Titel

Verfahren zur Ermittlung der Phasenströme einer elektrischen Maschine mit einem Stromrichter

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Phasenströme einer elektrischen Maschine mit einem Stromrichter sowie eine Recheneinheit zur Durchführung des Verfahrens.

Stand der Technik

Generatoren zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie sind bekannt. In Kraftfahrzeugen werden in der Regel Klauenpolgeneratoren verwendet. Diese können mit elektrischer Erregung ausgestattet sein. Da Klauenpolgeneratoren Drehstrom erzeugen, ist für die in Kraftfahrzeugen üblichen Gleichspannungsbordnetze eine Gleichrichtung erforderlich. Hierzu können Gleichrichter mit Halbleiterdioden und/oder aktiven Schaltelementen verwendet werden.

Generatoren, die auch zum Fahrzeugantrieb eingesetzt werden, sind aus dem Bereich der Hybridfahrzeuge bekannt. Diese sollen den Verbrennungsmotor insbesondere dann, wenn dieser (noch) nicht sein volles Drehmoment liefert, unterstützen (Boostbetrieb, Turboloch-Kompensation). Motorisch betreibbare Generatoren mit ihren zugehörigen Wechselrichtern werden im Rahmen dieser Anmeldung auch als elektrische Antriebe bezeichnet.

Die Regelung eines elektrischen Antriebs kann mittels einer feldorientierten Regelung erfolgen, bei der die Phasenströme (d.h. Ströme durch die Phasen bzw. Ständerwicklungsstränge) der Maschine ermittelt und auf einen Sollwert geregelt werden. Bei dreiphasigen Maschinen werden dabei üblicherweise zwei Phasenströme gemessen, der dritte Phasenstrom kann rechnerisch ermittelt werden, da die Summe aller Phasenströme Null beträgt. Entsprechend müssen bei Antrieben mit mehr als drei Phasen N - 1 Phasenströme gemessen werden, wobei N die Phasenzahl des Antriebs ist. Für die feldorientierte Regelung werden die gemessenen Phasenströme in ein drehfeldfestes dg-Koordinatensystem transformiert. Für die Regelung sind nicht die einzelnen Phasenströme von Bedeutung, sondern der berechnete Stromvektor in dem dg-Koordinatensystem. Alle Phasenströme müssen jedoch bekannt oder zumindest rechnerisch ermittelbar sein.

Die Messung der Phasenströme kann über Messwiderstände, sogenannte Shunts, erfolgen. In der Regel sind diese Shunts nicht direkt in den Phasen des Antriebs verbaut, sondern in einem Lowside-Pfad des Stromrichters. Daher ist eine Messung nur zu den Zeitpunkten möglich, zu denen der zu messende Pha- senstrom negativ ist, weil nur dann die im Lowside-Pfad des Stromrichters angeordneten Dioden oder aktiven Schaltelemente leiten. Es existieren daher, abhängig von der Ansteuerung (insbesondere PWM- oder Blockbetrieb) des Stromrichters, nur wenige, fest definierte Zeitpunkte, zu denen eine Strommessung erfolgen kann. Dies ist nicht zufriedenstellend.

Da für die Strommessung eine bestimmte Mindestzeit benötigt wird, die sich im Wesentlichen aus einer Einschwingzeit der Ständerspulen und den jeweiligen Messzeiten für die Strommessung der Messphasen ergeben, stoßen die bekannten Verfahren an ihre Grenzen, insbesondere dann, wenn der Aussteuerungs- grad sehr groß ist und die Zeitdauer der angesteuerten Lowside-Pfade geringer ist als die für die Strommessung benötigte Zeitdauer. Im Übrigen werden die zur Strommessung erforderlichen Strommessfenster durch die jeweiligen Schaltvorgänge der bei einer aktiven Gleichrichtung verwendeten Highside-Schalter und Lowside-Schalter weiter begrenzt, da bei jedem Einschalt- und Ausschaltvorgang Potentialdifferenzen erzeugt werden, die zu Schwankungen im Phasenstrom führen. Diese Schwankungen sind typischerweise nicht auf einzelne Phasen beschränkt, da die Phasen in der Regel untereinander gekoppelt sind. Die Bereitstellung von Messwiderständen mit der erforderlichen Messelektronik ist zudem aufwendig, so dass vereinfachte Vorrichtungen und Verfahren zur Ermittlung der Phasenströme wünschenswert sind. Insbesondere besteht der Bedarf nach derartigen vereinfachten Vorrichtungen und Verfahren, die sich sowohl im PWM- als auch im Blockbetrieb verwenden lassen.

