WO2019072460A1 - Sicherer zustand einer elektrischen maschine - Google Patents

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WO2019072460A1
WO2019072460A1 PCT/EP2018/073862 EP2018073862W WO2019072460A1 WO 2019072460 A1 WO2019072460 A1 WO 2019072460A1 EP 2018073862 W EP2018073862 W EP 2018073862W WO 2019072460 A1 WO2019072460 A1 WO 2019072460A1
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flow control
inverter
control valve
flow
interface
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PCT/EP2018/073862
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Inventor
Michael LENGENFELDER
Original Assignee
Zf Friedrichshafen Ag
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Publication date
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    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—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
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/02—Details
    • H02H3/05—Details with means for increasing reliability, e.g. redundancy arrangements

Definitions

  • the present invention relates to the control of an electric machine.
  • the invention relates to the shipment of the electrical machine in a safe state.
  • An electric machine for example an electric motor
  • the inverter can be controlled by means of an inverter in its movement behavior.
  • the inverter usually comprises a plurality of bridge circuits, each comprising two current valves which can be driven alternately to provide a predetermined potential at an associated terminal of the machine.
  • the flow control valves can be controlled in such a way that the electrical connections of the machine are connected to a common potential and the machine is actively short-circuited. A kinetic energy of the machine can then be converted into electrical energy and this via the short circuit into heat, so that the machine can be decelerated quickly and without external braking work.
  • the active shutdown may not be available if a control device controlling the flow control valves has a defect or is not connected to the flow control valves. It has been proposed to connect control terminals of the flow control valves, if necessary, via suitable pull-up or pull-down resistors to a fixed potential in order to be able to effect an active short-circuit even if the device malfunctions. However, which of the flow valves close when needed is usually not determined as a function of a fault present, so that a shutdown attempt of the machine can cause a short circuit in a DC link, from which the flow control valves are fed.
  • An object underlying the invention is to provide an improved technique for switching off such a controlled electric machine.
  • the invention achieves the object by means of the subject matters of the independent claims. Subclaims give preferred embodiments again.
  • An inverter is configured to control an electrical machine at a voltage source having a first and a second potential.
  • the inverter comprises a plurality of bridge circuits, each comprising a first flow control valve, a second flow control valve and a connection for the electrical machine, and a first interface for receiving individual control signals for the flow control valves and a second interface for detecting a shutdown signal.
  • Each first flow control valve is configured to control flow between the high electrical potential and the associated port and every other flow control valve to control flow between the associated port and the low electrical potential.
  • a switch-off device is set up to close either all first or all second flow valves as a function of the switch-off signal and independently of signals at the first interface.
  • the shutdown device can dynamically, for example, depending on the nature of the shutdown signal, close all first or all second flow control valves to bring the electrical machine in a safe state.
  • the safe state usually includes standstill, whereby the machine is not flowed through by electricity.
  • the safe state can also be controlled when a control device, which is in particular connectable to the first interface, does not work properly or does not exist.
  • two different shutdown signals may be distinguished, with one leading to close all first and another to close all second flow control valves.
  • the switch-off signals can be selected so that they can not be present at the same time. For example, a first signal may request a shutdown and select a second, binary signal between the first and second flow control valves.
  • the electric machine may include, for example, a servo or traction motor and in particular be set up for use on board a motor vehicle.
  • the inverter can be integrated with the shutdown device so that redundant control paths for the electrical machine can always be available.
  • the shutdown device may comprise an electronic circuit and be integrated with other electronic elements of the inverter.
  • the shutdown device can also be designed integrated with flow valves, which may include, for example, field effect transistors (FET), in particular metal oxide FETs, or thyristors or other semiconductors.
  • FET field effect transistors
  • the switch-off device can be embodied, for example, as SiP ("system-in-package").
  • SiP system-in-package
  • passive and active components as well as further components can be produced on a plurality of semiconductor chips by means of microsystem technologies, and these can be integrated in a housing (called IC package) by means of suitable components.
  • the switch-off device can also be integrated as MCM ("multi-chip module”) comprising a plurality of semiconductor chips in a common housing.
  • the switch-off device can also be designed as a user-specific integrated circuit ("ASIC").
  • the shutdown device may be configured to determine a defective flow control valve and to close the first or the second flow control valves as a function of a determination result. As a result, it is not necessary to determine externally which of the flow control valves must be closed to control the safe state. This is especially relevant when an externally functional component that is to determine a fault is itself subject to a malfunction.
  • the shutdown signal can be provided, for example, user-controlled and the determination of how the safe state is to be controlled can be performed autonomously by the inverter.
