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DE102017204106A1 - Method and device for operating a polyphase inverter - Google Patents

Method and device for operating a polyphase inverter Download PDF

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DE102017204106A1
DE102017204106A1 DE102017204106.4A DE102017204106A DE102017204106A1 DE 102017204106 A1 DE102017204106 A1 DE 102017204106A1 DE 102017204106 A DE102017204106 A DE 102017204106A DE 102017204106 A1 DE102017204106 A1 DE 102017204106A1
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DE
Germany
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modulation
switching
length
pulse width
voltage
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102017204106.4A
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German (de)
Inventor
Mesut ER
Oussama Jabloun
Vitali Borokh
Notkar Amann
Karl-Hermann Ketteler
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ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines mehrphasigen Wechselrichters (104), wobei das Verfahren einen Schritt des Einlesens eines Winkels und einer Länge eines Spannungszeigers (122) von einer feldorientierten Regelung (116) und einen Schritt des Umschaltens von einer Pulsweitenmodulation auf eine Synchronmodulation zur Modulation des Spannungszeigers (122) auf Steuersignale (110) zum Ansteuern der Phasen des Wechselrichters (104) aufweist, wobei umgeschaltet wird, wenn der Winkel in einem Umschaltwinkelbereich liegt und die Länge größer als eine Pulsweitenmodulationslänge ist.The present invention relates to a method of operating a polyphase inverter (104), the method comprising a step of reading an angle and a length of a voltage vector (122) from a field-oriented controller (116) and a step of switching from a pulse width modulation a synchronous modulation for modulating the voltage vector (122) to control signals (110) for driving the phases of the inverter (104), being switched when the angle is in a switching angle range and the length is greater than a pulse width modulation length.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung oder ein Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.The present invention relates to a device or a method according to the preamble of the independent claims. The subject of the present invention is also a computer program.

Ein Elektromotor kann über einen Wechselrichter mit elektrischer Energie versorgt werden. Dabei können eine Drehzahl und ein Drehmoment des Elektromotors beeinflusst werden.An electric motor can be supplied with electrical energy via an inverter. In this case, a rotational speed and a torque of the electric motor can be influenced.

Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines mehrphasigen Wechselrichters, eine verbesserte Vorrichtung zum Betreiben eines mehrphasigen Wechselrichters, ein verbessertes Antriebssystem und ein verbessertes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, the present invention provides an improved method of operating a polyphase inverter, an improved apparatus for operating a polyphase inverter, an improved drive system and an improved computer program product according to the main claims. Advantageous embodiments will become apparent from the dependent claims and the description below.

Drehzahl und Drehmoment eines Elektromotors können bei der Verwendung einer Pulsweitenmodulation zum Erzeugen der Antriebsströme für die Spulen des Elektromotors innerhalb von Grenzen beeinflusst werden. Aufgrund der Art der Erzeugung der Ströme mittels aufeinanderfolgenden Pulsen kann jedoch nicht die volle Eingangsspannung des Wechselrichters an die Spulen angelegt werden, wodurch auch nicht das maximal mögliche Drehmoment erreicht werden kann.The speed and torque of an electric motor may be influenced within limits by using pulse width modulation to generate the drive currents for the coils of the electric motor. However, due to the way in which the currents are generated by means of successive pulses, it is not possible to apply the full input voltage of the inverter to the coils, as a result of which the maximum possible torque can not be achieved.

Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird zum Abrufen des maximal möglichen Drehmoments am Elektromotor von einer Pulsweitenmodulation auf eine Grundfrequenzmodulation umgeschaltet.In the approach presented here, in order to call up the maximum possible torque at the electric motor, a switch is made from a pulse width modulation to a fundamental frequency modulation.

Ein Verfahren zum Betreiben eines mehrphasigen Wechselrichters umfasst die folgenden Schritte:

  • Einlesen eines Winkels und einer Länge eines Spannungszeigers von einer feldorientierten Regelung; und
  • Umschalten von einer Pulsweitenmodulation auf eine Synchronmodulation zur Modulation des Spannungszeigers auf Steuersignale zum Ansteuern der Phasen des Wechselrichters, wenn der Winkel in einem Umschaltwinkelbereich liegt und die Länge größer als eine Pulsweitenmodulationslänge ist.
A method of operating a polyphase inverter includes the following steps:
  • Reading an angle and a length of a voltage vector from a field-oriented control; and
  • Switching from a pulse width modulation to a synchronous modulation for modulation of the voltage vector to control signals for driving the phases of the inverter when the angle is in a switching angle range and the length is greater than a pulse width modulation length.

Insbesondere kann die Synchronmodulation als Grundfrequenzmodulation bezeichnet werden. Bei der Synchronmodulation werden die Steuersignale umso schneller durchgeschaltet, umso schneller der Elektromotor drehen soll.In particular, the synchronous modulation may be referred to as fundamental frequency modulation. In synchronous modulation, the control signals are switched through the faster, the faster the electric motor should rotate.

Von der Synchronmodulation kann auf die Pulsweitenmodulation zurückgeschaltet werden, wenn die Länge kleiner als eine Synchronmodulationslänge ist. Durch das Zurückschalten kann der Elektromotor im jeweils optimierten Modulationsmodus betrieben werden.From the synchronous modulation can be switched back to the pulse width modulation, if the length is smaller than a synchronous modulation length. By switching back the electric motor can be operated in each optimized modulation mode.

Die Pulsweitenmodulationslänge kann kleiner als die Synchronmodulationslänge sein. Das Umschalten und das Zurückschalten können wie bei einem Zweipunktregler mit einer Hysterese ausgeführt werden. Dadurch kann ein ständiger Wechsel zwischen den Modulationsarten verhindert werden.The pulse width modulation length may be smaller than the synchronous modulation length. The switching and the switching back can be carried out as with a two-position controller with a hysteresis. As a result, a constant change between the types of modulation can be prevented.

Zwischen der Pulsweitenmodulation und der Synchronmodulation kann auf eine Übergangsmodulation geschaltet werden. Durch eine Übergangsmodulation können Stromspitzen beim Umschalten und Winkelfehler vermieden werden.Between the pulse width modulation and the synchronous modulation can be switched to a transitional modulation. By means of a transition modulation, current peaks during switching and angle errors can be avoided.

Als Übergangsmodulation kann eine Übermodulation verwendet werden. Eine Übermodulation kann eine Modulation mit vergrößerter Amplitude sein. Durch die die kurzzeitig vergrößerte Amplitude während der Übergangsmodulation können Stromspitzen effektiv verhindert werden.As transient modulation an overmodulation can be used. Overmodulation may be a modulation of increased amplitude. Due to the short-term increased amplitude during the transition modulation current peaks can be effectively prevented.

Als Übergangsmodulation kann eine Flankenpulstaktung verwendet werden. Durch eine Flankenpulstaktung kann ein sinusähnlicher Stromverlauf angenähert werden. Dadurch ist der Übergang zwischen der Pulsweitenmodulation und der Grundfrequenztaktung weniger abrupt.For transition modulation, edge pulse timing can be used. Flank pulse timing can approximate a sinusoidal current profile. As a result, the transition between the pulse width modulation and the fundamental frequency clocking is less abrupt.

Die feldorientierten Regelung kann mit zwei Freiheitsgraden als Mehrgrößenregelung regeln. Vorteilhafterweise kann dadurch auf bestehende Systeme aufgesetzt werden. Vorteilhafterweise kann bei der feldorientierten Regelung auf Ströme geregelt werden.The field-oriented control can regulate with two degrees of freedom as a multi-variable control. Advantageously, this can be applied to existing systems. Advantageously, currents can be regulated in the field-oriented control.

