WO2019096439A1 - Verzerrungsspektrumskontrolle durch raumzeigermodulation - Google Patents

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    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for controlling switching distortion in an inverter by means of space vector modulation
  • an inverter a power electronics commonly consisting of several semiconductor switches, is used to control an electric motor.
  • a mostly sinusoidally modulated output by means of the switches, ie output voltage or output current, which is also in several phases, e.g. for the operation of a three-phase drive motor, provided by the inverter is generated mainly by means of pulse width modulation.
  • pulse width modulation To simulate a sinusoidal shape as closely as possible, a high number of switching changes is necessary.
  • switching harmonics i. fundamental frequencies caused by switching frequencies and their harmonics, which manifest themselves as spectral peaks with high energy density associated with them.
  • VLSI Very Large Scale Integration
  • Space vector modulation for the control of multi-level systems can not be used.
  • the following documents all relate to the regulation of switching distortions in the inverter by means of space vector modulation, in particular for use in electric vehicles.
  • Space vector modulation set to compensate for a dead time in the inverter without a measurement of phase currents and / or phase voltages.
  • Document DE 10 2012 210 658 A1 describes a method which, at least in the case of one of the switches acted upon in the provision of a current by space vector modulation within an inverter, exceeds a temperature
  • Inverter and discloses a method that keeps an output voltage during the dead time at a defined value.
  • Multilevel converter described, e.g. in W. Yao, H. Hu and Z. Lu, Comparisons of Space Vector Modulation and Carrier-Based Modulation of Multilevel Inverters, in IEEE
  • a central multilevel converter in this sense is the modular multilevel converter MMSPC described by S. M. Goetz, A.V. Peterchev and T. Weyh, "Modular
  • Inverter which takes advantage of space vector modulation and controls the distortion spectrum. Furthermore, it is an object of the present invention to provide a corresponding system for carrying out such a method.
  • a method for controlling a distortion spectrum is provided, which is a switch-based
  • Deviations between the reference signal and the at least one output variable that would result from a respective realization of these different switch positions are calculated, and the switch position selected and implemented in the inverter where the associated distortion spectrum is most appropriate according to predetermined characteristics, i. the predetermined or
  • Output of the inverter a respective phase of an alternating current and / or an alternating voltage.
  • predetermined characteristics for selecting the most suitable switch position a mean switching rate can be selected.
  • Distortion spectrum selected which has a spectral gap in a given range. This is particularly important with concurrent contiguous use of systems that dynamically change their sensitive spectral range, e.g. Car radios performing a station sweep. It is conceivable while a parallel to the transmitter pass of the car radio tracking spectral gap in the desired
  • On-board electronics are provided via GPS information.
  • the inventive method is preferably implemented by a modulator that modulates the output of the inverter.
  • the task of the modulator is to adapt a stepwise quantized output variable of the inverter approximately to the continuous, at least partially sinusoidal reference signal and to observe predetermined properties of the distortion spectrum. Both are achieved by numerical treatment of the distortion spectrum.
  • at least one switching signal for the inverter is generated directly by the modulator.
  • the realization of the zero vector is chosen according to the invention, in which a to change the
  • a respective difference to the vector of the reference signal is determined for each of the m vectors, from this difference and respective differences between vectors of the at least one output variable and vectors of the reference signal from a plurality of immediately preceding magazines a temporal course of the differences created, and this time course numerically compared with a designed according to the predetermined characteristics time course (see Figure 3).
  • this time course numerically compared with a designed according to the predetermined characteristics time course (see Figure 3).
  • the time profile of the differences of the at least one output variable is transformed into the frequency domain and forms there the so-called distortion spectrum, with which the numerical comparison is performed with a frequency spectrum designed according to the predetermined properties
  • a filter is applied to the distortion spectrum obtained by the transformation into the frequency domain, which filter corresponds, for example, to the inverse of a predetermined distortion spectrum. For example, if there is a spectral gap in the predetermined distortion spectrum, this range remains unchanged by using the filter with the inverse of the predetermined distortion spectrum in the distortion spectrum obtained from the above transformation, while reducing other spectral ranges, for example. According to the invention, one obtained from the transformation obtained from the transformation
  • Deformation spectrum formed standard is reduced to a quality number, with the aid of which the most suitable distortion spectrum with associated switch position, which corresponds, for example, a smallest numerical value of the quality number is selected and passed to the inverter.
  • p 2
  • 2-norm which corresponds to a power
  • a total quality number is obtained from the summation of the respective quality numbers of an output variable, for example, again by forming a p-norm.
  • Difference formation between the detected vectors and the vector of the reference signal takes place exclusively in the phase space. Since conversions into a time domain are always associated with additional computational effort, and any numerical operations result in rounding error propagation due to finite computational accuracy, it is advantageous to rely on a single phase space representation by amplitude and phase for all outputs of a three-phase system, for example three phase outputs at one Three-phase drive motor, limit. As a result, a storage effort in the storage of the time course of previously by execution of the
  • each candidate to be tested / !, ..., m from the previous time switching course and one or more future steps, but the respective candidate now purely in two-dimensional
  • VK, i (t) (A (t), ⁇ p (t)) T , with amplitude A (t) and phase ⁇ p (t) of a single space vector, quantized to the points of a space vector diagram at time t becomes.
  • an estimate of the distortion spectrum is made directly in the phase space.
  • a two-dimensional vectorial deviation between the candidate vector VKJ and the reference vector v ref representing the reference signal is formed at a time t + t pre dict.
  • the result corresponds to a power addition, which is retained even after a Fourier transformation, due to the Plancherel theorem.
  • the method according to the invention calculates the respective associated distortion spectrum in the frequency domain by means of a Fourier transformation (FT), which is numerically called Fast Fourier Transformation can be implemented.
  • FT Fourier transformation
  • the respective spectrum can again be weighted with a predetermined filter, which ultimately amplifies the spectral course of the resulting distortion to different extents according to the desired specifications or emphasizes it for the subsequent evaluation by means of a quality number. If, for example, a search is made for the candidate VK with the smallest deviation under specification of a filter F, then arg
  • a p-norm was formed over the entire weighted distortion spectrum.
  • a peak from the weighted distortion spectrum which is most pronounced at any point in time, is included in the further evaluation, ie it is suppressed according to equation (3).
  • a small p-value minimizes all parts of the weighted distortion spectrum more uniformly.
  • a choice of p 2 optimizes approximately the power of the weighted distortion spectrum over all frequencies.
  • an absolute amount may be applied to reduce complex or negative numbers to their absolute value.
  • Distortion spectrum which is closest to the predetermined distortion spectrum of the filter according to the inventive method. Accordingly, that candidate is converted into the switch signals of the semiconductors and taken as a state for a next switch clock or the next switch clocks in the inverter.
  • the integration results in low-pass filtering of the distortion that should be compensated in the filter by making the filter approximately proportional to the inverse of the frequency.
  • the constant a prevents the divergence of the DC components and allows one
  • a system which comprises an inverter, a current and / or voltage source and a modulator controlling the inverter, the system being designed to carry out the method according to the invention.
  • the modulator comprises at least the following modules: a nearest neighbor module designed to be within a
  • Space vector modulation to be located reference vector of a reference signal in close proximity; a history module designed to obtain a history of each time step of a number of previous time steps
  • Form reference vectors and a vector of the at least one output variable Form reference vectors and a vector of the at least one output variable; and a selection module configured to select, using the next-neighbor module and the history module, the vector of the at least one output that is most appropriate according to predetermined characteristics.
  • the selection module has its own pipeline for each of the detected vectors, wherein the selection module is designed to process a plurality of pipelines in parallel.
  • a modulator is claimed which is designed, using a reference signal as an input variable, to control switches of an inverter and thereby to carry out the method according to the invention, the modulator having at least the following modules: a next-neighbor module designed for this purpose to determine, within a space vector diagram of a space vector modulation, a predetermined number of vectors which are in close proximity to a reference vector of a reference signal to be located within the space vector diagram of the space vector modulation; a history module designed to obtain a history of each time step of a number of previous time steps
  • a modulator which controls an inverter whose power electronics uses a wide bandgap semiconductor.
  • Inverter can be implemented, which is operated with a semiconductor gallium nitride, and has voltages in the range of 100V, currents in the range of 30 A and switching rates in the range of 500 kHz.
