DE102010064104A1

DE102010064104A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Ansteuern einer in einem Fahrzeug angeordneten Elektromaschine

Info

Publication number: DE102010064104A1
Application number: DE102010064104A
Authority: DE
Inventors: Sieghard Kotz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2012-06-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ansteuern einer in einem Fahrzeug angeordneten Elektromaschine (12), wobei das Fahrzeug angetriebene Räder aufweist und die Elektromaschine (12) ein auf die angetriebenen Räder wirkendes Drehmoment erzeugt, wobei die Elektromaschine (12) mindestens drei Phasen (14) aufweist, dieüber ansteuerbare Schaltelemente (16) eines Wechselrichters (18) mit einer Energiespeichereinheit (20) verbindbar sind. Die Vorrichtung weist eine Sollwerteinheit (22) auf, die dazu ausgebildet ist, einen Drehmomentsollwert (Msoll) für das von der Elektromaschine (12) zu erzeugende Drehmoment bereitzustellen. Ferner weist die Vorrichtung eine Kriteriumseinheit (54) auf, die dazu ausgebildet ist, ein Optimierungskriterium (Opk) bereitzustellen. Darüber hinaus weist die Vorrichtung eine Spannungszeigerermittlungseinheit (34) auf, die dazu ausgebildet ist, einen dem Drehmomentsollwert (Msoll) zugeordneten Spannungszeiger S,e)zu ermitteln. Ferner weist die Vorrichtung eine Tastverhältnisermittlungseinheit (52) auf, die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit des Spannungszeigers S,e)und des Optimierungskriteriums (Opk) Tastverhältniswerte (dcu, dcv, dcw) für die Schaltelemente (16) zu ermitteln. Außerdem weist die Vorrichtung eine Ansteuereinheit (56) auf, die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit der Tastverhältniswerte (dcu, dcv, dcw) Ansteuersignale (Au, Av, Aw) zum Ansteuern der Schaltelemente (16) zu erzeugen, so dass die Elektromaschine (12) ein dem Drehmomentsollwert (Msoll) entsprechendes Drehmoment erzeugt. Ferner betrifft die Erfindung ein zugehöriges Verfahren und ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ansteuern einer in einem Fahrzeug angeordneten Elektromaschine, wobei das Fahrzeug angetriebene Räder aufweist und die Elektromaschine ein auf die angetriebenen Räder wirkendes Drehmoment erzeugt, wobei die Elektromaschine mindestens drei Phasen aufweist, die über ansteuerbare Schaltelemente eines Wechselrichters mit einer Energiespeichereinheit verbindbar sind.
Fahrzeuge, die mit einer für den Antrieb vorgesehenen Elektromaschine ausgestattet sind, können als Hybridfahrzeug oder als Elektrofahrzeug ausgebildet sein. Bei einem Hybridfahrzeug wird neben der Elektromaschine ein weiteres Aggregat für den Antrieb eingesetzt, in der Regel ein Verbrennungsmotor. Wohingegen ein Elektrofahrzeug ausschließlich durch eine Elektromaschine angetrieben wird. Die zum Einsatz kommenden Elektromaschinen sind in der Regel als Innenläufermaschinen ausgelegt, bei denen ein drehbar gelagerter Rotor von einem ortsfesten Stator umschlossen ist. Der Stator erzeugt ein sich drehendes Magnetfeld, durch das der Rotor mitgenommen wird. Der Rotor trägt eine Rotorwelle, die wirktechnisch mit einer Antriebswelle des Fahrzeugs verbunden ist.
Als Elektromaschinen können Synchronmaschinen, insbesondere Hybrid-Synchronmaschinen, oder Asynchronmaschinen zum Einsatz kommen. Die Synchronmaschine kann dabei als permanent oder elektrisch erregte Synchronmaschine ausgebildet sein. Bei einer Hybrid-Synchronmaschine sind die Permanentmagnete so im Rotor angeordnet, dass der Reluktanzeffekt für die Erzeugung des auf den Rotor wirkenden Drehmoments mit genutzt wird. Bei einer Asynchronmaschine kann der Rotor auf zwei Arten ausgeführt sein. Er kann mit einer Wicklung aus massiven, permanent kurzgeschlossenen Leiterstäben bestückt sein. Alternativ kann er mit Drahtwicklungen bestückt sein, deren Enden auf Schleifringe geführt sind, wobei der elektrische Widerstand der Drahtwicklungen betriebszustandsabhängig verändert werden kann.
Damit eine in einem Fahrzeug verbaute Elektromaschine ein auf die angetriebenen Räder wirkendes Drehmoment erzeugen kann, welches einer vorliegenden. Drehmomentanforderung entspricht, ist es erforderlich, und zwar unabhängig davon, wie die Elektromaschine konkret ausgeführt ist, dass die Schaltelemente des Wechselrichters mit einem entsprechend generierten Pulsmuster angesteuert werden. Es gilt, einen aus einer Drehmomentanforderung hergeleiteten Spannungszeiger auf sinnvolle Schaltzustände eines Wechselrichters abzubilden.
Hierfür zum Einsatz kommende bekannte Vorrichtungen und Verfahren gewährleisten zwar dahingehend ein zuverlässiges Ansteuern der Elektromaschine, dass die Elektromaschine insgesamt ein Drehmoment erzeugt, das einer Drehmomentanforderung entspricht, diese Vorrichtungen und Verfahren sind jedoch hinsichtlich der konkreten Ansteuerung der einzelnen Schaltelemente eines Wechselrichters noch nicht optimal. So ist es bei diesen Vorrichtungen und Verfahren nicht möglich, dass beim Ansteuern der Schaltelemente, welches erfolgt, um ein einer Drehmomentanforderung entsprechendes Drehmoment zu erzeugen, gleichzeitig die hierfür vorgenommene Ansteuerung der einzelnen Schaltelemente an äußere Gegebenheiten angepasst ist. Dadurch können sich für das eine oder andere Schaltelement Schaltzustände ergeben, bei denen es zu unnötig hohen Verlustleistungen kommt oder die per se für das jeweilige Schaltelement ungünstig sind. Beides kann einerseits zu einem unnötig hohen Energieverbrauch und andererseits zu einer verkürzten Lebensdauer des jeweiligen Schaltelements führen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art weiterzubilden, um das Ansteuern der Schaltelemente, welches für das Erzeugen eines einer vorliegenden Drehmomentanforderung entsprechenden Drehmoments erforderlich ist, in einfacher Art und Weise an äußere Gegebenheiten anpassen zu können, um somit bei der Ansteuerung der Schaltelemente flexibel auf äußere Gegebenheiten reagieren zu können.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die folgende Mittel aufweist: Eine Sollwerteinheit, die dazu ausgebildet ist, einen Drehmomentsollwert für das von der Elektromaschine zu erzeugende Drehmoment bereitzustellen, eine Kriteriumseinheit, die dazu ausgebildet ist, ein Optimierungskriterium bereitzustellen, eine Spannungszeigerermittlungseinheit, die dazu ausgebildet ist, einen dem Drehmomentsollwert zugeordneten Spannungszeiger zu ermitteln, eine Tastverhältnisermittlungseinheit, die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit des Spannungszeigers und des Optimierungskriteriums Tastverhältniswerte für die Schaltelemente zu ermitteln, und eine Ansteuereinheit, die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit der Tastverhältniswerte Ansteuersignale zum Ansteuern der Schaltelemente zu erzeugen, so dass die Elektromaschine ein dem Drehmomentsollwert entsprechendes Drehmoment erzeugt.
Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem folgende Schritte ausgeführt werden:

– Bereitstellen eines Drehmomentsollwerts für das von der Elektromaschine zu erzeugende Drehmoment,
– Bereitstellen eines Optimierungskriteriums,
– Ermitteln eines dem Drehmomentsollwert zugeordneten Spannungszeigers,
– Ermitteln von Tastverhältniswerten für die Schaltelemente in Abhängigkeit des Spannungszeigers und des Optimierungskriteriums, und
– Erzeugen von Ansteuersignalen zum Ansteuern der Schaltelemente in Abhängigkeit der Tastverhältniswerte.