  • the shutdown device is configured to close in the case of a non-opening flow control valve all flow valves that correspond to this flow control valve. For example, if a first flow control valve is permanently closed, the active short circuit can still be controlled by closing all other first flow control valves. If, instead, the second current valves were closed, then the active short circuit could indeed be produced, but at the same time there would be a short circuit across the potentials from which the electrical machine would operate. ne can be fed in normal operation or in which the electric machine can feed in generator mode.
  • the shutdown device is adapted to close in the case of a non-closing flow control valve all flow valves that do not correspond to this flow control valve. If, for example, a first flow control valve is permanently open, the active short circuit can still be controlled by closing all second flow control valves. The closing of the first flow control valves in this case would have only reduced or no effect.
  • the shutdown device or a part thereof may be implemented as hardwired logic. This allows a high processing speed and a high resistance to interference can be achieved.
  • the logic can already be exhaustively validated in a design phase, so that a subsequent misconnection can be very unlikely.
  • the inverter may include three bridge circuits, wherein the inverter is preferably configured to connect a three-phase electromechanical transducer.
  • the electromechanical converter may generally comprise an electric machine operated as a motor or as a generator.
  • the electromechanical converter comprises a rotary machine, in particular a rotary field machine, which can be controlled, for example, by means of field-oriented control (FOS).
  • the electric machine may include an asynchronous machine (ASM) or a permanent-magnet synchronous machine (PSM).
  • the inverter comprises only two bridge circuits; This arrangement is also known as H-bridge.
  • the electric machine may include a DC motor, in particular of the commutated type.
  • An actuator includes an inverter as described herein; an electric machine; and a control device configured to control a rotational behavior of the electric machine.
  • the actuator can be used, for example, as an integrated actuating or traction drive, in particular on board a motor vehicle.
  • a method of controlling an electric machine operated by means of an inverter described herein on a voltage source having a first and a second potential comprises steps of detecting a turn-off signal; and closing all first or all second flow valves independently of signals at the first interface. It can be ensured that in a first case exclusively the first flow control valves are closed and the second flow control valves are not closed, or in a second case the second flow control valves are closed and the first ones are not. This distinction is also known as Exclusive-Or (XOR).
  • XOR Exclusive-Or
  • FIG. 1 shows a system with a controllable electrical machine
  • FIG. 2 is a flowchart of a method for controlling an electric machine represents.
  • FIG. 1 shows a system 100 with a controllable electric machine 105 and an inverter 110.
  • the electric machine 105 comprises three connections and can be embodied in particular as a three-phase electromechanical actuator.
  • the inverter 110 accordingly comprises three bridge circuits 115, each comprising a first flow valve 120 and a second flow control valve 125.
  • the bridge circuits 115 may be operated on an intermediate circuit with a DC link capacitor 180 providing a voltage between a high potential and a low potential.
  • the intermediate circuit may comprise, for example, a battery 128 whose connection to the bridge circuits 115 in FIG. 1 is not shown.
  • the flow control valves 120, 125 are preferably producible in semiconductor technology.
  • a first flow control valve 120 is connected here to the high potential and can also be called a high side switch, while a second flow control valve 125 is connected here to the low potential and can also be called a low side switch.
  • Control terminals of the flow control valves 120, 125 are individually routed to a first interface 130.
  • a controller 135 for controlling the electric machine 105 may be connected to the first interface 130 (not shown). In particular, the control device 135 may perform a field-oriented control (FOS) or a field-oriented control (FOR) of the electric machine 105.
  • FOS field-oriented control
  • FOR field-oriented control
  • the inverter 110 further includes a second interface 140 connected to a shutdown device 145.
  • the second interface 140 includes multiple signals, in another embodiment, a single signal may suffice.
  • the shutdown device 145 is configured to detect a shutdown signal at the second interface 140 and then bring the electrical machine 105 in a safe state.
  • the switch-off device 145 can in particular close either the first flow control valves 120 in order to bring about a first active short circuit at the electrical machine 105, in which connections of the electrical machine 105 are connected to the high potential, or the shutdown device 145 can connect the second flow control valves 145. Close 125 to cause a second active short circuit on the electric machine 105, in which the terminals are connected to the low potential.
  • Corresponding flow valves 120, 125 can each be connected to each other by means of individual first drivers 150, which can be connected as a chain (daisy chain) or each separately connected to the shutdown device 145, or driven by the shutdown device 145 by means of a common driver 155.
  • the switch-off device 145 or the drivers 150, 155 and the first interface 130 are, for example, decoupled from one another by means of diodes 160 in order to avoid a short circuit at the level of the control signals.
  • Other solutions may use, for example, logic gates, transistors, MOSFETs or resistors.
