WO2020151968A1

WO2020151968A1 - Verfahren und vorrichtung zur ansteuerung einer elektrischen maschine und elektrisches antriebssystem

Info

Publication number: WO2020151968A1
Application number: PCT/EP2020/050623
Authority: WO
Inventors: Thomas ZELTWANGER
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2020-01-13
Publication date: 2020-07-30
Also published as: EP3914469A1; DE102019200919A1; CN113302080A; US20220103112A1

Abstract

Ansteuerung einer elektrischen Maschine mit einem Wechsel zwischen zeitsynchroner PWM-Taktung und winkelsynchroner Blocktaktung. Es wird vorgeschlagen, für den Übergang eine winkelsynchrone Taktung mit einstellbarer Spannungszeigerlänge vorzusehen. Auf diese Weise können Sprünge im Betriebsverhalten der elektrischen Maschine bei einem Wechsel zwischen zeitsynchroner Taktung und winkelsynchroner Taktung minimiert oder gegebenenfalls ganz verhindert werden.

Description

Beschreibung

Titel

Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine und elektrisches Antriebssystem

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine und ein elektrisches

Antriebssystem mit einer solchen Vorrichtung.

Stand der Technik

Elektrische Antriebssysteme gewinnen zunehmend an Bedeutung.

Beispielsweise werden für Antriebssysteme von ganz oder teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen moderne elektrische Antriebssysteme benötigt. Bei einem elektrischen Antrieb, der zum Beispiel in einem Elektrofahrzeug eingesetzt wird, wird eine elektrische Maschine von einer mehrphasigen Wechselspannung gespeist. Diese Wechselspannung kann beispielsweise von einem elektrischen Stromrichter bereitgestellt werden. Dieser elektrische Stromrichter kann zum Beispiel von einer Gleichspannungsquelle wie zum Beispiel einer

Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs gespeist werden. Für das Erzeugen der Wechselspannung erfolgt somit eine Modulation der Gleichspannung, um an der elektrischen Maschine eine gewünschte Drehfrequenz und/oder ein gewünschtes Drehmoment hervorzurufen. Diese Wechselspannung wird beispielsweise durch Ein- und Ausschalten von Leistungsschaltern in dem Stromrichter erzeugt.

Hierbei können verschiedene Modulationsverfahren eingesetzt werden.

Insbesondere wird zwischen zeitsynchronen und winkelsynchronen Verfahren unterschieden. Bei einem zeitsynchronen Verfahren kann beispielsweise mittels Pulsbreitenmodulation (Englisch: pulsewidth modulation, PWM) ein

Spannungssignal moduliert werden. Hierbei wird jeder Leistungsschalter des Stromrichters pro PWM-Periode maximal einmal ein- und ausgeschaltet. Bei einem winkelsynchronen Verfahren werden die Leistungsschalter abhängig vom elektrischen Winkel der Maschine ein- oder mehrmals pro Periode ein- und ausgeschaltet.

Die Druckschrift EP 1 441 436 Al offenbart ein Regelsystem mit einer

Hardwareeinheit zur Regelung einer elektrischen Maschine. Insbesondere kann die Regelung der elektrischen Maschine wahlweise im PWM- oder Blockbetrieb erfolgen.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine, eine Vorrichtung zum Ansteuern einer elektrischen Maschine und ein elektrisches Antriebssystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Demgemäß ist vorgesehen:

Ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine mit den Schritten des Ansteuerns der elektrischen Maschine in einem Erstbetriebsmodus unter Verwendung einer zeitsynchronen Taktung mit einer vorbestimmten maximalen ersten Spannungszeigerlänge, einem Schritt zum Ansteuern der elektrischen Maschine in einem zweiten Betriebsmodus unter Verwendung einer

winkelsynchronen Taktung mit einer einstellbaren zweiten

Spannungszeigerlänge und einem Schritt zum Ansteuern der elektrischen Maschine in einem dritten Betriebsmodus unter Verwendung einer

winkelsynchronen Blocktaktung mit einer vorbestimmten dritten

Spannungszeigerlänge.

