WO2015022231A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen von phasenströmen und eines erregerstroms einer elektrischen maschine sowie motorsystem - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum bestimmen von phasenströmen und eines erregerstroms einer elektrischen maschine sowie motorsystem Download PDF

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Dirk Lamprecht
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02M1/0009—Devices or circuits for detecting current in a converter

Definitions

  • the present invention relates generally to a method and apparatus for measuring motor currents of an electrical machine.
  • Electronically commutated permanent magnet electric machines such as permanent magnet synchronous motors, are widely used. Such electrical machines are very suitable for many applications, but have the disadvantage in the high-speed range that the field weakening necessary there leads to an increase in the losses and thus to a reduction in the efficiency. In contrast, in off-state or hybrid electric machines, field weakening is easily achieved by reducing the field magnet field.
  • the exciter magnetic field is generated by means of a separate excitation winding, while in hybrid electric machines the magnetic field is generated both by permanent magnets and by means of a separate exciter winding.
  • the excitation winding serves to direct a static magnetic field on a rotor body, which collects the magnetic flux and directs the rotor poles in the direction of the stator.
  • WO 2013/000632 A2 discloses an extension of the known one-shunt current measurement to foreign-excited or hybrid-excited machines.
  • the method should be equivalent or improved with respect to noise and maximum possible modulation over the known methods for electrical machines without field winding.
  • a measurement current having only one current measuring device in a plurality of time measurement windows of a measurement period, wherein the measurement currents comprise a current through one of the phase windings and at least one current through one or more parallel circuits of a plurality of the phase windings;
  • An idea of the above method is to determine the phase currents of the electric machine and the excitation current by means of only one current measuring device by means of suitably performed current measurements. This is possible in particular with an interconnection of the excitation winding between the star point and a reference potential.
  • the measuring currents can be measured by means of a measuring resistor (shunt).
  • the measuring resistor can do this be arranged between the terminal of the specific reference potential and provided for switching the phase windings and connected to the phase windings driver circuit.
  • the measuring currents can be determined by means of a current measuring device which is arranged between the determined reference potential and a driver circuit provided for switching the phase windings and connected to the phase windings.
  • the electric machine can be driven by, in particular left-centered, pulse width modulation signals, wherein during each measurement window, the number of phase windings, which are each connected to the specific reference potential, is different and the remaining phase windings each separated from the specific reference potential and instead with one of the certain reference potential different potential, in particular with a supply voltage terminal connected.
  • Pulse width modulation period all phase windings for a predetermined minimum period of time are connected to the particular reference potential, a measurement current is determined, which corresponds to the excitation current, or a stored and / or calculated current value is accepted for the excitation current.
  • a judgment as to whether a measurement current corresponding to an excitation current is measured in the current measurement period can be made on the basis of the instantaneous load of the electrical machine.
  • the electrical machine may have three phase windings, during each measuring period the measuring current in a first measuring window corresponds to a first phase current and in a second measuring window of a linear combination of a second phase current with the excitation current and in particular for determining a third phase current either one measured in a third measuring window Current value of the excitation current or the stored and / or calculated current value of the excitation current is used.
  • an apparatus is provided for determining the phase currents through phase windings and an excitation current through an excitation winding of an electric machine, in which an exciter winding is connected between a neutral point of the phase windings and a specific reference potential, wherein the device is designed to
  • a motor system comprising: an externally or hybrid excited electrical machine having an excitation winding connected between a neutral point of the phase windings and a certain reference potential;
  • phase windings are supplied with electrical energy and which energizes the phase windings in accordance with a pulse pattern
  • a current measuring device which is arranged between the driver circuit and the specific reference potential, so that in a measuring window, an associated measuring current can be determined which flows in accordance with a predetermined current direction corresponding to one of the phase windings or a parallel connection of a plurality of the phase windings;
  • the driver circuit may comprise an inverter with a bridge circuit, in particular a B6 bridge circuit.
  • a drive unit may be provided in order to generate a plurality of time measurement windows by driving the driver circuit in one measurement period of the measurement by coupling one or more phase windings simultaneously with the terminal of the determined reference potential in accordance with a predefined pulse pattern.
  • the electrical machine may have three phase windings, wherein during each measurement period the measurement current in a first measurement window corresponds to a first phase current and in a second measurement window corresponds to a linear combination of a second phase current different from the first phase current with the exciter current.
  • either a measured current value of the exciter current or the stored and / or calculated current value of the exciter current can be used to determine a third phase current via the node rule at the neutral point.
  • the current measuring device may comprise a measuring amplifier circuit and an analog-to-digital converter. Furthermore, a minimum time size of each measurement window can each result from a sum of a minimum dead time of switching elements of the driver circuit, a minimum settling time of the amplifier circuit and a minimum sampling time of the analog-to-digital converter.
  • Figure 1 is a schematic representation of an engine system with a hybrid-excited electric machine
  • FIG. 2 shows an exemplary pulse pattern for controlling the phase connections of the hybrid-excited electric machine of FIG. 1.
  • FIG. 1 schematically shows an engine system 10 with an electrical machine.
