteuersystem für eine permanenterregte elektrische Maschine. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Ansteuereinheit für ein Schaltelement einer Halbbrückenanordnung zur Stromversorgung einer elektrischen Maschine .
Permanenterregte elektrische Maschinen werden beispielsweise als Fahrzeugantriebsmotoren eingesetzt, die bei Hybridantriebsystemen elektrische Energie aus einem durch eine Brennkraftmaschine angetriebenen Generator oder bei vollelektrisch betriebenen Fahrzeugen elektrische Energie aus einer sogenannten Traktionsbatterie empfangen. Bei permanenterregten elektrischen Maschinen besteht aufgrund ihres Aufbaus das grundsätzliche Problem, dass wegen der im Betrieb auftretenden Relativbewegung zwischen den Ankerwicklungen und den Permanentmagneten eine als Polradspannung bekannte Gegenspannung in die Ankerwicklungen induziert wird. Diese induzierte Spannung steigt mit zunehmender Drehzahl soweit an, bis sie im Bereich der Versorgungsspannung der elektrischen Maschine liegt. Treten bei derartigen Antriebssystemen mit permanenterregten elektrischen Maschinen Fehler auf, wie z.B. der Ausfall einer Ansteuerelektronik für die Vornahme einer Feldschwächung oder ein Wicklungsschluss, so führt dies insbesondere bei hohen Drehzahlen zu einem erheblichen Bremsmoment, welches bei einer Rückspeisung von elektrischer Energie von der elektrischen Maschine in die Energieversorgung, beispielsweise eine über einen Stromrichter und einen Zwischen- Jcreis^ang^schlossene Batterie, jϊrze_ugt wird. Dadurch kann es zu Beschädigungen von Batterie und Stromrichter bzw. von Bauteilen des Stromrichters, insbesondere Halbleiterbauelementen kommen .
Um eine derartige Gefährdung zu vermeiden, wird in der DE 198 25 576 Al mittels einer Ansteueranordnung eines Ansteuersystems ein Kurzschluss bei jedem Strang bzw. bei jeder Phase der elektrischen Maschine erzeugt, wenn durch eine Betriebs- zustandserfassungsanordnung in dem Ansteuersystem und/oder der elektrischen Maschine das Vorliegen wenigstens eines vorbestimmten Betriebszustands erfasst wird. Ein vorbestimmter Betriebszustand kann beispielsweise ein fehlerhafter Sensor, ein Kurzschlussfehler, insbesondere im Bereich des Motors, ein Abfall oder Ausfall der Motorversorgungsspannung oder das Ansteigen einer Zwischenkreisspannung über einen vorbestimmten Grenzwert sein. Das Ansteuersystem umfasst für jeden Strang bzw. jede Phase der elektrischen Maschine eine Halbbrückenanordnung, einen jede Halbbrückenanordnung mit einer Versorgungsspannungsquelle verbindenden Zwischenkreis und eine Ansteueranordnung zur Ansteuerung jeder Halbbrückenanordnung. Jede Halbbrückenanordnung kann ein erstes Schaltelement zum wahlweisen Verbinden des zugeordneten Strangs bzw. der zugeordneten Phase der elektrischen Maschine mit dem Potential einer ersten Polarität sowie ein zweites Schaltelement zum wahlweisen Verbinden des zugeordneten Strangs bzw. der zugeordneten Phase mit einer zweiten Polarität aufweisen. Ein Kurzschluss bei jedem Strang bzw. bei jeder Phase der elektrischen Maschine wird dann erzeugt, indem das erste Schaltelement jeder Halbbrückenanordnung leitend geschaltet wird und/oder das zweite Element jeder Halbbrückenanordnung leitend geschaltet wird. Wenn aufgrund eines defekten Schaltelementes, das beispielsweise nicht mehr leitet oder nicht mehr sperrt, die gewünschte Kurzschlusswirkung nicht eintritt, kann der Kurzschluss durch die jeweils komplementären Schaltelemente bewirkt werden. Die .DE 102 O5_963_A1 betrifft ein Verfahren und ein Ansteuersystem zum Ansteuern einer permanenterregten