Der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Idee zugrunde, ein Optimierungskriterium bereitzustellen und dieses beim Ermitteln der Tastverhältniswerte zu berücksichtigen. Die Tastverhältniswerte legen die konkrete Ansteuerung und somit die konkreten Schaltzustände der einzelnen Schaltelemente fest. Folglich kann mittels des Optimierungskriteriums Einfluss auf die einzelnen Tastverhältniswerte und somit die Schaltzustände der einzelnen Schaltelemente genommen werden. Dadurch lässt sich eine an äußere Gegebenheiten bestens angepasste Ansteuerung der Schaltelemente realisieren. Mit solch einer angepassten Ansteuerung können zum einen die bei der Ansteuerung der Schaltelemente auftretenden Verlustleistungen reduziert und somit eine schonendere Ansteuerung der Schaltelemente erzielt werden, wodurch sich die Lebensdauer der Schaltelemente nachhaltig steigern und auch der Energieverbrauch senken lässt. Zum anderen kann durch solch eine angepasste Ansteuerung die Performance einer Elektromaschine verbessert werden, da sich die Ansteuerung der Schaltelemente und somit der sich daraus ergebende Stromfluss durch einzelne Phasen der Elektromaschine bestens an äußere Gegebenheiten anpassen lässt.
Die obengenannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Kriteriumseinheit dazu ausgebildet, das Optimierungskriterium in Abhängigkeit zumindest eines Betriebszustandes bereitzustellen, wobei es sich um einen während des Fahrbetriebs des Fahrzeuges auftretenden oder einzustellenden Betriebszustand handelt. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass das Ansteuern der Schaltelemente während des Fahrbetriebs des Fahrzeuges angepasst werden kann und somit eine an äußere Gegebenheiten bestens angepasste Ansteuerung der Schaltelemente erfolgen kann. So kann das Ansteuern der Schaltelemente an einen bereits vorliegenden Betriebszustand optimal angepasst werden. Das Ansteuern der Schaltelemente kann aber auch so modifiziert werden, dass sich ein gewünschter Betriebszustand aufgrund der geänderten Ansteuerung der Schaltelemente einstellt.
In einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahme handelt es sich bei dem Betriebszustand um zumindest einen der Betriebszustände Fahrzeugbetriebszustand, Schaltelementbetriebszustand und Phasenbetriebszustand. Diese Maßnahme ermöglicht eine umfassende Anpassung der Ansteuerung der Schaltelemente. Handelt es sich bei dem Betriebszustand um einen Fahrzeugbetriebszustand, so kann für unterschiedlichste Fahrzeugbetriebszustände ein jeweils bestens angepasstes Optimierungskriterium bereitgestellt werden. So kann beispielsweise für einen langsamen. Fahrbetrieb oder für einen aus dem Stillstand heraus erfolgenden Anfahrvorgang an einem Berg (sogenannte Hill-Hold Funktion) oder für einen sogenannten Segelbetrieb des Fahrzeuges, bei dem beispielsweise in Abhängigkeit des zu durchfahrenden Streckenverlaufs vorausschauend in einen Betriebsmodus umgestellt wird, bei dem kein bzw. lediglich ein sehr geringes antreibendes Drehmoment an den angetriebenen Rädern erzeugt wird, ein jeweils angepasstes Optimierungskriterium bereit gestellt werden. Handelt es sich bei dem Betriebszustand um einen Schaltelementbetriebszustand, so kann solch ein Optimierungskriterium bereitgestellt werden, bei dem die beim Ansteuern der Schaltelemente entstehenden Verluste gezielt auf jene Schaltelemente verteilt werden, die in ihrem jeweiligen Betriebszustand die Verluste am besten aufnehmen können bzw. die noch über die größte Temperaturreserve verfügen. Durch die Beeinflussung der an den einzelnen Schaltelementen vorliegenden bzw. entstehenden Verluste können fahrzustandsabhängig die Temperaturen der Schaltelemente bzw. deren Temperaturreserve überwacht und gegebenenfalls das Verlustleistungsbudget optimiert verteilt werden. Handelt es sich bei dem Betriebszustand um einen Phasenbetriebszustand, so kann solch ein Optimierungskriterium bereitgestellt werden, bei dem sichergestellt ist, dass eine Ansteuerung, die eventuell zu einer übermäßigen Beanspruchung einzelner bzw. der Phasen und somit zu deren Beschädigung führen kann, beendet wird oder gar nicht erst begonnen wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Kriteriumseinheit dazu ausgebildet, das Optimierungskriterium aus einer Vielzahl fest vorgegebener Optimierungskriterien auszuwählen. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass im Fahrbetrieb des Fahrzeugs einfach und schnell ein auf den jeweiligen Betriebszustand jeweils optimal ausgerichtetes Optimierungskriterium bereitgestellt werden kann. Somit kann die Ansteuerung der Schaltelemente schnell, zielgerichtet und vor allem reproduzierbar an den jeweils ermittelten Betriebszustand angepasst werden. Die fest vorgegebenen Optimierungskriterien werden im Vorfeld, d. h. im Rahmen einer Applikation definiert bzw. festgelegt, und zwar für verschiedenste Betriebszustände zumindest ein Optimierungskriterium. Vorteilhafterweise wird diese Vorgehensweise im Zusammenhang mit den Fahrzeugbetriebszuständen angewandt. So kann beispielsweise für einen langsamen Fahrbetrieb oder einen Anfahrvorgang an einem Hang oder einen Segelbetrieb ein jeweils fest vorgegebenes Optimierungskriterium bereitgestellt werden, gemäß dem dann eine jeweils angepasste Ansteuerung der Schaltelemente vorgenommen wird. So ist es denkbar, bei einem langsamen Fahrbetrieb oder einem Anfahrvorgang am Hang das Optimierungskriterium so zu wählen bzw. zu formulieren, dass die Summe der Tastverhältniswerte maximal wird. Dadurch können gezielt jene Schaltelemente des Wechselrichters be- oder entlastet werden, die die Verlustleistung am besten aufnehmen können. Alternativ kann auch solch ein Optimierungskriterium bereitgestellt werden, gemäß dem die Schaltelemente so angesteuert werden, dass sich für alle dieselbe Flächenverlustleistung ergibt. Es ist auch denkbar, solch ein Optimierungskriterium bereitzustellen, dass die Summe der Tastverhältniswerte minimal wird. Weiter alternativ ist es denkbar, bei einem Anfahrvorgang am Hang das Optimierungskriterium so zu formulieren, dass die Schaltelemente so angesteuert werden, dass gezielt eine Halbbrücke des Wechselrichters gar nicht angesteuert wird und somit durch die zugeordnete Phase der Elektromaschine gar kein Strom fließt. Das Auswählen eines Optimierungskriteriums aus einer Vielzahl fest vorgegebener Optimierungskriterien hat den Charakter, durch geeignete Auswahl ein Optimierungskriterium und somit eine Ansteuerungsstrategie dem Grunde nach auszuwählen bzw. festzulegen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Kriteriumseinheit dazu ausgebildet, das Optimierungskriterium in Abhängigkeit zumindest einer den Betriebszustand repräsentierenden Betriebsgröße zu ermitteln. Diese Maßnahme ermöglicht eine optimale Adaption des Optimierungskriteriums und somit der Ansteuerung der Schaltelemente an den jeweils vorliegenden Betriebszustand. Somit kann im Fahrbetrieb des Fahrzeugs ausgehend von einer Betriebsgröße ein Optimierungskriterium bestmöglich angepasst und somit die bestmögliche Ansteuerung der Schaltelemente eingestellt werden. Eine Betriebsgröße, in deren Abhängigkeit ein Optimierungskriterium ermittelt wird, kann die Temperatur sein. Handelt es sich bei dem Betriebszustand um einen Schaltelementbetriebszustand, so kann die vorstehend beschriebene gezielte Verteilung der Verluste auf die einzelnen Schaltelemente in Abhängigkeit einer erfassten Temperatur erfolgen. Hierzu wird beispielsweise mit einem Temperaturmodell für die einzelnen Schaltelemente die jeweils vorliegende Temperatur erfasst. Auch bei einem Phasenbetriebszustand kann das Optimierungskriterium in Abhängigkeit einer erfassten Temperatur bzw. einer vorliegenden Temperaturentwicklung bereitgestellt werden. Somit kann eine übermäßige Erhitzung einzelner Phasen vermieden werden. Hierfür kann vorgesehen sein, für die einzelnen Phasen die jeweilige Temperatur zu erfassen oder mittels eines Temperaturmodells, beispielsweise ausgehend von einer für den gesamten Rotor ermittelten Temperatur zu schätzen. Das Ermitteln des Optimierungskriteriums in Abhängigkeit einer Betriebsgröße hat den Charakter, das Optimierungskriterium gemäß einer definierten Regel ausgehend von der ermittelten Betriebsgröße zu ”berechnen”, weswegen auf das Hinterlegen einer Vielzahl fest vorgegebener bzw. vordefinierter Optimierungskriterien verzichtet werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Spannungszeigerermittlungseinheit dazu ausgebildet, einen Spannungszeiger zu ermitteln, der auf ein statorfestes Koordinatensystem bezogen ist, dessen Koordinatenachsen den Raumrichtungen der Phasen der Elektromaschine entsprechen. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass der dem Drehmomentsollwert zugeordnete Spannungszeiger, der letztlich ausgehend bzw. in Abhängigkeit des Drehmomentsollwerts ermittelt wird, in einzelne Spannungsanteile zerlegt wird, die mit den einzelnen Phasen der Elektromaschine jeweils erzeugt werden können. Mit anderen Worten: der Spannungszeiger wird auf den Wechselrichter abgebildet. Dadurch wird ein zuverlässiges Ansteuern der Schaltelemente des Wechselrichters und somit eine zuverlässige Drehmomenterzeugung durch die Elektromaschine sichergestellt.
In einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahme ist die Spannungszeigerermittlungseinheit dazu ausgebildet, zunächst einen rotorfesten und/oder statorfesten zweidimensionalen Spannungszeiger zu ermitteln und den zweidimensionalen Spannungszeiger dann in das statorfeste Koordinatensystem zu transformieren. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass eine einfach strukturierte, gleichzeitig aber äußerst robuste Regelung zum Ansteuern der Elektromaschine eingesetzt werden kann. Konkret handelt es sich um eine Vektorregelung, bei der der Spannungszeiger, genauer gesagt handelt es sich um einen Spannungsraumzeiger, mit der Rotorwelle der Elektromaschine mit rotiert. Vorzugsweise wird basierend auf dem Drehmomentsollwert zunächst ein rotorfester zweidimensionaler Spannungszeiger bzw. Spannungsraumzeiger ermittelt. Mittels einer geeigneten. Transformation wird aus dem rotorfesten zweidimensionalen Spannungszeiger ein statorfester zweidimensionaler Spannungszeiger ermittelt. Dies kann beispielsweise durch Anwendung einer inversen d/q-Transformation, die auch als inverse Park-Transformation bezeichnet wird, erreicht werden. Sowohl bei dem rotorfesten zweidimensionalen Spannungszeiger als auch bei dem statorfesten zweidimensionalen Spannungszeiger handelt es sich um zweiphasig dargestellte Spannungszeiger. Die Transformation des zweidimensionalen statorfesten, zweiphasig dargestellten Spannungszeigers in das dreiphasige und ebenfalls statorfeste Koordinatensystem erfolgt beispielsweise mittels einer inversen Clarke-Transformation. Dabei ist es nicht zwingend, dass zunächst ein rotorfester Spannungszeiger ermittelt wird, aus dem dann ein statorfester Spannungszeiger ermittelt, der dann die Grundlage für die Transformation in das dreiphasige statorfeste Koordinatensystem bildet. Es kann auch eine modifizierte Abfolge gewählt werden. Beispielsweise kann der zweiphasig dargestellte rotorfeste Spannungszeiger unter Anwendung einer entsprechend angepassten Transformation direkt in das dreiphasige statorfeste Koordinatensystem transformiert werden. Die Transformation des zweidimensionalen, zweiphasig dargestellten Spannungszeigers in das ebenfalls zweidimensionale statorfeste Koordinatensystem, welches so viele Phasen und damit Raumrichtungen hat, wie die Elektromaschine Phasen aufweist, führt dazu, dass für die Darstellung des Spannungszeigers mehr Freiheitsgrade zur Verfügung stehen, als eigentlich notwendig sind. Diese Überbestimmung kann dazu genutzt werden, eine optimierte Ansteuerung der Schaltelemente zu realisieren.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Tastverhältnisermittlungseinheit dazu ausgebildet, eine betrags- und richtungsinvariante Operation auf den Spannungszeiger anzuwenden. Durch diese Operation, die letztlich dazu führt, dass der Spannungszeiger weder in seinem Betrag noch in seiner Richtung verändert wird, werden Parameter eingeführt, anhand derer die Ansteuerung der Schaltelemente optimiert werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Tastverhältnisermittlungseinheit dazu ausgebildet, die Tastverhältniswerte durch Anwenden eines linearen Optimierungsverfahrens zu ermitteln. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren, mit dem unter Formulierung definierter einschränkender Bedingungen ein oder mehrere gesuchte Werte, im vorliegenden Fall die Tastverhältniswerte, in einfacher Art und Weise, mit einem geringen Rechenaufwand, schnell und zuverlässig minimiert oder maximiert und somit ermittelt werden können. Es werden somit jeweils Extremwerte für die Tastverhältniswerte unter bestimmten Bedingungen ermittelt. Als lineares Optimierungsverfahren kann beispielsweise das Simplex-Verfahren angewandt werden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine detaillierte schematische Darstellung der Elektromaschine, einer Energiespeichereinheit und des Wechselrichters,
3 eine Darstellung eines statorbezogenen Koordinatensystems mit den Achsen α und β und eines statorfesten Koordinatensystem, dessen Koordinatenachsen den Raumrichtungen der Phasen U, V, W der Elektromaschine entsprechen,
4 eine Darstellung einer auf den Spannungszeiger u →_S angewandten betrags- und richtungsinvarianten Operation,
5 zwei mögliche Abbildungen ein und desselben zweidimensionalen Spannungszeigers auf einen dreiphasigen Wechselrichter und zugehörige Pulsmuster,
6 eine Darstellung der Einschaltzeiten der beiden Schaltelemente einer Halbbrücke des Wechselrichters,
7 eine Darstellung ermittelter Tastverhältniswerte.
In 1 ist eine in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnete Vorrichtung zum Ansteuern einer in einem Fahrzeug angeordneten Elektromaschine 12 dargestellt. In der Vorrichtung 10 läuft ein entsprechendes Verfahren ab. Einzelne der in 1 dargestellten Komponenten sind in 2 in einem höheren Detailliertheitsgrad dargestellt.
Die Elektromaschine 12 erzeugt aufgrund der Ansteuerung ein Drehmoment, welches auf (nicht dargestellte) angetriebene Räder eines Fahrzeugs wirkt. Die Elektromaschine weist Phasen 14 auf, die über ansteuerbare Schaltelemente 16 eines Wechselrichters 18 mit einer Energiespeichereinheit 20 verbindbar sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel soll die Elektromaschine 12 drei Phasen 14 aufweisen. Dies soll jedoch keine einschränkende Wirkung haben. Selbstverständlich kann die Elektromaschine 12 auch mehr als drei Phasen aufweisen.