  • a switch 165 is connected via the second interface 140 to the switch-off device 145 and serves to override the first interface 130 in the event of malfunction or to reconcile the first interface 130 by separating the functionality from the first interface 130.
  • the shutdown device 145 may accept multiple shutdown signals.
  • a shutdown signal may be provided by the controller 135 when it determines, for example, an error condition.
  • a second shutdown signal can come from a voltage monitor 170, wherein the second shutdown signal can be provided when a voltage of the intermediate circuit on the DC link capacitor 180 from which the bridge circuits 115 are fed or the power supply 128 falls below a predetermined value or exceeds another predetermined value ,
  • additional, optional control connections are shown which are provided for exchanging signals or states, in particular with the control device 135, and are named accordingly.
  • FIG. 2 shows a flow chart of a method 200 for controlling an electrical machine 105, which is controlled by means of an inverter 110 of the type shown in FIG. is bound.
  • the method 200 can be carried out in whole or in part by means of the inverter 110, in particular its shutdown device 145.
  • the shutdown device may comprise a programmable microcomputer or microcontroller, and the method 200 may be in the form of a computer program product with program code means.
  • Features, options or advantages of the method 200 may be transferred to the inverter 110 and the shutdown device 145 and vice versa.
  • an error condition can be determined.
  • the error state can be determined, for example, by the control device 135, the voltage monitor 170 or the shutdown device 145.
  • a shutdown signal may be determined that includes a request to place the electric machine 105 in a safe state.
  • a functionality of the flow control valves 120, 125 may be determined. In particular, it can be checked whether one of the flow control valves 120, 125 can not open or close. On the basis of a determination result, it may be determined in a step 215 whether the safe state should be controlled by closing the first flow control valves 120 or by closing the second flow control valves 125. If one of the flow control valves 120, 125 can not be opened, all corresponding flow control valves 120, 125 should be closed. If one of the flow control valves 120, 125 can not be closed, all non-corresponding flow control valves 120, 125 should be closed.
  • the check in step 210 may be omitted. In another embodiment, the result of the check may override the request received via the shutdown signal.
  • the safe state may be controlled by closing the previously determined first flow valves 120 or the previously determined second flow control valves 125.
  • control signals provided via the first interface 130 are disabled, overruled or disabled.
  • a signal can be provided to the outside, which indicates the activation of the safe state.
  • the signal includes an indication of which flow valves 120, 125 are closed. In particular, the signal may be provided to the control device 135.
  • 128 power supply e.g., LDO

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

Ein Wechselrichter (110) ist zum Steuern einer elektrischen Maschine (105) an einer Spannungsquelle mit einem ersten und einem zweiten Potential eingerichtet. Dabei umfasst der Wechselrichter (110) mehrere Brückenschaltungen, die jeweils ein erstes Stromventil (120), ein zweites Stromventil (125) und einen Anschluss für die elektrische Maschine (105) umfassen, und eine erste Schnittstelle (130) zur Entgegennahme individueller Steuersignale für die Stromventile (120, 125) und eine zweite Schnittstelle (140) zur Erfassung eines Abschaltsignals. Jedes erste Stromventil (120) ist dazu eingerichtet, Strom zwischen dem hohen elektrischen Potential und dem zugeordneten Anschluss zu steuern, und jedes zweite Stromventil (125) dazu, Strom zwischen dem zugeordneten Anschluss und dem niedrigen elektrischen Potential zu steuern. Eine Abschalteinrichtung (145) ist dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit des Abschaltsignals und unabhängig von Signalen an der ersten Schnittstelle (130) entweder alle ersten (120) oder alle zweiten Stromventile (125) zu schließen.

Description

Sicherer Zustand einer elektrischen Maschine
Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung einer elektrischen Maschine. Insbesondere betrifft die Erfindung die Verbringung der elektrischen Maschine in einen sicheren Zustand.
Eine elektrische Maschine, beispielsweise ein Elektromotor, kann mittels eines Wechselrichters in seinem Bewegungsverhalten gesteuert werden. Dazu umfasst der Wechselrichter üblicherweise mehrere Brückenschaltungen, die jeweils zwei Stromventile umfassen, die alternierend angesteuert werden können, um ein vorbestimmtes Potential an einem zugeordneten Anschluss der Maschine bereitzustellen.
Um die elektrischen Maschine abzuschalten, können die Stromventile derart angesteuert werden, dass die elektrischen Anschlüsse der Maschine mit einem gemeinsamen Potential verbunden werden und die Maschine aktiv kurzgeschlossen wird. Eine Bewegungsenergie der Maschine kann dann in elektrische Energie und diese über den Kurzschluss in Wärme umgesetzt werden, sodass die Maschine rasch und ohne externe Bremsarbeit abgebremst werden kann.
