Titel

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, Steuergerät und elektrische Maschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turboladers, wobei die elektrische Maschine einen Stator mit einer mehrphasigen Antriebswicklung und einem drehbar gelagerten Rotor aufweist, wobei die Antriebswicklung in Abhängigkeit von einer Winkelstellung des Rotors zur Erzeugung eines Drehmoments in zumindest einem ersten Drehzahlbereich durch eine Sinus-Kommutierung bestromt wird, wobei die Winkelstellung des Rotors in Abhängigkeit von durch den Rotor in die

Antriebswicklung induzierten Phasenströmen bestimmt wird.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Steuergerät zum Betreiben einer elektrischen Maschine, wie sie vorstehend beschrieben wurde, wobei das Steuergerät zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist.

Außerdem betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem derartigen Steuergerät.

Weiterhin betrifft die Erfindung einen Turbolader mit zumindest einem auf einer Welle drehfest gelagerten Verdichterrad, und mit der vorstehend beschriebenen elektrischen Maschine zum Antreiben der Welle.

Stand der Technik

Verfahren, elektrische Maschinen und Turbolader mit elektrischen Maschinen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Um auch bei niedrigen Drehzahlen einer Brennkraftmaschine ein hohes

Antriebsmoment zu gewährleisten, ist es bekannt, der Brennkraftmaschine einen Turbolader vorzuschalten, der einen elektromotorisch antreibbaren Verdichter aufweist. Durch den elektromotorischen Antrieb ist die Luftfüllung in den

Zylindern der Brennkraftmaschine unabhängig vom Abgasstrom der

Brennkraftmaschine einstellbar. Dadurch unterscheidet sich der elektromotorisch angetriebene Turbolader in seiner Dynamik eindeutig von einem einfachen Abgasturbolader, der vom Abgasstrom einer Brennkraftmaschine angetrieben wird. Auch eine Kombination von Abgasturbolader mit elektromotorischem Hilfsantrieb, bei welchem eine elektrische Maschine in den Abgasturbolader integriert ist, ist bekannt, um das Verdichtungsverhalten des Abgasturboladers von dem Abgasstrom der zugeordneten Brennkraftmaschine zu lösen.

Idealerweise soll die elektrische Maschine schon ab einer niedrigen Drehzahl, insbesondere ab Stillstand, bis zu einer Maximaldrehzahl des Turboladers sein maximales Drehmoment zur Verfügung stellen können. Für die elektronische Kommutierung der elektrischen Maschine ist daher die genaue Kenntnis der aktuellen Winkelstellung (Rotorlage) des Rotors unabdingbar. Dabei ist es bekannt, die Winkelstellung in Abhängigkeit von einer durch die Drehbewegung des Rotors in die Antriebswicklung zurückinduzierten Spannung, der

sogenannten rückwirkenden Generatorspannung, zu ermitteln. Dazu werden die induzierten Phasenströme der Antriebswicklung ausgewertet. Um eine hohe Leistung der elektrischen Maschine zu erreichen, ist es außerdem bekannt, die elektrische Maschine durch eine Sinus-Kommutierung in zumindest einem Drehzahlbereich anzutreiben.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine genaue Rotorlagenbestimmung auch bei niedrigen Drehzahlen auf einfache Art und Weise gewährleistet wird. Darüber hinaus wird die Leistung der elektrischen Maschine insgesamt gesteigert. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass die Antriebswicklung in einem zweiten Drehzahlbereich, der unterhalb des ersten Drehzahlbereichs liegt, durch eine Blockkommutierung bestromt wird. Während also bei hohen Drehzahlen, also innerhalb des ersten Drehzahlbereichs, die bereits verwendete Sinus- Kommutierung beibehalten wird, wird bei niedrigen Drehzahlen, in dem zweiten Drehzahlbereich, auf eine

Blockkommutierung umgeschaltet. Dadurch wird erreicht, dass ein ansonsten bei niedrigen Drehzahlen durch die Sinus- Kommutierung erzeugtes Störsignal durch die für kleine Drehzahlen dominierenden Zweigverriegelungszeiten in

