WO2013017390A2 - Verfahren und vorrichtung zur schutzzeitkompensation - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for protection time compensation in an inverter for supplying an electric motor, in particular for a three-phase inverter with a pulse width modulation control. Moreover, the invention relates to a control for an electric motor.
  • inverters are known that are suitable for converting a DC voltage into an AC voltage.
  • three-phase inverters are used to control motors, which, on the one hand, as a frequency converter, enable a frequency-dependent control of a three-phase motor and are generally used in applications with high power requirements.
  • a three-phase inverter has three inverters connected in parallel, each providing one phase of the output voltage.
  • the inverters used are usually provided as a series connection of two power transistors.
  • a center tap of the series circuit represents an output of the inverter circuit.
  • the input voltage is applied across both transistors of the series circuit.
  • the two transistors are usually provided as MOSFETs or as IGBTs.
  • PWM pulse width modulation methods
  • each branch of the three-phase inverter is individually controlled, so that the desired temporal development of the output voltage results. The so-called Protection time to be observed.
  • the guard time is defined as the amount of time to wait between turning off a MOSFET in an inverter branch and turning on the complementary MOSFET to prevent a hot branch.
  • both MOSFETs of one inverter branch are turned off, resulting in a phase voltage disturbance.
  • the fault occurs only at the time of the protection time, but can be converted to a complete PWM pulse.
  • the present invention is therefore based on the object to provide a method for protection time compensation in an inverter for supplying an electric motor, which can be easily integrated into existing systems and also has an improved compensation of phase voltage disturbances.
  • this object is achieved by a method for protection time compensation in an inverter for supplying a rotor having an electric motor with phase voltages, in particular for a three-phase inverter with a pulse width modulation control, in which caused by a protection time disturbance of an engine torque of the electric motor, taking into account a Sampling time of the drive is calculated, wherein a dq system considered voltage distortion as a function of the position of the rotor is minimized to provide a compensation of the phase voltages between two sampling times.
  • minimization is accomplished by calculating the effect of field weakening operation of the motor during the guard time.
  • the minimization takes place in that the disturbance is calculated for the current sampling instant, the preceding sampling instant and without compensation, and subsequently the value which produces the least disturbance is selected for further compensation.
  • the minimization takes place in that the disturbance of the engine torque over a sampling pulse is minimal, preferably has the value zero.
  • the minimization takes place in that the disturbance of the engine torque takes place over one motor revolution by calculating a Fourier transform of the voltage distortion considered in the dq system.
  • the amplitude and a second correction factor adjusts the phase position by means of a first correction factor, so that the sampled compensation signal corresponds to the temporally continuous disturbance.
  • the compensation of the phase voltages due to a sign change of phase currents during the sampling pulse is required.
  • a storage medium is specified on which instructions are stored which are suitable for carrying out the method on a computer, preferably a microcontroller.
  • a drive for an electric motor is provided, which is designed so that it can perform the method.
  • the above object is also achieved by a device having an inverter for supplying a rotor having an electric motor with phase voltages, in particular for a three-phase inverter with a pulse width modulation control, in which a caused by a protection time disturbance of an engine torque of the electric motor is calculable taking into account a sampling time of the drive, so that a voltage distortion considered in the dq system is minimized as a function of the position of the rotor in order to output a compensation of the phase voltages between two sampling times.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a device according to the invention or for carrying out a method according to the invention
  • Fig. 2 is a diagram for comparison between compensation without regard to the sampling time and without compensation
  • Fig. 3 is a diagram for illustrating the function of the device according to the invention. Referring to Fig. 1, an embodiment of the invention will be shown below.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an apparatus for carrying out the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a device 2 which comprises a voltage source 4.
  • the voltage source 4 is provided for supplying a motor 6, for example a servomotor.
  • the supply of the servomotor is carried out with a three-phase supply line (in Fig. 1 with a, b and c).
  • the motor 6 represents a balanced, star-connected load of the power supply 4 and is controlled by a control unit 8.
  • the control unit 8 may, for example, perform a pulse width modulation and have a microcontroller.
  • the control unit 8 is connected to the gate terminal of a plurality of transistors 10.
  • the transistors 1 0 are designed as three parallel-connected inverters, which are respectively controlled via gate lines 1 2, 14 and 1 6 and provide a phase of the output voltage. Further input or output signals can be supplied to the control unit 8, as indicated schematically in FIG. 1 by an arrow 1 8.