Die aktive Abschaltung kann nicht verfügbar sein, wenn eine die Stromventile steuernde Steuervorrichtung einen Defekt aufweist oder nicht mit den Stromventilen verbunden ist. Es wurde vorgeschlagen, Steueranschlüsse der Stromventile bei Bedarf über passende Pullup- oder Pulldown-Widerstände mit einem festen Potential zu verbinden, um auch bei einem Defekt der Vorrichtung einen aktiven Kurzschluss bewirken zu können. Welche der Stromventile im Bedarfsfall schließen, wird jedoch üblicherweise nicht in Abhängigkeit eines vorliegenden Fehlers bestimmt, sodass ein Abschaltversuch der Maschine einen Kurzschluss in einem Zwischenkreis bewirken kann, aus dem die Stromventile gespeist sind.
Eine der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, eine verbesserte Technik zur Abschaltung einer derart gesteuerten elektrischen Maschine anzugeben. Die Erfindung löst die Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder. Ein Wechselrichter ist zum Steuern einer elektrischen Maschine an einer Spannungsquelle mit einem ersten und einem zweiten Potential eingerichtet. Dabei um- fasst der Wechselrichter mehrere Brückenschaltungen, die jeweils ein erstes Stromventil, ein zweites Stromventil und einen Anschluss für die elektrische Maschine umfassen, und eine erste Schnittstelle zur Entgegennahme individueller Steuersignale für die Stromventile und eine zweite Schnittstelle zur Erfassung eines Abschaltsignals. Jedes erste Stromventil ist dazu eingerichtet, Strom zwischen dem hohen elektrischen Potential und dem zugeordneten Anschluss zu steuern, und jedes zweite Stromventil dazu, Strom zwischen dem zugeordneten Anschluss und dem niedrigen elektrischen Potential zu steuern. Eine Abschalteinrichtung ist dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit des Abschaltsignals und unabhängig von Signalen an der ersten Schnittstelle entweder alle ersten oder alle zweiten Stromventile zu schließen.
Die Abschalteinrichtung kann dynamisch, beispielsweise in Abhängigkeit der Art des Abschaltsignals, entweder alle ersten oder alle zweiten Stromventile schließen, um die elektrische Maschine in einen sicheren Zustand zu bringen. Der sichere Zustand umfasst üblicherweise den Stillstand, wobei die Maschine nicht von Strom durchflössen wird. Mittels der Abschalteinrichtung kann der sichere Zustand auch dann gesteuert werden, wenn eine Steuervorrichtung, die insbesondere mit der ersten Schnittstelle verbindbar ist, nicht fehlerfrei arbeitet oder nicht vorhanden ist. In einer Ausführungsform können zwei unterschiedliche Abschaltsignale unterschieden werden, wobei eines zum Schließen aller ersten und ein anderes zum Schließen aller zweiten Stromventile führt. Die Abschaltsignale können so gewählt sein, dass sich nicht gleichzeitig vorliegen können. Beispielsweise kann ein erstes Signal eine Abschaltung anfordern und ein zweites, binäres Signal zwischen den ersten und den zweiten Stromventilen auswählen.
Die elektrische Maschine kann beispielsweise einen Servo- oder Traktionsmotor umfassen und insbesondere zur Verwendung an Bord eines Kraftfahrzeugs eingerichtet sein. Der Wechselrichter kann integriert mit der Abschalteinrichtung aufgebaut sein, sodass stets redundante Steuerpfade für die elektrische Maschine zur Verfügung stehen können. Die Abschalteinrichtung kann eine elektronische Schaltung umfassen und integriert mit anderen elektronischen Elementen des Wechselrichters aufgebaut sein. In einer Ausführungsform kann die Abschalteinrichtung auch mit Stromventilen integriert ausgeführt sein, die beispielsweise Feldeffekttransistoren (FET), insbesondere Metalloxid-FETs, oder Thyristoren oder auch andere Halbleiter umfassen können.
Die Abschalteinrichtung kann beispielsweise als SiP („System-in-Package") ausgeführt sein. Dabei können passive und aktive Bauelemente sowie weitere Komponenten mittels Mikrosystemtechnologien auf mehreren Halbleiter-Chips hergestellt und diese in einem Gehäuse (genannt IC-Package) mittels passender Aufbau- oder Verbindungstechnik vereint werden. Alternativ kann die Abschalteinrichtung auch als MCM („Multi Chip Modul") aus mehreren Halbleiterchips in einem gemeinsamen Gehäuse integriert werden. In einer weiteren Ausführungsform kann die Abschalteinrichtung auch als Anwenderspezifischer Integrierter Schaltkreis („ASIC") ausgeführt sein.