elektrischen Maschine. Dabei werden die einzelnen Schaltelemente der Halbbrückenanordnungen überwacht. Ob bei einem Fehlerzustand ein Kurzschluss der elektrischen Maschine durch Ansteuern der ersten Schaltelemente oder der zweiten Schaltelemente jeder Halbbrückenanordnung erfolgt, hängt von einer Messgröße der überwachten Schaltelemente ab. Somit werden die Maßnahmen zur Vermeidung einer Gefährdung von Komponenten und Personen, nämlich der Kurzschluss der elektrischen Maschine, schnell und zielgerichtet eingeleitet. Überschreitet die Messgröße eines Schaltelements den Schwellwert, so wird auf einen Fehler geschlossen, der Auswirkungen auf den Zweig der Halbbrückenanordnung hat, in welcher das Schaltelement, welches die Messgröße generiert bzw. an dem die Messgröße gemessen wird, nicht angeordnet ist und die komplementären Schaltelemente werden von der Ansteuereinheit angesteuert bzw. leitend geschaltet, um einen Kurzschluss der elektrischen Maschine zu bewirken. Des weiteren ist ein Schaltwerk prinzipmäßig beschrieben, welches den letzten Einschaltzustand speichert, um festzustellen, welches der beiden Schaltelemente bzw. Transistoren einer Halbbrückenanordnung den Fehler verursacht hat. Dabei wird auch von der Vermutung ausgegangen, dass bei Auftreten eines Fehlersignals, insbesondere eines Fehlersignals der Kollektor-Emitterspannung (Uce bzw. Vce) nicht der jenige Transistor defekt ist, welcher den Fehler meldet, sondern der gegenüberliegende Transistor.
Vorliegend wird davon ausgegangen, dass bei einem Auftreten eines Fehlersignals bereits der defekte Transistor identifiziert ist.
Das Steuergerät liefert für die Ansteuereinheiten bzw. Treiberstufen (sogenannte Gate-Drives) der jeweiligen Schaltelemente bzw. Transistoren für die drei Phasen der elektrischen Maschine als Stellgröße Phasenpotentiale (Potentialwechselbefehle) welche für die Treiberstufen entsprechend umgerechnet werden, -wobei e.vent.uelJL
Figure imgf000006_0001
Fehlersignale berücksichtigt werden. Es könnte nun nachteiligerweise dazu kommen, dass ein Fehlersignal als Reaktion ein Ansteuersignal (Gatesignal) für die Treiberstufe auslöst, nach dessen Ausgabe das Fehlersignal wieder verschwindet bzw. ausbleibt, z.B. durch einen Kurzschluss als Schutzmaßnahme. Danach würde dann wieder das dem fehlerfreien Betrieb entsprechende Ansteuersignal ausgegeben, jedoch würde der Fehler erneut auftreten, da die Fehlersituation immer noch vorliegt, so dass eine Oszillation auftreten würde .
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ansteuersystem und eine Ansteuereinheit der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die die Nachteile des Standes der Technik vermeiden, insbesondere die Sicherheit von Komponenten und Personen verbessern und das Auftreten von Oszillationen bei Fehlersituationen wirksam verhindern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Ansteuersystem für eine permanenterregte elektrische Maschine gelöst, wobei jeder Phase der elektrischen Maschine eine Halbbrückenanordnung mit einem ersten und einem zweiten Schaltelement zur Stromversorgung über einen Zwischenkreis zugeordnet ist, wobei wenigstens eine Ansteuereinheit zur Ansteuerung der Schaltelemente vorgesehen ist, wobei ein Schaltwerk vorgesehen ist, welches eine Schutzschaltung für wenigstens eine der permanenterregten Maschine zugeordnete Halbbrückenanordnung aufweist und wobei die Schutzschaltung beim Auftreten eines Fehlersignals die Ansteuersignale für die Schaltelemente nach der bereits erfolgten Reaktion auf das Fehlersignal in einem Speicherelement speichert.