Konstellation mit hohen Phasenströmen, vermieden wird. Die daraus ansonsten resultierenden Stromplateaus in den Nulldurchgängen der Phasenströme werden verkürzt oder gänzlich vermieden. Dadurch werden die in die Antriebswicklung induzierten Störspannungen im Statorkreis reduziert, welche die rückwirkende Generatorspannung ansonsten verfälschen würden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beginnt der zweite Drehzahlbereich bei einer Drehzahl von Null beziehungsweise im Stillstand. Dadurch wird der unterste Drehzahlbereich der elektrischen Maschine blockkommutiert, mit den sich daraus ergebenden Vorteilen.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der zweite Drehzahlbereich sich bis zu einer Mindestdrehzahl der Sinus-Kommutierung, bei welcher eine Winkelstellung des Rotors mittels der rückwirkenden Generatorspannung sicher (in Bezug auf die Genauigkeit der Winkelstellung) beziehungsweise ausreichend genau ermittelbar ist, erstreckt. Die Obergrenze des zweiten Drehzahlbereichs wird also dort gewählt, wo auf das übliche Verfahren mit Sinus- Kommutierung auf Basis der mittels der rückwirkenden Generatorspannung ermittelten Winkelstellung des Rotors, sicher zurückgegriffen werden kann. Diese Drehzahl ist für jede Art von elektrischer Maschine beispielsweise durch Versuche oder Berechnungen ermittelbar. Dadurch wird erreicht, dass in dem Drehzahlbereich, in welchem die Sinus- Kommutierung nicht sicher durchführbar ist, auf die sichere

Blockkommutierung zurückgegriffen wird, und dass in dem Drehzahlbereich, in welchem die Sinus- Kommutierung sicher durchführbar ist, diese durchgeführt wird, um eine maximale Leistung der elektrischen Maschine zu gewährleisten.

Bevorzugt wird eine Blockkommutierung von 120° in dem zweiten

Drehzahlbereich verwendet. Hierdurch ergibt sich eine vorteilhafte Auswertung der rückwirkenden Generatorspannung.

Insbesondere wird diese Art der Blockkommutierung bei einer dreiphasigen Antriebswicklung verwendet. Es ergibt sich dabei, dass eine der

Phasenantriebwicklung stets unbestromt ist und sich daher für die Erfassung der Rotorlage mittels der in diese Phase induzierten rückwirkenden

Generatorspannung eignet. Bevorzugt wird die Rotorlage in Abhängigkeit von dem Verlauf einer in der unbestromten Phase induzierten Spannung ermittelt.

Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass der Verlauf der induzierten Spannung mithilfe einer zusätzlichen statorseitigen Sensorwicklung ermittelt wird. Dies hat den Vorteil, dass jeweils die beiden Spulenenden der zusätzlichen

Sensorwicklung Potential-ungebunden für die nachgeschaltete Elektronik zur Verfügung stehen. Mehrere Sensorwicklungen werden beispielsweise in einem Sternpunkt zusammengeschaltet.

Zur Ermittlung der Winkelstellung werden bevorzugt Spannungsteile und Filter oder eine Zenerdiode verwendet. Nach geeigneter Spannungsteilung und Filterung wird insbesondere der Nulldurchgang der induzierten Spannung detektiert. Alternativ kann bei einer getakteten Blockkommutierung die Detektion des Nulldurchgangs in den Pulspausen, vorzugsweise am Ende jeder Pause, vorgenommen werden. Hierdurch vereinfacht sich der Beschaltungsaufwand: Anstelle von Spannungsteil und Filter wird die vorstehend genannte Zenerdiode vorzugsweise mit einem geeigneten elektrischen Widerstand eingesetzt. Zur Auswertung des Nulldurchgangs wird der Spannungsabfall über die Zenerdiode berücksichtigt.

Das erfindungsgemäße Steuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich dadurch aus, dass es speziell dazu hergerichtet ist, das vorstehend erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.

Die elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 11 zeichnet sich durch das erfindungsgemäße Steuergerät aus. Es ergeben sich die bereits genannten Vorteile.

Der erfindungsgemäße Turbolader mit den Merkmalen des Anspruchs 11 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße elektrische Maschine zum Antreiben der Welle aus. Es ergeben sich dabei die bereits genannten Vorteile. Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden.

Dazu zeigen

Figur 1 einen Turbolader in einer vereinfachten Darstellung,

Figur 2 eine Leistungselektronik eines Steuergeräts zum Betreiben des

Turboladers,

Figur 3 eine vorteilhafte Blockkommutierung,

Figur 4 eine vorteilhafte Ausbildung des Steuergeräts und

Figur 5 eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Steuergeräts.

Figur 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung ein Turbolader 1 für eine

Brennkraftmaschine eines hier nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs. Der Turbolader 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in welchem eine Welle 3 drehbar gelagert ist. Die Welle 3 trägt an einem Ende ein Verdichterrad 4, welchem ein Gasstrom axial zuführbar ist, welches den Gasstrom verdichtet und radial aus dem

Gehäuse 2 herausfördert, wie durch Pfeile angedeutet.

Weiterhin weist der Turbolader 1 eine elektrische Maschine 5 auf, die einen gehäusefesten Stator 6 und einen auf der Welle 3 drehfest angeordneten Rotor 7 aufweist. Der Stator 6 weist eine mehrphasige, vorliegend dreiphasige

Antriebswicklung mit den Phasen U, V und W auf. Durch Bestromen der Phasen U, V, W wird ein Statormagnetfeld erzeugt, durch welches der Rotor 7 und damit die Welle 3 und das Verdichterrad 4 angetrieben werden. Hierzu ist ein

Steuergerät 8 vorhanden, welches die Phasen U, V und W ansteuert.