Die Abschalteinrichtung kann dazu eingerichtet sein, ein defektes Stromventil zu bestimmen und in Abhängigkeit eines Bestimmungsergebnisses die ersten oder die zweiten Stromventile zu schließen. Dadurch ist es nicht erforderlich, extern zu bestimmen, welche der Stromventile zum Steuern des sicheren Zustande geschlossen werden müssen. Das ist besonders relevant, wenn eine extern Funktionskomponente, die einen Fehler bestimmen soll, selbst einer Fehlfunktion unterliegt. Das Abschaltsignal kann beispielsweise benutzergesteuert bereitgestellt werden und die Bestimmung, wie die das Einnehmen des sicheren Zustande gesteuert werden soll, kann autark durch den Wechselrichter durchgeführt werden.
In einer ersten Variante ist die Abschalteinrichtung dazu eingerichtet, im Fall eines nicht zu öffnenden Stromventils alle Stromventile zu schließen, die zu diesem Stromventil korrespondieren. Ist beispielsweise ein erstes Stromventil permanent geschlossen, so kann der aktive Kurzschluss noch durch das Schließen aller anderen ersten Stromventile gesteuert werden. Würden stattdessen die zweiten Stromventile geschlossen, so könnte der aktive Kurzschluss zwar hergestellt werden, gleichzeitig läge aber ein Kurzschluss über die Potentiale vor, aus denen die elektrische Masch i- ne im Normalbetrieb gespeist werden kann oder in welche die elektrische Maschine im Generatorbetrieb speisen kann.
In einer zweiten Variante ist die Abschalteinrichtung dazu eingerichtet, im Fall eines nicht zu schließenden Stromventils alle Stromventile zu schließen, die nicht zu diesem Stromventil korrespondieren. Ist beispielsweise ein erstes Stromventil permanent offen, so kann der aktive Kurzschluss noch durch das Schließen aller zweiten Stromventile gesteuert werden. Das Schließen der ersten Stromventile hätte in diesem Fall nur verringerte oder gar keine Wirkung.
Die Abschalteinrichtung kann dazu eingerichtet sein, ein Steuersignal zum Schließen eines Stromventils an der ersten Schnittstelle außer Kraft zu setzen. (==> Aufgabe von 165) Dadurch kann vermieden werden, dass ein Stromventil geschlossen wird, das am aktiven Kurzschluss nicht beteiligt ist und dessen Schließen einen Kurzschluss zwischen den Potentialen verursachen könnte.
Die Abschalteinrichtung kann auch dazu eingerichtet sein, ein Steuersignal zum Öffnen eines Stromventils an der ersten Schnittstelle außer Kraft zu setzen. (==> Aufgabe von 165) Dadurch kann sichergestellt werden, dass ein anzusteuernder aktiver Kurzschluss alle zueinander korrespondierenden Stromventile, also alle ersten oder alle zweite Stromventile, umfasst. Die Effizienz des aktiven Kurzschlusses kann so gesteigert sein.
Die Abschalteinrichtung oder ein Teil davon kann als fest verdrahtete Logik implementiert sein. Dadurch kann eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit und eine hohe Resistenz gegen Störungen erzielt werden. Außerdem kann die Logik bereits in einer Konzeptionsphase erschöpfend validiert werden, sodass eine spätere Fehlschaltung sehr unwahrscheinlich sein kann.
Der Wechselrichter kann drei Brückenschaltungen umfassen, wobei der Wechselrichter bevorzugt zum Anschließen eines dreiphasigen elektromechanischen Wandlers eingerichtet ist. Der elektromechanische Wandler kann allgemein eine als Motor o- der als Generator betriebene elektrische Maschine umfassen. Beispielsweise kann der elektromechanische Wandler eine Rotationsmaschine, insbesondere Drehfeldmaschine umfassen, die beispielsweise mittels feldorientierter Steuerung (FOS) gesteuert werden kann. Die elektrische Maschine kann eine Asynchronmaschine (ASM) oder eine permanenterregte Synchronmaschine (PSM) umfassen.
In einer anderen Ausführungsform umfasst der Wechselrichter nur zwei Brückenschaltungen; diese Anordnung ist auch als H-Brücke bekannt. Die elektrische Maschine kann dabei einen Gleichstrommotor, insbesondere der kommutierten Art, umfassen.
Ein Aktuator umfasst einen hierin beschriebenen Wechselrichter; eine elektrische Maschine; und eine Steuervorrichtung, die zur Steuerung eines Drehverhaltens der elektrischen Maschine eingerichtet ist. Der Aktuator kann beispielsweise als integrierter Stell- oder Traktionsantrieb eingesetzt werden, insbesondere an Bord eines Kraftfahrzeugs.