  • the engine system 10 has a hybrid-excited induction machine as an electric machine 1 1 with three phase windings 12 with the phase terminals U, W, V.
  • the phase windings 12 are connected in the electric machine 1 1 according to a star connection with each other.
  • the electric machine 1 1 further comprises an excitation winding 13, which serves to generate a magnetic field in the rotor of the hybrid electric machine 1 1 or contributes and which is electrically connected to the neutral point 14.
  • the phase windings 12 are fed with corresponding phase voltages via a driver circuit 15, here an inverter with six switches S1 to S6, which are interconnected in the form of a per se known fully controlled 6-pulse bridge (B6).
  • the switches S1 to S6 of the driver circuit 15 are driven by a drive unit 26, the switches S1 to S3 corresponding to the pull-up switches and the switches S4 to S6 corresponding to the pull-down switches.
  • the driver circuit 15 has three inverter branches with the switches S1 and S4 or S2 and S5 or S3 and S6.
  • the switches can be designed, for example, in the form of power semiconductor switches, in particular as transistors, thyristors, MOSFETs, IGBTs, IGCTs and the like.
  • the driver circuit 15 is provided on the input side with a first supply voltage connection 16 and a second supply voltage connection 17, to which a supply voltage U 0 can be applied.
  • the two supply voltage terminals 16, 17 may be outputs of a DC intermediate circuit or a DC voltage source, in particular a lithium-ion battery, or be electrically connected to these.
  • the second supply voltage connection 17 may in particular correspond to a supply voltage ground.
  • the exciter winding 13 is connected between the star point 14 and the second supply voltage terminal 17, ie the supply voltage ground.
  • a shunt 24 can be used as the current measuring device 27, which is arranged to carry out the method described below between the second supply voltage terminal 17 and an input of the driver circuit 15 designed as a B6 inverter. In this way, currents from the phase terminals U, V, W and the phase windings 12 can be selectively measured, depending on which of the lower switches (pull-down switches) S4 to S6 of the driver circuit 15 are closed.
  • FIG. 2 shows an exemplary pulse pattern 30 of the control of the switches S1 to S6 of the driver circuit 15.
  • PWM pulse-width-modulated signals
  • the control of the switches S1 and S4 in a switch branch of the B6 inverter for supplying the first phase connection U is shown.
  • the switches S1 and S4 are driven to avoid a short circuit inverse to each other, which is indicated in the drawing by the negation overline above the reference symbol S4.
  • the middle and the lower part of FIG. 2 accordingly show the activation of the switches S2 and S5 of the second switch branch of the inverter for the second phase connection V and the switches S3 and S6 of the third switch branch of the B6 inverter for the third phase connection W.
  • the electrical potential of the phase connections U, V, W is set to a current value, which is in each case between the potentials of the connections 16, 17.
  • the actuation of the switches S1 to S6 by the drive unit 26 takes place in particular such that the differential voltage between two phase windings 12 is applied to an AC voltage.
  • alternating currents are generated in the phase windings 12, which add at the star point 14 in each case to an adjustable constant current.
  • the star point 14 is pulled to generate a DC excitation current by appropriate driving to a specific DC potential (neutral point potential), which is varied depending on the operating point of the electric machine 1 1.
  • the adjustable constant current corresponds to the exciting DC current flowing through the exciter winding 13.
  • a plurality of temporal measurement windows 31, 32, 33 are generated in a measurement period 37 of the measurement, wherein in each measurement window 31, 32, 33 a measurement current l mess is determined which corresponds to a predetermined current direction the phase windings 12 or a parallel circuit of a plurality of the phase windings 12 flows in total.
  • a measurement period 37 corresponds to a pulse width modulation model 38 of the left-centered pulse width modulation, successively providing various drive vectors 34, 35 followed by a zero vector 36.
  • the respective phase windings 12 are coupled simultaneously with the terminal 28 of the particular reference potential in accordance with a predefined pulse pattern 30.
  • the first measurement window 31 from the beginning of the measurement period 37 to a first edge of a first switching signal for a respective switch (a respective switch pair) of a first inverter branch of the B6 inverter
  • the second measuring window 32 from the first edge of first switching signal of the respective switch of the inverter up to a first edge of a second switching signal for a switch of a second inverter branch of the B6 inverter and the third
  • Measuring window 33 from a last edge seen over all switching signals in the relevant measurement period to the end of the measurement period 37 lasts.
  • the two drive vectors 34, 35 are set at the beginning of the pulse width modulation graph 38.
  • the state of the two drive vectors 34, 35 are set at the beginning of the pulse width modulation graph 38.
  • phase current of the first phase winding 12 is measured at the phase connection U.
  • second measuring window 32 a sum of a second phase current at the phase connection V and the excitation current through the excitation winding 13 is measured.
  • phase currents are known and can be supplied to a current controller 23.
  • the pulse pattern 30 can be adapted in such a way that the control of the switches S1 to S6 is optimized in such a way that as quiet a measurement as possible can be made.
  • Measurement of the measuring current l mess In this case, the excitation current can not be measured.