  • the inverters are each connected as a series connection of two transistors 10 and the respective center taps of the series connection provide a phase of the output voltage via the output lines 20, 22 and 24. Since the input voltage is applied across both transistors 10 of the series circuit, the protection time must be waited between switching off a transistor 10 in an inverter branch and turning on the complementary transistor 10 to produce a hot branch, i. a short circuit of the power supply 4, to prevent.
  • the inverter is considered ideal except for the guard times. It contains no parasitic inductances or voltage drops. It is always assumed that a three-phase inverter with three inverter branches 20, 22, 24.
  • T sz denotes the duration of the protection time for the transistors 10, f PWM the PWM frequency of the control circuit 8, U ZK the intermediate circuit voltage and s abc the Signumfunktion the strand currents a, b and c.
  • the sampling with the sampling time T A by the microcontroller of the control unit 8 is limited by a predetermined clock and complicates the corrections of the calculated phase voltage noise. If there is a sign change of s abc between two sampling steps, a wrong compensation value is applied for the duration until the next sampling step. The consequences are again the moment orders 6, 12, 18 ..., which, despite known AV and s abc , become so large that compensation could remain ineffective.
  • phase voltage disturbances can be derived from the phase voltage disturbances and result as follows:
  • the sign changes of s abc always occur at the rotor position positions ⁇ ⁇ when k takes the value 0.
  • the value 0 corresponds to a current zero crossing directly after the sampling and the value 1 only shortly before the next sampling.
  • the rotor position can generally be described as a position position of an excitation coil in a magnetic field, so that the following consideration, for example, for linear motor is feasible.
  • the disturbances between the rotor position positions ⁇ _ and ⁇ ⁇ are correctly compensated.
  • an incorrect compensation value is impressed between the positions ⁇ ⁇ and ⁇ + , since the sign change of s abc can only be taken into account with the following sampling.
  • the voltage distortion results in a disturbance of the engine torque.
  • One indicator of the magnitude of the disturbance is the volt-seconds (Vs) applied to the motor 6 by the voltage distortion.
  • FIG. 2 shows the values of Vs in a diagram both without (right side) and with (left side) compensation of the guard times.
  • the voltage distortion when scanning the rotor position, the voltage distortion may be compensated either for the current rotor position, for the position at the next sample, or not at all.
  • the selection of one of the three cases is made after calculating the resulting Vs for all three cases. The case with the smallest Vs is selected for the compensation.
  • y sin ( i3 ) + sin (_ i 3_ / ⁇ ).
  • This method has the advantage that the 6th electrical order becomes minimal. However, higher orders 1 2, 18, ... are reflected by the constant controller frequency of the microcontroller and can also cause low-frequency interference, but the 6 th electrical order is minimized as far as possible. A good approximation of this method gives the compensation with the rotor position:
  • the voltage distortion with the compensation according to this method is positive before the sign change of s abc and negative after the sign change.
  • the correction factor results in the following relationship:
  • the third embodiment not a single sampling step is considered, but an electric motor revolution.
  • the voltage disturbances in the dq system are off
  • a negative connection of the calculated disturbance to the setpoint voltages in the dq system would compensate for the 6th electrical order in the engine torque at very high sampling rates.
  • the calculated noise must be adjusted to compensate.
  • the adjusted compensation signal is calculated, wherein a first correction factor adjusts the amplitude and a second correction factor adjusts the phase position so that the sampled compensation signal corresponds to the time-continuous disturbance.
  • the above calculations of the first and second correction factors are based on the simplification that the transformation from the dq system into the abc System is time-discrete takes place, ie only for each sampling step. For this reason, the 6th electric is not 100% compensated in practice.
  • An adapted calculation of the first and the second correction factor makes it possible to consider the effects of a continuous coordinate transformation.
  • the presented methods make it possible to minimize interference caused by a sign change of s "between two sampling steps.
  • Methods can be executed as a program in the microcontroller of the control unit 8. Essentially, the following steps are performed.
  • a disturbance of the engine torque is calculated in each case without any compensation, with compensation for the current rotor position and with compensation for the next rotor position for each scan. Thereafter, that correction is chosen that causes the least voltage distortion.