Durch diese Maßnahmen wird in einfacher und vorteilhafter Weise eine Oszillation bei Auftreten eines Fehlersignals vermieden, da der Fehler festgehalten und die Fehlerbedingung bzw. das Ansteuersignal gespeichert wird. Ein ständiges Hin- und—He-rspringen
Figure imgf000007_0001
und Normalbetrieb wird wirksam verhindert.
Erfindungsgemäß kann ferner vorgesehen sein, dass beim ersten Auftreten des Fehlersignals die Ansteuersignale mit einer Verzögerung, z.B. von 100 ns, gespeichert werden.
Dadurch wird sichergestellt, dass die Schaltung bereits auf das Fehlersignal reagiert hat und das Ansteuersignal als Reaktion auf das Fehlersignal in dem Speicherelement gespeichert wird. Die Verzögerungszeit sollte derart gewählt werden, dass sichergestellt ist, dass der Fehler sowohl dynamisch als auch in der Logik bereits umgesetzt ist.
Vorteilhaft ist es, wenn das Speicherelement in der Ansteuereinheit bzw. in der Treiberstufe des jeweiligen Schaltelements, angeordnet ist.
In vorteilhafter Weise ist das Speicherelement als Flip-Flop, insbesondere als D-Latch, ausgebildet.
In Anspruch 5 ist eine Ansteuereinheit für ein Schaltelement einer Halbbrückenanordnung zur Stromversorgung einer permanenterregten elektrischen Maschine über einen Zwischenkreis mit einem Speicherelement angegeben, welche derart konfigurierbar ist, dass entweder bei einem Auftreten eines Fehlersignals das Ansteuersignal für das Schaltelement nach der bereits erfolgten Reaktion auf das Fehlersignal in dem Speicherelement gespeichert wird oder eine Abschaltung des Schaltelements erfolgt.
In vorteilhafter Weise kann eine derartige konfigurierbare Ansteuereinheit bzw. Treiberstufe für ein Schaltelement sowohl bei einer permanenterregten elektrischen Maschine als auch bei einer asynchronen Maschine verwendet werden, in dem beispielsweise über einen Jumper konfiguriert wird, ob das Ansteuersignal für das Schaltelement bei permanenterregten Maschinen„nach_ der_bereits_erfolgteii Reaktion auf_ das Fehlersignal in dem Speicherelement gespeichert wird oder bei asynchronen Maschinen eine einfache Abschaltung des Schaltelements erfolgt.
Nachfolgend ist anhand der Zeichnung prinzipmäßig ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schaltungsskizze eines Leistungsteils eines erfindungsgemäßen Ansteuersystems in Verbindung mit einer permanenterregten elektrischen Maschine;
Fig. 2 ein prinzipmäßiges Schema eines Schaltwerks mit Ansteuereinheiten für Schaltelemente eines erfindungsgemäßen Ansteuersystems;
Fig. 3 eine schematische Schaltungsskizze eines Schaltwerks mit einer Schutzschaltung zur Ansteuerung eines ersten Schaltelements;
Fig. 4 eine vereinfachte schematische Schaltungsskizze eines Schaltwerks mit einer Schutzschaltung zur Ansteuerung eines zweiten Schaltelements;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer redundanten Steuerspannungsversorgung für die Ansteuereinheiten aus Fig. 2.