Aus der DE 102012217116 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Anzahl von Phasenströmen einzelner Phasen gemessen, und die Phasenströme der verbleibenden Phasen auf Basis der gemessenen Phasenströme rechnerisch ermittelt werden.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Ermittlung der Phasenströme einer elektrischen Maschine mit einem Stromrichter und einem Ständer umfassend

Ständerwicklungen mit einer Phasenzahl von zumindest drei sowie eine Recheneinheit zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst, die Phasenströme einer Anzahl von Messphasen, die zumindest zwei beträgt, zu messen, und die Phasenströme der übrigen Phasen dann rechnerisch aus den bezüglich der Messphasen gemessenen Phasenströmen zu bestimmen. Damit können der Messaufwand wesentlich reduziert und/oder die Zeitspannen, zu denen gemessen werden kann, erhöht werden. Die Phasenströme der Messphasen werden hierbei in einem Messintervall erfasst, wobei das Messintervall seinerseits innerhalb eines Schaltintervalls der den Messphasen zugeordneten aktiven Schaltelemente in einem Lowside-

Pfad liegt. Das Schaltintervall weist hierbei Einschaltzeitpunkte und Ausschaltzeitpunkte auf. Die Phasenströme werden somit während einer aktiven Beschal- tung der jeweiligen Lowside-Pfade ermittelt. Zur rechnerischen Bestimmung der übrigen Phasenströme werden insbesondere die gemessenen Phasenströme in Betrag und Phasenlage sowie der räumliche Winkel der einzelnen Ständerwicklungsstränge bzw. der räumliche Wnkelversatz der einzelnen Ständerwicklungsstränge zueinander verwendet.

Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird mit "Phasenzahl" die Gesamtanzahl der Phasen (Ständerwicklungsstränge) der elektrischen Maschine bezeichnet. Bei einer elektrischen Maschine mit fünf Ständerwicklungssträngen beträgt diese also fünf. Als "Messphasen" werden im Rahmen der vorliegenden Erfin- dung jene Phasen der elektrischen Maschine bezeichnet, deren Phasenströme tatsächlich über entsprechende Messeinrichtungen, beispielsweise Messwiderstände, gemessen werden. Die Messphasen müssen nicht notwendigerweise festgelegt sein, es kann sich auch beispielsweise um jene Phasen handeln, die in einem bestimmten Schaltzustand messbar sind. Diese weisen jedoch entweder einzeln oder auch beispielsweise paarweise geeignete Messeinrichtungen auf.

Die Phasenströme der "übrigen Phasen" werden zumindest in dem jeweils betrachteten Mess- bzw. Schaltzyklus nicht gemessen. Damit ergibt sich durch Addition der Anzahl der Messphasen und der Anzahl der übrigen Phasen die Phasenzahl.

Die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Phasenströme der Messphasen und die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der hieraus ermittelten übrigen Phasenströme hängt zudem maßgeblich davon ab, dass, vorzugsweise für jeden Schaltzyklus, das Messintervall, in dem die Phasenströme der Messphasen bestimmt werden, derart gewählt wird, dass zum einen die für die Bestimmung aller Phasenströme erforderlichen Phasenströme der Messphasen ermittelt werden können und zum anderen das Messintervall zeitlich derart positioniert ist, dass die Messungen der Phasenströme nicht durch die Beschaltung der aktiven Schaltelemente und der damit verbundenen Potentialschwankungen beeinflusst wer- den. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Messintervall zeitlich stets außerhalb der Einschaltzeitpunkte oder der Ausschaltzeitpunkte der den Phasen des Ständers zugeordneten aktiven Schaltelemente liegt. Es gibt demnach keine zeitliche Überlappung. Das Messintervall weist vorzugsweise eine Mindestdauer auf, die im Wesentlichen durch eine Einschwingzeit zumindest einer der Ständerwicklungen und der Messzeiten, die für eine Erfassung der jeweiligen Phasenströme der einzelnen Messphasen erforderlich ist, gegeben ist. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass sich das Gesamtsystem der Phasenwicklungen in einem Gleichgewichtszustand befindet und die aus den Phasenströmen der Messphasen abgeleiteten weiteren Phasenströme exakt ermittelbar sind.

Zudem ist es weiter bevorzugt, dass während eines Messintervalls weder die ak- tiven Schaltelemente eines Highside-Pfades noch die aktiven Schaltelemente eines Lowside-Pfades beschaltet werden. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die durch die Potentialschwankungen bewirkten Schwankungen im Phasenstrom abgeklungen sind und das Abwarten einer erneuten Einschwingzeit der Ständerwicklungen zur Vornahme einer Messung der jeweiligen Phasenströme nicht erforderlich ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es bevorzugt, dass die Einschaltzeitpunkte und die Ausschaltzeitpunkte erfasst und in zeitlicher Reihenfolge sortiert werden, wobei die Zeitdifferenz zwischen einem Einschaltzeitpunkt oder einem Ausschaltzeitpunkt und dem direkt benachbarten Einschaltzeitpunkt oder

Ausschaltzeitpunkt erfasst und mit dem Messintervall, insbesondere mit der zeitlichen Dauer des Messintervalls, verglichen wird. Es ist weiter bevorzugt, dass die Zeitdifferenz(en) identifiziert wird bzw. werden deren zeitliche Dauer zumindest der Zeitdauer des Messintervalls entspricht. Grundsätzlich liegen die poten- tiell nutzbaren Messfenster zur Ermittlung eines Phasenstroms zwischen den