  • the exciter current is required for the calculation of the phase currents from the current values measured with the drive vectors 34, 35.

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Abstract

Es ist ein Verfahren zum Bestimmen der Phasenströmen durch Phasenwicklungen (12) und eines Erregerstroms durch eine Erregerwicklung (13) einer elektrischen Maschine (11) vorgesehen, wobei eine Erregerwicklung (13) zwischen einem Sternpunkt (14) der Phasenwicklungen (12) und einem bestimmten Bezugspotential angeschlossen ist, umfassend die folgenden Schritte: - periodisches Ansteuern der elektrischen Maschine (11) mit einem vordefinierten Pulsmuster (30); - Bestimmen jeweils eines Messstroms (lmess) in mehreren zeitlichen Messfenstern (31, 32, 33) einer Messperiode (37), wobei die Messströme (lmess) Strömen durch eine der Phasenwicklungen (12) und durch eine oder mehrere Parallelschaltungen von mehreren der Phasenwicklungen (12) entsprechen; und - Bestimmen der Phasenströme und des Erregerstroms durch eine Auswertung der während der Messperiode (37) bestimmten Messströme (lmess).

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen von Phasenströmen und
eines Erreqerstroms einer elektrischen Maschine sowie Motorsvstem
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Motorströmen einer elektrischen Maschine.
Stand der Technik
Elektronisch kommutierte elektrische Maschinen mit Permanentmagneten, wie permanenterregte Synchronmotoren, sind weit verbreitet. Derartige elektrische Maschinen sind für viele Anwendungen sehr geeignet, weisen jedoch im Bereich hoher Drehzahlen den Nachteil auf, dass die dort notwendige Feldschwächung zur Erhöhung der Verluste und damit zur Reduzierung des Wirkungsgrads führt. Im Gegensatz dazu wird bei fremd- oder hybriderregten elektrischen Maschinen die Feldschwächung einfach durch eine Reduzierung des Erregermagnetfelds erreicht.
Bei fremderregten elektrischen Maschinen wird das Erregermagnetfeld mithilfe einer separaten Erregerwicklung erzeugt, während bei hybriderregten elektrischen Maschinen das Magnetfeld sowohl von Permanentmagneten als auch mithilfe einer separaten Erregerwicklung erzeugt wird. Die Erregerwicklung dient dazu, ein statisches Magnetfeld auf einen Läuferkörper zu richten, der den magnetischen Fluss sammelt und über die Läuferpole in Richtung des Stators lenkt. Ein Vorteil fremd- oder hybriderregter Maschinen besteht darin, dass die eingesetzte Menge an permanentmagnetischem Material reduziert ist und damit die Kosten im Vergleich zu permanenterregten Maschinen geringer sind. Die zusätzliche Erregerwicklung erfordert typischerweise einen erhöhten Schaltungsaufwand. Ferner ist für eine Regelung bzw. Ansteuerung sowohl der Phasenwicklungen als auch der Erregerwicklungen eine schnelle und zuverlässige Messung der Phasenströme durch die Phasenwicklungen sowie des Erregerstroms erforderlich, was zusätzlichen Aufwand verursacht. Daher besteht die Notwendigkeit, den Aufwand für die Verschaltung der Phasenwicklungen und der Erregerwicklungen sowie für die Strommessungen zu optimieren.
Aus der Druckschrift WO 2012/089412 A2 ist eine Drehfeldmaschine mit einer Erregerwicklung beschrieben, die am Sternpunkt der Drehfeldmaschine und an der Masse der Versorgungsspannung angeschlossen ist, was bereits eine erhebliche Vereinfachung des Schaltungsaufwandes, insbesondere für die Erregerwicklung, bedeutet.
Aus der Druckschrift DE10 2006 052467A1 ist ferner bekannt, wie die Phasenströme einer Drehfeldmaschine mit lediglich einem Messwiderstand, d. h. einem Shunt, ermittelt werden können.
Weiterhin ist aus der Druckschrift WO 2013/000632 A2 eine Erweiterung der bekannten Ein-Shunt-Strommessung auf fremd- bzw. hybriderregte Maschinen bekannt.
Es ist daher Aufgabe, Mittel zur Ermittlung der Phasenströme und des Erregerstroms basierend auf einer Strommessung mit nur einer Strommessvorrichtung für eine hybriderregte elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen. Dabei soll das Verfahren bezüglich Geräuschentwicklung und maximal möglicher Aussteuerung gegenüber den bekannten Verfahren für elektrische Maschinen ohne Erregerwicklung gleichwertig oder verbessert sein.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Bestimmen von Phasenströmen durch Phasenwicklungen und eines Erregerstroms durch eine Erregerwicklung einer elektrischen Maschine gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung zum Bestimmen von Phasenströmen durch Phasenwicklungen und eines Erregerstroms durch eine Erregerwicklung einer elektrischen Maschine und das Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Bestimmen von Phasenströmen durch Phasenwicklungen und eines Erregerstroms durch eine Erregerwick- lung einer elektrischen Maschine vorgesehen, wobei eine Erregerwicklung zwischen einem Sternpunkt der Phasenwicklungen und einem bestimmten Bezugspotential angeschlossen ist, umfassend die folgenden Schritte:
- periodisches Ansteuern der elektrischen Maschine mit einem vordefinierten Pulsmuster;
- Bestimmen jeweils eines Messstroms mit nur einer Strommessvorrichtung in mehreren zeitlichen Messfenstern einer Messperiode, wobei die Messströme einen Strom durch eine der Phasenwicklungen und mindestens einen Strom durch eine oder mehrere Parallelschaltungen von mehreren der Phasenwicklungen umfassen; und
- Bestimmen der Phasenströme und des Erregerstroms durch eine Auswertung der während der Messperiode bestimmten Messströme.
Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, durch in geeigneter Weise durchgeführte Strommessungen die Phasenströme der elektrischen Maschine sowie den Erregerstrom mithilfe nur einer einzigen Strommessvorrichtung zu ermitteln. Dies ist insbesondere mit einer Verschaltung der Erregerwicklung zwischen dem Sternpunkt und einem Bezugspotential möglich.
Auf diese Weise ist es möglich, bei einer insbesondere fremd- oder hybriderreg- ten elektrischen Maschine mit einer robusten und kostengünstigen elektrischen
Verschaltung, die ohne zusätzliche Schalter und Strommessvorrichtungen für die Erregerwicklung auskommt, eine Stromregelung auf komfortable und geräuscharme Weise durchzuführen.
Weiterhin können gemäß einer Ausführungsform die Messströme mittels eines Messwiderstands (Shunts) gemessen werden. Der Messwiderstand kann dabei zwischen dem Anschluss des bestimmten Bezugspotentials und einer zum Schalten der Phasenwicklungen vorgesehenen und mit den Phasenwicklungen verbunden Treiberschaltung angeordnet sein.
Gemäß einer Ausführungsform können die Messströme mittels einer Strommessvorrichtung bestimmt werden, die zwischen dem bestimmten Bezugspotential und einer zum Schalten der Phasenwicklungen vorgesehenen und mit den Phasenwicklungen verbundenen Treiberschaltung angeordnet ist.
Weiterhin kann die elektrische Maschine durch, insbesondere linkszentrierte, Pulsweitenmodulationssignale angesteuert werden, wobei während jedes Messfensters die Anzahl der Phasenwicklungen, die jeweils mit dem bestimmten Bezugspotential verbunden werden, unterschiedlich ist und die übrigen Phasenwicklungen jeweils von dem bestimmten Bezugspotential getrennt und stattdessen mit einem von dem bestimmten Bezugspotential verschiedenen Potential, insbesondere mit einem Versorgungsspannungsanschluss, verbunden werden.
Es kann vorgesehen sein, dass abhängig davon, ob in einer aktuellen Messperiode, insbesondere in einem Zeitbereich am Ende einer
Pulsweitenmodulationsperiode, alle Phasenwicklungen für eine vorgegebene Mindestzeitdauer mit dem bestimmten Bezugspotential verbunden sind, ein Messstrom bestimmt wird, der dem Erregerstrom entspricht, oder ein gespeicherter und/oder berechneter Stromwert für den Erregerstrom angenommen wird.
Ferner kann eine Beurteilung, ob in der aktuellen Messperiode ein Messstrom, der einem Erregerstrom entspricht, gemessen wird, anhand der momentanen Last der elektrischen Maschine vorgenommen werden.
Die elektrische Maschine kann drei Phasenwicklungen aufweisen, wobei während jeder Messperiode der Messstrom in einem ersten Messfenster einem ersten Phasenstrom und in einem zweiten Messfenster einer Linearkombination eines zweiten Phasenstroms mit dem Erregerstrom entspricht und wobei insbesondere zur Bestimmung eines dritten Phasenstroms entweder ein in einem dritten Messfenster gemessener Stromwert des Erregerstroms oder der gespeicherte und/oder berechnete Stromwert des Erregerstroms verwendet wird. Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Bestimmen der Phasenströme durch Phasenwicklungen und eines Erregerstroms durch eine Erregerwicklung einer elektrischen Maschine vorgesehen, bei der eine Erregerwicklung zwischen einem Sternpunkt der Phasenwicklungen und einem bestimmten Be- zugspotential angeschlossen ist, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um
- bei einer mit einem vordefinierten Pulsmuster periodisch angesteuerten elektrischen Maschine jeweils einen Messstrom in mehreren zeitlichen Messfenstern einer Messperiode zu bestimmen, wobei die Messströme Strömen durch eine der Phasenwicklungen und durch eine oder mehrere Parallelschaltungen von mehreren der Phasenwicklungen entsprechen; und
- die Phasenströme und den Erregerstrom durch eine Auswertung der während der Messperiode bestimmten Messströme zu bestimmen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem vorgesehen, umfassend: - eine fremd- oder hybriderregte elektrische Maschine, die eine Erregerwicklung aufweist, die zwischen einem Sternpunkt der Phasenwicklungen und einem bestimmten Bezugspotential angeschlossen ist;
eine Treiberschaltung, über die die Phasenwicklungen mit elektrischer Energie versorgt werden und die die Phasenwicklungen entsprechend einem Pulsmuster bestromt;
eine Strommesseinrichtung, die zwischen der Treiberschaltung und dem bestimmten Bezugspotential angeordnet ist, so dass in einem Messfenster ein zugehöriger Messstrom bestimmt werden kann, der bezüglich einer vorbestimmten Stromrichtung entsprechend durch eine der Phasenwicklungen oder eine Parallelschaltung von mehreren der Phasenwicklungen insgesamt fließt; und
- die obige Vorrichtung.