Weiterhin ist vorgesehen:

Eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine mit einem Stromrichter und einer Steuereinrichtung. Der Stromrichter ist dazu ausgelegt, mit einer elektrischen Maschine gekoppelt zu werden. Der Stromrichter ist ferner dazu ausgelegt, eine elektrische Spannung unter Ansteuerung der elektrischen Maschine bereitzustellen. Insbesondere ist der Stromrichter dazu ausgelegt, die elektrische Spannung unter Verwendung von Steuersignalen von der

Steuereinrichtung bereitzustellen. Die Steuereinrichtung ist mit dem Stromrichter elektrisch gekoppelt. Ferner ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt,

Steuersignale zur Ansteuerung des Stromrichters bereitzustellen.

Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, die elektrische Maschine in einem ersten Betriebsmodus unter Verwendung einer zeitsynchronen Taktung mit einer vorbestimmten maximalen ersten Spannungszeigerlänge anzusteuern. Weiterhin ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, die elektrische Maschine in einem zweiten Betriebsmodus unter Verwendung einer winkelsynchronen Taktung mit einer einstellbaren zweiten Spannungszeigerlänge anzusteuern. Schließlich ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, die elektrische Maschine in einem dritten Betriebsmodus unter Verwendung einer winkelsynchronen

Blocktaktung mit einer vorbestimmten dritten Spannungszeigerlänge

anzusteuern. Die vorbestimmte dritte Spannungszeigerlänge kann dabei insbesondere konstant und fest vorgegeben sein.

Schließlich ist vorgesehen:

Ein elektrisches Antriebssystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ansteuerung der elektrischen Maschine und einer elektrischen Maschine, die mit dem Stromrichter der Vorrichtung zur Ansteuerung der elektrischen Maschine elektrisch gekoppelt ist.

Vorteile der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zur Ansteuerung elektrischer Maschine verschiedene Ansteuerverfahren möglich sind.

Insbesondere können die Wechselspannungen für das Ansteuern einer elektrischen Maschine unter Verwendung einer zeitsynchronen Taktung oder alternativ unter Verwendung einer winkelsynchronen Taktung generiert werden. Je nach Betriebszustand können dabei unterschiedliche Ansteuerverfahren vorteilhaft sein. Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, dass ein Übergang zwischen einer PWM-synchronen Taktung und einer winkelsynchronen Blocktaktung eine Herausforderung darstellt.

Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Ansteuerung für eine elektrische Maschine zu schaffen, die einen verbesserten Übergang zwischen einer PWM-synchronen und einer winkelsynchronen Taktung ermöglicht. Für einen möglichst optimalen Betrieb ist es vorgesehen, drei verschiedene Betriebsmodi für das Erzeugen der elektrischen Spannungen zur Ansteuerung der elektrischen Maschine einzusetzen. In einem ersten Betriebsmodus können die elektrischen Spannungen zur Ansteuerung der elektrischen Maschine unter Verwendung einer zeitsynchronen Taktung, insbesondere einer PWM-Taktung, generiert werden. Eine solche Taktung ermöglicht gerade für kleinere

Spannungszeiger bis zu einer gewissen maximalen Spannungszeigerlänge eine sehr gute Regelung der Ausgangsspannungen bzw. Ausgangsströme in einem Stromrichter für das Ansteuern der elektrischen Maschine. Darüber hinaus ist eine solche zeitsynchrone Taktung insbesondere für nur langsam rotierende oder gar stillstehende elektrische Maschinen vorteilhaft. Für sehr hohe

Ausgangsspannungen, insbesondere bei höheren Motordrehzahlen ist dagegen eine winkelsynchrone Taktung, insbesondere eine winkelsynchrone Blocktaktung für das Erzeugen der elektrischen Spannungen in dem Stromrichter zur

Ansteuerung der elektrischen Maschine vorteilhaft.

Pulsbreitenmodulierte Verfahren erreichen aufgrund theoretischer und praktischer Grenzen nur einen Modulationsindex < 1. Je höher der stellbare Modulationsindex desto höher ist die Spannungsausbeute der Span

nungsmodulation am Elektromotor bei gleicher Batteriespannung.