Schaltpulsen der aktiven Schaltelemente. Durch Ermittlung der Zeitdifferenz zwischen den Schaltpulsen und dem Vergleich dieser Zeitdifferenz mit dem für eine Messung erforderlichen Messintervall können die Zeitbereiche innerhalb eines Zyklus identifiziert werden, an denen eine Messung der Phasenströme möglichst vieler Phasen gewährleistbar ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Messintervall derart gewählt und zeitlich zwischen den jeweiligen Einschaltzeitpunkten o- der Ausschaltzeitpunkten angeordnet, dass innerhalb des Messintervalls zumin- dest zwei Phasenströme, vorzugsweise eine größtmögliche Anzahl von Phasen strömen, gemessen werden können. Durch die Messung von mehr als zwei Phasenströmen, kann die rechnerische Ermittlung der weiteren Phasenströme exakter durchgeführt werden. Zudem kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Ver- fahrens vorgesehen sein innerhalb der potentiellen Messfenster die Anzahl der möglichen Phasenstrommessungen zu ermitteln, die innerhalb eines Messintervalls messbar sind. Somit kann das Messfenster ausgewählt werden, dass eine größtmögliche Anzahl von Phasenstrommessungen zulässt, wodurch entsprechend die rechnerisch ermittelten Phasenströme exakter bestimmbar sind.

Wie eingangs erläutert, müssen in herkömmlichen Verfahren bei elektrischen Maschinen mit mehr als drei Phasen N - 1 Phasenströme gemessen werden, d.h. die Anzahl der Messphasen beträgt N-1 und die Anzahl der übrigen Phasen beträgt 1. Erfindungsgemäß genügt hingegen zur Ermittlung aller Phasenströme im einfachsten Fall die Messung der Phasenströme nur zweier Messphasen, die

Phasenströme der übrigen Phasen lassen sich hieraus rechnerisch bestimmen.

Für die erfindungsgemäße Ermittlung der Phasenströme ist eine elektrische Maschine mit einer Phasenzahl von drei erforderlich. Die der Erfindung zugrunde liegenden Vorteile ergeben sich insbesondere für elektrische Maschinen mit einer

Phasenzahl von vier und mehr Phasen, und eignet sich daher in besonderer Weise für derartige elektrische Maschinen. Die Erfindung eignet sich in besonderer Weise für elektrische Maschinen mit Stromrichtern, die in sogenannten Boostrekuperationssystemen bei Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen.

Das erfindungsmäße Verfahren kann durch eine mess- und auswertetechnisch vorteilhafte Auswahl der jeweils zu messenden Phasen sowie der Strommesszeitpunkte in Abhängigkeit vom jeweils gewählten Ansteuermuster ergänzt werden. Die Erfindung kann auch eine Messung entsprechender Phasenströme in einer gemeinsamen Leitung, an die mehrere Phasen angebunden sind, umfassen, so dass sich die Auswertung deutlich einfacher gestaltet als im Stand der Technik. Der Strom in der gemeinsamen Leitung ergibt sich demnach als Summenstrom der einzelnen Phasenströme. Gleichzeitig kann durch die vorgeschlagenen Maßnahmen sowohl bei PWM- als auch bei Blockansteuerung zu sehr vielen Zeitpunkten ein gültiger Stromvektor im dg-Koordinatensystem ermittelt werden.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist damit insbesondere eine Einsparung von Strommesseinrichtungen im Antrieb und damit eine Reduzierung der Baugröße und der Herstellungskosten einerseits und eine Ausweitung möglicher Messzeitpunkte andererseits.

Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Ladesteuergerät eines Kraftfahr- zeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.

Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels/von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine elektrische Maschine mit einem Stromrichter, wie sie der Erfindung zugrunde liegen kann, in schematischer Darstellung. Figur 2 zeigt ein PWM-Ansteuerschema für eine elektrische Maschine mit einem Stromrichter gemäß Figur 1 und eine Ermittlung der Phasenströme gemäß dem Stand der Technik in schematischer Darstellung.

Figur 3 zeigt ein PWM-Ansteuerschema für eine elektrische Maschine mit einem Stromrichter gemäß Figur 1 und einer erfindungsgemäßen Ermittlung von Phasenströmen in schematischer Darstellung

Figur 4 zeigt eine zeitliche Überlagerung eines PWM-Ansteuerschemas für eine elektrische Maschine mit einem Stromrichter gemäß Figur 1 und eine Erfindungsgemäße Ermittlung eines Messintervalls zur Messung von Phasenströmen in schematischer Darstellung

Ausführungsform(en) der Erfindung

Figur 1 zeigt die zur Veranschaulichung der Erfindung wesentlichen Elemente einer elektrischen Maschine mit einem Stromrichter in stark vereinfachter Darstellung, wie sie Teil eines Kraftfahrzeugbordnetzes sein kann. Hiervon umfasst ist ein fünfphasiger Ständer (bzw. Stator) 10. Der fünfphasige Ständer 10 weist insgesamt fünf Ständerwicklungsstränge (auch als Statorwicklungen bezeichnet) 11 bis 15 auf. Ein Läufer (bzw. Rotor) ist der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Der fünfphasige Ständer 10 ist mit seinen fünf Ständerwicklungssträngen 11 bis

