ROBERT BOSCH GMBH, 70442 STUTTGART

Schaltungsanordnung und Verfahren zur Ermittlung mindestens eines elektrischen Stromes in einer eine elektrische Maschine betreibenden Brückenschaltung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung mindestens eines elektrischen Stromes in einer eine elektrische Maschine betreibenden Brückenschaltung, die mindestens zwei Brückenzweige aufweist, die mittels Verbindungsleitungen miteinander ver- bunden sind, wobei eine der Verbindungsleitungen die Anfänge der Brückenzweige und eine weitere der Verbindungsleitungen die Enden der Brückenzweige miteinander verbindet.

Stand der Technik

Eine derartige Schaltungsanordnung zur Ermittlung mindestens eines elektrischen Stromes in einer eine elektrische Maschine betreibenden Brückenschaltung ist bekannt. Die Brückenschaltung wird zum Beispiel mit einer konstanten Gleichspannung versorgt und bil- det einen Zwischenkreis zum Betrieb einer elektrischen Maschine. Bei der elektrischen Maschine kann es sich zum Beispiel um einen mehrphasigen Elektromotor handeln, der zum Beispiel durch ansteuerbare elektrische Schaltungseinrichtungen der Brückenschaltung elektronisch kommutiert wird. Dabei verbinden die elektrischen Schaltungseinrichtungen die elektrische Maschine in einer vorbestimmten Folge mit der Gleichspannungsquelle.

Derartig getaktete elektrische Maschinen wie zum Beispiel elektronisch kommutierende Gleichstrommotoren werden auf vielen technischen Gebieten, unter anderem auch häufig in Kraftfahrzeugen verwendet. Dabei ist oft eine Strommessung erforderlich, die zum Bei- spiel zur überwachung, Regelung oder Abschaltung bei überschreitung eines Grenzwertes genutzt wird. üblicherweise setzt man zur Messung des Stromes niederohmige Shunts mit einem nachgeschalteten Differenzverstärker zur Signalaufbereitung ein. Für eine konventionelle Stromregelung einer dreiphasigen elektrischen Maschine müssen mindestens zwei Phasenströme gemessen werden. Soll zusätzlich ein überstromschutz realisiert werden, braucht man eine der Anzahl der Phasen der elektrischen Maschine entsprechende Anzahl von Shunts. Bei dieser Messanordnung ist jeweils ein Shunt in einem Brückenzweig angeordnet. Die Shunts bilden zusammen mit der Signalaufbereitung einen großen Kostenfaktor.

Kann auf eine zeitgleiche Strommessung in allen Brückenzweigen verzichtet werden, so ist auch eine zeitnahe Strommessung mit nur einem Shunt, der im Zwischenkreis zwischen der Brückenschaltung und der Spannungsversorgung, beziehungsweise dem Zwischen- kreiskondensator angeschlossen ist, möglich. Bei dieser Anordnung des Shunts ist eine Strommessung nur möglich, wenn mindestens ein elektrisches Steuerelement (zum Beispiel ein unipolarer Transistor) auf der dem Shunt zugewandten Seite der Brückenschaltung und mindestens ein elektrisches Steuerelement eines anderen Brückenzweiges auf der dem Shunt abgewandten Seite der Brückenschaltung leitend geschaltet ist, da sonst über den Shunt kein Strom fließt. Einen Strom, der lediglich in der elektrischen Maschine und der die elektrische Maschine betreibenden Brückenschaltung fließt (Freilauf) kann mit dieser Messanordnung nicht ermittelt werden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, dass eine Strommessung bei der elektrischen Maschine auch bei einem Freilaufbetrieb möglich ist. Neben der Strommessung, die zur überwachung und Regelung der elektrischen Maschine im Betrieb benötigt wird, erhält man mit dieser Schaltungsanordnung die Möglichkeit, den zeitlichen Stromverlauf innerhalb der elektrischen Maschine im abgeschalteten Zustand, dass heißt bei von der Spannungsversorgung abgetrennter, sich jedoch im Freilaufbetrieb befindlicher elektrischer Maschine, zu kontrollieren. Der über den Shunt fließende Teil des Stroms wird direkt zeitabhängig gemessen. Die Möglichkeiten dieser Messanordnung im Betrieb sind gegenüber denen einer her- kömmlichen Messungsanordnung nicht eingeschränkt. Bei Verwendung von mehreren Shunts kann eine zeitgleiche Strommessung realisiert werden, bei Verwendung von nur einem Shunt lässt sich zum Beispiel bei einer dreiphasigen elektrischen Maschine eine zeitnahe Strommessung aller Zweige der elektrischen Maschine realisie- ren.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder Brückenzweig mindestens zwei seriell angeordnete, elektrische Steuerelemente aufweist, die zwischen sich einen Mittelabgriff auf- weisen. Derart aufgebaute Brückenzweige einer Brückenschaltung weisen alle Komponenten auf, die zur Ansteuerung einer elektrisch kommutierten elektrischen Maschine benötigt werden.