  • Figure 1 shows a schematic representation of two possible tasks of a
  • Figure 2 shows a space vector diagram for selecting nearest neighbor to a vector.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a possible embodiment of a modulator according to the invention.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a possible embodiment of a module of a modulator provided according to the invention for selecting a suitable vector of an output signal.
  • FIG. 5 shows, by way of example, switching states and a respectively associated one
  • FIG. 6 shows, in a schematic representation, an environment in which an electric vehicle moves and which leads to a predetermination of the characteristics of the electric vehicle
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a further embodiment of a module of a modulator provided according to the invention for selecting a suitable vector with difference formation relative to the reference signal purely in the phase space.
  • FIG. 8 shows, by way of example, a distortion spectrum in which the method according to the invention leads to a tunable spectral gap.
  • FIG. 1 illustrates schematically two possible tasks of a modulator 114 and 124 controlling an inverter.
  • drawing 110 illustrates a modulator 114, which may be an input signal 112, at least receives sinusoidal reference signal, adjusts it by means of a space vector modulation to a plurality of quantized output options of the inverter, and its output signals 116 consist of respectively quantized switching signals for a plurality of phases for controlling the inverter.
  • drawing 120 represents an extended modulator 124, which receives as an input signal 122 an at least partially sinusoidal reference signal, this by means of a space vector modulation to a plurality of quantized
  • Output options of the inverter adapts, and its output signals 126 consist of unmitelbaren switching signals for controlling the inverter
  • FIG. 2 shows a space vector diagram for selecting three vectors 210, 212, 214 according to the invention
  • Space vector modulation which are for example in the immediate vicinity of a possible vector 208 of the reference signal.
  • the axis 202 forms the angle 0 or 2 Pi to the right and the angle Pi to the left.
  • the axis 204 forms the angle Pi / 2 at the top and the angle 3 Pi / 2 at the bottom.
  • the vector 208 of the reference signal has an amplitude A and a phase angle f with reference numeral 206.
  • a respective vector 210, 212, 214, 216, 218, 220, 222 of the space vector modulation results in switch positions to be realized directly by the inverter.
  • a special position has the so-called zero vector 210, in which all switches in the inverter are either open or closed.
  • phase angle 206 of the reference signal greater than 0 and less than Pi / 3 these are 210, 212, 214, greater than Pi / 3 and less than or equal to 2 Pi / 3, 210, 214, 216, greater than 2 Pi / 3, and smaller equal to Pi are 210, 216, 218, between greater than Pi and less than 4 Pi / 3 are 210, 218, 220, between greater than 4 Pi / 3 and less than or equal to 5 Pi / 3 are 210, 220, 222, and between greater than 5 Pi / 3 and less than or equal to 2 Pi, which also corresponds to an angle of 0, are 210, 222, 212.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a possible embodiment of a modulator according to the invention.
  • a vector v re f (A (t), (p (t)) T of the reference signal 310 consisting of amplitude A (t) and phase angle ⁇ p (t), present at a time step t, forms an input signal to a next Neighbor module 302, which is within a
  • Space vector diagram of a space vector modulation can determine a predetermined number m of vectors, m is greater than or equal to 1, which are located in a next to be located within the space vector diagram of the space vector modulation reference vector of a reference signal.
  • the determined m vectors 312 are forwarded to a selection module 304.
  • the history module 308 respectively has the values of the vector of the vector before the current time step
  • the selected vector v ou t (t) for the current output 314 is stored in the history module 308.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a possible embodiment of a module of a modulator provided according to the invention for selecting a suitable vector of an output signal.
  • the m input vectors 418 come from the next Neighbor module 302 of FIG. 3 and consist of the m determined vectors, which become one within the space vector diagram of the space vector modulation
  • a pipeline 404, 406, 408, 410, 412, 414 which are processed in parallel.
  • a value to be assigned to the respective input vector is one
  • Phase voltage which represents one of the three phases in the example of a three-phase Zweilevelinverters.
  • the other two phases are also processed in the same pipeline.
  • Module 402 obtains from the history module 308 in FIG. 3 the n temporal values for the vector of the reference signal together with the current value, as well as the n temporal values for the vector of the output variable, converts both value series into values for voltages and forwards these values to
  • the differences are weighted differently among each other. For example, it is conceivable to weight differences that lie ahead of time more slowly than newer ones, ie. younger differences. It is also conceivable to form an integral over the differences multiplied by a filter and to weight this, for example, in relation to a sum of switching losses arising when the respective vector of the output variable is realized in the inverter.
  • a frequency transformation preferably a Fourier transformation, respectively takes place in the frequency transformation module 410.
  • a spectral filter which, for example, is an inverse of a desired filter, is optionally applied to the respectively resulting frequency spectrum in a respective filter module 412
  • a mathematical norm such as a p-norm
  • the standardization will also include the three phases, for example second p-norm merged to a total quality number.
  • all (total) quality numbers are available, and that of the original input vectors 418 whose (total) quality number has a smallest value comes to the output 420 to the hardware, respectively the inverter.
  • the spectral filter implemented in the respective filter module 412 is designed as a convolution in the time domain, ie without frequency transformation in FIG.
  • Frequency transformation module 410 applied.
  • FIG. 5 shows, by way of example, switching states and an associated frequency spectrum according to an embodiment of the method according to the invention.
  • the output 510 of an example selected three-phase inverter looks in a time range 512 largely identical to conventional pulse width modulated inverters.
  • voltage 514 is plotted in volts.
  • a spectral region 520 with power density 524 applied to the top and frequency 522 in kHz to the right, deliberate waveforms can be forced, such as an almost flat top edge of the distortion spectrum. For example, corresponds to the inverse of the for in
  • Spectral range 520 shown approximately a rectangle that covers a range of about 10 kHz to 500 kHz in frequency 522 and in the
  • Power density 524 includes the highest peak of the spectrum.
  • FIG. 6 shows, in a schematic representation, an environment in which an electric vehicle 602 moves and which contributes to a predetermination of the properties of the distortion spectrum 610 plotted over the frequency 612. So delivers
  • a database 606 carried in the electric vehicle 602 by means of location information obtained from a GPS system 608, has certain requirements for the properties of the distortion spectrum resulting from the respective country standards.
  • electronic devices 604 e.g. Radio tuners, GPS receivers, or any devices that have any
  • Pulse modulation method is executed, requirements for that by a
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a further embodiment of a module of a modulator provided according to the invention for selecting a suitable vector with difference formation relative to the reference signal purely in the phase space.
  • the m input vectors 702 are taken from the nearest neighbor module 302 of FIG. 3 and consist of the m candidate candidate vectors VK which become one within the
  • Space vector diagram of the space vector modulation to be located reference vector of a reference signal in close proximity For each of these m
  • Input vectors 702 advantageously includes a pipeline 706, 708, 710, 712, 714, 718, and 720 that are executed in parallel.
  • a respective module 706 the difference formation to the reference signal 704 according to equation (1) is formed purely in the phase space and fed to a respective module 708 which executes a scalar function for each time out of a range of time according to equation (2),
  • Frequency transformation 712 is supplied, which calculates the respective associated spectrum 714 in the frequency domain and weighted with a predetermined filter 716 with module 718, and finally after execution of a p-norm in module 720 of the determination of the quality number according to equation (3) in module 722 supplied.
  • the candidate with the lowest scalar value from equation (3) generates a distortion spectrum which, according to the method according to the invention, is closest to the predetermined distortion spectrum of the filter. Accordingly, that candidate is switched to the inverter as the next switch state 724.
  • FIG. 8 shows by way of example a distortion spectrum in which the method according to the invention leads to a tunable spectral gap 808.
  • the frequency 802 in hertz to the right and the power density 804 to the top are plotted in graph 800, likewise in inset 810.
  • the solid line 806 in both graph 800 and inset 810 is a spectral line to be avoided when using the inventive method, for example Indicated 50 Hz.