15 an einen Stromrichter 2 angebunden, der fünf Stromrichterbrücken 21 bis 25 mit aktiven Schaltelementen 2, 3, beispielsweise MOSFETs, aufweist. Die fünf Ständerwicklungsstränge 11 bis 15 bzw. die fünf Stromrichterbrücken 21 bis 25 definieren die fünf Phasen A bis E der elektrischen Maschine. Der Stromrichter 2 kann als Gleichrichter (üblicherweise bei einem generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine zum Versorgen des Bordnetzes) oder als Wechselrichter (üblicherweise bei einem motorischen Betrieb der elektrischen Maschine) betrieben werden. Die aktiven Schaltelemente 2, 3 sind über Stromschienen mit den Ständerwicklungssträngen 1 1 bis 15 einerseits und Gleichspannungsanschlüssen 5, 6 andererseits verbunden. Die Gleichspannungsanschlüsse 5, 6 können mit einer Stromspeichereinrichtung in einem Bordnetz, beispielsweise einer Batterie, ver- bunden sein. Der Gleichspannungsanschluss 5 ist dabei mit dem positiven Batteriepol, der Gleichspannungsanschluss 6 mit dem negativen Batteriepol bzw. Masse verbunden. Die aktiven Schaltelemente 2 sind damit im sogenannten oberen Gleichrichterzweig angeordnet, die aktiven Schaltelemente 3 im unteren Gleichrichterzweig. Bei den aktiven Schaltelementen 2 handelt es sich damit um sogenannte Highside-Schaltelemente, bei den aktiven Schaltelementen 3 um sogenannte Lowside-Schaltelemente. Man spricht auch von einem Highside-Pfad (vom Mittelpunkt der jeweiligen Stromrichterbrücken 21 bis 25 über die Schaltelemente 2 zu dem Gleichspannungsanschluss 5) bzw. einem Lowside-Pfad (vom Mittelpunkt der jeweiligen Stromrichterbrücken 21 bis 25 über die Schalt- elemente 3 zu dem Gleichspannungsanschluss 6).

Eine Strommessung erfolgt herkömmlicherweise über Messwiderstände (Shunts) 4 in den Lowside-Pfaden des Stromrichters 20. Die Phasenströme können an dieser Stelle naturgemäß aber immer nur dann gemessen werden, wenn das zu- gehörige Lowside-Schaltelement 3 eingeschaltet ist. Dies wiederum ist aber nur dann der Fall, wenn der entsprechende Phasenstrom negativ ist.

Wie bereits zuvor erläutert, ergeben sich bei einer herkömmlichen Strommessung zahlreiche Nachteile. Diese können erfindungsgemäß überwunden werden, wobei nachfolgend die Erfindung unter Bezugnahme auf den PWM-Betrieb und den Blockbetrieb veranschaulicht wird.

In Figur 2 ist ein PWM-Ansteuerschema gemäß einem sogenannten Centre- Aligned-Verfahren veranschaulicht. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich jedoch auch bei anderen PWM-Verfahren, wie z.B. dem sogenannten Edge-

Aligned-Verfahren, anwenden. Figur 2 zeigt dabei den Schaltzustand der Highsi- de- Schaltelemente (vgl. Schaltelemente 2 der Figur 1) in den entsprechenden Phasen A - E einer fünfphasigen elektrischen Maschine über eine Zeit t. Die entsprechenden Lowside-Schaltelemente (z.B. die Schaltelemente 3) werden exakt invers hierzu angesteuert. Figur 2 zeigt dabei eine Ansteuerung innerhalb mehrerer Ansteuerperioden aufgetragen über die Zeit t. Die Blockbreiten der einzelnen Phasen sind ausschlaggebend für die Höhe des zu stellenden Phasenstroms. Bei dem Centre-Aligned-Verfahren sind die Ansteuerblöcke symmetrisch zu einer

Mittellinie C angeordnet. Das Ansteuermuster wiederholt sich mit einer konstanten Frequenz, wobei die Ansteuerbreiten drehwinkelabhängig verändert werden. Die Frequenz liegt üblicherweise im Bereich von z.B. 16 kHz und wird so gewählt, dass einerseits daraus entstehende Geräusche oberhalb des hörbaren Frequenzbereichs liegen, andererseits die beim Schalten der MOSFETs entstehenden Verluste möglichst gering sind. In Figur 2 sind die Schaltzustände der Highside-Schalter 2 gezeigt, wobei die jeweiligen Lowside-Schalter 3 grundsätzlich invers zu den ihnen zugeordneten Highside-Schaltern 2 geschaltet werden. Die Lowside-Schalter 3 sind somit in Bereichen niedriger Plateaus eingeschaltet.