Die Vorrichtung 10 weist eine Sollwerteinheit 22 auf, die einen Drehmomentsollwert M_soll für das von der Elektromaschine 12 zu erzeugende Drehmoment bereitstellt. Das zu erzeugende Drehmoment kann die angetriebenen Räder beschleunigen oder verzögern. In die Ermittlung des Drehmomentsollwerts M_soll gehen der Fahrerwunsch und/oder von im Fahrzeug enthaltenen Fahrzeugstabilisierungssystemen 24 erzeugte Momentenvorgaben ein. Der Fahrerwunsch kann durch entsprechend ausgebildete Fahrerwunschsensoren 26 ermittelt werden, mit denen die vom Fahrer vorgenommene Betätigung des Fahrpedals und/oder Bremspedals ermittelt wird. insbesondere handelt es sich hierbei um einen Bremspedalsensor und um einen Fahrpedalsensor. Bei den Fahrzeugstabilisierungssystemen 24 kann es sich beispielsweise um ein ABS-System und/oder um ein in Fahrzeugen der Anmelderin verbautes DSC-System (Dynamische Stabilitäts Control) handeln. Mit einem ABS-System wird durch entsprechend durchgeführte Eingriffe verhindert, dass bei einem Bremsvorgang einzelne Räder blockieren, insbesondere bei einem vom Fahrer ausgelösten Bremsvorgang. Mit einem DSC-System kann ein Fahrzeug im Vortriebsfall und/oder bei einer Kurvenfahrt stabilisiert werden. Hierzu werden entsprechende Bremseneingriffe an einzelnen Rädern des Fahrzeuges durchgeführt. Momentenvorgaben, die die jeweils durchzuführenden Eingriffe charakterisieren, werden der Sollwerteinheit 22 ausgehend von dem jeweiligen Fahrzeugstabilisierungssystem 24 zugeführt.
In einer Stromführungsgrößenermittlungseinheit 28 werden ausgehend von dem Drehmomentsollwerts M_soll Stromführungsgrößen I_q,soll und I_d,soll ermittelt, bei denen es sich vorzugsweise um die in einem rotorbezogenen und somit zeitinvarianten Koordinatensystem dargestellten Stromführungsgrößen handelt. In die Ermittlung der Stromführungsgrößen I_q,soll und I_d,soll gehen weitere Größen ein. Diese Größen werden von entsprechenden Bereitstellungsmitteln 30 bereitgestellt, wobei es sich hierbei um entsprechend ausgebildete Sensoren handeln kann. Bei diesen Größen kann es sich beispielsweise um wenigstens eine der folgende Größen handeln: die an einem Zwischenkreis 32 anliegende Spannung U_ZK; die der Ansteuerung der Schaltelemente 16 zugrundeliegende Periodendauer T; die Drehzahl n der Elektromaschine 12. Optional können der Stromführungsgrößenermittlungseinheit 28 auch Stromistgrößen I_d,ist und Größe I_q,ist zugeführt werden. Dadurch kann die Abhängigkeit der Induktivitäten der Elektromaschine 12 von den durch die Phasen 14 fließenden Strömen erfasst und ggf. kompensiert werden. Die beiden Stromführungsgrößen I_q,soll und I_d,soll werden in der Stromführungsgrößenermittlungseinheit 28 beispielsweise unter Verwendung entsprechender Kennfelder ermittelt.
In Abhängigkeit der beiden Stromführungsgrößen I_q,soll und I_d,soll und jeweils zugehöriger Stromistgrößen I_q,ist und I_d,ist werden Regelabweichungen I_q,delta und I_d,delta ermittelt, die einer Spannungszeigerermittlungseinheit 34 zugeführt werden. Die Stromistgrößen I_q,ist und I_d,ist werden von einer Stromermittlungseinheit 36 bereitgestellt, der hierfür Stromwerte I_U, I_V und I_W zugeführt werden, die die in den einzelnen Phasen 14 fließenden Ströme repräsentieren. Hierfür werden zumindest der in der Phase U und der in der Phase V jeweils fließende Strom durch einen entsprechenden Stromsensor 38 gemessen, wobei der Stromsensor 38 jeweils beispielsweise als Hallsensor ausgeführt sein kann. Aus den beiden gemessenen Strömen I_U und I_V kann der Strom I_W rechnerisch ermittelt werden. Ferner wird der Stromermittlungseinheit 36 ein Rotorwinkel ψ zugeführt, der mit Hilfe eines Winkelsensors 40 ermittelt wird. Der Rotorwinkel ψ repräsentiert denjenigen Winkel, um den ein Rotor 42 der Elektromaschine 12 gegenüber ihrem Stator 44 ausgelenkt ist. Unter Verwendung eines die Elektromaschine 12 beschreibenden mathematischen Modells ermittelt die Stromermittlungseinheit 36 die beiden Stromistgrößen I_q,ist und I_d,ist in Abhängigkeit der ihr zuvor zugeführten Größen. Hierzu werden beispielsweise kaskadiert eine Clarke-Transformation und eine Park-Transformation (d/q-Transformation) angewandt.
In Abhängigkeit der beiden Stromführungsgrößen I_q,soll und I_d,soll und der beiden Stromistgrößen I_q,ist und I_d,ist ermittelt die Spannungszeigerermittlungseinheit 34 einen Spannungszeiger u →_S,c , der auf ein statorfestes Koordinatensystem bezogen ist, dessen Koordinatenachsen den Raumrichtungen der Phasen 14 der Elektromaschine 12 entsprechen. Babel wird zunächst ein zweidimensionaler rotorfester Spannungszeiger u →_rot ermittelt. Die d-Komponente U_d,soll dieses Spannungszeigers wird in einer ersten Rotorspannungszeigerermittlungseinheit 46d und die q-Komponente U_q,soll in einer zweiten Rotorspannungszeigerermittlungseinheit 46q ermittelt. Bei dem rotorfesten Spannungszeiger u →_rot handelt es sich um einen zweiphasig dargestellten Spannungszeiger, der auf ein rotorbezogenes und damit zeitinvariantes zweiachsiges d/q-Koordinatensystem bezogen ist. In einer Statorspannungszeigerermittlungseinheit 48 werden aus den beiden Komponenten U_d,soll und U_q,soll die beiden Komponenten u_α und u_β eines statorfesten zweidimensionalen Spannungszeigers u →_stat ermittelt. Dies kann beispielsweise unter Anwendung einer inversen. Park-Transformation erfolgen. Bei dem statorfesten Spannungszeiger u →_stat handelt es sich um einen zweiphasig dargestellten Spannungszeiger, der auf ein zweiachsiges statorbezogenes Koordinatensystem mit den Achsen α und β bezogen ist. In einer Transformationseinheit 50 wird der zweidimensionale statorfeste Spannungszeiger u →_stat in ein statorfestes Koordinatensystem transformiert, dessen Koordinatenachsen den Raumrichtungen der Phasen 14 der Elektromaschine 12 entsprechen. Hierbei kommt beispielsweise eine inverse Clarke-Transformation zur Anwendung. Es wird ein zweiphasig dargestellter Spannungszeiger in ein dreiphasiges Koordinatensystem transformiert. Die bei dieser Transformation ermittelten Komponenten u_e, v_e und w_e des Spannungszeigers u →_S,e werden einer Tastverhältnisermittlungseinheit 52 zur weiteren Verarbeitung zugeführt. Da die beiden Stromführungsgrößen I_q,soll und I_d,soll in Abhängigkeit des Drehmomentsollwerts M_soll ermittelt sind, werden die Spannungszeiger u →_rot, u →_stat , und u →_S,e in Abhängigkeit des Drehmomentsollwerts M_soll ermittelt.