Es ist zweckmäßig, die elektrische Maschine an den Mittelabgriffen der Brückenzweige anzuschließen, um durch Ansteuerung der elektrischen Steuerelemente - sowohl zum Betrieb der Maschine als auch zur Strommessung - ein insbesondere kommutierendes Schalten vornehmen zu können.

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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische Maschine als Drehstrommotor oder Drehstromgenerator ausgebildet. Dabei kann es sich zum Beispiel um einen konventionellen Drehstrommotor, um einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC-Motor), der als Permanentmagnet-Synchronmotor oder Asynchronmotor ausgebildet sein kann, sowie um entsprechend aufgebaute Generatoren handeln. Die erwähnten Maschinen können vorzugsweise in Stern-Schaltung geschaltet sein.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die elektrischen Steuerelemente als Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren, ausgebildet. Unipolare Transistoren zeichnen sich durch extrem geringe Steuerströme aus, die auch von Steuereinheiten gesteuert werden können, die nur sehr geringe Ausgangsleistungen aufweisen. Bei Leistungstransistoren können die schaltbaren Ströme sehr hoch gewählt werden. Gleichzeitig sind die Schaltzeiten bei den erwähnten Transistoren sehr gering.

Es ist vorteilhaft, wenn die Brückenschaltung an einen mit Gleich- Spannung betriebenen Zwischenstromkreis angeschlossen ist. Durch das Kommutieren mittels der elektrischen Steuerelemente in der Brückenschaltung lässt sich die elektrischen Maschine mit der Gleichspannung des Zwischenkreises betreiben.

Es ist zweckmäßig, wenn parallel zu den Brückenzweigen der Brückenschaltung ein Zwischenkreiskondensator angeordnet ist. Dieser Zwischenkreiskondensator sorgt dafür, dass hinreichend schnell ein hoher Strom geliefert werden kann.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Ermittlung mindestens eines elektrischen Stromes in einer eine elektrische Maschine betreibenden Brückenschaltung, die mindestens zwei Brückenzweige aufweist, die mittels Verbindungsleitungen miteinander verbunden sind, wobei eine der Verbindungsleitungen die Anfänge der Brückenzwei-

ge und eine weitere der Verbindungsleitungen die Enden der Brückenzweige miteinander verbindet. Dabei ist vorgesehen, dass in mindestens einer der Verbindungsleitungen mindestens eine Strommessung durchgeführt wird. Mit diesem Verfahren ist es möglich, eine zeitnahe Messung aller Ströme der elektrischen Maschine sowie deren Phasenbeziehungen zu messen. Auch ist bei einem Freilaufbetrieb eine Strommessung möglich.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder Brückenzweig mindestens zwei seriell angeordnete, elektrische Steuerelemente aufweist, die von einer Schalteinheit angesteuert werden. Diese Schalteinheit kann zum einen als Kommutierungsvorrichtung zum Betrieb der elektrischen Maschine genutzt werden, sie kann jedoch auch einen Schaltzustand herbeiführen, der insbeson- dere zur zeitnahen Messung der Ströme der elektrischen Maschine, auch im Freilauf verwendet werden kann.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Ansteuerung der Steuerelement als Pulsweitenmodulation.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass - wie bereits erwähnt - auch bei einem Freilaufbetrieb ein elektrischer Strom der elektrischen Maschine gemessen werden kann. Bei einer mehrphasigen elektrischen Maschine sind im Freilaufbetrieb die in der Brückenschaltung dem Shunt entfernt gegenüberliegenden elektrischen Steuerelemente hochohmig, die auf der Seite des Shunts - also in seiner Nähe - liegenden elektrischen Steuerelemente leitend geschaltet. Bei einer Brückenschaltung mit drei Brückenzweigen für eine dreiphasige elektrische Maschine ist der Shunt zum Beispiel in der Verbindungsleitung zwischen einem ersten Brückenzweig und einem zweiten Brückenzweig angeordnet und misst im Freilaufbetrieb den Kreisstrom der durch die beteiligten Teile der ersten und zweiten Brückenzweige und die elektrische Maschine fließt.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung mindestens eines elektrischen Stromes in einer eine dreiphasige elektrische Maschine betreibenden Brückenschaltung,

Figur 2 den zeitabhängigen Verlauf von Pulsweitenmodulati- ons-Signalen zur Ansteuerung der Transistoren T1 bis T6 über vier Taktperioden in einem ersten Zeitabschnitt,

Figur 3 den zeitabhängigen Verlauf der Pulsweitenmodulations- Signale zur Ansteuerung der Transistoren T1 bis T6 über vier Taktperioden in einem zweiten Zeitabschnitt,

Figur 4 die Schaltungsanordnung mit eingetragenen Kreisströmen in der Brückenschaltung während eines Freilaufs.