Der gestellte Modulationsindex ist eine normierte Größe, welche sich direkt aus der Spannungszeigerlänge ergibt. Er definiert sich als Quotient aus

Spannungszeigerlänge und der Spannungsamplitude beim Blockbetrieb. Beim Blockbetrieb entspricht die Spannunfgsamplitude der verfügbaren

Eingangsspannung, der Batteriespannung. Beispielsweise ist gegenwärtig mit konventionellen PWM-Verfahren ohne Übermodulation ein Modulationsindex von maximal etwa 0,907 zu erreichen. Im Blockbetrieb bei winkelsynchroner

Blocktaktung dagegen liegt der Modulationsindex bei 1. Bei einem direkten Übergang von einer PWM-synchronen Taktung zu einer winkelsynchronen Blocktaktung muss dieser Unterschied im Modulationsindex daher sprunghaft überwunden werden. Ein solcher Übergang wirkt sich jedoch akustisch, elektrisch und auch mechanisch negativ auf das Gesamtsystem aus.

Zur Vermeidung dieses sprunghaften Übergangs ist es daher erfindungsgemäß vorgesehen, für den Übergang zwischen zeitsynchroner PWM-Taktung und winkelsynchroner Blocktaktung einen weiteren Betriebsmodus vorzusehen, bei welchem die Taktung winkelsynchron mit einer einstellbaren Spannungszeigerlänge erfolgt. Hierzu sind grundsätzlich beliebige

winkelsynchrone Regelverfahren möglich, welche eine Variation der

Spannungszeigerlänge erlauben. Insbesondere kann beispielsweise eine nachfolgend noch näher erläuterte Dreifach-Mittelpulstaktung eingesetzt werden.

Durch die Verwendung einer winkelsynchronen Taktung mit einstellbarer Spannungszeigerlänge kann insbesondere der Modulationsindex von dem limitierten Modulationsindex einer zeitsynchronen PWM-Taktung bis hin zu dem Modulationsindex von 1 der winkelsynchronen Blocktaktung hin stetig angepasst werden. Auf diese Weise können Sprünge vermieden werden.

Gemäß einer Ausführungsform erfolgt ein Übergang zwischen dem Ansteuern der elektrischen Maschine in dem ersten Betriebsmodus und dem Ansteuern der elektrischen Maschine in dem dritten Betriebsmodus mittels dem Ansteuern der elektrischen Maschine in dem zweiten Betriebsmodus. Wie zuvor bereits ausgeführt, kann durch eine winkelsynchrone Taktung mit einer variabel einstellbaren Spannungszeigerlänge ein stetiger Übergang zwischen der maximalen Spannungszeigerlänge während der zeitsynchronen Taktung im ersten Betriebsmodus und der Spannungszeigerlänge bei der winkelsynchronen Blocktaktung erreicht werden. Auf diese Weise kann das Betriebsverhalten des elektrischen Antriebssystems beim Übergang zwischen zeitsynchroner Taktung und Blocktaktung verbessert werden.

Gemäß einer Ausführungsform wird während des Übergangs von dem ersten Betriebsmodus zu dem dritten Betriebsmodus die einstellbare zweite

Spannungszeigerlänge stetig von der vorbestimmten maximalen ersten

Spannungszeigerlänge für die zeitsynchrone Taktung bis hin zu der

vorbestimmten dritten Spannungszeigerlänge der winkelsynchronen

Blocktaktung geregelt. Durch das stetige Anpassen der einstellbaren zweiten Spannungszeigerlänge kann ein kontinuierlicher Übergang zwischen der zeitsynchronen Taktung und der winkelsynchronen Blocktaktung erreicht werden. Insbesondere können somit Sprünge vermieden werden. Dies wirkt sich sowohl auf das mechanische Verhalten, als auch auf die akustischen Eigenschaften positiv aus.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der zweite Betriebsmodus eine

Mittelpulsdreifachtaktung. Bei einer Mittelpulsdreifachtaktung können, ausgehend von einer Blocktaktung, zwei weitere Schaltvorgänge vorgesehen sein. Die beiden zusätzlichen Schaltvorgänge können beispielsweise symmetrisch zur Mitte des Blocks erfolgen. Auf diese Weise wird ein Einzelblock einer

Blocktaktung in zwei symmetrische Teilblöcke unterteilt, wobei die Gesamtlänge der beiden Teilblöcke kürzer ist als die Blocklänge eines Blocks während der Blocktaktung. Auf diese Weise kann eine winkelsynchrone Taktung mit verringerter Spannungszeigerlänge erreicht werden.