Ein Verfahren zum Steuern einer elektrischen Maschine, die mittels eines hierin beschriebenen Wechselrichters an einer Spannungsquelle mit einem ersten und einem zweiten Potential betrieben wird, umfasst Schritte des Erfassens eines Abschaltsignals; und des Schließens aller ersten oder aller zweiten Stromventile unabhängig von Signalen an der ersten Schnittstelle. Dabei kann sichergestellt werden, dass in einem ersten Fall exklusiv die ersten Stromventile geschlossen werden und die zweiten Stromventile nicht, oder in einem zweiten Fall die zweiten Stromventile geschlossen werden und die ersten nicht. Diese Unterscheidung ist auch als Exklusiv-Oder (XOR) bekannt.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
Fig. 1 ein System mit einer steuerbaren elektrischen Maschine; und
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern einer elektrischen Maschine darstellt.
Figur 1 zeigt ein System 100 mit einer steuerbaren elektrischen Maschine 105 und einem Wechselrichter 110. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine 105 drei Anschlüsse und kann insbesondere als dreiphasiger elekt- romechanischer Aktuator ausgeführt sein. Der Wechselrichter 110 umfasst dementsprechend drei Brückenschaltungen 115, die jeweils ein erstes Stromventil 120 und ein zweites Stromventil 125 umfassen. Die Brückenschaltungen 115 können an einem Zwischenkreis mit einem Zwischenkreiskondensator 180 betrieben werden, der eine Spannung zwischen einem hohen Potential und einem niedrigen Potential bereitstellt. Der Zwischenkreis kann beispielsweise eine Batterie 128 umfassen, deren Verbindung zu den Brückenschaltungen 115 in Figur 1 nicht dargestellt ist.
Die Stromventile 120, 125 sind bevorzugt in Halbleitertechnik herstellbar. Ein erstes Stromventil 120 ist hier mit dem hohen Potential verbunden und kann auch High Side Switch genannt werden, während ein zweites Stromventil 125 hier mit dem niedrigen Potential verbunden ist und auch Low Side Switch genannt werden kann. Steueranschlüsse der Stromventile 120, 125 sind individuell an eine erste Schnittstelle 130 geführt. Mit der ersten Schnittstelle 130 kann eine Steuervorrichtung 135 zur Steuerung der elektrischen Maschine 105 verbunden sein (nicht dargestellt). Die Steuervorrichtung 135 kann insbesondere eine feldorientierte Steuerung (FOS) oder eine feldorientierte Regelung (FOR) der elektrischen Maschine 105 durchführen.
Der Wechselrichter 110 umfasst ferner eine zweite Schnittstelle 140, die mit einer Abschalteinrichtung 145 verbunden ist. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst die zweite Schnittstelle 140 mehrere Signale, in einer anderen Ausführungsform kann auch ein einziges Signal ausreichen. Die Abschalteinrichtung 145 ist dazu eingerichtet, ein Abschaltsignal an der zweiten Schnittstelle 140 zu erfassen und daraufhin die elektrische Maschine 105 in einen sicheren Zustand zu bringen. Dazu kann die Abschalteinrichtung 145 insbesondere entweder die ersten Stromventile 120 schließen, um an der elektrischen Maschine 105 einen ersten aktiven Kurzschluss herbeizuführen, bei welchem Anschlüsse der elektrischen Maschine 105 mit dem hohen Potential verbunden sind, oder die Abschalteinrichtung 145 kann die zweiten Stromventi- le 125 schließen, um an der elektrischen Maschine 105 einen zweiten aktiven Kurz- schluss herbeizuführen, bei welchem die Anschlüsse mit dem niedrigen Potential verbunden sind.
Zueinander korrespondierende Stromventile 120, 125 können jeweils mittels individueller erster Treiber 150, die wie gezeigt als Kette (Daisy Chain) oder jeweils separat mit der Abschalteinrichtung 145 verbunden, miteinander verbunden sein können, oder mittels eines gemeinsamen Treibers 155 durch die Abschalteinrichtung 145 angesteuert werden. Die Abschalteinrichtung 145 bzw. die Treiber 150, 155 und die erste Schnittstelle 130 sind beispielhaft mittels Dioden 160 voneinander entkoppelt, um einen Kurzschluss auf der Ebene der Steuersignale zu vermeiden. Andere Lösungen können beispielsweise logische Gatter, Transistoren, MOSFET's oder Widerstände verwenden.