Im Schritt des Umschaltens kann erst dann von der Pulsweitenmodulation auf die Synchronmodulation umgeschaltet werden, wenn eine von dem Winkel und der Länge des Spannungszeigers abhängige Bedingung erfüllt ist. Somit kann eine Wartezeit vor dem tatsächlichen Umschalten in die Synchronmodulation vorhanden sein, die solange dauern kann, bis die Bedingung erfüllt ist. Beispielsweise kann erst dann von der Pulsweitenmodulation auf die Synchronmodulation umgeschaltet werden, wenn sich der rotierende Spannungszeiger in einem definierten Spannungsbereich befindet. Andererseits kann sofort von der Synchronmodulation auf die Pulsweitenmodulation umgeschaltet werden, wenn die Länge des Spannungszeigers einen vorgegebenen Wert unterschreitet.In the step of switching can only be switched from the pulse width modulation to the synchronous modulation when a dependent of the angle and the length of the voltage vector condition is met. Thus, there may be a waiting time before the actual switching to the synchronous modulation, which may take until the condition is met. For example, it is only then possible to switch over from the pulse width modulation to the synchronous modulation when the rotating voltage vector is within a defined voltage range. On the other hand, can be switched immediately from the synchronous modulation to the pulse width modulation, if the length of the voltage vector falls below a predetermined value.

Weiterhin wird eine Vorrichtung zum Betreiben eines mehrphasigen Wechselrichters vorgestellt, wobei die Vorrichtung eine Einrichtung zum Ansteuern eines Modulators aufweist, wobei der Modulator dazu ausgebildet ist, einen von einer feldorientierten Regelung bereitgestellten Spannungszeiger auf Steuersignale zum Ansteuern der Phasen des Wechselrichters zu modulieren, wobei die Einrichtung dazu ausgebildet ist, den Modulator von einer Pulsweitenmodulation auf eine Synchronmodulation umzuschalten, wenn ein Winkel des Spannungszeigers in einem Umschaltwinkelbereich liegt und eine Länge des Spannungszeigers größer als eine Pulsweitenmodulationslänge ist.Furthermore, an apparatus for operating a polyphase inverter is presented, the device having a device for driving a modulator, wherein the modulator is configured to modulate a voltage pointer provided by a field-oriented control to control signals for driving the phases of the inverter, wherein the device is designed to switch the modulator from one pulse width modulation to one Synchronous modulation switch when an angle of the voltage vector is in a switching angle range and a length of the voltage vector is greater than a pulse width modulation length.

Eine Vorrichtung kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere geeignete Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.A device may be an electrical device that processes electrical signals, such as sensor signals, and outputs control signals in response thereto. The device may have one or more suitable interfaces, which may be formed in hardware and / or software. For example, in a hardware configuration, the interfaces may be part of an integrated circuit in which functions of the device are implemented. The interfaces may also be their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In a software training, the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.

Die Vorrichtung kann eine Regeleinrichtung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, die feldorientierte Regelung auszuführen und den Winkel und die Länge des Spannungszeigers in Abhängigkeit von der Führungsgröße auszugeben. Weiterhin kann die Vorrichtung einen Modulator zum Modulieren des Spannungszeigers auf die Steuersignale aufweisen, wobei der Modulator durch die Einrichtung zum Ansteuern angesteuert wird. Die Regeleinrichtung und der Modulator können auch eigenständige Funktionseinheiten sein.The device may comprise a control device which is designed to execute the field-oriented control and to output the angle and the length of the voltage vector as a function of the reference variable. Furthermore, the device may have a modulator for modulating the voltage vector to the control signals, wherein the modulator is driven by the device for driving. The control device and the modulator can also be independent functional units.

Weiterhin wird ein Antriebssystem mit einem mehrphasigen Elektromotor, einem mehrphasigen Wechselrichter und einer Vorrichtung gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt. Bei dem Elektromotor kann es sich beispielsweise um eine asynchrone oder eine permanenterregte Maschine handeln. Somit ist der beschriebene Ansatz sehr vielseitig einsetzbar.Furthermore, a drive system is presented with a multi-phase electric motor, a polyphase inverter and a device according to the approach presented here. The electric motor may be, for example, an asynchronous or permanently excited machine. Thus, the approach described is very versatile.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.

  • 1 ein Bockschaltbild eines Antriebssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine Darstellung eines Wechselrichters;
  • 3 eine Darstellung von Spannungsverläufen auf drei Phasen eines Wechselrichters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 4 eine Darstellung eines Spannungszeigers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 5 eine Darstellung eines Umschaltvorgangs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 6 eine Darstellung von Spannungsverläufen auf drei Phasen eines Wechselrichters während einer Übergangsmodulation gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • 7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines mehrphasigen Wechselrichters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
A computer program product with program code which can be stored on a machine-readable carrier such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and is used to carry out the method according to one of the embodiments described above if the program is installed on a computer or a device is also of advantage is performed.
  • 1 a block diagram of a drive system according to an embodiment of the present invention;
  • 2 a representation of an inverter;
  • 3 a representation of voltage waveforms on three phases of an inverter according to an embodiment of the present invention;
  • 4 a representation of a voltage vector according to an embodiment of the present invention;
  • 5 a representation of a switching operation according to an embodiment of the present invention;
  • 6 a representation of voltage waveforms on three phases of an inverter during a transition modulation according to an embodiment of the present invention; and
  • 7 a flowchart of a method for operating a polyphase inverter according to an embodiment of the present invention.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of preferred embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similarly acting, wherein a repeated description of these elements is omitted.

1 zeigt ein Bockschaltbild eines Antriebssystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Antriebssystem 100 umfasst einen mehrphasigen Elektromotor 102, der über einen mehrphasigen Wechselrichter 104 elektrisch angeschlossen ist. Der Wechselrichter 104 bezieht seine Energie aus einer Gleichspannungsquelle 106, wie beispielsweise einer Batterie oder einem Gleichrichter. 1 shows a block diagram of a drive system 100 according to an embodiment of the present invention. The drive system 100 includes a multi-phase electric motor 102 that has a polyphase inverter 104 electrically connected. The inverter 104 draws its energy from a DC voltage source 106 such as a battery or a rectifier.

Der Wechselrichter 104 wird von einer Vorrichtung 108 zum Betreiben des Wechselrichters 104 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung über Steuersignale 110 angesteuert. Die Vorrichtung 108 weist eine Einrichtung 112 zum Bereitstellen zumindest einer Führungsgröße 114 für eine Regeleinrichtung 116 und eine Einrichtung 118 zum Ansteuern eines Modulators 120 auf. Die Regeleinrichtung 116 stellt in Abhängigkeit von der Führungsgröße 114 einen Spannungszeiger 122 als Sollwert bereit. Der Spannungszeiger 122 weist eine Länge und einen Winkel auf. Der Modulator 120 liest den Spannungszeiger 122 ein und moduliert diesen auf die Steuersignale 110 auf. Die Einrichtung 118 zum Ansteuern liest den Spannungszeiger 122 ein. Hier sind die Regeleinrichtung 116 und der Modulator 120 eigenständige Module des Antriebssystems 100. Die Regeleinrichtung 116 und der Modulator 120 können auch Bestandteile der Vorrichtung 108 sein.The inverter 104 is from a device 108 to operate the inverter 104 according to an embodiment of the present invention via control signals 110 driven. The device 108 has a facility 112 for providing at least one reference variable 114 for a control device 116 and a facility 118 for driving a modulator 120 on. The control device 116 depends on the reference variable 114 a voltage pointer 122 as a setpoint ready. The voltage pointer 122 has a length and an angle. The modulator 120 reads the voltage vector 122 and modulates this on the control signals 110 on. The device 118 to drive reads the voltage vector 122 one. Here are the control device 116 and the modulator 120 independent modules of the drive system 100 , The control device 116 and the modulator 120 may also be components of the device 108 be.