Figur 2 zeigt hierzu in einer vereinfachten Darstellung eine Leistungselektronik 9 des Steuergeräts 8. Die Leistungselektronik 9 weist eine B6- Brückenschaltung mit drei Halbbrücken 10, 11, 12 auf, die jeweils zwei durch das Steuergerät 8 ansteuerbare Halbleiterschalter TH10, TL10, TH11, TL11, TH12, TL12 aufweisen. Die Halbleiterbrücken 10, 11, 12 sind mit jeweils einer der Phasen U, V, W verbunden.

In einem ersten Drehzahlbereich von n _x bis n _max bis zur maximalen Drehzahl n _max werden die Phasen U, V, W durch eine Sinus- Kommutierung angesteuert. Durch die Sinus- Kommutierung wird jedoch bei niedrigen Drehzahlen ein Störsignal durch die für kleinere Drehzahlen dominierenden Zweigverriegelungszeiten in Konstellation mit hohen Phasenströmen verursacht. Dabei stellen sich nicht gewollte Stromplateaus in den Nulldurchgängen der Phasenströme ein. Diese Stromabflachungen induzieren zusätzliche Spannungswelligkeiten im Stator beziehungsweise Statorkreis, die die rückwirkende Generatorspannung verfälschen und dadurch zu einer falschen Rotorwinkelerfassung führen können. In einem zweiten, niedrigeren Drehzahlbereich, von n _o bis n _x , wobei n _o = 0 ist, werden daher vorliegend die Phasen U, V, W durch eine Blockkommutierung angesteuert.

Figur 3 zeigt hierzu in einer vereinfachten Darstellung eine 120°- Blockkommutierung, die in dem zweiten Drehzahlbereich für die Phasen U, V, W angewendet wird. Durch die drei Phasen und die 120°-Blockkommutierung wird erreicht, dass jeweils eine der Phasen unbestromt ist. Diese Phase wird dann im laufenden Betrieb dazu genutzt, die (Dreh-)Winkelstellung des Rotors 7 in Abhängigkeit von einer in diese Phase durch das Rotormagnetfeld induzierte rückwirkende Generatorspannung zu ermitteln. Die Winkelstellung wird dabei über den Verlauf der induzierten Spannung an der unbestromten Phase ermittelt.

Alternativ wird der Verlauf der induzierten Spannung über eine zusätzliche an dem Stator 6 angeordnete Sensorspule erfasst. Diese hat den Vorteil, dass jeweils die beiden Spulenenden der Sensorspule Potential-ungebunden für eine nachgeschaltete Auswerteelektronik zur Verfügung stehen.

Figur 4 zeigt hierzu in einer vereinfachten Darstellung ein Sensorspulensystem, wobei jeder Phase U, V, W jeweils eine Sensorsparspule HU, HV und HW zugeordnet ist, und wobei die Sensorspulen sternförmig in einem Punkt S zusammengeschaltet sind. Die weitere Auswertung erfolgt insbesondere auf klassischem Weg: Nach geeigneter Spannungsteilung und Filterung wird der Nulldurchgang der induzierten Spannung in der unbestromten Phase detektiert. Alternativ kann bei einer getakteten Blockkommutierung die Detektion des Nulldurchgangs in den Pulspausen, vorzugsweise am Ende der jeweiligen Pulspause, vorgenommen werden. Auf diese Weise vereinfacht sich der Schaltungsaufwand, weil

Spannungsteiler und Filter durch eine mit einem geeigneten Widerstand vorbeschaltete Zenerdiode gesetzt werden. Zur Auswertung des Nulldurchgangs wird der Spannungsabfall über die Zenerdiode herangezogen, wie beispielsweise in Figur 4 gezeigt, in welcher beispielhaft Phase U, Sternpunkt S, Zenerdiode 13 und Widerstand R gezeigt sind.

Die erforderlichen Pulspausen sind durch Strombegrenzungsmaßnahmen bevorzugt ohne Drehmomentdefizite gegeben. Darüber hinaus lässt sich die vereinfachte Beschaltung direkt an den Phasenanschlüssen der elektrischen

Maschine 5, also ohne Vorsehen der Sensorwicklungen, verwenden. Neben der Detektion des Durchgangs für die sensorlose Drehzahlregelung mit

Blockkommutierung im unteren Drehzahlbereich sind Induktivitäts

beziehungsweise Beobachter- oder modellbasierte Verfahren ebenfalls einsatzfähig. Insbesondere letztere profitieren von den vermiedenen und eingangs beschriebenen Spannungswelligkeiten, die ansonsten bei einer Sinus- Kommutierung in niedrigen Drehzahlbereichen auftreten würden, besonders.