Ein Schalter 165 ist über die zweite Schnittstelle 140 mit der Abschalteinrichtung 145 verbunden und dient zum außer Kraft setzen der ersten Schnittstelle 130 bei Fehlfunktion bzw. zur Überstimmung der ersten Schnittstelle 130 durch Abtrennung der Funktionalität von der ersten Schnittstelle 130.
Die Abschalteinrichtung 145 kann mehrere Abschaltsignale akzeptieren. Ein Abschaltsignal kann von der Steuervorrichtung 135 bereitgestellt werden, wenn diese beispielsweise einen Fehlerzustand bestimmt. Ein zweites Abschaltsignal kann von einer Spannungsüberwachung 170 stammen, wobei das zweite Abschaltsignal bereitgestellt werden kann, wenn eine Spannung des Zwischenkreises am Zwischen- kreiskondensator 180, aus dem die Brückenschaltungen 115 gespeist werden oder der Spannungsversorgung 128 einen vorbestimmten Wert unterschreitet oder einen anderen vorbestimmten Wert überschreitet. In der vorliegenden Ausführungsform sind zusätzliche, optionale Steuerverbindungen dargestellt, die zum Austauschen von Signalen oder Zuständen insbesondere mit der Steuervorrichtung 135 vorgesehen und entsprechend benannt sind.
Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Steuern einer elektrischen Maschine 105, die mittels eines Wechselrichters 110 der Art von Figur 1 ver- bunden ist. Das Verfahren 200 kann ganz oder in Teilen mittels des Wechselrich- ters110, insbesondere dessen Abschalteinrichtung 145 durchgeführt werden. Dazu kann die Abschalteinrichtung einen programmierbaren Mikrocomputer oder Mikro- controller umfassen und das Verfahren 200 kann in Form eines Computerprogrammprodukts mit Programmcodemitteln vorliegen. Merkmale, Optionen oder Vorteile des Verfahrens 200 können auf den Wechselrichter 110 bzw. die Abschalteinrichtung 145 übertragen werden und umgekehrt.
In einem ersten Schritt 205 kann ein Fehlerzustand bestimmt werden. Der Fehlerzustand kann beispielsweise durch die Steuervorrichtung 135, die Spannungsüberwachung 170 oder die Abschalteinrichtung 145 bestimmt werden. In jedem Fall kann ein Abschaltsignal bestimmt werden, das eine Anforderung umfasst, die elektrische Maschine 105 in einen sicheren Zustand zu bringen.
In einem optionalen Schritt 210 kann eine Funktionsfähigkeit der Stromventile 120,125 bestimmt werden. Insbesondere kann überprüft werden, ob eines der Stromventile 120, 125 nicht öffnen oder nicht schließen kann. Auf der Basis eines Bestimmungsergebnisses kann in einem Schritt 215 bestimmt werden, ob der sichere Zustand durch Schließen der ersten Stromventile 120 oder durch Schließen der zweiten Stromventile 125 gesteuert werden soll. Kann eines der Stromventile 120, 125 nicht geöffnet werden, so sollen alle korrespondierenden Stromventile 120, 125 geschlossen werden. Kann eines der Stromventile 120, 125 nicht geschlossen werden, so sollen alle nicht korrespondierenden Stromventile 120, 125 geschlossen werden. Sind alle Stromventile 120, 125 in Ordnung, so kann eine Voreinstellung verwendet werden oder eine zufällige Auswahl entweder der ersten oder der zweiten Stromventile 120, 125 getroffen werden. Weist das im Schritt 205 bestimmte Abschaltsignal darauf hin, welche der Stromventile 120, 125 geschlossen werden sollen, um die Maschine 105 in den sicheren Zustand zu bringen, so kann die Überprüfung im Schritt 210 ausgelassen werden. In einer anderen Ausführungsform kann das Ergebnis der Überprüfung die über das Abschaltsignal empfangene Anforderung überstimmen. In einem Schritt 220 kann der sichere Zustand gesteuert werden, indem die zuvor bestimmten ersten Stromventile 120 oder die zuvor bestimmten zweiten Stromventile 125 geschlossen werden. In einer Ausführungsform werden Steuersignale, die über die erste Schnittstelle 130 bereitgestellt werden, außer Kraft gesetzt, überstimmt oder abgeschaltet. Außerdem kann ein Signal nach außen bereitgestellt werden, das auf das Ansteuern des sicheren Zustands hinweist. Optional umfasst das Signal eine Angabe, welche Stromventile 120, 125 geschlossen werden. Das Signal kann insbesondere an die Steuervorrichtung 135 bereitgestellt werden.