Die Regeleinrichtung 116 weist neben anderen Komponenten einen Spannungsregler 124, einen Stromregler 126 und eine Umrechnungseinrichtung 128 auf. Der Spannungsregler 124 regelt in Abhängigkeit von der Führungsgröße 114 eine Sollspannung. Der Stromregler 126 regelt in Abhängigkeit von der Führungsgröße 114 und/oder der Sollspannung einen Sollstrom. Die Umrechnungseinrichtung 128 rechnet die Sollwerte von einem Berechnungskoordinatensystem in ein Koordinatensystem des Spannungszeigers 122 um und gibt den Spannungszeiger 122 aus. Beispielsweise rechnet die Umrechnungseinrichtung 128 die Sollwerte von einem rotorfesten, rotierenden Koordinatensystem in ein statorfestes, nicht rotierendes Koordinatensystem um.The control device 116 has, among other components, a voltage regulator 124 , a current regulator 126 and a conversion device 128 on. The voltage regulator 124 regulates depending on the reference variable 114 a nominal voltage. The current regulator 126 regulates depending on the reference variable 114 and / or the target voltage a desired current. The conversion facility 128 calculates the setpoints from a calculation coordinate system into a coordinate system of the voltage vector 122 and gives the voltage pointer 122 out. For example, the conversion device calculates 128 the setpoint values from a rotor-fixed, rotating coordinate system to a non-rotating, fixed coordinate system.

Der Modulator 120 zerlegt den Spannungszeiger 122 entsprechend der Anzahl und Lage der Phasen des Wechselrichters 104 und des Elektromotors 102 in die jeweiligen Phasenanteile und moduliert diese auf die Steuersignale 110. Die Steuersignale 110 steuern dabei die Schalter der Brückenschaltung des Wechselrichters 104 an.The modulator 120 disassembles the voltage vector 122 according to the number and position of the phases of the inverter 104 and the electric motor 102 into the respective phase components and modulates these to the control signals 110 , The control signals 110 thereby control the switches of the bridge circuit of the inverter 104 at.

Die Vorrichtung 108 liest zum Betreiben des Wechselrichters 104 Größen 130, wie beispielsweise eine aktuelle Drehzahl (rpm) des Elektromotors 102, ein Soll-Drehmoment (MRef), eine Spannung (Udc) der Spannungsquelle 106 und einen Stromfluss (i123) in den Phasen des Elektromotors 102. Daraus berechnet die Vorrichtung 108 die Führungsgröße 114. Aus der Führungsgröße 114 berechnet die Regeleinrichtung 116 den Spannungszeiger 122.The device 108 reads to operate the inverter 104 sizes 130 , such as a current speed (rpm) of the electric motor 102 , a target torque (MRef), a voltage (Udc) of the voltage source 106 and a current flow (i123) in the phases of the electric motor 102 , The device calculates this 108 the reference variable 114 , From the reference variable 114 calculates the control device 116 the voltage pointer 122 ,

Der Spannungszeiger 122 kennzeichnet durch seine Länge eine erforderliche elektrische Leistung, um den Elektromotor 102 mit dem gewünschten Drehmoment anzutreiben. Der Winkel des Spannungszeigers 122 kennzeichnet eine dafür erforderliche Ausrichtung des durch den Stromfluss im Stator erzeugten Magnetfelds. Der Winkel ändert sich ständig beziehungsweise läuft um, um ein magnetisches Drehfeld im Stator zu erzeugen.The voltage pointer 122 indicates by its length a required electric power to the electric motor 102 to drive with the desired torque. The angle of the voltage vector 122 indicates a required alignment of the magnetic field generated by the current flow in the stator. The angle is constantly changing or reversing to produce a magnetic rotating field in the stator.

Der Modulator 120 setzt den Spannungszeiger 122 in die Steuersignale 110 um. Bei der Pulsweitenmodulation PWM werden die Schalter der Brückenschaltung im Wechselrichter 104 in hochfrequenten Pulsen betätigt. Ein Füllfaktor zwischen einem angeschalteten Abschnitt eines Pulses und einem ausgeschalteten Abschnitt des Pulses bestimmt den resultierenden Stromfluss in der angesteuerten Phase. Bei der Pulsfrequenzmodulation werden die Schalter mit variabler Frequenz angesteuert. Dabei bestimmt ein Abstand zwischen gleichbleibenden Pulsen den Füllfaktor. Das Drehmoment kann so näherungsweise unabhängig von der Drehzahl eingestellt werden.The modulator 120 sets the voltage pointer 122 in the control signals 110 around. In pulse width modulation PWM, the switches of the bridge circuit in the inverter 104 operated in high-frequency pulses. A fill factor between a connected section of a pulse and an off section of the pulse determines the resulting current flow in the driven phase. In pulse frequency modulation, the switches are driven with variable frequency. A distance between constant pulses determines the fill factor. The torque can thus be adjusted approximately independently of the speed.

Wenn der Spannungszeiger 122 in den Bereich seiner maximalen Länge kommt, wird am Elektromotor näherungsweise sein maximales Drehmoment abgerufen. In Abhängigkeit von der Länge und dem Winkel des Spannungszeigers 122 steuert die Einrichtung 118 zum Ansteuern den Modulator 120 so an, dass er von der Pulsweitenmodulation in eine Grundfrequenzmodulation wechselt. Dabei wird die Spannung nicht mehr gepulst erzeugt, sondern die maximale Spannung der Spannungsquelle 106 wird für durch den Winkel des Spannungszeigers 122 vorgegebenen Zeitabschnitte konstant an den Wicklungen des Elektromotors 102 angelegt.When the voltage pointer 122 comes within the range of its maximum length, the electric motor approximately its maximum torque is retrieved. Depending on the length and angle of the voltage vector 122 controls the device 118 for driving the modulator 120 so that it changes from the pulse width modulation in a fundamental frequency modulation. The voltage is no longer pulsed generated, but the maximum voltage of the voltage source 106 is determined by the angle of the voltage vector 122 predetermined periods of time constant at the windings of the electric motor 102 created.

Mit anderen Worten zeigt 1 die Vorrichtung 108 als Umschaltlogik für die Art der Modulation. Je nach Arbeitspunkt wird auf eine für das System 100 günstigere Modulationsart umgeschaltet. Bei der feldorientierten Regelung 116 ist die Struktur der Regelung 116 unverändert und regelt weiterhin auf die Ströme. Der Aussteuerungsregler 124 sorgt dafür, dass die Spannung je nach Modulationsart eingeregelt wird. Der Modulator 120 wechselt in die jeweilige Modulationsart und gibt die Steuersignale 110 an den Wechselrichter 104 unter Verwendung der Pulsweitenmodulation oder der synchronen Taktung weiter.In other words shows 1 the device 108 as a switching logic for the type of modulation. Depending on the operating point will be on one for the system 100 Switched cheaper modulation. In field-oriented control 116 is the structure of the scheme 116 unchanged and continues to regulate the flows. The level control 124 ensures that the voltage is adjusted according to the type of modulation. The modulator 120 changes to the respective modulation mode and outputs the control signals 110 to the inverter 104 using pulse width modulation or synchronous timing.