  • the voltage required for compensation is determined so that the disturbance of the engine torque over a sampling pulse is minimal.
  • FIG. 3A shows a frequency spectrum which occurs without any compensation.
  • FIG. 3B corresponds to the compensation method according to the first embodiment, FIG. 3C according to the second and FIG. 3D according to the third embodiment of the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schutzzeitkompensation in einem Wechselrichter zur Versorgung eines Elektromotors, insbesondere für einen drei-phasigen Wechselrichter mit einer Pulsweitenmodulation-Ansteuerung. Darüberhinaus betrifft die Erfindung eine Ansteuerung für einen Elektromotor. Bei dem Verfahren zur Schutzzeitkompensation in einem Wechselrichter zur Versorgung eines einen Rotor aufweisenden Elektromotors (6) mit Phasenspannungen, insbesondere für einen drei-phasigen Wechselrichter mit einer Pulsweitenmodulation-Ansteuerung (8), wird eine durch eine Schutzzeit (T A ) hervorgerufene Störung (Vs) eines Motormoments des Elektromotors (6) unter Berücksichtigung einer Abtastzeit der Ansteuerung (8) berechnet, wobei eine im dq-System betrachtete Spannungsverfälschung (V q ) in Abhängigkeit der Position des Rotors minimiert wird, um eine Kompensation der Phasenspannungen zwischen zwei Abtastzeitpunkten bereitzustellen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Schutzzeitkompensation
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schutzzeitkompensation in einem Wechselrichter zur Versorgung eines Elektromotors, insbesondere für einen drei-phasigen Wechselrichter mit einer Pulsweitenmodulation-Ansteuerung. Darüberhinaus betrifft die Erfindung eine Ansteuerung für einen Elektromotor. Im allgemeinen Stand der Technik sind Wechselrichter bekannt, die geeignet sind, eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umzuwandeln. Insbesondere zur Ansteuerung von Motoren werden dabei Dreiphasen-Wechselrichter verwendet, die zum einen als Frequenzrichter geschaltet eine frequenzabhänge Steuerung eines Drehstrommotors ermöglichen als auch generell bei Anwendungen mit hohem Leis- tungsbedarf eingesetzt werden.
In der einfachsten Form weist ein Dreiphasen-Wechselrichter drei parallel geschaltete Inverter auf, die jeweils eine Phase der Ausgangsspannung liefern. Die verwendeten Inverter werden üblicherweise als eine Serienschaltung zweier Leistungs- transistoren bereitgestellt. Ein Mittelabgriff der Serienschaltung stellt einen Ausgang der Inverter-Schaltung dar. Die Eingangsspannung liegt über beiden Transistoren der Serienschaltung an. Die beiden Transistoren werden üblicherweise als MOS- FETs oder als IGBTs bereitgestellt. Zur Ansteuerung der Leistungstransistoren eines Dreiphasen-Wechselrichters sind Pulsweiten-Modulationsverfahren (PWM) bekannt, bei denen jeder Zweig des Dreiphasen-Wechselrichters einzeln angesteuert wird, so dass sich die gewünschte zeitliche Entwicklung der Ausgangsspannung ergibt. Dabei muss die sogenannte Schutzzeit beachtet werden. Als Schutzzeit ist die Zeitspanne definiert, die zwischen dem Ausschalten eines MOSFETs in einem Wechselrichterzweig und dem Einschalten des komplementären MOSFETs abgewartet werden muss, um einen hei ßen Zweig zu verhindern. Während der Schutzzeit sind folglich beide MOSFETs eines Wechselrichterzweigs ausgeschaltet, was zu einer Störung der Phasenspannung führt. Die Störung tritt nur zu dem Zeitpunkt der Schutzzeit ein, kann aber auf einen kompletten PWM-Puls umgerechnet werden.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es weiterhin bekannt, dass zur Be- Schreibung der Störungen eine Umformung in das dq-System vorgenommen werden kann. Dabei wird für eine regelungstechnische Betrachtung von drei-phasigen Systemen eine geometrische Abbildung auf ein zweidimensionales d-q Koordinatensystem vorgenommen, das im Wesentlichen einer Transformation von drei Phasengrö ßen in polradfeste Koordinaten entspricht. Aus dieser ist ersichtlich, dass die Phasenspannungsstörungen zu den Momentordnungen 6, 12, 1 8 ... (elektrisch) führen.