Fig. 1 zeigt eine Schaltungsskizze eines Leistungsteils eines erfindungsgemäßen Ansteuersystems in Verbindung mit einer permanenterregten elektrischen Maschine 1, beispielsweise einer Synchronmaschine oder einer Transversalflussmaschine. Das nicht näher bezeichnete Leistungsteil des Ansteuersystems weist drei Halbbrückenanordnungen 2, 2', 2" auf, wobei jede der Halbbrücken bzw. Halbbrückenanordnungen 2,__2J_,_ 2" eine der Phasen PhI, Ph2, Ph3 (siehe z.B. Fig. 2) der elektrischen Maschine 1 über nicht näher bezeichnete Leitungen zugeordnet ist. Das Leistungsteil kann als Umrichter bzw. als Stromrichter ausgebildet sein und erfüllt in bekannter Weise die Funktion der Weiterschaltung des Strombelags in der elektrischen Maschine 1 (Kommutierung) und vorzugsweise der Einstellung der Höhe des Maschinenstroms durch rasches Ein- und Ausschalten von Schaltelementen des Leistungsteils. Die Halbbrückenanordnungen 2, 21, 2" werden über einen Zwischenkreis 3, der ein Potential einer ersten, vorzugsweise positiven Polarität (+) und ein Potential einer zweiten, vorzugsweise negativen Polarität (-) aufweist, mit elektrischer Energie von einer nicht dargestellten Spannungsquelle und/oder Stromquelle versorgt. Als Spannungsquelle kann beispielsweise eine Traktionsbatterie oder auch ein durch einen Verbrennungsmotor angetriebener Generator eingesetzt werden.
Jede Halbbrückenanordnung 2, 21, 2" weist in der dargestellten Ausführungsform ein erstes Schaltelement Tl, T2, T3 und ein zweites Schaltelement T4, T5, T6 auf, welche in Serie zueinander geschaltet sind. Die ersten Schaltelemente Tl, T2, T3 bilden vorliegend eine obere Kommutierungsgruppe Up, während die zweiten Schaltelemente T4, T5, T6 eine untere Kommutierungsgruppe Lo bilden. Als Schaltelemente Tl bis T6 werden bevorzugterweise Leistungshalbleiter, wie IGBTs, MOSFET und/oder Tyristoren, wie beispielsweise GTOs (Gate Turn-Off Tyristor) , eingesetzt. Es können auch Relais eingesetzt werden. Die in Fig. 1 nicht dargestellten Phasen PhI, Ph2, Ph3 der elektrischen Maschine 1 werden üblicherweise zwischen den ersten Schaltelementen Tl, T2, T3 und den zweiten Schaltelementen T4, T5, T6 mittels Leitungen angeschlossen. Den Schaltelementen Tl bis Tβ sind nicht näher bezeichnete Dioden, sogenannte Freilaufdioden bzw. Rückstromdioden, zugeordnet, die in üblicher Weise antiparallel zu den Schaltelementen Tl bis T6 angeordnet sind. Unter antiparallel versteht man, dass die Stromdurchflussrichtung der Dioden entgegenge- setzt de_r bevorzugten S^romdurchfJLussri^chtung der SchaJ-tele- mente Tl bis T6 ist. Jedes der Schaltelemente Tl bis T6 wird vorliegend über eine eigene Ansteuereinheit bzw. Treiberstufe (Gate-Drive) des Ansteuersystems angesteuert. Die Ansteuereinheiten sind vorzugsweise in einem Steuergerät angeordnet. Die Ansteuerung erfolgt üblicherweise mit pulsweitenmodulier- ten Taktungssignalen, wobei über die Pulsweite die Strom- und/oder Drehzahlregelung der elektrischen Maschine 1 erfolgen kann.
Fig. 2 zeigt ein Schaltwerk 4 eines erfindungsgemäßen Ansteuersystems, welches zwischen eine nicht dargestellte Steuerplatine, welche insbesondere mit einem Mikroprozessor oder dergleichen versehen ist, und Ansteuereinheiten Gl, G2, G3 für die Schaltelemente Tl, T2, T3 geschaltet ist. Das Schaltwerk 4 wird über eine nicht näher dargestellte Spannungsquelle gespeist. Als Eingänge erhält das Schaltwerk Phasenpotentiale als Stellgröße (Potentialwechselbefehle) PhI, Ph2 , Ph3 von der nicht dargestellten Steuerplatine, ein logisch invertiertes externes Fehlersignal Failure und von den Ansteuereinheiten Gl, G2, G3 ein Fehler- bzw. Statussignal der angesteuerten Schaltelemente Tl, T2, T3. In Fig. 2 sind exemplarisch nur drei Ansteuereinheiten Gl, G2, G3 für die Schaltelemente Tl, T2, T3 dargestellt. Die weiteren drei Ansteuereinheiten für die Schaltelemente T4 bis T6 sind nicht dargestellt (Ansteuereinheit G4 siehe Fig. 3 und 4) . Als Ausgänge weist das Schaltwerk 4 die Ansteuersignale Gatesignal für die Ansteuereinheiten Gl, G2, G3, deren Versorgungsleitungen Power und ein Statussignal Status für die Steuerplatine (control board) auf.