  • spectral gaps in the distortion spectrum to produce. Due to a dynamic regulation of the spectrum, the spectral gaps 808 can also be adaptively changed, for example, changed in width or tuned over a wide spectral range. Modern vehicles, for example, send the reception frequency of the radio receiver to various control devices. Accordingly, based on such information, the power electronics can generate one or more spectral gaps 808 dynamically and, for example, travel dynamically during a station search.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Verzerrungsspektrums, welches bei einem schalterbasierten Wechselrichter (306), der mindestens eine Ausgangsgröße moduliert, durch Raumzeigermodulation entsteht, gekennzeichnet dadurch, dass zu je einem zeitlich nächsten Schaltvorgang verschiedene Schalterstellungen (312) ermittelt werden, welche eine Modulation der mindestens einen einem vorgegebenen Referenzsignal (310) näherungsweise folgenden Ausgangsgröße bewirken, ein jeweiliges Verzerrungsspektrum von Abweichungen zwischen dem Referenzsignal (310) und der mindestens einen Ausgangsgröße, das aus einer jeweiligen Realisierung dieser verschiedenen Schalterstellungen (312) entstehen würde, berechnet wird, und diejenige Schalterstellung (314) ausgewählt und im Wechselrichter (306) realisiert wird, bei der das zugehörige Verzerrungsspektrum gemäß vorbestimmter Eigenschaften am geeignetsten ist. Ferner werden ein entsprechendes System und ein entsprechender Modulator bereitgestellt.

Description

Verzerrungsspektrumskontrolle durch Raumzeigermodulation
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Steuerung von Schaltverzerrungen in einem Wechselrichter mittels Raumzeigermodulation,
insbesondere, wenn der Wechselrichter in einem Elektrofahrzeug zur Anwendung kommt.
In Elektrofahrzeugen kommt ein Wechselrichter, eine gemeinhin aus mehreren Halbleiter- Schaltern bestehende Leistungselektronik, zur Steuerung eines Elektromotors zum Einsatz. Eine mittels der Schalter zumeist sinusförmig modulierte Ausgangsgröße, also Ausgangsspannung bzw. Ausgangsstrom, die auch in mehreren Phasen, z.B. zum Betrieb eines Dreiphasen-Antriebsmotors, vom Wechselrichter bereitgestellt wird, wird vor allem mittels Pulsweitenmodulation erzeugt. Um eine Sinusform möglichst genau nachzubilden, ist eine hohe Zahl von Schaltwechseln notwendig. Diese führen in einem
Frequenzspektrum zu sogenannten Schaltharmonischen, d.h. durch Schaltfrequenzen bedingte Grundschwingungen und ihre Oberschwingungen, die sich als spektrale Spitzen mit damit einhergehender hoher Energiedichte manifestieren.
Einen einleitenden Überblick und ein Verfahren zur Beeinflussung des Frequenzspektrums liefert C. Tao, A. A. Fayed,„PWM control architecture with constant cycle frequency hopping and phase chopping for spur-free Operation in buck regulators“, in IEEE
Transactions on very large scale Integration (VLSI) Systems, 21(9), 1596-1607 (2013).
Von der Anmelderin ist aus DE 10 2016 106 472 Al ein Verfahren bekannt, mit dem die Vorteile einer ansonsten hohen Schaltfrequenz und die Nachteile dieses Vorgehens miteinander in Beziehung gesetzt werden. Schaltverzerrungen und Schaltverluste werden so gegeneinander bewertet und versucht, minimiert zu werden. Allerdings ist das offenbarte Verfahren ein binäres Regelungssystem, welches nur zur Steuerung einer einphasigen Ausgabegröße herangezogen werden kann. Die Möglichkeiten einer
Raumzeigermodulation zur Steuerung von Multilevelsystemen können dabei nicht genutzt werden. Folgende Druckschriften betreffen allesamt die Regelung von Schaltverzerrungen im Wechselrichter mittels Raumzeigermodulation, insbesondere bei der Anwendung in Elektrofahrzeugen.
In der Druckschrift DE 10 2011 088 242 Al werden Spannungsvektoren mittels
Raumzeigermodulation geeignet eingestellt, um eine Totzeit im Wechselrichter ohne eine Messung von Phasenströmen und/oder Phasenspannungen zu kompensieren. Die Druckschrift DE 10 2012 210 658 Al beschreibt ein Verfahren, welches zumindest bei einem der bei der Bereitstellung eines Stroms durch Raumzeigermodulation innerhalb eines Wechselrichters beaufschlagten Schalter eine Temperaturüberschreitung
vermeidet. Die Druckschrift US 2008/0252250 wendet sich der Behandlung der Totzeit im
Wechselrichter zu und offenbart ein Verfahren, das eine Output-Spannung während der Totzeit auf einem definierten Wert hält.
In Druckschrift US 2008/0297100 Al geht es um die Reduzierung von Wechselrichter- Spannungsverlusten, wenn im Elektromotor ein großes Drehmoment bei niedriger (Dreh- )Frequenz erzeugt wird, was insbesondere bei einem Startvorgang des Elektromotors der Fall ist.
Die Reduzierung von Schaltverlusten im Wechselrichter bei der Bestimmung einer Rotorwinkelstellung im Elektromotor wird in Druckschrift US 2011/0012544 Al offenbart, wobei hierzu die Wellenform der Pulsweitenmodulation modifiziert wird.
Spannungsverluste sollen auch durch das in der Druckschrift US 2012/0075892 Al beschriebene Verfahren reduziert werden, bei dem eine Kontrolle der Schaltzustände im Wechselrichter erfolgt. In den Druckschriften US 2012/0139461 Al und US 2015/0077025 Al werden die Schalter eines Wechselrichters durch eine Kontrolleinheit derart gesteuert, dass Totzeit und Schaltverzerrungen reduziert werden.
Die Druckschrift US 6,088,246 schlägt eine Verbreiterung der Spektren über einen vorbestimmten Frequenzbereich in einem Hochfrequenzanteil jeder der
Ausgangsspannungen des Wechselrichters vor. Das durch den Wechselrichter erzeugte elektromagnetische Rauschen, welches unter Umständen auch die Steuerung des Elektromotors stören kann, soll so in seiner Energiedichte abgeschwächt werden.
Im Stand der Technik sind ebenfalls Raumzeigermodulationsverfahren für
Multilevelkonverter beschrieben, z.B. in W. Yao, H. Hu and Z. Lu,„Comparisons of Space- Vector Modulation and Carrier-Based Modulation of Multilevel Inverter“, in IEEE
Transactions on Power Electronics, 23(1), 45-51 (2008), Jae Hyeong Seo, Chang Ho Choi and Dong Seok Hyun,„A new simplified space-vector PWM method for three-level inverters“, in IEEE Transactions on Power Electronics, 16(4), 545-550 (2001), oder auch in B. P. McGrath, D. G. Holmes and T. Lipo,„Optimized space vector switching sequences for multilevel inverters“, in IEEE Transactions on Power Electronics, 18(6), 1293-1301 (2003).
Ein zentraler Multilevelkonverter in diesem Sinn ist der modulare Multilevelkonverter MMSPC, beschrieben durch S. M. Goetz, A. V. Peterchev and T. Weyh,„Modular
Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control“, in IEEE Transactions on Power Electronics, 30(1), 203-215 (2015).
Jedoch ist keines dieser Verfahren in der Lage, das Verzerrungsspektrum zu steuern oder zu regeln. Stattdessen erzeugen all diese Verfahren scharfe Schaltharmonische im Verzerrungsspektrum. Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches ein Modulationsverfahren der Ausgangsgrößen eines
Wechselrichters offenbart, das die Vorteile der Raumzeigermodulation nutzt und das Verzerrungsspektrum steuert. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes System zur Durchführung eines solchen Verfahrens bereitzustellen.