Gemäß einer Ausführungsform wird die Pulsbreite des Mittelpulses der Mittelpulsdreifachtaktung unter Verwendung der einstellbaren zweiten

Spannungszeigerlänge eingestellt. Durch die Variation der Pulsbreite des Mittelpulses kann dabei die zweite Spannungszeigerlänge angepasst werden. Insbesondere kann die Spannungszeigerlänge im Vergleich zu der maximal erzielbaren Spannungszeigerlänge bei Blocktaktung vermindert werden.

Gemäß einer Ausführungsform erfolgt ein Übergang von dem zweiten

Betriebsmodus zu dem dritten Betriebsmodus, wenn die Pulsbreite des

Mittelpulses der Mittelpulsdreifachtaktung eine vorbestimmte Mindestpulsbreite unterschreitet. Die Mindestpulsbreite definiert, welche Zeit nicht unterschritten werden darf, während dessen ein Schaltelement des Stromrichters ein- und ausgeschaltet wird oder entsprechend umgekehrt. Die Mindestpulsbreite kann dabei beispielsweise aufgrund der Bauelementeigenschaften, insbesondere der Eigenschaften der Schaltelemente, in einem Stromrichter vorgegeben sein. Darüber hinaus können gegebenenfalls auch Totzeiten oder weitere

charakteristische Parameter für das Spezifizieren der Mindestpulsbreite berücksichtigt werden.

Gemäß einer Ausführungsform wird während eines Übergangs von dem dritten Betriebsmodus zu dem ersten Betriebsmodus die einstellbare zweite

Spannungszeigerlänge in dem zweiten Betriebsmodus stetig von einem vorbestimmten dritten Spannungszeiger bis zu dem vorbestimmten maximalen ersten Spannungszeiger geregelt. Auf diese Weise kann auch ein stetiger, kontinuierlicher Übergang von der winkelsynchronen Blocktaktung zur zeitsynchronen PWM-Taktung erreicht werden.

In einer Ausführungsform umfasst die zweite synchrone Taktung eine

Pulsbreitenmodulation. Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den

Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder

Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der vorliegenden Erfindung hinzufügen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1: eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds eines

elektrischen Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform;

Figur 2: eine schematische Darstellung einer zeitsynchronen Taktung;

Figur 3: eine schematische Darstellung einer winkelsynchronen Blocktaktung;

Figur 4: eine schematische Darstellung einer winkelsynchronen Taktung für eine einstellbare Spannungszeigerlänge; und

Figur 5: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms wie es einem

Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.

Beschreibung der Ausführungsformen

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds eines elektrischen Antriebssystems 1 mit einer Vorrichtung 10 zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine 30. Das elektrische Antriebssystem 1 umfasst

beispielsweise eine elektrische Maschine 30, die von einem Stromrichter 11 gespeist werden kann. Hierzu kann der Stromrichter 11 beispielsweise von einer Gleichspannungsquelle wie einer Batterie 30 oder ähnlichem gespeist werden. Das hier dargestellte Beispiel einer dreiphasigen elektrischen Maschine 30 dient nur dem besseren Verständnis und stellt dabei keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung dar. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige elektrische Maschinen 30 mit einer von drei abweichenden Anzahl von elektrischen Phasen möglich. Beispielsweise kann es sich auch um eine sechsphasige elektrische Maschine 30 oder um eine elektrische Maschine 30 mit einer beliebigen anderen Anzahl von Phasen handeln. Zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 30 kann der Stromrichter 11 die von der Batterie 20 bereitgestellte Gleichspannung in eine geeignete Wechselspannung

konvertieren. Im Falle einer dreiphasigen elektrischen Maschine 30 kann der Stromrichter 11 beispielsweise die Gleichspannung in eine dreiphasige

Wechselspannung umwandeln. Hierbei kann insbesondere die Amplitude der Wechselspannung und/oder der Wert des Ausgangsstroms vom Stromrichter 11 zur elektrischen Maschine 30 auf Grundlage eines vorgegebenen Sollwertes S eingestellt werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Stromrichter 11 um einen Stromrichter mit mehreren Halbbrücken handeln. Insbesondere kann der Stromrichter 11 für jede Phase der elektrischen Maschine 30 mindestens eine Halbbrücke mit zwei Schaltelementen umfassen. So kann der Stromrichter 11 für eine dreiphasige elektrische Maschine 30 beispielsweise eine B6-Topologie aufweisen. Die Schaltelemente des Stromrichters 11 können dabei unter