In 3 ist der Sachverhalt der Transformation dargestellt. 3 zeigt zum einen ein zweiachsiges statorbezogenes Koordinatensystem mit den Achsen α und β und zum anderen ein statorfestes Koordinatensystem, dessen Koordinatenachsen U, V, W den Raumrichtungen der Phasen 14 der Elektromaschine 12 entsprechen. Bei der Transformation werden die beiden Komponenten u_α und u_β des in dem zweiachsigen statorbezogenen α,β-Koordinatensystem definierten zweidimensionalen statorfesten Spannungszeiger u →_stat auf die Achsen des dreidimensionalen U,V,W-Koordinatensystems abgebildet und somit die Komponenten u_e, v_e und w_e des Spannungszeigers u →_S,e ermittelt. D. h. die beiden Raumrichtungen α, β werden auf die drei Phasen- bzw. Wicklungsachsen U, V, W abgebildet.
Der Tastverhältnisermittlungseinheit 52 wird ferner ein von einer Kriteriumseinheit 54 bereitgestelltes Optimierungskriterium Opk zugeführt. Die Kriteriumseinheit 54 stellt das Optimierungskriterium Opk in Abhängigkeit zumindest eines Betriebszustandes bereit, wobei es sich um einen während des Fahrbetriebs des Fahrzeuges auftretenden oder einzustellenden Betriebszustand handelt. Bei dem Betriebszustand kann es sich um einen Betriebszustand des Fahrzeugs, um einen Betriebszustand eines Schaltelements 16 oder um einen Betriebszustand einer Phase 14 handeln. Dabei kann das Optimierungskriterium Opk aus einer Vielzahl fest vorgegebener Optimierungskriterien ausgewählt oder in Abhängigkeit zumindest einer den Betriebszustand repräsentierenden Betriebsgröße ermittelt werden. In Abhängigkeit des Spannungszeigers u →_S,e und des Optimierungskriteriums Opk ermittelt die Tastverhältnisermittlungseinheit 52 Tastverhältniswerte d_cu, d_cv und d_cw für die Schaltelemente 16. In Abhängigkeit dieser Tastverhältniswerte werden in einer Ansteuereinheit 56 Ansteuersignale A_u, A_v und A_w zum Ansteuern der Schaltelemente 16 erzeugt, so dass die Elektromaschine 12 ein dem Drehmomentsollwert M_soll entsprechendes Drehmoment erzeugt.
In der Tastverhältnisermittlungseinheit 52 wird zunächst eine betrags- und richtungsinvariante Operation auf den Spannungszeiger u →_S,e angewandt.
Hierfür weist die Tastverhältnisermittlungseinheit 52 eine Operatoreinheit 58 auf. Anschließend werden durch Anwenden eines linearen Optimierungsverfahrens die Tastverhältniswerte und d_cu, d_cv und d_cw ermittelt. Dies erfolgt in einer Optimierungseinheit 60.
Der Sachverhalt der in Operatoreinheit 58 durchgeführten betrags- und richtungsinvariante Operation ist in 4 dargestellt. Diese Operation setzt sich aus zwei Teiloperationen zusammen. In einer ersten Teiloperation, die auch als richtungsinvariante Operation bezeichnet werden kann, wird der Spannungszeiger u →_S,e mit einem Skalar λ multipliziert. Dadurch ändert sich der Betrag des Spannungszeigers u →_S,e seine Richtung bleibt jedoch erhalten. In einer zweiten Teiloperation wird mittels dreier additiver Spannungsraumzeiger k_u·e →_u, k_v·e →_v und k_w·e →_w eine Korrektur der erfolgten Betragsänderung vorgenommen. Durch Anwendung der beiden Teil Operationen bleibt der Spannungszeiger u →_S,e zwar in seinem Betrag und in seiner Richtung unverändert, durch den Skalar λ und die drei additiven Spannungszeiger k_u·e →_u, k_v·e →_v und k_w·e →_w werden jedoch zusätzliche Freiheitsgrade eingeführt, die im Rahmen der linearen Optimierung für die Ermittlung der Tastverhältniswerte verwendet werden können.
1 zeigt in stark vereinfachter Art den Signalverlauf ausgehend von einem mittels Fahrerwunschsensoren 26 erfassten Fahrerwunschs bis hin zur Berechnung der Tastverhältniswerte d_cu, d_cv und d_cw und somit der Ermittlung der durch die Ansteuersignale A_u, A_v und A_w definierten Pulsmuster für die Ansteuerung der Schaltelemente 16.
Dabei wird gewissermaßen ein zweidimensionaler, zweiphasig dargestellter Spannungszeiger auf einen dreiphasigen Wechselrichter 18 abgebildet, wobei es für die erfindungsgemäße Pulsmusteroptimierung keine Rolle spielt, ob hierfür der statorfeste Spannurigszeiger u →_stat oder der rotorfeste (feldorientierte) Spannungszeiger u →_rot genommen wird, da beide gegeneinander um den Polradwinkel verdreht sind und sich somit durch eine entsprechende Drehoperation ineinander überführen lassen. Bei dieser Betrachtung ist der zweidimensionale Spannungszeiger die Ausgangsgröße eines Elektromaschinenreglers bzw. die Stellgröße, die auf die Elektromaschine 12 geschaltet wird. Als Aktuator für die Elektromaschine dient der Wechselrichter 18.
Die Abbildung eines zweidimensionalen, zweiphasig dargestellten Spannungszeigers auf einen dreiphasigen Wechselrichter und somit auch zwangsläufig die sich daraus ergebenden Pulsmuster sind nicht eineindeutig. Dies soll anhand 5 erläutert werden. Teilfigur 5a zeigt einen zweidimensionalen Spannungszeiger u →_stat der aus den drei Komponenten u_e, v_e, w_e gebildet ist. Das zugehörige Pulsmuster, d. h. der zeitliche Verlauf der Ansteuersignale zur Ansteuerung der drei Phasen U, V, W ist in Teilfigur 5b dargestellt. Teilfigur 5c zeigt denselben Spannungszeiger u →_stat . Allerdings wird er in diesem Fall lediglich aus den beiden Komponenten u_e' und w_e' gebildet, was zu einem anderen, in Teilfigur 5d dargestellten Pulsmuster führt. Diese Betrachtung zeigt, dass ein- und derselbe Spannungszeiger durch zwei verschiedene Pulsmuster erzeugt werden kann; genaugenommen sind es beliebig viele Pulsmuster. Genau dies macht sich die Erfindung zu Eigen: durch die betrags- und richtungsinvariante Operation, die auf den Spannungszeiger angewandt wird, werden zusätzliche Freiheitsgrade geschaffen, die dann letztendendes im Rahmen eines linearen Optimierungsverfahrens genutzt werden, um die für einen vorliegenden oder einzustellenden Betriebszustand optimalen Tastverhältniswerte und somit die optimale Ansteuerung der Schaltelemete 16 ermitteln zu können.
An dieser Stelle sei der Begriff Tastverhältniswert erläutert. Der Wechselrichter 18 ist aus drei Halbbrücken 62 aufgebaut, wobei jede dieser Halbbrücken 62 aus zwei Schaltelementen 16 und zwei Dioden 64 besteht, wobei jeweils eine Diode 64 einem Schaltelement 16 parallel geschaltet ist. In 2 sind die Schaltelemente 16 als IGBTs ausgeführt. Dies soll keine einschränkende Wirkung haben. Es können auch andere Halbleiterbauelemente, beispielsweise MOSFETs eingesetzt werden. Die nachfolgenden Erläuterungen werden anhand der der Phase U zugeordneten Halbbrücke 62u gemacht und sind auf die beiden anderen Halbbrücken 62v und 62w entsprechend übertragbar.