Alternativ können auch Leistungsteile mit mehr als zwei Schaltelementen je Halbbrückenanordnung 2, 2', 2", beispielweise vier Schaltelemente oder mehr, eingesetzt werden.
Die Ansteuereinheiten Gl, G2 , G3 weisen nicht dargestellte Mittel zur Erfassung wenigstens eines Betriebszustands des -Ansteuexsystems auf_. Weiterhin sind nicht dargestellte Mittel zur Erfassung wenigstens eines Betriebszustands der permanenterregten elektrischen Maschine 1 vorgesehen. Insbesondere weisen die Ansteuereinheiten nicht dargestellte Mittel zur Erfassung einer Messgröße der Schaltelemente Tl bis T6 auf. Das heißt eine messbare Größe der Schaltelemente Tl bis T6 wird mit Hilfe der jeweiligen zugehörigen Ansteuereinheiten überwacht. Werden als Schaltelemente Tl bis T6 wie vorliegend Transistoren eingesetzt, so wird als Messgröße vorzugsweise die Kollektor-Emitter-Spannung Vce verwendet. Diese wird als Statusmeldung Status (Vce) der Ansteuereinheiten Gl, G2 , G3 (Fig. 2) an das Schaltwerk 4 übergeben.
Fig. 3 zeigt einen vereinfachten Teil des Schaltwerks 4 des erfindungsgemäßen Ansteuersystems mit einer nicht näher bezeichneten Schutzschaltung für die Ansteuereinheit G4 bzw. den Transistor T4. Ein gestrichelt umrahmter Schaltungsbereich 100 ist für alle drei Phasen PhI, Ph2, Ph3 gleich. Die Schaltungslogik gemäß Fig. 3 stellt für die Ansteuereinheit G4 bzw. für den Transistor T4 der unteren Kommutierungsgruppe Lo ein Ansteuersignal bereit. Der gestrichelt umrahmte Schaltungsbereich 100 wird nur einmal aufgebaut. Er kann für den gesamten Umrichter gemeinsam genutzt werden. Ein Oder-Gatter 10 erhält als Eingangssignale das zuvor invertierte Phasensignal PhI sowie ein Fehlersignal der oberen Kommutierungsgruppe UpVce und ein externes Fehlersignal Failure, wonach als Ausgangssignal PhI v UpVce v Failure an ein Und-
Gatter 11 geliefert wird, welches zusätzlich ein invertiertes Fehlersignal LoVce der unteren Kommutierungsgruppe als Eingangssignal erhält. Der Ausgang des Und-Gatters 11 wird auf ein D-Latch 12 zur Speicherung weitergeleitet, welches das Ansteuersignal Gatesignal für den Transistor T4 an die Ansteuereinheit G4 liefert. Die Ansteuereinheiten Gl und G4 sind aus Sicherheitsgründen mit einer Potentialtrennung versehen. In dem Schaltungsteil 100 sind zwei Oder-Gatter 13a, 13b vorgesehen. Das Oder-Gatter 13a erhält als Eingangssignal die Fehler- bzw. Statussignalleitungen der Schaltelemente Tl, T2,_ T3__der
Figure imgf000012_0001
Vce-Fault 1 bis Vce- Fault 3 (Fehlersignal obere Kommutierungsgruppe UpVce) und ein externes Fehlersignal Failure, welches zuvor über einen Pull-Down-Widerstand erhalten und invertiert wurde, als Eingangssignale und liefert am Ausgang als Ergebnis ( UpVce v Failure) an das Oder-Gatter 10 und an ein weiteres
Oder-Gatter 14. Das Oder-Gatter 13b erhält die Fehler- bzw. Statussignale der Ansteuereinheiten der unteren Kommutierungsgruppe Vce-Fault 4 bis Vce-Fault 6 als Eingänge und liefert das Ergebnis LoVce sowohl invertiert an das Und-Gatter