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Steuerung eines Verzerrungsspektrums bereitgestellt, welches bei einem schalterbasierten
Wechselrichter, der mindestens eine Ausgangsgröße moduliert, durch
Raumzeigermodulation entsteht. Dabei werden zu je einem zeitlich nächsten
Schaltvorgang verschiedene Schalterstellungen ermittelt, welche eine Modulation der mindestens einen einem vorgegebenen Referenzsignal näherungsweise folgenden Ausgangsgröße bewirken. Ferner wird ein jeweiliges Verzerrungsspektrum von
Abweichungen zwischen dem Referenzsignal und der mindestens einen Ausgangsgröße, das aus einer jeweiligen Realisierung dieser verschiedenen Schalterstellungen entstehen würde, berechnet, und diejenige Schalterstellung ausgewählt und in dem Wechselrichter realisiert, bei der das zugehörige Verzerrungsspektrum gemäß vorbestimmter bzw. vorgegebener Eigenschaften am geeignetsten ist, d.h. die vorbestimmten bzw.
vorgegebenen Eigenschaften am besten realisiert.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht einer
Ausgangsgröße des Wechselrichters eine jeweilige Phase eines Wechselstroms und/oder einer Wechselspannung. Um die Schaltverluste des Wechselrichters begrenzt zu halten, kann in einer
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens als mindestens eine der
vorbestimmten Eigenschaften zur Auswahl der geeignetsten Schalterstellung eine mittlere Schaltrate gewählt werden. In einer weiteren Ausführungsform wird als mindestens eine der vorbestimmten
Eigenschaften das zu der auszuwählenden Schalterstellung zugehörige
Verzerrungsspektrum gewählt, welches in einem vorgegebenen Bereich eine spektrale Lücke aufweist. Dies ist insbesondere von Bedeutung bei gleichzeitigem benachbartem Gebrauch von Systemen, die ihren sensitiven Spektralbereich dynamisch ändern, wie z.B. Autoradios, die einen Senderdurchlauf durchführen. Denkbar ist dabei eine parallel zum Senderdurchlauf des Autoradios mitlaufende spektrale Lücke im angestrebten
Verzerrungsspektrum. In gleicher Weise können an einem Standort des
Elektrofahrzeuges geltende Normen (bspw. ISO, Länderstandards, CISPR-Grenzwerte) zu Vorgaben von spektralen Lücken im Verzerrungsspektrum führen, was u.U. dazu führt, dass bei einer bei einem Betrieb des Elektrofahrzeugs möglicherweise vorkommenden Überschreitung von Ländergrenzen eine Neuauswahl der vorbestimmten Eigenschaften erfolgen muss. Der jeweilige Standort des Elektrofahrzeugs kann dabei aus der
Bordelektronik über GPS-lnformationen zur Verfügung gestellt werden.
Die Vorgabe von Eigenschaften, nach denen sich bei Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens das gemäß der Eigenschaften geeignetste Verzerrungsspektrum einstellt, ist ein zentraler Vorteil der Erfindung, da dadurch ein bislang aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren einer Systemtaktvariierung, die andere Fahrzeugsysteme beeinflusst und eine Regelung verkompliziert, vermieden wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise von einem Modulator umgesetzt, der die Ausgangsgröße des Wechselrichters moduliert. Die Aufgabe des Modulators ist es, eine stufenweise quantisierte Ausgangsgröße des Wechselrichters näherungsweise dem kontinuierlichen, zumindest abschnittsweise sinusförmigen Referenzsignal anzupassen und dabei vorbestimmte Eigenschaften des Verzerrungsspektrums zu beachten. Beides wird über eine numerische Behandlung des Verzerrungsspektrums erreicht. In einer Erweiterung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens ein Schaltsignal für den Wechselrichter direkt durch den Modulator erzeugt. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird innerhalb eines Raumzeigerdiagramms der Raumzeigermodulation eine vorbestimmte Zahl m von Vektoren ermittelt, die sich zu einem innerhalb des Raumzeigerdiagramms der Raumzeigermodulation zu lokalisierenden Vektor des Referenzsignals in nächster Nachbarschaft befinden. Beispielsweise befinden sich bei einem sogenannten Dreiphasen-Zweilevelinverter immer m=3 Vektoren in nächster Nachbarschaft zu dem dem Referenzsignal zuzuordnenden Vektor (siehe Figur 2).
In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein sich in nächster
Nachbarschaft befindlicher Nullvektor so gewählt, dass sich bei einem zu seiner
Einstellung notwendigen Wechsel der Schalterstellung ein Schaltverlust minimiert.
Gemeinhin gibt es in Wechselrichtern, insbesondere in Brückenschaltungen, mehrere äquivalente Realisierungen des Nullvektors. Beispielsweise kann bei einem
Zweilevelinverter (siehe Figur 2) der Nullvektor entweder durch Schließen aller
sogenannten Low-Side-Schalter oder alternativ durch Schließen aller sogenannten High- Side-Schalter erzeugt werden. Um Schaltverluste zu minimieren, würde man diejenige Realisierung wählen, bei der die geringste Zahl an Schalterwechseln aus der
vorausgehenden Schalterstellung notwendig ist. Vorteilhaft wird erfindungsgemäß auch diejenige Realisierung des Nullvektors gewählt, bei der sich ein zum Wechsel der
Schalterstellung notwendiger Strom minimiert.
Erfindungsgemäß wird für jeden der m ermittelten Vektoren eine jeweilige Differenz zum Vektor des Referenzsignals bestimmt, aus dieser jeweiligen Differenz und jeweiligen Differenzen zwischen Vektoren der mindestens einen Ausgangsgröße und Vektoren des Referenzsignals aus einer Mehrzahl von unmittelbar vorangegangenen Zeitschriften ein zeitlicher Verlauf der Differenzen erstellt, und dieser zeitliche Verlauf numerisch mit einem gemäß den vorbestimmten Eigenschaften gestalteten zeitlichen Verlauf verglichen (siehe Figur 3). In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zeitlich länger
zurückliegende Differenzen schwächer gewichtet, und zwar umso schwächer, je mehr sie zeitlich zurückliegen. In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zeitliche Verlauf der Differenzen der mindestens einen Ausgangsgröße in den Frequenzraum transformiert und bildet dort das sogenannte Verzerrungsspektrum, mit dem der numerische Vergleich mit einem gemäß den vorbestimmten Eigenschaften gestalteten Frequenzspektrum durchgeführt wird
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf das durch die Transformation in den Frequenzraum erhaltene Verzerrungsspektrum ein Filter angewendet, das bspw. dem Inversen eines vorbestimmten Verzerrungsspektrums entspricht. Befindet sich bspw. in dem vorbestimmten Verzerrungsspektrum eine spektrale Lücke, bleibt dieser Bereich durch die Anwendung des Filters mit dem Inversen des vorbestimmten Verzerrungsspektrums in dem aus der obigen Transformation erhaltenen Verzerrungsspektrum unverändert, während andere spektrale Bereiche bspw. verringert werden. Erfindungsgemäß wird eine über das aus der Transformation erhaltene
Verzerrungsspektrum gebildete Norm auf eine Qualitätszahl zurückgeführt, mit Hilfe derer das geeignetste Verzerrungsspektrum mit zugehöriger Schalterstellung, das bspw. einem kleinsten Zahlenwert der Qualitätszahl entspricht, ausgewählt und an den Wechselrichter übergeben wird.
In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Norm eine p-Norm, beispielsweise mit p=2 die Quadratwurzel aus der Summe der quadrierten Differenzen, gebildet. Bei Verwendung einer 2-Norm (welche einer Leistung entspricht) ist der Wert aufgrund einer Energiegleichheit von Zeit- und Frequenzbereich bei den meisten
Frequenztransformationen gemäß dem Satz von Plancherel identisch. Erfindungsgemäß wird eine Gesamtqualitätszahl aus der Aufsummierung der jeweiligen Qualitätszahlen einer Ausgangsgröße gewonnen, beispielsweise wiederum durch Bildung einer p-Norm. Mit deren Hilfe wird wiederum eine geeignetste Schalterstellung
ausgewählt.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens findet eine
Differenzbildung zwischen den ermittelten Vektoren und dem Vektor des Referenzsignals ausschließlich im Phasenraum statt. Da Umrechnungen in einen Zeitbereich stets mit einem zusätzlichen Rechenaufwand einhergehen und jegliche numerische Operationen zu einer Rundungsfehlerfortpflanzung auf Grund einer endlichen Rechengenauigkeit führen, ist es vorteilhaft, sich auf eine einzige Phasenraumrepräsentanz durch Amplitude und Phase für alle Ausgänge eines Drehstromsystems, bspw. drei Phasenausgänge bei einem Dreiphasen-Antriebsmotor, zu begrenzen. Dadurch wird auch ein Speicheraufwand bei der Abspeicherung des zeitlichen Verlaufs von zuvor durch Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltene Vektoren minimiert.