Dabei erfolgt die Umschaltung zwischen der PWM-Modulation mit zwei Freiheitsgraden und der Grundfrequenztaktung mit einem Freiheitsgrad. Die zwei Freiheitsgrade sind Winkel und Länge des Spannungszeigers 122. Der eine Freiheitsgrat ist der Winkel des Spannungszeigers 122 mit einer gegebenen maximalen Länge. Die Umschaltung erfolgt mittels der Logik 108, die erstens einen optimalen Zeitpunkt für die Umschaltung berechnet und zweitens nach Wirkungsgrad optimierte Bereiche für die verschiedenen Modulationsarten berücksichtigt.The switching between the PWM modulation with two degrees of freedom and the fundamental frequency clocking takes place with one degree of freedom. The two degrees of freedom are angle and length of the voltage vector 122 , The one Freedom Ridge is the angle of the voltage vector 122 with a given maximum length. Switching takes place by means of the logic 108 Firstly, it calculates an optimum point in time for the switchover and, secondly, it considers efficiency optimized ranges for the different types of modulation.

Die Struktur innerhalb der Regelung 116 beziehungsweise der Software kann unverändert bleiben. Die feldorientierte Regelung (FOR) regelt weiterhin mit zwei Freiheitsgraden als sogenannte Mehrgrößenregelung. Dadurch, dass keine Strukturumschaltung stattfindet, ist das Systemverhalten kontinuierlicher und ohne größere Sprünge in den Systemgrößen, wie Strom und/oder Spannung. Die Integratoren in den Reglern 124, 126 können ohne Zurücksetzten weiter betrieben werden.The structure within the scheme 116 or the software can remain unchanged. The field-oriented control (FOR) continues to regulate with two degrees of freedom as so-called multi-variable control. Due to the fact that no structure switching takes place, the system behavior is more continuous and without major jumps in the system variables, such as current and / or voltage. The integrators in the controllers 124 . 126 can continue to operate without resetting.

Durch das Vorhandensein des Spannungsreglers 124 wird die Länge des Spannungszeigers 122 auf die gegebene, maximale Spannung geregelt. Dadurch wirkt sich der Stromregler 126 mit zwei Freiheitsgraden trotzdem nur auf den Winkel des Spannungszeigers 122 aus. Dadurch ist der Stromregler 126 ist immer noch aktiv und kann auf Störungen reagieren.By the presence of the voltage regulator 124 becomes the length of the voltage vector 122 regulated to the given, maximum voltage. This affects the current regulator 126 with two degrees of freedom anyway only on the angle of voltage vector 122 out. This is the current regulator 126 is still active and can respond to disturbances.

Der Stromregler 126 und der Spannungsregler 124 sind auch in der PWM-Modulationsart aktiv, aber der Spannungsregler 124 regelt auf eine andere Sollspannung. Die Sollspannung wird durch einen Aussteuerungsfaktor je nach Modulationsart bestimmt.The current regulator 126 and the voltage regulator 124 are also active in the PWM modulation mode, but the voltage regulator 124 regulates to another nominal voltage. The setpoint voltage is determined by a modulation factor depending on the type of modulation.

Bei der Raumzeigermodulation ist die Taktungsart asynchron und ein Aussteuerungsfaktor von 0 1 3

Figure DE102017204106A1_0001
wird erreicht. Bei der Mehrfachtaktung ist die Taktungsart synchron und ein Aussteuerungsfaktor von 1 3 2 π
Figure DE102017204106A1_0002
wird erreicht. Bei der Grundfrequenztaktung ist die Taktungsart ebenfalls synchron und ein Aussteuerungsfaktor von 2 π
Figure DE102017204106A1_0003
wird erreicht. Die Modulationsart ist synchron falls die Schaltfrequenz fs gleich der Grundfrequenz der Ausgangsspannungen oder ein Vielfaches davon ist. Der Aussteuerungsfaktor ist durch U s S t r a n g U d c
Figure DE102017204106A1_0004
definiert.In space vector modulation, the timing mode is asynchronous and a modulation factor of 0 ... 1 3
Figure DE102017204106A1_0001
is achieved. In multiple clocking, the timing mode is synchronous and a modulation factor of 1 3 ... 2 π
Figure DE102017204106A1_0002
is achieved. In the basic frequency clocking the Taktungsart is also synchronous and a modulation factor of 2 π
Figure DE102017204106A1_0003
is achieved. The modulation mode is synchronous if the switching frequency fs is equal to the fundamental frequency of the output voltages or a multiple thereof. The modulation factor is through U s S t r a n G U d c
Figure DE102017204106A1_0004
Are defined.

Der hier vorgestellte Ansatz ist funktionsfähig für alle Drehfeldmaschinentypen, sowohl ASM als auch PSM. Dabei wird weiterhin auf die Ströme geregelt, statt einem gesteuerten Betrieb. Es erfolgt eine arbeitspunktabhängige Umschaltung der Modulationsart. Durch eine bessere Spannungsausnutzung sind mehr Leistung und ein besserer Wirkungsgrad erreichbar. Es ist keine Regelungsstrukturumschaltung nötig. Das Verfahren beschränkt sich nicht nur auf dreiphasige Maschinen 102 beziehungsweise Systeme 100. Der hier vorgestellte Ansatz ist robust.The approach presented here is functional for all three-phase machine types, both ASM and PSM. It continues to be regulated on the streams, instead of a controlled operation. There is an operating point-dependent switching of the modulation. Better voltage utilization means more power and better efficiency. No control structure changeover is necessary. The method is not limited to three-phase machines 102 or systems 100 , The approach presented here is robust.

In der Ansteuerung von E-Maschinen 102 hat sich kein Modulationsverfahren als das optimale für alle Anforderungen und Betriebspunkte durchgesetzt. Die Raumzeigermodulation, hier Pulsweitenmodulation beziehungsweise PWM genannt, ist üblicherweise die Standardmodulation. Diese asynchrone Modulationsart hat jedoch zwei entscheidenden Schwächen. Pulsweitenmodulation nutzt die Batteriespannung nicht vollständig aus. Ab einem bestimmten Verhältnis zwischen Schaltfrequenz und Antriebsfrequenz ergeben sich störende Stromoberwellen und gegebenenfalls Schwebungen. Diese beiden Schwächen sind zugleich die Stärken der synchronen Modulationsverfahren. Die hier vorgestellte Variation des Modulationsverfahrens ermöglicht es, das Antriebsystem 100 unter den gegebenen Randbedingungen optimal zu betreiben. Durch den hier vorgestellten Ansatz können beim Umschalten ungewünschte Ausgleichströme vermieden werden, welche zu Systemausfall führen könnten.In the control of electric machines 102, no modulation method has prevailed as the optimum for all requirements and operating points. The space vector modulation, here called pulse width modulation or PWM, is usually the standard modulation. However, this asynchronous modulation type has two crucial weaknesses. Pulse width modulation does not fully exploit the battery voltage. From a certain ratio between the switching frequency and the drive frequency, disturbing current harmonics and possibly beats result. These two weaknesses are at the same time the strengths of the synchronous modulation methods. The variation of the modulation method presented here allows the drive system 100 operate optimally under the given boundary conditions. By the approach presented here, unwanted balancing currents can be avoided when switching, which could lead to system failure.

Um beim Umschalten zwischen den Modulationsverfahren keine bauteilgegebenen Stromgrenzen zu verletzen, beziehungsweise größere Ausgleichsvorgänge zu vermeiden, die im Regelkreis 116 zu Instabilitäten führen können, wird durch den hier vorgestellten Ansatz ein sanfter Übergang ermöglicht.In order to avoid violating component-specified current limits when switching between the modulation methods, or to avoid larger compensation processes occurring in the control loop 116 can lead to instability, the approach presented here allows for a smooth transition.