Die bisher vorgenommen Kompensation der Phasenspannungsstörungen erfolgt mittels negativer Aufschaltung der berechneten Phasenspannungsstörungen auf die Referenzspannungen. Als bekannte Schwerpunkte bei der Entwicklung von Kompensationsmethoden sind bisher die Bestimmung der Störungen der Phasenspannungen und die Bestimmung der Vorzeichenwechsel von Strangströmen angegeben worden. Folglich besteht auf dem Gebiet der Technik ein Bedarf, eine weitere Verbesserung bezüglich der Phasenspannungsstörungen zu erreichen.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Schutzzeitkompensation in einem Wechselrichter zur Versorgung eines Elektromo- tors zu schaffen, das auf einfache Weise in bestehende Systeme integrierbar ist und darüber hinaus eine verbesserte Kompensation von Phasenspannungsstörungen aufweist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Schutzzeitkompensation in einem Wechselrichter zur Versorgung eines einen Rotor aufweisenden Elektromotors mit Phasenspannungen, insbesondere für einen drei-phasigen Wechselrichter mit einer Pulsweitenmodulation-Ansteuerung, bei dem eine durch eine Schutzzeit hervorgerufene Störung eines Motormoments des Elektromotors unter Berücksichtigung einer Abtastzeit der Ansteuerung berechnet wird, wobei eine im dq-System betrachtete Spannungsverfälschung in Abhängigkeit der Position des Rotors minimiert wird, um eine Kompensation der Phasenspannungen zwischen zwei Abtastzeitpunkten bereitzustellen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Minimierung dadurch, dass die Auswirkung eines Feldschwächebetriebs des Motors während der Schutzzeit berechnet wird. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Minimierung dadurch, dass die Störung für den aktuellen Abtastzeitpunkt, den vorausgehenden Abtastzeitpunkt und ohne Kompensation berechnet wird, wobei anschließend derjenige Wert zur weiteren Kompensation ausgewählt wird, der die geringste Störung hervorruft. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Minimierung dadurch, dass die Störung des Motormoments über einen Abtastpuls minimal ist, vorzugsweise den Wert null aufweist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Minimierung dadurch, dass die Störung des Motormoments über eine Motorumdrehung erfolgt, indem eine Fouriertransformierte der im dq-System betrachteten Spannungsverfälschung berechnet wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird mittels eines ersten Korrekturfak- tors die Amplitude und eines zweiten Korrekturfaktors die Phasenlage anpasst, so dass das abgetastete Kompensationssignal der zeitlich kontinuierlichen Störung entspricht. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Kompensation der Phasenspannungen aufgrund eines Vorzeichenwechsels von Strangströmen während des Abtastpulses erforderlich. Desweiteren wird ein Speichermedium angeben, auf dem Befehle gespeichert sind, die geeignet sind, das Verfahren auf einem Rechner, vorzugsweise einem Mikro- controller, auszuführen.
Darüber hinaus wird eine Ansteuerung für einen Elektromotor angegeben, die so ausgestaltet ist, dass sie das Verfahren ausführen kann.
Erfindungsgemäß wird die oben genannte Aufgabe auch durch eine Vorrichtung mit einem Wechselrichter zur Versorgung eines einen Rotor aufweisenden Elektromotors mit Phasenspannungen, insbesondere für einen drei-phasigen Wechselrichter mit einer Pulsweitenmodulation-Ansteuerung, gelöst, bei dem eine durch eine Schutzzeit hervorgerufene Störung eines Motormoments des Elektromotors unter Berücksichtigung einer Abtastzeit der Ansteuerung berechenbar ist, so dass eine im dq-System betrachtete Spannungsverfälschung in Abhängigkeit der Position des Rotors minimiert ist, um eine Kompensation der Phasenspannungen zwischen zwei Abtastzeitpunkten auszugeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 2 ein Diagramm zum Vergleich zwischen Kompensation ohne Berücksichtigung der Abtastzeit und ohne Kompensation ; und
Fig. 3 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird im Folgenden eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 2, die eine Spannungsquelle 4 umfasst. Die Spannungsquelle 4 ist zur Versorgung eines Motors 6, beispielsweise eines Servomotors, vorgesehen. Die Speisung des Servomotors erfolgt mit einer drei-phasigen Zuleitung (in Fig. 1 mit a, b und c bezeichnet). Der Motor 6 stellt eine symmetrische, in Stern geschaltete Last der Spannungsversorgung 4 dar und wird von einer Steuereinheit 8 gesteuert. Die Steuereinheit 8 kann beispielsweise eine Pulsweiten- Modulation durchführen und einen MikroController aufweisen. Darüber hinaus ist die Steuereinheit 8 mit dem Gate-Anschluss einer Vielzahl von Transistoren 1 0 verbunden.
