Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebssteuerung für einen Drehstrommotor. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung einen Drehstrommotor, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer solchen Antriebssteuerung.

Im Bereich der Drehstrommotoren werden Ansteuerungen verwendet, die dafür sorgen, dass in dem Drehstrommotor eine definierte Ausrichtung der Flussdichteverteilung vorliegt. Hierbei wird üblicherweise eine Pulsweitenmodulation eines Eingangssignals angewendet. Um einen Drehstrommotor, auch Drehstrommaschine genannt, kontinuierlich (sinusförmig) kommutieren zu können, wird insbesondere eine Spannungsraumzeigermodulation in einem Inverter vorgenommen. Ein solcher Inverter kann für jede der drei Phasen des Drehstrommotors eine Halbbrücke aufweisen. Dadurch werden die Ausgangsspannungen der drei Phasen sowohl auf das positive als auch auf das negative Zwischenkreispotenzial gelegt. Der Zwischenkreis stellt den Übergang von einer Eingangsspannungsquelle zu dem Inverter dar.

Jede Halbbrücke kann zwei verschiedene Schalterstellungen annehmen. Da drei Halbbrücken für ein Dreiphasendrehstromsystem notwendig sind, ergeben sich dadurch 2 ³ mögliche Schalterstellungen und somit 8 Schaltzustände. Jede aktive Schalterstellung entspricht einer anderen Spannungskonstellation zwischen den Phasen und damit auch einem anderen Spannungsraumzeiger. Ein Spannungsraumzeiger definiert dabei durch zwei Größen, nämlich den Winkel des Spannungsraumzeigers und dessen Betrag, die Flussdichteverteilung in der Maschine. Die zwei Schalterstellungen, bei denen entweder alle drei oberen oder alle drei unteren Schalter geschlossen sind, werden als Nullspannungsraumzeiger, Nullzeiger oder passiver Spannungsraumzeiger bezeichnet.

Aus diesen Schalterstellungen lassen sich somit sechs aktive und zwei passive Spannungsraumzeiger darstellen. Um einen Drehstrommotor kontinuierlich kommutieren zu können, reichen die sechs aktiven Grundspannungsraumzeiger nicht aus, da Spannungsraumzeiger mit beliebigen Winkeln und Beträgen auf die Maschine geschaltet werden müssen. Um dies zu erreichen, kann eine Pulsweitenmodulation angewandt werden. Um einen beliebigen Spannungsraumzeiger auszugeben, können zwei Spannungsraumzeiger abwechselnd ausgegeben werden. Die Dauer, die jeder Spannungsraumzeiger angelegt wird, hängt von der Schaltfrequenz der Modulation und der Winkellage des Spannungsraumzeigers ab. Der resultierende Spannungsraumzeiger wird durch das Verhältnis der beiden Zeiten definiert. In dem Drehstrommotor ergibt sich durch diese Ausgabe der Spannungsraumzeiger ein gemittelter Strom und somit der gewünschte Spannungsraumzeiger, d.h. die gewünschte Ausrichtung der magnetischen Flussdichte.

Um auch die Amplitude der Ausgangsspannung, also den Betrag des Spannungsraumzeigers, beliebig wählen zu können, werden nicht nur zwei Spannungsraumzeiger abwechselnd ausgegeben, sondern diese noch um einen Nullzeiger ergänzt. Durch diesen kann der Betrag des resultierenden Spannungsraumzeigers reduziert werden. Der Betrag des resultierenden Spannungsraumzeigers hängt vom Verhältnis der Einschaltzeit der aktiven Spannungsraumzeiger und der Einschaltzeit des Nullzeigers ab. Die drei oder vier beteiligten Spannungsraumzeiger (und somit Schalterstellungen) werden also pulsweitenmoduliert. In bisherigen Systemen wird die Ausgabe beliebiger Spannungsraumzeiger für jede Schaltperiode in drei oder vier Zeitspannen unterteilt. In zwei dieser Zeitspannen werden die beiden aktiven Spannungsraumzeiger und in der dritten bzw. vierten Zeitspanne ein Nullzeiger ausgegeben. Bei diesen bekannten Modulationsverfahren wird nach Betriebspunkt gewählt, wobei ein Betriebspunkt einer Kombination aus zwei Spannungsraumzeigern entspricht. Das bedeutet, dass für einen Phasenwinkel TT/3 immer eine bestimmte Kombination aus zwei Spannungsraumzeigern und einem oder zwei Nullzeiger vorliegt. Bei der Erzeugung der Phasen für den Drehstrommotor treten zusätzlich zu der gewünschten Schwingung des Stroms auch harmonische Stromoberwellen auf. Diese können innerhalb des gesamten Betriebskennfeldes zu Verlusten führen, die durch diese Modulation und Ansteuerung des Drehstrommotors nicht vermieden werden können.

Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Ansteuerung von Drehstrommotoren zu verbessern, wobei insbesondere harmonische Stromoberwellen reduziert werden sollen.

Diese Aufgabe wird durch eine Antriebssteuerung für einen Drehstrommotor gelöst, wie sie im Folgenden vorgeschlagen wird. Die Antriebssteuerung weist einen Inverter mit mehreren Schaltern zum Erzeugen von Drehstromspannungen an den Wicklungen des Drehstrommotors, und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Schalter des Inverters basierend auf einer Pulsweitenmodulation auf. Der Inverter kann insbesondere eine sechspulsige Brückenschaltung sein, die aus drei Halbbrücken mit jeweils einem oberen und einem unteren Schalter besteht.

Um die Ansteuerung des Drehstrommotors im Vergleich zu den bekannten Ansteuerungen zu verbessern, ist die Steuereinrichtung gemäß der vorliegenden Antriebssteuerung dazu eingerichtet, die Schalter in einer Schaltperiode unter Verwendung eines Schaltmusters zu steuern, wobei das Schaltmuster aus zwei aktiven Spannungsraumzeigern und mehreren Nullzeigern besteht, wobei die mehreren Nullzeiger innerhalb des Schaltmusters variieren.

Eine Schaltperiode entspricht dabei einem Betriebszustand, der durch eine bestimmte Kombination aus zwei aktiven Spannungsraumzeigern definiert ist. Für jeden Betriebszustand ist somit die Drehzahl und das Drehmoment des Drehstrommotors festgelegt, da diese durch die zwei aktiven Spannungsraumzeiger und die mehreren Nullzeiger bestimmt werden. Eine Schaltperiode entspricht dabei einem Winkel von TT/3 des Drehstromsignals.

Gemäß der vorgeschlagenen Antriebssteuerung wird eine Kombination aus zwei aktiven Spannungsraumzeigern und mehreren Nullzeigern verwendet, wobei die Art und die Anzahl der Nullzeiger in einer Grundwellenperiode variieren können. Im Gegensatz dazu wird in bekannten Systemen in einer Grundwellenperiode nur eine Kombination aus zwei aktiven Spannungsraumzeigern und einem oder mehreren Nullzeigern verwendet, wobei diese in einer Grundwellenperiode nicht variieren. Gemäß der hier vorgeschlagenen Antriebssteuerung können sich die mehreren Nullzeiger innerhalb einer Spannungsperiode ändern. Hierbei kann eine Kombination aus zwei aktiven Spannungsraumzeigern und einem Nullzeiger verwendet werden, wobei sich der Nullzeiger innerhalb der Spannungsperiode ändert. Alternativ kann eine Kombination aus zwei aktiven Spannungsraumzeigern und mehreren Nullzeigern verwendet werden, wobei sich die Nullzeiger ebenfalls innerhalb der Spannungsperiode ändern. Diese beiden Möglichkeiten können auch kombiniert werden.

Durch die Verwendung von mehreren und/oder verschiedenen Nullzeigern in einer Spannungsperiode kann das erzeugte Drehstromsignal hinsichtlich seiner Oberwellen optimiert werden. Während einer Schaltperiode können durch entsprechende Wahl der Nullzeiger die Werte der Spannungsraumzeiger so angepasst werden, dass diese den realen Spannungsraumzeigern, d.h. den Spannungsraumzeigern, die durch einfaches Schaltern der Schalter erreicht werden, entsprechen. Da in diesen Fällen die Verluste durch Oberwellen sehr gering sind, kann daher durch geeignete Verwendung der Nullzeiger das erzeugte Drehstromsignal bezüglich der Verluste und Oberwellen reduziert werden.

Da Stromoberwellen kein nutzbares Drehmoment produzieren, verringert sich die Ausnutzung des Drehstrommotors durch den prozentualen Anteil der Oberwellen. Darüber hinaus erzeugen Oberwellen eine erhöhte thermische Belastung und reduzieren somit die maximale mögliche Dauerleistung. Dies kann durch die vorgeschlagene Antriebssteuerung verbessert werden, da die Oberwellen reduziert werden können.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Schaltmuster während einer Schaltperiode invertiert. Invertieren bedeutet in diesem Fall, dass die aktiven Spannungsraumzeiger beibehalten werden und der eine oder die mehreren Nullzeiger invertiert werden. Hierbei kann das Schaltmuster zumindest einmal während der Schaltperiode invertiert werden. Bevorzugt wird es bei der Hälfte der Schaltperiode invertiert. Die an dem Drehstrommotor anliegenden Signale werden somit periodisch invertiert. Es wurde festgestellt, dass bei Invertierung der Nullzeiger die Verluste reduziert werden können. Bevorzugt kann die Invertierung der Nullzeiger bei tt/d erfolgen, da dies eine optimale Reduzierung der Verluste bewirkt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform definiert ein Schaltmuster eine Aufteilung und/oder eine Anzahl der Nullzeiger.