Weiterhin kann die Treiberschaltung einen Wechselrichter mit einer Brücken- Schaltung, insbesondere einer B6-Brückenschaltung, umfassen.
Es kann eine Ansteuerungseinheit vorgesehen sein, um mittels Ansteuerung der Treiberschaltung in einer Messperiode der Messung mehrere zeitliche Messfenster zu erzeugen, indem in Übereinstimmung mit einem vordefinierten Pulsmuster jeweils eine oder mehrere Phasenwicklungen gleichzeitig mit dem Anschluss des bestimmten Bezugspotentials gekoppelt werden. Gemäß einer Ausführungsform kann die elektrische Maschine drei Phasenwicklungen aufweisen, wobei während jeder Messperiode der Messstrom in einem ersten Messfenster einem ersten Phasenstrom und in einem zweiten Messfenster einer Linearkombination eines zu dem ersten Phasenstrom verschiedenen zweiten Phasenstroms mit dem Erregerstrom entspricht. Dabei kann ferner entweder ein gemessener Stromwert des Erregerstroms oder der gespeicherte und/oder berechnete Stromwert des Erregerstroms zur Bestimmung eines dritten Phasenstroms über die Knotenregel am Sternpunkt verwendet werden.
Die Strommessvorrichtung kann eine Messverstärkerschaltung und einen Ana- log-Digital-Wandler umfassen. Ferner kann sich eine minimale zeitliche Größe eines jeden Messfensters jeweils aus einer Summe einer minimalen Totzeit von Schaltelementen der Treiberschaltung, einer minimalen Einschwingzeit der Messverstärkerschaltung und einer minimalen Abtastzeit des Analog-Digital- Wandlers ergeben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einer hybriderregten elektrischen Maschine; und
Figur 2 ein beispielhaftes Pulsmuster zur Ansteuerung der Phasenanschlüsse der hybriderregten elektrischen Maschine der Figur 1 .
Gleiche oder ähnliche Komponenten sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Beschreibung von Ausführungsformen
In Figur 1 ist schematisch ein Motorsystem 10 mit einer elektrischen Maschine dargestellt. Das Motorsystem 10 weist eine hybriderregte Drehfeldmaschine als elektrische Maschine 1 1 mit drei Phasenwicklungen 12 mit den Phasenanschlüssen U, W, V auf. Die Phasenwicklungen 12 sind in der elektrischen Maschine 1 1 gemäß einer Sternschaltung miteinander verschaltet. Die elektrische Maschine 1 1 weist ferner eine Erregerwicklung 13 auf, die zur Erzeugung eines Magnetfelds im Rotor der hybriderregten elektrischen Maschine 1 1 dient oder beiträgt und die mit dem Sternpunkt 14 elektrisch verbunden ist.
Die Phasenwicklungen 12 werden über eine Treiberschaltung 15, hier einen Wechselrichter mit sechs Schaltern S1 bis S6, die in Form einer an sich bekannten vollgesteuerten 6-Puls-Brücke (B6) miteinander verschaltet sind, mit ent- sprechenden Phasenspannungen gespeist. Die Schalter S1 bis S6 der Treiberschaltung 15 werden durch eine Ansteuerungseinheit 26 angesteuert, wobei die Schalter S1 bis S3 den Pull-Up-Schaltern und die Schalter S4 bis S6 den Pull- Down-Schaltern entsprechen. Die Treiberschaltung 15 weist drei Inverterzweige mit den Schaltern S1 und S4 bzw. S2 und S5 bzw. S3 und S6 auf. Die Schalter können beispielsweise in Form von Leistungshalbleiterschaltern, insbesondere als Transistoren, Thyristoren, MOSFETs, IGBTs, IGCTs und dergleichen, ausgebildet sein.
Die Treiberschaltung 15 ist eingangsseitig mit einem ersten Versorgungsspan- nungsanschluss 16 und einem zweiten Versorgungsspannungsanschluss 17 versehen, an die eine Versorgungsspannung U0 anlegbar ist. Die beiden Versor- gungsspannungsanschlüsse 16, 17 können Ausgänge eines Gleichspannungszwischenkreises oder einer Gleichspannungsquelle, insbesondere einer Lithium- Ionen-Batterie, sein oder mit diesen elektrisch verbunden sein. Der zweite Ver- sorgungsspannungsanschluss 17 kann insbesondere einer Versorgungsspan- nungsmasse entsprechen.