Allgemein wird dabei das Modulationsverfahren von einer Pulsweitenmodulation über eine Übergangsmodulation auf eine Grundfrequenztaktung umgestellt. Zurück wird von der Grundfrequenztaktung über die Übergangsmodulation auf die Pulsweitenmodulation gewechselt. Als Übergangsmodulation kann dabei eine Pulsweiten-Übermodulation beziehungsweise PWM-OVM oder eine Mehrfachtaktung verwendet werden.In general, the modulation method is converted from a pulse width modulation via a transition modulation to a fundamental frequency timing. Back is switched from the fundamental frequency clocking via the transition modulation to the pulse width modulation. In this case, a pulse width overmodulation or PWM-OVM or a multiple clocking can be used as transition modulation.

2 zeigt eine Darstellung eines Wechselrichters 104. Der Wechselrichter 104 entspricht dabei im Wesentlichen dem Wechselrichter in 1. Der Wechselrichter 104 ist hier dreiphasig. Dazu weist er pro Phase zwei Schalter 200 auf, die die Phase entweder mit einem hohen Spannungspotenzial 202 oder mit einem niedrigen Spannungspotenzial 204 der Spannungsquelle 106 verbinden. Eine Phase ist jeweils mit einer Spule des Elektromotors 102 verbunden. Die Spulen sind im Elektromotor 102 beispielsweise in einer Sternschaltung verschalten. 2 shows a representation of an inverter 104 , The inverter 104 corresponds essentially to the inverter in 1 , The inverter 104 is here three-phase. He has two switches per phase 200 on that the phase either with a high voltage potential 202 or with a low voltage potential 204 the voltage source 106 connect. One phase is each with a coil of the electric motor 102 connected. The coils are in the electric motor 102 For example, interconnect in a star connection.

Für die Ansteuerung von Gleichstrommaschinen und Drehfeldmaschinen 102 werden überwiegend Spannungszwischenkreis-Wechselrichter (WR) 104 verwendet. 2 zeigt den Aufbau eines Wechselrichters 104 für Drehfeldmaschinen 102. Mittels unterschiedlichen Modulationsverfahren können die gewünschten Spannungen am Ausgang des Wechselrichters 104 durch Generierung der Pulsweitenmodulationswerte eingestellt werden.For the control of DC machines and induction machines 102 are predominantly voltage source inverters (WR) 104 used. 2 shows the structure of an inverter 104 for induction machines 102 , By means of different modulation methods, the desired voltages at the output of the inverter 104 be set by generating the pulse width modulation values.

Die generierten PWM-Werte aus der Regelung oder der Steuerung zur Erzeugung eines bestimmten Spannungsvektors ändern sich mit der gewünschten Spannungsfrequenz und -amplitude.The generated PWM values from the controller or controller to produce a particular voltage vector will vary with the desired voltage frequency and amplitude.

3 zeigt eine Darstellung von Spannungsverläufen 300, 302 auf drei Phasen eines Wechselrichters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die drei Phasen entsprechen im Wesentlichen den drei Phasen in 2. Die Spannungsverläufe 300, 302, 304 sind in drei übereinander angeordneten Diagrammen dargestellt. Auf den Abszissen ist ein normierter Winkel beziehungsweise eine Zeit angetragen, auf den Ordinaten eine normierte Spannungsamplitude. Die Spannungsverläufe der einzelnen Phasen sind gleich, weisen aber einen Phasenversatz zueinander auf. Für jede der drei Phasen sind Spannungsverläufe 300, 302, 304 von drei verschiedene Modulationsarten dargestellt. Die erste Modulationsart ist eine Sinusmodulation 300, die einem Sinusverlauf stark angenähert ist. Die zweite Modulationsart ist eine Raumzeigermodulation 302, die näherungsweise dem Sinusverlauf entspricht, jedoch geringe Abweichungen davon aufweist. Die dritte Modulationsart ist eine Grundfrequenzmodulation 304, bei der der Sinusverlauf durch ein Rechtecksignal nachempfunden ist. Die Sinusmodulation 300 und die Raumzeigermodulation 302 werden durch eine Pulsweitenmodulation erreicht. Dabei werden die Verläufe 300, 302 durch viele Pulse mit variabler Pulsweite beziehungsweise variablem Füllfaktor erzeugt. Die Grundfrequenzmodulation 304 weist demgegenüber eine geringe Anzahl an Schaltvorgängen auf. 3 shows a representation of voltage curves 300 . 302 on three phases of an inverter according to an embodiment of the present invention. The three phases essentially correspond to the three phases in 2 , The voltage curves 300 . 302 . 304 are shown in three superimposed diagrams. On the abscissa a normalized angle or a time is plotted, on the ordinates a normalized voltage amplitude. The voltage curves of the individual phases are the same, but have a phase offset to one another. For each of the three Phases are voltage curves 300 . 302 . 304 represented by three different types of modulation. The first modulation type is a sine modulation 300 that closely approximates a sine wave. The second type of modulation is a space vector modulation 302 which approximately corresponds to the sinusoidal curve but has slight deviations therefrom. The third type of modulation is a fundamental frequency modulation 304 , in which the sine wave is modeled by a square wave signal. The sine modulation 300 and the space vector modulation 302 are achieved by a pulse width modulation. The gradients become 300 . 302 generated by many pulses with variable pulse width or variable filling factor. The fundamental frequency modulation 304 In contrast, has a small number of switching operations.

Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird von der Raumzeigermodulation 302 auf die Grundfrequenzmodulation 304 gewechselt, wenn ein bestimmter Betriebszustand erreicht ist. Bei der Grundfrequenzmodulation 304 liegt an einer Phase über eine Halbwelle die volle Spannung der Spannungsquelle an.The approach presented here is based on space vector modulation 302 to the fundamental frequency modulation 304 changed when a certain operating condition is reached. In the fundamental frequency modulation 304 is at a phase over a half-wave to the full voltage of the voltage source.

Mit anderen Worten zeigt 3 den Unterschied zwischen der Raumzeigermodulation und der Grundfrequenztaktung. Dabei zeigt die Kurve 300 die Sinusmodulation, die Kurve 302 die Raumzeigermodulation und die Kurve 304 die Grundfrequenztaktung.In other words shows 3 the difference between the space vector modulation and the fundamental frequency clocking. The curve shows 300 the sine modulation, the curve 302 the space vector modulation and the curve 304 the fundamental frequency clocking.

4 zeigt eine Darstellung eines Spannungszeigers 122 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Spannungszeiger 122 ist in einem statorfesten Koordinatensystem mit den Achsen α, β dargestellt. Der Spannungszeiger 122 ist ein vom Koordinatenursprung ausgehender Vektor. Der Spannungszeiger 122 weist damit eine Länge und einen Winkel auf. Die Länge des Spannungszeigers 122 ist zwischen null und eins variabel, Der Winkel kann jeden Wert aufweisen. Damit kann die Spitze des Spannungszeigers theoretisch jeden Punkt innerhalb eines Kreises um den Koordinatenursprung mit dem Radius eins erreichen. Der Spannungszeiger 122 kann als Raumzeiger bezeichnet werden. 4 shows a representation of a voltage vector 122 according to an embodiment of the present invention. The voltage pointer 122 is shown in a stator-fixed coordinate system with the axes α, β. The voltage pointer 122 is a vector from the origin of the coordinates. The voltage pointer 122 thus has a length and an angle. The length of the voltage vector 122 is variable between zero and one. The angle can be any value. Thus, the peak of the voltage vector can theoretically reach any point within a circle around the coordinate origin of radius one. The voltage pointer 122 can be called a space pointer.