11 als auch direkt an das Oder-Gatter 14. Das Oder-Gatter 14 erhält sein eigenes Ergebnis als Eingang, um das Auftreten eines Fehlersignals festzuhalten. Des weiteren ist eine Verzögerung der Speicherung in dem Speicherelement bzw. D-Latch
12 von τ = 100 Nanosekunden vorgesehen, um' sicherzustellen, dass bereits auf das Fehlersignal, welches sowohl ein externer Fehler Failure (z.B. Überspannung im Zwischenkreis, Übertemperatur, oder dergleichen) als auch ein Fehlersignal (z.B. Überspannung) der oberen oder unteren Kommutierungsgruppen UpVce, LoVce sein kann, reagiert wurde. Wie aus Fig. 3 weiter ersichtlich, speichert die Schutzschaltung bei Auftreten eines Fehlersignals Vce-Fault 1 bis Vce-Fault 6, Failure das Ansteuersignal Gatesignal für das Schaltelement T4 nach der bereits erfolgten Reaktion auf das Fehlersignal Vce-Fault 1 bis Vce-Fault 6, Failure in dem D-Latch 12. Die Ansteuereinheit G4 liefert (wie die übrigen Ansteuereinheiten) als Ausgangssignal den Fehlerstatus bzw. das Fehlersignal Vce-Fault 4.
Entsprechend ergibt sich aus Fig. 4 die Skizze des Schaltwerks zur Ansteuerung der Ansteuereinheit Gl bzw. des Transistors Tl. Dabei ist ein Und-Gatter 15 vorgesehen, welches als Eingangssignal das Phasensignal PhI und das invertierte externe Fehlersignal Failure erhält und das Ergebnis PhI Λ Failure an ein Oder-Gatter 10' liefert, welches als zusätzlichen Eingang das Fehlersignal LoVce der unteren Kommutierungsgruppe, nämlich die Fehlersignale Vce-Fault 4 bis Vce-Fault 6 erhält und das Ergebnis PhI Λ Failure v LoVce an das Und-Gatter 11' weiterleitet, welches als zusätzlichen Eingang das invertierte Fehlersignal der oberen Kommutierungsgruppe UpVce erhält und das Ergebnis an das D-Latch 12 liefert, welches das Ansteuersignal an die Ansteuereinheit Gl liefert. Die Signale LoVce, UpVce und kein Fehler werden aus dem Schaltungsteil 100 (siehe Fig. 3), welcher für alle Transistoren Tl bis T6 verwendet werden kann, geliefert. Dabei wird das Signal LoVce direkt an dem Oder-Gatter 13b abgegriffen. Für den Erhalt des Signals UpVce ist ein Invertierglied und ein zusätzliches nicht dargestelltes Oder-Gatter vorzusehen. Welches UpVce liefert, da das Oder-Gatter 13a bereits als Ergebnis UpVce v Failure liefert. Für die Transistoren
T3, T6 bzw. T2, T5 ergeben sich die Schaltkreise analog zu den in den Figuren 3, 4 dargestellten Schaltungsskizzen für die Transistoren Tl, T4.
Die booleschen Gleichungen, nach denen die Steuersignale gebildet werden, lauten:
Gatesignal für G4 = (PhI v Failure v UpVce) Λ LoVce für T4 als
Ergebnis am Ausgang des Und-Gatters 11 und
Gatesignal für Gl = (PhI Λ Failure v LoVce) Λ UpVce für Tl als
Ergebnis am Ausgang des Und-Gatters 11'.
Nachstehend ist eine Wahrheitstabelle für die Schaltwerke aus den Figuren 3 und 4 dargestellt.