Die Erregerwicklung 13 ist zwischen dem Sternpunkt 14 und dem zweiten Versorgungsspannungsanschluss 17, d. h. der Versorgungsspannungsmasse, angeschlossen. Zur Strommessung kann ein Shunt 24 als Strommessvorrichtung 27 eingesetzt werden, der zur Ausführung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens zwischen dem zweiten Versorgungsspannungsanschluss 17 und einem Eingang der als B6-Wechselrichter ausgebildeten Treiberschaltung 15 angeordnet ist. Auf diese Weise können Ströme aus den Phasenanschlüssen U, V, W beziehungsweise den Phasenwicklungen 12 selektiv gemessen werden, je nachdem, welche der unteren Schalter (Pull-Down-Schalter) S4 bis S6 der Treiberschaltung 15 geschlossen sind.
In der Figur 2 wird ein beispielhaftes Pulsmuster 30 der Ansteuerung der Schalter S1 bis S6 der Treiberschaltung 15 dargestellt. Wie in der Figur 2 gezeigt, kommen dabei bevorzugt linkszentrierte, pulsweitenmodulierte Signale (PWM) zum Einsatz. Im oberen Teil der Figur 2 wird die Ansteuerung der Schalter S1 und S4 in einem Schalterstrang des B6-Wechselrichters zur Versorgung des ersten Phasenanschlusses U gezeigt. Dabei werden die Schalter S1 und S4 zur Vermeidung eines Kurzschlusses invers zueinander angesteuert, was in der Zeichnung durch den Negations-Überstrich über dem Bezugszeichen S4 angedeutet wird. Der mittlere und der untere Teil der Figur 2 zeigen dementsprechend die Ansteuerung der Schalter S2 und S5 des zweiten Schalterstrangs des BeWechselrichters für den zweiten Phasenanschluss V beziehungsweise der Schalter S3 und S6 des dritten Schalterstrangs des B6-Wechselrichters für den dritten Phasenanschluss W.
Dadurch können insbesondere sinusförmige Wechselspannungen erzeugt werden. Je nach momentaner Pulsweite wird das elektrische Potential der Phasenanschlüsse U, V, W auf einen aktuellen Wert eingestellt, der jeweils zwischen den Potentialen der Anschlüsse 16, 17 liegt. Die Ansteuerung der Schalter S1 bis S6 durch die Ansteuerungseinheit 26 erfolgt insbesondere so, dass als Differenzspannung zwischen zwei Phasenwicklungen 12 eine Wechselspannung anliegt. Damit werden Wechselströme in den Phasenwicklungen 12 erzeugt, die sich am Sternpunkt 14 jeweils zu einem einstellbaren konstanten Strom addieren. Der Sternpunkt 14 wird zur Erzeugung eines Erregergleichstroms durch entsprechendes Ansteuern auf ein bestimmtes Gleichspannungspotential (Sternpunktpotential) gezogen, das je nach Betriebspunkt der elektrischen Maschine 1 1 variiert wird. Der einstellbare konstante Strom entspricht dann dem Erregergleichstrom, der durch die Erregerwicklung 13 fließt. Zur Messung der Phasenströme und des Erregerstroms werden in einer Messperiode 37 der Messung mehrere zeitliche Messfenster 31 , 32, 33 erzeugt, wobei in jedem Messfenster 31 , 32, 33 jeweils ein Messstrom lmess bestimmt wird, der be- züglich einer vorbestimmten Stromrichtung durch eine der Phasenwicklungen 12 oder eine Parallelschaltung von mehreren der Phasenwicklungen 12 insgesamt fließt. Hier entspricht eine Messperiode 37 einer Pulsweitenmodulationspenode 38 der linkszentrierten Pulsweitenmodulation, wobei nacheinander verschiedene Ansteuervektoren 34, 35 gefolgt von einem Nullvektor 36 gestellt werden.
Zur Erzeugung der geeigneten Messfenster 31 , 32, 33 werden die betreffenden Phasenwicklungen 12 in Übereinstimmung mit einem vordefinierten Pulsmuster 30 gleichzeitig mit dem Anschluss 28 des bestimmten Bezugspotentials gekoppelt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass jeweils das erste Messfenster 31 vom Beginn der Messperiode 37 bis zu einer ersten Flanke eines ersten Schaltsignals für einen betreffenden Schalter (ein betreffendes Schalterpaar) eines ersten Inverterzweigs des B6-Wechselrichters, das zweite Messfenster 32 von der ersten Flanke des ersten Schaltsignals des betreffenden Schalters des BeWechselrichters bis zu einer ersten Flanke eines zweiten Schaltsignals für einen Schalter eines zweiten Inverterzweigs des B6-Wechselrichters und das dritte
Messfenster 33 von einer über alle Schaltsignale in der betreffenden Messperiode gesehenen letzten Flanke bis zum Ende der Messperiode 37 dauert.