Die Halbbrücke 62u weist ein als High Side Switch (HSS) bezeichnetes Schaltelement 16 und ein als Low Side Switch (LSS) bezeichnetes Schaltelement 16 auf. Um einen stromgeregelten Betrieb der Elektromaschine 12 darstellen zu können, wird die Halbbrücke 62u im allgemeinen Fall periodisch mit der Frequenz f = 1/T getaktet. Die beiden Schaltelemente 16 werden – abgesehen von der Schutzzeit, während der beide Schaltelemente 16 sperren – immer komplementär getaktet. D. h. wenn HSS leitet, sperrt LSS und umgekehrt.
Der Tastverhältniswert d_cu bezeichnet nun das Verhältnis zwischen der Einschaltzeit t_{ON_HSSu} des mit HSS bezeichneten Schaltelements 16 zu der gesamten Periodendauer T. D. h. es gilt:
Da HSS und LSS komplementär schalten, entspricht die Summe beider Einschaltzeiten t_{ON_HSSu} und t_{ON_LSSu} der gesamten Taktperiode T, wobei bei dieser Betrachtung die Schutzzeit der Schaltelemente unberücksichtigt bleibt. Somit gelten:
Die Zusammenhang der Einschaltzeit t_{ON_HSSu} für das mit HSS bezeichnete Schaltelement 16 der Phase U und der Einschaltzeit t_{ON_LSSu} für das mit LSS bezeichnete Schaltelement 16 derselben Phase ist in 6 dargestellt.
Da die beiden Schaltelemente einer Halbbrücke komplementär geschaltet bzw. angesteuert werden, kann eine der beiden Einschaltzeiten aus der anderen ermittelt werden, wie dies den Gleichungen (2) entnehmbar ist. Folglich reicht es aus, in der Tastverhältnisermittlungseinheit 52 beispielsweise für das mit HSS bezeichnete Schaltelement 16 der Halbbrücke 62u den Tastverhältniswert d_cu zu ermitteln. Der Tastverhältniswert für das mit LSS bezeichnete Schaltelement 16 dieser Halbbrücke kann dann, wie den Gleichungen (2) zu entnehmen ist, aus dem Tastverhältniswert d_cu ermittelt werden.
An dieser Stelle sei noch erwähnt, dass die Energiespeichereinheit 20 aus einem Zwischenkreis 32 und einer Spannungsquelle 66 besteht, wobei der Zwischenkreis 32 als Kondensator C_ZK ausgeführt ist.
Was den Stromfluss angeht, so soll für das vorliegende Ausführungsbeispiel folgende Definition gelten: ein positiver Phasenstrom bedeutet, dass ein Strom aus dem Brückenpunkt 68 des Wechselrichters 18 heraus in Richtung Elektromaschine 12 fließt. Ein negativer Phasenstrom bedeutet, dass ein Strom von der Elektromaschine 12 in den Brückenpunkt 68 des Wechselrichters 18 hineinfließt.
Im Folgenden werden Betrachtungen zu der Frage angestellt, wo in einem Wechselrichter Verluste auftreten können. Dabei sind je Halbbrücke 62 folgende vier Fälle zu unterscheiden:

– Es fließt ein positiver Phasenstrom, HSS leitet und LSS sperrt;
– es fließt ein positiver Phasenstrom, HSS sperrt und LSS leitet;
– es fließt ein negativer Phasenstrom, HSS leitet und LSS sperrt; und
– es fließt ein negativer Phasenstrom, HSS sperrt und LSS leitet.

Durchlassverluste treten in einem vom Strom durchflossenen Halbleiterbauelement auf. Bei dem in 2 dargestellten Wechselrichter 18 kann dies demnach bei zwölf Halbleiterbauelementen der Fall sein, nämlich bei den sechs Schaltelementen 16 und bei den sechs Dioden 64. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nun möglich, die Durchlassverluste gezielt auf jene Schaltelemente 16 bzw. Dioden 64 zu bringen, die diese Verluste am besten aufnehmen können, bzw. die noch über die größte Temperaturreserve verfügen. Ebenso können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren die an den Schaltelementen 16 auftretenden Schaltverluste minimiert werden.
Im Folgenden wird die Arbeitsweise der Transformationseinheit 50, der Operatoreinheit 58 und der Optimierungseinheit 60 beschrieben.
In der Transformationseinheit 50 wird der statorfeste Spannungszeiger u →_stat , bei dem es sich um einen zweidimensionalen Vektor mit den Komponenten u_α und u_β handelt, und der somit zweiphasig dargestellt ist, auf die drei in einer Ebene liegenden Raumrichtungen U, V, W eines statorfesten Koordinatensystems projiziert. Durch diese Projektion ergibt sich der Spannungszeigers u →_S,e mit seinen Komponenten u_e, v_e und w_e, die normierten Spannungen entsprechen. Die dieser Projektion zugrundeliegenden Einheitsvektoren ergeben sich zu:

wobei e →_u der Einheitsvektor in Raumrichtung U, e →_v der Einheitsvektor in Raumrichtung V und e →_w der Einheitsvektor in Raumrichtung W ist.
Für die Projektion gilt: 2 / 3·(u →_S ^T·e →_u)·e →_u + 2 / 3·(u →_S ^T·e →_v)·e →_v + 2 / 3·(u →_S ^T·e →_w)·e →_w = u →_S (4)
Dabei entspricht (u →_S ^T·e →_u)·e →_u der Projektion des Spannungszeigers in Raumrichtung U, (u →_S ^T·e →_v)·e →_v der Projektion des Spannungszeigers in Raumrichtung V und (u →_S ^T·e →_w)·e →_w der Projektion des Spannungszeigers in Raumrichtung W.
Eine Normierung von Gleichung (4) mit der Zwischenkreisspannung U_ZK ergibt:
In Gleichung (5) haben die skalaren Werte, genauer gesagt die Beträge der Vektoren den Charakter von Tastverhältniswerten.
Mit den Termen
ergibt sich für Gleichung (5) folgende vereinfachte Schreibweise: u_e·e →_u + v_e·e →_v + w_e·e →_w = u →_S,e. (7)
In der Operatoreinheit 58 wird eine betrags- und richtungsinvariante Operation auf den Spannungszeiger u →_S,e angewandt. Zunächst wird der Spannungszeiger u →_S,e mit einem Skalar λ multipliziert: λ(u_e·e →_u·v_e·e →_v + w_e·e →_w) = λu →_S,e, (8) wobei λ ≠ 0 gilt. Anschließend wird eine Korrektur mittels dreier additiver Spannungszeiger vorgenommen: λ(u_e·e →_u·v_e·e →_v + w_e·e →_w) + k_u·e →_u + k_v·e →_v + k_w·e →_w = u →_S,e (9).
Dadurch ergibt sich folgende erste notwendige Bedingung für den Vektor (λ, k_u, k_v, k_w,): λ·u →_S,e + k_u·e →_u + k_v·e →_v + k_w·e →_w = u →_S,e k_u·e →_u + k_v·e →_v + k_w·e →_w = u →_S,e·(1 – λ) (10)
Aus Gleichung (10) ergibt sich dann (λ·u_e + k_u)·e →_u + (λ·v_e + k_v)·e →_v + (λ·w_e + k_w)·e →_w = u →_S.e (11).
Gleichung (11) ist nun die für die Ermittlung der Tastverhältniswerte zu lösende Gleichung, für die eine Lösung in der Optimierungseinheit 60 ermittelt wird.