Die Länge des Spannungszeigers 122 repräsentiert eine am Elektromotor bereitzustellende elektrische Leistung. Da der Elektromotor eine endliche Anzahl an Spulen aufweist, können nicht alle durch den Spannungszeiger darstellbaren Arbeitspunkte erreicht werden. Tatsächlich kann ein Bereich 400 des Kreises erreicht werden, der hier durch ein Sechseck markiert ist. Dabei liegen die Ecken des Sechsecks 400 auf dem Kreis mit dem Radius eins. Eins entspricht dabei der Gleichspannung Udc der Spannungsquelle. Innerhalb des Sechsecks 400 ist ein tangierender Kreis 402 mit dem Radius 1 3 U d c

Figure DE102017204106A1_0005
dargestellt. Alle Arbeitspunkte innerhalb des Kreises 402 können mittels Pulsweitenmodulation beziehungsweise Raumzeigermodulation oder Spannungszeigermodulation erreicht werden.The length of the voltage vector 122 represents an electric power to be provided to the electric motor. Since the electric motor has a finite number of coils, not all can be represented by the voltage pointer operating points can be achieved. In fact, an area can 400 of the circle marked here by a hexagon. Here are the corners of the hexagon 400 on the circle with the radius one. One corresponds to the DC voltage U dc of the voltage source. Inside the hexagon 400 is a tangent circle 402 with the radius 1 3 U d c
Figure DE102017204106A1_0005
shown. All work points within the circle 402 can be achieved by means of pulse width modulation or space vector modulation or voltage vector modulation.

Bei dem hier vorgestellten Ansatz werden Arbeitspunkte innerhalb des Kreises über die Pulsweitenmodulation angesteuert. Wenn die Arbeitspunkte außerhalb des Kreises 402 liegen, wird auf Grundfrequenztaktung beziehungsweise Grundfrequenzmodulation umgeschaltet. Durch die Grundfrequenztaktung kann eine höhere Leistung am Elektromotor bereitgestellt werden, als mittels der Pulsweitenmodulation. Dabei kann effektiv 2 π U d c

Figure DE102017204106A1_0006
erreicht werden.In the approach presented here, operating points within the circuit are controlled via the pulse width modulation. If the operating points are outside of the circle 402, the system switches to fundamental frequency modulation or basic frequency modulation. By the fundamental frequency clocking, a higher power can be provided to the electric motor, as by means of the pulse width modulation. It can be effective 2 π U d c
Figure DE102017204106A1_0006
be achieved.

Mit anderen Worten wird eine synchrone Taktung in der feldorientierten Regelung vorgestellt.In other words, a synchronous clocking in the field-oriented control is presented.

Bei der feldorientierten Regelung kann sowohl die Spannungszeigerlänge als auch der Winkel durch eine Pulsweitenmodulation geändert werden. Prinzip bedingt kann bei Grundfrequenztaktung nur der Winkel geändert werden. Die Spannungslänge ist durch die Zwischenkreisspannung gegeben.In the field-oriented control, both the voltage pointer length and the angle can be changed by a pulse width modulation. Due to the principle, only the angle can be changed during basic frequency clocking. The voltage length is given by the DC link voltage.

Alternativ kann auf eine Steuerung umgeschaltet werden, sodass auf die Ströme nicht mehr geregelt wird, wie es bei einer Standard feldorientierten Regelung der Fall ist. Damit wird vermieden, dass ungewollt die Spannungslänge durch die Stromregler geändert wird. Bei einer Steuerung kann zusätzlich eine Strukturumschaltung durchgeführt werden.Alternatively, it is possible to switch to a control so that the currents are no longer regulated, as is the case with a standard field-oriented control. This avoids that the voltage length is changed by the current controller unintentionally. In the case of a control, a structure changeover can additionally be carried out.

Um die Drehfeldmaschine maximal auszunutzen, wird die maximal mögliche Spannung an den Maschinenklemmen angelegt. Dies wird dadurch erreicht, dass die Wechselrichterschalter mit der Grundfrequenz die drei Phasen ansteuern.In order to make maximum use of the induction machine, the maximum possible voltage is applied to the machine terminals. This is achieved by the fact that the inverter switches with the fundamental frequency control the three phases.

Um in der Regelung schwer beherrschbare Strukturumschaltungen zu vermeiden, wird die synchrone Taktung als Erweiterung in der feldorientierten Regelung umgesetzt, indem weiterhin auf die Ströme geregelt wird, ohne die Regelungsstruktur umzuschalten. Dabei zeigt das Sechseck 400 die maximal erreichbare Grundwelle der Strangspannung (peak value). Der eingeschriebene Kreis 402 zeigt die bei der Raumzeigermodulation maximal erreichbare Strangspannung von 1 3 U D C .

Figure DE102017204106A1_0007
Der gestrichelte Kreis zeigt die bei der Grundfrequenztaktung effektiv erreichbare Strangspannung von 2 π U D C .
Figure DE102017204106A1_0008
In order to avoid structure switching that is difficult to control in the closed-loop control, the synchronous clocking is implemented as an extension in the field-oriented control by continuing to regulate the currents without switching over the control structure. This shows the hexagon 400 the maximum achievable fundamental wave of the strand voltage (peak value). The registered circle 402 shows the maximum achievable in the space vector modulation strand voltage of 1 3 U D C ,
Figure DE102017204106A1_0007
The dashed circle shows the effectively achievable in the basic frequency clocking strand voltage of 2 π U D C ,
Figure DE102017204106A1_0008

5 zeigt eine Darstellung eines Umschaltvorgangs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung entspricht dabei im Wesentlichen der Darstellung in 4. Hier ist ein Umschaltwinkelbereich 500 dargestellt. Der Winkelbereich 500 ist ein Kreissektor des durch eine Pulsweitenmodulationslänge 502 definierten Kreises 402 und vom Ursprung auf einen Eckpunkt des Sechsecks 400 gerichtet. Ähnliche, hier nicht dargestellte Umschaltwinkelbereiche sind für weitere Eckpunkte des Sechsecks 400 definiert. Weiterhin sind mehrere Betriebspunkte A, B, C markiert. Die Punkte A und B liegen dabei auf dem eingeschriebenen Kreis 402. Der Punkt C liegt auf dem Eckpunkt des Sechsecks 400, auf den der Umschaltwinkelbereich 500 ausgerichtet ist. Der Punkt C liegt außerhalb des mit Pulsweitenmodulation abdeckbaren Bereichs und ist über die Synchronmodulation erreichbar. 5 shows an illustration of a switching operation according to an embodiment of the present invention. The representation essentially corresponds to the illustration in FIG 4 , Here is a switching angle range 500 shown. The angle range 500 is a circular sector of the by a pulse width modulation length 502 defined circle 402 and from the origin to a corner of the hexagon 400 directed. Similar switching angle ranges not shown here are for further vertices of the hexagon 400 Are defined. Furthermore, several operating points A, B, C are marked. The points A and B lie on the inscribed circle 402 , The point C lies on the corner of the hexagon 400 to which the switching angle range 500 is aligned. The point C is outside the range coverable with pulse width modulation and can be reached via the synchronous modulation.