Die Transistoren 1 0 sind als drei parallel geschaltete Inverter ausgeführt, die jeweils über Gate-Leitungen 1 2, 14 und 1 6 gesteuert werden und eine Phase der Ausgangsspannung liefern. Weitere Eingangs- oder Ausgangssignale können der Steuereinheit 8 zugeführt sein, wie in Fig. 1 schematisch durch einen Pfeil 1 8 ange- deutet ist.
Die Inverter sind jeweils als Serienschaltung zweier Transistoren 10 geschaltet und die jeweiligen Mittelabgriffe der Serienschaltung stellen eine Phase der Ausgangsspannung über die Ausgangsleitungen 20, 22 und 24 zur Verfügung. Da die Ein- gangsspannung über beiden Transistoren 10 der Serienschaltung anliegt, muss zwischen dem Ausschalten eines Transistors 1 0 in einem Wechselrichterzweig und dem Einschalten des komplementären Transistors 10 die Schutzzeit abgewartet werden, um einen hei ßen Zweig, d.h. einen Kurzschluss der Spannungsversorgung 4, zu verhindern.
Wie bereits eingangs erwähnt, führt das Ausschalten beider Transistoren 1 0 eines Wechselrichterzweigs während der Schutzzeit zu einer Störung der Phasenspannung. Die Störung tritt nur zu dem Zeitpunkt der Schutzzeit auf und kann auf einen kompletten PWM-Puls als Störung der Phasenspannungen AVaQ bQ cQ umgerechnet werden:
Figure imgf000008_0001
In der folgenden Beschreibung wird der Wechselrichter bis auf die Schutzzeiten als Ideal angenommen. Er enthält keine parasitären Induktivitäten oder Spannungsabfälle. Es wird immer von einem drei-phasigen Wechselrichter mit drei Wechselrichterzweigen 20, 22, 24 ausgegangen.
Dabei bezeichnet Tsz die Dauer der Schutzzeit für die Transistoren 10, fPWM die PWM-Frequenz der Steuerschaltung 8, UZK die Zwischenkreisspannung und sa b c die Signumfunktion der Strangströme a, b und c. Die Abtastung mit der Abtastzeit TA durch den MikroController der Steuereinheit 8 ist durch einen vorgegebenen Takt beschränkt und erschwert die Korrekturen der berechneten Phasenspannungsstörungen. Erfolgt ein Vorzeichenwechsel von sa b c zwischen zwei Abtastschritten, wird für die Dauer bis zum nächsten Abtastschritt ein falscher Kompensationswert aufgeschaltet. Die Folge sind wiederum die Moment- Ordnungen 6, 12, 18..., welche trotz bekanntem AV und sa b c , so groß werden, dass eine Kompensation wirkungslos bleiben könnte.
Aus den Phasenspannungsstörungen lassen sich die Strangspannungsstörungen ableiten und ergeben sich wie folgt:
Figure imgf000008_0002
Nach einer Transformation vom drei-phasigen System (a, b, c) in das polradfeste d- q Koordinatensystem können die Spannungsstörungen im dq-System dargestellt werden:
Figure imgf000009_0001
In dieser Gleichung kann durch Betrachtung von φ, d.h. dem Winkel des Stromzeigers im dq-System, die Abhängigkeit der Spannungsstörungen im dq-System von der Feldschwächung entnommen werden. Die Größe k errechnet sich aus dem elektrischen Rotorlagewinkel und dem Winkel des Stromzeigers im dq-System. Unter der Annahme, dass AVq hauptsächlich zu Momentstörungen beiträgt, ergibt sich eine erhebliche Zunahme der Störungen in der Feldschwächung.