Herkömmlicherweise erfolgt eine Strommessung innerhalb von Zeitintervallen 201 , 202, in denen alle Lowside-Schaltelemente 3 eingeschaltet (und damit die Highside-Schaltelemente ausgeschaltet) sind, also während eines Ansteuerfensters der Lowside-Schaltelemente 3, wie in der Figur 2 mit schraffierten Flächen dargestellt ist. Allenfalls können die Phasenströme aller Phasen A - E noch ermittelt werden, wenn die Phasenströme von N - 1 Phasen messbar sind. Ist eines der Ansteuerfenster der Lowside-Schaltelemente 3 nun so kurz, dass der Phasenstrom nicht ermittelbar ist (vergleiche Phase B) so muss die Ansteuerdauer des jeweiligen Lowside-Schaltelementes 3 (vergleiche Phase B) entspre- chend durch eine Verschiebung der Einschaltzeitpunkte EB bzw. Ausschaltzeitpunkte AB verlängert werden (dargestellt durch Pfeile in Figur 2). Eine derartige Veränderung des Pulsmusters hat jedoch eine erhöhte Momenten- und Span- nungswelligkeit zur Folge und sollte daher vermieden werden. Werden, wie es erfindungsgemäß vorgesehen sein kann, aber nur drei oder nur zwei Phasenströme gemessen, kann die Messung zu jedem Zeitpunkt erfolgen, an dem die Lowside-Schaltelemente in den jeweils zu messenden Zweigen, d.h. in den Messphasen, geschlossen sind. Hinsichtlich zweier Phasen ist dies bei dem in Figur 3 gezeigten Ansteuerschema grundsätzlich in den Zeiträumen 203, 204 der Fall, in denen zumindest zwei der Lowside-Schalter 3 gleichzeitig eingeschaltet sind. In diesen Zeiträumen sind immer zumindest die Lowside- Schaltelemente in den Phasen D und E eingeschaltet, so dass deren Phasenströme gemessen werden können.

Eine Messung kann damit sehr viel häufiger erfolgen und bildet die realen Verhältnisse daher genauer ab. Insbesondere die feldorientierte Regelung kann hierdurch schneller mit besserer Regelungsgüte durchgeführt werden. Es ist jedoch darauf zu achten, dass eine Messung nicht in Zeitbereichen stattfindet, in denen ein Highside-Schalter 2 und/oder ein Lowside-Schalter 3 eingeschaltet und oder ausgeschaltet wird bzw. werden, wie es beispielsweise im Zeitbereich 203 der Fall ist (vergleiche Phase B). Während derartiger Schaltvorgänge kommt es in den Ständerwicklungen 1 1 -15 zu Potentialsprüngen, welche eine Strommessung nicht nur der Phase, die gerade beschaltet wird, sondern aller Phasen (aufgrund von Kopplungseffekten innerhalb des Ständers) verfälscht. Zudem hätte die Ermittlung eines verfälschten Stromwertes der Messphasen einen systematischen Fehler bei der Berechnung der übrigen Phasenströme zur Folge, welcher zu vermeiden ist.

Es wird daher ein Messintervall Mi, _m derart gewählt und zeitlich positioniert (angedeutet durch den Pfeil in Figur 3), dass während des Messintervalls Mi, _m zumindest zwei der Lowside-Schalter 3 eingeschaltet sind (Schaltintervall SD,E), das Messintervall Mi, _m ausreichend lange andauert, um die Phasenströme der zwei

Messphasen, zum Beispiel der Phasen D und E, zu ermitteln und zudem innerhalb des Messintervalls Mi, _m keine Schaltvorgänge (z. B. Einschaltzeitpunkt EB oder Ausschaltzeitpunkt AB) der Highside-Schalter 2 und/oder der Lowside- Schalter 3 stattfinden. Eine nachteilige Veränderung des Pulsmusters, kann so- mit vermieden werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung der zeitlichen Dauer und der zeitlichen Positionierung des Messintervalls Mi, _m wird anhand von Figur 4 beschrieben. In Figur 4 ist das zeitlich überlagerte Ansteuermuster der Schalter der Phasen A bis E dargestellt, wobei der Verlauf der Ansteuerung der jeweiligen Phasen A bis E mit unterschiedlich gestrichelten Linien dargestellt ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Wahl und die zeitliche Positionierung des Messintervalls Mi, _m für jeden Schaltzyklus der Highside-Schalter 2 und/oder der Lowside-Schalter 3 erneut vorgenommen wird, was in Figur 4 exemplarisch für einen Schaltzyklus gezeigt ist.

Die zeitliche Dauer eines entsprechenden Messintervalls Mi, _m ist typischerweise- gegeben durch zumindest eine Einschwingzeit te zumindest einer der Ständer- Wicklungen 1 1-15, einer ersten Messzeit t zur Messung des Phasenstroms der ersten Messphase D und einer weiteren Messzeit t _m zur Messung des Phasenstroms Im der weiteren Messphase E. Die Einschwingzeit te beträgt typischerweise zwischen 10 με und 20 με (Mikrosekunden), insbesondere etwa 13 με, und die erste Messzeit ti und die weitere Messzeit t _m betragen jeweils zwischen 2 με und 10 με, insbesondere etwa 3 με. Hierbei handelt es sich lediglich um typische

Werte für eine entsprechende elektrische Maschine 10. Es versteht sich grundsätzlich, dass die zuvor genannten Zeiten entsprechend der maschinenseitigen Parameter angepasst werden können.