Verwendung der Sollwertvorgabe S von der Steuereinrichtung 12 mittels geeigneter Steuersignale angesteuert werden. Hierbei kann die

Steuereinrichtung 12 beispielsweise für jedes Schaltelement des Stromrichters 11 ein Steuersignal bereitstellen, um das entsprechende Schaltelement zu öffnen oder zu schließen. In der nachfolgenden Beschreibung wird insbesondere das Steuersignal für ein Schaltelement der Schaltelemente eines Stromrichters 11 beschrieben. Die Steuersignale der übrigen Schaltelemente werden auf gleiche Weise gebildet. Dabei erfolgt die Ansteuerung eines oberen Schaltelements einer Halbbrücke komplementär zu der Ansteuerung des korrespondierenden unteren Schaltelements. Darüber hinaus sind gegebenenfalls auch Totzeiten oder ähnliches zu berücksichtigen.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ansteuersignals einer zeitsynchronen Taktung für die Ansteuerung eines Schaltelements in einem Stromrichter 11 zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 30. Zum besseren Verständnis sind hierbei nur wenige Pulse für eine Periode des Ausgangssignals dargestellt. Wie in Figur 2 zu erkennen ist, erfolgt die Ansteuerung des

Schaltelements in dem Stromrichter 11 auf Grundlage eines festen Zeitrasters mit der Periodendauer T. Innerhalb jedes Zeitrasters wird das entsprechende Schaltelement maximal einmal ein- und ausgeschaltet. Durch die Variation des Verhältnisses zwischen Einschaltdauer und Ausschaltdauer kann die

Spannungshöhe des Ausgangssignals entsprechend eingestellt werden.

Beispielsweise kann die Periodendauer T eines Takts 100 ps betragen, so dass die Taktfrequenz des Signals 10 kHz beträgt. Darüber hinaus sind

selbstverständlich auch beliebige andere Periodendauern T bzw. Taktfrequenzen möglich. Wie in Figur 2 weiter zu erkennen ist, ergibt sich in Abhängigkeit von der Einschaltdauer eines Pulses eine korrespondierende Spannungshöhe des Ausgangssignals A.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Steuersignals für die

Ansteuerung eines Schaltelements in dem Stromrichter 11 für eine

winkelsynchrone Blocktaktung. Wie hierbei zu erkennen ist, ist das

entsprechende Schaltelement für eine halbe Periodendauer T des

Ausgangssignals eingeschaltet, und für eine weitere halbe Periodendauer ausgeschaltet. Die Periodendauer T variiert dabei in Abhängigkeit der Frequenz des Ausgangssignals A. Darüber hinaus kann jedoch die Amplitude des

Ausgangssignals A bei einer winkelsynchronen Blocktaktung nicht beeinflusst werden.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Steuersignals für ein

Halbleiterschaltelement eines Stromrichters 11 für eine winkelsynchrone Taktung mit einstellbarer Spannungszeigerlänge, insbesondere für eine

Mittelpulsdreifachtaktung. Auch hierbei ist die Periodendauer T abhängig von der Frequenz des Ausgangssignals A. Die Mittelpulsdreifachtaktung unterscheidet sich von der in Figur 3 beschriebenen Blocktaktung dadurch, dass für jede Halbwelle des Ausgangssignals A zwei weitere Schaltvorgänge vorgesehen sind. Hierbei ist jeweils symmetrisch zur Mitte einer halben Periodendauer ein Ein- und ein Ausschaltvorgang vorgesehen. Durch diese zusätzlichen Ein- bzw.

Ausschaltvorgänge entsteht jeweils zur Mitte eines Blocks im Bereich von Antriebssystem Spannungszeigerlänge TT/4 und 3TT/4 jeweils ein Mittelpuls M mit einer Pulsbreite t_M. Dieser Mittelpuls M führt dazu, dass die Amplitude des Ausgangssignals A bei einer Mittelpulsdreifachtaktung geringer ist, als die Amplitude eines Ausgangssignals A’, wie es bei einer winkelsynchronen

Blocktaktung der Fall wäre. Zur besseren Veranschaulichung ist das

Ausgangssignal A gemäß der Mittelpulsdreifachtaktung als durchgezogene Linie dargestellt, und das Ausgangssignal A’ einer winkelsynchronen Blocktaktung als gestrichelte Linie. Durch Variation der Pulsbreite t_M des Mittelpulses M kann somit die

Spannungszeigerlänge variiert werden.