Wenn der Endpunkt des Spannungszeigers im Punkt A oder Punkt B liegt, ist die Länge des Spannungszeigers gleich der Pulsweitenmodulationslänge 502 und damit eine der Voraussetzungen zum Umschalten in die Synchronmodulation erfüllt. Punkt A liegt jedoch nicht im Umschaltwinkelbereich 500. Punkt B liegt innerhalb des Umschaltwinkelbereichs 500 und erfüllt beide Voraussetzungen. Wenn der Endpunkt des Spannungszeigers im Punkt B liegt, wird auf die Synchronmodulation und damit auf Punkt C umgeschaltet.If the endpoint of the voltage vector is at point A or point B, the length of the voltage vector is equal to the pulse width modulation length 502 and thus fulfills one of the requirements for switching to the synchronous modulation. However, point A is not within the switching angle range 500 , Point B is within the switching angle range 500 and meets both requirements. If the end point of the voltage vector is at point B, the system switches to synchronous modulation and thus to point C.

Sobald ein Modulationsverfahren freigegeben wird, wird es nicht sofort aktiv. Für den Umschaltzeitpunkt von der Pulsweitenmodulation in die synchrone Taktung wird gewartet, bis Bedingungen erfüllt sind. Eine der wichtigsten Bedingungen ist die Spannungszeigerlänge und der Winkel.Once a modulation scheme is released, it does not become active immediately. For the switching time from the pulse width modulation to the synchronous clocking is waited until conditions are met. One of the most important conditions is the voltage pointer length and the angle.

In eine synchrone Taktung wird nur umgeschaltet, wenn der rotierende Spannungszeiger sich in einem definierten Spannungsbereich 500 befindet. Ein Bereich 500 ist hier beispielhaft dargestellt. Die Spannungszeigerlänge muss eine gewisse Länge 502 überschritten haben. Die zu regelnde Aussteuerungsspannung wird beim Umschalten auf die jeweilige modulationsartabhängige Austeuerung geführt.In a synchronous clocking is only switched if the rotating voltage vector is in a defined voltage range 500 located. An area 500 is shown here by way of example. The voltage pointer length must be a certain length 502 have exceeded. The control voltage to be controlled is guided when switching to the respective modulationsartabhängige Austeuerung.

Es ist naheliegend, dass ein Sprung zwischen Punkt B und Punkt C unproblematischer ist, als ein Sprung zwischen Punkt A und Punkt C. Das liegt an den durch den Sprung entstehenden Winkelfehlern und Amplitudenfehlern, welche wiederum Ausgleichsströme verursachen.It is obvious that a jump between point B and point C is less problematic than a jump between point A and point C. This is due to the angle errors and amplitude errors caused by the jump, which in turn cause equalizing currents.

Falls die Spannungszeigerlänge einen vorgegebenen Wert unterschreitet, wird sofort in die Pulsweitenmodulation umgeschaltet. Die Umschaltung über die Spannungszeigerlänge erfolgt mit einer Hysterese. Es können andere Nebenbedingungen wie beispielsweise Ströme, Drehmomente und Drehzahlen berücksichtigt werden.If the voltage pointer length falls below a predetermined value, it is immediately switched to the pulse width modulation. Switching over the voltage pointer length is done with a hysteresis. Other constraints such as currents, torques and speeds may be considered.

Der hier vorgestellte Ansatz ist funktionsfähig für alle Drehfeldmaschinentypen, sowohl asynchrone als auch permanenterregte Maschinen (ASM, PSM). Dabei ergeben sich sanfte Übergänge zwischen den Modulationsarten und keine größeren Spannungssprünge beziehungsweise Ausgleichsströme durch die Modulationsartumschaltung. Durch die Übermodulation resultiert ein kontinuierlicher Übergang zwischen der Pulsweitenmodulation bis zur Grundfrequenztaktung. Durch eine Mehrfachtaktung, beispielsweise eine dreifach, fünffach oder siebenfach Taktung und/oder eine Mittenpulstaktung oder Flankenpulstaktung ergibt sich eine hohe Robustheit.The approach presented here is functional for all three-phase machine types, both asynchronous and permanent-magnet machines (ASM, PSM). This results in smooth transitions between the types of modulation and no major voltage jumps or equalizing currents through the modulation type switching. The overmodulation results in a continuous transition between the pulse width modulation to the fundamental frequency timing. By a multiple clocking, for example, a triple, quintuple or seven-fold timing and / or a center pulse timing or Flankenpulstaktung results in a high robustness.

6 zeigt eine Darstellung von Spannungsverläufen auf drei Phasen eines Wechselrichters während einer Übergangsmodulation gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hier ist als Übergangsmodulation eine ist eine Dreifachtaktung als Beispiel für eine Mehrfachtaktung beziehungsweise eine Flankenpulstaktung dargestellt. Die Spannungsverläufe weisen eine Rechteckform auf. Dabei ist dem eigentlichen Schaltpuls 600 jeweils ein kurzer Schaltimpuls 602 vorgelagert beziehungsweise nachgelagert. 6 shows a representation of voltage waveforms on three phases of an inverter during a transition modulation according to an embodiment of the present invention. Here is a transitional modulation as a triple-timing is shown as an example of a multiple clocking or a Flankenpulstaktung. The voltage curves have a rectangular shape. This is the actual switching pulse 600 in each case a short switching pulse 602 upstream or downstream.

Weiterhin sind zwei aus den darüber dargestellten Spannungsverläufen resultierende Spannungsverläufe im statorbezogenen α, β Koordinatensystem dargestellt. Die Grundschwingungsaussteuerung beträgt dabei α0 = 2 * cos α - 1. Über den Winkel α kann die Grundschwingungsaussteuerung geändert werden. Für den Fall α= 0 ergibt sich die Grundfrequenztaktung.Furthermore, two voltage curves resulting from the voltage curves shown above are shown in the stator-related α, β coordinate system. The fundamental oscillation output amounts to α 0 = 2 * cos α - 1. The basic oscillation output can be changed via the angle α. For the case α = 0 results in the fundamental frequency clocking.

7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines mehrphasigen Wechselrichters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren kann beispielsweise auf einer Vorrichtung, wie sie in 1 dargestellt ist, ausgeführt werden. Das Verfahren weist einen Schritt 700 des Einlesens und einen Schritt 702 des Umschaltens auf. Im Schritt 700 des Einlesens werden ein Winkel und eine Länge eines Spannungszeigers von einer feldorientierten Regelung eingelesen. Im Schritt 702 des Umschaltens wird von einer Pulsweitenmodulation auf eine Synchronmodulation zur Modulation des Spannungszeigers auf Steuersignale zum Ansteuern der Phasen des Wechselrichters umgeschaltet, wenn der Winkel in einem Umschaltwinkelbereich liegt und die Länge größer als eine Pulsweitenmodulationslänge ist. 7 FIG. 12 shows a flowchart of a method of operating a polyphase inverter according to an embodiment of the present invention. The method can be used, for example, on a device such as that described in US Pat 1 is shown executed. The method has one step 700 of reading in and one step 702 switching over. In step 700 When read in, an angle and a length of a voltage vector are read in by a field-oriented control. In step 702 the switching is switched from a pulse width modulation to a synchronous modulation for the modulation of the voltage vector to control signals for driving the phases of the inverter when the angle is in a switching angle range and the length is greater than a pulse width modulation length.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, this can be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment, either only the first Feature or only the second feature.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
Antriebssystemdrive system
102102
Elektromotorelectric motor
104104
Wechselrichterinverter
106106
Spannungsversorgungpower supply
108108
Vorrichtung zum BetreibenDevice for operating
110110
Steuersignalecontrol signals
112112
Einrichtung zum BereitstellenDevice for providing
114114
Führungsgrößecommand variable
116116
Regeleinrichtungcontrol device
118118
Einrichtung zum UmschaltenDevice for switching
120120
Modulatormodulator
122122
Spannungszeigervoltage vector
124124
Spannungsreglervoltage regulators
126126
Stromreglercurrent regulator
128128
Umrecheneinheitconversion unit
130130
Eingangsgrößeninput variables
200200
Schalterswitch
202202
hohes Potenzialhigh potential
204204
niedriges Potenziallow potential
300300
Sinusmodulationsinusoidal modulation
302302
Raumzeigermodulation, PulsweitenmodulationSpace vector modulation, pulse width modulation
304304
GrundfrequenzmodulationFundamental frequency modulation
400400
erster Bereichfirst area
402402
zweiter Bereichsecond area
500500
UmschaltwinkelbereichUmschaltwinkelbereich
502502
PulsweitenmodulationslängePulse width modulation length
600600
Schaltpulsswitching pulse
602602
Schaltimpulsswitching pulse
700700
Schritt des RegelnsStep of the rules
702702
Schritt des UmschaltensStep of switching