Um ein Messintervall Mi, _m bestmöglich zwischen den einzelnen Schaltvorgängen zu positionieren, werden die Einschaltzeitpunkte Ek,i, _m und die Ausschaltzeitpunkte Ak.i.m der Highside-Schalter 2 und/oder der Lowside-Schalter 3 erfasst und entsprechend ihrer zeitlichen Anordnung sortiert. Im Anschluss werden die Zeitdifferenzen unmittelbar benachbarter Schaltvorgänge anhand der ermittelten Einschaltzeitpunkte Ek,i,m und Ausschaltzeitpunkte Ak,i. _m der Highside-Schalter 2 und/oder der Lowside-Schalter 3 berechnet (vgl. Figur 3). Ist entsprechend die berechnete Zeitdifferenz größer als die für eine einzelne Messung eines Phasenstroms erforderliche Zeitdauer, gegebenenfalls unter weiterer Berücksichtigung der eingangs genannten Einschwingzeit te, so wird geprüft, wie viele weitere Phasenströme I innerhalb des zur Verfügung stehenden Zeitfensters ermittelbar sind.

Grundsätzlich müssen innerhalb des Messintervalls Mi, _m zumindest die Phasenströme zweier Messphasen ermittelbar sein. Es ist jedoch vorteilhaft, sofern mög- lieh, möglichst viele Phasenströme innerhalb des jeweiligen Messintervalls Mi, _m zu ermitteln, da hierdurch die Berechnung der weiteren Phasenströme mit entsprechend höherer Genauigkeit erfolgen kann. Auf diese Weise werden sämtliche potentiell den Anforderungen eines Messintervalls Mi, _m entsprechenden Messfenster, gemäß der zuvor genannten Kriterien, geprüft und es wird bevorzugt das Messintervall Mi, _m ausgewählt, in dem die größtmögliche Anzahl an Phasenströmen gemessen werden kann. Dies ist in Figur 4 anhand der Messfenster Mi bis M3 exemplarisch dargestellt.

Das Messfenster Mi ist ausreichend lang für eine Phasenstrommessung, jedoch ist innerhalb dieses Zeitintervalls nur eine Phase (E) nach Lowside geschaltet und die übrigen Phasenströme sind innerhalb dieses Zeitintervalls nicht messbar. Da zumindest zwei Phasenströme messbar sein müssen, scheidet dieses Zeitfenster daher aus.

Das Messfenster M3 liegt in einem Zeitintervall, in dem alle Lowside-Schalter 3 durchgeschaltet sind, weswegen grundsätzlich auch alle Phasenströme der Phasen A bis E messbar wären. Jedoch ist das Messfenster M3 derart kurz, dass eine Phasenstrommessung zumindest zweier Messphasen nicht bewirkt werden kann. Aus diesem Grund scheidet dieses Zeitfenster zur Ermittlung der Phasenströme aus.

Das Messfenster M2 ist ausreichend lang für die Phasenstrommessung zumindest zweier Messphasen ti und t _m . Das Messfenster M2 bietet überdies noch eine ausreichende Zeitreserve, um auch die Einschwingzeit te und zumindest die

Messung eines Phasenstroms einer weiteren Messphase t _x unterzubringen. Somit handelt es sich bei dem Messfenster M2 um das bevorzugte Messintervall Mi,m, das im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzugsweise zu ermitteln ist.

Die rechnerische Ermittlung der übrigen Phasenströme unter Heranziehung der Phasenströme zweier Messphasen, exemplarisch dargestellt unter Verwendung von nur zwei Messwiderständen in fünfphasigen elektrischen Maschinen, wird nachfolgend erläutert. Die hier erläuterten Prinzipien können vom Fachmann auf vier- oder mehrphasige Maschinen übertragen werden, wie ebenfalls angegeben.

Geht man von einem sinusförmigen Stromverlauf Ι(φ) = lo ^x sin<p aus, lassen sich aus zwei Phasenströmen alle fehlenden Phasenströme berechnen.

Zur Berechnung eines Phasenstromwerts Ι^φ ₀ ) einer Phase k aus bekannten (gemessenen) Stromwerten Ιι(φο), I _m (<po) der Phasen / bzw. m gilt:

^Ι ι (ψ ₀ ) - ^Ι « (ψο )

sin d

Μ

Die Berechnung läuft zweckmäßigerweise diskret ab, wird also mit einer bestimmten Zykluszeit aufgerufen. Die aktuellen Phasenströme werden dann einmal pro Zyklus berechnet.

Dabei bezeichnet S _a den räumlichen Winkelversatz zwischen der Phase k und der Phase /. Der räumliche Winkelversatz zwischen zwei benachbarten Phasen beträgt bei einem üblichen symmetrischen Aufbau des Ständers der elektrischen Maschine 360 N.