In Figur 1 ist ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung 1 mit einer eine als sterngeschalteter Drehstrommotor 2 ausgebildeten elektrischen Maschine 3 betreibende Brückenschaltung 4 gezeigt. Die Brückenschaltung 4 weist drei Brückenzweige 5, 5', 5" auf, die mittels Verbindungsleitungen 6,6' miteinander verbunden sind, wobei in der Verbindungsleitung 6 zwischen dem ersten Brückenzweig 5 und dem zweiten Brückenzweig 5' ein Shunt 7 angeordnet ist, der an den Eingang einer Messeinrichtung 8 angeschlossen ist. Der Ausgang der Messeinrichtung 8 ist mit dem Eingang einer Steuereinheit 9 verbunden, die ein Messsignal der Messeinrichtung 8 aufnimmt und die eine als Pulsweitenmodulations-Einheit 10 ausgebildete Schalteinheit 11 steuert. Die Schalteinheit 11 steuert über ihre nicht dargestellten Ausgänge als Transistoren T1 bis T6 - insbesondere Feldeffekt-Transistoren 13 - ausgebildeten Steuerelemente 12,12'

der Brückenschaltung 4. Parallel zu den Brückenzweigen 5, 5', 5" der Brückenschaltung 4 ist eine Gleichspannungsquelle 15 eines Zwischenkreises 16 angeordnet, wobei der Zwischenkreises 16 einen der Gleichspannungsquelle 15 parallel geschalteten Zwischenkreis- kondensator 14 aufweist. Der Zwischenkreis 16 versorgt die Brückenschaltung 4 zum Betreiben der elektrischen Maschine 3, wobei die elektrische Maschine durch Schalten der Steuerelemente 12,12' kommutierend betrieben wird. Jeder einzelne Brückenzweig 5, 5', 5" weist zwei seriell angeordnete, elektrische Steuerelemente 12,12' auf, die zwischen sich jeweils einen Mittelabgriff 17 aufweisen, an dem je einer von drei Wicklungssträngen 18, 18', 18" der als sterngeschalteter Drehstrommotor 2 ausgebildeten elektrischen Maschine 3 angeschlossen ist. Die Messeinrichtung 8 setzt sich aus einem Differenzverstärker 19 und einem Analog/Digital-Wandler 20 zusam- men, die seriell angeordnet sind. Ein zu messende Strom fließt durch den Shunt 7, so dass dort eine vorzugsweisegeringe, dem Strom äquivalente Spannung abfällt, die von dem nachgeschalteten Differenzverstärker 19 verstärkt und anschließend über den Analog/Digital-Wandler 20 in einen dem Strom proportionalen Digitalwert umgewandelt wird, der von der Steuereinheit 9 ausgelesen werden kann. Dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers 19 kann durch einen nicht dargestellten Analog-Addierer eine zusätzliche Spannung (Offset-Spannung) zugefügt werden. Der Wert des gemessene Stroms wird der Steuereinheit 9 zugeführt, die das Schalten der Steuerelemente 12,12' mittels der Schalteinheit 11 bewirkt.

Es ergeben sich folgende Funktionen der Schaltungsanordnung 1 : Zunächst wird die Schaltungsanordnung 1 zum Betrieb der als Drehstrommotor 2 ausgebildeten elektrischen Maschine 3 genutzt. Dazu werden die als Transistoren T1 bis T6 ausgebildeten Steuerelemente 12,12' von der Steuereinheit 9 über die Schalteinheit 11 derart angesteuert, dass die elektrische Maschine 3 elektrisch kommutierend betrieben wird. Zur überwachung und Regelung der elektrischen Maschine 3 werden alle drei Ströme ia, ib, ic in der elektrischen Ma-

schine 3 sowie deren Phasenbeziehungen untereinander durch zeitabhängige Strommessungen während des Betriebs nacheinander bestimmt. Auf die zur Strommessung mit dem Shunt 7 nötigen Schaltzustände der Transistoren T1 bis T6 wird nachstehend noch eingegangen.