Wie oben besteht auch bei dieser Ausführungsform jeder zu testende Kandidat /=!,... ,m aus dem bisherigen zeitlichen Schaltverlauf und einem oder mehreren zukünftigen Schritten, wobei der jeweilige Kandidat nun allerdings rein in zweidimensionaler
Vektordarstellung VK,i(t)=(A(t), <p(t))T, mit Amplitude A(t) und Phase <p(t) eines einzigen, quantisiert auf die Punkte eines Raumzeigerdiagramms geschalteten Raumzeigers zum Zeitpunkt t beschrieben wird. Anstatt bei mindestens einem Kandidaten die Abweichung von einem vorgegebenen Referenzsignal in einen Spannungs- oder Stromverlauf an einem oder mehreren Phasenausgängen umzurechnen und danach das Verzerrungsspektrum zu ermitteln, erfolgt eine Schätzung des Verzerrungsspektrums direkt im Phasenraum. Zunächst wird zu einem Zeitpunkt t+tpredict eine zweidimensionale vektorielle Abweichung zwischen dem Kandidatenvektor VKJ und dem das Referenzsignal repräsentierenden Referenzvektor vref gebildet. Dies geschieht über ein gewisses Fenster mit n Zeitpunkten in der nächsten Vergangenheit, in der sich alle Kandidaten gleichen, bzw. einem bisherigen Schaltverlauf entsprechen, oder bei prädiktiven Verfahren eine gewisse Zeit in die Zukunft, in der sich die Kandidaten unterscheiden. Das Referenzsignal entspricht in der Regel einem kontinuierlichen Vektor vr t)=ao er+(p{t)ev in Winkelkoordinaten, oder vref(t)= ao cos(^(t))ex+ ao sin(^(t))ex in kartesischen Koordinaten, und bildet bspw. einen Sinusverlauf von Phasenspannungen oder Phasenströmen mit bestimmter Frequenz wo ab, woraus sich die Phase <p(t)= <wt, ergibt. Die Berechnung der Abweichung
Figure imgf000011_0001
wird über alle zwei Dimensionen des Phasenraums und für alle Zeiten t durchgeführt, und je auf eine skalare Funktion über den Zeitverlauf, vorzugsweise durch eine Vektornorm, abgebildet:
Figure imgf000011_0002
Falls es sich bei der Norm um eine 2-Norm, folglich eine euklidische Norm, handelt, entspricht das Ergebnis, wie bereits voranstehend erwähnt, einer Leistungsaddition, welche auf Grund des Satzes von Plancherel auch nach einer Fourier-Transformation erhalten bleibt.
Aus der skalaren Funktion (2) über die Abweichung jedes Kandidaten von der Referenz für einen gewissen Zeitverlauf berechnet das erfindungsgemäße Verfahren, wie voranstehend beschrieben, das jeweilige zugehörige Verzerrungsspektrum im Frequenzbereich mittels einer Fourier-Transformation (FT), die numerisch als Fast-Fourier-Transformation implementiert sein kann. Jedoch wird in dieser Ausgestaltungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens unabhängig von der Zahl der Ausgangsphasen des Wechselrichters stets nur eine Fourier-Transformation ausgeführt, wodurch der
Rechenaufwand minimiert wird, was gerade auf einer gemeinhin üblichen
Implementierung des Verfahrens auf einem FPGA-ICs vorteilhaft ist. Darüber hinaus kann das jeweilige Spektrum wiederum mit einem vorgegebenen Filter gewichtet werden, das letztendlich den spektralen Verlauf der entstehenden Verzerrung gemäß den gewünschten Vorgaben unterschiedlich stark verstärkt oder für die nachfolgende Bewertung mittels einer Qualitätszahl hervorhebt. Wird bspw. nach dem Kandidaten VK mit der geringsten Abweichung unter Vorgabe eines Filters F gesucht, so ist arg
Figure imgf000012_0001
zu berechnen, wobei, wie voranstehend erwähnt, eine p-Norm über das gesamte gewichtete Verzerrungsspektrum gebildet wurde. Dabei geht bei einer Wahl eines großen p-Wertes vor allem eine zu jedem Zeitpunkt am stärksten herausstechende Spitze aus dem gewichteten Verzerrungsspektrum in die weitere Bewertung ein, wird also gemäß Gleichung (3) unterdrückt. Ein kleiner p-Wert minimiert alle Anteile des gewichteten Verzerrungsspektrum gleichmäßiger. Eine Wahl von p=2 optimiert näherungsweise die Leistung des gewichteten Verzerrungsspektrums über alle Frequenzen.
Ferner kann vor einer Normierung bei Verwendung einer komplexen Fourier- Transformation ein Absolutbetrag angewendet werden, um komplexe oder negative Zahlen auf deren Betrag zu reduzieren.
Der Kandidat mit dem geringsten skalaren Wert aus Gleichung (3) erzeugt ein
Verzerrungsspektrum, das gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren am nächsten am vorgegebenen Verzerrungsspektrum des Filters liegt. Entsprechend wird jener Kandidat in die Schaltersignale der Halbleiter umgewandelt und für einen nächsten Schaltertakt oder die nächsten Schaltertakte in dem Wechselrichter als Zustand eingenommen.
In einer Alternative zu dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Abweichungen des Kandidatenvektors zum Referenzsignal bzw. zum Referenzvektor aus Gleichung (1) vor der Fourier-Transformation über ein zeitliches Fenster, bestehend aus einem Teil in der Vergangenheit mit Dauer w bis zur Zeit t+tpredict integriert:
Figure imgf000013_0001
Mit der voranstehend erwähnten Fourier-Transformation (FT), der Gewichtung mit einem frequenzabhängigen Filter FM, und einer p-Norm über alle gewichteten Frequenzanteile erhält man als Rechenvorschrift für die Bestimmung der Qualitätszahl für einen
Kandidatenvektor VKJ
Figure imgf000013_0002
Die Integration führt allerdings zu einer Tiefpassfilterung der Verzerrung, die im Filter ausgeglichen werden sollte, indem das Filter näherungsweise proportional zum Inversen der Frequenz verläuft.
In weiterer Ausgestaltung dieser Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher, damit das Filter F weiterhin den gewünschten Frequenzverlauf des
Verzerrungsspektrums entsprechen kann, das Zeitintegral in der Fourier-Transformierten invers zur Frequenz w gewichtet:
Figure imgf000013_0003
Die Konstante a verhindert die Divergenz der Gleichstromanteile und erlaubt eine
Einstellung der Genauigkeit, mit der das Referenzsignal (Spannungs- oder Stromvorgabe) repräsentiert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren wurde zwar in dieser Anmeldung immer wieder beispielhaft an einem Zweilevel-Dreiphaseninverter beschrieben, ist aber generell nicht auf diesen beschränkt und kann für jeden Multilevelinverter verwendet werden.
Insbesondere ist eine Ermittlung von Vektoren in dem Raumzeigerdiagramm des jeweiligen Multilevelinverters für eine jedwede Zahl an Leveln möglich,
Ferner wird ein System beansprucht, das einen Wechselrichter, eine Strom- und/oder Spannungsquelle und einen den Wechselrichter steuernden Modulator umfasst, wobei das System dazu ausgelegt ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. In einer Ausführungsform des Systems weist der Modulator mindestens folgende Module auf: ein Nächstes-Nachbar-Modul, welches dazu ausgelegt ist, innerhalb eines
Raumzeigerdiagramms einer Raumzeigermodulation eine vorbestimmte Zahl von
Vektoren zu ermitteln, die sich zu einem innerhalb des Raumzeigerdiagramm der
Raumzeigermodulation zu lokalisierenden Referenzvektor eines Referenzsignals in nächster Nachbarschaft befinden; ein Historie-Modul, welches dazu ausgelegt ist, aus jedem Zeitschritt einer Anzahl vorangegangener Zeitschritte eine Historie von
Referenzvektoren und eines Vektors der mindestens einen Ausgangsgröße zu bilden; und ein Auswahl-Modul, welches dazu ausgelegt ist, unter Nutzung des Nächstes-Nachbar- Moduls und des Historie-Moduls den gemäß vorbestimmten Eigenschaften geeignetsten Vektor der mindestens einen Ausgangsgröße auszuwählen.