Ausgeschrieben lässt sich Gleichung (11) wie folgt darstellen:
Umformuliert ergeben sich daraus die beiden folgenden Gleichungen:
Um das durch die beiden Gleichungen (13) formulierte mathematische Problem mittels eines linearen Optimierungsverfahrens lösen zu können, werden ausgehend von diesen beiden Gleichungen folgende vier Ungleichungen formuliert:
Zusätzlich werden weitere notwendige Bedingungen formuliert. Diese Bedingungen ergeben sich aus Einschränkungen der Tastverhältniswerte auf sinnvolle Werte zwischen d_cmin und d_cmax. Basierend auf den Einschränkungen: dc_min >= 0, dc_max <= 1, dc_max >= dc_min, (15) lassen sich bezogen auf die einzelne Phase 14 folgende notwendige Bedingungen formulieren: λ·u_e + k_u ≥ dc_{min_U} => –λ·u_e – k_u ≤ –dc_{min_U} λ·u_e + k_u ≤ dc_{max_U} λ·v_e + k_v ≥ dc_{min_V} => –λ·v_e – k_v ≤ –dc_{min_V} λ·v_e + k_v ≤ dc_{max_V} λ·w_e + k_w ≥ dc_{min_W} => –λ·w_e – k_w ≤ –dc_{min_W} λ·w_e + k_w ≤ dc_{max_W} (16)
Aus den Gleichungen (14) und (16) ergibt sich folgendes lineares Ungleichungssystem bzw. lineares Programm:
Durch Formulierung eines geeigneten Optimierungskriteriums Opk kann dieses lineare Ungleichungssystem mittels eines linearen Optimierungsverfahrens gelöst werden bzw. eine Lösung für dieses Ungleichungssystem ermittelt werden.
Ein Optimierungskriterium hat allgemein formuliert die Bedeutung, dass eine Größe G eine Bedingung B erfüllen muss: G = B (18)
Beispielsweise kann folgendes Optimierungskriterium Opk formuliert werden: c →^T·k → = c_λ·λ + c_u·k_u + c_v·k_v + c_w·k_w = max. (19)
Dieses Optimierungskriterium legt fest, dass die Summe der Einschaltzeiten bzw. die Summe der Tastverhältniswerte maximal wird.
Das vorstehende lineare Ungleichungssystem lässt sich beispielsweise mit Hilfe des Simplex-Algorithmus lösen.
Insgesamt können verschiedene Optimierungskriterien formuliert werden, so beispielsweise eines der folgenden:

– Ansteuern des Wechselrichters 18, genauer gesagt der Schaltelemente 16 so, dass die Summe der Einschaltzeiten minimal wird. Dadurch können die Durchlassvere an den einzelnen Schaltelementen beeinflusst werden.
– Ansteuern des Wechselrichters 18, genauer gesagt der Schaltelemente 16 so, dass die Summe der Einschaltzeiten maximal wird. Auch mit diesem Optimierungskriterium können die Durchlassverluste an den einzelnen Schaltelementen beeinflusst werden.
– Ansteuern des Wechselrichters 18, genauer gesagt der Schaltelemente 16, mit einer festen applizierbaren minimalen Einschaltzeit. Dadurch fassen sich in bestimmten Betriebszuständen die durch die Schutzzeiten entstehenden Fehler kompensieren.

Durch Lösen bzw. als Lösung des vorstehend formulierten linearen Ungleichungssystems ergeben sich für einen Spannungszeiger drei zugehörige Einschaltzeiten bzw. Tastverhältniswerte, für jede der drei Phasen 14 der Elektromaschine 12 eine Zeit bzw. ein Wert. Dadurch dass das Problem der Abbildung eines zweiphasig dargestellten Spannungszeigers auf einen dreiphasigen Wechselrichter als lineares Programm formuliert ist, und durch Lösen dieses Programms, können verschiedenste Güte- bzw. Optimierungskriterien einfach formuliert und gelöst werden.
Für die Tastverhältniswerte gilt: dc_U = λ·u_e + k_u dc_V = λ·v_e + k_v dc_W = λ· w_e +k_w (20)
Der Tastverhältniswert d_cu ist der Phase U, der Tastverhältniswert d_cv der Phase V und der Tastverhältniswert d_cw der Phase W zugeordnet.
An dieser Stelle soll nochmals auf ein Optimierungskriterium näher eingegangen werden, nämlich dasjenige Optimierungskriterium, gemäß dem die Summe der Tastverhältniswerte maximal sein soll. Durch dieses Optimierungskriterium lässt sich erreichen, dass gezielt jene Schaltelemente 16 des Wechselrichters 18 be- oder entlastet werden, die die Verlustleistung am besten aufnehmen können. Dies lässt sich vor allem im langsamen Fahrbetrieb oder bei einer sogenannten Hill-Hold Funktion ausnutzen. Ausformuliert stellt sich dieses Optimierungskriterium Opk wie folgt dar: dc_U + dc_V + dc_W = 2·u_e + k_u + λ·v_e + k_v + λ·w_e + k_w = max (21).
Daraus ergibt sich: λ·(u_e + v_e + w_e) + k_u + k_v + k_w = max (22)
Unter Berücksichtigung von Gleichung (19) lässt sich dieses Optimierungskriterium Opk wie folgt vektoriell schreiben:
Nachfolgend soll ein weiteres Beispiel betrachtet werden. Bei diesem Beispiel geht es um die Definition von Schutzzeiten für die Schaltelemente 16.
Wie bereits erwähnt, kann das Ein- bzw. Ausschalten der Schaltelemente 16 nicht in unendlich kurzer Zeit erfolgen. D. h. bevor das jeweilige komplementäre Schaltelement leitend geschaltet wird, muss sichergestellt sein, dass das auszuschaltende zugehörige Schaltelement keinen Strom mehr führt. Dazu werden in der sogenannten Schutzzeit beide Schaltelemente nichtleitend geschaltet. Dies führt dazu, dass nicht alle gewünschten Tastverhältniswerte gestellt werden können, insbesondere dann nicht, wenn der geforderte Tastverhältniswert in einem Schaltelement (HSS oder LSS) eine Einschaltzeit zur Folge hätte, die kleiner als die Schutzzeit ist. Somit kann ein Tastverhältniswert nahe 0% sowie komplementär dazu einer nahe 100% nicht gestellt werden. Der Wechselrichter ist somit ein Stellglied mit einer „verbotenen Zone”. Dieses Problem wird relativ umso größer, je schneller der Wechselrichter getaktet wird, da die Schutzzeit im Allgemeinen eine konstante Größe ist. Durch diesen Effekt verliert man einen Stellbereich des Wechselrichters und zwar sowohl bei Tastverhältniswerten nahe 0% als auch bei Tastverhältniswerten nahe 100%.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nun möglich, zumindest eine der beiden verbotenen Zonen zu umgehen und den durch die Schutzzeit bedingten Fehler zu halbieren. An dieser Stelle sei erwähnt, dass zwar ein Tastverhältniswert nahe 0% nicht gestellt werden kann, der konkrete Wert 0% jedoch gestellt werden kann. Gleiches gilt für große Tastverhältniswerte nahe 100%. Der Tastverhältniswert kann zwar nicht beliebig nahe an 100% herangefahren werden, der konkrete Wert 100% kann jedoch gestellt werden.
Die Abbildung eines Raumspannungszeigers auf einen Wechselrichter mittels Raumzeigermodulation führt im allgemeinen Fall dazu, dass der größte Tastverhältniswert zu dem Wert 100% den gleichen Abstand hat wie der kleinste Tastverhältniswert zu dem 0%. Dieser Sachverhalt ist in 7 dargestellt, wobei die Annahme getroffen wurde, dass dc_U < dc_V < dc_W gilt. Wobei in diesem konkreten. Fall ferner gilt: dc_U = 1 – dc_W. Mit der Bezugsziffer 70 sind die verbotenen Stellbereiche gekennzeichnet, die den erlaubten Stellbereich einrahmen.
Da der Abstand des größten Tastverhältniswerts zu dem Wert 100% gleich groß ist, wie der Abstand des kleinsten Tastverhältniswerts zu dem Wert 0%, führt eine „Verletzung” des minimalen Tastverhältniswerts automatisch auch. zu einer „Verletzung” des maximalen Tastverhältniswerts. Wenn also der kleinste Tastverhältniswert kleiner ist als dc_min, dann ist auch der größte Tastverhältniswert größer als dc_max.