Die Vorzeichenwechsel von sa b c treten immer bei den Rotorlagepositionen θχ , wenn k den Wert 0 annimmt, ein. Die Abtastung durch den Mikrokontroller vor dem Vorzeichenwechsel erfolgt bei den Rotorlagepositionen: θ_ = θχ - ΙωΤΑ und wieder nach dem Vorzeichenwechsel bei Θ+ = ΘΧ + (1 - ΐ)οίΓΑ , wobei ω die elektrische Winkelgeschwindigkeit des Motors 6 ist und / einen Wert zwischen 0 und 1 annimmt und angibt, wo zwischen den Abtastzeitpunkten der Stromnulldurchgang liegt. Der Wert 0 entspricht dabei einem Stromnulldurchgang direkt nach dem Abtasten und der Wert 1 erst kurz vor der nächsten Abtastung.
Es ist zu beachten, dass diese Betrachtung keineswegs auf Synchronmotoren beschränkt ist. Zwar werden im Folgenden die Begriffe Rotorlageposition, Motorum- drehung und dergleichen verwendet, aber dies ist nicht einschränkend zu verstehen. So kann beispielsweise die Rotorlageposition allgemein als Lageposition einer Erregerspule in einem Magnetfeld beschrieben werden, so dass die folgende Betrachtung beispielsweise auch für Linearmotor durchführbar ist. Entsprechendes gilt auch für asynchrone Motoren. Nach den bisherigen Kompensationsmethoden werden die Störungen zwischen den Rotorlagepositionen θ_ und θχ richtig kompensiert. Zwischen den Positionen θχ und θ+ wird aber ein falscher Kompensationswert eingeprägt, da der Vorzeichenwechsel von sa b c erst mit der folgenden Abtastung berücksichtigt werden kann. Die sich dadurch ergebende Spannungsverfälschung von Vq kann für k = 0...(ΐ - ί)ύίΓΑ wie folgt dargestellt werden:
Figure imgf000010_0001
Aus der Spannungsverfälschung resultiert eine Störung des Motormoments. Ein Indikator für die Größe der Störung sind die Voltsekunden (Vs), die am Motor 6 durch die Spannungsverfälschung anliegen. In Fig. 2 sind die Werte von Vs in einem Diagramm sowohl ohne (rechte Seite) als auch mit (linke Seite) Kompensation der Schutzzeiten dargestellt.
Erkennbar ist, dass die Werte für Vs trotz Kompensation für bestimmte φ und
(l - l)coTA größere Werte aufweisen als ohne Kompensation. Dieser Effekt rührt aus der Abtastzeit TA des MikroControllers der Steuereinheit 8 und der damit verbundenen falschen Kompensationsaufschaltung nach dem Vorzeichenwechsel von sa b c bis zur nächsten Abtastung.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann beim Abtasten der Rotorlageposition die Spannungsverfälschung entweder für die aktuelle Rotorlageposition, für die Position bei der nächsten Abtastung oder gar nicht kompensiert werden. Die Auswahl eines der drei Fälle erfolgt nach Berechnung der sich ergebenden Vs für alle drei Fälle. Der Fall mit den kleinsten Vs wird für die Kompensation ausgewählt.
Die Vs ohne jegliche Kompensation lassen sich wie folgt bestimmen: = sin^ _ I + _φ+}_π+ (1 _ Für die Vs bei Kompensation mit der aktuellen Rotorlageposition ergibt sich: y Und für die Vs bei Kompensation mit der Rotorlageposition bei der nächsten Abtastung ergibt sich: y nächste = sin(i3)+ sin(_i3_ /^ ). Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass die 6te elektrische Ordnung minimal wird. Allerdings spiegeln sich höhere Ordnungen 1 2, 18, ... an der konstanten Reglerfrequenz des MikroControllers und können auch niederfrequente Störungen verursachen, jedoch wird die 6te elektrische Ordnung weitestgehend minimiert. Eine gute Näherung dieses Verfahrens ergibt die Kompensation mit der Rotorlageposition:
^Näherung = ^~ ^ ^A '
Im Folgenden wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung erläutert. Mit diesem Verfahren lässt sich keine so große Minimierung der 6-ten elektrischen Ordnung erreichen. Allerdings spiegeln sich bei diesem Verfahren die höheren Ordnungen 12, 1 8, .... nicht an der Reglerfrequenz des MikroControllers der Steuereinheit 8.