Die gemessenen Ströme können als Regelgrößen genutzt werden um mit der Schaltungsanordnung 1 zum Beispiel eine sinusförmige Bestromung des Drehstrommotors 2 zu realisieren. Durch die Rück- Wirkung des am Shunt 7 gemessenen Stroms entsteht ein Regelkreis 21. Die Steuereinheit 9 ist dabei als Regler 22, die Pulsweitenmodu- lations-Einheit 10 als Stellglied 23, die Brückenschaltung 4 mit der elektrischen Maschine 3 als Regelstrecke 24 und die Messeinheit 8 als Messglied 25 des Regelkreises 21 ausgebildet. Durch die Platzie- rung des Shunts 7 in der Verbindungsleitung 6 der Brückenschaltung 4 ist eine Strommessung und damit eine Regelung auch während einer Freilaufphase der elektrischen Maschine 3 möglich. Der zeitabhängige Verlauf der resultierenden Ströme ia, ib, ic ist in einem Diagramm der Figur 1 dargestellt. Die Kurvenformen werden zum Bei- spiel durch Pulsweitenmodulation generiert. Die dazu notwendigen Daten wie Pulsdauer und Pulsweite werden von der Steuereinheit 9, die den Strom mit einem Sollwert vergleicht, als Steuergröße an die Pulsweitenmodulations-Einheit 10 ausgegeben. Die Pulsweitenmo- dulations-Einheit 10 erzeugt daraus die Pulsweitenmodulations- Signale zur Ansteuerung der Transistoren T1 bis T6. Diese Signale zur Ansteuerung der Transistoren T1 bis T6 sind in der Figur 2 und der Figur 3 jeweils über vier Taktzyklen dargestellt.

Die Figur 2 zeigt die Schaltzustände der in Figur 1 dargestellten Transistoren T1 bis T6 der Brückenschaltung 4 in Abhängigkeit von der Zeit. Die Zeit ist auf der Abszisse abgetragenen, die Schaltzustände jeweils auf den Ordinaten. Ein Wert von Null auf den jeweiligen Ordinaten entspricht einem nichtleitenden Zustand des entsprechenden Transistors T1 bis T6, während der einheitlich von Null ver-

schiedene Wert einem leitenden Zustand des entsprechenden Transistors T1 bis T6 entspricht. Die Transistoren, die in einem Brückenzweig angeordnet sind (T1 und T2 im ersten Brückenzweig 5, T3 und T4 im zweiten Brückenzweig 5' und T5 und T6 im dritten Brücken- zweig 5"), sind zu jedem Zeitpunkt jeweils gegenphasig zu einander geschaltet, so dass der eine Transistor leitend geschaltet ist, wenn der andere Transistor des selben Brückenzweigs 5, 5', 5" nichtleitend geschaltet ist und umgekehrt. Zu dem durch die gestrichelte Linie markierten Zeitpunkt während des ersten Taktzykluses sind T1 , T4 und T5 leitend geschaltet, so dass nur der Strom ib über T4 und den Shunt 7 fließt und gemessen wird. Am Ende des ersten Taktzyklus sind T2, T3 und T6 leitend geschaltet, so dass nur die Ströme ia und ic über die Transistoren T2 und T6 fließen, wovon jedoch nur der Strom ic auch über den Shunt 7 fließt und gemessen wird.

Die Figur 3 zeigt die Schaltzustände der Transistoren T1 bis T6 der Brückenschaltung 4 in einem anderen Zeitbereich, in dem die Transistoren T1 bis T6 so geschaltet sind, dass sich der sterngeschaltete Drehstrom-Motor 2 im Freilauf befindet. Am Ende eines jeden Takt- zykluses sind die Transistoren T1 , T3, T5 auf der dem Shunt 7 abgewandten Seite der Brückenschaltung 4 nichtleitend und die Transistoren T2, T4, T6 auf der dem Shunt 7 zugewandten Seite der Brückenschaltung 4 leitend geschaltet, so dass sich die elektrische Maschine 3 in diesen Zeitbereichen im Freilauf befindet, wodurch es zur Ausbildung von Kreisströmen kommt, die durch die Verbindungsleitung 6 fließen, in der der Shunt 7 angeordnet ist. Die Figur 4 zeigt die Schaltungsanordnung 1 während des Zeitbereichs am Ende bzw. zu Beginn der in Figur 3 dargestellten Taktzyklen. In der elektrischen Maschine 3 und in den Teilen der Brückenzweige 5, 5', 5" in denen sich die leitend geschalteten Transistoren befinden, fließen die drei eingezeichneten Kreisströme K1 (Strich), K2 (Strich-Punkt-Punkt), K3 (Strich-Punkt). Der Kreisstrom K1 fließt durch den Transistor T2, die Wicklungsstränge 18 und 18", den Transistor T6 und den Shunt 7; der Kreisstrom K2 fließt durch den Transistor T2, die Wicklungs-

stränge 18 und 18', den Transistor T4 und den Shunt 7; der Kreisstrom K3 fließt durch den Transistor T4, die Wicklungsstränge 18' und 18" und den Transistor T6. Da nur die über den Transistor T2 fließenden Kreisströme K1 und K2 durch den Shunt 7 fließen, wird bei dieser Beschaltung der Transistoren T1 bis T6 der Strom ia direkt gemessen.