Claims (14)

Verfahren zum Betreiben eines mehrphasigen Wechselrichters (104), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Einlesen (700) eines Winkels und einer Länge eines Spannungszeigers (122) von einer feldorientierten Regelung (116); und Umschalten (702) von einer Pulsweitenmodulation (302) auf eine Synchronmodulation (304) zur Modulation des Spannungszeigers (122) auf Steuersignale (110) zum Ansteuern der Phasen des Wechselrichters (104), wenn der Winkel in einem Umschaltwinkelbereich (500) liegt und die Länge größer als eine Pulsweitenmodulationslänge (502) ist.A method of operating a polyphase inverter (104), the method comprising the steps of: Reading (700) an angle and a length of a voltage vector (122) from a field-oriented controller (116); and Switching (702) from a pulse width modulation (302) to a synchronous modulation (304) for modulating the voltage vector (122) to control signals (110) for driving the phases of the inverter (104) when the angle lies in a switching angle range (500) and the Length is greater than a pulse width modulation length (502). Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem im Schritt (702) des Umschaltens von der Synchronmodulation (304) auf die Pulsweitenmodulation (302) umgeschaltet wird, wenn die Länge kleiner als eine Synchronmodulationslänge ist.Method according to Claim 1 in which, in the step (702) of switching from the synchronous modulation (304) to the pulse width modulation (302) is switched, if the length is smaller than a synchronous modulation length. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (702) des Umschaltens zwischen der Pulsweitenmodulation (302) und der Synchronmodulation (304) auf eine Übergangsmodulation geschaltet wird.Method according to one of the preceding claims, wherein in step (702) the switching between the pulse width modulation (302) and the synchronous modulation (304) is switched to a transition modulation. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem im Schritt (702) des Umschaltens als Übergangsmodulation eine Übermodulation verwendet wird.Method according to Claim 3 in which an overmodulation is used in step (702) of the switching as transition modulation. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem im Schritt (702) des Umschaltens als Übergangsmodulation eine Flankenpulstaktung verwendet wird.Method according to Claim 3 in which, in step (702) of switching as transition modulation, edge pulse timing is used. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die feldorientierten Regelung (116) mit zwei Freiheitsgraden als Mehrgrößenregelung regelt.Method according to one of the preceding claims, in which the field-oriented control (116) regulates with two degrees of freedom as a multi-variable control. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem bei der feldorientierten Regelung (116) auf Ströme geregelt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein in the field-oriented control (116) is regulated to currents. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Umschalten (702) erst dann von der Pulsweitenmodulation (302) auf die Synchronmodulation (304) umgeschaltet wird, wenn eine von dem Winkel und der Länge des Spannungszeigers (122) abhängige Bedingung erfüllt ist.Method according to one of the preceding claims, in which, in the step of switching (702), switching is effected from the pulse width modulation (302) to the synchronous modulation (304) only when a condition dependent on the angle and the length of the voltage vector (122) is satisfied , Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Umschalten (702) erst dann von der Pulsweitenmodulation (302) auf die Synchronmodulation (304) umgeschaltet wird, wenn sich der rotierende Spannungszeiger (122) in einem definierten Spannungsbereich (500) befindet.Method according to one of the preceding claims, wherein in the step of switching (702), switching from the pulse width modulation (302) to the synchronous modulation (304) only occurs when the rotating voltage pointer (122) is in a defined voltage range (500). Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Umschalten (702) sofort von der Synchronmodulation (304) auf die Pulsweitenmodulation (302) umgeschaltet wird, wenn die Länge des Spannungszeigers (122) einen vorgegebenen Wert unterschreitet.Method according to one of the preceding claims, wherein in the step of switching (702) immediately from the synchronous modulation (304) to the pulse width modulation (302) is switched when the length of the voltage vector (122) falls below a predetermined value. Vorrichtung (108) zum Betreiben eines mehrphasigen Wechselrichters (104), wobei die Vorrichtung (108) eine Einrichtung (118) zum Ansteuern eines Modulators (120) aufweist, wobei der Modulator (120) dazu ausgebildet ist, einen von einer feldorientierten Regelung (116) bereitgestellten Spannungszeiger (122) auf Steuersignale (110) zum Ansteuern der Phasen des Wechselrichters (104) zu modulieren, wobei die Einrichtung (118) dazu ausgebildet ist, den Modulator (120) von einer Pulsweitenmodulation (302) auf eine Synchronmodulation (304) umzuschalten, wenn ein Winkel des Spannungszeigers (122) in einem Umschaltwinkelbereich (500) liegt und eine Länge des Spannungszeigers (122) größer als eine Pulsweitenmodulationslänge (502) ist. Apparatus (108) for operating a polyphase inverter (104), the apparatus (108) having means (118) for driving a modulator (120), the modulator (120) being adapted to receive a field oriented control (116 ) to modulate control signals (110) for driving the phases of the inverter (104), the device (118) being adapted to switch the modulator (120) from a pulse width modulation (302) to a synchronous modulation (304). when an angle of the voltage vector (122) is within a switching angle range (500) and a length of the voltage vector (122) is greater than a pulse width modulation length (502). Vorrichtung (108) gemäß Anspruch 11, mit einer Regeleinrichtung (116), die dazu ausgebildet ist, die feldorientierte Regelung auszuführen und den Winkel und die Länge des Spannungszeigers (122) in Abhängigkeit von einer Führungsgröße (114) auszugeben, und einem Modulator (120) zum Modulieren des Spannungszeigers (122) auf die Steuersignale (110), wobei der Modulator (120) durch die Einrichtung (118) zum Ansteuern angesteuert wird.Device (108) according to Claim 11 control device (116) adapted to perform field oriented control and output the angle and length of the voltage vector (122) in response to a command variable (114), and a modulator (120) for modulating the voltage vector (122 ) to the control signals (110), wherein the modulator (120) is driven by the means (118) for driving. Antriebssystem (100) mit einem mehrphasigen Elektromotor (102), einem mehrphasigen Wechselrichter (104) und einer Vorrichtung (108) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 12.A drive system (100) comprising a polyphase electric motor (102), a polyphase inverter (104) and a device (108) according to any one of Claims 11 to 12 , Antriebssystem (100) gemäß Anspruch 13, bei dem der Elektromotor (102) eine asynchrone oder eine permanenterregte Maschine ist.Drive system (100) according to Claim 13 in which the electric motor (102) is an asynchronous or a permanently excited machine.
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