In einer weiteren Ausführungsform des Systems weist das Auswahl-Modul für jeden der ermittelten Vektoren eine eigene Pipeline auf, wobei das Auswahl-Modul dazu ausgelegt ist, eine Mehrzahl an Pipelines parallel abzuarbeiten. Ferner wird ein Modulator beansprucht, der dazu ausgelegt ist, unter Verwendung eines Referenzsignals als Eingangsgröße, Schalter eine Wechselrichters zu steuern, und dabei das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen, wobei der Modulator mindestens folgende Module aufweist: ein Nächstes-Nachbar-Modul, welches dazu ausgelegt ist, innerhalb eines Raumzeigerdiagramms einer Raumzeigermodulation eine vorbestimmte Zahl von Vektoren zu ermitteln, die sich zu einem innerhalb des Raumzeigerdiagramm der Raumzeigermodulation zu lokalisierenden Referenzvektor eines Referenzsignals in nächster Nachbarschaft befinden; ein Historie-Modul, welches dazu ausgelegt ist, aus jedem Zeitschritt einer Anzahl vorangegangener Zeitschritte eine Historie von
Referenzvektoren und eines Vektors der mindestens einen Ausgangsgröße zu bilden; und ein Auswahl-Modul, welches dazu ausgelegt ist, unter Nutzung des Nächstes-Nachbar- Moduls und des Historie-Moduls den gemäß vorbestimmten Eigenschaften geeignetsten Vektor der mindestens einen Ausgangsgröße auszuwählen. Schließlich wird ein Modulator beansprucht, der einen Wechselrichter steuert, dessen Leistungselektronik einen Halbleiter mit breitem Bandabstand verwendet. Beispielsweise ist das erfindungsgemäße Verfahren durch einen Modulator zur Steuerung eines
Wechselrichters ausführbar, der mit einem Halbleiter Galliumnitrid betrieben wird, und Spannungen im Bereich von 100V, Ströme im Bereich von 30 A und Schaltraten im Bereich von 500 kHz aufweist.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung zwei mögliche Aufgaben eines einen
Wechselrichter steuernden Modulators.
Figur 2 zeigt ein Raumzeigerdiagramm zur Auswahl von nächsten Nachbarn zu einem Vektor.
Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Modulators. Figur 4 zeigt in schematischer Darstellung eine mögliche Ausführungsform eines Moduls eines erfindungsgemäß vorgesehenen Modulators zur Auswahl eines geeigneten Vektors eines Ausgangssignals.
Figur 5 zeigt beispielhaft Schaltzustände und ein jeweils zugehöriges
Verzerrungsspektrum gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 6 zeigt in schematischer Darstellung ein Umfeld, in dem sich ein Elektrofahrzeug bewegt und welches zu einer Vorbestimmung der Eigenschaften des
Verzerrungsspektrums beiträgt.
Figur 7 zeigt in schematischer Darstellung eine weitere Ausführungsform eines Moduls eines erfindungsgemäß vorgesehenen Modulators zur Auswahl eines geeigneten Vektors mit Differenzbildung zum Referenzsignal rein im Phasenraum. Figur 8 zeigt beispielhaft ein Verzerrungsspektrum, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zu einer durchstimmbaren spektralen Lücke führt.
In Figur 1 werden in schematischer Darstellung zwei mögliche Aufgaben eines einen Wechselrichter steuernden Modulators 114 und 124 verdeutlicht. Einerseits stellt Zeichnung 110 einen Modulator 114 dar, der als ein Eingangssignal 112 ein zumindest abschnitsweise sinusförmiges Referenzsignal erhält, dieses mitels einer Raumzeigermodulation an eine Mehrzahl von quantisierten Ausgabemöglichkeiten des Wechselrichters anpasst, und dessen Ausgangssignale 116 aus jeweilig quantisierten Schaltsignalen für eine Mehrzahl an Phasen zur Steuerung des Wechselrichters bestehen. Andererseits stellt Zeichnung 120 einen erweiterten Modulator 124 dar, der als ein Eingangssignal 122 ein zumindest abschnitsweise sinusförmiges Referenzsignal erhält, dieses mitels einer Raumzeigermodulation an eine Mehrzahl von quantisierten
Ausgabemöglichkeiten des Wechselrichters anpasst, und dessen Ausgangssignale 126 aus unmitelbaren Schaltsignalen zur Steuerung des Wechselrichters bestehen
Für das Beispiel eines Zweilevelinverters zeigt Figur 2 ein Raumzeigerdiagramm zur erfindungsgemäßen Auswahl von drei Vektoren 210, 212, 214 der
Raumzeigermodulation, welche sich beispielhaft in nächster Nachbarschaft zu einem möglichen Vektor 208 des Referenzsignals befinden. Die Achse 202 bildet nach rechts den Winkel 0 oder 2 Pi und nach links den Winkel Pi. Die Achse 204 bildet nach oben den Winkel Pi/2 und nach unten den Winkel 3 Pi/2. Der Vektor 208 des Referenzsignals besitzt eine Amplitude A und einen Phasenwinkel f mit Bezugszeichen 206. Ein jeweiliger Vektor 210, 212, 214, 216, 218, 220, 222 der Raumzeigermodulation hat unmitelbar vom Wechselrichter zu verwirklichende Schalterstellungen zur Folge. Eine Sonderstellung besitzt der sogenannte Nullvektor 210, bei dem alle Schalter im Wechselrichter entweder geöffnet oder geschlossen sind. Weitere Schalterstellungen zu den Vektoren 212, 214, 216, 218, 220, 222 ergeben sich aus dem Stand der Technik. Zu einem Vektor 208 des Referenzsignals wird erfindungsgemäß in jedem Zeitschrit eine Zahl m von nächsten Vektoren im Raumzeigerdiagramm ermitelt, die im gezeigten Hexagon für das Beispiel eines Zweilevelinverters aus m=3 Vektoren besteht, die den Nullvektor 210 und jeweilig zwei Ecken des Hexagons umfassen. Für einen Phasenwinkel 206 des Referenzsignals größer 0 und kleiner gleich Pi/3 sind das 210, 212, 214, zwischen größer Pi/3 und kleiner gleich 2 Pi/3 sind das 210, 214, 216, zwischen größer 2 Pi/3 und kleiner gleich Pi sind das 210, 216, 218, zwischen größer Pi und kleiner gleich 4 Pi/3 sind das 210, 218, 220, zwischen größer 4 Pi/3 und kleiner gleich 5 Pi/3 sind das 210, 220, 222, und zwischen größer 5 Pi/3 und kleiner gleich 2 Pi, was auch einem Winkel von 0 entspricht, sind das 210, 222, 212.
Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Modulators. Ein zu einem Zeitschritt t aktueller Vektor vref=(A(t),(p(t))T des Referenzsignals 310, bestehend aus Amplitude A(t) und Phasenwinkel <p(t), bildet ein Eingangssignal zu einem Nächstes-Nachbar-Modul 302, welches innerhalb eines
Raumzeigerdiagramms einer Raumzeigermodulation eine vorbestimmte Zahl m von Vektoren, m größer oder gleich 1 , ermitteln kann, die sich zu einem innerhalb des Raumzeigerdiagramms der Raumzeigermodulation zu lokalisierenden Referenzvektor eines Referenzsignals in nächster Nachbarschaft befinden. Die ermittelten m Vektoren 312 werden an ein Auswahl-Modul 304 weitergeleitet. Außerdem wird der aktuelle Vektor Vref(t)=(A(t), <p(t))T des Referenzsignals 310 einem Historie-Modul 308 zugeführt, das diesen abspeichert. Außerdem hat das Historie-Modul 308 für n Zeitschritte, n größer oder gleich 1 , jeweilig vor dem aktuellen Zeitschritt die Werte des Vektors des
Referenzsignals {vref( t-i)h=i,...,n abgespeichert vorliegen. Weiterhin hält das Historie-Modul 310 auch die Werte für einen für n Zeitschritte jeweilig vor dem aktuellen Zeitschritt gewählten Vektor der Ausgangsgröße {vout(t-i)}i=i,...,n vor. Beide Wertereihen stehen als zeitliche Historie 316 der gewählten Ausgangsgröße {vout(t-i)}i=i,...,n und zeitliche Historie 318 des Vektors des Referenzsignals samt aktuellem Wert {vref( t-i)h=o,...,n dem Auswahl- Modul 304 zur Verfügung. Das Auswahl-Modul 304 führt nun unter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Auswahl des geeignetsten Vektors vout(t) für die aktuelle Ausgangsgröße 314 durch und leitet diesen, bzw. die damit verbundene
Schalterstellung an eine Hardware 306, insbesondere einen Wechselrichter, weiter. Außerdem wird der ausgewählte Vektor vout(t) für die aktuelle Ausgangsgröße 314 im Historie-Modul 308 abgespeichert.