Im realen Betrieb ist es dabei nicht möglich, die Zeit zwischen einem

Einschaltvorgang und einem daraus folgenden Ausschaltvorgang bzw. einem Ausschaltvorgang und einem darauffolgenden Einschaltvorgang beliebig kurz zu wählen. Vielmehr sind hierbei vorgegebene Rahmenbedingungen einzuhalten. Daher kann auch die Pulsbreite t_M des Mittelpulses M nicht beliebig kurz gewählt werden. Soll im Rahmen der Regelung einer elektrischen Maschine 30 beispielsweise der Spannungszeiger erhöht werden, so wird bei einer zeitsynchronen Taktung die Pulsbreite t_M des Mittelpulses M zunehmend verkürzt. Erreicht dabei die Pulsbreite t_M des Mittelpulses M die minimal einstellbare Pulsbreite, so erfolgt ein unmittelbarer Übergang zur

winkelsynchronen Blocktaktung ohne Mittelpuls M, wie dies zuvor im

Zusammenhang mit Figur 3 beschrieben worden ist. Umgekehrt kann, wenn die Spannungszeigerlänge im Rahmen einer Regelung abgesenkt werden soll, erst dann von der winkelsynchronen Blocktaktung in die Mittelpulsdreifachtaktung übergegangen werden, wenn der Mittelpuls M eine Pulsbreite t_M aufweist, welche mindestens die erforderliche Mittelpulsbreite aufweist.

Für den Betrieb des elektrischen Antriebssystems mit der elektrischen Maschine 30 ist es möglich, je nach Betriebszustand zwischen den oben beschriebenen Ansteuerverfahren zu wechseln. Insbesondere bei Stillstand oder geringen Drehzahlen der elektrischen Maschine 30 erfolgt die Ansteuerung vorzugsweise auf Basis einer zeitsynchronen Taktung gemäß der im Zusammenhang mit Figur 2 beschriebenen pulsbreitenmodulierten Taktung. Die zeitsynchrone Taktung auf Basis des PWM-Verfahrens ermöglicht dabei in der Regel nur eine Modulation bis zu einem Modulationsgrad von etwa 0,907. Gegebenenfalls kann der Modulationsgrad durch den Einsatz einer Übermodulation noch etwas erhöht werden. Allerdings ist eine derartige Übermodulation auch mit Nachteilen verbunden, so dass sie gegebenenfalls nicht erwünscht ist.

Die winkelsynchrone Blocktaktung wie sie im Zusammenhang mit Figur 3 beschrieben wurde, weist dagegen einen Modulationsgrad von 1 auf.

Entsprechend ist diese winkelsynchrone Blocktaktung auch mit einem festen Spannungszeiger verbunden. Bei einem direkten Übergang von der

zeitsynchronen pulsbreitenmodulierten Taktung zur winkelsynchronen Blocktaktung muss daher der Unterschied des Modulationsgrades vom Maximum der PWM-Taktung zur Blocktaktung sprunghaft überwunden werden.

Um einen derartigen Sprung zu vermeiden, kann während des Übergangs eine winkelsynchrone Taktung mit variabler Spannungszeigerlänge erfolgen, wie sie exemplarisch im Zusammenhang mit Figur 3 beschrieben worden ist.

Hierbei kann beispielsweise für die Ansteuerung der elektrischen Maschine 3 zunächst eine zeitsynchrone PWM-Taktung erfolgen. Eine derartige

zeitsynchrone PWM-Taktung kann beispielsweise bis zu einer vorbestimmten maximalen Spannungszeigerlänge erfolgen. Soll ausgehend von der PWM- Taktung in eine winkelsynchrone Taktung übergegangen werden, so erfolgt zunächst eine winkelsynchrone Taktung mit variabler Spannungszeigerlänge, beispielsweise einer Mittelpulsdreifachtaktung, wie sie im Zusammenhang mit Figur 4 beschrieben worden ist. Grundsätzlich sind jedoch auch andere

Ansteuerverfahren für einer winkelsynchrone Taktung mit variabler

Spannungszeigerlänge möglich. Durch Variation der Pulsbreite t_M des

Mittelpulses M kann dabei die Spannungszeigerlänge variiert werden.