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000014_0001
Des weiteren kann das D-Latch 12 auch direkt in nicht dargestellten Ansteuereinheiten untergebracht sein. Somit ist es denkbar, eine Ansteuereinheit für ein Schaltelement Tl bis T6 einer Halbbrückenanordnung zur Stromversorgung einer elektrischen Maschine 1 über einen Zwischenkreis 3 mit einem Speicherelement 12 zu schaffen, welche derart konfigurierbar ist, dass entweder bei einem Auftreten eines Fehlersignals das Ansteuersignal für das Schaltelement nach der bereits erfolgten Reaktion auf das Fehlersignal in einem Speicherelement 12 gespeichert wird oder eine Abschaltung des Schaltelements erfolgt. Dadurch kann die konfigurierbare Ansteuereinheit auch für Asynchronmaschinen oder dergleichen eingesetzt werden. Der gewünschte Betrieb kann einfach über eine Programmierung, z.B. über einen Jumper, festgelegt werden.
In Fig. 5 ist eine redundante Steuerspannungsversorgung für die Ansteuereinheiten Gl bis G4 dargestellt. Da bei einem möglichen Ausfall der 12 Volt-Steuerspannung des Fahrzeugs keinerlei steuernde Eingriffe mehr möglich wären, kann die Steuerspannungsvorsorgung redundant ausgeführt werden. Somit kann das Leistungsteil auch bei Ausfall der 12 Volt- Steuerspannung noch geschützt werden. Hierzu erzeugt ein DC/DC-Konverter 16 eine 12 Volt-Steuerspannung aus dem Zwischenkreis 3.

Claims

Patentansprüche
1. Ansteuersystem für eine permanenterregte elektrische Maschine (1), wobei jeder Phase der elektrischen Maschine (1) eine Halbbrückenanordnung (2,2 ',2'') mit einem ersten (T1,T2,T3) und einem zweiten Schaltelement (T4,T5,T6) zur Stromversorgung über einen Zwischenkreis (3) zugeordnet ist, wobei wenigstens eine Ansteuereinheit (Gl, G2, G3, G4 ) zur Ansteuerung der Schaltelemente (Tl,..., T6) vorgesehen ist, wobei ein Schaltwerk (4) vorgesehen ist, welches eine Schutzschaltung für wenigstens eine der permanenterregten Maschine (1) zugeordnete Halbbrückenanordnung
( 2 , 2 ' , 2 ' ' ) aufweist und wobei die Schutzschaltung beim Auftreten eines Fehlersignals (Vce-Fault 1, ... , Vce-Fault 6,Failure) die Ansteuersignale (Gatesignal) für die Schaltelemente (Tl,..., T6) nach der bereits erfolgten Reaktion auf das Fehlersignal in einem Speicherelement (12) speichert .
2. Ansteuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim ersten Auftreten des Fehlersignals (Vce-Fault 1, ..., Vce-Fault β,Failure) die Ansteuersignale (Gatesignal) mit einer Verzögerung gespeichert werden.
3. Ansteuersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Speicherelement (12) in der Ansteuereinheit (Gl, G2,G3, G4) des jeweiligen Schaltelements (Tl,..., T6) angeordnet ist. _4_. Ansteu_e_rSystem nac_h Anspruch_JL, 2 _pder _3_, da_durch_gekennzeichnet, dass das Speicherelement als Flip-Flop, insbesondere als D-Latch (12) ausgebildet ist.
5. Ansteuereinheit für ein Schaltelement (Tl,..., T6) einer Halbbrückenanordnung (2,2', 2'') zur Stromversorgung einer elektrischen Maschine (1) über einen Zwischenkreis (3) mit einem Speicherelement (12), welche derart konfigurierbar ist, dass entweder bei einem Auftreten eines Fehlersignals (Vce-Fault 1, ... , Vce-Fault 6,Failure) das Ansteuersignal (Gatesignal) für das Schaltelement (Tl,..., T6) nach der bereits erfolgten Reaktion auf das Fehlersignal (Vce-Fault 1, ..., Vce-Fault 6,Failure) in dem Speicherelement (12) gespeichert wird oder eine Abschaltung des Schaltelements (Tl,..., T6) erfolgt.
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