Demgemäß wird das zur Kompensation nötige AV wird so berechnet, dass die Vs über einen PWM-Puls gemittelt Vs = 0 ergeben. Die Spannungsverfälschung mit der Kompensation nach diesem Verfahren ist vor dem Vorzeichenwechsel von sa b c positiv und nach dem Vorzeichenwechsel negativ. Für den Korrekturfaktor ergibt sich folgender Zusammenhang:
AVkorr = AV
Figure imgf000011_0001
Im Folgenden wird eine dritte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. Dabei wird im Ergebnis eine sehr gute Kompensation der 6ten - Ordnung erreicht und es entstehen keine weiteren niederfrequenten Störungen.
Im Gegensatz zu den ersten beiden Ausführungsformen wird bei der dritten Ausführungsform nicht ein einzelner Abtastschritt betrachtet, sondern eine elektrische Motorumdrehung. Hierzu werden die Spannungsstörungen im dq-System aus
Figure imgf000012_0001
durch die Fourierreihenentwicklung bis zur ersten Ordnung entwickelt. Weitere Ordnungen waren prinzipiell möglich sind aber im Allgemeinen nicht von Interesse, da die Amplituden im Vergleich zu der ersten Ordnung klein sind. Die Fourierreihenentwicklung ergibt für die Störung:
Figure imgf000012_0002
Eine negative Aufschaltung der berechneten Störung auf die Sollspannungen im dq-System würde bei sehr hohen Abtastraten die 6te elektrische Ordnung im Mo- tormoment kompensieren. Bei niedrigen (oder realistischen) Abtastraten muss die berechnete Störung angepasst werden um eine Kompensation zu erzielen. Dazu wird das angepasste Kompensationssignal errechnet, wobei ein erster Korrekturfaktor die Amplitude und ein zweiter Korrekturfaktor die Phasenlage anpasst, so dass das abgetastete Kompensationssignal der zeitlich kontinuierlichen Störung ent- spricht. Mit diesem Kompensationssignal ist es nun möglich, trotz niedriger Abtastraten die 6te elektrische Ordnung im Motormoment sehr gut zu kompensieren, ohne weitere niederfrequente Störungen hervorzurufen.
Den obigen Berechnungen des ersten und des zweiten Korrekturfaktors wird die Vereinfachung zugrunde gelegt, dass die Transformation vom dq-System ins abc- System zeitdiskret stattfindet, d.h. nur zu jedem Abtastschritt. Aus diesem Grund wird die 6te elektrische in der Praxis nicht zu 100% kompensiert. Durch eine ange- passte Berechnung des ersten und des zweiten Korrekturfaktors ist es möglich, die Auswirkungen einer kontinuierlichen Koordinatentransformation zu berücksichtigen.
Es wurde beschrieben, wie die 6te elektrische Ordnung im Motormoment kompensiert werden kann. Die Schutzzeiten haben aber auch höhere Ordnungen, beispielsweise 1 2te, 18te, usw., zur Folge. Um diese zu kompensieren muss die Fourierreihe weiter bis zur nächsten Ordnung entwickelt und die ersten und zweiten Korrekturfaktoren entsprechend angepasst werden.
Die vorgestellten Verfahren ermöglichen die Minimierung von Störungen, die durch einen Vorzeichenwechsel von s„ zwischen zwei Abtastschritten entstehen. Die
Verfahren können als Programm in dem MikroController der Steuereinheit 8 ausge- führt werden. Dabei werden im Wesentlichen folgende Schritte ausgeführt.
In der ersten Ausführungsform der Erfindung wird jeweils eine Störung des Motormoments ohne jegliche Kompensation, mit Kompensation für die aktuelle Rotorlageposition und mit Kompensation für die nächste Rotorlageposition für jede Abtas- tung berechnet. Danach wird diejenige Korrektur gewählt, die die geringste Spannungsverfälschung bewirkt.
In der zweiten Ausführungsform wird die zur Kompensation benötigte Spannung so bestimmt, dass die Störung des Motormoments über einen Abtastpuls minimal ist.