Figur 4 zeigt in schematischer Darstellung eine mögliche Ausführungsform eines Moduls eines erfindungsgemäß vorgesehenen Modulators zur Auswahl eines geeigneten Vektors eines Ausgangssignals. Die m Eingangsvektoren 418 entstammen dem Nächstes- Nachbar-Modul 302 aus Figur 3 und bestehen aus den m ermittelten Vektoren, die sich zu einem innerhalb des Raumzeigerdiagramms der Raumzeigermodulation zu
lokalisierenden Referenzvektor eines Referenzsignals in nächster Nachbarschaft befinden. Für jeden dieser m Eingangsvektoren 418 liegt vorteilhaft eine Pipeline 404, 406, 408, 410, 412, 414 vor, die parallel abgearbeitet werden. In einem jeweiligen Modul 404 liegt ein dem jeweiligen Eingangsvektor zuzuordnender Wert einer
Phasenspannung vor, die im Beispiel eines Dreiphasen-Zweilevelinverters eine der drei Phasen repräsentiert. Vorteilhaft werden auch die anderen beiden Phasen in der gleichen Pipeline abgearbeitet. Modul 402 erhält aus dem Historie-Modul 308 in Figur 3 die n zeitlich zurückliegenden Werte für den Vektor des Referenzsignals samt aktuellem Wert, sowie die n zeitlich zurückliegenden Werte für den Vektor der Ausgangsgröße, wandelt beide Wertereihen in Werte für Spannungen um und leitet diese Werte zur
Differenzbildung an ein Differenz-Modul 406 weiter. Zusammen mit dem jeweiligen aktuellen Spannungswert für eine Ausgangsgröße aus dem jeweiligen Modul 404 wird die jeweilige Differenz zwischen Referenzsignal und vorgeschlagener Ausgangsgröße für n+1 Zeitschritte berechnet und jeweilig an ein Gewichtungsmodul 408 weitergeleitet. Im Gewichtungsmodul 408, das auch optional weggelassen werden kann, werden die Differenzen verschieden untereinander gewichtet. Beispielsweise ist es denkbar, zeitlich länger zurückliegende Differenzen schwächer zu gewichten als neuere, d.h. jüngere Differenzen. Es ist auch denkbar, ein Integral über die mit einem Filter multiplizierten Differenzen zu bilden und dieses beispielsweise gegenüber einer Summe von bei einer Realisierung des jeweiligen Vektors der Ausgangsgröße im Wechselrichter entstehenden Schaltverlusten zu gewichten. Eine Frequenztransformation, vorzugsweise eine Fourier- Transformation, erfolgt jeweilig im Frequenztransformationsmodul 410. Auf das jeweilig resultierende Frequenzspektrum wird optional in einem jeweiligen Filter-Modul 412 ein spektrales Filter angewendet, das bspw. einem Inversen eines gewünschten
Verzerrungsspektrums entspricht. Schließlich wird in einem jeweiligen Norm-Modul 414 eine mathematische Norm, beispielsweise eine p-Norm, auf das gefilterte Ergebnis angewendet, die eine einzige Qualitätszahl als Ergebnis liefert. Wurde mit mehr als einer Phase gerechnet, werden in der Normbildung auch die bspw. drei Phasen durch eine zweite p-Norm zu einer Gesamtqualitätszahl zusammengeführt. In einem nachfolgenden Bewertungs-Modul 416 liegen alle (Gesamt-)Qualitätszahlen vor und derjenige der ursprünglichen Eingangsvektoren 418, dessen (Gesamt-)Qualitätszahl einen kleinsten Wert aufweist, kommt zur Ausgabe 420 an die Hardware, respektive den Wechselrichter. In einer alternativen Ausführungsform wird der im jeweiligen Filter-Modul 412 ausgeführte spektrale Filter als Faltung im Zeitbereich, d.h. ohne Frequenztransformation im
Frequenztransformationsmodul 410 angewendet.
Figur 5 zeigt beispielhaft Schaltzustände und ein zugehöriges Frequenzspektrum gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Ausgabe 510 eines beispielhaft gewählten Dreiphaseninverters sieht in einem Zeitbereich 512 weitgehend identisch zu konventionellen pulsweitenmodulierten Wechselrichtern aus. Nach oben ist die Spannung 514 in Volt aufgetragen. Jedoch können in einem Spektralbereich 520, mit Leistungsdichte 524 nach oben und Frequenz 522 in kHz nach rechts aufgetragen, gezielte Verläufe erzwungen werden, beispielsweise eine nahezu flach abgeschnittene Oberkante des Verzerrungsspektrums. Z.B. entspricht das Inverse des für im
Spektralbereich 520 gezeigte Verzerrungsspektrum näherungsweise einem Rechteck, das einen Bereich von etwa 10 kHz bis 500 kHz in der Frequenz 522 und in der
Leistungsdichte 524 die höchste Spitze des Spektrums umfasst.
Figur 6 zeigt in schematischer Darstellung ein Umfeld, in dem sich ein Elektrofahrzeug 602 bewegt und welches zu einer Vorbestimmung der Eigenschaften des über die Frequenz 612 aufgetragenen Verzerrungsspektrums 610 beiträgt. So liefert
beispielsweise eine im Elektrofahrzeug 602 mitgeführte Datenbank 606 mittels von einem GPS-System 608 erhaltenen Ortsinformationen bestimmte Anforderungen an die Eigenschaften des Verzerrungsspektrums, die aus den jeweiligen Länderstandards resultieren. Auch stellen im Elektrofahrzeug 602 vorhandene elektronische Geräte 604, wie z.B. Radiotuner, GPS-Empfänger, oder alle Geräte, bei denen irgendein
Pulsmodulationsverfahren ausgeführt wird, Anforderungen an das durch einen
Wechselrichter hervorgerufene Verzerrungsspektrum 610. Figur 7 zeigt in schematischer Darstellung eine weitere Ausführungsform eines Moduls eines erfindungsgemäß vorgesehenen Modulators zur Auswahl eines geeigneten Vektors mit Differenzbildung zum Referenzsignal rein im Phasenraum. Die m Eingangsvektoren 702 entstammen dem Nächstes-Nachbar-Modul 302 aus Figur 3 und bestehen aus den m ermittelten Kandidatenvektoren VK , die sich zu einem innerhalb des
Raumzeigerdiagramms der Raumzeigermodulation zu lokalisierenden Referenzvektor eines Referenzsignals in nächster Nachbarschaft befinden. Für jeden dieser m
Eingangsvektoren 702 existiert vorteilhaft eine Pipeline 706, 708, 710, 712, 714, 718 und 720, die parallel abgearbeitet werden. In einem jeweiligen Modul 706 wird die Differenzbildung zum Referenzsignal 704 gemäß Gleichung (1) rein im Phasenraum gebildet und einem jeweiligen Modul 708 zugeführt, welches für jede Zeit raus einem Bereich des Zeitverlaufs gemäß Gleichung (2) eine skalare Funktion ausführt,
vorzugsweise eine Vektornorm. Das jeweilige Ergebnis 710 wird einer
Frequenztransformation 712 zugeführt, die das jeweilige zugehörige Spektrum 714 im Frequenzbereich berechnet und mit einem vorgegebenen Filter 716 mit Modul 718 gewichtet, und schließlich nach Ausführung einer p-Norm in Modul 720 der Bestimmung der Qualitätszahl gemäß Gleichung (3) in Modul 722 zugeführt. Der Kandidat mit dem geringsten skalaren Wert aus Gleichung (3) erzeugt ein Verzerrungsspektrum, das gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren am nächsten am vorgegebenen Verzerrungsspektrum des Filters liegt. Entsprechend wird jener Kandidat dem Wechselrichter als nächster Schalterzustand 724 vermittelt.