Gegebenenfalls ist hierbei zu berücksichtigen, dass die Rotationsgeschwindigkeit der elektrischen Maschine eine ausreichend hohe elektrische Frequenz aufweist, wie sie für eine winkelsynchrone Taktung erforderlich ist. Im weiteren Verlauf kann die Spannungszeigerlänge während der winkelsynchronen Taktung stetig angepasst und insbesondere erhöht werden. Erreicht die Spannungszeigerlänge während der winkelsynchronen Taktung einen oberen Grenzwert, so kann relativ problemlos in die winkelsynchrone Blocktaktung ohne Mittelpuls übergegangen werden. Dies kann insbesondere dann erfolgen, wenn die Pulsbreite t_M des Mittelpulses M eine zuvor festgelegte Mindestpulsbreite unterschreitet.

Analog kann ausgehend von der winkelsynchronen Blocktaktung in die winkelsynchrone Taktung, beispielsweise die in Figur 4 beschriebene

Mittelpulsdreifachtaktung gewechselt werden, wobei hierbei der Mittelpuls ebenfalls mindestens die erforderliche Mindestpulsbreite aufweisen muss.

Daraufhin kann die Spannungszeigerlänge stetig variiert und insbesondere abgesenkt werden, bis ein Übergang zu einer zeitsynchronen PWM-Taktung möglich wird. Selbstverständlich kann während des Betriebs in der

winkelsynchronen Taktung mit variabler Spannungszeigerlänge auch

kontinuierlich auf erforderliche Regleränderungen eingegangen werden. So kann zum Beispiel die Spannungszeigerlänge den Erfordernisse angepasst werden. So ist es beispielsweise möglich, nach einem Wechsel von der PWM-Taktung in die winkelsynchrone Taktung mit variabler Spannungszeigerlänge auch wieder in die PWM-Taktung zurückzukehren ohne zuvor in die winkelsynchrone

Blocktaktung gewechselt zu haben. Entsprechend kann auch von der

winkelsynchronen Blocktaktung in die winkelsynchrone Taktung mit variabler Spannungszeigerlänge gewechselt werden und anschließend wieder zurück in die winkelsynchrone Blocktaktung, ohne dass zwischenzeitlich eine

zeitsynchrone PWM-Taktung erfolgt ist.

Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. In Schritt S1 erfolgt eine Ansteuerung der elektrischen Maschine 30 in einem ersten Betriebsmodus. In dem ersten

Betriebsmodus erfolgt die Ansteuerung der elektrischen Maschine unter

Verwendung einer zeitsynchronen Taktung mit einer vorbestimmten maximalen ersten Spannungszeigerlänge. In Schritt S3 erfolgt das Ansteuern der elektrischen Maschine in einem dritten Betriebsmodus. In dem dritten

Betriebsmodus erfolgt das Ansteuern der elektrischen Maschine unter

Verwendung einer winkelsynchronen Blocktaktung mit einer vorbestimmten dritten Spannungszeigerlänge. Der Übergang zwischen dem ersten

Betriebsmodus und dem dritten Betriebsmodus kann durch ein Ansteuern S2 der elektrischen Maschine 30 in einem zweiten Betriebsmodus erfolgen. In dem zweiten Betriebsmodus erfolgt das Ansteuern der elektrischen Maschine 30 unter Verwendung einer winkelsynchronen Taktung mit einer einstellbaren zweiten Spannungszeigerlänge.

Die erste Spannungszeigerlänge ist dabei insbesondere durch den maximalen Modulationsgrad der zeitsynchronen Taktung bestimmt. Die dritte

Spannungszeigerlänge für die winkelsynchrone Blocktaktung ergibt sich beispielsweise aus der Eingangsspannung des Stromrichters 11. Die zweite Spannungszeigerlänge kann darüber hinaus beispielsweise zwischen der maximalen ersten Spannungszeigerlänge und der dritten Spannungszeigerlänge im winkelsynchronen Blocktaktungsbetrieb schwanken. Aufgrund der

erforderlichen Mindestpulsbreite kann die maximal erzielbare

Spannungszeigerlänge für die winkelsynchrone Taktung mit variabler

Spannungszeigerlänge gegebenenfalls geringfügig kleiner sein als die dritte Spannungszeigerlänge in der winkelsynchronen Blocktaktung. Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Ansteuerung einer elektrischen Maschine mit einem Wechsel zwischen zeitsynchroner PWM- Taktung und winkelsynchroner Blocktaktung. Hierzu wird vorgeschlagen, für den Übergang eine winkelsynchrone Taktung mit einstellbarer Spannungszeigerlänge vorzusehen. Auf diese Weise können Sprünge im Betriebsverhalten der elektrischen Maschine bei einem Wechsel zwischen zeitsynchroner Taktung und winkelsynchroner Taktung minimiert oder gegebenenfalls ganz verhindert werden.