Bei der dritten Ausführungsform nicht ein einzelner Abtastschritt betrachtet, sondern eine elektrische Motorumdrehung und die Spannungsstörungen im dq-System aus durch die Fourierreihenentwicklung bis zur ersten Ordnung entwickelt. Die Ergebnisse der vorgestellten Kompensationsmethoden sind in Fig. 3 zusam- mengefasst. Dabei zeigt Fig. 3A ein Frequenzspektrum, das ohne jegliche Kompensation auftritt. Fig. 3B entspricht dem Kompensationsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform, Fig. 3C gemäß der zweiten und Fig. 3D gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung. Bezuqszeichenliste
2 Vorrichtung
4 Spannungsversorgung
6 Motor
8 Steuerungseinheit
10 Transistor
12 erste Gateleitungen
14 zweite Gateleitungen
16 dritte Gateleitungen
18 Pfeil
20 erste Ausgangsleitung
22 zweite Ausgangsleitung
24 dritte Ausgangsleitung

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Schutzzeitkompensation in einem Wechselrichter zur Versorgung eines Elektromotors (6), insbesondere für einen drei-phasigen Wechselrichter mit einer Pulsweitenmodulation-Ansteuerung (8), bei dem eine durch eine Schutzzeit ( T hervorgerufene Störung (Vs) eines Motormoments des Elektromotors (6) unter Berücksichtigung einer Abtastzeit der Ansteuerung (8) berechnet wird, wobei eine im dq-System betrachtete Spannungsverfälschung ( Vq) minimiert wird, um eine
Kompensation der Phasenspannungsstörungen zwischen zwei Abtastzeitpunkten bereitzustellen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Minimierung dadurch erfolgt, dass die Auswirkung eines Feldschwächebetriebs des Motors (6) während der Schutzzeit ( TA ) berechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Minimierung dadurch erfolgt, dass die Störung (Vs) für den aktuellen Abtastzeitpunkt, den vorausgehenden Abtastzeitpunkt und ohne Kompensation berechnet wird, wobei anschließend derjenige Wert zur weiteren Kompensation ausgewählt wird, der die geringste Störung hervor- ruft.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Minimierung dadurch erfolgt, dass die Störung (Vs) des Motormoments über einen Abtastpuls minimal ist, vorzugsweise den Wert null aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Minimierung dadurch erfolgt, dass die Störung (Vs) des Motormoments über eine Motorumdrehung erfolgt, indem eine Fouriertransformierte der im dq-System betrachtete Spannungsverfälschung ( Vq) berechnet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Fouriertransformierte mittels eines ersten Korrekturfaktors die Amplitude und eines zweiten Korrekturfaktors die Phasenlage anpasst, so dass das abgetastete Kompensationssignal der zeitlich kontinuierlichen Störung entspricht.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Kompensation der Phasenspannungen aufgrund eines Vorzeichenwechsels von Strangströmen während des Abtastpulses erforderlich wird.
8. Speichermedium, auf dem Befehle gespeichert sind, die geeignet sind, das Verfahren gemäß Ansprüchen 1 bis 7 auf einem Rechner, vorzugsweise einem Mikro- controller, auszuführen.
9. Ansteuerung für einen Elektromotor, die so ausgestaltet ist, dass sie das Verfahren gemäß Ansprüchen 1 bis 7 ausführen kann.
10. Vorrichtung mit einem Wechselrichter zur Versorgung eines einen Rotor aufweisenden Elektromotors (6) mit Phasenspannungen, insbesondere für einen drei- phasigen Wechselrichter mit einer Pulsweitenmodulation-Ansteuerung (8), bei dem eine durch eine Schutzzeit ( TA ) hervorgerufene Störung (Vs) eines Motormoments des Elektromotors (6) unter Berücksichtigung einer Abtastzeit der Ansteuerung (8) berechenbar ist, so dass eine im dq-System betrachtete Spannungsverfälschung ( V ) in Abhängigkeit der Position des Rotors minimiert ist, um eine Kompensation der Phasenspannungen zwischen zwei Abtastzeitpunkten auszugeben.
1 1 . Vorrichtung nach Anspruch 1 0, bei dem die Minimierung dadurch erfolgt, dass die Störung (Vs) für den aktuellen Abtastzeitpunkt, den vorausgehenden Abtastzeitpunkt und ohne Kompensation berechenbar ist, um denjenigen Wert zur Kom- pensation auszugeben, der die geringste Störung hervorruft.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 0, bei dem die Minimierung dadurch erfolgt, dass die Störung (Vs) des Motormoments über einen Abtastpuls minimal ist, vorzugsweise den Wert null aufweist.
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