Durch das Schaltmuster wird somit definiert, wie viele Nullzeiger in einer Schaltperiode eingesetzt werden und wie diese aufgeteilt werden. Beispielsweise kann in einer Schaltperiode zunächst eine Kombination aus den zwei aktiven Spannungsraumzeigern und einem ersten Nullzeiger und in derselben Schaltperiode anschließend eine Kombination aus den zwei aktiven Spannungsraumzeigern und einem zweiten anderen Nullzeiger verwendet werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Antriebssteuerung eine Berechnungseinheit zum Berechnen der Nullzeiger für jeden Betriebszustand des Drehstrommotors und zum Abspeichern der Nullzeiger auf.

Durch diese Berechnungseinheit kann bereits vorab, unabhängig von dem Drehstrommotor, eine Berechnung der möglichen Schaltzustände für jeden Betriebszustand vorgenommen werden. Ein Betriebszustand weist eine bestimmte Drehzahl und ein bestimmtes Drehmoment auf, die durch die aktiven Spannungsraumzeiger und die Summe der Nullzeiger definiert sind. Da die Schaltzustände, bzw. die Nullzeiger für jeden Betriebszustand, abgespeichert werden, ist ein schneller Zugriff auf diese Information während des Betriebs des Drehstrommotors möglich, ohne durch die Berechnung eingeschränkt zu werden.

Insbesondere kann die Berechnungseinheit dazu eingerichtet sein, die mehreren Nullzeiger offline zu berechnen. Durch diese Offline-Berechnung kann die Berechnung der Nullzeiger auch längere Zeit in Anspruch nehmen, ohne dass dies zu einer Beeinträchtigung im Betrieb des Drehstrommotors führt. Des Weiteren kann die Offline-Berechnung einmal bereits im Werk oder vor Auslieferung der Antriebssteuerung erfolgen.

In einer Ausführungsform kann die Berechnungseinheit dazu eingerichtet sein, den einen oder die mehreren Nullzeiger in einer Lookup-Tabelle zu speichern. Eine Lookup-Tabelle stellt eine besonders einfache Art des Abspeicherns der Nullzeiger bereit, da hier kein weiterer Verarbeitungsvorgang zum Auswählen der Nullzeiger während des Betriebs erforderlich ist, sondern lediglich die Nullzeiger für den entsprechenden Betriebszustand bzw. die Schaltperiode ausgewählt werden müssen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Berechnungseinheit dazu eingerichtet, den einen oder die mehreren Nullzeiger basierend auf einem Optimierungsalgorithmus zu berechnen, wobei der Optimierungsalgorithmus dazu geeignet ist, die Verluste des Drehstrommotors über den gesamten Betriebsbereich zu reduzieren.

Die Wahl des Optimierungsalgorithmus kann unter anderem davon abhängen, welche Rechenkapazität zu Verfügung steht oder wie schnell der Algorithmus ablaufen soll. In jedem Fall wird über den gesamten Betriebsbereich, d.h. über alle Betriebszustände, optimiert, um in Summe die Verluste des Drehstrommotors zu reduzieren. Je nach verfügbaren Rechen- und Zeitressourcen kann ein entsprechender Algorithmus gewählt werden. Insbesondere kann der Optimierungsalgorithmus dazu geeignet sein, die Verluste des Drehstrommotors maschinenseitig oder zwischenkreisseitig zu reduzieren. Der Zwischenkreis stellt den Übergang von einer Eingangsspannungsquelle zu dem Inverter dar.

Als Optimierungsalgorithmen können verschiedene numerische Algorithmen eingesetzt werden. Hierzu gehören beispielsweise die folgenden Algorithmen: „exhaustive search“ (erschöpfende Suche), „complete Parameter Variation“ (vollständige Variation der Parameter), „minimum search“ (Minimumsuche), oder auch „descendend gradient method“ (Gradientenverfahren).