Bei dem Beispiel in Figur 2 werden zu Beginn der Pulsweitenmodulationspenode 38 die beiden Ansteuervektoren 34, 35 gestellt. Im Unterschied zum Stand der
Technik können damit nicht nur zwei Phasenströme, sondern ein Phasenstrom sowie die Summe aus einem anderen Phasenstrom und dem Erregerstrom gemessen werden. So wird im ersten Messfenster 31 der Phasenstrom der ersten Phasenwicklung 12 am Phasenanschluss U gemessen. Im zweiten Messfenster 32 wird eine Summe aus einem zweiten Phasenstrom am Phasenanschluss V und dem Erregerstrom durch die Erregerwicklung 13 gemessen.
Um den Erregerstrom im Shunt 24 durch Messung der Spannung über dem Shunt 24 zu messen, müssen alle Pull-Down-Schalter S4, S5, S6 des Wechsel- richters beziehungsweise der Treiberschaltung 15 geschlossen (und entsprechend alle Pull-Up-Schalkter S1 , S2, S3 geöffnet sein) sein, so dass der Mess- ström während eines Nullvektors 36 gemessen wird. Dieser Zustand tritt typischerweise am Ende der Pulsweitenmodulationsperiode 38 auf. Ist der Erregerstrom nunmehr durch Messung bekannt, so kann auch der zweite Phasenstrom und damit über die Knotenregel am Sternpunkt 14 auch der dritte Phasenstrom berechnet werden. Dies geschieht mittels einer Auswerteeinheit 25, die aus den jeweiligen während der Messperiode 37 bestimmten Messströmen lmess die Phasenströme und den Erregerstrom bestimmt. Damit sind alle Istwerte der Phasenströme bekannt und können einer Stromregelung 23 zugeführt werden. Je nach Rotorlage treten für die während der Ansteuervektoren 34, 35 gemessenen Messströme auch andere Varianten auf. Dazu kann das Pulsmuster 30 derart angepasst werden, dass die Ansteuerung der Schalter S1 bis S6 auf eine solche Weise optimiert wird, dass eine möglichst geräuscharme Messung vorgenommen werden kann.
Soll die maximale Amplitude des Drehspannungssystems, das der Wechselrichter beziehungsweise die Treiberschaltung 15 an die Maschinenklemmen beziehungsweise Phasenanschlüsse U, V, W legt, gestellt werden und die elektrische Maschine 1 1 somit mit hohen Drehzahlen und unter hoher Last laufen, so ist am Ende der Pulsweitenmodulationsperiode 38 der Nullvektor 36 zu kurz, um eine
Messung des Messtroms lmess durchzuführen. In diesem Fall kann der Erregerstrom nicht gemessen werden.
Es kann daher vorgesehen sein, den Betriebszustand, bei dem zu kurze Nullvek- toren 36 in der Pulsweitenmodulationsperiode 38 auftreten, zu erkennen und in diesem Fall das Messen der Erregerspannung über dem Shunt 24 am Ende der Pulsweitenmodulationsperiode 38 zu verhindern.
Für die Einstellung des Erregerstroms hat dies jedoch keinen Nachteil im Ver- gleich zu einer Variante mit einem Stromsensor in dem Erregerspulenstrompfad, da die Sternpunktspannung und damit die Spannung über der Erregerwicklung 13 ohnehin nicht mehr verändert werden kann. Das Nullpotential des Drehspannungssystems, das die Treiberschaltung 15 an die Phasenanschlüsse U, V, W legt, kann in diesem Fall nicht mehr nach oben oder unten variiert werden. Somit hat eine Stromregelung 23 für den Erregerstrom keine Möglichkeit, den Erreger- ström über die Stellgröße„Dauer des Nullvektors 36 des Drehspannungssystems" zu verändern.
Weiterhin wird für die Berechnung der Phasenströme aus den mit den Ansteuer- vektoren 34, 35 gemessenen Stromwerten jedoch der Erregerstrom benötigt.
Daher wird in diesem Fall statt des gemessenen Wertes für den Erregerstrom ein modellbasierter, insbesondere durch eine Software berechneter, Wert verwendet, der entsprechend korrigiert wird, sobald der Erregerstrom wieder gemessen werden kann.