Bezugszeichen
100 System
105 elektrische Maschine
110 Wechselrichter
115 Brückenschaltung
120 erstes Stromventil (High Side Switch)
125 zweites Stromventil (Low Side Switch)
128 Spannungsversorgung (z.B. LDO)
130 erste Schnittstelle
135 Steuervorrichtung
140 zweite Schnittstelle
145 Abschalteinrichtung
150 erster Treiber
155 zweiter Treiber
160 Diode
165 Schalter
170 Spannungsüberwachung
180 Zwischenkreiskondensator
200 Verfahren
205 Bestimmen eines Fehlerzustands
210 Bestimmen Funktionsfähigkeit der Stromventile
215 Bestimmen aktiver Kurzschluss
220 Ansteuern aktiver Kurzschluss

Claims

Patentansprüche
1. Wechselrichter (110) zum Steuern einer elektrischen Maschine (105) an einer Spannungsquelle mit einem ersten und einem zweiten Potential, wobei der Wechselrichter (110) folgende Merkmale aufweist:
mehrere Brückenschaltungen, die jeweils ein erstes Stromventil (120), ein zweites Stromventil (125) und einen Anschluss für die elektrische Maschine (105) umfassen; und
eine erste Schnittstelle (130) zur Entgegennahme individueller Steuersignale für die Stromventile (120, 125);
wobei jedes erste Stromventil (120) Strom zwischen dem hohen elektrischen Potential und dem zugeordneten Anschluss,
und jedes zweite Stromventil (125) Strom zwischen dem zugeordneten Anschluss und dem niedrigen elektrischen Potential steuert;
gekennzeichnet durch
eine zweite Schnittstelle (140) zur Erfassung eines Abschaltsignals;
eine Abschalteinrichtung (145), die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit des Abschaltsignals und unabhängig von Signalen an der ersten Schnittstelle (130) entweder alle ersten (120) oder alle zweiten Stromventile (125) zu schließen.
2. Wechselrichter (110) nach Anspruch 1 , wobei die Abschalteinrichtung (145) dazu eingerichtet ist, ein defektes Stromventil (120, 125) zu bestimmen und in Abhängigkeit eines Bestimmungsergebnisses die ersten (120) oder die zweiten Stromventile (120) zu schließen.
3. Wechselrichter (110) nach Anspruch 2, wobei die Abschalteinrichtung (145) dazu eingerichtet ist, im Fall eines nicht zu öffnenden Stromventils (120, 125) alle Stromventile (120, 125) zu schließen, die zu diesem Stromventil (120, 125) korrespondieren.
4. Wechselrichter (110) nach Anspruch 2, wobei die Abschalteinrichtung (145) dazu eingerichtet ist, im Fall eines nicht zu schließenden Stromventils (120, 125) alle Stromventile (120, 125) zu schließen, die nicht zu diesem Stromventil (120, 125) korrespondieren.
5. Wechselrichter (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abschalteinrichtung (145) dazu eingerichtet ist, ein Steuersignal zum Schließen eines Stromventils (120, 125) an der ersten Schnittstelle (130) außer Kraft zu setzen.
6. Wechselrichter (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abschalteinrichtung (145) dazu eingerichtet ist, ein Steuersignal zum Öffnen eines Stromventils (120, 125) an der ersten Schnittstelle (130) außer Kraft zu setzen.
7. Wechselrichter (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abschalteinrichtung (145) als fest verdrahtete Logik implementiert ist.
8. Wechselrichter (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend drei Brückenschaltungen, wobei der Wechselrichter (110) zum Anschließen eines dreiphasigen elektromechanischen Wandlers eingerichtet ist.
9. Aktuator, umfassend einen Wechselrichter (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, eine elektrische Maschine (105) und eine Steuervorrichtung, die zur Steuerung eines Drehverhaltens der elektrischen Maschine (105) eingerichtet ist.
10. Verfahren zum Steuern einer elektrischen Maschine (105), die mittels eines
Wechselrichters (110) an einer Spannungsquelle mit einem ersten und einem zweiten Potential betrieben wird, wobei der Wechselrichter (110) folgendes aufweist:
mehrere Brückenschaltungen, die jeweils ein erstes Stromventil (120), ein zweites Stromventil (125) und einen Anschluss für die elektrische Maschine (105) umfassen; und
eine erste Schnittstelle (130) zur Entgegennahme individueller Steuersignale für die Stromventile (120, 125);
wobei jedes erste Stromventil (120) Strom zwischen dem hohen elektrischen Potential und dem zugeordneten Anschluss, und jedes zweite Stromventil (125) Strom zwischen dem zugeordneten An- schluss und dem niedrigen elektrischen Potential steuert;
und das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Erfassen (205) eines Abschaltsignals; und
Schließen (220) aller ersten (120) oder aller zweiten Stromventile (125) unabhängig von Signalen an der ersten Schnittstelle (130).
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