Der Optimierungsalgorithmus kann für die Zwischenkreisseite sowie die Maschinenseite identisch sein. Für den Zwischenkreis sollen allerdings die Spannungsschwankungen reduziert werden. Zwischen der Optimierung der Maschinenseite und der Zwischenkreisseite kann ein Zielkonflikt vorliegen. In diesem Fall kann daher entweder die Maschinenseite oder die Zwischenkreisseite optimiert werden. Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Drehstrommotor, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer wie oben beschriebenen Antriebssteuerung vorgeschlagen.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Ansteuern eines Drehstrommotors vorgeschlagen. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Erzeugen von Drehstromspannungen an den Wicklungen des Drehstrommotors mittels eines Inverters mit mehreren Schaltern, und Steuern der Schalter des Inverters basierend auf einer Pulsweitenmodulation, wobei die Schalter in einer Schaltperiode unter Verwendung eines Schaltmusters gesteuert werden, wobei das Schaltmuster aus zwei aktiven Spannungsraumzeigern und mehreren Nullzeigern besteht, wobei die mehreren Nullzeiger innerhalb des Schaltmusters variieren.

Die für die vorgeschlagene Vorrichtung beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale gelten für das vorgeschlagene Verfahren entsprechend.

Weiterhin wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, welches einen Programmcode aufweist, der dazu ausgebildet ist, auf einem Computer die Durchführung des wie oben erläuterten Verfahrens zu veranlassen.

Ein Computerprogrammprodukt, wie z.B. ein Computerprogramm-Mittel, kann beispielsweise als Speichermedium, wie z.B. Speicherkarte, USB-Stick, CD-ROM, DVD, oder auch in Form einer herunterladbaren Datei von einem Server in einem Netzwerk bereitgestellt oder geliefert werden. Dies kann zum Beispiel in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk durch die Übertragung einer entsprechenden Datei mit dem Computerprogrammprodukt oder dem Computerprogramm-Mittel erfolgen.

Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen sind in der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen angegeben. Dabei sind insbesondere die in der Beschreibung und in den Zeichnungen angegebenen Kombinationen der Merkmale rein exemplarisch, so dass die Merkmale auch einzeln oder anders kombiniert vorliegen können.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. Dabei sind die Ausführungsbeispiele und die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Kombinationen rein exemplarisch und sollen nicht den Schutzbereich der Erfindung festlegen. Dieser wird allein durch die anhängigen Ansprüche definiert.

Es zeigen:

Fig. 1 : eine Antriebssteuerung für einen Drehstrommotor;

Fig. 2: ein Diagramm der Modulationskurven abhängig vom Phasenwinkel; und

Fig. 3: ein Diagramm der Modulationskurven abhängig vom Modulationsindex.

Im Folgenden werden gleiche oder funktionell gleichwirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.

Fig. 1 zeigt eine Antriebssteuerung 1 für einen Drehstrommotor 2. Der Drehstrommotor 2 wird hier idealisiert durch drei Spulen L1 bis L3 und die rückinduzierten Spannungen e _a bis e _c dargestellt, die die drei Wicklungen des Drehstrommotors 2 repräsentieren. Um in dem Drehstrommotor 2 eine definierte Ausrichtung der Flussdichteverteilung zu erhalten, wird in einem Inverter 3 eine Pulsweitenmodulation eines Eingangssignals, das von einer Eingangsspannungsquelle 5 stammt, angewendet. Insbesondere wird eine Spannungsraumzeigermodulation vorgenommen.

Der Inverter 3 weist für jede der drei Phasen 6 des Drehstrommotors 2 eine Halbbrücke auf. Die erste Halbbrücke wird durch die Schalter S1 , S2 gebildet, die zweite Halbbrücke wird durch die Schalter S3, S4 gebildet und die dritte Halbbrücke wird durch die Schalter S5, S6 gebildet. Dadurch können die Ausgangsspannungen der drei Phasen 6 sowohl auf das positive als auch auf das negative Zwischenkreispotenzial gelegt werden. Der Zwischenkreis stellt den Übergang von der Eingangsspannungsquelle 5 zu dem Inverter 3 dar.

Jede Halbbrücke des Inverters 3 kann zwei verschiedene Schalterstellungen annehmen. Da drei Halbbrücken für ein Dreiphasendrehstromsystem notwendig sind, ergeben sich dadurch 2 ³ mögliche Schalterstellungen und somit 8 Schaltzustände. Jede aktive Schalterstellung entspricht einer anderen Spannungskonstellation zwischen den Phasen 6 und damit auch einem anderen Spannungsraumzeiger. Ein Spannungsraumzeiger definiert dabei durch zwei Größen, nämlich den Winkel des Spannungsraumzeigers und dessen Betrag, die Flussdichteverteilung in dem Drehstrommotor 2.