Figur 8 zeigt beispielhaft ein Verzerrungsspektrum, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zu einer durchstimmbaren spektralen Lücke 808 führt. Aufgetragen ist in Graph 800 die Frequenz 802 in Hertz nach rechts und die Leistungsdichte 804 nach oben, desgleichen im Inset 810. Durch die durchgezogene Linie 806 ist sowohl in Graph 800 wie im Inset 810 eine bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bspw. zu vermeidende Spektrallinie bei 50 Hz angedeutet. Generell ist es durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, spektrale Lücken im Verzerrungsspektrum zu erzeugen. Aufgrund einer dynamischen Regelung des Spektrums können die spektralen Lücken 808 ferner adaptiv verändert, beispielsweise in der Breite verändert oder über einen weiten Spektralbereich durchgestimmt, werden. Moderne Fahrzeuge senden beispielsweise die Empfangsfrequenz des Radioempfängers an diverse Steuergeräte. Entsprechend kann die Leistungselektronik basierend auf derartigen Informationen eine oder mehrere spektrale Lücken 808 dynamisch erzeugen und beispielsweise bei einem Sendersuchlauf dynamisch mitfahren.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steuerung eines Verzerrungsspektrums (520, 610), welches bei einem schalterbasierten Wechselrichter (306), der mindestens eine Ausgangsgröße moduliert, durch Raumzeigermodulation entsteht, gekennzeichnet dadurch, dass zu je einem zeitlich nächsten Schaltvorgang verschiedene Schalterstellungen ermittelt werden, welche eine Modulation der mindestens einen einem vorgegebenen Referenzsignal (112, 122, 208, 310) näherungsweise folgenden Ausgangsgröße (510) bewirken, ein jeweiliges Verzerrungsspektrum (520, 610) von Abweichungen zwischen dem Referenzsignal (112, 122, 208, 310) und der mindestens einen Ausgangsgröße (510), das aus einer jeweiligen Realisierung dieser verschiedenen Schalterstellungen entstehen würde, berechnet wird, und diejenige Schalterstellung ausgewählt und im Wechselrichter (306) realisiert wird, bei der das zugehörige Verzerrungsspektrum (520, 610) gemäß vorbestimmter Eigenschaften am geeignetsten ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem eine Mehrzahl an Ausgangsgrößen als eine Mehrzahl an Phasen eines Wechselstroms und/oder einer Wechselspannung gewählt werden.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem als mindestens eine der vorbestimmten Eigenschaften zur Auswahl der jeweiligen Schalterstellungen eine mittlere Schaltrate gewählt wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem als mindestens eine der vorbestimmten Eigenschaften bestimmt wird, dass das zu der auszuwählenden Schalterstellung zugehörige Verzerrungsspektrum (510, 610) in einem vorgegebenen Bereich eine spektrale Lücke aufweist.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem zu der Modulation der mindestens einen Ausgangsgröße des Wechselrichters (306) ein Modulator (114,
124) verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem als Modulator ein Modulator (114, 124) verwendet wird, der mindestens ein Schaltsignal (126) für den Wechselrichter (306) erzeugt.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 oder 6, welches mittels des Modulators (114, 124) innerhalb eines Raumzeigerdiagramms der Raumzeigermodulation eine
vorbestimmte Zahl von Vektoren (418) ermittelt, die sich zu einem innerhalb des
Raumzeigerdiagramms der Raumzeigermodulation zu lokalisierenden Vektor (208) des Referenzsignals in nächster Nachbarschaft (210, 212, 214) befinden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem ein sich in nächster Nachbarschaft befindlicher Nullvektor (210) so gewählt wird, dass sich bei einem zu seiner Einstellung notwendigen Wechsel der Schalterstellung ein Schaltverlust minimiert und/oder sich ein zum Wechsel der Schalterstellung notwendiger Strom minimiert.
9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem für die ermittelten Vektoren (418) eine jeweilige Differenz zum Vektor des Referenzsignals (112, 122, 208, 310) bestimmt wird, aus dieser jeweiligen Differenz und jeweiligen Differenzen zwischen Vektoren der mindestens einen Ausgangsgröße (510) und Vektoren des Referenzsignals (112, 122, 208, 310) aus einer Mehrzahl von unmittelbar vorangegangenen Zeitschriften ein zeitlicher Verlauf (304, 406) der Differenzen erstellt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem eine Differenzbildung (706) zwischen den ermittelten Vektoren (702) und dem Vektor des Referenzsignals (704) ausschließlich im Phasenraum stattfindet.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem der zeitliche Verlauf der Differenzen für die mindestens eine Ausgangsgröße (510) in den Frequenzraum in ein
Verzerrungsspektrum (520, 610) transformiert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , bei dem auf das durch die Transformation in den Frequenzraum erhaltene Spektrum ein Filter angewendet wird.
13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem eine über das Verzerrungsspektrum (520, 610) der mindestens einen Ausgangsgröße (510) gebildete Norm auf eine Qualitätszahl zurückgeführt wird, mit Hilfe derer das geeignetste
Verzerrungsspektrum (520, 610) und damit die zugehörige Schalterstellung ausgewählt werden.
14. Verfahren nach den Anspruch 13, bei dem bei einer Mehrzahl von Ausgangsgrößen eine Gesamtqualitätszahl aus der Aufsummierung der jeweiligen Qualitätszahlen der jeweiligen entsprechend mehreren Ausgangsgrößen gewonnen wird und mit deren Hilfe eine geeignetste Schalterstellung ausgewählt wird.
15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem als Wechselrichter (306) ein Multilevelinverter verwendet wird.
16. System, das einen Wechselrichter (306), eine Strom- und/oder Spannungsquelle und einen den Wechselrichter (306) steuernden Modulator umfasst, wobei das System dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche
auszuführen.
17. System nach Anspruch 16, dessen Modulator (114, 124) mindestens folgende Module aufweist: ein Nächstes-Nachbar-Modul (302), das dazu ausgelegt ist, innerhalb eines Raumzeigerdiagramms einer Raumzeigermodulation eine vorbestimmte Zahl von Vektoren (312) zu ermitteln, die sich zu einem innerhalb des Raumzeigerdiagramms der Raumzeigermodulation zu lokalisierenden Referenzvektor (208) eines Referenzsignals in nächster Nachbarschaft befinden; ein Historie-Modul (308), welches dazu ausgelegt ist, aus jedem Zeitschritt einer Anzahl vorangegangener Zeitschritte eine Historie von Referenzvektoren und eines Vektors der mindestens einen Ausgangsgröße zu bilden; und ein Auswahl-Modul (304), welches dazu ausgelegt ist, unter Nutzung des Nächstes- Nachbar-Moduls (302) und des Historie-Moduls (308) den geeignetsten Vektor der mindestens einen Ausgangsgröße auszuwählen.
18. System nach Anspruch 17, bei dem das Auswahl-Modul (304) für jeden der ermittelten Vektoren eine eigene Pipeline (404, 406, 408, 410, 412, 414) aufweist und dazu ausgelegt ist, eine Mehrzahl an Pipelines (404, 406, 408, 410, 412, 414) parallel abzuarbeiten.
19. Modulator (114, 124), der dazu ausgelegt ist, unter Verwendung eines
Referenzsignals (112, 122, 208, 310) als Eingangsgröße, Schalter eines
Wechselrichters (306) zu steuern, und dabei ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 auszuführen, wobei der Modulator (114, 124) mindestens folgende Module aufweist: ein Nächstes-Nachbar-Modul (302), welches dazu ausgelegt ist, innerhalb eines Raumzeigerdiagramms einer Raumzeigermodulation eine vorbestimmte Zahl von Vektoren (312) zu ermitteln, die sich zu einem innerhalb des Raumzeigerdiagramms der Raumzeigermodulation zu lokalisierenden Referenzvektor (208) eines Referenzsignals (310) in nächster Nachbarschaft befinden; ein Historie-Modul (308), welches dazu ausgelegt ist, aus jedem Zeitschritt einer Anzahl vorangegangener Zeitschritte eine Historie von Referenzvektoren und eines Vektors der mindestens einen Ausgangsgröße zu bilden; und ein Auswahl-Modul (304), welches dazu ausgelegt ist, unter Nutzung des Nächstes-Nachbar-Moduls (302) und des Historie-Moduls (308) den geeignetsten Vektor des Ausgangssignals auszuwählen.
20. Modulator (114, 124) nach Anspruch 19, der einen Wechselrichter (306) steuert, dessen Leistungselektronik einen Halbleiter mit breitem Bandabstand verwendet.
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