Werden beispielsweise bei N=6 Phasen die Phasenströme der Phasen 3 und 5 (fe und k) gemessen, gilt: / = 3, m = 5 und N = 6. Damit gilt: S ₁₃ = 180° und S ₁₅ = 300°. Soll beispielsweise in einem fünfphasigen System mit den Phasen A - E der

Phasenstrom der Phase A (/A) aus den Phasenströmen der Phasen B und C (/B und fc) berechnet werden, beträgt der räumliche Wnkelversatz SAB = 360° / 5 = 72° und der räumliche Winkelversatz S _AC = 2 * 360° / 5 = 144°.

Auch die Phasenströme der übrigen Phasen (/D und k) können aus und berechnet werden, indem die jeweiligen Differenzwinkel eingesetzt werden. Ausgehend von dieser Nomenklatur ergeben sich auch die Einschaltzeitpunkte Ek,i,m, die Ausschaltzeitpunkte Ak,i, _m und die hierdurch zeitlich begrenzten Schaltintervalle S _k ,i,m, der den jeweiligen Phasen A bis D zugeordneten Highside- Schalter 2 und/oder der Lowside-Schalter 3, entsprechend (vgl. Figur 3). Die Ein- schaltzeitpunkte und Ausschaltzeitpunkte der Highside-Schalter 2 sind, wie eingangs bereits erwähnt, invers zu denen der Lowside-Schalter 3.

Die Erfindung eignet sich auch in besonderer Weise zur Strommessung im sogenannten Blockbetrieb. Ab einer bestimmten Drehzahl, der sogenannten Eckdreh- zahl, erreicht die elektrische Maschine die sogenannte Spannungsgrenze. Bei dieser ist die erzeugte Polradspannung größer als die an den Phasen anliegende Spannung. Damit die Maschine oberhalb dieser Drehzahl ein motorisches Moment erzeugen kann, wird sie im sogenannten Feldschwächbetrieb betrieben. Da diese Betriebsart jedoch einen geringeren Wirkungsgrad aufweist, sollte die Eck- drehzahl möglichst hoch liegen, was beispielsweise durch eine höhere Phasenspannung erreicht werden kann. Daher werden entsprechende Maschinen im Feldschwächbereich im Blockbetrieb statt dem zuvor erläuterten PWM-Betrieb angesteuert, da in diesem eine größere effektive Spannung an der Ständerwicklung erzeugt werden kann, als bei einer PWM-Ansteuerung.

Im Gegensatz zur PWM-Ansteuerung wird beim Blockbetrieb keine feste Ansteuerfrequenz verwendet, sondern die Schaltelemente werden synchron zur elektrischen Winkelgeschwindigkeit der elektrischen Maschine blockförmig ein- und ausgeschaltet. Je nach Phasenzahl lassen sich verschiedene Blockbreiten reali- sieren. Die Ansteuerart, die die größte effektive Phasenspannung erzeugt, ist die sogenannte 180°-Blockkommutierung, bei welcher pro Phase innerhalb einer elektrischen Umdrehung die Highside- und Lowside-Schaltelemente (vgl. Figur 1) jeweils für einen elektrischen Wnkel von 180° eingeschaltet sind. In der nachfolgenden Tabelle 1 ist das Ansteuermuster bei einer 180°-Block- kommutierung für eine fünfphasige elektrische Maschine dargestellt. Innerhalb einer elektrischen Umdrehung ergeben sich hier 10 verschiedene Ansteuermuster, die stets nach einem elektrischen Winkel von 36° umgeschaltet werden. Mit 1 ist jeweils ein eingeschaltetes Highside-Schaltelement, mit 0 ein eingeschaltetes Lowside-Schaltelement bezeichnet.

Tabelle 1

Gegenüber der PWM-Ansteuerung fällt auf, dass zu keinem Zeitpunkt alle (oder zumindest alle bis auf ein) Lowside-Schaltelemente gleichzeitig eingeschaltet sind. Für eine rein messtechnische Ermittlung der Phasenströme müsste daher eine derartige Ansteuerung, auch als Schaltvektor bezeichnet, rein zu Messzwecken herbeigeführt werden, indem zu definierten Zeitpunkten kurzzeitig alle (oder alle bis auf ein) Lowside-Schaltelemente eingeschaltet werden. Nachteilig hieran ist jedoch, dass hierdurch das erzeugte Moment reduziert wird. Aus der obigen Tabelle ist jedoch auch erkennbar, dass zu jedem Zeitpunkt mindestens zwei Lowside-Schaltelemente eingeschaltet sind. Die vorliegende Erfindung sieht dabei vorteilhafterweise vor, immer diejenigen Phasenströme zu messen, die gerade verfügbar sind z.B.:

0° - 71 °: Phasen A und B

72° -143°: Phasen A und E

144° - 215°: Phasen D und E

216° - 287°: Phasen C und D 288° - 359°: Phasen B und C

Soll die Anzahl der Messwiderstände reduziert werden, ergeben sich Winkelbereiche, in denen kein Strom messbar ist, da nur Lowside-Schaltelemente in denjenigen Phasen geschlossen sind, denen keine Messwiderstände zugeordnet sind. Da der Blockbetrieb erst bei hohen Drehzahlen eingesetzt wird, sind diese Zeitbereiche gegebenenfalls hinreichend klein, so dass mit den zuletzt ermittelten Phasenströmen gerechnet werden kann.