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine (30), mit den Schritten:

Ansteuern (Sl) der elektrischen Maschine (30) in einem ersten

Betriebsmodus unter Verwendung einer zeitsynchronen Taktung mit einer vorbestimmten maximalen ersten Spannungszeigerlänge;

Ansteuern (S2) der elektrischen Maschine (30) in einem zweiten

Betriebsmodus unter Verwendung einer winkelsynchronen Taktung mit einer einstellbaren zweiten Spannungszeigerlänge; und

Ansteuern (S3) der elektrischen Maschine (30) in einem dritten

Betriebsmodus unter Verwendung einer winkelsynchronen Blocktaktung mit einer vorbestimmten dritten Spannungszeigerlänge.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Übergang zwischen dem

Ansteuern (Sl) der elektrischen Maschine (30) in dem ersten

Betriebsmodus und dem Ansteuern (S3) der elektrischen Maschine (30) in dem dritten Betriebsmodus mittels dem Ansteuern (S2) der elektrischen Maschine (30) in dem zweiten Betriebsmodus erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei während des Übergangs von dem ersten Betriebsmodus zu dem dritten Betriebsmodus die einstellbare zweite Spannungszeigerlänge stetig von der vorbestimmten maximalen ersten Spannungszeigerlänge bis zur vorbestimmten dritten

Spannungszeigerlänge geregelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der zweite

Betriebsmodus eine Mittelpulsdreifachtaktung umfasst.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine Pulsbreite (t_M) eines

Mittelpulses unter Verwendung der einstellbaren zweiten

Spannungszeigerlänge eingestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei ein Übergang von dem zweiten Betriebsmodus zu den dritten Betriebsmodus erfolgt, wenn die Pulsbreite (t_M) des Mittelpulses eine vorbestimmte Mindestpulsbreite

unterschreitet.

7 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei während eines

Übergangs von dem dritten Betriebsmodus zu dem ersten Betriebsmodus in dem zweiten Betriebsmodus die einstellbare zweite

Spannungszeigerlänge stetig von vorbestimmten dritten

Spannungszeigerlänge bis zu der vorbestimmten maximalen ersten Spannungszeigerlänge geregelt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die zeitsynchrone Taktung eine Pulsbreitenmodulation umfasst.

9. Vorrichtung (10) zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine (30), mit: einem Stromrichter (11), der dazu ausgelegt ist, mit einer elektrischen Maschine (30) gekoppelt zu werden und eine elektrische Spannung zur Ansteuerung der elektrischen Maschine (30) bereitzustellen; und einer Steuereinrichtung (12), die mit dem Stromrichter (11) elektrisch gekoppelt ist, und die dazu ausgelegt ist, Steuersignale zur Ansteuerung des Stromrichters (11) bereitzustellen, wobei die Steuereinrichtung (11) dazu ausgelegt ist,

- die elektrische Maschine (30) in einem ersten Betriebsmodus unter Verwendung einer zeitsynchronen Taktung mit einer vorbestimmten maximalen ersten Spannungszeigerlänge anzusteuern, die elektrische Maschine (30) in einem zweiten Betriebsmodus unter Verwendung einer winkelsynchronen Taktung mit einer einstellbaren zweiten Spannungszeigerlänge anzusteuern, und die elektrische Maschine (30) in einem dritten Betriebsmodus unter Verwendung einer winkelsynchronen Blocktaktung mit einer vorbestimmten dritten Spannungszeigerlänge anzusteuern.

10. Elektrisches Antriebssystem (1), mit: einer Vorrichtung (10) zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine (30) nach Anspruch 9, und einer elektrischen Maschine (30), die mit dem Stromrichter (11) der Vorrichtung (10) zur Ansteuerung der elektrischen Maschine (30) elektrisch gekoppelt ist.