Claims

Ansprüche
Verfahren zum Bestimmen von Phasenströmen durch Phasenwicklungen (12) und eines Erregerstroms durch eine Erregerwicklung (13) einer elektrischen Maschine (1 1 ),
wobei eine Erregerwicklung (13) zwischen einem Sternpunkt (14) der Phasenwicklungen (12) und einem bestimmten Bezugspotential (17) angeschlossen ist,
umfassend die folgenden Schritte:
- periodisches Ansteuern der elektrischen Maschine (1 1 ) mit einem vordefinierten Pulsmuster (30);
- Bestimmen jeweils eines Messstroms (lmeSs) in mehreren zeitlichen Messfenstern (31 , 32, 33) einer Messperiode (37), wobei die Messströme (lmeSs) einen Strom durch eine der Phasenwicklungen (12) und mindestens einen Strom durch eine oder mehrere Parallelschaltungen von mehreren der Phasenwicklungen (12) umfassen; und
- Bestimmen der Phasenströme und des Erregerstroms durch eine Auswertung der während der Messperiode (37) bestimmten Messströme (lmeSs) -
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Messströme (lmeSs) mittels einer Strommessvorrichtung (27) bestimmt werden, die zwischen dem bestimmten Bezugspotential (17) und einer zum Schalten der Phasenwicklungen (12) vorgesehenen und mit den Phasenwicklungen (12) verbundenen Treiberschaltung (15) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elektrische Maschine (1 1 ) durch, insbesondere linkszentrierte, Pulsweitenmodulationssignale angesteuert wird, wobei während jedes Messfensters (31 , 32, 33) die Anzahl der Phasenwicklungen (12), die jeweils mit dem bestimmten Bezugspotential (17) verbunden sind, unterschiedlich ist und die übrigen Phasenwicklungen (12) jeweils mit einem von dem bestimmten Bezugspotential verschiedenen Po- tential, insbesondere mit einem Versorgungsspannungsanschluss (16), verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei abhängig davon, ob in einer aktuellen Messperiode (37), insbesondere in einem Zeitbereich am Ende einer
Pulsweitenmodulationsperiode (38), alle Phasenwicklungen (12) für eine vorgegebene Mindestzeitdauer mit dem bestimmten Bezugspotential (17) verbunden sind, ein Messstrom (lmeSs) bestimmt wird, der dem Erregerstrom entspricht, oder ein gespeicherter und/oder berechneter Stromwert für den Erregerstrom angenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine Beurteilung, ob in der aktuellen Messperiode (37) ein Messstrom (lmeSs) , der einem Erregerstrom entspricht, gemessen werden kann, anhand der momentanen Last der elektrischen Maschine (1 1 ) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die elektrische Maschine (1 1 ) drei Phasenwicklungen (12) aufweist, wobei während jeder Messperiode (37) als Messstrom (lmeSs) in einem ersten Messfenster (31 ) ein erster Phasenstrom und in einem zweiten Messfenster (32) eine Linearkombination eines zweiten Phasenstroms mit dem Erregerstrom gemessen wird und wobei insbesondere zur Bestimmung eines dritten Phasenstroms ein in einem dritten Messfenster (33) gemessener Stromwert des Erregerstroms oder der gespeicherte und/oder berechnete Stromwert des Erregerstroms verwendet wird.
Vorrichtung zum Bestimmen von Phasenströmen durch Phasenwicklungen (12) und eines Erregerstroms durch eine Erregerwicklung (13) einer elektrischen Maschine (1 1 ), bei der eine Erregerwicklung (13) zwischen einem Sternpunkt (14) der Phasenwicklungen (12) und einem bestimmten Bezugspotential angeschlossen ist, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um
- bei einer mit einem vordefinierten Pulsmuster (30) periodisch angesteuerten elektrischen Maschine (1 1 ) jeweils einen Messstrom (lmeSs) in mehreren zeitlichen Messfenstern (31 , 32, 33) einer Messperiode (37) zu bestimmen, wobei die Messströme (lmeSs) Strömen durch eine der Phasenwicklungen (12) und durch eine oder mehrere Parallelschaltungen von mehreren der Phasenwicklungen (12) entsprechen; und - die Phasenströme und den Erregerstrom durch eine Auswertung der während der Messperiode (37) bestimmten Messströme (lmeSs) zu bestimmen.
Motorsystem (10), umfassend:
- eine fremd- oder hybriderregte elektrische Maschine (1 1 ), die eine Erregerwicklung (13) aufweist, die zwischen einem Sternpunkt (14) der Phasenwicklungen (12) und einem bestimmten Bezugspotential angeschlossen ist;
- eine Treiberschaltung (15), über die die Phasenwicklungen (12) mit elektrischer Energie versorgt werden und die die Phasenwicklungen (12) entsprechend einem Pulsmuster (30) bestromt;
- eine Strommesseinrichtung (24), die zwischen der Treiberschaltung (15) und dem bestimmten Bezugspotential angeordnet ist, so dass in einem Messfenster (31 , 32, 33) ein zugehöriger Messstrom (lmeSs) bestimmt werden kann, der bezüglich einer vorbestimmten Stromrichtung entsprechend durch eine der Phasenwicklungen (12) oder eine Parallelschaltung von mehreren der Phasenwicklungen (12) insgesamt fließt; und
- eine Vorrichtung nach Anspruch 7.
Motorsystem (10) nach Anspruch 8, wobei die Treiberschaltung (15)
Wechselrichter mit einer Brückenschaltung, insbesondere einer B6- Brückenschaltung, umfasst.
10. Motorsystem (10) nach Anspruch 8 oder 9, wobei eine Ansteuerungseinheit (26) vorgesehen ist, um mittels Ansteuerung der Treiberschaltung (15) in einer Messperiode (37) der Messung mehrere zeitliche Messfenster (31 , 32, 33) zu erzeugen, indem in Übereinstimmung mit einem vordefinierten Pulsmuster (30) jeweils eine oder mehrere Phasenwicklungen (12) gleichzeitig mit dem Anschluss (28) des bestimmten Bezugspotentials gekoppelt werden.
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