Durch eine messtechnisch vorteilhafte Platzierung der Messwiderstände, also der Strom messstellen, lässt sich Anzahl der Winkelsegmente ohne Strommessung minimieren. In der nachfolgenden Tabelle 2 ist der Fall einer elektrischen Maschine mit fünf Phasen und einem Stromrichter dargestellt, die beispielsweise der Anordnung entspricht, die in Figur 1 dargestellt ist. Hierbei sind jedoch nur drei Messwiderstände in den Phasen A, B und C vorgesehen.

Im linken Tabellenteil sind die Schaltzustände der Schaltelemente, wie bezüglich Tabelle 1 erläutert, dargestellt, wobei auf eine Angabe des räumlichen Wnkels der zugehörigen Phasen verzichtet wurde. Im rechten Tabellenteil ist dargestellt, wie die einzelnen Phasenströme ermittelt werden. Buchstabe M bedeutet dabei, dass die entsprechenden Phasenströme gemessen werden, die Buchstaben A bis E geben an, aus welchen Phasenströmen die in der Kopfzeile angegebenen Phasenströme rechnerisch bestimmt werden (beispielsweise erste Zeile: /A, /B und werden gemessen, und k werden aus /A und rechnerisch bestimmt).

Tabelle 2

A B c D E /A /B /c /D /E

0 0 0 1 1 M M M A,C A,C

0 0 1 1 1 M M A,B A,B A,B

0 0 1 1 0 M M A,B A,B A,B

0 1 1 1 0 M

0 1 1 0 0 M

1 1 1 0 0

1 1 0 0 0 — — M — —

Man erkennt, dass in diesem Fall nur in fünf der zehn Winkelsegmente (entsprechend den Tabellenzeilen 1 , 2, 3, 9 und 10) eine Messung der Phasenströme zweier Phasen, und damit eine Ermittlung der Phasenströme aller Phasen, möglich ist, da nur in diesen zwei der Lowside-Schaltelemente in den Phasen A, B und C geschlossen sind. In allen anderen Winkelsegmenten kann gar kein o- der nur ein Phasenstrom gemessen werden, so dass sich die übrigen Phasenströme nicht ermitteln lassen.

In der der nachfolgenden Tabelle 3 zugrundeliegenden Anordnung, die im Übrigen ebenfalls jener der Figur 1 und in der Darstellung der Tabelle 2 entspricht, sind hingegen zwei Messwiderstände in einer gemeinsamen Zuleitung der Phasen A und D sowie C und E sowie ein weiterer Messwiderstand in Phase B vorhanden. Man erkennt, dass in diesem Fall in acht von zehn Winkelsegmenten di Phasenströme aller Phasen ermittelt werden können.

Tabelle 3

Die Phasenströme aller Phasen lassen sich nur dann nicht berechnen, wenn die Lowside-Schaltelemente in den Phasen A und D bzw. C und E gleichzeitig ein- geschaltet sind, da in diesem Fall deren individuelle Phasenströme nicht gemessen werden können.

In der Anordnung, die der nachfolgenden Tabelle 4 zugrundeliegt, sind zwei Messwiderstände in den Phasen A und B vorgesehen. Die Anordnung entspricht im Übrigen jener der Figur 1 , die Darstellung den Tabellen 2 und 3. Man erkennt, dass in diesem Fall nur in den ersten drei der zehn Winkelsegmente eine

Strommessung möglich ist, da nur hier die Lowside-Schaltelemente der Phasen A und B geschlossen sind. In allen anderen Winkelsegmenten kann gar kein oder nur ein Phasenstrom gemessen werden, so dass sich die Phasenströme der anderen Phasen nicht ermitteln lassen.

Tabelle 4

In der Anordnung, die der nachfolgenden Tabelle 5 zugrundeliegt, sind hingegen zwei Stromsensoren in einer gemeinsamen Zuleitung der Phasen A und D sowie C und E vorhanden. In diesem Fall können in sechs von zehn Winkelsegmenten alle Phasenströme ermittelt werden. Dies ist nicht möglich, wenn entweder nur zwei Lowside-Schaltelemente geschlossen sind und eines davon in Phase B liegt oder die Lowside-Schaltelemente in den Phasen A und D bzw. C und E gleichzeitig geschlossen sind, da sich dann die individuellen Phasenströme dieser Phasen nicht ermitteln lassen. Das Verfahren lässt sich, falls erforderlich, noch weiter optimieren, indem jeweils in den nicht messbaren Winkelsegmenten für kurze Zeit ein weiteres Lowside- Schaltelement eingeschaltet wird, was im Sprachgebrauch dieser Anmeldung als "Einstellen eines Messmodus des Stromrichters" bezeichnet wird. Wie oben be- schrieben, wird dadurch zwar ein geringfügig geringeres Moment erzeugt, der

Verlust ist aber hier deutlich geringer, da nur in einer Phase ein Schalteingriff erforderlich ist.

Tabel e 5