Um den Inverter 3 und dessen Schalter S1 bis S6 anzusteuern, ist eine Steuereinrichtung 4 vorgesehen. Um die Ansteuerung des Drehstrommotors 2 im Vergleich zu bekannten Ansteuerungen zu verbessern, ist die Steuereinrichtung 4 dazu eingerichtet, die Schalter S1 bis S6 in einer Schaltperiode unter Verwendung eines bestimmten, vordefinierten Schaltmusters zu steuern. Das Schaltmuster besteht dabei aus zwei aktiven Spannungsraumzeigern und mehreren Nullzeigern, wobei die mehreren Nullzeiger innerhalb des Schaltmusters variieren. Um das erzeugte Drehstromsignal zu optimieren, insbesondere um Oberstromwellen zu reduzieren, da diese Verzerrungen in den Signalen hervorrufen, können die verwendeten Schaltmuster unter Verwendung der Nullzeiger optimiert werden. Hierzu können verschiedene, geeignete Optimierungsalgorithmen verwendet werden.

Figuren 2 und 3 zeigen Modulationskurven für verschiedene Modulationsverfahren. Fig. 2 zeigt dabei die Veränderung des Winkels Q der Signale in Bezug auf den harmonischen Ve rze rru n g sfa kto r (HDF) und Fig. 3 den Modulationsindex Mi in Bezug auf den harmonischen Verzerrungsfaktor (HDF). Unter dem Modulationsindex Mi wird hier eine normierte

Inverterausgangsspannung (Inverteraussteuerung) verstanden.

In den Figuren 2 und 3 sind zum einen Modulationskurven für diskontinuierliche Modulationsverfahren gezeigt. Hierzu zählen die Verfahren DPWMMIN (discontinuous minimum PWM), DPWMMAX (discontinuous maximum PWM), DPWM1 (discontinuous PWM) und DPWM3 (discontinuous 30° PWM), die jeweils einen Nullzeiger verwenden. Des Weiteren sind Modulationskurven für kontinuierliche Modulationsverfahren gezeigt. Hierzu zählen die Modulationsverfahren SVPWM (space vector PWM) und TH I PWM 1/4 (third harmonic PWM), die zwei Nullzeiger verwenden. Das Modulationsverfahren, wie es durch die in Fig. 1 beschriebene

Steuereinrichtung angewendet wird, wird in Figuren 2 und 3 als OZP bezeichnet. Hierbei wechselt die Anzahl der Nullzeiger innerhalb einer Schaltperiode in Abhängigkeit von der Aussteuerung, dem Winkel und der Frequenz.

Die Kurven C1 und K5 beziehen sich auf eine SW PWM Modulation. Die Kurven C2 und K4 beziehen sich auf eine TH I PWM 1/4 Modulation. Die

Kurven C3/C4 und K2 beziehen sich auf eine DPWMMIN/DPWMMAX

Modulation. Die Kurve K3 bezieht sich auf eine DPWM3 Modulation. Die Kurve K1 bezieht sich auf eine DPWM1 Modulation. Wie Figuren 2 und 3 zu entnehmen ist, wird durch die Modulation (OZP), wie sie durch die Antriebssteuerung 1 von Fig. 1 vorgenommen wird, eine Reduzierung des Ve rze rru n g sfa kto rs erreicht. Dies ist durch die Kurve C5 in Fig. 2 und die Kurve K6 in Fig. 3 angegeben. Wie in den Figuren gezeigt ist, wird durch entsprechende Optimierungsalgorithmen, die verwendet werden können, um die Nullzeiger zu berechnen, die Kurve C5 bzw. K6 so optimiert, dass der Verzerrungsfaktor HDF im Vergleich zu den bestehenden Modulationsverfahren am geringsten ist.

Durch die Verwendung von mehreren und/oder verschiedenen Nullzeigern in einer Spannungsperiode, wie es hierin vorgesehen ist, kann das erzeugte Drehstromsignal hinsichtlich seiner Oberwellen optimiert werden. Auf diese Weise kann die Verzerrung des Ausgangssignals reduziert werden.

Bezugszeichen

1 Antriebssteuerung

2 Drehstrommotor

3 Inverter

4 Steuereinrichtung

5 Eingangsspannungsquelle

6 Ausgangsphasen

C1 -C4 Modulationskurven abhängig vom Phasenwinkel e _a -e _c rückinduzierte Spannungen

K1 -K6 Modulationskurven abhängig vom Modulationsindex

L1 -L3 Wicklungen

S1 -S6 Schalter