Demzufolge liegen also entweder keine oder zwei Stellbereichsverletzungen vor. Solange der kleinste Tastverhältniswert größer als 0.5 × dc_min ist, lässt sich durch das Einführen einer entsprechenden Gleichheitsbedingung in das lineare Programm, genauer gesagt in das lineare Ungleichungssystem, der Fehler der durch eine Verletzung des erlaubten Stellbereichs hervorgerufen wird, halbieren. Dadurch lassen sich Taktverhältniswerte ermitteln, von denen keiner im verbotenen Stellbereich liegt und sich somit durch Ansteuerung der Schaltelemente der geforderte Spannungszeiger einstellen bzw. realisieren.
Abschließend sei noch erwähnt, dass das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur bei dreiphasigen Systemen, insbesondere bei einer dreiphasigen Elektromaschine, eingesetzt werden kann, sondern auch bei Systemen bzw. Elektromaschinen mit mehr als drei Phasen. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur dazu eingesetzt werden, um im Fahrbetrieb eines Fahrzeugs die Tastverhältniswerte für das Ansteuern einer Elektromaschine zu ermitteln. Das Verfahren und die Vorrichtung können auch als Applikationstool eingesetzt werden, mit dem im Entwicklungsstadium eine Steuerelektronik optimiert werden, die dann in einem Fahrzeug zur Ansteuerung einer Elektromaschine eingesetzt wird.
Auch wenn vorstehend die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren mehrheitlich im Zusammenhang mit dem Ermitteln von Tastverhältniswerten beschrieben wurde, so können beide in entsprechender Weise auch beim Ermitteln anderer für das Ansteuern einer Elektromaschine relevanter Größen eingesetzt werden. Ferner ist es denkbar, unter Verwendung des der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegenden Ansatzes auch andere Größen zu ermitteln, die für den Fahrbetrieb eines Fahrzeugs relevant sind bzw. benötigt werden.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
12: Elektromaschine
14: Phase
16: Schaltelement
18: Wechselrichter
20: Energiespeichereinheit
22: Sollwerteinheit
24: Fahrzeugstabilisierungssystem
26: Fahrerwunschsensoren
28: Stromführungsgrößenermittlungseinheit
30: Bereitstellungsmittel
32: Zwischenkreis
34: Spannungszeigerermittlungseinheit
36: Stromermittlungseinheit
38: Stromsensor
40: Winkelsensor
42: Rotor
44: Stator
46: Rotorspannungszeigerermittlungseinheit
48: Statorspannungszeigerermittlungseinheit
50: Transformationseinheit
52: Tastverhältnisermittlungseinheit
54: Kriteriumseinheit
56: Ansteuereinheit
58: Operatoreinheit
60: Optimierungseinheit
62: Halbbrücke
64: Diode
66: Spannungsquelle
68: Brückenpunkt
70: verbotener Stellbereich

Claims

Vorrichtung zum Ansteuern einer in einem Fahrzeug angeordneten Elektromaschine (12), wobei das Fahrzeug angetriebene Räder aufweist und die Elektromaschine (12) ein auf die angetriebenen Räder wirkendes Drehmoment erzeugt, wobei die Elektromaschine (12) mindestens drei Phasen (14) aufweist, die über ansteuerbare Schaltelemente (16) eines Wechselrichters (18) mit einer Energiespeicher einheilt (20) verbindbar sind, mit einer Sollwerteinheit (22), die dazu ausgebildet ist, einen Drehmomentsollwert (M_soll) für das von der Elektromaschine (12) zu erzeugende Drehmoment bereitzustellen, einer Kriteriumseinheit (54), die dazu ausgebildet ist, ein Optimierungskriterium (Opk) bereitzustellen, einer Spannungszeigerermittlungseinheit (34), die dazu ausgebildet ist, einen dem Drehmomentsollwert (M_soll) zugeordneten Spannungszeiger (u →_S,e) zu ermitteln, einer Tastverhältnisermittlungseinheit (52), die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit des Spannungszeigers (u →_S,e) und des Optimierungskriteriums (Opk) Tastverhältniswerte (d_cu, d_cv, d_cw) für die Schaltelemente (16) zu ermitteln, und mit einer Ansteuereinheit (56), die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit der Tastverhältniswerte (d_cu, d_cv, d_cw) Ansteuersignale (A_u, A_v, A_w) zum Ansteuern der Schaltelemente (16) zu erzeugen, so dass die Elektromaschine (12) ein dem Drehmomentsollwert (M_soll) entsprechendes Drehmoment erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kriteriumseinheit (54) dazu ausgebildet ist, das Optimierungskriterium (Opk) in Abhängigkeit zumindest eines Betriebszustandes bereitzustellen, wobei es sich um einen während des Fahrbetriebs des Fahrzeuges auftretenden oder einzustellenden Betriebszustand handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Betriebszustand um zumindest einen der Betriebszustände Fahrzeugbetriebszustand, Schaltelementbetriebszustand und Phasenbetriebszustand handelt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kriteriumseinheit (54) dazu ausgebildet ist, das Optimierungskriterium (Opk) aus einer Vielzahl fest vorgegebener Optimierungskriterien auszuwählen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kriteriumseinheit (54) dazu ausgebildet ist, das Optimierungskriterium (Opk) in Abhängigkeit zumindest einer den Betriebszustand repräsentierenden Betriebsgröße zu ermitteln.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungszeigerermittlungseinheit (34) dazu ausgebildet ist, einen Spannungszeiger (u →_S,e) zu ermitteln, der auf ein statorfestes Koordinatensystem bezogen ist, dessen Koordinatenachsen den Raumrichtungen der Phasen (14) der Elektromaschine (12) entsprechen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungszeigerermittlungseinheit (34) dazu ausgebildet ist, zu nächst einen rotorfesten (u →_rot) und/oder statorfesten (u →_slat) zweidimensionalen Spannungszeiger zu ermitteln und den zweidimensionalen Spannungszeiger dann in das statorfeste Koordinatensystem zu transformieren.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tastverhältnisermittlungseinheit (52) dazu ausgebildet ist, eine betrags- und richtungsinvariante Operation auf den Spannungszeiger (u →_S,e) anzuwenden.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tastverhältnisermittlungseinheit (52) dazu ausgebildet ist, die Tastverhältniswerte (d_cu, d_cv, d_cw) durch Anwenden eines linearen Optimierungsverfahrens zu ermitteln.
Verfahren zum Ansteuern einer in einem Fahrzeug angeordneten Elektromaschine (12), wobei das Fahrzeug angetriebene Räder aufweist und die Elektromaschine (12) ein auf die angetriebenen Räder wirkendes Drehmoment erzeugt, wobei die Elektromaschine (12) mindestens drei Phasen (14) aufweist, die über ansteuerbare Schaltelemente (16) eines Wechselrichters (18) mit einer Energiespeichereinheit (20) verbindbar sind, mit den Schritten: – Bereitstellen eines Drehmomentsollwerts (M_soll) für das von der Elektromaschine (12) zu erzeugende Drehmoment, – Bereitstellen eines Optimierungskriteriums (Opk), – Ermitteln eines dem Drehmomentsollwert (M_soll) zugeordneten Spannungszeigers (u →_S,e) , – Ermitteln von Tastverhältniswerten (d_cu, d_cv, d_cw) für die Schaltelemente (16) in Abhängigkeit des Spannungszeigers (u →_S,e) und des Optimierungskriteriums (Opk), und – Erzeugen von Ansteuersignalen (A_u, A_v, A_w) zum Ansteuern der Schaltelemente (16) in Abhängigkeit der Tastverhältniswerte (d_cu, d_cv, d_cw).
Computerprogrammprodukt mit einem Datenträger mit Programmcode, der dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach Anspruch 10 durchzuführen, wenn der Programmcode in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 abläuft.